CN114076748B - Odmr谱仪氮-空位色心识别方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种ODMR谱仪氮‑空位色心识别方法及系统，其中，方法包括：扫描得到金刚石的荧光成像图；从荧光成像图中识别色心的识别信息；根据识别信息识别氮‑空位色心。该方法可以实现色心快速高效的自动识别，避免了人工进行阈值设定和调整，自动化的识别也能大大地节省时间。
Description
技术领域
本申请涉及氮-空位色心识别技术领域，特别涉及一种ODMR(Optical DetectedMagnetic Resonance，光探测磁共振)谱仪氮-空位色心识别方法及系统。
背景技术
金刚石会存在各种各样的缺陷，并且可能会含有一些杂质元素。当金刚石晶格中有一个氮原子取代了碳原子，而相邻位置又缺少一个碳原子而留下空位时，就形成了氮-空位色心，即NV色心。
其中，NV色心是指带有一个负电荷的NV-。运用NV色心开发出来了一种名为ODMR的量子科学技术。ODMR技术广泛应用于量子精密测量，量子计算等领域。
因此，为了实现ODMR技术，必须准确的找出金刚石当中存在的NV色心。
申请内容
本申请旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
为此，本申请的第一目的在于提出一种ODMR谱仪氮-空位色心识别方法，该方法可以实现色心快速高效的自动识别，避免了人工进行阈值设定和调整，自动化的识别也能大大地节省时间。
本申请的第二个目的在于提出一种ODMR谱仪氮-空位色心识别系统。
本申请的第三个目的在于提出一种电子设备。
本申请的第四个目的在于提出一种非临时性计算机可读存储介质。
为达到上述目的，本申请第一方面实施例提供一种ODMR谱仪氮-空位色心识别方法，包括以下步骤：扫描得到金刚石的荧光成像图；从所述荧光成像图中识别色心的识别信息；根据所述识别信息识别所述氮-空位色心。
根据本申请实施例的ODMR谱仪氮-空位色心识别方法，通过扫描成像得到金刚石的荧光成像图，并根据色心的物理特征进行色心识别，可以准确高效地识别并标记出金刚石内的色心位置，从而可以实现色心快速高效的自动识别，避免了人工进行阈值设定和调整，自动化的识别也能大大地节省时间。
另外，根据本申请上述实施例的ODMR谱仪氮-空位色心识别方法还可以具有以下附加的技术特征：
在本申请的一个实施例中，所述扫描得到金刚石的荧光成像图，包括：通过光探测磁共振ODMR谱仪中光学系统读取所述金刚石发出的荧光，并采用预设栅格式的扫描方式进行扫描，得到扫描范围内所有采样点的坐标以及荧光强度，以生成所述金刚石的荧光成像图。
在本申请的一个实施例中，所述识别信息可以包括亮度、大小、形状和背景强度中的一项或多项。
在本申请的一个实施例中，所述从所述荧光成像图中识别色心的识别信息，进一步包括：对所述荧光成像图进行预处理，其中，剔除小于第一预设阈值的点，并筛选出亮度高于第二预设阈值的点，及通过腐蚀膨胀连通由于干扰因素导致亮度低于所述第二预设阈值的点。
在本申请的一个实施例中，所述根据所述识别信息识别所述氮-空位色心，包括：筛选出整个连通域的直径大小在0.1～2um范围内的初始色心；从所述初始色心中筛选外接矩形长宽比小于预设比值的处理色心，并将所述处理色心的每个区域中最亮的点标记并编号，以作为所述色心的中心。
为达到上述目的，本申请第二方面实施例提供一种ODMR谱仪氮-空位色心识别系统，包括：扫描模块，用于扫描得到金刚石的荧光成像图；第一识别模块，用于从所述荧光成像图中识别色心的识别信息；第二识别模块，用于根据所述识别信息识别所述氮-空位色心。
根据本申请实施例的ODMR谱仪氮-空位色心识别系统，通过扫描成像得到金刚石的荧光成像图，并根据色心的物理特征进行色心识别，可以准确高效地识别并标记出金刚石内的色心位置，从而可以实现色心快速高效的自动识别，避免了人工进行阈值设定和调整，自动化的识别也能大大地节省时间。
另外，根据本申请上述实施例的ODMR谱仪氮-空位色心识别系统还可以具有以下附加的技术特征：
在本申请的一个实施例中，所述识别信息可以包括亮度、大小、形状和背景强度中的一项或多项。
