WO2023089944A1

WO2023089944A1 - 測定装置および測定方法

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Publication number: WO2023089944A1
Application number: PCT/JP2022/034969
Authority: WO
Inventors: 義治芳井; 憲和水落; 祐輝竹村
Original assignee: Sumida Corp; Kyoto University NUC
Current assignee: Sumida Corp; Kyoto University NUC
Priority date: 2021-11-19
Filing date: 2022-09-20
Publication date: 2023-05-25
Anticipated expiration: 2024-05-19
Also published as: EP4435409A4; US20240410843A1; JP7703149B2; JP2023075802A; US12584873B2; EP4435409A1

Abstract

受光装置１３は、励起光に対応して磁気共鳴部材１から発せられる蛍光を受光し蛍光強度に対応する蛍光センサー信号を生成する。ＣＭＲ演算部２５は、励起光の光量に対する蛍光センサー信号のレベルの非線形性を考慮して、蛍光センサー信号に対して、励起光を分岐した参照光の参照光センサー信号に基づくコモンモードリジェクションを行いＣＭＲ信号を生成する。Ａ／Ｄ変換器２６は、ＣＭＲ信号をデジタイズし、アナログデジタル変換器２７は、参照光センサー信号をデジタイズする。演算処理装置３１は、デジタイズされたＣＭＲ信号およびデジタイズされた参照光センサー信号に基づいて被測定場の測定値を導出する。

Description

測定装置および測定方法

　本発明は、測定装置および測定方法に関するものである。

　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、ラムゼイ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ＮＶセンターに印加し、（ｃ）第１のπ／２パルスから所定の時間間隔ｔｔでマイクロ波の第２のπ／２パルスをＮＶセンターに印加し、（ｄ）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、（ｅ）測定した発光量に基づいて磁束密度を導出する。また、スピ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。

　あるセンサー装置は、上述のようなＮＶセンターを含むダイヤモンドセンサーを使用した核磁気共鳴で磁場測定を行っている（例えば特許文献１参照）。

特開２０１９－１３８７７２号公報

　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においては、蛍光から得られる検出信号が微弱であるため、ノイズの影響を受けやすく、特に、照射光（レーザー光）のノイズに起因して、測定精度が低くなってしまう。

　本発明は、照射光に起因するノイズ成分を抑制して測定精度を高くする測定装置および測定方法を得ることを目的とする。

　本発明に係る測定装置は、被測定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、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、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その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を生成する蛍光受光装置と、蛍光センサー信号に対して、その励起光を分岐して得られる参照光を受光して生成される参照光センサー信号に基づくコモンモードリジェクションを行い、コモンモードリジェクションに基づくＣＭＲ信号を生成するＣＭＲ演算部と、ＣＭＲ信号をデジタイズする第１アナログデジタル変換器と、その励起光を分岐して得られる参照光を受光して生成される参照光センサー信号をデジタイズする第２アナログデジタル変換器と、デジタイズされたＣＭＲ信号およびデジタイズされた参照光センサー信号に基づいて検出信号を生成し、その検出信号に基づいて被測定場の測定値を導出する演算処理装置とを備える。そして、ＣＭＲ演算部は、上述の励起光の光量に対する蛍光センサー信号のレベルの非線形性を考慮して上述のコモンモードリジェクションを行う。また、演算処理装置は、デジタイズされたＣＭＲ信号、または検出信号に対して、ノイズ除去用のデジタルフィルター処理を実行する。

　本発明に係る測定方法は、（ａ）被測定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、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その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を生成し、（ｃ）励起光の光量に対する蛍光センサー信号のレベルの非線形性を考慮して、蛍光センサー信号に対して、励起光を分岐して得られる参照光を受光して生成される参照光センサー信号に基づくコモンモードリジェクションを行い、コモンモードリジェクションに基づくＣＭＲ信号を生成し、（ｄ）ＣＭＲ信号をデジタイズし、（ｅ）励起光を分岐して得られる参照光を受光して生成される参照光センサー信号をデジタイズし、（ｆ）デジタイズされたＣＭＲ信号およびデジタイズされた参照光センサー信号に基づいて検出信号を生成し、その検出信号に基づいて被測定場の測定値を導出する。そして、デジタイズされたＣＭＲ信号、または検出信号に対して、ノイズ除去用のデジタルフィルター処理を実行する。

