JP2016205954A - 磁気計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】磁気計測装置における小型化を実現する。
【解決手段】磁気計測装置は、ダイヤモンド結晶１２、マイクロ波源１７、光源アレイ／高周波回路チップ１１、イメージセンサ１４、および信号制御部１６を有する。ダイヤモンド結晶１２は、複数の窒素−空孔対を有する。マイクロ波源１７は、ダイヤモンド結晶１２にマイクロ波を照射する。光源アレイ／高周波回路チップ１１は、ダイヤモンド結晶１２に励起光を照射する。イメージセンサ１４は、ダイヤモンド結晶１２から発生した蛍光の強度を検出する。信号制御部１６は、イメージセンサ１４が取り込んだ蛍光像の画像処理および光源アレイ／高周波回路チップ１１、マイクロ波源１７を動作制御する。光源アレイ／高周波回路チップ１１は、ダイヤモンド結晶１２の第１の面側に設けられ、イメージセンサ１４は、ダイヤモンド結晶１２の第１の面に対向する第２の面側に設けられる。
【選択図】図１

Description

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−空孔対を用いた常温大気中での磁界検出に有効な技術に関する。

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）。

この非特許文献１では、ダイヤモンド結晶に励起光を照射する光源として緑色レーザ光を用いて、そのダイヤモンド結晶に照射するマイクロ波のパルス列の周期を調整することにより、その周波数の交流磁場が計測可能であることが示されている。

C. Mu¨ller, X. Kong, J.-M. Cai, K. Melentijevic’, A. Stacey, M. Markham, D. Twitchen, J. Isoya, S. Pezzagna, J. Meijer, J.F. Du, M.B. Plenio, B. Naydenov, L.P. McGuinness & F. Jelezko, "Nuclear magnetic resonance spectroscopy with single spin sensitivity" NATURE COMMUNICATIONS | 5:4703 | DOI: 10.1038/ncomms5703

上述した非特許文献１には、緑色レーザ光源からダイヤモンド結晶中の１つのＮＶセンタ、すなわちダイヤモンド結晶の窒素−空孔対により、数ｎｍに近接する原子から磁気共鳴によって発生する交流磁場を計測した結果が示されている。

しかし、より離れた物体から磁気共鳴により発生する信号を検出するには、多数個のＮＶセンタからの蛍光出力を平均化して使用し、感度を向上させる必要がある。その場合、非特許文献１のFig.2に示すように、ダイヤモンド結晶の表面から、対物レンズで励起光を照射し、同じ対物レンズで蛍光出力を検出する、という技術が一般的に用いられる。

そして、励起光と蛍光とを分離するためには、ダイクロイックミラーが使用される。しかし、ダイクロイックミラーは、通常、光路に対して４５°程度の角度が設定される。多数個のＮＶセンタの蛍光出力を計測するには、広面積のダイヤモンド結晶が必要である。

これによって、ダイクロイックミラーも広面積となり、光学系の体積が大きいものとなるという問題がある。例えば磁気計測装置を体表面に並べることにより体内の情報を検出可能なウェアラブル診断装置では、該装置が大型化あるいは現実的ではない大きさとなってしまう。

一実施の形態による磁気計測装置は、蛍光の強度の変化から磁場の強度を検出する。磁気計測装置は、ダイヤモンド結晶、マイクロ波部、光源部、イメージセンサ、信号処理部、および制御部を有する。

ダイヤモンド結晶は、複数の窒素−空孔対を有する。マイクロ波部は、ダイヤモンド結晶にマイクロ波を照射する。光源部は、ダイヤモンド結晶に励起光を照射する。イメージセンサは、複数の画素によって前記ダイヤモンド結晶から発生した蛍光の強度を検出する。信号処理部は、イメージセンサが取り込んだ蛍光像を画像処理する。制御部は、光源部、マイクロ波部、および信号処理部の動作を制御する。

そして、光源部は、ダイヤモンド結晶の第１の面側に設けられ、イメージセンサは、ダイヤモンド結晶の第１の面に対向する第２の面側に設けられる。

特に、ダイヤモンド結晶は、ダイヤモンド微粉末である。ダイヤモンド微粉末は、イメージセンサが有する画素にそれぞれ対応するように配置される。

上記一実施の形態によれば、磁気計測装置の小型化を実現することができる。

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。 本発明者が検討した磁気計測装置における励起光入力面と蛍光出力面との関係を示す説明図である。 図１の磁気計測装置における励起光入力面と蛍光出力面との関係を示す説明図である。 図１の磁気計測装置による非侵襲内部計測の原理を示す説明図である。 図１の磁気計測装置における他の構成例を示した説明図である。 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。 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７の磁気計測装置が有する光源アレイ部における構成の一例を示す平面図である。 図８の光源アレイ部が有するスペーサにおける構成の一例を示す説明図である。 実施の形態４による磁気計測装置を用いた非侵襲内部計測装置における磁気共鳴信号計測のタイミングの一例を示す説明図である。 図１０の磁気共鳴信号計測のタイミングの他の例を示す説明図である。 実施の形態４による磁気計測装置を用いた非侵襲内部計測装置における構成の一例を示す説明図である。 図１２に示す非侵襲内部計測装置による傾斜磁場にて設定した共鳴磁界領域による平面状の局所加熱の一例を示す説明図である。 図１２に示す非侵襲内部計測装置による傾斜磁場にて設定した共鳴磁界領域による球体状または半球体状の局所加熱の一例を示す説明図である。 図１２に示す非侵襲内部計測装置による傾斜磁場にて設定した共鳴磁界領域による円柱状の局所加熱の一例を示す説明図である。

