(57)【要約】【課題】セルの大容量化を可能にすること。【解決手段】セルユニットは、第１セルと、前記第１セルからみて第１方向に配置された第２セルと、第１光源から出力された光を、前記第１方向に垂直な第２方向に揃えられた複数のビームを含むビームアレイとして出力する第１光学系と、前記第１光学系から入射された前記第２方向の光を前記第１方向に反射して前記第１セルに入射する第１面を有する第２光学系と、前記第１光学系から入射された前記第２方向の光を前記第１方向に反射して前記第２セルに入射する第１面、および前記第２光学系の前記第１面によって反射されて前記第１セルを通過した前記第１方向の光を前記第２方向に反射する第２面を有する第３光学系と、前記第３光学系の前記第１面によって反射されて前記第２セルを通過した前記第１方向の光を前記第２方向に反射する第２面を有する第４光学系とを有する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
外部から入射された光により動作する第１セルと、
前記第１セルからみて第１方向に配置され、外部から入射された光により動作する第２セルと、
第１光源から出力された光を、前記第１方向に垂直な第２方向に揃えられた複数のビームを含むビームアレイとして出力する第１光学系と、
前記第１セルからみて前記第１方向と反対の方向に配置され、前記第１光学系から入射された前記第２方向の光を前記第１方向に反射して前記第１セルに入射する第１面を有する第２光学系と、
前記第２セルからみて前記第１方向と反対の方向に配置され、前記第１光学系から入射された前記第２方向の光を前記第１方向に反射して前記第２セルに入射する第１面、および前記第２光学系の前記第１面によって反射されて前記第１セルを通過した前記第１方向の光を前記第２方向に反射する第２面を有する第３光学系と、
前記第２セルからみて前記第１方向に配置され、前記第３光学系の前記第１面によって反射されて前記第２セルを通過した前記第１方向の光を前記第２方向に反射する第２面を有する第４光学系と
を有するセルユニット。
【請求項２】
前記第１セルおよび第２セルは、前記第１方向の光、および前記第１方向および前記第２方向の双方に垂直な第３方向の光により動作し、
前記第１光学系は、第２光源から出力された光を、前記第２方向に揃えられた複数のビームを含むビームアレイとして出力し、
前記第１セルからみて前記第３方向と反対の方向に配置され、前記第２光源から前記第１光学系を介して入射された前記第２方向の光を前記第３方向に反射して前記第１セルに入射する第５光学系と、
前記第２セルからみて前記第３方向と反対の方向に配置され、前記第２光源から前記第１光学系を介して入射された前記第２方向の光を前記第３方向に反射して前記第２セルに入射する第６光学系と
を有する請求項１に記載のセルユニット。
【請求項３】
前記第１セルおよび前記第２セルは、内部空間を有し、
前記内部空間には、円偏光によりスピン偏極する原子が封入され、
前記第１セルおよび前記第２セルに入射される前記第１方向の光は直線偏光であり、
前記第１セルおよび前記第２セルに入射される前記第３方向の光は円偏光であり、
前記第３光学系の前記第２面により反射された光の偏光面回転角を検出する第１検出素子および前記第４光学系の前記第２面により反射された光の偏光面回転角を検出する第２検出素子を含む検出手段を有する
ことを特徴とする請求項１に記載のセルユニット。
【請求項４】
前記第１セルからみて前記第３方向に配置され、外部から入射された前記第１方向の光および前記第３方向の光により動作する第３セルと、
前記第３セルからみて前記第３方向と反対の方向に配置され、前記第５光学系から入射された前記第２方向の光を前記第３方向に反射して前記第３セルに入射する第７光学系と
を有する請求項１−３のいずれかの項に記載のセルユニット。
【請求項５】
請求項３に記載のセルユニットと、
前記検出手段により検出された偏光面回転角を用いて、前記第２方向の磁場の強さを測定する測定手段と
を有する磁気測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、セルユニットおよび磁気測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
