JP2017133862A - Magnetic field measurement device, magnetic field measurement apparatus, magnetic field measurement system, and magnetic field measurement method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、磁場測定デバイス、磁場測定装置、磁場測定システム及び磁場測定方法に関し、特に、磁気光学効果を用いて磁場を測定するための技術に関する。 The present invention relates to a magnetic field measurement device, a magnetic field measurement apparatus, a magnetic field measurement system, and a magnetic field measurement method, and more particularly to a technique for measuring a magnetic field using a magneto-optic effect.
空間磁場を非破壊的に測定する方法として、磁気転写膜を用いた磁気光学イメージングが知られている。磁気転写膜は、磁場によって容易に磁化され、且つ、磁気光学効果(例えば、ファラデー効果)を発現する膜として構成される。当該磁気転写膜の各位置において該位置の磁場に応じて発生する磁気光学効果(例えば、偏光面の回転)を利用して磁場分布を光強度分布に変換し、この光強度分布を光学的に観察することで、磁場分布の情報を得ることができる。この方法では、磁化や電流によって発生する磁場分布を観測することで、磁化分布や電流分布を観測することもできる。磁気転写膜としては、例えば、Bi置換磁性ガーネット膜が用いられる。磁気転写膜を用いた磁気光学イメージングは、例えば、非特許文献1、特許文献1〜3に知られている。
Magneto-optical imaging using a magnetic transfer film is known as a method for nondestructively measuring a spatial magnetic field. The magnetic transfer film is configured as a film that is easily magnetized by a magnetic field and exhibits a magneto-optical effect (for example, a Faraday effect). A magnetic field distribution is converted into a light intensity distribution using a magneto-optical effect (for example, rotation of the polarization plane) generated according to the magnetic field at the position at each position of the magnetic transfer film, and this light intensity distribution is optically converted. By observing, information on the magnetic field distribution can be obtained. In this method, it is possible to observe the magnetization distribution and the current distribution by observing the magnetic field distribution generated by the magnetization and the current. For example, a Bi-substituted magnetic garnet film is used as the magnetic transfer film. Magneto-optical imaging using a magnetic transfer film is known, for example, from
磁気光学イメージングは、簡便に実施できることが望ましい。上述の非特許文献1、特許文献1〜3は、磁気光学イメージングにおいて偏光顕微鏡を用いる方法を開示しているが、より簡便な構成の装置で磁気光学イメージングを実施できれば、磁気光学イメージングにおける利便性を向上させることができるため、より好ましい。
It is desirable that magneto-optical imaging can be easily performed.
また、空間磁場の測定に用いられる磁場測定デバイスは、小型であることが望ましい。磁場測定デバイスを小型化することにより、空間磁場の測定を希望する位置に該磁場測定デバイスを配置することが容易になる。このような事情は、磁気転写膜を備えた磁場測定デバイス及びそれを用いた磁気光学イメージングにおいても同様に当てはまる。 Moreover, it is desirable that the magnetic field measuring device used for measuring the spatial magnetic field is small. By downsizing the magnetic field measuring device, it becomes easy to arrange the magnetic field measuring device at a position where a spatial magnetic field measurement is desired. Such a situation similarly applies to a magnetic field measuring device including a magnetic transfer film and magneto-optical imaging using the magnetic field measuring device.
したがって、本発明は、磁気光学イメージングにおける利便性の向上及び磁場測定デバイスの小型化のうちの少なくとも一方を達成することを目的とする。 Therefore, an object of the present invention is to achieve at least one of improvement in convenience in magneto-optical imaging and miniaturization of a magnetic field measurement device.
本発明の他の目的及び新規の特徴は、下記の開示から当業者には容易に理解されるであろう。 Other objects and novel features of the present invention will be readily apparent to those skilled in the art from the following disclosure.
本発明の一の観点では、磁場測定デバイスが、磁気光学効果を発現する磁気転写膜を備える磁気転写素子と、照射光を発生し、照射光を発光面から出射する面光源とを具備する。面光源の発光面が磁気転写素子に接合されている。 In one aspect of the present invention, a magnetic field measurement device includes a magnetic transfer element including a magnetic transfer film that exhibits a magneto-optical effect, and a surface light source that generates irradiation light and emits the irradiation light from a light emitting surface. The light emitting surface of the surface light source is bonded to the magnetic transfer element.
本発明の他の観点では、上記の磁場測定デバイスと、磁場測定デバイスを撮像して磁気転写膜の各位置における磁場の分布を示す磁場分布画像を生成する撮像装置とを備えている。 In another aspect of the present invention, the apparatus includes the above-described magnetic field measurement device and an imaging device that captures an image of the magnetic field measurement device and generates a magnetic field distribution image indicating the distribution of the magnetic field at each position of the magnetic transfer film.
本発明の更に他の観点では、磁場測定装置が、光ファイバーと、光ファイバーの第1端に接合され、上記の磁場測定デバイスを備えたプローブと、励起光を発生する光源と、光検出デバイスとを具備する。磁場測定デバイスの面光源としては、蛍光体が用いられる。励起光は、磁場測定デバイスの該蛍光体に入射され、蛍光体によって生成された照射光のうち磁気転写素子を通過した光である計測光が、光ファイバーの一端に入射され、光ファイバーを伝搬して光ファイバーの他端から出射されて光検出デバイスに入射される。 In still another aspect of the present invention, a magnetic field measurement apparatus includes: an optical fiber; a probe that is bonded to the first end of the optical fiber and includes the magnetic field measurement device described above; a light source that generates excitation light; and a light detection device. It has. A phosphor is used as a surface light source of the magnetic field measuring device. Excitation light is incident on the phosphor of the magnetic field measurement device, and measurement light, which is light that has passed through the magnetic transfer element among irradiation light generated by the phosphor, is incident on one end of the optical fiber and propagates through the optical fiber. The light is emitted from the other end of the optical fiber and enters the light detection device.
本発明の更に他の観点では、磁場測定システムが、磁場測定デバイスと、ビームスプリッタと、第1円偏光板と、第2円偏光板と、第1撮像装置と、第2撮像装置と、演算装置
とを具備し、磁場測定デバイスは、磁気光学効果を発現する磁気転写膜を備える磁気転写素子と、照射光を発生し、照射光を発光面から出射する面光源とを具備する。面光源の発光面は、磁気転写素子に接合されている。ビームスプリッタは、磁気転写素子から出射される計測光のビームから第1ビーム及び第2ビームを生成する。第1ビームは、第1円偏光板を介して第1撮像装置に入射され、第2ビームは、第2円偏光板を介して第2撮像装置に入射される。第1撮像装置は、第1ビームを撮像して第1撮像画像を生成し、第2撮像装置は、第2ビームを撮像して第2撮像画像を生成する。演算装置は、第1撮像画像及び第2撮像画像の差分像を磁気転写膜の各位置における磁場の分布を示す磁場分布画像として生成する。
In still another aspect of the present invention, a magnetic field measurement system includes a magnetic field measurement device, a beam splitter, a first circularly polarizing plate, a second circularly polarizing plate, a first imaging device, a second imaging device, and an arithmetic operation. The magnetic field measurement device includes a magnetic transfer element including a magnetic transfer film that exhibits a magneto-optical effect, and a surface light source that generates irradiation light and emits the irradiation light from a light emitting surface. The light emitting surface of the surface light source is bonded to the magnetic transfer element. The beam splitter generates a first beam and a second beam from the beam of measurement light emitted from the magnetic transfer element. The first beam is incident on the first imaging device via the first circularly polarizing plate, and the second beam is incident on the second imaging device via the second circularly polarizing plate. The first imaging device captures the first beam to generate a first captured image, and the second imaging device captures the second beam to generate a second captured image. The arithmetic device generates a difference image between the first captured image and the second captured image as a magnetic field distribution image indicating a magnetic field distribution at each position of the magnetic transfer film.
本発明の更に他の観点では、磁場測定方法が、磁気光学効果を発現する磁気転写膜を備える磁気転写素子と、照射光を発生し、照射光を発光面から出射する面光源とを具備し、面光源の発光面が磁気転写素子に接合された磁場測定デバイスを所望の位置に配置するステップと、面光源によって生成される照射光を磁気転写素子に入射した状態で磁場測定デバイスを撮像して磁気転写膜の各位置における磁場の分布を示す磁場分布画像を生成するステップ
とを備えている。
In still another aspect of the present invention, a magnetic field measurement method includes a magnetic transfer element including a magnetic transfer film that exhibits a magneto-optical effect, and a surface light source that generates irradiation light and emits the irradiation light from a light emitting surface. , A step of arranging a magnetic field measurement device in which a light emitting surface of a surface light source is bonded to a magnetic transfer element, and imaging the magnetic field measurement device with irradiation light generated by the surface light source being incident on the magnetic transfer element And a step of generating a magnetic field distribution image showing a magnetic field distribution at each position of the magnetic transfer film.
本発明によれば、磁気光学イメージングにおける利便性の向上及び磁場測定デバイスの小型化のうちの少なくとも一方を達成することができる。 According to the present invention, at least one of improvement in convenience in magneto-optical imaging and miniaturization of a magnetic field measurement device can be achieved.
