(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の窒素−空孔対を有するダイヤモンド結晶と、
複数の画素によって前記ダイヤモンド結晶に照射された励起光によって発生する蛍光強度を検出するイメージセンサと、
を備え、
前記ダイヤモンド結晶は、前記窒素−空孔対が前記画素に１：１にそれぞれ対応付けされ、１つの前記窒素−空孔対が発生した蛍光を、前記窒素−空孔対に対応付けされた１つの前記画素によって受光する、磁気計測装置。
【請求項２】
請求項１記載の磁気計測装置において、
前記ダイヤモンド結晶が有する前記窒素−空孔対は、各々の前記窒素−空孔対の窒素から見た空孔の方位が、前記ダイヤモンド結晶の方位に対してどのような方位であるかが特定されている、磁気計測装置。
【請求項３】
請求項２記載の磁気計測装置において、
前記ダイヤモンド結晶は、単結晶である、磁気計測装置。
【請求項４】
請求項２記載の磁気計測装置において、
さらに、動作制御信号に基づいて、前記ダイヤモンド結晶にマイクロ波を照射するマイクロ波部と、
方位が特定されている前記窒素−空孔対のうち、同じ方位を有する前記窒素−空孔対に対応する前記画素から出力される前記マイクロ波部によるマイクロ波の照射時と非照射時との蛍光強度の差分を積算し、その算出結果を周波数補正値として出力する信号処理部と、
を有し、
前記マイクロ波部は、前記信号処理部から出力される前記周波数補正値に基づいて、照射するマイクロ波の周波数を変調する、磁気計測装置。
【請求項５】
請求項４記載の磁気計測装置において、
前記信号処理部は、前記イメージセンサを複数の領域に分割したセンサブロック毎に前記周波数補正値を算出する、磁気計測装置。
【請求項６】
請求項２記載の磁気計測装置において、
さらに、前記ダイヤモンド結晶の裏面から、マイクロ波を照射する照射部と、
方位が特定されている前記窒素−空孔対のうち、同じ方位を有する前記窒素−空孔対に対応する前記画素から出力されるマイクロ波の照射時と非照射時との蛍光強度の差分を積算し、その算出結果を周波数補正値として出力する信号処理部と、
を有し、
前記照射部は、前記信号処理部から出力される前記周波数補正値に基づいて、照射するマイクロ波の周波数を変調する、磁気計測装置。
【請求項７】
請求項６記載の磁気計測装置において、
前記照射部は、複数の高周波回路部からなり、
前記高周波回路部は、前記ダイヤモンド結晶を複数の領域に分割したダイヤモンド結晶上のブロックにそれぞれ対応するように設けられ、前記信号処理部から出力される前記周波数補正値に基づいて、照射するマイクロ波の周波数をそれぞれ変調させ、
前記信号処理部は、前記イメージセンサを複数の領域に分割した前記イメージセンサ上のブロック毎に差分を積算し、その算出結果を周波数補正値として、積算した前記イメージセンサのブロックに対応する前記ダイヤモンド結晶上のブロックに対して前記マイクロ波を照射する前記高周波回路部に出力する、磁気計測装置。
【請求項８】
請求項７記載の磁気計測装置において、
前記高周波回路部は、前記信号処理部から出力する動作制御信号に基づいて、動作が制御され、
前記信号処理部は、隣り合う前記高周波回路部が同時に前記マイクロ波を照射しないように前記動作制御信号を制御する、磁気計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気計測装置に関し、特に、ダイヤモンド結晶の窒素−空孔対を用いて、常温大気中での磁界検出に有効な技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
医療機器である生体磁気計測システムとしては、例えば脳磁計測システムなどが知られている。この脳磁計測システムは、脳神経細胞の発する微弱な磁場を外部から測定し、脳内の活動部位や活動の程度を高精度に検査するシステムである。
【０００３】
この種の生体磁気計測システムは、高感度磁気計測装置を有している。高感度磁気計測装置として、脳磁などの微弱生体ベクトル磁場を検出可能なものには、ＳＱＵＩＤ（超伝導量子干渉素子）が用いられているが動作には極低温環境が必要である。
【０００４】
一方、常温大気中で動作可能な高感度磁場計測装置として、窒素−空孔対を含むダイヤモンド結晶が提案されている（例えば非特許文献１参照）。
【０００５】
非特許文献１では、次のような内容が開示されている。磁場を計測するセンサであるダイヤモンド結晶に励起光を照射する青緑色光源として緑色レーザ光を用い、ダイヤモンド結晶からの赤色蛍光出力の検出にはＣＣＤアレイを用いる。ダイヤモンド結晶に照射するマイクロ波の周波数を掃引して取得される赤色蛍光強度のマイクロ波周波数依存性における、蛍光強度最小値から、磁場を計測する。
【０００６】
また、例えば非特許文献２には、ＳＩＰ(Selective Imaging Protocol)技術による単一の窒素−空孔対の蛍光出力の観測技術が示されている。ＳＩＰ技術は、窒素−空孔対の赤色蛍光のみを選択的に計測することにより、窒素−空孔対以外の蛍光を含む背景雑音を除去する技術である。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】S. Steinert, F. Dolde, P. Neumann, A. Aird, B. Naydenov, G. Balasubramanian, F. Jelezko, and J. Wrachtrup;“High sensitivity magnetic imaging using an array of spins in diamond”, Review of Scientific Instrument 81, 043705-1~5 (2010)
【非特許文献２】R. Igarashi, Y. Yoshinari, H. Yokota, T. Sugi, F. Sugihara, K. Ikeda, H. Sumiya, S. Tsuji, I. Mori, H. Tochio, Y. Harada, M. Shirakawa;“Real-time background-free selective imaging of fluorescent nanodiamonds in vivo”, Nano Letters nl302979, Oct 2012, pp5726-5732.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
非特許文献１には、ダイヤモンド結晶に照射するマイクロ波の周波数を掃引して取得される赤色蛍光強度のマイクロ波周波数依存性が示されている（ｆｉｇ２ａ）。そして、この波形は４種類の波形の重ね合わせとして計測されるものである。その４種類とは、各窒素−空孔対における窒素から見た空孔の方位が、ダイヤモンド結晶方位に対して４種類の方位を有し得るからであると示されている。
【０００９】