生体が発する磁場を測定する磁気センサーとして、ＳＱＵＩＤ（Superconducting Quantum Interference Device：超伝導量子干渉計）が知られている。また、ＳＱＵＩＤを用いない技術として、光ポンピング式の磁気センサーが知られている。非特許文献１は、光ポンピング式磁気センサーの動作原理を示している。非特許文献２は、マルチチャネルの光ポンピング式磁気センサーを用いた心磁計測のデモンストレーションを開示している。特許文献１は、複数の領域に同時にレーザービームを照射する技術を開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−３５４１３０号公報
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】コミニス（K. Kominis）、外３名，「サブフェムトテスラのマルチチャネル原子磁気測定器（A subfemtotesla multichannel atomic magnetometer）」，ネイチャー誌（Nature），（英国），ネイチャーパブリッシンググループ（Nature Publishing Group），２００３年４月１０日，第４２２巻，ｐ．５９６−５９９
【非特許文献２】バイソン（G. Bison）、外７名，「心信号のための、室温における１９チャネル磁場マッピング装置（A room temperature 19-channel magnetic field mapping device for cardiac signals）」，米国応用物理学会レター誌（Applied Physics Letters），（米国），米国応用物理学会（American Institute of Physics），２００９年６月２９日，第９５巻，ｐ．１７３７０１
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
光ポンピング式磁気センサーを高感度化する方法の一つとして、セルの内容積を増加させることがある。しかし、特許文献１に記載された技術では、光の伝播に用いられる空間が大きいため、セルの内容積を増加させると装置全体が大型化してしまう問題があった。
本発明は、セルの大容量化を可能にする技術を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、外部から入射された光により動作する第１セルと、前記第１セルからみて第１方向に配置され、外部から入射された光により動作する第２セルと、第１光源から出力された光を、前記第１方向に垂直な第２方向に揃えられた複数のビームを含むビームアレイとして出力する第１光学系と、前記第１セルからみて前記第１方向と反対の方向に配置され、前記第１光学系から入射された前記第２方向の光を前記第１方向に反射して前記第１セルに入射する第１面を有する第２光学系と、前記第２セルからみて前記第１方向と反対の方向に配置され、前記第１光学系から入射された前記第２方向の光を前記第１方向に反射して前記第２セルに入射する第１面、および前記第２光学系の前記第１面によって反射されて前記第１セルを通過した前記第１方向の光を前記第２方向に反射する第２面を有する第３光学系と、前記第２セルからみて前記第１方向に配置され、前記第３光学系の前記第１面によって反射されて前記第２セルを通過した前記第１方向の光を前記第２方向に反射する第２面を有する第４光学系とを有するセルユニットを提供する。
このセルユニットによれば、上記の構成を有さない場合と比較してセルを大容量化することができる。
【０００７】
好ましい態様において、前記第１セルおよび第２セルは、前記第１方向の光、および前記第１方向および前記第２方向の双方に垂直な第３方向の光により動作し、前記第１光学系は、第２光源から出力された光を、前記第２方向に揃えられた複数のビームを含むビームアレイとして出力し、このセルユニットは、前記第１セルからみて前記第３方向と反対の方向に配置され、前記第２光源から前記第１光学系を介して入射された前記第２方向の光を前記第３方向に反射して前記第１セルに入射する第５光学系と、前記第２セルからみて前記第３方向と反対の方向に配置され、前記第２光源から前記第１光学系を介して入射された前記第２方向の光を前記第３方向に反射して前記第２セルに入射する第６光学系とを有してもよい。
