JP5747556B2 - 磁場測定装置およびセルアレイ - Google Patents

Description

本発明は、磁場測定装置およびセルアレイに関する。

心臓または脳から発生する微弱な磁場（心磁または脳磁）を測定する装置が知られている。例えば特許文献１は、ホール素子または磁気抵抗素子等の固体磁気センサーを、異なる検出方向に配置することによって、複数方向の磁場成分を測定する技術を開示している。

特開２００８−９６２６１号公報

特許文献１に記載の技術においては、複数の軸成分の磁場を測定するため、複数の磁気検出素子を異なる角度で配置する等、複雑な構成が必要であった。
これに対し本発明は、より簡単な構成で複数の軸成分の磁場を測定する技術を提供する。

本発明は、磁場強度に応じて光の偏光面方位を変化させる媒体を内部に収容したセルと、前記媒体と相互作用する光を出射する光源と、前記光源から出射された光を、第１ビームおよび前記第１ビームと非平行な第２ビームとして前記セルに入射させる光学系と、前記セルを透過した前記第１ビームの偏光面の方位を検出する第１検出器と、前記セルを透過した前記第２ビームの偏光面の方位を検出する第２検出器とを有する磁場測定装置を提供する。
この磁場測定装置によれば、複数の磁気検出素子を異なる角度で配置した装置と比較して簡単な構成で、複数の軸成分の磁場を測定することができる。

好ましい態様において、この磁場測定装置は、複数の前記セルが平面的に配置されたセルアレイを有し、前記セルアレイは、第１平板と、前記第１平板と対向する第２平板と、前記第１平板および前記第２平板によって挟またスペーサーとを有し、前記セルは、前記第１平板、前記第２平板、および前記スペーサーによって仕切られてもよい。
この磁場測定装置によれば、複数の軸成分の磁場を測定する装置を、複数の磁気検出素子を異なる角度で配置する場合よりも簡単な工程で製造することができる。

別の好ましい態様において、前記第１平板は、前記光を透過する領域を有し、前記第１ビームおよび前記第２ビームは、前記領域を介して前記セルに入射されてもよい。
この磁場測定装置によれば、別個の部材を介して光が入射する構成と比較して、セルの特性をより均一にすることができる。

さらに別の好ましい態様において、前記光学系は、上面と下面で前記第１ビームおよび前記第２ビームを反射させて伝播させるアレイイルミネーターを有し、前記アレイイルミネーターの上面には、光分岐手段が設けられ、前記光分岐手段は、前記上面に入射する光の一部を透過させてもよい。
この磁場測定装置によれば、一の光源から出力された光を複数のセルに入射させることができる。

また、本発明は、第１平板と、前記第１平板と対向する第２平板と、前記第１平板および前記第２平板によって挟まれたスペーサーとを有し、前記第１平板、前記第２平板、および前記スペーサーによって仕切られるセルが複数形成されていることを特徴とするセルアレイを提供する。
このセルアレイによれば、複数の磁気検出素子を異なる角度で配置した装置と比較して簡単な構成で、複数の軸成分の磁場を測定することができる。

一実施形態に係る磁気測定装置１の構成を示す図。 アレイセンサー１０の断面構造を示す模式図。 セルアレイ１２のIII−III断面を示す模式図。 セルの構造の詳細を示す模式図。

図１は、一実施形態に係る磁気測定装置１の構成を示す図である。磁気測定装置１は、アレイセンサー１０と、信号処理器２０と、光源３０と、光源４０とを有する。磁気測定装置１は、例えば心磁計であり、生体の心臓の状態を磁気により観測する装置である。磁気測定装置１は、光ポンピング式磁気センサーである。詳細は後述するが、磁場の測定は、光源３０から出力される光（第１ビームの一例）と光源４０から出力される光（第２ビームの一例）を用いて行われる。光源３０および光源４０は、例えばチューナブルレーザーである。チューナブルレーザーは、後述するセル内に封入されたアルカリ金属原子と相互作用するレーザービームを出力する。このレーザービームは、アルカリ金属原子がセシウムの場合、例えばセシウムのＤ１吸収線に相当する８９４ｎｍの波長を有する。レーザービームは、連続的に一定の光量を有するいわゆるＣＷ（Continuous Wave）光である。レーザービームの出力は、セルに入射するビームの光量が数十μＷのオーダーになるように調整される。

