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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】2025-01-08
(45)【発行日】2025-01-17
(54)【発明の名称】核磁気共鳴センシング装置および核磁気共鳴センシング方法
(51)【国際特許分類】
G01N 24/00 20060101AFI20250109BHJP
【ＦＩ】
G01N24/00 580
G01N24/00 P
【請求項の数】
7
(21)【出願番号】P 2023562138
(86)(22)【出願日】2022-08-12
(86)【国際出願番号】 JP2022030783
(87)【国際公開番号】W WO2023089883
(87)【国際公開日】2023-05-25
【審査請求日】2024-03-19
(31)【優先権主張番号】P 2021188930
(32)【優先日】2021-11-19
(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）平成３０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 共創の場形成支援（産学共創プラットフォーム共同研究推進プログラム）、「超スマート社会実現のカギを握る革新的半導体技術を基盤としたエネルギーイノベーションの創出に関する国立大学法人京都大学による研究開発」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
(73)【特許権者】
【識別番号】000107804
【氏名又は名称】スミダコーポレーション株式会社
(73)【特許権者】
【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】大木 出
(72)【発明者】
【氏名】水落 憲和
(72)【発明者】
【氏名】芳井 義治
(72)【発明者】
【氏名】金子 卓樹
(72)【発明者】
【氏名】佐光 暁史
【審査官】嶋田 行志
(56)【参考文献】
【文献】特開２００６－０１７４８６（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１６－０２４１１０（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０２０－１４６１５０（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開平１０－０９９２９１（ＪＰ，Ａ）
【文献】特表平０７－５０２５９３（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１４－１３８６９９（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１３－１０６９５０（ＪＰ，Ａ）
【文献】実開平０１－１３０７０８（ＪＰ，Ｕ）
【文献】特開２００９－２７３８８９（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開平０９－２６６８９７（ＪＰ，Ａ）
【文献】米国特許第０４６７７３８２（ＵＳ，Ａ）
【文献】米国特許出願公開第２０２０／０２２５３７８（ＵＳ，Ａ１）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｇ０１Ｎ ２４／００－Ｇ０１Ｎ ２４／１４
Ｇ０１Ｒ ３３／００－Ｇ０１Ｒ ３３／６４
Ａ６１Ｂ ５／０５５
Ｇ０１Ｎ ２２／００－Ｇ０１Ｎ２２／０４
ＪＳＴＰｌｕｓ／ＪＭＥＤＰｌｕｓ／ＪＳＴ７５８０（ＪＤｒｅａｍＩＩＩ）
ＰｕｂＭｅｄ
ＩＥＥＥ Ｘｐｌｏｒｅ
Ｗｉｌｅｙ Ｏｎｌｉｎｅ Ｌｉｂｒａｒｙ
ＡＣＳ ＰＵＢＬＩＣＡＴＩＯＮＳ
ＡＰＳ Ｊｏｕｎｒｎａｌｓ
Ｎａｔｕｒｅ
ＳＣＩＥＮＣＥ
Ｓｃｉｔａｔｉｏｎ
Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｄｉｒｅｃｔ
ＳＰＩＥ Ｄｉｇｉｔａｌ Ｌｉｂｒａｒｙ
ＫＡＫＥＮ
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
ＲＦ信号に基づく高周波磁場を対象物体に印加し、前記ＲＦ信号の周波数から核磁気共鳴信号の周波数だけシフトした周波数の観測信号を生成する核磁気共鳴センシング部と、前記観測信号の中間周波復調を実行して、前記核磁気共鳴信号を含む中間周波復調信号を生成するミキサ部と、
前記中間周波復調信号のうち、前記中間周波復調の中間周波数より高い周波数成分を減衰させ、前記核磁気共鳴信号の周波数成分を透過するローパスフィルタと、
前記ローパスフィルタを透過した前記中間周波復調信号をデジタイズするデジタイズ装置とを備え、
前記デジタイズ装置は、前記ローパスフィルタを透過した前記中間周波復調信号に対応する磁場または電場を発生する物理場発生装置と、前記磁場または前記電場に対応する光をセンシング部材で発生し、前記光を光電素子で、センサ信号としての電気信号に変換する光学的量子センサ部と、前記センサ信号をデジタイズするアナログ／デジタル変換器とを備え、
前記光学的量子センサ部は、前記センシング部材に対して量子操作を行って、前記磁場または前記電場に対応する前記光を前記センシング部材に発生させること、
を特徴とする核磁気共鳴センシング装置。
【請求項2】
ＲＦベース信号および中間周波ベース信号を生成するベース信号生成装置と、前記ＲＦベース信号および前記中間周波ベース信号を混合して前記ＲＦ信号を生成する送信系ミキサ部とをさらに備え、
前記ミキサ部は、前記ＲＦベース信号で前記観測信号の中間周波復調を実行して、前記核磁気共鳴信号を含む中間周波復調信号を生成し、
前記光学的量子センサ部は、前記中間周波ベース信号を同期信号として使用して、前記同期信号に従って定期的に繰り返し、前記センシング部材に対して量子操作を行って前記磁場または前記電場に対応する前記光を前記センシング部材に発生させること、
を特徴とする請求項１記載の核磁気共鳴センシング装置。
【請求項3】
前記核磁気共鳴センシング部と前記デジタイズ装置との間に増幅回路およびバッファのいずれも備えていないことを特徴とする請求項１または請求項２記載の核磁気共鳴センシング装置。
【請求項4】
前記光学的量子センサ部は、前記センサ信号のレベルが前記アナログ／デジタル変換器のノイズフロアを超えるように、前記光を前記センシング部材に発生させることを特徴とする請求項１から請求項３のうちのいずれか１項記載の核磁気共鳴センシング装置。
【請求項5】
前記光電素子と前記アナログ／デジタル変換器との間に、前記センサ信号を増加する増幅回路を備えていないことを特徴とする請求項１から請求項３のうちのいずれか１項記載の核磁気共鳴センシング装置。
【請求項6】
前記光学的量子センサ部は、光検出磁気共鳴測定法または光ポンピング原子磁力測定法に従って、前記センシング部材に対して量子操作を行って、前記磁場または前記電場に対応する前記光を前記センシング部材に発生させることを特徴とする請求項１から請求項３のうちのいずれか１項記載の核磁気共鳴センシング装置。
【請求項7】
ＲＦ信号に基づく高周波磁場を対象物体に印加し、前記ＲＦ信号の周波数から核磁気共鳴信号の周波数だけシフトした周波数の観測信号を生成するステップと、前記観測信号の中間周波復調を実行して、前記核磁気共鳴信号を含む中間周波復調信号を生成するステップと、