　本発明によれば、照射光に起因するノイズ成分を抑制して測定精度を高くする測定装置および測定方法が得られる。

図１は、本発明の実施の形態に係る測定装置の構成を示すブロック図である。図２は、励起光の光量に対する蛍光センサー信号のレベルの非線形性について説明する図である。図３は、測定シーケンスの一例を示す図である。図４は、参照光センサー信号ｒｅｆ１（ｔ），ｒｅｆ２（ｔ）、蛍光センサー信号ＰＬ（ｔ）、ＣＭＲ信号ＣＭＲ＿ＳＩＧ（ｔ）、および検出信号ＳＤ（ｔ）について説明する図である。図５は、窓関数の周波数特性の一例を示す図である。図６は、図１に示す実施の形態に係る測定装置の動作（つまり、測定方法）について説明するフローチャートである。

　以下、図に基づいて本発明の実施の形態を説明する。

　図１は、本発明の実施の形態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。

　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し、直流場でもよい。

　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。

　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。

　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。

　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。

　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。

　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。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。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。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。

　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。

　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。

　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。

　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。

　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。

　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。

　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。

　ここで、測定原理について説明する。

　上述の励起光の強度Ｉは、次式のように、本来の強度Ｉ_{ｌａｓｅｒ}とノイズ成分の強度Ｉ_{ｎｏｉｓｅ}との和となっている。なお、このノイズ成分は、発光装置１２の電源電圧のふらつきや光源の発光量のふらつきなどに起因して発生し、例えばｋＨｚオーダー程度から１００ｋＨｚオーダー程度の範囲の周波数を有する。

　Ｉ＝Ｉ_{ｌａｓｅｒ}＋Ｉ_{ｎｏｉｓｅ}

　また、蛍光センサー信号ＰＬのレベルは、基本的には励起光の強度Ｉが大きいほど高くなる。ただし、被測定場による電子スピン量子状態の変化に起因して、測定時の励起光照射開始時点の蛍光強度が小さくなっており、その後、被測定場による電子スピン量子状態の変化の影響がなくなるまで、蛍光強度が徐々に大きくなっていく。そのため、その被測定場による電子スピン量子状態の変化に起因する蛍光センサー信号ＰＬのレベル変動分α_ｃｏｎｔ（ｔ）に比例する検出信号ＳＤが、被測定場を示す信号として導出される。蛍光センサー信号ＰＬは、次式で表される。ここで、当該蛍光強度は比較的低いため、蛍光センサー信号ＰＬのレベルは、非線形性を有する。図２は、励起光の光量に対する蛍光センサー信号のレベルの非線形性について説明する図である。例えば図２に示すように、蛍光センサー信号ＰＬのレベルの傾きは、蛍光強度が小さいほど、大きくなっている。

　ＰＬ（ｔ）＝α（ｔ）×ｆ（Ｉ）＝（α_ｉｎｉｔ＋α_ｃｏｎｔ（ｔ））×Ｉ＝（α_ｉｎｉｔ＋α_ｃｏｎｔ（ｔ））×ｆ（Ｉ_{ｌａｓｅｒ}＋Ｉ_{ｎｏｉｓｅ}）

　ここで、α_ｉｎｉｔは、励起光の強度Ｉに対して比例する部分（被測定場による電子スピン量子状態の変化に影響を受けない部分）を示す係数であり、ｆは、励起光の強度Ｉに対する非線形性を示す関数である。例えば、ｆは、Ｎ次式（Ｎ≧２）であり、この実施の形態では、ｆは２次式（ｆ（ｘ）＝ｘ＋γ・ｘ^２，γは定数）である。この場合の蛍光センサー信号ＰＬは、次式で表される。

　なお、この関数ｆや定数γは、受光装置１３のセンサーについての実験などにより予め導出される。また、この関数ｆは、指数関数などといった他の関数形を有していてもよい。

　ＰＬ（ｔ）＝α（ｔ）×ｆ（Ｉ）＝（α_ｉｎｉｔ＋α_ｃｏｎｔ（ｔ））×Ｉ＝（α_ｉｎｉｔ＋α_ｃｏｎｔ（ｔ））×｛（Ｉ_{ｌａｓｅｒ}＋Ｉ_{ｎｏｉｓｅ}）＋γ（Ｉ_{ｌａｓｅｒ}＋Ｉ_{ｎｏｉｓｅ}）^２｝＝α_ｉｎｉｔ｛（γＩ_{ｌａｓｅｒ} ^２＋Ｉ_{ｌａｓｅｒ}）＋（２γＩ_{ｌａｓｅｒ}＋１）Ｉ_{ｎｏｉｓｅ}＋γＩ_{ｎｏｉｓｅ} ^２｝＋α_ｃｏｎｔ（ｔ）｛（Ｉ_{ｌａｓｅｒ}＋Ｉ_{ｎｏｉｓｅ}）＋γ（Ｉ_{ｌａｓｅｒ}＋Ｉ_{ｎｏｉｓｅ}）^２｝

