基于金刚石氮空位（NV）中心量子混频效应，采用千眼狼（Revealer） G2110M/C_Pro高速摄像机以1000 帧/秒帧率连续采集NV色心荧光时间序列，结合CW-ODMR、FFT频谱分析及宽场显微成像，实现1350 × 1350 µm视场内微波频率、强度和相位信息同步可视化，为微波芯片近场检测和故障定位提供高时间分辨、高空间分辨的实验手段。本研究展示了高速摄像机作为NV色心宽场量子成像光学读出设备在微波NV色心量子成像中的应用价值。详细论文研究成果，请参阅链接：doi.org/10.1109/TIM.2024.3480213

1 实验背景

随着通信、雷达及射频技术发展，微波芯片结构不断向高集成度、小型化方向发展。传统基于S参数、功率增益、噪声系数的测试方法能够评价器件整体性能，但难以获得芯片表面微波场分布的高分辨、多信息同步可视化。

金刚石NV色心作为一种固态量子传感单元，能够通过电子自旋状态变化响应外部微波场，并利用荧光信号实现光学读出。中北大学李中豪、唐军、刘俊教授研究团队，提出了一种利用高速摄像机 在金刚石NV色心中的微波信号频率、强度、相位同步宽场成像方案，利用NV色心对微波信号的“混频器”特性，将待测微波与参考微波同时作用于NV色心，使高频微波信息转换为低频荧光振荡信号。

高速摄像机在实验系统中的作用一是记录NV色心荧光图像，而是将包含微波频率、强度和相位编码信息的荧光动态过程完整保存，使每一个空间像素均能独立参与后续频域分析和相位计算。

因此，宽场量子成像系统的核心问题逐渐由“能否探测”转变为“能否稳定读出并同步解析整个视场内的大规模量子荧光时序数据”。高速摄像机正是在这一读出环节发挥关键作用。

2 实验设备

实验采用金刚石NV色心宽场显微成像系统，包含532 nm激光激发模块、微波加载模块、偏置磁场模块、荧光收集模块、高速摄像机及数据处理与仿真模块。

其中高速摄像机选用千眼狼（Revealer）G2110M/C_Pro高速摄像机，在全画幅模式下以1000 帧/秒帧率连续采集NV色心荧光图像。高速摄像机前设置二向色镜滤除532 nm激发光，仅收集620-750 nm范围内的红光荧光信号。相机以Tif灰度图像序列形式记录每个像素点的荧光强度随时间的演化，为后续频率、强度与相位结算提供数据基础。高速摄像机是本量子成像系统唯一的荧光时间序列光学读出设备。

3 实验方法

3.1 CW-ODMR谱线获取与工作点选择

在固定偏置磁场下测量NV色心系统的CW-ODMR光谱。磁场沿NV色心轴向施加，获得位于约2.81 GHz和2.95 GHz的两个共振峰。后续实验以2.95 GHz谐振峰作为测量工作点，确保NV色心对微波场变化具有最大响应斜率。

3.2 基于高速摄像机的荧光时间序列荧光采集

实验同时加载待测微波信号和参考微波信号。两者作用于NV色心后产生拍频调制，使荧光信号呈现于微波频率差相关的周期振荡。高速摄像机以1000 帧/秒连续记录

视场内所有像素点的荧光强度，形成荧光时间序列Tif图像线。

3.3 频率与强度信息提取

针对每个空间像素位置，高速摄像机采集的荧光时间序列进行FFT处理，得到对应频谱。通过提取目标频率位置的频谱幅值，进而获得微波频率空间分布。

3.4 相位信息提取

将每个像素点的荧光振荡时域信号与参考信号进行相位比对，得到空间相位分布。

3.5 图像重建与评价

通过逐像素解算，获得微波场频率、强度与相位的2D分布图像。定量评估采用结构相似性指数和峰值信噪比，对标COMSOL仿真结果，评估测量图像质量。

3.6 高速摄像机在量子成像数据链中的作用

本实验中，高速摄像机并非用于记录实验现象，而是承担NV色心量子成像系统的荧光时间序列光学读出功能。其输出的逐像素荧光时间序列构成后续FFT频率解算、微波强度定量分析和相位同步计算的唯一原始数据来源，是连接NV色心量子响应与二维微波场重建之间的关键数据节点。

