JP5434735B2

JP5434735B2 - セルユニット、セルユニット群および磁場測定装置

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Publication number: JP5434735B2
Application number: JP2010071034A
Authority: JP
Inventors: 公夫長坂
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2010-03-25
Filing date: 2010-03-25
Publication date: 2014-03-05
Anticipated expiration: 2030-03-25
Also published as: JP2011203133A

Description

本発明は磁場を測定する技術に関する。

磁場を測定する発明として、例えば特許文献１に開示された光ポンピング磁力計がある
。この光ポンピング磁力計は、円偏光のポンプ光と、直線偏光のプローブ光をアルカリ金
属のガスが封入されたセル内で交差させ、セルを通過したプローブ光の偏光回転角を測定
することにより、磁場を測定する。

特開２００９−２３６５９９号公報

ところで、一つのセルでは磁場のうちの或る一箇所についてしか測定できないため、磁
場を広い範囲で測定するには複数のセルが必要となる。しかしながら、複数のセルを配置
するとなると、特許文献１に開示された光ポンピング磁力計では、セル毎にポンプ光やプ
ローブ光の光源が必要となり、装置の規模が大きくなってしまう。
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたもので、その目的の１つは、複数のセル毎に
光源を設けなくとも、各セルにポンプ光とプローブ光を供給できるようにすることにある
。

上記目的を達成するために、本発明に係るセルユニットは、光により励起される原子を
内部に有するセルを複数備えたセル層と、入射された第１光を分岐させ、分岐された前記
第１光を前記複数のセルの各々に導く分配層とを有する。
本発明によれば、光が分岐されて複数の各セルに導かれる。分配層で光が分岐されて複
数のセルに導かれるため、セル毎に複数の光源を設けなくても各セルに光を供給できる。

本発明においては、前記分配層は、入射された第２光を分岐させ、前記複数の各セル内
において前記第２光が前記第１光と交差するように、分岐された前記第２光を前記複数の
セルに導く構成としてもよい。本発明によれば、第１光がセルユニットに照射されると、
第１光が分岐されて複数の各セルに導かれ、第２光がセルユニットに照射されると、第２
光が分岐されて複数の各セルに導かれる。分配層で光が分岐されて複数のセルに導かれる
ため、セル毎に複数の光源を設けなくても各セルに第１光と第２光を供給できる。
また、本発明においては、一の前記分配層に前記セル層が積層されており、前記第１光
と前記第２光が、前記一の分配層から前記セル層に入射する構成としてもよい。この構成
によれば、第１光と第２光がセル層の一方の面側から照射されることとなるので、セルユ
ニットの厚みを抑えることができる。
また、本発明においては、前記分配層は、前記第１光を導く第１分配層と、前記第２光
を導く第２分配層を有し、前記第１分配層は、前記セル層に積層され、前記第２層は、前
記セル層において前記第１分配層に向いた面と交わる面に接して設けられている構成とし
てもよい。この構成によれば、一の分配層は、１種類の光を分岐させて導き、他の種類の
光を分岐させて導かないので、一の分配層の構成を簡素にできる。
また、本発明においては、前記セルを透過した前記第２光を検出する検出部を有する構
成としてもよい。また、本発明においては、前記セルを透過した前記第１光を検出する検
出部を有する構成としてもよい。これらの構成によれば、セルユニットで光を検出できる
ため、セルユニットを備える装置に別途検出部を設けずに済み、装置の構成を簡素にでき
る。

また、本発明においては、前記分配層は、入射した光を反射および透過する膜を複数有
し、入射した前記光が進む方向に前記膜が並べられ、前記複数の膜で反射された光が前記
複数のセルに照射される構成としてもよい。この構成によれば、膜により光を分岐させて
セルに導くことができるので、光学部品で光の分岐や案内を行う構成と比較して、セルユ
ニットの構成を簡素にできる。
また、本発明においては、前記分配層は、入射した光の一部を通過させ且つ残りを反射
する回折格子を前記セル層に面した側に有し、前記回折格子を通過した光が前記複数のセ
ルに照射される構成としてもよい。
また、本発明においては、前記分配層は、入射した光を第１方向と第２方向へ反射する
回折格子を前記セル層に面する面と反対側の面に有し、前記第１方向へ反射された光が前
記複数のセルに照射される構成としてもよい。
これらの構成によれば、回折格子により光を分岐させてセルに導くことができるので、
光学部品で光の分岐や案内を行う構成と比較して、セルユニットの構成を簡素にできる。

