用于色散型傅立叶变换成像的设备和方法技术

一种条码读取设备和方法，其中，首先将探测光的光谱傅立叶变换到指向条码的空间，然后将光谱编码的条码图案傅立叶变换为时域波形。在一种实现中，通过色散元件来实现从光谱域到空间域的傅立叶变换，而通过群速离差（GVD）来实现从光谱编码的条码图案到时域波形的傅立叶变换。时间编码的条码图案通过光电检测器被检测、通过数字化转换器被数字化、并通过数字信号处理器被分析。本发明专利技术可应用于许多领域，包括一维和二维条码的读取、位移感测、表面测量、宽度和间隔测量、流式细胞计量术、光学介质的读取、存在或不存在的检测、以及其他相关领域。

【技术实现步骤摘要】
本申请是申请号为200980131718.1、申请日为2009年7月23日、专利技术名称为“”的专利申请的分案申请。相关申请的交叉引用本申请要求于2008年7月24日提交的序列号为61/083，255的美国临时申请的优先权，并通过引用的方式将其整体合并于此。关于联邦政府主办的研究或发展的声明本专利技术使用国防部授予的政府拨款支持N0.N66001-07-1-2007而产生。政府拥有本专利技术中的特定权利。通过引用的方式合并以压缩盘的形式提交的材料不适用材料受版权保护的材料的公告按照美国和其他国家的版权法，本专利文件中的部分材料受版权保护。版权拥有者不反对任何专利文件或专利公开的拓制，这是因为该受版权保护的材料出现在了美国专利商标局公开的可用文件或记录中，但是，版权拥有者保留除此以外的所有版权。因此，版权拥有者不放弃任何将本专利文件当作秘密的权利，包括在不依照《联邦法规汇编》第37辑，第1.14条限制其权利的情况下。
本专利技术主要涉及光学成像，更具体地，涉及使用色散型傅立叶变换成像的高速光学成像。
技术介绍
条码是通常表现为高反射背景(例如，浅色或白色背景)上的一系列低反射条(例如，深色或黑色条)的信息的可机读二进制表示。这些条的光学性质的可测量差异(例如，深色条相比于浅色条的反射率)被转换为二进制表示。例如，根据解码软件，使深色条对应于0，深色条间的白色间隔对应于I，或者反之亦然。可以通过被称为条码读取器的光学扫描器来读取条码，当探测束入射到黑色条或白色间隔时，条码读取器测量来自黑色条或白色间隔的光学反射。由于黑色条或白色间隔的引入，条码已成为标签和库存管理中所必需的。条码的一些现代应用包括:(a)产品标签和自动检测；(b)票务和许可证；(C)移动和流动，诸如邮件、包裹、航空行李、租车、以及核废料；(d)文件管理，包括成像、归档和索引；(e)血库信息系统；(f)蜜蜂研究中的跟踪；(g)从多网络源收集邮包信息并对其进行跟踪。本领域普通技术人员都将意识到，条码的应用已普遍存在于我们现代社会。条码读取器是条码技术的必须部件。传统的读取器包括扫描器、解码器(内置或外置)、以及用来连接读取器与用于对数字信号进行处理的处理装置(例如，计算机)的电缆。条码读取器是测量来自条码(例如，由非反射黑色条和反射白色间隔组成)的光学反射的光电装置。市场中可获得不同类型的条码读取器，它们使用略有不同的方法对条码进行读取和解码。条码可以是使用条和线描绘的一维变化，或者可以是使用点或二维域中所包含的其他小的空间限制符号描绘的二维变化。条码读取器的一种形式是笔式读取器，在笔式读取器中连续波(continuous-wave)光源和光电二极管接收器相互邻近，诸如在笔或棒的顶端。为了读取条码，以恒稳运动的方式使笔的顶端移动跨越条。响应于在各条暴露于移动入射光时对从其反射回的光功率的改变进行的光电二极管检测，生成表示条码中的条和间隔图案的电压波形。光电二极管检测到的波形由扫描器以类似于解码莫尔斯电码信号(Morse code dotsand dashes)的方式进行解码。条码读取器的另一种形式是激光扫描器，除了采用往复镜(reciprocatingmirror)或旋转棱镜来扫描反复越过条码的激光束外，其工作与笔式读取器非常类似。如同笔式读取器一样，使用光电二极管来测量从条码反射回的光的功率。