JP6494269B2 - 磁気計測装置 - Google Patents

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−空孔対を用いて、常温大気中での磁界検出に有効な技術に関する。

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。

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。

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）。

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（Charge Coupled Device）イメージセンサを用いる。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、蛍光強度最小値におけるマイクロ周波数位置から、磁場を計測する。

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)

上述した非特許文献１のFig.3には、磁気計測装置における光路が開示されている。磁気計測装置の光路は、緑色レーザ光源からダイヤモンド結晶を経て、ＣＣＤイメージセンサに到る。

fig.3において、ダイヤモンド結晶よりもＣＣＤイメージセンサが大きく描かれている。fig.3は、模式的なものであり、レンズ系は省略されてはいるが、fig.5の計測結果図中に主要部間隔が１０〜２０μｍ、３０μｍ〜４０μｍとの記載があることから、計測可能な範囲は少なくともＣＣＤイメージセンサのサイズよりも小さいものであると推測される。

ここで、上記した非特許文献１の磁気計測装置を多数個面状に並べて体表面の磁場を稠密に計測する場合を想定する。このような計測は、体表面の状態から体内の状態を推定する場合に用いられ、例えば脳表面の磁場から脳内の血流分布を推定する脳磁計は、この１種である。

このような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、検出可能な深さは磁気計測装置の感度次第で、かつ空間分解能は磁気計測装置の面密度による。

このため、磁気計測装置を体表面に稠密に並べることが望ましい。面密度が高ければ高いほど、深いところまで高い空間分解能を実現可能となる。よって、このような用途ではイメージセンサを体表面に隙間なく稠密に配置することが望ましい。

しなしながら、非特許文献１の磁気計測装置の場合、前述したようにダイヤモンド結晶よりもＣＣＤイメージセンサが大きいことが推測されるので、磁気計測装置を体表面に並べる際には、ＣＣＤイメージセンサの大きさに律則されてしまうことになる。

よって、ダイヤモンド結晶を体表面に稠密に配置することが困難となり、検出可能な空間分解能が低下してしまい、ウェアラブル診断装置の性能が低下してしまう恐れがある。

一実施の形態による磁気計測装置は、ダイヤモンド結晶と、イメージセンサと、光源部と、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。イメージセンサは、複数の画素によってダイヤモンド結晶から発生した蛍光の強度を検出する。光源部は、ダイヤモンド結晶に励起光を照射して、ダイヤモンド結晶が発生する蛍光をイメージセンサに照射する。そして、イメージセンサおよび光源部は、ダイヤモンド結晶の投影面積内に収まるように配置される。

上記一実施の形態によれば、磁気計測における空間分解能を向上させることができる。

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１の磁気計測装置におけるダイヤモンド結晶の結晶領域とイメージセンサが有する画素の対応の一例を示す説明図である。 図２の磁気計測装置におけるダイヤモンド結晶の結晶領域とイメージセンサが有する画素との対応の説明拡大図である。 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。 本実施の形態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。 本実施の形態３による磁気計測装置における構成の一例を示す概略図である。 図６の磁気計測装置における詳細な構成の一例を示す説明図である。 図７における各ブロックの接続関係を示す説明図である。 図７の磁気計測装置を用いたウェアラブル診断装置の一例を示す説明図である。 図７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。 図１０の磁気計測装置を用いたウェアラブル診断装置の一例を示す説明図である。 図９などに示したウェアラブル診断装置を用いたＭＲＩ計測におけるＡＣ磁場計測のタイミングの一例を示す説明図である。 図９などに示したウェアラブル診断装置を用いたＭＲＩ装置における構成の一例を示す説明図である。 図９などに示したウェアラブル診断装置を用いたＭＲＩ装置における構成の他の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。