　他方、励起光から分岐した参照光の参照光センサー信号のレベルｒｅｆは、励起光の強度Ｉに比例するため、次式のように表される。ここで、当該参照光の強度は比較的高いため、参照光センサー信号ＰＬのレベルは、参照光強度に対して線形（比例）となる。

　ｒｅｆ＝ｒｅｆ１＝ｒｅｆ２＝β×Ｉ＝β×（Ｉ_{ｌａｓｅｒ}＋Ｉ_{ｎｏｉｓｅ}）

　ここで、βは、定数である。なお、ｒｅｆ１，ｒｅｆ２については後述する。

　具体的には、ＰＬは、テーラー展開し、Ｉ_{ｎｏｉｓｅ}＜＜Ｉ_{ｌａｓｅｒ}であるため３次項以降を無視することで、上述の式で示される。また、以下のように、上述のＰＬおよびｒｅｆをＩ_{ｎｏｉｓｅ}でテーラー展開（マクローリン展開）し、３次項以降を無視して近似することで、そのＰＬおよびｒｅｆからＣＭＲ信号ＣＭＲ＿ＳＩＧ（ｔ）が導出される。なお、以下の式において、ＰＬ（Ｉ_{ｌａｓｅｒ}＋Ｉ_{ｎｏｉｓｅ}）は、ＰＬが（Ｉ_{ｌａｓｅｒ}＋Ｉ_{ｎｏｉｓｅ}）の関数であることを示し、ＰＬ（Ｉ_{ｌａｓｅｒ}）は、Ｉ_{ｎｏｉｓｅ}を０としたときのＰＬである。同様に、ｒｅｆ（Ｉ_{ｌａｓｅｒ}＋Ｉ_{ｎｏｉｓｅ}）は、ｒｅｆが（Ｉ_{ｌａｓｅｒ}＋Ｉ_{ｎｏｉｓｅ}）の関数であることを示し、ｒｅｆ（Ｉ_{ｌａｓｅｒ}）は、Ｉ_{ｎｏｉｓｅ}を０としたときのｒｅｆである。なお、ＰＬ’は、Ｉ_{ｎｏｉｓｅ}＝０での、Ｉ_{ｎｏｉｓｅ}についてのＰＬの１次微分係数であり、ｒｅｆ’は、Ｉ_{ｎｏｉｓｅ}＝０での、Ｉ_{ｎｏｉｓｅ}についてのｒｅｆの１次微分係数である。

　ＰＬ（Ｉ_{ｌａｓｅｒ}＋Ｉ_{ｎｏｉｓｅ}）＝ＰＬ（Ｉ_{ｌａｓｅｒ}）＋ＰＬ’（Ｉ_{ｌａｓｅｒ}）Ｉ_{ｎｏｉｓｅ}＋・・・

　ｒｅｆ（Ｉ_{ｌａｓｅｒ}＋Ｉ_{ｎｏｉｓｅ}）＝ｒｅｆ（Ｉ_{ｌａｓｅｒ}）＋ｒｅｆ’（Ｉ_{ｌａｓｅｒ}）Ｉ_{ｎｏｉｓｅ}＋・・・

　ここで、Ｉ_{ｎｏｉｓｅ}＜＜Ｉ_{ｌａｓｅｒ}であるため、Ｉ_{ｎｏｉｓｅ}の３次項以降は無視できる。そのため、上述のＰＬおよびｒｅｆは、以下の式に近似される。

　ＰＬ（Ｉ_{ｌａｓｅｒ}＋Ｉ_{ｎｏｉｓｅ}）＝ＰＬ（Ｉ_{ｌａｓｅｒ}）＋ＰＬ’（Ｉ_{ｌａｓｅｒ}）Ｉ_{ｎｏｉｓｅ}

　ｒｅｆ（Ｉ_{ｌａｓｅｒ}＋Ｉ_{ｎｏｉｓｅ}）＝ｒｅｆ（Ｉ_{ｌａｓｅｒ}）＋ｒｅｆ’（Ｉ_{ｌａｓｅｒ}）Ｉ_{ｎｏｉｓｅ}

　ここで、ＰＬ（ｔ）に対してコモンモードリジェクションが実行され、ＣＭＲ信号が生成される。具体的には、ＣＭＲ信号ＣＭＲ＿ＳＩＧ（ｔ）は、α_ｉｎｉｔについてのＩ_{ｎｏｉｓｅ}の影響が除去されるように、次式で導出される。

