特開 2022-186414 検出装置及び電磁波検出方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2022186414

(43)【公開日】2022-12-15

(54)【発明の名称】検出装置及び電磁波検出方法

(51)【国際特許分類】

   G01N 24/00 20060101AFI20221208BHJP

   G01N 24/08 20060101ALI20221208BHJP

【ＦＩ】

G01N24/00 Z

G01N24/08 510D

【審査請求】未請求

【請求項の数】6

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021094625

(22)【出願日】2021-06-04

【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第２項適用申請有り 予稿集による公開、公開日：令和２年９月２７日、掲載アドレス：ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｓｓｄｍ．ｊｐ／２０２０／ｉｎｄｅｘ．ｈｔｍｌ 学会における公開、学会名：”ｔｈｅ ２０２０ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｄｅｖｉｃｅｓ ａｎｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ”、開催日：令和２年９月２９日

(71)【出願人】

【識別番号】301021533

【氏名又は名称】国立研究開発法人産業技術総合研究所

(71)【出願人】

【識別番号】504171134

【氏名又は名称】国立大学法人 筑波大学

(71)【出願人】

【識別番号】504139662

【氏名又は名称】国立大学法人東海国立大学機構

(74)【代理人】

【識別番号】100079108

【弁理士】

【氏名又は名称】稲葉 良幸

(74)【代理人】

【識別番号】100109346

【弁理士】

【氏名又は名称】大貫 敏史

(72)【発明者】

【氏名】渡邊 幸志

(72)【発明者】

【氏名】野村 晋太郎

(72)【発明者】

【氏名】柏谷 聡

(57)【要約】

【課題】高い空間分解能及び高い検出感度を有する、電磁波の検出装置を提供する。
【解決手段】検出装置１０は、ＮＶ中心を有するダイヤモンド結晶１０１と、所定の供給シーケンスに従って、第１振幅の磁場を有する第１電磁波又は第１振幅とは異なる第２振幅の磁場を有する第２電磁波のいずれか一方の供給電磁波を、ダイヤモンド結晶１０１に供給する電磁波供給部と、第１電磁波の振幅に応じた強度を有する第１蛍光に基づく第１受光信号と、第２電磁波の第２振幅に応じた第２強度を有するに基づく第２受光信号とを取得する、受光部と、第１受光信号に基づく第１検出信号と第２受光信号に基づく第２検出信号とを生成する検出信号生成部１０３５と、第１検出信号及び第２検出信号に基づいて、前記ダイヤモンド結晶に入射する外部電磁場の分布を示す検出画像１５０１を生成する画像生成部１０３６と、を備える。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

ＮＶ中心を有するダイヤモンド結晶と、
所定の供給シーケンスに従って、第１振幅の磁場を有する第１電磁波又は前記第１振幅とは異なる第２振幅の磁場を有する第２電磁波のいずれか一方の供給電磁波を、前記ダイヤモンド結晶に供給する電磁波供給部と、
前記ダイヤモンド結晶に、前記ＮＶ中心を励起するレーザを照射するレーザ照射部と、
前記レーザにより励起された前記ＮＶ中心から、前記第１電磁波の前記第１振幅に応じた第１強度を有する第１蛍光を受光し、前記レーザにより励起された前記ＮＶ中心から、前記第２電磁波の前記第２振幅に応じた第２強度を有する第２蛍光を受光する受光素子を有し、受光信号として、前記第１蛍光に基づく第１受光信号及び前記第２蛍光に基づく第２受光信号を取得する、受光部と、
検出信号として、前記第１受光信号に基づく第１検出信号と前記第２受光信号に基づく第２検出信号とを生成する検出信号生成部と、
前記第１検出信号及び前記第２検出信号に基づいて、前記ダイヤモンド結晶に入射する外部電磁場の強度の分布を示す検出画像を生成する画像生成部と、を備える検出装置。

【請求項2】

請求項１に記載の検出装置であって、
前記第２振幅は前記第１振幅より大きく、
前記電磁波供給部は、前記第１電磁波、前記第２電磁波又は前記第２振幅より大きい第３振幅の磁場を有する第３電磁波のいずれかの電磁波を、前記供給シーケンスに従って前記ダイヤモンド結晶に供給し、
前記受光部は、前記レーザにより励起された前記ＮＶ中心から、前記第３電磁波の前記第３振幅に応じた第３強度を有する第３蛍光を受光し、前記第３蛍光に基づく第３受光信号を前記受光信号として取得し、
前記検出信号生成部は、
前記検出信号として、第３受光信号に基づく第３検出信号を生成し、
前記画像生成部は、前記第１検出信号と前記第３検出信号とに基づいて、背景信号を算出し、
前記第２検出信号から前記背景信号を除いた信号に基づいて、前記検出画像を生成する、検出装置。

【請求項3】

請求項１又は２に記載の検出装置であって、
前記供給シーケンスは第１供給シーケンスと第２供給シーケンスとを含み、
前記電磁波供給部は、
前記第１供給シーケンスにおいて、
前記ＮＶ中心のスピン状態を第１スピン状態とする前記供給電磁波を前記ダイヤモンド結晶に供給し、
前記第１スピン状態の第１スピン方向に振動する磁場を有し、前記スピン状態を第２スピン状態とする前記供給電磁波を前記ダイヤモンド結晶に供給し、
前記第２スピン状態を第３スピン状態とする前記供給電磁波を前記ダイヤモンド結晶に供給し、
前記第２供給シーケンスにおいて、
前記スピン状態を前記第１スピン状態とする前記供給電磁波を前記ダイヤモンド結晶に供給し、
前記スピン状態を前記第２スピン状態とする、前記第１スピン方向に振動する磁場を有する前記供給電磁波を前記ダイヤモンド結晶に供給し、
前記第２スピン状態を前記第３スピン状態のスピン方向と反対のスピン方向を有する第４スピン状態とする前記供給電磁波を前記ダイヤモンド結晶に供給し、
前記受光部は、前記第３スピン状態にある前記ＮＶ中心から発された第３受光信号と前記第４スピン状態にある前記ＮＶ中心から発された第４受光信号とを取得し、
前記検出信号生成部は、前記第３受光信号と前記第４受光信号との差に基づいて前記検出信号を生成する、検出装置。

【請求項4】

請求項３に記載の検出装置であって、
前記電磁波供給部は、
前記第２供給シーケンスにおいて、前記第１供給シーケンスにおける前記スピン状態を前記第３スピン状態とする前記電磁波の位相と１８０度異なる位相を有し、前記スピン状態を前記第４スピン状態とする前記電磁波を供給する、検出装置。

【請求項5】

請求項１から４のいずれか一項に記載の検出装置であって、
前記ダイヤモンド結晶は、前記ダイヤモンド結晶の表面の内側であって、前記ダイヤモンド結晶において所定の体積を占める範囲に分布する複数の前記ＮＶ中心を有する、検出装置。