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。

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。

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。

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。

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。

以下、実施の形態を詳細に説明する。

〈概要〉
一実施の形態による磁気計測装置は、ダイヤモンド結晶より離れている試料からの磁気信号を検出する場合、光源を試料に近いダイヤモンド結晶の第１の面側に配置する。イメージセンサは、ダイヤモンド結晶の第１の面に対向する第２の面側に配置する。これにより、励起光と蛍光を分離するダイクロイックミラーを必要としない計測系を実現する。

ダイヤモンド結晶から離れている試料からの磁気信号を検出する場合には、ダイヤモンド結晶と試料との間に間隙が生じ得る。このことから、その間隙に薄い面状の光源を挿入する。また、ダイヤモンド結晶とイメージセンサとの間には、励起光を遮断する光学フィルタを挿入して、蛍光出力のみをイメージセンサに到達させる。

（実施の形態１）
〈磁気計測装置の構成および動作例〉
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。

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。

磁気計測装置１０は、ミラーレスモジュール化された構成からなり該磁気計測装置１０が薄型化および小型化されている。

磁気計測装置１０は、図１に示すように、光源アレイ／高周波回路チップ１１、ダイヤモンド結晶１２、フィルタ薄膜１３、イメージセンサ１４、パッケージ基板１５、信号制御部１６、およびマイクロ波源１７が設けられた構成からなる。

光源部である光源アレイ／高周波回路チップ１１の上部には、ダイヤモンド結晶１２が積層されており、該ダイヤモンド結晶１２の上方には、ある間隙をおいてフィルタ薄膜１３が設けられている。

ダイヤモンド結晶１２は、複数の窒素−空孔対（図１のダイヤモンド結晶１２の黒丸にて示す）、すなわちＮＶセンタを有しており、該窒素−空孔対が格子状に規則的に配置されている。フィルタ薄膜１３の上方には、ある間隙をおいてイメージセンサ１４が設けられている。

言い換えれば、光源アレイ／高周波回路チップ１１は、ダイヤモンド結晶１２の第１の面に積層されており、イメージセンサ１４は、ダイヤモンド結晶１２の第１の面に対向する面である第２の面、すなわちイメージセンサ１４側に設けられている。ここで、ダイヤモンド結晶１２の第１の面は、後述する図３に示す試料ＳＰに近い側の面である。

ダイヤモンド結晶１２とフィルタ薄膜１３との間およびフィルタ薄膜１３とイメージセンサ１４との間には、二酸化珪素（ＳｉＯ₂）などからなる図示しない絶縁膜がそれぞれ形成されている。

イメージセンサ１４は、パッケージ基板１５の裏面に実装されている。また、パッケージ基板１５の主面には、信号制御部１６およびマイクロ波部となるマイクロ波源１７がそれぞれ実装されている。信号制御部１６は、制御部および信号処理部からなる。

パッケージ基板１５、イメージセンサ１４、および光源アレイ／高周波回路チップ１１の対向する２つの辺部、あるいは４つの辺部には、ボンディングパッドＢＰがそれぞれ形成されている。

パッケージ基板１５のボンディングパッドＢＰとイメージセンサ１４のボンディングパッドＢＰは、ボンディングワイヤＢＷを介してそれぞれ接続されている。同様に、パッケージ基板１５のボンディングパッドＢＰと光源アレイ／高周波回路チップ１１のボンディングパッドＢＰは、ボンディングワイヤＢＷ１を介してそれぞれ接続されている。

また、マイクロ波源１７と光源アレイ／高周波回路チップ１１とは、光源アレイ／高周波回路チップ１１のボンディングパッドＢＰ、ボンディングワイヤＢＷ１、パッケージ基板１５のボンディングパッドＢＰ、該パッケージ基板１５に形成された図示しない配線パターン、および半田ボールなどのバンプＢを介して電気的に接続されている。

光源アレイ／高周波回路チップ１１と信号制御部１６とは、光源アレイ／高周波回路チップ１１のボンディングパッドＢＰ、ボンディングワイヤＢＷ１、パッケージ基板１５のボンディングパッドＢＰ、該パッケージ基板１５の配線パターン、およびバンプＢを介して電気的に接続されている。

同様に、イメージセンサ１４と信号制御部１６とは、イメージセンサ１４のボンディングパッドＢＰ、ボンディングワイヤＢＷ、パッケージ基板１５のボンディングパッドＢＰ、該パッケージ基板１５の配線パターン、およびバンプＢを介して電気的に接続されている。

これら光源アレイ／高周波回路チップ１１、ダイヤモンド結晶１２、フィルタ薄膜１３、イメージセンサ１４、パッケージ基板１５、信号制御部１６、およびマイクロ波源１７は、例えば熱硬化性の樹脂などによって封止され、矩形状の図示しないパッケージが形成されている。

