セルおよび磁場測定装置
【課題】簡単な構成で、磁場の３軸成分を測定する。
【解決手段】セルは、第１方向の法線を有する第１領域を有し、前記第１領域を介してプローブ光が入射される第１面と、前記第１方向と直交する第２方向の法線を有する第２領域を有し、前記第２領域を介してポンプ光が入射される第２面と、前記第１方向と直交しかつ前記第２方向となす角が９０°未満の第３方向の法線を有する第３領域を有し、前記第３領域を介してポンプ光が入射される第３面と、前記第１方向と直交しかつ前記第３方向となす角が９０°未満の第４方向の法線を有する第４領域を有し、前記第４領域を介してポンプ光が入射される第４面と、前記第１面、前記第２面、前記第３面、および前記第４面を構成する部材で囲まれた閉空間に封入され、磁場強度に応じて前記プローブ光の偏光面方位を変化させる媒体とを有する。
【解決手段】セルは、第１方向の法線を有する第１領域を有し、前記第１領域を介してプローブ光が入射される第１面と、前記第１方向と直交する第２方向の法線を有する第２領域を有し、前記第２領域を介してポンプ光が入射される第２面と、前記第１方向と直交しかつ前記第２方向となす角が９０°未満の第３方向の法線を有する第３領域を有し、前記第３領域を介してポンプ光が入射される第３面と、前記第１方向と直交しかつ前記第３方向となす角が９０°未満の第４方向の法線を有する第４領域を有し、前記第４領域を介してポンプ光が入射される第４面と、前記第１面、前記第２面、前記第３面、および前記第４面を構成する部材で囲まれた閉空間に封入され、磁場強度に応じて前記プローブ光の偏光面方位を変化させる媒体とを有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光ポンピング方式を用いた磁場測定技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
心臓等の循環器系疾患の検査において、心電計を用いる手法、およびＸ線撮影装置とカ
テーテルとを併用する手法が知られている。しかし、心電計は精度が十分でなく、カテー
テルは被験者の身体的な負担が大きいという問題がある。このような問題を解決する技術
として、いわゆる光ポンピング方式の磁場測定装置が知られている。特許文献１および２
は、ポンピング光と直交する直線偏光のプローブ光を用いた磁場測定装置を開示している
。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９−２３６５９９号公報
【特許文献２】特開２００６−３４０９３６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１または２に記載の技術においては、単一のガスセルを用いて磁場の３軸成分
を測定しようとすると、ポンプ光およびプローブ光の照射および検出をする光学系を、各
軸に１つずつ設置しなければならず、装置構成が複雑になってしまうという問題があった
。
これに対し本発明は、より簡単な構成で、磁場の３軸成分を測定する技術を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、第１方向の法線を有する第１領域を有し、前記第１領域を介してプローブ光
が入射される第１面と、前記第１方向と直交する第２方向の法線を有する第２領域を有し
、前記第２領域を介してポンプ光が入射される第２面と、前記第１方向と直交しかつ前記
第２方向となす角が９０°未満の第３方向の法線を有する第３領域を有し、前記第３領域
を介してポンプ光が入射される第３面と、前記第１方向と直交しかつ前記第３方向となす
角が９０°未満の第４方向の法線を有する第４領域を有し、前記第４領域を介してポンプ
光が入射される第４面と、前記第１面、前記第２面、前記第３面、および前記第４面を構
成する部材で囲まれた閉空間に封入され、磁場強度に応じて前記プローブ光の偏光面方位
を変化させる媒体とを有するセルを提供する。
このセルによれば、直方体のセルと比較して、ポンプ光およびプローブ光の光源の配置
、およびプローブ光の検出部の配置に関して、より簡単な構成で磁場の３軸成分の測定が
可能になる。
【０００６】
好ましい態様において、前記第２面、前記第３面、および前記第４面が、同一の面であ
ってもよい。
このセルによれば、第２面、第３面、および第４面の間に角が存在する構成と比較して
、セル、光学系または検出部の配置の自由度を向上させることができる。
【０００７】
別の好ましい態様において、前記面の前記第１方向に垂直な方向の断面形状は、円弧で
あってもよい。
このセルによれば、この断面形状が円弧でない場合と比較して、セル、光学系または検
出部の配置の自由度を向上させることができる。
【０００８】
また、本発明は、上記いずれかのセルと、前記プローブ光を出射する第１光源と、前記
ポンプ光を出射する第２光源と、前記プローブ光の偏光面の回転角を検出する検出部とを
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、直方体のセルを用いた場合と比較して、ポンプ光およびプ
ローブ光の光源の配置、およびプローブ光の検出部の配置に関して、より簡単な構成で磁
場の３軸成分の測定が可能になる。
【０００９】
好ましい態様において、前記第２光源は、前記第２領域に対して前記第２方向からプロ
ーブ光を出射する第１位置、前記第３領域に対して前記第３方向からプローブ光を出射す
る第２位置、および前記第４領域に対して前記第４方向からプローブ光を出射する第３位
置に移動可能であってもよい。
この磁場測定装置によれば、光を分岐させる部材を用いなくても、第１位置、第２位置
、および第３位置から光を照射することができる。
【００１０】
さらに、本発明は、第１方向の法線を有する第１領域を有し、前記第１領域を介してポ
ンプ光が入射される第１面と、前記第１方向と直交する第２方向の法線を有する第２領域
