CN117561426A - 用于目标成像或分析的编码光 - Google Patents
用于目标成像或分析的编码光 Download PDFInfo
- Publication number
- CN117561426A CN117561426A CN202280023465.1A CN202280023465A CN117561426A CN 117561426 A CN117561426 A CN 117561426A CN 202280023465 A CN202280023465 A CN 202280023465A CN 117561426 A CN117561426 A CN 117561426A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- light
- response
- target object
- scene
- spectral
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 title claims description 114
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 title description 54
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 claims abstract description 498
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims abstract description 423
- 230000004044 response Effects 0.000 claims abstract description 421
- 238000005286 illumination Methods 0.000 claims abstract description 384
- 230000006870 function Effects 0.000 claims abstract description 170
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims abstract description 83
- 238000004611 spectroscopical analysis Methods 0.000 claims abstract description 77
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 412
- 238000005259 measurement Methods 0.000 claims description 224
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 claims description 156
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 75
- 210000004369 blood Anatomy 0.000 claims description 59
- 239000008280 blood Substances 0.000 claims description 59
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 claims description 45
- 238000001069 Raman spectroscopy Methods 0.000 claims description 42
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 42
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 claims description 42
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 claims description 42
- 230000010287 polarization Effects 0.000 claims description 38
- 238000001914 filtration Methods 0.000 claims description 34
- OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N Phosphorus Chemical compound [P] OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 32
- 230000000694 effects Effects 0.000 claims description 32
- 230000033001 locomotion Effects 0.000 claims description 32
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 claims description 31
- 230000008859 change Effects 0.000 claims description 21
- 230000003993 interaction Effects 0.000 claims description 17
- 238000006213 oxygenation reaction Methods 0.000 claims description 14
- 238000009826 distribution Methods 0.000 claims description 13
- 230000000670 limiting effect Effects 0.000 claims description 11
- 230000015654 memory Effects 0.000 claims description 9
- 230000000903 blocking effect Effects 0.000 claims description 8
- 229910052724 xenon Inorganic materials 0.000 claims description 8
- FHNFHKCVQCLJFQ-UHFFFAOYSA-N xenon atom Chemical compound [Xe] FHNFHKCVQCLJFQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- 238000000149 argon plasma sintering Methods 0.000 claims description 6
- 230000004298 light response Effects 0.000 claims description 6
- 238000002834 transmittance Methods 0.000 claims description 6
- 238000002835 absorbance Methods 0.000 claims 1
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 abstract description 25
- 239000003086 colorant Substances 0.000 abstract description 23
- WQZGKKKJIJFFOK-GASJEMHNSA-N Glucose Natural products OC[C@H]1OC(O)[C@H](O)[C@@H](O)[C@@H]1O WQZGKKKJIJFFOK-GASJEMHNSA-N 0.000 abstract description 19
- 239000008103 glucose Substances 0.000 abstract description 19
- 238000007689 inspection Methods 0.000 abstract description 17
- 210000001519 tissue Anatomy 0.000 description 104
- 239000000523 sample Substances 0.000 description 98
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 55
- 238000000701 chemical imaging Methods 0.000 description 41
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 description 40
- 210000003491 skin Anatomy 0.000 description 36
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 35
- 238000010183 spectrum analysis Methods 0.000 description 28
- 238000001237 Raman spectrum Methods 0.000 description 25
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 23
- 238000000295 emission spectrum Methods 0.000 description 22