在笔式读取器和激光扫描器二者中，读取器发出的光都被调节为特定波长，并且光电二极管都被设计为仅检测该波长的光。读取器的另一种形式是CCD读取器，其中电荷耦合器件(CCD)读取器或者可替换地CMOS有源像素读取器利用读取器头部中排成一行的光传感器阵列。CCD读取器测量从条码反射的光，通过测量所述一行传感器中每个传感器两端的电压来生成与条码中的图案相同的电压图案。CCD读取器和笔式或激光扫描器之间的一个重要区别在于，CCD读取器测量从条码反射的环境光，而笔式或激光扫描器则测量源自扫描器本身的特定波长的反射光。读取器的另一种形式是基于摄像机的读取器，其中摄像机捕获条码的二维图像。尽管技术上它们可以读取任意类型的条码，但是尤其适合用来读取二维条码。应该理解的是，对于给定的几何分辨率(例如，基于最细的线或像素间隔)，二维条码的信息密度可以远远超过仅跨越单个方向来扫描的一维条码的信息密度。举例来说，通过小型CCD或CMOS摄像机成像器来捕获条码的图像，并使用数字图像处理技术对其进行解码。尽管条码读取器对跟踪大量的物品很有用，但是，当需要跟踪相当大量(例如，约数百万)的物品时，传统的条码技术由于其缓慢的读取和解码处理而在速度方面具有其限制。传统的条码读取器具有每秒约几百次扫描的扫描速率。甚至最快的条码读取器也仅限于每秒约一千次扫描的扫描速率。扫描器的速度限制主要是越过条码对源光进行扫描所需要的响应，而在成像读取器中，图像帧的速率限制了每秒的扫描次数。结合了传统数字信号处理的传统条码读取器的速度限制阻止了人们对相当大量物品进行跟踪，尤其是在包括生物信息学领域的应用中，在生物信息学领域中，本来就需要管理大量物品，诸如血库、干细胞库、精子库、以及DNA序列库。例如，条码技术目前用于允许安全捐血和输血服务(包括收集、处理、存储、以及提供用于输血的人血)的血库信息系统。错误血液成分的输血是与输血有关的最常见的严重事件。引起这些事件的过失通常是因为对样本的错误标识。面对全球化的加速，跟踪和管理极其大量的血液样本是很关键的。但是，为了进行适当的标识，条码技术需要数量可观的信息来进行编码，例如包括患者的医院编号、姓、名、出生日期、性别、血型等。对如此之多的信息的需要对当今扫描器的速度提出了要求，尤其是当所探测的条码必须与大型数据库进行比较时。这就意味着需要在扫描速度与准确性之间进行折衷。因此，需要在无需使光越过要扫描的物品的情况下以较少的时间读取条码并执行位移感测的系统和方法。这些和其他需要在本专利技术中得到了满足，本专利技术克服了以前开发的扫描系统和方法的缺陷。
技术实现思路
本专利技术提供了一种设备和方法，所述设备和方法用于响应于对指向目标或来自目标的光束执行色散型傅立叶变换来读取该目标。所述目标可以包括任意形式的编码或未编码目标(包括各种形式的条码)以及未编码的固体、液体和/或气体样本。为了简单起见，术语“目标”在此用来表示可以响应于对指向该目标的光束的反射率或透射率来收集与其有关的信息的任意目标或样本。尽管本专利技术适合宽泛的检测、测量和读取应用，但是，本专利技术尤其适合于涉及条码读取和相关匹配的条码读取的应用。本专利技术的操作通常基于分别在空间域和时域中利用条码的光谱编码和解码的检测，从而允许在一秒内对数千万样本(例如，条码)进行读取和数据库相关匹配的检测。这比传统的条码读取器快多达四个数量级。本专利技术还利用对跨越一维或多维空间的光响应进行检测和/或测量来提供高速位移感测。为了简单起见，本专利技术主要讨论对条码样本的读取，其中条码样本中相邻条的尺寸是确定的，从而可以对它们的编码进行解码以生成字母数字信息。这些条码可以包括对本文所描述的光束探测光敏感的任意条码结构。例如，所述条可以包括不同颜色、反射率的材料，或者具有对探测束光敏感的反射性。可替换地或另外地，所述条可以例如响应于凹陷的或凸出的结构而具本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于读取条码和感测位移的设备，包括：用于生成宽带脉冲探测束的装置；用于将所述脉冲探测束的光谱傅立叶变换映射到空间域的装置，从而空间分散所述宽带脉冲探测束，以使得基于将要读取的目标的响应光信号，每个独立的波长入射到将要读取的目标的不同部分；其中目标信息包括条码图案和/或位移，所述目标信息变成以从所述目标接收到的光的光谱被编码以作为所述响应光信号；用于对所述响应光信号进行色散型傅立叶变换的装置，以将所述响应光信号转换为时域波形；以及其中所述色散型傅立叶变换将所述空间分散的宽带脉冲探测束的各个独立的波长重组回时域；用于检测和分析所述时域波形的装置，以确定被读取目标内的条码图案和/或位移。