ローパスフィルタで、前記中間周波復調信号のうち、前記中間周波復調の中間周波数より高い周波数成分を減衰させ、前記核磁気共鳴信号の周波数成分を透過するステップと、
デジタイズ装置で、前記ローパスフィルタを透過した前記中間周波復調信号をデジタイズするデジタイズステップとを備え、
前記デジタイズステップでは、（ａ）前記ローパスフィルタを透過した前記中間周波復調信号に対応する磁場または電場を発生し、（ｂ）前記磁場または前記電場に対応する光をセンシング部材で発生し、（ｃ）前記光を光電素子で、センサ信号としての電気信号に変換し、（ｄ）アナログ／デジタル変換器で前記センサ信号をデジタイズし、
前記デジタイズステップでは、前記センシング部材に対して量子操作を行って、前記磁場または前記電場に対応する前記光を前記センシング部材に発生させること、
を特徴とする核磁気共鳴センシング方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、核磁気共鳴センシング装置および核磁気共鳴センシング方法に関するものである。
【背景技術】
【0002】
図１０は、核磁気共鳴を利用した測定装置の一例を示すブロック図である。例えば図１０に示すように、核磁気共鳴を利用した測定装置は、一般的に、（ａ）測定対象３０１に対して、高周波コイル３１１で歳差運動の周波数に近い周波数を有するＲＦ（Radio Frequency）信号に基づく高周波磁場を印加することで核磁化を共鳴させ、（ｂ）その共鳴した核磁化を受信コイル３１２で検出し、核磁気共鳴（ＮＭＲ）信号を含む観測信号を生成し、（ｃ）その観測信号をローノイズアンプ（ＬＮＡ）などといったプリアンプ３１３，３１４で増幅し、（ｄ）増幅後の観測信号を検波器で検波しＮＭＲ信号を抽出している。
【0003】
また、一般的に、そのような観測信号やＮＭＲ信号は、アナログ／デジタル変換回路３１５で、アナログ信号からデジタル信号へ変換され、デジタル信号として、後段の演算処理装置に供給される（例えば特許文献１，２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【文献】特開２００８－０３９６４１号公報
【文献】特開２０１１－１０１７７６号公報
【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、上述の装置では、観測信号を増幅するために、プリアンプなどといった増幅回路が設けられているため、増幅回路に固有なノイズが観測信号やＮＭＲ信号に重畳してしまう。このため、増幅回路のノイズフロアの同程度もしくはそれより低いレベルのＮＭＲ信号はノイズに埋もれてしまい、そのような低いレベルのＮＭＲ信号を精度良く検出することは困難である。
【0006】
本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、低レベルのＮＭＲ信号を精度良く検出し分解能の高い核磁気共鳴センシング装置および核磁気共鳴センシング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】
本発明に係る核磁気共鳴センシング装置は、ＲＦ信号を対象物体に印加し、そのＲＦ信号の周波数から核磁気共鳴信号の周波数だけシフトした周波数の観測信号を生成する核磁気共鳴センシング部と、観測信号の中間周波復調を実行して、核磁気共鳴信号を含む中間周波復調信号を生成するミキサ部と、中間周波復調信号のうち、中間周波復調で得られる２つの帯域成分のうちの高周波帯域成分を減衰させ、その２つの帯域成分のうちの低周波帯域成分を透過するローパスフィルタと、ローパスフィルタを透過した中間周波復調信号をデジタイズするデジタイズ装置とを備える。デジタイズ装置は、ローパスフィルタを透過した中間周波復調信号に対応する磁場または電場を発生する物理場発生装置と、その磁場または電場に対応する光をセンシング部材で発生し、その光を光電素子で、センサ信号としての電気信号に変換する光学的量子センサ部と、センサ信号をデジタイズするアナログ／デジタル変換器とを備え、光学的量子センサ部は、上述のセンシング部材に対して量子操作を行って、上述の磁場または電場に対応する光をセンシング部材に発生させる。
【0008】
本発明に係る核磁気共鳴センシング装置は、ＲＦ信号に基づく高周波磁場を対象物体に印加し、そのＲＦ信号の周波数から核磁気共鳴信号の周波数だけシフトした周波数の観測信号を生成する核磁気共鳴センシング部と、その観測信号の中間周波復調を実行して、核磁気共鳴信号を含む中間周波復調信号を生成するミキサ部と、その中間周波復調信号のうち、その中間周波復調の中間周波数より高い周波数成分を減衰させ、核磁気共鳴信号の周波数成分を透過するローパスフィルタと、そのローパスフィルタを透過した中間周波復調信号に対して直交位相検波を行い核磁気共鳴信号の復調信号および被復調信号を生成するアナログ直交位相検波回路と、その復調信号および被復調信号をデジタイズするデジタイズ装置とを備える。そして、デジタイズ装置は、上述の復調信号に対応する磁場または電場を発生する第１物理場発生装置と、上述の被復調信号に対応する磁場または電場を発生する第２物理場発生装置と、第１物理場発生装置により発生させた磁場または電場に対応する光を第１センシング部材で発生し、第１センシング部材により発生させた光を第１光電素子で、第１センサ信号としての電気信号に変換する第１光学的量子センサ部と、第２物理場発生装置により発生させた磁場または電場に対応する光を第２センシング部材で発生し、第２センシング部材により発生させた光を第２光電素子で、第２センサ信号としての電気信号に変換する第２光学的量子センサ部と、第１センサ信号をデジタイズする第１アナログ／デジタル変換器と、第２センサ信号をデジタイズする第２アナログ／デジタル変換器とを備える。第１光学的量子センサ部および前記第２光学的量子センサ部は、それぞれ、第１および第２センシング部材に対して量子操作を行って、上述の磁場または電場に対応する光を第１および第２センシング部材に発生させる。
【0009】
本発明に係る核磁気共鳴センシング方法は、ＲＦ信号を対象物体に印加し、そのＲＦ信号の周波数から核磁気共鳴信号の周波数だけシフトした周波数の観測信号を生成するステップと、観測信号の中間周波復調を実行して、核磁気共鳴信号を含む中間周波復調信号を生成するステップと、ローパスフィルタで、中間周波復調信号のうち、中間周波復調で得られる２つの帯域成分のうちの高周波帯域成分を減衰させ、その２つの帯域成分のうちの低周波帯域成分を透過するステップと、デジタイズ装置で、ローパスフィルタを透過した中間周波復調信号をデジタイズするデジタイズステップとを備える。デジタイズステップでは、（ａ）ローパスフィルタを透過した中間周波復調信号に対応する磁場または電場を発生し、（ｂ）その磁場または電場に対応する光をセンシング部材で発生し、（ｃ）その光を光電素子で、センサ信号としての電気信号に変換し、（ｄ）アナログ／デジタル変換器でセンサ信号をデジタイズする。そのデジタイズステップでは、上述のセンシング部材に対して量子操作を行って、上述の磁場または電場に対応する光を前記センシング部材に発生させる。
【0010】
