特開 2025-149785 測定装置および測定方法

(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】P2025149785

(43)【公開日】2025-10-08

(54)【発明の名称】測定装置および測定方法

(51)【国際特許分類】

   G01R 33/20 20060101AFI20251001BHJP

   G01N 24/00 20060101ALI20251001BHJP

【ＦＩ】

G01R33/20 101

G01N24/00 E

【審査請求】未請求

【請求項の数】9

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2024128718

(22)【出願日】2024-08-05

(31)【優先権主張番号】P 2024048895

(32)【優先日】2024-03-26

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

【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５年度、国立研究開発法人科学技術振興機構、研究成果展開事業「冷却を必要とせずにＮＭＲの高感度化を可能にする超高感度量子磁気センシングシステムの開発」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】504063242

【氏名又は名称】スミダ電機株式会社

(71)【出願人】

【識別番号】504132272

【氏名又は名称】国立大学法人京都大学

(74)【代理人】

【識別番号】100114971

【弁理士】

【氏名又は名称】青木 修

(72)【発明者】

【氏名】佐光 暁史

(72)【発明者】

【氏名】芳井 義治

(72)【発明者】

【氏名】福田 諒介

(72)【発明者】

【氏名】水落 憲和

(72)【発明者】

【氏名】中村 将也

(57)【要約】

【課題】 より高い感度が得られる測定装置および測定方法を得る。
【解決手段】 高周波磁場発生器は、被測定交流場に対応して電子スピン量子状態が変化するとともにマイクロ波で電子スピン量子操作の可能な磁気共鳴部材に対してマイクロ波を印加する。高周波電源は、高周波磁場発生器にマイクロ波を発生させる。発光装置は、磁気共鳴部材に照射すべき励起光を出射する。測定制御部は、高周波電源および発光装置を制御して所定の測定シーケンスでマイクロ波および励起光を磁気共鳴部材に印加する。特に、測定制御部は、ハーンエコーパルスシーケンスまたはダイナミックデカップリングに基づくマイクロ波のパルスシーケンスを磁気共鳴部材に印加する。その際、上述のマイクロ波のパルスシーケンスのスピンロック周波数の逆数（１／ｆ_ＬＯＣＫ）が被測定交流場の周期（１／ｆ_ＡＣ）とは異なる。
【選択図】 図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

被測定交流場に対応して電子スピン量子状態が変化するとともにマイクロ波で電子スピン量子操作の可能な磁気共鳴部材と、
前記マイクロ波で前記磁気共鳴部材の電子スピン量子操作を行う高周波磁場発生器と、
前記高周波磁場発生器に前記マイクロ波を発生させる高周波電源と、
前記磁気共鳴部材に照射すべき励起光を出射する発光装置と、
前記磁気共鳴部材により前記励起光に対応して発せられる蛍光を受光し前記蛍光の強度に対応する検出信号を生成する受光装置と、
前記高周波電源および前記発光装置を制御して所定の測定シーケンスで前記マイクロ波および前記励起光を前記磁気共鳴部材に印加する測定制御部と、
前記検出信号に基づいて測定値を導出する測定処理部とを備え、
前記測定制御部は、ハーンエコーパルスシーケンスまたはダイナミックデカップリングに基づく前記マイクロ波のパルスシーケンスを前記磁気共鳴部材に印加し、
前記マイクロ波のパルスシーケンスのスピンロック周波数の逆数が前記被測定交流場の周期とは異なること、
を特徴とする測定装置。

【請求項2】

被測定交流場に対応して電子スピン量子状態が変化するとともにマイクロ波で電子スピン量子操作の可能な磁気共鳴部材に対して、所定の測定シーケンスに従って、前記マイクロ波で前記磁気共鳴部材の電子スピン量子操作を行うとともに、前記磁気共鳴部材に照射すべき励起光を出射し、
前記磁気共鳴部材により前記励起光に対応して発せられる蛍光を受光し前記蛍光の強度に対応する検出信号を生成し、
前記検出信号に基づいて測定値を導出し、
前記測定シーケンスにおいて、ハーンエコーパルスシーケンスまたはダイナミックデカップリングに基づく前記マイクロ波のパルスシーケンスを前記磁気共鳴部材に印加し、
前記マイクロ波のパルスシーケンスのスピンロック周波数の逆数が前記被測定交流場の周期とは異なること、
を特徴とする測定方法。

【請求項3】

前記被測定交流場の磁束密度に対する前記検出信号の強度の微分の最大値が、前記マイクロ波のパルスシーケンスのスピンロック周波数の逆数が前記被測定交流場の周期に一致するときより大きくなるように、前記スピンロック周波数の逆数および前記被測定交流場の周期が設定されていることを特徴とする請求項２記載の測定方法。

【請求項4】

前記測定シーケンスにおいて、ハーンエコーパルスシーケンスに基づく前記マイクロ波のパルスシーケンスを前記磁気共鳴部材に印加し、
前記マイクロ波のパルスシーケンスのスピンロック周波数の逆数が、前記被測定交流場の周期より短いこと、
を特徴とする請求項２または請求項３記載の測定方法。

【請求項5】

前記測定シーケンスにおいて、ダイナミックデカップリングに基づく前記マイクロ波のパルスシーケンスを前記磁気共鳴部材に印加し、
前記マイクロ波のパルスシーケンスのスピンロック周波数の逆数が、前記被測定交流場の周期より長いこと、
を特徴とする請求項２または請求項３記載の測定方法。

【請求項6】

アンダーサンプリング条件のサンプリング周波数で前記検出信号のサンプリングを行い、
サンプリングされた前記検出信号に基づいて測定値を導出し、
前記検出信号に対して、所定の測定帯域以外の帯域を減衰させるフィルター処理を行い、
前記測定帯域は、前記スピンロック周波数に対応し、
前記スピンロック周波数は、前記測定帯域が、０から前記サンプリング周波数の２分の１までの範囲に対応し、かつ前記被測定交流場の磁束密度に対する前記検出信号の強度の微分の最大値となるピーク周波数を含む帯域となるように設定されること、
を特徴とする請求項２または請求項３記載の測定方法。

