CN113466279B - 宽场超分辨自旋磁成像装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种宽场超分辨自旋磁成像装置，包括：感测探头模块，体内有多个自旋感测单元，所述自旋感测单元即NV色心的金刚石样品；空间位置调节模块，用于调整所述金刚石样品的空间位置；荧光收集成像模块，用于对所述自旋感测单元发出的荧光进行空间成像；激发光产生模块，用于产生空间分布均匀的激光脉冲以激发所述自旋感测单元；微波磁场模块，用于产生均匀偏置磁场和均匀微波场，调控NV自旋能级以及操控NV色心量子态演化；梯度磁场模块，用于产生梯度磁场，控制NV色心量子叠加态演化；数据和算法处理模块，包含GPU运算单元的计算机工作站，用于进行实验控制和数据处理。
Description
技术领域
本发明涉及宽场磁成像领域，尤其涉及一种宽场超分辨自旋磁成像装置及方法。
背景技术
经过近些年的发展，基于金刚石NV色心的磁成像技术形成了两种成熟的种类：单色心扫描成像与宽场成像技术。单色心扫描技术结合和单NV色心原子级大小和扫描探针的优势，可以实现超高空间分辨率(～10nm)的磁场成像，并被广泛用于生物细胞蛋白成像(Pengfei Wang.et al.Science Advances.2019)、二维磁性材料中磁性纹理成像Gross,I.et al.Nature.2017)等需要高空间分辨率的领域。宽场成像技术使用系综NV色心探测，对宽视野内的NV色心同时操控，在细胞成像(D.R.Glenn.et al.Nat Methods.2015)、水溶液离子浓度成像(Steinert,S.et al.Nat Communications.2013))、古地磁测量(D.R.Glenn et al.G3.2017)等领域得到有效应用。
这两类传统的磁成像技术有着不可调和的矛盾和缺点。单色心扫描技术使用单个NV色心在样品表面移动，依次测量各处磁场大小，得到样品表面的磁场图像。由于需要探针和样品相对移动，样品与探针位置漂移容易引起图像畸变，使得这种方法需要极高的复位精度与移动精度，且空间逐点扫描测量的方式使得测量时间随着扫描点数线性增加，导致在这种方法在需要大视野的成像应用中受到限制。已经提出的宽场成像技术通过对大范围内的NV色心同时操控，可同时探测较宽视野内的磁场，但受限于光学衍射极限，最优分辨率在300纳米左右，使得一般宽场成像技术不适用于高分辨磁成像领域。
2015年有研究者第一次提出了k空间磁成像的方法，使用梯度磁场与脉冲序列相结合、共聚焦平台探测的方式，实现了一维空间分辨率30nm、二维空间分辨率100nm，并成功区分了平面上相距121nm的NV色心，进而成功演示了外磁场的超分辨测量。
该工作提出了一种区别于实空间扫描的磁成像方法，实现了超越光学衍射极限空间分辨率的磁场测量。其缺点在于，所使用的k空间数据编码方式本征地不可区分正负频谱，这将使重构的NV色心位置出现混叠，导致该方法难以应用于宽场高分辨率磁场成像；且共聚焦平台探测的方式只能依次对实空间中各处的NV色心进行寻址并测量，在测量上将耗费巨大的时间资源；其使用的NV色心只存在于单个直径为200nm的圆柱中，相邻圆柱的间距为2微米，得到的磁场图案为严重欠采样图，这使得该方法不具有实用意义。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种宽场超分辨自旋磁成像装置及方法，以期部分地解决上述技术问题中的至少之一。
为了实现上述目的，作为本发明的一方面，提供了一种宽场超分辨自旋磁成像装置，包括：
感测探头模块，体内有多个自旋感测单元，所述自旋感测单元即NV色心的金刚石样品；
空间位置调节模块，用于调整所述金刚石样品的空间位置；
荧光收集成像模块，用于对所述自旋感测单元发出的荧光进行空间成像；
激发光产生模块，用于产生空间分布均匀的激光脉冲以激发所述自旋感测单元；
微波磁场模块，用于产生均匀偏置磁场和均匀微波场，调控NV自旋能级以及操控NV色心量子态演化；
梯度磁场模块，用于产生梯度磁场，控制NV色心量子叠加态演化；
数据和算法处理模块，包含GPU运算单元的计算机工作站，用于进行实验控制和数据处理。
其中，所述感测探头模块是大部分表面平整且无表面结构、特定位置带标记的金刚石样品，体内有NV色心，要求所有的NV色心在金刚石内部形成一个薄层，所有色心之间深度差小于10纳米，水平间距小于系统的光学衍射极限。
其中，所述空间位置调节模块包括XYZ三轴大量程位置调节装置和XYZ三轴高精度位置调节装置。其中，所述XYZ三轴大量程位置调节装置，具有几十毫米量级量程和10微米量级调节精度，具有几百微米级量程和1纳米调节精度。
