heliCam C3/C4を使用した測定を記録した査読付き論文、会議資料、学術論文。
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We demonstrate widefield magnetic imaging of current flow in hydrogen terminated diamond field effect transistors (FETs) through in-substrate nitrogen vacancy (NV) centers. Hydrogen termination of the diamond surface induces a two dimensional hole gas (2DHG), while an ensemble of near surface NV centers located ~1 µm below the surface enables noninvasive magnetic imaging of current flow with micrometer scale spatial resolution. The FETs were electrically characterized over a range of drain source biases Vds = 0 to -15V and gate voltages, Vgs = 3 to -9V to followed by in situ widefield NV magnetometry during device operation. Magnetic field maps and reconstructed current density distributions directly visualize current injection at the source drain contacts and transport beneath the hBN gated channel. Magnetic field maps reveal current density variations in the channel region owing to non-uniformities or defects in the gate dielectric. In addition, we observe a pronounced enhancement of the drain current (~600 – 900µA) and a shift in the apparent threshold voltage during laser illumination, reflecting photo induced changes in channel electrostatics. By correlating gate dependent magnetic images with simultaneous electrical measurements, we directly link spatial current distributions to FET transfer characteristics, providing new insight into buried interface transport and non-uniform gating effects in the transistor channel. As the methodology is compatible with top gated FETs, it can be used to map channel current distributions with micrometer resolution in emerging channel materials, such as 2D materials and wide bandgap channels, and establish widefield NV magnetometry as a powerful platform for probing charge transport in transistors and Van der Waals dielectric heterostructures.
ハイパースペクトルイメージング（HSI）は、スタンドオフ型生体認証検出のための多波長生理学的センシングを提供しますが、周囲光の変動は従来のシステムの堅牢性を制限します。本稿では、波長特異的な照明を迅速に変調し、検出を同期させるロックインカメラベースのHSIフレームワークを紹介し、変動する周囲条件下で堅牢なハイパースペクトルビデオ再構成を可能にします。光電式容積脈波法検証では、システムは1分あたり3拍未満の誤差で心拍数を推定し、通常1分あたり10拍を超える従来のHSIよりも優れています。二波長照明（660 nm、940 nm）を使用すると、最大誤差3％未満、変動光下での平均精度が2.7倍向上した血中酸素飽和度（SpO2）のダイナミクスをさらに抽出できます。高忠実度の光電式容積脈波信号でトレーニングされた機械学習モデルを使用して、血圧と心電図波形を正確に再構築します。私たちのアプローチは、ハイパースペクトルバイオセンシングの実用的なルートを提供し、リモートヘルス評価のための堅牢なマルチパラメーター生体認証検出を推進する可能性があります。
An optical technique for voltage contrast imaging of the active electronic properties of semiconductors, including semiconductor surfaces, periodic structures, and electrically active defects, is disclosed. A pump laser beam is used to produce a modulated photovoltage in a semiconductor sample and a second probe laser beam is used to detect synchronous changes in the reflectance of the sample, resulting in a non-contact voltage contrast imaging capability. Exemplary optical configurations enabling high-throughput voltage contrast inspection of electrically active defects are discussed.
We report the experimental realization of a quantum silicon carbide microscope (QSiCM) and demonstrate its functionality by imaging magnetic fields generated by electrical currents. We employ a dual-frequency sensing protocol to enhance the readout contrast and suppress noise arising from strain and temperature fluctuations. This approach enables spatial imaging of current-induced magnetic fields with a field of view of 50×50 virtual pixels, temporal resolution of 50ms, spatial resolution of 30µm and sensitivity of 2µT/√Hz about per pixel. Further sensitivity enhancement is anticipated through the use of isotopically purified SiC and improved light collection in crystallographically optimized wafer orientations. In addition, we implement a microwave-free imaging protocol based on spin level anticrossing, offering simplified operation with enhanced sensitivity. The demonstrated platform is compatible with commercial, wafer-scale fabrication and holds strong potential for applications in biomedical imaging and diagnostics, as well as non-invasive current and temperature mapping in high-power electronic devices.
マルチスペクトルイメージング（MSI）は、組織の酸素化を評価するための有望な技術です。ただし、照明を統合したMSIシステムは、臨床現場での手術用照明の影響を受けます。MSIのために変調光を利用することで、手術用照明の抑制を実証します。
Nitrogen vacancy (NV) centers in diamond have precipitated profound advances in microwave detection, manifesting themselves both in spatial resolution and sensitivity. However, typical methods based on Rabi oscillations are subject to detunings due to thermal and magnetic fluctuations and/or gradients, which introduce systematic errors and render the measurements susceptible to environmental perturbations. Here, we propose and demonstrate a novel approach for determining both the magnitude and direction of microwaves, by exploiting the spectral line broadening effect in the optically detected magnetic resonance of NV centers. This method eliminates the requirement of aligning the MW frequency to the spin transitions and is therefore immune to variations and inhomogeneities of the magnetic field and temperature, providing an optimal tool for fast imaging applications. With this method, we achieved wide-field imaging of near field microwaves generated with a microscale Ω-pattern antenna with a resolution of 800\,nm. Combining with the vector detection using multi-axis NVs, a full reconstruction of the vector microwave fields is obtained. Besides, our scheme also exhibits excellent linearity over a broad range of MW amplitudes, and the scale is theoretically calculated to be more than four orders. Our results augment the applicability of diamond-based microwave devices in applications under complex scenarios, especially where large dynamic range, fast test speed, and high spatial resolution are demanded.
