JP2020003270A - 原子磁気センサ、グラジオメータ、生体磁気計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】原子磁気センサによる磁場計測の精度を向上させる。【解決手段】開示の技術の一態様に係る原子磁気センサは、光を出射するレーザ光源と、前記レーザ光源から出射された光を、少なくとも２つに分割する光分割手段と、アルカリ金属原子を封入し、前記光分割手段により分割された光のうち、一方の光を透過させる透光性のセルと、前記光分割手段により分割された光のうち、前記セルを透過した前記一方の光と、前記セルを透過しなかった他方の光と、を受光する光検出器と、を有することを特徴とする。【選択図】図１

Description

本発明は、原子磁気センサ、グラジオメータ、生体磁気計測装置に関する。

生体から発せられる磁場は生体磁場（Biomagnetism）と呼ばれる。微弱な生体磁場を計測する装置として、脳の神経細胞の電気的活動によって生じた磁場（脳磁場）を計測する脳磁計（Magnetoencephalography；MEG）が知られている。

また脳磁計で用いられる磁気センサとして、極低温環境を必要としない光ポンピング原子磁気センサ（Optical Pumping Atomic Magnetometer）が知られている。

光ポンピング原子磁気センサでは、透光性のセルを通過したプローブ光のＰ波とＳ波をそれぞれ光検出器で受光し、両者の差分に該当する偏光面の回転角から磁場の大きさを検出する技術が開示されている（例えば、特許文献１参照）。

しかしながら、特許文献１の技術では、光検出器や検出回路に混信するノイズにより、光ポンピング原子磁気センサ等の原子磁気センサによる磁場の計測精度が低下する場合があった。

本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであって、原子磁気センサによる磁場計測の精度を向上させることを課題とする。

開示の技術の一態様に係る原子磁気センサは、光を出射するレーザ光源と、前記レーザ光源から出射された光を、少なくとも２つに分割する光分割手段と、アルカリ金属原子を封入し、前記光分割手段により分割された光のうち、一方の光を透過させる透光性のセルと、前記光分割手段により分割された光のうち、前記セルを透過した前記一方の光と、前記セルを透過しなかった他方の光と、を受光する光検出器と、を有することを特徴とする。

本発明の実施形態によれば、原子磁気センサによる磁場計測の精度を向上させることができる。

第１の本実施形態に係る原子磁気センサの構成の一例を説明する図である。 実施形態に係る光分割手段の構成の一例を説明する図である。 実施形態に係る第１の光と第２の光の関係の一例を説明する図である。 実施形態に係る第１の光と第２の光の挙動の一例を説明する図である。 実施形態に係る第１の光と第２の光の挙動の他の例を説明する図である。 実施形態に係る所定の位相差を与える場合の構成の一例を説明する図である。 実施形態に係る１つの偏光子を備える場合の構成の一例を説明する図である。 実施形態に係る１つの１／２波長板を備える場合の構成の一例を説明する図である。 実施形態に係る干渉縞のシミュレーション結果の一例を示す図である。 実施形態に係る光検出器の位置を調整する構成の一例を説明する図である。 実施形態に係る光検出器が備える開口の一例を説明する図である。 実施形態に係る複数の画素を有する光検出器アレイの一例を説明する図である。 第２の実施形態に係る原子磁気センサの構成の一例を説明する図である。 第３の実施形態に係る原子磁気センサの構成の一例を説明する図である。 第４の実施形態に係るグラジオメータの構成の一例を説明する図である。 第５の実施形態に係る生体磁気計測装置の構成の一例を説明する図である。 第５の実施形態の制御部が有する構成要素の一例を機能ブロックで示す図である。 第１の変形例に係る生体磁気計測装置の構成の一例を説明する図である。 第２の変形例に係る生体磁気計測装置の構成の一例を説明する図である。 第３の変形例に係る生体磁気計測装置の構成の一例を説明する図である。

以下、図面を参照して発明を実施するための形態について説明する。各図面において、同一構成部分には同一符号を付し、重複した説明を省略する場合がある。また各図面において実線の矢印で方向を示す場合があるが、それぞれＸ、Ｙ、及びＺ方向を示すものとする。

実施形態に係る原子磁気センサは、光ポンピング法により生成されたアルカリ金属原子のスピン偏極を利用し、磁場の強度を計測する。ここで、光ポンピング法とは近接した２つのエネルギー準位における原子の占拠数に、光により大きな差を作る方法である。

光ポンピングされたアルカリ金属原子はスピン偏極する。被計測対象となる磁場は、偏極されたスピンを回転させ、プローブ光として入射した直線偏光の偏光面を回転させる。実施形態に係る原子磁気センサは、プローブ光の偏光面の回転角を検出することで、磁場の強度を計測する。

［第１の実施形態］
先ず第１の実施形態を説明する。図１は、本実施形態に係る原子磁気センサの構成の一例を説明する図である。

原子磁気センサ１００は、光源１と、光分割手段２と、偏光子３ａ及び３ｂと、１／２波長板４ａ及び４ｂと、セル５と、光検出器６とを有する。

セル５は、アルカリ金属原子の蒸気を封入した透光性の容器である。アルカリ金属原子は、カリウム（Ｋ）、ルビジウム（Ｒｂ）、セシウム（Ｃｓ）の何れかが好ましい。セル５の内部には、アルカリ金属原子の他に、原子の緩和時間を延ばすヘリウム、窒素、アルゴン等の不活性ガス（バッファガス）が封入されてもよい。又、セル５の内壁に原子のスピン偏極の緩和防止用にパラフィン等の緩和防止コーティングがされていても良い。

セル５の材料は、光の入出射部に関しては光を透過できる材料であればよく、例えば、ガラス材料を用いることができる。光の入出射部以外に関しては、特に限定されないが、ガラス材料、金属材料、樹脂材料等を用いることができる。但し、セル５の全体を硼珪酸ガラス等の光を透過できる材料により作製してもよい。

