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磁場計測装置
説明

磁場計測装置

【課題】複数のセルを配列して検体からの磁場を詳細に測定しうる磁場計測装置を提供する。
【解決手段】磁場計測装置は、ポンプ光によって励起される原子からなる原子群を含み、光を透過させる第1の面101,第2の面,第3の面103を少なくとも有する多面体形状の複数のセルを隣接してなるセルアレイ10を有する。各セルの第1の面101は、設置面に対して同じ方向に傾斜しており、第2の面は第1の面101に隣接し、第3の面103は第2の面と対向している。磁場計測装置は、各セルの第1の面101にポンプ光を照射し、第2の面にポンプ光と交差するようにプローブ光を照射することで、各セルの第2の面から入射して第3の面103を透過したプローブ光を受光し、受光したプローブ光から各セルにおける磁場を検出する。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、磁場計測装置に関する。
【背景技術】
【0002】
生体の心臓等から発せられる磁場を検出する磁場計測装置等において、光ポンピングを利用した磁気センサーが利用されている。このような磁気センサーにおいては、所定の原子が封入された各セルに対して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直交するように照射し、各セルにおける生体から発する磁場をプローブ光によって検出する。下記特許文献1には、そのような光ポンピング原子磁力計が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】特開2009−236599号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
多数のセルを配置して検体から発する磁場を広範囲に測定する場合、セルとセルとの間隔が広いほど検体からの磁場を詳細に計測できない。そのため、より詳細に磁場を計測するためにはセルを配置する間隔をできるだけ小さくすることが望ましい。
本発明は、複数のセルを配列して検体からの磁場を詳細に測定しうる磁場計測装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【0005】
本発明に係る磁場計測装置は、ポンプ光によって励起される原子からなる原子群を含み、設置面に対して傾斜し光を透過させる第1の面と、前記第1の面に隣接し光を透過させる第2の面と、当該第2の面を透過した光を透過させる第3の面とを有する多面体形状の複数のセルを、前記第1の面の傾斜方向が同じ方向となり、少なくとも隣合う一つのセルと接するように配列したセルアレイと、前記セルアレイの各セルの前記第1の面にポンプ光を照射するポンプ光照射手段と、前記各セルの前記第2の面に、当該セル内において前記ポンプ光と交差するようにプローブ光を照射するプローブ光照射手段と、前記各セルの前記第3の面を透過したプローブ光を受光し、前記各セルにおける磁場を各々検出する検出手段とを備えることを特徴とする。この構成によれば、検体からの磁場を詳細に測定することができる。
【0006】
また、本発明に係る磁場計測装置は、上記磁場計測装置において、前記各セルは、光を透過させると共に、当該セルの前記第1の面が傾斜する側と相対する側に前記設置面に対して傾斜する第4の面を有し、前記ポンプ光照射手段は、前記各セルの前記第1の面にポンプ光を照射する第1処理と、前記第1処理に代えて、前記各セルの前記第4の面にポンプ光を照射する第2処理とを行うこととしてもよい。この構成によれば、各セルに対して第1の面と第4の面の2方向からポンプ光を各々照射することができるため、各セルにおいて2方向の磁場を検出することができる。
【0007】
また、本発明に係る磁場計測装置は、上記磁場計測装置において、前記ポンプ光照射手段及び前記プローブ光照射手段は、各々1つの光源を有し、前記ポンプ光照射手段は、前記光源からの光を前記ポンプ光として前記各セルに分配して照射し、前記プローブ光照射手段は、前記光源からの光を前記プローブ光として前記各セルに分配して照射することとしてもよい。この構成によれば、セル毎にポンプ光とプローブ光の各光源を設ける場合と比べて、装置構成を小型化することができる。
【図面の簡単な説明】