以下では、本発明の様々な実施形態について説明する。なお、以下の説明において、同一又は対応する構成要素は、同一又は対応する参照符号で参照され得ることに留意されたい。また、添付図面においては、発明の理解を容易にするために、部材の寸法が実際の寸法の比率とは異なる比率で図示されることがあることにも留意されたい。 In the following, various embodiments of the present invention will be described. In the following description, it should be noted that the same or corresponding components may be referred to by the same or corresponding reference numerals. It should also be noted that in the accompanying drawings, the dimensions of members may be illustrated at a ratio different from the actual ratio of dimensions in order to facilitate understanding of the invention.
図1は、本発明の一実施形態の磁場測定デバイス1の構成を示す側面図である。本実施形態の磁場測定デバイス1は、磁場光学イメージングにおいて使用される磁場センサーであり、面光源11と、直線偏光板12と、磁気転写素子13と、直線偏光板14とを備えている。磁場測定デバイス1は、直線偏光板12と磁気転写素子13と直線偏光板14とが積層されて一体化された構造体として構成されている。詳細には、直線偏光板12は、面光源11に接合され、磁気転写素子13は、その直線偏光板12に接合されている。更に、直線偏光板14は、磁気転写素子13に接合されている。磁気転写素子13は、直線偏光板12、14の間に設けられていることになる。
FIG. 1 is a side view showing a configuration of a magnetic
面光源11は、磁気転写素子13に照射する照射光を発生し、発光面11aから出射する。面光源11の発光面11aは、直線偏光板12を挟んで磁気転写素子13に接合されている。即ち、発光面11aから出射された照射光は、直線偏光板12を介して磁気転写素子13に入射される。
The
面光源11としては、例えば、エレクトロルミネセンスを利用して光を発生するエレクトロルミネセンス光源(EL光源)が使用され得る。エレクトロルミネセンス光源を面光源11として利用することで、面光源11の厚さを薄くすることができ、好適である。
As the
後述の実施形態で詳細に述べられるように、面光源11としては、蛍光体を用いてもよい。面光源11として蛍光体を用いる場合、面光源11に電気を供給しなくても励起光を供給することで磁気転写素子13に照射する照射光を発生できる。よって、面光源11として蛍光体を用いることは、電気を用いることが困難な環境、例えば、防爆が求められる環境や電気配線を配線することが難しい環境における使用に好適である。
As will be described in detail in an embodiment described later, a phosphor may be used as the
直線偏光板12は、偏光面が特定の向きである直線偏光を通過するように構成されている。直線偏光板12は、面光源11と磁気転写素子13との間に挿入されており、磁気転写素子13には、偏光面が特定の向きである直線偏光の照射光が入射される。
The linearly
磁気転写素子13は、基板13aと、基板13aの一方の主面に形成された磁気転写膜13bとを備えている。磁気転写膜13bとしては、大きなファラデー効果を発現する磁性膜が使用されることが好ましい。一実施形態では、磁気転写膜13bとしては、面内磁化を有する(即ち、磁化容易軸が膜面に平行である)磁性膜を用いてもよい。この場合、磁化(及びファラデー回転角)が磁場に対して比例関係になり、これは、磁気光学イメージングにおいて良好な画像を得るために好ましい。
The
磁気光学イメージングの感度の向上のためには、磁気転写膜13bとして、面直磁化を有し(即ち、磁化容易軸が膜面に垂直であり)、且つ、残留磁化が小さい磁性膜が用いられることが好ましい。この場合も、磁化(及びファラデー回転角)が磁場に対して比例関係になる上、飽和磁場が小さくなるため磁場に対するファラデー回転角の増加量が大きくなる。なお、面直磁化を有し、且つ、残留磁化が小さい磁性膜が磁気転写膜13bとして用いられる場合には、保磁力が小さくなって迷路状磁区が形成しやすいので、必要とする空間分解能よりも磁区幅が十分に小さい磁性膜が使用されることが好ましい。
In order to improve the sensitivity of magneto-optical imaging, a magnetic film having a perpendicular magnetization (that is, an easy axis of magnetization perpendicular to the film surface) and a small residual magnetization is used as the
好適な一実施形態では、磁気転写膜13bとして、磁性ガーネット膜、例えば、Bi置換磁性ガーネット(Y3−XBiXFe5O12)で形成された膜が用いられる。Bi置換磁性ガーネットで形成された薄膜は、面内磁化を有しており、磁気転写膜13bとして好適に使用することができる。また、Bi置換磁性ガーネットに、イットリウム(Y)と置換する他の元素(例えば、ルテチウム(Lu)、イッテルビウム(Yb)、ネオジム(Nd)、鉛(Pb))、及び/又は、鉄(Fe)と置換する他の元素(例えば、ガリウム(Ga)、アルミニウム(Al))が添加された材料が、磁気転写膜13bとして用いられてもよい。
In one preferred embodiment, the
他の実施形態では、磁気転写膜13bとして、(Nd,Bi)3Fe5O12で形成された薄膜又は(Nd,Bi)3(Fe,Ga)5O12で形成された薄膜が用いられてもよい。(Nd,Bi)3Fe5O12で形成された薄膜は、面直磁化を有しながら保磁力及び残留磁化が小さく、磁気転写膜13bとしての使用に好適である。また、(Nd,Bi)3(Fe,Ga)5O12についても、特にGaの含有量が小さい範囲については面直磁化を有しながら保磁力及び残留磁化が小さく、磁気転写膜13bとしての使用に好適である。
In another embodiment, a thin film formed of (Nd, Bi) 3 Fe 5 O 12 or a thin film formed of (Nd, Bi) 3 (Fe, Ga) 5 O 12 is used as the
磁気光学イメージングにおいて良好な画像を得るためには、磁気転写膜13bは、結晶粒が極めて小さいグラニュラー構造を有するように形成されることが好ましい。グラニュラー構造を有する磁気転写膜13bでは、大きな磁区が発生しにくいので、磁場と無関係に磁区の存在による像が生じにくくなる。磁気転写膜13bの結晶粒の粒径は、一例としては、50nm程度に形成されることが好ましい。このような構造の磁気転写膜13bは、例えば、有機金属堆積法(Metal Organic Deposition(MOD))を用いて形成され得る。
In order to obtain a good image in magneto-optical imaging, the
基板13aは、磁気転写膜13bの形成に適した材料で形成される。磁気転写膜13bとして磁性ガーネット膜が用いられる場合、基板13aとしては、例えば、ガドリニウムガリウムガーネット(Gd3Ga5O12)の単結晶基板が用いられてもよく、また、ガラス基板が用いられてもよい。基板13aとしてガラス基板を用いることは、磁気転写素子13の大面積化が容易にできる点で好ましい。
The
直線偏光板14は、偏光面が特定の向きである直線偏光を通過するように構成されている。直線偏光板14は、磁気転写素子13を挟んで直線偏光板12に対向するように設けられている。直線偏光板14は、磁気転写素子13を通過した光のうち、偏光面が特定の向きである直線偏光を選択的に出射する。直線偏光板14から出射された光が、磁気光学イメージングにおいて画像を生成するために用いられる計測光として用いられる。
The linearly
なお、図1には、磁気転写素子13の磁気転写膜13bが直線偏光板12に接合され、基板13aが直線偏光板14に接合されている構造が図示されているが、磁気転写素子13の磁気転写膜13bが直線偏光板14に接合され、基板13aが直線偏光板12に接合されてもよい。ただし、磁気転写膜13bを磁場分布の測定を希望する位置に近づけやすくするという観点では、磁気転写膜13bが面光源11に近い側に設けられることが好ましく、よって、磁気転写膜13bが直線偏光板12に接合される構成が好適である。
FIG. 1 shows a structure in which the
図2は、直線偏光板12の透過軸と直線偏光板14の透過軸の方向を示す平面図である。図2において、直線偏光板12の透過軸の向きは、破線矢印12aによって示されており、直線偏光板14の透過軸の向きは、矢印14aによって示されている。直線偏光板12の透過軸は、X軸方向に平行な向きに規定されている。
FIG. 2 is a plan view showing directions of the transmission axis of the linear
本実施形態では、図2に図示されているように、直線偏光板12の透過軸と直線偏光板14の透過軸とが異なる方向に向けられている。図2においては、直線偏光板12の透過軸に垂直な面と直線偏光板14の透過軸の間の角度(即ち、直線偏光板12を通過する直線偏光の偏光面に垂直な面と、直線偏光板14を通過する直線偏光の偏光面の間の角度)が“θ”として図示されている。後に詳細に議論するように、角度θには好適な範囲がある。
In the present embodiment, as illustrated in FIG. 2, the transmission axis of the linear
上記の構成の磁場測定デバイス1の各位置から出射される計測光の強度は、磁気転写膜13bの各位置の磁場に依存するので、磁場測定デバイス1を撮像装置2によって撮像することにより、磁場分布画像(磁場分布を示す画像)を取得することができる。図3は、本実施形態の磁場測定デバイス1を用いた磁場測定を示す概念図である。図3は、一例として、磁場発生源3によって発生される磁場の分布の測定に磁場測定デバイス1が用いられる場合を図示している。
Since the intensity of the measurement light emitted from each position of the magnetic
図3に図示されているように、磁場測定デバイス1は、磁場分布の測定を希望する位置に設置される。磁場分布の測定の際には、面光源11を動作させて照射光が発生される。発生した照射光は、直線偏光板12を介して磁気転写素子13の磁気転写膜13bに入射される。磁気転写素子13の磁気転写膜13bには、直線偏光の照射光が入射されることになる。
As shown in FIG. 3, the magnetic
磁気転写膜13bのファラデー効果により、照射光が磁気転写膜13bを膜厚方向(図3におけるZ軸方向)に通過する間に照射光の偏光面が回転する。磁気転写膜13bの各位置における偏光面の回転角、即ち、ファラデー回転角αは、磁気転写膜13bの各位置における磁場、より厳密には、磁気転写膜13bの各位置における膜厚方向(図3のZ軸方向)の磁場HZに依存している。図4Aは、膜厚方向の磁場HZに対するファラデー回転角αの依存性の一例を示している。ファラデー回転角αは、磁気転写膜13bの各位置の磁場HZが十分に大きい場合には飽和する。図4Aにおいて、αFSは、ファラデー回転角αが飽和したときの絶対値(飽和ファラデー回転角)であり、HFSは、ファラデー回転角が飽和する磁場HZの絶対値である。なお、偏光面の回転の向き(ファラデー回転角αの符号)は、磁場HZの方向に依存しており、磁場HZの方向が逆になると偏光面の回転の向きも逆になる。
Due to the Faraday effect of the
磁気転写膜13bを膜厚方向(図3におけるZ軸方向)に通過する間における偏光面の回転により、直線偏光板14の各位置からは、磁気転写膜13bの各位置におけるファラデー回転角α、即ち、磁気転写膜13bの各位置における磁場Hzに依存した強度を有する計測光が出射される。よって、直線偏光板14から出射される計測光を撮像装置2で撮像することで磁気転写膜13bの各位置における磁場Hzに依存した強度を反映した画像、即ち、磁場分布画像を得ることができる。
Due to the rotation of the polarization plane while passing through the
膜厚方向の磁場HZと計測光の強度との間に一対一対応の関係を成立させるためには、角度θ(即ち、直線偏光板12の透過軸に垂直な面と直線偏光板14の透過軸の間の角度)は、下記式(1)の範囲にあることが好ましい。
αFS≦θ≦90°−αFS ・・・(1)
ここで、αFSは、十分に大きな磁場が印加されて偏光面の回転が飽和したときにおける偏光面の回転角、即ち、飽和ファラデー回転角である。以下では、角度θが、式(1)の範囲にあることが好適な理由について議論する。
In order to establish a one-to-one correspondence between the magnetic field H Z in the film thickness direction and the intensity of the measurement light, the angle θ (that is, the plane perpendicular to the transmission axis of the
α FS ≦ θ ≦ 90 ° −α FS (1)
Here, α FS is the rotation angle of the polarization plane when a sufficiently large magnetic field is applied and the rotation of the polarization plane is saturated, that is, the saturation Faraday rotation angle. Hereinafter, the reason why it is preferable that the angle θ is in the range of the expression (1) will be discussed.