ミリ波（MMW）イメージングは、生体組織との非イオン化相互作用を保証しながら、遮蔽物を透過する能力があるため、セキュリティ、生物医学、およびリモートセンシングアプリケーションで大きな注目を集めています。本研究では、近赤外（NIR）スペクトルでのアップコンバージョン読み出しに電荷結合素子（CCD）カメラを利用した以前の研究に基づいて、HeliCam C4 Lock-inカメラを活用した高度なイメージングシステムを紹介します。このシステムは、新しいグロー放電検出器（GDD）マップ構成を使用したMMW検出のために、強化された感度、ノイズ抑制、およびリアルタイムイメージング機能を提供します。完全なMMWイメージング結果は保留中ですが、本稿では、システムアーキテクチャ、方法論、LEDベースのプロトタイプ検証、および初期のGDD/MMW検出実験について詳しく説明します。
静的磁化率測定とは異なり、AC磁化率測定は磁性材料に関するより深い洞察を提供します。AC磁化率測定を用いることで、磁気ダイナミクスに関する重要な詳細を収集できます。それにもかかわらず、従来のAC磁化率計は、テスラあたり数ナノジュールの範囲内の磁気モーメントの変化の測定に限定されています。さらに、その空間分解能は著しく制限されており、その適用範囲はバルクサンプルのみに限定されています。本研究では、AC駆動場下でミクロンサイズの強磁性サンプルから生じる磁場をマッピングするために、窒素空孔（NV）中心ベースの量子ダイヤモンド顕微鏡の利用を紹介します。これは、サンプルに関する十分な追加情報を用いてAC磁化率を決定するために使用できます。コヒーレントパルスシーケンスを用いることで、70マイクロメートルの視野にわたるサンプル磁場の同相成分を抽出し、1マイクロメートルの分解能を達成します。
さらに、数百キロヘルツに達する周波数での励起によって誘導される、テスラあたりフェムトジュールのオーダーの双極子モーメントの変化を定量化します。
高時空間分解能での3次元磁気イメージングは、バイオセンシングからマイクロエレクトロニクスまで、さまざまなシステムにおける電流経路の調査に不可欠です。従来の2Dフーリエベースの電流源局在化法は、信号の重複やノイズにより、多層または動的システムでは不良設定となります。本研究では、動的な3次元イメージングと電流源の局在化のための革新的な窒素空孔（NV）センターベースの広視野磁気顕微鏡技術を実証します。ニューロン活動と同様の局所的な時間変化電流をエミュレートするためにカスタム製造された多層マイクロコイルプラットフォームを使用して、ピクセルごとのロックインベースの検出を使用して、マイクロメートルスケールの空間分解能とミリ秒スケールの時間分解能で磁場マップを取得します。ソースの局在化と画像再構成は、実験的に測定された基底マップを空間事前情報として組み込んだ、Least Absolute Shrinkage and Selection Operator（LASSO）ベースの再構成フレームワークを使用して実現されます。当社の方法は、空間と時間全体でアクティブな電流源の堅牢な識別を可能にし、複雑なシステムにおける動的3D電流イメージングとNVベースの磁力測定の精度を大幅に向上させます。
マルチスペクトルイメージング（MSI）は、スペクトル特性に基づいて非侵襲的な組織分化を可能にし、手術ガイダンスのツールとして大きな可能性を示しています。ただし、MSIを開腹手術に適応させることは困難です。手術室に存在する光源に依存するシステムは、頻繁な照明の変化によりスペクトルデータが歪み、破壊的な再調整などの対策が必要になるため、制限があります。一方、専用照明に依存するMSIシステムでは、開腹手術中に手術用照明などの外部光源をオフにする必要があります。これにより、手術のワークフローが中断され、手術時間が長くなります。この目的のために、アクティブ照明とスマートな背景抑制を組み合わせることで、これらの問題に対処するアプローチを紹介します。変調された光源の有無にかかわらず、目的の波長で画像を交互にキャプチャすることにより、ターゲット信号を分離し、アーチファクトのないスペクトルスキャンを可能にします。スマートピクセルカメラを使用してアプローチのパフォーマンスを実証し、従来の高速カメラに対する信号対雑音比（SNR）の利点を強調します。私たちの結果は、高い背景照明を備えた臨床環境で正確な反射率測定を達成できることを示しています。医療用途は、血中酸素濃度の推定を通じて実証されており、開腹手術への適合性について議論されています。
光アドレス指定可能な固体スピンは、外部静磁場によって調整された特定のRF周波数に敏感な堅牢な無線周波数（RF）-光トランスデューサーとして提案されていますが、システムの対称軸との正確なフィールドアライメントが必要になることがよくあります。ここでは、等方性固体スピンシステム、つまり六方晶窒化ホウ素（hBN）の弱結合スピンペアを紹介します。これは、調整磁場の方向に依存しないRF-光トランスデューサーとして機能し、実験設計を大幅に簡素化します。このプラットフォームを使用して、最初に0.1〜19 GHzの周波数可変性を備えた単一周波数RF受信機を実証します。次に、磁場勾配を適用してRF周波数を空間位置にエンコードすることにより、瞬時広帯域RFスペクトルアナライザーを実証します。最後に、スペクトルアナライザーを利用して、一般的なWi-Fi信号の強度と周波数に一致する自由空間送信RF信号を検出します。この研究は、hBNの等方性スピンがRFセンサーとして動作する独自の能力を実証すると同時に、従来の固体スピンが直面する正確に調整された磁場の困難な要件を回避します。
過去10年間で、高い繰り返し率のパルスレーザー光源の普及により、超高速時間分解分光法とイメージング顕微鏡法が融合しました。過渡吸収顕微鏡（TAM）では、システムの励起状態ダイナミクスは、サンプルを光励起した後の集束プローブパルスの透過率の変化を測定することによって追跡されます。通常、これらの実験はフォトダイオード検出器とレーザーに同期されたロックインアンプを使用して行われ、TAM信号の空間的な不均一性を強調する画像は、サンプル全体でプローブをスキャンすることによって構築されます。代わりに、マルチピクセルカメラで空間的にデフォーカスされた広視野プローブをイメージングすることによってTAMを実行すると、空間分解されたダイナミクスの取得が劇的に加速される可能性がありますが、このような広視野イメージングのアプローチは一般に、高周波ロックイン検出を備えたマルチピクセルカメラとの非互換性により、信号対雑音比が低下します。ここでは、高周波ロックイン検出が可能なカメラの実装について説明します。これにより、高い繰り返し率のレーザーに一致するレートで広視野TAMイメージングが可能になります。広視野プローブと2つの別々のポンプパルス構成を使用した過渡画像が強調表示されます。最初に、広視野プローブを使用して、しっかりと集束されたポンプパルスによって準備された光励起分子の空間分布の変化をイメージングし、次に、広視野プローブは、デフォーカスされたポンプパルスによって励起された不均一な有機結晶内の光励起ダイナミクスの空間的変動を検出しました。これらの結果は、高感度ロックイン検出が広視野TAMイメージングを可能にする能力を強調しており、空間的に不均一なシステム内の励起状態ダイナミクスと励起輸送の理解を深めるために活用できます。
量子ダイヤモンド顕微鏡（QDM）は、マイクロンスケールの空間分解能で磁場の近接場イメージング用に最近開発された技術です。本研究では、QDMを狭帯域測定プロトコルおよびロックインカメラと統合します。スペクトル分解能≈1,Hzで、マイクロコイルによって生成された無線周波数（RF）磁場パターンのイメージングを実証します。このRF-QDMは、MHzスケールで簡単に調整可能な中心検出周波数でマルチ周波数イメージングを提供し、混雑したスペクトルピークとスペクトル的に十分に分離された信号の両方の空間的識別を可能にします。現在の機器の空間分解能は≈2μm、視野は≈300×300μm2、狭帯域フィールドに対するピクセルあたりの感度は∼1nT⋅Hz−1/2です。空間ノイズは、信号平均および/または空間ビニングによってピコテスラスケールまで低減できます。RF-QDMを使用すると、マイクロンスケールで狭帯域磁場パターンの振幅、周波数、および位相を同時にイメージングできます。リアルスペースNMRイメージング、AC感受性マッピング、インピーダンストモグラフィー、電子回路の分析、および空間渦電流ベースの検査に潜在的なアプリケーションがあります。