また、本発明に係るセルユニット群は、上記いずれかの構成のセルユニットが多段に配
置された構成である。この構成によれば、各段のセルを通過した光を測定することにより
、セルユニットが多段に配置されている方向の磁場勾配を測定することができる。

また、上記目的を達成するために、本発明に係る磁場測定装置は、光により励起される
原子を内部に有するセルを複数備えたセル層と、入射された第１光を分岐させ、前記複数
のセルの各々に分岐された前記第１光を導く分配層とを有するセルユニットと、前記セル
ユニットへ前記第１光を照射する第１照射部と、前記セルを透過した前記第１光を検出す
る検出部とを有する。
本発明によれば、第１光が第１照射部からセルユニットに照射されると、第１光が分岐
されて複数の各セルに導かれる。このため、磁場測定装置において、セル毎に複数の光源
を設けなくても各セルに第１光を供給し、セルを通過した第１光を測定することができる
。
また、本発明に係る磁場測定装置は、光により励起される原子を内部に有するセルを複
数備えたセル層と、前記原子を励起させる入射された第１光を分岐させて前記複数のセル
の各々に分岐された前記第１光を導き、入射された第２光を分岐させ、前記複数の各セル
内において前記第２光が前記第１光と交差するように分岐された前記第２光を前記複数の
セルに導く分配層とを有するセルユニットと、前記セルユニットへ前記第１光を照射する
第１照射部と、前記セルユニットへ前記第２光を照射する第２照射部と、前記セルを透過
した前記第２光を検出する検出部とを有する。
本発明によれば、第１光が第１照射部からセルユニットに照射されると、第１光が分岐
されて複数の各セルに導かれ、第２光がセルユニットに照射されると、第２光が分岐され
て複数の各セルに導かれる。分配層で光が分岐されて複数のセルに導かれるため、磁場測
定装置において、セル毎に複数の光源を設けなくても各セルに第１光と第２光を供給でき
る。

本発明の一実施形態に係る磁場測定装置１の構成を示した図。セルユニット１０の外観を示した図。セルユニット１０の断面の模式図。変形例に係るセルユニット１０Ａの外観を示した図。変形例に係る光分配層１１Ｃの模式図。変形例に係る光分配層１１Ｄの模式図。変形例に係る光分配層１１Ｅの模式図。変形例に係るセル１２１の傾きを説明する図。

［実施形態］
図１は、本発明の一実施形態に係る磁場測定装置１の構成を示した図である。磁場測定
装置１は、光ポンピング法を用いて磁場を測定する装置である。磁場測定装置１は、第１
照射部２０、第２照射部３０、検出部４０、生体により生じた磁場（例えば、心臓２によ
り生じた磁場）がかかるセルユニット１０を有する。
なお、図１においては、光ポンピング法に係る部分の構成を示しており、地磁気などの
磁気を低減する磁気シールドや、磁気シールド内の残留磁場を低減する複数のヘルムホル
ツコイル等、周知の構成については図示を省略し、以下、その説明についても省略する。

第１照射部２０は、円偏光のポンプ光を出力する手段の一例であり、光源２１と、変換
部２２を有する。光源２１は、レーザー光を出力する装置である。光源２１から出力され
る無偏光のレーザー光は、外部共振器型レーザーや分布帰還型レーザーなどでスペクトル
幅が狭いものが好ましい。
変換部２２は、無偏光のレーザー光を円偏光のレーザー光に変換する手段の一例である
。変換部２２は、ビームエキスパンダー、コリメートレンズ、偏光板、四分の一波長板な
どの光学部品を有する。変換部２２に入射したレーザー光は、ビームエキスパンダーで広
げられ、コリメートレンズで平行光にされる。コリメートレンズから出た平行光は、偏光
板で直線偏光にされ、四分の一波長板で円偏光にされる。円偏光にされた光は、光ポンピ
ング法におけるポンプ光として、セルユニット１０に照射される。
なお、ポンプ光は、円偏光の成分を有していれば、他の偏光成分を含んでいてもよい。

第２照射部３０は、直線偏光のプローブ光を出力する手段の一例であり、光源３１と、
変換部３２を有する。光源３１は、光源２１と同じくレーザー光を出力する装置である。
変換部３２は、無偏光のレーザー光を直線偏光のレーザー光に変換する手段の一例であ
る。変換部３２は、ビームエキスパンダー、コリメートレンズ、偏光板、半波長板などの
光学部品を有する。変換部３２に入射したレーザー光は、ビームエキスパンダーで広げら
れ、コリメートレンズで平行光にされる。コリメートレンズから出た平行光は、偏光板で
直線偏光にされ、半波長板で偏光面が回転させられる。半波長板で偏光面が回転させられ
た直線偏光の光は、光ポンピング法におけるプローブ光としてセルユニット１０に照射さ
れる。
なお、プローブ光は、直線偏光の成分を有していれば、他の偏光成分を含んでいてもよ
い。

