脳磁計及び脳磁測定方法
【課題】簡易な構成で、低コストで精度の良い脳磁計及び脳磁測定方法を提供する。
【解決手段】被測定者の頭部を覆うヘルメット形状をなすように光ポンピング磁力計１を複数配置し、光ポンピング磁力計１には、被測定者の頭部の表面にほぼ平行に配置された蒸気セル２を設け、ポンプ光レーザ３、プローブ光レーザ７により被測定者の頭部の表面にほぼ垂直であって被測定者の頭部に向かう方向にポンプ光Ｌ１、プローブ光Ｌ２を出射し、プローブ光Ｌ２を蒸気セル２に入射させ、プローブ光Ｌ２をミラー１０により被測定者の頭部の表面にほぼ垂直であって被測定者の頭部から離れる方向に反射し、フォトダイオード１１によりプローブ光Ｌ２の偏光の変化を検出することにより、簡易な構成で、低コストで精度良く脳磁を測定することを可能とする。
【解決手段】被測定者の頭部を覆うヘルメット形状をなすように光ポンピング磁力計１を複数配置し、光ポンピング磁力計１には、被測定者の頭部の表面にほぼ平行に配置された蒸気セル２を設け、ポンプ光レーザ３、プローブ光レーザ７により被測定者の頭部の表面にほぼ垂直であって被測定者の頭部に向かう方向にポンプ光Ｌ１、プローブ光Ｌ２を出射し、プローブ光Ｌ２を蒸気セル２に入射させ、プローブ光Ｌ２をミラー１０により被測定者の頭部の表面にほぼ垂直であって被測定者の頭部から離れる方向に反射し、フォトダイオード１１によりプローブ光Ｌ２の偏光の変化を検出することにより、簡易な構成で、低コストで精度良く脳磁を測定することを可能とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、脳磁計及び脳磁測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ＳＱＵＩＤセンサに代わる高感度磁力計として、アルカリ金属を利用した光ポンピング磁力計が開発されている。光ポンピング磁力計は、冷却機能が不要であり、ＳＱＵＩＤセンサに対して大幅なランニングコスト削減が可能となることからも、脳磁計等への適用が期待されている。
【０００３】
ここで、光ポンピング磁力計を用いて脳磁場を精密に測定し、また、測定感度を向上するためには、小型の光ポンピング磁力計を多数使用することが必要となる。そこで、例えば下記の非特許文献１に記載されているように、体積１２ｍｍ３の光ポンピング磁力計が試作されている。非特許文献１に記載の光ポンピング磁力計は、次のような構成からなる。垂直共振器面発光レーザが基板から上方に離間した位置に設けられると共に、この垂直共振器面発光レーザの下方に、ルビジウム蒸気を封入した蒸気セルが設けられ、さらにこの蒸気セルの下方にフォトダイオードが設けられる。そして、このフォトダイオードは、基板の上面に設けられており、垂直共振器面発光レーザから発光され、蒸気セルを通り抜けた光を受光する位置に受光部を有する構成とされている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】P. D. D. Schwindt et al., "Chip-scale atomic magnetometer",App. Phys. Lett. Vol.85, No.26, pp.6409-6411 (2004)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ここで、光ポンピング磁力計を被測定者の頭部の上に平面的に配置した場合、場所によっては光ポンピング磁力計の検出できる磁場の向きと、被測定者の発生する脳磁の向きとが一致しないため、脳磁の測定を精度良く行うことができない。
【０００６】
また、上記のように、フォトダイオードなどの受光素子を基板上に設ける構成をとると、電気配線を外部から基板上の受光素子まで引き回すことが必要になる。したがって、多数の光ポンピング磁力計を並べて脳磁計を作製する場合に、簡易な構成で脳磁計を作製することができない。
【０００７】
そこで、本発明は、簡易な構成で、低コストで精度の良い脳磁計及び脳磁測定方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係る脳磁計は、被測定者の頭部の脳磁を測定するための脳磁計であって、被測定者の頭部を覆うヘルメット形状をなすように複数配置された光ポンピング磁力計を備え、光ポンピング磁力計は、アルカリ金属原子を充填され、被測定者の頭部の表面にほぼ平行に配置された蒸気セルと、被測定者の頭部の表面にほぼ垂直な方向であって被測定者の頭部に向かう方向にレーザ光を出射して蒸気セルにレーザ光を入射させるレーザ光出射手段と、蒸気セルを通過したレーザ光を、被測定者の頭部の表面にほぼ垂直な方向であって被測定者の頭部から離れる方向に反射する反射手段と、反射手段により反射されたレーザ光を受光して、レーザ光の偏光の変化を検出する偏光変化検出手段と、を有することを特徴とする。
【０００９】
また、本発明に係る脳磁測定方法は、被測定者の頭部の脳磁を測定するための脳磁測定方法であって、被測定者の頭部を覆うヘルメット形状をなすように複数配置された光ポンピング磁力計を用い、光ポンピング磁力計においては、被測定者の頭部の表面にほぼ平行に配置された蒸気セルにアルカリ金属原子を充填し、被測定者の頭部の表面にほぼ垂直な方向であって被測定者の頭部に向かう方向にレーザ光を出射して蒸気セルにレーザ光を入射させ、蒸気セルを通過したレーザ光を、被測定者の頭部の表面にほぼ垂直な方向であって被測定者の頭部から離れる方向に反射し、反射されたレーザ光を受光して、レーザ光の偏光の変化を検出することにより、被測定者の頭部の脳磁を測定することを特徴とする。
【００１０】
これらによれば、被測定者の頭部を覆うヘルメット形状をなすように複数の光ポンピング磁力計が配置され、この光ポンピング磁力計を構成する蒸気セルが被測定者の頭部の表面にほぼ平行に配置される。したがって、光ポンピング磁力計の検出できる磁場の向きと、被測定者の発生する脳磁の向きとを一致させることが可能となり、脳磁の測定を精度良く行うことができる。また、被測定者の頭部の表面にほぼ垂直な方向であって被測定者の頭部に向かう方向にレーザ光が出射され、レーザ光が蒸気セルに入射され、被測定者の頭部の表面にほぼ垂直な方向であって被測定者の頭部から離れる方向に光路変更されたレーザ光が受光される。このため、レーザ光を受光する受光素子に対する電気配線を、外部から被測定者の頭部に近接する位置まで引き回すことが不要となる。したがって、多数の光ポンピング磁力計を並べて脳磁計を作製する場合に、簡易な構成で脳磁計を作製することができる。
【００１１】
また、本発明に係る脳磁計において、蒸気セルは複数のレーザ光を通過させることが好ましい。これによれば、蒸気セルを大きくして、複数のレーザ光に対して１つの蒸気セルを共用できるため、各レーザ光が通過する領域における蒸気密度のばらつきを小さくすることができ、測定精度を高めることができる。
【００１２】
また、蒸気セルは、一定の平面度を保つ限り大きくすることが好ましい。これによれば、セルの数を少なくできるため、蒸気密度のばらつきを小さくすることができ、測定精度を高めることができる。
【００１３】
また、レーザ光出射手段、偏光変化検出手段は、いずれも蒸気セル上に設けられることが好ましい。これによれば、レーザ光出射手段、偏光変化検出手段と蒸気セルとを一体のユニットとして扱うことができ、取り扱いが容易になり、また、脳磁計の小型化が図れる。
【００１４】
また、光ポンピング磁力計において、レーザ光出射手段は、ポンプ光を出射するポンプ光出射手段とプローブ光を出射するプローブ光出射手段を別々に有し、ポンプ光出射手段は、ポンプ光を、被測定者の頭部の表面に平行な第１の方向で蒸気セルに入射させ、プローブ光出射手段は、プローブ光を被測定者の頭部の表面に平行な方向であって第１の方向に垂直な第２の方向で蒸気セルに入射させ、反射手段は、蒸気セルを通過した前記プローブ光を反射し、偏光変化検出手段は、反射手段により反射されたプローブ光の偏光の変化を検出する構成とすることができる。