プラズモニックナノ粒子の時間分解分光法は、それらの超高速電子ダイナミクスとその後の音響および光熱特性を調査するための重要な技術です。従来、これらの実験は、高い信号振幅を達成するために、アンサンブルレベルでスペクトル的に広いプローブビームを使用して実行されます。ただし、プラズモニックナノ粒子の緩和ダイナミクスは、そのサイズ、形状、および結晶性に大きく依存します。そのため、ほとんどのナノ粒子サンプルの固有の不均一性は、アンサンブル測定のみに基づいてこれらのダイナミクスの顕微鏡モデルを構築する取り組みを複雑にする可能性があります。選択されたプローブ波長で個々のナノ粒子から時間分解顕微鏡信号を収集するためのアプローチが実証されていますが、単一のオブジェクトから時間分解スペクトルを取得することは依然として困難です。ここでは、1回の測定で単一の金ナノディスクの時間分解スペクトルを効率的に生成する代替方法を実証します。96 MHz Ti:サファイア発振器の周波数2倍出力を8 kHzで変調することにより、ロックインピクセルアレイカメラを使用して、フォトニック結晶ファイバーから導出された白色光連続プローブの透過率の光誘起変化を検出し、単一の金ナノディスクの広帯域フェムト秒透過スペクトルを生成できます。また、同じ単一ナノ粒子に対するロックインカメラのパフォーマンスを単一要素フォトダイオードを使用した測定と比較し、同等の感度を見つけます。したがって、ロックインカメラは、スペクトル検出を多重化できるため、大きな利点を提供します。ここでは、これを利用して、超高速レーザー励起後の単一の金ナノディスクの電子ダイナミクスと音響振動の両方をキャプチャします。
ナノダイヤモンドの窒素空孔（NV–）センターは、バイオイメージング、フォトニクス、量子センシングなど、幅広いアプリケーション向けの汎用性の高いプラットフォームとして登場しました。ただし、実用的なアプリケーションでのナノダイヤモンドの広範な採用は、十分なスループットで高解像度フィーチャにパターン化することに関連する課題によって妨げられています。本研究では、2次元ナノダイヤモンドパターンの正確な製造を可能にする直接レーザー書き込みバブル印刷技術を導入することにより、これらの制限を克服します。印刷されたナノダイヤモンドは、高いパッキング密度と強いフォトルミネッセンス放出、および堅牢な光検出磁気共鳴（ODMR）信号を示します。さらに、ナノダイヤモンドパターンの空間分解ODMRを利用して、高フレームレート広視野ロックイン蛍光イメージングを使用して2次元温度勾配のマッピングを実証します。この機能は、ナノダイヤモンドベースの量子センサーを実用的なデバイスおよびシステムに統合するための道を開き、高解像度熱イメージングおよびバイオセンシングを含むアプリケーションの新しい可能性を開きます。
この論文は、局所的な熱特性を測定するためのハイスループット法の開発と実現可能性の探求で行われた研究を文書化しています。熱伝導率、熱拡散率、カピッツァ抵抗などの局所的な熱物性特性の測定における現在の機能は、特定の材料およびフィーチャを介した熱輸送を完全に理解および特性評価するには非常に非効率的であり、非現実的です。この研究は、空間ドメイン熱反射率（SDTR）法による局所的な熱特性測定の過去の研究をフォローアップし、プロセスを並列化する可能性を探求します。並列化されたSDTR（P-SDTR）法では、レーザープロジェクターソースを使用して、複数の場所でサンプル表面の反射率の変化を周期的に加熱および測定します。これらの測定は、高度なカメラセンサーを備えた領域全体の複数のスポットでロックイン増幅を使用して変調された光の特性を測定できるロックインカメラの開発によって可能になります。この方法により、粒界などのフィーチャ全体の局所的な熱特性、または異方性材料の方向特性を測定できます。熱反射率信号を測定できる加熱およびプローブパラメーターを決定するために、実験セットアップが開発されています。有限要素モデルも作成され、P-SDTRプロセスをシミュレートし、SDTRで行われた仮定をP-SDTR測定で行うことができることを検証します。加熱/測定場所の適切な分離では、シミュレーションからのソリューションが単一の測定スポットのソリューションに近づくことが示されています。初期デバイス設計が提案され、テストされています。P-SDTRデバイスの開発における将来の作業もレイアウトされています。
Wide-field imaging of magnetic signals using ensembles of nitrogen-vacancy (NV) centers in diamond has garnered increasing interest due to its combination of micron-scale resolution, millimeter-scale field of view, and compatibility with diverse samples from across the physical and life sciences. Recently, wide-field NV magnetic imaging based on the Ramsey protocol has achieved uniform and enhanced sensitivity compared to conventional measurements. Here, we integrate the Ramsey-based protocol with spin-bath driving to extend the NV spin dephasing time and improve magnetic sensitivity. We also employ a high-speed camera to enable dynamic wide-field magnetic imaging. We benchmark the utility of this quantum diamond microscope (QDM) by imaging magnetic fields produced from a fabricated wire phantom. Over a 270×270μm2 視野では、中央値のピクセルあたりの磁気感度は 4.1(1)nT/√ Hzは空間分解能で実現されます ≲10μm and sub-millisecond temporal resolution. Importantly, the spatial magnetic noise floor can be reduced to the picotesla scale by time-averaging and signal modulation, which enables imaging of a magnetic-field pattern with a peak-to-peak amplitude difference of about 300pT. Finally, we discuss potential new applications of this dynamic QDM in studying biomineralization and electrically-active cells.
多重散乱は、特に高解像度光イメージング法の場合、深部イメージングにおける基本的な制限となります。反射マトリックス測定と光コヒーレンストモグラフィー（OCT）の融合により、高度に散乱する媒体を介した深部イメージングに大きな利点がもたらされました。反射マトリックスOCT（RMOCT）の優れたパフォーマンスを経験的に示すために、この研究では、各イメージングポイントで実際の解像度を特定するための独自の方法を提案します。従来の理論的な横方向解像度とは対照的に、これらの解像度は、時間ゲート反射マトリックスに時間反転分解を適用することによって導出されます。さらに、各ポイントのイメージング寄与を定量化する寄与率の概念は、ローカルイメージングポイント自体とその隣接ポイントを考慮して導入されます。寄与率は、システムによって提供されるイメージング品質の定量的な評価を提供します。私たちの知る限り、この研究は、実際の分解能とイメージング品質の観点から、RMOCTの実用的なパフォーマンスの包括的な評価を表しています。
