JP6024114B2 - 磁場測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、磁場の強度を測定する際のノイズの影響を低減させる技術に関する。

心臓や脳など、生体から発せられる磁場の強度を測定する磁場測定装置において、光ポンピングを利用した磁気センサーが採用されている。特許文献１には、ガス状態をとり得る原子群が封入されているセルと、原子群をスピン偏極させるためのポンプ光を発生するポンプ光源と、セルにプローブ光を照射するプローブ光源と、プローブ光の偏光面の回転を検出するための検出器と、プローブ光を反射させるための反射ミラーとを備えた光ポンピング磁力計が記載されている。

特開２００９−２３６５９９号公報

ところで、心臓などから発せられる磁場は、例えば、地磁気などと比較しても微弱である。このような微弱な磁場の強度を測定する磁場測定装置は、地磁気や、磁気センサーの近傍に置かれた金属、交流電源などによって生じるノイズの影響を受け易い。一般に、これらのノイズの影響を受け難くするため、磁気センサーは磁性体で構成された筒状のシールドなどに収容されて利用されるが、さらにこれらのノイズの影響を低減させるためには、測定対象と磁気センサーとの距離を短くすることが望ましい。

しかしながら、光ポンピングを利用して磁場の強度を測定する場合、光源から測定対象に向かって検出光（プローブ光）が照射され、その検出光の光路中に磁気センサーとして機能するセルが配置されていることが一般的である。この場合、セルを透過した検出光を受光して磁場の強度を算出する検出器を、この検出光の進行方向においてセルよりも下流側に置かなければならないため、測定対象とセルとの間を結ぶ線分上にこの検出器を配置するスペースを確保しなければならない。

なお、測定対象とセルとの間を結ぶ線分上に反射器（反射ミラーなど）を設けることにより、セルから見て測定対象のある側の反対側に検出器を配置することも試みられているが、反射器を経た後で偏光成分の割合が変化してしまうことや、検出光がセルを２度透過することなどによって、測定値に影響が生じる場合がある。

本発明の目的の一つは、測定対象とセルとを結ぶ方向の磁場の強度を測定する磁場測定装置において、測定対象とセルとの間が大きくなることを抑制することである。

本発明に係る磁場測定装置は、光源と、前記光源から照射される光を変換して、直線偏光を含む検出光を生成する偏光子と、前記光源から照射される光の進行方向を曲げて、当該光を前記偏光子に導く光ファイバーと、直線偏光の偏光面を磁場の強度に応じて回転させる媒体を内部に収容し、測定対象に対して所定の位置に配置され、前記偏光子によって生成された前記検出光を透過させるセルと、前記セルを透過した前記検出光に基づいて、当該セルが前記測定対象から受ける磁場の強度を検出する検出器とを具備することを特徴とする。
この構成によれば、測定対象とセルとの間が大きくなることを抑制することができる。

また、本発明に係る磁場測定装置は、光源と、前記光源から照射される光を変換して、直線偏光を含む検出光を生成する偏光子と、直線偏光の偏光面を磁場の強度に応じて回転させる媒体を内部に収容し、測定対象に対して所定の位置に配置され、前記偏光子によって生成された前記検出光を透過させるセルと、前記セルを透過した前記検出光に基づいて、当該セルが前記測定対象から受ける磁場の強度を検出する検出器と、前記セルを透過した前記検出光の進行方向を曲げて、当該検出光を前記検出器に導く光ファイバーとを具備することを特徴とする。
この構成によれば、測定対象とセルとの間が大きくなることを抑制することができる。

また、本発明に係る磁場測定装置は、光源と、前記光源から照射される光を変換して、直線偏光を含む検出光を生成する偏光子と、直線偏光の偏光面を磁場の強度に応じて回転させる媒体を内部に収容し、測定対象に対して所定の位置に配置され、前記偏光子によって生成された前記検出光を透過させるセルと、前記セルを透過した前記検出光に基づいて、当該セルが前記測定対象から受ける磁場の強度を検出する検出器と、前記偏光子によって生成された前記検出光の進行方向を曲げて、当該検出光を前記セルに導く光ファイバーとを具備することを特徴とする。
この構成によれば、測定対象とセルとの間が大きくなることを抑制することができる。

