JP2015143669A - 磁場計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】光学ノイズの影響を除去する。【解決手段】ガスセル１、２は、第１検出光、第２検出光を透過させて、これらに含まれる直線偏光の偏光面を磁場の強度に応じて回転させる。第１検出部４１は、ガスセル１を透過した第１検出光に含まれる直線偏光の偏光面を検出する。第２検出部４２は、ガスセル２を透過した第２検出光に含まれる直線偏光の偏光面を検出する。第３検出部４３および第４検出部４４は、ガスセル１、２を透過していない第１検出光および第２検出光にそれぞれ含まれる直線偏光の偏光面を検出する。計測部６は、第３検出部４３の検出結果を用いて、第１検出部４１の検出結果から第１検出光に付与された光学ノイズによる影響を除去するとともに、第４検出部４４の検出結果を用いて、第２検出部４２の検出結果から第２検出光に付与された光学ノイズによる影響を除去し、ガスセル１、２における磁場の差を計測する。【選択図】図１

Description

本発明は、光を利用した磁場計測装置に関する。

光を利用した磁場計測装置には、例えば、心臓からの磁場（心磁）や脳からの磁場（脳磁）など微小な磁場を計測するものがあり、医療画像診断装置などへの応用が期待されている。微小な磁場を計測するためには、地磁気など磁気ノイズの影響を除去する必要がある。特許文献１には、測定位置の違いに基づく微小な磁場強度の差を、直線偏光プローブ用レーザー光の偏光回転角の差に置き換えて測定することにより、高感度な磁場勾配の計測をする原子磁気センサーが記載されている。

特開２００９−１６２５５４号公報

しかし、特許文献１に記載された原子磁気センサーは、音や熱などにより光が受ける光学ノイズを除去することはできなかった。

本発明は、光学ノイズの影響を除去する磁場計測装置を提供する。

上述した課題を解決するため、本発明に係る磁場計測装置は、第１光源からの光を透過させて、直線偏光の第１偏光面を磁場の強度に応じて回転させる第１媒体と、第２光源からの光を透過させて、直線偏光の第２偏光面を磁場の強度に応じて回転させる第２媒体と、前記第１媒体を透過した前記直線偏光の前記第１偏光面を検出する第１検出部と、前記第２媒体を透過した前記直線偏光の前記第２偏光面を検出する第２検出部と、前記第１媒体を透過していない前記第１光源からの前記直線偏光の偏光面を検出する第３検出部と、前記第２媒体を透過していない前記第２光源からの前記直線偏光の偏光面を検出する第４検出部と、前記第３検出部の検出結果を用いて、前記第１検出部の検出結果から光学ノイズを除去するとともに、前記第４検出部の検出結果を用いて、前記第２検出部の検出結果から光学ノイズを除去し、前記光学ノイズがそれぞれ除去された前記第１検出部および前記第２検出部の検出結果を用いて、前記第１媒体における磁場と前記第２媒体における磁場との差を計測する計測部とを有することを特徴とする。
この構成によれば、光学ノイズの影響を除去することができる。

好ましくは、上述の態様において、前記第１媒体の数は、複数であり、前記第３検出部の数は、前記第１媒体の数よりも少ないとよい。
この構成によれば、第１媒体における磁場の計測精度を向上させることができる。
好ましくは、上述の態様において、前記第１光源からの光は、分岐して複数の前記第１媒体をそれぞれ透過し、前記第３検出部は、分岐する前の前記光の光路に対応して設けられるとよい。
この構成によれば、第３検出部の数を抑えることができる。
好ましくは、上述の態様において、前記計測部は、前記差を計測対象から生じる磁場として計測し、前記第１媒体は、前記第２媒体よりも前記計測対象の近くに配置され、前記第２媒体の数は、前記第１媒体の数よりも少ないとよい。
この構成によれば、第２媒体よりも計測対象から発生する磁場の影響を受け易い第１媒体における磁場の計測精度を向上させることができる。
好ましくは、上述の態様において、前記第２媒体の数は、複数であり、
前記第４検出部の数は、前記第２媒体の数よりも少ないとよい。
この構成によれば、第４検出部の数を抑えることができる。
好ましくは、上述の態様において、前記第２光源からの光は、分岐して複数の前記第２媒体をそれぞれ透過し、前記第４検出部は、分岐する前の前記光の光路に対応して設けられるとよい。
この構成によれば、第２媒体における磁場の計測精度を向上させることができる。