セル５には、図１に破線の矢印で示されているポンプ光７が入射する。ポンプ光７は、セル５内のアルカリ金属原子の吸収波長（例えば、１３３ＣｓのＤ１線に相当する８９５ｎｍ）の光である。ポンプ光７には、例えば、ＶＣＳＥＬ（Vertical Cavity Surface Emitting LASER 垂直共振面発光レーザ）から出射された光を用いることができる。但し、アルカリ金属原子の吸収波長の光であれば、ポンプ光７はＶＣＳＥＬから出射された光に限定されない。

ポンプ光７は、略円偏光の光であることが好ましい。略円偏光の光でアルカリ金属原子を励起することにより、ポンピング率を高くすることができる。円偏光の光を得るために、直線偏光の光を略円偏光の光に変換する機能を有する１／４波長板を用いることができる。例えば直線偏光を出射するＶＣＳＥＬとセル５の間に、直線偏光の偏光面に対して光学軸を４５度傾けて、１／４波長板を設置すればよい。

尚、偏光面とは、光の進行方向と電場、又は磁場の振動方向を含む面である。以下では、偏光面に振動方向が含まれるため、直線偏光の振動方向を偏光面と称する場合がある。また１／４波長板の光学軸は、１／４波長板の進相軸、又は遅相軸である。

尚、図１では、負のＹ方向から正のＹ方向に向けて、セル５にポンプ光を入射させる例を示したが、これには限定されない。例えば、正のＹ方向から負のＹ方向に向けて、セル５にポンプ光を入射させてもよい。または、正のＸ方向から負のＸ方向に向けて、或いは負のＸ方向から正のＸ方向に向けて、セル５にポンプ光を入射させてもよい。

光源１は、レーザ光源であり、ポンプ光７とは波長の異なるレーザ光を出射する。光源１は、例えばＶＣＳＥＬやＬＤ（Laser Diode）、ＤＢＲ（Distributed Bragg Reflector；分布反射型）レーザ等である。光源１から出射されるレーザ光は、「プローブ光」の一例である。

光分割手段２は、例えば２つのピンホール２１ａ及び２１ｂを備えるピンホールアレイである。光源１から出射された発散光であるプローブ光は、光分割手段２のピンホール２１ａを通過した光と、ピンホール２１ｂを通過した光の２つの光に分割される。

ピンホールアレイは、例えば金属平板に２つの貫通孔を設けて作製される。但し、光分割手段２はこれに限定されず、スリットアレイであってもよい。図２は、実施形態に係る光分割手段２の構成の一例を説明する図である。図２（ａ）は、ピンホール２１ａ及び２１ｂを備えるピンホールアレイの一例を示す正面図である。図２（ｂ）は、スリット２２ａ及び２２ｂを備えるスリットアレイの一例を示す正面図である。図２において、黒色で示されている領域は、プローブ光を遮光する領域であり、白色で示されている領域のピンホール２１ａ及び２１ｂ、或いはスリット２２ａ及び２２ｂは、プローブ光を通過させる領域である。

図１に戻り、ピンホール２１ａを通過した光は偏光子３ａを通過して直線偏光となる。或いは、光源１から直線偏光の光が出射される場合は、偏光子３ａを通過することで、直線偏光の偏光度が高められる。偏光子３ａは、例えば偏光板である。但し、これに限定されず、より偏光度の高い直線偏光が得られるように、グラントムソンプリズム等を用いてもよい。

偏光子３ａを通過後の直線偏光は、１／２波長板４ａに入射する。１／２波長板４ａは、入射する直線偏光の偏光面を回転させて出射する光学素子である。例えば１／２波長板４ａの光学軸を、光の進行方向に沿った軸回りに角度φだけ回転させると、１／２波長板４ａに入射した直線偏光の偏光面に対して、角度２φだけ偏光面が回転した直線偏光の光が、１／２波長板４ａから出射される。

１／２波長板４ａから出射された光は、セル５を通過して光検出器６に入射する。図１に一点鎖線で示されているように、光分割手段２で分割された光のうち、ピンホール２１ａを通過して光検出器６に入射する光は、第１の光２００ａである。尚、第１の光２００ａは、「一方の光」の一例である。

他方、ピンホール２１ｂを通過した光は偏光子３ｂに通過して直線偏光となる。或いは、光源１から直線偏光の光が出射される場合は、偏光子３ａを通過することで、直線偏光の偏光度が高められる。偏光子３ｂを通過後の直線偏光は、１／２波長板４ｂに入射し、偏光面が所定角度だけ回転されて出射される。１／２波長板４ｂから出射された光は、セル５を通過せず、直接、光検出器６に入射する。図１に二点鎖線で示されているように、光分割手段２で分割された光のうち、ピンホール２１ｂを通過して光検出器６に入射する光は、第２の光２００ｂである。尚、第２の光２００ｂは、「他方の光」の一例である。

光検出器６は、例えば、受光した光の光強度に応じた電圧信号を出力するフォトダイオードである。但し、これに限定されず、フォトダイオードアレイや、ＭＯＳ（Metal Oxide Semiconductor Device）、ＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor Device）、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）等の撮像素子を用いてもよい。

１／２波長板４ａ及び４ｂの光学軸の成す角度を調整することで、第１の光２００ａの直線偏光の偏光面と、第２の光２００ｂの直線偏光の偏光面の成す角度αを、所定の角度に設定することができる。一例として、角度αが０度の場合は、第１の光２００ａの直線偏光の偏光面と、第２の光２００ｂの直線偏光の偏光面は平行な状態になる。角度αが９０度の場合は、第１の光２００ａの直線偏光の偏光面と、第２の光２００ｂの直線偏光の偏光面は直交する状態になる。尚、１／２波長板４ａ及び４ｂは、「偏光面回転手段」の一例である。

光検出器６に入射する第１の光２００ａと第２の光２００ｂは、両者が所定の関係になる場合に干渉し、干渉縞を発生する。図３は、このような第１の光２００ａと第２の光２００ｂの関係の一例を示す図である。尚、干渉縞は、「干渉光」の一例である。

