JP2016102777A - 磁場計測方法及び磁場計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】計測領域に存在する原磁場を特定する新たな手法を提案すること。【解決手段】光源部２は、計測領域に配置されたガスセル３に、進行方向がｚ軸方向であり電場の振動方向がｙ軸方向である直線偏光を照射する。偏光計４は、ガスセル３を透過した光の光学特性を検出する。磁場発生器７は、ｚ軸成分、ｙ軸成分、ｚ軸方向及びｙ軸方向に直交するｘ軸成分を可変とする人工磁場を計測領域に印加する。そして、演算制御部５は、ｘ軸成分、ｙ軸成分、及びｚ軸成分を変えた複数の組み合わせの人工磁場であってｚ軸成分を周期的に変化させた人工磁場を磁場発生器７に発生させ、偏光計４の検出結果に基づき磁化値を算出し、磁化値の時間変化とｚ軸成分の時間変化との比が所定の極値条件を満たしたときの人工磁場を用いて計測領域に存在する原磁場を算出する。【選択図】図１

Description

本発明は、磁場を計測する磁場計測方法等に関する。

心臓からの磁場（心磁）や脳からの磁場（脳磁）といった生体が発する磁場（生体磁場）等の微弱な磁場を計測するための装置として、アルカリ金属原子が封入されたガスセルに直線偏光を照射し、偏光面の回転によって磁場を計測する光ポンピング式の磁気センサーを用いたものが知られている（例えば、特許文献１を参照）。

特開２０１３−１０８８３３号公報

光ポンピング式の磁気センサーを用いた微弱磁場の計測では、ガスセルが配置された計測領域に存在する例えば地磁気や都市ノイズ等の環境による磁場（原磁場と称す）をキャンセルする必要がある。原磁場が存在すると、その影響を受けて計測対象物が発生した磁場に対する感度が低下したり、計測精度の低下を招くためである。

本発明は、こうした事情に鑑みなされたものであり、計測領域に存在する原磁場を特定する新たな手法を提案することを目的とする。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態または適用例として実現することが可能である。

［適用例］本適用例に係る磁場計測方法は、第一方向と第二方向と第三方向とは互いに直交し、直線偏光を出射する光源部と、計測領域に配置されて電場の振動方向が前記第二方向である前記直線偏光が前記第三方向に沿って照射され、磁場に応じて前記直線偏光の光学特性を変化させる媒体と、前記光学特性を検出する光学検出器と、前記計測領域に人工磁場を印加する磁場発生器と、を備えた磁場計測装置が、前記計測領域の磁場を計測する磁場計測方法であって、前記第一方向〜第三方向の人工磁場成分を変えた複数の組み合わせの人工磁場であり、前記第三方向の人工磁場成分を周期的に変化させた人工磁場を前記磁場発生器に発生させることと、前記媒体の磁化ベクトルの前記第一方向の成分である磁化値を前記光学検出器の検出結果に基づいて算出することと、前記磁化値の時間変化と前記第三方向の人工磁場成分の時間変化との比が所定の極値条件を満たしたときの前記人工磁場を用いて、前記計測領域に存在する原磁場を算出することと、を含むことを特徴とする。

本適用例によれば、計測対象物から発する磁場が存在することになる計測領域における環境に由来する原磁場を求めることができる。

上記適用例に記載の磁場計測方法において、前記原磁場を算出することは、前記所定の極値条件を満たしたときの前記計測領域の磁場がゼロ磁場であることに基づいて、前記原磁場を算出することを含むことが好ましい。
この方法によれば、原磁場を正確に求めることができる。

上記適用例に記載の磁場計測方法において、前記人工磁場を発生させることは、前記第三方向の人工磁場成分をカットオフ角振動数以下の周期で変化させることを含むことが好ましい。
この方法によれば、原磁場を簡便且つ正確に求めることができる。

上記適用例に記載の磁場計測方法において、所定のターゲット磁場に対する前記原磁場の差分の磁場を、前記磁場発生器に発生させることと、前記計測領域に磁場を発生する計測対象物を接近させることと、前記差分の磁場を発生させている間の前記光学検出器の検出結果を用いて、前記計測対象物が発生した磁場を計測することと、を更に含むことが好ましい。
この方法によれば、計測領域における原磁場の影響を相殺して、計測対象物が発する磁場を正確に計測することができる。

［適用例］本適用例の磁場計測装置は、第一方向と第二方向と第三方向とは互いに直交し、直線偏光を出射する光源部と、電場の振動方向が前記第二方向である前記直線偏光が前記第三方向から照射され、照射された前記直線偏光を透過して、磁場に応じて光学特性が変化する計測領域に配置された媒体と、前記光学特性を検出する光学検出器と、前記第一方向、前記第二方向、前記第三方向の各成分を可変とする人工磁場を前記計測領域に印加する磁場発生器と、前記第一方向〜第三方向の人工磁場成分を変えた複数の組み合わせの人工磁場であり、前記第三方向の人工磁場成分を周期的に変化させた人工磁場を前記磁場発生器に発生させることと、前記媒体の磁化ベクトルの前記第一方向の成分である磁化値を前記光学検出器の検出結果に基づいて算出することと、前記磁化値の時間変化と前記第三方向の人工磁場成分の時間変化との比が所定の極値条件を満たしたときの前記人工磁場を用いて、前記計測領域に存在する原磁場を算出することを実行する演算制御部と、を備えたことを特徴とする。

