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(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】P2024056527
(43)【公開日】2024-04-23
(54)【発明の名称】カラーセンター特性の測定方法および測定装置
(51)【国際特許分類】
G01N 21/64 20060101AFI20240416BHJP
【ＦＩ】
G01N21/64 Z
【審査請求】未請求
【請求項の数】11
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2022163487
(22)【出願日】2022-10-11
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）令和４年度、防衛装備庁、安全保障技術研究推進制度委託事業「海底・地下での長距離量子センシングに関する研究」委託研究、及び、令和４年度、文部科学省、科学技術試験研究委託事業「量子計測・センシング技術研究開発」のうち「固体量子センサの高度制御による革新的センサシステムの創出」委託研究、産業技術力強化法第１７条の適用を受ける特許出願
(71)【出願人】
【識別番号】301032942
【氏名又は名称】国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構
(74)【代理人】
【識別番号】110000338
【氏名又は名称】弁理士法人 ＨＡＲＡＫＥＮＺＯ ＷＯＲＬＤ ＰＡＴＥＮＴ ＆ ＴＲＡＤＥＭＡＲＫ
(72)【発明者】
【氏名】増山 雄太
(72)【発明者】
【氏名】大島 武
【テーマコード（参考）】
2G043
【Ｆターム（参考）】
2G043AA01
2G043CA05
2G043EA01
2G043GA01
2G043HA01
2G043HA02
2G043HA07
2G043HA09
2G043JA01
2G043KA09
2G043LA01
(57)【要約】
【課題】カラーセンター特性の効率的な測定を図る。
【解決手段】カラーセンター特性の測定方法は、光ビーム（ＬＬ）を対物レンズ部（１３）で集光して試料（ＳＡ）に照射することによって試料のカラーセンター特性を測定する測定方法であって、試料（ＳＡ）の測定長（ＬＭ）に基づいて、試料に照射する光ビームのレイリー長（Ｚｒ）の範囲を決定する工程と、集光された光ビームのレイリー長が、決定された範囲に含まれるように、対物レンズ部を設定する工程と、を有する。
【選択図】図５
【解決手段】カラーセンター特性の測定方法は、光ビーム（ＬＬ）を対物レンズ部（１３）で集光して試料（ＳＡ）に照射することによって試料のカラーセンター特性を測定する測定方法であって、試料（ＳＡ）の測定長（ＬＭ）に基づいて、試料に照射する光ビームのレイリー長（Ｚｒ）の範囲を決定する工程と、集光された光ビームのレイリー長が、決定された範囲に含まれるように、対物レンズ部を設定する工程と、を有する。
【選択図】図５
【特許請求の範囲】
【請求項1】
光源からの光ビームを対物レンズ部で集光して試料に照射することによって前記試料のカラーセンター特性を測定する測定方法であって、
前記試料の厚さ方向の測定範囲の長さである測定長に基づいて、前記試料に照射する光ビームのレイリー長の範囲を決定する工程と、
前記対物レンズ部によって集光された光ビームのレイリー長が、前記レイリー長の範囲に含まれるように、前記対物レンズ部を設定する工程と、
を有する、測定方法。
前記試料の厚さ方向の測定範囲の長さである測定長に基づいて、前記試料に照射する光ビームのレイリー長の範囲を決定する工程と、
前記対物レンズ部によって集光された光ビームのレイリー長が、前記レイリー長の範囲に含まれるように、前記対物レンズ部を設定する工程と、
を有する、測定方法。
【請求項2】
前記レイリー長の範囲は、前記測定長の０．１倍以上５倍以下である、請求項１に記載の測定方法。
【請求項3】
前記レイリー長の範囲は、前記試料の厚さの１／８以上５倍以下である、請求項１に記載の測定方法。
【請求項4】
前記対物レンズ部を設定する工程は、
前記レイリー長の範囲に対応する焦点距離の範囲を決定する工程と、
前記焦点距離の範囲内の焦点距離となるように、前記対物レンズ部を設定する工程と、を有する、
請求項１に記載の測定方法。
前記レイリー長の範囲に対応する焦点距離の範囲を決定する工程と、
前記焦点距離の範囲内の焦点距離となるように、前記対物レンズ部を設定する工程と、を有する、
請求項１に記載の測定方法。
【請求項5】
前記設定された対物レンズ部の焦点距離は、以下の式により規定される、請求項４に記載の測定方法。
Ｆ＝（π×Ｚｒ／λ）１／２×（Ｄ０／２）
Ｆ： 対物レンズ部の焦点距離
Ｚｒ： レイリー長
λ： 光ビームの波長
Ｄ０： 対物レンズ部に入射する光ビームの直径
Ｆ＝（π×Ｚｒ／λ）１／２×（Ｄ０／２）
Ｆ： 対物レンズ部の焦点距離
Ｚｒ： レイリー長
λ： 光ビームの波長
Ｄ０： 対物レンズ部に入射する光ビームの直径
【請求項6】
前記レイリー長の範囲を決定する工程は、
前記対物レンズ部によって集光された光ビームのレイリー長と、前記集光される光ビームによって励起された試料からの蛍光の量との関係を導出する工程と、
前記導出された関係および前記測定長に基づいて、前記レイリー長の範囲を決定する工程と、
を有する、請求項１に記載の測定方法。
前記対物レンズ部によって集光された光ビームのレイリー長と、前記集光される光ビームによって励起された試料からの蛍光の量との関係を導出する工程と、
前記導出された関係および前記測定長に基づいて、前記レイリー長の範囲を決定する工程と、
を有する、請求項１に記載の測定方法。
【請求項7】
前記試料は、前記光ビームによって励起されて、蛍光を発するＮＶセンターを有し、
前記関係を導出する工程は、
前記集光される光ビームによって励起された前記試料のＮＶセンターからの蛍光の量を算出する工程を有する、請求項６に記載の測定方法。
前記関係を導出する工程は、
前記集光される光ビームによって励起された前記試料のＮＶセンターからの蛍光の量を算出する工程を有する、請求項６に記載の測定方法。
【請求項8】
前記関係を導出する工程は、
前記試料中のＮＶセンターの偏極率を算出する工程と、