【請求項6】

電磁波検出方法であって、
検出装置が、
所定の供給シーケンスに従って、第１振幅の磁場を有する第１電磁波又は前記第１振幅とは異なる第２振幅の磁場を有する第２電磁波のいずれか一方の供給電磁波を、ＮＶ中心を有するダイヤモンド結晶に供給することと、
前記ダイヤモンド結晶に、前記ＮＶ中心を励起するレーザを照射することと、
前記レーザにより励起された前記ＮＶ中心から、前記第１電磁波の前記第１振幅に応じた第１強度を有する第１蛍光を受光し、前記レーザにより励起された前記ＮＶ中心から、前記第２電磁波の前記第２振幅に応じた第２強度を有する第２蛍光を受光することと、
受光信号として、前記第１蛍光に基づく第１受光信号及び前記第２蛍光に基づく第２受光信号を取得することと、
検出信号として、前記第１受光信号に基づく第１検出信号と前記第２受光信号に基づく第２検出信号とを生成することと、
前記第１検出信号及び前記第２検出信号に基づいて、前記ダイヤモンド結晶に入射する外部電磁場の強度の分布を示す検出画像を生成すること、とを含む
電磁波検出方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、検出装置及び電磁波検出方法に関する。

【背景技術】

【0002】

物体の表面あるいは物体から離れた空間における無線周波数（Ｒａｄｉｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ：ＲＦ）信号及び電磁波の分布を可視化する技術が存在する。特許文献１には、複数の磁気抵抗センサを有し、複数の磁気抵抗センサのそれぞれが、経時変化する外部磁場に応答した出力電圧を発生することによって、電磁波の強度分布を可視化するＲＦセンサシステムが示される。電磁波の強度とは例えば、電場又は磁場の振幅である。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２００９－０１４７２０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

特許文献１に記載のＲＦセンサシステムのように、電気的に結合された磁気抵抗センサを配列し各磁気抵抗センサの出力を用いて電磁波の強度を可視化する場合、センサのサイズ及びセンサ間の配列の本数によって、空間分解能と画素数が制限される。空間分解能及び画素数に制限がある場合、微小な対象物からの電磁波の可視化を行うことが難しくなる。さらに、対象物が微小である場合は、電磁波の信号強度が小さいことがあるので、空間分解能に加えて、検出感度を高くする必要がある。加えて、センサ間及びセンサと対象物間の相互干渉の影響が避けられず、相互干渉の影響を補正する方法が煩雑であり、加えて測定精度が低下する。これらの理由により、μｍからｍｍオーダーの高い空間分解能による電磁波強度の可視化は困難であった。

【0005】

そこで、本発明は、高い空間分解能及び高い検出感度を有する、電磁波の検出装置を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明の一態様に係る検出装置は、ＮＶ中心を有するダイヤモンド結晶と、所定の供給シーケンスに従って、第１振幅の磁場を有する第１電磁波又は第１振幅とは異なる第２振幅の磁場を有する第２電磁波のいずれか一方の供給電磁波を、ダイヤモンド結晶に供給する電磁波供給部と、ダイヤモンド結晶に、ＮＶ中心を励起するレーザを照射するレーザ照射部と、レーザにより励起されたＮＶ中心から、第１電磁波の第１振幅に応じた第１強度を有する第１蛍光を受光し、レーザにより励起されたＮＶ中心から、第２電磁波の第２振幅に応じた第２強度を有する第２蛍光を受光する受光素子を有し、受光信号として、第１蛍光に基づく第１受光信号及び第２蛍光に基づく第２受光信号を取得する、受光部と、検出信号として、第１受光信号に基づく第１検出信号と第２受光信号に基づく第２検出信号とを生成する検出信号生成部と、第１検出信号及び第２検出信号に基づいて、前記ダイヤモンド結晶に入射する外部電磁場の分布を示す検出画像を生成する画像生成部と、を備える。

【0007】

上記態様の検出装置では、ダイヤモンド結晶のＮＶ中心に、第１振幅の磁場を有する第１電磁波及び第２振幅の磁場を有する第２電磁波がそれぞれ異なるタイミングで供給される。

【0008】

第１電磁波が供給されたＮＶ中心のスピンは、第１振幅に応じた第１周波数を有するラビ振動（第１ラビ振動）を行う。第１ラビ振動を行うスピンは、第１周波数に近い周波数の外部電磁場から強く影響を受ける。第１ラビ振動を行うスピンは、外部電磁場が、第１周波数に近い周波数であるほど、蛍光を強く発する。

【0009】

第２電磁波が供給されたＮＶ中心のスピンは、第２振幅に応じた第２周波数を有するラビ振動（第２ラビ振動）を行う。第２振幅は第１振幅とは異なる振幅であるので、第２周波数は、第１周波数とは異なる周波数となる。第２振幅が第１振幅より大きい場合、第２周波数は第１周波数より高くなる。

【0010】

第２ラビ振動を行うスピンは、第２周波数に近い周波数の外部電磁場から強く影響を受ける。第２ラビ振動を行うスピンは、外部電磁場が、第２周波数に近い周波数であるほど、蛍光を強く発する。

【0011】

受光部は、レーザ照射部がＮＶ中心を励起した結果生じる、第１電磁波及び外部電磁場に基づく第１受光信号と、第２電磁波及び外部電磁場に基づく第２受光信号とを取得する。検出信号生成部は、第１受光信号に基づく第１検出信号と第２受光信号に基づく第２検出信号とを生成する。

【0012】

第１検出信号は、第１電磁波が供給されたＮＶ中心によって検出された、第１周波数の外部電磁場の強度を示す信号となる。第２検出信号は、第２電磁波が供給されたＮＶ中心によって検出された、第２周波数の外部電磁場の強度を示す信号となる。

【0013】

画像生成部は、第１検出信号及び第２検出信号に基づいて、ダイヤモンド結晶に入射する外部電磁場の強度の分布を示す検出画像を生成する。

【0014】

第１検出信号のみでは、外部電磁場の強度の分布は適切に画像化されない。なぜなら、外部電磁場の周波数が第１周波数から離れた周波数である場合、第１検出信号は外部電磁場の影響をほとんど受けないからである。そのため、第１検出信号が、ダイヤモンド結晶において空間的に分布する信号強度を有している場合であっても、当該強度の分布は、ノイズに起因する分布であるのか、外部電磁場を反映した分布であるのかを切り分けることが難しい。これにより、外部電磁場の強度の分布の適切な画像化が難しくなる。

【0015】

そこで、検出装置は、第１周波数とは異なる第２周波数の外部電磁場の強度を示す第２検出信号をさらに取得する。第１検出信号と第２検出信号とによって、第１周波数と第２周波数のそれぞれの周波数における外部電磁場の強度が算出可能となる。第１検出信号と第２検出信号とに基づくことで、ノイズに起因する外部電磁場の強度分布の影響を抑えることができる。