ロックイン検出を用いた量子ダイヤモンド磁力計は、ニューロン、生きた哺乳類の筋肉、生きたマウスの心臓からの微弱な生体磁場を検出することに成功しています。これにより、量子ダイヤモンド磁力計が生体磁場の微視的な分布を可視化できる可能性が開かれます。本稿では、ロックインベースの広視野量子ダイヤモンド顕微鏡を実証し、43.9 nT⋅μm1.5/Hz0.5の平均体積正規化ピクセル感度を達成しました。ハイパイン分極駆動とダイヤモンドの<001>方位に沿った磁場アライメントによる二重共鳴を実装することで、この感度を実現しました。さらに、量子ダイヤモンド顕微鏡を使用することで、サブミリ秒の時間分解能（約0.4 ms）を、数十ナノテスラのピクセル感度でミクロメートルスケールで達成できることを実証しました。このロックインベースのダイヤモンド量子顕微鏡は、ミクロメートル空間分解能でのニューロンネットワークにおける機能的活動のマッピングにおける前進となる可能性があります。
量子技術への関心は、過去数十年にわたって高まっています。量子プロセスにより、これまでになかった精度と空間分解能で、電場、磁場、温度などを測定できるようになりました。ダイヤモンド中の負に帯電した窒素空孔中心（NV–中心）は、そのような量子センサーシステムの新たな例です。この記事では、生物学における応用、「NV–中心」を用いたセンシングの開発と利用、これらの室温動作可能なシステムを使用して大学の研究室で量子技術を教えるためのプラットフォームの開発について説明します。
磁性材料の微視的AC感受率を決定するための技術を紹介します。窒素空孔（NV−）中心の磁場センシング特性を利用して、調査対象の磁性材料の磁気状態に関する定量的なデータを収集します。統合されたロックインカメラを備えた量子ダイヤモンド顕微鏡を使用して、高速磁場イメージングのためにNV−フォトルミネッセンスのピクセルごとのロックイン検出を実行します。さらに、二次センサーを使用して、励起場の効果をNV−中心の磁性構造から生じる場から分離します。1.2µmの空間分解能と100µmの視野で、最大20 Hzの励起周波数で軟質パーマロイマイクロマグネットのAC感受率を測定することにより、実験技術を実証します。私たちの研究は、物理学、生物学、および材料科学に関連する磁性材料のAC感受率の微視的測定への道を開きます。
シフト励起ラマン差分分光法（SERDS）は、励起波長のわずかな差に対する蛍光の独立性のおかげで、ラマンスペクトルから蛍光バックグラウンドやその他の妨害を除去できる非破壊化学分析法です。スペクトルの差は、後処理ステップで計算されます。ここでは、ロックインカメラを使用して、より長い露光時間と飽和のないオンラインアナログSERDSスペクトルを取得し、信号対雑音比（SNR）を改善し、データストレージを削減する方法を実証します。2つの構成を示します。最初の構成は、単一のレーザーを使用し、周囲光などの励起に依存しない妨害を除去できます。2番目の構成は、SERDSと同様に、2波長シフトソースを使用し、蛍光バックグラウンドを除去します。どちらの場合も、予想されるSNRの改善を実験的に推定します。
広視野磁場顕微鏡は、ダイヤモンド中の窒素空孔（NV）欠陥中心の光検出磁気共鳴（ODMR）スペクトルのシフトを調べることによって実現されています。ただし、これらの広視野ダイヤモンドNV磁力計は、単一の磁場画像を取得するために数分から数十分の取得時間を必要とし、現在の形式では技術的に時間的に静的です。この制限により、ダイヤモンドNV磁力計を動的に変化するマイクロスケール磁場プロセスの新しいイメージングに適用することができません。ここでは、NVフォトルミネッセンス（PL）のロックイン検出を、ロックインカメラの複数のピクセルで同時に実行することにより、磁場イメージングのフレームレートを大幅に向上させることができることを示します。数キロヘルツの周波数で、高速カメラフレーム復調によるNV中心の周波数変調PLの同期に関する詳細なプロトコルが実験的に実証されています。この実験技術により、50〜200フレーム/秒（fps）のイメージングフレームレートで、平面マイクロコイル内のサブ秒変動マイクロスケール電流の磁場イメージングが可能になります。私たちの研究は、周波数変調NV ODMRの広視野ピクセルごとのロックイン検出により、動的磁場顕微鏡が可能になることを実証しています。
ランダム媒体内部の多重散乱は、光コヒーレンストモグラフィー（OCT）のイメージング深度を1〜2 mmに制限し、深いイメージング深度での焦点の程度も制限します。本稿では、マトリックス測定の概念を広視野光コヒーレンストモグラフィーと組み合わせることにより、2つの側面で作業を行いました。1つ目は、より深いイメージング深度です。サンプルの巨大な反射マトリックスを再構築し、それに時間反転操作を適用することにより、散乱平均自由行程（SMFP）の15倍の深度でイメージングするための単一散乱光を正常にフィルタリングしました。従来のOCTのイメージング深度はSMFPの6〜7倍であるため、提案する反射マトリックス光コヒーレンストモグラフィー（RMOCT）は、従来のOCTよりも約1倍深くなります。作業の2番目の部分は、1回のインアンドアウト複合光場分析に基づく高速波面整形（WFS）法です。位相のみの空間光変調器の助けを借りて、ランダム媒体を介した光の集束を〜113 msで実現します。これは、反復フィードバック波面整形法よりも約3倍高速です。私たちの研究は、WFSを光イメージング法に適用し、散乱媒体を介したより深いイメージングに向けた新しい方法を開く道を開く可能性があると考えています。
Communication Physics 2020 28に掲載された以前の研究では、皮質体積に位置する哺乳類ニューロンの活動電位APによって生成される3D磁場活動を再構築するための新しいアルゴリズムを提案しました。ダイヤモンドNV顕微鏡で測定された予想される2Dマイクロスケール磁場パターンをシミュレートしました。Rothらによる基礎研究29では、3D電流源の再構築は、追加のソース情報で制約されない限り、非ユニークな逆問題であることが示されています。私たちの分析では、ニューロンの軸索小丘セグメントが、十分な精度で3Dでニューロン活動を解決するためのユニークな支配的なシグネチャを提供することが示されています。AP磁場はミリ秒スケールの現象であるため、動的磁気顕微鏡セットアップにより、顕微鏡分解能で新しいAP関連磁場を調べることができる可能性があります。Ref. 30では、毎秒50〜200フレームの調整可能なイメージングフレームレートで、動的に変化するマイクロスケール磁場機能を調べることができる広視野磁場顕微鏡を初めて実証しました。
光学的に透明なサンプルの顕微鏡観察は、数十年にわたって関心の的となっています。密度や化学組成などの特徴は、透過光の光学的位相に影響を与える可能性があり、位相コントラストはこれらの構造を明らかにすることができます。いくつかの位相コントラスト法が開発されており、使用される光のコヒーレンス特性の種類に基づいて、干渉法または非干渉法のいずれかに分類できます。本研究では、非コヒーレントベースの位相コントラスト、特に微分位相コントラスト（DPC）に焦点を当てます。非コヒーレント光の選択は、スペックルパターンやリンギングパターンなどの歪みのないこと、空間分解能の向上、および生体内アプリケーションに使用できるより単純なセットアップなどの利点をもたらします。さらに、DPCを使用すると、サンプルの定量的な位相マップを再構築できます。一方、コヒーレントベースの技術は、位相感度に関して優れた性能を発揮します。本論文の最初の部分では、DPCの位相感度の定量的な分析を提供し、光学パラメータとサンプル特性の影響を調査します。シミュレーションと実験により、開口数と位相感度の関係が実証され、コントラストを高めるためのスペクトルマッチングの概念が導入されています。この方法は、任意のDPCセットアップに一般化でき、テストではなく設計段階でDPC顕微鏡の感度を事前に調査できます。