図３において、一点鎖線で示されている矢印は、矢印の方向に進行する第１の光２００ａを示している。二点鎖線で示されている矢印は、矢印の方向に進行する第２の光２００ｂを示している。尚、図１に示されているように、第１の光２００ａと第２の光２００ｂは、光検出器６に向かって進行するため、両者の進行方向は平行ではないが、見やすさの便宜を図るため、図３では、両者の進行方向を平行にして示している。

実線で示されている矢印は、第１の光２００ａの直線偏光、又は第２の光２００ｂの直線偏光の、紙面と平行な方向の振動方向を表している。換言すると、偏光面が紙面と平行な状態である。黒丸は、第１の光２００ａの直線偏光、又は第２の光２００ｂの直線偏光の、紙面と垂直な方向の振動方向を表している。換言すると、偏光面が紙面と垂直な状態である。光の進行方向における実線の矢印の位置、又は黒丸の位置は、光の位相を表している。例えば、図３（ａ）において破線の矢印で示されている長さは、プローブ光の波長λに該当し、図３（ｃ）において破線の矢印で示されている長さは、プローブ光の波長λの１／２に該当する。

図３（ａ）及び図３（ｃ）は、第１の光２００ａの偏光面と、第２の光２００ｂの偏光面が平行（両者の成す角度αが０度）の場合を示している。図３（ｂ）及び図３（ｄ）は、第１の光２００ａの偏光面と、第２の光２００ｂの偏光面が直交（両者の成す角度αが９０度）する場合を示している。

図３（ａ）及び図３（ｂ）では、光の進行方向における実線の矢印、及び黒丸の位置は、第１の光２００ａと第２の光２００ｂで一致している。これは第１の光２００ａと第２の光２００ｂの位相が揃っていることを表している。換言すると、第１の光２００ａと第２の光２００ｂの位相差は、位相角にして０度である。

図３（ｃ）及び図３（ｄ）では、光の進行方向における実線の矢印、及び黒丸の位置は、第１の光２００ａと第２の光２００ｂとで波長λの１／２だけずれていることを表している。換言すると、第１の光２００ａと第２の光２００ｂの位相差は、位相角にして１８０度である。尚、位相角の１８０度は、長さに換算するとプローブ光の波長の１／２である。

図３（ａ）に示されているように、第１の光２００ａの偏光面と、第２の光２００ｂの偏光面が平行の場合は、両者は干渉し、干渉縞を発生する。一方、図３（ｂ）に示されているように、第１の光２００ａの偏光面と、第２の光２００ｂの偏光面が直交する場合は、両者は干渉せず、干渉縞を発生しない。また図３（ａ）と図３（ｂ）に示されている状態の中間の状態（０度＜α＜９０度）では、両者は部分的に干渉し、干渉縞を発生する。換言すると、両者の直線偏光で、振動方向が平行な成分（偏光面が平行な成分）のみが干渉し、干渉縞を発生する。

このような関係は、フレネル−アラゴの干渉の法則として知られている（例えば非特許文献１参照）。

同様に、図３（ｃ）に示されているように、第１の光２００ａの偏光面と、第２の光２００ｂの偏光面が平行の場合は、両者は干渉し、干渉縞を発生する。一方、図３（ｄ）に示されているように、第１の光２００ａの偏光面と、第２の光２００ｂの偏光面が直交する場合は、両者は干渉せず、干渉縞を発生しない。

但し、図３（ｃ）の場合は、第１の光２００ａと第２の光２００ｂの位相差は１８０度であるため、弱め合う干渉になり、干渉縞の光強度は最小値（極小値）になる。図３（ａ）の場合は、第１の光２００ａと第２の光２００ｂの位相差は０度であるため、強め合う干渉になり、干渉縞の光強度は最大値（極大値）になる。位相差が０度から１８０度の間の中間の状態では、強め合う干渉と弱め合う干渉の中間の干渉になり、干渉縞の光強度は、干渉の程度に応じた値になる。

次に、図４は、セル５に磁場が印加された時の第１の光２００ａと第２の光２００ｂの挙動の一例を説明する図である。

図４において、一点鎖線で示されている矢印は、矢印の方向に進行する第１の光２００ａを示し、二点鎖線で示されている矢印は、矢印の方向に進行する第２の光２００ｂを示している。実線で示されている矢印は、第１の光２００ａの直線偏光、及び第２の光２００ｂの直線偏光の振動方向を表している。

図４に示されている例では、セル５を通過する前の第１の光２００ａの偏光面と、第２の光２００ｂの偏光面の成す角度αは０度である。セル５にポンプ光７が入射され、ポンプ光７による光ポンピングにより、セル５内のアルカリ金属原子はスピン偏極する。

図４（ａ）は、セル５に磁場が印加されていない場合である。セル５内のアルカリ金属原子のスピン偏極は回転せず、第１の光２００ａの直線偏光の偏光面は、セル５を通過した後も変化しないまま光検出器６に入射する。一方で、第２の光２００ｂの直線偏光の偏光面は、直接、光検出器６に入射する。第１の光２００ａと、第２の光２００ｂは干渉し、干渉縞の光強度Ｉ_０が光検出器６で検出される。

図４（ｂ）は、セル５に強度Ｂの磁場が印加された場合である。セル５内のアルカリ金属原子のスピン偏極は、磁場の強度Ｂに応じて回転する。スピン偏極の回転に比例したファラデー回転により、セル５に入射した第１の光２００ａの偏光面が光の進行方向に沿った軸回りに角度Δθだけ回転する。一方で、第２の光２００ｂの直線偏光の偏光面は、直接、光検出器６に入射する。第１の光２００ａと、第２の光２００ｂは干渉し、干渉縞の光強度Ｉが光検出器６で検出される。

光強度Ｉ_０と光強度Ｉとの光強度差ΔＩは、磁場の強度Ｂに比例する。従って光検出器６で検出した光強度差ΔＩに基づき、磁場の強度Ｂを計測することができる。

次に、図５は、セル５を通過する前の第１の光２００ａの偏光面と、第２の光２００ｂの偏光面の成す角度αが９０度の場合に、セル５に磁場が印加された時の第１の光２００ａと、第２の光２００ｂの挙動の一例を説明する図である。