【００１５】
これによれば、ポンプ光を、被測定者の頭部の表面に平行な第１の方向で蒸気セルに入射させ、レーザ光をプローブ光として、被測定者の頭部の表面に平行な方向であって第１の方向に直交する第２の方向で蒸気セルに入射させる。したがって、第１の方向と第２の方向のいずれにも垂直な方向、すなわち被測定者の頭部の表面に垂直な方向の脳磁を精度良く測定することができる。
【００１６】
また、レーザ光出射手段は、被測定者の頭部の表面にほぼ垂直な方向であって被測定者の頭部に向かう方向でレーザ光を蒸気セルに入射させることとしてもよい。
【００１７】
これによれば、被測定者の頭部の表面にほぼ垂直な方向であって被測定者の頭部に向かう方向でレーザ光を入射させ、その後、被測定者の頭部の表面にほぼ垂直であって被測定者の頭部から離れる方向にレーザ光を反射して、レーザ光を受光して、レーザ光の偏光の変化を検出する。このため、ポンプ光とプローブ光の２つの光源を用意する必要がなく、低コストかつ省スペースで脳磁計を作製することができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、簡易な構成で、低コストで精度の良い脳磁計及び脳磁測定方法が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の第１実施形態に係る脳磁計を示す概略斜視図である。
【図２】本発明の第１実施形態に係る脳磁計を構成する光ポンピング磁力計を示す斜視図である。
【図３】本発明の第１実施形態に係る脳磁計を構成する他の光ポンピング磁力計を示す斜視図である。
【図４】本発明の第２実施形態に係る脳磁計を構成する光ポンピング磁力計を示す斜視図である。
【図５】本発明の第２実施形態に係る脳磁計を構成する他の光ポンピング磁力計を示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明による脳磁計の好適な実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、各図において、同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
【００２１】
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係る脳磁計を示す概略斜視図である。この脳磁計は、人間の頭部の脳磁を測定するためのものである。
【００２２】
図１に示すように、脳磁計１００は、複数の光ポンピング磁力計１を備える。光ポンピング磁力計１は、蒸気セル２（図２参照）を有している。これらの蒸気セル２は、被測定者の頭部を覆うヘルメット形状をなすように（頭部の表面形状に倣うように）多数配置されている。
【００２３】
図２は、本発明の第１実施形態に係る光ポンピング磁力計１を示す斜視図である。
【００２４】
光ポンピング磁力計１は、蒸気セル２、ポンプ光レーザ（ポンプ光出射手段）３、偏光子４、ミラー５、ミラー６、プローブ光レーザ（プローブ光出射手段）７、偏光子８、ミラー９、ミラー（反射手段）１０、フォトダイオード（偏光変化検出手段）１１を有している。ここで、被測定者の頭部は、光ポンピング磁力計１から見て、ｚ軸方向の負側にある。また、被測定者の頭部の表面は、ｘｙ平面に平行でｚ軸方向とは垂直である。そして、人間の脳磁は、主に頭部の表面に垂直な方向の成分からなるため、被測定者の脳磁は、主にｚ軸方向の成分からなる。
【００２５】
蒸気セル２は、透明な材料、例えばガラスや石英などによって形成される中空体である。この蒸気セル２の内部に、アルカリ金属、例えばカリウム、ルビジウム又はセシウムなどのアルカリ金属が充填される。また、アルカリ金属原子が蒸気セル２の壁に衝突することを防止するためのバッファガスとして、希ガス、例えばヘリウムなども蒸気セル２の内部に充填される。さらに、蛍光防止のためのクエンチングガスとして、例えば窒素などの気体も蒸気セル２の内部に充填される。蒸気セル２は、蒸気セル２の壁に接して設けられるヒーターによって、または、蒸気セル２とは別の場所で発生させた熱風を蒸気セル２の周囲に流すことによって加熱される。脳磁測定の感度は、蒸気セル２中の蒸気の密度が高いほど向上する。しかし、実用性を考慮すると、セルの温度は摂氏１００度から２００度程度とすることが好ましい。なお、蒸気セル２の温度を保つため、及び、被測定者の頭部を保護するため、蒸気セル２の全体は断熱材で覆われる。ここで、蒸気セル２は、一定の平面度を保つ限り大きくすることが好ましい。すなわち、蒸気セル２の平面と、被測定者の頭部の表面とが平行にできる範囲で、蒸気セル２を大きくすることが好ましい。
【００２６】
ポンプ光レーザ３は、ポンプ光Ｌ１を蒸気セル２に対して照射するものである。ポンプ光Ｌ１は、蒸気セル２内のアルカリ金属を光ポンピングする。このポンプ光レーザ３は、蒸気セル２内のアルカリ金属を光ポンピングすることのできる波長を有する光を発光する。そして、ポンプ光レーザ３は、ｚ軸方向の負の向きにポンプ光Ｌ１を出射する。このｚ軸方向の負の向きは、被測定者の頭部の表面に垂直な方向であって被測定者の頭部に向かう方向である。
【００２７】
偏光子４は、ポンプ光レーザ３から出射されたポンプ光Ｌ１の偏光状態を円偏光にするためのものである。具体的には、直線偏光を円偏光にするためのλ／４板などが用いられる。
【００２８】
ミラー５は、偏光子４を通過したポンプ光Ｌ１の光路を変更し、蒸気セル２に入射させるためのものである。
【００２９】
ミラー６は、蒸気セル２を通過したポンプ光Ｌ１の光路を被測定者の頭部から離れる方向に変更するためのものである。
【００３０】
一方、プローブ光レーザ７は、プローブ光Ｌ２を蒸気セル２に対して照射するものである。そして、プローブ光レーザ７は、ｚ軸方向の負の向きにプローブ光Ｌ２を出射する。このｚ軸方向の負の向きは、被測定者の頭部の表面に垂直な方向であって被測定者の頭部に向かう方向である。
【００３１】
偏光子８は、プローブ光レーザ７から出射されたプローブ光Ｌ２の偏光状態を直線偏光にするためのものである。
【００３２】
ミラー９は、偏光子８を通過したプローブ光Ｌ２の光路を変更し、蒸気セル２に入射させるためのものである。
【００３３】
ミラー１０は、蒸気セル２を通過したプローブ光Ｌ２の光路を変更し、フォトダイオード１１に入射させるためのものである。このミラー１０は、プローブ光Ｌ２を、ｚ軸方向の正の向きに反射する。このｚ軸方向の正の向きは、被測定者の頭部の表面に垂直な方向であって、被測定者の頭部から離れる方向である。
【００３４】
フォトダイオード１１は、ミラー１０によって反射されたプローブ光Ｌ２を受光する受光素子である。そして、このフォトダイオード１１は、プローブ光Ｌ２の偏光面の回転角を検出することができる。
【００３５】
なお、ポンプ光レーザ３、プローブ光レーザ７及びフォトダイオード１１は、いずれも蒸気セル２上に設けられる。
【００３６】
上述のように構成される光ポンピング磁力計１は、以下に説明するように、ＳＥＲＦ（spin exchange relaxation-free）法によって磁場を測定する。
【００３７】
被測定者の脳磁を測定するにあたり、あらかじめ、蒸気セル２の壁に接して設けられるヒーターによって、または、蒸気セル２とは別の場所で発生させた熱風を蒸気セル２の周囲に流すことによって、蒸気セル２を加熱しておく。これにより、蒸気セル２の内部のアルカリ金属原子が所定の密度に達する。
【００３８】
次に、ポンプ光レーザ３からポンプ光Ｌ１が、ｚ軸方向の負の向きに出射され、この出射されたポンプ光Ｌ１は、偏光子４によって、偏光状態を円偏光とされ、この円偏光とされたポンプ光Ｌ１は、ミラー５によってｘ軸方向の正の向き（第１の方向）に反射され、蒸気セル２へ入射する。このｘ軸方向は、被測定者の頭部の表面に平行な方向である。なお、ミラー５は、一般にはｓ波（電界成分が入射面に垂直な光）に対する反射率とｐ波（電界成分が入射面に平行な光）に対する反射率が異なる。したがって、ポンプ光Ｌ１が反射された後、蒸気セル２に入射するときにポンプ光Ｌ１の偏光状態が円偏光であるようにすべく、ミラー５に入射するポンプ光Ｌ１のｓ波成分とｐ波成分は適宜調整される。後述のミラー９も同様である。