検出部４０は、後述するセルユニット１０のセル１２１を通過したプローブ光を検出す
る手段の一例である。検出部４０は、半波長板４１、偏光ビームスプリッター４２、セン
サー４３Ａ、４３Ｂを有する。
半波長板４１は、セル１２１を通過したプローブ光の偏光面を回転させる光学部品であ
る。半波長板４１で偏光面が回転させられた光は、偏光ビームスプリッター４２に入る。
偏光ビームスプリッター４２は、プローブ光をＰ偏光とＳ偏光に分岐する光学部品であ
る。偏光ビームスプリッターで分離されたＰ偏光は、直進してセンサー４３Ａに入射する
。一方、偏光ビームスプリッターで分離されたＳ偏光は、Ｐ偏光と直交する方向に進み、
センサー４３Ｂに入射する。
センサー４３Ａとセンサー４３Ｂは、入射した光に応じた電気信号を出力するフォトダ
イオード等の素子を有している。センサー４３Ａは、偏光ビームスプリッター４２で分岐
されたＰ偏光を検出し、検出した光に応じた電気信号を演算部５０へ出力する。また、セ
ンサー４３Ｂは、偏光ビームスプリッター４２で分岐されたＳ偏光を検出し、検出した光
に応じた電気信号を演算部５０へ出力する。
演算部５０は、差動増幅器を有しており、センサー４３Ａから出力された信号と、セン
サー４３Ｂから出力された信号との差分を増幅した信号を出力する。演算部５０から出力
された信号を解析することに、生体により生じた磁場の情報を知ることができる。

次に、セルユニット１０について説明する。図２（ａ）は、セルユニット１０の平面図
であり、図２（ｂ）は、セルユニット１０の正面図である。また、図３は、セルユニット
１０の断面を模式的に示した図である。図３において、矢印は、レーザー光の進行方向を
示している。なお、説明の便宜上、図においては、直交するＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸で方向
を示しており、セルユニット１０を正面から見たときの左右方向をＸ軸の方向、奥行き方
向をＹ軸の方向、高さ方向をＺ軸の方向としている。また、図中の各構成要素の寸法は、
構成要素の形状を容易に理解できるように実際の寸法とは異ならせてある。
セルユニット１０は、光分配層１１、セル層１２および受光層１３を有しており、光分
配層１１の上にセル層１２が積層され、セル層１２の上に受光層１３が積層されている。
各層は、Ｚ軸方向から見ると形状が正方形となっているが、Ｚ軸方向から見た形状が矩形
や矩形以外の形状となっていてもよい。

セル層１２は、ガラス等の光を透過する材料で形成されている。セル層１２は、中空の
セル１２１−１〜１２１−９を有している。セル１２１−１〜１２１−９は、立方体の形
状であり密閉されている。これらのセル１２１−１〜１２１−９は、Ｘ軸方向へ３列配置
され、Ｙ軸方向へ３行配置されている。なお、各セルの構成は同じであるため、以下、各
セルを区別する必要のない場合は、セルについて符号の枝番の記載を省略する。
セル１２１は、傾けられた状態でセル層１２内に位置している。具体的には、セル１２
１は、上面および下面がＸＹ平面に平行であり、側面がＸＺ平面とＹＺ平面に平行である
状態から、Ｙ軸方向の中心軸を中心に予め定められた角度で回転させた状態でセル層１２
に配置されている。つまり、セル１２１は、直交する２つの面が斜めに光分配層１１に向
けられ、光分配層１１に向けられた面と対向する面が斜めに受光層１３に向けられた状態
となっている。

セル１２１は、予め定められた原子を内部に有する。ここで予め定められた原子とは、
円偏光により励起されてスピン偏極される原子であり、例えば、第１族元素のうちの水素
（Ｈ）を除くもの、すなわちアルカリ金属の原子である。アルカリ金属に該当する元素は
、リチウム（Ｌｉ）、ナトリウム（Ｎａ）、カリウム（Ｋ）、ルビジウム（Ｒｂ）、セシ
ウム（Ｃｓ）及びフランシウム（Ｆｒ）である。セル１２１に封入されているアルカリ金
属は、典型的には１種類であるが、複数種類であることを妨げない。セル１２１には、か
かるアルカリ金属の原子が気体の状態（すなわちガス状態）で封入されている。なお、セ
ル１２１に封入されるアルカリ金属の原子は、検出部４０で磁場の情報を得る時に気体の
状態であれば足り、常時気体として存在している必要はない。また、セル１２１は、ヘリ
ウム（Ｈｅ）、窒素（Ｎ）などをバッファーガスとして内部に含んでいてもよい。