図５に示されている例では、図４の例に対し、第２の光２００ｂの偏光面のみが異なっている。この場合においても、磁場の強度Ｂに応じて偏光面が回転した第１の光２００ａと、第２の光２００ｂは干渉し、干渉縞の光強度Ｉが光検出器６で検出される。但し、第２の光２００ｂの偏光面が異なるため、干渉縞の光強度Ｉは、図４に示されている例とは異なった値となる。磁場が印加されていない場合の光強度Ｉ_０と光強度Ｉとの光強度差ΔＩの基づき、磁場の強度Ｂを計測することができる。

上記では、第１の光２００ａの偏光面と、第２の光２００ｂの偏光面の成す角度αが０度、及び９０度の場合の例を示したが、角度αは、例えば４５度等、他の角度であってもよい。

図４〜５に示されている例では、第１の光２００ａと第２の光２００ｂの位相差は０度の場合を示したが、これには限定されず、１８０度であってもよいし、０度と１８０度の間の予め規定された所定の位相差であってもよい。このような所定の位相差は、例えば第１の光２００ａ、又は第２の光２００ｂが光検出器６に入射するまでの光路に、位相差を設定する部材を設けることで、与えることができる。

図６は、所定の位相差を与える場合の原子磁気センサの構成の一例を説明する図である。図６において、位相差設定部材８は、第２の光２００ｂが光検出器６に入射するまでの光路に設置される。位相差設定部材８は、例えばガラス等を材料とする透光部材である。ガラス部材の屈折率と厚み（光の進行方向のガラスの長さ）により、光路長が変化するため、第２の光２００ｂに所定の位相遅れを与え、第１の光２００ａと第２の光２００ｂとの間の位相差を設定することができる。

ここで、図１に示した例では、２つの偏光子３ａ及び３ｂを備える構成を示したが、１つの偏光子のみを備える構成にしてもよい。図７は、１つの偏光子のみを備える原子磁気センサの構成の一例を説明する図である。原子磁気センサ１００は、偏光子３を有する。偏光子３は、ピンホール２１ａ及び２１ｂを通過した光を通過させ、これらを所定の偏光面の直線偏光にする。或いは、光源１から直線偏光の光が出射される場合は、偏光子３ａを通過することで、直線偏光の偏光度が高められる。偏光子を１つにすることで、原子磁気センサの構成を簡略化することができる。

また、図１に示した例では、２つの１／２波長板４ａ及び４ｂを備える構成を示したが、ピンホール２１ａ及び２１ｂを通過した光の何れか一方の光路のみに、１つの１／２波長板を備える構成にしてもよい。図８は、１つの１／２波長板のみを備える原子磁気センサの構成の一例を説明する図である。原子磁気センサ１００は、１／２波長板４ｂを有する。１／２波長板４ｂの光学軸の角度を調整することで、第１の光２００ａの偏光面と、第２の光２００ｂの偏光面の成す角度αを、所定の角度に設定することができる。１／２波長板を１つにすることにより、原子磁気センサの構成を簡略化することができる。

次に、本実施形態に係る原子磁気センサ１００で検出される干渉縞のシミュレーション結果を、図９を参照して説明する。シミュレーションは、光分割手段２から光検出器６までの距離（図１等参照）を５０（ｍｍ）とし、光検出器６の受光面積を２０×２０（ｍｍ^２）として、光検出器６の位置での光の強度分布を算出する。図９は、シミュレーション結果である干渉縞の光強度の大小を、濃淡により表示する図である。

図９において、左側に示されている４つの図は、それぞれ磁場が印加されていない場合である。右側に示されている４つの図はそれぞれ磁場が印加され、第１の光２００ａの偏光面が光の進行方向の軸回りに１度回転した場合である。図９は、磁場が印加されていない場合（左側の図）と印加された場合（右側の図）を１セットにし、（ａ）〜（ｄ）の４通りの条件でシミュレーションを実施した結果を示している。

尚、上記のシミュレーションの条件は一例であり、任意に変更可能である。

図９（ａ）は、第１の光２００ａの偏光面と第２の光２００ｂの偏光面の成す角度αが０度で、且つ第１の光２００ａと第２の光２００ｂの位相差が０度の場合である。図９（ｂ）は、第１の光２００ａの偏光面と第２の光２００ｂの偏光面の成す角度αが０度で、且つ第１の光２００ａと第２の光２００ｂの位相差が１８０度の場合である。図９（ｃ）は、第１の光２００ａの偏光面と第２の光２００ｂの偏光面の成す角度αが９０度で、且つ第１の光２００ａと第２の光２００ｂの位相差が０度の場合である。図９（ｄ）は、第１の光２００ａの偏光面と第２の光２００ｂの偏光面の成す角度αが９０度で、且つ第１の光２００ａと第２の光２００ｂの位相差が１８０度の場合である。

図９（ａ）と図９（ｂ）では、光強度分布における光強度の大小が反転する。これは、図９（ａ）の場合は、第１の光２００ａと第２の光２００ｂが強め合って干渉しているのに対し、図９（ｂ）の場合は、位相差が１８０度あることにより両者が弱め合って干渉しているためである。図９（ａ）と図９（ｂ）ではともに、磁場の有無で光強度分布（干渉縞のパターン）の変化はほとんど見られない。但し、磁場の有無で、全体の光強度に差は生じている。

図９（ｃ）と図９（ｄ）では、左側の図に示されているように、磁場が印加されていない場合は、干渉縞は発生せず、光強度分布は生じていない。これは、第１の光２００ａの偏光面と第２の光２００ｂの偏光面の成す角度αが９０度であり、両者が干渉しないためである。

一方、右側の図に示されているように、磁場が印加された場合、干渉縞が発生し、光強度分布が生じている。また図９（ｃ）と図９（ｄ）では、光強度分布における光強度の大小が反転する。これは、図９（ｃ）の場合は、第１の光２００ａと第２の光２００ｂが強め合って干渉しているのに対し、図９（ｄ）の場合は、位相差が１８０度あることにより弱め合って干渉しているためである。