其中，所述荧光收集成像模块采用能够根据荧光信号区分NV色心空间位置的荧光探测器，所述荧光探测器为电子耦合器件或互补金属氧化物半导体；所述荧光收集成像模块还包括：635纳米长通滤波片、800纳米短通滤波片、成像透镜和物镜；NV色心产生的荧光先用物镜收集，然后经过成像透镜，最后通过多级滤光片进入荧光探测器；通过物镜-成像透镜组合，使得金刚石样品的NV色心薄层平面和荧光探测器靶面形成共轭面，在荧光探测器靶面上各个荧光探测单元积累的计数转化为NV色心荧光的平面分布；荧光探测器测得的图像是实际荧光分布的放大图像，放大倍数由物镜放大倍数和成像透镜焦距共同决定；所述荧光收集成像模块能够更换为单像素点的单点探测系统，即将视野范围内的所有的荧光全部收集在一个点探测器上。
其中，所述激发光产生模块包括高功率激光器、半波片、透镜组合、声光调制器组、扩束系统、平顶光束生成器和物镜；高功率激光器产生功率1瓦量级的、波长532纳米的激光，通过半波片，调节激光的偏振方向；调节偏振方向后的激光经过透镜组合和声光调制器组；光束经过声光调制器组调制后，经过扩束系统后进入平顶光束生成器，生成均匀激光束，然后经过半波片、透镜、滤光镜片，然后进入物镜，在物镜后端焦平面产生均匀激光，均匀范围为几十微米量级，均匀度达90％。
其中，所述微波磁场模块在金刚石NV色心区域内产生均匀的微波场与沿NV色心轴的偏置磁场，包括微波场产生部分与静磁场产生部分；其中，所述微波场产生部分包括波源、微波分束器、微波开关、微波合路器、微波放大器和阻抗匹配，通过设计好的微波均匀辐射结构，在金刚石内的NV色心区域内产生均匀的微波场；所述微波均匀辐射结构产生的均匀场的范围为100微米量级，均匀度能够达到95％以上；所述静磁场产生部分通过对称的线圈、大体积永磁铁的装置在NV色心区域产生均匀静磁场，均匀范围在1毫米量级，均匀度达95％以上。
其中，所述梯度磁场模块包括梯度磁场波形产生装置、梯度磁场电流输出装置、微梯度线圈；通过梯度磁场波形产生装置产生梯度磁场波形，波形信号控制梯度磁场电流输出装置产生相同波形的电流信号，电流信号输入微梯度线圈，在微梯度线圈围成的区域内产生梯度磁场；其中，所述梯度磁场波形产生装置包括任意波发生器，所述梯度磁场电流输出装置包括压控电流源。
其中，所述数据和算法处理模块的数据处理方式如下：
(1)选择特定像素，取出其采集到的k空间编码数据，通过快速傅里叶变换将k空间数据转换为实空间数据；
(2)比对相邻像素的实空间数据，挑选重复出现的实空间信号，将重复信号写入等效的k空间编码视野的相应位置，该位置由像素位置计算得出；
(3)由选择测量区域时标定像素与空间0磁场的相对位置，以及由相邻像素中重复的实空间信号的位置变化趋势确定等效0磁场位置；
(4)遍历荧光收集系统中的所有像素，重复(1)(2)步骤，得到宽视野下的高分辨率的实空间信号；
(5)实空间信号包含幅度和相位，通过幅度信息确定空间位置，相位信息确定磁场大小，从而得到高分辨率的磁成像图；
其中，采用了图像拼接算法，用于消除各个像素实空间图像的混叠，唯一确定NV色心的空间位置。
其中，所述磁成像装置所规定的脉冲序列描述如下：
通过激光脉冲、微波脉冲、梯度磁场脉冲构成k空间编码序列，分为实部信号编码和虚部信号编码两部分：
实部信号编码：激光初始化脉冲—0°相位π/2微波脉冲—梯度磁场脉冲—0°相位π微波脉冲—反相梯度磁场脉冲—0°相位π/2微波脉冲—激光读出脉冲；
虚部信号编码：激光初始化脉冲—0°相位π/2微波脉冲—梯度磁场脉冲—0°相位π微波脉冲—反相梯度磁场脉冲—90°相位π/2微波脉冲—激光读出脉冲；
所述脉冲序列能够更换为高阶动力学去耦微波脉冲与梯度磁场脉冲的组合序列：激光初始化脉冲—0°相位π/2微波脉冲—(梯度磁场脉冲—0°相位π微波脉冲—反相梯度磁场脉冲—0°相位π微波脉冲)×N次—90°相位π/2微波脉冲—激光读出脉冲。
作为本发明的另一方面，提供了一种宽场超分辨自旋磁成像方法，包括：
宽场收集NV色心薄层的荧光分布，通过均匀激光、均匀微波磁场部分、感测探头、荧光探测实现；
通过梯度磁场与脉冲序列结合，将NV色心空间位置信息与磁场信息编码在NV色心量子态中，通过激光脉冲读出量子态荧光信号；
经过快速傅立叶变换进行反解，实现超越光学极限分辨率的NV位置定位和空间磁场测量；
用网格划分NV色心平面，每个格点的空间位置和荧光探测器像素单元一一对应，实现并行荧光采集、并行快速傅立叶变换反解得到多幅实空间图像；
其中，采用了图像拼接算法，用于消除各个像素实空间图像的混叠，唯一确定NV色心的空间位置。
基于上述技术方案可知，本发明的宽场超分辨自旋磁成像装置及方法相对于现有技术至少具有如下有益效果之一：
(1)本发明使重构的NV色心位置不再出现混叠，以使区别于实空间扫描的磁成像方法应用于宽场高分辨率磁场成像；
