JP5621240B2

JP5621240B2 - 磁気計測装置

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Publication number: JP5621240B2
Application number: JP2009242795A
Authority: JP
Inventors: 龍治保刈
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2009-10-21
Filing date: 2009-10-21
Publication date: 2014-11-12
Anticipated expiration: 2029-10-21
Also published as: JP2011089855A

Description

本発明は、磁気計測装置に関する。

光ポンピングを利用した磁気センサーが、いわゆるＭＲＩ（magnetic resonance imaging：磁気共鳴画像法）装置などに用いられている。この種の磁気センサーにおいては、円偏光成分を有するポンプ光と直線偏光成分を有するプローブ光とが交差するように（望ましくは、直交するように）セルに照射され、さらに、これらの光の照射方向に対して直交する方向の磁場が印加される（例えば、特許文献１参照）。

特開２００９−１４７０８号公報

ポンプ光やプローブ光には、一般に、レーザーが用いられる。これらの光の光源を光の照射方向に沿って設けると、複数のセルを並べて配置することが困難であり、ひいてはＭＲＩ装置等の空間分解能が低下することになる。
そこで、本発明は、磁気計測装置において、セルに対して光が照射される方向のサイズを小さくすることを目的とする。

本発明の一態様に係る磁気計測装置は、円偏光により励起される原子を内部に含むセルと、円偏光成分を有し、前記原子を励起させる第１の光を前記セルに第１の方向に照射する第１の照射部と、前記第１の照射部により前記第１の光が照射されたセルに、直線偏光成分を有する第２の光を前記第１の方向と交差する第２の方向に照射する第２の照射部と、前記第２の照射部により照射された第２の光のうちの前記セルを透過した成分を検出する検出部とを備え、前記第２の照射部が、前記第２の方向と異なる第３の方向に照射された前記第２の光を前記第２の方向に反射して前記セルに入射させる第１の反射部を有し、前記検出部が、前記第２の照射部により照射された第２の光のうちの前記セルを透過した成分を前記第２の方向と異なる方向であって前記検出部が当該成分を検出可能な方向である第４の方向に反射する第２の反射部を有する構成を有し、前記第１の照射部が、前記第１の方向と異なる第５の方向に照射された前記第１の光を前記第１の方向に反射する第３の反射部を有し、前記セルが面状に複数配置されている。この構成によれば、セルからみて第２の方向に第１の照射部や検出部を設けないようにすることが可能となる。

本発明に係る磁気計測装置は、別の好ましい態様において、前記第３の方向と前記第４の方向とが平行になるように前記第１の反射部と前記第２の反射部とが設けられる構成を有する。この構成によれば、第１の照射部と検出部をセルからみて同じ方向に設けることが可能となる。

本発明に係る磁気計測装置は、さらに別の好ましい態様において、前記第５の方向が前記第３の方向と前記第４の方向の少なくともいずれかと平行になるように前記第３の反射部が設けられていてもよい。この構成によれば、第２の照射部をセルからみて第１の照射部又は検出部と同じ方向に設けることが可能となる。

本発明に係る磁気計測装置は、さらに別の好ましい態様において、前記セルが、前記第１の方向の直線と前記第２の方向の直線とを含む平面に対して線状又は面状に複数配置され、前記第１の照射部及び前記第２の照射部が、複数の前記セルのそれぞれに光を照射する構成を有する。この構成によれば、計測可能な空間分解能を高めることが容易に可能である。

磁気センサー素子を示す模式図磁気センサー素子を示す模式図磁気センサー素子を示す模式図磁気センサー素子を用いた磁気計測装置の構成を示す図磁気センサー素子を複数配置したセンサー群を例示する図磁気センサー素子の変形例を示す図

図１は、本発明の一実施形態である磁気センサー素子を示す模式図である。本実施形態の磁気センサー素子１０は、セル１１と、ミラー１２、１３、１４、１５とを備える。セル１１は、ガラス等の光を透過する材料で形成された中空の物体である。セル１１は、ここでは立方体であるが、他の立体形状であってもよい。セル１１は、所定の原子を内部に含む。ここにおいて、所定の原子は、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１１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１１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１１に含まれるアルカリ金属の原子は、磁気センサー素子１０を用いて磁気的な信号を検出するとき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１１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。

ミラー１２及び１３は、ポンプ光を反射する反射面をそれぞれ有する部材であり、ミラー１４及び１５は、プローブ光を反射する反射面をそれぞれ有する部材である。ミラー１２は、本発明に係る「第１の反射部」の一例に相当し、ミラー１３は、本発明に係る「第２の反射部」の一例に相当する。また、ミラー１４は、本発明に係る「第３の反射部」の一例に相当する。