DPCで達成できる最高の感度と最先端の干渉法技術との比較により、同等のシングルショット性能に到達することは不可能であることが示されています。本論文では、この制限の理由は、DPC画像内の強いバックグラウンドであり、ダイナミックレンジを低下させることであることが示されています。DPC画像はミラーリングされた照明で取得され、バックグラウンドは同一であり、位相項は符号が切り替わります。これらの画像のペア間の差はデジタルで計算されますが、制限されたダイナミックレンジは改善されません。Lock-in DPCがソリューションとして提案されています。異なる照明状態をサンプリングする代わりに、Lock-in DPCは、照明が切り替えられたときに位相信号を復調し、バックグラウンドはエンコードされません。これは、いわゆる「Lock-inカメラ」であるスマートピクセル検出器と組み合わされたソースの周期的な切り替えによって可能になります。本研究の一部は、この方法の理論的な説明と、予想される利点の分析に費やされています。標準のDPCと比較して、シングルショット感度が8倍向上することを示す実験についても説明します。DPCは、高輝度バックグラウンドに悩まされる唯一のイメージング技術ではありません。差分イメージングにLock-inカメラを使用すると、強いバックグラウンド上で弱い変調を誘導できる状況に一般化できることは容易にわかります。ここでは、Lock-inシフト励起ラマン差分分光法（SERDS）の例を示します。SERDSは、ラマン発光スペクトルが励起波長に関連していることを利用して、不要な蛍光発光を除去する確立されたラマン分光法技術です。シフトされた励起波長を持つ2つのスペクトルが測定され、それらの差が計算され、蛍光がデジタルで除去されます。 DPCとの類似点はすぐに明らかです。シミュレーションと実験の両方を使用して、アナログ復調の利点を実証します。
結晶ひずみの変動は、ダイヤモンド中の固体欠陥量子ビットの多くの量子センシングおよび情報アプリケーションに大きな制限を課します。したがって、ダイヤモンド結晶ひずみの精密測定と制御は、重要な課題です。ここでは、ミクロンスケールの空間分解能、ミリメートルスケールの視野、および以前の研究よりも体積正規化感度が2桁向上し、5(2)×10−8(Hz μm-3)1/2に達する（スピンひずみ結合係数が支配的な系統的誤差を表す）独自の機能セットを備えたダイヤモンドひずみ測定を報告します。低ひずみ勾配の単結晶バルクダイヤモンド中の窒素空孔（N-V）カラーセンターのアンサンブルで、ひずみに敏感なスピン状態干渉法を使用します。この量子干渉法技術は、電子および核スピンバスからの磁場不均一性に対する非感受性を提供し、それにより、長いN-V–アンサンブル電子スピン脱位相時間と強化されたひずみ感度を可能にし、同位体濃縮または高純度ダイヤモンドを超えた技術の潜在的なアプリケーションを広げます。ひずみに敏感な測定プロトコルを、最初に共焦点走査レーザー顕微鏡で実証し、感度の定量的な測定と3次元ひずみマッピングを提供します。次に、広視野イメージング量子ダイヤモンド顕微鏡で実証します。私たちのひずみ顕微鏡技術は、ダイヤモンド材料エンジニアリングおよびナノファブリケーションのための高速で高感度な特性評価を可能にします。また、ダイヤモンドアンビルセルまたは埋め込みダイヤモンド応力センサーのように外部から加えられたひずみ、または粒子誘起核反跳による結晶損傷のように内部から加えられたひずみのダイヤモンドベースのセンシングも可能にします。
電流の流れを高い空間分解能と時間分解能で測定する能力は、微小電子回路の検査からバイオセンシングまで、幅広い応用に不可欠です。このような信号を受動的かつリモートでイメージングする能力は、研究対象のシステムや信号自体を侵襲的に妨害することなく測定するために非常に重要です。これを実現する最近のアプローチは、固体材料中の点欠陥、特にダイヤモンド中の窒素空孔中心を利用します。光電子的にアドレス可能で、温度や磁場を含む要因に高感度な独立センサーの高密度アレイとして機能し、これらは顕微鏡的な広視野イメージングに理想的に適しています。本研究では、微小なリソグラフィーパターン回路からの信号を空間的および時間的に同時に分解して検出することを実証します。ロックインアンプカメラの応用により、ミリメートルスケールの視野でマイクロメートルスケールのイメージング分解能を実現し、エイリアシングやアンダーサンプリングなしに、直流から数キロヘルツの交流および広帯域パルス電流信号の空間分解されたサブミリ秒（最大3500フレーム/秒−1）検出を同時に実現します。我々の方法の例として、集積回路のデジタルパルスや脳内の生物学的神経ネットワークで観察される信号を模擬した合成信号の検出を実証します。
非干渉微分位相コントラスト（DPC）イメージングにおける位相コントラストを向上させるロックイン方式を導入します。この方法は、バックグラウンドのアナログ除去により位相感度を向上させます。画素内信号復調機能を持つスマートピクセル検出器と、同期切替照明を組み合わせることで、ロックインDPCをエミュレートするビット効率の高いアプローチの基礎を提供します。実験では、理論から予想される通り最大8倍の感度向上が示され、同等の標準DPC測定と比較してデータ収集量が70分の1に削減されました。1秒あたり1400フレームのフレームレートで0.7 mradのシングルショット感度が実証されています。この新しいアプローチにより、極端な位相感度とミリ秒応答時間が必要な生物学的応用において、非干渉位相顕微鏡の使用への道が開かれる可能性があります。
多重光散乱は、濁った媒質における深部イメージングとフォーカシングの主要な制限要因とされています。本論文では、この制限を克服し、濁った媒質の超深部への光エネルギー伝達を向上させ、フォーカシングを大幅に改善する革新的な方法を提案します。我々の方法は、広視野反射行列光コヒーレンストモグラフィー（RM-OCT）に基づいています。RMの時間反転分解は、散乱サンプル内部での正確な反転結果を得るために、チホノフ正則化パラメータで較正されています。我々は、散乱サンプル内部の光エネルギー分布の直接マッピングを提供するモデルエネルギー行列という概念を提案します。散乱サンプル内部のビーム強度分布を測定・定量化する方法が実証されたのは、我々の知る限り初めてです。RMの反転を用いて整合波面を見つけ、位相のみの空間光変調器で整形することにより、サンプル内部の深部（散乱平均自由行程の約9.6倍）でのビームフォーカシングと、超深部（散乱平均自由行程の約14.4倍）での光エネルギー伝達を1桁向上させることに成功しました。この技術は、散乱媒質内での光子の伝播を理解するための強力なツールを提供し、生体組織内部に光をフォーカスする新しい方法を開拓します。
State-of-the-art time-of-flight (ToF) based 3D sensors suffer from poor lateral and depth resolutions. In this work, we introduce a novel sensor concept that provides ToF-based 3D measurements of real world objects with depth precisions up to 35µm and point cloud densities
at the native sensor-resolutions of state-of-the-art CMOS/CCD cameras (up to several megapixels). Unlike other continuous-wave amplitude-modulated ToF principles, our approach exploits
wavelength diversity for an interferometric surface measurement of macroscopic objects with
rough or specular surfaces. Based on this principle, we introduce three different embodiments
of prototype sensors, exploiting three different sensor architectures.