在本申请的一个实施例中，所述扫描模块进一步用于通过所述ODMR谱仪中光学系统读取所述金刚石发出的荧光，并采用预设栅格式的扫描方式进行扫描，得到扫描范围内所有采样点的坐标以及荧光强度，以生成所述金刚石的荧光成像图；所述第一识别模块进一步用于对所述荧光成像图进行预处理，其中，剔除小于第一预设阈值的点，并筛选出亮度高于第二预设阈值的点，及通过腐蚀膨胀连通由于干扰因素导致亮度低于所述第二预设阈值的点；所述第二识别模块进一步用于筛选出整个连通域的直径大小在0.1～2um范围内的初始色心；从所述初始色心中筛选外接矩形长宽比小于预设比值的处理色心，并将所述处理色心的每个区域中最亮的点标记并编号，以作为所述色心的中心。
为达到上述目的，本申请第三方面实施例提供一种电子设备，包括：至少一个处理器；以及，与所述至少一个处理器通信连接的存储器；其中，所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被设置为用于执行如上述实施例所述的ODMR谱仪氮-空位色心识别方法。
为达到上述目的，本申请第四方面实施例提供一种非临时性计算机可读存储介质，所述非临时性计算机可读存储介质存储计算机指令，所述计算机指令用于使所述计算机执行如上述实施例所述的ODMR谱仪氮-空位色心识别方法。
本申请附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本申请的实践了解到。
附图说明
本申请上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为根据本申请实施例提供的ODMR谱仪氮-空位色心识别方法的流程图；
图2为根据本申请实施例提供的ODMR的光路结构示意图；
图3为根据本申请实施例的ODMR谱仪氮-空位色心识别系统的示例图。
具体实施方式
下面详细描述本申请的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。
本申请是基于申请人对以下问题的认识和发现做出的：
NV色心具有良好的光学性质，能在532nm激光的激发下，发出637nm～750nm的红色荧光，并且在室温大气下就可以实现；而金刚石本身不会发光，所以可以根据这点将色心区分出来。
因此，本申请提出了一种快速高效的自动识别色心的方法及系统，通过栅格式扫描成像得到荧光成像图，根据色心的亮度，大小，形状等物理特征，进行色心识别。
下面参照附图描述根据本申请实施例提出的ODMR谱仪氮-空位色心识别方法及系统，首先将参照附图描述根据本申请实施例提出的ODMR谱仪氮-空位色心识别方法。
具体而言，图1为本申请实施例所提供的一种ODMR谱仪氮-空位色心识别方法的流程示意图。其中，ODMR谱仪的光路系统如图2所示，包括以下组成模块：激光器、双色镜、反射镜、物镜镜头、金刚石样品、聚焦透镜、小孔、单光子探测器(APD)。激光器产生532nm的绿光，通过双色镜反射镜的反射，由物镜镜头聚焦到金刚石样品上。NV色心受到绿光激发会产生红色荧光，被镜头收集，透过双色镜，被聚焦透镜聚焦到小孔上。当小孔的位置和透镜焦点重合时，只有在物镜焦点处产生的荧光才能够通过小孔，这样能够大大地降低荧光背景，可以大大提高系统的空间分辨率。从而能够实现单个色心的探测。滤光片会将532nm的绿光完全滤去，让红色荧光通过。
单光子探测器是基于雪崩式光电二极管制成的高灵敏度的光电传感器，可以探测到单个光子。ADP实时地将接收到的光信号转化为电信号，通过软件将读取一段时间内的光子数，折算到单位时间内就完成了荧光的探测。
如图1所示，该ODMR谱仪氮-空位色心识别方法包括以下步骤：
在步骤S101中，扫描得到金刚石的荧光成像图。
需要说明的是，氮-空位色心识别是ODMR谱仪工作的一个重要步骤，ODMR原理：ODMR是采用带有氮-空位色心的金刚石探针(此探针对细微的温度以及磁场比较敏感，同时体积比较小，故可以检测的样品种类比较多)作为传感器来实现样品的检测的一种仪器设备。由于精密度要求，工作之前需要重新校准，即激光照射在NV色心上，此时需要重新扫描金刚石中的NV色心(校准)，本申请实施例的方法是重新获取NV色心的方法。
本申请实施例可以通过多种方式扫描得到金刚石的荧光成像图，在此不做具体限定。
作为一种可能实现的方式，扫描得到金刚石的荧光成像图，包括：通过光探测磁共振ODMR谱仪中光学系统读取金刚石发出的荧光，并采用预设栅格式的扫描方式进行扫描，得到扫描范围内所有采样点的坐标以及荧光强度，以生成金刚石的荧光成像图。