図２は、アレイセンサー１０の断面構造を示す模式図である。アレイセンサー１０は、アレイイルミネーター１１と、セルアレイ１２と、検出部１３と、検出部１４とを有する。説明のため、座標軸を以下のように定義する。図中右向きにｘ軸を、紙面に垂直で読者から紙面に向かう向きにｙ軸を、図中上向きにｚ軸をとる。ｚ軸正方向および負方向を「上」および「下」という。ｘ軸正方向および負方向を「右」および「左」という。

アレイイルミネーター１１は、光源３０から入射された第１ビームおよび光源４０から入射された第２ビームを繰り返し反射させてビームを分岐し、１次元に広がるビームアレイを形成する光学系部材である。アレイイルミネーター１１は、回折格子１１１と、光カプラー１１２と、導光体１１３とを有する。光源３０から出力された第１ビームは、光ファイバー等の伝送手段によりアレイイルミネーター１１に導かれ、光カプラー１１２を介して光結合される。アレイイルミネーター１１に導かれた光は、回折格子１１１および導光体１１３の下面で繰り返し反射されることにより分岐したビーム（光束）となり、１次元的に広がるビームアレイとなる。透過面における偏光面の回転や楕円化を防ぐため、レーザービームの偏光面は入射面と垂直または平行に設定される。第２ビームについても同様である。なお、図２は１列のセルしか示されていないが、複数のセルに対しても、ビームスプリッターまたはミラー等の光学系を用いてビームが入射される。

セルアレイ１２は、複数のセルを有する。セルアレイ１２は、下板１２１と、上板１２２と、隔壁１２３（スペーサー）とを有する。下板１２１および上板１２２は複数のセルに共通であり、単一のセルの下面または上面よりも大きな平板である。隔壁１２３は下板１２１および上板１２２に挟まれている。図２はｘｚ平面での断面なので図面には現れていないが、ｘｙ平面に平行な方向にも隔壁が設けられている。下板１２１、上板１２２、隔壁１２３、および図２には示されてない隔壁により、セル１２５が形成される。複数のセル１２５は、ｚ軸座標が一定の面において、ｘ軸方向およびｙ軸方向に沿ってマトリクス状に配置されている。図２の例では、ｘ軸方向に８個のセル１２５が並べられている。セルアレイ１２の上部には、検出部１３および検出部１４が設けられている。

まとめると、セルアレイ１２は、第１平板（下板１２１）と、第１平板と対向する第２平板（上板１２２）と、第１平板および第２平板によって挟まれたスペーサー（隔壁１２３および隔壁１２４）とを有する。セルアレイにおいては、第１平板、第２平板、およびスペーサーによって仕切られるセル（セル１２５）が複数形成されている。

図３は、セルアレイ１２のIII−III断面を示す模式図である。ｙ軸に平行な隔壁１２３と、ｘ軸に平行な隔壁１２４とにより、セル１２５がマトリクス状に配置されている。図３の例では、セルアレイ１２は、８×８個のセル１２５を有する。なお、図２は、図３のII−II断面を示す図である。

下板１２１および上板１２２は、石英ガラス、ホウケイ酸ガラス、またはプラスチック等の、光を透過する材料で形成される。隔壁１２３および隔壁１２４は、セラミックス等、不透明な材料で形成される。不透明な材料で隔壁を形成するのは、隣接するセルへの光学的なクロストークを防止するためである。しかし、隔壁１２３および隔壁１２４は、下板１２１および上板１２２と同様の透明な材料で形成されてもよい。下板１２１、上板１２２、隔壁１２３、および隔壁１２４は、低融点ガラス、光学接着、または溶着により、セルアレイ１２と外部との気密性が保たれた状態で接合される。