本適用例によれば、計測対象物から発する磁場が存在することになる計測領域における環境に由来する原磁場を求めることが可能な磁場計測装置を提供することができる。

上記の課題を解決するための第１の発明は、第三方向に、電場の振動方向が前記第三方向に直交する第二方向である直線偏光を出射する光源部と、前記直線偏光を透過し、磁場に応じて光学特性が変化する計測領域に配置された媒体と、前記光学特性を検出する光学検出器と、前記第三方向、前記第二方向、前記第三方向及び前記第二方向に直交する第一方向の各成分を可変とする人工磁場を前記計測領域に印加する磁場発生器とを備えた装置が、前記計測領域の磁場を計測するための磁場計測方法であって、前記第一方向〜第三方向の人工磁場成分を変えた複数の組み合わせの人工磁場であり、前記第三方向の人工磁場成分を周期的に変化させた人工磁場を前記磁場発生器に発生させることと、前記媒体の磁化ベクトルの前記第一方向の成分である磁化値を前記光学検出器の検出結果に基づいて算出することと、前記磁化値の時間変化と前記第三方向の人工磁場成分の時間変化との比が所定の極値条件を満たしたときの前記人工磁場を用いて、前記計測領域に存在する原磁場を算出することと、を含む磁場計測方法である。

また、他の発明として、第三方向に、電場の振動方向が前記第三方向に直交する第二方向である直線偏光を出射する光源部と、前記直線偏光を透過し、磁場に応じて光学特性が変化する計測領域に配置された媒体と、前記光学特性を検出する光学検出器と、前記第三方向、前記第二方向、前記第三方向及び前記第二方向に直交する第一方向の各成分を可変とする人工磁場を前記計測領域に印加する磁場発生器と、前記第一方向〜第三方向の人工磁場成分を変えた複数の組み合わせの人工磁場であり、前記第三方向の人工磁場成分を周期的に変化させた人工磁場を前記磁場発生器に発生させることと、前記媒体の磁化ベクトルの前記第一方向の成分である磁化値を前記光学検出器の検出結果に基づいて算出することと、前記磁化値の時間変化と前記第三方向の人工磁場成分の時間変化との比が所定の極値条件を満たしたときの前記人工磁場を用いて、前記計測領域に存在する原磁場を算出することとを実行する演算制御部と、を備えた磁場計測装置を構成することとしてもよい。

この第１の発明等によれば、媒体が配置された計測領域に、第一方向〜第三方向の人工磁場成分を変えた複数の組み合わせの人工磁場であって、第三方向の人工磁場成分を周期的に変化させた人工磁場を発生させる。そして、複数の人工磁場毎に得られた検出結果に基づき媒体の磁化値を算出し、磁化値の時間変化と第三方向の人工磁場成分の時間変化との比が所定の極値条件を満たしたときの人工磁場を用いて計測領域に存在する原磁場を算出することができる。

また、第２の発明は、第１の発明において、前記原磁場を算出することは、前記所定の極値条件を満たしたときの前記計測領域の磁場がゼロ磁場であることに基づいて、前記原磁場を算出することを含む、磁場計測方法である。

この第２の発明によれば、極値条件を満たしたときの計測領域の磁場がゼロ磁場であることに基づいて、計測領域に存在する原磁場を算出することができる。

また、第３の発明は、第１又は第２の発明において、前記人工磁場を発生させることは、前記第三方向の人工磁場成分をカットオフ角振動数以下の周期で変化させることを含む、磁場計測方法である。

この第３の発明によれば、第三方向の人工磁場成分をカットオフ角振動数以下の周期で変化させて人工磁場を発生させ、原磁場を算出することができる。

また、第４の発明は、第１〜第３の何れかの発明において、所定のターゲット磁場に対する前記原磁場の差分の磁場を、前記磁場発生器に発生させることと、前記計測領域に磁場を発生する計測対象物を接近させることと、前記差分の磁場を発生させている間の前記光学検出器の検出結果を用いて、前記計測対象物が発生した磁場を計測することと、を更に含む磁場計測方法である。

この第４の発明によれば、計測領域に存在する原磁場を相殺して計測領域に所定のターゲット磁場を形成した上で、計測対象物を計測領域に接近させて計測対象物が発する磁場を計測することができる。

磁場計測装置の全体構成例を示す図。 光源部、ガスセル、及び偏光計の配置関係の概略を示す図。 偏光面の回転を説明する図。 アライメント方位角とプローブ光の検出結果との関係を示す図。 微分値∂Ｍ_x／∂Ｂ_zの３次元の分布を示す図。 微分値∂Ｍ_x／∂Ｂ_zの２次元の分布を示す図。 計測領域の磁場の座標系と、人工磁場の座標系との関係を示す図。 磁場形成処理の処理手順を示すフローチャート。