好ましくは、前記光源および前記検出器は、前記測定対象と前記セルとの間を結ぶ線分上以外の位置にそれぞれ配置されているとよい。
この構成によれば、測定対象とセルとの間が大きくなることを抑制することができる。

また、好ましくは、前記光ファイバーから入射した光の光束径を変化させて出射する光学機構を具備するとよい。
この構成によれば、セルの大きさに応じた光束径を有する検出光をセルに照射することができる。

また、好ましくは、前記光ファイバーは、入射された光の偏光状態を保持して出射する偏光保持特性を有するとよい。
この構成によれば、磁場の測定を正確に行うことができる。

本発明に係る第１実施形態の磁場測定装置の構成を示す図である。 従来の磁場測定装置の構成を示す図である。 本発明に係る第２実施形態の磁場測定装置の構成を示す図である。 本発明に係る第３実施形態の磁場測定装置の構成を示す図である。

１．第１実施形態
図１は、本発明に係る第１実施形態の磁場測定装置９の構成を示す図である。磁場測定装置９は、光源１、光ファイバー２、エキスパンダー３、偏光子４、セル５、検出器６を備える。磁場測定装置９は、測定対象８に対してセル５が所定の位置に配置されるように設置され、測定対象８から発生する磁場の強度を測定する。

光源１は、例えば磁場の測定に用いられるレーザー光を発生させるレーザー発振器である。光ファイバー２は、光源１の照射側に一端が接続され、エキスパンダー３の入射側に他端が接続されている。光ファイバー２は、光源１から出て、測定対象８とエキスパンダー３との間を結ぶ線分に対して横方向から導かれて曲げられ、エキスパンダー３に入っている。この光ファイバー２を通ることで、光源１が照射したレーザー光は、その進行方向を曲げられてエキスパンダー３に入射する。

エキスパンダー３は、例えば平凹レンズと平凸レンズとを組み合わせて構成された光学機構であり、光ファイバー２を通るレーザー光の光束径を、セル５を透過させる検出光の光束径に合うように拡大させるものである。エキスパンダー３は、光ファイバー２を通って入射したレーザー光の光束径を拡大して偏光子４に出射する。偏光子４は、エキスパンダー３によって拡大されたレーザー光を変換して、直線偏光を含む検出光を生成する。偏光子４は、例えば偏光フィルムなどであり、この偏光フィルムを経たレーザー光は所定の方向に向いた直線偏光が抽出された検出光となる。偏光子４によって生成された検出光は、セル５に入射する。セル５は、例えば光を透過させるガラスなどの素材で形成された四面体で構成され、内部に所定の原子からなる原子群が収容されている。

所定の原子は、例えば、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）などのアルカリ金属原子である。セル５内には、アルカリ金属原子の他に、ヘリウム（Ｈｅ）、窒素（Ｎ）などのバッファーガスが含まれていてもよい。アルカリ金属原子は、磁気を検出する際に気体の状態であればよく、常時気体の状態でなくてもよい。この所定の原子は、磁場の強度に応じて光の偏光面を回転させる媒体として機能する。

偏光子４によって生成された検出光がセル５を透過すると、セル５内の原子群はアライメントされ、線形二色性が生じる。この原子群は、セル５が配置された位置における測定対象８からの磁場に応じて歳差運動を行う。その結果、検出光に含まれる直線偏光の偏光面はセル５が受ける磁場の強度に応じて回転する。この偏光面の回転の大きさは、測定対象８が発する磁場のうち、セル５の位置において検出光の進む方向の磁場の強度に応じたものである。セル５を透過した検出光は、検出器６に入射する。