このセルユニットによれば、上記の構成を有さない場合と比較してセルを大容量化することができる。
【０００８】
好ましい態様において、前記第１セルおよび前記第２セルは、内部空間を有し、前記内部空間には、円偏光によりスピン偏極する原子が封入され、前記第１セルおよび前記第２セルに入射される前記第１方向の光は直線偏光であり、前記第１セルおよび前記第２セルに入射される前記第３方向の光は円偏光であり、前記第３光学系の前記第２面により反射された光の偏光面回転角を検出する第１検出素子および前記第４光学系の前記第２面により反射された光の偏光面回転角を検出する第２検出素子を含む検出手段を有してもよい。
このセルユニットによれば、円偏光でスピン偏極する原子が封入されたセルを大容量化することができる。
【０００９】
別の好ましい態様において、このセルユニットは、前記第１セルからみて前記第３方向に配置され、外部から入射された前記第１方向の光および前記第３方向の光により動作する第３セルと、前記第３セルからみて前記第３方向と反対の方向に配置され、前記第５光学系から入射された前記第２方向の光を前記第３方向に反射して前記第３セルに入射する第７光学系とを有してもよい。
このセルユニットによれば、２次元的に配置されたセルを大容量化することができる。
【００１０】
また、本発明は、上記のセルユニットと、前記検出手段により検出された偏光面回転角を用いて、前記第２方向の磁場の強さを測定する測定手段とを有する磁気測定装置を提供する。
この磁気測定装置によれば、上記の構成を有さない場合と比較して高感度化することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】磁気測定装置１の構成を示す図である。
【図２】アレイセンサー１０の断面構造をを示す模式図である。
【図３】セルアレイ１３の構造を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
図１は、一実施形態に係る磁気測定装置１の構成を示す図である。磁気測定装置１は、アレイセンサー１０と、信号処理器２０と、光源３０と、光源４０とを有する。磁気測定装置１は、例えば心磁計であり、生体の心臓の状態を磁気により観測する装置である。詳細は後述するが、磁場の測定は、光源３０（第１光源の一例）から出力される光（プローブ光）と光源４０（第２光源の一例）から出力される光（ポンプ光）を用いて行われる。磁気測定装置１は、光ポンピング式磁気センサーである。光源３０および光源４０は、例えばチューナブルレーザーである。
【００１３】
図２は、アレイセンサー１０の断面構造を示す模式図である。アレイセンサー１０は、アレイイルミネーター１１と、アレイイルミネーター１２と、セルアレイ１３と、光検出層１４とを有する。説明のため、座標軸を以下のように定義する。図中右向きにｘ軸（第１方向の一例）を、紙面に垂直で紙面から読者に向かう向きにｙ軸（第３方向の一例）を、図中上向きにｚ軸（第２方向の一例）をとる。
【００１４】
アレイイルミネーター１１は、光源３０から入射されたプローブ光を繰り返し反射させてビームを分岐し、２次元に広がるビームアレイを形成する。すなわち、アレイイルミネーター１１は、光源３０から出力されたプローブ光を、ｚ軸方向に揃えられた複数のビームを含むビームアレイとして出力する第１光学系の一例である。アレイイルミネーター１１は、回折格子１１１と、光カプラー１１２と、導光体１１３とを有する。光源３０から出力されたプローブ光は、光ファイバー等の伝送手段によりアレイイルミネーター１１に導かれ、光カプラー１１２を介して光結合される。アレイイルミネーター１１に導かれた光は、回折格子１１１および導光体１１３の面で繰り返し反射されることにより分岐したビーム（光束）となり、２次元的に広がるビームアレイとなる。このビームアレイは、ｚ軸方向に揃えられた複数のビームを含む。プローブ光は、直線偏光である。
【００１５】
