CN118056124A - 使用神经形态视觉传感器的超快宽场量子传感***和方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于事件的神经形态视觉传感器的超快宽场量子传感设备，包括：产生激光束的激光器(10)；将激光束引导至钻石样品(14)上并透射从钻石反射的激光束的二向色镜(12)，以及从二向色镜(12)接收从钻石(14)反射的光束的事件相机(20)。施加于钻石(14)的微波能量源。脉冲发生器(30)同步微波源(22)和事件相机(20)以创建连续波光学探测磁共振CW‑ODMR的测量，其中脉冲发生器(30)的触发脉冲施加于相机(20)和微波源(22)。基于CW‑ODMR测量确定光学探测磁共振(ODMR)的共振频率。
Description
相关申请的交叉引用
本申请要求享有于2021年11月5日提交的美国临时专利申请第63/276,369号的优先权，该申请的全部内容通过引用合并于本文。
技术领域
本发明涉及磁场(磁测量)的大小和方向的测量，更具体地说，涉及基于金刚石中的氮空位(NV)中心的敏感光学磁测量技术，即所谓的量子传感技术。
背景技术
基于金刚石中氮空位(NV)中心的敏感光学磁测量技术，即所谓的量子传感，是一种具有广泛应用前景的量子技术，可应用于从基础科学到工业的许多领域。特别地，宽场量子传感已成功实现了通过使用相机传感器并行读取NV荧光来测量二维磁场。
然而，传统的相机传感器是基于帧的。由于这些传感器工作机制的物理限制，其时间分辨率(即每秒帧数，FPS)受到限制(～数十毫秒)。
在国际申请WO2014210486A1[美国专利申请公开2015/0001422]中，题为“使用氮空位进行宽场传感”的一篇现有技术文献披露了使用传统帧式相机实现宽场量子传感的方法。根据该申请，块状金刚石和纳米金刚石中的氮空位可用于感应温度、压力、电磁场和pH值。遗憾的是，传统的传感技术使用门控检测和共聚焦成像，这限制了测量灵敏度并排除了宽视场成像。相反，该先前申请中披露的传感技术则依赖于在整个宽场中并行测量多个氮空位(NV)的自旋，并且不需要门控检测或共焦成像。因此，其可以用于在宽场中对温度、压力、电磁场和pH值的成像。在某些情况下，宽场成像支持将NV的空间定位精度达到或低于衍射极限。此外，测量范围可以在非常高的灵敏度下扩展到非常宽的动态范围。
发明内容
本发明是一种使用基于事件的神经形态视觉传感器的超快速宽场量子传感装置，与现有技术的相机传感器相比，具有更高的时间分辨率(提高了4个数量级)。该时间分辨率(～1μs)被认为在宽场量子传感方面达到了世界最佳水平。
根据本发明，与基于帧的相机相比，基于事件的相机被用作检测NV荧光的传感器。此外，本发明对基于事件的相机中的NV荧光变化进行并行处理，从而实现超快速宽场量子传感。因此，本发明在原则上能够将宽场量子传感的时间分辨率提高几个数量级。时间分辨率的提高归因于神经形态视觉传感器的低级处理能力，其捕获NV荧光的局部变化(事件)，从而显著减少所需传输的数据量并因此提高时间分辨率。此外，神经形态视觉传感器以更大的动态范围和更少的运动模糊捕获信息，为在纳米尺度上进行超快速宽场磁测量提供了新的途径，使得能够研究当前现有技术无法研究的超快的磁现象。
附图说明
本专利或专利申请文件中包含至少一副彩图。基于请求并支付必要费用后，专利局将提供本专利或专利申请出版物的彩图副本。
当考虑以下详细描述和附图时，本发明的上述和其他目标和优点将变得更加明显，其在各个视图中，相似的标识表示相似的元素，并且：
图1A是本发明的基于事件的相机宽场量子传感器显微镜的框图，图1B是实验室内基于事件的相机的实验装置的照片；
图2A和图2B分别示出了使用步进和连续微波频率执行本发明的量子传感过程(即连续波光学检测磁共振(CW-ODMR)测量)的协议；
图3A展示了本发明的基本原理，图3B是处理原始事件数据以计算ODMR共振频率的步骤的示例流程图；
图4A-4C是绘制的后处理计算出的总事件值的微波频率函数的图表，其中图4A显示正向扫描，图4B显示反向扫描，图4C显示通过对图4A和图4B中的测量值进行洛伦兹数据拟合然后取平均值计算出的共振频率favg；
图5A-5D是比较基于传统ODMR和本发明所提出的方法的原始数据集和重建谱图的图表，其中图5A和图5C显示传统量子传感的原始帧和洛伦兹谱图，而图5B和图5D显示基于提出方法的原始事件和重建的导数洛伦兹谱图。
具体实施方式
图1A是本发明设置的示意图。532nm激光器10的输出光束通过宽场透镜11，并从二向色镜(DM)12反射。反射光束通过物镜13聚焦到金刚石样品14上。从金刚石样品发出的荧光通过DM 12传输，然后从镜子15反射，以便通过长通滤波器16和消色差透镜17，从而可以被事件相机20检测到。来自MW源22的外部微波MW信号通过MW放大器23施加到金刚石样品上，以促进连续波光学检测磁共振(CW-ODMR)的测量。在此使用的术语“MW源”包括单个微波发生器或微波发生器和任意波形发生器的组合。还将带有MW终止器25的MW天线24连接到金刚石样品上。