一般的な光学系では、透過軸の間の角度が90°であるような一対の偏光子が用いられることが多い。これは、図2の直線偏光板12、14の配置において、角度θを0°に設定することに相当する。しかしながら、直線偏光板12、14の透過軸の間の角度を90°に設定すると、即ち、角度θを0°に設定すると、図4Bに図示されているように、磁場測定デバイス1から出射される計測光の強度は、磁場HZの向きに依存せずに磁場HZの絶対値に依存することになる。これは、図4Aのグラフにも示されているように、磁場HZの大きさ(絶対値)を同一にしたまま磁場Hzの向きを逆にすると、ファラデー回転角αも、その大きさを同一にしたまま逆の向きになるからである。詳細には、計測光の強度は、磁場HZが−HFS<HZ<+HFSの範囲において、概ね、磁場HZに対してsin2(γHZd)に比例する。ここで、γはベルデ定数であり、dは、磁気転写膜13bの膜厚である。よって、角度θを90°に設定すると、計測光の強度から磁場HZの向きを特定することができない。これは、得られる磁場分布画像からは磁場HZの向きを把握できないことを意味している。
In a general optical system, a pair of polarizers whose angle between transmission axes is 90 ° is often used. This corresponds to setting the angle θ to 0 ° in the arrangement of the linearly
一方、図4Cに図示されているように、角度θを式(1)の範囲に設定すると、ファラデー回転角αが飽和しないような磁場HZの範囲(即ち、−HFS<HZ<+HFSの範囲)のうち、磁場HZと計測光の強度との間に一対一対応が成立する範囲を広くすることができる。これは、広範囲の磁場HZについて、計測光の強度から、磁場HZを、その向きを含めて特定可能であることを意味している。このように、角度θを上記の式(1)の範囲を設定することにより、磁場HZの向きを把握可能な磁場分布画像を得ることができる。更に、磁場分布画像の各位置における輝度から、磁気転写膜13bの各位置の磁場を特定することも可能になる。
On the other hand, as shown in FIG. 4C, when the angle θ is set in the range of the expression (1), the range of the magnetic field H Z that does not saturate the Faraday rotation angle α (ie, −H FS <H Z <+ H of FS range), it is possible to widen the range of one-to-one correspondence is established between the magnetic field H Z and the intensity of the measuring light. This, for a wide range of the magnetic field H Z, from the intensity of the measuring light, it means that the magnetic field H Z, can be identified, including its orientation. Thus, the angle θ by setting the range of the equation (1) above, it is possible to obtain a magnetic field distribution image which can grasp the direction of the magnetic field H Z. Furthermore, the magnetic field at each position of the
なお、図4Dに図示されているように、−αFS<θ<αFSである場合には、磁場HZと計測光の強度との間に一対一対応の関係が成立する磁場HZの範囲と、成立しない磁場HZの範囲とが存在することになる。磁場HZがとり得る範囲が既知である場合には、−αFS<θ<αFSが成立するように角度θを設定してもよい。しかしながら、向きを含めた磁場HZの特定のためには、角度θが上記式(1)で規定される範囲にあることが好ましい。 Incidentally, as illustrated in FIG. 4D, when a -α FS <θ <α FS is the magnetic field H Z for one-to-one correspondence relationship between the magnetic field H Z and the intensity of the measuring light is established and ranges, so that the range of the established non field H Z is present. If the range field H Z can take is known, it may set the angle theta as -α FS <θ <α FS is established. However, for certain of the magnetic field H Z, including orientation, the angle θ is preferably in the range defined by the above formula (1).
また、図4Eに図示されているように、飽和ファラデー回転角αFSが大きい場合(より具体的には、角度θと飽和ファラデー回転角αFSの和が90°を超える場合)、磁場HZの絶対値が大きい範囲において磁場HZと計測光の強度との対応関係が一対一関係にならない場合が生じ得る。図4Eでは、磁場HZが−HFS<HZ<H1(<0)の範囲と(0<)H2<HZ<HFSの範囲において、場HZと計測光の強度との対応関係が一対一関係にならない。しかしながら、このような設定は、小さな磁場HZの計測においては感度を高めることができるので、むしろ好適である。 As shown in FIG. 4E, when the saturation Faraday rotation angle α FS is large (more specifically, when the sum of the angle θ and the saturation Faraday rotation angle α FS exceeds 90 °), the magnetic field H Z In the range where the absolute value of is large, there may be a case where the correspondence relationship between the magnetic field HZ and the intensity of the measurement light does not become a one-to-one relationship. In FIG. 4E, when the magnetic field H Z is in the range of −H FS <H Z <H 1 (<0) and (0 <) H 2 <H Z <H FS , the field H Z and the intensity of the measurement light are The correspondence relationship is not a one-to-one relationship. However, such setting, it is possible to enhance the sensitivity in the measurement of small magnetic fields H Z, is rather preferable.