　ＣＭＲ＿ＳＩＧ（ｔ）＝ＰＬ－（ＰＬ’（Ｉ_{ｌａｓｅｒ}）／ｒｅｆ’（Ｉ_{ｌａｓｅｒ}））ｒｅｆ

　ここで、ＰＬ’（Ｉ_{ｌａｓｅｒ}）／ｒｅｆ’（Ｉ_{ｌａｓｅｒ}）＝α_ｉｎｉｔ（２γＩ_{ｌａｓｅｒ}＋１）／βであるので、ＣＭＲ信号ＣＭＲ＿ＳＩＧ（ｔ）は、次式のようになる。なお、次式では、時間ｔに拘わらず定数である項（後述）を除去するために、定数α_ｉｎｉｔγＩ_{ｌａｓｅｒ} ^２が加算されている。

　ＣＭＲ＿ＳＩＧ（ｔ）＝ＰＬ（ｔ）－α_ｉｎｉｔ（２γＩ_{ｌａｓｅｒ}＋１）／β×ｒｅｆ（ｔ）＋α_ｉｎｉｔγＩ_{ｌａｓｅｒ} ^２＝α_ｃｏｎｔ（ｔ）｛（Ｉ_{ｌａｓｅｒ}＋Ｉ_{ｎｏｉｓｅ}）＋γ（Ｉ_{ｌａｓｅｒ}＋Ｉ_{ｎｏｉｓｅ}）^２｝

　ここで、ＰＬ（ｔ）における、α_ｉｎｉｔ｛（Ｉ_{ｌａｓｅｒ}＋Ｉ_{ｎｏｉｓｅ}）＋γ（Ｉ_{ｌａｓｅｒ}＋Ｉ_{ｎｏｉｓｅ}）^２｝については、十分小さい項γＩ_{ｎｏｉｓｅ} ^２を無視し、α_ｉｎｉｔ｛（Ｉ_{ｌａｓｅｒ}＋Ｉ_{ｎｏｉｓｅ}）＋γ（Ｉ_{ｌａｓｅｒ}＋Ｉ_{ｎｏｉｓｅ}）^２｝＝α_ｉｎｉｔ（γＩ_{ｌａｓｅｒ}＋１）Ｉ_{ｌａｓｅｒ}＋α_ｉｎｉｔ（２γＩ_{ｌａｓｅｒ}＋１）Ｉ_{ｎｏｉｓｅ}＝α_ｉｎｉｔ（２γＩ_{ｌａｓｅｒ}＋１）×（Ｉ_{ｌａｓｅｒ}＋Ｉ_{ｎｏｉｓｅ}）－α_ｉｎｉｔγＩ_{ｌａｓｅｒ}としている。

　そして、上述の検出信号ＳＤ（ｔ）は、次式のように導出される。これにより、α_ｃｏｎｔ（ｔ）についてのＩ_{ｎｏｉｓｅ}の影響が除去される。

　ＳＤ（ｔ）＝α_ｃｏｎｔ（ｔ）＝ＣＭＲ＿ＳＩＧ（ｔ）／（ｒｅｆ（ｔ）＋γ・ｒｅｆ（ｔ）^２）

　検出信号ＳＤ（ｔ）のピーク値（ｔ＝０の値）や時間積分値が被測定場の強度と相関があるため、検出信号ＳＤ（ｔ）のピーク値や時間積分値と被測定場の強度との対応関係を予め実験などで特定しておき、その対応関係を示す計算式やテーブルを使用して、検出信号ＳＤ（ｔ）のピーク値や時間積分値から被測定場の強度が導出される。

　このような測定原理に基づき、以下に述べる構成が設けられている。

　図１に示す測定装置は、さらに、発光装置１２から磁気共鳴部材１までの励起光の光路上に、光学素子としての光分離部２１，２２を備える。光分離部２１，２２は、それぞれ、励起光の一部を、励起光から分岐させ、参照光として別の方向に出射する。例えば、光分離部２１，２２は、偏向無依存型のビームスプリッターである。

　また、図１に示す測定装置は、参照光を受光し、その参照光の強度に対応する参照光センサー信号ｒｅｆ１，ｒｅｆ２（上述のｒｅｆ）を生成する受光装置２３，２４を備える。

　この実施の形態では、励起光から２つの参照光が別々に生成され、２つの参照光センサー信号ｒｅｆ１，ｒｅｆ２が生成される。参照光センサー信号ｒｅｆ１は、後述のコモンモードリジェクションに使用され、参照光センサー信号ｒｅｆ２は、デジタイズされ、検出信号ＳＤの生成に使用される。