なお、セル１２１の数は、上述した数に限定されるものではなく、１０個以上または８
個以下であってもよい。また、セルの配列は、３行３列に限定されるものではなく、他の
配列であってもよい。また、セル１２１の形状は、立方体の形状に限定されるものではな
く、直方体の形状であってもよい。また、セル１２１の形状は、立方体や直方体について
面取りをした形状であってもよい。

光分配層１１は、透明なガラスまたは樹脂で形成されており、光を分岐させる分岐カプ
ラー１１１Ａ、１１１Ｂと、分岐カプラー１１１Ａ、１１１Ｂで分岐された光をセル１２
１に導く光ファイバー１１２を内部に有する。
分岐カプラー１１１Ａには、ポンプ光が入射する。このポンプ光は、分岐カプラー１１
１Ａで９つのポンプ光に分岐される。分岐カプラー１１１Ａには、９本の光ファイバー１
１２が接続されている。一本の光ファイバー１１２には、分岐されたポンプ光のうちの一
のポンプ光が入射する。光ファイバー１１２は、一本の光ファイバーが一つのセル１２１
にポンプ光を導くように配置されている。光ファイバー１１２において、分岐カプラー１
１１Ａに接続されている側と反対側の端部は、セル１２１において光分配層１１の側に向
いた一方の面に向けられている。分岐カプラー１１１Ａで分岐されたポンプ光は、光ファ
イバー１１２により導かれ、光ファイバー１１２の端部からセル層１２に入り、セル１２
１へ照射される。

一方、分岐カプラー１１１Ｂには、プローブ光が入射する。このプローブ光は、分岐カ
プラー１１１Ｂで９つのプローブ光に分岐される。分岐カプラー１１１Ｂには、９本の光
ファイバー１１２が接続されている。一本の光ファイバー１１２には、分岐されたプロー
ブ光のうちの一のプローブ光が入射する。光ファイバー１１２は、一の光ファイバーが一
のセル１２１にプローブ光を導くように配置されている。光ファイバー１１２において、
分岐カプラー１１１Ｂに接続されている側と反対側の端部は、セル１２１において光分配
層１１の側に向いた面であって、ポンプ光が入射する側の面と直交するに向けられている
。分岐カプラー１１１Ｂで分岐されたプローブ光は、光ファイバー１１２により導かれ、
光ファイバー１１２の端部からセル層１２に入り、セル１２１へ照射される。
なお、光ファイバー１１２の端部は、出力するポンプ光とプローブ光とがセル１２１の
内部で交差するように位置や向きが設定されている。

受光層１３は、透明なガラスまたは樹脂で形成されており、セル１２１を通過して受光
層１３に到達したプローブ光を検出部４０へ導く層である。受光層１３は、プローブ光を
検出部４０へ導く９本の光ファイバー１３１を有している。光ファイバー１３１は、一の
光ファイバー１３１ーが一のプローブ光を受けて導くように配置されており、光ファイバ
ー１３１の一方の端部は、セル１２１に向けられている。また、光ファイバー１３１のも
う一方の端部は、半波長板４１に面している。

本実施形態に係る磁場測定装置１の各部の構成は、以上のとおりである。この構成のも
と、磁場測定装置１は、生体により生じた磁場の測定を行う。なお、磁場測定装置１のセ
ルユニット１０は、測定を行う際には測定対象の上方に位置する。例えば、心臓２により
生じる磁場を測定する際には、人間は仰向けになり、心臓２の上方にセルユニット１０が
位置する。
磁場測定装置１が測定を開始すると、光源２１と光源３１からレーザー光が出力される
。光源２１から出力されたレーザー光は、変換部２２で円偏光にされ、ポンプ光としてセ
ルユニット１０に到達する。なお、ポンプ光は、Ｘ軸のマイナス方向からセルユニット１
０へ到達する。一方、光源３１から出力されたレーザー光は、変換部３２で直線偏光にさ
れ、プローブ光としてセルユニット１０に到達する。なお、プローブ光は、Ｘ軸のプラス
方向からセルユニット１０へ到達する。