ここで、この波形における蛍光強度最小値の”谷”の位置変化として磁場を計測するため、”谷”は、幅が狭く深いほど計測精度が上がることになる。しかし、各窒素−空孔対の示す波形は、窒素から見た空孔の方位の４種類に対応して異なる位置に”谷”を有する。
【００１０】
このため、一般に、計測される波形は、これら４種類の異なる位置の”谷”を重ね合わせたものとなり、”谷”の深さに寄与する窒素−空孔対は、１種類のものよりも多くはあるが４種類の合計よりは少なく、全ての窒素−空孔対を計測に活用できるわけではなくなる。それによって、精密な磁気計測ができない恐れが生じる。
【００１１】
ここで、磁気感度は、有効な窒素−空孔対数Ｎに対して、√Ｎに比例することが非特許文献１に記されている。このため、４種類のうち、最も数が多いもののみでなく、全ての窒素−空孔対を利用できることが望ましい。
【００１２】
本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴については、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
一実施の形態による磁気計測装置は、複数の窒素−空孔対を有するダイヤモンド結晶と、複数の画素によってダイヤモンド結晶に照射された励起光によって発生する蛍光強度を検出するイメージセンサと、を備える。
【００１４】
ダイヤモンド結晶は、窒素−空孔対が画素に１：１にそれぞれ対応付けされ、１つの窒素−空孔対が発生した蛍光を、該窒素−空孔対に対応付けされた１つの画素によって受光する。
【発明の効果】
【００１５】
（１）磁場の検出精度を向上させることができる。
【００１６】
（２）磁場計測の効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本実施の形態１による磁気計測装置における構成の一例を示す説明図である。
【図２】図１の磁気計測装置に設けられたダイヤモンド結晶およびイメージセンサにおける構成の一例を示した説明図である。
【図３】図１の磁気計測装置におけるイメージセンサの画素とダイヤモンド結晶の窒素−空孔対との１：１の対応付けの一例を示す説明図である。
【図４】図１の磁気計測装置におけるダイヤモンド結晶とイメージセンサとにおけるブロック単位での対応の一例を示す説明図である。
【図５】非特許文献１に記載されている窒素−空孔対の４種類の方位を模式的に示した説明図である。
【図６】図１の磁気計測装置による画素単位の空間分解能を実現する具体的な構成の一例を示す説明図である。
【図７】窒素−空孔対の蛍光強度のマイクロ波周波数スペクトルにおける蛍光強度低下点近傍の波形の一例を示した説明図である。
【図８】図１の磁気計測装置に設けられた信号処理回路、制御回路、およびマイクロ波源の接続構成の一例を示す説明図である。
【図９】図７に示した窒素−空孔対の蛍光強度のマイクロ波周波数スペクトルにおける蛍光強度低下点近傍の波形のうち、蛍光強度低下点に隣接する最も急峻な斜面の近傍の波形の一例を示した説明図である。
【図１０】図８に示す制御回路およびマイクロ波源における各信号のタイミング例を示すタイミングチャートである。
【図１１】実施の形態２による磁気計測装置における構成の一例を示す説明図である。
【図１２】図１１の磁気計測装置に用いられるイメージセンサにおける画素数とブロックサイズの構成の一例を示す説明図である。
【図１３】実施の形態３による磁気計測装置における構成の一例を示す説明図である。
【図１４】図１３の磁気計測装置が有する信号処理部の接続例を示した説明図である。
【図１５】図１３の磁気計測装置に設けられる高周波回路チップの構成の一例を示す説明図である。
【図１６】図１５の高周波回路チップにおける各高周波回路部によるマイクロ波の印加順序の一例を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下の実施の形態においては便宜上その必要があるときは、複数のセクションまたは実施の形態に分割して説明するが、特に明示した場合を除き、それらはお互いに無関係なものではなく、一方は他方の一部または全部の変形例、詳細、補足説明等の関係にある。
【００１９】
また、以下の実施の形態において、要素の数等（個数、数値、量、範囲等を含む）に言及する場合、特に明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されるものではなく、特定の数以上でも以下でもよい。
【００２０】
さらに、以下の実施の形態において、その構成要素（要素ステップ等も含む）は、特に明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。
【００２１】
同様に、以下の実施の形態において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは特に明示した場合および原理的に明らかにそうではないと考えられる場合等を除き、実質的にその形状等に近似または類似するもの等を含むものとする。このことは、上記数値および範囲についても同様である。
【００２２】
また、実施の形態を説明するための全図において、同一の部材には原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。なお、図面をわかりやすくするために平面図であってもハッチングを付す場合がある。
【００２３】
以下、実施の形態を詳細に説明する。
【００２４】
（実施の形態１）
〈概要〉
本実施の形態の概要は、磁気計測装置１０において、ダイヤモンド結晶１５中の窒素−空孔対２５の位置と、窒素−空孔対２５からの蛍光出力を計測するイメージセンサ１６の画素２６の位置とが、１：１に対応付けられたものである。言い換えれば、ある１つの窒素−空孔対２５が発生した蛍光は、窒素−空孔対２５に対応付けされた１つの画素２６によって受光するようにイメージセンサ１６が設けられている。
【００２５】
また、磁気計測装置１０は、各窒素−空孔対２５における窒素から見た空孔の方位が、ダイヤモンド結晶方位に対してどのような方位であるかを、各窒素−空孔対毎の事前校正により特定されている。この磁気計測装置１０によって、磁場を計測することにより、４種類の方位の窒素−空孔対の全てを活用して測定精度を向上させるものである。
【００２６】
さらに、窒素−空孔対位置と、窒素−空孔対２５からの蛍光出力を計測するイメージセンサ１６における画素位置とを１：１に対応付けしたことによって、同一方位の窒素−空孔対からの蛍光出力を抽出することが可能となる。これを利用し、ある一群の窒素−空孔対の出力を計測するイメージセンサ１６の画素出力の、マイクロ波の照射時と非照射時との差分を積算してマイクロ波源に入力して該積算値が一定となるようにフィードバックすることにより、測定時間を全て磁場計測に有効に寄与させ、測定効率を向上させる。
【００２７】
〈磁気計測装置の構成例〉