光源アレイ／高周波回路チップ１１は、光源アレイ部２１と高周波回路部２２とが１つのチップにて形成された構成からなる。光源アレイ部２１は、半導体基板などの基板１１ａの主面にアレイ状に発光部１１ｂが形成された構成からなる。発光部１１ｂは、例えば発光ダイオード（ＬＥＤ：Light Emitting Diode）などからなり、例えば５３３ｎｍ前後もしくはより短い波長の励起光を出力する。

発光部１１ｂにおける発光動作の制御は、信号制御部１６によって行われる。また、高周波回路部２２は、半導体基板１１ａの主面における発光部１１ｂの間隙に形成される。高周波回路部２２の表面には、図示しない誘電体を介して図示しないアンテナが形成されている。

高周波回路部２２は、マイクロ波源１７から通電されたマイクロ波電流を前述したアンテナに印加してダイヤモンド結晶１２にマイクロ波を照射する。これによって、ダイヤモンド結晶１２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１７から出力されるマイクロ波の周波数は、前述したように信号制御部１６の制御回路によって設定される。

高周波回路部２２は、高周波（ＲＦ）電磁波の半周期の間隔でマイクロ波のパルス列を生成する。マイクロ波の周波数ｆ［ＧＨｚ］は、高周波回路部２２に印加されている静磁場Ｂ[単位Ｔ（テスラ）]との間で、ｆ＝｜Ｂ＊２８．０７−２．８７｜ ［ＧＨｚ］ の関係を満たしている必要がある。ここで、| |は、絶対値を現す。このため、光源アレイ／高周波回路チップ１１の場所毎に異なる周波数のマイクロ波パルスを生成する。

光源アレイ／高周波回路チップ１１の主面には、ダイヤモンド結晶１２が形成されている。このダイヤモンド結晶１２は、光源アレイ／高周波回路チップ１１上に、例えば蒸着プロセスの１つであるＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）プロセスにて成膜された多結晶の薄膜である。

ダイヤモンド結晶１２の上面には、マイクロレンズ１２ａが形成されている。マイクロレンズ１２ａおよび発光部１１ｂは、イメージセンサ１４に形成されている画素１４ａに対応するようにそれぞれ形成されている。

発光部１１ｂが発生した励起光は、ダイヤモンド結晶１２に入力される。フィルタ薄膜１３は、マイクロレンズ１２ａによって集光された励起光を全反射し、蛍光出力のみをイメージセンサ１４に入力する光学フィルタである。

イメージセンサ１４は、受光素子である画素１４ａが格子状に規則的に配置された構成からなる。このイメージセンサ１４は、例えばＣＭＯＳイメージセンサ（Complementary Metal Oxide Semiconductor Image Sensor）などの半導体センサであり、ダイヤモンド結晶１２から発せられた蛍光像を取り込む。

イメージセンサ１４の実装面とは反対の面には、画素１４ａにそれぞれ対応する位置にマイクロレンズ１４ｂが形成されている。フィルタ薄膜１３によって取り出された蛍光出力は、マイクロレンズ１４ｂにより集光されてイメージセンサ１４の画素１４ａに取り込まれる。

イメージセンサ１４が取り込んだ蛍光像は、信号制御部１６に出力される。この信号制御部１６は、例えばマイクロコンピュータなどからなり、図示しない信号処理回路および制御回路をそれぞれ有する。

信号制御部１６および前述したマイクロ波源１７は、例えば半導体チップなどにそれぞれ形成されている。ここでは、信号制御部１６とマイクロ波源１７とが異なる半導体チップによって形成されている例を示したが、これらは、１つの半導体チップによって形成するようにしてもよい。

信号制御部１６が有する信号処理回路は、入力された蛍光像の画像処理を行う。また、信号制御部１６が有する制御回路は、イメージセンサ１４、光源アレイ／高周波回路チップ１１、およびマイクロ波源１７にタイミング信号を供給して動作制御を行う。また、制御回路は、マイクロ波源１７にマイクロ波周波数を設定する制御を行う。

このように、モジュール化されて厚さ方向を薄くした図１に示す磁気計測装置１０は、特に、ウェアラブル診断装置などへの適用に有効である。ウェアラブル診断装置は、例えばシャツなどの衣服に複数の磁気計測装置が取り付けられた構成からなる。磁気計測装置１０を人間の体表面に並べることにより、体内の情報を検出する。

磁気計測装置１０をモジュール構成とすることによって、該磁気計測装置１０を体表面上に稠密に並べたウェアラブル診断装置を実現することができる。これによって、体内深部の情報を高分解能にて検出することができる。

また、磁気計測装置１０が小型化されているために、圧迫感が少なく軽量なウェアラブル診断装置を実現することができるので、該ウェアラブル診断装置を着用する患者などの負担を軽くすることができる。

〈磁気計測装置の動作原理〉
続いて、図１に示す磁気計測装置１０における動作原理について説明する。

図２は、本発明者が検討した磁気計測装置における励起光入力面と蛍光出力面との関係を示す説明図であり、図３は、図１の磁気計測装置１０における励起光入力面と蛍光出力面との関係を示す説明図である。

図２は、ダイヤモンド結晶１００に近接した試料ＳＰを計測する場合の試料ＳＰとダイヤモンド結晶１００の位置関係を示している。

ＮＶセンタ、すなわちダイヤモンド結晶の窒素−空孔対は、ダイヤモンド結晶１００の試料に近接した面の表面に高密度で生成される。これにより、試料を高分解能で計測可能となる。励起光は、ダイヤモンド結晶１００から見て、試料ＳＰとは反対側（図２の白抜き矢印にて示す方向）から入力される。蛍光出力は、励起光とは反対側（図２のハッチング付き矢印にて示す方向）から出力される。すなわち、励起光と蛍光出力とは、同一面から入出力されることが必要になる。