本発明に係る核磁気共鳴センシング方法は、ＲＦ信号に基づく高周波磁場を対象物体に印加し、そのＲＦ信号の周波数から核磁気共鳴信号の周波数だけシフトした周波数の観測信号を生成するステップと、その観測信号の中間周波復調を実行して、核磁気共鳴信号を含む中間周波復調信号を生成するステップと、ローパスフィルタで、その中間周波復調信号のうち、その中間周波復調の中間周波数より高い周波数成分を減衰させ、核磁気共鳴信号の周波数成分を透過するステップと、アナログ回路で、ローパスフィルタを透過した中間周波復調信号に対して直交位相検波を行い核磁気共鳴信号の復調信号および被復調信号を生成するステップと、その復調信号および被復調信号をデジタイズするデジタイズステップとを備える。そして、デジタイズステップでは、（ａ１）上述の復調信号に対応する磁場または電場を発生し、（ａ２）上述の被復調信号に対応する磁場または電場を発生し、（ｂ１）上述の復調信号に対応する磁場または電場に対応する光を第１センシング部材で発生し、第１センシング部材により発生させた光を光電素子で、第１センサ信号としての電気信号に変換し、（ｂ２）上述の被復調信号に対応する磁場または電場に対応する光を第２センシング部材で発生し、第２センシング部材により発生させた光を光電素子で、第２センサ信号としての電気信号に変換し、（ｃ１）第１センサ信号をデジタイズし、（ｃ２）第２センサ信号をデジタイズする。デジタイズステップでは、第１および第２センシング部材に対して量子操作をそれぞれ行って、上述の復調信号および被復調信号に対応する磁場または電場に対応する光を第１および第２センシング部材にそれぞれ発生させる。
【発明の効果】
【0011】
本発明によれば、低レベルのＮＭＲ信号を精度良く検出し分解能の高い核磁気共鳴センシング装置および核磁気共鳴センシング方法が得られる。
【図面の簡単な説明】
【0012】
【発明を実施するための形態】
【0013】
以下、図に基づいて本発明の実施の形態を説明する。
【0014】
実施の形態１．
【0015】
図１は、本発明の実施の形態１に係る核磁気共鳴センシング装置の構成を示すブロック図である。この核磁気共鳴センシング装置は、対象物体の分子構造解析、イメージングなどに使用される。
【0016】
図１に示す核磁気共鳴センシング装置は、核磁気共鳴センシング部１、ベース信号生成装置２、ミキサ部３、スイッチング部４、マッチング・チューニング回路５、ミキサ部６、およびローパスフィルタ７を備える。
【0017】
核磁気共鳴センシング部１は、後述のＲＦ信号を対象物体に印加し、そのＲＦ信号の周波数ｆＲＦから核磁気共鳴（ＮＭＲ）信号の周波数ｆＮＭＲだけシフトした周波数（ｆＲＦ＋ｆＮＭＲ）の観測信号（アナログ電気信号）を生成する。
【0018】
具体的には、核磁気共鳴センシング部１は、コイル１１、および磁石部１２を備える。コイル１１は、対象物体１０１に対して、ＲＦ信号に基づく高周波磁場を印加し、対象物体１０１における核磁化の運動に基づく磁場変化を感受して観測信号を出力する。磁石部１２は、永久磁石や電磁石であって、対象物体１０１に対して静磁場や傾斜磁場を印加する。この観測信号は、ＮＭＲ信号を含み、周波数ｆＮＭＲとＲＦ信号周波数ｆＲＦとの和の周波数（ｆＲＦ＋ｆＮＭＲ）を有する。
【0019】
ベース信号生成装置２は、単一の中間周波数ｆＩＦを有する中間周波（ＩＦ）ベース信号、およびＲＦ帯域の周波数ｆＲＦと中間周波数ｆＩＦとの和である単一の周波数を有するＲＦベース信号を生成し出力する。
【0020】
ミキサ部３は、ＲＦベース信号およびＩＦベース信号を混合し、周波数ｆＲＦを有するＲＦ信号を生成する。なお、ミキサ部３は、ＳＳＢ（Single Side Band）変調を行っており、混合で得られる２つの周波数成分（ｆＲＦ＋２ｆＩＦ），ｆＲＦのうち、周波数（ｆＲＦ＋２ｆＩＦ）の成分を出力せずに、周波数ｆＲＦのＲＦ信号のみを出力する。
【0021】
例えば、ミキサ部３は、ダイオードと位相分配器とからなるＤＢＭ（Double Balanced Mixer）である。
【0022】
スイッチング部４は、核磁気共鳴センシング部１側（マッチング・チューニング回路５を介した核磁気共鳴センシング部）の接続先を、ＲＦ信号の送信系（ベース信号生成装置２およびミキサ部３）および観測信号の受信系（ベース信号生成装置２、ミキサ部６、およびローパスフィルタ７）の一方から他方へ切り替える。具体的には、スイッチング部４は、ＲＦ信号の送信時には、その送信系を核磁気共鳴センシング部１側に電気的に接続し、観測信号の受信時には、その受信系を核磁気共鳴センシング部１側に電気的に接続する。
【0023】
マッチング・チューニング回路５は、核磁気共鳴センシング部１でのＲＦ信号の反射を抑制するようにインピーダンスマッチングとともに、ＮＭＲ信号のレベルが良好になるように周波数チューニングを行う回路である。
【0024】
ミキサ部６は、観測信号およびＲＦベース信号を混合し、中間周波（ＩＦ）復調を行い、２つの周波数成分（２ｆＲＦ＋ｆＩＦ＋ｆＮＭＲ），（ｆＩＦ－ｆＮＭＲ）を有する中間周波（ＩＦ）復調信号を生成し出力する。
【0025】
例えば、ミキサ部６は、ダイオードと位相分配器とからなるＤＢＭであり、トランジスタなどの能動素子を含まない。
【0026】
ローパスフィルタ７は、上述のＩＦ復調信号のうち、ミキサ部６のＩＦ復調で得られる２つの帯域成分（２ｆＲＦ＋ｆＩＦ＋ｆＮＭＲ），（ｆＩＦ－ｆＮＭＲ）のうちの高周波帯域成分（２ｆＲＦ＋ｆＩＦ＋ｆＮＭＲ）を減衰させ、その２つの帯域成分のうちの低周波帯域成分（ｆＩＦ－ｆＮＭＲ）を透過するフィルタである。なお、ローパスフィルタ７は、コンデンサ、インダクタ、抵抗などの受動素子のみで構成されるアナログフィルタである。
【0027】
さらに、図１に示す核磁気共鳴センシング装置は、デジタイズ装置２１および制御装置２２を備える。
【0028】
デジタイズ装置２１は、ローパスフィルタ７から出力されるＩＦ復調信号（周波数成分（ｆＩＦ－ｆＮＭＲ））をアナログ信号からデジタル信号へ変換する。
【0029】
制御装置２２は、制御プログラムに従って動作するコンピュータを備え、そのコンピュータは、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）などを備え、制御プログラムをＲＡＭにロードしてＣＰＵで実行することで、後述の動作を実行する。具体的には、制御装置２２は、核磁気共鳴センシング部１およびスイッチング部４を制御して、核磁気共鳴センシング部１に、上述の高周波磁場を印加させ、上述の観測信号を出力させる。さらに、制御装置２２は、デジタル信号としてのＩＦ復調信号（周波数成分（ｆＩＦ－ｆＮＭＲ））をデジタイズ装置２１から入力され、所定の信号処理（周波数成分ｆＮＭＲの抽出など）を行って、そのＩＦ復調信号（周波数成分（ｆＩＦ－ｆＮＭＲ））から、周波数ｆＮＭＲの成分（つまり、ＮＭＲ信号）を抽出する。
【0030】
例えば、ｆＩＦは、ｆＮＭＲの１０００倍以上の周波数であり、ｆＲＦは、ｆＩＦの１０倍以上の周波数である。例えば、ｆＮＭＲ＝１ｋＨｚの場合、ｆＲＦ＝４３ＭＨｚ、ｆＩＦ＝１ＭＨｚとされる。
【0031】
図２は、図１におけるデジタイズ装置２１の構成を示すブロック図である。図１に示すデジタイズ装置は、物理場発生装置４１と、光学的量子センサ部４２と、アナログ／デジタル変換器（Ａ／Ｄ変換器，ＡＤＣ）４３とを備える。
【0032】
物理場発生装置４１は、物理場発生装置４１の入力端子４１ａを介して入力される入力信号（つまり、アナログのＩＦ復調信号）に対応する磁場を発生する。例えば、物理場発生装置４１は、導電性のコイルや配線でその磁場を発生する。
【0033】
光学的量子センサ部４２は、センサ本体５１と光電素子５２とを備え、センサ本体５１において、物理場発生装置４１で発生した磁場に対応する光（観測光）をセンシング部材で発生し、光電素子５２によって、その光をセンサ信号としての電気信号に変換する。光電素子５２は、フォトダイオードやフォトトランジスターなどであって、入射する観測光の強度に対応するセンサ信号を生成する。