（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、レンズ系、特にレンズ１３ｃによってイメージセンサ１６の面積とダイヤモンド結晶１５の面積とが１：ｎに対応付けられようにしたものである。これによって、ダイヤモンド結晶１５の上方に位置する青緑色光源１２、レンズ１３，１３ａ〜１３ｃ、ダイクロイックミラー１４、イメージセンサ１６、および制御部１７などを、該ダイヤモンド結晶１５の投影面積よりも小さくすることができる。その結果、磁気計測装置１０を稠密に並べることができ、高精度に生体磁気を検出することができる。

〈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。

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、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、およびコイル２１を含む。

光源部１１は、青緑色光源１２、レンズ１３，１３ａ，１３ｂ，１３ｃ、およびダイクロイックミラー１４から構成されている。光源である青緑色光源１２は、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。

第１のレンズとなるレンズ１３は、青緑色光源１２から出力される励起光を集光する。ミラー部とな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。

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。

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、レンズ１３ｃが設けられている。これらレンズ１３ａおよびレンズ１３ｃによって第２のレンズが構成される。レンズ１３ｃの下方には、多結晶のダイヤモンド結晶１５および測定対象である試料５０が配置されている。

ダイクロイックミラー１４に反射された励起光は、レンズ１３ａおよびレンズ１３ｃを介してダイヤモンド結晶１５に照射される。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。

ダイクロイックミラー１４の上方には、第３のレンズであるレンズ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１５から発せられた蛍光像を取り込む。

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、制御回路１９、およびマイクロ波源２０を有する。これら信号処理回路１８、制御回路１９、およびマイクロ波源２０は、例えば半導体チップなどに形成されている。

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。

マイクロ波部となるマイクロ波源２０には、コイル２１が接続されている。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。

ここで、磁気計測装置１０においては、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、イメージセンサ１６の面積とダイヤモンド結晶１５の面積とが、例えば１：ｎに対応付けられている（ｎ＞１）。

イメージセンサ１６とダイヤモンド結晶１５との面積比を１：ｎに対応付ける光学系は、レンズ１３ａ、レンズ１３ｃおよびレンズ１３ｂである。レンズ１３ａ，１３ｃは、ダイクロイックミラー１４に反射された励起光を拡大してダイヤモンド結晶１５に照射する。

また、レンズ１３ａ，１３ｃは、ダイヤモンド結晶１５から発せられた蛍光を集光する。レンズ１３ａ，１３ｃによって集光された蛍光は、ダイクロイックミラー１４を透過し、レンズ１３ｂを介してイメージセンサ１６に照射される。

このように、レンズ１３ａ，１３ｃによってダイクロイックミラー１４に反射された励起光を拡大してダイヤモンド結晶１５に照射するので、ダイヤモンド結晶１５よりも上方に位置する光源部１１を、該ダイヤモンド結晶１５よりも小型化することができる。

すなわち、青緑色光源１２、レンズ１３，１３ａ，１３ｂ，１３ｃ、ダイクロイックミラー１４、イメージセンサ１６、および制御部１７を、該ダイヤモンド結晶１５における投影面積内に収めることができる。

生体磁気計測装置のセンサとして磁気計測装置を用いた場合には、発明が解決する課題でも述べたように、高い空間分解能を実現するために、ダイヤモンド結晶を稠密に隙間なく並べることが望ましい。

しかしながら、ダイヤモンド結晶の投影面積よりもイメージセンサなどが大きい構成であると、磁気計測装置を並べる際にイメージセンサなどの大きさに律則されて、ダイヤモンド結晶を稠密に隙間なく並べることが困難となる。

一方、図１に示す磁気計測装置１０の場合には、ダイヤモンド結晶１５の面積が最も大きいものとなる。よって、ダイヤモンド結晶１５の上方に設けられる光源部１１、イメージセンサ１６、および制御部１７を該ダイヤモンド結晶１５の投影面積内に収めることができる。

これによって、磁気計測装置１０を並べる際には、イメージセンサ１６などが邪魔にならずに、ダイヤモンド結晶１５が稠密に隙間なく並べられる。よって、生体磁気計測装置のセンサとして磁気計測装置１０を用いることによって、高い空間分解能を実現することができる。