【請求項7】

アンダーサンプリング条件のサンプリング周波数で前記検出信号のサンプリングを行い、
サンプリングされた前記検出信号に基づいて測定値を導出し、
前記検出信号に対して、所定の測定帯域以外の帯域を減衰させるフィルター処理を行い、
前記測定帯域は、前記スピンロック周波数に対応し、
前記スピンロック周波数は、前記測定帯域が、前記サンプリング周波数の２分の１から前記サンプリング周波数までの範囲に対応し、かつ前記被測定交流場の磁束密度に対する前記検出信号の強度の微分の最大値となるピーク周波数を含む帯域となるように設定されること、
を特徴とする請求項２または請求項３記載の測定方法。

【請求項8】

前記高周波電源および前記発光装置を制御して第１の測定シーケンスで前記マイクロ波および前記励起光を前記磁気共鳴部材に印加するとともに、第２の測定シーケンスで前記マイクロ波および前記励起光を前記磁気共鳴部材に印加し、
前記第２の測定シーケンスの前記マイクロ波の最終パルスの位相が、前記第１の測定シーケンスの前記マイクロ波の最終パルスの位相に対して反転しており、
前記第１の測定シーケンスの前記検出信号に基づいて第１検出値を導出するとともに前記第２の測定シーケンスの前記検出信号に基づいて第２検出値を導出し、
前記第１検出値と前記第２検出値との差分を前記測定値として導出すること、
を特徴とする請求項２または請求項３記載の測定方法。

【請求項9】

アンダーサンプリング条件のサンプリング周波数で前記検出信号のサンプリングを行い、
サンプリングされた前記検出信号に基づいて測定値を導出し、
前記検出信号に対して、所定の測定帯域以外の帯域を減衰させるフィルター処理を行い、
前記サンプリング周波数は、前記測定帯域内に、または前記測定帯域に隣接して、前記被測定交流場の磁束密度に対する前記検出信号の強度の微分の最大値についての最大ピーク周波数が位置するように設定されること、
を特徴とする請求項８記載の測定方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、測定装置および測定方法に関するものである。

【背景技術】

【0002】

ある磁場測定装置は、窒素と格子欠陥（ＮＶセンター：Nitrogen Vacancy Center）を有するダイヤモンド構造などといったセンシング部材の電子スピン共鳴を利用した光検出磁気共鳴（ＯＤＭＲ：Optically Detected Magnetic Resonance）で磁気計測を行っている。ＯＤＭＲでは、このようなＮＶセンターを有するダイヤモンドといった磁気共鳴部材に対して、被測定磁場とは別に静磁場が印加されるとともに、所定のシーケンスでレーザー光（初期化および測定のための励起光）並びにマイクロ波が印加され、その磁気共鳴部材から出射する蛍光の光量が検出されその光量に基づいて被測定磁場の磁束密度が導出される（例えば特許文献１参照）。

【0003】

例えば、被測定磁場が交流磁場である場合、ハーンエコー（スピンエコー）パルスシーケンスが使用される。ハーンエコーパルスシーケンスでは、（ａ）励起光をＮＶセンターに照射し、（ｂ）マイクロ波の第１のπ／２パルスを被測定磁場の位相０度でＮＶセンターに印加し、（ｃ）マイクロ波のπパルスを被測定磁場の位相１８０度でＮＶセンターに印加し、（ｄ）マイクロ波の第２のπ／２パルスを被測定磁場の位相３６０度でＮＶセンターに印加し、（ｅ）励起光をＮＶセンターに照射してＮＶセンターの発光量を測定し、（ｆ）測定した発光量に基づいて磁束密度を導出する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０１９－１３８７７２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

上述のように、被測定磁場が交流磁場である場合、一般的に、ハーンエコー（スピンエコー）パルスシーケンスやダイナミックデカップリングなどが使用される。これらの手法では、ＮＶセンターのスピンをπパルスで反転させることで、磁場の作用が蓄積される位相量が大きくして、感度を高めている。しかしながら、より高い感度が得られるようにすることが望まれている。

【0006】

本発明は、上記の問題に鑑みてなされてものであり、より高い感度が得られる測定装置および測定方法を得ることを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明に係る測定装置は、被測定交流場に対応して電子スピン量子状態が変化するとともにマイクロ波で電子スピン量子操作の可能な磁気共鳴部材と、そのマイクロ波で磁気共鳴部材の電子スピン量子操作を行う高周波磁場発生器と、高周波磁場発生器にマイクロ波を発生させる高周波電源と、磁気共鳴部材に照射すべき励起光を出射する発光装置と、磁気共鳴部材により励起光に対応して発せられる蛍光を受光し蛍光の強度に対応する検出信号を生成する受光装置と、高周波電源および発光装置を制御して所定の測定シーケンスでマイクロ波および励起光を磁気共鳴部材に印加する測定制御部と、その検出信号に基づいて測定値を導出する測定処理部とを備える。測定制御部は、ハーンエコーパルスシーケンスまたはダイナミックデカップリングに基づくマイクロ波のパルスシーケンスを磁気共鳴部材に印加する。そして、上述のマイクロ波のパルスシーケンスのスピンロック周波数の逆数が被測定交流場の周期とは異なる。

【0008】

本発明に係る測定方法は、（ａ）被測定交流場に対応して電子スピン量子状態が変化するとともにマイクロ波で電子スピン量子操作の可能な磁気共鳴部材に対して、所定の測定シーケンスに従って、そのマイクロ波で磁気共鳴部材の電子スピン量子操作を行うとともに、磁気共鳴部材に照射すべき励起光を出射し、（ｂ）磁気共鳴部材により励起光に対応して発せられる蛍光を受光し蛍光の強度に対応する検出信号を生成し、（ｃ）その検出信号に基づいて測定値を導出する。測定シーケンスにおいて、ハーンエコーパルスシーケンスまたはダイナミックデカップリングに基づくマイクロ波のパルスシーケンスを磁気共鳴部材に印加する。そして、上述のマイクロ波のパルスシーケンスのスピンロック周波数の逆数が被測定交流場の周期とは異なる。