ポンプ光は、円偏光成分を有する光であり、セル１１内部のアルカリ金属原子を励起させる光である。ポンプ光は、本発明に係る「第１の光」の一例に相当し、典型的にはレーザー光である。また、プローブ光は、直線偏光成分を有する光であり、セル１１を介して検出される磁気的な信号を取得するための光である。プローブ光は、本発明に係る「第２の光」の一例に相当し、典型的にはレーザー光である。ポンプ光は、円偏光成分を有していれば足り、他の成分を含んでいてもよい。同様に、プローブ光も、直線偏光成分を有していれば足り、他の成分を含んでいてもよい。

また、本実施形態においては、説明の便宜上、次のように直交座標系を定義する。すなわち、セル１１の中心を原点、ミラー１２による反射後であってセル１１に入射するポンプ光の進行方向をＸ軸の正方向、ミラー１４による反射後であってセル１１に入射するプローブ光の進行方向をＹ軸の正方向とし、このＸ軸及びＹ軸に直交し、ポンプ光がミラー１２に入射する方向（すなわちプローブ光がミラー１４に入射する方向）をＺ軸の負方向とする。すなわち、本実施形態においては、ポンプ光とプローブ光とは、互いに直交するようにセル１１に入射する。

本発明において、ポンプ光とプローブ光は、互いに直交する関係にあることが最も望ましい。ただし、ポンプ光とプローブ光は、プローブ光から磁気的な信号を取得できれば十分であるため、交差する関係であれば足り、完全に直交することを求められるものではない。本実施形態においては、ポンプ光は、Ｘ軸方向の成分を有していれば、Ｘ軸と完全に平行でなくてもよく、プローブ光は、Ｙ軸方向の成分を有していれば、Ｙ軸と完全に平行でなくてもよい。
また、ここで定義される座標系は、重力の方向と関連を有しないものであり、いずれの方向が重力の方向であってもよいものである。しかし、説明の便宜上、以下においては、Ｚ軸の正方向のことを「上方」ともいう。

図２は、磁気センサー素子１０のＸ軸方向及びＺ軸方向に関する構成を示す図である。また、図３は、磁気センサー素子１０のＹ軸方向及びＺ軸方向に関する構成を示す図である。なお、図２においては、ミラー１４及び１５の図示が省略され、図３においては、ミラー１２及び１３の図示が省略されている。図２に示すように、ポンプ光Ｌ_puは、Ｚ軸の負方向に照射され、ミラー１２においてＸ軸の正方向に反射されてセル１１に入射した後、ミラー１３においてＺ軸の正方向に反射される。また、図３に示すように、プローブ光Ｌ_prは、Ｚ軸の負方向に照射され、ミラー１４においてＹ軸の正方向に反射されてセル１１に入射した後、ミラー１５においてＺ軸の正方向に反射される。つまり、ミラー１２、１３、１４及び１５は、反射によって光の進行方向を９０°変化させている。

以上より、本実施形態においては、Ｘ軸の正方向が本発明に係る「第１の方向」、Ｙ軸の正方向が本発明に係る「第２の方向」、Ｚ軸の負方向が本発明に係る「第３の方向」及び「第５の方向」、Ｚ軸の正方向が本発明に係る「第４の方向」に、それぞれ相当する。すなわち、本実施形態においては、第３の方向、第４の方向及び第５の方向が平行であり、第１の方向及び第２の方向のそれぞれと直交するように磁気センサー素子１０が構成されている。

なお、図１〜図３に示す磁気センサー素子１０の構成は、本発明の特徴を明確に示すための便宜的なものである。よって、磁気センサー素子１０の各部のサイズの比率や距離などは、実際に実施される場合のものとは異なり得る。例えば、セル１１は、ミラー１２、１３、１４又は１５と接触していなくてもよく、また、ミラー１２、１３、１４又は１５に比してより小さいものであってもよい。また、ミラー１２、１３、１４及び１５は、反射面を有していれば足り、図示されたような三角柱状である必要はない。

図４は、磁気センサー素子１０を用いた磁気計測装置の構成を示す図である。図４に示すように、磁気計測装置１００は、磁気センサー素子１０（すなわち、セル１１、ミラー１２、１３、１４及び１５）を含み、照射部２０、４０と、検出部３０、５０と、磁場発生部６０とを備える。なお、磁気計測装置１００は、図４においては、上述したＺ軸方向に関する位置関係を考慮せずに平面的に示されているが、実際の各部の配置については、図１の記載に準ずる。