本実施形態の磁場測定デバイス1の利点の一つは、磁気光学イメージングを容易に実施できることである。本実施形態では、面光源11と直線偏光板12と磁気転写素子13と直線偏光板14とが一体化された構造体として構成された磁場測定デバイス1を、磁場分布を測定する空間に設置し、面光源11を動作させた状態で磁場測定デバイス1を撮像装置2で撮影するだけで磁場分布画像を得ることができる。
One of the advantages of the magnetic
図5は、本実施形態の磁場測定デバイス1の変形例を示す側面図である。図5に図示されている磁場測定デバイス1では、面光源11の裏面11b(発光面11aに対向する面)に反射板15が接合されている。このような構成では、面光源11の裏面から出射される光が反射板15によって反射されるため、磁気転写素子13に照射される照射光の強度を増加させることができる。このような構成は、面光源11が発生する光を磁場測定に有効に利用するために好適である。
FIG. 5 is a side view showing a modification of the magnetic
図6は、本発明の他の実施形態における磁場測定デバイス1Aの構成を示す側面図である。図6に図示されている磁場測定デバイス1Aは、一対の直線偏光板12、14の代わりに、円偏光板16を備えている。円偏光板16は、入射光から円偏光を生成する機能を有する光学素子であり、最も典型的には、積層された直線偏光板と1/4波長板で構成される。
FIG. 6 is a side view showing a configuration of a magnetic
詳細には、面光源11の発光面11aに円偏光板16が接合され、その円偏光板16に磁気転写素子13が接合されている。図6の構造では、磁気転写素子13が、円偏光板16を介して面光源11の発光面11aに接合されていることになる。図6の構造では、磁気転写素子13の磁気転写膜13bが円偏光板16に接合されているが、基板13aが円偏光板16に接合されてもよい。ただし、磁気転写膜13bを磁場分布の測定を希望する位置に近づけやすくするという観点では、磁気転写膜13bが面光源11に近い側に設けられることが好ましく、よって、磁気転写膜13bが円偏光板16に接合される構成が好適である。
Specifically, a circularly
第2の実施形態の磁場測定デバイス1Aについても、磁場測定デバイス1Aの各位置から出射される計測光の強度が磁気転写膜13bの各位置の磁場に依存するので、磁場測定デバイス1Aを撮像装置2によって撮像することにより、磁場分布画像(磁場分布を示す画像)を得ることができる。図7は、本実施形態の磁場測定デバイス1Aを用いた磁場測定を示す概念図である。図7は、一例として、磁場発生源3によって発生される磁場の分布の測定に磁場測定デバイス1Aが用いられる場合を図示している。
Also in the magnetic
図7に図示されているように、磁場測定デバイス1Aは、磁場分布の測定を希望する位置に設置される。磁場分布の測定の際には、面光源11を動作させて照射光が発生される。発生した照射光は、円偏光板16を介して磁気転写素子13の磁気転写膜13bに入射する。磁気転写素子13の磁気転写膜13bには、円偏光の照射光が入射されることになる。以下の説明では、便宜上、円偏光板16が右回り円偏光を生成するとして説明を行う。ただし、円偏光板16が左回り円偏光を生成する場合でも同様の原理によって磁場分布画像を得ることができることに留意されたい。
As shown in FIG. 7, the magnetic
本実施形態では、磁気転写膜13bが有する偏光円二色性(右回り円偏光と左回り円偏光の吸収係数が異なるという性質)、及び、吸収係数が磁場に依存するという現象が利用される。磁気転写膜13bに右回り円偏光が入射されると、磁気転写膜13bのファラデー効果により、磁気転写膜13bにおいて右回り円偏光と左回り円偏光とが生成される。磁気転写膜13bの各位置において生成される右回り円偏光と左回り円偏光の強度は、磁気転写膜13bの各位置における磁場、より厳密には、磁場の膜厚方向(図3のZ軸方向)の磁場HZに依存している。
In the present embodiment, the circular circular dichroism (the property that absorption coefficients of clockwise circularly polarized light and counterclockwise circularly polarized light are different) of the
ここで、偏光円二色性により、右回り円偏光と左回り円偏光とで磁気転写膜13bにおける吸収係数が異なっているので、結果として、磁気転写膜13bの各位置から出射される計測光の強度は、磁気転写膜13bの各位置における磁場Hzに依存することになる。よって、直線偏光板14から出射される計測光を撮像装置2で撮像することで磁気転写膜13bの各位置における磁場Hzに依存した強度を反映した画像、即ち、磁場分布画像を得ることができる。
Here, because of the circular polarization dichroism, the absorption coefficient in the
図6に図示されている磁場測定デバイス1Aも、図1に図示されている磁場測定デバイス1と同様に、磁気光学イメージングを容易に実施できるという利点を有している。図6の実施形態では、面光源11と円偏光板16と磁気転写素子13とが一体化された構造体として構成された磁場測定デバイス1Aを、磁場分布を測定する空間に設置し、面光源11を動作させた状態で磁場測定デバイス1Aを撮像装置2で撮影するだけで磁場分布画像を得ることができる。
The magnetic
図8は、磁場測定デバイスの変形例を示している。該変形例の磁場測定デバイスは、符号“1B”で参照されている。図6の磁場測定デバイス1Aでは、円偏光板16で生成した円偏光を照射光として磁気転写素子13に入射する構成となっているが、図8の磁場測定デバイス1Bでは、磁気転写素子13から出射される光から円偏光板16により円偏光を取り出す構成が採用される。
FIG. 8 shows a modification of the magnetic field measurement device. The magnetic field measuring device of the modified example is referred to by reference numeral “1B”. In the magnetic
詳細には、面光源11の発光面11aに磁気転写素子13が接合され、その磁気転写素子13に円偏光板16が接合されている。図8の構造では、磁気転写素子13が、面光源11の発光面11aに直接に接合されていることになる。図8では、磁気転写素子13の磁気転写膜13bが面光源11の発光面11aに接合され、基板13aが円偏光板16に接合されているが、基板13aが発光面11aに接合され、磁気転写膜13bが円偏光板16に接合されてもよい。
Specifically, the
図8の磁場測定デバイス1Bについても、磁場測定デバイス1Bの各位置から出射される計測光の強度が磁気転写膜13bの各位置の磁場に依存するので、磁場測定デバイス1Bを撮像装置2によって撮像することにより、磁場分布画像(磁場分布を示す画像)を得ることができる。図9は、本実施形態の磁場測定デバイス1Bを用いた磁場測定を示す概念図である。図9は、一例として、磁場発生源3によって発生される磁場の分布の測定に磁場測定デバイス1Bが用いられる場合を図示している。以下の説明では、便宜上、円偏光板16が右回り円偏光を生成するとして説明を行う。ただし、円偏光板16が左回り円偏光を生成する場合でも同様の原理により、磁場分布画像を得ることができることに留意されたい。
Also for the magnetic
図9に図示されているように、磁場測定デバイス1Bは、磁場分布の測定を希望する位置に設置される。磁場分布の測定の際には、面光源11を動作させて照射光が発生される。発生した照射光は、磁気転写素子13の磁気転写膜13bに入射する。磁気転写膜13bに入射する照射光は、様々な偏光を含んでいる。
As shown in FIG. 9, the magnetic
本実施形態では、磁気転写膜13bが有する偏光円二色性(右回り円偏光と左回り円偏光の吸収係数が異なるという性質)、及び、吸収係数が磁場に依存するという現象が利用される。磁気転写膜13bに照射光が入射すると、磁気転写膜13bのファラデー効果により、磁気転写膜13bにおいて右回り円偏光と左回り円偏光とが生成される。磁気転写膜13bの各位置において生成される右回り円偏光と左回り円偏光の強度は、磁気転写膜13bの各位置における磁場、より厳密には、磁場の膜厚方向(図3のZ軸方向)の磁場HZに依存している。
In the present embodiment, the circular circular dichroism (the property that absorption coefficients of clockwise circularly polarized light and counterclockwise circularly polarized light are different) of the
ここで、偏光円二色性により、右回り円偏光と左回り円偏光とで磁気転写膜13bにおける吸収係数が異なっているので、結果として、磁気転写膜13bの各位置から出射される光における右回り円偏光の強度は、磁気転写膜13bの各位置における磁場Hzに依存することになる。
Here, because of the circular polarization dichroism, the absorption coefficient in the
磁気転写膜13bから出射される光は、円偏光板16に入射される。これにより、磁気転写膜13bから出射された光のうち右回り円偏光の成分が計測光として円偏光板16から出射される。上述のように、磁気転写膜13bの各位置から出射される右回り円偏光の強度は、磁気転写膜13bの各位置における磁場Hzに依存するので、結果として、円偏光板16から出射される計測光の強度も磁気転写膜13bの各位置における磁場Hzに依存することになる。よって、円偏光板16から出射される計測光を撮像装置2で撮像することで磁気転写膜13bの各位置における磁場Hzに依存した強度を反映した画像、即ち、磁場分布画像を得ることができる。
The light emitted from the
図8に図示されている磁場測定デバイス1Bも、図1に図示されている磁場測定デバイス1、及び、図6に図示されている磁場測定デバイス1Aと同様に、磁気光学イメージングを容易に実施できるという利点を有している。図8の実施形態では、面光源11と磁気転写素子13と円偏光板16とが一体化された構造体として構成された磁場測定デバイス1Bを、磁場分布を測定する空間に設置し、面光源11を動作させた状態で磁場測定デバイス1Bを撮像装置2で撮影するだけで磁場分布画像を得ることができる。
The magnetic
なお、本実施形態においても、図10A、図10Bに図示されているように、面光源11の裏面11b(発光面11aに対向する面)に反射板15が接合されてもよい。このような構成では、面光源11の裏面から出射される光が反射板15によって反射されるため、磁気転写素子13に照射される照射光の強度を増加させることができる。このような構成は、面光源11が発生する光を磁場測定に有効に利用するために好適である。
Also in the present embodiment, as shown in FIGS. 10A and 10B, the reflector 15 may be bonded to the
上述の磁場測定デバイス1、1A、1Bは、板状の構造体が積層された積層体という簡単な構造を有しており、小型化が容易であるという利点も有している。このような磁場測定デバイス1、1A、1Bの利点を生かす好適な応用の一つは、磁場を計測するためのプローブである。以下では、磁場を計測するためのプローブ及び該プローブを備えた磁場測定システムの実施形態を説明する。
The above-described magnetic
