JP2011106968A

JP2011106968A - 磁気計測装置

Info

Publication number: JP2011106968A
Application number: JP2009262382A
Authority: JP
Inventors: Masahiko Nakajima; 雅彦中島; Kimio Nagasaka; 公夫長坂
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2009-11-17
Filing date: 2009-11-17
Publication date: 2011-06-02

Abstract

【課題】磁気的な情報を、特定の平面のベクトル成分に加え、他の平面のベクトル成分についても得られるようにする。
【解決手段】磁気計測装置は、円偏光により励起される原子を内部に含むセル（１１）と、円偏光成分を有し、前記原子を励起させる第１の光を、前記セルに第１の方向に照射する第１の照射部と、前記第１の照射部により前記第１の光が照射されたセルに、直線偏光成分を有する第２の光を前記第１の方向と交差する第２の方向に照射する第２の照射部と、前記第１の照射部により前記第１の光が照射されたセルに、前記第２の照射部により前記第２の光が照射されている期間に、直線偏光成分を有する第３の光を、前記第１の方向と異なり、前記第２の方向と交差する第３の方向に照射する第３の照射部と、前記第２の照射部により照射された第２の光及び前記第３の照射部により照射された第３の光のうちの前記セルを透過した成分を検出する検出部とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、磁気計測装置に関する。

光ポンピングを利用した磁気センサーが、いわゆるＭＲＩ（magnetic resonance imaging：磁気共鳴画像法）装置などに用いられている。この種の磁気センサーにおいては、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交差するように（望ましくは、直交するように）セルに照射され、さらに、これらの光の照射方向に対して直交する方向の磁場が印加される（例えば、特許文献１参照）。

特開２００９−１４７０８号公報

特許文献１に記載された技術の場合、プローブ光により得られる磁気的な情報は、ポンプ光とプローブ光の照射方向に応じた特定の平面のベクトル成分に限られる。
そこで、本発明は、磁気的な情報を、特定の平面のベクトル成分に加え、他の平面のベクトル成分についても得られるようにすることを目的とする。

本発明の一態様に係る磁気計測装置は、円偏光により励起される原子を内部に含むセルと、円偏光成分を有し、前記原子を励起させる第１の光を、前記セルに第１の方向に照射する第１の照射部と、前記第１の照射部により前記第１の光が照射されたセルに、直線偏光成分を有する第２の光を前記第１の方向と交差する第２の方向に照射する第２の照射部と、前記第１の照射部により前記第１の光が照射されたセルに、前記第２の照射部により前記第２の光が照射されている期間に、直線偏光成分を有する第３の光を、前記第１の方向及び前記第２の方向と交差する第３の方向に照射する第３の照射部と、前記第２の照射部により照射された第２の光のうちの前記セルを透過した成分を検出する第１の検出部と、前記第３の照射部により照射された第３の光のうちの前記セルを透過した成分を検出する第２の検出部とを備える構成を有する。この構成によれば、磁気的な情報を、第２の光によりある平面のベクトル成分について得るとともに、第３の光により当該ある平面と異なる他の平面のベクトル成分について、すなわち２つの平面の成分について得ることが可能となる。

本発明に係る磁気計測装置は、別の好ましい態様において、前記第２の照射部が、前記第１の光と直交する方向に向かうように前記第２の光を照射し、前記第３の照射部が、前記第１の光及び前記第２の光と直交する方向に向かうように前記第３の光を照射する構成を有する。この構成によれば、光の照射方向が直交しない場合に比べ、磁気的な情報を、少ない誤差で、又は容易に得ることが可能である。

本発明の基本的な概念を説明するための模式図磁気計測装置の構成を示すブロック図磁気計測装置の構成を示す図磁気計測装置の構成を示す図

［発明の原理］
図１は、本発明の基本的な概念を説明するための模式図である。本発明は、磁気センサー素子１０に対して、第１の光Ｌ₁と、第２の光Ｌ₂と、第３の光Ｌ₃とを照射するものである。ここにおいて、第１の光Ｌ₁の進行方向をＸ軸の正方向とする直交座標系を想定すると、第２の光Ｌ₂及び第３の光Ｌ₃の進行方向は、それぞれ、Ｙ軸又はＺ軸の正方向と一致する。よって、この座標系においては、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の正方向が、本発明に係る「第１の方向」、「第２の方向」、「第３の方向」にそれぞれ相当する。