一方、図３は、ダイヤモンド結晶から離れた試料を計測する場合における試料とダイヤモンド結晶との位置関係を示している。

この場合、ＮＶセンタは、図示するようにダイヤモンド結晶１２の内部に厚さ方向にも分布して３次元的に高密度で生成される。多数個のＮＶセンタが存在することにより、ダイヤモンド結晶１２から離れた試料ＳＰからの磁気信号も計測可能となる。

試料ＳＰとダイヤモンド結晶１２とが離れているため、薄い面状の光源を試料ＳＰとダイヤモンド結晶１２との間に配置することが可能となる。ここで、光源は、光源アレイ／高周波回路チップ１１の発光部１１ｂから発せられる。励起光は、ダイヤモンド結晶１２の前述した第１の面から対向する第２の面に向かって入力される。

また、ダイヤモンド結晶１２の第２の面からは、蛍光出力とともに、透過してくる励起光が出力される。ここで、ダイヤモンド結晶１２の第２の面側に、励起光反射フィルタとなるフィルタ薄膜１３を設けることにより、蛍光出力のみを取り出すことができる。これによって、図１のイメージセンサ１４にて蛍光出力を検出することが可能となる。

フィルタ薄膜１３は、例えばガラス表面に誘電体薄膜を積層した構造からなる。ここで、誘電体薄膜の屈折率をｎ、厚さをｔ、励起光波長をλ、励起光のフィルタ薄膜１３に対する入射角をα、とすると、ｔ＝λ／２／ｎ／ｔａｎαの条件で全反射が起きる。

励起光は、単色光であるのでλは一定である。誘電体としては、例えば酸化チタン（ＴｉＯ₂）、あるいは酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃）などの機械的強度が高く、屈折率の高いものが望ましい。

このように、ダイヤモンド結晶１２から離れている試料ＳＰからの磁気信号を検出する際には、ダイヤモンド結晶１２と試料ＳＰとの間に間隙が生じ得ることから、その間隙に光源となる光源アレイ／高周波回路チップ１１を設けることができる。

また、ダイヤモンド結晶１２の試料ＳＰ側とは反対側には、励起光をカットするフィルタ薄膜１３を設けることにより、ダイヤモンド結晶１２が発生する蛍光出力のみをイメージセンサに到達させる。

以上により、励起光と蛍光とを分離するダイクロイックミラーなどが不要となり、磁気計測装置１０の小型化、特に薄型化を実現することができる。

また、図１の磁気計測装置１０を用いた計測としては、試料の発生する静磁場自身を計測する静磁場計測の他に、例えば磁気共鳴計測がある。この磁気共鳴計測は、試料に静磁場とともに特定の周波数の高周波パルス信号を加えて、該高周波パルス信号を除去した後に誘導放出される高周波信号または高周波パルス信号列を加えた後で放出される高周波信号を検出する。

磁気共鳴計測では、プロトン原子核の吸収・放出の高周波信号のエネルギが利用される。この場合、静磁場Ｂと高周波電磁波周波数ｆとは、ｆ／Ｂが一定値の関係にあることが知られている。

プロトンは水分に含まれ、有機体は通常、水分を含むため、磁気共鳴信号により、有機体内の水分の分布や化学的な状態（例えば溶質、濃度）や例えば温度などの物理的な状態を検出することが可能となる。

この場合、試料内においてｆ／Ｂが上記した一定値となる部分だけが共鳴するため、磁場分布を調整することにより、試料内部の状態を外部の磁気計測装置にて検出可能となる。

磁気共鳴計測では、上述した磁気計測装置１０を稠密に並べて構成されたウェアラブル診断装置を用いることによって、体内深部の情報を高分解能にて検出することができる。

同じ原理で有機体内部の温度計測などを非侵襲で行うことも可能となる。これは、分子の運動は温度に依存して変化し、この運動の変化が磁気共鳴信号における緩和時間や化学シフト、自己拡散係数などに現れるためである。

〈非侵襲内部計測の原理〉
ここで、磁気計測装置の応用例として非侵襲内部温度計測について説明する。

図４は、図１の磁気計測装置１０による非侵襲内部計測の原理を示す説明図である。

試料ＳＰに静磁場を永久磁石ＭＧにより与え、コイルＣＬにて高周波電磁波を与える。高周波電磁波を止めた後、または高周波電磁波のパルス列を与えた後で、試料ＳＰの外部で計測される高周波信号強度を磁気計測装置１０により計測する。

磁気計測装置１０は、試料ＳＰから離れて配置することができる。直流静磁場と高周波電磁波とは、直交方向にそれぞれ印加する。試料ＳＰからの高周波電磁波を有効に検出するには、磁気計測装置１０が広面積で有る必要がある。