図１は、本実施の形態１による磁気計測装置１０における構成の一例を示す説明図である。
【００２８】
磁気計測装置１０は、生体磁気計測装置である脳磁計、心磁計、あるいは筋磁計などの医療機器に用いられる生体磁気の検出装置である。例えば、脳磁計は、脳の神経活動に伴って発生する微弱磁場を頭皮上から非侵襲で計測、解析する。
【００２９】
磁気計測装置１０は、図１に示すように、光源部１１、ダイヤモンド結晶１５、イメージセンサ１６、制御部１７、マイクロ波源２０、コイル２１とを含む。
【００３０】
光源部１１は、青緑色光源１２、レンズ１３，１３ａ，１３ｂ、およびダイクロイックミラー１４から構成されている。青緑色光源１２は、例えば５３０ｎｍよりも短い波長の励起光を出力する。
【００３１】
レンズ１３は、青緑色光源１２から出力される励起光を集光する。ダイクロイックミラー１４は、特定の波長の光のみを反射し、それ以外の波長の光を透過する光学素子であり、それによって、励起光と蛍光を分離する。
【００３２】
ダイクロイックミラー１４は、入射光に対して、例えば４５°程度の角度にて配置される。これによって、レンズ１３から入射した励起光は、ダイクロイックミラー１４により反射され、すなわち９０°折り曲げられて下方向に導かれる。
【００３３】
ダイクロイックミラー１４の下方には、レンズ１３ａが設けられている。レンズ１３ａの下方には、ダイヤモンド結晶１５および測定対象である試料５０が配置されている。レンズ１３ａは、ダイクロイックミラー１４に反射された励起光を集光してダイヤモンド結晶１５に照射する。また、ダイヤモンド結晶１５から発せられた蛍光は、ダイクロイックミラー１４を透過する。
【００３４】
ダイクロイックミラー１４の上方には、レンズ１３ｂが設けられており、該レンズ１３ｂの上方には、イメージセンサ１６が設けられている。レンズ１３ｂは、ダイヤモンド結晶１５から発せられた蛍光を集光し、イメージセンサ１６に照射する。イメージセンサ１６は、例えばＣＣＤ（Charge Coupled Device：電荷結合素子）などの半導体センサであり、ダイヤモンド結晶１５から発せられた蛍光像を取り込む。
【００３５】
イメージセンサ１６が取り込んだ蛍光像は、信号処理部となる制御部１７に出力される。制御部１７は、信号処理回路１８および制御回路１９を有する。これら信号処理回路１８および制御回路１９は、例えば半導体チップなどに形成される。
【００３６】
信号処理回路１８は、入力された蛍光像の画像処理を行う。制御回路１９は、イメージセンサ１６、青緑色光源１２、およびマイクロ波源２０に接続されており、これらイメージセンサ１６、青緑色光源１２、およびマイクロ波源２０にタイミング信号を供給する。また、制御回路１９は、マイクロ波源２０にマイクロ波周波数を設定する制御を行う。
【００３７】
マイクロ波源２０には、コイル２１が接続されている。マイクロ波源２０およびコイル２１を、マイクロ波部と称することとする。コイル２１は、ダイヤモンド結晶１５の周辺部をループ状に囲むように構成されている。マイクロ波源２０は、コイル２１にマイクロ波電流を通電させる。これによって、ダイヤモンド結晶１５の周囲にマイクロ波の磁場を発生させる。なお、マイクロ波源２０から出力されるマイクロ波の周波数は、前述したように制御回路１９によって設定される。
【００３８】
〈ダイヤモンド結晶とイメージセンサとの構成例〉
図２は、図１の磁気計測装置１０に設けられたダイヤモンド結晶１５およびイメージセンサ１６における構成の一例を示した説明図である。
【００３９】
なお、図２の右下方においては、ダイヤモンド結晶１５の表面の一部分の拡大した例を示しており、図２の右上方においては、イメージセンサ１６の表面の一部分の拡大した例を示している。
【００４０】
ダイヤモンド結晶１５は、単結晶からなり、図２の右下方に示すように、その表面に微細加工を施すことにより、窒素−空孔対２５が格子状に規則的に配置されている。この窒素−空孔対２５の間隔は、例えば１μｍ程度である。
【００４１】
イメージセンサ１６は、受光素子である画素２６が格子状に規則的に配置された構成からなる。画素２６の間隔は、例えば１０μｍ程度である。
【００４２】
ダイヤモンド結晶１５中の窒素−空孔対２５と、窒素−空孔対２５からの蛍光出力を計測するイメージセンサ１６の画素２６とがそれぞれ正方格子状に規則的に配置されている。このため、ダイヤモンド結晶１５の表面から、イメージセンサ１６に至る光学系を適切に設計することにより、各窒素−空孔対２５の発生する蛍光出力をイメージセンサ１６の各画素２６に、１：１に対応付けすることが可能である。
【００４３】
１：１の対応とは、例えばＮ×Ｎの窒素−空孔対２５から発生する蛍光点が、Ｎ×Ｎのイメージセンサ１６の画素２６にそれぞれ投影されるように、ダイヤモンド結晶１５の縦横比、および窒素−空孔対２５の座標の均一性、すなわちイメージセンサ１６の画素２６の配置間隔に見合った窒素−空孔対２５の等間隔配置を実現することをいう。ダイヤモンド結晶１５の縦横比は、典型的には１：１である。この１：１の対応付けについては、後述する。
【００４４】
前出の発明が解決しようとする課題において述べたように、各窒素−空孔対２５における窒素から見た空孔の方位は、ダイヤモンド結晶１５の方位に対して４種類の方位を有し、この方位を予め計測する処理を、以下、事前校正処理という。なお、図２の右上方に示すイメージセンサ１６の各画素２６に記載されている４種類の矢印は、窒素−空孔対２５における窒素から見た空孔の４種類の方位のいずれかであることを示している。
【００４５】
各窒素−空孔対２５における窒素から見た空孔の方位がダイヤモンド結晶方位に対して４種類のいずれであるかを計測する事前校正処理では、図１のマイクロ波源２０による外部磁場を印加した状態で、ダイヤモンド結晶１５に照射するマイクロ波の周波数を掃引して、該窒素−空孔対２５の発する赤色蛍光強度のマイクロ波周波数依存性を計測する。
【００４６】
そして、シミュレーション値と照合することにより、方位が判明する。このシミュレーション値は、例えば非特許文献２のFigure S2に示された技術によって求めることができる。
【００４７】
ここで、外部磁場は、ダイヤモンド結晶１５に対して、まず１つの方向に、結晶全体に対して一様な大きさで印加する。外部磁場は、例えばダイヤモンド結晶１５の周囲に近接して配置されたコイルに直流電流を流すか、または近接して永久磁石を配置することにより発生させる。
【００４８】
ダイヤモンド結晶自身の方位と、磁場の印加方向の相対的な関係から、前記した４種類の窒素−空孔対２５の方位に対する赤色蛍光強度のマイクロ波周波数依存性の”谷”の位置をシミュレーションすることができる。
【００４９】
そして、実測値と対比することにより、各窒素−空孔対２５が４種類のどの方位であるかを確定することができる。なお、窒素−空孔対２５の方位は、常温では変化しないので、上述した事前校正処理は、図１に示す磁気計測装置１０の組み立て前に１度行うだけでよい。