　さらに、図１に示す測定装置は、アナログ演算回路としてのＣＭＲ演算部２５を備える。ＣＭＲ演算部２５は、蛍光センサー信号ＰＬに対して、参照光センサー信号ｒｅｆ１に基づくコモンモードリジェクションを行い、そのコモンモードリジェクションに基づくＣＭＲ信号ＣＭＲ＿ＳＩＧを生成する。具体的には、ＣＭＲ演算部２５は、係数部２５ａと、オフセット除去部２５ｂと、差動アンプ２５ｃとを備える。係数部２５ａは、所定係数α_ｉｎｉｔ（２γＩ_{ｌａｓｅｒ}＋１）／βを参照光センサー信号ｒｅｆ１に乗算する。オフセット除去部２５ｂは、上述のオフセット分を示す定数α_ｉｎｉｔγＩ_{ｌａｓｅｒ} ^２を係数部２５ａの出力信号ｒｅｆ１×α_ｉｎｉｔ（２γＩ_{ｌａｓｅｒ}＋１）／βから減算する。差動アンプ２５ｃは、蛍光センサー信号ＰＬと、オフセット除去部２５ｂの出力信号ｒｅｆ１×α_ｉｎｉｔ（２γＩ_{ｌａｓｅｒ}＋１）／β－α_ｉｎｉｔγＩ_{ｌａｓｅｒ} ^２との差分を演算し、その演算結果をＣＭＲ信号ＣＭＲ＿ＳＩＧとして出力する。なお、図１では、オフセット除去部２５ｂは、上述のオフセット分を示す定数α_ｉｎｉｔγＩ_{ｌａｓｅｒ} ^２を係数部２５ａの出力信号ｒｅｆ１×α_ｉｎｉｔ（２γＩ_{ｌａｓｅｒ}＋１）／βから減算しているが、その代わりに、上述のオフセット分を示す定数α_ｉｎｉｔγＩ_{ｌａｓｅｒ} ^２を蛍光センサー信号ＰＬに加算してもよいし、あるいは、上述のオフセット分を示す定数α_ｉｎｉｔγＩ_{ｌａｓｅｒ} ^２を差動アンプ２５ｃの出力信号に加算してもよい。

　なお、アナログ演算回路としての係数部２５ａを設けてもよいし、係数部２５ａを設けずに、受光装置２３のゲインを調整して、所定係数α_ｉｎｉｔ（２γＩ_{ｌａｓｅｒ}＋１）／βを乗算した参照光センサー信号を出力するようにしてもよい。

　さらに、図１に示す測定装置は、ＣＭＲ信号ＣＭＲ＿ＳＩＧおよび参照センサー信号ｒｅｆ２をそれぞれデジタイズするアナログデジタル変換器２６，２７、および測定装置の制御および信号処理を行う演算処理装置３１を備える。

　アナログデジタル変換器２６，２７は、所定のビット数かつ所定のサンプリング周期（速度）で、ＣＭＲ信号ＣＭＲ＿ＳＩＧおよび参照センサー信号ｒｅｆ２をそれぞれデジタイズし、デジタイズしたＣＭＲ信号ＣＭＲ＿ＳＩＧおよび参照センサー信号ｒｅｆ２を演算処理装置３１に出力する。

　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および演算部４２として動作させ、また、不揮発性の記憶装置４３を備える。

　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および演算部４２として動作する。

　測定制御部４１は、所定の測定シーケンスに従って、（ａ）高周波電源１１および発光装置１２を制御し、（ｂ）上述のようにデジタイズされたＣＭＲ信号ＣＭＲ＿ＳＩＧおよび参照光センサー信号ｒｅｆ２を取得してＲＡＭや記憶装置４３に記憶し、演算部４２に、被測定場の測定値を導出させる。

　この測定シーケンスは、被測定場の周波数などに従って設定される。例えば、被測定場が比較的高周波数の交流場である場合には、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。ただし、測定シーケンスは、これに限定されるものではない。また、例えば、被測定場が比較的低周波数の交流場である場合、被測定場の１周期において、複数回、ラムゼイパルスシーケンス（つまり、直流場の測定シーケンス）で、その物理場の測定を行い、それらの測定結果に基づいて、被測定場（強度、波形など）を特定するようにしてもよい。

　図３は、測定シーケンスの一例を示す図である。図３は、スピンエコーパルスシーケンスの場合の、被測定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３に示すように、励起光の照射期間において、蛍光が検出される。