前記算出された偏極率に基づいて、前記算出された前記蛍光の量を補正する工程と、
を有する、請求項７に記載の測定方法。
前記試料中のＮＶセンターの偏極率を算出する工程と、
前記算出された偏極率に基づいて、前記算出された前記蛍光の量を補正する工程と、
を有する、請求項７に記載の測定方法。
【請求項9】
試料を保持するホルダと、
光源からの光ビームを前記試料に集光させる対物レンズ部と、
前記対物レンズ部によって集光された光ビームによって励起された前記試料の状態を測定する測定部と、
プロセッサと、
を備え、
前記プロセッサは、
前記試料の厚さ方向の測定範囲の長さである測定長に基づいて、前記試料に照射する光ビームのレイリー長の範囲を決定する工程と、
前記対物レンズ部によって集光された光ビームのレイリー長が、前記レイリー長の範囲に含まれるように、前記対物レンズ部を設定する工程と、
を実行する、カラーセンター特性の測定装置。
光源からの光ビームを前記試料に集光させる対物レンズ部と、
前記対物レンズ部によって集光された光ビームによって励起された前記試料の状態を測定する測定部と、
プロセッサと、
を備え、
前記プロセッサは、
前記試料の厚さ方向の測定範囲の長さである測定長に基づいて、前記試料に照射する光ビームのレイリー長の範囲を決定する工程と、
前記対物レンズ部によって集光された光ビームのレイリー長が、前記レイリー長の範囲に含まれるように、前記対物レンズ部を設定する工程と、
を実行する、カラーセンター特性の測定装置。
【請求項10】
前記対物レンズ部は、焦点距離を変更可能であり、
前記対物レンズ部を設定する工程は、
前記レイリー長の範囲に対応する焦点距離の範囲を決定する工程と、
前記焦点距離の範囲内の焦点距離となるように、前記対物レンズ部を設定する工程と、を有する、
請求項９に記載の測定装置。
前記対物レンズ部を設定する工程は、
前記レイリー長の範囲に対応する焦点距離の範囲を決定する工程と、
前記焦点距離の範囲内の焦点距離となるように、前記対物レンズ部を設定する工程と、を有する、
請求項９に記載の測定装置。
【請求項11】
前記測定部は、
前記光源と、
光検出器と、
前記光源からの光ビームを前記対物レンズ部に導き、かつ、前記対物レンズ部によって集光された光ビームによって前記試料から発せられる蛍光を前記光検出器に導く、ダイクロイック・ミラーと、
を有する、請求項９に記載の測定装置。
前記光源と、
光検出器と、
前記光源からの光ビームを前記対物レンズ部に導き、かつ、前記対物レンズ部によって集光された光ビームによって前記試料から発せられる蛍光を前記光検出器に導く、ダイクロイック・ミラーと、
を有する、請求項９に記載の測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、カラーセンター特性の測定方法および測定装置に関する。
【背景技術】
【0002】
試料に光を照射して、試料のカラーセンター特性を測定することがある。カラーセンター（一例として、ＮＶセンター）を有する試料にレーザビームを照射すると、カラーセンターが光によって励起され、量子偏極を起こす。この量子偏極は、蛍光や光検出磁気共鳴を用いて、測定することができる（非特許文献１、２参照）。
【0003】
ここで、カラーセンター特性の空間的な分布を測定する場合、例えば、共焦点顕微鏡を用いて、光を集光し、この集光点を走査することで、カラーセンター特性の分布を測定することが考えられる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【0004】
【非特許文献1】Masuyama, Y., et al. "Extending coherence time of macro-scale diamond magnetometer by dynamical decoupling with coplanar waveguide resonator." Review of Scientific Instruments 89.12 (2018): 125007.
【非特許文献2】El-Ella, Haitham AR, et al. "Optimised frequency modulation for continuous-wave optical magnetic resonance sensing using nitrogen-vacancy ensembles." Optics express 25.13 (2017): 14809-14821.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
しかしながら、共焦点顕微鏡を用いると、集光範囲（すなわち、測定範囲）が試料の厚み方向のごく一部に限られる。その結果、試料の広い範囲についてカラーセンター特性の分布を測定しようとすると多大な時間を要することになる。一方、集光範囲を広げすぎると、光の強度が低下し、光励起が実質的に生じなくなり、カラーセンター特性の測定自体が困難となる。
【0006】
本発明の一態様は、カラーセンター特性の効率的な測定を図った測定方法および測定装置を実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0007】
上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係るカラーセンター特性の測定方法は、光源からの光ビームを対物レンズ部で集光して試料に照射することによって前記試料のカラーセンター特性を測定する測定方法であって、前記試料の厚さ方向の測定範囲の長さである測定長に基づいて、前記試料に照射する光ビームのレイリー長の範囲を決定する工程と、前記対物レンズ部によって集光された光ビームのレイリー長が、前記レイリー長の範囲に含まれるように、前記対物レンズ部を設定する工程と、を有する。
【発明の効果】
【0008】
本発明の一態様によれば、カラーセンター特性の効率的な測定を図った測定方法および測定装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【0009】
【図1】本発明の実施形態に係るカラーセンター特性の測定装置を表す図である。
【図2】試料に照射される光ビームを表す図である。
【図3】試料中での光ビームを表す図である。