【００３９】
円偏光であるポンプ光Ｌ１が蒸気セル２へ入射すると、蒸気セル２内のアルカリ金属原子は光ポンピングされ、その原子スピンが同一方向にそろえられる。
【００４０】
そして、ポンプ光Ｌ１は蒸気セル２を通過し、ミラー６によってｚ軸方向の正の向きに反射される。
【００４１】
上記のようにして蒸気セル２内のアルカリ金属が光ポンピングされた状態で、プローブ光レーザ７からプローブ光Ｌ２が、ｚ軸方向の負の向きに出射され、この出射されたプローブ光Ｌ２は、偏光子８によって、偏光状態を直線偏光とされ、この直線偏光とされたプローブ光Ｌ２は、ミラー９によってｙ軸方向の正の向き（第２の方向）に反射され、蒸気セル２へ入射する。このｙ軸方向は、被測定者の頭部の表面に平行な方向であって、ｘ軸方向と直交する方向である。
【００４２】
ここで、蒸気セル２において、円偏光のポンプ光Ｌ１はｘ軸方向に入射し、直線偏光のプローブ光Ｌ２はｙ軸方向に入射している。この場合、プローブ光Ｌ２の偏光面は、ポンプ光Ｌ１とプローブ光Ｌ２のいずれにも垂直な方向、すなわちｚ軸方向の磁場Ｂｚに応じた角度だけ回転する。
【００４３】
そして、プローブ光Ｌ２は蒸気セル２を通過し、ミラー１０によってｚ軸方向の正の向きに反射され、その後、フォトダイオード１１によって受光される。フォトダイオード１１が受光することによって流れる電流は、プローブ光Ｌ２の偏光面の回転角に応じて変化する。したがって、フォトダイオード１１によって、プローブ光Ｌ２の偏光面の回転角、すなわち偏光の変化を検出することができ、プローブ光Ｌ２の偏光面の回転角から、蒸気セル２におけるｚ軸方向の磁場Ｂｚ、すなわち被測定者の脳磁を測定することができる。
【００４４】
以上のように、第１実施形態に係る脳磁計１００においては、被測定者の頭部を覆うヘルメット形状をなすように複数の光ポンピング磁力計１が配置され、光ポンピング磁力計１を構成する蒸気セル２が被測定者の頭部の表面にほぼ平行に配置されるため、光ポンピング磁力計１の検出できる磁場の向きと、被測定者の発生する脳磁の向きとが一致し、脳磁の測定を精度良く行うことができる。また、光ポンピング磁力計１においては、円偏光であるポンプ光Ｌ１を、被測定者の頭部の表面に平行なｘ軸方向で蒸気セル２に入射させ、直線偏光であるプローブ光Ｌ２を、被測定者の頭部の表面に平行であってｘ軸方向とは直交するｙ軸方向で蒸気セル２に入射させる。したがって、ｘ軸方向とｙ軸方向のいずれにも垂直な方向、すなわち被測定者の頭部の表面に垂直な方向の脳磁を精度良く測定することができる。
【００４５】
また、プローブ光Ｌ２は、被測定者の頭部の表面に垂直な方向であって被測定者の頭部に向かう方向であるｚ軸方向の負の向きに出射され、偏光状態が直線偏光にされ、直線偏光にされたプローブ光Ｌ２が蒸気セル２に入射され、被測定者の頭部の表面に垂直な方向であって被測定者の頭部から離れる方向であるｚ軸方向の正の向きに光路変更されてフォトダイオード１１に受光されるため、フォトダイオード１１に対する電気配線を、外部から被測定者の頭部に近接する位置まで引き回すことが不要となり、多数の光ポンピング磁力計１を並べて脳磁計１００を作製する場合に、簡易な構成で脳磁計１００を作製することができる。
【００４６】
また、蒸気セル２は、一定の平面度を保つ限り大きくされているため、蒸気セル２の数を少なくできるから、蒸気密度のばらつきを小さくすることができ、測定精度を高めることができる。
【００４７】
また、ポンプ光レーザ３、プローブ光レーザ７及びフォトダイオード１１は、いずれも蒸気セル２上に設けられるため、ポンプ光レーザ３、プローブ光レーザ７及びフォトダイオード１１と蒸気セル２とを一体のユニットとして扱うことができ、取り扱いが容易になり、また、脳磁計１００の小型化が図れる。
【００４８】
図３は、本発明の第１実施形態に係る他の光ポンピング磁力計２１を示す斜視図である。
【００４９】
光ポンピング磁力計２１が光ポンピング磁力計１と異なる点は次の点である。すなわち、光ポンピング磁力計１においては、蒸気セル２を通過するプローブ光Ｌ２は１本だけであるが、これに対し、光ポンピング磁力計２１においては、蒸気セル２は複数のプローブ光Ｌ２を通過させることができるように、一定の平面度を保つ限り大きなものとされている。このように、蒸気セル２をどれだけ大きくできるかは、測定対象となる領域の平面度により制限される。すなわち、蒸気セル２を大きくしすぎると、測定対象となる領域が曲面であることから、蒸気セル２の底面と測定対象となる領域が平行でなくなり、脳磁測定が不可能となってしまう。また、蒸気セル２の大きさは、ポンプ光レーザ３から発光されるポンプ光Ｌ１の強度の減衰、蒸気セル２内のアルカリ金属蒸気の密度の均一性などによっても制限される。その他の点においては、光ポンピング磁力計２１の構成及び機能は、光ポンピング磁力計１と同様である。
【００５０】
このように構成された光ポンピング磁力計２１においても、光ポンピング磁力計１と同様な効果を得ることができ、加えて、ポンプ光レーザ３の数を低減でき、一層低コスト化を図ることができる。
【００５１】
また、光ポンピング磁力計２１においては、光ポンピング磁力計１のように複数のプローブ光Ｌ２に対して複数の蒸気セル２を設けるのではなく、１個の大きな蒸気セル２を設ける構成となっている。このため、複数のプローブ光に対して１つの蒸気セル２を共用できるから、各プローブ光が通過する領域における蒸気密度のばらつきを小さくすることができ、測定精度を高めることができる。
【００５２】
また、蒸気セル２は、一定の平面度を保つ限り大きくされているため、セルの数を少なくすることができるから、蒸気密度のばらつきを小さくすることができ、測定精度を高めることができる。
【００５３】
（第２実施形態）
図４は、本発明の第２実施形態に係る光ポンピング磁力計３１を示す斜視図である。
【００５４】
第２実施形態に係る光ポンピング磁力計３１が第１実施形態に係る光ポンピング磁力計１と異なる点は、次の点である。すなわち、第１実施形態に係る光ポンピング磁力計１は、ＳＥＲＦ法によって脳磁の測定を行っているが、これに対し、光ポンピング磁力計３１においては、いわゆる非線形ファラデー回転現象を利用して脳磁の測定を行う。そのため、第２実施形態に係る光ポンピング磁力計３１は、第１実施形態に係る光ポンピング磁力計１と、具体的には以下のように異なる構成を備えている。
【００５５】
第２実施形態に係る光ポンピング磁力計３１は、レーザ（レーザ光出射手段）３２、偏光子８、蒸気セル２、ミラー（反射手段）３３及びフォトダイオード（偏光変化検出手段）１１を有する。ここで、被測定者の頭部は、光ポンピング磁力計３１から見て、ｚ軸方向の負側にある。また、被測定者の頭部の表面は、ｘｙ平面に平行でｚ軸方向とは垂直である。
【００５６】
レーザ３２は、被測定者の頭部の表面にほぼ垂直な方向であって被測定者の頭部に向かう方向で、ｚ軸の負の向きにほぼ近い方向にレーザ光Ｌ３を出射する。なお、ここでのｚ軸の負の向きにほぼ近い方向とは、レーザ光Ｌ３が、ｚ軸方向の磁場によって非線形ファラデー回転現象を生じるような方向であって、かつ、被測定者の頭部の表面に沿って光ポンピング磁力計３１を並べて配置したときに、レーザ３２やフォトダイオード１１の位置が干渉することのないような方向をいう。また、レーザ３２は、偏光子８を介して、ｚ軸方向の負の向きにほぼ近い方向で蒸気セル２にレーザ光Ｌ３を入射させる。
【００５７】
偏光子８は、被測定者の頭部の表面にほぼ垂直であって被測定者の頭部に向かう方向、より具体的には、ｚ軸の負の向きにほぼ近い方向でレーザ光Ｌ３を蒸気セル２に入射させる。
【００５８】
ミラー３３は、蒸気セル２を通過したレーザ光Ｌ３を、被測定者の頭部の表面に垂直な方向であって被測定者の頭部から離れる方向、より具体的には、ｚ軸方向の正の向きにほぼ近い方向に反射する。