- 230000031700 light absorption Effects 0.000 description 21
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 21
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 20
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 19
- 238000013507 mapping Methods 0.000 description 19
- 210000000707 wrist Anatomy 0.000 description 19
- 238000012512 characterization method Methods 0.000 description 17
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 17
- 235000012431 wafers Nutrition 0.000 description 16
- 239000000443 aerosol Substances 0.000 description 14
- 230000002829 reductive effect Effects 0.000 description 14
- 208000036758 Postinfectious cerebellitis Diseases 0.000 description 13
- 239000012491 analyte Substances 0.000 description 13
- 101150086837 pic gene Proteins 0.000 description 13
- 210000001367 artery Anatomy 0.000 description 12
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 12
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 12
- 238000012014 optical coherence tomography Methods 0.000 description 11
- 239000013307 optical fiber Substances 0.000 description 11
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 11
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 11
- 239000000779 smoke Substances 0.000 description 11
- XUMBMVFBXHLACL-UHFFFAOYSA-N Melanin Chemical compound O=C1C(=O)C(C2=CNC3=C(C(C(=O)C4=C32)=O)C)=C2C4=CNC2=C1C XUMBMVFBXHLACL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 10
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 description 10
- 230000005670 electromagnetic radiation Effects 0.000 description 10
- 238000005086 pumping Methods 0.000 description 10
- 238000002310 reflectometry Methods 0.000 description 10
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 10
- 241000196324 Embryophyta Species 0.000 description 9
- 108010054147 Hemoglobins Proteins 0.000 description 9
- 102000001554 Hemoglobins Human genes 0.000 description 9
- 239000000835 fiber Substances 0.000 description 9
- 230000001965 increasing effect Effects 0.000 description 9
- 238000004886 process control Methods 0.000 description 9
- 238000002106 pulse oximetry Methods 0.000 description 9
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- 210000004027 cell Anatomy 0.000 description 8
- 230000008569 process Effects 0.000 description 8
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 8
- 238000003491 array Methods 0.000 description 7
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 7
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 7
- 238000000691 measurement method Methods 0.000 description 7
- 210000003462 vein Anatomy 0.000 description 7
- 201000005488 Capillary Leak Syndrome Diseases 0.000 description 6
- 208000001353 Coffin-Lowry syndrome Diseases 0.000 description 6
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 6
- 230000036541 health Effects 0.000 description 6
- 238000002496 oximetry Methods 0.000 description 6
- 230000002093 peripheral effect Effects 0.000 description 6
- 239000013074 reference sample Substances 0.000 description 6
- 230000002123 temporal effect Effects 0.000 description 6
- 230000036772 blood pressure Effects 0.000 description 5
- 238000004422 calculation algorithm Methods 0.000 description 5
- 210000000038 chest Anatomy 0.000 description 5
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 5
- 239000000428 dust Substances 0.000 description 5
- 235000013399 edible fruits Nutrition 0.000 description 5
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 5
- 238000000050 ionisation spectroscopy Methods 0.000 description 5
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 5
- 239000004033 plastic Substances 0.000 description 5
- 229920003023 plastic Polymers 0.000 description 5
- 230000002441 reversible effect Effects 0.000 description 5
- 238000005070 sampling Methods 0.000 description 5
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 5
- 230000001360 synchronised effect Effects 0.000 description 5
- 241001465754 Metazoa Species 0.000 description 4
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 238000010009 beating Methods 0.000 description 4
- WQZGKKKJIJFFOK-VFUOTHLCSA-N beta-D-glucose Chemical compound OC[C@H]1O[C@@H](O)[C@H](O)[C@@H](O)[C@@H]1O WQZGKKKJIJFFOK-VFUOTHLCSA-N 0.000 description 4
- 210000000988 bone and bone Anatomy 0.000 description 4