　図４は、参照光センサー信号ｒｅｆ１（ｔ），ｒｅｆ２（ｔ）、蛍光センサー信号ＰＬ（ｔ）、ＣＭＲ信号ＣＭＲ＿ＳＩＧ（ｔ）、および検出信号ＳＤ（ｔ）について説明する図である。

　図４に示すように、参照光センサー信号ｒｅｆ１（ｔ），ｒｅｆ２（ｔ）は、照射期間の略矩形のパルス信号となり、蛍光センサー信号ＰＬ（ｔ）は、照射期間において徐々に立ち上がり一定レベルに収束するパルス信号となる。そして、コモンモードリジェクションによって、ＣＭＲ信号ＣＭＲ＿ＳＩＧ（ｔ）が得られる。

　そして、演算部４２は、上述のように、デジタイズされたＣＭＲ信号ＣＭＲ＿ＳＩＧ（ｔ）およびデジタイズされた参照光センサー信号ｒｅｆ２（ｔ）から、α_ｃｏｎｔ（ｔ）に比例する検出信号ＳＤ（ｔ）を計算して生成し、その検出信号ＳＤ（ｔ）に基づいて被測定場の測定値（ここでは、磁束密度や磁場の波形など）を導出する。

　また、演算部４２は、デジタイズされたＣＭＲ信号ＣＭＲ＿ＳＩＧ（ｔ）、または検出信号ＳＤ（ｔ）に対して、ノイズ除去用のデジタルフィルター処理を実行する。

　この実施の形態では、演算部４２は、このデジタルフィルター処理において、デジタイズされたＣＭＲ信号ＣＭＲ＿ＳＩＧ（ｔ）、または検出信号ＳＤ（ｔ）に対して窓関数を適用し、その信号の高周波成分（高周波数のノイズ成分）を減衰させる。窓関数は、ＦＩＲ（Finite Impulse Response）フィルターである。

　図５は、窓関数の周波数特性の一例を示す図である。上述の窓関数は、例えば図５に示すような周波数特性を有し、高周波ノイズ成分（この場合、約１０ｋＨｚ以上の成分を減衰させる。

　さらに、この実施の形態では、演算部４２は、上述のデジタルフィルター処理とは別に、ノイズ除去処理を実行する。ノイズ除去処理において、演算部４２は、（ａ）励起光の照射期間の前半部分および後半部分において、それぞれ、複数回得られる（所定サンプリング数の）、デジタイズされたＣＭＲ信号の値を積算し、（ｂ）その前半部分についてのＣＭＲ信号の積算値（総和や平均）とその後半部分についてのＣＭＲ信号の積算値（総和や平均）との差分を計算してＣＭＲ信号におけるノイズ成分を除去する。

　例えば図４に示すように、前半部分における期間Ｐ１（照射開始時刻（ｔ＝０）から所定時間長の期間）において、所定サンプリング数のＣＭＲ信号の値が取得され、後半部分における期間Ｐ２（照射終了時刻（ｔ＝ｔｅ）まで所定時間長の期間）において、所定サンプリング数のＣＭＲ信号の値が取得され、前半部分の積算値から後半部分の積算値を減算して、その減算結果の値をＣＭＲ信号の値とすることで、ＣＭＲ信号のノイズ成分が抑制される。

　また、この実施の形態では、アナログデジタル変換器２６は、アナログデジタル変換器２７に比べ高速に動作し、アナログデジタル変換器２７は、アナログデジタル変換器２６に比べ高精度のデジタイズを行う。

　例えば、アナログデジタル変換器２６は、例えば２００Ｍサンプル／秒で、入力アナログ信号を２０ビットのデジタル信号へ変換し、アナログデジタル変換器２７は、例えば１００ｋサンプル／秒で、入力アナログ信号を２４ビットのデジタル信号へ変換する。

　なお、アナログデジタル変換器２６によりアナログデジタル変換されたＣＭＲ信号は、比較的早く変化するため、高速なアナログデジタル変換器２６でサンプリングされ、上述のように、複数サンプリングに基づくノイズ除去が行われる。他方、上述のように、アナログデジタル変換器２７によりアナログデジタル変換された参照光センサー信号ｒｅｆ２は、ＣＭＲ信号における、励起光のノイズ成分Ｉ_{ｎｏｉｓｅ}の影響を理論上消すための演算に使用され、検出される蛍光センサー信号ＰＬにおけるレベル変動分α_ｃｏｎｔ（ｔ）とノイズ成分強度Ｉ_{ｎｏｉｓｅ}との積の項の、蛍光センサー信号ＰＬの電圧レベルに対する相対的な電圧レベルに応じた精度でその演算をする必要があるため、比較的高精度のアナログデジタル変換器２７でサンプリングされる。