セルユニット１０に到達したポンプ光は、分岐カプラー１１１Ａに入る。分岐カプラー
１１１Ａに入ったポンプ光は、９本のポンプ光に分岐される。分岐されたポンプ光は、一
つのセルに一のポンプ光が到達するように、光ファイバー１１２でセル１２１の下方に導
かれる。セル１２１の下方に導かれたポンプ光は、光ファイバー１１２の端部からセル１
２１に照射される。
一方、セルユニット１０に到達したプローブ光は、分岐カプラー１１１Ｂに入る。分岐
カプラー１１１Ｂに入ったプローブ光は、９本のプローブ光に分岐される。分岐されたプ
ローブ光は、一つのセルに一のプローブ光が到達するように、光ファイバー１１２でセル
１２１の下方に導かれる。セル１２１の下方に導かれたプローブ光は、光ファイバー１１
２の端部からセル１２１に照射される。
セル１２１に照射されたプローブ光は、セル１２１内を通過してポンプ光と交差した後
、セル１２１から出て受光層１３に到達する。なお、プローブ光は、心臓２による磁場に
応じて、直線偏光の偏光面が回転する。

受光層１３に到達した９つのプローブ光は、光ファイバー１３１により導かれ半波長板
４１に到達する。半波長板４１に到達したプローブ光は、偏光面が回転させられ、偏光ビ
ームスプリッター４２に入る。偏光ビームスプリッター４２で分離されたＰ偏光は、直進
してセンサー４３Ａに入射し、分離されたＳ偏光は、センサー４３Ｂに入射する。
なお、偏光ビームスプリッター４２には、９つのプローブ光が入るため、センサー４３
Ａには、９つのＰ偏光が入射し、センサー４３Ｂには、９つのＳ偏光が入射する。センサ
ー４３Ａは、入射した９つのＰ偏光について、９つのＰ偏光毎に電気信号を生成して演算
部５０へ出力する。また、センサー４３Ｂは、入射した９つのＳ偏光について、９つのＳ
偏光毎に電気信号を生成して演算部５０へ出力する。

演算部５０は、一のプローブ光から分離されたＰ偏光に対応する電気信号と、このプロ
ーブ光から分離されたＳ偏光に対応する電気信号との差分を増幅した信号を出力する。
例えば、セル１２１−１を通過したプローブ光から分離されたＰ偏光に対応する電気信
号と、このプローブ光から分離されたＳ偏光に対応する電気信号との差分を増幅した信号
を出力する。また、セル１２１−２を通過したプローブ光から分離されたＰ偏光に対応す
る電気信号と、このプローブ光から分離されたＳ偏光に対応する電気信号との差分を増幅
した信号を出力する。なお、他のセル１２１を通過したプローブ光から得られた電気信号
についても、同様に電気信号の差分を増幅した信号を出力する。
演算部５０から出力された信号を解析することにより、一つのセルを用いる場合と比較
して、磁場を広い範囲で測定することができる。

本実施形態によれば、光分配層１１でポンプ光が複数に分岐されるため、一つの光源２
１で複数のセル１２１にポンプ光を供給できる。また、本実施形態によれば、光分配層１
１でプローブ光が複数に分岐されるため、一つの光源３１で複数のセル１２１にプローブ
光を供給できる。

［変形例］
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述した実施形態に限定される
ことなく、他の様々な形態で実施可能である。例えば、上述の実施形態を以下のように変
形して本発明を実施してもよい。なお、上述した実施形態及び以下の変形例は、各々を組
み合わせてもよい。

上述した実施形態では、ポンプ光は、セル層１２の下面側からセル層１２に入射してい
るが、ポンプ光をセル層１２に照射する構成は、この構成に限定されるものではない。
例えば、光分配層１１をセルユニット１０の側面にも設け、セルユニット１０の下面側
からプローブ光をセル層１２に照射し、ポンプ光をセルユニット１０の側面から照射して
もよい。

図４（ａ）は、この変形例に係るセルユニット１０Ａの平面図であり、図４（ｂ）は、
セルユニット１０Ａの正面図である。図４（ａ）と図４（ｂ）において、矢印は、レーザ
ー光の進行方向を示している。セルユニット１０Ａは、セル層１２に３つのセル１２１−
１〜１２１−３を有している。なお、上述した実施形態とは異なり、セル１２１の上面と
下面はＸＹ平面に平行となっており、セル１２１の側面のうちの２面はＺＹ平面に平行と
なっている。また、セルユニット１０Ａは、セル層１２の下面側に光分配層１１Ａを有し
、セル層１２の側面に光分配層１１Ｂを有している。
光分配層１１Ａは、上述した光分配層１１と同様に分岐カプラー１１１Ｂと光ファイバ
ー１１２を有する。なお、光分配層１１Ａは、分岐カプラー１１１Ａを備えていない。ま
た、光分配層１１Ｂは、分岐カプラー１１１Ａと光ファイバー１１２を有する。