アレイイルミネーター１２は、光源４０から入射されたポンプ光を繰り返し反射させてビームを分岐し、２次元に広がるビームアレイを形成する。すなわち、アレイイルミネーター１２は、光源４０から出力されたポンプ光を、ｚ軸方向に揃えられた複数のビームを含むビームアレイとして出力する第１光学系の一例である。アレイイルミネーター１２は、回折格子１２１と、光カプラー１２２と、導光体１２３とを有する。光源４０から出力されたポンプ光は、光ファイバー等の伝送手段によりアレイイルミネーター１２に導かれ、光カプラー１２２を介して光結合される。アレイイルミネーター１２に導かれたポンプ光は、回折格子１２１および導光体１２３の面で繰り返し反射されることにより分岐したビームとなり、２次元的に広がるビームアレイとなる。このビームアレイは、ｚ軸方向に揃えられた複数のビームを含む。ポンプ光は、図示しないλ／４板（４分の１波長板）等により、光カプラー１２２に入射される前に円偏光に変換される。なお、図面が煩雑になるのを防ぐため、図２にはポンプ光を示していない。
【００１６】
セルアレイ１３は、複数のセル１３１と、複数のミラー１３２と、複数のミラー１３３（図２では省略）とを有する。複数のセル１３１は、ｚ軸座標が一定の面において、ｘ軸方向およびｙ軸方向に沿ってマトリクス状に配置されている。図２の例では、ｘ軸方向に８個のセル１３１および９個のミラー１３２が並べられている。
【００１７】
図３は、セルアレイ１３の構造を示す図である。図３において、右方向がｘ軸方向であり、下方向がｙ軸方向であり、紙面に垂直で紙面から読者に向かう向きがｚ軸方向である。ここでは、セル１３１の各々を区別して説明するため、セル１３１（ｘ，ｙ）のように配列を用いて表記する。配列のインデックスは、座標軸方向の上流から順番に割り当てられる。例えば、ｘ軸方向については、図２において左から順に、１、２、３、…、８とインデックスが割り当てられる。ミラー１３２およびミラー１３３についても同様である。
【００１８】
セル１３１は、ｘ軸方向のプローブ光およびｙ軸方向のポンプ光により動作する。セル１３１は、ガラスまたはプラスチック等の、ポンプ光およびプローブ光を透過する材料で形成され、内部空間を有する。この内部空間には、気体の状態のアルカリ金属原子（カリウム（Ｋ）、ルビジウム（Ｒｂ）、またはセシウム（Ｃｓ）等）が封入されている。アルカリ金属原子は、ｙ軸方向のポンプ光が照射されるとｙ軸に沿ってスピン偏極し、磁化された状態になる。この磁化ベクトルは測定の対象となるｚ軸方向の磁場に応じた角周波数で歳差運動する。磁化ベクトルは、歳差運動の緩和作用とのバランスでｙ軸に対して定常的に傾いている。この傾きにより、磁化ベクトルは、ｘ軸方向の成分を有する。セル１３１には、外部からｘ軸方向のプローブ光が入射される。プローブ光がセル１３１を通過するとき、ファラデー効果によってその偏光面が回転する。偏光面回転角は、ｚ軸方向の磁場の強さに比例する。
【００１９】
ここで、セル１３１（１，１）（第１セルの一例）、セル１３１（２，１）（第２セルの一例）、およびセル１３１（１，２）（第３セルの一例）の３つのセルと、ミラー１３２（１，１）（第２光学系の一例）、ミラー１３２（２，１）（第３光学系の一例）、およびミラー１３２（３，１）（第４光学系の一例）の３つのミラーと、ミラー１３３（１，１）（第５光学系の一例）、ミラー１３３（２，１）（第６光学系の一例）、およびミラー１３３（１，２）（第７光学系の一例）の３つのミラーとを例にとり、セルアレイ１３の構造を説明する。セル１３１（２，１）は、セル１３１（１，１）から見てｘ軸方向に配置されている。ミラー１３２（１，１）は、セル１３１（１，１）から見てｘ軸方向と反対方向（ｘ軸負方向）に配置されている。ミラー１３２（２，１）は、セル１３１（１，１）から見てｘ軸方向（すなわち、セル１３１（２，１）から見てｘ軸方向と反対方向）に配置されている。ミラー１３２（３，１）は、セル１３１（２，１）から見てｘ軸方向に配置されている。ミラー１３３（１，１）は、セル１３１（１，１）から見てｙ軸方向と反対方向（ｙ軸負方向）に配置されている。ミラー１３３（２，１）は、セル１３１（２，１）から見てｙ軸方向と反対方向に配置されている。ミラー１３３（１，２）は、セル１３１（２，１）から見てｙ軸方向と反対方向（セル１３１（２，１）から見てｙ軸方向）に配置されている。これら以外の他のセル１３１、ミラー１３２、およびミラー１３３の位置関係もこれと同様である。
【００２０】