下板１２１、上板１２２、隔壁１２３、および隔壁１２４で形成されるセル（内部空間）には、気体の状態のアルカリ金属原子（カリウム（Ｋ）、ルビジウム（Ｒｂ）、またはセシウム（Ｃｓ）等）が封入されている。アルカリ金属原子は、入射光の偏光方向に応じてスピン偏極し、磁化された状態（アライメントが形成された状態）になる。入射光によりアライメントを形成させることを「光ポンピングする」という。光ポンピングにより形成された磁化ベクトルは、磁場の測定軸の成分に応じた角周波数で歳差運動する。ここでは、入射光の進行方向が測定軸の向きである。磁化ベクトルは、歳差運動の緩和作用とのバランスで測定軸に直交する軸に対して定常的に傾いている。この傾きにより、磁化ベクトルは、直交軸方向の成分を有する。入射光がセル１２５を通過するとき、ファラデー効果によってその偏光面が回転する。偏光面の回転角は、測定軸方向の磁場の強さに比例する。

図４は、セル１２５の構造の詳細を示す模式図である。図４は、図２を拡大したものである。アレイイルミネーター１１において、図中左から入射する光をビームＢ１といい、図中右から入射する光をビームＢ２という。ビームＢ１は左から入射し、アレイイルミネーター１１の上面に設けられた回折格子１１１に達する。回折格子１１１は、入射した光の一部を反射させ、一部を透過させる。回折格子１１１により反射されたビームＢ１は、アレイイルミネーター１１の下面で反射し、再び回折格子１１１に達する。こうして、ビームＢ１の一部は、回折格子１１１とアレイイルミネーター１１の下面との間で反射を繰り返し、右に伝搬する。回折格子１１１を透過したビームＢ１は、下板１２１を介してセル１２５に入射する。セル１２５を透過しているビームＢ１は、セル１２５に封入されているアルカリ金属原子を励起（ポンピング）し、磁化させる。さらに、セル１２５を透過しているビームＢ１は、ビームＢ１の進行方向成分の磁場により偏光面が回転する。ビームＢ１は、上板１２２からセル１２５を抜け、検出部１３に入射する。

検出部１３は、ビームスプリッター１３１と、２分割ＰＤ（Photo Detector、光検出器）１３２とを有する。ビームスプリッター１３１は、反射透過面を有する。ビームスプリッター１３１は、反射透過面に入射した光のうち、ある偏光成分（第１偏光成分）を反射し、それと直交する偏光成分（第２偏光成分）を透過する。すなわち、ビームスプリッター１３１は、入射したビームＢ１（セルを透過したビームＢ１）を、直交する２つの偏光成分に分離する。ビームスプリッター１３１は、反射透過面が、セルに入射する前のビームＢ１の偏光面と４５°で交わるように設置される。２分割ＰＤ１３２は、レーザービームＢ１の波長に感度を有する。２分割ＰＤ１３２は、第１偏光成分および第２偏光成分のそれぞれの光量に応じた電流（光電流）を出力する。第１偏光成分および第２偏光成分の光電流の差をとることにより、第１測定軸における磁場に関する情報を得ることができる。第１測定軸は、ビームＢ１の進行方向を向いている。２分割ＰＤ１３２には、反射防止膜が形成されている。また、不要な磁場を発生しないため、２分割ＰＤ１３２は、非磁性材料で形成される。

ビームＢ２は右から入射し、アレイイルミネーター１１の上面に設けられた回折格子１１１に達する。回折格子１１１は、入射した光の一部を反射させ、一部を透過させる。回折格子１１１により反射されたビームＢ２は、アレイイルミネーター１１の下面で反射し、再び回折格子１１１に達する。こうして、ビームＢ２の一部は、回折格子１１１とアレイイルミネーター１１の下面との間で反射を繰り返し、左に伝搬する。回折格子１１１を透過したビームＢ２は、下板１２１を介してセルに入射する。セルを透過しているビームＢ２は、セルに封入されているアルカリ金属原子を励起し、磁化させる。さらに、セルを透過しているビームＢ２は、ビームＢ２の進行方向成分の磁場により偏光面が回転する。ビームＢ２は、上板１２２をからセルを抜け、検出部１４に入射する。

検出部１４は、ビームスプリッター１４１と、２分割ＰＤ１４２とを有する。ビームスプリッター１４１および２分割ＰＤ１４２の構成は、ビームスプリッター１３１および２分割ＰＤ１３２と同様である。アレイイルミネーター１１からセルに入射するビームＢ１とビームＢ２とは、平行ではなく、角θをなす（θ≠０）。検出部１４は、第２測定軸における磁場に関する情報を得ることができる。第２測定軸は、ビームＢ２の進行方向を向いている。