実施形態に係る磁場計測装置の全体構成を示す図。 変形例に係る磁場計測装置の全体構成を示す図。

１．実施形態
図１は、本発明の実施形態に係る磁場計測装置９の全体構成を示す図である。磁場計測装置９は、計測対象３との距離がＬ１であるガスセル１と、計測対象３との距離がＬ２であるガスセル２とを有する。２つの距離はＬ１＜Ｌ２の関係にある。すなわち、ガスセル２は、ガスセル１よりも計測対象３から遠い場所に配置されている。

また、磁場計測装置９は、光源５１、光源５２、第１検出部４１、第２検出部４２、第３検出部４３、第４検出部４４、および計測部６を有する。光源５１および光源５２は、ガスセル１またはガスセル２に対していわゆるプローブ光を照射する装置であり、例えばレーザー光を出力するレーザー光出力装置である。

第１検出部４１、第２検出部４２、第３検出部４３、および第４検出部４４は、偏光ビームスプリッターやウォラストンプリズムとフォトディテクタとの組み合わせなどにより、光をα軸に沿った成分とβ軸に沿った成分とに分離してそれぞれの光強度を計測し、これらの和と差に応じた信号を出力することで、その光に含まれる直線偏光の偏光面を検出する。

計測部６は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）などの演算処理装置や、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）などの記憶装置を備え、これら記憶装置に記憶されたプログラムを実行する。計測部６は、各検出部によりそれぞれ出力された信号に対して予め決められた演算を行う。

ガスセル１およびガスセル２は、いずれも光により励起される複数の気体原子からなる原子群が封入されたガラス製のセル（素子）である。ここで気体原子とは、例えばカリウム（Ｋ）や、ルビジウム（Ｒｂ）、セシウム（Ｃｓ）などのアルカリ金属原子である。これら気体原子は、透過する光の偏光面を磁場の強さに応じて回転させる媒体としての性質を有する。なお、ガスセルの材質はガラスに限られず、光を透過する材質であれば、樹脂などであってもよい。また、図１に示すガスセル１およびガスセル２にそれぞれ封入され
た気体原子は、いずれも図示しないポンプ光により励起されており、偏極している。

光源５１（第１光源）は、直線偏光を含む検出光（以下、第１検出光という）を照射する。この第１検出光は、少なくとも２つに分岐させられ、一部はガスセル１を介して第１検出部４１に照射され、一部は直接、第３検出部４３に照射される。ガスセル１は、第１検出光を透過させて、この第１検出光に含まれる直線偏光の偏光面を磁場の強度に応じて回転させる。以下、ガスセル１を透過した第１検出光に含まれる直線偏光の偏光面を第１偏光面といい、ガスセル１を透過していない第１検出光に含まれる直線偏光の偏光面を第３偏光面という。
なお、第１検出光は、ガスセル１において上述したポンプ光に交差するように照射される。

光源５２（第２光源）は、直線偏光を含む検出光（以下、第２検出光という）を照射する。この第２検出光は、少なくとも２つに分岐させられ、一部はガスセル２を介して第２検出部４２に照射され、一部は直接、第４検出部４４に照射される。ガスセル２は、第２検出光を透過させて、この第２検出光に含まれる直線偏光の偏光面を磁場の強度に応じて回転させる。以下、ガスセル２を透過した第２検出光に含まれる直線偏光の偏光面を第２偏光面といい、ガスセル２を透過していない第２検出光に含まれる直線偏光の偏光面を第４偏光面という。
なお、第２検出光は、ガスセル２において上述したポンプ光に交差するように照射される。また、光源５１と光源５２とは共通の光源から分岐したものであってもよい。

第１検出部４１は第１偏光面を検出する。第２検出部４２は第２偏光面を検出する。第３検出部４３は第３偏光面を検出する。第４検出部４４は第４偏光面を検出する。

計測対象３は、計測の対象となる磁気を発生させるものであり、例えば人間の心臓である。計測対象３の発生させる磁気は比較的微小であるため、ガスセル１とガスセル２の計測対象３に対する距離の差が検出光の偏光面の回転に影響する。具体的には、ガスセル２よりも計測対象３の近くに配置されたガスセル１における磁場の強度は、ガスセル２における磁場の強度よりも強く計測される。つまり、ガスセル１における計測対象３からの磁気を「磁気Ｍ１」とし、ガスセル２における計測対象３からの磁気を「磁気Ｍ２」とすると、Ｍ２＜Ｍ１である。なお、計測される磁場の強度は距離の二乗に反比例する。例えば、計測対象３からガスセル２までの距離が、計測対象３からガスセル１までの距離の２倍である場合、計測対象３の磁場のガスセル２における強度は、ガスセル１におけるその強度の４分の１になる。