【図4】焦点深度と全蛍光量の関係を表すグラフである。
【図5】カラーセンター特性の測定装置の設定手順の一例を表すフロー図である。
【図6】試料と光ビームの関係を表す図である。
【図7】ビーム半径と有効体積の関係を表すグラフである。
【図8】焦点深度と有効体積の関係を表すグラフである。
【図9】ＮＶセンターの準位を表す図である。
【図10】単位体積当たりの蛍光量を表す図である。
【図11】偏極率を表す図である。
【図12】偏極信号を表す図である。
【図13】試料に照射される光ビームと蛍光との関係を表す図である。
【図14】ビーム半径と検出率の関係を表すグラフである。
【図15】ビーム半径と有効信号量の関係を表す図である。
【図16】有効信号量を表す図である。
【図17】量子コヒーレンス時間Ｔ２の測定結果を表す図である。
【図18】ＯＤＭＲの測定結果を表す図である。
【発明を実施するための形態】
【0010】
以下、本発明の一実施形態について、詳細に説明する。図１は、本発明の実施形態に係るカラーセンター特性の測定装置１０を表す図である。
【0011】
測定装置１０は、レーザ光源１１、ダイクロイック・ミラー１２、対物レンズ部１３、高周波回路１４、フィルタ１５、レンズ１６、光検出器１７、分光器１８、高周波発生器２１、アンプ２２、波形発生器２３、光変調器２４、高周波変調器２５、制御部２６を有する。試料ＳＡは、高周波回路１４上に設置される。すなわち、高周波回路１４は、試料を保持するホルダとして機能する。
【0012】
測定装置１０は、全体として、顕微鏡のような形態とすることができる。一方、測定装置１０は、対物レンズ部１３および試料フォルダ（ここでは、高周波回路１４）の装置本体１０Ｂと、それ以外のアダプタ部１０Ａに区分してもよい。装置本体１０Ｂとアダプタ部１０Ａを分離可能として、顕微鏡のような形態の装置本体１０Ｂに、アダプタ部１０Ａを取り付けて、測定装置１０を構成してもよい。この場合、アダプタ部１０Ａ、例えば、レーザ光源１１、ダイクロイック・ミラー１２は、装置本体１０Ｂに着脱可能な測定部として機能する。なお、アダプタ部１０Ａ全体を測定部としてもよい。
【0013】
測定装置１０は、試料ＳＡに光を集光して測定を行う点で、共焦点顕微鏡（ＣＦＭ）と類似する。但し、後述のように、共焦点顕微鏡とは、光の集光範囲（焦点距離Ｆ）が大きく異なる。これに伴い、測定装置１０の光検出器１７は、イメージング素子とするよりも、単一の検出器であることが好ましい。なお、この詳細は後述する。
【0014】
試料ＳＡは、量子材料であり、レーザ光ＬＬ（以下、光ビームともいう）によって励起するカラーセンターを有する。カラーセンターの一例として、ＮＶセンター（窒素-空孔センタ：Nitrogen-vacancy center）を挙げることができる。ＮＶセンターは、窒素原子と、この窒素原子に隣接する空孔との複合欠陥である。試料ＳＡをダイヤモンドとし、窒素原子を注入することで、ダイヤモンドの炭素原子の一部が窒素原子と置き換わり、ＮＶセンターが形成される。ＮＶセンターは、電子１個を捕獲して負に帯電したときに、磁気的な性質を示す。
【0015】
レーザ光源１１は、試料ＳＡを励起するためのレーザ光ＬＬを発する光源である。レーザ光源１１は、波長固定レーザ、波長可変レーザ、および、多波長レーザのいずれを用いてもよい。多波長レーザの例として、Ｃｏｈｅｒｅｎｔ社の「ＯＢＩＳ ＬＳ／ＬＸレーザ」を挙げることができる。
【0016】
レーザ光源１１から発したレーザ光ＬＬは、光変調器２４、ダイクロイック・ミラー１２、対物レンズ部１３を通って、試料ＳＡに照射（集光）される。レーザ光ＬＬが照射された試料ＳＡ中のカラーセンターは、蛍光ＬＦを発する。この蛍光ＬＦは、対物レンズ部１３、ダイクロイック・ミラー１２、フィルタ１５、レンズ１６を通って、光検出器１７または分光器１８に入射して、測定される。
【0017】
光路ＯＦ１～ＯＦ３は、レーザ光ＬＬまたは蛍光ＬＦが通過する経路であり、実質的に物が配置されない自由空間とすることができる。なお、光路ＯＦ１、ＯＦ３に光ファイバを用いてもよい。例えば、光路ＯＦ１にシングルモードの光ファイバを、光路ＯＦ３（さらに、レンズ１６と光検出器１７間、レンズ１６と分光器１８間、以下、「光路ＯＦ３等」と称する）にマルチモードの光ファイバを配置して、レーザ光ＬＬ等を光ファイバによって伝送してもよい。光路ＯＦ３等に、マルチモードの光ファイバを用いているのは、マルチモードの光ファイバは、径が大きく、試料ＳＡの集光範囲（励起範囲、測定範囲）を広くすることができるためである。
【0018】
ダイクロイック・ミラー１２は、レーザ光源１１からのレーザ光ＬＬを透過し、試料ＳＡから発せられる蛍光ＬＦを反射する。この結果、ダイクロイック・ミラー１２は、レーザ光源１１からの光ビーム（レーザ光ＬＬ）を対物レンズ部１３に導き、かつ、対物レンズ部１３によって集光された光ビームによって試料ＳＡから発せられる蛍光ＬＦを光検出器１７に導く機能を営む。
【0019】
対物レンズ部１３は、レーザ光源１１（光源）からのレーザ光ＬＬ（光ビーム）を試料に集光させる。対物レンズ部１３は、制御部２６（プロセッサ）によって、対物レンズ部１３によって集光された光ビームのレイリー長Ｚｒが、所定のレイリー長Ｚｒの範囲に含まれるように、（焦点距離Ｆが）設定される。なお、この詳細は、後述する。
【0020】
詳細は後述するが、レイリー長Ｚｒは、後述のステップＳ１～Ｓ１９のような演算を毎回行わず決定することができる。すなわち、レイリー長Ｚｒ、結局、対物レンズ部１３の焦点距離は、測定長ＬＭと対応付けられた対応テーブルによって表すことができる。制御部２６は、この対応テーブルを記憶するメモリを有し、この対応テーブルを用いて、対物レンズ部１３の焦点距離を設定等してもよい。また、この対応テーブルを映像、音声に表して、オペレータが認識可能とし、オペレータが対物レンズ部１３の焦点距離を設定等してもよい。
【0021】
なお、測定長ＬＭ（例えば、試料ＳＡの厚さ）に基づいて、対物レンズ部１３の焦点距離の設定（対物レンズの交換を含む）を行うことは、人的、制御部２６のいずれで行うかによらす、本実施形態に係るカラーセンター特性の測定方法の範囲に含まれ得る。
【0022】
