[论文解读] High-resolution wide-field magnetic imaging with sparse sampling using nitrogen-vacancy centers

Keqing Liu, Jiazhao Tian+8 more|arXiv (Cornell University)|Jan 31, 2026

Diamond and Carbon-based Materials Research被引用 0

一句话总结

提出一种稀疏采样框架（MABE），仅用 25 次测量即可从 10^4 像素的全场 NV-钻石磁场图像重建，SSIM 约为 >0.999，并通过相位调制动态去耦合脉冲提高灵敏度。

ABSTRACT

Nitrogen-vacancy (NV) centers in diamond enable quantitative magnetic imaging, yet practical implementations must balance spatial resolution against acquisition time (and thus per-pixel sensitivity). Single-NV scanning magnetometry achieves genuine nanoscale resolution, nonetheless requires typically a slow pixel-by-pixel acquisition. Meanwhile, wide-field NV-ensemble microscopy provides parallel readout over a large field of view, however is jointly limited by the optical diffraction limit and the sensor-sample standoff. Here, we present a sparse-sampling strategy for reconstructing high-resolution wide-field images from only a small number of measurements. Using simulated NV-ensemble detection of ac magnetic fields, we show that a mean-adjusted Bayesian estimation (MABE) framework can reconstruct 10000-pixel images from only 25 sampling points, achieving SSIM values exceeding 0.999 for representative smooth field distributions, while optimized dynamical-decoupling pulse sequences yield an approximately twofold improvement in magnetic-field sensitivity. The method further clarifies how sampling patterns and sampling density affect reconstruction accuracy and suggests a route toward faster and more scalable magnetic-imaging architectures that may extend to point-scanning NV sensors and other magnetometry platforms, such as SQUIDs, Hall probes, and magnetic tunnel junctions.

研究动机与目标

• 通过在空间分辨率与采集时间之间取得平衡，激发对 NV 中心的快速、宽场磁成像需求。
• 证明稀疏采样加贝叶斯重建能够恢复高分辨磁场图。
• 展示优化的动态去耦合脉冲如何提升每个像素的灵敏度。
• 就准确重建的采样模式与密度提供指南。
• 提示该方法可适用于 NV 中心以外的其他磁测平台。

提出的方法

• 在现实噪声下对 NV 总集合的交流磁场检测进行仿真，总演化时间为 400 μs，采用 XY-8 序列。
• 应用均值调整的贝叶斯估计（MABE）从 25 个采样点重建 10^4 像素图。
• 引入基于参考的均值调整（成比例标定）以校正测量中的偏差。
• 优化相位调制（PM）控制脉冲，在非均匀展宽与噪声下最大化门保真度。
• 用 SSIM 和其他指标在具有 1、2、3 个极值的分布中量化成像性能。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否能够从稀疏的一组测量中，用 NV 总集合忠实重建高分辨宽场磁场图？
• RQ2 在现实的 NV 噪声下，采样密度和采样模式如何影响重建质量？
• RQ3 通过 PM 脉冲优化的动态去耦合能在磁场灵敏度上带来何种提升？
• RQ4 MABE 框架是无训练、可伸缩到更大视场或其他磁测平台的吗？

主要发现

• 一个包含 10^4 像素的磁场图可以从 25 个采样点重建，在代表性平滑分布下的 SSIM > 0.999。
• PM 脉冲优化将 Pauli-X 与 Pauli-Y 门保真度从 ~0.43 提升到 ~0.68，改善自旋对比度与灵敏度。
• 优化后的探测序列在磁场灵敏度方面约提升两倍（例如，在一个案例中从 0.94 nT/√Hz 提升至 0.45 nT/√Hz）。
• 采用参考基均值调整的 MABE 重建在多个指标上显著提升（MAE 和 RMSE 降至 ~10^-4；PSNR ~30 dB；R^2 ~0.98–0.99；SSIM ~1.0）。
• 基于网格的采样策略在测试的稀疏重建策略中表现最佳。
• 将采样点从 25 增加到 100，在 SSIM (>0.9999) 上收益边际递减，即使采样大幅增加。