【発明の効果】

【0009】

本発明によれば、より高い感度が得られる測定装置および測定方法が得られる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】図１は、本発明の実施の形態１に係る測定装置の構成を示すブロック図である。

【図2】図２は、実施の形態１における測定シーケンスの一例を示す図である。

【図3】図３は、スピンロック周波数ｆ_ＬＯＣＫおよび被測定交流場の周波数ｆ_ＡＣと、検出信号の強度Ｓおよび被測定交流場の磁束密度Ｂに対する検出信号の強度Ｓの微分（ｄＳ／ｄＢ）の最大値ｍａｘ｜ｄＳ／ｄＢ｜との関係を説明する図である。

【図4】図４は、被測定交流場の周波数ｆ_ＡＣおよび位相ずれに対する検出信号強度Ｓ（相対値）の分布について説明する図である。

【図5】図５は、実施の形態１における被測定交流場の周波数ｆ_ＡＣに対する傾き最大値ｍａｘ｜ｄＳ／ｄＢ｜について説明する図である。

【図6】図６は、実施の形態２における検出信号のサンプリングについて説明する図である。

【図7】図７は、実施の形態２において可観測帯域に現れる検出信号について説明する図である。

【図8】図８は、フィルター処理で、サンプリング周波数ｆｓの２分の１（ｆｓ／２）からサンプリング周波数ｆｓまでの範囲に対応する帯域を減衰させる場合について説明する図である。

【図9】図９は、フィルター処理で、０からサンプリング周波数の２分の１（ｆｓ／２）までの範囲に対応する帯域を減衰させる場合について説明する図である。

【図10】図１０は、実施の形態３における測定シーケンス（ダイナミックデカップリング）について説明する図である。

【図11】図１１は、実施の形態３における被測定交流場の周波数ｆ_ＡＣに対する傾き最大値ｍａｘ｜ｄＳ／ｄＢ｜について説明する図である。

【図12】図１２は、実施の形態４における測定シーケンスの一例を示す図である。

【図13】図１３は、実施の形態４における被測定交流場の周波数ｆ_ＡＣに対応する感度について説明する図である。

【図14】図１４は、実施の形態４における第１検出値、第２検出値、および測定値について説明する図である。

【図15】図１５は、実施の形態４における被測定交流場の周波数ｆ_ＡＣに対する傾き最大値ｍａｘ｜ｄＳ／ｄＢ｜について説明する図である（１／２）。

【図16】図１６は、実施の形態４における被測定交流場の周波数ｆ_ＡＣに対する傾き最大値ｍａｘ｜ｄＳ／ｄＢ｜について説明する図である（２／２）。

【図17】図１７は、実施の形態５における被測定交流場の周波数ｆ_ＡＣに対する傾き最大値ｍａｘ｜ｄＳ／ｄＢ｜について説明する図である（１／２）。

【図18】図１８は、実施の形態５における被測定交流場の周波数ｆ_ＡＣに対する傾き最大値ｍａｘ｜ｄＳ／ｄＢ｜について説明する図である（２／２）。

【発明を実施するための形態】

【0011】

以下、図に基づいて本発明の実施の形態を説明する。

【0012】

実施の形態１．

【0013】

図１は、本発明の実施の形態１に係る測定装置の構成を示すブロック図である。図１に示す測定装置は、センサー部１０と、高周波電源１１と、発光装置１２と、受光装置１３とを備える。

【0014】

センサー部１０は、所定の位置（例えば、検査対象物体の表面上または表面上方）において、被測定場（例えば磁場の強度、向きなどといった磁場）を検出する。なお、被測定場は、単一周波数の交流場でもよいし、複数の周波数成分を有する所定周期の交流場でもよい。

【0015】

この実施の形態では、センサー部１０は、磁気共鳴部材１、高周波磁場発生器２、および磁石３を備え、ＯＤＭＲで被測定場を検出する。

【0016】

磁気共鳴部材１は、結晶構造を有し、被測定場（ここでは、磁場）に対応して電子スピン量子状態が変化するとともに、結晶格子における欠陥および不純物の配列方向に応じた周波数のマイクロ波で（ラビ振動に基づく）電子スピン量子操作の可能な部材である。つまり、磁場の測定位置に、磁気共鳴部材１が配置される。

【0017】

この実施の形態では、磁気共鳴部材１は、複数（つまり、アンサンブル）の特定カラーセンターを有する光検出磁気共鳴部材である。この特定カラーセンターは、ゼーマン分裂可能なエネルギー準位を有し、かつ、ゼーマン分裂時のエネルギー準位のシフト幅が互いに異なる複数の向きを取り得る。

【0018】

ここでは、磁気共鳴部材１は、単一種別の特定カラーセンターとして複数のＮＶ（Nitrogen Vacancy）センターを含むダイヤモンドなどの部材である。ＮＶセンターの場合、基底状態がｍｓ＝０，＋１，－１の三重項状態であり、ｍｓ＝＋１の準位およびｍｓ＝－１の準位がゼーマン分裂する。ＮＶセンターが、ｍｓ＝＋１およびｍｓ＝－１の準位の励起状態から基底状態へ遷移する際に、所定の割合で蛍光を伴い、残りの割合のＮＶセンターは、励起状態（ｍｓ＝＋１またはｍｓ＝－１）から基底状態（ｍｓ＝０）へ無輻射で遷移する。

【0019】

なお、磁気共鳴部材１に含まれるカラーセンターは、ＮＶセンター以外のカラーセンターでもよい。

【0020】

高周波磁場発生器２は、マイクロ波を磁気共鳴部材１に印加して、磁気共鳴部材１の電子スピン量子操作を行う。高周波電源１１は、そのマイクロ波の電流を生成して高周波磁場発生器２に導通させることで、高周波磁場発生器２にマイクロ波を発生させる。

