使用神经形态视觉传感器的宽场金刚石量子传感

（A）基于NV的宽场量子传感概述：NV中心的能级图和原子结构;以及宽视场量子金刚石显微镜的实验装置。（B） 显示基于帧的宽场量子传感工作原理的示意图，其中基于帧的传感器输出一系列帧，同时记录荧光强度和背景信号。（C）示意图显示了所提出的神经形态宽场量子传感的工作原理，其中荧光变化通过神经形态视觉传感器转换为稀疏尖峰。图片来源：Advanced Science （2023）。DOI： 10.1002/advs.202304355

一个合作项目在提高宽场量子传感的速度和分辨率方面取得了突破，为科学研究和实际应用带来了新的机遇。

通过与来自中国大陆和德国的科学家合作，该团队成功开发了一种使用神经形态视觉传感器的量子传感技术，该传感器旨在模仿人类视觉系统。该传感器能够在光学检测磁共振 （ODMR） 测量期间将荧光强度的变化编码为尖峰。

这种方法的主要优点是它可以高度压缩数据量并减少延迟，使系统比传统方法更高效。量子传感的这一突破在监测生物系统中的动态过程等领域具有各种应用的潜力。

该研究论文已发表在《先进科学》杂志上，题为“Widefield diamond quantum sensing with neuromorphic vision sensors”。该项目由香港大学电机及电子工程学系的朱志勤教授、李灿教授和黄毅教授领导

“世界各地的研究人员都花了很多精力来研究提高相机传感器的测量精度和时空分辨率的方法。但一个根本性的挑战仍然存在：以图像帧的形式处理大量数据，这些数据需要从相机传感器传输以进行进一步处理。

“这种数据传输会大大限制时间分辨率，由于使用基于帧的图像传感器，时间分辨率通常不超过 100 fps。我们所做的是试图克服瓶颈，“该论文的第一作者、电气与电子工程系博士生杜志远说

杜说，他的教授对量子传感的关注激励了他和其他团队成员在该领域开辟新天地。他还热衷于集成传感和计算。

实验演示。测量协议、原始数据集和获得的ODMR光谱（ROI的中心点）分别使用基于帧的A、C、E和基于事件的传感器B、D、F。F 中的插入显示三个不同频率点的原始事件帧（通过累积 1ms 范围的事件）。E和F中的频谱分别拟合了洛伦兹函数及其导数函数，从中提取了共振频率f0（f0*是前向和后向扫描的平均结果;误差表示 10 次重复测量的标准偏差）。图片来源：Advanced Science （2023）。DOI： 10.1002/advs.202304355

他补充说：“最新的发展为高精度和低延迟的宽场量子传感提供了新的见解，有可能与新兴的存储设备集成，以实现更智能的量子传感器。

该团队使用现成的事件相机进行的实验表明，时间分辨率提高了 13×，使用最先进的高度专业化的基于帧的方法检测 ODMR 共振频率的精度相当。这项新技术已成功用于监测涂覆在金刚石表面的金纳米颗粒的动态调制激光加热。“使用现有方法很难执行相同的任务，”杜说。

与记录光强度水平的传统传感器不同，神经形态视觉传感器将光强度变化处理成类似于生物视觉系统的“尖峰”，从而提高时间分辨率 （≈μs） 和动态范围 （>120 dB）。这种方法在图像变化不频繁的场景中特别有效，例如物体跟踪和自动驾驶汽车，因为它消除了冗余的静态背景信号。

“我们预计，我们成功演示所提出的方法将彻底改变宽场量子传感，以可承受的成本显着提高性能，”朱志勤教授说。

“这也使得使用新兴的基于存储器的电子突触设备实现近传感器处理更接近，”Can Li教授说。

黄毅教授说：「这项技术在工业上的潜力有待进一步探索，例如研究材料电流的动态变化，以及识别微芯片的缺陷。」

更多信息：Zhiyuan Du 等人，使用神经形态视觉传感器进行宽场金刚石量子传感，Advanced Science （2023）。DOI： 10.1002/advs.202304355

期刊信息： Advanced Science