【００５９】
なお、レーザ３２及びフォトダイオード１１は、いずれも蒸気セル２上に設けられる。
【００６０】
上述のように構成される光ポンピング磁力計３１は、以下に説明するように、非線形ファラデー回転現象を利用して磁場を測定する。
【００６１】
被測定者の脳磁を測定するにあたり、あらかじめ蒸気セル２の壁に接して設けられるヒーターによって、または、蒸気セル２とは別の場所で発生させた熱風を蒸気セル２の周囲に流すことによって蒸気セル２を加熱しておくのは、光ポンピング磁力計１の場合と同様である。
【００６２】
次に、レーザ３２からレーザ光Ｌ３が、ｚ軸の負の向きにほぼ近い方向に出射され、このレーザ光Ｌ３は、偏光子８によって、その偏光状態を直線偏光とされ、この直線偏光とされたレーザ光Ｌ３は、ｚ軸の負の向きにほぼ近い方向で蒸気セル２へ入射する。
【００６３】
レーザ光Ｌ３は、蒸気セル２の内部を、ｚ軸の負の向きにほぼ近い方向に進む。このとき、レーザ光Ｌ３の偏光面は、非線形ファラデー回転現象により、ｚ軸方向の磁場Ｂｚに応じた角度だけ回転する。
【００６４】
そして、レーザ光Ｌ３は蒸気セル２を通過し、ミラー３３によってｚ軸方向の正の向きに反射され、その後、フォトダイオード１１によって受光される。フォトダイオード１１によってレーザ光Ｌ３の偏光面の回転角、すなわち偏光の変化が検出され、この回転角によって蒸気セル２におけるｚ軸方向の磁場、すなわち被測定者の脳磁が測定されるのは、第１実施形態に係る光ポンピング磁力計１の場合と同様である。
【００６５】
以上で説明した光ポンピング磁力計３１を用いた脳磁計１００によっても、光ポンピング磁力計３１の検出できる磁場の向きと、被測定者の発生する脳磁の向きとが一致し、脳磁の測定を精度良く行うことができる。
【００６６】
また、複数の蒸気セル２を有する光ポンピング磁力計３１の作用は、光ポンピング磁力計１の場合と同様であり、したがって、フォトダイオード１１に対する電気配線を、外部から被測定者の頭部に近接する位置まで引き回すことが不要となり、簡易な構成で脳磁計１００を作製することができる。
【００６７】
また、蒸気セル２は、一定の平面度を保つ限り大きくされるため、セルの数を少なくできるから、蒸気密度のばらつきを小さくすることができ、測定精度を高めることができる。
【００６８】
また、レーザ３２及びフォトダイオード１１は、いずれも蒸気セル２上に設けられるため、レーザ３２及びフォトダイオード１１と蒸気セル２とを一体のユニットとして扱うことができ、取り扱いが容易になり、また、脳磁計１００の小型化が図れる。
【００６９】
さらに、光ポンピング磁力計３１においては、被測定者の頭部の表面にほぼ垂直な方向であって被測定者の頭部に向かう方向でレーザ光Ｌ３が入射し、被測定者の頭部の表面にほぼ垂直であって被測定者の頭部から離れる方向にレーザ光Ｌ３が反射され、レーザ光Ｌ３が受光されて、レーザ光Ｌ３の偏光の変化が検出される。このため、ポンプ光とプローブ光の２つの光源を用意する必要がなく、低コストかつ省スペースで脳磁計を作製することができる。
【００７０】
図５は、本発明の第２実施形態に係る他の光ポンピング磁力計４１を示す斜視図である。
【００７１】
光ポンピング磁力計４１が光ポンピング磁力計３１と異なる点は次の点である。すなわち、光ポンピング磁力計３１においては、蒸気セル２を通過するレーザ光Ｌ３は１本だけであるが、これに対し、光ポンピング磁力計４１においては、蒸気セル２は複数のレーザ光Ｌ３を通過させることができるように、一定の平面度を保つ限り大きなものとされている。その他の点においては、光ポンピング磁力計４１の構成及び機能は、光ポンピング磁力計３１と同様である。
【００７２】
したがって、光ポンピング磁力計４１は、光ポンピング磁力計３１と同様の作用効果を奏する。さらに、蒸気セル２は複数のレーザ光Ｌ３を通過させるため、蒸気セル２を大きくして、複数のレーザ光Ｌ３に対して１つの蒸気セル２を共用できるから、各レーザ光が通過する領域における蒸気密度のばらつきを小さくすることができ、測定精度を高めることができる。
【００７３】
以上、本発明をその実施形態に基づき具体的に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。例えば、偏光変化検出手段として、上記実施形態ではフォトダイオード１１を使用したが、これに代えて、種々の公知の手法を用いて、プローブ光Ｌ２又はレーザ光Ｌ３の偏光面の回転角を検出してもよい。
【符号の説明】
【００７４】
１，２１，３１，４１…光ポンピング磁力計、２…蒸気セル、３…ポンプ光レーザ（レーザ光出射手段、ポンプ光出射手段）、４…偏光子、７…プローブ光レーザ（レーザ光出射手段、プローブ光出射手段）、８…偏光子、１０，３３…ミラー（反射手段）、１１…フォトダイオード（偏光変化検出手段）、３２…レーザ（レーザ光出射手段）、１００…脳磁計。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、脳磁計及び脳磁測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ＳＱＵＩＤセンサに代わる高感度磁力計として、アルカリ金属を利用した光ポンピング磁力計が開発されている。光ポンピング磁力計は、冷却機能が不要であり、ＳＱＵＩＤセンサに対して大幅なランニングコスト削減が可能となることからも、脳磁計等への適用が期待されている。
【０００３】
ここで、光ポンピング磁力計を用いて脳磁場を精密に測定し、また、測定感度を向上するためには、小型の光ポンピング磁力計を多数使用することが必要となる。そこで、例えば下記の非特許文献１に記載されているように、体積１２ｍｍ３の光ポンピング磁力計が試作されている。非特許文献１に記載の光ポンピング磁力計は、次のような構成からなる。垂直共振器面発光レーザが基板から上方に離間した位置に設けられると共に、この垂直共振器面発光レーザの下方に、ルビジウム蒸気を封入した蒸気セルが設けられ、さらにこの蒸気セルの下方にフォトダイオードが設けられる。そして、このフォトダイオードは、基板の上面に設けられており、垂直共振器面発光レーザから発光され、蒸気セルを通り抜けた光を受光する位置に受光部を有する構成とされている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】P. D. D. Schwindt et al., "Chip-scale atomic magnetometer",App. Phys. Lett. Vol.85, No.26, pp.6409-6411 (2004)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ここで、光ポンピング磁力計を被測定者の頭部の上に平面的に配置した場合、場所によっては光ポンピング磁力計の検出できる磁場の向きと、被測定者の発生する脳磁の向きとが一致しないため、脳磁の測定を精度良く行うことができない。
【０００６】
また、上記のように、フォトダイオードなどの受光素子を基板上に設ける構成をとると、電気配線を外部から基板上の受光素子まで引き回すことが必要になる。したがって、多数の光ポンピング磁力計を並べて脳磁計を作製する場合に、簡易な構成で脳磁計を作製することができない。
【０００７】
そこで、本発明は、簡易な構成で、低コストで精度の良い脳磁計及び脳磁測定方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係る脳磁計は、被測定者の頭部の脳磁を測定するための脳磁計であって、被測定者の頭部を覆うヘルメット形状をなすように複数配置された光ポンピング磁力計を備え、光ポンピング磁力計は、アルカリ金属原子を充填され、被測定者の頭部の表面にほぼ平行に配置された蒸気セルと、被測定者の頭部の表面にほぼ垂直な方向であって被測定者の頭部に向かう方向にレーザ光を出射して蒸気セルにレーザ光を入射させるレーザ光出射手段と、蒸気セルを通過したレーザ光を、被測定者の頭部の表面にほぼ垂直な方向であって被測定者の頭部から離れる方向に反射する反射手段と、反射手段により反射されたレーザ光を受光して、レーザ光の偏光の変化を検出する偏光変化検出手段と、を有することを特徴とする。