図９（ｃ）と図９（ｄ）では、磁場の有無で、光強度分布がない状態からある状態に変化するため、光強度分布（干渉縞のパターン）が大きく異なっている。また図９（ａ）と図９（ｂ）の場合の磁場の有無による光強度分布の差も、図９（ａ）と図９（ｂ）の場合と比較して大きい。

図９（ａ）〜（ｄ）の場合において、磁場の有無での光強度差ΔＩを定量的に調査したところ、図９（ｄ）の場合に最も差が大きく、次いで図９（ｃ）の場合に差が大きく、次いで図９（ａ）及び図９（ｂ）の場合に同程度の差が生じることが分かった。磁場の有無での光強度差ΔＩが大きいほうが、より精度のよい計測が可能になる。そのため、図９（ｄ）の場合に最も高精度の計測ができ、次いで図９（ｃ）の場合に計測精度が高く、次いで図９（ａ）及び（ｂ）の場合に同程度の計測精度になる。

尚、図９（ｃ）、及び図９（ｄ）において、第１の光２００ａの偏光面と第２の光２００ｂの偏光面の成す角度αの９０度は、厳密に９０度のみが要求されるわけではなく、設置誤差等の一般に誤差と認められる程度の差は許容されてもよい。同様に、図９（ｄ）において、位相差の１８０度は、厳密に１８０度のみが要求されるわけではなく、設置誤差等の一般に誤差と認められる程度の差は許容されてもよい。

次に本実施形態に係る光検出器６の設定方法の一例について説明する。

本実施形態では、例えば、計測前に磁場のない状態でキャリブレーションを行う。図９（ｄ）の条件を例にすると、先ずは磁場を印加せず、干渉縞が発生しない状態にする。干渉縞が発生しない状態にする調整は、例えば１／２波長板４ａ、又は４ｂ、或いは位相差設定部材８により行うことができる。

干渉縞が発生しない状態で、光検出器６により検出される光強度をＩ_０とする。次に磁場を印加し、光検出器６により光強度Ｉを検出する。光強度Ｉと光強度Ｉ_０から光強度差ΔＩを算出し、磁場の強度と対応付ける。例えば、両者の比例関係の比例係数を求める。

光強度分布（干渉縞パターン）に応じて、光強度が比較的大きい領域と小さい領域があるため、磁場の有無での光強度差ΔＩが領域によって異なる場合がある。例えば図９（ｄ）の場合、一点鎖線で示されているような光検出器６の中央の領域９１より、二点鎖線で示されているような光検出器６の周辺の領域９２のほうが、磁場の有無での光強度差ΔＩが大きい。上述のように磁場の有無での光強度差ΔＩが大きいほうが、より精度のよい計測が可能になるため、この場合、領域９２を光強度の検出領域として使用することが好ましい。

例えば、光検出器６が上記の領域９２に配置されるように、光検出器６の位置を調整してもよい。図１０は、光検出器６の位置を調整する構成の一例を示す図である。原子磁気センサ１００の備える位置調整手段９３は、例えば、光検出器６を、破線で示されている位置（光検出器６ａ）から、実線で示されている位置（光検出器６）に移動させる。

位置調整手段９３は、マイクロメータヘッド９３ａ及び９３ｂと、これらを進退可能に支持する支持部材９３ｃとを有する。マイクロメータヘッド９３ａと、図示を省略するバネにより、光検出器６を矢印９５の方向に進退させ、マイクロメータヘッド９３ｂと、図示を省略するバネにより、光検出器６を矢印９６の方向に進退させることができる。位置調整手段９３で光強度差ΔＩが大きい領域９２に光検出器６を移動させることで、磁場強度を高精度に計測できる。図１０の構成は、例えば原子磁気センサ１００で実際に使用する光検出器６の受光面積が、シミュレーションで想定した２０×２０（ｍｍ^２）より小さい場合に好適である。

また、例えば、光強度差ΔＩが大きい領域９２でのみ光を通過させ、他の領域を遮光するような開口を設けてもよい。図１１は、原子磁気センサ１００の備える開口の構成の一例を示す図である。図１１において光検出器６の受光面上にはマスク部材６１が設置されている。マスク部材６１は、開口部６１ａと遮光部６１ｂとを有し、開口部６１ａは光を通過させ、遮光部６１ｂは光を遮光する。これにより開口部６１ａの領域のみで、光検出器６による受光を可能にしている。マスク部材６１により、光強度差ΔＩが大きい領域９２のみで光検出器６による受光を可能にすることで、磁場強度を高精度に計測できる。図１１の構成は、例えば原子磁気センサ１００で実際に使用する光検出器６の面積が、シミュレーションで想定した２０×２０（ｍｍ^２）より大きい場合に好適である。

さらに、図１２に例示するように、複数の画素６２を有する光検出器アレイ６を用い、光強度差ΔＩが大きい領域９２に該当する画素の出力を選択して抽出することで、計測の高精度化を図ってもよい。複数の画素６２を有する光検出器アレイ６は、例えばフォトダイオードアレイやＣＭＯＳ、ＣＣＤといった撮像素子等である。

以上説明してきたように、本実施形態では、光分割手段２により分割された光のうち、セル５を通過した光と、セル５を通過しなかった光を受光する光検出器６を備える。磁場計測のための信号の検出を１つの光検出器６のみで行うため、複数の光検出器を使用する場合と比較して、光検出器に混信するノイズを抑制できる。そして光検出器に混信するノイズによる磁場の計測精度の低下を抑制することができる。

また光検出器６により検出した光の光強度に、比例係数を乗じる等して磁場の強度Ｂを求めるため、電気・電子回路を用いた検出信号の処理を要しない。従って電気・電子回路にノイズが混信して磁場の計測精度が低下することを抑制することができる。

本実施形態では、このようにして原子磁気センサによる磁場計測の精度を向上させることができる。

［第２の実施形態］
次に、第２の実施形態に係る原子磁気センサを説明する。尚、第１の実施形態において、既に説明した実施形態と同一構成部についての説明は省略する場合がある。

