LabOneで実現するワンランク上の計測体験

未知の共振点を探すような場合、まずは広い範囲で周波数をスイープして、大まかな特性を把握するのが一般的です。しかし、広い範囲を一度に測ろうとすると解像度が低くなり、共振の細かなプロファイルが隠れてしまうことがあります。 LabOneのスイーパーに追加された「Xカーソル」機能を使えば、広範囲のデータを背景に残したまま、特定のポイントだけを高い解像度でフォーカスして再測定できます。全体の流れを見失うことなく、気になる部分だけを緻密に解析できる便利な機能です。

MEMSやAFM、各種センサーなどの研究では、PLL（位相同期回路）で共振を追跡するために、レゾネータのQ値を正確に把握することが欠かせません。また、レーザーやクロックジェネレータなどの減衰特性を評価する上でも、Q値は重要な指標となります。 LabOneのスイーパーなら、測定した周波数応答からQ値を素早く、かつ正確に抽出できます。使い方は簡単で、ピーク付近にカーソルを合わせ、「Math（計算）」タブから共振パラメータを追加するだけ。測定データ（実線）をローレンツモデル（点線）にフィッティングさせ、Q値、共振周波数、-3 dB帯域幅、FWHM（半値全幅）などのパラメータを、振幅と位相の両方で独立して算出します。

レゾネータの伝達関数や回路のインピーダンスを測定する際、「ボード線図」と「ナイキスト線図」を並行して確認したい場面は多いはずです。 ボード線図（上図）が周波数に対する振幅と位相の変化を示すのに対し、ナイキスト線図（下図）は複素平面上の実部と虚部の関係をプロットします。これら2つの図を同時に表示することで、一方の図で気になった特徴的なポイントが、もう一方ではどう見えるかを即座に対応づけられます。 また、ナイキスト線図は自由にカスタマイズでき、「トラック機能」を使えばスケールを自動で固定し、1:1の正しい比率で表示可能です。

ノイズに埋もれた信号から、一定の傾向（線形トレンド）の傾きや切片を取り出したいケースは頻繁にあります。 たとえば、フォトダイオードに当てる光を強くしていき、発生する電流を測ることで受光感度を求める場合、電流の傾きから感度を導き出せます。あるいは、位相の経時変化の傾きから、信号に隠れた周波数成分を特定することもできます。 LabOneの「スイーパー」と「DAQ」タブに搭載された線形近似ツールを使えば、傾きや切片だけでなく、近似の確かさを示す決定係数R²も瞬時に算出。データの裏に隠された意味を、確実な数値として提示します。決定係数から得られた結果の信頼性も判断できます。

取得した生データから特定の特徴を抽出したり、信号が時間とともにどう変化していくかを追いかけたいとき、これまでは測定後にデータ処理するのが一般的でした。しかし、リアルタイム性に欠けるため、解析結果を見ながら実験セットアップを微調整するのは、なかなか難しい作業でした。

LabOne 20.07で登場した「トレンド機能」は、この課題を解決します。リアルタイムの信号処理によって、測定中の信号から抽出された特徴量の推移を即座に可視化します。

例えば、オシロスコープ（上図）で記録したパルスの「遅延」と「ピーク値」を追跡する場合を考えてみましょう。トレンド図（下図）を使えば、遅延が線形に変化している（オレンジの曲線）ことや、ピーク値に2次関数的な傾向（緑の曲線）があることが、測定と同時に一目で分かります。

この統合されたトレンド機能は、スコープだけでなく、プロッタ、スペクトラムアナライザ、DAQといったLabOneの主要ツールすべてで利用可能です。

フーリエ変換を用いて信号を周波数ドメインで解析する際、観測時間の有限さに起因する「スペクトル漏れ」が問題となることがあります。これを抑制し、信号の真の姿を捉えるために不可欠なのが、時間軸上で信号の両端を滑らかに減衰させる「窓関数」です。 LabOneでは、ダイナミックレンジと周波数分解能のトレードオフを考慮し、用途に合わせて最適な窓関数を選択できます。Rectangular、Hamming、Hann、Blackman-Harrisといった、広く利用される窓関数に加えて、バージョン22.02以降Flap top窓も使用できるようになりました。、スコープ、DAQ、スペクトラムアナライザで「フラットトップ窓」が利用可能になりました。Flap topは、振幅の測定誤差を最小限に抑えられるメリットがあります。正弦波信号の振幅をスペクトル成分から正確に算出したい場合、この窓関数が極めて有効な選択肢となります。