なお、図１では、２枚のレンズ１３ａ，１３ｃを用いて、イメージセンサ１６とダイヤモンド結晶１５との面積比を１：ｎに対応付けしているが、レンズの光学設計を適切にすることによって、１枚のレンズにより実現することもできる。

また、制御部１７においては、ダイヤモンド結晶１５の投影面積内に配置せずに外部に設け、外部配線などを介して接続するようにしてもよい。

〈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におけるダイヤモンド結晶１５の結晶領域とイメージセンサ１６が有する画素２６ａ〜２６ｄの対応の一例を示す説明図である。なお、図２では、簡単化のため、レンズ１３ａ〜１３ｃは省略している。

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。また、ダイヤモンド結晶１５は、前述したように、多結晶からなる。現状の技術では、多結晶のダイヤモンド結晶１５は、例えば直径３０ｍｍ程度のものが報告されている。

一方、単結晶のダイヤモンド結晶の場合には、面積が数ｍｍ角程度のものが入手可能である。

よって、磁気計測装置１０において、多結晶のダイヤモンド結晶を用いることを可能とすることは、ダイヤモンド結晶の面積を広くするために重要である。

多結晶のダイヤモンド結晶を用いる場合、好ましくは、イメージセンサ１６の単一の画素に投影されるダイヤモンド結晶１５の結晶領域は、単独であることが望ましい。その画素に検出される蛍光出力生成源の結晶方位を単一に特定できるからである。

ここで、イメージセンサ１６が有する画素２６と、ダイヤモンド結晶１５の結晶領域とを１：ｎに対応付けることによって、各画素２６に入射する蛍光源は、１つの結晶領域のものとすることができる。

そして、磁気計測装置１０の組み立て後に一度キャリブレーションを行っておくことにより、イメージセンサ１６の各画素２６に対応する結晶領域の方位を特定して該イメージセンサ１６に記憶しておくことができる。イメージセンサ１６から出力される信号の処理は、画素２６毎に行うことができるので、結晶領域毎の結晶方位の補正を信号処理において行うことが可能である。

図２においては、単一の画素２６に投影される結晶領域が単独である場合と、１つの画素２６に複数の結晶領域が投影されている場合とをそれぞれ示している。投影される結晶領域が単独の例は、図２のハッチングにて示している画素２６ａ，２６ｂと結晶領域２７ａである。投影される結晶領域が複数の例は、図２のドットにて示した画素２６ｃ，２６ｄと結晶領域２７ｂ、２７ｃである。

図３において、結晶領域２７ａ，２７ｂ，２７ｃと、それらが投影される画素２６ａ，２６ｂ、２６ｃ，２６ｄの詳細な位置関係を示す。画素２６ｃには結晶領域２７ａと結晶領域２７ｂとが、画素２６ｄには結晶領域２７ａ，２７ｂ，２７ｃが投影されており、単一の結晶領域からの蛍光を受ける画素ではなくなるのである。

単一の画素２６に投影される結晶領域が単独である場合には、磁場を計測する前に少なくとも３方位の既知の外部磁場をダイヤモンド結晶１５に印加して、それぞれの外部磁場に対して、蛍光出力のマイクロ波周波数に対する依存性であるＯＤＭＲ（Optically Detected Magnetic Resonance:光検出磁気共鳴）スペクトルを取得することにより、各画素２６に投影される結晶領域の結晶方位を単一に特定することが可能である。

また、１つの画素２６に複数の結晶領域が投影されている場合には、その画素を磁場計測に用いないようにするか、あるいは支配的な単一の方位を特定可能な場合には、その方位をその画素を代表する方位として近似して用いることができる。

ＯＤＭＲスペクトルの例を図４に示す。同図において、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、ダイヤモンド結晶１５の蛍光強度を示している。

ＯＤＭＲスペクトルから結晶方位推定を精度よく行うには、波形の”谷”部の最も急峻な斜面６０〜６３を用いることが有利である。低周波数側の”谷”部の低周波数側の斜面６０および高周波数側の斜面６１の中間値として低周波数側の”谷”位置を推定する。