検出器６は、ビームスプリッターと２つのフォトディテクター、および信号処理装置とを備える。ビームスプリッターは、入射した検出光をＰ波成分とＳ波成分とに分離する。２つのフォトディテクターはＰ波検出用フォトディテクターとＳ波検出用フォトディテクターとであり、ビームスプリッターで分離されたＰ波成分の光はＰ波検出用フォトディテクターに、Ｓ波成分の光はＳ波検出用フォトディテクターに、それぞれ入射する。各フォトディテクターは、Ｐ波成分とＳ波成分の各光量に応じた電気信号を信号処理装置に各々出力する。信号処理装置は、各フォトディテクターが出力した電気信号に基づいて、検出光の偏光面の回転角度を求め、この回転角度から測定対象８が発する磁場の強度を算出する。以上の構成により磁場測定装置９の検出器６は、測定対象８が発する磁場のうち、セル５の位置においてセル５が受ける磁場の強度を検出する。

ここで、第１実施形態の磁場測定装置９の特徴を説明するため、従来に用いられている磁場の測定装置の一例を説明する。図２は、従来の磁場測定装置９００の構成を示す図である。磁場測定装置９００は、光源１００と、偏光子４００と、セル５００と、検出器６００とを有する。光源１００はレーザー発振器などであり、磁場の測定に用いられるレーザー光を発生させる。偏光子４００は光源１００が発生させたレーザー光を変換して、直線偏光を含む検出光を生成する。セル５００には、磁場の強度に応じて光の偏光面を回転させる媒体が内部に封入されている。セル５００は、偏光子４００によって生成された検出光を透過せ、この検出光の偏光面を回転させる。検出器６００は、セル５００を透過した検出光をＰ波成分とＳ波成分とに分離してそれぞれの光量を計測し、各光量に基づいて上記の偏光面の回転角度を求める。そして、求めたその回転角度を用いて測定対象８００が発する磁場の強度を算出する。これにより、磁場測定装置９００は、測定対象８００から発生する磁場の強度を測定する。

磁場測定装置９００において、光ファイバーは用いられていないため、磁場測定装置の各構成は光の進行方向に沿って配置されている必要がある。そのため、測定対象８００とセル５００との間を結ぶ線分上に検出器６００が配置されており、この検出器６００の大きさに応じて測定対象８００とセル５００との間の距離Ｌ０を確保しなければならない。

一方、磁場測定装置９は、光ファイバー２によってレーザー光の進行方向を曲げて、このレーザー光をエキスパンダー３および偏光子４に導くので、光源１を測定対象８とセル５との間を結ぶ線分上に置く必要がない。したがって、この磁場測定装置９において測定対象８とセル５との間の距離Ｌは、光ファイバー２を用いない場合に比べて短くなる。また検出光は、測定対象８に近づく方向に進んでセル５を透過するのではなく、測定対象８から遠ざかる方向に進んでセル５を透過するので、セル５を透過した後の構成である検出器６を、測定対象８とセル５との間を結ぶ線分上に置く必要がない。したがって、この磁場測定装置９において測定対象８とセル５との間の距離Ｌは、上述した磁場測定装置９００のように、検出光を測定対象８に近づく方向に進ませてセル５を透過させる場合に比べて短くなる。

２．第２実施形態
図３は、本発明に係る第２実施形態の磁場測定装置９ａの構成を示す図である。磁場測定装置９ａは、光源１ａ、光ファイバー２ａ、エキスパンダー３ａ、偏光子４ａ、セル５ａ、検出器６ａ、コンプレッサー７ａを備える。磁場測定装置９ａは、測定対象８ａに対してセル５ａが所定の位置に配置されるように設置され、測定対象８ａから発生する磁場の強度を測定する。光源１ａ、偏光子４ａ、セル５ａ、検出器６ａはそれぞれ、第１実施形態における磁場測定装置９に備えられた光源１、偏光子４、セル５、検出器６に相当する構成であり、その接続順序が異なっている。

また、光ファイバー２ａおよびエキスパンダー３ａは、偏光保持特性を有する点が光ファイバー２およびエキスパンダー３と異なっている。偏光保持特性とは、入射光の偏光状態（偏波状態）を保持して出射させる特性である。コンプレッサー７ａは、エキスパンダー３ａと共通する構造を有しており、光の進行方向をエキスパンダー３ａと逆にすることで、入射光の光束径を絞って出射光にするものである。

