在微纳科学领域，微、纳米级磁性特征和温度分布的探测成像表征是非常重要的，如对磁畴和磁微纳粒子的磁场特征检测、移动电荷产生的奥斯特磁场分布分析及通电设备热分布探测等。成像探测可以帮助人们深入了解材料科学中物质的磁/热物理性质、半导体物理中介观电子传输机理以及核心通讯设备的工作原理、使用寿命和故障机理等。然而现有的磁场和温度探测成像技术往往受限于探测灵敏度、或空间分辨率、或与样品不兼容、或成像范围等因素。因此采用多参数兼顾的方式进行高精度磁场和温度成像测试是非常具有意义的。
　　近年来，以金刚石中的原子尺度缺陷——氮空位(NV)色心为代表的量子精密测量技术快速发展。由于其在室温下的长自旋寿命、可相干微波自旋操纵、可光学自旋态初始化和读出、生物兼容性好等优点，使得基于NV色心的传感方式具有广泛的实用性。其探索应用研究涵盖了凝聚态物理、神经科学和生命系统生物学、核磁共振、地球和行星科学以及工业矢量磁力仪等领域。相对于传统的基于NV色心传感检测的点信息获取而言，成像表征是对空间场信息的获取，可以实现目标信息的场表征和重构。而针对如AFM、SQUID等串行单点扫描检测方式，并行宽场成像能迅速获取大范围待测场信息。
　　基于以上研究背景，本文开展了基于系综金刚石NV色心的磁场和温度宽场成像技术相关研究：
　　1)基于NV色心的磁场和温度检测敏感机理，提出了对比度、单轴、三轴矢量和温度成像方法，并通过双谐振点解算技术实现了磁场和温度信息的检测解耦
　　针对基于系综NV色心的宽场成像探测，讨论了金刚石NV色心对磁场和温度的敏感机理。基于此，实现了对比度磁成像、单轴磁成像、三轴磁成像和温度成像的方法研究。针对三轴矢量磁成像，通过建立解算模型，详细研究了利用系综NV色心探测矢量磁场的具体实现方法。同时针对磁场和温度成像过程中的磁场和温度信息耦合问题，通过采用双谐振点解算技术实现磁场信息与温度信息的检测解耦。
　　2)通过金刚石色心高浓度制备以及宽场均匀微波辐射天线的设计开发，结合共聚焦荧光激发收集系统，完成金刚石色心成像系统的研制搭建
　　针对高浓度NV色心敏感单元的需求，基于色心荧光与自旋浓度，建立了浓度与传感特性的评估办法，实现了金刚石NV色心敏感单元的优化制备。针对光斑可控和激光功率可调的需求，同时兼顾高效率的NV色心荧光激发收集，设计搭建了由光学精密调控光路系统和共聚焦系统组成的系综NV色心成像光路系统。针对大功率、宽匀场的微波辐射需求，设计搭建了由微波源、微波功率放大器、环形器和辐射天线组成的微波系统。同时天线作为微波辐射的载体，其性能直接决定了所需辐射微波场的均匀性。针对此设计开发了一种双环立体微波辐射天线。与传统的线天线和单环天线相比，双环立体微波天线实现了均匀区达到4πmm2×2mm，并且探测灵敏度可提高4.93倍和9.98倍。针对系综NV色心的多共振ODMR谱的需求，对偏置磁场系统进行了对比研究。最后对成像同步控制系统和数据处理系统进行了设计，同时对相机、脉冲板卡等实验器件以及控制软件和解算软件进行了相关应用搭建。在此基础上，成功完成了基于系综金刚石NV色心的成像系统搭建。
　　3)通过对通电导线、磁抑制加热芯片以及电路板的典型磁场和温度分布进行宽场成像研究，实现了应用测试，并对系统灵敏度及空间分辨率进行了详细讨论
　　在实验研究部分利用搭建的NV成像系统分别对单根通电导线、磁抑制加热芯片和电路板进行了成像研究。各个实验结果与仿真结果相吻合，误差小于5.5%。这些实验结果证明了搭建的基于系综金刚石NV色心的磁场和温度宽场成像系统具有良好的磁场和温度成像检测能力。
　　同时对该系统的灵敏度和空间分辨率进行了讨论和计算。通过该系统测试得到的数据以及相关计算表明该系统的磁场成像探测灵敏度可达1.8μT/Hz1/2，温度成像探测灵敏度可达0.4K/Hz1/2。同时该系统的空间分辨可达亚μm，成像探测区域可达400×300μm2。