対物レンズ部１３は、レーザ光ＬＬを集光する対物レンズを有する。対物レンズ部１３は、焦点距離を変更可能である。例えば、対物レンズ部１３は、焦点距離が可変の対物レンズを有するか、または、焦点距離の異なる複数の対物レンズを交換して使用可能としてよい。焦点可変レンズとして、例えば、Ｏｐｔｏｔｕｎｅ社の「ＥＬ－１６－４０－ＴＣ」を用いることができる。後述のように、試料ＳＡの厚さ方向の測定範囲の長さである測定長ＬＭに基づいて、対物レンズ部１３（すなわち、対物レンズ）の焦点距離Ｆを設定することで、測定長ＬＭに対応する測定領域にレーザ光ＬＬを集光させ、試料ＳＡのカラーセンター特性の効率的な測定が可能となる。
【0023】
高周波回路１４は、試料ＳＡに高周波発生器２１からの高周波（一例として、マイクロ波）を照射する。
フィルタ１５は、例えば、蛍光ＬＦの波長域の光を透過し、それ以外の波長域の光を遮断するバンドパスフィルタである。
レンズ１６は、試料ＳＡからの蛍光ＬＦを光検出器１７、または分光器１８に集光する。なお、レンズ１６によって集光された蛍光ＬＦは、光検出器１７、分光器１８を切り替えて入射させることができる。
フィルタ１５は、例えば、蛍光ＬＦの波長域の光を透過し、それ以外の波長域の光を遮断するバンドパスフィルタである。
レンズ１６は、試料ＳＡからの蛍光ＬＦを光検出器１７、または分光器１８に集光する。なお、レンズ１６によって集光された蛍光ＬＦは、光検出器１７、分光器１８を切り替えて入射させることができる。
【0024】
光検出器１７は、レンズ１６によって集光された試料ＳＡからの蛍光ＬＦを受光し、蛍光ＬＦの強度を測定する。光検出器１７は、例えば、フォトダイオード（一例として、アバランシェ・フォトダイオード）を用いることができる。フォトダイオードによって、試料ＳＡの比較的広い集光範囲全体からの蛍光量を測定できる。すなわち、光検出器１７にはＣＣＤのようなイメージング素子を用いなくてもよい。試料ＳＡ（ＮＶセンター）の励起特性の測定には、イメージング素子よりも、単一の検出器であるほうが好ましい。試料ＳＡのある程度広い測定範囲からの蛍光を纏めて測定できるからである。
【0025】
高周波発生器２１は、レーザ光ＬＬによって励起した試料ＳＡ中のカラーセンターを共鳴（電子スピン共鳴：ＥＳＲ）させるための電磁波（高周波）を発生する。高周波発生器２１からの高周波は、アンプ２２によって増幅され、高周波回路１４に到達し、高周波回路１４から試料ＳＡに照射される。
【0026】
波形発生器２３は、種々の波形の信号を発生する。波形発生器２３からの信号は、光変調器２４でのレーザ光ＬＬの変調、高周波変調器２５での高周波の変調に用いられる。
【0027】
制御部２６は、プロセッサおよびメモリを有し、測定装置１０での測定を制御する。制御部２６は、後述の設定手順の少なくとも一部を実行することができる。例えば、制御部２６を構成するプロセッサは、試料ＳＡの厚さ方向の測定範囲の長さである測定長ＬＭに基づいて、試料ＳＡに照射する光ビームＬＬのレイリー長Ｚｒの範囲を決定する工程と、対物レンズ部１３によって集光された光ビームＬＬのレイリー長Ｚｒが、決定されたレイリー長Ｚｒの範囲に含まれるように、対物レンズ部１３を設定する工程を実行する。さらに、対物レンズ部を設定する工程は、レイリー長Ｚｒの範囲に対応する焦点距離Ｆの範囲を決定する工程と、焦点距離Ｆの範囲内の焦点距離となるように、対物レンズ部１３を設定する工程と、を有してもよい。なお、制御部２６に表示装置（例えば、液晶表示装置、ＥＬ表示装置）、入力装置（例えば、キーボード、マウス）が接続され、画像の表示、情報の入力を可能としてもよい。
【0028】
（試料の測定範囲の厚さと光ビーム（レーザ光ＬＬ）の集光範囲の関係）
図２は、試料ＳＡに照射される光ビームＬＬを表す図である。図２の（ａ）、（ｂ）はそれぞれ、実施形態（測定装置１０）での光ビームＬＬ、比較例（通常の共焦点顕微鏡）での光ビームＬＬｘを表す。ここでは、試料ＳＡの厚さＴＳを測定長ＬＭ（試料ＳＡの厚さ方向の測定範囲の長さ）としている。但し、試料ＳＡの厚さ方向の一部を測定長ＬＭとしてもよい。試料ＳＡの厚さＴＳが未知である場合には、測定装置１０を用いた測定を実施する前に、試料ＳＡの厚さＴＳを測定する工程を実施してもよい。
図２は、試料ＳＡに照射される光ビームＬＬを表す図である。図２の（ａ）、（ｂ）はそれぞれ、実施形態（測定装置１０）での光ビームＬＬ、比較例（通常の共焦点顕微鏡）での光ビームＬＬｘを表す。ここでは、試料ＳＡの厚さＴＳを測定長ＬＭ（試料ＳＡの厚さ方向の測定範囲の長さ）としている。但し、試料ＳＡの厚さ方向の一部を測定長ＬＭとしてもよい。試料ＳＡの厚さＴＳが未知である場合には、測定装置１０を用いた測定を実施する前に、試料ＳＡの厚さＴＳを測定する工程を実施してもよい。
【0029】
図２に示されるように、実施形態では、厚さＴＳに対して、光ビームＬＬのビーム半径Ｒは比較的均一であり、ウェスト半径Ｗ（集光点での光ビームＬＬの半径）から大きく変化しないのに対して、比較例では、厚さＴＳに対して、ビーム半径Ｒは、ウェスト半径Ｗｘから大きく変化する。この結果、実施形態では、厚さＴＳに対して、試料ＳＡが均一に励起されるのに対して、比較例では、試料ＳＡの励起は不均一となる。この結果、実施形態での測定範囲は、厚さＴＳ全体であるのに対して、比較例での測定範囲は、厚さＴＳのごく一部（集光点近傍のみ）となる。
【0030】
この測定範囲の相違は、対物レンズの焦点距離Ｆに起因する。図２に示すように、焦点距離Ｆを比較的大きくすることで、焦点距離Ｆｘが小さい場合よりも、試料ＳＡの測定長ＬＭ（試料ＳＡの厚さ方向の測定範囲の長さ）を大きくすることができる。
【0031】
図３は、試料ＳＡ中での光ビームＬＬを表す図であり、試料ＳＡ中での光ビームＬＬ、ＬＬｘを重ねて表している。横軸は、光ビームの軸方向の位置Ｚ、縦軸は、光軸上でのビーム半径Ｒを示す。光ビームＬＬ、ＬＬｘはそれぞれ、本実施形態、比較例（共焦点顕微鏡の場合）に対応する。この光ビームＬＬは、ビーム直径が０．９ｍｍ、波長λが５３２ｎｍのレーザ光でのシミュレーション結果を示す。
【0032】
比較例の光ビームＬＬｘでは、ビーム半径Ｒが大きく変化するのに対して、実施形態の光ビームＬＬではビーム半径Ｒの変化が小さい。図３に示すように、１００μｍ～１ｍｍ程度以上の範囲の厚さＴＳの試料ＳＡを均一に励起することが可能である。すなわち、測定装置１０からの光ビームＬＬによって、試料ＳＡの厚さ方向Ｚにおいて、１ｍｍ以上（±５００μｍ）の測定範囲を確保できる。