【０００９】
また、本発明に係る脳磁測定方法は、被測定者の頭部の脳磁を測定するための脳磁測定方法であって、被測定者の頭部を覆うヘルメット形状をなすように複数配置された光ポンピング磁力計を用い、光ポンピング磁力計においては、被測定者の頭部の表面にほぼ平行に配置された蒸気セルにアルカリ金属原子を充填し、被測定者の頭部の表面にほぼ垂直な方向であって被測定者の頭部に向かう方向にレーザ光を出射して蒸気セルにレーザ光を入射させ、蒸気セルを通過したレーザ光を、被測定者の頭部の表面にほぼ垂直な方向であって被測定者の頭部から離れる方向に反射し、反射されたレーザ光を受光して、レーザ光の偏光の変化を検出することにより、被測定者の頭部の脳磁を測定することを特徴とする。
【００１０】
これらによれば、被測定者の頭部を覆うヘルメット形状をなすように複数の光ポンピング磁力計が配置され、この光ポンピング磁力計を構成する蒸気セルが被測定者の頭部の表面にほぼ平行に配置される。したがって、光ポンピング磁力計の検出できる磁場の向きと、被測定者の発生する脳磁の向きとを一致させることが可能となり、脳磁の測定を精度良く行うことができる。また、被測定者の頭部の表面にほぼ垂直な方向であって被測定者の頭部に向かう方向にレーザ光が出射され、レーザ光が蒸気セルに入射され、被測定者の頭部の表面にほぼ垂直な方向であって被測定者の頭部から離れる方向に光路変更されたレーザ光が受光される。このため、レーザ光を受光する受光素子に対する電気配線を、外部から被測定者の頭部に近接する位置まで引き回すことが不要となる。したがって、多数の光ポンピング磁力計を並べて脳磁計を作製する場合に、簡易な構成で脳磁計を作製することができる。
【００１１】
また、本発明に係る脳磁計において、蒸気セルは複数のレーザ光を通過させることが好ましい。これによれば、蒸気セルを大きくして、複数のレーザ光に対して１つの蒸気セルを共用できるため、各レーザ光が通過する領域における蒸気密度のばらつきを小さくすることができ、測定精度を高めることができる。
【００１２】
また、蒸気セルは、一定の平面度を保つ限り大きくすることが好ましい。これによれば、セルの数を少なくできるため、蒸気密度のばらつきを小さくすることができ、測定精度を高めることができる。
【００１３】
また、レーザ光出射手段、偏光変化検出手段は、いずれも蒸気セル上に設けられることが好ましい。これによれば、レーザ光出射手段、偏光変化検出手段と蒸気セルとを一体のユニットとして扱うことができ、取り扱いが容易になり、また、脳磁計の小型化が図れる。
【００１４】
また、光ポンピング磁力計において、レーザ光出射手段は、ポンプ光を出射するポンプ光出射手段とプローブ光を出射するプローブ光出射手段を別々に有し、ポンプ光出射手段は、ポンプ光を、被測定者の頭部の表面に平行な第１の方向で蒸気セルに入射させ、プローブ光出射手段は、プローブ光を被測定者の頭部の表面に平行な方向であって第１の方向に垂直な第２の方向で蒸気セルに入射させ、反射手段は、蒸気セルを通過した前記プローブ光を反射し、偏光変化検出手段は、反射手段により反射されたプローブ光の偏光の変化を検出する構成とすることができる。
【００１５】
これによれば、ポンプ光を、被測定者の頭部の表面に平行な第１の方向で蒸気セルに入射させ、レーザ光をプローブ光として、被測定者の頭部の表面に平行な方向であって第１の方向に直交する第２の方向で蒸気セルに入射させる。したがって、第１の方向と第２の方向のいずれにも垂直な方向、すなわち被測定者の頭部の表面に垂直な方向の脳磁を精度良く測定することができる。
【００１６】
また、レーザ光出射手段は、被測定者の頭部の表面にほぼ垂直な方向であって被測定者の頭部に向かう方向でレーザ光を蒸気セルに入射させることとしてもよい。
【００１７】
これによれば、被測定者の頭部の表面にほぼ垂直な方向であって被測定者の頭部に向かう方向でレーザ光を入射させ、その後、被測定者の頭部の表面にほぼ垂直であって被測定者の頭部から離れる方向にレーザ光を反射して、レーザ光を受光して、レーザ光の偏光の変化を検出する。このため、ポンプ光とプローブ光の２つの光源を用意する必要がなく、低コストかつ省スペースで脳磁計を作製することができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、簡易な構成で、低コストで精度の良い脳磁計及び脳磁測定方法が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の第１実施形態に係る脳磁計を示す概略斜視図である。
【図２】本発明の第１実施形態に係る脳磁計を構成する光ポンピング磁力計を示す斜視図である。
【図３】本発明の第１実施形態に係る脳磁計を構成する他の光ポンピング磁力計を示す斜視図である。
【図４】本発明の第２実施形態に係る脳磁計を構成する光ポンピング磁力計を示す斜視図である。
【図５】本発明の第２実施形態に係る脳磁計を構成する他の光ポンピング磁力計を示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明による脳磁計の好適な実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、各図において、同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
【００２１】
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係る脳磁計を示す概略斜視図である。この脳磁計は、人間の頭部の脳磁を測定するためのものである。
【００２２】
図１に示すように、脳磁計１００は、複数の光ポンピング磁力計１を備える。光ポンピング磁力計１は、蒸気セル２（図２参照）を有している。これらの蒸気セル２は、被測定者の頭部を覆うヘルメット形状をなすように（頭部の表面形状に倣うように）多数配置されている。
【００２３】
図２は、本発明の第１実施形態に係る光ポンピング磁力計１を示す斜視図である。
【００２４】
光ポンピング磁力計１は、蒸気セル２、ポンプ光レーザ（ポンプ光出射手段）３、偏光子４、ミラー５、ミラー６、プローブ光レーザ（プローブ光出射手段）７、偏光子８、ミラー９、ミラー（反射手段）１０、フォトダイオード（偏光変化検出手段）１１を有している。ここで、被測定者の頭部は、光ポンピング磁力計１から見て、ｚ軸方向の負側にある。また、被測定者の頭部の表面は、ｘｙ平面に平行でｚ軸方向とは垂直である。そして、人間の脳磁は、主に頭部の表面に垂直な方向の成分からなるため、被測定者の脳磁は、主にｚ軸方向の成分からなる。
【００２５】
蒸気セル２は、透明な材料、例えばガラスや石英などによって形成される中空体である。この蒸気セル２の内部に、アルカリ金属、例えばカリウム、ルビジウム又はセシウムなどのアルカリ金属が充填される。また、アルカリ金属原子が蒸気セル２の壁に衝突することを防止するためのバッファガスとして、希ガス、例えばヘリウムなども蒸気セル２の内部に充填される。さらに、蛍光防止のためのクエンチングガスとして、例えば窒素などの気体も蒸気セル２の内部に充填される。蒸気セル２は、蒸気セル２の壁に接して設けられるヒーターによって、または、蒸気セル２とは別の場所で発生させた熱風を蒸気セル２の周囲に流すことによって加熱される。脳磁測定の感度は、蒸気セル２中の蒸気の密度が高いほど向上する。しかし、実用性を考慮すると、セルの温度は摂氏１００度から２００度程度とすることが好ましい。なお、蒸気セル２の温度を保つため、及び、被測定者の頭部を保護するため、蒸気セル２の全体は断熱材で覆われる。ここで、蒸気セル２は、一定の平面度を保つ限り大きくすることが好ましい。すなわち、蒸気セル２の平面と、被測定者の頭部の表面とが平行にできる範囲で、蒸気セル２を大きくすることが好ましい。