プローブ光が入射する分岐カプラー１１１Ｂは、Ｙ軸方向の端部に位置し、入射するプ
ローブ光を３つに分岐させる。分岐カプラー１１１Ｂには、３本の光ファイバー１１２が
接続されている。光ファイバー１１２は、一本の光ファイバーが一つのセル１２１にプロ
ーブ光を導くように配置されている。３つに分岐されたプローブ光は、光ファイバー１１
２で導かれ、セル１２１−１〜１２１−３の下面に照射される。
また、ポンプ光が入射する分岐カプラー１１１Ａは、入射するポンプ光を３つに分岐さ
せる。分岐カプラー１１１Ａには、３本の光ファイバー１１２が接続されている。光ファ
イバー１１２は、一本の光ファイバーが一つのセル１２１にポンプ光を導くように配置さ
れている。３つに分岐されたポンプ光は、光ファイバー１１２で導かれ、セル１２１−１
〜１２１−３の側面に照射される。
この構成においても、一つの光源２１で複数のセル１２１にポンプ光を供給できる。ま
た、一つの光源３１で複数のセル１２１にプローブ光を供給できる。なお、図４において
は、セル１２１は一列のみとなっているが、本変形例に係るセルユニット１０Ａを複数列
ならべてもよい。

上述した構成においては、光分配層１１、１１Ａ、１１Ｂは、分岐カプラーで光を分岐
させているが、光を分岐させる構成は分岐カプラーに限定されるものではない。
図５は、本変形例に係る光分配層１１Ｃの模式図である。図５において、矢印は、レー
ザー光の進行方向を示している。光分配層１１Ｃは、透明なガラスや樹脂などレーザー光
が透過する材料で形成された導光体１１３と、レーザー光を分岐させる膜１１４−１〜１
１４−Ｎで構成されている。
膜１１４−１〜１１４−Ｎは、誘電体の多層膜であり、入射する光の一部を反射し、残
りの光を透過して光を分岐させる。膜１１４−１〜１１４−Ｎで反射されて分岐された光
が均等になるように、膜１１４−１〜１１４−Ｎの反射率は調整されている。また、膜の
角度と位置は、セル１２１に照射されるように設定されている。
なお、Ｎ番目の膜に入射するレーザー光の光パワーをＰｉｎ_Ｎ、Ｎ番目の膜で反射され
たレーザー光の光パワーをＰｏｕｔ_Ｎ、Ｎ番目の膜の反射率をＲ_Ｎとし、膜での吸収がな
いものと仮定すると、透過率は、１−Ｒ_Ｎで表され、以下の数１〜数４の式が成り立つ。

これらの式から以下の数５の式が得られ、Ｒ_Ｎの逆数は、等差級数であることが分かる
。この結果、Ｒ_Ｎは、数６の式で表すことができる。

Ｒ_０は、レーザー光が最初に反射する膜の反射率であり、レーザー光の分岐数に応じて
設定される。なお、膜１１４−１〜１１４−ＮをＹ軸方向に沿って設けてもよい。この構
成の場合、レーザー光をビームエキスパンダーで広げ、光分配層１１ＢのＸ軸方向の端面
全体にレーザー光が入射するようにしてもよい。また、この構成においては、ポンプ光を
反射する膜と、プローブ光を反射する膜を設け、一つの分配層でポンプ光とプローブ光の
両方を分岐させてもよい。

上述した変形例では、光分配層１１Ｃは、膜を使用してレーザー光を分岐させているが
、レーザー光を分岐させる構成は、膜に限定されるものではない。
図６は、変形例に係る光分配層１１Ｄの模式図である。図６において、矢印は、レーザ
ー光の進行方向を示している。光分配層１１Ｄは、透明なガラスや樹脂などレーザー光が
透過する材料で形成された導光体１１３と、回折格子１１５で構成されている。なお、導
光体１１３の上面の端部には、レーザー光が入射する三角プリズム１１６が設けられてい
る。この構成においては、レーザー光は、三角プリズム１１６を通過して導光体１１３に
入る。導光体１１３に入ったレーザー光は、導光体１１３の下面で全反射され、回折格子
１１５に到達する。
回折格子１１５に到達した光は、一部が回折格子１１５を通過し、残りの光が回折格子
１１５で反射される。回折格子１１５で反射された光は、再度導光体１１３の下面で全反
射され、再び回折格子１１５に到達する。このように、レーザー光が回折格子１１５で分
岐されながら導光体１１３の内部を進むことにより、レーザー光が複数に分岐されて光分
配層１１Ｄの外部に出力される。なお、回折格子１１５は、通過した光がセル１２１に照
射されるように設定されている。