【0016】

検出装置は、ＮＶ中心という微小な構造を用いることにより高い空間分解能を有し、異なる周波数における外部電磁場の検出信号を用いることによって高い検出感度を有する。

【0017】

上記態様において、第２振幅は第１振幅より大きく、電磁波供給部は、第１電磁波、第２電磁波又は第２振幅より大きい第３振幅の磁場を有する第３電磁波のいずれかの電磁波を、供給シーケンスに従ってダイヤモンド結晶に供給し、受光部は、レーザにより励起されたＮＶ中心から、第３電磁波の第３振幅に応じた第３強度を有する第３蛍光を受光し、第３蛍光に基づく第３受光信号を受光信号として取得し、検出信号生成部は、検出信号として、第３受光信号に基づく第３検出信号を生成し、画像生成部は、第３検出信号と第１検出信号とに基づいて、背景信号を算出し、画像生成部は、第２検出信号から背景信号を除いた信号に基づいて、検出画像を生成してもよい。

【0018】

検出信号生成部が、第１検出信号と第３検出信号とに基づいて、ノイズとしての背景信号を算出する。画像生成部は、第２検出信号から背景信号を除いた信号に基づいて検出画像を生成することができるので、ノイズに起因する外部電磁場の強度分布の影響が抑えられる。

【0019】

第２振幅の磁場を有する第２電磁波による第２ラビ振動の周波数が、外部電磁場の周波数に近い場合、第２検出信号は大きい値となる。第２振幅は第１振幅と第３振幅の中間の大きさの磁場振幅であるため、第１周波数及び第３電磁波に基づく第３ラビ振動の周波数である第３周波数は、外部電磁場の周波数から離れた値となる。したがって、第１検出信号及び第３検出信号の値は、第２検出信号より小さくなる。よって、第１検出信号、第２検出信号、及び第３検出信号それぞれの強度を、周波数を横軸としてプロットした場合、周波数プロットは、第２検出信号に基づく極値を有する。

【0020】

検出装置は、背景信号が除かれ、かつ極値である第２検出信号に基づいて、検出画像を生成することで、より高い検出感度にて外部電磁場の検出及び可視化を行う。

【0021】

上記態様において、供給シーケンスは第１供給シーケンスと第２供給シーケンスとを含み、電磁波供給部は、第１供給シーケンスにおいて、ＮＶ中心のスピン状態を第１スピン状態とする供給電磁波をダイヤモンド結晶に供給し、第１スピン状態の第１スピン方向に振動する磁場を有し、スピン状態を第２スピン状態とする供給電磁波をダイヤモンド結晶に供給し、第２スピン状態を第３スピン状態とする供給電磁波をダイヤモンド結晶に供給してもよい。

【0022】

また、電磁波検出部は、第２供給シーケンスにおいて、スピン状態を第１スピン状態とする供給電磁波をダイヤモンド結晶に供給し、スピン状態を第２スピン状態とする、第１スピン方向に振動する磁場を有する供給電磁波をダイヤモンド結晶に供給し、第２スピン状態を第３スピン状態のスピン方向と反対のスピン方向を有する第４スピン状態とする供給電磁波をダイヤモンド結晶に供給してもよい。

【0023】

また、受光部は、第３スピン状態にあるＮＶ中心から発された第３受光信号と第４スピン状態にあるＮＶ中心から発された第４受光信号とを取得し、検出信号生成部は、第３受光信号と第４受光信号との差に基づいて検出信号を生成してもよい。

【0024】

第１供給シーケンス及び第２供給シーケンスにより、受光部は、ある振幅を有する供給電磁波の磁場の振幅に基づく、第３受光信号と第４受光信号という２つの受光信号を得ることができる。第３受光信号と、第４受光信号とは、それぞれの基となるスピン状態のスピン方向が反対である。第２スピン状態にあるＮＶ中心は、検出対象の外部電磁場の影響と他のノイズとの影響を受ける。ノイズの方向はランダムであるため、第３受光信号と第４受光信号との差をとることにより、ノイズを打ち消すことができる。第３スピン状態と第４スピン状態は互いに逆向きであるため、第３受光信号と第４受光信号との差をとることにより、第２スピン状態に対する外部電磁場の正味の影響を取り出すことが可能となる。

【0025】

上記態様において、電磁波供給部は、第２供給シーケンスにおいて、第１供給シーケンスにおけるスピン状態を第３スピン状態とする電磁波の位相と１８０度異なる位相を有し、スピン状態を第４スピン状態とする電磁波を供給してもよい。これにより、第２スピン状態に対する外部電磁場の正味の影響を取り出すことが可能となる。

【0026】

上記態様において、ダイヤモンド結晶は、ダイヤモンド結晶の表面の内側であって、ダイヤモンド結晶において所定の体積を占める範囲に分布する複数のＮＶ中心を有してもよい。これにより、外部電磁場を発する電磁波検出対象のより広い範囲からの外部電磁場を検出することが可能となる。

【0027】

本発明の他の態様に係る蛍光検出方法は、蛍光検出装置が、所定の供給シーケンスに従って、第１振幅の磁場を有する第１電磁波又は第１振幅とは異なる第２振幅の磁場を有する第２電磁波のいずれか一方の供給電磁波を、ＮＶ中心を有するダイヤモンド結晶に供給することと、ダイヤモンド結晶に、ＮＶ中心を励起するレーザを照射することと、レーザにより励起されたＮＶ中心から、第１電磁波の第１振幅に応じた第１強度を有する第１蛍光を受光し、レーザにより励起されたＮＶ中心から、第２電磁波の第２振幅に応じた第２強度を有する第２蛍光を受光することと、受光信号として、第１蛍光に基づく第１受光信号及び第２蛍光に基づく第２受光信号を取得することと、検出信号として、第１受光信号に基づく第１検出信号と第２受光信号に基づく第２検出信号とを生成することと、第１検出信号及び第２検出信号に基づいて、ダイヤモンド結晶に入射する外部電磁場の強度の分布を示す検出画像を生成すること、とを含む。

【発明の効果】

【0028】

本発明によれば、高い空間分解能及び高い検出感度を有する、電磁波の検出装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0029】

【図1】本実施形態に係る検出装置のブロック図である。

【図2】本実施形態に係るダイヤモンド結晶、アンテナ、及びサンプルの配置を示す図である。

【図3】本実施形態に係る外部電磁場の検出を説明するための図である。

【図4】本実施形態に係る第１供給シーケンスの一例を説明する図である。

【図5】本実施形態に係る第２供給シーケンスの一例を説明する図である。

【図6】本実施形態に係る第１供給シーケンスの他の一例を説明する図である。

【図7】本実施形態に係る第２供給シーケンスの他の一例を説明する図である。

【図8】本実施形態に係る検出信号のビニングを説明する図である。

【図9】本実施形態に係る外部電磁場の検出処理を説明するためのフローチャートである。

【図10】本実施形態に係るＮＶ中心の共振周波数を説明するための図である。

【図11】本実施形態に係る検出画像の生成処理を説明するためのフローチャートである。

【図12】本実施形態に係るサンプルの一例の平面図である。

【図13】本実施形態に係る蛍光強度を説明するための図である。

【図14】本実施形態に係る蛍光強度の一例を説明するための図である。

【図15】本実施形態に係る検出画像の一例を説明するための図である。

【図16】ＮＶ中心を説明するための図である。

【発明を実施するための形態】

【0030】

添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態について説明する。なお、各図において、同一の符号を付したものは、同一又は同様の構成を有する。