【0021】

例えば、高周波磁場発生器２は、板状コイルであって、マイクロ波を放出する略円形状のコイル部と、そのコイル部の両端から延び基板に固定される端子部とを備える。そのコイル部は、その両端面部分において、磁気共鳴部材１を挟むように所定の間隔で互いに平行な２つの電流を導通させ、上述のマイクロ波を放出する。ここでは、コイル部は板状コイルであるが、表皮効果により、コイル部の端面部分をマイクロ波の電流が流れるため、２つの電流が形成される。これにより、空間的に均一な強度のマイクロ波が磁気共鳴部材１に印加される。

【0022】

ＮＶセンターの場合、ダイヤモンド結晶において、欠陥（空孔）（Ｖ）および不純物としての窒素（Ｎ）によってカラーセンターが形成されており、ダイヤモンド結晶内の欠陥（空孔）（Ｖ）に対して、隣接する窒素（Ｎ）の取り得る位置（つまり空孔と窒素との対の配列方向）は４種類あり、それらの配列方向のそれぞれに対応するゼーマン分裂後のサブ準位（つまり、基底からのエネルギー準位）が互いに異なる。したがって、マイクロ波の周波数に対する静磁場によるゼーマン分裂後の蛍光強度の特性において、それぞれの向きｉ（ｉ＝１，２，３，４）に対応して、互いに異なる４つのディップ周波数対（ｆｉ＋，ｆｉ－）が現れる。ここでは、この４つのディップ周波数対のうちのいずれかのディップ周波数に対応して、上述のマイクロ波の周波数（波長）が設定される。

【0023】

また、磁石３は、磁気共鳴部材１に静磁場（直流磁場）を印加し、磁気共鳴部材１内の複数の特定カラーセンター（ここでは、複数のＮＶセンター）のエネルギー準位をゼーマン分裂させる。ここでは、磁石３は、リング型の永久磁石であり、例えば、フェライト磁石、アルニコ磁石、サマコバ磁石などである。

【0024】

この実施の形態では、上述の静磁場の印加方向は、上述の被測定磁場の印加方向と同一となり、上述の静磁場の印加によって、上述のディップ周波数での蛍光強度変化が増強され、感度が高くなる。

【0025】

さらに、この実施の形態では、磁気共鳴部材１は、上述のマイクロ波で電子スピン量子操作の可能な複数のカラーセンター（ここでは、ＮＶセンター）を備え、磁石３は、磁気共鳴部材１の所定領域（励起光の照射領域）に対して略均一な静磁場を印加する。例えば、その所定領域における静磁場の強度についての最大値と最低値との差分や比率が所定値以下となるように静磁場が印加される。

【0026】

また、磁気共鳴部材１において、上述の欠陥および不純物の配列方向が、上述の静磁場の向き（および印加磁場の向き）に略一致するように、磁気共鳴部材１の結晶が形成され、磁気共鳴部材１の向きが設定される。

【0027】

さらに、この実施の形態では、励起光を磁気共鳴部材１に照射するために、発光装置１２から磁気共鳴部材１までの光学系が設けられており、また、磁気共鳴部材１からの蛍光を検出するために、磁気共鳴部材１から受光装置１３までの光学系が設けられている。

【0028】

発光装置１２は、光源としてのレーザーダイオードなどを備え、その光源で、磁気共鳴部材１に照射すべき励起光として、所定波長のレーザー光を出射する。また、受光装置１３は、受光素子としてのフォトダイオードやフォトトランジスターなどを備え、磁気共鳴部材１により励起光に対応して発せられる蛍光を受光し、その蛍光の強度に対応する蛍光センサー信号ＰＬを生成する。この蛍光は、例えば複合放物面型集光器（ＣＰＣ）などの光学系によって受光装置１３へ向けて集光される。

【0029】

受光装置１３は、光電効果によって入射光に対応する電気信号を生成する受光素子などを備え、磁気共鳴部材１により励起光に対応して発せられる蛍光を受光しその蛍光の強度に対応する検出信号を生成する。受光装置１３は、受光素子から出力される電気信号に対して所定の信号処理を行って検出信号を生成する信号処理部を備えていてもよいし、受光素子から出力される電気信号を検出信号としてもよい。

【0030】

例えば、上記の信号処理として、励起光から分岐した参照光に基づく参照信号を使用したコモンモードリジェクションを行ってもよい。

【0031】

さらに、図１に示す測定装置は、検出信号をデジタイズするアナログデジタル変換器２１と、測定装置の制御および信号処理を行う演算処理装置３１とを備える。

【0032】

アナログデジタル変換器２１は、所定のサンプリング周波数ｆｓで、検出信号をサンプリングしてデジタイズし、デジタイズした検出信号を演算処理装置３１に出力する。

【0033】

演算処理装置３１は、例えばコンピューターを備え、信号処理プログラムをコンピューターで実行して、各種処理部として動作する。この実施の形態では、演算処理装置３１は、そのコンピューターを測定制御部４１および測定処理部４２として動作させ、また、不揮発性の記憶装置４３を備える。

【0034】

記憶装置４３には、信号処理プログラムが記憶されており、そのコンピューターは、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）などを備え、信号処理プログラムをＲＡＭにロードしてＣＰＵで実行することで、測定制御部４１および測定処理部４２として動作する。

【0035】

測定制御部４１は、（ａ）高周波電源１１および発光装置１２を制御して所定の測定シーケンスでマイクロ波および励起光を磁気共鳴部材１に印加し、（ｂ）上述のようにデジタイズされた検出信号を取得してＲＡＭや記憶装置４３に記憶し、測定処理部４２に、被測定交流場の測定値を導出させる。測定処理部４２は、デジタイズされた検出信号に基づいて測定値を導出する。