特に、広面積である場合、扱い易さという観点では、磁気計測装置が薄い構造であることが望ましい。よって、図１に示したモジュール構成の磁気計測装置１０は、最適となる。

〈磁気計測装置の他の構成例〉
図５は、図１の磁気計測装置１０における他の構成例を示した説明図である。

図１の磁気計測装置１０では、ダイヤモンド結晶１２を光源アレイ／高周波回路チップ１１上に、例えばＣＶＤプロセスなどによって成膜した。図５の磁気計測装置１０が、図１の磁気計測装置１０と異なるところは、ダイヤモンド結晶１２を成膜するのではなく、板状のダイヤモンド結晶１２を用いた点である。なお、この図５においても、ダイヤモンド結晶１２の黒丸は、窒素−空孔対を示しており、該ダイヤモンド結晶１２には、窒素−空孔対が格子状に規則的に配置されている。

また、マイクロレンズ１２ａは、図１に示す磁気計測装置１０の場合、ダイヤモンド結晶１２の上面に形成されていたが、図５の磁気計測装置１０の場合には、光源アレイ／高周波回路チップ１１の上面に形成されている。なお、その他の構成については、図１の磁気計測装置１０と同様であるので、説明は省略する。

以上により、磁気計測装置１０の小型化、特に薄型化を実現することができる。また、磁気計測装置１０は、薄い平面状に形成されるので上述したウェアラブル診断装置や非侵襲内部温度計測などの様々な磁気計測技術に適用することができる。

（実施の形態２）
〈概要〉
前記実施の形態１では、磁気計測装置にダイヤモンド結晶を有する構成としたが、本実施の形態２においては、該ダイヤモンド結晶を不要とする技術について説明する。

〈磁気計測装置の構成例〉
図６は、本実施の形態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。

図６に示す磁気計測装置１０が前記実施の形態１の図１の磁気計測装置１０と異なるところは、上記したようにダイヤモンド結晶１２が設けられていない点にある。よって、図６の磁気計測装置１０は、光源アレイ／高周波回路チップ１１、フィルタ薄膜１３、イメージセンサ１４、パッケージ基板１５、信号制御部１６、およびマイクロ波源１７から構成されている。

また、光源アレイ／高周波回路チップ１１のフィルタ薄膜１３側の表面には、マイクロレンズ１２ａが形成されている。マイクロレンズ１２ａは、発光部１１ｂに対応する位置にそれぞれ設けられている。

フィルタ薄膜１３には、ダイヤモンド結晶１２の代わりとして、光源アレイ／高周波回路チップ１１側の表面にダイヤモンド微粉末２０が規則的に配置されている。ダイヤモンド微粉末２０は、ダイヤモンド結晶を砕いて粉末状にしたものである。

ダイヤモンド微粉末２０は、窒素−空孔対（ＮＶセンタ）を有しており、発光部１１ｂと同様にイメージセンサ１４に形成されている画素１４ａに対応するようにそれぞれ設けられている。

フィルタ薄膜１３と光源アレイ／高周波回路チップ１１との間には、二酸化珪素（ＳｉＯ₂）などからなる図示しない絶縁膜が形成されている。その他の構成については、前記実施の形態１の図１と同様であるので、説明は省略する。

〈磁気計測装置の動作例〉
光源アレイ／高周波回路チップ１１の発光部１１ｂから発生する励起光は、マイクロレンズ１２ａによってダイヤモンド微粉末２０上に集光される。ダイヤモンド微粉末２０が発生する蛍光出力は、フィルタ薄膜１３を透過して、イメージセンサ１４に形成されたマイクロレンズ１４ｂによって集光されて該イメージセンサ１４に集光される。このとき、励起光は、フィルタ薄膜１３が反射するので、イメージセンサ１４には達しない。

板状のダイヤモンド結晶など用いる場合には、磁気計測装置の表面積がダイヤモンド結晶の大きさに律則されてしまうことになる。一方、ダイヤモンド結晶の代わりにダイヤモンド微粉末を用いる場合には、微粉末であるので比較的広範囲に散布することができる。

また、ダイヤモンド微粉末は、板状のダイヤモンド結晶などに比べて安価である。よって、大きな表面積を有する磁気計測装置１０を低コストで実現することができる。

以上により、より低コストでより表面積の大きい磁気計測装置１０を実現することができる。

（実施の形態３）
〈概要〉
前記実施の形態２における磁気計測装置１０では、光源アレイ／高周波回路チップ１１の光源アレイ部２１と高周波回路部２２とが１チップ化された構成としたが、本実施の形態３においては、光源アレイ部２１と高周波回路部２２とがそれぞれ別チップによって構成された場合について説明する。

〈磁気計測装置の構成例〉
図７は、本実施の形態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。

図７の磁気計測装置１０が前記実施の形態２の図６と異なる点は、前述したように光源アレイ部２１を構成する半導体チップと高周波回路部２２を構成する半導体チップとの２つの半導体チップからなるところである。

よって、図７の磁気計測装置１０は、光源アレイ部２１、高周波回路部２２、フィルタ薄膜１３、イメージセンサ１４、パッケージ基板１５、信号制御部１６、およびマイクロ波源１７から構成されることになる。

図７の磁気計測装置１０において、最も下方には、高周波回路部２２が設けられており、その上方には、光源アレイ部２１が設けられた構成となっている。光源アレイ部２１は、アレイ状に設けられた発光部１１ｂを有する構成からなり、該発光部１１ｂは、イメージセンサ１４が有する画素１４ａに対応する位置にそれぞれ設けられている。