- 238000005094 computer simulation Methods 0.000 description 4
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 4
- 201000010099 disease Diseases 0.000 description 4
- 208000037265 diseases, disorders, signs and symptoms Diseases 0.000 description 4
- 210000003414 extremity Anatomy 0.000 description 4
- 238000001727 in vivo Methods 0.000 description 4
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 4
- 239000004973 liquid crystal related substance Substances 0.000 description 4
- 238000010606 normalization Methods 0.000 description 4
- 238000013186 photoplethysmography Methods 0.000 description 4
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 4
- 238000012306 spectroscopic technique Methods 0.000 description 4
- 238000012935 Averaging Methods 0.000 description 3
- 229910000530 Gallium indium arsenide Inorganic materials 0.000 description 3
- 108010064719 Oxyhemoglobins Proteins 0.000 description 3
- 201000004681 Psoriasis Diseases 0.000 description 3
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 3
- 239000012472 biological sample Substances 0.000 description 3
- 210000004204 blood vessel Anatomy 0.000 description 3
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 3
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 3
- 230000003750 conditioning effect Effects 0.000 description 3
- 239000000470 constituent Substances 0.000 description 3
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 3
- 238000012937 correction Methods 0.000 description 3
- 125000004122 cyclic group Chemical group 0.000 description 3
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 3
- 210000004207 dermis Anatomy 0.000 description 3
- 238000013461 design Methods 0.000 description 3
- 230000002708 enhancing effect Effects 0.000 description 3
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 3
- 235000013372 meat Nutrition 0.000 description 3
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 3
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 239000003973 paint Substances 0.000 description 3
- 239000013618 particulate matter Substances 0.000 description 3
- 230000010412 perfusion Effects 0.000 description 3
- 239000011505 plaster Substances 0.000 description 3
- 238000011045 prefiltration Methods 0.000 description 3
- 238000003908 quality control method Methods 0.000 description 3
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 3
- 208000017520 skin disease Diseases 0.000 description 3
- 230000035882 stress Effects 0.000 description 3
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 3
- 210000002435 tendon Anatomy 0.000 description 3
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 3
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- YBNMDCCMCLUHBL-UHFFFAOYSA-N (2,5-dioxopyrrolidin-1-yl) 4-pyren-1-ylbutanoate Chemical compound C=1C=C(C2=C34)C=CC3=CC=CC4=CC=C2C=1CCCC(=O)ON1C(=O)CCC1=O YBNMDCCMCLUHBL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- INGWEZCOABYORO-UHFFFAOYSA-N 2-(furan-2-yl)-7-methyl-1h-1,8-naphthyridin-4-one Chemical compound N=1C2=NC(C)=CC=C2C(O)=CC=1C1=CC=CO1 INGWEZCOABYORO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N Carbon dioxide Chemical compound O=C=O CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 241000282412 Homo Species 0.000 description 2
- 206010028980 Neoplasm Diseases 0.000 description 2
- 239000002250 absorbent Substances 0.000 description 2
- 230000002745 absorbent Effects 0.000 description 2
- 230000032683 aging Effects 0.000 description 2
- 210000003484 anatomy Anatomy 0.000 description 2
- 210000002565 arteriole Anatomy 0.000 description 2
- 230000000712 assembly Effects 0.000 description 2
- 238000000429 assembly Methods 0.000 description 2
- 230000002238 attenuated effect Effects 0.000 description 2
- 238000004159 blood analysis Methods 0.000 description 2
- 210000004556 brain Anatomy 0.000 description 2
- 210000000481 breast Anatomy 0.000 description 2
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 2
- 238000010835 comparative analysis Methods 0.000 description 2
- 235000013365 dairy product Nutrition 0.000 description 2
- 238000003066 decision tree Methods 0.000 description 2
- 230000001934 delay Effects 0.000 description 2
- 108010002255 deoxyhemoglobin Proteins 0.000 description 2