なお、回折格子１１５は、光分配層１１Ｄの上面側ではなく、図７に示したように下面
側に設けられていてもよい。図７において、矢印は、レーザー光の進行方向を示している
。この場合、レーザー光は、一部が回折格子１１５で分岐されてＺ軸の方向へ反射される
。また、残りの光は、Ｚ軸の方向とは異なる方向へ進み導光体１１３の上面で全反射され
、再び回折格子１１５に到達する。このように、レーザー光が回折格子１１５で分岐され
ながら導光体１１３の内部を進むことにより、レーザー光が複数に分岐されて光分配層１
１Ｅの外部に出力される。

本発明においては、セル層１２におけるセル１２１−１〜１２１−９の傾きの角度は、
上述したものに限定されるものではない。
図８は、上述した構成とは別の角度で傾けられたセル１２１の一例を示した図である。
この構成においては、セル１２１の中心を通り鉛直方向に沿ったＺ軸を想定する。そして
、このＺ軸と、セル１２１の中心を通り直交する３本の各レーザー光Ｌ１〜Ｌ３とのなす
角度θが各々同じ角度となるようにセル１２１を傾けてもよい。
また、この構成にあっては、レーザー光Ｌ１〜Ｌ３を、ポンプ光にする状態とプローブ
光にする状態とに切り替えられる構成とし、セル１２１を通過したレーザー光Ｌ１〜Ｌ３
毎に、検出部４０を設けるようにしてもよい。
この構成において、例えば、レーザー光Ｌ１をポンプ光、レーザー光Ｌ２をプローブ光
として磁場を測定したあと、レーザー光Ｌ１をポンプ光、レーザー光Ｌ３をプローブ光と
して磁場を測定してもよい。また、この後で、レーザー光Ｌ２をポンプ光、レーザー光Ｌ
１をプローブ光として磁場を測定したあと、レーザー光Ｌ２をポンプ光、レーザー光Ｌ３
をプローブ光として磁場を測定してもよい。本変形例においては、このようにポンプ光と
プローブ光の方向を順番に切り替えて磁場を測定してもよい。

本発明においては、受光層１３においてプローブ光が入射する位置に偏光ビームスプリ
ッターを配置し、受光層１３でプローブ光をＰ偏光とＳ偏光に分岐させてもよい。また、
受光層１３にフォトダイオードを配置し、受光層１３で偏光ビームスプリッターにより分
岐されたＰ偏光とＳ偏光を検出してもよい。また、受光層１３において、半波長板を配置
し、半波長板を通過した光を偏光ビームスプリッターで分岐させてもよい。つまり、受光
層１３が、上述した検出部４０の構成を備えていてもよい。
また、上述した実施形態においては、検出部４０へプローブ光を導く光ファイバー１３
１をセル層１２の上面に配置し、セル層１２の上面には透明なガラスまたは樹脂で形成さ
れた層を設けなくてもよい。
また、本発明においては、セルユニット１０に偏光板や半波長板、四分の一波長板など
を配置し、セル１２１にレーザー光が入射する前に円偏光や直線偏光の状態を整えるよう
にしてもよい。

上述した実施形態においては、ポンプ光とプローブ光の２種類の光をセル１２１に照射
して磁場を測定しているが、磁場を測定する方法は上述した実施形態に限定されるもので
はない。
例えば、非線形磁気光学効果（ＮＭＯＲ：Nonlinear Magneto-Optical Rotation）を利
用して磁場を測定する場合、直線偏光にされた１本のレーザー光を一つのセルに照射し、
セル内の原子を励起させる。また、セルを通過したレーザー光を検光子に案内し、検光子
で分岐された光を測定することにより、磁場の測定が行われる。
このため、非線形磁気光学効果を利用して磁場の測定を行う場合、磁場測定装置は、１
本のレーザー光を複数本のレーザー光に分岐する光分配層、即ち、上述した光分配層１１
Ａ〜１１Ｅのいずれかを備えるセルユニットを用いて磁場の測定を行う。
なお、本変形例においては、上述した検光子と、検光子を通過した光を検知するフォト
ダイオードを受光層１３に配置してもよい。