【0031】

図１には、本実施形態に係る検出装置１０のブロック図が示される。検出装置１０は、ダイヤモンド結晶１０１、アンテナ部１０２、制御部１０３、パルス発生器１０４、レーザ照射器１０５、撮像装置１０６、局所発振器１０７、任意波形生成器１０８、ミキサ１０９、スイッチ１１０、増幅器１１１、及び信号生成器１１２を有する。検出装置１０は、サンプルＳが発する外部電磁場を検出するために用いられる。

【0032】

ダイヤモンド結晶１０１は、サンプルＳと非常に近い位置又は接する位置に設けられる。ダイヤモンド結晶１０１は、以下に説明するＮＶ中心を有する。

【0033】

ここで、ＮＶ中心について簡単に説明する。図１６には、ＮＶ中心の構造を説明するための構造図が示される。ＮＶ中心とは、炭素原子Ｃで構成されるダイヤモンド結晶の格子点の一つを窒素原子Ｎと、窒素原子Ｎに隣接する炭素原子の抜けによる空孔Ｖとによって形成される複合欠陥である。この複合欠陥は、図１６に概念を示すように、電子ｅを捕獲することができる。電子ｅは、量子状態（スピンｓ）を有する。ＮＶ中心は、所定波長の光、例えば、緑色のレーザ光を強く吸収し、他の所定波長の光、例えば、赤い蛍光を発する。ＮＶ中心からの蛍光の強度は、電子ｅのスピンｓに応じて変化するという特徴を有する。

【0034】

ダイヤモンド結晶１０１に所定波長の光、例えば、緑色のレーザが入射されると、ダイヤモンド結晶１０１のＮＶ中心は、他の所定波長の光、例えば、赤色の蛍光を発する。ダイヤモンド結晶１０１及びアンテナ部１０２の形状については後述する。

【0035】

アンテナ部１０２は、ダイヤモンド結晶１０１に接して設けられる。ダイヤモンド結晶１０１はアンテナ部１０２とサンプルＳとで挟まれる。アンテナ部１０２は、増幅器１１１を通じて入力される、所定の周波数及び選択された振幅を有する無線周波数信号に基づく電磁波（供給電磁波）を、ダイヤモンド結晶１０１に送信することで、当該電磁波をダイヤモンド結晶１０１に伝搬させる。

【0036】

制御部１０３は、パルス発生器１０４、撮像装置１０６、局所発振器１０７、任意波形生成器１０８に接続される制御部品である。制御部１０３は、検出装置１０による電磁波の検出の各種制御を行う装置である。制御部１０３は、物理的構成として、制御に必要な処理を行うＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）、記憶領域としてのＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、あるいはＨＤＤ（Ｈａｒｄ Ｄｉｓｋ Ｄｒｉｖｅ）、各種通信を行う通信装置を備える。

【0037】

制御部１０３は、機能的構成として、記憶部１０３１、信号生成部１０３２，電磁波供給制御部１０３３，受光信号取得部１０３４，検出信号生成部１０３５、及び画像生成部１０３６を備える。これらの各部は、例えば、ＲＡＭやＲＯＭ等の記憶領域を用いたり、記憶領域に記憶されたプログラムをＣＰＵが実行したりすることにより実現される。例えば、プログラムは、記憶部１０３１に記憶される。

【0038】

記憶部１０３１は、制御部１０３における各種処理に必要なプログラムや情報が記憶される記憶領域である。

【0039】

信号生成部１０３２は、後述の信号生成器１１２を制御することで、サンプルＳに対する無線周波数信号（ＲＦ信号）の供給を制御する。「無線周波数信号」とは、無線通信に用いられる周波数帯域を有する信号を意味している。無線周波数信号はサンプルＳに対して有線で供給される。なお、無線周波数信号はサンプルＳに対して無線で供給されてもよい。

【0040】

電磁波供給制御部１０３３は、局所発振器１０７及び任意波形生成器１０８を制御することで、アンテナ部１０２に供給される電磁波の供給を制御する。

【0041】

受光信号取得部１０３４は、撮像装置１０６によって検出されたＮＶ中心からの蛍光に基づく受光信号を、撮像装置１０６から取得する。

【0042】

検出信号生成部１０３５は、受光信号取得部１０３４が取得した受光信号に基づいて、検出信号を生成する。

【0043】

画像生成部１０３６は、検出信号生成部１０３５が生成した検出信号に基づいて、サンプルＳが外部に発する外部電磁場の強度分布を示す検出画像を生成する。

【0044】

制御部１０３の各部による具体的な処理については後述する。

【0045】

パルス発生器１０４は、制御部１０３、レーザ照射器１０５、撮像装置１０６、任意波形生成器１０８、及びスイッチ１１０に接続される。パルス発生器１０４は、制御部１０３の制御に基づいて、所定のパルス幅を有するパルス信号（以降、単に「パルス」とも呼ぶ）を、レーザ照射器１０５、撮像装置１０６、任意波形生成器１０８、及びスイッチ１１０に供給する。

【0046】

パルス発生器１０４は、アンテナ部１０２に供給されるＲＦ信号用のパルスを、スイッチ１１０に供給する。パルス発生器１０４は、レーザ照射器１０５によるレーザの照射を制御する照射用パルスを、レーザ照射器１０５に供給する。パルス発生器１０４は、撮像装置１０６による撮像タイミングをトリガする撮像用パルスを、撮像装置１０６に供給する。パルス発生器１０４は、任意波形生成器１０８による信号生成を制御する波形生成パルスを、任意波形生成器１０８に供給する。パルス発生器１０４は、スイッチ１１０のオンオフの切り替えを制御する切替制御パルスを、スイッチ１１０に供給する。

【0047】

レーザ照射器１０５は、の周波数を有するレーザ光Ｌを照射する。例えば、レーザ光Ｌの波長は例えば５２０ｎｍであり、レーザ光Ｌは緑色のレーザとなる。レーザ光Ｌの出力は、例えば７ｍＷである。なお、レーザ光Ｌの波長及び出力は、上記の値に限定されず、ダイヤモンド結晶１０１のＮＶ中心を励起可能であればよい。

【0048】

レーザ光Ｌは、ミラー１０５１、ハーフミラー１０５２、及び対物レンズ１０５３を有する光学系を通じて、ダイヤモンド結晶１０１に照射される。レーザ照射器１０５、ミラー１０５１、ハーフミラー１０５２、及び対物レンズ１０５３をまとめてレーザ照射部と呼ぶことができる。

【0049】

撮像装置１０６は、レーザ光Ｌが照射されたダイヤモンド結晶１０１から発される蛍光ＰＬを受光する。蛍光は、例えば、赤色の蛍光となる周波数及び波長を有する。撮像装置１０６は、対物レンズ１０５３、長波長フィルタ１０６１、及び結像レンズ１０６２を通じて、ダイヤモンド結晶１０１から発せられる蛍光ＰＬを受光する。長波長フィルタ１０６１は、赤色より長い波長の蛍光を透過させるフィルタである。結像レンズ１０６２は、蛍光を撮像装置１０６の受光に適するように調整するレンズである。