まとめると、磁場測定装置１は、磁場強度に応じて光の偏光面方位を変化させる媒体（アルカリ金属原子）を内部に収容したセル（セル１２５）と、媒体と相互作用する光を出射する光源（光源３０および光源４０）と、光源から出射された光を、第１ビーム（ビームＢ１）および第１ビームと非平行な第２ビーム（第２ビームＢ２）としてセルに入射させる光学系（アレイイルミネーター１１）と、セルを透過した第１ビームの偏光面の方位を検出する第１検出器（２分割ＰＤ１３２）と、セルを透過した第２ビームの偏光面の方位を検出する第２検出器（２分割ＰＤ１４２）とを有する。さらに、磁場測定装置１は、複数のセル（セル１２５）が平面的に配置されたセルアレイ（セルアレイ１２）を有する。このセルアレイは、第１平板（下板１２１）と、第１平板と対向する第２平板（上板１２２）と、前記第１平板および前記第２平板によって挟まれたスペーサー（隔壁１２３および隔壁１２４）とを有する。セルは、第１平板、第２平板、およびスペーサーによって仕切られている。第１平板は、光を透過する領域を有する。第１ビームおよび第２ビームは、その領域を介してセルに入射される。光学系は、セルアレイに面する第１面と、第１面に対向する第２面とでビームを反射させて伝播させるアレイイルミネーター（アレイイルミネーター１１）を有する。アレイイルミネーターの第１面には、光分岐手段（回折格子１１１）が設けられている。光分岐手段は、第１面に入射する光の一部を透過させる。

再び図１を参照する。信号処理器２０は、処理部２１と、表示部２２とを有する。処理部２１は、プロセッサーおよびメモリーを有する。処理部２１は、同軸ケーブルを介して入力された信号を用いて、各セルについて第１測定軸および第２測定軸の磁場の強さを算出する。表示部２２は、ＣＲＴ（Cathode Ray Tube）またはＬＣＤ(Liquid Crystal Display)等の表示装置を有する。表示部２２は、算出された磁場の強さを示す文字または画像を表示する。

磁気測定装置１は、上記の構成により生体の磁場を測定する。磁場の測定は概ね以下のとおり行われる。測定に先立ち、光源３０および光源４０の電源はオンされている。図示しないスイッチ等により磁場の測定が指示されると、信号処理器２０は、アレイセンサー１０から出力された信号を用いて磁場を測定し、測定結果を表示する。

磁気測定装置１によれば、複数の磁気検出素子を異なる角度で配置する構成と比較して、簡単な構成で複数の軸方向成分の磁場を測定することができる。

本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、種々の変形実施が可能である。以下、変形例をいくつか説明する。以下の変形例のうち２つ以上のものが組み合わせて用いられてもよい。

セルに入射するビームの数は２つに限定されない。３つ以上のビームがセルに入射してもよい。これらのビームが同一平面上になければ、３つの測定軸成分の磁場の測定結果を用いて、直交する３軸成分の磁場を計算することが可能である。

ビームＢ１の光源とビームＢ２の光源とは同一であってもよい。実施形態においては、光源３０がビームＢ１を出力し、光源４０がビームＢ２を出力する例を説明した。しかし、単一の光源から出力されたレーザービームを、ビームスプリッターおよびミラー等の光学系を介して分岐させて、ビームＢ１およびビームＢ２を形成してもよい。別の例で、光源の数は２つより多くてもよい。例えば、セル１列毎に別個の光源が設けられてもよい。

アレイイルミネーター１１においてビームアレイを形成する光学系（光分岐手段）は、回折格子１１１に限定されない。ビームを分岐させるように構成された誘電体多層膜または金属反射膜が、光分岐手段として用いられてもよい。この光学系は、直進するレーザービームをクランク状に折り曲げつつ分岐させ、一定の方向（実施形態ではｚ軸方向）に揃えられた複数のビームとして出力するものであればどのような構成のものが用いられてもよい。また、実施形態ではビームＢ１とビームＢ２とが同一のアレイイルミネーターの中を伝搬する例を説明したが、ビームＢ１とビームＢ２のそれぞれに対して別個のアレイイルミネーターが設けられてもよい。