【0034】
具体的には、光学的量子センサ部４２（具体的にはセンサ本体５１）は、センシング部材に対して量子操作（ここでは、マイクロ波とレーザ光による量子操作）を行って、物理場発生装置４１で発生した磁場に対応する光をセンシング部材に発生させる。
【0035】
実施の形態１では、光学的量子センサ部４２（具体的にはセンサ本体５１）は、光検出磁気共鳴測定法（ＯＤＭＲ）に従って、センシング部材に対して量子操作を行って、上述の観測光をセンシング部材に発生させる。
【0036】
図３は、実施の形態１に係るデジタイズ装置におけるセンサ本体５１の構成を示す図である。実施の形態１では、ＯＤＭＲのために、例えば図３に示すように、センサ本体５１は、センシング部材としての磁気共鳴部材６１、高周波磁場発生器６２、および磁石６３、高周波電源６４、発光装置６５、およびコントローラ６６を備える。
【0037】
磁気共鳴部材６１は、結晶構造を有し、物理場発生装置４１で発生した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、上述の磁場内に、磁気共鳴部材６１が配置される。
【0038】
この実施の形態では、磁気共鳴部材６１は、複数（つまり、アンサンブル）の特定カラーセンタ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は、ゼーマン分裂可能なエネルギ準位を有し、かつ、ゼーマン分裂時のエネルギ準位のシフト幅が互いに異なる複数の向きを取り得る。
【0039】
ここでは、磁気共鳴部材６１は、単一種別の特定カラーセンタとして複数のＮＶ（Nitrogen Vacancy）センタを含むダイヤモンドなどの部材である。ＮＶセンタの場合、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。
【0040】
なお、磁気共鳴部材６１に含まれるカラーセンタは、ＮＶセンタ以外のカラーセンタでもよい。
【0041】
高周波磁場発生器６２は、マイクロ波を磁気共鳴部材６１に印加して、磁気共鳴部材６１の電子スピン量子操作を行う。例えば、高周波磁場発生器６２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。高周波電源６４は、そのマイクロ波の電流を生成して高周波磁場発生器６２に導通させる。そのコイル部は、その両端面部分において、磁気共鳴部材６１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、磁気共鳴部材６１に略均一な強度のマイクロ波が印加される。
【0042】
ＮＶセンタの場合、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。
【0043】
また、磁石６３は、磁気共鳴部材６１に静磁場（直流磁場）を印加し、磁気共鳴部材６１内の複数の特定カラーセンタ（ここでは、複数のＮＶセンタ）のエネルギ準位をゼーマン分裂させる。ここでは、磁石６３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。なお、磁石６３は、電磁石でもよい。
【0044】
また、磁気共鳴部材６１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６１の結晶が形成され、磁気共鳴部材６１の向きが設定される。
【0045】
さらに、この実施の形態では、励起光を磁気共鳴部材４１に照射するために、発光装置６５から磁気共鳴部材６１までの光学系（図示せず）が設けられており、また、磁気共鳴部材６１からの蛍光（観測光）を検出するために、磁気共鳴部材６１から光電素子５２までの光学系（図示せず）が設けられている。
【0046】
観測光は、例えば複合放物面型集光器（ＣＰＣ）などの光学系によって光電素子５２へ向けて集光される。例えば、ＣＰＣ上に磁気共鳴部材６１が配置され、磁気共鳴部材６１内のカラーセンタから全方位に出射する蛍光のうち、この光学系によって広い立体角（例えば、全方位の所定割合以上）に出射する蛍光が集光される。
【0047】
発光装置６５は、光源としてのレーザダイオードなどを備え、その光源で、磁気共鳴部材６１に照射すべき励起光として、所定波長のレーザ光を出射する。
【0048】
コントローラ６６は、所定の測定シーケンスに従って、（ａ）高周波電源６４および発光装置６５を制御して、上述のマイクロ波およびレーザ光で量子操作を行って、センサ本体５１において観測光を発生させ、光電素子５２においてセンサ信号を生成させる。例えば、コントローラ６６は、制御プログラムに従って動作するコンピュータを備え、そのコンピュータは、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ（Random Access Memory）などを備え、制御プログラムをＲＡＭにロードしてＣＰＵで実行することで、上述の動作を実行する。なお、コントローラ６６は、制御装置２２に内蔵されていてもよいし、制御装置２２が、コントローラ６６として動作するようにしてもよい。
【0049】
図４は、実施の形態１に係るデジタイズ装置におけるセンサ信号の一例について説明する図である。この測定シーケンスは、上述の磁場の周波数などに従って設定される。例えば、入力信号（ＩＦ復調信号）が比較的低周波数（例えば数十Ｈｚ）の交流信号である場合、図４に示すように、その１周期において、複数回（ｎ回）、ラムゼイパルスシーケンス（つまり、直流磁場の測定シーケンスＳＱ１～ＳＱｎ）で、入力信号に対応する上述の磁場の測定が実行され、センサ信号として測定値ＢＭ１～ＢＭｎが得られる。これにより、各測定シーケンス時点での磁場強度に対応するレベルのセンサ信号が生成される。
【0050】
また、例えば、上述の磁場が比較的高周波数（例えば数十ｋＨｚ）の交流磁場である場合には、この測定シーケンスには、スピンエコーパルスシーケンス（ハーンエコーシーケンスなど）が適用されるようにしてもよい。ただし、測定シーケンスは、これらに限定されるものではなく、測定対象の磁場の周波数に応じて選択すればよい。例えば、上述の磁場の周期がＴ２緩和時間以上である場合には、上述のように複数回のラムゼイパルスシーケンスで磁場測定が実行され、上述の磁場の周期がＴ２緩和時間より短い場合には、スピンエコーパルスシーケンス（ハーンエコーシーケンスなど）が適用されるようにしてもよい。また、上述の磁場の周期がＴ２緩和時間の１／２より短い場合には、Ｑｄｙｎｅ法に従って磁場測定を行うようにしてもよい。
【0051】
図２に戻り、Ａ／Ｄ変換器４３は、（入力信号をデジタイズせずに）上述のセンサ信号をデジタイズし、これにより、入力信号（ＩＦ復調信号）に対応する出力信号としてのデジタル信号を生成し、Ａ／Ｄ変換器４３の出力端子４３ａを介して出力する。
【0052】
この実施の形態では、特に、光学的量子センサ部４２（具体的にはセンサ本体５１）は、センサ信号のレベルがＡ／Ｄ変換器４３のノイズフロアを超えるように、上述の観測光をセンシング部材に発生させる。
【0053】
ここで、センシング部材の効率（実施の形態１では、磁気共鳴部材６１におけるカラーセンタの種類、数など）、観測光の集光効率（実施の形態１では、カラーセンタの発光量に対する光電素子５２への入射光量）、光電素子５２の変換効率（入射光量に対するセンサ信号のレベル）などの因子に応じて、センサ信号のレベル（振幅）が変わるため、Ａ／Ｄ変換器４３のノイズフロア（既知）に応じて、センサ信号のレベルがＡ／Ｄ変換器４３のノイズフロアを超えるように、これらの因子の値が決定される。これにより、例えば、光学的量子センサ部４２の感度は、１．５ｐＴ／Ｈｚ1/2以上とされる。