ガスセル１およびガスセル２は、外部環境からの磁気ノイズＮｍに曝されている。外部環境からの磁気ノイズＮｍは、例えば地磁気であり、ガスセル１およびガスセル２の配置に影響されず、ほぼ同じと考えられる。

第１検出光や第２検出光、および図示しないポンプ光は、それらの光路が例えば音によって振動を受けたり、それらを伝える媒体が熱により膨張したりすることにより、光学ノイズが付与されることがある。光学ノイズは、それぞれ光路ごとに異なる場合がある。また、磁気ノイズＮｍは、ガスセルを透過していない光には影響しないが、光学ノイズは、ガスセルを透過していない光に対しても影響する。以下、第１検出光および第２検出光にそれぞれ付与された光学ノイズを、光学ノイズＮ１および光学ノイズＮ２とする。

したがって、各検出部が検出する直線偏光の偏光面は、次に示すものの影響下に置かれる。
すなわち、第１検出部４１は、計測対象３からの強い磁気Ｍ１と、磁気ノイズＮｍと、第１検出光に付与された光学ノイズＮ１とから、それぞれ影響を受けた第１偏光面を検出する。
第２検出部４２は、計測対象３からの弱い磁気Ｍ２と、磁気ノイズＮｍと、第２検出光に付与された光学ノイズＮ２とから、それぞれ影響を受けた第２偏光面を検出する。
第３検出部４３は、第１検出光に付与された光学ノイズＮ１から影響を受けた第３偏光面を検出する。
第４検出部４４は、第２検出光に付与された光学ノイズＮ２から影響を受けた第４偏光面を検出する。

計測部６は、第３検出部４３の検出結果を用いて、第１検出部４１の検出結果から第１検出光に付与された光学ノイズＮ１による影響を除去する。また、計測部６は、第４検出部４４の検出結果を用いて、第２検出部４２の検出結果から第２検出光に付与された光学ノイズＮ２による影響を除去する。そして、計測部６は、光学ノイズＮ１および光学ノイズＮ２の影響がそれぞれ除去された第１検出部４１の検出結果および第２検出部４２の検出結果を用いて、ガスセル１およびガスセル２に付与された磁気ノイズＮｍによる影響を除去する。すなわち、計測部６は、光学ノイズＮ１による影響が除去されたガスセル１における磁場と、光学ノイズＮ２による影響が除去されたガスセル２における磁場との差を、計測対象３からの磁場として計測する。

以上の構成により、本発明の実施形態に係る磁場計測装置９は、磁気ノイズＮｍだけではなく、光学ノイズＮ１，Ｎ２による影響を除去して、計測対象３からの磁場を計測する。これにより、計測対象３の磁場の計測精度は従来に比べて向上する。

２．変形例
以上が実施形態の説明であるが、この実施形態の内容は以下のように変形し得る。また、以下の変形例を組み合わせてもよい。
２−１．変形例１
上述した実施形態において、磁場計測装置９は、気体原子が封入されたガラス製のセル（素子）であるガスセルを備えていたが、透過する光の偏光面を磁場の強さに応じて回転させる媒体として、気体原子以外の媒体を用いてもよい。例えば、磁場計測装置９は、窒素による格子欠陥を設けたダイヤモンドといった固体素子を、上記の媒体として用いてもよい。

２−２．変形例２
上述した実施形態において、ガスセル１は１つであったが、複数であってもよい。図２は、この変形例に係る磁場計測装置９の全体構成を示す図である。図２に示すガスセル１１、ガスセル１２、およびガスセル１３は、いずれも計測対象３からの距離がガスセル２よりも短いガスセル１である。ガスセル１１、ガスセル１２、およびガスセル１３（以下、特に区別の必要がない場合は、これらを総称して「ガスセル１」と記す）をそれぞれ透過した第１検出光は、３つの第１検出部４１１、４１２、４１３（以下、特に区別の必要がない場合は、これらを総称して「第１検出部４１」と記す）にそれぞれ照射される。計測部６は、３つの第１検出部４１によって検出される偏光面の角度から、第３検出部４３によって検出される偏光面の角度をそれぞれ差し引くことで、３つのガスセル１における光学ノイズＮ１の影響を除去する。そして、計測部６は、この光学ノイズＮ１による影響が除去された３つのガスセル１における磁場と、光学ノイズＮ２による影響が除去されたガスセル２における磁場との差を、それぞれ計測対象３からの磁場として計測する。