同様に高周波数側の”谷”部の低周波数側の斜面６２および高周波数側の斜面６３の中間値として高周波数側の”谷”位置を推定する。高周波数側の”谷”位置と、低周波数側の”谷”位置の差分として、窒素−空孔対が感知している磁場を得、それと既知の印加磁場との比として、窒素−空孔軸と印加磁場の方向とが為す角のコサイン値を判定できる。このような計測を、３方位の印加磁場に対して行うことにより結晶方位を単一に特定することが可能である。

以上により、磁気計測装置１０を配置する際に、ダイヤモンド結晶１５を隙間なく稠密に並べることができる。その結果、生体磁気計測装置などに磁気計測装置１０を用いることによって、空間分解能を向上させることができ、高感度な生体磁気計測装置を実現することができる。

（実施の形態２）
〈概要〉
本実施の形態２では、前記実施の形態１の図１における磁気計測装置１０よりも構成を簡略化しながら、イメージセンサ１６の面積とダイヤモンド結晶１５の面積とを１：ｎに対応付けする例について説明する。

〈磁気計測装置の構成例〉
図５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５の磁気計測装置１０は、前記実施の形態１の図１と同様に、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、およびコイル２１を有する構成からなる。なお、図５では、簡単化のため、制御部１７およびコイル２１については省略している。

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、光源部１１の構成である。図１では、レンズ１３，１３ａ，１３ｂ，１３ｃからなる４枚のレンズを有する構成であったが、図５の磁気計測装置１０では、レンズ１３と新たなレンズ１３ｄとからなる２枚のレンズを有する構成となっている。

レンズ１３ｄは、ダイクロイックミラー１４に反射された励起光を拡大してダイヤモンド結晶１５に照射するとともに、ダイヤモンド結晶１５から発せられた蛍光を集光してイメージセンサ１６に照射する。

また、図１の磁気計測装置１０では、ダイクロイックミラー１４が入射光に対して例えば４５°程度の入射角に配置されていた。それに対して、図５の磁気計測装置１０では、ダイクロイックミラー１４が入射光に対して４５°程度の角度よりも大きい入射角となるように配置されている。これは、言い換えると、ダイクロイックミラー１４がダイヤモンド結晶１５と、より浅い角度になるように配置されている。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。

ダイクロイックミラー１４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、励起光のダイクロイックミラー１４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。

ここで、説明のためにイメージセンサ１６と多結晶のダイヤモンド結晶１５との位置関係に関し、ｘｙｚ座標を指定する。

イメージセンサ１６とダイヤモンド結晶１５とは、それぞれｘｙ平面内に位置する。ｚ軸は、イメージセンサ１６およびダイヤモンド結晶１５のそれぞれに鉛直方向である。図５に示すＡ点とＢ点では、入射角αが異なるのでダイクロイックミラー１４上の誘電体薄膜厚ｔは、ｚ方向に線形に傾斜を有する。これにより、ダイクロイックミラー１４に対する入射角が、Ａ点とＢ点で異なっても励起光をダイヤモンド結晶１５に向けて全て反射することができる。

蛍光出力の波長帯および入射角では、前述の全反射条件を満たさないようにすることにより、蛍光出力をイメージセンサ１６に入力することはできる。ダイクロイックミラー１４がダイヤモンド結晶１５の結晶面と等面積の場合を含む。

以上により、使用するレンズの枚数を少なくするとともに、ダイクロイックミラー１４表面がよりダイヤモンド結晶１５に平行に近づくように配置することができる。これによって、磁気計測装置１０の高さ方向の距離を小さく、すなわち磁気計測装置１０の厚さを薄くすることができる。

それによって、前記実施の形態１の効果に加えて、磁気計測装置１０をより小型化することができる。さらには、磁気計測装置１０を構成する部品点数の削減することができるので軽量化を実現することができる。