- 238000003745 diagnosis Methods 0.000 description 2
- 210000002615 epidermis Anatomy 0.000 description 2
- 239000007850 fluorescent dye Substances 0.000 description 2
- 230000036571 hydration Effects 0.000 description 2
- 238000006703 hydration reaction Methods 0.000 description 2
- 230000036039 immunity Effects 0.000 description 2
- 238000012623 in vivo measurement Methods 0.000 description 2
- 238000002347 injection Methods 0.000 description 2
- 239000007924 injection Substances 0.000 description 2
- 230000007774 longterm Effects 0.000 description 2
- 238000010801 machine learning Methods 0.000 description 2
- 235000013622 meat product Nutrition 0.000 description 2
- 239000008267 milk Substances 0.000 description 2
- 235000013336 milk Nutrition 0.000 description 2
- 210000004080 milk Anatomy 0.000 description 2
- 239000002991 molded plastic Substances 0.000 description 2
- 238000012806 monitoring device Methods 0.000 description 2
- 230000005693 optoelectronics Effects 0.000 description 2
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 description 2
- 230000001902 propagating effect Effects 0.000 description 2
- 102000004169 proteins and genes Human genes 0.000 description 2
- 108090000623 proteins and genes Proteins 0.000 description 2
- 230000000541 pulsatile effect Effects 0.000 description 2
- 230000010349 pulsation Effects 0.000 description 2
- 238000011084 recovery Methods 0.000 description 2
- 238000001055 reflectance spectroscopy Methods 0.000 description 2
- 238000009877 rendering Methods 0.000 description 2
- 238000011160 research Methods 0.000 description 2
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 2
- 241000894007 species Species 0.000 description 2
- 230000004936 stimulating effect Effects 0.000 description 2
- 238000010408 sweeping Methods 0.000 description 2
- 230000009897 systematic effect Effects 0.000 description 2
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 2
- 241000894006 Bacteria Species 0.000 description 1
- 230000005457 Black-body radiation Effects 0.000 description 1
- 206010006187 Breast cancer Diseases 0.000 description 1
- 208000026310 Breast neoplasm Diseases 0.000 description 1
- 208000025721 COVID-19 Diseases 0.000 description 1
- UGFAIRIUMAVXCW-UHFFFAOYSA-N Carbon monoxide Chemical compound [O+]#[C-] UGFAIRIUMAVXCW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 102000008186 Collagen Human genes 0.000 description 1
- 108010035532 Collagen Proteins 0.000 description 1
- 238000004497 NIR spectroscopy Methods 0.000 description 1
- 238000003332 Raman imaging Methods 0.000 description 1
- 244000007853 Sarothamnus scoparius Species 0.000 description 1
- 208000000453 Skin Neoplasms Diseases 0.000 description 1
- SREXGVJYPPQMEE-UHFFFAOYSA-N [Xe].[W] Chemical compound [Xe].[W] SREXGVJYPPQMEE-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000006096 absorbing agent Substances 0.000 description 1
- 239000011358 absorbing material Substances 0.000 description 1
- 238000004847 absorption spectroscopy Methods 0.000 description 1
- 230000009471 action Effects 0.000 description 1
- 230000003213 activating effect Effects 0.000 description 1
- 239000000654 additive Substances 0.000 description 1
- 230000003679 aging effect Effects 0.000 description 1
- 229930013930 alkaloid Natural products 0.000 description 1
- 239000013566 allergen Substances 0.000 description 1
- 230000033115 angiogenesis Effects 0.000 description 1
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 description 1
- 238000004166 bioassay Methods 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 230000004397 blinking Effects 0.000 description 1
- 230000017531 blood circulation Effects 0.000 description 1
- 230000036760 body temperature Effects 0.000 description 1
- 201000011510 cancer Diseases 0.000 description 1
- 229910002092 carbon dioxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000001569 carbon dioxide Substances 0.000 description 1
- 229910002091 carbon monoxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000969 carrier Substances 0.000 description 1
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 1
- 235000013339 cereals Nutrition 0.000 description 1
- 235000013351 cheese Nutrition 0.000 description 1
- 229930002875 chlorophyll Natural products 0.000 description 1