上述した実施形態においては、磁場測定装置１は、一つのセルユニット１０を用いて磁
場を測定しているが、光分配層１１を同じ方向に向け、Ｚ軸方向から見て重なるようにセ
ルユニット１０を複数個配置したセルユニット群（即ち、セルユニット１０を多段に配置
したセルユニット群）を配置し、各セルユニット１０のセル１２１を通過したレーザー光
を測定して磁場を測定してもよい。なお、本変形例においても、セル１２１を通過した光
をセルユニット１０の受光層１３に配置されたフォトダイオードで測定してもよい。
この構成によれば、多段に配置されたセルユニット１０によって磁場勾配を測定するこ
とが可能となる。具体的には、心臓２に近いセルユニット１０は、心臓２からの磁場と、
心臓２からの磁場以外の環境磁場とを測定し、心臓２から遠いセルユニット１０は、環境
磁場を測定することとなる。心臓２に近いセルユニット１０で得た測定結果と、心臓２か
ら遠いセルユニット１０で得た測定結果との差を取ることにより、環境磁場の影響を除き
心臓２により生じた磁場を測定することができる。
なお、本実施形態に係るセルユニットによれば、セル１２１と光分配層１１とが一体化
されているため、セルと、光を分配する構成とを別個に設ける場合と比較して、セルが多
段に配置される方向の高さを抑えることができ、装置の構成をコンパクトにすることがで
きる。

１・・・磁場測定装置、１０・・・セルユニット、１１、１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃ、１１
Ｄ、１１Ｅ・・・光分配層、１２・・・セル層、１３・・・受光層、２０・・・第１照射
部、２１・・・光源、２２・・・変換部、３０・・・第２照射部、３１・・・光源、３２
・・・変換部、４０・・・検出部、４１・・・半波長板、４２・・・偏光ビームスプリッ
ター、４３Ａ、４３Ｂ・・・センサー、１１１Ａ、１１１Ｂ・・・分岐カプラー、１１２
・・・光ファイバー、１１３・・・導光体、１１４−１〜１１４−Ｎ・・・膜、１１５・
・・回折格子、１２１、１２１−１〜１２１−９・・・セル、１３１・・・光ファイバー

Claims

光により励起される原子を内部に有するセルを複数備えたセル層と、
入射された第１光を分岐させ、分岐された前記第１光を前記複数のセルの各々に導く分配層と、
を有し、
前記分配層は、入射した第２光を反射および透過し前記第２光の分岐数に応じて反射率が設定された膜を複数有し、入射された第２光が進む方向に前記膜が並べられ、前記複数の膜で反射された前記第２光が、前記複数の各セル内に照射され、前記第２光が前記第１光と交差するように、分岐された前記第２光を前記複数のセルに導くことを特徴とするセルユニット。
一の前記分配層に前記セル層が積層されており、前記第１光と前記第２光が、前記一の分配層から前記セル層に入射することを特徴とする請求項１に記載のセルユニット。
前記分配層は、前記第１光を導く第１分配層と、前記第２光を導く第２分配層を有し、
前記第１分配層は、前記セル層に積層され、前記第２層は、前記セル層において前記第１分配層に向いた面と交わる面に接して設けられていること
を特徴とする請求項２に記載のセルユニット。
前記セルを透過した前記第２光を検出する検出部を有することを特徴とする請求項２乃至３のいずれかに記載のセルユニット。
前記セルを透過した前記第１光を検出する検出部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１乃至請求項５のいずれかに記載のセルユニットが多段に配置されたセルユニット群。
光により励起される原子を内部に有するセルを複数備えたセル層と、
入射された第１光を分岐させ、分岐された前記第１光を前記複数のセルの各々に導く分配層と、
を有し、
前記分配層は、入射した第２光を反射および透過し前記第２光の分岐数に応じて反射率が設定された膜を複数有し、入射された第２光が進む方向に前記膜が並べられ、前記複数の膜で反射された前記第２光が、前記複数の各セル内に照射され、前記第２光が前記第１光と交差するように、分岐された前記第２光を前記複数のセルに導くセルユニットと、
前記セルユニットへ前記第１光を照射する第１照射部と、
前記セルを透過した前記第１光を検出する検出部と
を有する磁場測定装置。
光により励起される原子を内部に有するセルを複数備えたセル層と、
入射された第１光を分岐させ、分岐された前記第１光を前記複数のセルの各々に導く分配層と、
を有し、
前記分配層は、入射した第２光を反射および透過し前記第２光の分岐数に応じて反射率が設定された膜を複数有し、入射された第２光が進む方向に前記膜が並べられ、前記複数の膜で反射された前記第２光が、前記複数の各セル内に照射され、前記第２光が前記第１光と交差するように、分岐された前記第２光を前記複数のセルに導くセルユニットと、
前記セルユニットへ前記第１光を照射する第１照射部と、
前記セルユニットへ前記第２光を照射する第２照射部と、
前記セルを透過した前記第２光を検出する検出部と
を有する磁場測定装置。