JP2023075801A - デジタイズ装置およびデジタイズ方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 Ａ／Ｄ変換器のノイズフロアと同様のレベル以下の微小なアナログ信号を精度良くデジタイズする。【解決手段】 物理場発生装置１は、入力信号に対応する磁場または電場を発生する。光学的量子センサ部２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する。Ａ／Ｄ変換器３は、そのセンサ信号をデジタイズする。そして、光学的量子センサ部２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上述の光を上述のセンシング部材に発生させる。【選択図】 図１

Description

本発明は、デジタイズ装置およびデジタイズ方法に関するものである。

一般的に、各種センサやセンシング装置などで得られる微小なアナログ信号をＡ／Ｄ（Analog/Digital）変換器 でデジタイズする場合、アナログ信号が、トランジスタなどの能動素子を使用した増幅回路で電圧増幅され、電圧増幅後のアナログ信号がＡ／Ｄ変換器に入力される（例えば特許文献１，２参照）。

通常、Ａ／Ｄ変換器では、量子化ビット数に応じた量子化ノイズ、および電子回路に起因する熱ノイズなどが発生するため、そのノイズレベルと同様のレベル以下の微小なアナログ信号を電圧増幅せずにＡ／Ｄ変換器で精度良くデジタイズすることは困難である。したがって、上述のように、増幅回路で微小なアナログ信号を増幅する必要がある。

特開２００８－０３９６４１号公報 特開２０１１－１０１７７６号公報

しかしながら、上述のように、Ａ／Ｄ変換器の前段において増幅回路によって微小なアナログ信号が増幅される場合でも、増幅回路固有のノイズ（熱ノイズなど）が発生する。この増幅回路のノイズフロアは一般的にＡ／Ｄ変換器のノイズフロアより高いため、Ａ／Ｄ変換器のノイズフロアと同様のレベル以下の微小なアナログ信号を精度良くデジタイズすることは困難である。

本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、Ａ／Ｄ変換器のノイズフロアと同様のレベル以下の微小なアナログ信号を精度良くデジタイズするデジタイズ装置およびデジタイズ方法を得ることを目的とする。

本発明に係るデジタイズ装置は、入力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、その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る。そして、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上述の光を上述のセンシング部材に発生させる。

本発明に係るデジタイズ方法は、入力信号に対応する磁場または電場を発生するステップと、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シングステップと、アナログ／デジタル変換器でそのセンサ信号をデジタイズするステップとを備える。そして、光学的量子センシングステップでは、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上述の光を上述のセンシング部材に発生させる。

本発明によれば、Ａ／Ｄ変換器のノイズフロアと同様のレベル以下の微小なアナログ信号を精度良くデジタイズするデジタイズ装置およびデジタイズ方法が得られる。

図１は、本発明の実施の形態に係るデジタイズ装置の構成を示すブロック図である。 図２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２１の構成を示す図である。 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信号の一例について説明する図である。 図４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２１の構成を示す図である。

以下、図に基づいて本発明の実施の形態を説明する。

実施の形態１．

図１は、本発明の実施の形態に係るデジタイズ装置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１と、光学的量子センサ部２と、アナログ／デジタル変換器（Ａ／Ｄ変換器，ＡＤＣ）３とを備える。

物理場発生装置１は、物理場発生装置１の入力端子１ａを介して入力される入力信号（電気信号）に対応する磁場を発生する。例えば、物理場発生装置１は、導電性のコイルや配線でその磁場を発生する。

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、上述の磁場は、入力信号に応じた、単一周波数の交流磁場、複数の周波数成分を有する所定周期の交流磁場、直流磁場などとなる。同様に、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。

光学的量子センサ部２は、センサ本体２１と光電素子２２とを備え、センサ本体２１において、物理場発生装置１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２２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２２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。

具体的には、光学的量子センサ部２（具体的にはセンサ本体２１）は、センシング部材に対して量子操作を行って、物理場発生装置１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。

実施の形態１では、光学的量子センサ部２（具体的にはセンサ本体２１）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。

図２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２１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２に示すように、センサ本体２１は、センシング部材としての磁気共鳴部材４１、高周波磁場発生器４２、および磁石４３、高周波電源４４、発光装置４５、およびコントローラ４６を備える。

磁気共鳴部材４１は、結晶構造を有し、物理場発生装置１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４１が配置される。

この実施の形態では、磁気共鳴部材４１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。

ここでは、磁気共鳴部材４１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。

なお、磁気共鳴部材４１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。

高周波磁場発生器４２は、マイクロ波を磁気共鳴部材４１に印加して、磁気共鳴部材４１の電子スピン量子操作を行う。例えば、高周波磁場発生器４２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４４は、そのマイクロ波の電流を生成して高周波磁場発生器４２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４１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４１に略均一な強度のマイクロ波が印加される。

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。

また、磁石４３は、磁気共鳴部材４１に静磁場（直流磁場）を印加し、磁気共鳴部材４１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４３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４３は、電磁石でもよい。