【0054】
また、一般的に、Ａ／Ｄ変換器のノイズは、量子化ノイズおよび熱ノイズを含んでおり、高分解能のＡ／Ｄ変換器では、量子化ノイズに比べ熱ノイズが支配的となる。当該実施の形態におけるＡ／Ｄ変換器４３は、高分解能のＡ／Ｄ変換器とされ、センサ信号のレベルが熱ノイズのノイズレベルを超えるように、上述の因子の値が決定される。
【0055】
また、Ａ／Ｄ変換器４３の基準電圧は、センサ信号のレンジ（レベル最小値とレベル最大値）に応じて、設定される。なお、Ａ／Ｄ変換器の基準電圧を低くすることで、量子化ノイズは小さくなるが、熱ノイズについては小さくならない。
【0056】
なお、入力されるＩＦ復調信号のレベル（またはレンジ）および物理場発生装置４１の電磁変換効率は既知である。
【0057】
また、この実施の形態では、特に、当該デジタイズ装置２１は、光電素子５２とＡ／Ｄ変換器４３との間に、センサ信号を電気的に増加する増幅回路を備えていない。さらに、この実施の形態では、入力信号の信号源と物理場発生装置４１との間に入力信号を電気的に増加する増幅回路が設けられていない。つまり、この実施の形態では、Ａ／Ｄ変換器４３より上流側に、ノイズ源となる電気的な増幅回路が設けられていない。そのような増幅回路では、Ａ／Ｄ変換器４３と同様に熱ノイズが発生し増幅されるため、Ａ／Ｄ変換器４３に入力される信号にノイズが重畳するため、このように増幅回路が設けられていないことが好ましい。
【0058】
なお、高周波電源６４およびコントローラ６６とＡ／Ｄ変換器４３とは電気的に分離しており、高周波電源６４およびコントローラ６６で発生する電気的なノイズはＡ／Ｄ変換器４３に侵入しないようになっている。
【0059】
さらに、この実施の形態１では、ミキサ部６は、ＲＦベース信号で観測信号の中間周波復調を実行して、ＮＭＲ信号を含むＩＦ復調信号を生成し、光学的量子センサ部４２（コントローラ６６）は、ＩＦベース信号を同期信号として使用して、同期信号に従って定期的に繰り返し、センシング部材に対して量子操作を行って磁場に対応する光をセンシング部材に発生させ、これにより、デジタイズ装置２１に、ＩＦベース信号に同期して、デジタルのＩＦ復調信号を出力させる。そして、制御装置２２は、このデジタルのＩＦ復調信号に基づいて、Ｑｄｙｎｅ法に従って、精度良く、ＮＭＲ信号の周波数ｆＮＭＲを同定する。
【0060】
なお、この実施の形態１では、核磁気共鳴センシング部１とデジタイズ装置２１との間に増幅回路およびバッファはいずれも設けられていない。つまり、核磁気共鳴センシング部１からデジタイズ装置２１までの回路には受動素子のみが使用されており、熱ノイズの発生が抑制されている。
【0061】
次に、実施の形態１に係る核磁気共鳴センシング装置の動作について説明する。
【0062】
制御装置２２は、核磁気共鳴センシング部１を制御するとともに、スイッチング部４を制御して、核磁気共鳴センシング部１において、送信系からのＲＦ信号に基づく高周波磁場を対象物体１０１に印加し、スイッチング部４を制御して、核磁気共鳴センシング部１からの観測信号を受信系に導通させる。
【0063】
図１に示すように、観測信号は、ミキサ部６によって、ＩＦ復調信号に変換され、さらに、ローパスフィルタ７によって、高周波帯域側の成分が除去されたＩＦ復調信号がデジタイズ装置２１に入力される。
【0064】
デジタイズ装置２１では、ＩＦ復調信号が物理場発生装置４１に印加されると、物理場発生装置４１において、入力信号のレベルに対応する強度の磁場が発生し、光学的量子センサ部４２のセンサ本体５１に印加される。
【0065】
センサ本体５１では、上述のように測定シーケンスが実行され、その磁場の強度に応じた光量の光が発生する。実施の形態１では、ＯＤＭＲに従って、磁気共鳴部材６１に、その磁場の強度に応じた光量の光を発生させる。
【0066】
そして、光電素子５２が、その光を受光し、受光光量に応じたレベルのセンサ信号を生成し、Ａ／Ｄ変換器４３に出力する。
【0067】
Ａ／Ｄ変換器４３は、そのセンサ信号をデジタイズして、アナログのＩＦ復調信号に対応するデジタルのＩＦ復調信号を生成し、制御装置２２に出力する。
【0068】
制御装置２２は、継続して繰り返し、デジタルのＩＦ復調信号の値を取得し、上述のように、信号処理によってＮＭＲ信号（具体的には、ｆＮＭＲなど）を導出し、そのＮＭＲ信号に基づいて、対象物体１０１の分子構造解析、イメージングなどを行う。
【0069】
以上のように、上記実施の形態１によれば、核磁気共鳴センシング部１は、ＲＦ信号を対象物体１０１に印加し、そのＲＦ信号の周波数と核磁気共鳴信号の周波数との和の周波数を有する観測信号を生成する。ミキサ部６は、その観測信号のＩＦ復調を実行して、核磁気共鳴信号を含むＩＦ復調信号を生成する。ローパスフィルタ７は、ＩＦ復調信号のうち、ＩＦ復調で得られる２つの帯域成分のうちの高周波帯域成分を減衰させ、その２つの帯域成分のうちの低周波帯域成分を透過する。デジタイズ装置２１は、ローパスフィルタ７を透過したＩＦ復調信号をデジタイズする。デジタイズ装置２１では、物理場発生装置４１は、ローパスフィルタ７を透過した中間周波復調信号に対応する磁場または電場を発生し、光学的量子センサ部４２は、その磁場または電場に対応する光をセンシング部材で発生し、その光を光電素子で、センサ信号としての電気信号に変換し、アナログ／デジタル変換器４３は、そのセンサ信号をデジタイズする。この光学的量子センサ部４２は、上述のセンシング部材に対して量子操作を行って、上述の磁場または電場に対応する光をセンシング部材に発生させる。
【0070】
これにより、物理場発生装置４１および光学的磁気センサ部４２を使用して、微弱なＩＦ復調信号に対応する、比較的レベルの大きいセンサ信号が得られデジタイズされるため、ＮＭＲ信号を含むＩＦ復調信号（デジタル信号）が精度良く得られる。したがって、Ａ／Ｄ変換器４３のノイズレベルと同様のレベル以下の微小なＩＦ復調信号が精度良くデジタイズされる。ひいては、低レベルのＮＭＲ信号を精度良く検出し分解能の高い核磁気共鳴センシングが実行可能となる。
【0071】
実施の形態２．
【0072】
実施の形態２では、光学的量子センサ部４２は、ＯＤＭＲの代わりに、光ポンピング原子磁力測定法（ＯＰＡＭ）に従って、センシング部材に対して量子操作を行って、磁場に対応する光をセンシング部材に発生させる。
【0073】
図５は、実施の形態２に係るデジタイズ装置におけるセンサ本体５１の構成を示す図である。実施の形態２では、ＯＰＡＭのために、センサ本体５１は、セル７１と、磁石７２と、発光装置７３，７４とを備える。
【0074】
セル７１は、透過性のあるガラスセルなどであって、センシング部材７１ａとしてのアルカリ金属原子（Ｋ，Ｒｂ，Ｃｓなど）がバッファガスとともにセル７１に封入されている。磁石７２は、センシング部材に静磁気を印加する磁石であって、上述のような永久磁石でもよいし電磁石でもよい。
【0075】