図11は、一実施形態における磁場測定システム20の構成を示すシステム構成図である。磁場測定システム20は、プローブ21と、光ファイバー22と、計測光処理部23とを備えている。
FIG. 11 is a system configuration diagram showing the configuration of the magnetic
図12は、プローブ21の構成を示す断面図である。プローブ21は、磁場測定デバイス1と、スリーブ41と、レンズ42と、凹面鏡43と、フィルター44とを備えている。
FIG. 12 is a cross-sectional view showing the configuration of the
磁場測定デバイス1は、上述されているように、面光源11と、直線偏光板12と、磁気転写素子13と、直線偏光板14とを備えている。ただし、本実施形態では、面光源11として蛍光体が用いられる。図12では、面光源11として用いられる蛍光体が、符号11Aで示されている。なお、図12には、図1に図示されている構成の磁場測定デバイス1がプローブ21において使用される実施形態が図示されているが、図6に図示されている構成の磁場測定デバイス1A、図8に図示されている構成の磁場測定デバイス1Bを使用してもよい。この場合にも面光源11として蛍光体が用いられることが好ましい。
As described above, the magnetic
スリーブ41は、円筒状の中空の構造体であり、その一端にレンズ42が取り付けられると共に、他端に凹面鏡43(凹面ミラー)が取り付けられている。スリーブ41の内部空間には、磁場測定デバイス1とフィルター44とが収容されている。磁場測定デバイス1は、レンズ42の光軸上に位置するように設けられており、レンズ42と凹面鏡43の間に位置している。フィルター44は、磁場測定デバイス1の周囲を取り囲むように設けられている。フィルター44は、磁場測定デバイス1の蛍光体11Aを励起する励起光を選択的に通過させる波長特性を有している。本実施形態では、励起光として青色光が用いられるので、フィルター44としては、青色光を選択的に透過する青透過フィルターが用いられる。
The
図11に戻り、光ファイバー22は、プローブ21と計測光処理部23とを接続するために用いられる。光ファイバー22の一端は、プローブ21に光学的に接続されており、他端が計測光処理部23に光学的に接続されている。
Returning to FIG. 11, the
計測光処理部23は、プローブ21の磁場測定デバイス1の蛍光体11Aを励起する励起光を生成すると共に、磁場測定デバイス1から出射される計測光から磁場測定デバイス1の位置における磁場を算出する。詳細には、計測光処理部23は、レーザーダイオード31と、レンズ32と、青反射ミラー33と、レンズ34と、フォトダイオード35と、インタフェース36と、演算装置37とを備えている。
The measurement light processing unit 23 generates excitation light that excites the
レーザーダイオード31は、磁場測定デバイス1の蛍光体11Aを励起する励起光を発生する。励起光として青色光が用いられる本実施形態では、レーザーダイオード31として青色レーザーダイオードが用いられる。
The
レンズ32は、レーザーダイオード31で発生された励起光を平行光にコリメートする。青反射ミラー33は、レンズ32から出射される励起光を反射してレンズ34に入射する。後述されるように、青反射ミラー33は、青色光である励起光を反射する一方で、計測光を通過するように形成される。レンズ34は、青反射ミラー33によって反射された励起光を光ファイバー22に入射すると共に、光ファイバー22から出射される計測光を平行光にコリメートして青反射ミラー33に向けて出射する。レンズ34から出射された計測光は、青反射ミラー33を透過してフォトダイオード35に入射される。
The
フォトダイオード35は、それに入射した計測光を電気信号に変換し、該電気信号を出力する光検出デバイスとして用いられる。フォトダイオード35から出力される電気信号は、計測光の強度に対応する信号レベルを有している。
The
インタフェース36は、フォトダイオード35から受け取った電気信号に対してデジタル−アナログ変換を行い、電気信号の信号レベルに対応するデジタル測定データを生成する。フォトダイオード35から受け取った電気信号の信号レベルは、磁場測定デバイス1から出力される計測光の強度、即ち、磁場測定デバイス1が設けられた位置(より厳密には、磁気転写膜13bの位置)における磁場の強度に対応している。
The
演算装置37は、インタフェース36から受け取ったデジタル測定データに基づいて、磁場測定デバイス1が設けられた位置の磁場を算出する。
The
続いて、磁場測定システム20を用いた磁場測定について説明する。本実施形態の磁場測定システム20は、プローブ21の磁場測定デバイス1が設けられた位置における磁場を測定するように構成されている。磁場測定システム20は、下記のような動作によって磁場を測定する。
Next, magnetic field measurement using the magnetic
図11を参照して、磁場の測定の際には、レーザーダイオード31により、磁場測定デバイス1の蛍光体11Aを励起する励起光が発生される。発生された励起光は、図11においては符号24で示されている。上述のように、本実施形態では、励起光24は青色光である。励起光24は、レンズ32によって平行光にコリメートされ、青反射ミラー33によって反射され、更に、レンズ34によって集光されて光ファイバー22の一端に入射される。光ファイバー22に入射された励起光24は、光ファイバー22によってプローブ21に伝送される。
Referring to FIG. 11, when measuring the magnetic field, the
図12に図示されているように、プローブ21に伝送された励起光24は、光ファイバー22の他端から出射されてプローブ21のレンズ42に入射され、レンズ42によって平行光にコリメートされる。レンズ42から出射した励起光24が、磁場測定デバイス1の蛍光体11Aに供給され、励起光24による励起によって蛍光体11Aが発生する光が、磁気転写素子13に照射される照射光として用いられる。詳細には、レンズ42から出射した励起光24のビームのうち、レンズ42の光軸の近傍の部分は、磁場測定デバイス1に直接に入射されて蛍光体11Aの励起に使用される。一方、レンズ42の光軸から離れた部分は、フィルター44を通過して凹面鏡43に入射される。凹面鏡43によって反射された励起光24は、磁場測定デバイス1の蛍光体11Aに入射されて蛍光体11Aの励起に使用される。フィルター44は、磁場測定デバイス1から出射された計測光のうちレンズ42に入射しなかった光が凹面鏡43に入射することを防ぐ役割を果たしている。蛍光体11Aによって発生される照射光は、励起光24の波長よりも長い波長を有している。
As shown in FIG. 12, the
蛍光体11Aによって発生された照射光は、直線偏光板12を介して磁気転写素子13に入射され、更に、直線偏光板14に入射される。直線偏光板14から出射される光が、計測光25として用いられる。計測光25の強度は、磁気転写素子13の磁気転写膜13bの位置における磁場に依存している。計測光25は、レンズ42に入射され、更に、光ファイバー22に入射される。光ファイバー22に入射された計測光25は、光ファイバー22によって計測光処理部23に伝送される。
Irradiation light generated by the
図11を再度に参照して、計測光処理部23に伝送された計測光25は、光ファイバー22から出射されて計測光処理部23のレンズ34に入射され、レンズ34によって平行光にコリメートされる。レンズ34から出射された計測光25は、青反射ミラー33を通過してフォトダイオード35に入射される。蛍光体11Aの材料を適切に選択すれば、磁気転写素子13に入射される照射光の波長、即ち、計測光25の波長を、計測光25が青反射ミラー33を通過するように設定することが可能である。ここで、励起光24の一部が、プローブ21の内部において散乱され、光ファイバー22を介して計測光処理部23に戻ってくることが発生し得るが、計測光処理部23に戻ってきた励起光24は、青反射ミラー33によって反射されるので、フォトダイオード35には入射しない。
Referring again to FIG. 11, the
フォトダイオード35に入射した計測光25は電気信号に変換され、該電気信号はインタフェース36に供給される。フォトダイオード35から出力される電気信号は、計測光の強度に対応する信号レベルを有している。
The
インタフェース36に供給された電気信号から、デジタル−アナログ変換により、該電気信号の信号レベルに対応するデジタル測定データが生成される。該電気信号の信号レベルは、磁場測定デバイス1から出力される計測光の強度、即ち、磁場測定デバイス1が設けられた位置(より厳密には、磁気転写膜13bの位置)における磁場の強度に対応している。該デジタル測定データに基づいて、演算装置37により、磁場測定デバイス1が設けられた位置における磁場が算出される。
Digital measurement data corresponding to the signal level of the electrical signal is generated from the electrical signal supplied to the
なお、図11に図示されている構成では、計測光25の強度の測定のためにフォトダイオード35が用いられているため、磁場分布画像を得ることはできない。しかしながら、後述されるように、フォトダイオード35の代わりにCCD(charge carrying device)やCMOS(complementary metal oxide semiconductor)センサーのような撮像素子を用いることで、磁場分布画像を得ることもできる。
In the configuration illustrated in FIG. 11, since the
図11に図示されている磁場測定システム20の利点の一つは、プローブ21に電気を供給しなくても磁気転写素子13に照射すべき照射光を蛍光体11Aによって発生できることである。このような構成は、電気を使用できない環境(例えば、防爆が要求される環境)における磁場の測定に好適である。
One of the advantages of the magnetic
図13は、プローブの構成の変形例を図示している。図13に図示されているプローブ21Aでは、凹面鏡43の代わりに、コーンミラー43A(円錐形状又は円錐の一部分の形状の反射面を有するミラー)が用いられている。図13の構成は、磁場測定デバイス1が配置される位置をプローブ21Aの端(スリーブ41の端)に近づけるために適している。凹面鏡43を用いる図11の構成では、凹面鏡43の焦点の近傍に蛍光体11Aが位置するように磁場測定デバイス1を配置する必要があるため、凹面鏡43と磁場測定デバイス1との間にある程度の距離を確保する必要がある。一方、コーンミラー43Aを使用する場合には、磁場測定デバイス1とコーンミラー43Aとの間の距離を近づけることができ、よって、磁場測定デバイス1が配置される位置をプローブ21Aの端に近づけることができる。このような構成は、磁場を測定したい位置のなるべく近くに磁場測定デバイス1を位置させて磁場の測定を行うために好適である。
FIG. 13 illustrates a modification of the configuration of the probe. In the
図14は、プローブの構成の他の変形例を図示している。図14に図示されているプローブ21Bでは、凹面鏡43やコーンミラー43Aの代わりに、散乱体43Bが用いられている。図14の構成では、磁場測定デバイス1を取り囲むように散乱体43Bが配置される。レンズ42から出射した励起光24のビームのうち、レンズ42の光軸の近傍の部分は、磁場測定デバイス1に直接に入射されて蛍光体11Aの励起に使用される。一方、レンズ42の光軸から離れた部分は、フィルター44を通過して散乱体43Bに入射される。散乱体43Bは、乱反射が発生するように構成されており、散乱体43Bによって散乱された励起光24のうち磁場測定デバイス1の蛍光体11Aに入射された光が蛍光体11Aの励起に使用される。一方、散乱体43Bを使用する構成では、磁場測定デバイス1をプローブ21Bの端(スリーブ41の端)に近づけることができる、コーンミラー43Aとの間の距離を近づけることができる。このような構成は、磁場を測定したい位置のなるべく近くに磁場測定デバイス1を位置させて磁場の測定を行うために好適である。
