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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2022-12-02
(45)【発行日】2022-12-12
(54)【発明の名称】磁気計測装置
(51)【国際特許分類】
G01R 33/26 20060101AFI20221205BHJP
G01N 24/00 20060101ALI20221205BHJP
G01N 21/64 20060101ALI20221205BHJP
G01R 33/02 20060101ALI20221205BHJP
【ＦＩ】
G01R33/26
G01N24/00 E
G01N24/00 G
G01N21/64 Z
G01R33/02 A
【請求項の数】
7
(21)【出願番号】P 2018195324
(22)【出願日】2018-10-16
(65)【公開番号】P2020063960
(43)【公開日】2020-04-23
【審査請求日】2021-09-08
【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）平成２５年度、国立研究開発法人科学技術振興機構、戦略的創造研究推進事業（ＣＲＥＳＴ）、「素材・デバイス・システム融合による革新的ナノエレクトロニクスの創成」、「炭素系ナノエレクトロニクスに基づく革新的な生体磁気計測システムの創出」、「超高感度磁気センサナノアレイデバイスを使った生物試料への応用」、「ダイヤモンドデバイス及びセンサ微弱信号検出技術」、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願
(73)【特許権者】
【識別番号】304021417
【氏名又は名称】国立大学法人東京工業大学
(73)【特許権者】
【識別番号】504176911
【氏名又は名称】国立大学法人大阪大学
(74)【代理人】
【識別番号】100072718
【弁理士】
【氏名又は名称】古谷 史旺
(74)【代理人】
【識別番号】100097319
【弁理士】
【氏名又は名称】狩野 彰
(74)【代理人】
【識別番号】100151002
【弁理士】
【氏名又は名称】大橋 剛之
(74)【代理人】
【識別番号】100201673
【弁理士】
【氏名又は名称】河田 良夫
(72)【発明者】
【氏名】波多野 睦子
(72)【発明者】
【氏名】岩崎 孝之
(72)【発明者】
【氏名】原田 慶恵
(72)【発明者】
【氏名】波多野 雄治
【審査官】田口 孝明
(56)【参考文献】
【文献】特開２０１７－１４６１５８（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１６－００８９６１（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１６－１１４５６３（ＪＰ，Ａ）
【文献】米国特許出願公開第２０１７／０３４３４１２（ＵＳ，Ａ１）
【文献】DAVIS, Hunter C. et al.，Mapping the microscale origins of magnetic resonance image contrast with subcellular diamond magnetometry，NATURE COMMUNICATIONS，2018年01月09日，9/131，1 - 9
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
ＩＰＣ Ｇ０１Ｒ ３３／２０、
Ａ６１Ｂ ５／０５５
Ｇ０１Ｃ １９／６０
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
所定領域内にＮＶセンタを含むダイヤモンド基板と、前記ダイヤモンド基板に載せられて超常磁性を示す複数の超常磁性粒子の集合体である１つ以上の磁性粒子、及び前記ダイヤモンド基板に対して静磁場を印加する静磁場印加部と、
前記ダイヤモンド基板に対してマイクロ波を照射するマイクロ波照射部と、
前記ダイヤモンド基板に対して励起光を照射する光源部と、
前記励起光による前記ダイヤモンド基板の前記所定領域における蛍光の強度を二次元に配列された画素ごとに検出するイメージセンサと、
前記イメージセンサの検出結果に基づいて、光磁気共鳴スペクトルをマイクロ波が照射されていない場合と照射されている場合の蛍光強度の差分のマイクロ波が照射されていない場合の蛍光強度に対する比である相対蛍光強度のマイクロ波周波数依存性とする時、前記静磁場によるゼーマン分裂後の前記ダイヤモンド基板の光検出磁気共鳴スペクトルの視野内平均値における２８７０ＭＨｚ付近を対称の中心として生じる１組である２つの相対蛍光強度低下点それぞれから正負の２つの最大傾斜点を特定し、特定した合計４点の各最大傾斜点における相対蛍光強度低下度及びマイクロ波周波数を決定する決定部と、
前記決定部が最大傾斜点ごとに決定した相対蛍光強度低下度及びマイクロ波周波数に基づいて、前記所定領域における相対蛍光強度の基準低下度を設定するとともに前記最大傾斜点におけるマイクロ波周波数の近傍で前記基準低下度が実現される４点の動作点周波数初期値を設定する設定部と、
前記４点の動作点周波数における前記所定領域の相対蛍光強度低下度が前記基準低下度に近付くように、前記４点の動作点周波数を更新する周波数更新部と、
前記更新された動作点周波数をマイクロ波発振器に補正後動作点周波数として入力する周波数補正部と、
前記４点の動作点周波数のそれぞれのマイクロ波を前記マイクロ波照射部が所定時間内に順次に前記所定領域に照射する間に、前記補正後動作点周波数それぞれにおける前記イメージセンサの検出結果を前記画素ごとに積算する積算部と、
前記積算部が前記画素ごとに積算した結果に基づいて、前記所定領域における相対蛍光強度を画像として出力する出力部と
を有することを特徴とする磁気計測装置。
【請求項2】
所定領域内にＮＶセンタを含むダイヤモンド基板と、前記ダイヤモンド基板に対して静磁場を印加する静磁場印加部と、
前記ダイヤモンド基板に対してマイクロ波を照射するマイクロ波照射部と、
前記ダイヤモンド基板に対して励起光を照射する光源部と、
前記励起光による前記ダイヤモンド基板の前記所定領域における蛍光の強度を検出する蛍光検出手段とからなり、
マイクロ波が照射されている場合とされていない場合との、または蛍光強度に影響がない周波数のマイクロ波が照射されている場合との蛍光強度差分の、マイクロ波が照射されていない場合または蛍光強度に影響がない周波数のマイクロ波が照射されている場合の蛍光強度に対する比を相対蛍光強度とするとき、
前記静磁場により、マイクロ波の周波数の２８７０ＭＨｚ付近を対称の中心として生じる１組である２つの相対蛍光強度低下域を選び、
それぞれの低下域の中を最小値の前後でさらに低周波側と高周波側に分ける時、