【0036】

ただし、通常のハーンエコーパルスシーケンス（スピンエコーパルスシーケンス）や通常のダイナミックデカップリングではマイクロ波のパルスシーケンスのスピンロック周波数の逆数１／ｆ_ＬＯＣＫ）を被測定交流場の周期（１／ｆ_ＡＣ）に一致させるが、当該実施の形態では、測定シーケンスにおけるマイクロ波のパルスシーケンスのスピンロック周波数の逆数（１／ｆ_ＬＯＣＫ）が被測定交流場の周期（１／ｆ_ＡＣ）とは異なる。ここで、ｆ_ＬＯＣＫは、スピンロック周波数であり、ｆ_ＡＣは、被測定交流場の周波数である。

【0037】

図２は、測定シーケンスの一例を示す図である。図２は、実施の形態１の測定シーケンスにおける、被測定交流磁場に対するマイクロ波パルスのタイミング、および励起光の照射タイミング（初期化と測定の２回）を示している。図２に示すように、各測定について、励起光の照射期間において、蛍光が検出される。

【0038】

特に、測定制御部４１は、ハーンエコーパルスシーケンスまたはダイナミックデカップリングに基づくマイクロ波のパルスシーケンスを磁気共鳴部材１に印加する。その際、マイクロ波のパルスシーケンスのスピンロック周波数の逆数（１／ｆ_ＬＯＣＫ）が、被測定交流場の周期（１／ｆ_ＡＣ）とは異なる。実施の形態１では、ハーンエコーシーケンス（スピンエコーパルスシーケンス）に基づくマイクロ波のパルスシーケンスが磁気共鳴部材１に印加される。

【0039】

ハーンエコーパルスシーケンスの場合のスピンロック周波数の逆数（１／ｆ_ＬＯＣＫ）は、例えば図２に示すように、１つ目のπ／２パルスの終端から２つ目のπ／２パルスの先端までの時間長となる。実施の形態１では、測定制御部４１は、測定シーケンスにおいて、ハーンエコーパルスシーケンスに基づくマイクロ波のパルスシーケンスを磁気共鳴部材１に印加する。ただし、マイクロ波のパルスシーケンスのスピンロック周波数の逆数（１／ｆ_ＬＯＣＫ）が、被測定交流場の周期（１／ｆ_ＡＣ）より短い。

【0040】

図３は、スピンロック周波数ｆ_ＬＯＣＫおよび被測定交流場の周波数ｆ_ＡＣと、検出信号の強度Ｓおよび被測定交流場の磁束密度Ｂに対する検出信号の強度Ｓの微分（ｄＳ／ｄＢ）の最大値ｍａｘ｜ｄＳ／ｄＢ｜との関係を説明する図である。

【0041】

図３に示すように、検出信号の強度Ｓは、Ｂ、ｆ_ＡＣ、およびｆ_ＬＯＣＫの関数になっており、ｍａｘ｜ｄＳ／ｄＢ｜は、ｆ_ＡＣおよびｆ_ＬＯＣＫの関数になっている。なお、図３に示す式において、γは、磁気回転比（定数）であり、φ０は、マイクロ波のパルスシーケンスと被測定交流場との間の位相ずれである。

【0042】

ここで、例えば図３に示すように、ｄＳ／ｄＢは、傾きを表しており、ｄＳ／ｄＢが大きいほど感度が高くなるため、ｍａｘ｜ｄＳ／ｄＢ｜が最大となる条件でｆ_ＡＣおよびｆ_ＬＯＣＫが設定されることが好ましい。

【0043】

図４は、被測定交流場の周波数ｆ_ＡＣおよび位相ずれに対する検出信号強度Ｓ（相対値）の分布について説明する図である。図４では、検出信号強度Ｓ（相対値）が等高線で表されている。図５は、実施の形態１における被測定交流場の周波数ｆ_ＡＣに対する傾き最大値ｍａｘ｜ｄＳ／ｄＢ｜について説明する図である。

【0044】

例えば図４に示すように、被測定交流場と測定シーケンスとの間の位相ずれの大きさによって検出信号強度Ｓが変化するが、例えば図４および図５に示すように、検出信号強度Ｓの最大値は、ｆ_ＡＣがｆ_ＬＯＣＫと同じである場合よりｆ_ＡＣがｆ_ＬＯＣＫより低い場合のほうが大きくなる。なお、図５は、位相ずれの考慮せずにｆ_ＡＣの各値での傾き最大値ｍａｘ｜ｄＳ／ｄＢ｜を示している。

【0045】

つまり、被測定交流場の磁束密度Ｂに対する検出信号の強度Ｓの微分（ｄＳ／ｄＢ）の最大値（ｍａｘ｜ｄＳ／ｄＢ｜）が、マイクロ波のパルスシーケンスのスピンロック周波数ｆ_ＬＯＣＫが被測定交流場の周波数ｆ_ＡＣに一致するときより大きくなるように、スピンロック周波数ｆ_ＬＯＣＫおよび被測定交流場の波数ｆ_ＡＣが設定されている。なお、被測定交流場の周波数ｆ_ＡＣは、図５における特性曲線のピーク周波数（またはその近傍）に設定されることが好ましい。

【0046】

また、被測定交流場の周波数ｆ_ＡＣに所定幅の変動やずれが生じる可能性がある場合には、図５における特性曲線のピーク周波数を含む所定幅の測定帯域が設定される。このように測定帯域を設定することで、傾き最大値（ｍａｘ｜ｄＳ／ｄＢ｜）（つまり、感度）が良好な条件で測定を行うことができる。

【0047】

次に、実施の形態１に係る測定装置の動作について説明する。

【0048】

被測定交流場（ここでは、交流磁場）の測定位置にセンサー部１０が配置される。なお、センサー部１０を走査しつつ複数の測定位置でそれぞれ測定を行うようにしてもよい。

【0049】

測定制御部４１は、例えば図２に示すように連続的に測定シーケンスを実行し、各測定シーケンス（実施の形態１では、ｆ_ＡＣより高いｆ_ＬＯＣＫのハーンエコーシーケンス）において発光装置１２に励起光を発光させたり、高周波磁場発生器２にマイクロ波を送出させたりする。

【0050】

これにより、測定時の励起光の照射期間において、受光装置１３によって検出信号が得られ、アナログデジタル変換器２１によりサンプリングかつデジタイズされた検出信号が連続的に生成される。