　次に、当該実施の形態に係る測定装置の動作について説明する。図６は、図１に示す実施の形態に係る測定装置の動作（つまり、測定方法）について説明するフローチャートである。

　被測定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。

　次に、測定制御部４１は、所定の測定シーケンスに従って、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（ステップＳ１）。

　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から蛍光センサー信号ＰＬ（アナログ信号）が出力され、受光装置２３，２４から参照光センサー信号ｒｅｆ１，ｒｅｆ２（アナログ信号）がそれぞれ出力される（ステップＳ２）。そして、ＣＭＲ演算部２５により、蛍光センサー信号ＰＬ（ｔ）および参照光センサー信号ｒｅｆ１からＣＭＲ信号ＣＭＲ＿ＳＩＧ（ｔ）が出力されアナログデジタル変換器２６によりデジタイズされる（ステップＳ３，Ｓ４）。他方、参照光センサー信号ｒｅｆ２がアナログデジタル変換器２７によりデジタイズされる（ステップＳ４）。

　測定制御部４１が、このＣＭＲ信号ＣＭＲ＿ＳＩＧ（ｔ）（デジタル信号）および参照光センサー信号ｒｅｆ２（デジタル信号）を取得すると、演算部４２は、ＣＭＲ信号に対して窓関数を適用してＣＭＲ信号ＣＭＲ＿ＳＩＧ（ｔ）から高周波ノイズ成分（例えば１０ｋＨｚ以上の成分）を除去し（ステップＳ５）、さらに、複数回（例えば１０００回）サンプリングされたＣＭＲ信号ＣＭＲ＿ＳＩＧ（ｔ）の複数の値に対して積算および差分を行い、比較的低周波のノイズ成分（例えば数ｋＨｚ～１０ｋＨｚの成分）を除去する（ステップＳ６）。

　そして、演算部４２は、このようにしてノイズ除去して得られたＣＭＲ信号の値および参照光センサー信号ｒｅｆ２の値に基づいて検出信号ＳＤ（ｔ）の値を導出し（ステップＳ７）、その検出信号ＳＤ（ｔ）の値から、その測定位置、その測定タイミング（測定シーケンスの実行タイミング）での、被測定場の測定値を導出する（ステップＳ７）。

　以上のように、上記実施の形態によれば、高周波磁場発生器２は、被測定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の電子スピン量子操作をマイクロ波で行う。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。受光装置１３は、磁気共鳴部材１によりその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を生成する。ＣＭＲ演算部２５は、蛍光センサー信号に対して、その励起光を分岐して得られる参照光を受光して生成される参照光センサー信号に基づくコモンモードリジェクションを行い、コモンモードリジェクションに基づくＣＭＲ信号を生成する。アナログデジタル変換器２６は、ＣＭＲ信号をデジタイズし、アナログデジタル変換器２７は、上述の励起光を分岐して得られる参照光を受光して生成される参照光センサー信号をデジタイズする。演算処理装置３１は、デジタイズされたＣＭＲ信号およびデジタイズされた参照光センサー信号に基づいて検出信号を生成し、その検出信号に基づいて被測定場の測定値を導出する。そして、ＣＭＲ演算部２５は、上述の励起光の光量に対する蛍光センサー信号のレベルの非線形性を考慮して上述のコモンモードリジェクションを行う。また、演算処理装置３１は、デジタイズされたＣＭＲ信号、または検出信号に対して、ノイズ除去用のデジタルフィルター処理を実行する。

　これにより、上述のコモンモードリジェクション、参照光センサー信号を使用した検出信号の演算、およびデジタルフィルター処理によって、磁気共鳴部材１に照射される励起光に起因するノイズ成分が抑制されるため、測定精度が高くなる。さらに、上述の励起光の光量に対する蛍光センサー信号のレベルの非線形性を考慮しているため、測定精度が高くなる。

　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。

　例えば、上記実施の形態では、光検出磁気共鳴に基づき磁場測定が行われるが、温度測定なども同様に実行可能である。また、磁場測定により得られる磁場に基づく電流測定を行うことも可能である。