（実施の形態３）
〈概要〉
本実施の形態３では、ミラーレスのモジュール化からなる構成とすることによって、磁気計測装置１０をより薄型化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３による磁気計測装置１０における構成の一例を示す概略図である。

この図６では、磁気計測装置１０がミラーレスモジュール化された構成を示している。

磁気計測装置１０は、図６に示すように、高周波チップ３０、ダイヤモンド結晶１５、光源アレイ３１、イメージセンサ１６、パッケージ基板３３、制御部１７、およびマイクロ波源２０が設けられた構成からなる。

高周波チップ３０の上部には、ダイヤモンド結晶１５が積層されており、該ダイヤモンド結晶１５の上方には、光源チップである光源アレイ３１が設けられている。光源アレイ３１の上部には、イメージセンサ１６が積層されており、該イメージセンサ１６の上部には、パッケージ基板３３が積層されている。また、パッケージ基板３３の上部には、マイクロ波源２０および制御部１７がそれぞれ実装されている。

〈磁気計測装置の詳細な構成例〉
続いて、図７を用いて、磁気計測装置１０における詳細な構成について説明する。

図７は、図６の磁気計測装置１０における詳細な構成の一例を示す説明図である。

パッケージ基板３３は、例えば多層配線プリント基板などからなる。パッケージ基板３３の主面には、半導体チップによってそれぞれ構成されるマイクロ波源２０および制御部１７が半田ボールなどのバンプＢを介して実装されている。

ここで、制御部１７は、前記実施の形態１の図１に示す信号処理回路１８および制御回路１９から構成される。なお、図６では、信号処理回路１８および制御回路１９からなる制御部１７とマイクロ波源２０とが別チップによって形成されているが、これらは、１チップ構成としてもよい。

パッケージ基板３３の裏面には、イメージセンサ１６が実装されており、該イメージセンサ１６の下方には、光源アレイ３１が実装されている。光源アレイ３１の下方には、二酸化珪素（ＳｉＯ₂）などによって形成された図示しない絶縁膜を介してダイヤモンド結晶１５が設けられている。ダイヤモンド結晶１５の下方には、高周波チップ３０が積層されている。

パッケージ基板３３、イメージセンサ１６、光源アレイ３１、および高周波チップ３０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３３のボンディングパッドＢＰとイメージセンサ１６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３３のボンディングパッドＢＰと光源アレイ３１のボンディングパッドＢＰ、およびパッケージ基板３３のボンディングパッドＢＰと高周波チップ３０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。

また、マイクロ波源２０と高周波チップ３０とは、高周波チップ３０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３３のボンディングパッドＢＰ、該パッケージ基板３３に形成された図示しない配線パターン、およびバンプＢを介して電気的に接続されている。

光源アレイ３１と制御部１７とは、光源アレイ３１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３３のボンディングパッドＢＰ、該パッケージ基板３３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１６と制御部１７とは、イメージセンサ１６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３３のボンディングパッドＢＰ、該パッケージ基板３３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。

高周波チップ３０は、例えば誘電体チップなどからなり、該誘電体チップの表面には、図示しないアンテナが形成されている。アンテナは、例えばダイヤモンド結晶１５の周辺部をループ状に囲むように構成されている。

ここで、高周波チップ３０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部を有する構成としてもよい。この場合、各々のアンテナは、ダイヤモンド結晶１５の領域毎に対応するように形成され、各々の高周波回路部は、ダイヤモンド結晶１５の領域毎に異なる周波数のマイクロ波を照射する。

高周波チップ３０の主面には、ダイヤモンド結晶１５が搭載されている。高周波チップ３０は、マイクロ波源２０から通電されたマイクロ波電流をアンテナに印加し、これによってダイヤモンド結晶１５にマイクロ波を照射する。

ダイヤモンド結晶１５の上方には、ある間隙をおいて光源アレイ３１が設けられている。光源アレイ３１は、半導体基板などの基板３１ａの主面にアレイ状に発光部３１ｂが形成されている。発光部３１ｂは、例えば発光ダイオードや半導体レーザダイオードなどからなる。発光部３１ｂにおける発光動作の制御は、制御部１７の制御回路１９によって行われる。