以下、本発明の磁場計測方法及び磁場計測装置を実施するための一形態について説明する。なお、以下説明する実施形態によって本発明が限定されるものではなく、本発明を適用可能な形態が以下の実施形態に限定されるものでもない。また、図面の記載において、同一部分には同一の符号を付す。

［全体構成］
図１は、本実施形態の磁場計測装置１の全体構成例を示す図である。また、図２は、磁場計測装置１を構成する光源部２、ガスセル３、及び偏光計４の配置関係の概略を示す図である。本実施形態の磁場計測装置１は、心磁を計測する心磁計や脳磁を計測する脳磁計に用いられる。この磁場計測装置１には、光ポンピング式の磁気センサーとして、ポンプ光の照射をプローブ光の照射によって兼ねるいわゆるワンビーム方式の磁気センサーが組み込まれ、非線形磁気光学回転（Nonlinear Magneto Optical Rotation：ＮＭＯＲ）を利用して磁場の計測を行う。なお、ワンビーム方式のものに限らず、ポンプ光を照射するための光源部とプローブ光を照射するための光源部とを分離した、いわゆるツービーム方式の構成としてもよい。

図１に示すように、磁場計測装置１は、光源部２と、ガスセル３と、光学検出器としての偏光計４と、演算制御部５と、磁場発生器７とを備える。ここで、図２に示すように、光源部２によってポンプ光及びプローブ光として照射される直線偏光（照射光）の進行方向である第三方向をｚ軸方向、この直線偏光の電場の振動方向である第二方向をｙ軸方向、ｚ軸方向及びｙ軸方向に直交する第一方向をｘ軸方向と定義し、光源部２、ガスセル３、偏光計４が配置される空間を直交３軸のｘｙｚ座標空間として表す。

光源部２は、光源２１と偏光板２３とで構成され、ｚ軸方向に伝播し、ｙ軸方向に沿って振動する直線偏光を照射光として出射する。光源２１は、ガスセル３に封入された気体原子の超微細構造準位の遷移に対応した周波数のレーザービームを発生させるレーザー発生装置である。具体的には、レーザービームの波長は、ガスセル３内の気体原子（例えばセシウムやカリウム、ルビジウム等）のＤ１線の超微細構造量子数ＦとＦ´（＝Ｆ−１）間の状態遷移に相当する波長である。偏光板２３は、光源２１からのレーザービームを所定の方向に偏光させ、直線偏光にする素子である。光源部２から出射された照射光は、例えば光ファイバー等により導かれてガスセル３に照射される。

ガスセル３は、カリウム（Ｋ）やルビジウム（Ｒｂ）、セシウム（Ｃｓ）等のアルカリ金属原子が気体の状態で封入されたガラス製の素子である。アルカリ金属原子は、光源部２からの照射光（ポンプ光）により励起（光ポンピング）され、ガスセル３を透過する光の偏光面を磁場の強さに応じて回転させる媒体としての性質を有する。このガスセル３は、図１中に二点鎖線で示す磁気シールド８の内部に配置される。磁気シールド８は、一定以上の磁気を遮蔽し、磁気シールド８の外部に比べて磁気を低減させた空間を形成するためのものであり、計測に際し、磁気シールド８の内部においてガスセル３が配置された計測領域（ガスセル３の周辺領域）に心臓や脳等の計測対象物としての被検者の部位が位置付けられる。後述する通り、計測領域は、磁気シールド８内に設置された磁場発生器７によって所定のターゲット磁場（例えばゼロ磁場）にすることができる。磁場計測装置１は、計測領域の磁場をターゲット磁場の状態とした後、被検者の測定部位を当該計測領域に配置することで、測定部位が発する磁場を測定する。従って、磁場計測装置１には、磁場形成装置が含まれているとも言える。なお、ガスセル３内の気体原子は磁場の計測時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。また、ガスセル３の材質は、ガラスに限らず照射光を透過する材質であればよく、樹脂等であってもよい。本明細書では、ガスセル３など計測領域に存在する磁場を計測領域の磁場（Ｂ_x，Ｂ_y，Ｂ_z）と称する。

偏光計４は、偏光分離器４１と２つの光検出器４３１，４３３とで構成され、ガスセル３を透過した照射光（プローブ光）を互いに直交する２つの偏光成分に分離し、それぞれの光強度を検出する。偏光分離器４１は、ガスセル３からの照射光を、直交するα軸及びβ軸（図３を参照）の各軸方向の成分に分離する素子である。分離された一方の偏光成分は光検出器４３１に導かれ、他方の偏光成分は光検出器４３３に導かれる。この偏光分離器４１は、例えばウォラストンプリズムや偏光ビームスプリッター等で構成される。光検出器４３１，４３３は、偏光分離器４１によって分離された偏光成分を受光し、受光光量に応じた信号を発生して演算制御部５の信号処理部５１に出力する。