を有し、前記第２領域を介してプローブ光が入射される第２面と、前記第１方向と直交し
かつ前記第２方向となす角が９０°未満の第３方向の法線を有する第３領域を有し、前記
第３領域を介してプローブ光が入射される第３面と、前記第１方向と直交しかつ前記第３
方向となす角が９０°未満の第４方向の法線を有する第４領域を有し、前記第４領域を介
してプローブ光が入射される第４面と、前記第１面、前記第２面、前記第３面、および前
記第４面を構成する部材で囲まれた閉空間に封入され、磁場強度に応じて前記プローブ光
の偏光面方位を変化させる媒体とを有するセルを提供する。
このセルによれば、直方体のセルと比較して、ポンプ光およびプローブ光の光源の配置
、およびプローブ光の検出部の配置に関して、より簡単な構成で磁場の３軸成分の測定が
可能になる。
【００１１】
好ましい態様において、前記第２面、前記第３面、および前記第４面が、同一の面であ
ってもよい。
このセルによれば、第２面、第３面、および第４面の間に角が存在する構成と比較して
、セル、光学系または検出部の配置の自由度を向上させることができる。
【００１２】
さらに別の好ましい態様において、前記面の前記第１方向に垂直な方向の断面形状は、
円弧であってもよい。
このセルによれば、この断面形状が円弧でない場合と比較して、セル、光学系または検
出部の配置の自由度を向上させることができる。
【００１３】
さらに、本発明は、上記いずれかのセルと、前記プローブ光を出射する第１光源と、前
記ポンプ光を出射する第２光源と、前記第２領域を介して入射された前記プローブ光の偏
光面の回転角を検出する第１検出部と、前記第３領域を介して入射された前記プローブ光
の偏光面の回転角を検出する第２検出部と、前記第４領域を介して入射された前記プロー
ブ光の偏光面の回転角を検出する第３検出部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、直方体のセルを用いた場合と比較して、ポンプ光およびプ
ローブ光の光源の配置、およびプローブ光の検出部の配置に関して、より簡単な構成で磁
場の３軸成分の測定が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】一実施形態に係る磁場測定装置１の構成を示す模式図。
【図２】セル１０の概要を説明する図。
【図３】図２のIII−III断面におけるセル１０の断面構造を示す模式図。
【図４】ポンプ光照射部３０の構成を示す図。
【図５】分配機構３４を介して伝送されるレーザー光が照射される様子を示す図。
【図６】分配機構３５を介して伝送されるレーザー光が照射される様子を示す図。
【図７】比較例として、立方体（直方体）のセルを用いた磁場測定の例を示す図。
【図８】変形例１に係るセル１０の構成を例示する図。
【図９】変形例２に係るセル１０の構成を例示する図。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
図１は、一実施形態に係る磁場測定装置１の構成を示す模式図である。磁場測定装置１
は、いわゆる光ポンピング式磁気センサーである。磁場測定装置１は、ｎ個のセル１０と
、ｎ個の検出部２０と、ポンプ光照射部３０と、プローブ光照射部４０とを有する。磁場
測定装置１は、例えば心磁計であり、被検体である生体Ｔの心臓の状態を磁気により観測
する装置である。詳細は後述するが、磁場の測定は、ポンプ光照射部３０から出力される
ポンプ光とプローブ光照射部４０から出力されるプローブ光を用いて行われる。ポンプ光
照射部３０およびプローブ光照射部４０は、例えばレーザー光を照射する。検出部２０は
、ビームスプリッターと、２分割ＰＤ（Photo Detector、光検出器）とを有する。このビ
ームスプリッターは、反射透過面を有する。ビームスプリッターは、反射透過面に入射し
た光のうち、ある偏光成分を反射し、それと直交する偏光成分を透過する。すなわち、ビ
ームスプリッターは、入射した光（セルを透過した光）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は、反射透過面が、セルに入射する前の光の偏光面と４５°
で交わるように設置される。２分割ＰＤは、レーザー光の波長に感度を有する。２分割Ｐ
Ｄ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和をとることにより、測定軸における
磁場に関する情報を得ることができる。この測定軸は、ポンプ光およびプローブ光の双方
に垂直な方向を向いている。
【００１６】
図２は、セル１０の概要を説明する図である。この例で、セル１０は、半円柱形状を有
している。セル１０は、面１１、面１２、面１３、および面１４を有する。セル１０の構
造を説明するため、３次元直交座標系が用いられる。この座標系は、プローブ光が進行す
る方向をｙ軸正方向とする右手系の３次元直交座標系である。面１１および面１２は、ｙ
軸に垂直な面であり、半円柱の上半円面および下半円面に相当する。面１３は、ｙ軸に垂
直な断面形状が円弧である面であり、半円柱の側面に相当する。面１４は、ｘｙ平面に平
行な面であり、円柱を半分に切断した場合の切断面に相当する。面１４は、磁場源である
被検体Ｔに対向している。これらの面のうち、面１１からプローブ光が入射する。プロー
ブ光はセル１０内を進行して面１２から出射する。ポンプ光は、面１３から入射する。面
１３は、角の無い滑らかな曲面であるので、円弧が形成されている範囲（この円弧の中心
をｘｙｚ座標系の原点とした場合、ｚ軸座標が正の範囲）においては、任意の角度でポン
プ光を照射することができる。これは、例えば直方体形状のセルを用いる場合と比較して
、ポンプ光の照射角度の自由度が増大すること、換言すると、磁場測定装置１が測定（検
出）できる磁場の成分の軸（以下、「計測軸」という）の自由度が増大することを意味す
