用于辐射编码及分析的方法和装置制造方法及图纸

使用分析器和编码器分析辐射的装置和方法，该分析器和编码器采用了按波长分散或沿直线成像的辐射的空间调制。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术总的来说涉及辐射谱分析器和辐射图象分析器，并且具体地，涉及辐射分析器和编码器，其采用了按波长分散或沿直线成像的辐射的空间调制。
技术介绍
辐射光谱分析目前以几种方法进行。基于分散变换和傅立叶变换的分析器用于高分辨率并能够用于许多不同的应用，使得它们比现有的特定应用仪器和程序用途更广。虽然这些分析器提供了较好的光谱性能，但它们通常较昂贵、体积大、沉重，并且不易携带。对于绝大多数应用，这些仪器提供的光谱分辨率在很大程度上是不必要的。许多分析计算通过相对较少的光谱测量即可完成。对于额外的、不必要的光学数据的处理减慢了这些仪器的速度并降低了这些仪器的光度测定精度。相反地，用于光谱分析的非分散方法采用了辐射源，其由一个或多个带通过滤以给特定分析函数提供输入。这些带通滤波器被用来选择特征在于中心波长和带宽的一个或多个特定光谱分量。非分散方法的一大优点为对于特别的应用，能够单独指定带通滤波器的中心波长和带宽以最优化该仪器。但是，如果分析函数需要大量的带通滤波器，系统的信噪比会降低，因为在给定滤波器内在一时序间测量的总能量与滤波器的数量成反比。而且，如果采用该方法的光谱分析器被配置用于第一应用，为了调整该分析器以适应第二种应用，该装置内的滤波器可能不得不被替换，或者滤波器的数量可能要改变。结果，非分散方法在适用性和可以分析的光谱分量的数量方面明显受限。另一种光谱分析器为Hadamard光谱仪，其最好被描述为是介于分散仪器和非分散仪器之间的复合型仪器。Hadamard光谱仪包括空间辐射调制器，其包括由不透明材料制成的圆盘，其上有反射或透射辐射的狭槽，在此处这些狭槽具有相同的透射率或反射率。辐射束依据波长被分散在该圆盘上，并且这些狭槽有选择地、以不同的半径与轴线隔开以形成一些不同的光学通道以检测辐射束的相应的光谱分量。该圆盘绕着轴线旋转，并且这些狭槽有选择地以二元幅度调制给相应的光谱分量编码。被编码的辐射束随后被导入检测器。为了将由一道狭槽透射或反射的光谱分量的强度与另一狭槽透射或反射的光谱分量的强度区分开，该圆盘通过特定数量的步骤被顺序移动，每个步骤具有开放或关闭的光学通道的二元图，其为光谱分量的幅度定义了一组联立方程中的一个方程。这组联立方程被求解从而在任一特定分析函数之前得到每个通道的强度，这是一种耗时且容易出错的方法。例如，作为二元编码方法的直接后果，没有这样的机械装置如果任何一个信号电平在旋转周期显著变化，通过它人们可以恢复真实的信号电平。应该注意的是如果狭槽的图形使得在一个时刻只透射或阻挡一个光谱分量(如滤波器-轮式光度计)，那么就可以简化方程组。但是，该方法使每个光谱分量的光占空因数最优值50％发生了变化，因此，使信噪比变差。最后，如果配置Hadamard分析器用于第一种应用，狭槽的数量被改变以调整分析器使之适用于第二种应用，还必须改变数据采集及解码算法，这就严重地限制了该装置的适用性。辐射成像主要通过使用检测器阵列和电荷耦合器件(CCD)进行。这些技术所采用的大量数据分析涉及将图像映射到检测器元件的规则阵列上。如果能够针对应用中所测得的特定图象配置检测器阵列元件，将显著减少数据分析。红外检测器阵列对于背景辐射，检测器间元件漂移及1/f噪音比较敏感。基于红外检测器的成像系统通常需要较大的热电(TE)冷却器并且非常昂贵。由于它们的灵敏度有限，基于CCD的成像系统通常需要热电冷却器并且在低光电平应用，如荧光成像中需要较长的暴光时间。如果用单个的、内校准的光电倍增管(PMT)代替CCD相机的像素，可以在荧光成像中实现显著的性能提高。不幸的是，低成本的、基于PMT的高密度检测器阵列并不存在。上述各种方法都不是完全令人满意。因此，人们希望提供改进的光谱和图象分析器，其中上述的缺点得以避免或显著减少，并且其中编码、数据采集及解码既一般化又非常简单，从而光谱或图象分析器的细部可以由单个应用的特定硬件元件实现。
技术实现思路