LabOneのスペクトラムアナライザでは、対称窓だけでなく非対称窓も含めた多彩な関数を切り替えることができます。ダイナミックレンジを優先して微小な信号を拾い出すのか、あるいは周波数分解能を優先して近接するピークを分離するのか――実験の目的に合わせて、最高のバランスをリアルタイムに追求できます。

LabOneのスペクトラムアナライザは、サイドバンドの測定、複雑な信号成分の定量化、あるいは様々なノイズ源の解析など、周波数ドメインにおける強力な解析手段を提供します。数百MHzの信号を扱いながら、サブヘルツ単位の微細な特徴までズームして捉えることが可能です。

このツールの大きな特長の一つが、ウォーターフォール表示です。時間の経過とともにスペクトラムがどう変化していくかを視覚的に捉えられるため、刻々と変わる現象の解析がぐっとスムーズになります。これにより、一過性の信号変化や、ドリフト、周期的なゆらぎなどを一目で把握できます。さらにLabOneのDAQツールを活用することにより、トリガーに同期して取得された一連のスペクトルを、2次元のカラープロットとして表示。突発的なイベントや繰り返し現象の推移を、極めて高い時間精度で記録します。これらの機能は、NMR分光法における自由誘導減衰のような、時間とともに減衰・変化する過渡現象の測定において真価を発揮します。

特に、任意波形発生機（AWG）オプションを組み合わせれば、パルスの生成から同期した信号取得、そして高度な解析までをひとつのシステムで完結できます。まさに、パルス計測のための「理想的な環境」が整います。

ロックインアンプの復調器にあるローパスフィルタは、信号から不要な周波数成分を取り除く重要な役割を持っています。 もしフィルターの帯域幅が広すぎると、取り除ききれなかった成分が漏れ出し、ヒストグラムはアークサイン分布と呼ばれる、お椀のような形になってしまいます。逆に、フィルターが適切に調整されていれば、ヒストグラムはきれいな正規分布を描きます。

LabOneの「ヒストグラム・フィット」ツールを使えば、測定したヒストグラムをアークサイン分布と正規分布の両方にフィッティングさせることができます。これにより、フィルターからの漏れ具合をモニタリングしながら、ヒストグラムが正規分布になるように帯域幅を微調整することが可能です。「Math（計算）」タブに表示されるフィッティング誤差を確認すれば、あなたの測定がどれだけ理想的な状態に近いかを客観的に判断できます。

信号の振幅（R）は「ライス分布」に従い、同相成分（X）と直交成分（Y）は「ガウス分布（正規分布）」に従う――正しい測定が行われていれば、信号はこのような統計的な挙動を示します。

LabOneでは、測定されたヒストグラムをこれらの理論モデルと比較することができます。リアルタイムで計算されるパラメータ、特に「フィッティング誤差」の係数を見れば、フィルターの時定数といった機器の設定が、現在の測定に対して最適に調整されているかどうかが一目で分かります。 もちろん、測定したヒストグラムはそのままデータとして保存できるので、後からの解析やレポート作成にも便利です。

走査型プローブ顕微鏡（SPM）や、非線形イメージング（CARS、SRS、テラヘルツ分光など）に携わる研究者の方々にとって、イメージング（画像化）は最も重要なアプリケーションの一つです。 LabOneのイメージングモードは、あらゆる測定信号を画像へと変換し、以下の機能を提供します。

• 「ライン」の明確な定義：ライントリガーで検出された開始イベントと、ユーザーが設定した持続時間に基づいて、1ラインの区切りを正確に定義します。
• ピクセルへの再サンプリング： 記録されたデータサンプルを、適切な補間や平均化処理を施しながら、必要なピクセル数に合わせて最適に再サンプリングします。
• グリッド構造への保存：設定されたライン数に基づき、マトリクス状のデータを整然としたグリッド構造で保存します。

これらすべての機能は、LabOneのデータ収集（DAQ）ツールに組み込まれており、ユーザーインターフェース（GUI）からはもちろん、APIを通じても利用可能です。 複数のチャネルをトリガー計測しながら、最大800 kSa/s（製品による）という安定した高速ストリーミングを実現するLabOneサーバーは、極めて高いデータ収集能力を誇ります。ビデオレート（512×512ピクセル/秒）での転送であっても、この処理能力の限界には遠く及ばないほど、余裕を持って対応可能です。