【００２６】
ポンプ光レーザ３は、ポンプ光Ｌ１を蒸気セル２に対して照射するものである。ポンプ光Ｌ１は、蒸気セル２内のアルカリ金属を光ポンピングする。このポンプ光レーザ３は、蒸気セル２内のアルカリ金属を光ポンピングすることのできる波長を有する光を発光する。そして、ポンプ光レーザ３は、ｚ軸方向の負の向きにポンプ光Ｌ１を出射する。このｚ軸方向の負の向きは、被測定者の頭部の表面に垂直な方向であって被測定者の頭部に向かう方向である。
【００２７】
偏光子４は、ポンプ光レーザ３から出射されたポンプ光Ｌ１の偏光状態を円偏光にするためのものである。具体的には、直線偏光を円偏光にするためのλ／４板などが用いられる。
【００２８】
ミラー５は、偏光子４を通過したポンプ光Ｌ１の光路を変更し、蒸気セル２に入射させるためのものである。
【００２９】
ミラー６は、蒸気セル２を通過したポンプ光Ｌ１の光路を被測定者の頭部から離れる方向に変更するためのものである。
【００３０】
一方、プローブ光レーザ７は、プローブ光Ｌ２を蒸気セル２に対して照射するものである。そして、プローブ光レーザ７は、ｚ軸方向の負の向きにプローブ光Ｌ２を出射する。このｚ軸方向の負の向きは、被測定者の頭部の表面に垂直な方向であって被測定者の頭部に向かう方向である。
【００３１】
偏光子８は、プローブ光レーザ７から出射されたプローブ光Ｌ２の偏光状態を直線偏光にするためのものである。
【００３２】
ミラー９は、偏光子８を通過したプローブ光Ｌ２の光路を変更し、蒸気セル２に入射させるためのものである。
【００３３】
ミラー１０は、蒸気セル２を通過したプローブ光Ｌ２の光路を変更し、フォトダイオード１１に入射させるためのものである。このミラー１０は、プローブ光Ｌ２を、ｚ軸方向の正の向きに反射する。このｚ軸方向の正の向きは、被測定者の頭部の表面に垂直な方向であって、被測定者の頭部から離れる方向である。
【００３４】
フォトダイオード１１は、ミラー１０によって反射されたプローブ光Ｌ２を受光する受光素子である。そして、このフォトダイオード１１は、プローブ光Ｌ２の偏光面の回転角を検出することができる。
【００３５】
なお、ポンプ光レーザ３、プローブ光レーザ７及びフォトダイオード１１は、いずれも蒸気セル２上に設けられる。
【００３６】
上述のように構成される光ポンピング磁力計１は、以下に説明するように、ＳＥＲＦ（spin exchange relaxation-free）法によって磁場を測定する。
【００３７】
被測定者の脳磁を測定するにあたり、あらかじめ、蒸気セル２の壁に接して設けられるヒーターによって、または、蒸気セル２とは別の場所で発生させた熱風を蒸気セル２の周囲に流すことによって、蒸気セル２を加熱しておく。これにより、蒸気セル２の内部のアルカリ金属原子が所定の密度に達する。
【００３８】
次に、ポンプ光レーザ３からポンプ光Ｌ１が、ｚ軸方向の負の向きに出射され、この出射されたポンプ光Ｌ１は、偏光子４によって、偏光状態を円偏光とされ、この円偏光とされたポンプ光Ｌ１は、ミラー５によってｘ軸方向の正の向き（第１の方向）に反射され、蒸気セル２へ入射する。このｘ軸方向は、被測定者の頭部の表面に平行な方向である。なお、ミラー５は、一般にはｓ波（電界成分が入射面に垂直な光）に対する反射率とｐ波（電界成分が入射面に平行な光）に対する反射率が異なる。したがって、ポンプ光Ｌ１が反射された後、蒸気セル２に入射するときにポンプ光Ｌ１の偏光状態が円偏光であるようにすべく、ミラー５に入射するポンプ光Ｌ１のｓ波成分とｐ波成分は適宜調整される。後述のミラー９も同様である。
【００３９】
円偏光であるポンプ光Ｌ１が蒸気セル２へ入射すると、蒸気セル２内のアルカリ金属原子は光ポンピングされ、その原子スピンが同一方向にそろえられる。
【００４０】
そして、ポンプ光Ｌ１は蒸気セル２を通過し、ミラー６によってｚ軸方向の正の向きに反射される。
【００４１】
上記のようにして蒸気セル２内のアルカリ金属が光ポンピングされた状態で、プローブ光レーザ７からプローブ光Ｌ２が、ｚ軸方向の負の向きに出射され、この出射されたプローブ光Ｌ２は、偏光子８によって、偏光状態を直線偏光とされ、この直線偏光とされたプローブ光Ｌ２は、ミラー９によってｙ軸方向の正の向き（第２の方向）に反射され、蒸気セル２へ入射する。このｙ軸方向は、被測定者の頭部の表面に平行な方向であって、ｘ軸方向と直交する方向である。
【００４２】
ここで、蒸気セル２において、円偏光のポンプ光Ｌ１はｘ軸方向に入射し、直線偏光のプローブ光Ｌ２はｙ軸方向に入射している。この場合、プローブ光Ｌ２の偏光面は、ポンプ光Ｌ１とプローブ光Ｌ２のいずれにも垂直な方向、すなわちｚ軸方向の磁場Ｂｚに応じた角度だけ回転する。
【００４３】
そして、プローブ光Ｌ２は蒸気セル２を通過し、ミラー１０によってｚ軸方向の正の向きに反射され、その後、フォトダイオード１１によって受光される。フォトダイオード１１が受光することによって流れる電流は、プローブ光Ｌ２の偏光面の回転角に応じて変化する。したがって、フォトダイオード１１によって、プローブ光Ｌ２の偏光面の回転角、すなわち偏光の変化を検出することができ、プローブ光Ｌ２の偏光面の回転角から、蒸気セル２におけるｚ軸方向の磁場Ｂｚ、すなわち被測定者の脳磁を測定することができる。
【００４４】
以上のように、第１実施形態に係る脳磁計１００においては、被測定者の頭部を覆うヘルメット形状をなすように複数の光ポンピング磁力計１が配置され、光ポンピング磁力計１を構成する蒸気セル２が被測定者の頭部の表面にほぼ平行に配置されるため、光ポンピング磁力計１の検出できる磁場の向きと、被測定者の発生する脳磁の向きとが一致し、脳磁の測定を精度良く行うことができる。また、光ポンピング磁力計１においては、円偏光であるポンプ光Ｌ１を、被測定者の頭部の表面に平行なｘ軸方向で蒸気セル２に入射させ、直線偏光であるプローブ光Ｌ２を、被測定者の頭部の表面に平行であってｘ軸方向とは直交するｙ軸方向で蒸気セル２に入射させる。したがって、ｘ軸方向とｙ軸方向のいずれにも垂直な方向、すなわち被測定者の頭部の表面に垂直な方向の脳磁を精度良く測定することができる。
【００４５】
また、プローブ光Ｌ２は、被測定者の頭部の表面に垂直な方向であって被測定者の頭部に向かう方向であるｚ軸方向の負の向きに出射され、偏光状態が直線偏光にされ、直線偏光にされたプローブ光Ｌ２が蒸気セル２に入射され、被測定者の頭部の表面に垂直な方向であって被測定者の頭部から離れる方向であるｚ軸方向の正の向きに光路変更されてフォトダイオード１１に受光されるため、フォトダイオード１１に対する電気配線を、外部から被測定者の頭部に近接する位置まで引き回すことが不要となり、多数の光ポンピング磁力計１を並べて脳磁計１００を作製する場合に、簡易な構成で脳磁計１００を作製することができる。
【００４６】
また、蒸気セル２は、一定の平面度を保つ限り大きくされているため、蒸気セル２の数を少なくできるから、蒸気密度のばらつきを小さくすることができ、測定精度を高めることができる。
【００４７】
また、ポンプ光レーザ３、プローブ光レーザ７及びフォトダイオード１１は、いずれも蒸気セル２上に設けられるため、ポンプ光レーザ３、プローブ光レーザ７及びフォトダイオード１１と蒸気セル２とを一体のユニットとして扱うことができ、取り扱いが容易になり、また、脳磁計１００の小型化が図れる。
【００４８】
図３は、本発明の第１実施形態に係る他の光ポンピング磁力計２１を示す斜視図である。
【００４９】