【0033】
ここで、灰色で示す励起領域Ａｍは、光ビームＬＬによって励起される範囲であり、後述の有効体積Ｖに対応する。励起領域Ａｍの長さは、焦点深度ＦＤによって規定される。この詳細は後述する。
【0034】
図４は、焦点深度ＦＤと全蛍光量ＴＦの関係を表すグラフである。全蛍光量ＴＦは、光ビームＬＬの集光によって試料ＳＡから発せられる蛍光の全量を意味する。
【0035】
焦点深度ＦＤは、一般には、対象物に対してピントを合わせたときに、ピントが合う範囲とされる。ここでは、焦点深度ＦＤをレイリー長Ｚｒの２倍と定義する。レイリー長Ｚｒは、光ビームＬＬの断面積が集光点の断面積の２倍になる位置と、光ビームＬＬの集光点の間の距離である。レイリー長Ｚｒは、光ビームＬＬの半径（ビーム半径Ｒ）がウェスト半径Ｗ（集光点でのビーム半径）の２１／２となる位置と、集光点との間の距離でもある。レイリー長Ｚｒは、次の式（１）により規定できる。
Ｚｒ＝（π×Ｗ２）／λ …… 式（１）
Ｚｒ： レイリー長
λ： 光ビームの波長
Ｗ： ウェスト半径（ｗａｉｓｔ ｒａｄｉｕｓ：集光点でのビーム半径）
Ｚｒ＝（π×Ｗ２）／λ …… 式（１）
Ｚｒ： レイリー長
λ： 光ビームの波長
Ｗ： ウェスト半径（ｗａｉｓｔ ｒａｄｉｕｓ：集光点でのビーム半径）
【0036】
対物レンズの焦点距離Ｆは、レイリー長Ｚｒと次の式（２）のような関係を有する。
Ｆ＝（π×Ｚｒ／λ）１／２×（Ｄ０／２） …… 式（２）
Ｆ： 対物レンズの焦点距離
Ｚｒ： レイリー長
λ： 光ビームの波長
Ｄ０： 対物レンズに入射する光ビームの直径
Ｆ＝（π×Ｚｒ／λ）１／２×（Ｄ０／２） …… 式（２）
Ｆ： 対物レンズの焦点距離
Ｚｒ： レイリー長
λ： 光ビームの波長
Ｄ０： 対物レンズに入射する光ビームの直径
【0037】
図４に示すグラフは、後述のシミュレーションによって得られる。ここでは、試料ＳＡの厚さＴＳを０．５ｍｍとして、焦点深度ＦＤ（レイリー長Ｚｒ）を変化させ、試料ＳＡからの全蛍光量ＴＦを算出している。
【0038】
図４に示されるように、大まかに言えば、焦点深度ＦＤが試料ＳＡの厚さＴＳ程度のとき、言い換えると、レイリー長Ｚｒが試料ＳＡの厚さＴＳの１／２程度のときに、全蛍光量ＴＦは最大であった。全蛍光量ＴＦが最大であることは、試料ＳＡの励起範囲が広いことを意味する。このように対物レンズ部１３の焦点深度ＦＤを設定することで、試料ＳＡの励起範囲を大きくすることができる。
【0039】
この対物レンズの選定に幅を持たせることができる。図４のグラフが紙面の左右に対して非対称性を有することを考慮して、焦点深度ＦＤの下限、上限をＦＤ１，ＦＤ２と設定した。焦点深度ＦＤの下限ＦＤ１は、試料ＳＡの厚さＴＳの１／４であり、焦点深度ＦＤの上限ＦＤ２は、試料ＳＡの厚さＴＳの１０倍とすることができる。このとき、レイリー長Ｚｒの範囲は、試料ＳＡの厚さＴＳの１／８以上５倍以下となる。焦点深度ＦＤの下限ＦＤ１は、焦点距離Ｆ：８．６５ｍｍ，対物レンズ倍率：２０．８倍に相当する。焦点深度ＦＤの上限ＦＤ２は、焦点距離Ｆ：５４．７ｍｍ，対物レンズ倍率：３．３倍に相当する。
【0040】
グラフ上の点Ｃａは、焦点距離３０ｍｍのアクロマートレンズ（実施例）に対応し、点Ｃｂは、共焦点用の５０倍対物レンズ（焦点距離３．６ｍｍ）（比較例）に対応する。比較例に比べて、焦点深度ＦＤの上下限の範囲ＦＤ１～ＦＤ２、さらには、焦点距離３０ｍｍのアクロマートレンズは、より効率的な測定が可能である。
【0041】
以上のように焦点深度ＦＤの上下限を試料ＳＡの厚さＴＳ（測定長ＬＭ）の１／４～１０倍の範囲で設定できる。レイリー長Ｚｒの範囲は、厚さＴＳ（測定長ＬＭ）の０．１倍以上５倍以下、０．２倍以上５倍以下、あるいは０．２５倍以上３倍以下とすることができる。
【0042】
【0043】
先にこの手順の概要を説明する。
ステップＳ１１～Ｓ１９において、制御部２６（プロセッサ）は、試料ＳＡの厚さ方向の測定範囲の長さである測定長ＬＭに基づいて、試料ＳＡに照射する光ビームＬＬのレイリー長Ｚｒの範囲を決定する工程、対物レンズ部１３によって集光された光ビームＬＬのレイリー長Ｚｒが、レイリー長Ｚｒの範囲に含まれるように、対物レンズ部１３を設定する工程を実行する。
ステップＳ１１～Ｓ１９において、制御部２６（プロセッサ）は、試料ＳＡの厚さ方向の測定範囲の長さである測定長ＬＭに基づいて、試料ＳＡに照射する光ビームＬＬのレイリー長Ｚｒの範囲を決定する工程、対物レンズ部１３によって集光された光ビームＬＬのレイリー長Ｚｒが、レイリー長Ｚｒの範囲に含まれるように、対物レンズ部１３を設定する工程を実行する。
【0044】
このとき、後述のように、決定された焦点距離に設定された対物レンズ部１３によって集光された光ビームのレイリー長Ｚｒは、測定長Ｌｍの０．１倍以上５倍以下である。これは、測定長Ｌｍ（あるいは試料ＳＡの厚さ）が決まれば、レイリー長Ｚｒ（あるいは、焦点深度）の範囲は基本的に決まり、毎回演算を行う必要はないことを意味する。すなわち、（１）既述の対応テーブル等を用いて、測定長Ｌｍ（または試料ＳＡの厚さ）からレイリー長Ｚｒ（焦点深度）を決定し、（２）この決定に対応するように対物レンズを設定または選択することで、カラーセンター特性を効率的に測定することができる。
【0045】
対物レンズ部１３を設定する工程は、決定されたレイリー長Ｚｒの範囲に対応する焦点距離Ｆの範囲を決定する工程、この焦点距離の範囲内の焦点距離となるように、対物レンズ部１３を設定する工程とを有する。このようにして設定された対物レンズ部１３の焦点距離Ｆは、既述の式（２）により規定される。
【0046】
レイリー長Ｚｒの範囲を決定する工程は、対物レンズ部１３によって集光された光ビームＬＬのレイリー長Ｚｒと、集光される光ビームＬＬによって励起された試料ＳＡからの蛍光ＬＦの量との関係を導出する工程と、導出された関係および測定長ＬＭに基づいて、レイリー長Ｚｒの範囲を決定する工程とを有する。
【0047】
既述のように、試料ＳＡは、光ビームＬＬによって励起されて、蛍光ＬＦを発するカラーセンターを有する。この場合、レイリー長Ｚｒと、蛍光ＬＦの量との関係を導出する工程は、集光される光ビームＬＬによって励起された試料ＳＡのカラーセンターからの蛍光ＬＦの量を算出する工程を有する。このとき、レイリー長Ｚｒと、蛍光ＬＦの量との関係を導出する工程は、試料ＳＡ中のカラーセンターの偏極率Ｐを算出する工程と、算出された偏極率Ｐに基づいて、算出された蛍光ＬＦの量を補正する工程を有することが好ましい。