る。図２の例では、３つの異なる角度でポンプ光が照射される様子が示されている。
【００１７】
図３は、図２のIII−III断面におけるセル１０の断面構造を示す模式図である。セル１
０は、石英またはガラス等の光透過性を有する材料で形成された隔壁と、隔壁により形成
された平空間に封入された媒体とを有する。この媒体は、被検体が発生する磁場に応じて
プローブ光の偏光面を回転させる媒体、例えば、アルカリ金属原子（セシウム、カリウム
等）のガスである。アルカリ金属原子のスピンは、ポンプ光により揃えられる。この状態
でセル１０に磁場が印加されると、スピンは磁場の強さに応じて歳差運動を行う。セル１
０に入射したプローブ光の偏光面は、この歳差運動の角周波数に応じて回転する、すなわ
ち、ファラデー効果を受ける。偏光面の回転角は、検出部２０により検出される。磁場測
定装置１は、このような原理で動作する。
【００１８】
図４は、ポンプ光照射部３０の構成を示す図である。ポンプ光照射部３０は、光源３１
と、分配機構３２と、分配機構３３と、分配機構３４と、分配機構３５とを有する。光源
３１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、セル１０内に封
入された媒体（例えばアルカリ金属原子）と相互作用するレーザー光を出力する。このレ
ーザー光は、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。レーザー光は、連続的に一定の光量を有するいわゆるＣＷ
（Continuous Wave）光である。レーザー光の出力は、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。分配機構３２は、光源３１から出力されたレ
ーザー光を、ポンプ光の照射角度の種類に応じた数（この例では３つ）に分岐させる光学
系である。分配機構３２は、例えば、ビームスプリッターおよびミラーを含む。分配機構
３２により３つに分岐されたレーザー光は、光ファイバー等の伝送媒体を介して、分配機
構３３、分配機構３４、および分配機構３５に供給される。分配機構３３は、レーザー光
をセル１０の数（この例ではｎ本）に分岐させる光学系である。ｎ本に分岐されたレーザ
ー光は、伝送媒体およびその伝送媒体の出力端に設けられた光学部材（図示略）を介して
、ポンプ光として出力される。光学部材は、例えば、コリメートレンズ、偏光版、１／４
波長板を含む。出力端の光学部材により、ポンプ光は、第１方向からセル１０に入射する
。この例で、プローブ光は、紙面の表から裏に向かう向きに進行する。第１方向から入射
するポンプ光による計測軸は、第１方向およびプローブ光の進行方向の双方に垂直な方向
である。
【００１９】
図５は、分配機構３４を介して伝送されるレーザー光が照射される様子を示す図である
。分配機構３４は、レーザー光をセル１０の数（この例ではｎ本）に分岐させる光学系で
ある。ｎ本に分岐されたレーザー光は、伝送媒体およびその伝送媒体の出力端に設けられ
た光学部材（図示略）を介して、ポンプ光として出力される。光学部材は、例えば、コリ
メートレンズ、偏光版、１／４波長板を含む。出力端の光学部材により、ポンプ光は、第
２方向からセル１０に入射する。この例で、第２方向は、第１方向と異なる方向であり、
第１方向となす角が９０°未満の方向である。第２方向から入射するポンプ光による計測
軸は、第２方向およびプローブ光の進行方向の双方に垂直な方向である。
【００２０】
図６は、分配機構３５を介して伝送されるレーザー光が照射される様子を示す図である
。分配機構３５は、レーザー光をセル１０の数（この例ではｎ本）に分岐させる光学系で
ある。ｎ本に分岐されたレーザー光は、伝送媒体およびその伝送媒体の出力端に設けられ
た光学部材（図示略）を介して、ポンプ光として出力される。光学部材は、例えば、コリ
メートレンズ、偏光版、１／４波長板を含む。出力端の光学部材により、ポンプ光は、第
３方向からセル１０に入射する。この例で、第３方向は、第１方向および第２方向と異な
る方向であり、第１方向となす角が１８０°未満であり、第２方向となす角が９０°未満
の方向である。第３方向から入射するポンプ光による計測軸は、第３方向およびプローブ
光の進行方向の双方に垂直な方向である。
【００２１】
図７は、比較例として、立方体（直方体）のセルを用いた磁場測定の例を示す図である
。図７（Ａ）の例では、ｙ軸と平行な方向にポンプ光が入射され、ｘ軸と平行な方向にプ
ローブ光が入射される。計測軸はｚ軸に平行な方向である。図７（Ｂ）の例では、ｙ軸と
平行な方向にポンプ光が入射され、ｚ軸と平行な方向にプローブ光が入射される。計測軸
はｘ軸に平行な方向である。図７（Ｃ）の例では、ｚ軸と平行な方向にポンプ光が入射さ
れ、ｘ軸と平行な方向にプローブ光が入射される。計測軸はｙ軸に平行な方向である。図
７の例では、ｘｚｙの３軸成分を測定するため、少なくとも２つの検出部を設け、ポンプ
光およびプローブ光をそれぞれ少なくとも２方向から照射しなければならない。セルを直
線上または平面上に複数配置する、いわゆるマルチセンサー構造を採用する場合、図７の
例では、セルとセルの間に検出部や光源を配置しなければならない場合があり、装置構成
が複雑になってしまうという問題がある。これに対して、セル１０を用いた磁場測定装置
１によれば、滑らかな曲面を有さないセルを用いた場合と比較して、より簡単な構成で磁
場の３軸成分を測定することができる。
【００２２】
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。
【００２３】
図８は、変形例１に係るセル１０の構成を例示する図である。セル１０の形状は、半円
中に限定されない。レーザー光の入射および出射の経路において角が含まれないような形
状であれば、どのような形状を有していてもよい。図８は、セル１０が六角柱の形状を有