- 235000019804 chlorophyll Nutrition 0.000 description 1
- ATNHDLDRLWWWCB-AENOIHSZSA-M chlorophyll a Chemical compound C1([C@@H](C(=O)OC)C(=O)C2=C3C)=C2N2C3=CC(C(CC)=C3C)=[N+]4C3=CC3=C(C=C)C(C)=C5N3[Mg-2]42[N+]2=C1[C@@H](CCC(=O)OC\C=C(/C)CCC[C@H](C)CCC[C@H](C)CCCC(C)C)[C@H](C)C2=C5 ATNHDLDRLWWWCB-AENOIHSZSA-M 0.000 description 1
- 229920001436 collagen Polymers 0.000 description 1
- 238000004737 colorimetric analysis Methods 0.000 description 1
- 206010010121 compartment syndrome Diseases 0.000 description 1
- 239000011365 complex material Substances 0.000 description 1
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 1
- 238000004590 computer program Methods 0.000 description 1
- 239000000356 contaminant Substances 0.000 description 1
- 238000007796 conventional method Methods 0.000 description 1
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 1
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 1
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 1
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 1
- 238000006731 degradation reaction Methods 0.000 description 1
- 230000004069 differentiation Effects 0.000 description 1
- 238000002296 dynamic light scattering Methods 0.000 description 1
- 238000001839 endoscopy Methods 0.000 description 1
- 230000005284 excitation Effects 0.000 description 1
- 230000004720 fertilization Effects 0.000 description 1
- 238000009501 film coating Methods 0.000 description 1
- 229930003935 flavonoid Natural products 0.000 description 1
- 235000017173 flavonoids Nutrition 0.000 description 1
- 150000002215 flavonoids Chemical class 0.000 description 1
- 235000013312 flour Nutrition 0.000 description 1
- 238000000684 flow cytometry Methods 0.000 description 1
- 238000002073 fluorescence micrograph Methods 0.000 description 1
- 238000000799 fluorescence microscopy Methods 0.000 description 1
- 238000001506 fluorescence spectroscopy Methods 0.000 description 1
- 238000002189 fluorescence spectrum Methods 0.000 description 1
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 1
- 235000013305 food Nutrition 0.000 description 1
- 239000000499 gel Substances 0.000 description 1
- 229910052732 germanium Inorganic materials 0.000 description 1
- GNPVGFCGXDBREM-UHFFFAOYSA-N germanium atom Chemical compound [Ge] GNPVGFCGXDBREM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052602 gypsum Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010440 gypsum Substances 0.000 description 1
- 229910052736 halogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000002367 halogens Chemical class 0.000 description 1
- 238000003306 harvesting Methods 0.000 description 1
- 238000009532 heart rate measurement Methods 0.000 description 1
- 230000017525 heat dissipation Effects 0.000 description 1
- 238000000265 homogenisation Methods 0.000 description 1
- 238000000338 in vitro Methods 0.000 description 1
- 238000002329 infrared spectrum Methods 0.000 description 1
- 229910052500 inorganic mineral Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000005305 interferometry Methods 0.000 description 1
- 230000003447 ipsilateral effect Effects 0.000 description 1
- 230000003211 malignant effect Effects 0.000 description 1
- 230000000873 masking effect Effects 0.000 description 1
- 238000007620 mathematical function Methods 0.000 description 1
- 238000012067 mathematical method Methods 0.000 description 1
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 1
- 201000001441 melanoma Diseases 0.000 description 1
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 1
- 238000000386 microscopy Methods 0.000 description 1
- 239000011707 mineral Substances 0.000 description 1
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 1
- 230000037230 mobility Effects 0.000 description 1
- 238000010905 molecular spectroscopy Methods 0.000 description 1
- 210000001087 myotubule Anatomy 0.000 description 1
- 239000003345 natural gas Substances 0.000 description 1
- 229910052754 neon Inorganic materials 0.000 description 1
- GKAOGPIIYCISHV-UHFFFAOYSA-N neon atom Chemical compound [Ne] GKAOGPIIYCISHV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 235000016709 nutrition Nutrition 0.000 description 1
- 235000008935 nutritious Nutrition 0.000 description 1
- 239000003921 oil Substances 0.000 description 1