【技术特征摘要】
2008.07.24 US 61/083,2551.一种用于读取条码和感测位移的设备，包括: 用于生成宽带脉冲探测束的装置； 用于将所述脉冲探测束的光谱傅立叶变换映射到空间域的装置，从而空间分散所述宽带脉冲探测束，以使得基于将要读取的目标的响应光信号，每个独立的波长入射到将要读取的目标的不同部分； 其中目标信息包括条码图案和/或位移，所述目标信息变成以从所述目标接收到的光的光谱被编码以作为所述响应光信号； 用于对所述响应光信号进行色散型傅立叶变换的装置，以将所述响应光信号转换为时域波形；以及 其中所述色散型傅立叶变换将所述空间分散的宽带脉冲探测束的各个独立的波长重组回时域； 用于检测和分析所述时域波形的装置，以确定被读取目标内的条码图案和/或位移。2.如权利要求1中所述的设备，其中响应于从目标反射到所述用于色散型傅立叶变换的装置的光能量、或者响应于通过目标透射到所述用于色散型傅立叶变换的装置的光能量而产生所述响应光信号。3.如权利要求1中所述的设备，其中通过自由空气、光纤、或通过自由空气和光纤的组合来传播所述探测束和所述响应光信号。4.如权利要求1中所述的设备，其中所述用于生成所述宽带脉冲探测束的装置包括被配置用于生成脉冲的激光器。5.如权利要求1中所述的设备，还包括用于从所述用于生成宽带脉冲探测束的装置所生成的脉冲序列中检出所选脉冲的装置。6.如权利要求1中所述的设备，还包括耦接到所述用于生成宽带脉冲探测束的装置的、用于进行放大和/或滤波的装置，以提高所述脉冲探测束的信噪比和检测灵敏度。7.如权利要求1中所述的设备，其中所述用于生成宽带脉冲探测束的装置包括用于超连续谱生成的装置，用于使从光源发出的光的光谱带宽变宽。8.如权利要求1中所述的设备，其中所述用于将光谱傅立叶变换映射到空间域的装置包括色散元件。9.如权利要求1中所述的设备，其中由包括衍射光栅的色散元件来实现所述用于傅立叶变换映射的装置，以分离所述脉冲探测束的波长。10.如权利要求1中所述的设备，其中由包括棱镜的色散元件来实现所述用于傅立叶变换映射的装置。11.如权利要求1中所述的设备，其中由包括虚拟成像的相控阵列色散器的色散元件来实现所述用于傅立叶变换映射的装置。12.如权利要求1中所述的设备，还包括用于根据从目标返回的响应光信号分离指向目标的所述脉冲探测束的装置。13.如权利要求1中所述的设备，其中用于将所述响应光信号转换为时域波形的所述用于色散型傅立叶变换的装置包括用于引起群速离差(GVD)的元件。14.如权利要求1中所述的设备，其中所述用于色散型傅立叶变换的装置包括在将所述响应光信号转换为时域波形的过程中引起群速离差(GVD)的色散元件和/或啁啾光学元件。15.如权利要求1中所述的设备，其中所述用于检测和分析所述时域波形的装置包括: 至少一个光敏元件； 数字化转换器，其耦接到所述光敏元件，所述数字化转换器被配置用于将光学波形转换为数字信号； 数字信号处理器，被配置用于分析所述数字信号，以读取目标。16.如权利要求1中所述的设备，还包括在所述用于色散型傅立叶变换的装置之前、之内、或之后的光学放大和/或滤波。17.如权利要求1中所述的设备: 还包括在所述用于色散型傅立叶变换的装置之前、之内、或之后的光学放大和/或滤波；并且 其中使用受激拉曼散射、半导体放大器、或光纤放大器来...

【专利技术属性】
技术研发人员：合田圭介，巴赫拉姆·贾拉利，谢坚文，
申请(专利权)人：加利福尼亚大学董事会，
类型：发明
国别省市：