している例を示している。この例では、プローブ光は六角柱の上面から入射され、ポンプ
光は六角柱の３つの側面からそれぞれ入射される。
【００２４】
要は、セル１０は、第１面と、第２面と、第３面と、第４面とを有する。第１面は、第
１方向の法線を有する第１領域を有する。第１領域を介してプローブ光が入射される。第
２面は、第１方向と直交する第２方向の法線を有する第２領域を有する。第２領域を介し
てポンプ光が入射される。第３面は、第１方向と直交しかつ第２方向となす角が９０°未
満の第３方向の法線を有する第３領域を有する。第３領域を介してポンプ光が入射される
。第４面は、第１方向と直交しかつ第３方向となす角が９０°未満の第４方向の法線を有
する第４領域を有する。第４領域を介してポンプ光が入射される。さらに、セル１０は、
第１面、第２面、第３面、および第４面を構成する部材で囲まれた閉空間に封入され、磁
場強度に応じてプローブ光の偏光面方位を変化させる媒体を有する。図２の例では、面１
１が第１面であり、面１３が第２面、第３面、および第４面である（すなわち、図２の例
では、第２面、第３面、および第４面は同一の面である）。図８の例では、六角柱の上面
が第１面であり、３つの側面が第２面、第３面、および第４面である。なお、第２面、第
３面、および第４面のうち、少なくとも２つの面が同一面であってもよい。
【００２５】
さらに別の例で、セル１０は球形であってもよい。この場合、第１面、第２面、第３面
、および第４面は同一の面（球面）である。
【００２６】
図９は、変形例２に係るセル１０の構成を例示する図である。この例で、セル１０は球
形を有している。図９の例は、図２および図８の例と異なり、ポンプ光を１方向から、プ
ローブ光を３方向から照射している。すなわち、図２および図８の例とは、ポンプ光とプ
ローブ光の位置関係が入れ替わっている。プローブ光を３方向から照射するので、このセ
ルを用いた磁場測定装置は、１個のセルにつき３個の検出部を有する。この構成を用いて
も同様の効果が得られる。
【００２７】
図２および図８のように、ポンプ光を３方向から照射する場合において、ポンプ光の光
源３１が移動可能であってもよい。この場合、光源３１は、第２領域に対して第２方向か
らプローブ光を出射する第１位置、第３領域に対して第３方向からプローブ光を出射する
第２位置、および第４領域に対して第４方向からプローブ光を出射する第３位置に移動可
能である。
【００２８】
セル１０内に封入される媒体やレーザー光の波長および強度はあくまで例示であり、実
施形態で説明したものに限定する趣旨ではない。
【符号の説明】
【００２９】
１…磁場測定装置、１０…セル、１１…面、１２…面、１３…面、１４…面、２０…検出
部、３０…ポンプ光照射部、３１…光源、３２…分配機構、３３…分配機構、３４…分配
機構、３５…分配機構、４０…プローブ光照射部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光ポンピング方式を用いた磁場測定技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
心臓等の循環器系疾患の検査において、心電計を用いる手法、およびＸ線撮影装置とカ
テーテルとを併用する手法が知られている。しかし、心電計は精度が十分でなく、カテー
テルは被験者の身体的な負担が大きいという問題がある。このような問題を解決する技術
として、いわゆる光ポンピング方式の磁場測定装置が知られている。特許文献１および２
は、ポンピング光と直交する直線偏光のプローブ光を用いた磁場測定装置を開示している
。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９−２３６５９９号公報
【特許文献２】特開２００６−３４０９３６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１または２に記載の技術においては、単一のガスセルを用いて磁場の３軸成分
を測定しようとすると、ポンプ光およびプローブ光の照射および検出をする光学系を、各
軸に１つずつ設置しなければならず、装置構成が複雑になってしまうという問題があった
。
これに対し本発明は、より簡単な構成で、磁場の３軸成分を測定する技術を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、第１方向の法線を有する第１領域を有し、前記第１領域を介してプローブ光
が入射される第１面と、前記第１方向と直交する第２方向の法線を有する第２領域を有し
、前記第２領域を介してポンプ光が入射される第２面と、前記第１方向と直交しかつ前記
第２方向となす角が９０°未満の第３方向の法線を有する第３領域を有し、前記第３領域
を介してポンプ光が入射される第３面と、前記第１方向と直交しかつ前記第３方向となす
角が９０°未満の第４方向の法線を有する第４領域を有し、前記第４領域を介してポンプ
光が入射される第４面と、前記第１面、前記第２面、前記第３面、および前記第４面を構
成する部材で囲まれた閉空間に封入され、磁場強度に応じて前記プローブ光の偏光面方位
を変化させる媒体とを有するセルを提供する。
このセルによれば、直方体のセルと比較して、ポンプ光およびプローブ光の光源の配置
、およびプローブ光の検出部の配置に関して、より簡単な構成で磁場の３軸成分の測定が
可能になる。
【０００６】
好ましい態様において、前記第２面、前記第３面、および前記第４面が、同一の面であ
ってもよい。
このセルによれば、第２面、第３面、および第４面の間に角が存在する構成と比較して
、セル、光学系または検出部の配置の自由度を向上させることができる。
【０００７】
別の好ましい態様において、前記面の前記第１方向に垂直な方向の断面形状は、円弧で
あってもよい。