FIG. 14 illustrates another modification of the configuration of the probe. In the
図15は、磁場測定システムの変形例を図示するシステム構成図である。図15に図示されている磁場測定システム20Aは、プローブを用いて磁場分布画像を得ることができるように構成されている。詳細には、図15に図示されている磁場測定システム20Aは、概ね、図11に図示されている磁場測定システム20と同様の構成を有しているが、図15に図示されている磁場測定システム20Aでは、計測光処理部23Aが、フォトダイオード35の代わりに、撮像素子、より具体的には、CCD38が用いられる。加えて、CCD38の受光面に計測光25を入射するためのレンズ39が設けられる。
FIG. 15 is a system configuration diagram illustrating a modification of the magnetic field measurement system. The magnetic
光ファイバー22から出射された計測光25は、計測光処理部23Aのレンズ34に入射され、レンズ34によって平行光にコリメートされる。レンズ34から出射された計測光25は、青反射ミラー33を通過してレンズ39に入射される。レンズ39は、計測光25を集光してCCD38に入射する。CCD38は、該CCD38に入射した計測光25を撮像する。CCD38から出力される撮像信号は、インタフェース36に供給され、デジタル測定データに変換される。演算装置37は、該デジタル測定データから磁場分布画像を生成する。加えて、演算装置37は、磁場分布画像の各位置における輝度(各画素の輝度)から磁場測定デバイス1の各位置における磁場を算出してもよい。
The
このような構成の磁場測定システム20Aでは、プローブ(図15ではプローブ21B)の磁場測定デバイス1の位置(厳密には、磁場測定デバイス1の磁気転写素子13の磁気転写膜13bの位置)における磁場の分布を示す磁場分布画像を得ることができる。また、該磁場分布画像に対して演算装置37によって画像処理を行えば、磁場分布画像の各位置における輝度(各画素の輝度)から磁場測定デバイス1の各位置における磁場を特定することも可能である。
In the magnetic
なお、図15では、図14に図示されているプローブ21Bが用いられている磁場測定システム20Aの構成が図示されているが、図12、図13に図示されているプローブ21、21Aを用いてもよい。
15 shows the configuration of the magnetic
図16は、磁場測定システムの他の変形例を図示している。図16に図示されている磁場測定システム50は、励起光24と計測光25とを別の光ファイバーで伝送するように構成されている。励起光24と計測光25とは異なる波長を有しており、励起光24と計測光25とを別の光ファイバーで伝送する構成では、それぞれに適した特性の光ファイバーを使用することができる。これは、励起光24と計測光25の光ファイバーにおける減衰を低減するために有効である。
FIG. 16 illustrates another modification of the magnetic field measurement system. The magnetic
詳細には、図16に図示されている磁場測定システム50は、プローブ21Bと、2本の光ファイバー22a、22bと、計測光処理部51とを備えている。
Specifically, the magnetic
プローブ21Bの構成は、上述した通りである。但し、本実施形態では、励起光24は、光ファイバー22aからレンズ42に入射され、計測光25は、レンズ42から光ファイバー22bに入射される。
The configuration of the
計測光処理部51は、励起光生成部52と、計測光受光部53と、インタフェース57と、演算装置58とを備えている。
The measurement light processing unit 51 includes an excitation
励起光生成部52は、レーザーダイオード54と、レンズ55、56とを備えている。レーザーダイオード54は、磁場測定デバイス1の蛍光体11Aを励起する励起光24を発生する。励起光24として青色光が用いられる本実施形態では、レーザーダイオード54として青色レーザーダイオードが用いられる。レンズ55は、レーザーダイオード54で発生された励起光を平行光にコリメートする。レンズ56は、レンズ55によってコリメートされた励起光24を光ファイバー22aに入射する。
The excitation
計測光受光部53は、青色カットフィルター53aと、レンズ53bと、CCD53cとを備えている。青色カットフィルター53aは、励起光24がプローブ21Bの内部において散乱されて光ファイバー22bを介して計測光処理部51に戻ってきた場合に、計測光処理部51に戻ってきた励起光24を除去する。レンズ53bは、光ファイバー22bから出射された計測光25を集光してCCD53cに入射する。CCD53cは、該CCD53cに入射した計測光25を撮像する。CCD53cから出力される撮像信号は、インタフェース57に供給され、デジタル測定データに変換される。演算装置58は、該デジタル測定データから磁場分布画像を生成する。加えて、演算装置58は、磁場分布画像の各位置における輝度(各画素の輝度)から磁場測定デバイス1の各位置における磁場を算出してもよい。
The measurement
なお、図16には、図14に図示されているプローブ21Bが用いられている磁場測定システム50の構成が図示されているが、図12、図13に図示されているプローブ21、21Aを用いてもよい。
16 shows the configuration of the magnetic
図17は、他の実施形態における磁場測定システム70の構成を示すシステム構成図である。図17の磁場測定システム70は、磁場測定デバイスから出射される計測光に含まれる右回り円偏光及び左回り円偏光のそれぞれから磁場分布画像を取得し、該磁場分布画像を合成することで良好な磁場分布画像を得るように構成されている。以下では、磁場測定システム70の構成について説明する。
FIG. 17 is a system configuration diagram showing a configuration of a magnetic
磁場測定システム70は、磁場測定デバイス1Bと、無偏光ビームスプリッタ71と、円偏光板72、73と、撮像装置74、75と、画像処理部76とを備えている。
The magnetic
磁場測定デバイス1Bは、面光源11と磁気転写素子13とを備えている。面光源11は、磁気転写素子13に照射する照射光を発生し、発光面11aから出射する。面光源11の発光面11aは、磁気転写素子13に接合されている。即ち、発光面11aから出射された照射光は、磁気転写素子13に入射される。磁気転写素子13は、基板13aと、基板13aに形成された磁気転写膜13bとを備えている。磁気転写素子13の構成の詳細は上述されているとおりである。図17には、磁気転写素子13の磁気転写膜13bが面光源11の発光面11aに接合されている磁場測定デバイス1Bの構成が図示されているが、基板13aが面光源11に接合されてもよい。ただし、磁気転写膜13bを磁場分布の測定を希望する位置に近づけやすくするという観点では、磁気転写膜13bが面光源11に近づけられることが好ましく、よって、磁気転写膜13bが面光源11に接合される構成が好適である。
The magnetic
無偏光ビームスプリッタ71は、磁気転写素子13から出射される計測光の一部を反射することで、計測光のビームを2つのビームに分離する。無偏光ビームスプリッタ71を通過した計測光が円偏光板72に入射され、無偏光ビームスプリッタ71によって反射された計測光が円偏光板73に入射される。
The
円偏光板72、73は、それぞれから出射される円偏光の偏光面の回転方向が同一であるように構成されている。即ち、円偏光板72、73は、いずれも右回り円偏光を出射するように構成されるか、いずれも左回り円偏光を出射するように構成される。ここで、右回り円偏光は反射されると左回り円偏光になり、左回り円偏光は反射されると右回り円偏光になるから、円偏光板72、73がいずれも右回り円偏光を出射するように構成されている場合には、円偏光板72からは計測光のうちの右回り円偏光の成分が出射され、円偏光板73からは計測光のうち左回り円偏光の成分の強度分布に対応する強度分布を有する右回り円偏光が出射されることになる。
The circularly
撮像装置74は、円偏光板72から出射される計測光を撮像して撮像画像を取得し、同様に、撮像装置75は、円偏光板73から出射される計測光を撮像して撮像画像を取得する。撮像装置74、75は、それぞれが取得した撮像画像に対応する撮像画像データを生成し、生成した撮像画像データを画像処理部76に送る。
The
画像処理部76は、インタフェース77と演算装置78とを備えている。インタフェース77は、撮像装置74、75によって得られた撮像画像データを演算装置78に転送する。演算装置78は、撮像装置74、75のそれぞれによって得られた撮像画像から磁場分布画像を生成する。本実施形態では、演算装置78は、転送された撮像画像データから、撮像装置74、75によって得られた撮像画像の差分像を生成し、当該差分像が、最終的に得られる磁場分布画像として用いられる。
The image processing unit 76 includes an
図18は、図17の磁場測定システム70によって磁場分布画像を得る動作を示す概念図である。以下では、円偏光板72、73が、いずれも右回り円偏光を出射するように構成されているとして磁場測定システム70の動作を説明する。ただし、円偏光板72、73が、いずれも左回り円偏光を出射するように構成されている場合にも、同様の動作により磁場分布画像を得ることができることは当業者には容易に理解されよう。
FIG. 18 is a conceptual diagram showing an operation of obtaining a magnetic field distribution image by the magnetic
磁場分布の測定の際には、面光源11を動作させて照射光が発生される。発生した照射光は、磁気転写素子13の磁気転写膜13bに入射される。磁気転写膜13bにおけるファラデー効果により、磁気転写膜13bを出射した計測光は、磁気転写膜13bの各位置における磁場の情報を含んでいる。
When measuring the magnetic field distribution, the
磁気転写膜13bから出射される計測光のビームは、無偏光ビームスプリッタ71により、2つのビームに分離される。無偏光ビームスプリッタ71を通過した計測光のビームは、円偏光板72を介して撮像装置74に入射され、無偏光ビームスプリッタ71によって反射された計測光のビームは、円偏光板73を介して撮像装置75に入射される。
The beam of measurement light emitted from the
撮像装置74、75によって取得される撮像画像は、いずれも、磁気分布画像である。詳細には、円偏光板72、73が、いずれも右回り円偏光を出射するように構成されているので、磁気転写素子13から出射される計測光のうちの右回り円偏光の成分から得られる磁気分布画像81が撮像装置74によって生成され、磁気転写素子13から出射される計測光のうちの左回り円偏光の成分から得られる磁気分布画像82が撮像装置75によって生成される。撮像装置74によって生成された磁気分布画像81に対応する撮像画像データと、撮像装置75によって生成された磁気分布画像82に対応する撮像画像データとは、画像処理部76の演算装置78に転送される。演算装置78は、転送された撮像画像データから、磁気分布画像81、82の差分像83を算出する。この差分像83が、最終的に得られる磁気分布画像として用いられる。また、最終的に得られた磁気分布画像(差分像83)に対して演算装置78によって画像処理を行うことにより、磁場分布画像の各位置における輝度(各画素の輝度)から磁場測定デバイス1の各位置における磁場を特定することも可能である。