図１３は、本実施形態に係る原子磁気センサ１００ａの構成の一例を説明する図である。

図１３に示されているように、原子磁気センサ１００ａは、光分割手段３０を有する。また光分割手段３０は、ハーフミラー３０ａと、ミラー３０ｂとを有する。

ハーフミラー３０ａは、光源１から出射され、偏光子３を通過した光のうち、一部の光を反射し、残りの光を透過する。ハーフミラー３０ａは、反射光の強度と、透過光の強度の比が１対１になるように構成されている。但し、１対１に限定はされず、任意に設定してもよい。

ハーフミラー３０ａを透過した光は、セル５を通過した後、光検出器６に入射する。ハーフミラー３０ａを透過した光は、第１の光２００ａとなる。一方、ハーフミラー３０ａで反射された光は、ミラー３０ｂで偏向され、光検出器６に入射する。ハーフミラー３０ａで反射された光は、第２の光２００ｂとなる。尚、ミラー３０ｂは、「偏向手段」の一例である。

尚、図１３に示されている例では、原子磁気センサ１００ａは１／２波長板を備えていないが、１／２波長板を備える構成にしてもよい。この場合、ハーフミラー３０ａとミラー３０ｂの間の光路や、ミラー３０ｂから光検出器６までの光路に１／２波長板を配置してもよい。これにより第２の光２００ｂの偏光面を例えば９０度等の任意の角度に回転させることができる。

またハーフミラー３０ａとセル５との間の光路に１／２波長板を配置してもよい。これにより第１の光２００ａの偏光面を任意の角度に回転させることができる。

ハーフミラー３０ａに代えて、キューブビームスプリッター等のビームスプリッターを用いてもよい。またミラー３０ｂに代えて反射プリズム等を用いてもよいし、これらを任意に組み合わせて用いてもよい。

本実施形態では、光分割手段３０がハーフミラー３０ａとミラー３０ｂとを備え、ハーフミラー３０ａとミラー３０ｂの配置を調整することで、第１の光２００ａと第２の光２００ｂの光路を柔軟に設定することができる。例えば、ハーフミラー３０ａとミラー３０ｂの配置の調整により、原子磁気センサ１００ａを小型化すること等ができる。また光分割手段としてハーフミラーやビームスプリッターを用いることで、光分割手段にピンホールやスリットを用いる場合等と比較して、プローブ光の光量を大きくすることができ、計測精度を向上させることができる。

尚、上記以外の効果は、第１の実施形態で説明したものと同様である。

［第３の実施形態］
次に、第３の実施形態に係る原子磁気センサを説明する。尚、第１〜２の実施形態において、既に説明した実施形態と同一構成部についての説明は省略する場合がある。

図１４は、本実施形態に係る原子磁気センサ１００ｂの構成の一例を説明する図である。

図１４に示されているように、原子磁気センサ１００ｂは、光分割手段２３と、ミラー９ａと、ミラー９ｂとを有する。光分割手段２３は、例えばハーフミラーである。光分割手段２３は、光源１から出射され、偏光子３を通過した光のうち、一部の光を反射し、残りの光を透過する。

光分割手段２３で反射された光は、ミラー９ｂで偏向されて逆方向に折り返され、光分割手段２３を透過して光検出器６に入射する。ミラー９ｂで偏向され光検出器６に入射する光は、第２の光２００ｂとなる。尚、ミラー９ｂは、「偏向手段」の一例である。

一方、光分割手段２３を透過した光は、セル５を通過してミラー９ａで反射されて逆方向に折り返される。ミラー９ａによる反射光は、光分割手段２３で光検出器６に向けて反射され、光検出器６に入射する。ミラー９ａで反射され光検出器６に入射する光は、第１の光２００ａとなる。

光分割手段２３による反射角度は、図１４に示されているような９０度での反射に限らず、任意の角度であってよい。この場合、ミラー９ａはミラー９ａへの入射光を、入射光に対して平行な角度で逆方向に反射するように設置される。ミラー９ｂも同様に、ミラー９ｂへの入射光を、入射光に対して平行な角度で逆方向に反射するように設置される。

第２の実施形態と同様に、１／２波長板を任意の光路に設置してもよい。また光分割手段としてハーフミラーを用いたり、ミラー９ａ、及び／又はミラー９ｂに代えて反射プリズムを用いたりしてもよい。

本実施形態では、光分割手段２３と、ミラー９ａと、ミラー９ｂとを備え、光分割手段２３と、ミラー９ａと、ミラー９ｂの配置を調整することで、第１の光２００ａと第２の光２００ｂの光路を柔軟に設定することができる。例えば、光分割手段２３と、ミラー９ａと、ミラー９ｂの配置の調整により、原子磁気センサ１００ｂを小型化すること等ができる。また第１の光２００ａがセル５を往きと帰りで２回通過するため、セルに印加される磁場の影響を１回通過の場合の２倍受けることができる。これにより光強度差ΔＩを大きくでき、計測精度を向上させることができる。

尚、上記以外の効果は、第１の実施形態で説明したものと同様である。

［第４の実施形態］
次に、第４の実施形態のグラジオメータを説明する。尚、第１〜３の実施形態において、既に説明した実施形態と同一構成部についての説明は省略する場合がある。

本実施形態に係るグラジオメータは、第１の実施形態に係る原子磁気センサ１００等の構成を有する。図１５は、本実施形態に係るグラジオメータ３００の構成の一例を示す図である。本実施形態に係るグラジオメータ３００と、第１の実施形態に係る原子磁気センサ１００との構成の違いは、光分割手段２で分割され、ピンホール２１ｂを通過した光がセル５を通過した後、光検出器６に入射する点等である。ピンホール２１ｂを通過した光がセル５を通過した後、光検出器６に入射する光は、第３の光２００ｃである。

光検出器６は、第１の光２００ａと、第３の光２００ｃとの干渉による干渉縞の光強度を検出する。

セル５には強度Ｂ１の磁場と強度Ｂ２の磁場が印加される。強度Ｂ１と強度Ｂ２は異なる強度である。強度Ｂ１の磁場と強度Ｂ２の磁場に応じて光検出器６で検出される光強度は変化する。グラジオメータ３００は、このような光強度を検出することで、強度Ｂ１の磁場と強度Ｂ２の磁場との強度差、すなわち磁場勾配を計測することができる。尚、光強度と磁場勾配との関係は、シミュレーション等で予め対応付けられている。例えば、両者が比例する場合には、予め比例係数が求められ、光検出器６が検出した光強度に比例係数が乗じられ、磁場勾配が算出される。