このセルによれば、この断面形状が円弧でない場合と比較して、セル、光学系または検
出部の配置の自由度を向上させることができる。
【０００８】
また、本発明は、上記いずれかのセルと、前記プローブ光を出射する第１光源と、前記
ポンプ光を出射する第２光源と、前記プローブ光の偏光面の回転角を検出する検出部とを
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、直方体のセルを用いた場合と比較して、ポンプ光およびプ
ローブ光の光源の配置、およびプローブ光の検出部の配置に関して、より簡単な構成で磁
場の３軸成分の測定が可能になる。
【０００９】
好ましい態様において、前記第２光源は、前記第２領域に対して前記第２方向からプロ
ーブ光を出射する第１位置、前記第３領域に対して前記第３方向からプローブ光を出射す
る第２位置、および前記第４領域に対して前記第４方向からプローブ光を出射する第３位
置に移動可能であってもよい。
この磁場測定装置によれば、光を分岐させる部材を用いなくても、第１位置、第２位置
、および第３位置から光を照射することができる。
【００１０】
さらに、本発明は、第１方向の法線を有する第１領域を有し、前記第１領域を介してポ
ンプ光が入射される第１面と、前記第１方向と直交する第２方向の法線を有する第２領域
を有し、前記第２領域を介してプローブ光が入射される第２面と、前記第１方向と直交し
かつ前記第２方向となす角が９０°未満の第３方向の法線を有する第３領域を有し、前記
第３領域を介してプローブ光が入射される第３面と、前記第１方向と直交しかつ前記第３
方向となす角が９０°未満の第４方向の法線を有する第４領域を有し、前記第４領域を介
してプローブ光が入射される第４面と、前記第１面、前記第２面、前記第３面、および前
記第４面を構成する部材で囲まれた閉空間に封入され、磁場強度に応じて前記プローブ光
の偏光面方位を変化させる媒体とを有するセルを提供する。
このセルによれば、直方体のセルと比較して、ポンプ光およびプローブ光の光源の配置
、およびプローブ光の検出部の配置に関して、より簡単な構成で磁場の３軸成分の測定が
可能になる。
【００１１】
好ましい態様において、前記第２面、前記第３面、および前記第４面が、同一の面であ
ってもよい。
このセルによれば、第２面、第３面、および第４面の間に角が存在する構成と比較して
、セル、光学系または検出部の配置の自由度を向上させることができる。
【００１２】
さらに別の好ましい態様において、前記面の前記第１方向に垂直な方向の断面形状は、
円弧であってもよい。
このセルによれば、この断面形状が円弧でない場合と比較して、セル、光学系または検
出部の配置の自由度を向上させることができる。
【００１３】
さらに、本発明は、上記いずれかのセルと、前記プローブ光を出射する第１光源と、前
記ポンプ光を出射する第２光源と、前記第２領域を介して入射された前記プローブ光の偏
光面の回転角を検出する第１検出部と、前記第３領域を介して入射された前記プローブ光
の偏光面の回転角を検出する第２検出部と、前記第４領域を介して入射された前記プロー
ブ光の偏光面の回転角を検出する第３検出部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、直方体のセルを用いた場合と比較して、ポンプ光およびプ
ローブ光の光源の配置、およびプローブ光の検出部の配置に関して、より簡単な構成で磁
場の３軸成分の測定が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】一実施形態に係る磁場測定装置１の構成を示す模式図。
【図２】セル１０の概要を説明する図。
【図３】図２のIII−III断面におけるセル１０の断面構造を示す模式図。
【図４】ポンプ光照射部３０の構成を示す図。
【図５】分配機構３４を介して伝送されるレーザー光が照射される様子を示す図。
【図６】分配機構３５を介して伝送されるレーザー光が照射される様子を示す図。
【図７】比較例として、立方体（直方体）のセルを用いた磁場測定の例を示す図。
【図８】変形例１に係るセル１０の構成を例示する図。
【図９】変形例２に係るセル１０の構成を例示する図。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
図１は、一実施形態に係る磁場測定装置１の構成を示す模式図である。磁場測定装置１
は、いわゆる光ポンピング式磁気センサーである。磁場測定装置１は、ｎ個のセル１０と
、ｎ個の検出部２０と、ポンプ光照射部３０と、プローブ光照射部４０とを有する。磁場
測定装置１は、例えば心磁計であり、被検体である生体Ｔの心臓の状態を磁気により観測
する装置である。詳細は後述するが、磁場の測定は、ポンプ光照射部３０から出力される
ポンプ光とプローブ光照射部４０から出力されるプローブ光を用いて行われる。ポンプ光
照射部３０およびプローブ光照射部４０は、例えばレーザー光を照射する。検出部２０は
、ビームスプリッターと、２分割ＰＤ（Photo Detector、光検出器）とを有する。このビ
ームスプリッターは、反射透過面を有する。ビームスプリッターは、反射透過面に入射し
た光のうち、ある偏光成分を反射し、それと直交する偏光成分を透過する。すなわち、ビ
ームスプリッターは、入射した光（セルを透過した光）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は、反射透過面が、セルに入射する前の光の偏光面と４５°
で交わるように設置される。２分割ＰＤは、レーザー光の波長に感度を有する。２分割Ｐ
Ｄ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和をとることにより、測定軸における
磁場に関する情報を得ることができる。この測定軸は、ポンプ光およびプローブ光の双方
に垂直な方向を向いている。
【００１６】