【0048】
以下、この手順の詳細を説明する。
（１）厚さ方向の測定長ＬＭの決定（ステップＳ１１）
試料ＳＡの厚さ方向の測定長ＬＭを決定する。測定長ＬＭは、試料ＳＡの厚みＴＳ以下の範囲で適宜に設定できる。
（１）厚さ方向の測定長ＬＭの決定（ステップＳ１１）
試料ＳＡの厚さ方向の測定長ＬＭを決定する。測定長ＬＭは、試料ＳＡの厚みＴＳ以下の範囲で適宜に設定できる。
【0049】
（２）有効体積Ｖの設定（ステップＳ１２）
有効体積Ｖ（励起体積：Ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ ｖｏｌｕｍｅ）を決定する。有効体積Ｖは、光ビームＬＬによって試料ＳＡが有効に励起される範囲の体積であり、次のように設定できる。焦点深度ＦＤは、レイリー長Ｚｒの２倍である（ＦＤ＝２×Ｚｒ）。
Ｖ＝π×Ｒ２×ＦＤ …… 式（３）
Ｒ： 光ビームＬＬのビーム半径
ＦＤ： 焦点深度
なお、焦点位置での光ビームＬＬのビーム半径は、既述のウェスト半径Ｗに等しい（Ｒ＝Ｗ）。
有効体積Ｖ（励起体積：Ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ ｖｏｌｕｍｅ）を決定する。有効体積Ｖは、光ビームＬＬによって試料ＳＡが有効に励起される範囲の体積であり、次のように設定できる。焦点深度ＦＤは、レイリー長Ｚｒの２倍である（ＦＤ＝２×Ｚｒ）。
Ｖ＝π×Ｒ２×ＦＤ …… 式（３）
Ｒ： 光ビームＬＬのビーム半径
ＦＤ： 焦点深度
なお、焦点位置での光ビームＬＬのビーム半径は、既述のウェスト半径Ｗに等しい（Ｒ＝Ｗ）。
【0050】
図６は、試料ＳＡと光ビームＬＬの関係を表す図であり、（ａ）は試料ＳＡの正面側から光ビームＬＬを見た図であり、（ｂ）は試料ＳＡの断面上の光ビームＬＬを見た図である。式（３）は、半径がビーム半径Ｒで、長さが焦点深度ＦＤの円柱として、有効体積Ｖを設定している。以下、ビーム半径Ｒ、焦点深度ＦＤをパラメータとして、蛍光量等を算出する。但し、式（３）の焦点深度ＦＤは、試料ＳＡの厚さＴＳを超えた場合、試料ＳＡの厚さＴＳに置き換えられる。
【0051】
図７は、ビーム半径Ｒと有効体積Ｖの関係を表すグラフであり、図８は焦点深度ＦＤと有効体積Ｖの関係を表すグラフである。ここでは、試料ＳＡの厚さＴＳを０．５ｍｍとしているため、焦点深度ＦＤが０．５の点の前後で図８のグラフに不連続性が生じている。
【0052】
（３）単位体積当たりの蛍光量Ｉｃｗの算出（ステップＳ１３）
有効体積Ｖと光ビームＬＬのパワー（レーザパワー）ＬＰから光ビームＬＬの光パワー密度ρを算出し、励起レートΓｐ、さらには、単位体積当たりのレーザ励起による蛍光量Ｉｃｗを算出する。
有効体積Ｖと光ビームＬＬのパワー（レーザパワー）ＬＰから光ビームＬＬの光パワー密度ρを算出し、励起レートΓｐ、さらには、単位体積当たりのレーザ励起による蛍光量Ｉｃｗを算出する。
【0053】
図９は、ＮＶセンターの準位を表す図である。ＮＶセンターは、「ｍＳ＝０|１>」、「ｍＳ＝±１|２>」、「ｍＳ＝０|３>」、「ｍＳ＝±１|４>」等の準位がある（ｍＳ：磁気量子数）。「ｍＳ＝０|１>」、「ｍＳ＝±１|２>」は、光励起によって、より上位の準位へと遷移する。ここでは、「ｍＳ＝０|１>」からの励起レートΓｐを求めることを考える。
【0054】
この励起レートΓｐは、次のブロッホ方程式（式（１１））に基づき算出される。
【数1】
【0055】
基底状態「ｍＳ＝０|１>」の定常的な解析解は次の式（１２）で表すことができる。
【数2】
【0056】
ここで、次の式（１３）、（１４）が成立する。
【数3】
【数4】
【0057】
式（１２）～（１４）において、励起レートΓｐ以外は、ＮＶセンターの物理定数から定まるので、励起レートΓｐを算出することができる。なお、Ωは高周波のパワーで、ここでは、０とする。
【0058】
単位体積当たりのレーザ励起による蛍光量Ｉｃｗは、次の式（１５）により算出できる。
【数5】
【0059】
図１０は、単位体積当たりの蛍光量Ｉｃｗを表す図である。（ａ）は、ビーム半径ＲおよびレーザパワーＬＰに対する単位体積当たりの蛍光量Ｉｃｗの関係を表す図である。図の濃淡が全蛍光量Ｇに対応する。（ｂ）は、レーザパワーＬＰが１０ｍＷのときの、ビーム半径Ｒと単位体積当たりの蛍光量Ｉｃｗの関係を表すグラフである。
【0060】
（４）偏極率Ｐの算出（ステップＳ１４）
レーザ励起による偏極率Ｐを求める。これは、ＮＶセンターの偏極が特性に影響を与えるためである。偏極率Ｐは、全蛍光量ＴＦ（あるいは、単位体積当たりの蛍光量Ｉｃｗ）を補正する補正項と考えることができる。仮に、偏極を問題としないような場合であれば、偏極率Ｐの算出は不要となる。
偏極率は、次の式（１６）によって算出できる。
レーザ励起による偏極率Ｐを求める。これは、ＮＶセンターの偏極が特性に影響を与えるためである。偏極率Ｐは、全蛍光量ＴＦ（あるいは、単位体積当たりの蛍光量Ｉｃｗ）を補正する補正項と考えることができる。仮に、偏極を問題としないような場合であれば、偏極率Ｐの算出は不要となる。
偏極率は、次の式（１６）によって算出できる。
【数6】
【0061】
図１１は、偏極率Ｐを表す図である。（ａ）は、ビーム半径ＲおよびレーザパワーＬＰに対する偏極率Ｐの関係を表す図である。図の濃淡が偏極率Ｐに対応する。（ｂ）は、レーザパワーＬＰが１０ｍＷのときの、ビーム半径Ｒと偏極率Ｐの関係を表すグラフである。
【0062】
（５）Ｇ＝Ｉｃｗ×Ｖ×Ｐの算出（ステップＳ１５）
単位体積当たりの蛍光量Ｉｃｗ、有効体積Ｖ、偏極率Ｐを乗じて、有効信号Ｇを算出する。
有効信号Ｇは、偏極率Ｐによって補正された、全蛍光量ＴＦ（＝Ｉｃｗ×Ｖ）を意味する。
単位体積当たりの蛍光量Ｉｃｗ、有効体積Ｖ、偏極率Ｐを乗じて、有効信号Ｇを算出する。
有効信号Ｇは、偏極率Ｐによって補正された、全蛍光量ＴＦ（＝Ｉｃｗ×Ｖ）を意味する。
【0063】
図１２は、有効信号Ｇを表す図である。（ａ）は、ビーム半径ＲおよびレーザパワーＬＰに対する有効信号Ｇの関係を表す図である。図の濃淡が有効信号Ｇに対応する。（ｂ）は、レーザパワーＬＰが１０ｍＷのときの、ビーム半径Ｒと有効信号Ｇの関係を表すグラフである。
【0064】