また、磁気共鳴部材４１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４１の結晶が形成され、磁気共鳴部材４１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４１に照射するために、発光装置４５から磁気共鳴部材４１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４１からの蛍光（観測光）を検出するために、磁気共鳴部材４１から光電素子２２までの光学系（図示せず）が設けられている。

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２２へ向けて集光される。例えば、ＣＰＣ上に磁気共鳴部材４１が配置され、磁気共鳴部材４１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。

発光装置４５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４１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。

コントローラ４６は、所定の測定シーケンスに従って、（ａ）高周波電源４４および発光装置４５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２１において観測光を発生させ、光電素子２２においてセンサ信号を生成させる。例えば、コントローラ４６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、上述の動作を実行する。

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、入力信号が比較的低周波数の交流信号である場合、図３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。

また、例えば、上述の磁場が比較的高周波数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。

図１に戻り、Ａ／Ｄ変換器３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３の出力端子３ａを介して出力する。

この実施の形態では、特に、光学的量子センサ部２（具体的にはセンサ本体２１）は、センサ信号のレベルがＡ／Ｄ変換器３のノイズフロア（Ａ／Ｄ変換器３に使用されているトランジスタの熱ノイズ、１／ｆノイズなど）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。

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４１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２２への入射光量）、光電素子２２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３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３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２の感度は、１．５ｐＴ／Ｈｚ^1/2以上とされる。

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３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３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。

なお、入力信号のレベル（またはレンジ）および物理場発生装置１の電磁変換効率は既知である。

また、この実施の形態では、特に、当該デジタイズ装置は、光電素子２２とＡ／Ｄ変換器３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１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３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３と同様に熱ノイズが発生し増幅されるため、Ａ／Ｄ変換器３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。

なお、高周波電源４４およびコントローラ４６とＡ／Ｄ変換器３とは電気的に分離しており、高周波電源４４およびコントローラ４６で発生する電気的なノイズはＡ／Ｄ変換器３に侵入しないようになっている。

次に、実施の形態１に係るデジタイズ装置の動作について説明する。

入力信号が物理場発生装置１に印加されると、物理場発生装置１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２のセンサ本体２１に印加される。

センサ本体２１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４１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２２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３に出力する。

Ａ／Ｄ変換器３は、そのセンサ信号をデジタイズして、入力信号に対応するデジタル信号を生成し、出力信号として出力する。

以上のように、上記実施の形態１によれば、物理場発生装置１は、入力信号に対応する磁場を発生する。光学的量子センサ部２は、その磁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。Ａ／Ｄ変換器３は、そのセンサ信号をデジタイズする。そして、光学的量子センサ部２は、上述のセンシング部材に対して量子操作を行って、上述の磁場に対応する上述の光を上述のセンシング部材に発生させる。

これにより、微弱な入力信号ではなく、比較的レベルの大きいセンサ信号をデジタイズすることで、入力信号に対応した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３のノイズレベルと同様のレベル以下の微小なアナログ信号が精度良くデジタイズされる。

実施の形態２．

実施の形態２では、光学的量子センサ部２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。

図４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２１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２１は、セル６１と、磁石６２と、発光装置６３，６４とを備える。

セル６１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６１ａ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６１に封入されている。磁石６２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。

発光装置６３は、ポンプ光を生成し、センシング部材６１ａに照射する。発光装置６４は、プローブ光を生成し、センシング部材６１ａ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２２で検出される。複数の光電素子２２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３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。

なお、実施の形態２に係るデジタイズ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。

実施の形態３．

実施の形態３では、光学的量子センサ部２は、センシング部材に対して量子操作を行って、電場に対応する光をセンシング部材に発生させる。実施の形態３では、物理場発生装置１は、物理場発生装置１の入力端子１ａを介して入力される入力信号（電気信号）に対応する電場を発生し、光学的量子センサ部２は、センサ本体２１において、物理場発生装置１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２２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。

例えば、物理場発生装置１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。

なお、実施の形態３に係るデジタイズ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。

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、実施の形態１～３において、センサ本体２１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。

また、実施の形態１～３において、出力信号の値（デジタル値）が入力信号のレベルに一致するように、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。

さらに、実施の形態２，３において、ＯＰＡＭの測定シーケンスにおいて複数の光電素子２２で得られた検出信号の差分を差動アンプで生成し、単一のセンサ信号として出力し、そのセンサ信号をＡ／Ｄ変換器３でデジタイズするようにしてもよい。

本発明は、例えば、微小な信号のアナログ／デジタル変換に適用可能である。

１ 物理場発生装置
２ 光学的量子センサ部
３ Ａ／Ｄ変換器
２２ 光電素子

Claims (5)

1. 入力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、
   を特徴とするデジタイズ装置。
2. 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記載のデジタイズ装置。
3. 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または請求項２記載のデジタイズ装置。
4. 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項記載のデジタイズ装置。
5. 入力信号に対応する磁場または電場を発生するステップと、
   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シングステップと、
   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するステップとを備え、
   前記光学的量子センシングステップでは、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、
   を特徴とするデジタイズ方法。

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