演算制御部５は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）等のマイクロプロセッサー、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）、ＩＣ（Integrated Circuit）メモリー等を用いて構成され、装置各部の動作を統括的に制御する。この演算制御部５は、信号処理部５１と、磁場算出部５３と、補正磁場設定部５５とを備え、計測領域に所定のターゲット磁場（例えばゼロ磁場）を形成するための磁場形成処理（図８を参照）を行う。また、演算制御部５は、フラッシュメモリーやハードディスク等の記憶部を有し、プログラムを実行することで磁場形成処理を実現する構成とするならば、当該プログラムを当該記憶部に読み出し可能に記憶する。

また、演算制御部５には、必要な情報を入力するための入力部６１や、磁場の計測結果等を表示するための表示部６３が適宜接続される。入力部６１は、ボタンスイッチやレバースイッチ、ダイヤルスイッチ等の各種スイッチ、タッチパネル、キーボード、マウス等の入力装置で構成される。表示部６３は、ＬＣＤ（Liquid Crystal Display）やＥＬディスプレイ（Electroluminescence display）等の表示装置で構成される。

信号処理部５１は、プローブ光がガスセル３を透過することで回転した偏光面の回転角度を算出することによって、計測領域の磁場を計測する。この信号処理部５１は、光検出器４３１，４３３からの信号を処理し、次式（１），（２）に従ってα軸及びβ軸の各軸方向の成分の二乗和Ｗ₊と二乗差Ｗ_-とを算出する。Ｅ_αはα軸方向の成分の光強度を表し、Ｅ_βはβ軸方向の成分の光強度を表す。

磁場算出部５３は、信号処理部５１が算出した二乗差Ｗ_-の振幅が所定の極値条件を満たしたときの人工磁場を用いて、計測領域に存在する原磁場を算出する。この磁場算出部５３は、人工磁場制御部５３１と、振幅検出部５３３とを有する。人工磁場制御部５３１は、磁場発生器７を制御し、ｘ軸、ｙ軸、及びｚ軸の各軸方向の人工磁場成分を変えた複数の組み合わせの人工磁場であって、ｚ軸方向の人工磁場成分（ｚ軸成分と称す）に所定の交流成分を重畳させることでｚ軸成分を周期的に変化させた人工磁場を、計測領域に順次発生させる。振幅検出部５３３は、信号処理部５１が算出した二乗差Ｗ_-の時間変化からその振幅及び位相を抽出することによって、二乗差Ｗ_-の時間変化とｚ軸成分の時間変化との比を検出する。この振幅検出部５３３は、ロックインアンプ等を用いて構成できる。

補正磁場設定部５５は、磁場算出部５３が算出した原磁場を相殺する補正磁場を設定し、磁場発生器７を制御して計測領域に補正磁場を発生させることで計測領域にゼロ磁場を形成する。

磁場発生器７は、ｘ軸、ｙ軸、及びｚ軸の各軸方向に磁場を印加するための３軸ヘルムホルツコイルで構成され、磁気シールド８の内部においてガスセル３を挟んで各軸方向に１組ずつ配置された一対のコイルと、これらコイルに電流を供給する電流供給部とを含む。磁場発生器７は、計測領域に任意の３次元方向の磁場を発生させることができる。本明細書では、磁場発生器７により発生された磁場を人工磁場（Ａ_x，Ａ_y，Ａ_z）と称する。

なお、ｚ軸方向は、本発明における第三方向であるが、図２に示すように照射光（ポンプ光）は光源部２から必ずしもｚ軸方向に出射されることに限定されない。出射後にガスセル３に対してｚ軸方向から照射光（ポンプ光）が入射すればよい。

［原理］
以上のように構成される磁場計測装置１において、光源部２からのポンプ光がガスセル３に照射されると、ガスセル３内の気体原子がスピン偏極する。このスピン偏極によって超微細構造量子数ＦからＦ´（＝Ｆ−１）にエネルギーが遷移した時に生じる磁気モーメントの確率分布は、その直線偏光の振動方向であるｙ軸方向に沿って伸びる楕円体形状となる。この偏った確率分布を「アライメント」といい、アライメントを生じさせることを「光ポンピングする」という。計測領域がゼロ磁場の場合、生じたアライメントはポンプ光の振動方向であるｙ軸方向に沿ったままであるが、計測領域に計測対象物である例えば生体が発する心磁や脳磁等の磁場が印加されると、アライメントは歳差運動を行う。その結果、直線偏光の偏光面は、その進行方向であるｚ軸方向を回転軸として、計測領域の磁場に応じた角度で回転する。

図３は、偏光面の回転を説明する図である。上記したように、アライメントは、計測領域の磁場（ガスセル３が受ける磁場）に応じて歳差運動する。そして、ポンプ光による光ポンピング作用と、気体原子がガスセル３の内壁と衝突する等して起こる緩和作用とが加わることによって、アライメントは、図３中にハッチングを付した楕円体で示すように、ｙ軸に対して磁場の強さに応じた角度（θ）だけ回転した配置で定常状態となる。