また、光源アレイ３１が有する基板３１ａにおいて、各々の発光部３１ｂの間には、貫通光路３１ｃが形成されている。発光部３１ｂは、励起光を出力する。貫通光路３１ｃは、ダイヤモンド結晶１５から発せられた蛍光を通過させる孔である。

光源アレイ３１の上部、すなわち該光源アレイ３１の裏面には、イメージセンサ１６の主面、すなわち画素が形成されている面が接着されている。このイメージセンサ１６は、パッケージ基板３３の主面に搭載されている。ダイヤモンド結晶１５から発せられた蛍光は、光源アレイ３１の貫通光路３１ｃを通過し、イメージセンサ１６の各々の画素２６に照射される。また、パッケージ基板３３の裏面には、前述したように半導体チップからなるマイクロ波源２０および制御部１７がそれぞれ搭載されている。

そして、高周波チップ３０、ダイヤモンド結晶１５、光源アレイ３１、イメージセンサ１６、パッケージ基板３３、制御部１７、およびマイクロ波源２０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。

〈磁気計測装置の接続関係例〉
図８は、図７の磁気計測装置１０における各ブロックの接続関係を示す説明図である。

図示するように、ダイヤモンド結晶１５には、高周波チップ３０によって、例えば２．８７ＧＨｚ程度の周波数からなるマイクロ波が印加される。制御部１７は、マイクロ波源２０を制御する。マイクロ波源２０は、制御部１７の制御に基づいて、マイクロ波周波数を設定する。

光源アレイ３１の発光部３１ｂからは、ダイヤモンド結晶１５に対して励起光が照射される。ダイヤモンド結晶１５から発せられた蛍光は、貫通光路３１ｃを通過してイメージセンサ１６に照射される。そして、イメージセンサ１６に取り込まれた蛍光像は、制御部１７の信号処理回路１８によって画像処理される。

ここで、図７に示すように、光源アレイ３１における発光部３１ｂのピッチは、ピッチδとする。この場合、発光部３１ｂのピッチとは、発光部３１ｂと発光部３１ｂとの間の光源相互間の最小距離である。また、光源アレイ３１とダイヤモンド結晶１５との間の間隙を隙間εとする。隙間εは、発光部３１ｂ間のピッチδ程度に設定される。ここで、ピッチδは、第１の距離となり、隙間εは、第２の距離となる。

このように、隙間εをピッチδ程度に設定することによって、光源アレイ３１の発光部３１ｂから出た励起光がダイヤモンド結晶１５の全面に照射され、かつ該ダイヤモンド結晶１５からの蛍光出力をイメージセンサ１６によって効率的に検出することが可能となる。

その結果、ダイヤモンド結晶１５よりも下方に位置する高周波チップ３０、上方に位置する光源アレイ３１、イメージセンサ１６、パッケージ基板３３、制御部１７、およびマイクロ波源２０を該ダイヤモンド結晶１５の投影面積内に収められるように配置することができる。

それによって、高周波チップ３０、ダイヤモンド結晶１５、光源アレイ３１、イメージセンサ１６、パッケージ基板３３、制御部１７、およびマイクロ波源２０を積み重ねるモジュール構成とすることができる。

このようなモジュール構成によって、上記実施の形態１の効果に加えて、レンズやダイクロイックミラーを不要とすることができる。これにより、磁気計測装置１０の小型化、特に厚さ方向を一層薄くすることができる。

〈ウェアラブル診断装置の例〉
厚さ方向を薄くした磁気計測装置は、特に、ウェアラブル診断装置などへの適用に有効である。図９は、図７の磁気計測装置１０を用いたウェアラブル診断装置４０の一例を示す説明図である。

ウェアラブル診断装置４０は、図示するように、例えばシャツなどの衣服４２に磁気計測装置１０が取り付けられた構成からなる。このように、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。