【0051】

測定処理部４２は、この検出信号を取得すると、既存の手法で検出信号から被測定交流場の測定値を導出する。

【0052】

以上のように、上記実施の形態１によれば、高周波磁場発生器２は、被測定交流場に対応して電子スピン量子状態が変化するとともにマイクロ波で電子スピン量子操作の可能な磁気共鳴部材１に対してマイクロ波を印加する。高周波電源１１は、高周波磁場発生器２にマイクロ波を発生させる。発光装置１２は、磁気共鳴部材１に照射すべき励起光を出射する。測定制御部４１は、高周波電源および発光装置を制御して所定の測定シーケンスでマイクロ波および励起光を磁気共鳴部材に印加する。特に、測定制御部４１は、ハーンエコーパルスシーケンス（またはダイナミックデカップリング）に基づくマイクロ波のパルスシーケンスを磁気共鳴部材１に印加する。その際、上述のマイクロ波のパルスシーケンスのスピンロック周波数の逆数が被測定交流場の周期とは異なる。

【0053】

これにより、通常のハーンエコーシーケンス（あるいは通常のダイナミックデカップリング）より高い感度で被測定交流場の測定が行われる。

【0054】

実施の形態２．

【0055】

図６は、実施の形態２における検出信号のサンプリングについて説明する図である。実施の形態２では、例えば図６に示すように、アナログデジタル変換器２１は、アンダーサンプリング条件の所定のサンプリング周波数ｆｓで検出信号をサンプリングしてデジタイズし、デジタイズした検出信号を演算処理装置３１に出力する。アンダーサンプリング条件のため、実施の形態２では、検出信号に基づく可観測帯域は、０からｆｓ／２までの帯域となる。

【0056】

図７は、実施の形態２において可観測帯域に現れる検出信号について説明する図である。例えば図７に示すように、測定対象である交流場の成分の他、不要な成分が検出信号に含まれている場合、エイリアシングによって、不要な成分が可観測帯域に入り込むことがある。そのため、このような不要な成分を減衰させるために、実施の形態２では、検出信号に対して、所定の測定帯域以外の帯域を減衰させるフィルター処理が行われる。この測定帯域は、サンプリング周波数ｆｓに対応して設定される。なお、このフィルター処理は、アナログ信号としての検出信号に対してアナログ回路によって行われてもよいし、デジタル信号としての検出信号に対してデジタルシグナルプロセッサーや上述の測定処理部４２によって行われてもよい。

【0057】

図８は、上述のフィルター処理で、サンプリング周波数ｆｓの２分の１（ｆｓ／２）からサンプリング周波数ｆｓまでの範囲に対応する帯域を減衰させる場合について説明する図である。例えば、上述の測定帯域が、０からサンプリング周波数ｆｓの２分の１までの範囲に対応し、かつ被測定交流場の磁束密度に対する検出信号の強度の微分の最大値（ｍａｘ｜ｄＳ／ｄＢ｜）となるピーク周波数を含む帯域となるように、スピンロック周波数ｆ_ＬＯＣＫが設定される。この場合、エイリアシングが抑制され、例えば図８に示すように、サンプリング周波数ｆｓの整数（ｎ－１）倍の周波数（（ｎ－１）ｆｓ）とサンプリング周波数ｆｓの整数（ｎ－１）倍にサンプリング周波数ｆｓの２分の１を加算した周波数（（ｎ－１）ｆｓ＋ｆｓ／２）との間の範囲に測定帯域が設定され、これにより、可観測帯域において良好な感度で検出信号が検出される。

【0058】

図９は、上述のフィルター処理で、０からサンプリング周波数の２分の１（ｆｓ／２）までの範囲に対応する帯域を減衰させる場合について説明する図である。例えば、上述の測定帯域が、サンプリング周波数ｆｓの２分の１からサンプリング周波数ｆｓまでの範囲に対応し、かつ被測定交流場の磁束密度に対する検出信号の強度の微分の最大値となるピーク周波数を含む帯域となるように、スピンロック周波数ｆ_ＬＯＣＫが設定される。この場合、エイリアシングを利用することを前提として、例えば図９に示すように、サンプリング周波数ｆｓの整数（ｎ－１）倍にサンプリング周波数ｆｓの２分の１を加算した周波数（（ｎ－１）ｆｓ＋ｆｓ／２）とサンプリング周波数ｆｓの整数ｎ倍の周波数（ｎｆｓ）との間の範囲に測定帯域が設定され、これにより、可観測帯域において良好な感度で検出信号が検出される。なお、この場合、エイリアシングによって、検出信号は、（ｎ－１／２）×ｆｓに対して対称となる周波数で検出される。

【0059】

なお、実施の形態２に係る測定装置のその他の構成および動作については実施の形態１と同様であるので、その説明を省略する。

【0060】

以上のように、上記実施の形態２によれば、上述のフィルター処理によって、良好な感度の測定帯域に対応して不要成分が抑制される。

【0061】

実施の形態３．

【0062】

図１０は、実施の形態３における測定シーケンス（ダイナミックデカップリング）について説明する図である。実施の形態３では、例えば図１０に示すように、測定シーケンスとしてダイナミックデカップリングが使用される。ダイナミックデカップリングとしては、ＸＹ８－ｋ、ＣＰＭＧ（Carr-Purcell-Meiboom-Gill）などがある。

【0063】

測定制御部４１は、この測定シーケンスにおいて、ダイナミックデカップリングに基づくマイクロ波のパルスシーケンスを磁気共鳴部材１に印加する。ただし、マイクロ波のパルスシーケンスのスピンロック周波数の逆数（１／ｆ_ＬＯＣＫ）が、被測定交流場の周期（１／ｆ_ＡＣ）より長い。なお、ダイナミックデカップリングの場合のスピンロック周波数の逆数（１／ｆ_ＬＯＣＫ）は、例えば図１０に示すように、パルスシーケンスにおけるＮ個のπパルスにおいて連続する３つのπパルスのうちの最初のπパルスの中心から最後のπパルスの中心までの時間長となる。