【0008】
【図1】実施形態に係る磁場計測装置の構成例を表わすブロック図である。
【図2】(a)及び(b)は、実施形態に係るセルを表わす図である。
【図3】実施形態に係るポンプ光照射部とセルアレイとを示す図である。
【図4】実施形態に係るプローブ光照射部と検出ユニットとセルアレイとを示す図である。
【図5】(a)及び(b)は、変形例(1)に係るセルアレイとポンプ光を表わす図である。
【図6】変形例(1)に係る磁場計測装置の構成例を表わすブロック図である。
【図7】(a)及び(b)は、変形例(1)に係るセルアレイとポンプ光照射部とを表わす図である。
【発明を実施するための形態】
【0009】
(構成)
図1は、本発明に係る実施形態の磁場計測装置の構成例を表わすブロック図である。磁場計測装置1は、セルアレイ10、ポンプ光照射部20、プローブ光照射部30、及び検出ユニット40を有する。セルアレイ10は、複数のセル(10a,10b,10c,10d)を一列に並べて構成されている。各セルは、光を透過するガラス等の素材で形成され、セル内部に所定の原子からなる原子群が含まれた各々独立した物体である。この所定の原子は、円偏光によって励起状態となりスピン偏極する原子であり、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)等のアルカリ金属である。なお、各セル内には、アルカリ金属の原子の他に、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。アルカリ金属の原子は、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。
【0010】
各セル(10a,10b,10c,10d)は、全て同じ形状である。図2(a)(b)は、本実施形態におけるセル10aを表わす図であり、図2(b)は、図2(a)に示すセル10aの左右を反転させた図である。図2(a)(b)に示すように、セル10aは、第2の面102と、第2の面102と対向する第3の面103とが直角三角形の三角柱の形状を有する。セル10aの第1の面101は、各セルが設置される設置面に対して傾斜し、ポンプ光が照射される面である。また、第2の面102はプローブ光が照射される面であり、第3の面103は第2の面102から入射したプローブ光がセル10aを透過して出射する面である。各セルは、図3に示すように、設置面Gに対する第1の面101の傾斜方向が全て同じ方向となるように隣接して設置面Gに配置される。この例では、第1の面101にポンプ光が照射され、第2の面102の側、つまりy軸方向からプローブ光が照射されるため、ポンプ光とプローブ光とに直交する矢印A方向の磁場の強度が検出対象となる。なお、本実施形態では、セルアレイ10のセルは一列に4つ並べられている例であるが、セルの数は複数であればよく、複数列であってもよい。また、設置面Gは、例えば、各セルが台座等に取り付けられた状態において各セルの下面が位置する平面、又は、各セルの下端が共通して接する平面として形成される。つまり、セルアレイ10の下端側において各セルの配列方向に広がる平面によって形成される。
【0011】
ポンプ光照射部20は、ポンプ光照射手段の一例であり、円偏光成分を有するポンプ光を各セルに照射する。具体的には、図3に示すように、ポンプ光照射部20は、光源201と、光源201から出力される光を分配する分配機構202と、分配機構202から出力した光を各セルに導く光ファイバ等の伝送媒体203とを有する。

光源201は、無偏光成分を有するレーザー光を出力する。分配機構202は、光源201からのレーザー光をセルの数だけ分岐させ、分岐させた各レーザー光を、コリメートレンズ、偏光板、四分の一波長板等の光学部材(図示略)を出力端に有する伝送媒体203を介して、円偏光成分を有するポンプ光に変換して出力する。伝送媒体203から出力されたポンプ光は、各セルの第1の面101に入射すると、セル内のアルカリ金属原子はポンプ光によって同一方向にスピン偏極する。
【0012】
次に、プローブ光照射部30と検出ユニット40の詳細について図4を用いて説明する。図4は、図3に示すz軸方向から各セルを見たときのプローブ光照射部30と検出ユニット40と各セルとを表わしている。プローブ光照射部30は、プローブ光照射手段の一例であり、各セルに照射されるポンプ光と略直交するように直線偏光成分を有するプローブ光を照射する。プローブ光照射部30は、図4に示すように、光源301と、光源301から出力される光を分配する分配機構302と、分配機構302から出力した光を各セルに導く光ファイバ等の伝送媒体303とを有する。