(2)实现了百纳米以下空间分辨率、宽视野的氮-空位色心(简称NV色心)自旋磁成像；
(3)本发明可以节省时间资源，得到的磁场图案不再为严重欠采样图，
(4)克服实空间成像效果易受位置漂移影响的缺点，实现稳定、原位的超分辨自旋磁成像。
附图说明
图1为本发明实施例提供的k空间编码序列，其中π0、π90分别对应微波相位为0度、90度。Gx、Gy分别表示实验时坐标系下x方向和y方向的磁场梯度；
图2为本发明实施例提供的梯度磁场部分装置示意图；
图3为本发明实施例提供的感测探头部分装置示意图；
图4为本发明实施例提供的感测探头部分温度控制装置示意图；
图5为本发明实施例提供的空间位置调节部分装置示意图；
图6为本发明实施例提供的均匀激光产生部分以及荧光收集部分装置示意图；
图7为本发明实施例提供的均匀微波场和静磁场产生系统装置示意图；
图8为本发明实施例提供的均匀辐射结构和金刚石感测探头的位置示意图；
图9为本发明实施例提供的发明装置使用流程图；
图10为本发明实施例提供的NV色心平面与荧光探测器靶面的成像关系示意图；
图11为本发明实施例提供的荧光探测器像素的视野；
图12为本发明实施例提供的重构图像中的混叠效应对比图；
图13为本发明实施例提供的CCD像素的三个分类；
图14为本发明实施例提供的等效的k空间编码视野FOV2’和这种情况下的两类CCD像素；
图15为本发明实施例提供的CCD像素i中色心的真实位置的x坐标的复原过程；
图16为本发明实施例提供的三类相邻像素及其视野与等效编码视野FOV2’的位置关系；
图17为本发明实施例提供的从任意像素点开始寻找等效编码视野原点O’与测定编码视野大小的算法流程；
图18为本发明实施例提供的原始NV色心分布(左)与重构NV色心实空间分布(右)对比；
图19为本发明实施例提供的各个CCD像素中的信号组合得到的重构实空间图像与原始色心分布的关联图；
图20为本发明实施例提供的各个CCD像素收集的k空间编码数据，FFT后所得的实空间图像。
具体实施方式
本发明提供了一种基于NV色心自旋的超越光学衍射极限空间分辨率的宽场磁成像方法，并基于此方法提出一种宽场超分辨磁成像装置，突破宽场成像技术中光学衍射极限对空间分辨率的限制，实现基于NV色心的稳定、原位的宽场超分辨磁成像。
本发明提供了一种磁成像装置及方法，用以实现百纳米以下空间分辨率、宽视野的氮-空位色心(简称NV色心)自旋磁成像。其核心技术为将使用脉冲梯度磁场将空间位置信息以超高的空间分辨率编码在自旋的量子相位上，最后通过光学分辨手段进行快速读出。自旋磁成像装置由感测探头部分、荧光收集部分、空间位置调节部分、激发光产生部分、微波磁场部分、梯度磁场部分组成。同时本发明提供一种图像拼接算法，解决了密集排布的像素所采集的图像产生混叠的问题：单像素收集到的NV色心荧光信号通过傅立叶变换得到混叠实空间图像，然后多个像素实空间进行图像拼接算法反解，得到NV色心的位置分布以及对应的磁场大小分布。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
1、实现NV色心超分辨定位的原理
本方案使用K空间编码方式实现NV色心超分辨定位。K空间编码，主要通过初始化激光脉冲、微波脉冲、梯度磁场脉冲的组合，将NV色心空间位置信息与空间磁场信息编码在NV色心的量子态中，通过荧光测量得到相应的荧光信号，并经过两次测量荧光信号，分别为复数信号的实部和虚部，得到k值与复数信号的对应关系。K空间编码数据的频谱和相位分别为NV色心实空间分布和磁场实空间分布，通过对k空间数据的傅里叶变换(FFT)得出。
如图1所示，NV色心先通过波长532纳米的激光极化到|0>态后，一个π0/2微波脉冲翻转NV色心到(|0>+|1>)/2态。接着对NV色心施加一系列π脉冲进行动力学去耦操作。对于外界的交变磁场，当相邻的微波脉冲之间的间隔时间τ等于外界磁场周期的一半时，磁场信号累计最大。在NV自由演化时间内，磁场会使得|0>态和|1>态之间产生相对相位，若磁场为正弦信号Bac(t)＝B sin(πt/τ)，则产生的相位为：
其中γ＝2.8MHz/G为NV色心的旋磁比，2τ为NV色心总自由演化时间，受限于NV色心的相干时间。最后一个π0/2微波脉冲将(|0>+e-iφ|1>)/2量子态翻转到[cos(φ/2)|0>+isin(φ/2)|1>]/2。然后通过激光进行读出，得到|0>态布居度为(1+cosφ)/2。以上过程将外磁场幅度编码在NV量子态相位之中，荧光读出过程将得到与磁场相关的荧光信号。
对于实际的NV系综样品，|1>态荧光强度不为0，而与|0>态的荧光强度存在一个固定比值α，假设|0>态荧光强度为C，则|1>态对应的荧光强度为αC，则末态读出的荧光强度为：
I(T，Bx，C)＝(cos2φ+αsin2φ)CT.