このように、本実施形態によりグラジオメータを実現することができる。本実施形態の効果は、第１の実施形態に係る原子磁気センサで説明したものと同様である。また、第２〜３の実施形態に係る原子磁気センサの構成をグラジオメータに適用することもできる。その場合、第２〜３の実施形態で説明したのと同様の効果が得られる。

［第５の実施形態］
次に、第５の実施形態の生体磁気計測装置を説明する。尚、第１〜４の実施形態において、既に説明した実施形態と同一構成部についての説明は省略する場合がある。

図１６は、本実施形態に係る生体磁気計測装置４００の構成の一例を示す図である。

生体磁気計測装置４００は、原子磁気センサ１００ｃと、制御部５００とを有し、計測対象Ｓから印加される強度Ｂのうち、Ｘ方向成分の強度Ｂｘ、及びＹ方向成分の強度Ｂｙを計測する。強度Ｂｘの磁場は、図１６に矢印で示されているＸ方向の磁場であり、強度Ｂｙの磁場はＹ方向の磁場である。

尚、計測対象Ｓから生じる磁場Ｂは、Ｘ、Ｙ、Ｚ方向のそれぞれのベクトルで表すと、Ｂ＝Ｂｘ＋Ｂｙ＋Ｂｚであり、その大きさは｜Ｂ｜＝（Ｂｘ^２＋Ｂｙ^２＋Ｂｚ^２）^１／２である。図１６の原子磁気センサの配置では、このうちＸ方向とＹ方向の磁場を計測する。プローブ光の進行方向であるＺ方向には感度を持たないためである。

ヒトを対象とする場合は、脳や心臓、脊髄等の生じさせる磁場が計測対象Ｓとなる。計測時には、例えば、原子磁気センサ１００ｃは、計測対象Ｓに近付けられ、計測対象Ｓの生じさせる磁場がセル５に印加されるように配置される。尚、計測時には、図示を省略する加熱手段により、セル５を加熱する必要があるが、セル５に加えられる熱は、筐体に対して断熱されている。

原子磁気センサ１００ｃは、ミラー１１と、ミラー１２と、ポンプ用光源１３と、１／４波長板１４とを有する。これらは光源１等の他の構成部品と合わせて、筐体１５の内部に配置されている。

ミラー１１は、光源１から出射され、光分割手段２、偏光子３、１／２波長板４ａ等を通過した光を、図１６に示されるように正のＺ方向に向けて反射する。ミラー１２は、ミラー１１の反射光を負のＹ方向に、光検出器６に向けて反射する。

ポンプ用光源１３は、セル５内のアルカリ金属原子の吸収波長（例えば、１３３ＣｓのＤ１線に相当する８９５ｎｍ）の光を出射する。ポンプ用光源１３は、例えば、ＶＣＳＥＬである。但し、アルカリ金属原子の吸収波長の光であれば、ポンプ用光源１３はＶＣＳＥＬに限定されない。

１／４波長板１４は、ポンプ用光源１３から出射された直線偏光の光を略円偏光に変換し、セル５に照射する。上述したように、略円偏光の光でアルカリ金属原子を励起することにより、ポンピング率を高くすることができる。

図１７は、本実施形態の制御部５００が有する構成要素の一例を機能ブロックで示す図である。尚、図１７に図示される各機能ブロックは概念的なものであり、必ずしも物理的に図示の如く構成されていることを要しない。各機能ブロックの全部又は一部を、任意の単位で機能的又は物理的に分散・結合して構成することが可能である。各機能ブロックにて行われる各処理機能は、その全部又は任意の一部が、ＣＰＵにて実行されるプログラムにて実現され、或いはワイヤードロジックによるハードウェアとして実現されうる。

制御部５００は、光源駆動部５０１と、ポンプ用光源駆動部５０２と、検出部５０３と、駆動制御部５０４と、磁場演算部５０５と、記憶部５０６と、出力部５０７とを有する。

光源駆動部５０１は、光源１にケーブル等で電気的に接続し、光源１の点灯、及び消灯を制御し、また光源１の出射する光の強度を制御する。光源駆動部５０１は、例えば制御信号に基づき、光源１に駆動電圧を印加する電気回路で実現される。

ポンプ用光源駆動部５０２は、ポンプ用光源１３にケーブル等で電気的に接続し、ポンプ用光源１３の点灯、及び消灯を制御し、またポンプ用光源１３の出射する光の強度を制御する。ポンプ用光源駆動部５０２は、例えば制御信号に基づき、ポンプ用光源１３に駆動電圧を印加する電気回路で実現される。

検出部５０３は、光検出器６と電気的に接続し、光検出器６による検出信号を入力し、磁場演算部５０５、又は記憶部５０６に出力する。検出部５０３は、例えば光検出器６による検出信号をアナログ電圧信号からデジタル電圧信号に変換するＡ／Ｄ（Analog／Digital）変換回路等により実現される。

駆動制御部５０４は、光源駆動部５０１やポンプ用光源駆動部５０２に制御信号を出力する。磁場演算部５０５は、検出部５０３の検出信号に基づき、計測対象Ｓの磁場を算出する。駆動制御部５０４、及び磁場演算部５０５は、例えばＣＰＵがＲＡＭをワークエリア（作業領域）としてＲＯＭ等に格納されたプログラムを実行することで実現される。

記憶部５０６は、磁場演算部５０５による演算結果を記憶し、また検出部５０３による検出信号から磁場を算出するための比例係数等の設定値を記憶する。記憶部５０６は、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）やＮＶＲＡＭ（Non Volatile Memory）等により実現される。

出力部５０７は、磁場演算部５０５による演算結果等を外部装置に出力するＩ／Ｆ（Interface）である。外部装置は、例えばＰＣ（Personal Computer）等である。