第一の相対蛍光強度低下域の低周波側及び高周波側と
第二の相対蛍光強度低下域の低周波側及び高周波側の
合計４個の周波数領域において、
周波数変化に対する相対蛍光強度変化が極力大きく、
かつ４個の周波数領域に共通に含まれる相対蛍光強度の基準低下度を設定し、
上記４個の周波数領域に各１点の合計４点のマイクロ波の周波数を一定の周期で順次周期的に照射しつつ、
前記蛍光検出手段によりそれぞれの周波数における相対蛍光強度を検出することにより
それぞれのマイクロ波の周波数における相対蛍光強度積算結果と、上記基準低下度の差分を反映して、
それぞれの周波数領域の中でマイクロ波の周波数を調整することにより、
相対蛍光強度を基準低下度に収束させた４点のマイクロ波の周波数の間の線型演算値として、
前記ダイヤモンド基板の所定領域内の磁場または温度を計測することにより、
上記周期よりも長周期の雑音を排除することを特徴とする磁気計測装置。
【請求項3】
前記イメージセンサは、前記４点の動作点周波数のいずれかのマイクロ波を前記マイクロ波照射部が前記所定領域に照射する期間及び照射しない期間ごとに、露光及び読み出しを行うこと
を有することを特徴とする請求項１に記載の磁気計測装置。
【請求項4】
前記マイクロ波照射部は、マイクロ波を生成するマイクロ波生成部と、
前記マイクロ波生成部が生成したマイクロ波の位相の遅延を設定するフェーズシフタと、
前記フェーズシフタが位相の遅延を設定したマイクロ波を前記ダイヤモンド基板に対して照射するマイクロ波コイルと
を特徴とする請求項１～３のいずれか１項に記載の磁気計測装置。
【請求項5】
前記マイクロ波コイルは、前記ダイヤモンド基板の表面に平行な方向にマイクロ波磁場を生成すること
を特徴とする請求項４に記載の磁気計測装置。
【請求項6】
前記ダイヤモンド基板は、前記ＮＶセンタを含む薄膜であるＮＶ層の厚さが磁性粒子の直径と略同じであること
を特徴とする請求項１～５のいずれか１項に記載の磁気計測装置。
【請求項7】
前記積算部が所定の時間間隔をあけて積算した結果それぞれを画素ごとに記憶する記憶部を有し、前記出力部は、
前記記憶部が記憶した結果に基づいて、前記時間間隔ごとに前記所定領域における相対蛍光強度の画素ごとの分布を、あらかじめ画素ごとに測定しておいた相対蛍光強度の低下点の最低値により補正した上で、画像として出力すること
を有することを特徴とする請求項１に記載の磁気計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、磁気計測装置に関する。
【背景技術】
【0002】
ダイヤモンド結晶中のＮＶセンタ（窒素－空孔中心）は、ナノスケールの構造であり、褪色しない高輝度の蛍光を発する。光磁気共鳴による蛍光は、自家蛍光に対して容易に識別可能である。また、ダイヤモンドは、完全な生体親和性を有することから、生体イメージングへの適用研究が広く進められている。
【0003】
特に、ダイヤモンドのＮＶセンタにおける蛍光が磁気に対して鋭敏に変化することを活用して、高品質のダイヤモンド基板中に高密度のＮＶセンタ層を形成することにより、ダイヤモンド基板表面における２次元磁気分布を画像として計測することにより生体磁気を計測する技術が注目を集めており、直径２００ｎｍの超常磁性粒子の細胞内組織への取込過程が１０時間に亘って計測されている。
【0004】
２００ｎｍオーダーの高解像度計測が１０時間の長時間に亘って可能なことが、ダイヤモンド基板による磁気計測の最大の特徴である。これは、ダイヤモンド基板から蛍光を得るために照射する励起光が、本質的にはダイヤモンド基板のみを照射すればよいからであって、細胞自身を照射する必要はなく、光障害を回避可能であるために可能となっている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【0005】
【文献】Hunter C. Davis, Pradeep Ramesh, Aadyot Bhatnagar, Audrey Lee-Gosselin, John F. Barry, David R. Glenn, Ronald L. Walsworth & Mikhail G. Shapiro, “Mapping the microscale origins of magnetic resonance image contrast with subcellular diamond magnetometry.” NATURE COMMUNICATIONS （2018） 9:131
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
Davisの方法は、ダイヤモンド基板中のＮＶセンタの光磁気共鳴スペクトルにおけるハイパーファイン準位による先鋭なピーク位置を磁場検出に使用している。ここでは、ハイパーファイン準位によるピークを先鋭なものにするために、ダイヤモンド基板に高純度の結晶を用いるとともに、ＮＶセンタ層の形成に同位体制御を用い、１３Ｃ原子を除去している。
【0007】
しかし、高純度のダイヤモンド基板結晶は、成長に多大な日時を要する。また、同位体制御は、同位体精製を施した特殊な原料ガスを必要とする。
【0008】
一方、成長速度が速く、製造が容易なダイヤモンド基板を用いる場合には、基板中に一定量の不純物が混入してしまうことが不可避である。また、同位体精製を施さない低廉な原料ガスを使用する場合には、１３Ｃ原子が１２Ｃ原子に対して１％程度混入してしまうことが不可避である。これらにより以下のような問題が生じる。
【0009】
・ハイパーファイン準位が先鋭には確認できないこと。
・ＮＶ層中のＮＶ密度、電子スピンのコヒーレンス時間に不均一性が生じること。
・ＮＶ層中のＮＶ密度、電子スピンのコヒーレンス時間に不均一性が生じること。
【0010】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、ダイヤモンド基板が高純度でなく、ＮＶセンタの密度及び電子スピンコヒーレンス時間に不均一性があっても、高感度で磁気を計測することができる磁気計測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】