ウェアラブル診断装置４０において、検出可能な深さは、センサとなる磁気計測装置１０の感度次第で、かつ空間分解能は、磁気計測装置１０の面密度による。面密度が高ければ高いほど、深いところまで高い空間分解能を実現可能である。

図７に示したように磁気計測装置１０をモジュール構成とすることによって、間隙なしに体表面上に稠密に並べることができるので、体内深部の情報を高分解能にて検出することができるウェアラブル診断装置を実現することができる。

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４０を実現することができるので、該ウェアラブル診断装置４０を着用する患者などの負担を軽くすることができる。

なお、ここでは、図７の磁気計測装置１０を用いたウェアラブル診断装置４０の例について示したが、このウェアラブル診断装置４０は、例えば前記実施の形態１，２に示した磁気計測装置１０（図１、図５）を取り付けた構成としてもよい。

〈磁気計測装置の他の構成例〉
図１０は、図７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１０の磁気計測装置１０が、図７の磁気計測装置１０と異なるところは、光源アレイ３１が除かれている点およびレンズ３５が新たに追加されている点である。

第４のレンズとなるレンズ３５は、ダイヤモンド結晶１５およびイメージセンサ１６のある１辺の周辺部近傍に設けられている。このレンズ３５には、磁気計測装置１０の図示しないパッケージ側面などに挿入された光源部となる光ファイバ４１からの励起光が照射される。

光ファイバ４１は、光を伝える伝送路であり、石英ガラスやプラスチックなどにて形成される細い繊維状の物質からなる中心部のコアと、その周囲を覆うクラッドからなる。コアは、クラッドと比較して屈折率が高くなっており、光は、全反射という現象によりコア内に閉じこめられた状態で伝搬する。

光ファイバ４１から照射された励起光は、レンズ３５によって拡大された後、ダイヤモンド結晶１５に照射される。そして、ダイヤモンド結晶１５から発せられた蛍光は、イメージセンサ１６によって取り込まれる。なお、その他の構成については、図８と同様であるので説明は省略する。この構成によって、光源アレイ３１が不要となるので、磁気計測装置１０をより薄型化することができる。

〈ウェアラブル診断装置の他の例〉
図１１は、図１０の磁気計測装置１０を用いたウェアラブル診断装置４０の一例を示す説明図である。

図１１のウェアラブル診断装置４０においても、図９と同様に、磁気計測装置１０は、例えばシャツなどの衣服４２に取り付けられており、磁気計測装置１０は間隙なしに体表面上に稠密に並べられている。また、衣服４２には、光ファイバ４１も取り付けられており、各々の光ファイバ４１の先端部からは、励起光がレンズ３５に照射されるようになっている。

このように、より小型化された磁気計測装置１０を用いることによって、ウェアラブル診断装置４０を着用する患者などの負担をより軽くすることができる。

〈ＭＲＩ（Magnetic Resonance Imaging）計測のＡＣ磁場計測のタイミング例〉
図１２は、図９などに示したウェアラブル診断装置４０を用いたＭＲＩ計測におけるＡＣ磁場計測のタイミングの一例を示す説明図である。

図１２に示すように、マイクロ波のπ／２パルス、πパルスを時間ＴＥ／２の間隔で加えた後、時間ＴＥ／２経過時に発生するエコー、言い換えれば計測対象を計測する。

πパルスというのは窒素―空孔対の有するスピンをπ（１８０°）反転させるエネルギーに相当する強さと時間の長さを有するマイクロ波（２．８７ＧＨｚ前後）のパルスであり、π／２パルスというのは、その半分のエネルギーを有するパルスである。

計測すべきＡＣ磁場の振幅を計測するために、まずエコーが到来する手前でダイヤモンド結晶１５に励起光を照射する。

その後、マイクロ波のπ／２パルス、πパルス列(複数)を照射する。π／２およびπパルスは、エコーのＡＣ信号がゼロを横切るタイミングで印加する。最後のπ／２パルスの後にダイヤモンド結晶１５の蛍光強度としてエコー信号強度を計測する。