図１８は、第１の変形例に係る生体磁気計測装置４００ｂの構成の一例を示す図である。生体磁気計測装置４００ｂは光分割手段２４を有し、光分割手段２４はビームスプリッター２４ａと、ミラー２４ｂとを有する。ビームスプリッター２４ａは、光源１から出射され、偏光子３を通過した光のうち、一部の光を反射し、残りの光を透過する。ビームスプリッター２４ａで反射された光は、ミラー２４ｂで偏向されて光検出器６に入射する第２の光となる。一方、ビームスプリッター２４ａを透過した光は、セル５を通過して光検出器６に入射する第１の光となる。尚、ミラー２４ｂは、「偏向手段」の一例である。

図１９は、第２の変形例に係る生体磁気計測装置４００ｃの構成の一例を示す図である。生体磁気計測装置４００ｃは光分割手段２５を有し、光分割手段２５はビームスプリッター２５ａと、ミラー２５ｂとを有する。ビームスプリッター２５ａは、光源１から出射され、偏光子３を通過した光のうち、一部の光を反射し、残りの光を透過する。

ビームスプリッター２５ａで反射された光は、ミラー２５ｂで偏向されて光検出器６に入射する第２の光となる。一方、ビームスプリッター２５ａを透過した光は、ミラー２６で反射され、セル５を透過する。セル５を透過した光は、ミラー２７で反射されて光検出器６に入射する第１の光となる。尚、ミラー２５ｂは、「偏向手段」の一例である。

図２０は、第３の変形例に係る生体磁気計測装置４００ｄの構成の一例を示す図である。生体磁気計測装置４００ｄは、グラジオメータ３００ａを有する。グラジオメータ３００ａは、第５の実施形態に係る原子磁気センサ１００ｃに対し、光分割手段２で分割された２つの光の両方がセル５を通過する点が異なる。

以上説明したように、本実施形態により生体磁気計測装置を実現することができる。本実施形態に係る効果は、第１の実施形態に係る原子磁気センサで説明したのと同様である。

本実施形態では、図１６に示されているように、ミラー１１により、光源１から出射され、光分割手段２等を通過した光を反射し、ミラー１２により、ミラー１１の反射光を光検出器６に向けて反射する。これにより、原子磁気センサ１００ｃを小型化でき、計測対象Ｓに近付ける等の配置が容易になる。

第２〜３の実施形態に係る原子磁気センサを生体磁気計測装置に適用することもできる。その場合、第２〜３の実施形態で説明したものと同様の効果が得られる。

以上、本発明の実施形態の例について記述したが、本発明は斯かる特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

１ 光源
２ 光分割手段
３、３ａ、３ｂ 偏光子
４ａ、４ｂ １／２波長板（偏光面回転手段の一例）
５ セル
６ 光検出器
７ ポンプ光
８ 位相差設定部材
９ｂ、２４ｂ、２５ｂ、３０ｂ ミラー（偏向手段の一例）
９３ 位置調整手段
１００ 原子磁気センサ
２００ａ 第１の光（一方の光の一例）
２００ｂ 第２の光（他方の光の一例）
３００ グラジオメータ
４００ 生体磁気計測装置
５００ 制御部

特開２０１４−２１５１５１号公報

"A law of interference of electromagnetic beams of and state of coherence and polarization and the Fresnel-Arago interference laws"、J.Opt.Soc. Am. A、Vol.21、No.12、2414-2147、Dec. 2004、M.Mujat、A.Dogariu、and E.Wolf.

Claims (11)

1. 光を出射するレーザ光源と、
   前記レーザ光源から出射された光を、少なくとも２つに分割する光分割手段と、
   アルカリ金属原子を封入し、前記光分割手段により分割された光のうち、一方の光を透過させる透光性のセルと、
   前記光分割手段により分割された光のうち、前記セルを透過した前記一方の光と、前記セルを透過しなかった他方の光と、を受光する光検出器と、を有する
   ことを特徴とする原子磁気センサ。
2. プローブ光を用いて、磁場の強度を計測する原子磁気センサであって、
   前記プローブ光を出射するレーザ光源と、
   前記プローブ光を第１の光と第２の光に分割する光分割手段と、
   アルカリ金属原子を封入し、前記第１の光を透過させる透光性のセルと、
   前記第２の光と、前記セルを透過した前記第１の光との干渉光の光強度を検出する光検出器と、を有する
   ことを特徴とする原子磁気センサ。
3. 前記第１の光と、前記第２の光は、それぞれ直線偏光であり、
   前記第１の光、及び前記第２の光の少なくとも１つの直線偏光の偏光面を回転させる偏光面回転手段を有する
   ことを特徴とする請求項２に記載の原子磁気センサ。
4. 前記第１の光の前記偏光面と、前記第２の光の前記偏光面は平行ではない
   ことを特徴とする請求項２、又は３に記載の原子磁気センサ。
5. 前記第１の光の前記偏光面と、前記第２の光の前記偏光面は直交する
   ことを特徴とする請求項２乃至４の何れか１項に記載の原子磁気センサ。
6. 前記第１の光と前記第２の光の位相差は、１８０度である
   ことを特徴とする請求項２乃至５の何れか１項に記載の原子磁気センサ。
7. 前記光検出器の位置を調整する位置調整手段を有する
   ことを特徴とする請求項１乃至６の何れか１項に記載の原子磁気センサ。
8. 前記第２の光を前記光検出器に向けて偏向する偏向手段を有する請求項２乃至７の何れか１項に記載の原子磁気センサ。
9. 前記アルカリ金属原子は、カリウム、ルビジウム、又はセシウムの何れかである
   ことを特徴とする請求項１乃至８の何れか１項に記載の原子磁気センサ。
10. 請求項１乃至９の何れか１項に記載の原子磁気センサを有するグラジオメータ。
11. 請求項１乃至９の何れか１項に記載の原子磁気センサ、又は請求項１０に記載のグラジオメータと、
    前記原子磁気センサ、又は前記グラジオメータを制御する制御部と、
    を有する生体磁気計測装置。