具体而言，由于APD同时只能读取一个读数，使用共聚焦光路将激光聚焦在金刚石内的一个点上，可以测量该点发出的荧光。然后采用栅格式的方式进行扫描：先固定y轴不动，移动x轴，从左向右，扫描一条水平线，然后迅速回到最左侧，偏上一点的位置，再扫第二条水平线，重复直到完成范围内所有点的扫描。可以得到扫描范围内所有采样点的坐标以及荧光强度，将荧光强度转化为灰度图或RGB色图呈现，可以得到金刚石的荧光成像图。
在步骤S102中，从荧光成像图中识别色心的识别信息。
其中，识别信息包括亮度、大小、形状和背景强度中的一项或多项。
可以理解的是，本申请实施例根据荧光成像图，可以获得色心的亮度、大小形状以及背景强度等信息，这些信息均可以用于色心识别。
下面将分别对亮度、大小形状进行详细阐述，具体如下：
(1)色心的特征：亮度
通过APD测量出来的荧光强度，与荧光本身的亮度和荧光的收集效率有关。色心在受到绿光激发时，会发出红色的荧光，而激发光功率越强，荧光也越强，但是超过一定范围就会趋于饱和，通常在测量的时候都是在饱和状态下进行测量，故荧光亮度是最亮的。影响荧光的收集效率，一是光路本身的收集效率，与光学元件是否共轴，光路是否水平，元件间距是否正确等因素相关。二是，与某些实验条件有关，使用油镜的情况就比干镜的收集效率高。NV色心是原子大小可以视为点光源，镜头对于荧光的收集效率，与荧光的最大入射角有关，相关的参数是镜头的数值孔径。油镜的数值孔径会比干镜大，其收集效率就更高。
不论使用什么镜头，都可以收集到NV色心发出的红色荧光，而金刚石本身不会发出荧光，所以色心的亮度会比金刚石亮。使用干镜时，色心会比背景亮约20～60k，使用油镜时，色心会比背景亮约100～150k。所以在荧光成像图当中，可以通过亮度将色心初步区分，但是金刚石表面可能会粘有污渍，这些污渍在绿光照射下可能也会产生含有该频段的荧光，有的污渍亮度很强可以直接排除，但是有的污渍亮度与色心相近就无法通过亮度进行判断，需要通过大小形状进行判断。
(2)色心的特征：大小形状
色心本身的大小是原子大小，可以视为点光源，但在测量时实际测量的是其发光的范围，通常NV色心直径大约在0.1～2um范围。由于是点光源，所以色心成像出来一般是圆形或椭圆形。但是杂质通常是面积更大，成片的，无规则形状的。可以通过大小，和形状进行判断。
由于成像方式采用是栅格式扫描，成像的结果会是一个个像素点，色心的大小可以通过其外接矩形的长宽进行判断。而形状也可以用矩形的长宽比或者色心面积占矩形面积之比来判断。
进一步地，在一些实施例中，从荧光成像图中识别色心的识别信息，进一步包括：对荧光成像图进行预处理，其中，剔除小于第一预设阈值的点，并筛选出亮度高于第二预设阈值的点，及通过腐蚀膨胀连通由于干扰因素导致亮度低于第二预设阈值的点。
需要说明的是，第一预设阈值和第二预设阈值均可以根据实际情况进行设置，在此不做具体限定。
本申请根据共聚焦扫描的荧光成像图，进行图像处理具体的步骤如下：
1、降噪：将小于某个阈值或大于某个阈值的点剔除。
2、亮度筛选：可能由于漏光等原因，导致背景噪声普遍偏高，故需要动态计算阈值。将剩下点的最亮的部分，按一定的比例筛选出来。
3、腐蚀膨胀：可能存在整个色心内部的某一个像素点由于噪声等因素导致亮度小于阈值的情况，腐蚀膨胀是为了将其连通起来。
在步骤S103中，根据识别信息识别氮-空位色心。
在本申请的一个实施例中，根据识别信息识别氮-空位色心，包括：筛选出整个连通域的直径大小在0.1～2um范围内的初始色心；从初始色心中筛选外接矩形长宽比小于预设比值的处理色心，并将处理色心的每个区域中最亮的点标记并编号，以作为色心的中心。
可以理解的是，本申请实施例进行色心识别，具体的步骤如下：
1、大小筛选：筛选出整个连通域的直径大小在0.1～2um范围内的色心。
2、形状筛选：色心外接矩形长宽比越小，说明色心形状越接近圆；色心面积与色心外接矩形长宽乘积之比越大，也能说明越接近圆。二者综合判断，设定一个阈值即可筛选出色心。
3、将剩余的每个区域中最亮的点标记并编号，作为色心的中心。
综上，本申请实施例根据当前的ODMR谱仪系统，设计了一种色心识别的方法。通过栅格式扫描得到荧光成像图，依据色心固有的物理性质包括亮度、大小、形状等特征，设计了一种图像识别的方法，可以准确高效地识别并标记出金刚石内的色心位置。