【００５０】
先に述べたように、ダイヤモンド結晶１５は単結晶である。ダイヤモンド結晶１５が単結晶である場合には、後述する図５に示す４種類の方位以外は有り得ず、かつ４種類の方位の相対関係は、正四面体の中心から各頂点を見た方向として確定している。そのため、実際の各格子点の方位判定においては、４種類のどの方位に最も近いかを計測すればよく、精密な角度まで計測する必要はない。これにより、事前校正処理を容易に行うことが可能となる。
【００５１】
これに対して、ダイヤモンド結晶が単結晶ではなく、複数の結晶領域からなる多結晶である場合、各結晶領域内においては４種類の方位は確定しているものの、相異なる結晶領域相互間においては、それぞれの方位は任意の関係にある。このため、事前校正処理は、複雑になる。
【００５２】
図２の右上方に示す図においては、説明のためにダイヤモンド結晶１５の表面のある一部分の領域３１における窒素−空孔対２５の４種類の方位が、イメージセンサ１６のある一部分の領域３２の画素２６にそれぞれに結像されていることを示したものである。
【００５３】
なお、図２の例では、ダイヤモンド結晶１５の領域３１には、例えば縦１０個×横１０個の格子位置に窒素−空孔対２５が形成されており、イメージセンサ１６の領域３２には、対応して画素２６が、縦１０個×横１０個存在する。なお、領域３１には、窒素−空孔対が形成されない格子が存在することも許容される。
【００５４】
図１の試料５０における磁場を計測する前に、予め上述した事前校正処理を行うことによって、各窒素−空孔対２５の方位を特定する。その後に、試料５０の磁場を計測する時には、窒素−空孔対２５の４種類の方位の差を補正可能である。
【００５５】
これによって、各々の窒素−空孔対２５が有する４種類の方位の全てを磁場の計測に活用することができるので、測定精度を向上することができる。
【００５６】
ここで、窒素−空孔対２５の発する赤色蛍光強度のマイクロ波周波数依存性は、窒素から見た空孔の方位のスカラー磁場に対応して変化する。すなわち、横軸をマイクロ波周波数、縦軸を赤色蛍光強度とする波形において、２．８７ＧＨｚの周波数を挟んで対称の位置に現れる２つの”谷”の周波数差が、そのスカラー磁場に比例する。
【００５７】
４種類の方位の窒素−空孔対２５により、４方向のスカラー磁場を計測することが可能となるので、結果としてダイヤモンド結晶表面のベクトル磁場を計測することができる。
【００５８】
〈画素と窒素−空孔対との対応付け例〉
図３は、図１の磁気計測装置１０におけるイメージセンサ１６の画素２６とダイヤモンド結晶１５の窒素−空孔対２５との１：１の対応付けの一例を示す説明図である。
【００５９】
図３の右下方には、ダイヤモンド結晶１５の表面のある一部分を拡大した領域３１を示しており、図３の右上方においては、領域３１に対応するイメージセンサ１６の表面の一部分の拡大した領域３２を示している。
【００６０】
予め、ダイヤモンド結晶１５の領域３１にマーカ３７を配置しておく。このマーカ３７は、例えば微細加工技術により、光学的に識別可能なように、ダイヤモンド結晶１５の表面に形成する。
【００６１】
以下、説明のため、ダイヤモンド結晶１５の表面に窒素−空孔対２５を配置するための微細加工が施されている格子をＸ軸、Ｙ軸にとり、Ｚ軸を表面に対して鉛直な方向とする。
【００６２】
このため、ダイヤモンド結晶１５の表面からレンズ１３ａ、ダイクロイックミラー１４、およびレンズ１３ｂを経てイメージセンサ１６に至る光学系において、レンズ１３ａ、レンズ１３ｂは、Ｚ軸方向に、イメージセンサ１６は、Ｘ、Ｙ、Ｚの３軸方向に微調可能とする。
【００６３】
まず、マーカ３７がイメージセンサ１６の１つの画素２６ａに結像されるように微調を行う。続いて、該マーカ３７とＮ格子点離れて隣接するマーカ３７ａがＮ個の画素だけ離れた画素２６ｂに結像されるように、再度微調を行う。
【００６４】
この操作を繰り返すことにより、格子状に設けられている各々の窒素−空孔対２５をイメージセンサ１６の各画素２６に１：１に対応付けることができる。これにより、任意のある窒素−空孔対２５が発生した蛍光は、該窒素−空孔対２５に対応付けされた１つの画素２６によって受光される。
【００６５】
〈ブロック単位の対応付け例〉
図４は、図１の磁気計測装置１０におけるダイヤモンド結晶１５とイメージセンサ１６とにおけるブロック単位での対応の一例を示す説明図である。
【００６６】
一般に、イメージセンサの画像処理においては、複数の画素にまたがるブロック単位にて該イメージセンサの出力信号を平均化することにより、空間分解能とのトレードオフでノイズ低減を行うことができる。図１の磁気計測装置１０においても、上記したブロック単位による平均化が有効である。
【００６７】
ここで、図４の右下方に示すブロック４０は、図４の左下方に示すダイヤモンド結晶１５における複数の窒素−空孔対２５（図の例では、窒素−空孔対２５の数が６×６）を有するブロックであり、図４の右上方に示すブロック４１は、図４の左上方に示すイメージセンサ１６におけるブロックである。なお、ブロック４０は、ダイヤモンド結晶１５上のブロックであり、ブロック４１は、イメージセンサ１６上のブロックである。
【００６８】
イメージセンサ１６のブロック４１は、ダイヤモンド結晶１５のブロック４０に対応するものであり、ダイヤモンド結晶１５のブロック４０における各々の窒素−空孔対２５が、イメージセンサ１６のブロック４１における個々の画素２６にそれぞれ対応する。
【００６９】
ただし、各画素２６に対応する窒素−空孔対２５は、４種類の方位（以下、図４の矢印にて示す）を有するので、４種類の方位毎にノイズ低減目的の平均化を行うことが有効である。
【００７０】
〈窒素−空孔対の方位について〉
図５は、非特許文献１に記載されている窒素−空孔対２５の４種類の方位を模式的に示した説明図である。
【００７１】
ここで、説明のため窒素−空孔対２５の４種類の方位を、図５に示したように、それぞれ方位ＮＶ１，ＮＶ２，ＮＶ３，ＮＶ４とする。ダイヤモンド結晶１５は、立方晶系である。よって、４種類の方位ＮＶ１〜ＮＶ４とは、正四面体の重心から４個の頂点をそれぞれ向いたものとなる。図５においては、これら４方位をそれぞれ方位ＮＶ１〜ＮＶ４とする。また、４個の名前の付け方は任意である。
【００７２】
図５において、方位ＮＶ１を向いた窒素−空孔対２５は、方位ＮＶ１の方位のスカラー磁場を検知する。このため、方位ＮＶ１を向いた窒素−空孔対２５に対応した画素２６にて検出される赤色蛍光強度のマイクロ波周波数依存性からは、方位ＮＶ１のスカラー磁場が計測される。
【００７３】
方位ＮＶ１を向いた窒素−空孔対２５に対応した画素２６に関して、ブロック４１内で赤色蛍光強度のマイクロ波周波数依存性を平均化した波形からは、方位ＮＶ１のスカラー磁場がブロック４１内での平均化により雑音を低減した数値として計測される。
【００７４】