　また、上記実施の形態では、コモンモードリジェクション用の参照光とは別に、上述の参照光センサー信号を使用した検出信号の演算のための参照光を励起光から分岐させているが、コモンモードリジェクション用に分岐した参照光を、上述の参照光センサー信号を使用した検出信号の演算のための参照光としても使用してもよい。また、上述の参照光センサー信号ｒｅｆ１，ｒｅｆ２を別々に生成しているが、１つの参照光センサー信号ｒｅｆを生成し、その参照光センサー信号ｒｅｆを上述の参照光センサー信号ｒｅｆ１，ｒｅｆ２として使用するようにしてもよい。

　また、上記実施の形態では、ＣＭＲ信号に対して窓関数を適用しているが、その代わりに、検出信号に対して窓関数を適用するようにしてもよい。

　また、上記実施の形態において、差動アンプ２５ｂは、アナログデジタル変換器２６とは別に設けられていてもよいし、アナログデジタル変換器２６に内蔵されていてもよい。

　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。

Claims

　被測定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蛍光センサー信号を生成する蛍光受光装置と、
　前記蛍光センサー信号に対して、前記励起光を分岐して得られる参照光を受光して生成される参照光センサー信号に基づくコモンモードリジェクションを行い、前記コモンモードリジェクションに基づくＣＭＲ信号を生成するＣＭＲ演算部と、
　前記ＣＭＲ信号をデジタイズする第１アナログデジタル変換器と、
　前記励起光を分岐して得られる参照光を受光して生成される参照光センサー信号をデジタイズする第２アナログデジタル変換器と、
　デジタイズされた前記ＣＭＲ信号およびデジタイズされた前記参照光センサー信号に基づいて検出信号を生成し、前記検出信号に基づいて前記被測定場の測定値を導出する演算処理装置とを備え、
　前記ＣＭＲ演算部は、前記励起光の光量に対する前記蛍光センサー信号のレベルの非線形性を考慮して前記コモンモードリジェクションを行い、
　前記演算処理装置は、デジタイズされた前記ＣＭＲ信号、または前記検出信号に対して、ノイズ除去用のデジタルフィルター処理を実行すること、
　を特徴とする測定装置。
　被測定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蛍光センサー信号を生成し、
　前記励起光の光量に対する前記蛍光センサー信号のレベルの非線形性を考慮して、前記蛍光センサー信号に対して、前記励起光を分岐して得られる参照光を受光して生成される参照光センサー信号に基づくコモンモードリジェクションを行い、前記コモンモードリジェクションに基づくＣＭＲ信号を生成し、
　前記ＣＭＲ信号をデジタイズし、
　前記励起光を分岐して得られる参照光を受光して生成される参照光センサー信号をデジタイズし、
　デジタイズされた前記ＣＭＲ信号およびデジタイズされた前記参照光センサー信号に基づいて検出信号を生成し、前記検出信号に基づいて前記被測定場の測定値を導出し、
　デジタイズされた前記ＣＭＲ信号、または前記検出信号に対して、ノイズ除去用のデジタルフィルター処理を実行すること、
　を特徴とする測定方法。
　前記蛍光センサー信号のレベルを前記励起光の光量のＮ次式で表現した条件で、前記参照光センサー信号に基づくコモンモードリジェクションを行い、前記コモンモードリジェクションに基づくＣＭＲ信号を生成し、
　前記Ｎは、２以上のいずれかの数であること、
　を特徴とする請求項２記載の測定方法。
　第１アナログデジタル変換器で前記ＣＭＲ信号をデジタイズし、
　第２アナログデジタル変換器で前記参照光センサー信号をデジタイズし、
　前記第１アナログデジタル変換器は、前記第２アナログデジタル変換器に比べ高速に動作し、
　前記第２アナログデジタル変換器は、前記第１アナログデジタル変換器に比べ高精度のデジタイズを行うこと、
　を特徴とする請求項２記載の測定方法。
　前記コモンモードリジェクションに使用される前記参照光センサー信号とは別に、デジタイズされ前記検出信号の生成に使用される前記参照光センサー信号を生成することを特徴とする請求項２記載の測定方法。
　前記デジタルフィルター処理では、デジタイズされた前記ＣＭＲ信号、または前記検出信号に対して窓関数を適用することを特徴とする請求項２記載の測定方法。
（ａ）前記励起光の照射期間の前半部分および後半部分において、それぞれ、複数回得られる、デジタイズされた前記ＣＭＲ信号の値を積算し、（ｂ）前記前半部分についての前記ＣＭＲ信号の積算値と前記後半部分についての前記ＣＭＲ信号の積算値との差分を計算して前記ＣＭＲ信号におけるノイズ成分を除去することを特徴とする請求項２記載の測定方法。