図２は、セル１０の概要を説明する図である。この例で、セル１０は、半円柱形状を有
している。セル１０は、面１１、面１２、面１３、および面１４を有する。セル１０の構
造を説明するため、３次元直交座標系が用いられる。この座標系は、プローブ光が進行す
る方向をｙ軸正方向とする右手系の３次元直交座標系である。面１１および面１２は、ｙ
軸に垂直な面であり、半円柱の上半円面および下半円面に相当する。面１３は、ｙ軸に垂
直な断面形状が円弧である面であり、半円柱の側面に相当する。面１４は、ｘｙ平面に平
行な面であり、円柱を半分に切断した場合の切断面に相当する。面１４は、磁場源である
被検体Ｔに対向している。これらの面のうち、面１１からプローブ光が入射する。プロー
ブ光はセル１０内を進行して面１２から出射する。ポンプ光は、面１３から入射する。面
１３は、角の無い滑らかな曲面であるので、円弧が形成されている範囲（この円弧の中心
をｘｙｚ座標系の原点とした場合、ｚ軸座標が正の範囲）においては、任意の角度でポン
プ光を照射することができる。これは、例えば直方体形状のセルを用いる場合と比較して
、ポンプ光の照射角度の自由度が増大すること、換言すると、磁場測定装置１が測定（検
出）できる磁場の成分の軸（以下、「計測軸」という）の自由度が増大することを意味す
る。図２の例では、３つの異なる角度でポンプ光が照射される様子が示されている。
【００１７】
図３は、図２のIII−III断面におけるセル１０の断面構造を示す模式図である。セル１
０は、石英またはガラス等の光透過性を有する材料で形成された隔壁と、隔壁により形成
された平空間に封入された媒体とを有する。この媒体は、被検体が発生する磁場に応じて
プローブ光の偏光面を回転させる媒体、例えば、アルカリ金属原子（セシウム、カリウム
等）のガスである。アルカリ金属原子のスピンは、ポンプ光により揃えられる。この状態
でセル１０に磁場が印加されると、スピンは磁場の強さに応じて歳差運動を行う。セル１
０に入射したプローブ光の偏光面は、この歳差運動の角周波数に応じて回転する、すなわ
ち、ファラデー効果を受ける。偏光面の回転角は、検出部２０により検出される。磁場測
定装置１は、このような原理で動作する。
【００１８】
図４は、ポンプ光照射部３０の構成を示す図である。ポンプ光照射部３０は、光源３１
と、分配機構３２と、分配機構３３と、分配機構３４と、分配機構３５とを有する。光源
３１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、セル１０内に封
入された媒体（例えばアルカリ金属原子）と相互作用するレーザー光を出力する。このレ
ーザー光は、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。レーザー光は、連続的に一定の光量を有するいわゆるＣＷ
（Continuous Wave）光である。レーザー光の出力は、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。分配機構３２は、光源３１から出力されたレ
ーザー光を、ポンプ光の照射角度の種類に応じた数（この例では３つ）に分岐させる光学
系である。分配機構３２は、例えば、ビームスプリッターおよびミラーを含む。分配機構
３２により３つに分岐されたレーザー光は、光ファイバー等の伝送媒体を介して、分配機
構３３、分配機構３４、および分配機構３５に供給される。分配機構３３は、レーザー光
をセル１０の数（この例ではｎ本）に分岐させる光学系である。ｎ本に分岐されたレーザ
ー光は、伝送媒体およびその伝送媒体の出力端に設けられた光学部材（図示略）を介して
、ポンプ光として出力される。光学部材は、例えば、コリメートレンズ、偏光版、１／４
波長板を含む。出力端の光学部材により、ポンプ光は、第１方向からセル１０に入射する
。この例で、プローブ光は、紙面の表から裏に向かう向きに進行する。第１方向から入射
するポンプ光による計測軸は、第１方向およびプローブ光の進行方向の双方に垂直な方向
である。
【００１９】
図５は、分配機構３４を介して伝送されるレーザー光が照射される様子を示す図である
。分配機構３４は、レーザー光をセル１０の数（この例ではｎ本）に分岐させる光学系で
ある。ｎ本に分岐されたレーザー光は、伝送媒体およびその伝送媒体の出力端に設けられ
た光学部材（図示略）を介して、ポンプ光として出力される。光学部材は、例えば、コリ
メートレンズ、偏光版、１／４波長板を含む。出力端の光学部材により、ポンプ光は、第
２方向からセル１０に入射する。この例で、第２方向は、第１方向と異なる方向であり、
第１方向となす角が９０°未満の方向である。第２方向から入射するポンプ光による計測
軸は、第２方向およびプローブ光の進行方向の双方に垂直な方向である。
【００２０】
図６は、分配機構３５を介して伝送されるレーザー光が照射される様子を示す図である
。分配機構３５は、レーザー光をセル１０の数（この例ではｎ本）に分岐させる光学系で
ある。ｎ本に分岐されたレーザー光は、伝送媒体およびその伝送媒体の出力端に設けられ
た光学部材（図示略）を介して、ポンプ光として出力される。光学部材は、例えば、コリ
メートレンズ、偏光版、１／４波長板を含む。出力端の光学部材により、ポンプ光は、第
３方向からセル１０に入射する。この例で、第３方向は、第１方向および第２方向と異な
る方向であり、第１方向となす角が１８０°未満であり、第２方向となす角が９０°未満
の方向である。第３方向から入射するポンプ光による計測軸は、第３方向およびプローブ
光の進行方向の双方に垂直な方向である。
【００２１】
図７は、比較例として、立方体（直方体）のセルを用いた磁場測定の例を示す図である
。図７（Ａ）の例では、ｙ軸と平行な方向にポンプ光が入射され、ｘ軸と平行な方向にプ
ローブ光が入射される。計測軸はｚ軸に平行な方向である。図７（Ｂ）の例では、ｙ軸と