当磁场具有均匀空间梯度时，磁场幅度等于磁场梯度与位置的乘积，从在r0处的NV色心便可得到一个与位置相关的相位φ＝2πk·r0，其中k＝4γτ(Gx，Gy)/π，为二维傅里叶空间中(k空间)的点。NV色心的荧光信号正比于相位φ的余弦值：s(k)～cos(2πk·r0)。若观察区域内存在多个NV色心，则荧光信号是各个色心荧光的叠加S(k)～∑i cos(2πk·ri)。
基于梯度磁场和动力学去偶序列，改变k值并采集对应的NV荧光，从而可获得与NV色心位置相关的k空间数据。实验过程中，保持总的自由演化时间τ一定，逐步改变所加梯度值(Gx，Gy)，产生一幅k空间的图像，然后通过k空间图像的傅里叶变换重建实空间图像，即S(r)＝FFT[S(k)]，得到NV色心的位置分布，实空间的像元精度为(2kmax)-1，kmax＝4γτ(Gx max，Gy max)/π。
在经历相同的自由演化过程情况下，微波序列最后一个脉冲修改为相位为90度的π90/2脉冲，这使得最后读出的NV色心|0>态布居度为(1-sinφ)/2，在多个NV色心荧光同时收集的情况下，最终信号的表达式为S(k)～∑i sin(2πk·ri)。将π0/2与π90/2的读出结果结合，形成复数信号S(k)～∑i exp(2πk·ri)，对复数信号进行傅立叶变换，从而唯一确定NV色心的实空间位置。
当外磁场在NV自由演化期间累积相对相位时，信号的表达形式为S(k)～∑i exp(2πk·ri+2πγBext)，在傅里叶变换后得到的信号S(r)＝FFT[S(k)]中，磁场幅度包含在相位之中Bext～arg[S(r)]，随着NV位置的确定，NV探测到的磁场可以被同时解出。
2、梯度场结构的实现方案
如图2所示为梯度磁场产生的装置示意图，以及梯度线圈的构造示意图。
梯度场信号由任意波发生器1、任意波发生器2独立产生，分别经过压控电流源1、压控电流源2，在梯度场线圈中产生两路独立的电流，然后产生两路独立的梯度磁场。
通过一对平行线圈，使用串联的连接方式使得平行线圈中流入的电流大小相等，在平行线圈的中心出产生梯度均匀的梯度磁场，其产生过程如下：第一路电流由1电极流入，然后流经3基板上的2金属镀层，然后流经4飞线，然后流经5金刚石散热基片上的6金属电极，然后经过9飞线流入对门金属电极，最后从8电极流出，完成电流回路，经过6金属电极的电流在7金刚石感测探头上产生梯度磁场。另外一路电流从10电极流入，经历上述相同过程，从11电极流出，在金刚石感测探头上产生另一路梯度磁场。两路梯度磁场梯度在金刚石感测探头平面产生互相垂直的磁场梯度。
该系统产生的梯度磁场，其梯度值在50微米范围内可达到70％-80％的均匀性，梯度绝对值可达0.9高斯/微米/安培。
3、宽场磁成像装置的实现方案
3.1感测探头部分
如图3所示，感测探头部分由含有NV色心的金刚石样品和均匀辐射结构，梯度场线圈等部分组成，金刚石位于辐射结构和梯度场线圈之间，梯度场线圈电镀在大尺寸金刚石基片上以提高热传导效率，金刚石基片安装在铜片上，并使用TEC探头以及散热铜片的方式以及外接温度控制器的温度控制箱的方式控制系统温度，使得系统温度稳定在目标温度±0.01摄氏度以内。如图4所示，为感测探头部分温度控制装置示意图。
3.2位置调节部分
如图5所示为位置调节系统部分，将感测探头部分安装在由两套位移调节装置组成的系统上，XY三轴位置调节装置的单轴行程为几十毫米量级、分辨率为10微米，使得整个系统可以大范围移动，XYZ三轴高精度位置调节装置通过纳米压电位移台进行纳米级空间定位，达到单轴行程几百微米、分辨率1纳米，以实现高精度的空间位置调节。
3.3整体光路：均匀激光产生与荧光收集部分
如图6所示，为均匀激光产生部分以及荧光收集部分装置示意图。
均匀激光产生过程如下：1高功率激光器产生线性偏振高斯光束，经过2半波片调整偏振方向，进入3级联AOM组，AOM控制激发光开关，级联组合使得整体开关比高达107:1，然后激发光经过4、5透镜组合进行放大或缩小，以合适的光束直径入射6平定光束整形器，然后以平顶光束出射，经过7半波片调整偏振方向，出射后经8反射镜反射进入9聚焦透镜，然后经过10长波通二向色镜后进入11镜头，在12金刚石感测探头中NV色心面形成均匀激光。在不损失激光功率的条件下，该系统可以产生在50微米范围内均匀度达到90％的均匀激光。
荧光收集过程如下：12金刚石中NV色心吸收激发光，放射荧光通过11物镜镜头收集，经过10长波通二向色镜后进入13成像透镜，然后经过14多级滤光片组合，最后在15荧光探测器靶面被收集。
3.4微波磁场部分
如图7所示，为均匀微波场和静磁场产生系统装置示意图均匀微波场的产生过程如下：波源产生特定频率和功率的微波，通过分束器分为大小相等，相位差为90°的两路微波。两路微波分别由各自的微波开关独立控制开启和关闭，微波开关接受方波序列发生器控制。经过微波开关之后的两路微波由微波合路器合为一路，传输进入微波放大器，功率放大的微波最终进入均匀辐射结构，在金刚石内部NV色心处产生空间均匀的微波场，在微波线路的终端采用合适的阻抗匹配，以保护微波线路。