【0013】
光源301は、無偏光成分を有するレーザー光を出力する。分配機構302は、光源301から出力したレーザー光をセルの数だけ分岐させ、分岐させた各レーザー光を、コリメートレンズ、偏光板、半波長板等の光学部材(図示略)を出力端に有する伝送媒体303を介して、直線偏光成分を有するプローブ光に変換して出力する。各セルに照射されたプローブ光は、各々のセルに入射し、各セルにおける磁場の影響によりセル内の原子が歳差運動を行った回転力に応じて偏光面が回転されてセルを透過し、各セルの第3の面103から出射する。なお、本実施形態では、ポンプ光とプローブ光とが略直交するように照射される例であるが、ポンプ光とプローブ光とが各セルの内部において交差していれば直交に限らない。
【0014】
検出ユニット40の各検出部(40a,40b,40c,40d)は、検出手段の一例である。各検出部は、各セルの第3の面103から出射したプローブ光を偏光ビームスプリッター等によってP偏光成分とS偏光成分とに分離し、分離した光をフォトディテクタで受光する。各検出部は、フォトディテクタから出力されたP偏光成分とS偏光成分の光量に応じた電気信号を解析してプローブ光の偏光面の回転角度を求め、回転角度に応じた磁場の強度を求める。
【0015】
(動作例)
次に、磁場計測装置1の動作例について説明する。
ポンプ光照射部20は、光源201からレーザー光を出力して分配機構202でポンプ光を分岐させ、分岐した各レーザー光を各出力端で円偏光成分を有するポンプ光に変換し、伝送媒体203を介して各セルの第1の面101に照射する。
各セルに照射されたポンプ光がセル内に入射すると、セル内のアルカリ金属原子はポンプ光によって励起されてスピン偏極し、検体からの磁場に応じて歳差運動を行う。
【0016】
プローブ光照射部30は、光源301からレーザー光を出力して分配機構302でプローブ光を分岐させ、分岐した各レーザー光を各出力端で直線偏光成分を有するプローブ光に変換し、伝送媒体303を介して各セルの第2の面102に照射する。各セルの第2の面102から入射したプローブ光は、セル内で歳差運動を行っている原子群によって偏光面が回転されて第3の面103の方へ進み、第3の面103から出射する。各セルの第3の面103から出射したプローブ光は、各セルに対応する検出部においてP偏光成分とS偏光成分に分離されて受光される。各検出部は、受光した各セルのP偏光成分とS偏光成分の光量に基づいてプローブ光の偏光面の回転角をセル毎に求め、各回転角に基づいて各セルにおける磁場の強度を求める。
【0017】
上記実施形態では、各セルが隣接して配置されると共に、全てのセルに対してポンプ光及びプローブ光が同時に照射される構成となっているため、詳細に検体からの磁場を検出することができる。また、セルを隣接して配置し、ポンプ光とプローブ光の各光源から各セルに対してポンプ光及びプローブ光を分配して照射する構成であるため、セル毎にポンプ光とプローブ光の光源を設ける場合と比べて装置を小型化することができる。
【0018】
<変形例>
本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、以下のように変形させて実施してもよい。また、以下の変形例を組み合わせてもよい。
【0019】
(1)上述した実施形態では、第2の面102と第3の面103が直角三角形のセルを用いて1方向の磁場を測定する例について説明したが、例えば、第2の面102と第3の面103が二等辺三角形のセルを用いて2方向の磁場を測定するようにしてもよい。この場合には、図5(a)に示すように各セル(10a,10b,10c,10d)を設置面Gに配置し、実施形態と同様に、セルの第1の面101にポンプ光を照射し、y軸方向、つまり第2の面102にプローブ光を照射することで、ポンプ光とプローブ光とに直交する矢印B1方向の磁場を検出する。また、図5(b)に示すように、第1の面101が傾斜する側と相対する側に設置面Gに対して傾斜する第4の面104、つまり、第1の面101の傾きを表わす係数の正負の符号が反対となる係数の傾きを有する第4の面104に対してもポンプ光を照射し、y軸方向にプローブ光を照射することで、ポンプ光とプローブ光とに直交する矢印B2方向の磁場を検出するように構成する。