根据本申请实施例的ODMR谱仪氮-空位色心识别方法，通过栅格式扫描得到荧光成像图，并考虑了色心亮度、大小、形状的物理特征进行色心识别，提高了色心识别的准确率和识别效率，从而可以准确高效地识别并标记出金刚石内的色心位置，通过计算机进行自动的识别，实现色心快速高效的自动识别，避免了人工进行阈值设定和调整，自动化的识别也能大大地节省时间。
图3是本申请其次参照附图描述根据本申请实施例提出的ODMR谱仪氮-空位色心识别系统。
实施例的ODMR谱仪氮-空位色心识别系统的方框示意图。
如图3所示，该ODMR谱仪氮-空位色心识别系统10包括：扫描模块100、第一识别模块200和第二识别模块300。
其中，扫描模块100用于扫描得到金刚石的荧光成像图；第一识别模块200用于从荧光成像图中识别色心的识别信息；第二识别模块300用于根据识别信息识别氮-空位色心。本申请实施例的系统10可以实现色心快速高效的自动识别，避免了人工进行阈值设定和调整，自动化的识别也能大大地节省时间。
在本申请的一个实施例中，识别信息可以包括亮度、大小、形状和背景强度中的一项或多项。
在本申请的一个实施例中，扫描模块100进一步用于通过ODMR谱仪中光学系统读取金刚石发出的荧光，并采用预设栅格式的扫描方式进行扫描，得到扫描范围内所有采样点的坐标以及荧光强度，以生成金刚石的荧光成像图；第一识别模块200进一步用于对荧光成像图进行预处理，其中，剔除小于第一预设阈值的点，并筛选出亮度高于第二预设阈值的点，及通过腐蚀膨胀连通由于干扰因素导致亮度低于第二预设阈值的点；第二识别模块300进一步用于筛选出整个连通域的直径大小在0.1～2um范围内的初始色心；从初始色心中筛选外接矩形长宽比小于预设比值的处理色心，并将处理色心的每个区域中最亮的点标记并编号，以作为色心的中心。
需要说明的是，前述对ODMR谱仪氮-空位色心识别方法实施例的解释说明也适用于该实施例的ODMR谱仪氮-空位色心识别系统，此处不再赘述。
根据本申请实施例提出的ODMR谱仪氮-空位色心识别方法，通过栅格式扫描得到荧光成像图，并考虑了色心亮度、大小、形状的物理特征进行色心识别，提高了色心识别的准确率和识别效率，从而可以准确高效地识别并标记出金刚石内的色心位置，通过计算机进行自动的识别，实现色心快速高效的自动识别，避免了人工进行阈值设定和调整，自动化的识别也能大大地节省时间。
本实施例还提供一种电子设备，包括：至少一个处理器；以及，与至少一个处理器通信连接的存储器；其中，存储器存储有可被至少一个处理器执行的指令，指令被设置为用于执行如上述实施例的ODMR谱仪氮-空位色心识别方法。
本实施例还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如上的ODMR谱仪氮-空位色心识别方法。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或N个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本申请的描述中，“N个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更N个用于实现定制逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本申请的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本申请的实施例所属技术领域的技术人员所理解。
在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备(如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统)使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，"计算机可读介质"可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。计算机可读介质的更具体的示例(非穷尽性列表)包括以下：具有一个或N个布线的电连接部(电子装置)，便携式计算机盘盒(磁装置)，随机存取存储器(RAM)，只读存储器(ROM)，可擦除可编辑只读存储器(EPROM或闪速存储器)，光纤装置，以及便携式光盘只读存储器(CDROM)。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印所述程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得所述程序，然后将其存储在计算机存储器中。