【0050】

撮像装置１０６は例えば、複数の受光素子を有するＣＭＯＳカメラである。撮像装置１０６にＣＭＯＳカメラを用いた場合、ＣＭＯＳカメラは冷却ＣＭＯＳカメラであってもよい。撮像装置１０６は、受光素子への蛍光の入射に基づいて、受光信号を生成する。生成された受光信号は、受光信号取得部１０３４に送信される。撮像装置１０６及び受光信号取得部１０３４をまとめて受光部と呼ぶことができる。なお、ハーフミラー１０５２、対物レンズ１０５３は、レーザ照射部及び受光部の両方に含まれてもよい。

【0051】

局所発振器１０７は、制御部１０３及びミキサ１０９に接続される。局所発振器１０７は、電磁波供給制御部１０３３からの信号に基づいて、所定の周波数のＲＦ信号を生成する。局所発振器１０７は、生成したＲＦ信号をミキサ１０９に送信する。

【0052】

任意波形生成器１０８は、パルス発生器１０４からの波形生成パルスに基づいて、ミキサ１０９に互いに直交するＩ信号及びＱ信号を供給する。Ｉ信号とＱ信号とは、位相がπ／２異なる信号である。

【0053】

ミキサ１０９は、局所発振器１０７からのＲＦ信号と任意波形生成器１０８からのＩ信号及びＱ信号とに基づいて、ＲＦ信号がパルス化された信号を生成する。パルス化されたＲＦ信号は、スイッチ１１０に送信される。

【0054】

スイッチ１１０は、パルス発生器１０４からの切替制御パルスに基づいて、ミキサ１０９からのパルス化されたＲＦ信号が増幅器１１１を通じてアンテナ部１０２に供給されるように、ミキサ１０９と増幅器１１１とを接続するスイッチである。スイッチ１１０は、ミキサ１０９がパルス化されたＲＦ信号を生成している場合にのみオンとなるように制御される。

【0055】

増幅器１１１は、パルス化されたＲＦ信号の電力を増幅する。増幅器１１１は、増幅された、パルス化されたＲＦ信号を、アンテナ部１０２に供給する。アンテナ部１０２、制御部１０３、パルス発生器１０４、局所発振器１０７、任意波形生成器１０８、ミキサ１０９、スイッチ１１０をまとめて電磁波供給部と呼ぶことができる。

【0056】

信号生成器１１２は、信号生成部１０３２からの信号に基づいて、所定の無線周波数信号（ＲＦ信号）をサンプルＳに供給する。信号生成器１１２が生成するＲＦ信号は、局所発振器１０７が生成するＲＦ信号とは独立して生成される信号である。サンプルＳにＲＦ信号が供給されることにより、ダイヤモンド結晶１０１の近傍にサンプルＳによる外部電磁場が発生する。

【0057】

検出装置１０における外部電磁場の検出の概略は以下の通りである。アンテナ部１０２にパルス化されたＲＦ信号が供給される。アンテナ部１０２は、パルス化されたＲＦ信号に基づいて、ダイヤモンド結晶１０１に電磁波を供給する。ダイヤモンド結晶１０１は、供給された電磁波によって、外部電磁場の検出を可能とする状態になる。

【0058】

サンプルＳにＲＦ信号が供給されることで外部電磁場がダイヤモンド結晶１０１近傍に発生する。外部電磁場により影響を受けたダイヤモンド結晶１０１に、レーザ照射器１０５がレーザ光Ｌを照射する。ダイヤモンド結晶１０１は、レーザ光Ｌにより励起され、蛍光ＰＬを発する。蛍光ＰＬは、撮像装置１０６に入力され、受光信号が、受光信号取得部１０３４により取得される。

【0059】

制御部１０３には、パルス発生器１０４からのパルス信号が供給されている。アンテナ部１０２へのＲＦ信号の供給、レーザ照射器１０５によるレーザ光Ｌの照射、及び撮像装置１０６による受光信号の生成のタイミングは、当該パルス信号により同期されている。

【0060】

検出信号生成部１０３５はあるタイミングにおける受光信号に基づいて、検出信号を生成する。画像生成部１０３６は、検出信号に基づいて、サンプルＳにおける外部電磁場の強度分布を示す検出画像を生成する。

【0061】

図２を参照して、ダイヤモンド結晶１０１、アンテナ部１０２、及びサンプルＳの構造について説明する。

【0062】

ダイヤモンド結晶１０１は、ダイヤモンド結晶層２０１及びＮＶ中心層２０２を有する。

【0063】

ダイヤモンド結晶層２０１は、ｘｙ平面に平行な主面を有するダイヤモンドの結晶構造である。ダイヤモンド結晶層２０１は、ＮＶ中心層２０２を挟んで設けられる。なお、ＮＶ中心層２０２によって、ダイヤモンド結晶１０１が区切られるため、便宜上、ダイヤモンド結晶層２０１を層と呼んでいる。

【0064】

ＮＶ中心層２０２は、ダイヤモンド結晶１０１中に形成される複数のＮＶ中心を含む層である。ＮＶ中心層２０２は、ダイヤモンド結晶層２０１のｚ軸負方向を向く表面からｚ軸正方向に所定範囲、例えば、約１０ｎｍの範囲に形成される。ＮＶ中心層２０２は、ダイヤモンド結晶の表面の内側であって、ダイヤモンド結晶において所定の体積を占める範囲に分布する。

【0065】

ＮＶ中心層２０２のＮＶ中心には、永久磁石２０７ａ、永久磁石２０７ｂによって、静磁場が印加される。静磁場によって、ＮＶ中心層２０２のＮＶ中心のスピン状態の縮退が分離され、検出装置１０によって検出可能となる。

【0066】

アンテナ部１０２は、基板２０３及びアンテナ２０４を有する。基板２０３は、例えば、樹脂材料によって形成される実装基板である。アンテナ２０４は、ダイヤモンド結晶１０１の主面に平行に、基板２０３内に形成される金属パターンである。アンテナ２０４は、例えば、金を材料とすることができる。アンテナ２０４は、増幅器１１１を通じて信号ＭＷが入力されると、ダイヤモンド結晶１０１に対して電磁波を発する。

【0067】

サンプルＳは、基板２０５及び配線２０６を有する。基板２０５は、ダイヤモンド結晶１０１の主面に平行な主面を有する。基板２０５は、例えば樹脂材料によって形成される実装基板である。図２ではサンプルＳとダイヤモンド結晶１０１とは、接しているように図示されているが、微小な距離を空けて離れていてもよい。

【0068】

配線２０６は、基板２０５上に形成される金属配線である。配線２０６の材料は、例えば、Ｔｉ／Ａｕ合金である。配線２０６は、基板２０５に、フォトリソグラフィーを用いて形成される。