【0064】

図１１は、実施の形態３における被測定交流場の周波数ｆ_ＡＣに対する傾き最大値ｍａｘ｜ｄＳ／ｄＢ｜について説明する図である。

【0065】

ダイナミックデカップリングの場合、例えば図１１に示すように、被測定交流場の周波数ｆ_ＡＣに対する傾き最大値ｍａｘ｜ｄＳ／ｄＢ｜の特性が、πパルス数Ｎに応じて変化するものの、ピーク周波数がスピンロック周波数ｆ_ＬＯＣＫより高くなっている。そのため、被測定交流場の周波数ｆ_ＡＣが、スピンロック周波数ｆ_ＬＯＣＫより高く設定される。つまり、マイクロ波のパルスシーケンスのスピンロック周波数の逆数（１／ｆ_ＬＯＣＫ）が、被測定交流場の周期（１／ｆ_ＡＣ）より長く設定される。

【0066】

なお、実施の形態３に係る測定装置のその他の構成および動作については実施の形態１または２と同様であるので、その説明を省略する。

【0067】

実施の形態４．

【0068】

図１２は、実施の形態４における測定シーケンスの一例を示す図である。実施の形態４では、例えば図１２に示すように、測定制御部４１は、高周波電源１１および発光装置１２を制御して第１の測定シーケンス（前半シーケンス）でマイクロ波および励起光を磁気共鳴部材１に印加するとともに、第２の測定シーケンス（後半シーケンス）でマイクロ波および励起光を磁気共鳴部材１に印加する。第１の測定シーケンスおよび第２の測定シーケンスは、それぞれ、実施の形態１の測定シーケンスと同様である。ただし、第２の測定シーケンスのマイクロ波の最終パルスの位相が、第１の測定シーケンスのマイクロ波の最終パルスの位相に対して反転している。実施の形態４では、測定制御部４１は、第１の測定シーケンスおよび第２の測定シーケンスのそれぞれにおいて、ハーンエコーパルスシーケンスに基づくマイクロ波のパルスシーケンスを磁気共鳴部材１に印加する。ここでは、第１および第２の測定シーケンスは、連続している。なお、実施の形態１では、第２の測定シーケンスのマイクロ波の最終パルスは、第１の測定シーケンスのマイクロ波の最終パルスと同位相となっている。

【0069】

ここでは、マイクロ波のパルスシーケンスにおける最終のπ／２パルスについて、前半シーケンスの最終パルスは、スピン状態を、ブロッホ球におけるｙ軸の正方向を中心としてπ／２だけ（反時計回りに）回転させ、後半シーケンスの最終パルスは、スピン状態を、ブロッホ球におけるｙ軸の負方向を中心としてπ／２だけ（反時計回りに）回転させる。これにより、パルスシーケンス終了時のスピン状態の回転角が互いに１８０度異なるため、検出値の正負が反転する。なお、図１２に示す場合では、前半シーケンスおよび後半シーケンスの最終パルスは、ｙ軸を中心としてスピン状態を回転させているが、その代わりに、ｘ軸を中心としてスピン状態を（互いに反対方向に）回転させるようにしてもよい。

【0070】

測定処理部４２は、（ａ）第１の測定シーケンスの検出信号および第２の測定シーケンスの検出信号を取得し、（ｂ）既存の手法でそれらの検出信号に基づいて被測定交流場の検出値（つまり、それぞれの測定シーケンスについての測定値である第１検出値および第２検出値）をそれぞれ導出し、（ｃ）第１検出値と第２検出値との差分を、被測定交流場の測定値として導出する。

【0071】

図１３は、実施の形態４における被測定交流場の周波数ｆ_ＡＣに対応する感度について説明する図である。図１４は、実施の形態４における第１検出値、第２検出値、および測定値について説明する図である。図１４は、連続的に繰り返し測定（第１および第２測定シーケンス）を行った際の波形を示している。図１５および図１６は、実施の形態４における被測定交流場の周波数ｆ_ＡＣに対する傾き最大値ｍａｘ｜ｄＳ／ｄＢ｜について説明する図である。なお、図１５では、サンプリング周波数ｆｓが９ｋＨｚに設定されており、図１６では、サンプリング周波数ｆｓが６ｋＨｚに設定されている。また、図１５および図１６では、実施の形態１の場合（つまり、１回の測定シーケンスで１つの測定値を得る場合）をシングルシーケンスと称し、実施の形態４の場合（つまり、２回の測定シーケンスで１つの測定値を得る場合）をダブルシーケンスと称している。

【0072】

実施の形態４では、第２の測定シーケンスのマイクロ波の最終パルスの位相が、第１の測定シーケンスのマイクロ波の最終パルスの位相に対して反転しているため、被測定交流場の周波数ｆ_ＡＣがサンプリング周波数ｆｓの略整数倍である場合、例えば図１３に示すように、前半シーケンスと後半シーケンスとで、マイクロ波のパルスシーケンスに対する被測定交流場の位相が略同相となり、検出値の正負が反転するため、例えば図１４および図１５並びに図１６に示すように、測定値（検出値の差分）の振幅が各検出値の振幅の略２倍となる。

【0073】

一方、被測定交流場の周波数ｆ_ＡＣがサンプリング周波数ｆｓの略半整数倍である場合、例えば図１３に示すように、前半シーケンスと後半シーケンスとで、マイクロ波のパルスシーケンスに対する被測定交流場の位相が略逆相となり、例えば図１５および図１６に示すように、検出値の正負が反転するため、測定値（検出値の差分）がゼロに近くなる。

【0074】

したがって、感度（傾き最大値ｍａｘ｜ｄＳ／ｄＢ｜）が被測定交流場の周波数ｆ_ＡＣをスピンロック周波数ｆ_ＬＯＣＫに一致させたときの感度より高くなるように、被測定交流場の周波数ｆ_ＡＣは、最大ピーク周波数（図１５では２７ｋＨｚ、図１６では２４ｋＨｚ）に隣接する測定帯域内に設定される。