光ポンピング磁力計２１が光ポンピング磁力計１と異なる点は次の点である。すなわち、光ポンピング磁力計１においては、蒸気セル２を通過するプローブ光Ｌ２は１本だけであるが、これに対し、光ポンピング磁力計２１においては、蒸気セル２は複数のプローブ光Ｌ２を通過させることができるように、一定の平面度を保つ限り大きなものとされている。このように、蒸気セル２をどれだけ大きくできるかは、測定対象となる領域の平面度により制限される。すなわち、蒸気セル２を大きくしすぎると、測定対象となる領域が曲面であることから、蒸気セル２の底面と測定対象となる領域が平行でなくなり、脳磁測定が不可能となってしまう。また、蒸気セル２の大きさは、ポンプ光レーザ３から発光されるポンプ光Ｌ１の強度の減衰、蒸気セル２内のアルカリ金属蒸気の密度の均一性などによっても制限される。その他の点においては、光ポンピング磁力計２１の構成及び機能は、光ポンピング磁力計１と同様である。
【００５０】
このように構成された光ポンピング磁力計２１においても、光ポンピング磁力計１と同様な効果を得ることができ、加えて、ポンプ光レーザ３の数を低減でき、一層低コスト化を図ることができる。
【００５１】
また、光ポンピング磁力計２１においては、光ポンピング磁力計１のように複数のプローブ光Ｌ２に対して複数の蒸気セル２を設けるのではなく、１個の大きな蒸気セル２を設ける構成となっている。このため、複数のプローブ光に対して１つの蒸気セル２を共用できるから、各プローブ光が通過する領域における蒸気密度のばらつきを小さくすることができ、測定精度を高めることができる。
【００５２】
また、蒸気セル２は、一定の平面度を保つ限り大きくされているため、セルの数を少なくすることができるから、蒸気密度のばらつきを小さくすることができ、測定精度を高めることができる。
【００５３】
（第２実施形態）
図４は、本発明の第２実施形態に係る光ポンピング磁力計３１を示す斜視図である。
【００５４】
第２実施形態に係る光ポンピング磁力計３１が第１実施形態に係る光ポンピング磁力計１と異なる点は、次の点である。すなわち、第１実施形態に係る光ポンピング磁力計１は、ＳＥＲＦ法によって脳磁の測定を行っているが、これに対し、光ポンピング磁力計３１においては、いわゆる非線形ファラデー回転現象を利用して脳磁の測定を行う。そのため、第２実施形態に係る光ポンピング磁力計３１は、第１実施形態に係る光ポンピング磁力計１と、具体的には以下のように異なる構成を備えている。
【００５５】
第２実施形態に係る光ポンピング磁力計３１は、レーザ（レーザ光出射手段）３２、偏光子８、蒸気セル２、ミラー（反射手段）３３及びフォトダイオード（偏光変化検出手段）１１を有する。ここで、被測定者の頭部は、光ポンピング磁力計３１から見て、ｚ軸方向の負側にある。また、被測定者の頭部の表面は、ｘｙ平面に平行でｚ軸方向とは垂直である。
【００５６】
レーザ３２は、被測定者の頭部の表面にほぼ垂直な方向であって被測定者の頭部に向かう方向で、ｚ軸の負の向きにほぼ近い方向にレーザ光Ｌ３を出射する。なお、ここでのｚ軸の負の向きにほぼ近い方向とは、レーザ光Ｌ３が、ｚ軸方向の磁場によって非線形ファラデー回転現象を生じるような方向であって、かつ、被測定者の頭部の表面に沿って光ポンピング磁力計３１を並べて配置したときに、レーザ３２やフォトダイオード１１の位置が干渉することのないような方向をいう。また、レーザ３２は、偏光子８を介して、ｚ軸方向の負の向きにほぼ近い方向で蒸気セル２にレーザ光Ｌ３を入射させる。
【００５７】
偏光子８は、被測定者の頭部の表面にほぼ垂直であって被測定者の頭部に向かう方向、より具体的には、ｚ軸の負の向きにほぼ近い方向でレーザ光Ｌ３を蒸気セル２に入射させる。
【００５８】
ミラー３３は、蒸気セル２を通過したレーザ光Ｌ３を、被測定者の頭部の表面に垂直な方向であって被測定者の頭部から離れる方向、より具体的には、ｚ軸方向の正の向きにほぼ近い方向に反射する。
【００５９】
なお、レーザ３２及びフォトダイオード１１は、いずれも蒸気セル２上に設けられる。
【００６０】
上述のように構成される光ポンピング磁力計３１は、以下に説明するように、非線形ファラデー回転現象を利用して磁場を測定する。
【００６１】
被測定者の脳磁を測定するにあたり、あらかじめ蒸気セル２の壁に接して設けられるヒーターによって、または、蒸気セル２とは別の場所で発生させた熱風を蒸気セル２の周囲に流すことによって蒸気セル２を加熱しておくのは、光ポンピング磁力計１の場合と同様である。
【００６２】
次に、レーザ３２からレーザ光Ｌ３が、ｚ軸の負の向きにほぼ近い方向に出射され、このレーザ光Ｌ３は、偏光子８によって、その偏光状態を直線偏光とされ、この直線偏光とされたレーザ光Ｌ３は、ｚ軸の負の向きにほぼ近い方向で蒸気セル２へ入射する。
【００６３】
レーザ光Ｌ３は、蒸気セル２の内部を、ｚ軸の負の向きにほぼ近い方向に進む。このとき、レーザ光Ｌ３の偏光面は、非線形ファラデー回転現象により、ｚ軸方向の磁場Ｂｚに応じた角度だけ回転する。
【００６４】
そして、レーザ光Ｌ３は蒸気セル２を通過し、ミラー３３によってｚ軸方向の正の向きに反射され、その後、フォトダイオード１１によって受光される。フォトダイオード１１によってレーザ光Ｌ３の偏光面の回転角、すなわち偏光の変化が検出され、この回転角によって蒸気セル２におけるｚ軸方向の磁場、すなわち被測定者の脳磁が測定されるのは、第１実施形態に係る光ポンピング磁力計１の場合と同様である。
【００６５】
以上で説明した光ポンピング磁力計３１を用いた脳磁計１００によっても、光ポンピング磁力計３１の検出できる磁場の向きと、被測定者の発生する脳磁の向きとが一致し、脳磁の測定を精度良く行うことができる。
【００６６】
また、複数の蒸気セル２を有する光ポンピング磁力計３１の作用は、光ポンピング磁力計１の場合と同様であり、したがって、フォトダイオード１１に対する電気配線を、外部から被測定者の頭部に近接する位置まで引き回すことが不要となり、簡易な構成で脳磁計１００を作製することができる。
【００６７】
また、蒸気セル２は、一定の平面度を保つ限り大きくされるため、セルの数を少なくできるから、蒸気密度のばらつきを小さくすることができ、測定精度を高めることができる。
【００６８】
また、レーザ３２及びフォトダイオード１１は、いずれも蒸気セル２上に設けられるため、レーザ３２及びフォトダイオード１１と蒸気セル２とを一体のユニットとして扱うことができ、取り扱いが容易になり、また、脳磁計１００の小型化が図れる。
【００６９】
さらに、光ポンピング磁力計３１においては、被測定者の頭部の表面にほぼ垂直な方向であって被測定者の頭部に向かう方向でレーザ光Ｌ３が入射し、被測定者の頭部の表面にほぼ垂直であって被測定者の頭部から離れる方向にレーザ光Ｌ３が反射され、レーザ光Ｌ３が受光されて、レーザ光Ｌ３の偏光の変化が検出される。このため、ポンプ光とプローブ光の２つの光源を用意する必要がなく、低コストかつ省スペースで脳磁計を作製することができる。
【００７０】
図５は、本発明の第２実施形態に係る他の光ポンピング磁力計４１を示す斜視図である。
【００７１】
光ポンピング磁力計４１が光ポンピング磁力計３１と異なる点は次の点である。すなわち、光ポンピング磁力計３１においては、蒸気セル２を通過するレーザ光Ｌ３は１本だけであるが、これに対し、光ポンピング磁力計４１においては、蒸気セル２は複数のレーザ光Ｌ３を通過させることができるように、一定の平面度を保つ限り大きなものとされている。その他の点においては、光ポンピング磁力計４１の構成及び機能は、光ポンピング磁力計３１と同様である。
【００７２】
したがって、光ポンピング磁力計４１は、光ポンピング磁力計３１と同様の作用効果を奏する。さらに、蒸気セル２は複数のレーザ光Ｌ３を通過させるため、蒸気セル２を大きくして、複数のレーザ光Ｌ３に対して１つの蒸気セル２を共用できるから、各レーザ光が通過する領域における蒸気密度のばらつきを小さくすることができ、測定精度を高めることができる。
【００７３】
以上、本発明をその実施形態に基づき具体的に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。例えば、偏光変化検出手段として、上記実施形態ではフォトダイオード１１を使用したが、これに代えて、種々の公知の手法を用いて、プローブ光Ｌ２又はレーザ光Ｌ３の偏光面の回転角を検出してもよい。
【符号の説明】
【００７４】