我々は、単一のフィードバック測定で15.2散乱平均自由行程を約113ミリ秒で透過する光をフォーカスする新しいタイプの高速波面決定法を開発しました。我々の方法はヘテロダイン検出位相感度干渉計に基づいています。まず、サンプル内の光伝播過程を記述する行列を、単一の入出力光場の分析により測定します。次に、空間光変調器を使用して整合波面で入射光を整形することで、サンプルの背後にフォーカスビームが観察されます。提案する高速光フォーカス法は、高散乱生体組織を通じたより深部のイメージングに向けた新しいスポットスキャンモードを開拓します。
最先端の飛行時間（ToF）方式3Dセンサーは、横方向および深度分解能が低いという課題があります。本研究では、最新のCMOS/CCDカメラ（数メガピクセル）のネイティブセンサー解像度での深度精度35µmまでのToFベースの3D測定を実現する新しいセンサーコンセプトを紹介します。他の連続波振幅変調ToF原理とは異なり、我々のアプローチは、粗面または鏡面を持つマクロスコピックな物体の干渉計測定のために波長多様性を活用します。この原理に基づき、3つの異なるセンサーアーキテクチャを活用した3種類のプロトタイプセンサーを紹介します。
我々は、従来の単一量子（SQ）技術と比較して、磁気感度の均一性を向上させた窒素空孔（N-V）中心を用いたダイヤモンドの広視野磁気イメージングを可能にする二重量子（DQ）4-Ramsey測定プロトコルを導入します。DQ 4-Ramseyプロトコルは、マイクロ波パルスエラーによって誘起される残留SQ信号から所望のDQ磁気信号を分離するために、4つの連続したRamsey測定にわたってマイクロ波位相を交互に切り替えます。マクロスコピックなダイヤモンドチップの1μm厚N-V層を用いたデモンストレーション実験では、DQ 4-Ramseyプロトコルは、125μm×125μmの視野にわたって体積正規化されたDC磁気感度ηV = 34 nT Hz −1/2 μm 3/2を提供し、SQ測定と比較して視野全体での感度の空間変動が約5倍少なくなります。DQ 4-Ramseyプロトコルの改善された堅牢性と磁気感度の均一性により、集積回路や電気的に活性な細胞などの動的な広帯域磁気源のイメージングが可能になります。
我々は、単一のフィードバック測定で15.2散乱平均自由行程を約113ミリ秒で透過する光をフォーカスする新しいタイプの高速波面決定法を開発しました。我々の方法はヘテロダイン検出位相感度干渉計に基づいています。まず、サンプル内の光伝播過程を記述する行列を、単一の入出力光場の分析により測定します。次に、空間光変調器を使用して整合波面で入射光を整形することで、サンプルの背後にフォーカスビームが観察されます。提案する高速光フォーカス法は、高散乱生体組織を通じたより深部のイメージングに向けた新しいスポットスキャンモードを開拓します。
電流の流れを高い空間分解能と時間分解能で測定する能力は、微小電子回路の検査からバイオセンシングまで、幅広い応用において重要です。同時にこのような信号を受動的かつ遠隔で測定できることは、研究対象のシステムや信号自体を侵襲的に妨げることなく測定するために非常に重要です。これを実現する新しいアプローチとして、固体材料中の点欠陥、特にダイヤモンド中の窒素空孔（NV）中心を利用します。光電子的にアドレス可能で、温度や磁場などに高感度な独立センサーの高密度アレイとして機能し、顕微鏡的な広視野イメージングに理想的です。本研究では、マイクロメートルスケールのリソグラフィーパターン化された回路からの信号のこのようなイメージングを実証します。新しいタイプのロックインアンプカメラを使用して、エイリアシングやアンダーサンプリングなしに、ACおよびパルス電流信号のサブミリ秒（最大3500フレーム/秒）の空間分解能での回復を実証します。最後に、原理実証として、生物学的神経ネットワーク（マウスの海馬）の信号を複製した合成信号の回復を実証します。
ダイヤモンド中の窒素空孔（NV）欠陥中心の光学的検出磁気共鳴（ODMR）スペクトルのシフトを検出することにより、広視野磁場顕微鏡が実現されています。しかし、これらの広視野ダイヤモンドNV磁力計は、1枚の磁場画像を得るのに数分から数十分を要し、現在の形では時間的に静的な技術となっています。この制限により、動的に変化する微小スケールの磁場プロセスの新規イメージングへのダイヤモンドNV磁力計の応用が妨げられています。ここでは、ロックインカメラの複数のピクセルで同時にNVフォトルミネッセンス（PL）のロックイン検出を実行することにより、磁場イメージングのフレームレートを大幅に向上できることを示します。数キロヘルツの周波数で、NV中心の周波数変調PLと高速カメラフレーム復調の同期化のための詳細なプロトコルが実験的に実証されています。この改良されたダイヤモンドNVイメージングにより、50-200Hzのイメージングフレームレートで、最大1万ピクセルが同時に1秒未満の時間変動を持つ印加磁場波形を追跡することが可能になります。我々の研究は、周波数変調NV ODMRと組み合わせた広視野ピクセル単位のロックイン検出により、ミリ秒スケールの動的磁場顕微鏡が可能になることを実証しています。
生体組織における多重光散乱は、光コヒーレンストモグラフィーなどの光学イメージングシステムの浸透深度を制限します。散乱媒質でのイメージング深度を増加させるために、低コヒーレンス干渉計を用いたコヒーレント反射行列測定に基づく計算方法が開発されています。複素反射行列は、点ごとのスキャンに続く位相シフト法により取得され、特異値分解を用いて単一後方散乱光を取り出します。しかし、現在報告されている方法の生体内応用は、行列の取得速度が遅いために制限されています。本レターでは、深部組織層での複素行列測定を高速化するために、広視野ヘテロダイン検出法を採用しています。位相シフト法と比較して、ヘテロダイン検出方式は、基準ミラーの機械的移動なしで、より高速かつ安定して深度分解された複素振幅を取得します。その結果、行列測定速度は1桁以上向上しています。
物体と観察者の間のイメージング経路における散乱媒質の存在は、イメージングシステムの視覚的鮮明度を著しく制限することが知られています。我々は、散乱波面のスペクトル相関を利用することで、散乱の有害な影響を回避するアプローチを提示します。我々の合成波長ホログラフィー（SWH）法は、広視野にわたって高解像度で隠れたターゲットのホログラフィック表現を回復することができます。完全な物体場は、小さなプローブ領域で散乱光の戻りを監視することにより、スナップショット方式で記録されます。この独自の属性の組み合わせにより、医療イメージングや法医学から早期警告ナビゲーションシステムや偵察まで、新しい非視線イメージング応用の可能性が広がります。この研究の知見を他の波動現象に適用することで、本論文で想定されているものを超えた、より広範な応用が可能になります。
我々は、多波長干渉法とリモートデジタルホログラフィーのアイデアを借用した非視線イメージングの新しい技術を提示します。我々の方法は数ミリメートルの解像度に達し、従来の方法の解像度を大きく上回ります。
従来の視線イメージング技術は、物体から跳ね返って直接検出器に到達する光路の検出に依存しています。物体から検出器への直接的な光路がない場合、従来の技術では有用な情報を回復することができません。物体から検出器への直接的な光路がない状況は、角を曲がって見る、濁った媒体を通してイメージングする、組織を通してイメージングするなど、実世界の多くのシナリオで観察されます。
この論文の焦点は、マクロスコピックなスケールで角を曲がって見る（または）視線から隠れた物体をイメージングする問題に関するものです。この論文は、散乱による放射測定の損失を回避し、より困難な実用的なシナリオでの使用を可能にするために、ヘテロダイン干渉法を適応させることに焦点を当てています。0.8メートルの距離で500µmの解像度で、角の向こうに隠れた物体が再構成されました。ヘテロダイン干渉法とロックイン検出技術を使用することで、大きな放射測定の損失があっても、パワーマッチングなしで隠れた物体のホログラムを得ることができました。また、ドップラーシフトとスペックル相関を使用して、それぞれ角の向こうの物体の急速に変化する動きと緩やかに変化する動きを推定することについても議論しています。
動的干渉法は、偏光位相シフトを使用して位相画像のスナップショット回復を可能にします。しかし、位相推定は制御されていない偏光を持つ周囲光源の影響を受けやすいです。我々は、動的ヘテロダイン干渉法（DHI）という新しい方法を提示し、動的なポテンシャルを維持しながら、周囲光源からの位相バイアスを軽減する手段としています。
OMNISCIENT研究の取り組みは、アクティブ照明を使用して間接イメージングの課題に取り組むことを目指しています。基本的なフレームワークは、仮想光源と仮想検出器の概念を活用しており、これらは隠れた物体と間接イメージングシステムの両方から直接見える散乱面を表しています。このアプローチは、散乱面の本質的な粗さを利用して、視界から隠れた物体の間接照明を促進し、隠れた物体によって反射された光を遮断します。この取り組みは、潜在的なシーン情報を回復するための2つの異なる経路の設計、開発、統合に焦点を当てています。
We demonstrate a technique for precision sensing of the temperature or the magnetic field by simultaneously driving two hyperfine transitions involving distinct electronic states of the nitrogen-vacancy center in diamond. Frequency modulation of both driving fields is used with either the same or opposite phase, resulting in the immunity to fluctuations in either the magnetic field or the temperature, respectively. In this way, a sensitivity of 1.4 nT Hz−1∕2 or 430 μK Hz−1∕2 is demonstrated. The presented technique only requires a single frequency demodulator and enables the use of phase-sensitive camera imaging sensors. A simple extension of the method utilizing two demodulators allows for simultaneous, independent, and high-bandwidth monitoring of both the magnetic field and the temperature.