- 235000019198 oils Nutrition 0.000 description 1
- 238000012634 optical imaging Methods 0.000 description 1
- 238000001579 optical reflectometry Methods 0.000 description 1
- 238000013041 optical simulation Methods 0.000 description 1
- 230000005019 pattern of movement Effects 0.000 description 1
- 230000035515 penetration Effects 0.000 description 1
- 230000000704 physical effect Effects 0.000 description 1
- 230000037039 plant physiology Effects 0.000 description 1
- 239000002985 plastic film Substances 0.000 description 1
- 150000008442 polyphenolic compounds Chemical class 0.000 description 1
- 235000013824 polyphenols Nutrition 0.000 description 1
- 238000007781 pre-processing Methods 0.000 description 1
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 1
- 230000000644 propagated effect Effects 0.000 description 1
- 238000005215 recombination Methods 0.000 description 1
- 230000006798 recombination Effects 0.000 description 1
- 238000005096 rolling process Methods 0.000 description 1
- 238000012216 screening Methods 0.000 description 1
- 238000007493 shaping process Methods 0.000 description 1
- 201000000849 skin cancer Diseases 0.000 description 1
- 230000036555 skin type Effects 0.000 description 1
- 230000005236 sound signal Effects 0.000 description 1
- -1 spO2 Substances 0.000 description 1
- 230000006641 stabilisation Effects 0.000 description 1
- 238000011105 stabilization Methods 0.000 description 1
- 238000003860 storage Methods 0.000 description 1
- 238000001356 surgical procedure Methods 0.000 description 1
- 208000011580 syndromic disease Diseases 0.000 description 1
- 239000013077 target material Substances 0.000 description 1
- 230000001225 therapeutic effect Effects 0.000 description 1
- 238000001931 thermography Methods 0.000 description 1
- 210000000115 thoracic cavity Anatomy 0.000 description 1
- 230000036962 time dependent Effects 0.000 description 1
- 231100000331 toxic Toxicity 0.000 description 1
- 230000002588 toxic effect Effects 0.000 description 1
- 230000009466 transformation Effects 0.000 description 1
- 238000013519 translation Methods 0.000 description 1
- 238000000411 transmission spectrum Methods 0.000 description 1
- UDKYUQZDRMRDOR-UHFFFAOYSA-N tungsten Chemical compound [W][W][W][W][W][W][W][W][W][W][W][W][W][W][W][W][W][W][W][W][W][W][W][W][W][W][W][W][W][W][W][W][W][W][W][W][W][W][W][W][W][W][W][W][W][W][W][W] UDKYUQZDRMRDOR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052721 tungsten Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010937 tungsten Substances 0.000 description 1
- 238000009827 uniform distribution Methods 0.000 description 1
- 235000013311 vegetables Nutrition 0.000 description 1
- 238000012795 verification Methods 0.000 description 1
- 230000000007 visual effect Effects 0.000 description 1
- 238000012800 visualization Methods 0.000 description 1
- 239000002699 waste material Substances 0.000 description 1
- 239000002023 wood Substances 0.000 description 1
- 230000029663 wound healing Effects 0.000 description 1
Landscapes
- Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
Abstract
调制编码光使用不同的光谱段编码光分量，能够照射静止或移动(相对)的目标物体或场景。响应信号处理能够使用关于相应不同的时变调制函数的信息来解码以恢复关于受该目标物体或场景影响的相应响应参数的信息。能够使用电调制或光调制编码。能够对目标成分(例如，SpO2、葡萄糖等)执行基于LED的光谱分析；这能够任选地包括对编码光调制函数的解码。能够使用挡板、孔或光学器件，诸如用于限制特定LED提供的光。编码光照明能够与接收响应光的焦平面阵列光成像器一起使用，以用于检查移动的半导体或其他目标。编码能够使用正交函数，诸如RGB照明序列，或者光谱上连续或不连续颜色的组合序列。
Description
优先权要求
本申请要求以下各项中每项的优先权：(1)授予Deliwala的美国临时专利申请号63/200,241，名称为“Coded Light For Target Imaging or Analysis”，于2021年2月24日提交(代理人案卷号5712.001PRV)；(2)授予Deliwala的美国临时专利申请号63/202,325，名称为“High Spectral Purity LED-Based Spectroscopy”，于2021年6月7日提交(代理人案卷号5712.003PRV)；和(3)授予Deliwala的美国临时专利申请号63/262,370，名称为“Coded Light for Machine Vision of Moving Target”，于2021年10月11日提交(代理人案号5712.004PRV)；这些申请中的每项申请全文均通过引用方式并入本文。
技术领域
本文档整体涉及但不限于使用编码光的系统、设备和方法，诸如用于目标成像或分析，诸如用于光谱法，诸如用于腕戴式脉搏血氧测定，例如使用LED，以及许多其他应用，或者诸如移动目标的应用，例如用于半导体或其他检查。
背景技术
光学表征或测量的一般问题是测量照明光或电磁(“EM”)辐射(这些术语将互换使用)在与目标物体相互作用后的特性变化。目标物体可以通过其空间或时间特性的变化来表征，这些特性本身是电磁辐射的波长或频率的函数。目标物体对外部辐射的响应可以由散射、透射或反射的电磁辐射的强度(“I”)来表示。物体对于物体上不同位置处的不同辐射波长λ1,λ2,…等具有不同的光谱响应，并且这些响应可以随着时间t而变化。因此，物体通常可以通过响应来表征：
可以使用光电探测器(诸如在相机或光谱仪中)来探测来自目标物体的强度响应I[...]。