【0075】

なお、この場合、実施の形態２のようにアンダーサンプリング条件で検出信号のデジタイズを行うと、可観測帯域（０からｆｓ／４まで）において、最大ピークの周波数は、可観測帯域の０Ｈｚに対応してしまうため、最大ピーク周波数を含まないように測定帯域（例えば、図１５および図１６における測定帯域＃１や測定帯域＃２）が設定される。

【0076】

また、図１５の場合（つまり、サンプリング周波数ｆｓが９ｋＨｚである場合）、ダブルシーケンスでの最大ピーク周波数（傾き最大値ｍａｘ｜ｄＳ／ｄＢ｜が最大となる磁場周波数ｆ_ＡＣ）がシングルシーケンスでのピーク周波数に一致しているが、サンプリング周波数ｆｓなどに起因してダブルシーケンスでの最大ピーク周波数がシングルシーケンスでのピーク周波数に一致しない場合でも測定帯域を上述のように適切に設定することで、磁場周波数ｆ_ＡＣがスピンロック周波数ｆ_ＬＯＣＫに一致する場合の傾き最大値ｍａｘ｜ｄＳ／ｄＢ｜より高い傾き最大値ｍａｘ｜ｄＳ／ｄＢ｜（つまり、感度）で磁場測定が行われる。例えば図１６に示すように、シングルシーケンスでのピーク周波数２７ｋＨｚが、ダブルシーケンスでの周波数特性のノッチ部分に位置するような場合でも、最大ピーク周波数２４ｋＨｚに隣接して測定帯域を設定することで、上述のような高い感度で磁場測定が行われる。

【0077】

他方、所望の測定帯域が予めある場合、その測定帯域内に、またはその測定帯域に隣接して、最大ピーク周波数が位置するように、サンプリング周波数ｆｓを設定することで、上述のような高い感度で磁場測定が行われる。

【0078】

なお、実施の形態４に係る測定装置のその他の構成および動作については他の実施の形態のいずれかと同様であるので、その説明を省略する。

【0079】

以上のように、上記実施の形態４では、測定値の振幅が大きくなるため、良好な感度で磁場が測定される。また、上述のように前半シーケンスおよび後半シーケンスの２つの検出値の差分を導出するため、当該２つの検出値に含まれる同相のノイズ成分が抑制される。

【0080】

実施の形態５．

【0081】

実施の形態５では、測定制御部４１は、第１の測定シーケンスおよび第２の測定シーケンスのそれぞれにおいて、例えば図１０に示すようなダイナミックデカップリングに基づくマイクロ波のパルスシーケンスを磁気共鳴部材１に印加する。ただし、実施の形態４と同様に、第２の測定シーケンスのマイクロ波の最終パルスの位相が、第１の測定シーケンスのマイクロ波の最終パルスの位相に対して反転している。ここでは、第１および第２の測定シーケンスは、連続している。なお、実施の形態３では、第２の測定シーケンスのマイクロ波の最終パルスは、第１の測定シーケンスのマイクロ波の最終パルスと同位相となっている。

【0082】

また、実施の形態３と同様に、マイクロ波のパルスシーケンスのスピンロック周波数の逆数（１／ｆ_ＬＯＣＫ）が、被測定交流場の周期（１／ｆ_ＡＣ）より長い。なお、ダイナミックデカップリングの場合のスピンロック周波数の逆数（１／ｆ_ＬＯＣＫ）は、前半シーケンスおよび後半シーケンスのそれぞれのパルスシーケンスにおけるＮ個のπパルスにおいて連続する３つのπパルスのうちの最初のπパルスの中心から最後のπパルスの中心までの時間長となる。

【0083】

図１７および図１８は、実施の形態５における被測定交流場の周波数ｆ_ＡＣに対する傾き最大値ｍａｘ｜ｄＳ／ｄＢ｜について説明する図である。図１８は、図１７の一部（ピーク部分）を拡大したものである。なお、図１７および図１８は、πパルス数Ｎが８であり、サンプリング周波数ｆｓが９ｋＨｚであり、スピンロック周波数ｆ_ＬＯＣＫが３６ｋＨｚである場合の特性を示している。また、図１７および図１８では、実施の形態３の場合（つまり、１回の測定シーケンスで１つの測定値を得る場合）をシングルシーケンスと称し、実施の形態５の場合（つまり、２回の測定シーケンスで１つの測定値を得る場合）をダブルシーケンスと称している。

【0084】

ダイナミックデカップリングの場合、被測定交流場の周波数ｆ_ＡＣに対する傾き最大値ｍａｘ｜ｄＳ／ｄＢ｜の特性が、πパルス数Ｎに応じて変化するものの、例えば図１７および図１８に示すように、ピーク周波数がスピンロック周波数ｆ_ＬＯＣＫより高くなっている。そのため、被測定交流場の周波数ｆ_ＡＣが、スピンロック周波数ｆ_ＬＯＣＫより高く設定される。つまり、マイクロ波のパルスシーケンスのスピンロック周波数の逆数（１／ｆ_ＬＯＣＫ）が、被測定交流場の周期（１／ｆ_ＡＣ）より長く設定される。

【0085】

なお、実施の形態５に係る測定装置のその他の構成および動作については実施の形態４と同様であるので、その説明を省略する。

【0086】

なお、上述の実施の形態に対する様々な変更および修正については、当業者には明らかである。そのような変更および修正は、その主題の趣旨および範囲から離れることなく、かつ、意図された利点を弱めることなく行われてもよい。つまり、そのような変更および修正が請求の範囲に含まれることを意図している。

【産業上の利用可能性】

【0087】

本発明は、例えば、光検出磁気共鳴を利用した測定装置に適用可能である。

【符号の説明】

【0088】

１ 磁気共鳴部材
２ 高周波磁場発生器
３ 磁石
１１ 高周波電源
１２ 発光装置
１３ 受光装置
４１ 測定制御部
４２ 測定処理部

【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】