【0011】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の一態様に係る磁気計測装置は、所定領域内にＮＶセンタを含むダイヤモンド基板と、前記ダイヤモンド基板に載せられて超常磁性を示す複数の超常磁性粒子の集合体である１つ以上の磁性粒子、及び前記ダイヤモンド基板に対して静磁場を印加する静磁場印加部と、前記ダイヤモンド基板に対してマイクロ波を照射するマイクロ波照射部と、前記ダイヤモンド基板に対して励起光を照射する光源部と、前記励起光による前記ダイヤモンド基板の前記所定領域における蛍光の強度を二次元に配列された画素ごとに検出するイメージセンサと、前記イメージセンサの検出結果に基づいて、光磁気共鳴スペクトルをマイクロ波が照射されていない場合と照射されている場合の蛍光強度の差分のマイクロ波が照射されていない場合の蛍光強度に対する比である相対蛍光強度のマイクロ波周波数依存性とする時、前記静磁場によるゼーマン分裂後の前記ダイヤモンド基板の光検出磁気共鳴スペクトルの視野内平均値における２８７０ＭＨｚ付近を対称の中心として生じる１組である２つの相対蛍光強度低下点それぞれから正負の２つの最大傾斜点を特定し、特定した合計４点の各最大傾斜点における相対蛍光強度低下度及びマイクロ波周波数を決定する決定部と、前記決定部が最大傾斜点ごとに決定した相対蛍光強度低下度及びマイクロ波周波数に基づいて、前記所定領域における相対蛍光強度の基準低下度を設定するとともに前記最大傾斜点におけるマイクロ波周波数の近傍で前記基準低下度が実現される４点の動作点周波数初期値を設定する設定部と、前記４点の動作点周波数における前記所定領域の相対蛍光強度低下度が前記基準低下度に近付くように、前記４点の動作点周波数を更新する周波数更新部と、前記更新された動作点周波数をマイクロ波発振器に補正後動作点周波数として入力する周波数補正部と、前記４点の動作点周波数のそれぞれのマイクロ波を前記マイクロ波照射部が所定時間内に順次に前記所定領域に照射する間に、前記補正後動作点周波数それぞれにおける前記イメージセンサの検出結果を前記画素ごとに積算する積算部と、前記積算部が前記画素ごとに積算した結果に基づいて、前記所定領域における相対蛍光強度を画像として出力する出力部とを有することを特徴とする。
【0012】
また、本発明の一態様に係る磁気計測装置は、所定領域内にＮＶセンタを含むダイヤモンド基板と、前記ダイヤモンド基板に対して静磁場を印加する静磁場印加部と、前記ダイヤモンド基板に対してマイクロ波を照射するマイクロ波照射部と、前記ダイヤモンド基板に対して励起光を照射する光源部と、前記励起光による前記ダイヤモンド基板の前記所定領域における蛍光の強度を検出する蛍光検出手段とからなり、マイクロ波が照射されている場合とされていない場合との、または蛍光強度に影響がない周波数のマイクロ波が照射されている場合との蛍光強度差分の、マイクロ波が照射されていない場合または蛍光強度に影響がない周波数のマイクロ波が照射されている場合の蛍光強度に対する比を相対蛍光強度とするとき、前記静磁場により、マイクロ波の周波数の２８７０ＭＨｚ付近を対称の中心として生じる１組である２つの相対蛍光強度低下域を選び、それぞれの低下域の中を最小値の前後でさらに低周波側と高周波側に分ける時、第一の相対蛍光強度低下域の低周波側及び高周波側と第二の相対蛍光強度低下域の低周波側及び高周波側の合計４個の周波数領域において、周波数変化に対する相対蛍光強度変化が極力大きく、かつ４個の周波数領域に共通に含まれる相対蛍光強度の基準低下度を設定し、上記４個の周波数領域に各１点の合計４点のマイクロ波の周波数を一定の周期で順次周期的に照射しつつ、前記蛍光検出手段によりそれぞれの周波数における相対蛍光強度を検出することによりそれぞれのマイクロ波の周波数における相対蛍光強度積算結果と、上記基準低下度の差分を反映して、それぞれの周波数領域の中でマイクロ波の周波数を調整することにより、相対蛍光強度を基準低下度に収束させた４点のマイクロ波の周波数の間の線型演算値として、前記ダイヤモンド基板の所定領域内の磁場または温度を計測することにより、上記周期よりも長周期の雑音を排除することを特徴とする。
【0013】
また、本発明の一態様に係る磁気計測装置は、前記イメージセンサが、前記４点の動作点周波数のいずれかのマイクロ波を前記マイクロ波照射部が前記所定領域に照射する期間及び照射しない期間ごとに、露光及び読み出しを行うことを特徴とする。
【0014】
また、本発明の一態様に係る磁気計測装置は、前記マイクロ波照射部が、マイクロ波を生成するマイクロ波生成部と、前記マイクロ波生成部が生成したマイクロ波の位相の遅延を設定するフェーズシフタと、前記フェーズシフタが位相の遅延を設定したマイクロ波を前記ダイヤモンド基板に対して照射するマイクロ波コイルとを有することを特徴とする。
【0015】
また、本発明の一態様に係る磁気計測装置は、前記マイクロ波コイルが、前記ダイヤモンド基板の表面に平行な方向にマイクロ波磁場を生成することを特徴とする。
【0016】
また、本発明の一態様に係る磁気計測装置は、前記ダイヤモンド基板が、前記ＮＶセンタを含む薄膜であるＮＶ層の厚さが磁性粒子の直径と略同じであることを特徴とする。
【0017】
また、本発明の一態様に係る磁気計測装置は、前記積算部が所定の時間間隔をあけて積算した結果それぞれを画素ごとに記憶する記憶部を有し、前記出力部は、前記記憶部が記憶した結果に基づいて、前記時間間隔ごとに前記所定領域における相対蛍光強度の画素ごとの分布を、あらかじめ画素ごとに測定しておいた相対蛍光強度の低下点の最低値により補正した上で、画像として出力することを特徴とする。
【発明の効果】
【0018】
本発明によれば、ダイヤモンド基板が高純度でなく、ＮＶセンタの密度及び電子スピンコヒーレンス時間に不均一性があっても、高感度で磁気を計測することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【0019】
【図1】一実施形態に係る磁気計測装置の構成例を模式的に示す図である。
【図2】マイクロ波コイルの構造と、ダイヤモンド基板との関係を模式的に示す図である。
【図3】ＣＰＵが実行するプログラムが有する機能例を示す図である。
【図4】静磁場によるゼーマン分裂後のダイヤモンド基板の光検出磁気共鳴スペクトルを例示するグラフである。
【図5】（ａ）は、予め定められた周波数リストに応じて、マイクロ波発振器がマイクロ波周波数を切替えるタイミングを示すタイミングチャートである。（ｂ）は、（ａ）においてマイクロ波周波数がｆＢであるときの信号切替えタイミングを示すタイミングチャートである。
【図6】動作点としてのマイクロ波周波数ｆＡ，ｆＢ，ｆＣ，ｆＤでの視野内における相対蛍光強度が目標値となる基準低下度ＶＴからずれてしまった場合に、動作点を基準低下度ＶＴに対応する周波数に収束させる過程を概念的に示すグラフである。
【図7】相対蛍光強度の分布から磁場分布を算出する過程で行われる処理を概念的に示すグラフである。
【図8】（ａ）は、明視野画像を示す図である。（ｂ）は、視野において比較的短時間に積算した磁気画像を示す図である。（ｃ）は、視野において比較的長時間に積算した磁気画像を示す図である。
【図9】磁性粒子周辺のＮＶセンタから発生する蛍光の画像への影響をシミュレーションするためのモデルを示す図である。
【図10】実測値とシミュレーション値との整合を示すグラフである。
【図11】ｈ＝１．０μｍの場合の磁場強度分布の磁性粒子直下からの距離依存性を示すグラフである。
【図12】磁場強度分布ピーク値のＮＶ層厚依存性（実線）および画素あたりのショットノイズと磁場強度分布ピーク値とのＳＮＲ（破線）を示すグラフである。