このアライメントにより、ガスセル３を通過するプローブ光は線形二色性の作用を受ける。線形二色性とは、アライメントに沿った方向（Θ_pの方向）と、アライメントに垂直な方向（Θ_sの方向）とで直線偏光の透過率が異なる性質をいう。具体的には、アライメントに沿った方向よりもアライメントに垂直な方向の成分が多く吸収されるため、プローブ光の偏光面は、アライメントに沿った方向に近づくように回転する。

例えば、本実施形態では、ガスセル３に入射するプローブ光は、電場の振動方向がｙ軸方向であるベクトルＥ₀の直線偏光であり、アライメントは、プローブ光のうちのΘ_p方向の成分を透過率ｔ_pで透過し、Θ_s方向の成分を透過率ｔ_sで透過する。線形二色性によりｔ_p＞ｔ_sであるため、ガスセル３を透過したプローブ光の偏光面はΘ_p方向に近づくように回転し、ベクトルＥ₁に沿ったものとなる。具体的に、ベクトルＥ₀のアライメントに沿った成分をＥ_0Pと表記し、ベクトルＥ₀のアライメントと直線偏光の進行方向とに垂直な方向に沿った成分をＥ_0sと表記し、ベクトルＥ₁のアライメントに沿った成分をＥ_1Pと表記し、ベクトルＥ₁のアライメントと直線偏光の進行方向とに垂直な方向に沿った成分をＥ_1sと表記した場合、Ｅ_1P＝ｔ_pＥ_0PとＥ_1s＝ｔ_sＥ_0sとの関係にある。

アライメントに沿った方向と、プローブ光の振動方向とが成す角（以下、「アライメント方位角」という。）をθとすると、ベクトルＥ₁のΘ_p方向及びΘ_s方向の各成分は次式（３）によって算出され、（α，β）の座標系における各成分は、次式（４）によって算出される。

図４は、アライメント方位角θとプローブ光の検出結果との関係を示す図である。図４において二乗差Ｗ_-の値に着目すると、二乗差Ｗ_-は、アライメント方位角θに対して１８０度を周期として振動する。そして、二乗差Ｗ_-は、アライメント方位角θが−４５度から４５度の範囲では、アライメント方位角θに対してほぼ線形変化しているため、高い感度が得られる。また、その線形変化の中心が０度であって、その線形変化の範囲が他（二乗和Ｗ₊など）と比べて広いため、計測領域に生じる磁場を計測するには好適である。心磁や脳磁等の生体磁場は微弱であり、アライメント方位角θは小さいことから、二乗差Ｗ_-を用いれば偏光面の回転角度を高感度に観測できる。但し、上記したように、計測領域に原磁場が存在するとその影響を受けて感度が低下し、計測精度の低下を招く。本実施形態では、磁場の計測は、磁気シールド８によって計測領域への磁場の侵入が抑制された環境下で行われるが、磁気シールド８によっては、磁場の侵入を完全には遮蔽できない。完全に磁気を遮蔽できる磁気シールドは、装置が大がかりであり、費用も高額な上、設置コストや運用コストも高い。そこで、本実施形態では、磁気シールド８を用いることとする。但し、そもそも原磁場が低い場合や原磁場が安定している場合には、磁気シールド８すら用いずに本実施形態を構成することもできる。

ここで、二乗差Ｗ_-は、ガスセル３内で生じたアライメントのスピン偏極度（Ｍ_x，Ｍ_y，Ｍ_z）のｘ軸成分Ｍ_x（以下、「スピン偏極度Ｍ_x」と表記する。）の値とほぼ比例するため、スピン偏極度Ｍ_xを用いて表すことができる。スピン偏極度（Ｍ_x，Ｍ_y，Ｍ_z）は、ガスセル３内における気体原子の磁化ベクトルに相当する。以下、磁化ベクトルのｘ軸成分を示す磁化値としてスピン偏極度Ｍ_xを用い、計測領域の磁場のｘ軸成分、ｙ軸成分、及びｚ軸成分（絶対的な磁束密度Ｂ_x，Ｂ_y，Ｂ_z）とスピン偏極度Ｍ_xとの関係について検討した。

光ポンピングにより生じたアライメントのスピン偏極度（Ｍ_x，Ｍ_y，Ｍ_z）の時間発展は、次式（５）〜（７）に示すブロッホ方程式（Bloch equations）で近似される。γ_Fは、ガスセル３内の気体原子（アルカリ金属原子）の種類で決まる磁気回転比を表す。また、Γ₀はスピン偏極度（Ｍ_x，Ｍ_y，Ｍ_z）の緩和速度を表し、Γ_pは光ポンピング速度を表す。スピン偏極度の緩和速度Γ₀と光ポンピング速度Γ_pとは、角振動数と同じ単位系で表され、具体的にはラジアン毎秒（ｒａｄ／ｓ）の単位を有する。又、カットオフ角振動数ω_Cはスピン偏極度の緩和速度Γ₀と光ポンピング速度Γ_pとの和である（ω_C＝Γ₀＋Γ_p）。

ポンプ光及びプローブ光は、定常的に一定のパワーでガスセル３に照射されるため、スピン偏極度（Ｍ_x，Ｍ_y，Ｍ_z）の定常解は、上記式（５）〜（７）の左辺をそれぞれゼロとおいて解くことができる。解は、次式（８）〜（１１）で表される。