光源１ａから照射されたレーザー光は、偏光子４ａに出射される。偏光子４ａは、光源１ａから照射されたレーザー光を変換して、直線偏光を含む検出光を生成する。偏光子４ａによって生成された検出光は、セル５ａに入射する。偏光子４ａによって生成された検出光がセル５ａを透過すると、セル５ａ内の原子群はアライメントされ、線形二色性が生じる。この原子群は、セル５ａが配置された位置における測定対象８ａからの磁場に応じて歳差運動を行う。その結果、検出光に含まれる直線偏光の偏光面はセル５ａが受ける磁場の強度に応じて回転する。この偏光面の回転の大きさは、測定対象８ａが発する磁場のうち、セル５ａの位置において検出光の進む方向の磁場の強度に応じたものである。セル５ａを透過した検出光は、コンプレッサー７ａに入射する。

コンプレッサー７ａは、セル５ａを透過した検出光の光束径を、光ファイバー２ａを通る光の光束径に合うように縮小させるものである。コンプレッサー７ａは、セル５ａを透過した検出光の光束径を縮小して光ファイバー２ａに出射する。光ファイバー２ａは、コンプレッサー７ａから出て、測定対象８ａとエキスパンダー３ａとの間を結ぶ線分に対して横方向から導かれて曲げられ、エキスパンダー３ａに入っている。この光ファイバー２ａを通ることで、コンプレッサー７ａによって光束径を縮小された検出光は、その進行方向を曲げられてエキスパンダー３ａに入射する。

エキスパンダー３ａは、光ファイバー２ａを通って入射した検出光の光束径を拡大して検出器６ａに出射する。検出器６ａは、エキスパンダー３ａから出射された検出光をビームスプリッターでＰ波成分とＳ波成分とに分離して、各成分の光量に応じて検出光の偏光面の回転角度を求める。そして、検出器６ａは、求めた回転角度を用いて、測定対象８ａが発する磁場のうち、セル５ａの位置においてセル５ａが受ける磁場の強度を検出する。

以上の構成により、磁場測定装置９ａは、セル５から出射してコンプレッサー７ａを経た検出光の進行方向を光ファイバー２ａによって曲げて、エキスパンダー３および検出器６ａに導くので、検出器６ａを測定対象８ａとセル５ａとの間を結ぶ線分上に置く必要がない。したがって、この磁場測定装置９ａにおいて測定対象８ａとセル５ａとの間の距離Ｌａは、光ファイバー２ａを用いない場合に比べて短くなる。

３．第３実施形態
図４は、本発明に係る第３実施形態の磁場測定装置９ｂの構成を示す図である。磁場測定装置９ｂは、光源１ｂ、光ファイバー２ｂ、エキスパンダー３ｂ、偏光子４ｂ、セル５ｂ、検出器６ｂ、コンプレッサー７ｂを備える。磁場測定装置９ｂは、測定対象８ｂに対してセル５ｂが所定の位置に配置されるように設置され、測定対象８ｂから発生する磁場の強度を測定する。光源１ｂ、光ファイバー２ｂ、エキスパンダー３ｂ、偏光子４ｂ、セル５ｂ、検出器６ｂ、コンプレッサー７ｂはそれぞれ、第２実施形態における磁場測定装置９ａに備えられた光源１ａ、光ファイバー２ａ、エキスパンダー３ａ、偏光子４ａ、セル５ａ、検出器６ａ、コンプレッサー７ａに相当する構成であり、その接続順序が異なっている。