用于测量血氧饱和度的指尖佩戴脉搏血氧计就是光谱学应用的一个示例。来自发光二极管(LED)的不同波长的光被传递到患者或其他受试者的指尖的一侧。受试者指尖另一侧的光探测器可用于探测穿过受试者指尖的这些不同波长的光。所得信息可用于确定受试者血氧饱和度水平的指示。但是要在患者身体的其他部位(例如，指尖以外的部位，因为指尖具有独特的生理优势)再现这种光谱血氧饱和度结果可能比较困难。当应用于身体其他部位时，在指尖起作用的技术可能会因其他生理考虑因素而变得复杂。对于许多其他分子和材料以及包括多光谱成像在内的许多其他应用，还需要以紧凑且节能的方式进行多光谱测量。
机器视觉的一个示例性应用是用于检查，例如半导体晶片检查。待检查的半导体晶片被放置在移动台或传送带上。由于多种原因，为半导体晶片上的移动目标集成电路芯片提供准确的彩色图像可能具有挑战性。
摘要/概述
在一种对目标物体或场景进行光谱或成像分析的方法中，照明光照射到待分析的目标物体上，并且执行光谱或成像或其他分析的任务主要在接收侧执行，即，依赖于照明光与目标物体相互作用之后来自该目标物体或场景的响应信号。在与目标物体或场景发生这种相互作用之后，可用于处理和分析的响应光的量(例如，来自散射、反射、吸收、荧光、偏振或透射的响应光)通常相当有限，有时甚至极其有限，使得这种接收侧光谱光信号调节和对应的转换电信号分析具有挑战性。
与过度依赖接收侧色散光学器件并且要求对来自目标物体的非常有限量的响应光进行接收侧信号处理的方法相比，本发明人已经认识到，使用编码光源(CLS)将照明光提供到目标物体上可以有助于降低对于来自目标物体的响应光信号的接收侧光学器件、转换和信号处理的要求。CLS照明可以调制编码多个不同的调制函数(诸如对应于不同的波长或不同的波长组或子组的光谱段)，这些调制函数可以组合成目标物体或场景上的照明光束，从而使这些多个不同的调制函数可以同时传递到目标物体或场景，并且类似地，可以在接收侧从目标物体或场景同时解码，诸如通过将编码信息和/或对应的定时信息从系统的发射侧提供给系统的接收侧以执行解码。本文使用的术语“光谱段”指的是一个或多个波长的不同组或子组，该光谱段可以是连续的或不连续的(例如，在光谱段之间具有介入波长的区域)，旨在允许术语“波长”与这些波长组的光谱段可互换地指代。
因此，本发明的方法可以提供能够同时获得与多个编码和解码的光谱段相对应的光谱或光谱成像信息的光谱或成像技术。这种并行光谱或光谱成像方法可以与扫描波长系统方法形成对比，在扫描波长系统中，每个波长(或光谱段)按顺序呈现，诸如通过可调谐激光器或扫描单色仪，并且类似地按顺序获得和分析所得的输出。除此之外，这种扫描方法还需要更长的时间来执行光谱分析或光谱成像。使用本发明的方法还可以获得其他益处。
例如，在典型的光谱仪中，每个光谱段都分配有其自己的光电探测器或成像器。因此，光电探测器或成像器接收到的光子非常少。在这种情况下，探测来自目标物体或场景的光学响应信号的能力受到读出电子器件的噪声的限制。响应光子的稀缺可以通过增加来自光电探测器或成像器的输出信号的信号处理的积分时间来缓解，这将允许收集更多光子，主动冷却并降低光电探测器或成像传感器的温度以减少热噪声，从而最大限度地提高照明光强度，并且不会因照明光强而导致目标物体样本或场景发生变化。
相比之下，在本发明的技术中，对于所有光谱段，来自目标物体或场景的所有响应光都会同时(并行)到达光电探测器或其他成像传感器。这意味着光电探测器或成像传感器接收到的光子总数可能比上述典型方法大很多倍。这足以克服光电探测器或成像传感器的接收器噪声，使得响应信号探测仅受到不可避免的散粒噪声的限制。此外，由于光学照明信号可以针对不同的光谱段同时进行调制，并且针对不同的光谱段同时解调和连续测量，这样就可以避免由于长积分时间而可能出现的暗电流、1/f噪声和漂移的一些实际问题。这反过来又可以减少照明光强度或积分时间，或允许使用无需主动冷却的低成本光电探测器或成像传感器。因此，不同光谱段的CLS照明编码和不同光谱段的对应解码可有助于提供巨大的实际优势，并且可以对弱信号进行实用的采集和分析。
本发明人已经认识到，目标物体的光学表征或测量的现有方法可能具有局限性，包括需要校准，这可能是繁琐或困难的。例如，在一种方法中，方程1的响应I[…]可以表示物体的反射率、透射率或散射属性中的一者或多者，诸如对于不同的偏振状态p。诸如相机或其他成像设备、光谱仪或其他设备中的光电探测器或其他响应光换能器或响应光探测器可以用于测量同一物体的一个或多个方面，诸如从相同或不同的视点。在一种方法中，成像设备可以将物体上的位置映射到光传感器的像素或类似位置上，从而仅测量从目标物体到光传感器上的二维投影。因此，相机或其他成像设备测量目标物体上的对向角度，其中成像系统位于坐标系的原点：
Obj≡I[θx,θy,t,λ1,λ2,…,p] 方程2
在使用相机的方法中，目标物体的绝对距离可能是未知的，并且仅将其表观角度大小投射到相机镜头的焦平面上。根据上下文，该术语可与{θx,θy}互换使用，强度I为来自目标物体的透射、反射或散射光。在一个示例中，可以诸如使用飞行时间(ToF)或通过三角测量来测量到物体的距离。
表1中列出了可用于测量I或I的近似表示的不同类型光学器件的一些例示性示例。
表1：测量物体属性的各种方法。
表1的上述例示性示例列表是相当笼统的。在一些情况下，测量目标物体对照明光的不同偏振状态的响应可能是有利的。在另一种方法中，热成像相机可以捕获从温暖物体发出的黑体辐射的灰度图片，这种发出的辐射在7微米与12微米之间的波长范围内，类似于黑白相机对可见光的操作方式。在另一种方法中，可以实现双色热相机，诸如通过使相机的光探测器的一些像素响应于一组光波长而另一组像素响应于不同的光波长。这些不同的像素组可以彼此穿插，类似于用于普通可见光的RGB相机中的穿插像素。
一般来说，相机可以通过具有对一组光波长敏感的像素阵列来提供一维或二维信息。通过“扫描”另一个维度，一维相机可以转换为二维成像器。
光谱仪可以提供入射光的光谱，即，光谱仪可以将入射光分解成不同的波长分量或“段”，并且可以提供与这些波长段中每个波长段中的光的能量成比例的光信号。入射光可以用于照射被测目标物体，并且照射光与目标物体的相互作用可以从被测目标物体的区域产生散射、反射或透射的光。
在仅对物体的真实反射率或透射率感兴趣的方法中，可以“划分出”照明光的光谱变化。这可以通过仅用照明来校准光谱仪来实现，诸如使用“白卡”和“黑卡”代替目标物体，以在没有目标的情况下校准源-传感器组合的暗响应和白响应。这样的校准过程可能相当麻烦并且可能需要重复校准，诸如在每次测量之前、或在几次测量之后、或每隔几天等。
在使用传感器(诸如上文提到的那些传感器)的方法中，照明电磁辐射源首先照射到物体上，然后收集散射、反射或透射的光。对于方程(1)的强度函数的自变量中的每个参数，可以分配像素探测器或其他光探测器。例如，在具有二维像素阵列的灰度相机中，每个像素表示在投射到目标物体上的角度为(θx,θy)的一组光波长上聚集的光。在RGB相机中，每个像素还可以设置有光学滤波器，该光学滤波器可对特定组波长的光做出响应。因此，确定目标物体特征的任务落在光接收器上—无论是相机还是光谱仪。
在这种方法中，照明光照射在待分析的目标物体上，并且在照明光已经与物体相互作用之后执行光谱分析或其他分析任务。在与目标物体发生这种相互作用之后，可用于处理和分析的响应光的量(例如，来自散射、反射、吸收、荧光、偏振或透射的响应光)通常是有限的，使得这种接收侧光谱光信号调节和对应的转换电信号分析具有挑战性。
例如，为了确定目标物体的真实响应(例如，在反射、透射或散射模式下)，可能需要多个步骤。用户可能需要执行“暗”校准，诸如测量信号处理电子器件中的内部泄漏。然后，可能会要求用户进行“白卡”校准。据推测，白卡校准对所有颜色的反射都是相同的。因此，白卡校准允许测量光源光谱与接收侧色散光学系统的传递函数的乘积(例如，使用白卡代替目标物体)。经过暗校准和白卡校准后，即可测量目标物体的响应特性。前两个步骤(例如，暗校准和白卡校准)将需要循环执行，诸如定期执行，以确保准确性—并且可能在每次测量目标物体的响应特性之前执行。这可能相当麻烦。
此外，可能没有简单的方法来提供特定于波长的校准。在这种方法中，光源可能需要携带特定于波长的校准源。这种特定于波长的校准源可能是昂贵的并且大多是微弱的，诸如相对于所使用的实际照明光功率而言。因此，提供“在线”波长特定校准实际上可能很困难。光谱仪可以具有内部特定于波长的校准，但是这种校准可能需要停止对目标物体的响应的测量，并且将特定于波长的校准源放置在系统的输入处—诸如以所需的方式使得在这种校准期间，光必须以与实际响应光从目标物体到达的方式类似的方式到达接收光学器件和光电探测器。
与过度依赖色散光学器件并且要求对来自目标物体的响应光进行信号处理的方法相比，本发明人已经认识到，使用编码光源(CLS)将照明光提供到目标物体上可以有助于降低对于来自目标物体的响应光信号的接收侧光学器件、转换和信号处理的要求。
例如，本发明的技术可包括一种方法，该方法可包括特定形式的主动照明和感测，诸如其中可以使用目标物体上的编码主动照明光来执行对目标物体的一个或多个属性的直接测量。在接收侧，可以根据从目标物体接收到的响应光来对编码信息进行解码。因此，该方法可有助于缓解对其他接收侧组件的需求，诸如接收侧光学器件、换能器或信号处理电路约束，这些约束使用可从与目标物体的相互作用获得的更有限的响应光进行操作。