4 实验数据

4.1 高速摄像机建立微波信息与荧光时间序列之间的映射关系

图1展示了高速摄像机在整个测量体系中的核心价值

图1(a)为高速摄像机采集的连续TIF灰度图像；图1(b)为由灰度数据提取出的荧光时间变化曲线；图1(c)展示FFT分析并重建微波场分布的过程。

实验进一步验证：

• 微波频率变化导致荧光振荡频率变化；

• 微波强度变化导致荧光振荡幅值变化；

• 微波相位变化导致荧光振荡相位偏移。

说明高速摄像机记录的是包含微波多维信息编码的动态量子信号。

图1-高速摄像机连续采集NV色心荧光灰度图像，通过逐像素荧光时间序列分析和FFT处理，实现微波频率、强度及相位信息提取

4.2 高速摄像机检验系统对微波频率的测量准确性

实验设置参考微波与待测微波频率差分别为0.1、1、10、100和200 Hz，高速摄像机连续采集对应荧光变化。

结果显示，FFT得到的频谱峰位置与设定频差一致，证明高速荧光时间序列采集能够准确恢复微波频率信息。最终系统可实现优于1 Hz的频率分辨能力。高速摄像机的关键任务一是提供足够高的时间采样率，使微弱荧光拍频能够被准确捕获；二是保证长时间连续采集稳定性，使频域分析具有可靠数据基础。

图2-高速摄像机采集NV色心荧光拍频信号，并通过FFT频谱分析实现不同微波频差的高精度识别

4.3 宽场同步采集实现微波芯片表面频率分布成像

图3比较了COMSOL仿真结果与NV显微镜实验结果。

图3(a)为COMSOL模拟微波场分布，图3(b)为高速摄像机采集荧光数据后重构的微波频率分布。实验结果显示，二者在空间分布趋势上具有较好一致性。

这一结果证明，高速摄像机不仅能够记录单点动态信号，还能够同时保存整个视场内多个空间位置的微波响应。

图3-基于高速摄像机宽场荧光时间序列重构的微波频率分布，与COMSOL仿真微波场结果进行空间一致性比较

4.4 高动态范围荧光采集支撑微波强度定量测量

图4建立了荧光振荡幅值与微波场强之间的关系。实验通过不同微波强度条件下的荧光响应，验证荧光变化幅值与微波强度之间的线性关系。高速摄像机提供稳定的灰度变化测量，使微弱荧光调制能够被转换为定量幅值信息。

图4-高速摄像机采集NV色心荧光振荡幅值并建立微波场强定量响应关系

随后利用高速宽场时间序列采集数据获得微波芯片表面强度分布，并与COMSOL仿真结果进行比较，图5显示，实验测量能够准确反映芯片金属走线区域的微波场增强现象。

图5-高速摄像机采集NV荧光振幅变化并重构微波芯片表面磁场强度分布，与COMSOL仿真结果对比验证

4.5 统一时间基准支持微波相位同步成像

实验改变输入微波初始相位，高速摄像机同步记录不同空间位置的荧光变化。由于整个视场由同一高速摄像机同时曝光，不同像素之间保持严格时间一致性，因此可以直接比较相位差。实验获得最大相位误差＜2.8°。该结果表明，高速摄像机不仅提升采样速度，更重要的是提供了宽场同步测量所需的时间基准。

图6-高速摄像机同步采集不同微波相位条件下NV色心荧光时间序列，实现二维微波相位分布重构

5 实验结论

本研究创新性地将金刚石NV色心量子混频效应与Revealer G2110M/C Pro高速摄像机宽场荧光时间序列采集深度结合，构建一套微波频率、强度和相位同步成像系统，实现微波芯片表面电磁场多参数的并行可视化。

实验结果表明，千眼狼（Revealer）高速摄像机G2110M/C Pro，5120×4096 @1000 fps作为时域荧光信号的物理记录载体，为FFT频率解算、强度提取与相位比对提供了可追溯的原始序列数据支撑，是连接量子传感响应与NV色心量子成像结果之间的桥梁。通过与COMSOL仿真结果不同频率、不同功率下的对比，验证该成像系统可作为高时间分辨光学读出平台，为量子成像、量子传感、微波近场显微镜以及先进电子器件无损检测提供统一的数据采集基础。