磁気センサー素子１０は、セル１１を含んで構成される。セル１１は、ガラス等の光を透過する材料で形成された中空の物体である。セル１１は、所定の原子を内部に含む。ここにおいて、所定の原子は、円偏光により励起されてスピン偏極される原子であり、例えば、第１族元素のうちの水素（Ｈ）を除くもの、すなわちアルカリ金属の原子である。アルカリ金属に該当する元素は、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）である。セル１１に封入されているアルカリ金属は、典型的には１種類であるが、複数種類であることを妨げない。セル１１には、かかるアルカリ金属の原子が気体の状態（すなわちガス状態）で封入されている。なお、セル１１に含まれるアルカリ金属の原子は、磁気センサー素子１０を用いて磁気的な信号を検出するときに気体の状態であれば足り、常時気体として存在している必要はない。また、セル１１は、ヘリウム（Ｈｅ）、窒素（Ｎ）などをバッファーガスとして内部に含んでいてもよい。

セル１１は、ここでは立方体であるとする。また、ここにおいて定義される直交座標系は、この立方体の重心を座標系の原点とし、各々の座標軸がこの立方体の各面と平行又は垂直になるものである。なお、セル１１は、ここでは説明の便宜上立方体とするだけであり、他の立体形状とすることも可能である。

第１の光Ｌ₁は、ポンプ光に相当する。ポンプ光は、円偏光成分を有する光であり、セル１１内部のアルカリ金属原子を励起させる光である。ここにおいて、原子が励起した状態とは、当該原子の外殻電子のスピンが偏極した状態にあることをいう。ポンプ光は、典型的にはレーザー光である。なお、ポンプ光は、円偏光成分を有していれば足り、他の成分を含んでいてもよい。

第２の光Ｌ₂及び第３の光Ｌ₃は、それぞれがプローブ光に相当する。プローブ光は、直線偏光成分を有する光であり、セル１１を介して検出される磁気的な信号を取得するための光である。プローブ光は、磁気的な信号を取得するために、ポンプ光に対して直交するようにセル１１に照射される。具体的には、第２の光Ｌ₂は、Ｙ軸正方向に照射され、第３の光Ｌ₃は、Ｚ軸正方向に照射される。つまり、ここにおいてプローブ光は、ポンプ光と直交するだけでなく、一方のプローブ光が他方のプローブ光と直交するように照射される。プローブ光は、典型的にはレーザー光である。なお、プローブ光は、直線偏光成分を有していれば足り、他の成分を含んでいてもよい。

ここにおいて、第２の光Ｌ₂は、計測対象から発せられる微小磁場の影響により乱れた電子スピンのうち、Ｘ軸及びＺ軸を含む平面（以下「ＸＺ平面」という。）のベクトル成分に相当する信号を取得するためのものである。一方、第３の光Ｌ₃は、計測対象から発せられる微小磁場の影響により乱れた電子スピンのうち、Ｘ軸及びＹ軸を含む平面（以下「ＸＹ平面」という。）のベクトル成分に相当する信号を取得するためのものである。つまり、第２の光Ｌ₂及び第３の光Ｌ₃のようなプローブ光を磁気センサー素子１０に対して照射することにより、電子スピンのＸＺ平面のベクトル成分に関する情報と、ＸＹ平面のベクトル成分に関する情報とが得られる。

［実施形態］
図２は、本発明の一実施形態である磁気計測装置の構成を示すブロック図である。同図に示すように、本実施形態の磁気計測装置１００は、磁気センサー素子１０と、照射部２０、３０、４０と、検出部５０と、磁場発生部６０とを備える。なお、磁気センサー素子１０は、図１に示したものと同様の構成であるとする。

照射部２０は、磁気センサー素子１０のセル１１にポンプ光を照射する手段であり、本発明に係る「第１の照射部」の一例に相当する。また、照射部３０及び４０は、セル１１にプローブ光を照射する手段であり、それぞれ、本発明に係る「第２の照射部」又は「第３の照射部」の一例に相当する。ここでは、照射部３０が第２の光Ｌ₂を照射し、照射部４０が第３の光Ｌ₃を照射するものとする。照射部３０及び４０は、セル１１に対して同時に光を照射する期間を少なくとも有する。なお、ここでいう「同時」は、照射の開始及び終了のタイミングが一致するものであることが望ましいが、一方が光を照射しているときに他方も光を照射している期間があれば足りるものである。検出部５０は、セル１１に入射した光のうちのセル１１を透過した成分を検出する手段であり、本発明に係る「検出部」の一例に相当する。検出部５０は、プローブ光に関する成分を少なくとも検出し、より望ましくは、ポンプ光に関する成分も検出する。検出部５０は、検出した光に応じた信号を可視化し、これを表示する手段を含んでもよいが、検出した光に応じた信号を生成し、これを外部装置（表示装置、コンピュータ装置など）に出力する構成のみであってもよい。磁場発生部６０は、セル１１の周囲に所定の磁場を形成する手段である。