【図13】生きた動く細胞に対して磁性粒子を付着させる方法を模式的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0020】
以下に、図面を用いて磁気計測装置１の一実施形態を詳細に説明する。
【0021】
図１は、一実施形態に係る磁気計測装置１の構成例を模式的に示す図である。図１に示すように、磁気計測装置１は、ダイヤモンド基板２、静磁場印加部２０、マイクロ波照射部３、光源部４、イメージセンサ５、制御部６、入力部６０及び出力部６２を有する。磁気計測装置１は、標的の磁場などを高感度で計測し、磁場の変化を画像等によって出力することができる固体量子センサシステムとなっている。
【0022】
ダイヤモンド基板２は、視野となる所定領域内にＮＶセンタ（窒素－空孔中心）が含まれたＮＶ層を表面に備えたいわゆるダイヤモンドセンサであり、光を通過させる顕微鏡ステージ１０上に配置されている。顕微鏡ステージ１０とダイヤモンド基板２の間には、光を通過させるカバーガラス１１がある。ここでは、ダイヤモンド基板２の表面に垂直な方向にｚ軸をとることとする。（１１１）面のダイヤモンド基板２では、ＮＶ軸を１００％一方向（（１１１）面に面直な方向）に揃えられることが知られている。
【0023】
静磁場印加部２０は、ダイヤモンド基板２に載せられた１つ以上の磁性粒子２２、及びダイヤモンド基板２に対して静磁場を印加する。磁性粒子２２は、超常磁性を示す複数の超常磁性粒子２２０（図１３参照）がポリマー２２２で被覆され集合体にされた例えば直径が約１μｍの球状粒子である。超常磁性粒子２２０は、例えば直径が５ｎｍ程度の微小な酸化鉄（Ｆｅ２Ｏ３）粒子である。超常磁性は、例えば直径が５０ｎｍ以下の強磁性体やフェリ磁性体のナノ微粒子に現れる。すなわち、磁性粒子２２は、静磁場印加部２０が印加する静磁場によって磁化される。
【0024】
なお、ダイヤモンド基板２の厚さは、ダイヤモンドの屈折率も考慮され、後述する対物レンズ４２の実効的な作動長（Working Distance）以下にされている。よって、ダイヤモンド基板２は、表面に載せられた磁性粒子２２の磁性を裏面から計測可能となっている。
【0025】
マイクロ波照射部３は、マイクロ波発振器３０、フェーズシフタ３２、及びマイクロ波コイル基板３４を有する。マイクロ波発振器３０は、パルス生成部３００、マイクロ波生成部３０２、及び増幅部３０４を有する。パルス生成部３００は、制御部６の制御に応じて、パルス変調信号３０６、周波数更新信号３０８及び掃引開始信号３１０をマイクロ波生成部３０２に対して出力し、イメージセンサ５に対して露光信号を出力する。マイクロ波生成部３０２は、制御部６の制御に応じて、後述する周波数リストに示された周波数のマイクロ波を生成する。増幅部３０４は、マイクロ波生成部３０２が生成したマイクロ波を増幅させ、フェーズシフタ３２に対して出力する。
【0026】
フェーズシフタ３２は、分岐点３２０、粗調部３２２及び微調部３２４を有し、マイクロ波発振器３０が生成したマイクロ波の位相の遅延を設定し、調整する。粗調部３２２は、分岐点３２０を介して受け入れたマイクロ波の位相を粗く調整する。微調部３２４は、分岐点３２０を介して受け入れたマイクロ波の位相を微調整する。
【0027】
そして、フェーズシフタ３２は、マイクロ波の位相を調整することにより、後述する光検出磁気共鳴スペクトルにおける１組２つの”谷”の深さをそろえる。２つの“谷”の深さは、一般には異なっている。
【0028】
具体的には、フェーズシフタ３２は、分岐点３２０に電圧定在波の”腹”を持ってくることにより、微調部３２４が有効に機能するように粗調部３２２での位相シフト量を調節する。なお、ダイヤモンド基板２と、静磁場印加部２０、マイクロ波コイル３４０及び対物レンズ４２との位置関係の変化が小さい場合、例えば対物レンズ４２の焦点がダイヤモンド基板２内の異なる位置に移動するだけである場合には、微調部３２４による調整だけでもよい。
【0029】
マイクロ波コイル基板３４は、例えば複数層のプリント基板であり、複数層の配線によって形成されたマイクロ波コイル３４０を備え、フェーズシフタ３２が位相を調整したマイクロ波をダイヤモンド基板２に対して照射する。図２は、（１１１）用のマイクロ波コイル３４０の構造と、ダイヤモンド基板２との関係を模式的に示す図である。図２に示すように、マイクロ波コイル３４０は、ダイヤモンド基板２の表面に平行な方向にマイクロ波磁場を効率的に生成する。このように、ダイヤモンド基板２のＮＶ軸に対してマイクロ波磁場が直交させられると、磁場変化の検出効率を最大化することが可能である。
【0030】
光源部４は、例えばレーザー光源又はＬＥＤ光源であり、波長が５３３ｎｍである緑色光を励起光として出力し、ダイクロイックミラー４０及び対物レンズ４２を介してダイヤモンド基板２の所定領域内に含まれるＮＶセンタを励起させる。対物レンズ４２は、ダイヤモンド基板２の表面に焦点を合わされている。光源部４が出力する励起光は、ＣＷ（Continuous Wave；定常出力）であり、変調は行われていない。また、光源部４が出力する励起光は、ケーラー照明によりダイヤモンド基板２の視野全体を照明する。
【0031】
ここで、光源部４は、ダイヤモンド基板２に対してのみ励起光を照射し、ダイヤモンド基板２に載せられた磁性粒子２２などには励起光を照射しないようにすることができる。例えば、光源部４は、ダイヤモンド基板２に対する励起光の照射角度が調整されることにより、ダイヤモンド基板２によって励起光を略反射されるように設定される。
【0032】
そして、励起光により励起されたダイヤモンド基板２は、赤色の蛍光を発する。ダイヤモンド基板２が発した蛍光は、対物レンズ４２、ダイクロイックミラー４０及び集光レンズ４４などを介して、イメージセンサ５が視野の画像として撮像する。
【0033】
イメージセンサ５は、例えばＣＭＯＳエリアセンサであり、励起光によるダイヤモンド基板２の視野における蛍光の強度を二次元に配列された画素ごとに検出する。
【0034】
制御部６は、ＣＰＵ６００及びメモリ（記憶部）６０２を有し、磁気計測装置１を構成する各部を制御するとともに、積算部として後述する積算などの演算と、画像処理などを行う。入力部６０は、磁気計測装置１に対する作業者の操作入力を受け入れ、制御部６に対して出力する。出力部６２は、例えばディスプレイやプリンタなどであり、磁気計測装置１が計測した磁気に関する情報等を画像等によって出力する。
【0035】
図３は、ＣＰＵ６００が実行するプログラム７が有する機能例を示す図である。プログラム７は、例えば決定部７０、設定部７１、周波数補正部７２及び周波数更新部７３を有する。
【0036】
ここで、図４を用いて、決定部７０が有する機能について説明する。図４は、静磁場によるゼーマン分裂後のダイヤモンド基板２の光検出磁気共鳴（Optically Detected Microwave Resonance；ＯＤＭＲ）スペクトルを例示するグラフである。