该系统通过线圈或者大体积永磁体在金刚石内部产生大范围均匀静磁场，如图8所示。微波场500微米范围内均匀性达到约99.5％，静磁场在1毫米范围内均匀度达到90％以上。
4、装置使用流程
装置使用流程如图9所示，安装样品之后，调节样品位置使得NV色心平面移至物镜的焦平面(或是单像素荧光收集光路中的激发光强最大)。调节外磁场，使得磁场方向和NV轴方向重合，进行梯度大小以及0磁场位置标定，0磁场位置定义NV色心平面内为施加梯度磁场后NV轴向磁场与未施加梯度磁场时NV轴向磁场相等的位置，然后开始k空间编码数据采集实验。完成所有实验之前，每次k空间编码数据采集结束，进行NV色心位置校准，校准结束后继续实验。重复上述实验过程至实验结束，进行数据处理，数据处理包括先进行k空间编码数据的傅里叶变换，然后通过所述图像拼接算法完成宽场NV空间定位和磁图像读出。
具体的实验过程中，通过电脑控制方波序列发生器作为时钟源，同时控制激发光产生部分的声光调制器进行激光开关、光收集部分的荧光探测器进行荧光采集、微波磁场部分的微波开关输出微波操控场、梯度磁场部分任意波发生器输出控制NV累加相位的梯度场信号。以上四者按一定的时序结合，并按照一定步长逐次改变梯度场信号幅度并采集相应的荧光信号，实现k空间编码数据采集。
5、荧光探测器靶面与NV平面的位置对应关系
如图10所示，为NV色心平面与荧光探测器靶面的成像关系，面1表示NV色心平面，面2表示荧光探测器靶面，透镜1表示荧光收集镜头的等效透镜，f1表示其等效焦距，透镜2表示成像透镜，焦距为f2，NV色心平面上长度为l1的线段在荧光探测器靶面的像长度为l2。
NV平面与荧光探测器靶面透过荧光收集镜头和成像透镜耦合起来，形成共轭面，由成像关系可知两个面上的像的大小关系为l2＝l1·f2/f1，成像透镜的焦距一般远大于镜头焦距，所以荧光探测器靶面得到的是实际NV色心平面的放大像。
单个NV色心的荧光信号，经过光学系统传播后，在荧光探测器靶面形成的荧光分布由光学系统的点扩散函数决定。对于圆形孔径的光学元件，物面上点光源的在像面的理想点扩散函数艾里斑，中心0级亮斑可近似为二维高斯分布，其半径定义为R＝0.61λ/NA·f2/f1，λ为波长，NA为物镜的数值孔径。
由于荧光探测器的荧光收集单元为方形像素，而对应的在NV平面中的方形区域存在多个NV色心，光学系统的点扩散函数使得这些NV色心的荧光被分散到荧光探测器方形像素内部及周围区域，同时NV平面内相邻区域的NV色心荧光也会被该荧光探测器像素收集。
如图11所示，为荧光探测器像素的视野：黑色方块代表荧光探测器的单个像素点，每个圆形阴影表示单个NV色心的荧光在荧光探测器靶面的分布范围，虚线围成的区域为该荧光探测器像素的实际视野，代表像素点可以收集到这个范围内NV色心的荧光信号。视野的边长等于荧光探测器像素边长Lpixel与点扩散函数的直径2R之和：L1＝Lpixel+2R。
6、CCD像素位置标定及多像素拼接实现宽场NV色心超分辨定位
6.1 k空间编码数据与实空间图像的对应关系
对k空间编码数据进行采集是一个典型的采样过程，根据香农采样定理，为了不失真地恢复模拟信号，采样频率应该不小于模拟信号频谱中最高频率的2倍。在本文中，需要恢复的模拟信号为k空间信号，其对应的频谱为NV色心的实空间位置。所采集的k空间编码数据是真实k空间信号的一个欠采样的子集，采样频率需要满足香农采样定理规定的大小，以避免其频谱即实空间信号失真。
在2中，成像关系决定了单个CCD像素的视野大小为：
L1＝Lpixel+2R
该式表示，为每个CCD像素贡献信号的NV色心分布在与像素对应的一个有限范围的特定区域内。若以像素中心为实空间坐标原点，由该式可知k空间信号频谱中最高频率为xm＝L1/2，由此得出k空间采样频率须满足(此处以一维为例，二维情况下的另一个维度也适用于以下公式)
L2≥2xm
另一方面，一幅完整的实空间图像要求两个相邻的NV色心(假设间距为Δx)可以区分开，即k空间信号采样的频率分辨率满足
dx≤Δx
因此k空间编码得到了一幅相应的实空间图像，该图像的分辨率与范围由k的步长和范围定义：
dx＝1/kmax
由1中信号的k空间信号的表达形式S(k)～∑i exp(2πk·ri)可知，由k空间采样得到的实空间图像的原点为梯度磁场大小为0的位置，因为该处的NV色心产生的k空间信号为直流信号，其频率为0，位于频谱中的原点。
由上述过程可知，对k空间进行编码，得到了一个编码的实空间视野(FOV2)，视野的原点位于空间中梯度磁场大小为0的点，视野大小和空间分辨率由采样k值的范围和精度决定，为-L2/2＜x＜L2/2，dx＝1/kmax。
6.2 k空间欠采样导致实空间信号混叠