脉冲发生器30用于同步微波源22和事件相机20的操作。特别地，来自脉冲发生器30的信号被施加到事件相机20和MW源22上以触发它们的操作。计算机32用于预设MW源22、事件相机20和脉冲发生器30的工作条件。计算机32还处理来自事件相机20发送的后处理数据。图1B是设置的照片。
如图2A所示，在连续波(CW)模式下执行连续波光学检测磁共振(CW-ODMR)测量。在CW模式下，激光器、微波信号和相机采集同时进行。它们通过来自脉冲发生器30的外部触发信号进行同步。当荧光变化达到阈值时，事件相机20存储原始事件数据，该数据将强度变化编码为+1(正事件)表示强度增加，-1(负事件)表示强度减小。在此过程中，微波频率以步进方式调整。当使用任意波形发生器(AWG)连续调整频率时，如图2B所示，扫描速度可以进一步加快。考虑到事件相机的时间分辨率为1μs，总扫描时间可以是亚毫秒级。
图3A示出了本发明的基本原理，其中检测到光强度变化并与预定阈值Cth进行比较，之后将原始荧光光谱转换为一系列事件。然后，可以通过各种滤波方法重建导数ODMR光谱。图3B的流程图示出了这些方法之一的示例。在重复扫描L次之后，首先对不同循环的事件进行求和。然后，通过对附近M*N像素的分箱结果求和，来进行空间滤波。这两个步骤有助于减少噪声。在此之后，在时间窗口T内对像素(即，空间位置)的时间事件序列进行平均。对于NV中心的典型荧光下降，当频率调谐移向共振频率时，传感器将主要产生负事件，而当频率远离共振频率时，将主要产生正事件。因此，可以通过在时间窗口内对事件值进行求和并将窗口移动滑过整个扫描范围内来重建类似洛伦兹线型的导数曲线。在最后一步中，将移动平均结果拟合为洛伦兹方程的导数，从而确定共振频率f0和线宽2γ0。
图4A-4C是示出了从激光光斑中心区域获得的典型结果的图表。这些图表是后处理计算得出的总事件值相对于微波频率的函数。图4A代表频率的正向扫描，图4B代表反向扫描，图4C代表通过对图4A和4B中的测量值进行洛伦兹数据拟合然后取平均值计算出的共振频率favg。在正向和反向扫描之后，两个光谱显示出相对于实际共振频率的对称偏差。然后通过取拟合的ff和fb的平均值来校正这种偏差。平均结果favg等于2.86955GHz，这与使用现有技术的EMCCD方法实现的2.86949GHz值接近。这证明了本发明的有效性。
图5A-5D分别比较了使用传统ODMR和本发明提出的方法获得的原始数据集和重建光谱。图5A显示了使用EMCCD捕获的原始帧，图5C是从这些帧的中心区域取得的洛伦兹谱线(离散和拟合结果)。相比之下，图5B显示了由事件相机20产生的事件点流。其明确地说明了本发明与传统方法之间的区别，其中事件以高分辨率的时间产生，而负/正事件仅在共振频率(即荧光强度变化最强烈的频率范围)附近聚集。相应地，基于本发明提到的上述过程重建的导数洛伦兹谱线如图5D所示。使用传统EMCCD方法提取共振频率的精度和总测量时间分别为0.043MHz/1.82s，而使用本发明提出的方法的精度和总测量时间分别为0.046MHz/1.4s。因此，本发明在消耗较少时间的同时实现了相当的传感精度。应当注意，由于EMCCD的固定帧速率，传统ODMR的频率扫描速度难以提高，而本发明的传感速度可以通过更快地扫描频率来进一步提高。
虽然本发明是在某些具体实例中进行说明的，但应当理解，那些在本领域具有专业技术的人在阅读了本说明书之后，将会明显地意识到对该发明进行多种修改的可能性。因此，应当理解，此处公开的发明旨在覆盖落在所附权利要求范围内的此类修改。
Claims (7)
1.一种使用基于事件的神经形态视觉传感器的超快宽场量子传感设备，包括：
产生激光束的激光器；
将所述激光束引导到钻石样品上并透射从所述钻石收集的荧光的二向色镜；
从所述二向色镜接收从所述钻石反射的荧光的事件相机；
施加于所述钻石的微波能量源；
用于同步所述微波源和所述事件相机以创建连续波光学探测磁共振CW-ODMR测量的脉冲发生器，其中所述脉冲发生器的触发脉冲施加于所述相机和所述微波源；以及
用于控制所述脉冲发生器和所述微波源的参数的计算机。所述计算机还用于处理从所述事件相机传输的原始数据。
2.根据权利要求1所述的超快宽场量子传感设备，其中所述激光器是532nm激光器。
3.根据权利要求1所述的超快速宽视场量子传感设备，还包括与所述钻石连接的带有终止器的微波天线。
4.根据权利要求1所述的超快宽场量子传感设备，其中还包括用于将所述激光束聚焦在所述钻石上的物镜。
5.根据权利要求1所述的超快宽场量子传感设备，其中还包括长通滤波片和消色差透镜，并且其中从所述二向色镜到所述事件相机的荧光按顺序通过所述长通滤波片和所述消色差透镜。
6.根据权利要求5所述的超快宽场量子传感设备，其中所述消色差透镜是250mm的管透镜。
7.一种计算光学探测磁共振(ODMR)的共振频率的方法，包括以下步骤：
收集来自权利要求1所述的超快宽场量子传感设备的原始事件数据用于频率扫描；
重复所述频率扫描L次；
对扫描的不同重复事件进行求和；
通过对附近M*N像素的分箱结果求和来进行空间滤波；以及
使用时间窗口T对每个像素的时间事件序列进行平均。
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