【0037】
光検出磁気共鳴スペクトル（以下、ＯＤＭＲスペクトル）とは、マイクロ波照射部３がダイヤモンド基板２に対してマイクロ波を照射した場合に、マイクロ波を照射していない場合よりもダイヤモンド基板２のＮＶ層が発する蛍光の強度が相対的に低下する割合を、マイクロ波の周波数の変化に対して示したものである。
【0038】
即ち、マイクロ波をオフ・オンする期間に検出される蛍光強度をそれぞれＦｏｆｆ・Ｆｏｎとすると、相対蛍光強度は（Ｆｏｆｆ－Ｆｏｎ）／Ｆｏｆｆで定義される。
【0039】
ここで、ＯＤＭＲスペクトルにおいて、磁気共鳴が起こるマイクロ波周波数で相対蛍光強度が低下する部分を”谷”とする。外部磁場が無い場合には、”谷”は、２８７０ＭＨｚ付近に１つできる。
【0040】
ＮＶセンタは、一般にはダイヤモンドの結晶方位により４方位に存在するため、外部磁場が加えられると、”谷”は結晶方位により一般に２つ又は４つ（以上）に分裂する。上述したように、（１１１）面のダイヤモンド基板ではＮＶ軸を１００％一方向（（１１１）面に面直な方向）に揃えられることが知られており、この場合には、ｚ方向の磁場Ｂｚが印加されると、図４に示したように”谷”は２つになる。
【0041】
なお、図４に示したような２つの”谷”を含むＯＤＭＲスペクトルは、イメージセンサ５の各画素において、複数の画素からなる一定の領域の平均において、又は、視野全体の平均においても、同様に観測される。しかし、総光量が多くなる視野全体の平均を観測した場合に、最もショットノイズの影響が小さくなり、ＯＤＭＲスペクトルが鮮明となる。
【0042】
なお、ＯＤＭＲスペクトルは、例えば周囲の温度が変化した場合、温度変化に応じてマイクロ波の周波数方向に、全体が平行にシフトする。
【0043】
以下、ＯＤＭＲスペクトルは、”画素ごと”あるいは”ある画素の”とことわらない限り視野内平均のものを指すこととする。ＯＤＭＲスペクトルに”谷”が４つ以上存在する場合には、２８７０ＭＨｚ付近を対称の中心とする１組の２つの”谷”を用いるものとする。
【0044】
例えば、決定部７０は、イメージセンサ５の検出結果に基づいて、ゼーマン分裂後のダイヤモンド基板２のＯＤＭＲスペクトルにおける２つの相対蛍光強度の低下する”谷“Ｘ，Ｙそれぞれから正負の２つの最大傾斜点を特定する。相対蛍光強度の低下する”谷“Ｘは、負の最大傾斜点がＡとなり、正の最大傾斜点がＢとなっている。相対蛍光強度の低下する”谷“Ｙは、負の最大傾斜点がＣとなり、正の最大傾斜点がＤとなっている。
【0045】
そして、決定部７０は、特定した４つの最大傾斜点Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄにおける蛍光強度低下度及び各点の周波数ｆＡ，ｆＢ，ｆＣ，ｆＤを決定する。例えば、蛍光強度低下度は、例えば相対蛍光強度１．００から最大傾斜点の相対蛍光強度をそれぞれ差し引いた値である。また、蛍光強度低下度は、蛍光強度の低下の程度が相対的に示されれば、他の値であってもよい。
【0046】
一般的には、２つの”谷”の両側の斜面が最も急峻となるのは、”谷”の深さの６０～７５％の深さである。後述するように、最大傾斜点Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄのマイクロ波周波数における蛍光強度分布から、磁気分布を取得するためには、ＯＤＭＲスペクトルの対称性を仮定しているため、”谷”の深さが同じであることが必須である。
【0047】
そこで、前述したように、フェーズシフタ３２によりマイクロ波の位相を調整し“谷”の深さを揃える。それでもなお、”谷”の斜面が最も急峻となる深さは、最大傾斜点Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄそれぞれで異なることがある。
【0048】
このため、設定部７１は、決定部７０が決定した各最大傾斜点における蛍光強度低下度に基づいて、共通の相対蛍光強度の基準低下度ＶＴを設定する。例えば、設定部７１は、最大傾斜点Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄそれぞれの深さが異なる場合には、深さの平均をとって基準低下度ＶＴを設定する。そして、ＯＤＭＲスペクトルの相対蛍光強度が基準低下度ＶＴに対応する動作点Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄそれぞれのマイクロ波の周波数ｆＡ，ｆＢ，ｆＣ，ｆＤの初期値ｆＡ０，ｆＢ０，ｆＣ０，ｆＤ０を決定する。
【0049】
設定された基準低下度ＶＴに対応する動作点Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄそれぞれのマイクロ波の周波数ｆＡ，ｆＢ，ｆＣ，ｆＤは、下式（１）～（４）によって近似される。また、ｆｃｅｎｔｅｒは、下式（５）によって表される。
【0050】
【数1】
【数2】
【数3】
【数4】
【数5】
【0051】
ただし、
ｆ０＝２８７０ＭＨｚ付近の一定の値
Ｔ：絶対温度
γ：磁気回転比 ２８．０７［ＭＨｚ／ｍＴ］
ｗ：ＯＤＭＲスペクトルの”谷”の中心からの幅
ε：定数
であるとする。
ｆ０＝２８７０ＭＨｚ付近の一定の値
Ｔ：絶対温度
γ：磁気回転比 ２８．０７［ＭＨｚ／ｍＴ］
ｗ：ＯＤＭＲスペクトルの”谷”の中心からの幅
ε：定数
であるとする。
【0052】
また、上式（１）～（４）から、下式（６）が導かれる。
【0053】
【数6】
【0054】
ｗは、ＮＶセンタの電子スピンのコヒーレンス時間に反比例し、ＮＶ層の局所的な品質に依存する。しかし、上式（６）には、Ｔ、ｗへの依存項が無く、Ｂｚを正確に検出可能である。このため、上式（６）によって動作点４点の関係を算出することにより、温度の時間的変動、電子スピンコヒーレンス時間の空間的揺らぎを除いて磁場Ｂｚを検出することが可能となる。
【0055】
そして、周波数更新部７３は、動作点４点の周波数における相対蛍光強度低下度が、基準低下度ＶＴに近付くように、４点の動作点周波数を更新する。
【0056】
周波数補正部７２は、周波数更新部７３が更新した動作点周波数をマイクロ波発振器３０に補正後動作点周波数として入力する。
【0057】
次に、磁気計測装置１の動作及び処理について説明する。ここでは、磁気計測装置１が検出した磁気に関する結果を画像として出力するまでの過程を、諸パラメータのキャリブレーションを行う初期設定処理と、長時間に亘る細胞計測のような一定時間毎の積算画像コマ撮り処理と、積算画像コマ撮り処理で得たデータを画素ごとに補正するデータ補正処理に分けて説明する。
【0058】
＜初期設定処理＞