The captured images acquired by the
このような動作によれば、磁気転写素子13から出射される計測光に含まれる磁場分布の情報をより有効に利用できるので、磁場分布の検出感度を向上させることができる。加えて、面光源11の明るさのムラや、磁気転写膜13bの特性の位置バラツキなどに起因するノイズをキャンセルすることができるので、磁場分布画像の画質を向上し、又は、磁場分布画像から得られる磁場の精度を向上することができる。
According to such an operation, information on the magnetic field distribution included in the measurement light emitted from the
なお、本実施形態において、円偏光板72、73から出射される円偏光の回転方向は、磁気転写素子13から出射された計測光が円偏光板72に入射されるまでに該計測光が反射される回数と、磁気転写素子13から出射された計測光が円偏光板73に入射されるまでに計測光が反射される回数との間の差に応じて決定されるべきであることに留意されたい。例えば、計測光が円偏光板72に入射されるまでに反射される回数と、計測光が円偏光板73に入射されるまでに反射される回数との間の差が奇数である場合、円偏光板72、73は、それぞれから出射される円偏光の偏光面の回転方向が同一であるように構成される。一方、計測光が円偏光板72に入射されるまでに反射される回数と、計測光が円偏光板73に入射されるまでに反射される回数との間の差が偶数(ゼロを含む)である場合、円偏光板72、73は、それぞれから出射される円偏光の偏光面の回転方向が反対であるように構成される。円偏光板72、73から出射される円偏光の回転方向をこのように設定することで、磁気転写素子13から出射される計測光のうちの右回り円偏光の成分と左回り円偏光の成分とを別々に抽出した撮像画像を取得し、該撮像画像に含まれる磁場分布の情報を有効に利用することができる。
In this embodiment, the rotation direction of the circularly polarized light emitted from the circularly
以上には、本発明の様々な実施形態が具体的に記述されているが、本発明は、上記の実施形態に限定されると解釈してはならない。本発明が様々な変更と共に実施され得ることは、当業者には自明的であろう。 Although various embodiments of the present invention have been specifically described above, the present invention should not be construed as being limited to the above-described embodiments. It will be apparent to those skilled in the art that the present invention may be practiced with various modifications.
1、1A、1B:磁場測定デバイス
2 :撮像装置
3 :磁場発生源
11 :面光源
11A :蛍光体
11a :発光面
11b :裏面
12 :直線偏光板
12a :破線矢印
13 :磁気転写素子
13a :基板
13b :磁気転写膜
14 :直線偏光板
14a :矢印
15 :反射板
16 :円偏光板
20、20A:磁場測定システム
21、21A、21B:プローブ
22、22a、22b:光ファイバー
23、23A:計測光処理部
24 :励起光
25 :計測光
31 :レーザーダイオード
32 :レンズ
33 :青反射ミラー
34 :レンズ
35 :フォトダイオード
36 :インタフェース
37 :演算装置
38 :CCD
39 :レンズ
41 :スリーブ
42 :レンズ
43 :凹面鏡
43A :コーンミラー
43B :散乱体
44 :フィルター
50 :磁場測定システム
51 :計測光処理部
52 :励起光生成部
53 :計測光受光部
53a :青色カットフィルター
53b :レンズ
53c :CCD
54 :レーザーダイオード
55、56:レンズ
57 :インタフェース
58 :演算装置
70 :磁場測定システム
71 :無偏光ビームスプリッタ
72、73:円偏光板
74、75:撮像装置
76 :画像処理部
77 :インタフェース
78 :演算装置
81、82:磁気分布画像
83 :差分像
DESCRIPTION OF
39: Lens 41: Sleeve 42: Lens 43:
54:
Claims (20)
照射光を発生し、前記照射光を発光面から出射する面光源
とを具備し、
前記面光源の前記発光面が前記磁気転写素子に接合された
磁場測定デバイス。 A magnetic transfer element comprising a magnetic transfer film exhibiting a magneto-optical effect;
A surface light source for generating irradiation light and emitting the irradiation light from a light emitting surface;
A magnetic field measuring device in which the light emitting surface of the surface light source is bonded to the magnetic transfer element.
更に、
第1直線偏光板と、
第2直線偏光板
とを具備し、
前記第1直線偏光板は、前記磁気転写素子と前記面光源の間に挿入され、
前記第2直線偏光板は、前記磁気転写素子を挟んで前記第1直線偏光板に対向するように設けられた
磁場測定デバイス。 The magnetic field measurement device according to claim 1,
Furthermore,
A first linear polarizing plate;
A second linearly polarizing plate,
The first linear polarizing plate is inserted between the magnetic transfer element and the surface light source,
The second linearly polarizing plate is provided so as to face the first linearly polarizing plate across the magnetic transfer element.
前記磁気転写膜の飽和ファラデー回転角をαFSとしたとき、前記第1直線偏光板の透過軸に垂直な面と前記第2直線偏光板の透過軸とがなす角θが、下記関係:
αFS≦θ≦90°−αFS
を満足する
磁場測定デバイス。 The magnetic field measurement device according to claim 2,
When the saturation Faraday rotation angle of the magnetic transfer film is α FS , an angle θ formed by a plane perpendicular to the transmission axis of the first linear polarizing plate and the transmission axis of the second linear polarizing plate is as follows:
α FS ≦ θ ≦ 90 ° -α FS
Satisfying magnetic field measuring device.
更に、前記面光源の前記発光面に対向する裏面に接合され、前記面光源の前記裏面から出射される光を反射する反射体を具備する
磁場測定デバイス。 The magnetic field measurement device according to claim 2 or 3,
Furthermore, a magnetic field measuring device comprising a reflector that is bonded to a back surface of the surface light source facing the light emitting surface and reflects light emitted from the back surface of the surface light source.
更に、
前記磁気転写素子と前記面光源の間に挿入された円偏光板を具備する
磁場測定デバイス。 The magnetic field measurement device according to claim 1,
Furthermore,
A magnetic field measuring device comprising a circularly polarizing plate inserted between the magnetic transfer element and the surface light source.
更に、
円偏光板を具備し、
前記磁気転写素子が、前記円偏光板と前記面光源の間に設けられている
磁場測定デバイス。 The magnetic field measurement device according to claim 1,
Furthermore,
A circularly polarizing plate,
The magnetic transfer element is provided between the circularly polarizing plate and the surface light source.
前記面光源が、エレクトロルミネセンス光源を具備する
磁場測定デバイス。 The magnetic field measuring device according to any one of claims 1 to 6,
A magnetic field measuring device, wherein the surface light source comprises an electroluminescence light source.
前記面光源が、蛍光体を具備し、
前記蛍光体は、前記蛍光体に入射される励起光を受けて蛍光により前記照射光を生成するように構成された
磁場測定デバイス。 A magnetic field measuring device according to any one of claims 1 to 7,
The surface light source comprises a phosphor;
The magnetic field measuring device configured to receive the excitation light incident on the phosphor and generate the irradiation light by fluorescence.
前記磁場測定デバイスを撮像して前記磁気転写膜の各位置における磁場の分布を示す磁場分布画像を生成する撮像装置
とを備える
磁場測定装置。 A magnetic field measuring device according to any one of claims 1 to 8,
An imaging device comprising: an imaging device that images the magnetic field measurement device and generates a magnetic field distribution image indicating a magnetic field distribution at each position of the magnetic transfer film.