同様に、方位ＮＶ２を向いた窒素−空孔対２５に対応した画素２６に関して、ブロック４１内で赤色蛍光強度のマイクロ波周波数依存性を平均化した波形からは、方位ＮＶ２のスカラー磁場がブロック４１内での平均化により雑音を低減した数値として計測される。
【００７５】
また、方位ＮＶ３を向いた窒素−空孔対２５に対応した画素２６に関して、ブロック４１内で赤色蛍光強度のマイクロ波周波数依存性を平均化した波形からは、方位ＮＶ３のスカラー磁場がブロック４１内での平均化により雑音を低減した数値として計測される。
【００７６】
さらに、方位ＮＶ４を向いた窒素−空孔対２５に対応した画素２６に関して、ブロック４１内で赤色蛍光強度のマイクロ波周波数依存性を平均化した波形からは、方位ＮＶ４のスカラー磁場がブロック４１内での平均化により雑音を低減した数値として計測される。
【００７７】
〈ノイズ低減例〉
続いて、磁気計測装置１０によるノイズ低減技術について、図６および図７を用いて説明する。
【００７８】
図６は、図１の磁気計測装置１０による画素単位の空間分解能を実現する具体的な構成の一例を示す説明図である。図７は、窒素−空孔対２５の蛍光強度のマイクロ波周波数スペクトルにおける蛍光強度低下点近傍の波形の一例を示した説明図である。図７において、横軸は、マイクロ波源２０から出力されるマイクロ波の周波数を示しており、縦軸は、蛍光強度を示している。また、図７において、蛍光強度低下点近傍の波形の最も急峻な斜面を斜面５３とする。この斜面５３は、磁場の値により、周波数軸方向に左右にシフトする。
【００７９】
図７に示す波形には、２つの”谷”が示されているが、磁場が存在しない場合には、２つの”谷”は、２．８７ＧＨｚ程度を中心として１つに重なる。磁場が存在すると２つの”谷”は分離してくるが、”谷”の周波数軸上のシフトと、窒素−正孔対の方位の磁場強度との間には、２８．０７ＧＨｚ／Ｔ（テスラ）の関係があることが知られている（例えば、非特許文献 Y.Yoshinari et al., “Observing the rotational diffusion of nanodiamonds with arbitrary nitrogen vacancy center configurations”, PHYSICAL REVIEW B 88, 235206 (2013)参照）。
【００８０】
以下、イメージセンサ１６の任意の１画素に関して、図６を用いて説明する。
【００８１】
図６において、信号処理回路１８は、イメージセンサ１６の画素において計測される、窒素−空孔対の蛍光強度のマイクロ波の照射時と非照射時の差分が一定となるように、差分の積算出力をマイクロ波源２０が生成するマイクロ波の周波数補正値として帰還させる。
【００８２】
較正のために、磁場が印加されていない時の図７に示す斜面５３の周波数位置を初期値として記録しておき、磁場が印加された後の周波数補正値を計測することにより、補正後の周波数と、初期値の差分として、イメージセンサ１６の画素が検出している磁場の値を判読可能である。
【００８３】
上記した帰還が動作している状態では、磁場強度の変化がマイクロ波周波数変化として検出可能となる。
【００８４】
この帰還の動作に関して、以下、図８〜図１０を用いて説明する。
【００８５】
〈制御部およびマイクロ波源の構成例〉
図８は、図１の磁気計測装置１０に設けられた信号処理回路１８、制御回路１９、およびマイクロ波源２０の接続構成の一例を示す説明図である。
【００８６】
信号処理回路１８は、オフセットレジスタＯＦＲ、演算器ＯＰＡ、レジスタＲＥＧを有する。演算器ＯＰＡは、第１〜第４の演算入力端子を有している。第１および第４の演算入力端子と第２および第３の演算入力端子とは、異なる極性である。この場合、第１および第４の演算入力端子は、正（＋）極の入力端子であり、第２および第３の演算入力端子は、負（−）極の入力端子である。
【００８７】
第１の演算入力端子および第２の演算入力端子には、イメージセンサ１６の画素からの出力信号が入力され、第３の演算入力端子には、オフセットレジスタＯＦＲからの出力信号が入力され、第４の演算入力端子には、レジスタＲＥＧからの出力信号が入力される。
【００８８】
演算器ＯＰＡは、イメージセンサ１６の画素からの出力信号およびレジスタＲＥＧからの出力信号を加算し、制御回路１９から出力されるオン／オフ制御信号ＣＴＲおよびオフセットレジスタＯＦＲからの出力信号を減算してレジスタＲＥＧに出力する。
【００８９】
オフセットレジスタＯＦＲは、制御回路１９から出力されるオフセット信号ＯＳのタイミングにて、同じく制御回路１９から出力されるオフセット値ＯＳＤを取り込み、演算器ＯＰＡの第３の演算入力端子に出力する。
【００９０】
イメージセンサ１６の画素から出力される信号は、制御回路１９から出力されるオン／オフ制御信号ＣＴＲに基づいて、信号の出力先が制御され、前述したように、演算器ＯＰＡの第１の演算入力端子または第２の演算入力端子のいずれかに出力される。
【００９１】
レジスタＲＥＧは、制御回路１９から出力されるレジスタクロックＲＣＫに基づいて、演算器ＯＰＡから出力される信号を取り込んで積算出力とするとともに、演算器ＯＰＡの第４の演算入力端子に出力する。また、レジスタＲＥＧは、制御回路１９から出力されるリセット信号ＲＴによってリセットされる。
【００９２】
マイクロ波源２０は、利得調整器ＧＣＴ、周波数加算器ＦＡＤ、発振器ＯＳＣ、増幅器ＡＭＰを有する。利得調整器ＧＣＴは、信号処理回路１８からの積算出力を、例えば利得Ｇ倍して周波数補正値ＣＯＲとして出力する。
【００９３】
周波数加算器ＦＡＤは、制御回路１９から出力される周波数初期値ＦＩＮと利得調整器ＧＣＴから出力される周波数補正値ＣＯＲとを加算し、その加算値を発振器ＯＳＣに出力する。
【００９４】
発振器ＯＳＣは、制御回路１９から出力される周波数設定信号ＦＳＴに基づいて、周波数加算器ＦＡＤの加算値にて指定される周波数値のマイクロ波を増幅器ＡＭＰに出力する。増幅器ＡＭＰは、発振器ＯＳＣから出力されるマイクロ波を増幅してダイヤモンド結晶１５に照射する。マイクロ波の照射は、制御回路１９から出力されるオン／オフ制御信号ＣＴＲによってオン／オフが制御される。
【００９５】
制御回路１９は、青緑色光源１２に光源オン信号ＬＯＳを供給し、イメージセンサ１６に露光信号ＥＸＰおよび読み出し信号ＲＤを供給する。また、制御回路１９は、前述したように、オン／オフ制御信号ＣＴＲ、レジスタクロックＲＣＫ、リセット信号ＲＴ、オフセット値ＯＳＤ、オフセット信号ＯＳ、周波数初期値ＦＩＮ、および周波数設定信号ＦＳＴをそれぞれ出力する。
【００９６】
図９は、図７に示した窒素−空孔対の蛍光強度のマイクロ波周波数スペクトルにおける蛍光強度低下点近傍の波形のうち、蛍光強度低下点に隣接する最も急峻な斜面の近傍の波形の一例を示した説明図である。
【００９７】
図９において、横軸は発振器ＯＳＣの出力周波数であり、縦軸は蛍光強度のマイクロ波オン時とオフ時との差分である。