【0069】

配線２０６には、信号生成器１１２を通じて無線周波数信号である信号ＲＦが入力される。信号ＲＦによって、配線２０６は外部に向かって外部電磁場を発する。

【0070】

図３を参照して、検出装置１０における、外部電磁場の検出の概略について説明する。

【0071】

検出装置１０では、プロセス（Ａ）として、配線２０６に信号ＲＦが供給される。配線２０６は、信号ＲＦに基づく外部電磁場を発する。

【0072】

続くプロセス（Ｂ）として、レーザ照射器１０５からのレーザ光Ｌ１が、ダイヤモンド結晶１０１より具体的にはＮＶ中心層２０２に照射される。レーザ光Ｌ１が照射されたＮＶ中心層２０２のＮＶ中心は、所定のスピン状態を有するように初期化される。

【0073】

プロセス（Ｃ）として、信号ＭＷがアンテナ２０４に入力され、アンテナ２０４からの電磁波がＮＶ中心層２０２に供給される。供給された電磁波によって、ＮＶ中心層２０２のＮＶ中心は、所定の外部電磁場を検出可能なスピン状態となるように設定される。

【0074】

プロセス（Ｄ）として、配線２０６が発する外部電磁場が、ＮＶ中心層２０２のＮＶ中心のスピン状態に影響することによって、外部電磁場の強度が、ＮＶ中心層２０２のＮＶ中心のスピン状態に反映される。

【0075】

プロセス（Ｅ）として、レーザ照射器１０５からのレーザ光Ｌ２が、ＮＶ中心層２０２に照射される。レーザ光Ｌ２は、ＮＶ中心層２０２のＮＶ中心のスピン状態を読み出すためのレーザ光である。

【0076】

プロセス（Ｆ）として、レーザ光Ｌ２により励起されたＮＶ中心層２０２のＮＶ中心から蛍光ＰＬが発される。蛍光ＰＬは、ハーフミラー１０５２を通じて、撮像装置１０６にて検出される。

【0077】

以上のプロセスによって、配線２０６が発する外部電磁場の強度が検出される。

【0078】

図４から図６を参照して、レーザ照射器１０５によるレーザ光の照射及びアンテナ部１０２による、ダイヤモンド結晶１０１への電磁波の供給シーケンスについて説明する。

【0079】

図４には、レーザ供給シーケンスＬＳ，電磁波供給シーケンスＭＳｘ，ＭＳｙ（第１供給シーケンス）が示される。レーザ供給シーケンスＬＳは、レーザ照射器１０５が所定の時間τにわたって、ダイヤモンド結晶１０１にレーザ光を照射することを示す。

【0080】

当該レーザ光が照射されることによって、ＮＶ中心のスピン状態は、｜０〉状態に初期化される。初期化されたスピン方向は３次元のｘｙｚ回転座標系においてｚ軸正方向を向く。

【0081】

電磁波供給シーケンスＭＳｘは、アンテナ部１０２が、所定の振幅Ａ１（第１振幅）の磁場を有し、ＮＶ中心層２０２のＮＶ中心のスピン状態を所定のスピン状態とする電磁波（第１電磁波）を、ダイヤモンド結晶１０１に供給することを示す。具体的には、上記座標系において、スピン方向をｘ軸正方向に９０度回転させる電磁波が供給される。この電磁波をπ／２パルスとも呼ぶ。

【0082】

電磁波供給シーケンスＭＳｘにおける１回目のπ／２パルスの供給によって、初期化されたスピン状態は、所定のスピン状態（第１スピン状態）となる。

【0083】

電磁波供給シーケンスＭＳｘにおける２回目のπ／２パルスの供給によって、後述の電磁波供給シーケンスＭＳｙに基づくスピン状態が、所定のスピン状態（第３スピン状態）となる。

【0084】

電磁波供給シーケンスＭＳｙは、アンテナ部１０２が、振幅Ａ１の磁場を有し、ＮＶ中心層２０２のＮＶ中心のスピン状態を所定のスピン状態（第２スピン状態）とする電磁波を、ダイヤモンド結晶１０１に供給することを示す。第２スピン状態は以下の数式で示されるような、スピンと電磁波の混成状態であるドレスト状態となる。

【数1】

【0085】

ドレスト状態となったスピン｜＋〉と｜－〉との間には、エネルギーギャップΩ１が生じる。エネルギーギャップΩ１は、振幅Ａ１の大きさに比例するラビ周波数を有する電磁波のエネルギーに相当するエネルギーギャップである。ラビ周波数とは、電磁波照射下においてエネルギー状態の間で遷移を繰り返すラビ振動の周波数のことである。

【0086】

スピンは、エネルギーギャップΩ１と同じエネルギーを有する電磁波すなわちエネルギーギャップΩ１と共鳴する周波数の電磁波のみによって影響される。エネルギーギャップΩ１と共鳴しない周波数の電磁波による影響は受けない。

【0087】

電磁波供給シーケンスＭＳｙによって、電磁波がダイヤモンド結晶１０１に所定の時間にわたって印加された後、電磁波供給シーケンスＭＳｘにおける２回目のπ／２パルスが供給される。この供給によって、ＮＶ中心のスピン状態が、所定のスピン状態（第３スピン状態）となる。

【0088】

図５には、レーザ供給シーケンスＬＳ，電磁波供給シーケンスＭＳｘ，ＭＳｙ（第２供給シーケンス）が示される。第２供給シーケンスは、第１供給シーケンスと、電磁波供給シーケンスＭＳｘにおける２回目の電磁波の供給が異なる。第２供給シーケンスの電磁波供給シーケンスＭＳｘでは、２回目の電磁波の供給において、スピン方向をｘ軸負方向に９０度回転させる電磁波が供給される。この電磁波を－π／２パルスとも呼ぶ。電磁波供給シーケンスＭＳｘにおける－π／２パルスの供給によって、後述の電磁波供給シーケンスＭＳｙに基づくスピン状態が、所定のスピン状態（第４スピン状態）となる。

【0089】

第３スピン状態と第４スピン状態とは、第２スピン状態におけるエネルギーギャップΩと共鳴する電磁波による影響と、他のノイズ成分による影響とを含む。このうち、エネルギーギャップΩと共鳴する電磁波による影響は、第３スピン状態と第４スピン状態において、ほぼ同じ大きさであり、正負が異なるスピン状態となる。また、ノイズによる影響は第３スピン状態と第４スピン状態のいずれにおいてもランダムである。

【0090】

第３スピン状態と第４スピン状態は互いに逆向きであるため、第３スピン状態と第４スピン状態との差をとることにより、第２スピン状態における外部電磁場の正味の影響を取り出すことが可能となる。

【0091】

図６には、第１供給シーケンスの他の例が示される。図４に示される第１供給シーケンスとの差異は、電磁波供給シーケンスＭＳｘ，ＭＳｙにおける磁場が振幅Ａ２（第２振幅）を有することである。

【0092】

振幅Ａ２は振幅Ａ１より大きい。これにより、第２スピン状態において、振幅Ａ２の電磁波（第２電磁波）に基づくエネルギーギャップΩ２は、振幅Ａ１の電磁波に基づくエネルギーギャップΩ１より大きくなる。

【0093】

エネルギーギャップΩ２は、エネルギーギャップΩ１に対応する外部電磁場の周波数より高い周波数の外部電磁場による影響を受ける。磁場の振幅を変更することによって、第２スピン状態におけるエネルギーギャップを用いて検出可能な外部電磁場の周波数を変更することができる。これにより、外部電磁場の周波数が未知の場合に、検出装置１０は、磁場の振幅を走査することで、外部電磁場の未知周波数に対応可能に、検出周波数を走査することができる。