光源１ｂから照射されたレーザー光は、偏光子４ｂに出射される。偏光子４ｂは、光源１ｂから照射されたレーザー光を変換して、直線偏光を含む検出光を生成する。偏光子４ｂによって生成された検出光は、コンプレッサー７ｂに入射する。コンプレッサー７ｂは、偏光子４ｂによって生成された検出光の光束径を、光ファイバー２ｂを通る光の光束径に合うように縮小させるものである。コンプレッサー７ｂは、偏光子４ｂによって生成された検出光の光束径を縮小して光ファイバー２ｂに出射する。光ファイバー２ｂは、コンプレッサー７ｂから出て、測定対象８ｂとエキスパンダー３ｂとの間を結ぶ線分に対して横方向から導かれて曲げられ、エキスパンダー３ｂに入っている。この光ファイバー２ｂを通ることで、コンプレッサー７ｂによって光束径を縮小された検出光は、その進行方向を曲げられてエキスパンダー３ｂに入射する。

エキスパンダー３ｂは、光ファイバー２ｂを通って入射した検出光の光束径を拡大して、その検出光をセル５ｂに入射する。エキスパンダー３ｂにより光束径を拡大された検出光がセル５ｂを透過すると、セル５ｂ内の原子群はアライメントされ、線形二色性が生じる。この原子群は、セル５ｂが配置された位置における測定対象８ｂからの磁場に応じて歳差運動を行う。その結果、検出光に含まれる直線偏光の偏光面はセル５ｂが受ける磁場の強度に応じて回転する。この偏光面の回転の大きさは、測定対象８ｂが発する磁場のうち、セル５ｂの位置において検出光の進む方向の磁場の強度に応じたものである。

セル５ｂを透過した検出光は、検出器６ｂに入射する。検出器６ｂは、セル５ｂを透過した検出光をビームスプリッターでＰ波成分とＳ波成分とに分離して、各成分の光量に応じて検出光の偏光面の回転角度を求める。そして、検出器６ｂは、求めた回転角度を用いて、測定対象８ｂが発する磁場のうち、セル５ｂの位置においてセル５ｂが受ける磁場の強度を検出する。

以上の構成により、磁場測定装置９ｂは、コンプレッサー７ｂを経た検出光の進行方向を光ファイバー２ｂによって曲げて、エキスパンダー３、セル５ｂ、および検出器６ｂに導くので、光源１ｂや偏光子４ｂを、測定対象８ｂとセル５ｂとの間を結ぶ線分上に置く必要がない。したがって、この磁場測定装置９ｂにおいて測定対象８ｂとセル５ｂとの間の距離Ｌｂは、光ファイバー２ｂを用いない場合に比べて短くなる。

４．変形例
以上が実施形態（第１〜第３実施形態）の説明であるが、これらの実施形態の内容は以下のように変形し得る。また、以下の変形例を組み合わせてもよい。

（１）上述した各実施形態において、磁場測定装置９（磁場測定装置９ａ，９ｂを含む、以下同じ）は、検出光のみを用いて磁場を測定していたが、磁場測定装置９は、ポンプ光と検出光とを用いて磁場を測定してもよい。この場合、磁場測定装置９は、ポンプ光を照射するポンプ光照射ユニットを備える。このポンプ光照射ユニットは、光源と偏光子とを有する。光源は、レーザー光を放射する。偏光子は、光源から放射されたレーザー光を変換して、円偏光成分を有するポンプ光を生成する。生成されたポンプ光は、例えば光ファイバーにより導かれ、セル５（セル５ａ，５ｂを含む、以下同じ）に対して検出光と直交する方向に照射される。ポンプ光が照射されると、セル５内のアルカリ金属原子の最外殻電子が励起され、スピン偏極が生じる。スピン偏極したアルカリ金属原子は、磁場により歳差運動をする。１つのアルカリ金属原子のスピン偏極は、時間の経過とともに緩和するが、ポンプ光がＣＷ（Continuous Wave）光であるので、スピン偏極の形成と緩和は、同時平行的かつ連続的に繰り返される。その結果、原子の集団全体としてみれば、定常的なスピン編極が形成される。セル５を透過した検出光は、検出器６，６ａ，６ｂにより受光され、その偏光面の回転角度が求められる。これにより、磁場測定装置９は磁場の強度を測定する。