光ポンピングにより形成されたアライメントの緩和時間を長くするため、セルには、アルカリ金属のガスに加え、ヘリウム（Ｈｅ）あるいはアルゴン（Ａｒ）等の希ガス、または窒素（Ｎ）等の非磁性のガスがバッファーガスとして封入されてもよい。あるいは、セルの内壁をパラフィン等の非緩和物質（緩和時間を長くさせる物質）でコーティングしてもよい。また、アルカリ金属原子は、必ずしも常時ガス化している必要はなく、磁場を測定するときにガス化すればよい。例えば、測定をしないときは固体で、測定の時に加熱することによりガス化させる構成が用いられてもよい。さらに、セルにおいて磁性媒体としてもちいられるガスはアルカリ金属に限定されない。ポンプ光によりスピン偏極するものであれば、どのような原子が用いられてもよい。

セルアレイ１２におけるセルの配置は、２次元配置に限定されない。セルが１次元的に、すなわち直線上に配置された構成が用いられてもよい。また、上述の実施形態において、隔壁１２３および隔壁１２４は別の部材でありこれらを接合する例を説明したが、隔壁１２３および隔壁１２４を一体として形成して用いてもよい。すなわち、セルアレイは、網状に穴の開いた板を２枚の平板で挟んだ構成を有していてもよい。別の例で、セルの形状は立方体に限定されない。内部空間が存在するものであれば、どのような形状を有していてもよい。

１…磁気測定装置、１０…アレイセンサー、１１…アレイイルミネーター、１２…セルアレイ、１３…検出部、１４…検出部、２０…信号処理器、２１…処理部、２２…表示部、３０…光源、４０…光源、１１１…回折格子、１１２…光カプラー、１１３…導光体、１２１…下板、１２２…上板、１２３…隔壁、１２４…隔壁、１２５…セル、１３１…ビームスプリッター、１３２…２分割ＰＤ、１４１…ビームスプリッター、１４２…２分割ＰＤ

Claims (4)

1. 磁場強度に応じて光の偏光面方位を変化させる媒体を内部に収容した複数のセルが平面的に配置されたセルアレイと、
   光を出射する光源と、
   前記光源から出射された光を、第１ビームおよび前記第１ビームと非平行な第２ビームとして前記セルに入射させる光学系と、
   前記セルを透過した前記第１ビームの偏光面の方位を検出する第１検出器と、
   前記セルを透過した前記第２ビームの偏光面の方位を検出する第２検出器と
   を有し、
   前記セルアレイは、
   第１平板と、
   前記第１平板と対向する第２平板と、
   前記第１平板および前記第２平板によって挟まれたスペーサーと
   を有し、
   前記セルは、前記第１平板、前記第２平板、および前記スペーサーによって仕切られる
   ことを特徴とする請求項１に記載の磁場測定装置。
2. 前記第１平板は、前記光を透過する領域を有し、
   前記第１ビームおよび前記第２ビームは、前記領域を介して前記セルに入射される
   ことを特徴とする請求項１に記載の磁場測定装置。
3. 前記光学系は、前記セルアレイに面する第１面と、前記第１面に対向する第２面とで前記第１ビームおよび前記第２ビームを反射させて伝播させるアレイイルミネーターを有し、
   前記アレイイルミネーターの第１面には、光分岐手段が設けられ、
   前記光分岐手段は、前記第１面に入射する光の一部を透過させる
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の磁場測定装置。
4. 磁場強度に応じて光の偏光面方位を変化させる媒体を内部に収容した複数のセルが平面的に配置されたセルアレイと、
   光を出射する光源と、
   前記光源から出射された光を、第１ビームおよび前記第１ビームと非平行な第２ビームとして前記セルに入射させる光学系と、
   前記セルを透過した前記第１ビームの偏光面の方位を検出する第１検出器と、
   前記セルを透過した前記第２ビームの偏光面の方位を検出する第２検出器と
   を有し、
   前記光学系は、前記セルアレイに面する第１面と、前記第１面に対向する第２面とで前記第１ビームおよび前記第２ビームを反射させて伝播させるアレイイルミネーターを有し、
   前記アレイイルミネーターの第１面には、光分岐手段が設けられ、
   前記光分岐手段は、前記第１面に入射する光の一部を透過させる
   磁場測定装置。

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