構造化照明は、顕微鏡オブジェクトをスーパー解像し、コンピュータビジョンアプリケーションで地形情報を提供するために利用されてきました。これらの分野での成果に触発され、天文学的なスパースアパーチャシステムで見られる技術を活用して、典型的な現実世界のシナリオでマクロオブジェクトをスーパー解像するアプローチが開発されています。制御されていない3D環境をスーパー解像する課題に対処します。スーパー解像しながら3D地形情報を収集できるアプローチを紹介します。これらの技術は、非コヒーレント照明を使用して、強度画像で空間的な詳細を解決します。間接イメージングシナリオの場合、このアプローチは構造化されたコヒーレント照明で適合され、距離を置いて位相をスーパー解像します。
ダイヤモンド中の窒素空孔中心を用いた高感度なリアルタイム光磁力測定は、ダイヤモンドサンプル全体にわたる微小な（≪10−2）蛍光変化の正確なイメージングに依存しています。本稿では、カメラが一定時間内に記録できる光電子の数に制限されることに起因する、磁場感度の制限について議論します。いくつかの種類のカメラセンサーを分析し、各タイプについて測定可能な最小磁場変化を推定します。一般的なセンサーのほとんどはこのような用途では使用が制限される一方、特定の高度に特殊化されたカメラを使用すると、合計1秒の露光でナノテスラレベルの感度を達成できます。最後に、ナノテスラレベルおよびマイクロメートル分解能でのリアルタイム広視野磁力測定への道を開く、ロックインカメラで得られた結果を示します。
この論文では、単一ショットで散乱面の背後に隠されたオブジェクトのホログラムを復元するためのヘテロダイン干渉法の適応について説明します。ピクセルレベルの同期復調を特徴とするロックインカメラがプロセスを支援します。
素粒子物理学の標準模型の多くの拡張は、現在の実験的限界の範囲内で電子の永久電気双極子モーメント（eEDM）を予測しています。トラップされたThF+は、次世代のJILA eEDM実験で使用されます。ここでは、周波数コム速度変調分光法を使用して700〜900 nmの範囲を完全にカバーし、700〜1000 nmのスペクトル領域におけるThF+の広範な調査分光法を紹介します。ThF+電子基底状態がX 3Δ1であり、eEDM感受性状態であることを確認しました。さらに、eEDM実験で集団の転送と読み出しに使用できる励起状態を含む、14個のThF+電子状態の高精度な回転定数と振動定数を報告します。
時間反転超音波エンコード光集束は、超音波タグ付き光の波面を測定し、次にタグ付き光を位相共役して超音波焦点に戻し、散乱媒体の奥深くに光を集束させます。以前の研究では、波面測定の速度は、従来のカメラの低いフレームレートによって制限されていました。さらに、これらのカメラは、信号対背景比が低い場合に、情報のない背景を表すためにほとんどのビットを使用し、ビットの使用効率が非常に低くなりました。ここでは、ロックインカメラを使用して、背景を拒否した後に信号のみをデジタル化することにより、ビット効率を高め、データ転送負荷を軽減します。このカメラを使用して、0.3 ms以内に撮影された単一フレームの測定後、超音波タグ付き光の波面を取得し、2つの拡散板の間に光を集束させました。SBRが6×10−4の場合でも、位相感度は0.51 radに達しました。
超音波変調光トモグラフィー（UOT）は、散乱媒体の奥深くに光コントラストを画像化します。ヘテロダインホログラフィーベースのUOTは、並列スペックル検出にカメラを使用する有望な技術です。以前の研究では、データ収集の速度は、従来のカメラの低いフレームレートによって制限されていました。さらに、信号対背景比が低い場合、これらのカメラは情報のない背景を表すためにほとんどのビットを浪費し、ビットの使用効率が非常に低くなりました。ここでは、ロックインカメラを使用して、背景を拒否した後に信号のみをデジタル化することにより、ビット効率を高め、データ転送負荷を軽減します。さらに、従来の4フレームベースの振幅測定法と比較して、当社の単一フレーム法はスペックルデコレーションに対する耐性が高くなっています。286μsの積分時間でロックインカメラベースのUOTを使用して、スペックル相関時間（τc）が26μsと短い動的散乱媒体内に埋め込まれた吸収性オブジェクトを画像化しました。私たちの方法は、生きた生物組織で見られるよりも速いスペックルデコレーションに耐えることができるため（τc〜100〜1000μs）、生体内深部組織の非侵襲的イメージングに有望です。
この研究は、米国国立衛生研究所の助成金番号DP1 EB016986およびR01 CA186567の一部によって支援されました。
単一分子の確率的スイッチングと局在化に基づく超解像顕微鏡法では、空間的および時間的分解能を同時に向上させるために、単位時間あたりに単一分子から収集できる光子の数を最大化する必要があります。ここでは、誘導放出（SE）光プロセスを導入することにより、蛍光プローブからの信号強度（1秒あたりに収集される光子）を高めるための新しいアプローチについて説明します。このプロセスは、次の2つのプロパティに基づいています。まず、妥当なパラメーターを使用すると、光子放出率はSEで大幅に増加する可能性があります。次に、刺激ビームと空間的にコヒーレントなSE光子は、蛍光よりも収集に適しています。理論的な結果は、単一の蛍光分子からの信号強度がSEで大幅に改善される可能性があることを示しています。したがって、SEを単一分子局在化法と組み合わせて使用して、横方向分解能が∼30 nm∼30 nmの再構成された画像あたり0.05秒の速度で高速イメージングを取得できることを示しました。
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ガスまたは固体媒体のいずれかのTHzバイアス場に対する非摂動応答を構成し、後者の非常に高感度な検出を提供する、超高速THzイメージングの2つのスキームについて説明します。最初のアプローチでは、THz場の時空間マッピングに空気ブレークダウンプラズマを利用します。2番目のアプローチでは、THzバイアスの波長よりもはるかに小さい厚さの多重量子井戸サンプルで、THz誘起の強い電気吸収応答を行います。このように、準単一サイクルTHzパルスの超広帯域イメージングが可能になります。