図９などのウェアラブル診断装置４０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。

〈ＭＲＩ装置の構成例１〉
図１３は、図９などに示したウェアラブル診断装置４０を用いたＭＲＩ装置４５における構成の一例を示す説明図である。

図１３に示すＭＲＩ装置４５は、計測対象の外側に、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４６〜４８をそれぞれ配置している。これらの磁場生成コイル４６〜４８に適切な直流電流を印加することにより、計測対象に傾斜磁場を印加することが可能である。

傾斜磁場を印加した状態において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各々の磁気計測装置１０にて計測する。

これにより、断面内のＭＲＩ信号を取得することが可能である。

〈ＭＲＩ装置の構成例２〉
また、図１４は、図９などに示したウェアラブル診断装置４０を用いたＭＲＩ装置４５における構成の他の例を示す説明図である。

図１４のＭＲＩ装置４５では、各々の磁気計測装置１０と一体構造として、傾斜磁場生成コイル４９が形成されている。これにより、図１３に示す磁場生成コイル４６〜４８が不要となり、ＭＲＩ装置４５をさらに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 光源部
１２ 青緑色光源
１３ レンズ
１３ａ レンズ
１３ｂ レンズ
１３ｃ レンズ
１３ｄ 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
２６ 画素
２６ａ 画素
２６ｂ 画素
２６ｃ 画素
２６ｄ 画素
２７ａ 結晶領域
２７ｂ 結晶領域
２７ｃ 結晶領域
３０ 高周波チップ
３１ 光源アレイ
３１ａ 基板
３１ｂ 発光部
３１ｃ 貫通光路
３３ パッケージ基板
３５ レンズ
４０ ウェアラブル診断装置
４１ 光ファイバ
４２ 衣服
４５ ＭＲＩ装置
４６ 磁場生成コイル
４７ 磁場生成コイル
４８ 磁場生成コイル
４９ 傾斜磁場生成コイル
５０ 試料

Claims (6)

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、
   前記ダイヤモンド結晶に励起光を照射して、前記ダイヤモンド結晶が発生する前記蛍光を前記イメージセンサに照射する光源部と、
   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、
   前記イメージセンサの面積は、前記ダイヤモンド結晶の面積よりも小である、磁気計測装置。
2. 請求項１記載の磁気計測装置において、
   前記光源部は、
   励起光を出力する光源と、
   前記光源から出力された前記励起光を集光する第１のレンズと、
   前記励起光と前記蛍光とを分離するミラー部と、
   前記ミラー部が分離した励起光を拡大して前記ダイヤモンド結晶に照射し、前記ダイヤモンド結晶が発生した前記蛍光を集光する第２のレンズと、
   前記ミラー部が分離した前記蛍光を集光して前記イメージセンサに照射する第３のレンズと、
   を有する、磁気計測装置。
3. 請求項２記載の磁気計測装置において、
   前記第２のレンズの倍率は、前記イメージセンサと前記ダイヤモンド結晶との面積比が１：ｎとなるように設定される、磁気計測装置。
4. 請求項１記載の磁気計測装置において、
   前記光源部は、
   前記ダイヤモンド結晶に励起光を照射する光源チップからなり、
   前記光源チップは、アレイ状に形成された励起光を照射する複数の発光部と、
   各々の前記発光部間にアレイ状に形成され、前記ダイヤモンド結晶から発せられた前記蛍光を通過させる貫通光路と、
   を有する、磁気計測装置。
5. 請求項４記載の磁気計測装置において、
   前記光源チップは、隣り合う前記発光部の間隔である第１の距離と、前記光源チップと前記ダイヤモンド結晶との間隙である第２の距離とが同程度である、磁気計測装置。
6. 請求項１記載の磁気計測装置において、
   前記光源部は、外部から照射される励起光を拡大して前記ダイヤモンド結晶に照射する第４のレンズを有し、
   前記第４のレンズは、前記ダイヤモンド結晶の前記面積よりも小さい、磁気計測装置。