また、光源アレイ部２１におけるフィルタ薄膜１３側の表面には、マイクロレンズ１２ａが形成されている。マイクロレンズ１２ａも同様に、画素１４ａに対応するようにそれぞれ設けられている。

高周波回路部２２は、例えば周波数変換回路とアンテナとが組となった複数の高周波回路３９を有する構成とする。この場合、各々のアンテナは、ダイヤモンド微粉末２０の領域毎に対応する位置に形成され、各々の高周波回路部は、ダイヤモンド微粉末２０の領域毎に異なる周波数のマイクロ波を照射する。

光源アレイ部２１と高周波回路部２２との間には、二酸化珪素（ＳｉＯ₂）などからなる図示しない絶縁膜が形成されている。その他の構成については、前記実施の形態２の図６と同様であるので、説明は省略する。

〈光源アレイ部の構成例〉
続いて、光源アレイ部２１の構成について、より詳しく説明する。

図８は、図７の磁気計測装置１０が有する光源アレイ部２１における構成の一例を示す平面図である。この図８では、光源アレイ部２１をフィルタ薄膜１３側から見た場合の平面図を示している。

光源アレイ部２１は、図８に示すように、複数のチップ片３０および複数のスペーサ３１から構成されている。チップ片３０は、長方形状からなり、チップ片３０の長辺方向の側面には、絶縁材からなるスペーサ３１がそれぞれ設けられている。すなわち、チップ片３０とチップ片３０との間に該スペーサ３１が挟まれた構成となっている。

チップ片３０において、該チップ片３０の長辺方向には、発光部１１ｂが直線状に等間隔で設けられている。発光部１１ｂの配置間隔は、前述したようにイメージセンサ１４が有する画素１４ａの間隔と略同じである。

チップ片３０に設けられた発光部１１ｂは、例えば半導体レーザなどからなる。半導体レーザは、ウエハプロセスとして半導体ウエハ上に形成されたクラッド層３２に挟まれた発光層を設けた構造となっており、該半導体ウエハをある幅でスクライブした端面からレーザ発光出力が得られる。

そして、スクライブしたチップ、すなわちチップ片３０の発光面が、フィルタ薄膜１３側に位置するように配置されている。これにより、単位面積当たり高出力の励起光を発生することができる。

〈スペーサの構成例〉
図９は、図８の光源アレイ部２１が有するスペーサ３１における構成の一例を示す説明図である。

図９（ａ）は、スペーサ３１の一方の側面における構成例を示しており、図９（ｂ）は、図９（ａ）に示す側面に対向するスペーサ３１の他方の側面における構成例を示している。

スペーサ３１の一方の側面には、図９（ａ）に示すように、配線パターン３３が形成されている。配線パターン３３の一方には、カソード電極３４が形成されている。また、スペーサ３１の他方の側面には、図９（ｂ）に示すように、配線パターン３５が形成されている。配線パターン３５の一方には、アノード電極３６が形成されている。

カソード電極３４は、発光部１１ｂである半導体レーザのカソードに接続され、アノード電極３６は、該半導体レーザのアノードに接続される。

チップ片３０の側面には、スペーサ３１に形成されたカソード電極３４あるいはアノード電極３６と重なり合う位置に、図示しないカソード電極およびアノード電極がそれぞれ形成されている。

そして、スペーサ３１のカソード電極３４とチップ片３０のカソード電極およびスペーサ３１のアノード電極３６とチップ片３０のアノード電極とがそれぞれ接触することによって導通される。

チップ片３０に設けられたカソード電極は、発光部１１ｂである半導体レーザのカソードに接続されており、該チップ片３０に設けられたアノード電極は、半導体レーザのアノードに接続されている。

また、スペーサ３１に形成された配線パターン３３，３５には、半導体レーザを発光させる電源電流が供給されている。この電源電流の供給および供給タイミングの制御は、図７に示す信号制御部１６によってそれぞれ行われる。

配線パターン３３とカソード電極３４および配線パターン３５とアノード電極３６は、半導体レーザ毎にそれぞれ個別に対応するように設けられており、該半導体レーザに印加する電源電流を個別に供給することによって、独立して発光動作を制御することができる。このように、個別に半導体レーザの発光を制御することによって、試料の状態などの測定条件によって発光強度を補正することができる。

以上により、単位面積当たり高出力の励起光を発生することができるので、より高性能な磁気計測装置１０を実現することができる。

（実施の形態４）
〈概要〉
本実施の形態４においては、前記実施の形態１〜３における磁気計測装置１０を用いた非侵襲内部計測装置の計測技術について説明する。

〈磁気共鳴信号計測のタイミング例〉
図１０は、本実施の形態４による磁気計測装置１０を用いた非侵襲内部計測装置における磁気共鳴信号計測のタイミングの一例を示す説明図である。

水分子の緩和時間Ｔ１は、数百ｍｓ程度であるので、例えば１秒の周期で、高周波（ＲＦ）電磁波のπ／２、πパルスの列を加える。πパルスとは、静磁場の下で歳差運動をしているプロトン原子の歳差運動の方向を１８０°逆転するだけのエネルギを与えるパルスである。π／２パルスとは、その半分のエネルギを与えるパルスである。