上記式（８）のスピン偏極度Ｍ_xをＢ_zで微分した微分値∂Ｍ_x／∂Ｂ_zは、次式（１２）で表される。

上記式（１２）にて表される微分値∂Ｍ_x／∂Ｂ_zは、検出量（磁場のｚ成分Ｂ_z）の変化に対する出力（磁化値Ｍ_x）の変化を示しているので、検出感度を意味している。即ち、微分値∂Ｍ_x／∂Ｂ_zが最大となる条件で、磁場計測装置１の計測感度は最大となる。上記式（１２）の分母はＢ_xやＢ_yがどんな値であってもこれらの値の４乗で増えて行く。一方、上記式（１２）の分子はＢ_xやＢ_yの２乗で変化するので、Ｂ_xとＢ_yとに関しては、Ｂ_x＝Ｂ_y＝０のときに微分値∂Ｍ_x／∂Ｂ_zは最大となる。このときの微分値∂Ｍ_x／∂Ｂ_zは、次式（１３）にて表される。

Ｂ_y＝０［ｎＴ］で、Ｂ_x及びＢ_zの各値を変化させると、図５に示される様になる。又、Ｂ_x＝Ｂ_y＝０［ｎＴ］で、Ｂ_zの各値を変化させると、図６に示される様になる。図５及び図６に示すように、微分値∂Ｍ_x／∂Ｂ_zの分布には極大値が１つ現れ、微分値∂Ｍ_x／∂Ｂ_zは、Ｂ_x＝Ｂ_y＝０の場合にＢ_z＝０のときに極大（最大）となる。したがって、計測領域がゼロ磁場（Ｂ_x，Ｂ_y，Ｂ_zの各値がゼロ）の場合に、ｚ軸方向（プローブ光の進行方向）に沿った磁場の変化に対するスピン偏極度Ｍ_x（つまりは二乗差Ｗ_-）の変化が最も大きく、感度は最大となる。逆を言うと、計測領域に於ける外部磁場などの原磁場を最小とするには、微分値∂Ｍ_x／∂Ｂ_zが最大となる様に人工磁場を調整すれば良いことになる。

ここで、微分値∂Ｍ_x／∂Ｂ_z（スピン偏極度Ｍ_xの時間変化とＢ_zの時間変化との比）は、二乗差Ｗ_-の時間変化とＢ_zの時間変化との比に置き換えることができる。そこで、本実施形態の磁場形成処理では、ｘ軸成分、ｙ軸成分、及びｚ軸成分を変えた複数の組み合わせの人工磁場であって、ｚ軸成分を周期的に変化させた人工磁場を計測領域に順次発生させ、スピン偏極度Ｍ_xの時間変化とＢ_zの時間変化との比である微分値∂Ｍ_x／∂Ｂ_zが最大となる人工磁場を探す。この際に、ｚ軸成分の角振動数ωはカットオフ角振動数ω_C以下の値とすることが望ましい。カットオフ角振動数ω_Cはスピン偏極度Ｍ_xの緩和速度Γ₀と光ポンピング速度Γ_pとの和であり（ω_C＝Γ₀＋Γ_p）、本実施形態ではおおむね１００Ｈｚ程度となっている。即ち、人工磁場のｚ軸成分は、ω＜ω_C＝Γ₀＋Γ_pの関係を満たすのが好ましく、本実施形態では、角振動数ωは１００Ｈｚ以下である。ｚ軸成分の角振動数ωはカットオフ角振動数ωｃ以下の値とすると、ｄＭ_x／ｄｔが概ねゼロとみなす事ができ、前述した式（５）の左辺をゼロと近似する事が正当化される。即ち、ω＜ω_C＝Γ₀＋Γ_pの関係を満たすと、計測領域に存在する原磁場を正確に計測する事が可能になる。但し、磁場計測装置１は一次のローパスフィルターの様に振る舞うので、カットオフ角度振動数ω_C付近のゲインと位相とは角振動数ωの増加と共に緩やかに減少して行く。このため、実際には重畳される周期関数の角振動数ωはカットオフ角振動数ω_Cよりも一割程度大きくとも構わない。