作業者は、ダイヤモンド基板２を顕微鏡ステージ１０に装着し、静磁場印加部２０、マイクロ波コイル３４０、ダイヤモンド基板２と対物レンズ４２との相対位置、及びマイクロ波照射部３におけるマイクロ波コイル３４０までの配線状態が確定した後に、入力部６０等を介して、以下の初期設定処理を一度だけ行う。ただし、対物レンズ４２の焦点がダイヤモンド基板２における異なる位置に移動する場合には、再度初期設定を行う必要がある。
作業者は、ダイヤモンド基板２を顕微鏡ステージ１０に装着し、静磁場印加部２０、マイクロ波コイル３４０、ダイヤモンド基板２と対物レンズ４２との相対位置、及びマイクロ波照射部３におけるマイクロ波コイル３４０までの配線状態が確定した後に、入力部６０等を介して、以下の初期設定処理を一度だけ行う。ただし、対物レンズ４２の焦点がダイヤモンド基板２における異なる位置に移動する場合には、再度初期設定を行う必要がある。
【0059】
＜１＞ マイクロ波照射部３が照射するマイクロ波の周波数を上述した２つの”谷”の最深部を含む周波数範囲で掃引し、ＯＤＭＲスペクトルを計測して２つの”谷”の最深部の周波数位置を特定する。
【0060】
＜２＞ フェーズシフタ３２がマイクロ波コイル３４０に供給するマイクロ波の位相を調整し、２つの”谷”の最深部の深さをそろえる。
【0061】
＜３＞ ２つの”谷”の深さがそろった状態で、２つの”谷”を含む周波数範囲でＯＤＭＲスペクトルの一定時間（例えば数分～数十分）の積算を行い、画素ごとのＯＤＭＲスペクトルにおける”谷”の深さをメモリ６０２に記憶させる。画素ごとの”谷”の深さのばらつきは、ＮＶ層の密度・厚さ・膜質及び励起光またはマイクロ波の視野内の不均一性に起因する。
【0062】
＜４＞ 上述した＜３＞の処理により、視野内平均のＯＤＭＲスペクトルを鮮明にした後に、視野内平均のＯＤＭＲスペクトルに対する基準低下度ＶＴ及び基準低下度ＶＴに対応する４点の動作点周波数ｆＡ，ｆＢ，ｆＣ，ｆＤの周波数積算画像コマ撮り処理時の初期値としてｆＡ０，ｆＢ０，ｆＣ０，ｆＤ０を設定する。
【0063】
＜積算画像コマ撮り処理＞
次に、作業者は、画素ごとに相対蛍光強度を積算させる処理を入力部６０等を介して行う。
次に、作業者は、画素ごとに相対蛍光強度を積算させる処理を入力部６０等を介して行う。
【0064】
＜５＞ マイクロ波周波数ｆＡ，ｆＢ，ｆＣ，ｆＤにおける画素ごとの相対蛍光強度の積算をＮ回（例：Ｎ＝１０）行う。
【0065】
＜６＞ 画素ごとに積算された相対蛍光強度の視野内の平均をとり、相対蛍光強度ＶＡ，ＶＢ，ＶＣ，ＶＤとし、下式（７）～（１０）によって、更新後マイクロ波周波数ｆＡｎｅｗ，ｆＢｎｅｗ，ｆＣｎｅｗ，ｆＤｎｅｗを算出させて設定する。
【0066】
【数7】
【数8】
【数9】
【数10】
【0067】
ただし、Ｓ，Ｋは、後述する定数とする。
【0068】
＜７＞ 上述した＜５＞，＜６＞をＭ回繰り返した時点での画素ごとの相対蛍光強度の積算値をファイルとしてメモリ６０２に記憶させる。そして、一旦画素ごとの積算値をクリア（初期化）し、＜５＞の処理に戻って再度積算を開始させる。
【0069】
ただし、マイクロ波周波数の初期化はせず、前サイクルの＜６＞で得られたｆＡｎｅｗ，ｆＢｎｅｗ，ｆＣｎｅｗ，ｆＤｎｅｗをｆＡ，ｆＢ，ｆＣ，ｆＤとして用いる。
【0070】
Ｍの値をいくつに設定するかは、どれくらいの鮮明さで、どれくらいの間隔で動態を計測するかによる。例えば、Ｍ＝３とする。
【0071】
＜８＞ 上述した＜５＞，＜６＞，＜７＞の処理を必要な観測時間（例えば、数日間）だけ繰り返し、それぞれの結果をメモリ６０２に記憶させる。
【0072】
＜データ補正処理＞
次に、作業者は、積算画像コマ撮り処理によってメモリ６０２に記憶させた結果を用いて、制御部６に画像処理を実行させる。
次に、作業者は、積算画像コマ撮り処理によってメモリ６０２に記憶させた結果を用いて、制御部６に画像処理を実行させる。
【0073】
＜９＞ 上述した＜７＞の処理で得られた結果を＜３＞の処理で得られた画素ごとのＯＤＭＲスペクトルにおける”谷”の深さで補正し、磁気強度の２次元分布を表す正しい磁気画像を出力部６２に出力させる。本処理は、リアルタイムでなくてもよい。また、得られた磁気画像を連続させるとコマ撮りされた動画となる。
【0074】
次に、上述した磁気計測装置１が行う処理について、具体的に説明する。
【0075】
図５は、マイクロ波発振器３０によるマイクロ波周波数の切替えタイミングを示すタイミングチャートである。図５（ａ）は、予め定められた周波数リストに応じて、マイクロ波発振器３０がマイクロ波周波数を切替えるタイミングを示すタイミングチャートである。図５（ｂ）は、図５（ａ）においてマイクロ波周波数がｆＢであるときの信号切替えタイミングを示すタイミングチャートである。
【0076】
磁気計測装置１は、上述した＜５＞，＜６＞の処理を行う場合、マイクロ波周波数ｆＡ，ｆＢ，ｆＣ，ｆＤを所定時間内に順次に切り替えつつ、画素ごとの相対蛍光強度の積算を行う。そして、磁気計測装置１は、視野内の積算結果の平均値をマイクロ波周波数に反映させるようにフィードバックを行い、マイクロ波周波数ｆＡ，ｆＢ，ｆＣ，ｆＤにおける視野内平均蛍光強度低下度が基準低下度ＶＴとなる動作点Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄを追随させる。
【0077】
マイクロ波発振器３０（図１）は、制御部６から予め受け入れた周波数リストに基づき、周波数更新信号３０８に同期して、マイクロ波周波数を変更させていくリスト掃引の機能を有する。まず、制御部６は、マイクロ波周波数ｆＡ，ｆＢ，ｆＣ，ｆＤを最初の周波数リスト更新時間にマイクロ波発振器３０へリスト掃引の周波数リストとして設定する。その後、マイクロ波発振器３０は、マイクロ波周波数ｆＡ，ｆＢ，ｆＣ，ｆＤのマイクロ波の生成をＮ回繰返す。
【0078】
図５（ｂ）にも示すように、周波数更新信号３０８の１サイクルは、マイクロ波オフ期間と、マイクロ波オン期間がそれぞれ５０％となっている（デューティ比５０％）。マイクロ波周波数切替タイミングは、マイクロ波オフ期間内に有り、マイクロ波オン期間内では安定なマイクロ波周波数が保たれるようにする。マイクロ波オフ期間及びマイクロ波オン期間は、それぞれイメージセンサ５の露光時間（例えば２０ｍｓ）と、読出し時間（例えば１７ｍｓ）を含む。
【0079】
マイクロ波周波数ｆＡ，ｆＢ，ｆＣ，ｆＤを切替える１サイクルの計測時間は、各マイクロ波周波数におけるマイクロ波オンでのイメージセンサ５の露光時間と読出し時間と、マイクロ波オフでのイメージセンサ５の露光時間と読出し時間との計８回の露光時間及び読出し時間を含む。露光時間が２０ｍｓであり、読出し時間が１７ｍｓである場合には、１サイクルの計測時間は２９６ｍｓである。
【0080】
磁気計測装置１が計測を実行しているときに、上述の１サイクルの時間よりも緩慢な温度変化が生じても、影響は上式（６）によってキャンセルされる。そして、磁気計測装置１は、マイクロ波周波数ｆＡ，ｆＢ，ｆＣ，ｆＤを切替えて１サイクルをＮ回繰返すことにより、マイクロ波周波数ｆＡ，ｆＢ，ｆＣ，ｆＤにおける相対蛍光強度を取得して蓄積する。