【0094】

図７は、磁場が振幅Ａ２を有する場合の第１供給シーケンスに対応した第２供給シーケンスである。

【0095】

図８を参照して、画像生成部１０３６による、撮像装置１０６からの信号のビニングについて説明する。ダイヤモンド結晶１０１からの外部電磁場に対応する蛍光ＰＬは、撮像装置１０６の受光素子８０１に入光する。

【0096】

受光素子８０１は、サンプルＳが発生する外部電磁場の強度分布を検出するために十分な解像度となる画素数、例えば、５２８×５１２ピクセルとなる画素８０２を有する。画素８０２の大きさが対物レンズ１０５３による解析限界を超えている場合、個々の画素８０２は、蛍光ＰＬを適切に検出することが難しくなる。

【0097】

画像生成部１０３６は、例えば、１６×１６ピクセルの画素８０２からの信号に対応する検出信号を、まとめる（ビニングする）ことによって、画像生成部１０３６が生成する画像８０４を、３３×３２ピクセルとする。これにより、これにより信号雑音比の向上とダイナミックレンジの増大が可能となる。

【0098】

図９を参照して、検出装置１０による、検出信号の記録までの処理について説明する。

【0099】

ステップＳ９０１において、制御部１０３は、パルス発生器１０４を通じて、レーザ照射器１０５に、ダイヤモンド結晶１０１へとレーザ光を照射させる。

【0100】

ステップＳ９０２において、受光信号取得部１０３４は、撮像装置１０６を通じてＮＶ中心層２０２のＮＶ中心からの蛍光強度を示す信号を取得する。取得された蛍光強度は記憶部１０３１に記憶される。

【0101】

ステップＳ９０３において、電磁波供給制御部１０３３は、ある周波数の電磁波をアンテナ部１０２に供給する。

【0102】

ステップＳ９０４において、制御部１０３は、レーザ照射器１０５にダイヤモンド結晶１０１へとレーザ光を照射させる。

【0103】

ステップＳ９０５において、受光信号取得部１０３４は、撮像装置１０６にＮＶ中心層２０２のＮＶ中心からの蛍光を取得させ、蛍光強度を示す信号を取得する。取得された蛍光強度は記憶部１０３１に記憶される。

【0104】

上記ステップＳ９０１からステップＳ９０５までの処理を繰り返すことによって、複数の周波数について、以下の関係、規格化蛍光強度＝（電磁波供給下の蛍光強度）／（電磁波非照射下の蛍光強度）、を満たす規格化蛍光強度を算出する。規格化蛍光強度の一例は、図１０に示される。

【0105】

ステップＳ９０６において、電磁波供給制御部１０３３は、規格化蛍光強度が小さい、すなわち、ＮＶ中心がレーザ光に共振することによって電磁波供給下の蛍光強度が小さくなる周波数を選択することができる。例えば、図１０における周波数ｆを共振周波数とすることができる。

【0106】

ステップＳ９０７において、信号生成部１０３２は、信号生成器１１２を通じて、サンプルＳにＲＦ信号を供給する。これによりサンプルＳが外部電磁場を発生させる。ＲＦ信号は、例えば、周波数が１５ＭＨｚ、電力が－３０ｄＢｍの信号である。

【0107】

ステップＳ９０８において、電磁波供給制御部１０３３は、アンテナ部１０２がダイヤモンド結晶１０１に供給する電磁波の磁場の振幅を選択する。

【0108】

ステップＳ９０９において、電磁波供給制御部１０３３は、第１シーケンスに従って、周波数が共鳴周波数であり、選択された振幅を有する信号を、ダイヤモンド結晶１０１に供給する。なお、このときレーザ照射器１０５はレーザ供給シーケンスに従ってレーザを照射する。

【0109】

ステップＳ９１０において、制御部１０３は、レーザ照射器１０５にダイヤモンド結晶１０１へとレーザ光を照射させる。

【0110】

ステップＳ９１１において、受光信号取得部１０３４は、選択された振幅に応じた強度を有する蛍光を、撮像装置１０６に取得させる。ステップＳ９１２において、受光信号取得部１０３４は取得された強度に基づく受光信号ＳＧ１（第３受光信号）を取得し、記憶する。

【0111】

ステップＳ９１３において、電磁波供給制御部１０３３は、第２シーケンスに従って、周波数が共鳴周波数であり、選択された振幅を有する信号を、ダイヤモンド結晶１０１に供給する。なお、このときレーザ照射器１０５はレーザ供給シーケンスに従ってレーザを照射する。

【0112】

ステップＳ９１４において、制御部１０３は、レーザ照射器１０５にダイヤモンド結晶１０１へとレーザ光を照射させる。

【0113】

ステップＳ９１５において、受光信号取得部１０３４は、選択された振幅に応じた強度を有する蛍光を撮像装置１０６に取得させる。ステップＳ９１６において、受光信号取得部１０３４は取得された強度に基づく受光信号ＳＧ２（第４受光信号）を取得し、記憶する。受光信号ＳＧ１、受光信号ＳＧ２は、いずれも、選択された振幅に応じた強度（第１強度）を有する蛍光（第１蛍光）の強度に基づく受光信号（第１受光信号）である。

【0114】

ステップＳ９１７において、検出信号生成部１０３５は、受光信号ＳＧ１と受光信号ＳＧ２とに基づいて、画像生成部１０３６が生成する検出画像の各ピクセルに対応する検出信号（第１検出信号）を生成し、記憶する。具体的には、検出信号生成部１０３５は、各ピクセルについて、受光信号ＳＧ１と受光信号ＳＧ２との差分をとることで検出信号とする。

【0115】

なお、ステップＳ９０９からステップＳ９１７の処理を複数回繰り返すことによって、検出信号において、受光信号の誤差によるノイズを低減するようにしてもよい。

【0116】

ステップＳ９１８において、検出信号生成部１０３５は、外部電磁場に対応して定められた、検出対象となる周波数範囲について、検出信号の記憶が終わったかを判断する。

【0117】

検出信号が、検出対象の周波数範囲にわたって記憶されていない場合、ステップＳ９０８からの処理が繰り返される。このとき、電磁波供給制御部１０３３は、アンテナ部１０２がダイヤモンド結晶１０１に供給する電磁波の磁場の振幅を、既に供給した電磁波の磁場の振幅より大きい振幅の磁場として選択する。これにより、振幅を走査する、すなわち周波数を走査することが可能となる。振幅は、例えば、１０．２ＭＨｚから２０．８ＭＨｚまでのラビ周波数に対応する振幅である。

【0118】

ステップＳ９０８からの処理が繰り返されることによって、選択された他の振幅に応じた強度（第２強度）を有する蛍光（第２蛍光）の強度に基づく受光信号（第２受光信号）として、新たな受光信号ＳＧ１と受光信号ＳＧ２が繰り返し取得される。検出信号生成部１０３５は、新たな受光信号ＳＧ１と受光信号ＳＧ２に基づいて、画像生成部１０３６が生成する検出画像の各ピクセルに対応する検出信号（第２検出信号）を生成し、記憶する。