具体的な計測方法としては、人工磁場のｘ軸成分Ａ_xとｙ軸成分Ａ_yとを固定磁場とし、ｚ軸成分は周期関数で表さる磁場を印加して、スピン偏極度Ｍ_xの時間変化とＢ_zの時間変化との比を計測する。これを様々な水準で計測し、微分値∂Ｍ_x／∂Ｂ_zが最大となる人工磁場を特定する。例えば、第１測定として、Ａ_x＝０、Ａ_y＝０、Ａ_zを０の周りの振動磁場として（一例として、Ａ_z＝ｓｉｎωｔ）、第１の微分値∂Ｍ_x／∂Ｂ_zを計測する。次に、第２測定として、Ａ_x＝０、Ａ_y＝０、Ａ_zを１の周りの振動磁場として（一例として、Ａ_z＝１＋ｓｉｎωｔ）、第２の微分値∂Ｍ_x／∂Ｂ_zを計測する。次に、第３測定として、Ａ_x＝０、Ａ_y＝０、Ａ_zを−１の周りの振動磁場として（一例として、Ａ_z＝−１＋ｓｉｎωｔ）、第３の微分値∂Ｍ_x／∂Ｂ_zを計測する。次に、第４測定として、Ａ_x＝０、Ａ_y＝１、Ａ_zを０の周りの振動磁場として（一例として、Ａ_z＝ｓｉｎωｔ）、第４の微分値∂Ｍ_x／∂Ｂ_zを計測する。次に、第５測定として、Ａ_x＝０、Ａ_y＝１、Ａ_zを１の周りの振動磁場として（一例として、Ａ_z＝１＋ｓｉｎωｔ）、第５の微分値∂Ｍ_x／∂Ｂ_zを計測する。次に、第６測定として、Ａ_x＝０、Ａ_y＝１、Ａ_zを−１の周りの振動磁場として（一例として、Ａ_z＝−１＋ｓｉｎωｔ）、第６の微分値∂Ｍ_x／∂Ｂ_zを計測する。次に、第７測定として、Ａ_x＝０、Ａ_y＝−１、Ａ_zを０の周りの振動磁場として（一例として、Ａ_z＝ｓｉｎωｔ）、第７の微分値∂Ｍ_x／∂Ｂ_zを計測する。次に、第８測定として、Ａ_x＝０、Ａ_y＝−１、Ａ_zを１の周りの振動磁場として（一例として、Ａ_z＝１＋ｓｉｎωｔ）、第８の微分値∂Ｍ_x／∂Ｂ_zを計測する。次に、第９測定として、Ａ_x＝０、Ａ_y＝−１、Ａ_zを−１の周りの振動磁場として（一例として、Ａ_z＝−１＋ｓｉｎωｔ）、第９の微分値∂Ｍ_x／∂Ｂ_zを計測する。この様にＡ_y＝０を中心として、多くの測定を繰り返し、こうして得られた多くの微分値∂Ｍ_x／∂Ｂ_zから、微分値∂Ｍ_x／∂Ｂ_zが最大となる人工磁場を特定する。換言すると、各組み合わせの複数の人工磁場毎に、偏光計４の検出結果に基づき信号処理部５１が算出した二乗差Ｗ_-の周期変化から振幅を抽出することによって、微分値∂Ｍ_x／∂Ｂ_zを検出する。そして、微分値∂Ｍ_x／∂Ｂ_zが極大値となる極値条件を満たしたときの人工磁場を用いて原磁場を算出する。人工磁場を変化させながら微分値∂Ｍ_x／∂Ｂ_zの極大値を求める処理は、公知の最適化処理を用いることで実現できる。上述の如く、微分値∂Ｍ_x／∂Ｂ_zが最大となる人工磁場を探すには、人工磁場のｙ軸成分Ａ_yをゼロの近傍から探して行くのが効率性の面から好ましい。

図７は、計測領域の磁場Ｂ＝（Ｂ_x，Ｂ_y，Ｂ_z）の座標系と、磁場発生器７により発生させた人工磁場Ａ＝（Ａ_x，Ａ_y，Ａ_z）の座標系との関係を示す図である。図７に示すように、計測領域の磁場Ｂ＝（Ｂ_x，Ｂ_y，Ｂ_z）の各成分は、原磁場Ｃ＝（Ｃ_x，Ｃ_y，Ｃ_z）に人工磁場Ａ＝（Ａ_x，Ａ_y，Ａ_z）の各成分をベクトル加算することで算出できる。算出式を次式（１４）に示す。

上記したように、微分値∂Ｍ_x／∂Ｂ_zが極大値となり極値条件を満たしたとき、すなわち、抽出した振幅が最大となったときの計測領域の磁場はゼロ磁場（Ｂ＝０）であることから、原磁場Ｃ（Ｃ_x，Ｃ_y，Ｃ_z）は、上記式（１４）の関係から、当該極値条件を満たしたときの人工磁場Ａ_h（Ａ_hx，Ａ_hy，Ａ_hz）を用いて次式（１５）〜（１７）により表される。

［処理の流れ］
図８は、磁場形成処理の処理手順を示すフローチャートである。磁場計測装置１は、磁気シールド８内に被検者を搬入して生体磁場の計測を行う前に、図８に示す磁場形成処理を行う。

図８に示すように、磁場形成処理では、先ず、磁場算出部５３が、計測領域に存在する原磁場Ｃを算出する（ステップＳ１）。具体的な処理手順としては、先ず、人工磁場制御部５３１が、上記した複数の組み合わせの人工磁場を磁場発生器７により計測領域に順次発生させ、振幅検出部５３３がその都度計測結果として得られる二乗差Ｗ_-の振幅を抽出する。そして、磁場算出部５３は、二乗差Ｗ_-の振幅が最大となったときの人工磁場Ａ_hを用いて上記式（１５）〜（１７）により原磁場Ｃを算出する。