【００９８】
図９に示す斜面５３は、窒素−空孔対の蛍光強度のマイクロ波周波数スペクトルにおける最も急峻な斜面である。図９において、制御回路１９から出力されるオフセット値ＯＳＤに対応する周波数値を周波数ｆｅとし、発振器ＯＳＣの出力周波数の初期値が周波数ｆ０であったとすると、制御回路１９から出力される周波数設定信号ＦＳＴのタイミングの度に、周波数ｆ１、周波数ｆ２と変化して、周波数ｆｅに収束していく。
【００９９】
〈制御回路およびマイクロ波源の動作〉
図１０は、図８に示す制御回路１９およびマイクロ波源２０における各信号のタイミング例を示すタイミングチャートである。
【０１００】
図１０において、上方から下方にかけては、光源オン信号ＬＯＳ、オフセット信号ＯＳ、周波数設定信号ＦＳＴ、周波数補正値ＣＯＲ、オン／オフ制御信号ＣＴＲ、露光信号ＥＸＰ、読み出し信号ＲＤ、レジスタクロックＲＣＫ、およびリセット信号ＲＴにおける各信号の出力タイミングを示している。なお、前述したように、周波数補正値ＣＯＲは、利得調整器ＧＣＴから出力され、それ以外の各種信号は、制御回路１９から出力される。
【０１０１】
図１０においては、光源オン信号ＬＯＳを印加して、レジスタＲＥＧの初期化を行った後、発振器ＯＳＣの出力周波数初期値が、図９に示すように、平衡値である周波数ｆｅに向けて収束していく過程を示すものである。
【０１０２】
光源オン信号ＬＯＳの印加後、リセット信号ＲＴにより、レジスタＲＥＧがリセットされ、信号処理回路１８から出力される積算出力および利得調整器ＧＣＴから出力される周波数補正値ＣＯＲは、ゼロ値となる。
【０１０３】
その後、オフセットレジスタＯＦＲは、制御回路１９から出力されるオフセット信号ＯＳに基づいて、オフセット値ＯＳＤを読み込む。続いて、制御回路１９から出力される周波数設定信号ＦＳＴによって、発振器ＯＳＣの周波数がセットされるが、この時点では、制御回路１９が供給する周波数初期値ＦＩＮがそのままセットされる。そして、制御回路１９のオン／オフ制御信号ＣＴＲが増幅器ＡＭＰに入力されることによって、マイクロ波の照射がオン/オフ制御される。
【０１０４】
制御回路１９の露光信号ＥＸＰは、オン／オフ制御信号ＣＴＲが安定して一定値を有している期間の中に印加される。制御回路１９の読み出し信号ＲＤは、次のオン／オフ制御信号ＣＴＲの変化タイミングにおいて印加され、このタイミングでイメージセンサ１６の画素信号出力が演算器ＯＰＡに読み込まれる。
【０１０５】
ここで、イメージセンサ１６の画素信号出力は、マイクロ波のオン時とオフ時とで異なる極性の演算入力端子、すなわち第１の演算入力端子と第２の演算入力端子とにそれぞれ読み込まれる。
【０１０６】
このため、オン／オフ制御信号ＣＴＲの１サイクル後には、イメージセンサ１６の画素信号出力のマイクロ波オン時とオフ時の差分がレジスタＲＥＧに入力される。
【０１０７】
レジスタＲＥＧの出力は、演算器ＯＰＡの第４の演算入力端子に帰還されているので、Ｎサイクルのオン／オフ制御信号ＣＴＲの後には、Ｎサイクル分積算した値が積算出力としてマイクロ波源２０に出力される。これを反映して、次の周波数設定信号ＦＳＴの印加時には、利得調整器ＧＣＴから出力される周波数補正値ＣＯＲが周波数ｆ０となる。
【０１０８】
以降、同様の処理が繰り返されることによって、利得調整器ＧＣＴが出力する周波数補正値ＣＯＲは、周波数ｆ１、周波数ｆ２、と変化し、周波数ｆｅに収束していくことになる。
【０１０９】
なお、イメージセンサ１６において、空間分解能を実現する必要がない場合、すなわち、特定の画素の位置の磁場のみを計測すればよい場合、または一群の画素に対応した位置の平均の磁場のみを計測すればよい場合には、計測時間の全てを積算に用いることが可能であるので、ノイズ低減の効率がよいことになる。
【０１１０】
画素単位にてイメージセンサ１６の全画素分の磁場計測を行う場合には、時系列にシリアルに１つ１つの画素２６に対して磁場を計測していく必要がある。イメージセンサの画素数が、例えばＮ×Ｎである場合には、１画素の積算の収束に要する時間をＴとすると、全画素での磁場計測に必要な時間は、Ｎ×Ｎ×Ｔとなる。
【０１１１】
ここで、信号処理回路１８がイメージセンサ画素出力自身を積算するのではなく、マイクロ波の照射時と非照射時との差分の積算を行っているのは、窒素−空孔対以外の蛍光を含む背景雑音を除去するためである（例えば非特許文献２のＳＩＰ(Selective Imaging Protocol)技術参照）。
【０１１２】
以上により、ダイヤモンド結晶１５の窒素−空孔対２５とイメージセンサ１６の画素２６とをそれぞれ１：１に対応付けして事前校正処理を行うことによって、窒素−空孔対２５における４種類の方位をすべて活用することができるので、磁気計測の精度を向上させることができる。
【０１１３】
また、信号処理回路１８によって、画素単位の空間分解能を実現することができるので、磁気計測の効率を向上させることができる。
【０１１４】
（実施の形態２）
〈概要〉
前記実施の形態１の図６における磁気計測装置１０では、イメージセンサ１６の画素単位において、空間分解能を実現する構成について示したが、本実施の形態２においては、イメージセンサ１６のブロック単位において空間分解能を実現する例ついて説明する。
【０１１５】
〈磁気計測装置の構成例〉
図１１は、実施の形態２による磁気計測装置１０における構成の一例を示す説明図である。
【０１１６】
図１１の磁気計測装置１０は、イメージセンサ１６の画素出力をマイクロ波源２０への周波数変調の入力として負帰還制御することによって、イメージセンサ１６のブロック単位での空間分解能を実現する。
【０１１７】
図１１の磁気計測装置１０は、図６と同様に、青緑色光源１２、レンズ１３、ダイクロイックミラー１４、ダイヤモンド結晶１５、イメージセンサ１６、制御部１７、マイクロ波源２０、およびコイル２１を有する。
【０１１８】
また、制御部１７については、信号処理回路１８および制御回路１９からなる図６の構成に、新たに演算器ＯＰＮが設けられている。この演算器ＯＰＮは、信号処理回路１８とイメージセンサ１６との間に設けられている。
【０１１９】
図１１において、演算器ＯＰＮは、等方向の窒素−空孔対２５に対応するイメージセンサ１６の画素出力を加算するという処理をシンボル的に示したものである。演算器ＯＰＮの実際の処理は、シリアルに読み出したイメージセンサ１６の各画素の出力のうち、等方向の窒素−空孔対２５に対応する部分の出力を加算する。
【０１２０】
ここで、イメージセンサ１６の各ブロック４１においては、前記実施の形態１において述べた事前校正処理によって、ダイヤモンド結晶１５の各窒素−空孔対２５における方位がわかっている。よって、制御回路１９は、同じ方位の窒素−空孔対２５に対応する画素２６を特定することができるので、ブロック４１毎に特定した画素２６からの信号のみを選択するように、制御信号を演算器ＯＰＮに出力する。