由于CCD的荧光探测靶面是多个像素组成的二维阵列，通过光学系统与NV色心平面构成共轭面，NV色心平面上的磁场0点位置对应了CCD靶面相应像素，该像素收集到的荧光信号来自于磁场0点(即FOV2原点)附近的NV色心，如2.2.6.1中所述，该CCD像素视野小于编码视野FOV2时，满足香农采样定理的要求，该CCD像素采集的k空间编码数据对应的实空间图像不失真。
而当k空间采样不满足香农采样定理时，实空间信号将发生混叠。这种情况发生在CCD像素远离磁场0点对应像素时，其收集的荧光信号相应地来自于远离磁场0点的位置，由于k采样点不变，该CCD像素的k空间编码数据对应的实空间图像范围仍是FOV2，即FFT反解出的NV色心的实空间位置在FOV2内-L2/2＜xFFT＜L2/2，而实际NV色心的实空间位置应满足|xFFT|＞L2/2。由k空间信号的表达形式S(k)～∑i exp(2πk·ri)可知，若NV色心位置满足x2＝x1+M/kmax，其中M为整数，x1与x2两处的NV色心将产生相同的k空间信号，导致反解得到的实空间信号发生混叠，如图12所示。
6.3利用CCD像素的空间位置消除信号混叠
由6.2中的分析可知，对于每个CCD像素收集的k空间编码数据进行FFT，得到的NV色心实空间位置xFFT与NV色心的真实位置x满足关系
xFFT＝x-M*L2
其中M为整数。假设CCD像素中心在NV色心平面对应的坐标为xp，则NV色心的真实位置x应满足
另一方面，x也满足
当M＝0时，NV色心处于编码视野FOV2中；当M≠0时，NV处于FOV2之外，此时根据M排序，可以认为NV色心处于等效编码视野FOV2’(M)中。
考虑CCD像素的密接的排列方式，将会出现部分像素的视野超出编码的视野FOV2，处于FOV2内部的NV色心的反解位置不失真，处于FOV2外部的NV色心的反解位置失真，其真实位置应处于等效的编码视野FOV2’(M＝±1)中。
整体上，可以根据FOV1和FOV2的相对位置，将CCD像素分为三类：第一类是FOV1整体包含在FOV2中，傅里叶变换得到的色心分布是真实的；第二类是FOV1部分包含在FOV2中，直接傅里叶变换得到一部分色心真实位置，一部分失真位置；第三类是FOV1完全处于FOV2之外，直接傅里叶变换得到的色心位置全部失真。如图13所示。
另一方面，引入等效编码视野FOV2’(M)，比较FOV1和FOV2’的相对位置，CCD像素共分为2类：第一类是FOV1完全包含在FOV2’(M)中，直接对k空间数据傅里叶变换可以得到真实的色心位置分布；第二类是FOV1部分包含在FOV2’(M)中，部分处于(M±1)中。通过测定磁场0点坐标以及像素与磁场0点的相对位置，可以得到M的值，进而可以通过等效编码视野FOV2’中NV色心位置准确恢复NV色心的真实位置。如图14所示。
6.4完成图像拼接的算法流程
步骤1：利用CCD像素位置信息，复原NV色心的真实位置
图像拼接过程在得到实空间数据之后进行，每个CCD像素得到一份实空间数据。将CCD像素进行编号，并用(xi，yi)标记像素中心坐标，坐标轴原点为NV色心平面上的磁场0点，其与FOV2的原点O重合。拼接过程中，先计算CCD像素的位置，然后计算相应的等效编码视野FOV2’，判断CCD像素视野FOV1是否跨过FOV2’的边界，根据不同情况将FOV2中的对应区域NV色心信号平移至真实位置，如图15所示。
步骤2：利用相邻像素点的实空间信号的可重复性完成图像拼接
在拼接实空间图像之前，需要定位CCD像素所在FOV2’的等效原点，这可以通过对比相邻像素点的实空间图像，并测量重复出现的NV色心的位置实现。
在FOV2范围大于FOV1范围的条件下，相邻像素的实空间信号分布可以分为3类(以一维情况为例，假设相邻像素在x方向排列，第2个像素坐标大于第1个像素)：第一类是像素1和像素2的视野均在同FOV2’(M)内部，两个像素的视野重叠，使得反解出的实空间信号也部分重叠，非重叠部分包括像素1的最左部分，以及像素2的最右部分；第二类是像素1的视野在FOV2’(M)内部，而像素2视野跨越FOV2’(M)与FOV2’(M+1)，像素2的实空间信号将被分为两部分，一部分与像素1的部分信号重叠，处于FOV2’(M)右端，另一部分出现在FOV2’(M)的左端，经过平移可以复原为真实位置处，于FOV2’(M+1)左端；第三类是两个像素的视野均跨越FOV2’(M)与FOV2’(M+1)，超出FOV2’(M)的部分的信号出现在FOV2’(M)的左端，经过平移后可复原为真实位置，处于FOV2’(M+1)左端。