発光装置７３は、ポンプ光を生成し、センシング部材７１ａに照射する。発光装置７４は、プローブ光を生成し、センシング部材７１ａに照射する。ＯＰＡＭの測定シーケンスでは、ポンプ光による光ポンピングによってセンシング部材にスピン偏極が生じ、磁場に応じたスピン偏極の回転がプローブ光の磁気光学回転で測定される。具体的には、観測光（つまり、磁気光学回転後のプローブ光）の偏向回転角が検出される。観測光の偏向回転角は、４ディテクタ法などで、複数の光電素子５２で検出される。複数の光電素子５２で検出される場合には、それらのセンサ信号は、複数のＡ／Ｄ変換器４３でそれぞれデジタイズされ、複数のデジタル信号とされた後に演算処理（差分演算など）されるようにしてもよい。
【0076】
なお、実施の形態２に係る核磁気共鳴センシング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。
【0077】
実施の形態３．
【0078】
実施の形態３では、物理場発生装置４１は、物理場発生装置４１の入力端子４１ａを介して入力される入力信号（つまり、アナログのＩＦ復調信号）に対応する電場を発生し、光学的量子センサ部４２は、センサ本体５１において、物理場発生装置４１で発生した電場に対応する光（観測光）をセンシング部材で発生し、光電素子５２によって、その光をセンサ信号としての電気信号に変換する。
【0079】
例えば、物理場発生装置４１は、対となる電極板でその電場を発生する。なお、この入力信号は、単一周波数の交流信号でもよいし、複数の周波数成分を有する所定周期の交流信号でもよいし、直流信号でもよい。つまり、上述の電場は、入力信号に応じた、単一周波数の交流電場、複数の周波数成分を有する所定周期の交流電場、直流電場などとなる。
【0080】
なお、実施の形態３に係る核磁気共鳴センシング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。ただし、ＯＤＭＲやＯＰＡＭで使用されるセンシング部材には、電場によって量子状態が変化し同様の測定シーケンスでその電場を測定可能なものが使用される。
【0081】
実施の形態４．
【0082】
図６は、本発明の実施の形態４に係る核磁気共鳴センシング装置の構成を示すブロック図である。
【0083】
実施の形態４に係る核磁気共鳴センシング装置は、図６に示すように、実施の形態１と同様の、核磁気共鳴センシング部１、ベース信号生成装置２、ミキサ部３、スイッチング部４、マッチング・チューニング回路５、ミキサ部６、およびローパスフィルタ７を備える他、アナログ直交位相検波回路２０１、デジタイズ装置２０２、および制御装置２０３を備える。
【0084】
アナログ直交位相検波回路２０１は、ローパスフィルタ７を透過した中間周波復調信号に対して直交位相検波を行い核磁気共鳴信号の復調信号Ｉおよび被復調信号Ｑを生成する。
【0085】
具体的には、アナログ直交位相検波回路２０１は、９０度移相器２１１、ミキサ部２１２，２１３、およびローパスフィルタ２１４，２１５を備える。９０度移相器２１１は、ＩＦベース信号の位相を９０度ずらす。なお、９０度移相器２１１は、アナログ回路であって、能動素子を含まないようにしてもよい。ミキサ部２１２は、ＩＦ復調信号およびＩＦベース信号を混合して復調を行い、２つの周波数成分（２ｆＩＦ－ｆＮＭＲ），ｆＮＭＲを有する復調信号を生成し出力する。ローパスフィルタ２１４は、上述の復調信号のうち、ミキサ部２１２の復調で得られる２つの帯域成分（２ｆＩＦ－ｆＮＭＲ），ｆＮＭＲのうちの高周波帯域成分（２ｆＩＦ－ｆＮＭＲ）を減衰させ、その２つの帯域成分のうちの低周波帯域成分（ｆＮＭＲ）を透過するフィルタである。ミキサ部２１３は、ＩＦ復調信号および９０度移相後のＩＦベース信号を混合して復調を行い、２つの周波数成分（２ｆＩＦ－ｆＮＭＲ），ｆＮＭＲを有する復調信号を生成し出力する。ローパスフィルタ２１５は、上述の復調信号のうち、ミキサ部２１３の復調で得られる２つの帯域成分（２ｆＩＦ－ｆＮＭＲ），ｆＮＭＲのうちの高周波帯域成分（２ｆＩＦ－ｆＮＭＲ）を減衰させ、その２つの帯域成分のうちの低周波帯域成分（ｆＮＭＲ）を透過するフィルタである。なお、ローパスフィルタ２１４，２１５は、コンデンサ、インダクタ、抵抗などの受動素子のみで構成されるアナログフィルタである。例えば、ミキサ部２１２，２１３は、ダイオードと位相分配器とからなるＤＢＭである。
【0086】
デジタイズ装置２０２は、上述の復調信号Ｉおよび被復調信号Ｑ（周波数成分ｆＮＭＲ）をそれぞれデジタイズし、アナログ信号からデジタル信号へ変換する。
【0087】
制御装置２０３は、制御プログラムに従って動作するコンピュータを備え、そのコンピュータは、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭなどを備え、制御プログラムをＲＡＭにロードしてＣＰＵで実行することで、後述の動作を実行する。具体的には、制御装置２０３は、制御装置２２と同様に、核磁気共鳴センシング部１およびスイッチング部４を制御して、核磁気共鳴センシング部１に、上述の高周波磁場を印加させ、上述の観測信号を出力させる。さらに、制御装置２０３は、デジタル信号としての復調信号Ｉおよび被復調信号Ｑ（周波数成分ｆＮＭＲ）をデジタイズ装置２０２から入力され、所定の信号処理を行って、ＮＭＲ信号（周波数成分ｆＮＭＲ）を抽出する。ここで、この所定の信号処理では、復調信号Ｉおよび被復調信号Ｑのそれぞれに対してＦＦＴ（Fast Fourier Transform）などフーリエ変換を行い、復調信号Ｉおよび被復調信号Ｑのそれぞれの周波数成分を特定し、これにより、ＮＭＲ信号（周波数成分ｆＮＭＲ）を抽出したり、化学シフトの検出などをする。
【0088】
図７は、実施の形態４に係る核磁気共鳴センシング装置におけるデジタイズ装置２２１の構成を示すブロック図である。図７に示すデジタイズ装置２０２は、復調信号Ｉのデジタイズを行うデジタイズ部２０２ａと、被復調信号Ｑのデジタイズを行うデジタイズ部２０２ｂとを備える。
【0089】
デジタイズ部２０２ａは、物理場発生装置４１と同様の物理場発生装置２４１と、光学的量子センサ部４２と同様の光学的量子センサ部２４２と、Ａ／Ｄ変換器４３と同様のＡ／Ｄ変換器２４３とを備える。また、デジタイズ部２０２ｂは、物理場発生装置４１と同様の物理場発生装置２６１と、光学的量子センサ部４２と同様の光学的量子センサ部２６２と、Ａ／Ｄ変換器４３と同様のＡ／Ｄ変換器２６３とを備える。
【0090】
物理場発生装置２４１，２６１は、物理場発生装置２４１，２６１の入力端子２４１ａ，２６１ａを介して入力される入力信号（つまり、アナログのＩＦ復調信号）に対応する磁場をそれぞれ発生する。例えば、物理場発生装置２４１，２６１は、導電性のコイルや配線でその磁場を発生する。
【0091】
光学的量子センサ部２４２，２６２は、センサ本体５１と同様のセンサ本体２５１，２７１および光電素子５２と同様の光電素子２５２，２７２をそれぞれ備え、センサ本体２５１，２７１において、それぞれ、物理場発生装置２４１，２６１で発生した磁場に対応する光（観測光）をセンシング部材で発生し、光電素子２５２，２７２によって、その光をセンサ信号としての電気信号に変換する。光電素子２５２，２７２は、フォトダイオードやフォトトランジスターなどであって、入射する観測光の強度に対応するセンサ信号を生成する。
【0092】
実施の形態４では、光学的量子センサ部２４２，２６２（具体的にはセンサ本体２５１，２７１）は、光検出磁気共鳴測定法（ＯＤＭＲ）に従って、センシング部材に対して量子操作をそれぞれ行って、上述の観測光をセンシング部材に発生させる。
【0093】
なお、この実施の形態においても実施の形態１と同様に、光学的量子センサ部２４２，２６２において、励起光を磁気共鳴部材に照射するために、発光装置から磁気共鳴部材までの光学系が設けられており、また、磁気共鳴部材からの蛍光（観測光）を検出するために、磁気共鳴部材から光電素子までの光学系が設けられている。