【０１２１】
この演算器ＯＰＮから出力される信号は、信号処理回路１８の演算器ＯＰＡに入力される。このように、信号処理回路１８は、ブロック４１内で等方向の窒素−空孔対２５に対応するイメージセンサ１６の画素出力を集めたものが入力されており、マイクロ波の照射時と非照射時との差分の積算値が一定となるようにマイクロ波源２０への周波数変調入力にフィードバックを行う。なお、信号処理回路１８の回路構成については、図８と同様であるので、説明は省略する。
【０１２２】
イメージセンサ１６の画素数が例えばＮ×Ｎ、イメージセンサ１６のブロック４１のサイズが例えばｎ×ｎであり、１つの画素２６の積算の収束に要する時間をＴとすると、全画素での磁場計測に必要な時間はＮ／ｎ×Ｎ／ｎ×Ｔ×４となる。ここで、×４は、ブロック４１内で窒素−空孔対２５の４つの方位の計測を独立に行うために必要となる。
【０１２３】
〈ブロックサイズの構成例〉
図１２は、図１１の磁気計測装置１０に用いられるイメージセンサ１６における画素数とブロックサイズの構成の一例を示す説明図である。
【０１２４】
図１２に示すイメージセンサ１６において、画素数、すなわちイメージセンサ１６が有する画素２６の数は、２０×２０である。これら画素２６には、ダイヤモンド結晶が有する２０×２０個の窒素−空孔対２５がそれぞれ対応していることになる。
【０１２５】
イメージセンサ１６のブロックサイズ、すなわちイメージセンサ１６の個々のブロック４１が有する画素２６の数は、４×４であり、解像度５×５の２次元計測が行われる例を示している。
【０１２６】
１つのブロック４１における窒素−空孔対２５の方位は、４種類であるので、１画素の積算の収束に要する時間をＴとすると、図１２のイメージセンサ１６の場合、全画素での磁場計測に必要な時間は、５×５×Ｔ×４=１００Ｔとなる。
【０１２７】
以上のように、図１１の磁気計測装置１０では、イメージセンサ１６のブロック単位での空間分解能を実現することができるので、磁気計測の効率をより向上させることができる。
【０１２８】
（実施の形態３）
〈磁気計測装置の構成例〉
図１３は、実施の形態３による磁気計測装置１０における構成の一例を示す説明図である。
【０１２９】
図１３に示す磁気計測装置１０は、前記実施の形態２の図１１の構成において、マイクロ波源２０の代わりに、照射部となる高周波回路チップ２７が設けられた構成となっている。また、制御部１７は、信号処理アレイ６０および制御回路１９から構成されている。
【０１３０】
この信号処理アレイ６０は、複数の信号処理部６１を有する。信号処理部６１は、図１１に示す信号処理回路１８および演算器ＯＰＮを有する構成からなる。なお、図１３では、代表例として３つの信号処理部６１における接続関係を示しているが、実際には、信号処理部６１は、イメージセンサ１６のブロック４１毎にそれぞれ設けられている。
【０１３１】
〈信号処理部の接続例〉
図１４は、図１３の磁気計測装置１０が有する信号処理部６１の接続例を示した説明図である。図１４の左側には、磁気計測装置１０の構成が示されている。また、図１４の右側の上方から下方にかけては、イメージセンサ１６のブロック４１、およびブロック４１に対応するダイヤモンド結晶１５のブロック４０およびブロック４０に対応する後述する高周波回路部２８の拡大図をそれぞれ示している。
【０１３２】
信号処理部６１は、信号処理回路１８および演算器ＯＰＮを有する。演算器ＯＰＮは、等方向の窒素−空孔対２５に対応するイメージセンサ１６のブロック４１毎の画素出力を加算するという処理をシンボル的に示したものである。よって、演算器ＯＰＮは、シリアルに読み出したイメージセンサ１６のあるブロック４１が有する各画素の出力のうち、等方向の窒素−空孔対２５に対応する部分の出力を加算する。
【０１３３】
演算器ＯＰＮによる加算値は、信号処理回路１８に入力される。信号処理回路１８における処理は、前記実施の形態２と同様である。信号処理回路１８から出力された積算出力は、周波数設定信号として高周波回路チップ２７に入力される。
【０１３４】
この高周波回路チップ２７は、例えば２．８７ＧＨｚ程度のマイクロ波をダイヤモンド結晶１５に照射する。高周波回路チップ２７は、ダイヤモンド結晶１５の下方に近接して配置されている。
【０１３５】
高周波回路チップ２７は、複数の高周波回路部２８が格子状に設けられた構成からなり、これら高周波回路部２８は、ダイヤモンド結晶１５が有するブロック４０と同じ数だけ設けられている。言い換えれば、高周波回路部２８は、ダイヤモンド結晶１５におけるブロック４０毎に、それぞれ対応するように設けられている。よって、イメージセンサ１６のブロック４１、ダイヤモンド結晶１５のブロック４０、および信号処理アレイ６０の信号処理部６１は、すべて１：１：１と対応する数を有する。
【０１３６】
高周波回路部２８は、ダイヤモンド結晶１５のブロック４０に、該ダイヤモンド結晶１５の裏面側からマイクロ波を照射する。高周波回路部２８が照射するマイクロ波は、各信号処理部６１から出力される周波数設定信号によって周波数を変調させる。
【０１３７】
高周波回路部２８は、ループアンテナ２８ａおよびループアンテナ２８ａに高周波電流を印加する高周波回路２８ｂを有する。
【０１３８】
高周波回路チップ２７を用いることにより、ダイヤモンド結晶１５の複数のブロック４０毎に、並行して独立したマイクロ波の照射を行うことが可能となり、磁気計測の効率をより向上させることができる。
【０１３９】
図１３に示した例では、イメージセンサ１６の画素数が２０×２０であり、ダイヤモンド結晶１５の窒素−空孔対数も２０×２０である。また、イメージセンサ１６およびダイヤモンド結晶１５が有するブロック数は、いずれも５×５である。よって、信号処理部６１の数も、５×５となる。
【０１４０】
〈高周波回路チップの構成例〉
図１５は、図１３の磁気計測装置１０に設けられる高周波回路チップ２７の構成の一例を示す説明図である。この図１５では、図１３に示したイメージセンサ１６に対応する高周波回路チップ２７を例として説明する。高周波回路チップ２７においては、ノイズ低減のため、例えば双対配線が行われている。
【０１４１】
高周波回路チップ２７は、図１５（ａ）に示すように、イメージセンサ１６のブロック数に対応しており、高周波回路部２８の数は、５×５となっている。高周波回路チップ２７は、高周波回路部２８を、例えば半導体チップＣＨ上に形成して配列したものである。
【０１４２】
高周波回路部２８は、図１５（ｂ）に示すように、ループアンテナ２８ａおよび高周波回路２８ｂを有している。先に述べたように、高周波回路２８ｂが生成するマイクロ波は、該高周波回路部２８に対応する信号処理部６１から出力される周波数設定信号によってそれぞれ個別に独立して変調される。
【０１４３】