取出所有在同一个方向排列且互相邻近的CCD像素的实空间图像，实空间信号的分布将会按照第一、第二、第三类所述的情况周期交替的规律变化。统计相邻像素中重复出现的实空间信号峰的坐标，以及位于0≤x＜L2/2区域内的峰个数Ni，遍历x方向所有像素，统Ni随CCD像素位置的变化关系：当某个CCD像素视野即将跨过FOV2’(M)的边界时，Ni达到最大值，说明该CCD像素的视野边界与编码视野边界最相近；继续增大像素位置，Ni开始下降，直到下降为0；当Ni开始由0逐渐增大，表示该CCD像素的视野边界逐渐远离等效编码视野FOV2’(M)的原点O’；继续增大CCD像素位置，Ni重新出现最大值，表明CCD像素视野边界最靠近FOV2’(M+1)的边界。由此可以确定各个等效编码视野FOV2’的范围与原点O’的位置，以及判定各个像素视野是否跨越编码视野边界，进而恢复各个区域内NV色心的真实位置。
如图16所示，为三类相邻像素及其视野与等效编码视野FOV2’的位置关系，阴影部分表示下一个邻近像素相对于上一个像素视野的变化，如果这部分面积内存在NV色心，将会在实空间信号中寻到峰。
如图17所示，为寻找等效原点O’与测定编码视野大小的算法流程图，i表示按X(或Y)方向排列的像素的编号，增加值为1，表示下一个相邻像素。
7宽场下NV色心的超分辨定位的模拟结果
(1)原始NV色心分布与重构NV色心分布的对比
如图18所示，为原始NV色心分布(左)与重构NV色心实空间分布(右)对比。模拟中NV色心间距为50纳米和100纳米，光学系统光学衍射极限400纳米，重构实空间图像的空间分辨率40纳米。
(2)多像素实空间图像拼接实现NV色心宽场超分辨定位
如图19所示，为各个CCD像素收集的k空间编码数据，FFT后所得的实空间图像；如图20所示为各个CCD像素中的信号组合得到的重构实空间图像与原始色心分布的关联图，NV色心位置完全重合，表明提出的NV色心宽场超分辨定位方法是可行的。
本发明还提供了一种宽场超分辨磁成像方法，包括：宽场收集NV色心薄层的荧光分布，通过均匀激光、均匀微波磁场部分、感测探头部分、荧光探测部分实现；通过所述的梯度磁场与脉冲序列结合，将NV色心空间位置信息与磁场信息编码在NV色心量子态中，通过激光脉冲读出量子态荧光信号，然后经过快速傅立叶变换(FFT)进行反解，实现超越光学极限分辨率的NV位置定位和空间磁场测量；用网格划分NV色心平面，每个格点的空间位置和荧光探测器像素单元一一对应，实现并行荧光采集、并行快速傅立叶变换反解得到多幅实空间图像；图像拼接算法，消除各个像素实空间图像的混叠，唯一确定NV色心的空间位置。
其中，脉冲序列描述如下：
通过激光脉冲、微波脉冲、梯度磁场脉冲构成k空间编码序列，分为实部信号编码和虚部信号编码两部分：(1)实部：激光初始化脉冲-0°相位π/2微波脉冲-梯度磁场脉冲-0°相位π微波脉冲-反相梯度磁场脉冲-0°相位π/2微波脉冲-激光读出脉冲；(2)虚部：激光初始化脉冲-0°相位π/2微波脉冲-梯度磁场脉冲-0°相位π微波脉冲-反相梯度磁场脉冲-90°相位π/2微波脉冲-激光读出脉冲。
所述脉冲序列可以更换为高阶动力学去耦微波脉冲与梯度磁场脉冲的组合序列：激光初始化脉冲-0°相位π/2微波脉冲-(梯度磁场脉冲-0°相位π微波脉冲-反相梯度磁场脉冲-0°相位π微波脉冲)×N次-90°相位π/2微波脉冲-激光读出脉冲。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种宽场超分辨自旋磁成像装置，其特征在于，包括：
感测探头模块，体内有多个自旋感测单元，所述自旋感测单元即NV色心的金刚石样品；
空间位置调节模块，用于调整所述金刚石样品的空间位置；
荧光收集成像模块，用于对所述自旋感测单元发出的荧光进行空间成像；
激发光产生模块，用于产生空间分布均匀的激光脉冲以激发所述自旋感测单元；
微波磁场模块，用于产生均匀偏置磁场和均匀微波场，调控NV自旋能级以及操控NV色心量子态演化；
梯度磁场模块，用于产生梯度磁场，控制NV色心量子叠加态演化；
所述梯度磁场模块包括梯度磁场波形产生装置、梯度磁场电流输出装置、微梯度线圈；通过梯度磁场波形产生装置产生梯度磁场波形，波形信号控制梯度磁场电流输出装置产生相同波形的电流信号，电流信号输入微梯度线圈，在微梯度线圈围成的区域内产生梯度磁场；其中，所述梯度磁场波形产生装置包括任意波发生器，所述梯度磁场电流输出装置包括压控电流源，其中，两个任意波发生器产生独立的梯度磁场波形，分别经过两个压控电流源，在微梯度线圈中产生两路独立的电流，然后产生两路独立的梯度磁场；每一路电流流入一对平行线圈，使用串联的连接方式使得平行线圈中流入的电流大小相等，在平行线圈的中心产生梯度均匀的梯度磁场，其中，两路梯度磁场梯度在金刚石感测探头平面产生互相垂直的磁场梯度；
数据和算法处理模块，包含GPU运算单元的计算机工作站，用于进行实验控制和数据处理；
所述数据和算法处理模块的数据处理方式如下：
(1)选择特定像素，取出其采集到的k空间编码数据，通过快速傅里叶变换将k空间数据转换为实空间数据；
(2)比对相邻像素的实空间数据，挑选重复出现的实空间信号，将重复信号写入等效的k空间编码视野的相应位置，该位置由像素位置计算得出；