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白色光干渉法は、3D測定のための非常に正確な技術です。この原理は、表面計測機器で広く利用されていますが、インライン検査システムではほとんど採用されていません。白色光干渉法に基づく検査システムを製造現場に展開する上での主な課題は、環境振動に対する感度と比較的長い測定時間です。単一の地形測定を取得するには、大量のデータを取得して処理する必要があります。Heliotisは、白色光干渉法に特に適したスマートピクセルCMOSカメラ（ロックインカメラ）を開発しました。干渉信号の復調はピクセルのレベルで処理され、通常、取得データが1桁減少します。専用のロックインカメラの高い帯域幅に加えて、40mm / sを超える垂直スキャン速度に到達可能です。高いスキャン速度により、製造現場に存在する外部振動に対して堅牢な検査システムを実現できます。ウェーハバンプ、機械部品の表面、ソーラーパネルの表面など、多くの産業用途では、広い領域を測定する必要があります。この場合、機器またはサンプルが横方向に変位し、いくつかの測定値が一緒にステッチされます。このようなシステムのサイクルタイムは、主に複数の横方向変位のステッピング時間によって制限されます。白色光干渉法に基づくラインスキャナーは、堅牢性と精度を維持しながら、ステッピング時間のほとんどを排除します。A. Olszakは、このような横方向スキャン干渉計を実現するための単純な形状を提案しました。このような傾斜干渉計は、ロックインカメラの高速なピクセル内復調機能から大幅な恩恵を受けることができることを示します。傾斜した観察視点の欠点の1つは、そのアプリケーションが散乱面を持つオブジェクトに限定されることです。したがって、入射光がオブジェクトの表面に垂直であり、傾斜したグレーティングが参照ミラーとして使用される代替形状を提案します。
イメージングレーザードップラー速度測定法（ILDV）は、イメージング平面で速度を測定できる新しい流れ測定技術です。これは、ヘテロダインドップラーグローバル速度測定法（HDGV）の進化形であり、古典的なデュアルビームレーザードップラー速度測定法（LDV）の平面拡張と見なすことができます。流れの中で光シートを交差させることにより、集束されたレーザービームの代わりに。流れの中のシーディング粒子は2つの異なる方向から照射され、移動する粒子から散乱された光はドップラー効果により周波数シフトを示します。周波数シフトは、照明の方向と粒子の速度に依存します。検出器上の2つの異なる周波数シフト信号の重ね合わせは干渉を引き起こし、振幅変調された信号につながります。この信号では、変調周波数は粒子の速度に依存します。この信号は、高速カメラまたはスマートピクセルイメージングアレイを使用して検出されます。この検出器アレイは、各ピクセルで最大復調周波数250 kHzで直交検出を実行します。技術の実現可能性を実証するために、2つの実験を紹介します。最初の実験では、スマートピクセル検出器アレイと高速カメラを使用してILDVを実行し、PIVを使用した基準測定と比較して、自由ジェットの測定された速度分布を比較します。2番目の実験では、2つのスマートピクセル検出器アレイを使用して回転ディスク上の速度分布を測定する高度なセットアップを示し、高速流れ測定に対する技術の可能性を示しています。
この論文では、新しいスマートピクセルカメラのヘテロダイン干渉計システムへの応用を紹介します。このソリューションは、フルフィールド測定を可能にする古典的なヘテロダインシステムへの重要な拡張を提供します。このカメラを使用すると、I（同相）およびQ（直交位相）出力信号を作成することにより、時間依存の正弦波光信号を直接復調できます。これにより、分析された信号の振幅と位相をさらに計算できます。予備実験では、システムの概念実証が得られ、同時に現在のカメラ仕様によるシステムの制限に関する情報が得られました。
捕捉されたHfF+の精密分光法は、電子の永久電気双極子モーメント（eEDM）の探索に用いられます。本研究以前は、状態準備、読み出し、および系統誤差の分析に必要な分光学的情報は利用できませんでした。我々は、キャビティ増強直接周波数コム分光法と速度変調分光法（vms）を組み合わせた、分子イオンの広帯域高分解能調査分光のための強力な技術を開発し、これを用いて800 nm付近の1000 cm−1帯域幅でHfF+の4つのバンドを測定しました。さらに、cwレーザーvmsを用いたターゲットスキャンを実施し、9950から14600 cm−1の範囲で15の追加バンドを発見しました。これらのバンドの詳細な分析を提示し、8つの電子状態について高精度の回転振動定数、Λ二重項、および同位体分裂を得ました。また、我々の結果を用いて理論的予測を改善し、eEDM実験に対する我々の測定の意義について議論します。これらの結果は、分子イオンの広帯域高分解能分光法における周波数コムおよびcw-vmsの応用を実証するものです。
この論文では、光コヒーレンストモグラフィーに基づく新しいタイプのモバイルセンサーを紹介します。測定範囲を拡大するために、軸方向スキャンプロセス中にイメージング平面を移動する特別な動的集束システムを使用します。したがって、開発されたシステムにより、測定されたレイヤーに焦点を当てることができます。さらに、画像分析のために、参照ミラー変換器と同期された特殊なタイプのCMOSマトリックス（スマートピクセルカメラと呼ばれる）が適用されます。フリンジコントラスト分析のハードウェア実現により、各ピクセルで高周波で同時に測定時間が大幅に短縮されます。これらの利点とコンパクトな設計により、このセンサーは、表面トポグラフィー、表面層の厚さ、および実験室、ワークショップ、および屋外条件での表面下の欠陥検出の測定用のモバイルデバイスとして使用できます。設計されたセンサーのキャリブレーションと、ステッカーラベル層の技術的測定への応用を紹介し、議論します。
我々は、キャビティ増強直接周波数コム分光法と速度変調分光法を組み合わせることにより、イオンに特異的に感度を持つ大規模並列コム分光法を提供する新しい技術を実証しました。この新しいシステムを用いて、HfF+の電子遷移を測定し、800 nm付近の150 cm-1にわたる1500の同時チャネルで記録された3×10−7の相対吸収感度を、30 MHz（0.001 cm-1）の絶対周波数精度で達成しました。インターリーブ測定で構成される完全にサンプリングされたスペクトルは、30分で取得されます。
表面層構造の測定のための光コヒーレンストモグラフィー（OCT）に基づく新しいモバイルシステムを紹介します。特殊なタイプの検出マトリックス（スマートピクセルカメラと呼ばれる）の適用により、屋外条件でも非常に高速な測定に使用できます。さらに、動的焦点機構により、光路差がゼロの表面は、常にイメージングシステムの焦点深度内に維持されます。モバイルシステムの概念と設計について説明し、そのアプリケーションの例を示します。
低コヒーレンス干渉計は市販されていますが（例えば、白色光干渉計）、一般的にかさばり、高価で、柔軟性が限られています。本稿では、低コヒーレンス干渉法に基づく新しいポータブルプロファイロメータを紹介します。このデバイスでは、ゼロ次フリンジコントラストを高めるために、制御されたスペクトル形状を持つ白色光ダイオードが使用されており、より良く、より迅速なローカリゼーションが可能です。画像解析には、参照ミラー変換器と同期された特殊なタイプのCMOSマトリックス（スマートピクセルカメラと呼ばれる）が適用されます。各ピクセルで独立してフリンジコントラスト解析をハードウェアで実現することにより、測定時間が大幅に短縮されます。高速処理とコンパクトな設計により、このプロファイロメータは、屋内および屋外測定用のポータブルデバイスとして使用できます。設計されたプロファイロメータの機能は、いくつかのアプリケーション例で十分に示されています。
Heliotis AG