半導体チップＣＨの２つの周辺部には、行アドレス線ＲＬを選択する行デコーダＲＤＣおよび列アドレス線ＣＬを選択する列デコーダＣＤＣがそれぞれ配置されている。行アドレス線ＲＬおよび列アドレス線ＣＬの終端には、終端抵抗ＲＲがそれぞれ接続されている。これにより、配線終端における信号の反射を防止し、ノイズを低減することができる。
【０１４４】
行デコーダＲＤＣおよび列デコーダＣＤＣには、図１４の制御回路１９から出力される選択信号がそれぞれ入力される。行デコーダＲＤＣは、選択信号に基づいて、任意の行アドレス線ＲＬを選択する。列デコーダＣＤＣは、選択信号に基づいて、任意の列アドレス線ＣＬを選択する。
【０１４５】
行アドレス線ＲＬは、アレイ状に配列された高周波回路部２８のうち、行方向の高周波回路部２８を選択する。列アドレス線ＣＬは、列方向の高周波回路部２８を選択する。
【０１４６】
列デコーダＣＤＣには、周波数設定信号が入力される。列デコーダＣＤＣは、周波数設定信号線ＦＳを介して列方向の高周波回路部２８に周波数設定信号を出力する。行デコーダＲＤＣは、選択信号に基づいて、任意の行アドレス線ＲＬを選択する。列デコーダＣＤＣは、選択信号に基づいて、任意の列アドレス線ＣＬを選択するとともに、周波数設定信号を出力する。
【０１４７】
選択された行アドレス線ＲＬと列アドレス線ＣＬとの交点に位置する高周波回路部２８が選択されて活性化する。また、選択された高周波回路部２８には、周波数設定信号線ＦＳを介して周波数設定信号が入力される。
【０１４８】
〈マイクロ波の照射例〉
図１６は、図１５の高周波回路チップ２７における各高周波回路部２８によるマイクロ波の照射順序の一例を示す説明図である。
【０１４９】
図１６では、図１２と同様に、画素数が２０×２０のイメージセンサ１６に、２０×２０の窒素−空孔対２５のダイヤモンド結晶１５が対応しているものとする。ブロックサイズは、４×４であり、解像度５×５の２次元計測を行う例である。また、図１６において、２５個のブロック４０に対応する高周波回路部２８を、高周波回路部２８1 〜２８25と付番する。
【０１５０】
高周波回路チップ２７において、隣接する高周波回路部２８から同時にマイクロ波を照射した場合、例えば高周波回路部２８1 と高周波回路部２８2 とによってマイクロ波を照射する場合について考える。
【０１５１】
この場合、高周波回路部２８1 と高周波回路部２８2 とに対応するダイヤモンド結晶１５におけるブロックの境界部分は、２つの高周波回路部から同時にマイクロ波の照射を受けることになり、マイクロ波の干渉などによって精度の高い計測が得られない恐れがある。
【０１５２】
そのため、鋭敏な計測を行う場合、１回の計測時には、隣接するブロックにマイクロ波を照射しないように制御を行う。例えば、２５個の高周波回路部２８1 〜２８25を、隣接しない第１〜第４のグループの４群に分けて、各々のグループを４回に分けて計測を行うものとする。図１６においては、第１グループを太線にて示し、第２グループを網掛けにて示し、第３グループを点線にて示し、第４グループを一点鎖線にて示す。各グループ内は、同時に計測する。各ブロック４０に対応する高周波回路部２８は、異なるマイクロ波にそれぞれ変調されている。
【０１５３】
第１のグループは、図１６の太線に示すように、高周波回路部２８1 ，２８3 ，２８5 ，２８11，２８13，２８15，２８21，２８23，２８25からなる。第２のグループは、図１６の網掛けに示すように、高周波回路部２８2 ，２８4 ，２８12，２８14，２８22，２８24からなる。
【０１５４】
また、第３のグループは、図１６の点線に示すように、高周波回路部２８6 ，２８8 ，２８10，２８16，２８18，２８20からなる。第４のグループは、図１６の一点鎖線に示すように、高周波回路部２８7 ，２８9 ，２８17 ，２８19からなる。このように、グループ分けすることによって、隣接したブロックにマイクロ波が照射されることを防止することができる。
【０１５５】
上記したグループ毎によるマイクロ波の照射を行った場合、１画素の積算の収束に要する時間をＴとすると、全画素での磁場計測に必要な時間は４×Ｔ×４＝１６Ｔとなる。
【０１５６】
高周波回路チップ２７を用いずに、２５個のブロック４０に対して、１個ずつ、マイクロ波の照射と、イメージセンサ出力のマイクロ波源への負帰還による計測を行う場合には、５×５×Ｔ×４＝１００Ｔの計測時間が必要となる。よって、高周波回路チップ２７を用いることにより、６倍以上の高速化を実現することができる。
【０１５７】
以上により、磁気計測の高速化を実現することができる。
【０１５８】
以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。
【０１５９】
なお、本発明は上記した実施の形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施の形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。
【０１６０】
また、ある実施の形態の構成の一部を他の実施の形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施の形態の構成に他の実施の形態の構成を加えることも可能である。また、各実施の形態の構成の一部について、他の構成の追加、削除、置換をすることが可能である。
【符号の説明】
【０１６１】
１０  磁気計測装置
１１  光源部
１２  青緑色光源
１３  レンズ
１３ａ  レンズ
１３ｂ  レンズ
１４  ダイクロイックミラー
１５  ダイヤモンド結晶
１６  イメージセンサ
１７  制御部
１８  信号処理回路
１９  制御回路
２０  マイクロ波源
２１  コイル
２５  窒素−空孔対
２６  画素
２６ａ  画素
２７  高周波回路チップ
２８  高周波回路部
２８ａ  ループアンテナ
２８ｂ  高周波回路
３１  領域
３２  領域
３７  マーカ
３７ａ  マーカ
４０  ブロック
４１  ブロック
５０  試料
５３  斜面
６０  信号処理アレイ
６１  信号処理部
ＯＦＲ  オフセットレジスタ
ＯＰＡ  演算器
ＲＥＧ  レジスタ
ＲＣＫ  レジスタクロック
ＧＣＴ  利得調整器
ＦＡＤ  周波数加算器
ＯＳＣ  発振器
ＡＭＰ  増幅器
ＯＰＮ  演算器
ＣＨ  半導体チップ
ＲＤＣ  行デコーダ
ＣＤＣ  列デコーダ
ＲＬ  行アドレス線
ＣＬ  列アドレス線
ＲＲ  終端抵抗
【図１】
0006298728.tif 000002
【図２】
0006298728.tif 000003
【図３】
0006298728.tif 000004
【図４】
0006298728.tif 000005
【図５】
0006298728.tif 000006
【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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