【0081】
その後、マイクロ波周波数ｆＡ，ｆＢ，ｆＣ，ｆＤにおける相対蛍光強度の視野内の平均がＶＡ，ＶＢ，ＶＣ，ＶＤとして求められる。
【0082】
一方、事前の測定により、視野内の平均のＯＤＭＲの基準低下度ＶＴが求められる。そして、実行済のＮ回の視野内の蛍光強度蓄積過程で繰返し使用されたマイクロ波周波数ｆＡ，ｆＢ，ｆＣ，ｆＤと、各マイクロ波周波数で得られた視野内の相対蛍光強度ＶＡ，ＶＢ，ＶＣ，ＶＤから、次のＮ回の反復におけるマイクロ波周波数ｆＡｎｅｗ，ｆＢｎｅｗ，ｆＣｎｅｗ，ｆＤｎｅｗの値が上式（７）～（１０）によって算出される。
【0083】
図６は、動作点としてのマイクロ波周波数ｆＡ，ｆＢ，ｆＣ，ｆＤでの視野内における相対蛍光強度が目標値となる基準低下度ＶＴからずれてしまった場合に、動作点を基準低下度ＶＴに対応する周波数に収束させる過程を概念的に示すグラフである。図６（ａ）は、低周波数側の”谷”におけるマイクロ波周波数ｆＡ，ｆＢにおける動作点を基準低下度ＶＴに対応する周波数に収束させる過程を概念的に示すグラフである。図６（ｂ）は、高周波数側の”谷”におけるマイクロ波周波数ｆＣ，ｆＤにおける動作点を基準低下度ＶＴに対応する周波数に収束させる過程を概念的に示すグラフである。
【0084】
ここで、Ｓは、傾斜の逆数の絶対値であり、ＯＤＭＲスペクトル上の動作点での接線が、ＯＤＭＲスペクトルのピークと谷底の高さの水平線と交叉する周波数位置の差として定義する。Ｋは、収束調整用の定数であり、ｆ及びＳをＭＨｚ単位とする。また、相対蛍光強度最低値が図４のように０．９５程度である場合には、Ｋは例えば１００とする。ＭＨｚ単位でのＳは、３６００であった。
【0085】
そして、マイクロ波周波数ｆＡｎｅｗ，ｆＢｎｅｗ，ｆＣｎｅｗ，ｆＤｎｅｗは、次の周波数リスト更新時間において、マイクロ波発振器３０に設定される。その周波数リスト更新時間の後、マイクロ波発振器３０は、マイクロ波周波数ｆＡｎｅｗ，ｆＢｎｅｗ，ｆＣｎｅｗ，ｆＤｎｅｗの系列をＮ回反復する。
【0086】
このように、図６は、ＶＡ－ＶＴ，ＶＢ－ＶＴ，ＶＣ－ＶＴ，ＶＤ－ＶＴがゼロでない場合のマイクロ波周波数ｆＡ、ｆＢ、ｆＣ、ｆＤからマイクロ波周波数ｆＡｎｅｗ，ｆＢｎｅｗ，ｆＣｎｅｗ，ｆＤｎｅｗへの周波数更新の過程を示している。そして、マイクロ波周波数ｆＡｎｅｗ，ｆＢｎｅｗ，ｆＣｎｅｗ，ｆＤｎｅｗは、マイクロ波周波数ｆＡ、ｆＢ、ｆＣ、ｆＤよりもターゲットとする動作点Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄに近付き、＜５＞，＜６＞の手順が反復されることによって動作点Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄに収束する。
【0087】
次に、＜７＞の処理よる画素ごとの相対蛍光強度の積算値から、＜９＞の処理による画素ごとのＯＤＭＲスペクトルにおける”谷”の深さの補正によって、磁気画像を得る過程について詳述する。
【0088】
図７は、相対蛍光強度の分布から磁場分布を算出する過程で行われる処理を概念的に示すグラフである。
【0089】
ダイヤモンド基板２における磁場Ｂｚは、外部静磁場Ｂ０と、外部静磁場Ｂ０により磁化された磁性粒子２２による局所的な磁場ΔＢｚとからなる。ここで、Ｂｚ、Ｂ０、ΔＢｚは、下式（１１）の関係がある。
【0090】
【数11】
【0091】
磁性粒子２２がダイヤモンド基板２上に疎に撒布されている場合、視野内の平均のＢｚは、略Ｂ０に等しい。このため、視野内の平均ＯＤＭＲスペクトルに対し、上式（６）で得られるＢｚはＢ０となる。
【0092】
そして、各画素におけるＯＤＭＲスペクトルの視野内の平均ＯＤＭＲスペクトルからの変化分がΔＢｚを反映することになる。基準低下度ＶＴは、マイクロ波周波数ｆＡ，ｆＢ，ｆＣ，ｆＤにおける視野内の平均のＯＤＭＲスペクトルであるので、ＦｉＡ，ＦｉＢ，ＦｉＣ，ＦｉＤは、第ｉ番目の画素におけるマイクロ波周波数ｆＡ，ｆＢ，ｆＣ，ｆＤでの相対蛍光強度の基準低下度ＶＴからの変化分とする。
【0093】
第ｉ番目の画素におけるΔＢｚをΔＢｚｉとすると、図７に示すようにΔＢｚｉ＞０である場合には、ＦｉＡ＜０，ＦｉＢ＞０，ＦｉＣ＞０，ＦｉＤ＜０となる。視野内でＯＤＭＲスペクトルの”谷”の深さにばらつきが無い場合には、ΔＢｚｉは、下式（１２）によって表される。
【0094】
【数12】
【0095】
しかし、一般には、画素ごとにＯＤＭＲスペクトルの”谷”の深さにばらつきが生じ得る。また、低周波側の”谷”の深さと、高周波側の”谷”の深さにも差異を生じ得る。これは、＜２＞の処理において視野内の平均としては２つの”谷”の深さをそろえてはいるものの、全ての画素で２つの”谷”の深さが同時にそろうとは限らないからである。
【0096】
視野内の平均での”谷”の深さをＰａｖｅとし、第ｉ番目の画素の低周波側の”谷”の深さをＰｉｌ、第ｉ番目の画素の高周波側の”谷”の深さをＰｉｈとすると、ΔＢｚｉは、下式（１３）によって表される。
【0097】
【数13】
【0098】
図８は、磁気計測装置１が出力する画像例を示す図である。図８（ａ）は、明視野画像を示す図である。図８（ｂ）は、視野において比較的短時間に積算した磁気画像を示す図である。図８（ｃ）は、視野において比較的長時間に積算した磁気画像を示す図である。
【0099】
図８における画像は、１．６×１０１６／ｃｍ３のＮＶ－濃度、（１１１）方位への配向率１００％、ＮＶ層の厚さｔｄ＝３．５μｍ、外部静磁場１．３ｍＴ、磁性粒子２２の直径が１μｍである場合の画像である。制御部６は、図８に示した画像から、磁気画像としての輝点のピークが平均２．４μＴとなることを演算により取得している。
【0100】
この２．４μＴの実測値を以下のようにシミュレーション値と照合する。
【0101】
磁性粒子２２により生じる磁場は、ほぼ距離の３乗で急激に減少するため、磁性粒子２２周辺のＮＶセンタから発生する蛍光の画像への影響を詳細に検討する。ここでは、Ａｂｂｅの回折限界も考慮してシミュレーションを行う。
【0102】
図９は、磁性粒子２２周辺のＮＶセンタから発生する蛍光の画像への影響をシミュレーションするためのモデルを示す図である。磁気計測装置１では、例えば６０倍のＮＡ＝１．３０、ＷＤ＝０．３０ｍｍの対物レンズ４２により、０．３０ｍｍの厚さの基板を介して裏面からダイヤモンド基板２の表面を観察している。
【0103】
ここでは、半径ａ＝０．５μｍの磁性体球（磁性粒子２２）がダイヤモンド基板２の表面からｈの高さで離れた位置にあるとする。（Ｒ、Θ）の座標軸は、ダイヤモンド基板２の表面にとる。ｚ軸は、ダイヤモンド基板２に面直するようにとる。顕微鏡（撮像）の焦点は、ダイヤモンド基板２の表面に合せる。
【0104】
このとき、ダイヤモンド基板２の（Ｒ，Θ，０）座標が投影されるイメージセンサ５の画素で検出される蛍光Ｉ（Ｒ，Θ）に対しては、ある円錐体内で発生する蛍光全体を考慮する必要がある。