再び図２を参照する。ミラー１３２は、アレイイルミネーター１１から入射されたｚ軸方向のプローブ光をｘ軸方向に反射する面１３２１（第１面の一例）と、面１３２１によって反射された後セル１３１を通過したｘ軸方向のプローブ光をｚ軸方向に反射する面１３２２（第２面の一例）とを有する。面１３２１および面１３２２は、入射光を全反射する面である。この例で、ミラー１３２は板の形状を有しており、面１３２１および面１３２２は表面および背面の関係にある。ミラー１３２はｘ軸およびｚ軸に対して４５°傾いているが、ｙ軸に対しては傾いていない。
【００２１】
ミラー１３３とセル１３１との位置関係は、ミラー１３２とセル１３１とをｚ軸に沿って９０°回転させた関係と等しい。ミラー１３３は、アレイイルミネーター１２から入射されたｚ軸方向のポンプ光をｙ軸方向に反射する面と、この面によって反射された後セル１３１を通過したｙ軸方向のポンプ光を吸収する面とを有する。前者の面は、入射光を全反射する面である。この例で、ミラー１３３は板の形状を有しており、前述の２つの面は表面および背面の関係にある。ミラー１３３はｙ軸およびｚ軸に対して４５°傾いているが、ｘ軸に対しては傾いていない。
【００２２】
光検出層１４は、ＰＢＳ（Polarizing Beam Splitter：偏光ビームスプリッター）１４１と、ＰＤ（Photo Detector：光検出器）アレイ１４２と、同軸ケーブル１４３とを有する。ＰＢＳ１４１は、入射されたプローブ光を、直交する２つの偏光成分（例えば、ｘ軸成分とｙ軸成分）に分離して出力する。ＰＤアレイ１４２は、ＰＤ１４２１およびＰＤ１４２２の光検出器を有する。ＰＤ１４２１およびＰＤ１４２２は、ＰＢＳ１４１によって分離された成分、すなわちｘ軸成分とｙ軸成分の光量を検出する。同軸ケーブル１４３は、検出された光量を示す信号を伝送する、多チャンネル伝送路である。同軸ケーブル１４３は信号処理器２０に接続されている。信号処理器２０は、入力された信号が示す光量の差から、偏光面回転角を算出する。すなわち、ＰＤアレイ１４２は、ミラー１３２の面１３２２により反射されたプローブ光の偏光面回転角を検出する検出素子の一例である。ＰＤアレイ１４２とセル１３１とは一対一に対応している。ＰＤアレイ１４２は、セル１３１と同様にマトリクス状に配置されている。複数のＰＤアレイ１４２の集合は、複数のセル１３１における偏光面回転角を検出する検出手段の一例である。ＰＤアレイ１４２は剛性の高い支持体（例えばプラスチックやガラス）に固定されている。
【００２３】
信号処理器２０は、処理部２１と、表示部２２とを有する。処理部２１（測定手段の一例）は、プロセッサーおよびメモリーを有する。処理部２１は、同軸ケーブル１４３を介して入力された信号を用いて、セル１３１の各々についてｚ軸方向の磁場の強さを算出する。表示部２２は、ＣＲＴ（Cathode Ray Tube）またはＬＣＤ(Liquid Crystal Display)等の表示装置を有する。表示部２２は、算出された磁場の強さを示す文字または画像を表示する。
【００２４】
磁気測定装置１は、上記の構成を用いて生体の磁場を測定する。磁場の測定は概ね以下のとおり行われる。測定に先立ち、光源３０および光源４０の電源はオンされている。図示しないスイッチ等により磁場の測定が指示されると、信号処理器２０は、アレイセンサー１０から出力された信号を用いて磁場を測定し、測定結果を表示する。
【００２５】
磁気測定装置１によれば、アレイイルミネーター１１およびアレイイルミネーター１２を用いない場合と比較して、セル１３１に対して光学系（ミラー１３２およびミラー１３３）が占める領域の割合を減らすことができ、セル１３１の大容量化（すなわち高感度化）、および高密度化（すなわち高空間分解能化）をすることができる。
【００２６】
本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、種々の変形実施が可能である。以下、変形例をいくつか説明する。以下の変形例のうち２つ以上のものが組み合わせて用いられてもよい。
【００２７】