【0020】
ここで、本変形例に係る磁場計測装置1Aの構成を表わすブロック図を図6に示す。図6において、実施形態と同様の構成については、実施形態と同様の符号を付している。図6に示すように、磁場計測装置1Aは、制御部50と駆動部60とを備えている点で実施形態とは異なる。本変形例では、ポンプ光照射部20、制御部50、及び駆動部60がポンプ光照射手段として機能する。磁場計測装置1Aは、セルアレイ10の上方にレール(図示略)を備え、レール上に設置された駆動部60においてポンプ光照射部20を回転可能に支持するように構成されている。なお、以下の説明において、ポンプ光照射部20のデフォルトの配置は、図7(a)に示す状態である。つまり、ポンプ光照射部20の伝送媒体203a,203b,203c,203dとセル10a,10b,10c,10dとが各々対応するように配置された状態である。
【0021】
駆動部60は、制御部50によって入力される制御信号に従ってポンプ光照射部20を回転させて移動させる。駆動部60は、第1の面101の方向からポンプ光を照射する制御信号が入力された場合には、図7(a)に示すデフォルトの配置でポンプ光照射部20を停止させておく。また、駆動部60は、第4の面104の方向からポンプ光を照射する制御信号が入力された場合には、ポンプ光照射部20の伝送媒体203d,203c,203b,203aとセル10a,10b,10c,10dとが各々対応する図7(b)に示す配置となるようにポンプ光照射部20の向きを回転させてレール上を移動させる。更に、駆動部60は、ポンプ光照射部20をデフォルトの配置に戻す制御信号が入力された場合には、ポンプ光照射部20を図7(a)に示すデフォルトの配置に戻す。
【0022】
制御部50は、第1の面101方向からポンプ光を照射する第1処理を行って検体からの磁場を検出する第1検出処理と、第4の面104方向からポンプ光を照射する第2処理を行って検体からの磁場を検出する第2検出処理とを切り換えて行う。本変形例では、第1検出処理の終了後に第2検出処理を自動的に開始する。具体的には、制御部50は、第1の面101方向からポンプ光を照射することを指示する制御信号を駆動部60に入力し、ポンプ光照射部20から各セルの第1の面101に対してポンプ光を照射させると共に、プローブ光照射部30から各セルの第2の面102に対してプローブ光を照射させる。制御部50は、各検出部から出力される検出結果を受付けると第1検出処理を終了し、第2検出処理に移行する。
【0023】
制御部50は、第4の面104方向からポンプ光を照射することを指示する制御信号を駆動部60に入力し、ポンプ光照射部20から各セルの第4の面104に対してポンプ光を照射させると共に、プローブ光照射部30から各セルの第2の面102に対してプローブ光を照射させる。制御部50は、各検出部から出力される検出結果を受付けると第2検出処理を終了し、ポンプ光照射部20をデフォルトの位置に戻す制御信号を駆動部50に入力する。
【0024】
(2)上述した実施形態では、各セルの第2の面102及び第3の面103が直角三角形の形状である例を用いたが、ポンプ光が照射される第1の面101が設置面に対して一定の角度で傾斜されている多面体形状であればこれに限らない。また、上述した変形例(1)では、セルの第2の面102及び第3の面103が二等辺三角形のセルを例に説明したが、例えば、セルの第2の面102及び第3の面103が台形状のセルであってもよい。要は、各セルは、設置面に対して傾斜し光を透過させる第1の面101と、第1の面101と隣接し光を透過させる第2の面102と、第2の面102に対向し光を透過させる第3の面103と、光を透過させると共に第1の面101が傾斜する側と相対する側に設置面に対して傾斜する第4の面104とが形成されている多面体形状であればよい。
【0025】
(3)上述した実施形態では、ポンプ光及びプローブ光の光源が一つの例を説明したが、セル毎のポンプ光とプローブ光の各光源を用いて、ポンプ光とプローブ光とを各セルに照射してもよい。
【0026】