平行な方向にポンプ光が入射され、ｚ軸と平行な方向にプローブ光が入射される。計測軸
はｘ軸に平行な方向である。図７（Ｃ）の例では、ｚ軸と平行な方向にポンプ光が入射さ
れ、ｘ軸と平行な方向にプローブ光が入射される。計測軸はｙ軸に平行な方向である。図
７の例では、ｘｚｙの３軸成分を測定するため、少なくとも２つの検出部を設け、ポンプ
光およびプローブ光をそれぞれ少なくとも２方向から照射しなければならない。セルを直
線上または平面上に複数配置する、いわゆるマルチセンサー構造を採用する場合、図７の
例では、セルとセルの間に検出部や光源を配置しなければならない場合があり、装置構成
が複雑になってしまうという問題がある。これに対して、セル１０を用いた磁場測定装置
１によれば、滑らかな曲面を有さないセルを用いた場合と比較して、より簡単な構成で磁
場の３軸成分を測定することができる。
【００２２】
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。
【００２３】
図８は、変形例１に係るセル１０の構成を例示する図である。セル１０の形状は、半円
中に限定されない。レーザー光の入射および出射の経路において角が含まれないような形
状であれば、どのような形状を有していてもよい。図８は、セル１０が六角柱の形状を有
している例を示している。この例では、プローブ光は六角柱の上面から入射され、ポンプ
光は六角柱の３つの側面からそれぞれ入射される。
【００２４】
要は、セル１０は、第１面と、第２面と、第３面と、第４面とを有する。第１面は、第
１方向の法線を有する第１領域を有する。第１領域を介してプローブ光が入射される。第
２面は、第１方向と直交する第２方向の法線を有する第２領域を有する。第２領域を介し
てポンプ光が入射される。第３面は、第１方向と直交しかつ第２方向となす角が９０°未
満の第３方向の法線を有する第３領域を有する。第３領域を介してポンプ光が入射される
。第４面は、第１方向と直交しかつ第３方向となす角が９０°未満の第４方向の法線を有
する第４領域を有する。第４領域を介してポンプ光が入射される。さらに、セル１０は、
第１面、第２面、第３面、および第４面を構成する部材で囲まれた閉空間に封入され、磁
場強度に応じてプローブ光の偏光面方位を変化させる媒体を有する。図２の例では、面１
１が第１面であり、面１３が第２面、第３面、および第４面である（すなわち、図２の例
では、第２面、第３面、および第４面は同一の面である）。図８の例では、六角柱の上面
が第１面であり、３つの側面が第２面、第３面、および第４面である。なお、第２面、第
３面、および第４面のうち、少なくとも２つの面が同一面であってもよい。
【００２５】
さらに別の例で、セル１０は球形であってもよい。この場合、第１面、第２面、第３面
、および第４面は同一の面（球面）である。
【００２６】
図９は、変形例２に係るセル１０の構成を例示する図である。この例で、セル１０は球
形を有している。図９の例は、図２および図８の例と異なり、ポンプ光を１方向から、プ
ローブ光を３方向から照射している。すなわち、図２および図８の例とは、ポンプ光とプ
ローブ光の位置関係が入れ替わっている。プローブ光を３方向から照射するので、このセ
ルを用いた磁場測定装置は、１個のセルにつき３個の検出部を有する。この構成を用いて
も同様の効果が得られる。
【００２７】
図２および図８のように、ポンプ光を３方向から照射する場合において、ポンプ光の光
源３１が移動可能であってもよい。この場合、光源３１は、第２領域に対して第２方向か
らプローブ光を出射する第１位置、第３領域に対して第３方向からプローブ光を出射する
第２位置、および第４領域に対して第４方向からプローブ光を出射する第３位置に移動可
能である。
【００２８】
セル１０内に封入される媒体やレーザー光の波長および強度はあくまで例示であり、実
施形態で説明したものに限定する趣旨ではない。
【符号の説明】
【００２９】
１…磁場測定装置、１０…セル、１１…面、１２…面、１３…面、１４…面、２０…検出
部、３０…ポンプ光照射部、３１…光源、３２…分配機構、３３…分配機構、３４…分配
機構、３５…分配機構、４０…プローブ光照射部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１方向の法線を有する第１領域を有し、前記第１領域を介してプローブ光が入射され
る第１面と、
前記第１方向と直交する第２方向の法線を有する第２領域を有し、前記第２領域を介し
てポンプ光が入射される第２面と、
前記第１方向と直交しかつ前記第２方向となす角が９０°未満の第３方向の法線を有す
る第３領域を有し、前記第３領域を介してポンプ光が入射される第３面と、
前記第１方向と直交しかつ前記第３方向となす角が９０°未満の第４方向の法線を有す
る第４領域を有し、前記第４領域を介してポンプ光が入射される第４面と、
前記第１面、前記第２面、前記第３面、および前記第４面を構成する部材で囲まれた閉
空間に封入され、磁場強度に応じて前記プローブ光の偏光面方位を変化させる媒体と
を有するセル。
【請求項２】
前記第２面、前記第３面、および前記第４面が、同一の面である
ことを特徴とする請求項１に記載のセル。
【請求項３】
前記面の前記第１方向に垂直な方向の断面形状は、円弧である
ことを特徴とする請求項２に記載のセル。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれか一項に記載のセルと、
前記プローブ光を出射する第１光源と、
前記ポンプ光を出射する第２光源と、
前記プローブ光の偏光面の回転角を検出する検出部と
を有する磁場測定装置。
【請求項５】
前記第２光源は、前記第２領域に対して前記第２方向からプローブ光を出射する第１位
置、前記第３領域に対して前記第３方向からプローブ光を出射する第２位置、および前記