【0094】
また、光学的量子センサ部２４２，２６２は、光学的量子センサ部４２と同様に、それぞれ、所定の測定シーケンスに従って、（ａ）高周波電源および発光装置を制御して、マイクロ波およびレーザ光で量子操作を行って、センサ本体２５１，２７１において観測光を発生させ、光電素子２５２，２７２においてセンサ信号を生成させる。この測定シーケンスは、実施の形態１と同様に、上述の磁場の周波数などに従って設定される。
【0095】
Ａ／Ｄ変換器２４３，２６３は、（アナログの復調信号Ｉおよび被復調信号Ｑを直接的にデジタイズせずに）光学的磁気センサ部２４２から出力されるセンサ信号をデジタイズし、これにより、復調信号Ｉおよび被復調信号Ｑに対応する出力信号としてのデジタル信号を生成し、Ａ／Ｄ変換器２４３，２６３の出力端子２４３ａ，２６３ａを介して出力する。
【0096】
この実施の形態では、特に、光学的量子センサ部２４２，２６２（具体的にはセンサ本体２５１，２７１）は、センサ信号のレベルがＡ／Ｄ変換器２４３，２６３のノイズフロアを超えるように、上述の観測光をセンシング部材に発生させる。
【0097】
ここで、実施の形態１と同様に、センシング部材の効率、観測光の集光効率、光電素子２５２，２７２の変換効率などの因子は、センサ信号のレベルがＡ／Ｄ変換器４３のノイズフロア（既知）に応じて、Ａ／Ｄ変換器４３のノイズフロアを超えるように決定される。これにより、例えば、光学的量子センサ部２４２，２６２の感度は、１．５ｐＴ／Ｈｚ1/2以上とされる。また、当該実施の形態におけるＡ／Ｄ変換器２４３，２６３は、高分解能のＡ／Ｄ変換器とされ、センサ信号のレベルが熱ノイズのノイズレベルを超えるように、上述の因子の値が決定される。また、Ａ／Ｄ変換器２４３，２６３の基準電圧は、センサ信号のレンジ（レベル最小値とレベル最大値）に応じて、設定される。なお、入力される復調信号および被復調信号のレベル（またはレンジ）および物理場発生装置２４１，２６１の電磁変換効率は既知である。
【0098】
また、この実施の形態では、特に、当該デジタイズ装置２０２は、光電素子２５２，２７２とＡ／Ｄ変換器２４３，２６３との間に、センサ信号を電気的に増加する増幅回路を備えていない。さらに、この実施の形態では、入力信号の信号源と物理場発生装置２４１，２６１との間に入力信号を電気的に増加する増幅回路が設けられていない。つまり、この実施の形態では、Ａ／Ｄ変換器２４３，２６３より上流側に、ノイズ源となる電気的な増幅回路が設けられていない。
【0099】
なお、光学的量子センサ部２４２，２６２とＡ／Ｄ変換器２４３，２６３とは電気的に分離しており、光学的量子センサ部２４２，２６２で発生する電気的なノイズはＡ／Ｄ変換器２４３，２６３に侵入しないようになっている。
【0100】
なお、実施の形態４において、核磁気共鳴センシング部１とデジタイズ装置２０２との間に増幅回路およびバッファはいずれも設けられていない。つまり、核磁気共鳴センシング部１からデジタイズ装置２０２までの回路には受動素子のみが使用されており、熱ノイズの発生が抑制されている。
【0101】
次に、実施の形態４に係る核磁気共鳴センシング装置の動作について説明する。
【0102】
制御装置２０３は、核磁気共鳴センシング部１を制御するとともに、スイッチング部４を制御して、核磁気共鳴センシング部１において、送信系からのＲＦ信号に基づく高周波磁場を対象物体１０１に印加し、スイッチング部４を制御して、核磁気共鳴センシング部１からの観測信号を受信系に導通させる。図６に示すように、観測信号は、ミキサ部６によって、ＩＦ復調信号に変換され、さらに、ローパスフィルタ７によって、高周波帯域側の成分が除去されたＩＦ復調信号がアナログ直交位相検波回路２０１に入力される。
【0103】
直交位相検波回路２０１は、ＩＦベース信号でＩＦ復調信号に対して直交位相検波を実行して、周波数成分ｆＮＭＲの復調信号Ｉおよび被復調信号Ｑを生成してデジタイズ装置２０２に入力する。
【0104】
デジタイズ装置２０２では、復調信号Ｉが物理場発生装置２４１に印加されると、物理場発生装置２４１において、入力信号のレベルに対応する強度の磁場が発生し、光学的量子センサ部２４２のセンサ本体２５１に印加される。センサ本体２５１では、上述のように測定シーケンスが実行され、その磁場の強度に応じた光量の光が発生する。実施の形態４では、ＯＤＭＲに従って、磁気共鳴部材に、その磁場の強度に応じた光量の光を発生させる。そして、光電素子２５２が、その光を受光し、受光光量に応じたレベルのセンサ信号を生成し、Ａ／Ｄ変換器２４３に出力する。Ａ／Ｄ変換器２４３は、そのセンサ信号をデジタイズして、アナログの復調信号Ｉに対応するデジタルの復調信号Ｉを生成し、制御装置２０３に出力する。
【0105】
また、それに並行して、デジタイズ装置２０２では、被復調信号Ｑが物理場発生装置２６１に印加されると、物理場発生装置２６１において、入力信号のレベルに対応する強度の磁場が発生し、光学的量子センサ部２６２のセンサ本体２７１に印加される。センサ本体２７１では、上述のように測定シーケンスが実行され、その磁場の強度に応じた光量の光が発生する。実施の形態４では、ＯＤＭＲに従って、磁気共鳴部材に、その磁場の強度に応じた光量の光を発生させる。そして、光電素子２７２が、その光を受光し、受光光量に応じたレベルのセンサ信号を生成し、Ａ／Ｄ変換器２６３に出力する。Ａ／Ｄ変換器２６３は、そのセンサ信号をデジタイズして、アナログの被復調信号Ｑに対応するデジタルの被復調信号Ｑを生成し、制御装置２０３に出力する。
【0106】
制御装置２０３は、継続して繰り返し、各時点におけるデジタルの復調信号Ｉおよび被復調信号Ｑの値を取得し、上述のように、信号処理によってＮＭＲ信号（具体的には、ｆＮＭＲなど）や化学シフトを導出し、そのＮＭＲ信号や化学シフトに基づいて、対象物体１０１の分子構造解析、イメージングなどを行う。
【0107】
なお、実施の形態４に係る核磁気共鳴センシング装置のその他の構成および動作については、実施の形態１～３のいずれかと同様であるので、その説明を省略する。
【0108】
以上のように、上記実施の形態４によれば、アナログ直交位相検波回路２０１は、ローパスフィルタ７を透過した中間周波復調信号に対して直交位相検波を行い核磁気共鳴信号の復調信号Ｉおよび被復調信号Ｑを生成する。デジタイズ装置２０２は、復調信号Ｉおよび被復調信号Ｑをデジタイズする。デジタイズ装置２０２では、物理場発生装置２４１，２６１が、上述の復調信号および上述の被復調信号に対応する磁場または電場をそれぞれ発生し、光学的量子センサ部２４２，２６２が、物理場発生装置２４１，２６１により発生させた磁場または電場に対応する光をそれぞれセンシング部材で発生し、それらのセンシング部材により発生させた光を光電素子２５２，２７２で、第１および第２センサ信号としての電気信号に変換し、Ａ／Ｄ変換器２４３，２６３が、第１および第２センサ信号をそれぞれデジタイズする。ここで、光学的量子センサ部２４２，２６２は、それぞれ、センシング部材に対して量子操作を行って、上述の磁場または電場に対応する光をセンシング部材に発生させる。
【0109】
これにより、制御装置２０３における解析によって、復調信号Ｉおよび被復調信号Ｑに基づいて、目的の核磁気共鳴信号と化学シフトとが互いに区別されて検出される。ひいては、低レベルの核磁気共鳴信号を精度良く検出し分解能の高い核磁気共鳴センシングが実行可能となる。