図３は、磁気計測装置１００の構成のうち、特に電子スピンのＸＺ平面のベクトル成分に関する情報を取得するための構成を示す図である。つまり、図３においては、照射部４０と、照射部４０による光を検出する構成とが省略されている。
照射部２０は、光源２１と、半波長板２２と、ＰＢＳ（polarizing beam splitter：偏光ビームスプリッター）２３と、四分の一波長板２４とを備える。光源２１は、無偏光である光（例えばレーザー光）を照射する照射装置である。半波長板２２は、光源２１から照射された光の偏光面を回転させる光学素子である。ＰＢＳ２３は、半波長板２２を透過した光のｐ偏光成分（入射面に対して平行な成分）を透過させ、ｓ偏光成分（入射面に対して垂直な成分）を反射させる光学素子である。このｓ偏光成分は、レーザー光の出力のモニタリングに用いられてもよいし、光を吸収する部材により吸収されてもよい。また、ｓ偏光成分の反射方向は、図示した方向に限定されない。四分の一波長板２４は、ＰＢＳ２３を透過した光を円偏光に変化させる光学素子である。光源２１から照射された光は、半波長板２２、ＰＢＳ２３及び四分の一波長板２４の作用により、円偏光であるポンプ光になる。このポンプ光は、Ｘ軸の負方向から正方向に向かうように照射され、セル１１に入射する。

照射部３０は、光源３１と、半波長板３２と、ＰＢＳ３３と、偏光板３４とを備える。光源３１は、無偏光である光（例えばレーザー光）を照射する。半波長板３２は、光源３１から照射された光の偏光面を回転させる光学素子である。ＰＢＳ３３は、半波長板３２を透過した光のｐ偏光成分（入射面に対して平行な成分）を透過させ、ｓ偏光成分（入射面に対して垂直な成分）を反射させる光学素子である。偏光板３４は、ＰＢＳ３３を透過した光のうちの電場（磁場）の振動方向が特定方向のものを選択的に透過させる光学素子である。光源３１から照射された光は、半波長板３２、ＰＢＳ３３及び偏光板３４の作用により、直線偏光であるプローブ光になる。このプローブ光は、Ｙ軸の負方向から正方向に向かうように照射され、セル１１に入射する。

検出部５０は、第１検出部５０ａと、第２検出部５０ｂとを備える。検出部５０は、半波長板５１１と、ＰＢＳ５２１と、光センサー５３１、５４１と、演算増幅器５５１とを第１検出部５０ａとして備え、さらに、光センサー５６を備える。半波長板５１１、ＰＢＳ５２１、光センサー５３１、５４１及び演算増幅器５５１は、本発明に係る「第１の検出部」の一例に相当するものである。半波長板５１１は、光の偏光面を回転させる光学素子であり、照射部３０により照射されたプローブ光のうちのセル１１を透過した成分が入射される。ＰＢＳ５２１は、半波長板５１１を透過した光のｐ偏光成分を透過させ、ｓ偏光成分を反射させる光学素子である。光センサー５３１及び５４１は、検出した光に応じた電気信号を出力するフォトダイオード等の素子である。光センサー５３１は、ＰＢＳ５２１により透過されたｐ偏光成分を検出し、光センサー５４１は、ＰＢＳ５２１により反射されたｓ偏光成分を検出する。演算増幅器５５１は、光センサー５３１及び５４１による検出結果を増幅して出力する。光センサー５６は、照射部２０により照射されたポンプ光のうちのセル１１を透過した成分を検出する手段である。光センサー５６は、セル１１を透過した光を電気信号に変換する素子であり、例えば、フォトダイオードである。光センサー５６による検出結果は、ポンプ光のモニタリングに用いられる。