第４領域に対して前記第４方向からプローブ光を出射する第３位置に移動可能である
ことを特徴とする請求項４に記載の磁場測定装置。
【請求項６】
第１方向の法線を有する第１領域を有し、前記第１領域を介してポンプ光が入射される
第１面と、
前記第１方向と直交する第２方向の法線を有する第２領域を有し、前記第２領域を介し
てプローブ光が入射される第２面と、
前記第１方向と直交しかつ前記第２方向となす角が９０°未満の第３方向の法線を有す
る第３領域を有し、前記第３領域を介してプローブ光が入射される第３面と、
前記第１方向と直交しかつ前記第３方向となす角が９０°未満の第４方向の法線を有す
る第４領域を有し、前記第４領域を介してプローブ光が入射される第４面と、
前記第１面、前記第２面、前記第３面、および前記第４面を構成する部材で囲まれた閉
空間に封入され、磁場強度に応じて前記プローブ光の偏光面方位を変化させる媒体と
を有するセル。
【請求項７】
前記第２面、前記第３面、および前記第４面が、同一の面である
ことを特徴とする請求項６に記載のセル。
【請求項８】
前記面の前記第１方向に垂直な方向の断面形状は、円弧である
ことを特徴とする請求項７に記載のセル。
【請求項９】
請求項６ないし８のいずれか一項に記載のセルと、
前記プローブ光を出射する第１光源と、
前記ポンプ光を出射する第２光源と、
前記第２領域を介して入射された前記プローブ光の偏光面の回転角を検出する第１検出
部と、
前記第３領域を介して入射された前記プローブ光の偏光面の回転角を検出する第２検出
部と、
前記第４領域を介して入射された前記プローブ光の偏光面の回転角を検出する第３検出
部と
を有する磁場測定装置。
【請求項１】
第１方向の法線を有する第１領域を有し、前記第１領域を介してプローブ光が入射され
る第１面と、
前記第１方向と直交する第２方向の法線を有する第２領域を有し、前記第２領域を介し
てポンプ光が入射される第２面と、
前記第１方向と直交しかつ前記第２方向となす角が９０°未満の第３方向の法線を有す
る第３領域を有し、前記第３領域を介してポンプ光が入射される第３面と、
前記第１方向と直交しかつ前記第３方向となす角が９０°未満の第４方向の法線を有す
る第４領域を有し、前記第４領域を介してポンプ光が入射される第４面と、
前記第１面、前記第２面、前記第３面、および前記第４面を構成する部材で囲まれた閉
空間に封入され、磁場強度に応じて前記プローブ光の偏光面方位を変化させる媒体と
を有するセル。
【請求項２】
前記第２面、前記第３面、および前記第４面が、同一の面である
ことを特徴とする請求項１に記載のセル。
【請求項３】
前記面の前記第１方向に垂直な方向の断面形状は、円弧である
ことを特徴とする請求項２に記載のセル。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれか一項に記載のセルと、
前記プローブ光を出射する第１光源と、
前記ポンプ光を出射する第２光源と、
前記プローブ光の偏光面の回転角を検出する検出部と
を有する磁場測定装置。
【請求項５】
前記第２光源は、前記第２領域に対して前記第２方向からプローブ光を出射する第１位
置、前記第３領域に対して前記第３方向からプローブ光を出射する第２位置、および前記
第４領域に対して前記第４方向からプローブ光を出射する第３位置に移動可能である
ことを特徴とする請求項４に記載の磁場測定装置。
【請求項６】
第１方向の法線を有する第１領域を有し、前記第１領域を介してポンプ光が入射される
第１面と、
前記第１方向と直交する第２方向の法線を有する第２領域を有し、前記第２領域を介し
てプローブ光が入射される第２面と、
前記第１方向と直交しかつ前記第２方向となす角が９０°未満の第３方向の法線を有す
る第３領域を有し、前記第３領域を介してプローブ光が入射される第３面と、
前記第１方向と直交しかつ前記第３方向となす角が９０°未満の第４方向の法線を有す
る第４領域を有し、前記第４領域を介してプローブ光が入射される第４面と、
前記第１面、前記第２面、前記第３面、および前記第４面を構成する部材で囲まれた閉
空間に封入され、磁場強度に応じて前記プローブ光の偏光面方位を変化させる媒体と
を有するセル。
【請求項７】
前記第２面、前記第３面、および前記第４面が、同一の面である
ことを特徴とする請求項６に記載のセル。
【請求項８】
前記面の前記第１方向に垂直な方向の断面形状は、円弧である
ことを特徴とする請求項７に記載のセル。
【請求項９】
請求項６ないし８のいずれか一項に記載のセルと、
前記プローブ光を出射する第１光源と、
前記ポンプ光を出射する第２光源と、
前記第２領域を介して入射された前記プローブ光の偏光面の回転角を検出する第１検出
部と、
前記第３領域を介して入射された前記プローブ光の偏光面の回転角を検出する第２検出
部と、
前記第４領域を介して入射された前記プローブ光の偏光面の回転角を検出する第３検出
部と
を有する磁場測定装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１２−２３７６９８（Ｐ２０１２−２３７６９８Ａ）
【公開日】平成２４年１２月６日（２０１２．１２．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１０７９４０（Ｐ２０１１−１０７９４０）
【出願日】平成２３年５月１３日（２０１１．５．１３）
【出願人】（０００００２３６９）セイコーエプソン株式会社 (51,324)
【公開日】平成２４年１２月６日（２０１２．１２．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年５月１３日（２０１１．５．１３）
【出願人】（０００００２３６９）セイコーエプソン株式会社 (51,324)
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