図１３は、試料に照射される光ビームＬＬと蛍光との関係を表す図である。算出された有効信号Ｇは、試料ＳＡの全球Ａｔに放出される蛍光に対応する。
【0065】
（６）集光率Ｅの算出（ステップＳ１６）
光検出器１７に到達するのは全蛍光の一部である。このため、補正のため、集光率Ｅを算出する。集光率Ｅは、全蛍光量ＴＦ（あるいは、単位体積当たりの蛍光量Ｉｃｗ）を補正する補正項と考えることができる。具体的には、対物レンズ部１３の開口数ＮＡを考慮して、試料ＳＡの全球Ａｔに放出される蛍光ＬＦから対物レンズ部１３に入射される光Ａｉの割合として、集光率Ｅを算出する。ここでは、ビーム半径Ｒから焦点距離Ｆを求め、開口数ＮＡを算出し、開口数ＮＡ＝１の場合と比較することで、集光率Ｅを算出する。
光検出器１７に到達するのは全蛍光の一部である。このため、補正のため、集光率Ｅを算出する。集光率Ｅは、全蛍光量ＴＦ（あるいは、単位体積当たりの蛍光量Ｉｃｗ）を補正する補正項と考えることができる。具体的には、対物レンズ部１３の開口数ＮＡを考慮して、試料ＳＡの全球Ａｔに放出される蛍光ＬＦから対物レンズ部１３に入射される光Ａｉの割合として、集光率Ｅを算出する。ここでは、ビーム半径Ｒから焦点距離Ｆを求め、開口数ＮＡを算出し、開口数ＮＡ＝１の場合と比較することで、集光率Ｅを算出する。
【0066】
図１４は、ビーム半径と検出率の関係を表すグラフである。Ｃ１、Ｃ２は、対物レンズ部１３の直径を１インチ、０．５インチとしている。焦点距離Ｆが長くなるほど集光率Ｅが低下することが示される。
【0067】
（７）Ｈ＝Ｇ×Ｅの算出（ステップＳ１７）
有効信号Ｇと集光率Ｅを乗算して、検出信号Ｈを算出する。検出信号Ｈは、偏極率Ｐおよび集光率Ｅによって補正された、全蛍光量ＴＦ（＝Ｖ×Ｉｃｗ）を意味する。
有効信号Ｇと集光率Ｅを乗算して、検出信号Ｈを算出する。検出信号Ｈは、偏極率Ｐおよび集光率Ｅによって補正された、全蛍光量ＴＦ（＝Ｖ×Ｉｃｗ）を意味する。
【0068】
図１５は、ビーム半径Ｒと検出信号Ｈの関係を表す図である。（ａ）は、ビーム半径ＲおよびレーザパワーＬＰに対する検出信号Ｈの関係を表す図である。図の濃淡が検出信号Ｈに対応する。（ｂ）は、レーザパワーＬＰが１０ｍＷのときの、ビーム半径Ｒと有効信号量Ｈの関係を表すグラフである。Ｃ１、Ｃ２は、対物レンズ部１３の直径を１インチ、０．５インチとしている。Ｃ１、Ｃ２は、対物レンズ部１３の直径を１インチ、０．５インチとしている。
【0069】
（８）最適焦点距離の算出（ステップＳ１８）
最適焦点距離は、次のようにして算出できる。焦点での光ビームの直径Ｄは、次の式（２）から求められる。
Ｄ＝２×Ｗ＝（４×λ/π）×（Ｆ／Ｄ０） ……式（４）
Ｗ：ウェスト半径
λ： 光ビームの波長
Ｆ： 対物レンズの焦点距離
Ｄ０： 対物レンズに入射する光ビームの直径
最適焦点距離は、次のようにして算出できる。焦点での光ビームの直径Ｄは、次の式（２）から求められる。
Ｄ＝２×Ｗ＝（４×λ/π）×（Ｆ／Ｄ０） ……式（４）
Ｗ：ウェスト半径
λ： 光ビームの波長
Ｆ： 対物レンズの焦点距離
Ｄ０： 対物レンズに入射する光ビームの直径
【0070】
この式（４）から焦点距離Ｆを求めることで、既述の式（２）を導出できる。
【0071】
図１６は、有効信号量を表す図である。（ａ）は、ビーム半径ＲおよびレーザパワーＬＰに対する有効信号量Ｈの関係を表す図である。図の濃淡が有効信号量Ｈに対応する。この（ａ）は、図１５の（ａ）と対応するが、レーザパワーＬＰの範囲を広げている。（ｂ）は、レーザパワーＬＰを変化させたときに有効信号量Ｈが最大となるビーム半径Ｒ（焦点深度ＦＤ）関係を表すグラフである。試料ＳＡの厚さＴＳを０．５ｍｍとしている。
【0072】
図１６の（ｂ）に示されるように、焦点深度ＦＤ（すなわち、レイリー長Ｚｒの２倍）が試料の厚さＴＳと一致するときに、有効信号量Ｈは最大になる。既述の図４は、レーザパワーＬＰを一定にして、焦点深度ＦＤと全蛍光量ＴＦとの関係を求めたものであるが、焦点深度ＦＤと有効信号量Ｈの関係もほぼ同様と考えられる。結局、レイリー長Ｚｒが試料の厚さＴＳと対応する範囲、具体的には、レイリー長Ｚｒが試料ＳＡの厚さＴＳ（結局は、厚さ方向の測定長ＬＭ）の０．１倍以上５以下、０．２倍以上５倍以下、あるいは０．２５倍以上３倍以下の範囲であれば、良いことが分かる。
【0073】
（９）対物レンズの焦点距離の設定（ステップＳ１９）
対物レンズ部１３の焦点距離Ｆを測定長ＬＭの０．１～５倍等の範囲に設定する。例えば、対物レンズ部１３をこの範囲の焦点距離のレンズ（一例として、アクロマートレンズ、すなわち、色消しレンズ）と交換する。この結果、測定長ＬＭの範囲に効率的に光ビームＬＬを照射できる。
対物レンズ部１３の焦点距離Ｆを測定長ＬＭの０．１～５倍等の範囲に設定する。例えば、対物レンズ部１３をこの範囲の焦点距離のレンズ（一例として、アクロマートレンズ、すなわち、色消しレンズ）と交換する。この結果、測定長ＬＭの範囲に効率的に光ビームＬＬを照射できる。
【0074】
図１７、図１８は、測定装置１０によって得られた、ＮＶセンターを有する試料ＳＡの測定結果を表す。図１７は、量子コヒーレンス時間Ｔ２の測定結果を、図１８は、光検出磁気共鳴（ＯＤＭＲ）の測定結果を示す。いずれも、試料ＳＡにレーザ光源１１からのレーザ光ＬＬおよび高周波発生器２１からの高周波を照射し、光検出器１７で受光される試料ＳＡからの蛍光強度を測定した。
いずれも測定においても、光検出器１７において得られる蛍光強度は大きく、レーザ光ＬＬの集光点を移動させることで、試料ＳＡでの特性の分布を速やかに測定することが可能であった。
いずれも測定においても、光検出器１７において得られる蛍光強度は大きく、レーザ光ＬＬの集光点を移動させることで、試料ＳＡでの特性の分布を速やかに測定することが可能であった。
【0075】
（上記実施形態から把握される発明）
以下、上記実施形態から把握される発明を示す。
（１）本発明の第１の態様に係るカラーセンター特性の測定方法は、光源（１１）からの光ビーム（ＬＬ）を対物レンズ部（１３）で集光して試料（ＳＡ）に照射することによって試料のカラーセンター特性を測定する測定方法であって、試料（ＳＡ）の厚さ方向の測定範囲の長さである測定長（ＬＭ）に基づいて、試料に照射する光ビームのレイリー長（Ｚｒ）の範囲を決定する工程と、前記対物レンズ部によって集光された光ビームのレイリー長が、前記レイリー長の範囲に含まれるように、前記対物レンズ部を設定する工程と、を有する。