(3)由选择测量区域时标定像素与空间0磁场的相对位置，以及由相邻像素中重复的实空间信号的位置变化趋势确定等效0磁场位置；
(4)遍历荧光收集系统中的所有像素，重复(1)(2)步骤，得到宽视野下的高分辨率的实空间信号；
(5)实空间信号包含幅度和相位，通过幅度信息确定空间位置，相位信息确定磁场大小，从而得到高分辨率的磁成像图；
其中，采用了图像拼接算法，用于消除各个像素实空间图像的混叠，唯一确定NV色心的空间位置。
2.根据权利要求1所述的磁成像装置，其特征在于，所述感测探头模块是大部分表面平整且无表面结构、特定位置带标记的金刚石样品，体内有NV色心，要求所有的NV色心在金刚石内部形成一个薄层，所有色心之间深度差小于10纳米，水平间距小于系统的光学衍射极限。
3.根据权利要求1所述的磁成像装置，其特征在于，所述空间位置调节模块包括XYZ三轴大量程位置调节装置和XYZ三轴高精度位置调节装置；其中，所述XYZ三轴大量程位置调节装置，具有几十毫米量级量程和10微米量级调节精度，所述XYZ三轴高精度位置调节装置，具有几百微米级量程和1纳米调节精度。
4.根据权利要求1所述的磁成像装置，其特征在于，所述荧光收集成像模块采用能够根据荧光信号区分NV色心空间位置的荧光探测器，所述荧光探测器为电子耦合器件或互补金属氧化物半导体；所述荧光收集成像模块还包括：635纳米长通滤波片、800纳米短通滤波片、成像透镜和物镜；NV色心产生的荧光先用物镜收集，然后经过成像透镜，最后通过多级滤光片进入荧光探测器；通过物镜-成像透镜组合，使得金刚石样品的NV色心薄层平面和荧光探测器靶面形成共轭面，在荧光探测器靶面上各个荧光探测单元积累的计数转化为NV色心荧光的平面分布；荧光探测器测得的图像是实际荧光分布的放大图像，放大倍数由物镜放大倍数和成像透镜焦距共同决定；所述荧光收集成像模块能够更换为单像素点的单点探测系统，即将视野范围内的所有的荧光全部收集在一个点探测器上。
5.根据权利要求1所述的磁成像装置，其特征在于，所述激发光产生模块包括高功率激光器、半波片、透镜组合、声光调制器组、扩束系统、平顶光束生成器和物镜；高功率激光器产生功率1瓦量级的、波长532纳米的激光，通过半波片，调节激光的偏振方向；调节偏振方向后的激光经过透镜组合和声光调制器组；光束经过声光调制器组调制后，经过扩束系统后进入平顶光束生成器，生成均匀激光束，然后经过半波片、透镜、滤光镜片，然后进入物镜，在物镜后端焦平面产生均匀激光，均匀范围为几十微米量级，均匀度达90％。
6.根据权利要求1所述的磁成像装置，其特征在于，所述微波磁场模块在金刚石NV色心区域内产生均匀的微波场与沿NV色心轴的偏置磁场，包括微波场产生部分与静磁场产生部分；其中，所述微波场产生部分包括波源、微波分束器、微波开关、微波合路器、微波放大器和阻抗匹配，通过设计好的微波均匀辐射结构，在金刚石内的NV色心区域内产生均匀的微波场；所述微波均匀辐射结构产生的均匀场的范围为100微米量级，均匀度能够达到95％以上；所述静磁场产生部分通过对称的线圈、大体积永磁铁的装置在NV色心区域产生均匀静磁场，均匀范围在1毫米量级，均匀度达95％以上。
7.根据权利要求1所述的磁成像装置，其特征在于，所述磁成像装置所规定的脉冲序列描述如下：
通过激光脉冲、微波脉冲、梯度磁场脉冲构成k空间编码序列，分为实部信号编码和虚部信号编码两部分：
实部信号编码：激光初始化脉冲-0°相位π/2微波脉冲-梯度磁场脉冲-0°相位π微波脉冲-反相梯度磁场脉冲-0°相位π/2微波脉冲-激光读出脉冲；
虚部信号编码：激光初始化脉冲-0°相位π/2微波脉冲-梯度磁场脉冲-0°相位π微波脉冲-反相梯度磁场脉冲-90°相位π/2微波脉冲-激光读出脉冲；
所述脉冲序列能够更换为高阶动力学去耦微波脉冲与梯度磁场脉冲的组合序列：激光初始化脉冲-0°相位π/2微波脉冲-(梯度磁场脉冲-0°相位π微波脉冲-反相梯度磁场脉冲-0°相位π微波脉冲)×N次-90°相位π/2微波脉冲-激光读出脉冲。
8.一种利用权利要求1至7任一项所述的装置进行宽场超分辨自旋磁成像方法，其特征在于，包括：
宽场收集NV色心薄层的荧光分布，通过均匀激光、均匀微波磁场部分、感测探头、荧光探测实现；
通过梯度磁场与脉冲序列结合，将NV色心空间位置信息与磁场信息编码在NV色心量子态中，通过激光脉冲读出量子态荧光信号；
经过快速傅立叶变换进行反解，实现超越光学极限分辨率的NV位置定位和空间磁场测量；
用网格划分NV色心平面，每个格点的空间位置和荧光探测器像素单元一一对应，实现并行荧光采集、并行快速傅立叶变换反解得到多幅实空间图像；
其中，采用了图像拼接算法，用于消除各个像素实空间图像的混叠，唯一确定NV色心的空间位置。
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