照射部２０は、ポンプ光をセル１１に照射する手段であり、本発明に係る「第１の照射部」の一例に相当する。照射部２０は、光源２１と、半波長板２２と、ＰＢＳ（polarizing beam splitter：偏光ビームスプリッター）２３と、四分の一波長板２４と、ミラー１２とを備える。光源２１は、無偏光である光（例えばレーザー光）を照射する照射装置である。半波長板２２は、光源２１から照射された光の偏光面を回転させる光学素子である。ＰＢＳ２３は、半波長板２２を透過した光のｐ成分（入射面に対して平行な成分）を透過させ、ｓ成分（入射面に対して垂直な成分）を反射させる光学素子である。このｓ成分は、レーザー光の出力のモニタリングに用いられてもよいし、光を吸収する部材により吸収されてもよい。四分の一波長板２４は、ＰＢＳ２３を透過した光を円偏光に変化させる光学素子である。光源２１から照射された光は、半波長板２２、ＰＢＳ２３及び四分の一波長板２４の作用により、円偏光であるポンプ光になる。このポンプ光は、Ｚ軸の正方向から負方向に照射され、ミラー１２に入射する。ミラー１２は、このポンプ光を反射し、Ｘ軸の負方向から正方向に向かうようにセル１１に入射させる。

検出部３０は、照射部２０により照射されたポンプ光のうちのセル１１を透過した成分を検出する手段であり、ミラー１３と、光センサー３１とを備える。ミラー１３は、照射部２０により照射されたポンプ光のうちのセル１１を透過した成分を反射し、その進行方向をＸ軸の正方向からＺ軸の正方向に変化させる。光センサー３１は、ミラー１３により反射された光を電気信号に変換する素子であり、例えば、フォトダイオードである。

照射部４０は、プローブ光をセル１１に照射する手段であり、本発明に係る「第２の照射部」の一例に相当する。照射部４０は、光源４１と、半波長板４２と、ＰＢＳ４３と、偏光板４４と、ミラー１４とを備える。光源４１は、無偏光である光（例えばレーザー光）を照射する。半波長板４２は、光源４１から照射された光の偏光面を回転させる光学素子である。ＰＢＳ４３は、半波長板４２を透過した光のｐ成分（入射面に対して平行な成分）を透過させ、ｓ成分（入射面に対して垂直な成分）を反射させる光学素子である。偏光板４４は、ＰＢＳ４３を透過した光のうちの電場（磁場）の振動方向が特定方向のものを選択的に透過させる光学素子である。光源４１から照射された光は、半波長板４２、ＰＢＳ４３及び偏光板４４の作用により、直線偏光であるプローブ光になる。このプローブ光は、Ｚ軸の正方向から負方向に照射され、ミラー１４に入射する。ミラー１４は、このプローブ光を反射し、Ｙ軸の負方向から正方向に向かうようにセル１１に入射させる。

検出部５０は、照射部４０により照射されたプローブ光のうちのセル１１を透過した成分を検出する手段であり、本発明に係る「検出部」の一例に相当する。検出部５０は、ミラー１５と、半波長板５１と、ＰＢＳ５２と、光センサー５３、５４と、演算増幅器５５とを備える。ミラー１５は、照射部４０により照射されたプローブ光のうちのセル１１を透過した成分を反射し、その進行方向をＹ軸の正方向からＺ軸の正方向に変化させる。ここにおいて、Ｚ軸の正方向（すなわち第４の方向）は、照射部４０により照射されたプローブ光のうちのセル１１を透過した成分を検出可能な方向である。半波長板５１は、ミラー１５により反射された光の偏光面を回転させる光学素子である。ＰＢＳ５２は、半波長板５１を透過した光のｐ成分を透過させ、ｓ成分を反射させる光学素子である。光センサー５３及び５４は、検出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である。光センサー５３は、ＰＢＳ５２により透過されたｐ成分を検出し、光センサー５４は、ＰＢＳ５２により反射されたｓ成分を検出する。演算増幅器５５は、光センサー５３及び５４による検出結果を増幅して出力する。演算増幅器５５からの出力信号は、外部装置（表示装置等）に供給される。

磁場発生部６０は、セル１１の周囲に所定の磁場を形成する手段であり、コイル６１と、磁気シールド６２とを備える。コイル６１は、信号用の磁場をＺ軸方向に印加するとともに、外部からの磁場に対する補正用の磁場をＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸の各方向に印加する。コイル６１は、例えば、３軸ヘルムホルツコイルを含んで構成される。磁気シールド６２は、外部からの磁場を抑制する部材である。なお、磁気シールド６２は、図４ではミラー１２、１３、１４及び１５よりも内側に設けられているように記載されているが、これらを内部に含むように（すなわち、磁気シールド６２がミラー１２、１３、１４及び１５よりも外側になるように）設けられてもよい。

本実施形態の磁気計測装置１００の構成は、以上のとおりである。この構成のもと、磁気計測装置１００は、周知のＭＲＩの原理に基づいて計測を行う。磁気計測装置１００による計測の対象は、例えば、人体等の生体である。磁気計測装置１００は、その計測対象の上方に位置する。すなわち、計測対象は、セル１１からみたとき、Ｚ軸の負方向側にある。