前記第1光ファイバーの第1端に接合された、請求項8に記載の磁場測定デバイスを備えたプローブと、
前記第1光ファイバーの第2端に接合された計測光処理部
とを具備し、
前記計測光処理部は、
励起光を発生する励起光生成部と、
光検出デバイス
とを具備し、
前記励起光は、前記磁場測定デバイスの前記蛍光体に入射され、
前記蛍光体によって生成された前記照射光のうち前記磁気転写素子を通過した光である計測光が、前記第1光ファイバーの前記第1端に入射され、前記第1光ファイバーを伝搬して前記第1光ファイバーの第2端から出射され、前記光検出デバイスに入射される
磁場測定システム。 A first optical fiber;
A probe comprising the magnetic field measuring device according to claim 8 joined to a first end of the first optical fiber;
A measurement light processing unit joined to the second end of the first optical fiber,
The measurement light processing unit is
An excitation light generator that generates excitation light;
A light detection device,
The excitation light is incident on the phosphor of the magnetic field measurement device,
Of the irradiation light generated by the phosphor, measurement light that is light that has passed through the magnetic transfer element is incident on the first end of the first optical fiber, propagates through the first optical fiber, and travels through the first optical fiber. A magnetic field measurement system that is emitted from a second end of an optical fiber and is incident on the light detection device.
更に、演算装置を含み、
前記光検出デバイスは、前記計測光を撮像する撮像素子を含み、
前記演算装置は、前記撮像素子から出力される撮像信号から前記磁気転写膜の位置における磁場の分布を示す磁場分布画像を生成する
磁場測定システム。 The magnetic field measurement system according to claim 10,
In addition, including an arithmetic unit,
The light detection device includes an image sensor that images the measurement light,
The said arithmetic unit produces | generates the magnetic field distribution image which shows distribution of the magnetic field in the position of the said magnetic transfer film from the imaging signal output from the said image sensor.
前記励起光が、前記励起光生成部から前記第1光ファイバーの前記第2端に入射され、前記第1光ファイバーを伝搬して前記第1光ファイバーの前記第1端から出射され、前記磁場測定デバイスの前記蛍光体に入射される
磁場測定システム。 The magnetic field measurement system according to claim 10,
The excitation light is incident on the second end of the first optical fiber from the excitation light generation unit, propagates through the first optical fiber, and is emitted from the first end of the first optical fiber. A magnetic field measurement system incident on the phosphor.
更に、
第2光ファイバーを具備し、
前記励起光が、前記第2光ファイバーを介して前記励起光生成部から前記プローブに伝送され、前記磁場測定デバイスの前記蛍光体に入射される
磁場測定システム。 The magnetic field measurement system according to claim 10,
Furthermore,
Comprising a second optical fiber;
The excitation light is transmitted from the excitation light generator to the probe via the second optical fiber, and is incident on the phosphor of the magnetic field measurement device.
前記プローブが、
更に、
前記磁場測定デバイスを収容するスリーブと、
レンズと、
前記スリーブの一端に設けられたミラー
とを具備しており、
前記磁場測定デバイスは、前記レンズと前記ミラーの間に位置しており、
前記励起光は、前記第1光ファイバーの前記第1端から前記レンズに入射され、前記レンズから前記ミラーに入射され、前記ミラーによって反射されて前記磁場測定デバイスの前記蛍光体に入射される
磁場測定システム。 The magnetic field measurement system according to claim 12,
The probe is
Furthermore,
A sleeve containing the magnetic field measuring device;
A lens,
A mirror provided at one end of the sleeve;
The magnetic field measuring device is located between the lens and the mirror;
The excitation light is incident on the lens from the first end of the first optical fiber, is incident on the mirror from the lens, is reflected by the mirror, and is incident on the phosphor of the magnetic field measurement device. system.
前記プローブが、
更に、
前記磁場測定デバイスを収容するスリーブと、
レンズと、
前記スリーブの一端に設けられたミラー
とを具備しており、
前記磁場測定デバイスは、前記レンズと前記ミラーの間に位置しており、
前記励起光は、前記第2光ファイバーを介して前記励起光生成部から前記レンズに入射され、前記レンズから前記ミラーに入射され、前記ミラーによって反射されて前記磁場測定デバイスの前記蛍光体に入射される
磁場測定システム。 The magnetic field measurement system according to claim 13,
The probe is
Furthermore,
A sleeve containing the magnetic field measuring device;
A lens,
A mirror provided at one end of the sleeve;
The magnetic field measuring device is located between the lens and the mirror;
The excitation light is incident on the lens from the excitation light generation unit via the second optical fiber, is incident on the mirror from the lens, is reflected by the mirror, and is incident on the phosphor of the magnetic field measurement device. Magnetic field measurement system.
前記プローブが、
更に、
前記磁場測定デバイスを収容するスリーブと、
レンズと、
散乱体
とを具備しており、
前記励起光は、前記第1光ファイバーの前記第1端から前記レンズに入射され、前記レンズから前記散乱体に入射され、前記散乱体によって散乱されて前記磁場測定デバイスの前記蛍光体に入射される
磁場測定システム。 The magnetic field measurement system according to claim 12,
The probe is
Furthermore,
A sleeve containing the magnetic field measuring device;
A lens,
A scatterer,
The excitation light is incident on the lens from the first end of the first optical fiber, is incident on the scatterer from the lens, is scattered by the scatterer, and is incident on the phosphor of the magnetic field measurement device. Magnetic field measurement system.
前記プローブが、
更に、
前記磁場測定デバイスを収容するスリーブと、
レンズと、
散乱体
とを具備しており、
前記励起光は、前記第2光ファイバーを介して前記励起光生成部から前記レンズに入射され、前記レンズから前記散乱体に入射され、前記散乱体によって散乱されて前記磁場測定デバイスの前記蛍光体に入射される
磁場測定システム。 The magnetic field measurement system according to claim 13,
The probe is
Furthermore,
A sleeve containing the magnetic field measuring device;
A lens,
A scatterer,
The excitation light is incident on the lens from the excitation light generation unit through the second optical fiber, is incident on the scatterer from the lens, and is scattered by the scatterer to the phosphor of the magnetic field measurement device. Incident magnetic field measurement system.
ビームスプリッタと、
第1円偏光板と、
第2円偏光板と、
第1撮像装置と、
第2撮像装置と、
演算装置
とを具備し、
前記磁場測定デバイスは、
磁気光学効果を発現する磁気転写膜を備える磁気転写素子と、
照射光を発生し、前記照射光を発光面から出射する面光源
とを具備し、
前記面光源の前記発光面が前記磁気転写素子に接合され、
前記ビームスプリッタは、前記磁気転写素子から出射される計測光のビームから第1ビーム及び第2ビームを生成し、
前記第1ビームは、前記第1円偏光板を介して前記第1撮像装置に入射され、
前記第2ビームは、前記第2円偏光板を介して前記第2撮像装置に入射され、
前記第1撮像装置は、前記第1ビームを撮像して第1撮像画像を生成し、
前記第2撮像装置は、前記第2ビームを撮像して第2撮像画像を生成し、
前記演算装置は、前記第1撮像画像及び前記第2撮像画像の差分像を前記磁気転写膜の各位置における磁場の分布を示す磁場分布画像として生成する
磁場測定システム。 A magnetic field measuring device;
A beam splitter,
A first circularly polarizing plate;
A second circularly polarizing plate;
A first imaging device;
A second imaging device;
An arithmetic device,
The magnetic field measurement device includes:
A magnetic transfer element comprising a magnetic transfer film exhibiting a magneto-optical effect;
A surface light source for generating irradiation light and emitting the irradiation light from a light emitting surface;
The light emitting surface of the surface light source is bonded to the magnetic transfer element;
The beam splitter generates a first beam and a second beam from a beam of measurement light emitted from the magnetic transfer element;
The first beam is incident on the first imaging device via the first circularly polarizing plate,
The second beam is incident on the second imaging device via the second circularly polarizing plate,
The first imaging device captures the first beam to generate a first captured image,
The second imaging device captures the second beam to generate a second captured image;
The arithmetic device generates a difference image between the first captured image and the second captured image as a magnetic field distribution image indicating a magnetic field distribution at each position of the magnetic transfer film.
前記ビームスプリッタは、前記磁気転写素子から出射される計測光のビームの一部を透過して前記第1ビームを生成し、一部を反射して前記第2ビームを生成し、
前記第1円偏光板及び前記第2円偏光板から出射される円偏光の回転方向が同一である
磁場測定システム。 The magnetic field measurement system according to claim 18,
The beam splitter transmits a part of the beam of measurement light emitted from the magnetic transfer element to generate the first beam, reflects a part to generate the second beam,
The magnetic field measurement system in which rotation directions of circularly polarized light emitted from the first circularly polarizing plate and the second circularly polarizing plate are the same.
前記面光源によって生成される前記照射光を前記磁気転写素子に入射した状態で前記磁場測定デバイスを撮像して前記磁気転写膜の各位置における磁場の分布を示す磁場分布画像を生成するステップ
とを備える
磁場測定方法。 A magnetic transfer element including a magnetic transfer film that exhibits a magneto-optical effect; and a surface light source that generates irradiation light and emits the irradiation light from a light emitting surface, wherein the light emitting surface of the surface light source is the magnetic transfer element. Placing the magnetic field measuring device joined to the desired position;
Imaging the magnetic field measurement device in a state where the irradiation light generated by the surface light source is incident on the magnetic transfer element, and generating a magnetic field distribution image showing a magnetic field distribution at each position of the magnetic transfer film; A magnetic field measurement method.
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---|---|---|---|---|
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-
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- 2016-01-25 JP JP2016011821A patent/JP6731606B2/en active Active
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