ここで、最初のπ／２パルスと次のπパルスとの間を緩和時間ＴＥ／２とする。最初のπ／２パルスの直後に、水分子に蓄積された磁気共鳴エネルギの誘導放出が行われ、磁気計測装置１０には自由誘導放出（ＦＩＤ：Free Induction Decay）信号が検出される。

さらに、πパルスからＴＥ／２時間経過後に、図１０の下方に示すようにエコー信号を検出する。ＦＩＤ信号もエコー信号も周波数は、ＲＦ電磁波と同じであり、その周波数は試料の置かれた静磁場強度Ｂ０とＦ／Ｂ０＝４２．５７［ＭＨｚ／テスラ］の関係にある。

ＲＦ電磁波の１／２の周期にてマイクロ波のパルス列をダイヤモンド結晶に高周波回路チップから加える。マイクロ波自身の周波数も、ダイヤモンド結晶の位置における静磁場強度Ｂの関数で、ｆ＝｜Ｂ＊２８．０７−２．８７｜ ［ＧＨｚ］である。

励起光は、これらのパルス列の前に与え、イメージセンサでの露光検出は、パルス列の後に行う。それぞれのタイミングは異なり、励起光、ＲＦ入力の蛍光出力へのノイズ影響は回避可能である。

〈磁気共鳴信号計測の他のタイミング例〉
図１１は、図１０の磁気共鳴信号計測のタイミングの他の例を示す説明図である。この図１１は、磁気共鳴信号計測におけるＦＩＤ信号を計測する例を示している。

π／２パルスからの時間経過によりＦＩＤ信号は減衰する。この減衰の時定数Ｔ１は、緩和時間として内部状態を反映する。図１１の右側は、振幅が１／２などの特定値に減衰する時間を緩和時間Ｔ１として測定する場合に、波形全体を計測せずに、サンプリングすべきタイミングＴ１を調整することにより、効率的にタイミングＴ１を検出する例を示している。

磁気計測装置１０が測定した磁気共鳴信号と例えばその全振幅Ａの１／２との差分を差動増幅器ＤＡによって取る。そして、加算器ＡＤＤによって差動増幅器ＤＡが取った差分をタイミングＴ１に加算していく。すると磁気共鳴信号がＡ／２に達するタイミングに、タイミングＴ１が収束する。これによって、効率的にタイミングＴ１を計測することができる。

〈非侵襲内部計測装置の具体例〉
続いて、前記実施の形態１〜３における磁気計測装置１０を用いて構成される非侵襲内部計測装置の具体例について説明する。

図１２は、本実施の形態４による磁気計測装置１０を用いた非侵襲内部計測装置における構成の一例を示す説明図である。

非侵襲内部計測の原理的な実施は、前記実施の形態１の図３にて説明した技術により行うことができるが、さらにＸ方向、Ｙ方向およびＺ方向の３方向に磁場を制御可能とすることにより、試料ＳＰ内部の磁場に傾斜を設けることが可能となる。

これにより、試料ＳＰ内で磁気共鳴が起こる座標を制御することが可能となり、該試料ＳＰ内の３次元的な温度分布を非侵襲にて取得することができる。

非侵襲内部計測装置は、図示するように、計測対象となる試料ＳＰの外側において、Ｘ方向、Ｙ方向、およびＺ方向の３軸方向に磁場生成コイル４０〜４２をそれぞれ配置している。これらの磁場生成コイル４０〜４２に適切な直流電流を印加することにより、試料ＳＰに傾斜磁場を印加する。

傾斜磁場を印加した状態において、高周波パルス印加部４３によってＲＦ（高周波）パルスを印加することにより、傾斜磁場強度とＲＦ周波数の関係にて選択された断面のプロトンを励起することができる。励起されたプロトンが発生するエコー信号を磁気計測装置１０にて計測する。

前述したウェアラブル診断装置を着用した場合には、傾斜磁場を巻線コイルで生成可能な範囲に抑えても、ＭＲＩ信号を計測することができる。これによりＭＲＩ装置全体を小型化することが可能である。

また、図１２に示す非侵襲内部計測装置は、局所的に試料ＳＰを加熱する加熱装置などにもなる。これは、磁気共鳴が起こる座標に高周波（ＲＦ）電磁波が吸収されるからである。加熱の過程においては、ＲＦ電磁波は、パルス的に与える必要はなく、ＣＷ（Continuous Wave）波で与えればよい。これにより、非侵襲内部計測で温度分布を計測し、必要なところを加熱することが可能となる。このような用途は、例えばハイパーサーミアなどの医療応用、あるいは食品の加熱などの調理を行う家電製品の応用に有用である。

続いて、非侵襲内部計測装置による局所的な加熱技術について説明する。

図１３は、図１２に示す非侵襲内部計測装置による傾斜磁場にて設定した共鳴磁界領域による平面状の局所加熱の一例を示す説明図である。

図１３の左側には、局所加熱される試料ＳＰの斜視図を示しており、該試料ＳＰは、例えば皿ＤＳなどに載置されている。この場合、試料ＳＰは、食材などの有機体であり、細ハッチングにて示す低温部の領域が局所的に加熱される。また、図１３の右側は、図１３の左側に示す試料ＳＰの断面を示している。