磁気計測装置１００は、ミラー１２、１３、１４及び１５を用いてセル１１にポンプ光及びプローブ光を照射する構成を有することにより、磁気センサー素子１０からみて、Ｘ軸とＹ軸を含む平面（以下「ＸＹ平面」という。）の方向に光源等を設ける必要がなくなる。よって、磁気計測装置１００は、ミラー１２、１３、１４及び１５を設けない場合に比べ、磁気センサー素子１０からみてＸＹ平面の各方向に光源等の他の構成要素を設ける必要がなくなるため、セル１１をＸＹ平面に線状又は面状に複数配置することがより容易となる。

図５は、磁気センサー素子１０を複数配置したセンサー群を例示する図である。図５において、センサー群２００ａは、磁気センサー素子１０を線状に複数配置したものであり、センサー群２００ｂは、磁気センサー素子１０を面状に複数配置したものである。なお、かかる構成を採用する場合、上述した照射部２０、４０や検出部３０、５０に相当する手段は、各々の磁気センサー素子１０について１つずつ独立に設けられるのではなく、その一部又は全部を単位として一体化され、磁気センサー素子１０のそれぞれに対して光の照射や検出を行ってもよい。

なお、本発明は、上述した実施形態と異なる形態によっても実施可能である。例えば、ミラー１２、１３、１４及び１５は、ポンプ光又はプローブ光を９０°の角度で反射させるものではなく、これよりも鋭角又は鈍角に光を反射させる反射面を有していてもよい。よって、本発明に係る第３の方向、第４の方向及び第５の方向は、少なくともいずれかが平行であることが望ましいが、必ずしも平行でなくてもよい。

図６は、本発明に係る第３の方向及び第４の方向を第５の方向と直交する方向にした場合の磁気センサー素子を示す図である。図６に示す磁気センサー素子１０ａは、ミラー１２及び１３の反射面の向きが上述した実施形態と異なる（Ｘ軸に対して９０°回転している）ほかは、上述した磁気センサー素子１０と同様の構成である。本発明は、かかる磁気センサー素子１０ａによっても実施可能である。

また、本発明において、第１の光は、セルに照射され、セル内の原子を励起すれば十分であり、セルを透過した成分が検出されなくてもよいものである。よって、本発明に係る磁気センサー素子は、ミラー１３に代えて、ポンプ光（すなわち第１の光）のうちのセルを透過した成分を吸収する部材を設けた構成とすることも可能である。かかる部材は、シート状であると、より好ましい。このようにすれば、磁気センサー素子のＸ軸方向のサイズをより小さくすることができるからである。この構成は、特に、磁気センサー素子を複数並べて配置する場合に好適である。

また、本発明に係る第１の光及び第２の光は、出射されてから反射部に入射するまでの進行方向が一定である必要はない。つまり、第１の光及び第２の光は、反射部に入射するときに所定の方向（第３の方向又は第５の方向）になっていればよく、途中でミラー等によって反射され、進行方向が変更されてもよい。

１００…磁気計測装置、１０、１０ａ…磁気センサー素子、１１…セル、１２、１３、１４、１５…ミラー、２０、４０…照射部、３０、５０…検出部、６０…磁場発生部

Claims

円偏光により励起される原子を内部に含むセルと、
円偏光成分を有し、前記原子を励起させる第１の光を前記セルに第１の方向に照射する第１の照射部と、
前記第１の照射部により前記第１の光が照射されたセルに、直線偏光成分を有する第２の光を前記第１の方向と交差する第２の方向に照射する第２の照射部と、
前記第２の照射部により照射された第２の光のうちの前記セルを透過した成分を検出する検出部とを備え、
前記第２の照射部が、前記第２の方向と異なる第３の方向に照射された前記第２の光を前記第２の方向に反射して前記セルに入射させる第１の反射部を有し、
前記検出部が、前記第２の照射部により照射された第２の光のうちの前記セルを透過した成分を前記第２の方向と異なる方向であって前記検出部が当該成分を検出可能な方向である第４の方向に反射する第２の反射部を有し、
前記第１の照射部が、前記第１の方向と異なる第５の方向に照射された前記第１の光を前記第１の方向に反射する第３の反射部を有し、
前記セルが面状に複数配置されている
ことを特徴とする磁気計測装置。
前記第３の方向と前記第４の方向とが平行になるように前記第１の反射部と前記第２の反射部とが設けられることを特徴とする請求項１に記載の磁気計測装置。
前記第５の方向が前記第３の方向と前記第４の方向の少なくともいずれかと平行になるように前記第３の反射部が設けられることを特徴とする請求項１又は２に記載の磁気計測装置。