このように複数のガスセル１を用いることで、１つのガスセル１を用いた場合に比べて、計測対象３からの磁場についてより多くの情報を得ることができるので、計測精度が向上する。また、例えばガスセル１を、計測対象３からガスセル２に向かう方向に垂直な平面上に並べることにより、計測対象３からの磁場の状態を２次元的に捉えることができる。

なお、この場合、第３検出部４３の数は、ガスセル１の数より少なくてもよく、例えば、図２に示すように、第３検出部４３の数は、複数のガスセル１を透過するために分岐する前の第１検出光の光路に対応して設けられていればよい。これにより、磁場計測装置９は、少なくとも第１検出光が分岐する前までに付与された光学ノイズＮ１による影響を除去することができる。また、磁場計測装置９は、複数のガスセル１からそれぞれ光学ノイズＮ１による影響を除去するために、それぞれに第３検出部４３を用意する必要がない。すなわち、第３検出部４３の数を抑えることができる。

また、この場合、ガスセル２の数は、ガスセル１の数より少なくてもよく、例えば１つでもよい。計測対象３から発生する磁気に対するガスセル２での感度は、ガスセル１での感度に比べて弱いからである。

２−３．変形例３
上述した実施形態において、ガスセル２は１つであったが、複数であってもよい。この場合、第４検出部４４の数は、ガスセル２の数より少なくてもよい。要するに、第４検出部４４の数は、複数のガスセル２を透過するために分岐する前の第２検出光の光路に対応して設けられていればよい。これにより、磁場計測装置９は、少なくとも第２検出光が分岐する前までに付与された光学ノイズＮ２による影響を除去することができる。また、磁場計測装置９は、複数のガスセル２からそれぞれ光学ノイズＮ２による影響を除去するために、それぞれに第４検出部４４を用意する必要がない。すなわち、第４検出部４４の数を抑えることができる。

２−４．変形例４
上述した実施形態において、磁場測定装置９は、ポンプ光と検出光とを用いて磁場を測定していたが、光ポンピングが可能な検出光のみを用いて磁場を測定してもよい。

１…ガスセル、２…ガスセル、３…計測対象、４１…第１検出部、４２…第２検出部、４３…第３検出部、４４…第４検出部、５１…光源、５２…光源、６…計測部、９…磁場計測装置。

Claims (6)

1. 第１光源からの光を透過させて、直線偏光の第１偏光面を磁場の強度に応じて回転させる第１媒体と、
   第２光源からの光を透過させて、直線偏光の第２偏光面を磁場の強度に応じて回転させる第２媒体と、
   前記第１媒体を透過した前記直線偏光の前記第１偏光面を検出する第１検出部と、
   前記第２媒体を透過した前記直線偏光の前記第２偏光面を検出する第２検出部と、
   前記第１媒体を透過していない前記第１光源からの前記直線偏光の第３偏光面を検出する第３検出部と、
   前記第２媒体を透過していない前記第２光源からの前記直線偏光の第４偏光面を検出する第４検出部と、
   前記第３検出部の検出結果を用いて、前記第１検出部の検出結果から光学ノイズを除去するとともに、
   前記第４検出部の検出結果を用いて、前記第２検出部の検出結果から光学ノイズを除去し、
   前記光学ノイズがそれぞれ除去された前記第１検出部および前記第２検出部の検出結果を用いて、前記第１媒体における磁場と前記第２媒体における磁場との差を計測する計測部と
   を有することを特徴とする磁場計測装置。
2. 前記第１媒体の数は、複数であり、
   前記第３検出部の数は、前記第１媒体の数よりも少ない
   ことを特徴とする請求項１に記載の磁場計測装置。
3. 前記第１光源からの光は、分岐して複数の前記第１媒体をそれぞれ透過し、
   前記第３検出部は、分岐する前の前記光の光路に対応して設けられる
   ことを特徴とする請求項２に記載の磁場計測装置。
4. 前記計測部は、前記差を計測対象から生じる磁場として計測し、
   前記第１媒体は、前記第２媒体よりも前記計測対象の近くに配置され、
   前記第２媒体の数は、前記第１媒体の数よりも少ない
   ことを特徴とする請求項２または３に記載の磁場計測装置。
5. 前記第２媒体の数は、複数であり、
   前記第４検出部の数は、前記第２媒体の数よりも少ない
   ことを特徴とする請求項２から４のいずれか１項に記載の磁場計測装置。
6. 前記第２光源からの光は、分岐して複数の前記第２媒体をそれぞれ透過し、
   前記第４検出部は、分岐する前の前記光の光路に対応して設けられる
   ことを特徴とする請求項５に記載の磁場計測装置。

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