【0105】
円錐体の頂点は（Ｒ，Θ，－ｌ（エル））であり、頂角はａｒｃｓｉｎ（ＮＡ／ｎｄ）である。円錐体の高さは（ｔｄ＋ｌ（エル））である。ここで、ｌ（エル）は、Ａｂｂｅの回折限界であり、ＮＶセンタの蛍光の場合、０．３４μｍである。
【0106】
ＮＡは、対物レンズの開口数（Numerical Aperture）である。ｎｄは、ダイヤモンドの屈折率である。
【0107】
円錐体内の座標（ｒ，θ，ｚ）で発生した蛍光は、Ｒ２＋ｒ２－２ｒＲｃｏｓ（Θ－θ）及びｚに依存する確率分布を持って画素に到達する。まず、円錐体内のＮＶセンタの蛍光に影響を与える座標（ｒ，θ，ｚ）における磁場Ｂｚ（ｒ，θ，ｚ）を求める。
【0108】
一様な外部磁場Ｂｚ中にある磁性体球の磁化Ｍｚは、下式（１４）によって表される。
【0109】
【数14】
【0110】
ここで使用した磁性粒子２２の磁化率χは文献値より０．８とした。一様に磁化された磁性体球が生成する磁場は、球の中心に全磁気モーメントが存在する場合の磁場に等しい。図８の計測では、ＮＶ軸は、全てｚ軸に平行としているので、蛍光強度に影響する磁性粒子２２による磁場としては、磁場のｚ成分のΔＢｚのみを考える。
【0111】
ΔＢｚは、下式（１５）によって表される。
【数15】
【0112】
Ｉ（Ｒ，Θ）は、下式（１６）によって表される。
【数16】
【0113】
ここで、Ｆ（ｒ，θ，ｚ）は、座標（ｒ，θ，ｚ）で発生する蛍光強度、σ２は、下式（１７）によって表される。
【数17】
【0114】
このため、深さが深い方がより広い範囲の蛍光に対応する。Ｆ（ｒ，θ，ｚ）は、１４Ｎ核スピンによるハイパーファイン準位を考慮しなくてよい場合には、ローレンツ曲線によって下式（１８）、（１９）、（２０）によって表される。
【0115】
【数18】
【数19】
【数20】
【0116】
ここで、γは磁気回転比２８．０７［ＭＨｚ／ｍＴ］、τはＮＶセンタの電子スピンコヒーレンス時間、１４Ｎ核スピンによるハイパーファイン準位を考慮すると、下式（２１）、（２２）が得られる。
【0117】
【数21】
【数22】
【0118】
ＯＤＭＲスペクトルの視野内の平均値から得られたΔｆ０＝－０．３ＭＨｚ，Ｂ０＝１．３１ｍＴ，τ＝８２ｎｓを上式に適用した場合、ｈ＝１．０μｍとすると、図１０に示したように、実測値とシミュレーション値とが最もよく整合することが分かった。
【0119】
原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）によってダイヤモンド基板２の表面凹凸を計測した場合、表面凹凸は２０～５０ｎｍであった。しかし、磁気画像の実測値とシミュレーション値の照合では、磁性粒子２２とダイヤモンド基板２との距離が１μｍ程度存在するように見えることの原因として、磁性粒子２２とダイヤモンド基板２の間隙に何らかの被膜が生じている等の可能性が考えられる。
【0120】
ＮＶ層の密度が一定である場合、ＮＶ層の厚さにより、ＯＤＭＲスペクトルの変化として検出される磁性粒子２２直下の磁場強度変化を図９に示したモデルによるシミュレーションにより調べた。
【0121】
【0122】
磁場強度分布ピーク値は、ＮＶ層厚ｔｄが薄いほど大きくなる。一方、蛍光強度はＮＶ層厚ｔｄに比例するので、ショットノイズはＮＶ層厚ｔｄが薄いほど相対的に大きくなる。ショットノイズの大きさは、図８（ｂ）と（ｃ）の画素ごとの差分の標準偏差と、（ｂ）の取得に要した露光時間とから算出される。
【0123】
また、図１２の破線は、算出された画素あたりのショットノイズと磁場強度分布ピーク値とのＳＮＲ（信号対雑音比）を示している。図１２の破線上に▽印で示したように、ＮＶ層厚ｔｄ＝０．９μｍの時にＳＮＲは最大となる。しかし、ＮＶ層厚ｔｄ＞０．９μｍでのＳＮＲの低下は緩慢であり、ＮＶ層厚ｔｄ＝０．９μｍから１．０μｍまでのＳＮＲの低下はわずか（－０．３％）であるため、ＮＶ層厚ｔｄが１．０μｍであっても略最良であると言える。
【0124】
ここで、ショットノイズの絶対値は画素のビニング或いは積算時間で低下するが、低下の仕方はＮＶ層厚ｔｄには寄らずに一様である。このため、ＳＮＲとして最良であるＮＶ層厚ｔｄの値に変化は無い。
【0125】
以上より、ＮＶ層の密度が一定の場合、半径ａの磁性粒子２２の検出に最良なＮＶ層の厚さは２ａ（磁性粒子２２の直径）程度であると言える。
【0126】
次に、磁気計測装置１を用いて磁気を計測する実施例について説明する。
【0127】
磁気計測装置１は、例えばディッシュ内に培養されている生きた動く細胞に磁性粒子２２を付着させ、磁性粒子２２による磁気の変化を検出することにより、長時間に亘って動く細胞の動作を追跡することを可能にしている。
【0128】
図１３は、生きた動く細胞８に対して磁性粒子２２を付着させる方法を模式的に示す図である。図１３に示すように、磁性粒子２２は、超常磁性を示す複数の超常磁性粒子２２０がポリマー２２２で被覆されている直径が例えば約１μｍの球状粒子である。磁性粒子２２は、細胞８に対して例えば抗原抗体反応によって結合される。
【0129】
この場合にも、磁気計測装置１は、光源部４が照射する励起光をダイヤモンド基板２に対してのみ照射し、ダイヤモンド基板２に載せられる細胞や磁性粒子２２に対しては励起光を照射しないでよい。よって、細胞８は、光による障害が生じず、長時間に亘って観察され得る。また、磁気計測装置１は、マイクロ波周波数を更新しつつ磁気を計測することができるので、時間経過による温度変動の影響も低減することができる。
【0130】
このように、実施形態に係る磁気計測装置１によれば、ダイヤモンド基板が高純度でなく、ＮＶセンタの密度及び電子スピンコヒーレンス時間に不均一性があっても、高感度で磁気を計測することができる。
【符号の説明】
【0131】
１・・・磁気計測装置、２・・・ダイヤモンド基板、２０・・・静磁場印加部、２２・・・磁性粒子、２２０・・・超常磁性粒子、２２２・・・ポリマー、３・・・マイクロ波照射部、３０・・・マイクロ波発振器、３００・・・パルス生成部、３０２・・・マイクロ波生成部、３０４・・・増幅部、３０６・・・パルス変調信号、３０８・・・周波数更新信号、３１０・・・掃引開始信号、３２・・・フェーズシフタ、３２０・・・分岐点、３２２・・・粗調部、３２４・・・微調部、３４・・・マイクロ波コイル基板、３４０・・・マイクロ波コイル、４・・・光源部、４０・・・ダイクロイックミラー、４２・・・対物レンズ、４４・・・集光レンズ、５・・・イメージセンサ、６・・・制御部、６０・・・入力部、６２・・・出力部、６００・・・ＣＰＵ、６０２・・・メモリ、７・・・プログラム、７０・・・決定部、７１・・・設定部、７２・・・周波数補正部、７３・・・周波数更新部、８・・・細胞
【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】