磁場発生部６０は、コイル６１と、磁気シールド６２とを備える。コイル６１は、信号用の磁場を印加するとともに、外部からの磁場に対する補正用の磁場を印加する。コイル６１は、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸の各方向の磁場を制御できるように、例えば、３軸ヘルムホルツコイルを含んで構成される。磁気シールド６２は、外部からの磁場を抑制する部材であり、セル１１及びコイル６１を覆うように設けられている（ただし、必要な光が透過するための経路は確保されている。）。

図４は、磁気計測装置１００の構成のうち、特に電子スピンのＸＹ平面のベクトル成分に関する情報を取得するための構成を示す図である。つまり、図４においては、照射部３０と、照射部３０による光を検出する構成とが省略されている。
照射部４０は、光源４１と、半波長板４２と、ＰＢＳ４３と、偏光板４４とを備える。照射部４０の各部の構成は、照射部３０の同名の各部と同様である。つまり、本実施形態の照射部４０は、プローブ光の照射方向が照射部３０と異なるほかは、照射部３０と同様の構成である。
検出部５０は、図３に示した構成のほかに、さらに、半波長板５１２と、ＰＢＳ５２２と、光センサー５３２、５４２と、演算増幅器５５２とを第２検出部５０ｂとして備える。これらの各部は、その設けられる位置が異なるほかは、図３に示した同名の各部と同様の構成を有するものである。半波長板５１２、ＰＢＳ５２２、光センサー５３２、５４２及び演算増幅器５５２は、本発明に係る「第２の検出部」の一例に相当するものである。

本実施形態の磁気計測装置１００の構成は、以上のとおりである。この構成のもと、磁気計測装置１００は、周知のＭＲＩの原理に基づいて計測を行う。磁気計測装置１００による計測の対象は、例えば、人体等の生体である。磁気計測装置１００においては、計測対象をセル１１の近傍に位置させ、計測が行われる。

［変形例］
本発明は、上述した実施形態と異なる形態によっても実施可能である。また、本発明は、以下に示す変形例を適宜に組み合わせることを妨げない。

本発明において、ポンプ光とプローブ光は、互いに直交する関係にあることが最も望ましい。ただし、ポンプ光とプローブ光は、プローブ光から磁気的な信号を取得できれば足りるため、交差する関係であればよく、完全に直交することを求められるものではない。なお、プローブ光どうしについても、互いに直交する平面のベクトル成分が磁気的な情報として得られるのであれば、プローブ光自体が直交する必要は必ずしもなく、直交する関係からのずれを許容し得る。

また、本発明において、セルに入射される光（第１の光、第２の光又は第３の光）は、出射されてからセルに入射するまでの進行方向が一定である必要はない。つまり、これらの光は、セルに入射するときに所定の方向になっていればよく、途中でミラー等によって反射され、進行方向が変更されてもよい。したがって、例えば、光の照射位置や検出位置を１箇所に集中させることも可能である。

また、本発明において、第１の光は、セルに照射され、セル内の原子を励起すれば十分であり、セルを透過した成分が検出されなくてもよいものである。よって、本発明に係る磁気センサー素子は、ポンプ光（すなわち第１の光）のうちのセルを透過した成分を吸収する部材を設けた構成とすることも可能である。かかる部材は、シート状であると、より好ましい。なお、この場合、上述した光センサー５６に相当する構成が不要になる。

１００…磁気計測装置、１０…磁気センサー素子、１１…セル、２０、３０、４０…照射部、５０…検出部、６０…磁場発生部

Claims

円偏光により励起される原子を内部に含むセルと、
円偏光成分を有し、前記原子を励起させる第１の光を、前記セルに第１の方向に照射する第１の照射部と、
前記第１の照射部により前記第１の光が照射されたセルに、直線偏光成分を有する第２の光を前記第１の方向と交差する第２の方向に照射する第２の照射部と、
前記第１の照射部により前記第１の光が照射されたセルに、前記第２の照射部により前記第２の光が照射されている期間に、直線偏光成分を有する第３の光を、前記第１の方向及び前記第２の方向と交差する第３の方向に照射する第３の照射部と、
前記第２の照射部により照射された第２の光のうちの前記セルを透過した成分を検出する第１の検出部と、
前記第３の照射部により照射された第３の光のうちの前記セルを透過した成分を検出する第２の検出部と
を備えることを特徴とする磁気計測装置。
前記第２の照射部が、前記第１の光と直交する方向に向かうように前記第２の光を照射し、
前記第３の照射部が、前記第１の光及び前記第２の光と直交する方向に向かうように前記第３の光を照射する
ことを特徴とする請求項１に記載の磁気計測装置。