【0110】
実施の形態５．
【0111】
図８は、実施の形態５に係る核磁気共鳴センシング装置におけるデジタイズ装置２２１の構成を示すブロック図である。
【0112】
実施の形態５では、図８に示すように、光学的量子センサ部２４２，２６２は、それぞれのセンシング部材に対して共通のレーザ光（上述の励起光）を照射して上述の量子操作を行って、物理場発生装置２４１，２６１により発生させた磁場または電場に対応する光をそれぞれのセンシング部材に発生させる。
【0113】
図９は、実施の形態５におけるデジタイズ装置２０２のセンサ本体２５１，２７１の構成を示す図である。
【0114】
具体的には、図９に示すように、実施の形態５では、ＯＤＭＲのために、例えば図９に示すように、センサ本体２５１，２７１は、それぞれ、センシング部材としての磁気共鳴部材２９１ａ，２９１ｂ、高周波磁場発生器２９２ａ，２９２ｂ、および磁石２９３ａ，２９３ｂを備え、センサ本体２５１は、さらに、高周波電源２９４、発光装置２９５、およびコントローラ２９６を備える。高周波電源２９４、発光装置２９５、およびコントローラ２９６は、２系統の磁気共鳴部材２９１ａ，２９１ｂおよび高周波磁場発生器２９２ａ，２９２ｂに対して共通な単一の高周波電源、発光装置、およびコントローラである。そして、発光装置２９５から出射するレーザ光は、図示せぬ光学系によって、磁気共鳴部材２９１ａに入射するレーザ光、磁気共鳴部材２９１ｂに入射するレーザ光、および後述の参照光として使用されるレーザ光へ分岐されている。
【0115】
なお、磁気共鳴部材２９１ａ，２９１ｂ、高周波磁場発生器２９２ａ，２９２ｂ、および磁石２９３ａ，２９３ｂ、高周波電源２９４、発光装置２９５、およびコントローラ２９６は、磁気共鳴部材６１、高周波磁場発生器６２、および磁石６３、高周波電源６４、発光装置６５、およびコントローラ６６と同様のものである。
【0116】
また、ここでは、センサ本体２５１が、高周波電源２９４、発光装置２９５、およびコントローラ２９６を備えているが、その代わりに、センサ本体２７１が、高周波電源２９４、発光装置２９５、およびコントローラ２９６を備えていてもよい。
【0117】
【0118】
光電素子２８１は、共通のレーザ光から分岐された参照光を第３センサ信号としての電気信号に変換する。光電素子２８１は、フォトダイオードやフォトトランジスターなどである。
【0119】
差分回路２８２は、第３センサ信号に基づいて光学的量子センサ部２４２のセンサ信号（第１センサ信号）に対してそれぞれコモンモードリジェクションを行う。具体的には、差分回路２８２は、第１センサ信号から第３センサ信号を減算し、減算後の第１センサ信号をＡ／Ｄ変換器２４３に入力する。また、差分回路２８３は、第３センサ信号に基づいて光学的量子センサ部２６２のセンサ信号（第２センサ信号）に対してそれぞれコモンモードリジェクションを行う。具体的には、差分回路２８３は、第２センサ信号から第３センサ信号を減算し、減算後の第２センサ信号をＡ／Ｄ変換器２６３に入力する。
【0120】
なお、光電素子２８１および差分回路２８２，２８３は、必要に応じて設けられ、設けられていなくてもよい。
【0121】
次に、実施の形態５に係る核磁気共鳴センシング装置の動作について説明する。
【0122】
実施の形態５のデジタイズ装置２０２では、光学的量子センサ部２４２，２６２が、単一の発光装置２９５を使用してセンサ本体２５１，２７１の磁気共鳴部材２９１ａ，２９１ｂに共通な励起光を照射して、復調信号Ｉに対応する第１センサ信号および被復調信号Ｑに対応する第２センサ信号を生成して出力するとともに、参照光に対応する第３センサ信号を生成し出力する。
【0123】
差分回路２８２，２８３は、第１センサ信号および第２センサ信号からそれぞれ第３センサ信号を減算し、減算後の第１センサ信号および第２センサ信号をＡ／Ｄ変換器２４３，２６３にそれぞれ入力する。
【0124】
なお、実施の形態５に係る核磁気共鳴センシング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。
【0125】
以上のように、上記実施の形態５によれば、単一のレーザ光が、磁気共鳴部材２９１ａ，２９１ｂに共通な励起光として使用されるため、光学的量子センサ部２４２，２６２間の出力特性のずれが抑制される。また、発光装置２９５により生成されるレーザ光に含まれるノイズ成分に起因して第１センサ信号および第２センサ信号に含まれるノイズ成分が抑制される。
【0126】
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。
【0127】
例えば、実施の形態１～５において、センサ本体５１，２５１，２７１における測定方法は、上述のＯＤＭＲおよびＯＰＡＭに限定されず、物理場に応じたセンシング部材を使用しセンシング部材に対する量子操作を行って物理場強度に応じた観測光を検出可能な測定方法であれば、他の方法でもよい。
【0128】
また、実施の形態１～５において、デジタイズ装置２１，２０２の出力信号の値（デジタル値）がアナログのＩＦ復調信号のレベルに一致するように、制御装置２２において、その出力信号に対して所定の演算処理を行うようにしてもよい。
【0129】
また、実施の形態１～５において、ノイズレベルの要求を満たすローノイズのバッファ（電圧増幅度＝１）を、必要に応じて、ローパスフィルタ７とデジタイズ装置２１，２０２との間に設けるようにしてもよい。
【産業上の利用可能性】
【0130】
本発明は、例えば、核磁気共鳴を利用した各種測定やイメージングに適用可能である。
【符号の説明】
【0131】
１ 核磁気共鳴センシング部
２ ベース信号生成装置
３ ミキサ部（送信系ミキサ部の一例）
６ ミキサ部
７ ローパスフィルタ
２１，２０２ デジタイズ装置
４１ 物理場発生装置
４２ 光学的量子センサ部
４３ アナログ／デジタル変換器
５２，２５２，２７２ 光電素子
１０１ 対象物体
２０１ 直交位相検波回路
２４１ 物理場発生装置（第１物理場発生装置の一例）
２４２ 光学的量子センサ部（第１光学的量子センサ部の一例）
２４３ アナログ／デジタル変換器（第１アナログ／デジタル変換器の一例）
２６１ 物理場発生装置（第２物理場発生装置の一例）
２６２ 光学的量子センサ部（第２光学的量子センサ部の一例）
２６３ アナログ／デジタル変換器（第２アナログ／デジタル変換器の一例）
２８１ 光電素子（第３光電素子の一例）
２８２ 差分回路（第１差分回路の一例）
２８３ 差分回路（第２差分回路の一例）
２ ベース信号生成装置
３ ミキサ部（送信系ミキサ部の一例）
６ ミキサ部
７ ローパスフィルタ
２１，２０２ デジタイズ装置
４１ 物理場発生装置
４２ 光学的量子センサ部
４３ アナログ／デジタル変換器
５２，２５２，２７２ 光電素子
１０１ 対象物体
２０１ 直交位相検波回路
２４１ 物理場発生装置（第１物理場発生装置の一例）
２４２ 光学的量子センサ部（第１光学的量子センサ部の一例）
２４３ アナログ／デジタル変換器（第１アナログ／デジタル変換器の一例）
２６１ 物理場発生装置（第２物理場発生装置の一例）
２６２ 光学的量子センサ部（第２光学的量子センサ部の一例）
２６３ アナログ／デジタル変換器（第２アナログ／デジタル変換器の一例）
２８１ 光電素子（第３光電素子の一例）
２８２ 差分回路（第１差分回路の一例）
２８３ 差分回路（第２差分回路の一例）
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】