局所加熱は、Ｘ面およびＹ面の磁場は均一とし、Ｚ軸方向に磁場の傾斜を設けることによって共鳴磁界領域４５（図１３の右側の太ハッチングにて示す領域）を設定してＺ軸上の一定範囲のみを加熱することが可能となる。これにより、図１３の左側に示す試料ＳＰの細ハッチングにより示す低音部の領域を局所的に加熱する。

図１４は、図１２に示す非侵襲内部計測装置による傾斜磁場にて設定した共鳴磁界領域による球体状または半球体状の局所加熱の一例を示す説明図である。図１４においても左側は、局所加熱される試料ＳＰの斜視図を示しており、図１４の右側には、図１４の左側の試料ＳＰの断面を示している。

ここでも、試料ＳＰは、食材などの有機体であり、細ハッチングにて示す低温部の領域が局所的に加熱される。また、図１４の右側は、図１４の左側に示す斜視図の断面を示している。

この場合、傾斜磁場の勾配をＺ軸方向のみでなく、Ｘ軸方向およびＹ軸方向にも設ける。それにより、Ｚ軸に垂直な平面をＸ軸方向またはＹ軸方向に傾けた平面が共鳴を起こす面、すなわち共鳴磁界領域４５（図１４右側の太ハッチングにて示す領域）となる。

この状態にてＸ軸方向およびＹ軸方向の磁場をＺ軸周りに回転させることによって、試料ＳＰ内の球状、または半球状の部分（細ハッチングにて示す領域）を加熱することができる。

磁場の回転速度は、磁気共鳴信号の時定数よりも遅くてよい。ここで、Ｚ軸周りの回転は、機械的に行う必要はなく、図１２の磁場生成コイル４０，４１に与える電流の比を調整することで可能となる。

図１５は、図１２に示す非侵襲内部計測装置による傾斜磁場にて設定した共鳴磁界領域による円柱状の局所加熱の一例を示す説明図である。図１５においても左側は、局所加熱される試料ＳＰの斜視図を示しており、図１５の右側には、図１５の左側の試料ＳＰの断面を示している。

図１５の左側の細ハッチングにて示す加熱したい円柱状の低温領域の軸に平行に軸を含んで磁場が一定となって磁気共鳴が起こる面、すなわち図１５の右側の共鳴磁界領域４５を設ける。その状態で共鳴磁界領域４５の軸の周りに磁場を回転させる。すると、その軸の周囲を加熱することができ、円柱状に局所加熱することができる。

以上により、小型で高感度な磁気計測装置１０を用いることによって、高感度の磁気共鳴計測を低コストで実現することができる。

それによって、ハイパーサーミアなどの医療応用あるいは調理器具の応用などが可能となる非侵襲内部計測装置を低コストで小型化することができる。

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。

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。

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。

１０ 磁気計測装置
１１ 光源アレイ／高周波回路チップ
１１ａ 基板
１１ｂ 発光部
１２ ダイヤモンド結晶
１２ａ マイクロレンズ
１３ フィルタ薄膜
１４ イメージセンサ
１４ａ 画素
１４ｂ マイクロレンズ
１５ パッケージ基板
１６ 信号制御部
１７ マイクロ波源
２０ ダイヤモンド微粉末
２１ 光源アレイ部
２２ 高周波回路部
３０ チップ片
３１ スペーサ
３２ クラッド層
３３ 配線パターン
３４ カソード電極
３５ 配線パターン
３６ アノード電極
３９ 高周波回路
４０ 磁場生成コイル
４１ 磁場生成コイル
４２ 磁場生成コイル
４３ 高周波パルス印加部
４５ 共鳴磁界領域

Claims (7)

1. 蛍光の強度の変化から磁場の強度を検出する磁気計測装置であって、
   複数の窒素−空孔対を有するダイヤモンド結晶と、
   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、
   前記ダイヤモンド結晶に励起光を照射する光源部と、
   複数の画素によって前記ダイヤモンド結晶から発生した蛍光の強度を検出するイメージセンサと、
   前記イメージセンサが取り込んだ蛍光像を画像処理する信号処理部と、
   前記光源部、前記マイクロ波部、および前記信号処理部の動作を制御する制御部と、
   を有し、
   前記光源部は、前記ダイヤモンド結晶の第１の面側に設けられ、
   前記イメージセンサは、前記ダイヤモンド結晶の前記第１の面に対向する第２の面側に設けられる、磁気計測装置。
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と前記イメージセンサとの間には、前記光源部が照射した励起光を反射して、前記ダイヤモンド結晶から発生した蛍光を前記イメージセンサに到達させる光学フィルタを有する、磁気計測装置。
3. 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は、蒸着プロセスにて成膜された多結晶の薄膜である、磁気計測装置。
4. 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は、ダイヤモンド微粉末であり、
   前記ダイヤモンド微粉末は、前記イメージセンサが有する前記画素にそれぞれ対応するように配置される、磁気計測装置。
5. 請求項１記載の磁気計測装置において、
   前記光源部は、複数の発光部を有し、
   複数の前記発光部は、前記イメージセンサが有する前記画素にそれぞれ対応するように設けられる、磁気計測装置。
6. 請求項５記載の磁気計測装置において、
   前記光源部が有する前記発光部は、半導体レーザである、磁気計測装置。
7. 請求項５記載の磁気計測装置において、
   前記制御部は、前記光源部が有する複数の前記発光部の発光をそれぞれ個別に制御する、磁気計測装置。

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