(4)上述した実施形態では、各検出部において各セルにおける磁場の強度を求める例を説明したが、各検出部で受光したP偏光成分とS偏光成分の光量に応じた電気信号を磁場計測装置1の外部の演算装置に出力し、当該演算装置においてプローブ光の回転角を算出し、回転角に応じた磁場の大きさを求めるようにしてもよい。
【0027】
(5)上述した変形例(1)では、一のポンプ光照射部20を用いて、各セルの第1の面101及び第4の面104にポンプ光を各々照射させる例であったが、ポンプ光照射手段の一例として、各セルの第1の面101にポンプ光を照射する第1処理を行う第1ポンプ光照射部と、各セルの第4の面104にポンプ光を照射する第2処理を行う第2ポンプ光照射部とを設け、第1ポンプ光照射部によって第1処理を行った後、第2ポンプ光照射部によって第2処理を行うようにしてもよい。
【0028】
(6)上述した変形例(1)では、第1検出処理の終了後に第2検出処理を自動的に開始する例を説明したが、第1検出処理と第2検出処理の切り換えをユーザー操作に応じて行うように構成してもよい。この場合には、磁場計測装置1において、例えば、第1検出処理を指示する操作ボタンと第2検出処理を指示する操作ボタン等の操作手段を備えるように構成してもよい。制御部60は、操作手段を介したユーザー操作に応じて、第1検出処理と第2検出処理とを行うように駆動部50、ポンプ光照射部20、プローブ光照射部30、及び検出ユニット40を制御する。
【0029】
(7)上述した変形例(1)では、第1検出処理と第2検出処理の処理毎に、制御部50はプローブ光照射部30から各セルの第2の面102に対して照射させる例を説明したが、第1検出処理に続けて第2検出処理を自動開始する場合には、プローブ光照射部30からのプローブ光の照射を第2検出処理が終了するまで継続して行うようにしてもよい。
【符号の説明】
【0030】
1,1A・・・磁場計測装置、10・・・セルアレイ、10a,10b,10c,10d・・・セル、20・・・ポンプ光照射部、30・・・プローブ光照射部、40・・・検出ユニット、40a,40b,40c,40d・・・検出部、50・・・制御部、60・・・駆動部、101・・・第1の面、102・・・第2の面、103・・・第3の面、104・・・第4の面、201,301・・・光源、202,302・・・分配機構、203,203a,203b,203c,203d,303・・・伝送媒体

【特許請求の範囲】
【請求項1】
ポンプ光によって励起される原子からなる原子群を含み、設置面に対して傾斜し光を透過させる第1の面と、前記第1の面に隣接し光を透過させる第2の面と、当該第2の面を透過した光を透過させる第3の面とを有する多面体形状の複数のセルを、前記第1の面の傾斜方向が同じ方向となり、少なくとも隣合う一つのセルと接するように配列したセルアレイと、
前記セルアレイの各セルの前記第1の面にポンプ光を照射するポンプ光照射手段と、
前記各セルの前記第2の面に、当該セル内において前記ポンプ光と交差するようにプローブ光を照射するプローブ光照射手段と、
前記各セルの前記第3の面を透過したプローブ光を受光し、前記各セルにおける磁場を各々検出する検出手段と
を備えることを特徴とする磁場計測装置。
【請求項2】
前記各セルは、光を透過させると共に、当該セルの前記第1の面が傾斜する側と相対する側に前記設置面に対して傾斜する第4の面を有し、
前記ポンプ光照射手段は、前記各セルの前記第1の面にポンプ光を照射する第1処理と、前記第1処理に代えて、前記各セルの前記第4の面にポンプ光を照射する第2処理とを行うことを特徴とする請求項1に記載の磁場計測装置。
【請求項3】
前記ポンプ光照射手段及び前記プローブ光照射手段は、各々1つの光源を有し、
前記ポンプ光照射手段は、前記光源からの光を前記ポンプ光として前記各セルに分配して照射し、
前記プローブ光照射手段は、前記光源からの光を前記プローブ光として前記各セルに分配して照射することを特徴とする請求項1又は2に記載の磁場計測装置。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【図5】
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【図6】
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【図7】
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