【0119】

検出信号が、検出対象の周波数範囲にわたって記憶されている場合、処理は終了する。

【0120】

図１１から図１５を参照して、検出画像の生成処理について、検出画像の例とともに説明する。ここでは、検出信号の記憶は全て終了しているとして、説明する。

【0121】

ステップＳ１１０１において、画像生成部１０３６は、検出範囲における、あるピクセルについて、検出対象の周波数範囲の周波数ごとの検出信号を取得する。

【0122】

例えば、図１２のサンプルＳの平面図に示されるように、３５μｍ×３５μｍの基板２０５上に幅１０μｍの配線２０６が設けられている。検出装置１０は、基板２０５の３５μｍ×３５μｍの範囲を検出範囲としている。検出画像は、図８で説明したピクセル８０３を有する画像である。

【0123】

ステップＳ１１０２において、画像生成部１０３６は、取得した検出信号が極値をとるピーク周波数を算出する。

【0124】

例えば、図１３にはあるピクセルにおける、複数の周波数における検出信号の一例が示されている。検出信号は、横軸を周波数とし、縦軸を規格化蛍光強度としてプロットされる。

【0125】

図１３における各周波数は、電磁波供給制御部１０３３がダイヤモンド結晶１０１に供給する電磁波の磁場の振幅に基づく。磁場の振幅が振幅Ａ１，振幅Ａ２、振幅Ａ３（第３振幅）のそれぞれである場合についての規格化蛍光強度が、図１３でそれぞれ矢印によって示される。振幅は、振幅Ａ１，振幅Ａ２、振幅Ａ３の順に大きくなり、それに伴って対応するラビ周波数も順に高くなる。

【0126】

図１３では、振幅Ａ２すなわち、第２周波数が１５ＭＨｚである場合に、検出信号は極値をとる。よって、画像生成部１０３６は、ピーク周波数（第２周波数）として１５ＭＨｚを算出する。この周波数は、図９のステップＳ９０７において、信号生成部１０３２がサンプルＳに供給したＲＦ信号の周波数（１５ＭＨｚ）に対応する。なぜなら、１５ＭＨｚの外部電磁場の影響を受けるＮＶ中心層２０２のＮＶ中心は、振幅Ａ２の磁場を有する電磁波を供給されたときに、最も強く蛍光を発するからである。

【0127】

このように、検出信号の極値をとることで、画像生成部１０３６は、検出したい外部電磁場の周波数を算出することが可能となる。

【0128】

ステップＳ１１０３において、画像生成部１０３６は、検出信号の傾きの変化に基づいて、ピーク周波数前後の、第１周波数と第２周波数を算出する。例えば、検出信号の傾きの絶対値が所定の値より小さくなる周波数として、図１３の振幅Ａ１に対応する周波数と振幅Ａ３に対応する周波数のそれぞれを、第１周波数と第２周波数とする。

【0129】

ステップＳ１１０４において、画像生成部１０３６は、第１周波数における検出信号と第２周波数における検出信号（第３検出信号）に基づいて、背景信号を算出する。具体的には、画像生成部１０３６は、図１３において、第１周波数における規格化蛍光強度を示す点と第２周波数における規格化蛍光強度を示す点とを結ぶ直線を示す式を算出する。画像生成部１０３６は、算出された直線の式において、周波数を第２周波数とした場合の規格化蛍光強度を算出する。画像生成部１０３６は、この規格化蛍光強度を背景信号とする。

【0130】

ステップＳ１１０５において、画像生成部１０３６は、ピーク周波数における検出信号から背景信号を減算する。

【0131】

ステップＳ１１０６において、画像生成部１０３６は、背景信号が減算された検出信号であるスピンロッキング信号を、当該ピクセルに関連付けて記憶する。

【0132】

ステップＳ１１０７において、画像生成部１０３６は、検出範囲のすべてのピクセルについて、スピンロッキング信号の算出が終了したかを判断する。

【0133】

検出範囲のすべてのピクセルについて、スピンロッキング信号の算出が終了していない場合、画像生成部１０３６は、ステップＳ１１０１からＳ１１０６までの処理を繰り返す。

【0134】

検出範囲のすべてのピクセルについて、スピンロッキング信号の算出が終了した場合、ステップＳ１１０８において、画像生成部１０３６は、スピンロッキング信号に基づいて検出画像を生成する。

【0135】

図１４には、あるｙ方向の位置における、ｘ方向にわたる各ピクセルにおけるスピンロッキング信号の強度の一例が示される。図１４に示されるように、スピンロッキング信号は、図１２の配線２０６のｘ方向における端部に相当する位置において、大きい値をとる。すなわち、当該位置において、配線２０６が強い外部電磁場を発していること及び、その周波数は１５ＭＨｚであることがわかる。

【0136】

図１５には、画像生成部１０３６が生成した検出画像１５０１の一例が示される。図１４のようなスピンロッキング信号がｙ方向の各ピクセルにおいて算出されている。したがって、図１２の配線２０６のｘ方向における端部に相当する位置において、スピンロッキング信号が大きい値をとることが可視化されている。

【0137】

検出画像１５０１は、スピンロッキング信号に基づいて、配線２０６が発する電磁波の可視化を行った結果得られる画像である。検出画像１５０１は、ダイヤモンド結晶１０１を励起するラビ周波数を走査することによって、配線２０６が発する電磁波の可視化を行っている。

【0138】

以上本実施形態について説明した。検出装置１０では、ダイヤモンド結晶１０１の表面からＮＶ中心層２０２の距離(約１０ｎｍ)によって空間分解能が制限され、空間分解能を格段に向上させることが可能である。また、検出画像の画素数は配線の本数で制限されない。ＮＶ中心のインダクタンスは極小であり、センサ間、センサと対象物間の相互干渉の影響を避けられる。よって検出装置１０は、電磁波の検出感度を格段に向上させることが可能である。検出装置１０は、数学的な処理を行うことによって、透明・不透明材料によらない誘電率変化の可視化や、電子回路の電流経路や分布を推定し可視化する技術へも応用可能となる。

【0139】

以上説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではない。実施形態が備える各要素並びにその配置、材料、条件、形状及びサイズ等は、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。

【符号の説明】

【0140】

１０…検出装置、１０１…ダイヤモンド結晶、１０２…アンテナ部、２０４…アンテナ、１０３…制御部、１０４…パルス発生器、１０５…レーザ照射器、１０６…撮像装置、１０７…局所発振器、１０８…任意波形生成器、１０９…ミキサ、１１０…スイッチ、１１１…増幅器、１１２…信号生成器、Ｓ…サンプル、２０１…ダイヤモンド結晶層、２０２…ＮＶ中心層、２０３，２０５…基板、２０６…配線、１０３１…記憶部、１０３２…信号生成部、１０３３…電磁波供給制御部、１０３４…受光信号取得部、１０３５…検出信号生成部、１０３６…画像生成部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】