本专利技术提供上述辐射分析器的许多优点。在一些实施例中，独立于带宽调制入射辐射的强度，且调制信号的幅度是平滑函数，或者当调制器绕轴线旋转或以其它方式往复运动时在三个或更多的不同的对比水平之间变化。对于任意中心波长和带宽及任意径向强度分布，人们可以实施多通道正交编码方案。以这种方式，被编码的通道的中心波长和带宽可针对具体应用独立地最优化。上述的光学编码方案与成像光学器件相结合，这样，用单个的检测器可以使来自扩展源的辐射或从不连续样品收集到的辐射成像。这允许人们在通道连通道的基础上，独立于带宽来控制调制深度，这种设计策略可能对于平衡一些系统(这些系统中一个或多个通道具有与总的入射辐射不成比例的大的部分)内的信号电平有用。这允许人们将调制通道分组成为互补对，其中所得到的编码分量的幅度和相位由入射到具有该互补对的两个滤波器上的辐射的相对部分决定。以这种方式，可以直接测量强度差，波长导数和强度分布中心的径向位置。这允许人们与希望采用的用于校准和调整的辐射元件一起使用一个或多个互补滤波器对。为了校准和调整，人们还可以用专用的光源、检测器和调制器上的一系列标记来检测调制器基底上的轴向摆动、振动或错排的调制器图形。人们还可以实质上同时地测量作为两个或多个激励分量的函数的多个响应辐射分量，从而获得快速的、紧凑的荧光、拉曼或光折射激励/响应分析器。有可能采用调制函数，其基于调制器旋转的不完全周期，该调制器可用来去除不同的硬件部分、释放微处理器资源、使外部机械装置的运动同步、测量成像辐射分量的径向位置和强度，并且提高分析器的空间的或光谱的分辨率。最后，人们还可以通过使用一维超级光谱成像光学器件和单个的通道检测器实质上同时地测量单独地选自辐射发射样品的多个光谱分量。在本专利技术的一个实施例中，光谱分析器包括至少一个提供辐射的辐射源，其具有至少一个所选的光谱分量，该光谱分量具有强度、中心波长和带宽。第一光学器件被用来收集、分散和聚焦辐射以在编码平面上形成按波长沿编码轴线分散的图象。二维空间辐射调制器绕旋转轴旋转并位于编码平面内，这样，编码轴线实质上沿着调制器的径向轴。调制器在始于旋转轴的半径上具有至少一个辐射滤波器，其具有实质上限定辐射的相应光谱分量的带宽的径向宽度。该滤波器实质上独立于带宽调制相应光谱分量的强度，以提供包括至少一个编码分量的编码束，其中该编码分量的幅度是平滑函数，或者当调制器绕旋转轴旋转时在三个或多个实质上不同的对比水平之间变化。优选的，至少两个滤波器具有实质上沿方位角轴正交的调制函数。最为有选定，至少一个滤波器实质上根据形式为sin2(mθ+pπ/4)的函数的数字化复制形式(例如半色调表示)调制光谱分量的强度，其中θ为调制器绕着轴线的旋转角，m是整数。第二光学器件被用来收集并引导编码束到达检测器上，并且计算机被用来分析检测器响应编码束所产生的信号。优选的，计算机采用解码算法以计算来自检测器响应编码束所产生的信号的至少一个编码分量的幅度。如果需要同时分析两个或更多光谱范围内的辐射，可以用一些分色镜将两个或多个分散图象聚焦到调制器上，并且可以用两个或多个检测器来检测编码辐射。在本专利技术的另一实施例中，用于分析来自具有至少两个空间分量的扩展源的辐射的图象分析器发射、透射或反射辐射，该图像分析器包括第一光本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种辐射光谱分析器，包括：至少一个源，其提供具有至少两个所选的光谱分量的辐射；第一光学器件，其收集，分散和聚焦所述辐射，以形成在平面上沿分散轴按波长分散的图象；　空间辐射调制器，其被安装在所述平面内，这样，所述分散轴实质上沿着编码轴，所述调制器调制所述光谱分量的强度，以提供编码束，该编码束包括至少两个编码分量；检测器，其具有截面区；以及第二光学器件，其收集并引导所述编码束到达所述检测器上，引起检测器提供输出，所述第二光学器件包括至少一个双二次曲线光学器件。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：托马斯W哈格勒，
申请(专利权)人：埃斯柏克特瑞克斯公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]