ポンプ光のビームアレイを形成する光学系と、プローブ光のビームアレイを形成する光学系とは、同一であってもよい。上述の実施形態においては、アレイイルミネーター１１がプローブ光のビームアレイを、アレイイルミネーター１２がポンプ光のビームアレイを、それぞれ形成する例を説明した。しかし、例えば、アレイイルミネーター１１が、ポンプ光のビームアレイおよびプローブ光のビームアレイを形成する構成を有していてもよい。ビームアレイを形成するための回折格子は、必ずしも導光体（基板）の全面に設けられている必要はなく、ビームを反射させたい領域に形成してあれば十分である。したがって、アレイイルミネーター１１の例えば下面のうち、ポンプ光を反射させたい領域にはｘ軸方向の回折格子を、プローブ光を反射させたい領域にはｙ軸方向の回折格子を形成してもよい。
【００２８】
アレイイルミネーター１１においてビームアレイを形成する光学系は、回折格子１１１に限定されない。ビームを分岐させるように構成された誘電体多層膜が、ビームアレイを形成する光学系として用いられてもよい。この光学系は、直進するレーザービームをクランク状に折り曲げつつ分岐させ、一定の方向（実施形態ではｚ軸方向）に揃えられた複数のビームとして出力するものであればどのような構成のものが用いられてもよい。アレイイルミネーター１２についても同様である。
【００２９】
磁気測定装置１の光源の数は２つに限定されない。磁気測定装置１は、単一の光源のみを有していてもよい。この場合、磁気測定装置１は、非線形光学回転（Nonlinear Magneto-Optical Rotation、ＮＭＯＲ）や、光二重共鳴法を用いてもよい。これらの方法によれば、１つのビームがポンプ光とプローブ光を兼ねる。
【００３０】
セル１３１には、アルカリ金属のガスに加え、ヘリウム（Ｈｅ）あるいはアルゴン（Ａｒ）等の希ガス、または窒素（Ｎ）等の非磁性のガスがバッファーガスとして封入されてもよい。また、アルカリ金属原子は、必ずしも常時ガス化している必要はなく、磁場を測定するときにガス化すればよい。例えば、測定をしないときは固体で、測定の時に加熱することによりガス化させる構成が用いられてもよい。さらに、セル１３１において磁性媒体としてもちいられるガスはアルカリ金属に限定されない。ポンプ光によりスピン偏極するものであれば、どのような原子が用いられてもよい。
【００３１】
ミラー１３３の裏面（セル１３１を通過したｙ軸方向のポンプ光が入射される面）は、ポンプ光を吸収するものに限定されない。ポンプ光を反射するものであってもよい。この場合において、例えば光ポンピングの効率を上げるため、ミラー１３３の裏面は入射されたポンプ光をｙ軸負方向に反射するものであってもよい。この構成によれば、セル１３１内をポンプ光が２度通過するので、１度しか通過しない場合と比較してポンピング効率が向上する。また、ミラー１３２またはミラー１３３に代わる光学系として、全反射条件を満たすように構成されたエアーギャップ（空気の層）が用いられてもよい。
【００３２】
セルアレイ１３におけるセル１３１の配置は、２次元配置に限定されない。セル１３１が１次元的に、すなわち直線上に配置された構成が用いられてもよい。
ｘ軸とｙ軸とは直交していなくてもよい。
ポンプ光は円偏光の成分を含んでいればよく、１００％円偏光でなく、直線偏光の成分を含んでいてもよい。プローブ光についても同様である。
上述の実施形態においてはセルアレイ１３を磁気測定装置に適用する例を説明したが、セルアレイ１３は、表示装置、磁気測定装置以外の装置に用いられてもよい。磁気測定装置以外の装置に用いられる場合、セル１３１は、内部にアルカリ金属のガスを有さない。この場合、セル１３１は、外部から入射される光により動作するものであればよい。
【符号の説明】
【００３３】
１…磁気測定装置、１０…アレイセンサー、１１…アレイイルミネーター、１２…アレイイルミネーター、１３…セルアレイ、１４…光検出層、２０…信号処理器、２１…処理部、２２…表示部、３０…光源、４０…光源、１１１…回折格子、１１２…光カプラー、１１３…導光体、１２１…回折格子、１２２…光カプラー、１２３…導光体、１３１…セル、１３２…ミラー、１３３…ミラー、１４１…ＰＢＳ、１４２…ＰＤアレイ、１４３…同軸ケーブル、１３２１…面、１３２２…面、１４２１…ＰＤ、１４２２…ＰＤ
【図１】
2012047573.tif 000003
【図２】
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【図３】
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