基于神经形态视觉传感器的宽场金刚石量子传感
2023-11-11 15:33:28 来源：麦姆斯咨询评论：0 点击：

香港大学研究人员提出采用神经形态视觉相机来预处理传感器边缘的荧光强度数据，减少后处理传输的数据量，显著提高了时间分辨率，进而实现快速动态测量。

固态量子传感器提供了检测磁场、电场或温度的新方法，其超高灵敏度接近量子极限。到目前为止，氮空位（NV）中心是最有前景的平台之一，NV中心是金刚石中的一种光寻址缺陷，在室温下具有特殊的电子自旋特性。其电子自旋态可以通过光学检测磁共振技术进行实验检测，该技术包括扫描微波（MW）频率，同时记录相应荧光强度作为时间函数。

共聚焦和宽场荧光显微镜等定制方法已成为量子传感测量的金标准。特别是，宽场金刚石量子传感方法可实现并行读出空间分辨NV荧光，为许多领域提供了巨大的应用潜力。自首次实验演示以来，基于NV的宽场量子传感平台已在生物医学、凝聚态物理和集成电路（IC）检测等领域得到了快速发展和充分利用。

在持续提高其测量精度和空间分辨率的同时，研究重点也开始转向时域，以实现超快光探测磁共振（ODMR）。这一扩展有望实现动态信号监测，如神经元动作电位以及细胞活动相关的温度变化。然而，这一方向仍然面临处理大量图像帧数据的挑战，这些数据需要从相机传感器传输以进行进一步处理。

这种数据传输会显著限制时间分辨率，由于使用了基于帧的图像传感器，其时间分辨率通常不超过100 fps。因此，宽场磁力计在动态测量中的潜力仍然有待挖掘。

已有一些研究提出了不同的方法来提高宽场量子传感的时间分辨率，包括下采样方法（引入了潜在的伪影）、频率复用（实现复杂但速度有限）、采用单光子雪崩二极管（SPAD）的先进传感阵列（需要复杂的电路集成），以及使用锁定相机的像素内解调（牺牲了传感精度）。

然而，监测到的荧光强度随图像帧（与大量数据相关）的变化存在本质局限性，导致宽场量子传感性能不尽如人意。据麦姆斯咨询介绍，为了克服这一瓶颈，香港大学（The University of Hong Kong）的研究人员提出采用神经形态视觉相机来预处理传感器边缘的荧光强度数据，减少后处理传输的数据量，显著提高了时间分辨率，进而实现快速动态测量。

宽场量子传感的概念、设计和实现

与记录光强水平的传统传感器不同，神经形态视觉传感器将光强变化处理为类似生物视觉系统的“尖峰”，从而提高时间分辨率（≈µs）和动态范围（>120 dB）。这种方法对于图像变化不频繁的场景特别高效，例如物体跟踪和自动驾驶汽车等，因为它能消除冗余的静态背景信号。

基于事件的ODMR理论背景

近来，这项技术在精密仪器测量领域获得了关注，例如光学显微镜中的快速聚焦、动态磁光克尔效应（MOKE）显微镜、快速细胞流分选、振动测量、快速跟踪以及超分辨率成像等新兴应用。鉴于MW时空编码的荧光强度仅在谐振频率附近变化，因此变化很少，金刚石量子传感成为利用该方案优势的理想选择。

据香港大学研究人员称，这是首次报道神经形态视觉传感器在宽场金刚石量子传感中应用的研究。具体来说，研究人员开发了一种自定义且高效的协议来处理事件类的量子传感数据，进而重建衍生的ODMR光谱。实验结果表明，这种新方法比传统基于帧的方法花费的时间要少得多（140 ms vs 1.82 s），同时，在18 µm x 18 µm的视场（FoV）检测ODMR谐振频率时实现了相近的精度（0.034 MHz vs 0.031 MHz）。

实验演示