应当理解，本申请的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，N个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。如，如果用硬件来实现和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。
本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。
此外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。
上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。尽管上面已经示出和描述了本申请的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本申请的限制，本领域的普通技术人员在本申请的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (4)
1.一种ODMR谱仪氮-空位色心识别方法，其特征在于，包括：
扫描得到金刚石的荧光成像图；
从所述荧光成像图中识别色心的识别信息；以及
根据所述识别信息识别所述氮-空位色心；
所述扫描得到金刚石的荧光成像图，包括：
通过光探测磁共振ODMR谱仪中光学系统读取所述金刚石发出的荧光，并采用预设栅格式的扫描方式进行扫描，得到扫描范围内所有采样点的坐标以及荧光强度，以生成所述金刚石的荧光成像图；
所述识别信息包括亮度、大小、形状和背景强度中的一项或多项；
所述从所述荧光成像图中识别色心的识别信息，进一步包括：
对所述荧光成像图进行预处理，其中，剔除小于第一预设阈值的点，并筛选出亮度高于第二预设阈值的点，及通过腐蚀膨胀连通由于干扰因素导致亮度低于所述第二预设阈值的点；
所述根据所述识别信息识别所述氮-空位色心，包括：
筛选出整个连通域的直径大小在0.1～2um范围内的初始色心；
从所述初始色心中筛选外接矩形长宽比小于预设比值的处理色心，并将所述处理色心的每个区域中最亮的点标记并编号，以作为所述色心的中心。
2.一种ODMR谱仪氮-空位色心识别系统，其特征在于，包括：
扫描模块，用于扫描得到金刚石的荧光成像图；
第一识别模块，用于从所述荧光成像图中识别色心的识别信息；以及
第二识别模块，用于根据所述识别信息识别所述氮-空位色心；
所述识别信息包括亮度、大小、形状和背景强度中的一项或多项；
所述扫描模块进一步用于通过所述ODMR谱仪中光学系统读取所述金刚石发出的荧光，并采用预设栅格式的扫描方式进行扫描，得到扫描范围内所有采样点的坐标以及荧光强度，以生成所述金刚石的荧光成像图；
所述第一识别模块进一步用于对所述荧光成像图进行预处理，其中，剔除小于第一预设阈值的点，并筛选出亮度高于第二预设阈值的点，及通过腐蚀膨胀连通由于干扰因素导致亮度低于所述第二预设阈值的点；
所述第二识别模块进一步用于筛选出整个连通域的直径大小在0.1～2um范围内的初始色心；从所述初始色心中筛选外接矩形长宽比小于预设比值的处理色心，并将所述处理色心的每个区域中最亮的点标记并编号，以作为所述色心的中心。
3.一种电子设备，其特征在于，包括：存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序，以实现如权利要求1所述的ODMR谱仪氮-空位色心识别方法。
4.一种非临时性计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行，以用于实现如权利要求1所述的ODMR谱仪氮-空位色心识别方法。
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