（２）上述した各実施形態において、エキスパンダー３，３ａ，３ｂおよびコンプレッサー７ａ，７ｂの光学機構は平凸レンズと平凹レンズとを組み合わせて構成されていたが、例えば、フライアイレンズを複数段組み合わせて構成されてもよい。要するに、エキスパンダーおよびコンプレッサーは、入射する光の光束径を変化（拡大または縮小）させて出射する光学機構であればよい。

１…光源、１００…光源、１ａ…光源、１ｂ…光源、２…光ファイバー、２ａ…光ファイバー、２ｂ…光ファイバー、３…エキスパンダー、３ａ…エキスパンダー、３ｂ…エキスパンダー、４…偏光子、４００…偏光子、４ａ…偏光子、４ｂ…偏光子、５…セル、５００…セル、５ａ…セル、５ｂ…セル、６…検出器、６００…検出器、６ａ…検出器、６ｂ…検出器、７ａ…コンプレッサー、７ｂ…コンプレッサー、８…測定対象、８００…測定対象、８ａ…測定対象、８ｂ…測定対象、９…磁場測定装置（第１実施形態）、９００…磁場測定装置（従来技術）、９ａ…磁場測定装置（第２実施形態）、９ｂ…磁場測定装置（第３実施形態）

Claims (8)

1. 光源と、
   前記光源から照射される光を、直線偏光を含む検出光に変換する偏光子と、
   前記光源から照射される光の進行方向を曲げて、当該光を前記偏光子に導く光ファイバーと、
   直線偏光の偏光面を磁場の強度に応じて回転させる媒体を収容し、前記検出光を透過させるセルと、
   前記セルを透過した前記検出光に基づいて、当該セルに於ける磁場の強度を検出する検出器と、
   を具備し、
   前記偏光子は、前記セルと測定対象領域とを結ぶ直線上に配置されていることを特徴とする磁場測定装置。
2. 前記光源は、測定対象領域と前記セルとを結ぶ直線から外れた位置に配置されている
   ことを特徴とする請求項１に記載の磁場測定装置。
3. 前記光ファイバーから入射した光の光束径を変化させて出射する第１の光学機構
   を具備することを特徴とする請求項１又は２に記載の磁場測定装置。
4. 前記検出器は、測定対象領域と前記セルとを結ぶ直線から外れた位置に配置されている
   ことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の磁場測定装置。
5. 光源と、
   前記光源から照射される光を、直線偏光を含む検出光に変換する偏光子と、
   直線偏光の偏光面を磁場の強度に応じて回転させる媒体を収容し、前記検出光を透過させるセルと、
   前記セルを透過した前記検出光に基づいて、当該セルに於ける磁場の強度を検出する検出器と、
   前記セルを透過した前記検出光の進行方向を曲げて、当該検出光を前記検出器に導く光ファイバーと、
   前記セルを透過した前記検出光の光束径を前記光ファイバーを通過可能な光束径に変化させて出射する第２の光学機構と、
   を具備し、
   前記第２の光学機構は、前記セルと測定対象領域とを結ぶ直線上に配置されていることを特徴とする磁場測定装置。
6. 光源と、
   前記光源から照射される光を、直線偏光を含む検出光に変換する偏光子と、
   直線偏光の偏光面を磁場の強度に応じて回転させる媒体を収容し、前記検出光を透過させるセルと、
   前記セルを透過した前記検出光に基づいて、当該セルに於ける磁場の強度を検出する検出器と、
   前記偏光子によって生成された前記検出光の進行方向を曲げて、当該検出光を前記セルに導く光ファイバーと、
   前記光ファイバーから入射した光の光束径を変化させて出射する第１の光学機構と、
   を具備し、
   前記第１の光学機構は、前記セルと測定対象領域とを結ぶ直線上に配置されていことを特徴とする磁場測定装置。
7. 前記光源および前記検出器は、測定対象領域と前記セルとを結ぶ直線から外れた位置に配置されている
   ことを特徴とする請求項５又は６に記載の磁場測定装置。
8. 前記光ファイバーは、入射された光の偏光状態を保持して出射する偏光保持特性を有する
   ことを特徴とする請求項５から７のいずれか１項に記載の磁場測定装置。

Images