続いて、補正磁場設定部５５が、ターゲット磁場Ｔ（Ｔ_x，Ｔ_y，Ｔ_z）からステップＳ１で算出した原磁場Ｃを減算して補正磁場Ｔ−Ｃを設定する（ステップＳ３）。そして、補正磁場設定部５５は、設定した補正磁場Ｔ−Ｃを磁場発生器７に発生させることにより、原磁場Ｃを相殺して計測領域にターゲット磁場Ｔを形成する（ステップＳ５）。本実施形態では、一例としてターゲット磁場Ｔ＝（０，０，０）として補正磁場Ｔ−Ｃを設定し、計測領域にゼロ磁場を形成する。

以上説明したように、本実施形態によれば、計測領域に存在する原磁場を算出することができる。また、計測領域において原磁場を相殺してゼロ磁場を形成し、その上で磁気シールド８内に被検者を搬入して生体磁場の計測を行うことができる。これによれば、生体磁場を感度良く高精度に計測することが可能となる。

なお、上記した実施形態では、磁気モーメントに偏極を生じさ、透過する光の偏光面を磁場の強さに応じて回転させる媒体としてアルカリ金属原子が気体の状態で封入されたガスセル３を用いることとしたが、アルカリ金属原子以外の媒体を用いてもよい。例えば、窒素による格子欠陥を設けたダイヤモンドといった固体素子を媒体として用いる構成としてもよい。また、本発明の磁場計測方法及び磁場計測装置は、磁気センサー以外にも、ミリサイズの小型のガスセルを用いた原子発振器にも適用が可能である。

また、ターゲット磁場をゼロ磁場とする実施形態を説明したが、ターゲット磁場はゼロ磁場以外の任意の磁場とすることができる。

１…磁場計測装置、２…光源部、３…ガスセル、４…光学検出器としての偏光計、５…演算制御部、７…磁場発生器、８…磁気シールド、２１…光源、２３…偏光板、４１…偏光分離器、５１…信号処理部、５３…磁場算出部、５５…補正磁場設定部、６１…入力部、６３…表示部、４３１，４３３…光検出器、５３１…人工磁場制御部、５３３…振幅検出部。

Claims (5)

1. 第一方向と第二方向と第三方向とは互いに直交し、直線偏光を出射する光源部と、計測領域に配置されて電場の振動方向が前記第二方向である前記直線偏光が前記第三方向に沿って照射され、磁場に応じて前記直線偏光の光学特性を変化させる媒体と、前記光学特性を検出する光学検出器と、前記計測領域に人工磁場を印加する磁場発生器と、を備えた磁場計測装置が、前記計測領域の磁場を計測する磁場計測方法であって、
   前記第一方向〜第三方向の人工磁場成分を変えた複数の組み合わせの人工磁場であり、前記第三方向の人工磁場成分を周期的に変化させた人工磁場を前記磁場発生器に発生させることと、
   前記媒体の磁化ベクトルの前記第一方向の成分である磁化値を前記光学検出器の検出結果に基づいて算出することと、
   前記磁化値の時間変化と前記第三方向の人工磁場成分の時間変化との比が所定の極値条件を満たしたときの前記人工磁場を用いて、前記計測領域に存在する原磁場を算出することと、
   を含む磁場計測方法。
2. 前記原磁場を算出することは、前記所定の極値条件を満たしたときの前記計測領域の磁場がゼロ磁場であることに基づいて、前記原磁場を算出することを含む、
   請求項１に記載の磁場計測方法。
3. 前記人工磁場を発生させることは、前記第三方向の人工磁場成分をカットオフ角振動数以下の周期で変化させることを含む、
   請求項１又は２に記載の磁場計測方法。
4. 所定のターゲット磁場に対する前記原磁場の差分の磁場を、前記磁場発生器に発生させることと、
   前記計測領域に磁場を発生する計測対象物を接近させることと、
   前記差分の磁場を発生させている間の前記光学検出器の検出結果を用いて、前記計測対象物が発生した磁場を計測することと、
   を更に含む請求項１〜３の何れか一項に記載の磁場計測方法。
5. 第一方向と第二方向と第三方向とは互いに直交し、
   直線偏光を出射する光源部と、
   電場の振動方向が前記第二方向である前記直線偏光が前記第三方向から照射され、照射された前記直線偏光を透過して、磁場に応じて光学特性が変化する計測領域に配置された媒体と、
   前記光学特性を検出する光学検出器と、
   前記第一方向、前記第二方向、前記第三方向の各成分を可変とする人工磁場を前記計測領域に印加する磁場発生器と、
   前記第一方向〜第三方向の人工磁場成分を変えた複数の組み合わせの人工磁場であり、前記第三方向の人工磁場成分を周期的に変化させた人工磁場を前記磁場発生器に発生させることと、前記媒体の磁化ベクトルの前記第一方向の成分である磁化値を前記光学検出器の検出結果に基づいて算出することと、前記磁化値の時間変化と前記第三方向の人工磁場成分の時間変化との比が所定の極値条件を満たしたときの前記人工磁場を用いて、前記計測領域に存在する原磁場を算出することを実行する演算制御部と、
   を備えた磁場計測装置。