１，２１，３１，４１…光ポンピング磁力計、２…蒸気セル、３…ポンプ光レーザ（レーザ光出射手段、ポンプ光出射手段）、４…偏光子、７…プローブ光レーザ（レーザ光出射手段、プローブ光出射手段）、８…偏光子、１０，３３…ミラー（反射手段）、１１…フォトダイオード（偏光変化検出手段）、３２…レーザ（レーザ光出射手段）、１００…脳磁計。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定者の頭部の脳磁を測定するための脳磁計であって、
前記被測定者の頭部を覆うヘルメット形状をなすように複数配置された光ポンピング磁力計を備え、
前記光ポンピング磁力計は、
アルカリ金属原子を充填され、前記被測定者の頭部の表面にほぼ平行に配置された蒸気セルと、
前記被測定者の頭部の表面にほぼ垂直な方向であって前記被測定者の頭部に向かう方向にレーザ光を出射して前記蒸気セルに前記レーザ光を入射させるレーザ光出射手段と、
前記蒸気セルを通過した前記レーザ光を、前記被測定者の頭部の表面にほぼ垂直な方向であって前記被測定者の頭部から離れる方向に反射する反射手段と、
前記反射手段により反射された前記レーザ光を受光して、前記レーザ光の偏光の変化を検出する偏光変化検出手段と、
を有することを特徴とする脳磁計。
【請求項２】
前記蒸気セルは複数の前記レーザ光を通過させることを特徴とする、請求項１に記載の脳磁計。
【請求項３】
前記蒸気セルは、一定の平面度を保つ限り大きくしたことを特徴とする、請求項１又は２に記載の脳磁計。
【請求項４】
前記レーザ光出射手段、前記偏光変化検出手段は、いずれも前記蒸気セル上に設けられることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の脳磁計。
【請求項５】
前記光ポンピング磁力計において、
前記レーザ光出射手段は、ポンプ光を出射するポンプ光出射手段とプローブ光を出射するプローブ光出射手段を別々に有し、
前記ポンプ光出射手段は、前記ポンプ光を、前記被測定者の頭部の表面に平行な第１の方向で前記蒸気セルに入射させ、
前記プローブ光出射手段は、前記プローブ光を前記被測定者の頭部の表面に平行な方向であって前記第１の方向に垂直な第２の方向で前記蒸気セルに入射させ、
前記反射手段は、前記蒸気セルを通過した前記プローブ光を反射し、
前記偏光変化検出手段は、前記反射手段により反射された前記プローブ光の偏光の変化を検出することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の脳磁計。
【請求項６】
前記レーザ光出射手段は、前記被測定者の頭部の表面にほぼ垂直な方向であって前記被測定者の頭部に向かう方向で前記レーザ光を前記蒸気セルに入射させることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の脳磁計。
【請求項７】
被測定者の頭部の脳磁を測定するための脳磁測定方法であって、
前記被測定者の頭部を覆うヘルメット形状をなすように複数配置された光ポンピング磁力計を用い、
前記光ポンピング磁力計においては、
前記被測定者の頭部の表面にほぼ平行に配置された蒸気セルにアルカリ金属原子を充填し、
前記被測定者の頭部の表面にほぼ垂直な方向であって前記被測定者の頭部に向かう方向にレーザ光を出射して前記蒸気セルに前記レーザ光を入射させ、
前記蒸気セルを通過した前記レーザ光を、前記被測定者の頭部の表面にほぼ垂直な方向であって前記被測定者の頭部から離れる方向に反射し、
反射された前記レーザ光を受光して、前記レーザ光の偏光の変化を検出することにより、被測定者の頭部の脳磁を測定することを特徴とする脳磁測定方法。
【請求項１】
被測定者の頭部の脳磁を測定するための脳磁計であって、
前記被測定者の頭部を覆うヘルメット形状をなすように複数配置された光ポンピング磁力計を備え、
前記光ポンピング磁力計は、
アルカリ金属原子を充填され、前記被測定者の頭部の表面にほぼ平行に配置された蒸気セルと、
前記被測定者の頭部の表面にほぼ垂直な方向であって前記被測定者の頭部に向かう方向にレーザ光を出射して前記蒸気セルに前記レーザ光を入射させるレーザ光出射手段と、
前記蒸気セルを通過した前記レーザ光を、前記被測定者の頭部の表面にほぼ垂直な方向であって前記被測定者の頭部から離れる方向に反射する反射手段と、
前記反射手段により反射された前記レーザ光を受光して、前記レーザ光の偏光の変化を検出する偏光変化検出手段と、
を有することを特徴とする脳磁計。
【請求項２】
前記蒸気セルは複数の前記レーザ光を通過させることを特徴とする、請求項１に記載の脳磁計。
【請求項３】
前記蒸気セルは、一定の平面度を保つ限り大きくしたことを特徴とする、請求項１又は２に記載の脳磁計。
【請求項４】
前記レーザ光出射手段、前記偏光変化検出手段は、いずれも前記蒸気セル上に設けられることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の脳磁計。
【請求項５】
前記光ポンピング磁力計において、
前記レーザ光出射手段は、ポンプ光を出射するポンプ光出射手段とプローブ光を出射するプローブ光出射手段を別々に有し、
前記ポンプ光出射手段は、前記ポンプ光を、前記被測定者の頭部の表面に平行な第１の方向で前記蒸気セルに入射させ、
前記プローブ光出射手段は、前記プローブ光を前記被測定者の頭部の表面に平行な方向であって前記第１の方向に垂直な第２の方向で前記蒸気セルに入射させ、
前記反射手段は、前記蒸気セルを通過した前記プローブ光を反射し、
前記偏光変化検出手段は、前記反射手段により反射された前記プローブ光の偏光の変化を検出することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の脳磁計。
【請求項６】
前記レーザ光出射手段は、前記被測定者の頭部の表面にほぼ垂直な方向であって前記被測定者の頭部に向かう方向で前記レーザ光を前記蒸気セルに入射させることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の脳磁計。
【請求項７】
被測定者の頭部の脳磁を測定するための脳磁測定方法であって、
前記被測定者の頭部を覆うヘルメット形状をなすように複数配置された光ポンピング磁力計を用い、
前記光ポンピング磁力計においては、
前記被測定者の頭部の表面にほぼ平行に配置された蒸気セルにアルカリ金属原子を充填し、
前記被測定者の頭部の表面にほぼ垂直な方向であって前記被測定者の頭部に向かう方向にレーザ光を出射して前記蒸気セルに前記レーザ光を入射させ、
前記蒸気セルを通過した前記レーザ光を、前記被測定者の頭部の表面にほぼ垂直な方向であって前記被測定者の頭部から離れる方向に反射し、
反射された前記レーザ光を受光して、前記レーザ光の偏光の変化を検出することにより、被測定者の頭部の脳磁を測定することを特徴とする脳磁測定方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１３−１７７３２（Ｐ２０１３−１７７３２Ａ）
【公開日】平成２５年１月３１日（２０１３．１．３１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１５４８８１（Ｐ２０１１−１５４８８１）
【出願日】平成２３年７月１３日（２０１１．７．１３）
【出願人】（０００００２１０７）住友重機械工業株式会社 (2,241)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年１月３１日（２０１３．１．３１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年７月１３日（２０１１．７．１３）
【出願人】（０００００２１０７）住友重機械工業株式会社 (2,241)
【Ｆターム（参考）】
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