以下、上記実施形態から把握される発明を示す。
（１）本発明の第１の態様に係るカラーセンター特性の測定方法は、光源（１１）からの光ビーム（ＬＬ）を対物レンズ部（１３）で集光して試料（ＳＡ）に照射することによって試料のカラーセンター特性を測定する測定方法であって、試料（ＳＡ）の厚さ方向の測定範囲の長さである測定長（ＬＭ）に基づいて、試料に照射する光ビームのレイリー長（Ｚｒ）の範囲を決定する工程と、前記対物レンズ部によって集光された光ビームのレイリー長が、前記レイリー長の範囲に含まれるように、前記対物レンズ部を設定する工程と、を有する。
【0076】
本発明の第１の態様によれば、試料の測定範囲におけるカラーセンター特性の効率的な測定が可能となる。
【0077】
（２）本発明の第２の態様に係るカラーセンター特性の測定方法は、第１の態様において、前記決定された焦点距離を有する対物レンズによって集光された光ビームのレイリー長（Ｚｒ）の範囲は、前記測定長の０．１倍以上５倍以下である。これにより、測定長の範囲への集光の均一化が可能となる。
【0078】
（３）本発明の第３の態様に係るカラーセンター特性の測定方法は、第１の態様において、前記決定された焦点距離を有する対物レンズによって集光された光ビームのレイリー長（Ｚｒ）の範囲は、前記試料の厚さの１／８以上５倍以下である。これにより、測定長の厚さの範囲への集光の均一化が可能となる。
【0079】
（４）本発明の第４の態様に係るカラーセンター特性の測定方法は、第１～第３の態様において、前記対物レンズ部を設定する工程は、前記レイリー長の範囲に対応する焦点距離（Ｆ）の範囲を決定する工程と、前記焦点距離の範囲内の焦点距離となるように、前記対物レンズ部を設定する工程と、を有する。これにより、測定長の範囲への集光のさらなる均一化が可能となる。
【0080】
（５）本発明の第５の態様に係るカラーセンター特性の測定方法は、第４の態様において、前記焦点距離は、以下の式により規定される。これにより、測定長の範囲への集光のさらなる均一化が可能となる。
Ｆ＝（π×Ｚｒ／λ）１／２×（Ｄ０／２）
Ｆ： 対物レンズの焦点距離
Ｚｒ： レイリー長
λ： 光ビームの波長
Ｄ０： 対物レンズに入射する光ビームの直径
Ｆ＝（π×Ｚｒ／λ）１／２×（Ｄ０／２）
Ｆ： 対物レンズの焦点距離
Ｚｒ： レイリー長
λ： 光ビームの波長
Ｄ０： 対物レンズに入射する光ビームの直径
【0081】
（６）本発明の第６の態様に係るカラーセンター特性の測定方法は、第１～第５の態様において、前記レイリー長の範囲を決定する工程は、前記対物レンズ部によって集光された光ビームのレイリー長と、前記集光される光ビームによって励起された試料からの蛍光の量との関係を導出する工程と、前記導出された関係および前記測定長に基づいて、前記レイリー長の範囲を決定する工程と、を有する。これにより、レイリー長と蛍光の量との関係に基づく、焦点距離の設定が可能となる。
【0082】
（７）本発明の第７の態様に係るカラーセンター特性の測定方法は、第１～第６の態様において、前記試料は、前記光ビームによって励起されて、蛍光を発するＮＶセンターを有し、前記関係を導出する工程は、前記集光される光ビームによって励起された前記試料のＮＶセンターからの蛍光の量を算出する工程を有する。
【0083】
（８）本発明の第８の態様に係るカラーセンター特性の測定方法は、第７の態様において、前記関係を導出する工程は、前記試料中のＮＶセンターの偏極率を算出する工程と、前記算出された偏極率に基づいて、前記算出された前記蛍光の量を補正する工程と、を有する。これにより、ＮＶセンターの偏極率を考慮に入れた、より正確な蛍光の量を算出できる。
【0084】
（９）本発明の第９の態様に係るカラーセンター特性の測定装置（１０）は、試料を保持するホルダ（１４）と、光源からの光ビームを前記試料に集光させる対物レンズ部（１３）と、前記集光された光ビームによって、励起された前記試料の状態を測定する測定部と、プロセッサ（制御部２６）と、を備え、前記プロセッサは、前記試料の厚さ方向の測定範囲の長さである測定長に基づき、前記対物レンズの焦点距離を決定する工程を実行する。これにより、試料の厚さ方向の測定範囲の長さである測定長に基づいて、対物レンズの焦点距離を決定することで、カラーセンター特性の効率的な測定が可能となる。
【0085】
（１０）本発明の第１０の態様に係るカラーセンター特性の測定装置は、第９の態様において、前記対物レンズ部は、焦点距離を変更可能であり、前記対物レンズ部を設定する工程は、前記レイリー長の範囲に対応する焦点距離の範囲を決定する工程と、前記焦点距離の範囲内の焦点距離となるように、前記対物レンズ部を設定する工程と、を有する。これにより、焦点距離の設定が容易となる。
【0086】
（１１）本発明の第１１の態様に係るカラーセンター特性の測定装置は、第９、第１０の態様において、前記測定部は、着脱可能であり、前記光源と、光検出器（１７）と、前記光源からの光ビームを前記対物レンズ部に導き、かつ、前記対物レンズ部によって集光された光ビームによって前記試料から発せられる蛍光を前記光検出器に導く、ダイクロイック・ミラー（１２）と、を有する。これにより、顕微鏡本体に測定部を取り付けることで、カラーセンター特性の効率的な測定が可能となる。
【0087】
本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
【符号の説明】
【0088】
１０ 測定装置
１０Ａ アダプタ部
１０Ｂ 装置本体
１１ レーザ光源
１２ ミラー
１３ 対物レンズ部
１４ 高周波回路
１５ フィルタ
１６ レンズ
１７ 光検出器
１８ 分光器
２１ 高周波発生器
２２ アンプ
２３ 波形発生器
２４ 光変調器
２５ 高周波変調器
２６ 制御部
１０Ａ アダプタ部
１０Ｂ 装置本体
１１ レーザ光源
１２ ミラー
１３ 対物レンズ部
１４ 高周波回路
１５ フィルタ
１６ レンズ
１７ 光検出器
１８ 分光器
２１ 高周波発生器
２２ アンプ
２３ 波形発生器
２４ 光変調器
２５ 高周波変調器
２６ 制御部
【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】
【図17】
【図18】