在一个示例中，本CLS方法可以使用普通光源来实现，诸如灯泡、LED或激光器，以用于生成用于照亮目标物体的光。由光源生成的光可被划分为几个或多个光分量，诸如对应于几个或多个空间段或光谱段(例如，不限于仅使用3个光谱段，诸如RGB，还允许使用更多的光谱段，诸如数十个、数百个、数千个段等)。可以对各种划分光分量进行调制或编码，诸如使用与光源生成的光的划分光分量的各个段相对应的不同的指定时变数学编码函数。在编码之后，细分的编码的划分光分量然后可以被重新组合，以便将光源重新合成为编码光源(CLS)。CLS可用于照明目标物体或场景，诸如经由照明光束将各种调制编码的光谱段光分量同时传递到目标物体或场景。可以探测和测量来自引导向目标物体或场景上的编码重新组合照明光的所得的反射、透射或散射(响应光)，诸如可以包括使用一个或多个光电探测器，其可以基于特定波长区域或感兴趣的其他特性来布置或以其他方式配置。使用具有匹配或超过由用于提供CLS的时间编码所产生的任何要求的时间带宽的光电探测器和相关联的信号处理组件可以将重构算法或技术应用于响应光，诸如恢复关于与CLS的对应编码函数相关联的一个或多个属性或特性(例如，波长)特别相关联的目标物体或场景的属性的信息。例如，对于光谱编码的CLS，可以使用单个光电探测器(或多个光电探测器)来测量目标物体或场景的光谱，而不需要使用作用于由照明光与目标物体或场景相互作用产生的响应光的任何色散光学器件。这种重构可以并行或同时应用，诸如可以包括使用多个光电探测器，这些光电探测器的位置、定位或取向可以彼此不同，诸如相对于目标物体或场景。此外，经由CLS对照明光进行编码并对响应光进行解码的方法可以与光源的进一步更高频率调制完全兼容，诸如使用系统来恢复MHz至GHz范围内的响应光的频率响应。这可允许同时获得来自目标物体或场景的复杂响应(例如，幅度与高频)，并且如果需要，这可以通过探测和测量来自单个光电探测器或来自多个探测器的光来获得。因此，本发明的方法可以提供光谱技术，该光谱技术可以同时提供与多个编码和解码的光谱段相对应的光谱信息。这种并行光谱方法可以与扫描波长系统形成对比，在扫描波长系统中，每个波长(或光谱段)按顺序呈现，诸如通过可调谐激光器或扫描单色仪，并且类似地按顺序获得和分析所得的光谱输出。除此之外，这种扫描方法还需要更长的时间来执行光谱分析。使用本发明的方法还可以获得其他益处。
除其他事项外，本文档还描述了一些技术，诸如可以包括系统、设备、方法或制造品中的一者或多者，诸如可以将来自多个LED中相应独立的LED的不同波长或颜色的光组合在一起。本发明的技术可有助于对生物或其他目标进行更稳定的光谱测量或光谱分析，例如，即使与LED相对应的基本照明光谱会发生变化。例如，基础LED光谱可能会因温度、偏置电流、制造变化或老化效应而变化。
本发明的技术可以应用于许多应用领域中的光谱测量。虽然本文档集中于将本发明的技术应用于血氧饱和度应用中的光谱测量和分析，这在受试者指尖以外的位置(例如，在腕戴式“智能手表”型可穿戴设备中)可能是有利的，但此类技术可以应用于其他商业和研究应用。此类其他应用的一些例示性示例可以包括例如农产品中的质量测量、工业制造中的过程控制以及多色光谱或高光谱成像的许多其他示例。
对目标成分(例如，SpO2、葡萄糖等)的基于LED的光谱分析可以包括具有对应的下游准直或聚焦光学器件(诸如透镜或反射器)的各个LED，以及一个或多个另外的下游光学滤波器，诸如可以通过光学滤波来适应LED发光特性的变化。可以探测和分析来自目标的响应光以进行光谱分析。对响应光的分析可任选地包括对能够任选地施加到照明光上的编码光调制函数进行解码。挡板或孔可用于限制特定LED提供的光。可以包括光漫射器以均匀化用于照射目标的光波长。光束组合器可用于将照明光共同定位在设备的公共出口照明位置处，以照明提供被分析目标的样本的公共入口位置。衍射或亚衍射光学元件、几何相位光学元件或超材料元件可以用在各个光学路径中，诸如帮助准直、滤波或将光引导至共享目标入射位置。
本发明的技术(例如，诸如包括光学波长滤波，诸如具有预滤波准直)可有助于提供来自潜在宽带光源(诸如可包括单独的LED或SLED)中每个光源的光谱上明确定义的照明光。本发明的技术还可有助于向样本中提供明确定义的投影光束，这可以显著减少不需要的散射，这反过来可有助于确保照明光子到达附近的光电探测器，诸如可作为响应光被探测到。本发明的技术可以包括对照明光的编码或调制，诸如使用正交编码函数，诸如本文所述或并入的，这可有助于允许同时照明。并行编码照明有助于提高SNR，否则，随着不同波长数量的增加和顺序照明方案的使用，SNR可能会受到影响。
在SpO2的情况下，能够以足够高的测量重复率(诸如50Hz)来测量响应信号，以便识别和补偿响应信号中的任何脉动分量，诸如由跳动的心脏的心搏叠加的脉动分量。可以计算本文所述的比率之比(RoR)，由此可确定氧气水平。当存在更多不同的照明光波长时，可以使用更复杂的拟合来拟合分析物浓度的光谱。这可以针对每个波长的AC/DC比率、“DC”光谱或两者来执行。不同位置的不同光电探测器的“DC”光谱的变化可以直接测量组织样本或其他目标物体的吸收和散射系数，并且可用于监测化学和结构随时间的变化。AC/DC频谱(或比率频谱)的作用在于，它可允许测量动脉血(或任何随心脏跳动的血液)的变化，并可以跟踪血液中的一种或多种分析物。
上述测量可应用于一种或多种其他分析物，诸如葡萄糖或酒精。因为这些分子的光谱可能受到存在的目标分析物量的微小变化的影响，所以这些分子可以受益于提供高SNR的探测技术。但良好的测量也可以受益于高光谱确定性。因此，本发明的技术可用于提供适当的照明光谱宽度(对应于特定照明波长下的照明)以保留分析物的光谱特征，诸如有助于产生高对比度以帮助减少可在多个照明波长下进行测量的测量误差。这种方法可有助于测量存在背景光谱影响和偏移时分析物的变化。本发明的技术有助于对人体进行体内测量，以及对其他样本或目标物体(诸如植物或其他介质)中的其他分子进行测量。
本文档还描述了如何将编码光照明与接收来自移动目标物体的响应光的焦平面阵列(FPA)光成像器结合使用，诸如用于在移动台或传送带上待检查的集成电路(IC)或半导体晶片或其他部件的机器视觉检查。照明光可以用正交函数编码，诸如RGB照明序列，或者光谱上连续或不连续颜色的组合序列。这种方法可以提供优于某些其他方法的优势，诸如二向色组合器或在相机而不是在照明侧使用二向色分光的3CCD成像系统。
本概述旨在概述本专利申请的主题。其并不旨在提供本发明的排他性或穷举的解释。具体实施方式旨在提供关于本专利申请的更多信息。
附图说明
专利或申请文件可以包含至少一幅彩色附图。具有彩色附图的本专利或专利申请公开的副本将由官方在请求并支付必要费用后提供。
在不一定按比例绘制的附图中，同类数字可以描述不同视图中的类似组件。具有不同字母后缀的类似数字可表示类似组件的不同实例。附图以举例而非限制的方式大体示出了本文档中讨论的各种实施方案。
图1是示出被配置为使用编码光来对目标物体或场景进行成像或分析(诸如用于高光谱成像或其他光谱分析或成像)的光电系统的部分的例示性示例的框图。
图2A示出了非编码光源(非CLS)方法的图解示例，以作比较。
图2B示出了用于光谱学的编码光源(CLS)方法的图解示例。
图3示出了图1的系统的发射部分的各部分的例示性示例，以及光线轨迹和在各种感兴趣位置处的光信号的空间、时间和波长特性的对应概念化图示。
图4A示出了发射部分组件的折叠紧凑几何形状的示例，并附有概念性光线轨迹以帮助说明其操作。
图4B示出了可包括其他布置反射组件的发射部分组件的示例，并附有概念性光线轨迹以帮助说明其操作。
图5A、图5B是色散系统的例示性示例的一般表示，该色散系统诸如可用于图3、图4A至图4B和图13A中所示和所述的光谱分离器中。
图5C是光谱组合器109的例示性示例的一般表示。
图6A、图6B、图7A和图7B示出了不同类型的空间光学调制器的一些例示性示例。
图8示出了一种方法的示例，在该方法中，滤波器可被放置在图1所示的参考探测器的前面，诸如可用于进行波长与调制码之间的映射。
图9示出了类似于图1但是提供并行探测和信号处理的CLS系统示例，诸如可提供并行的高光谱和黑白图像。
图10示出了CLS系统的示例，其各部分可被包括在具有相机的手持移动智能手机设备中，并且诸如可包括集成的或单独的附件CLS，诸如可使用移动设备来控制。
图11示出了CLS系统的各部分的示例，其中照明光学器件115可包括结构光照明器或与该结构光照明器一起使用。
图12A、图12B是大体示出用于对穿过目标物体或场景(图12A)或从该目标物体或场景发出(图12B)的散射光执行光谱分析的系统的各部分的示例的示意图，该目标物体或场景诸如可包括生物组织或能够散射光穿过(图12A)或从表面反射散射光(图12B)的另一种材料。
图13A示出了法布里-珀罗谐振器的透射波长光谱响应偏移的示例。
图13B示出了包括光纤布拉格光栅(FBG)的结构的透射波长光谱响应偏移的示例。
图14A、图14B示出了如何针对特定气体、气溶胶或颗粒测量在感兴趣的各种重要波长处提供编码的示例。
图15示出了使用W-CLS调制和HF调制两者的幅度与频率的概念图。
图16A、图16B、图16C、图16D和图16E示出了诸如可以在CLS系统中使用的有源狭缝或有源条带的示例。
图17A示出了与垂直有源狭缝相关联的详细光线轨迹的示例，诸如可以由光发射器的任意组合组成。
图17B示出了与水平有源狭缝1702相关联的详细光线轨迹的示例，该水平有源狭缝可以由光发射器的任意组合组成，诸如以图17C所示的布置。
图17C示出了在色散平面处具有一定孔径的有源狭缝，该有源狭缝被成形为剔除高阶光谱。
图17D示出了图17C的孔径，作为例示性示例，色散平面位于旋转永久掩模调制器处。
图18A、图18B示出了CLS布置的示例，该CLS布置可包括多个光源和反射(或透射)光栅以及屏幕中的针孔，该针孔可用于从光栅通过期望的波长，其中屏幕用于剔除光栅上不期望的波长。
探测响应于入射CLS而引发的响应光。
图18C、图18D示出了向CLS提供包含各种波长的光的单个光束的不同方式的示例，这些光可以分别用不同的编码函数进行电输入调制。
图19示出了选择性地引导或扫描有源狭缝或泵浦区域，然后引导所得光通过色散光学器件以执行沿着色散平面的波长到位置映射移动的示例。
图20示出了沿着色散平面的波长到位置映射移动的示例，诸如相对于图19所描述的。
图21A示出了S-CLS的示例。
图21B示出了用于S-CLS的多功能调制器的基于波导的具体实施的示例。
图22A、图22B示出了可以使用本发明的技术的示例，诸如用于实现材料识别或表征系统，诸如用于分拣或其他应用。
图23示出了类似于图21A、图21B中所示的系统的示例，其中可诸如通过多个同步毫米波长光源的直接调制来产生毫米波长S-CLS。
图24示出了CLS系统的示例，诸如可包括S-CLS或W-CLS系统配置中的线性偏振光源。
图25A包括氧气(O2)的吸收与波长的曲线图，图25A还包括概念性地示出灰尘或光学器件脏污的影响的表格。
图26示出了其中CLS系统能够以方便且稳健的几何形状布置的示例，以便提供发散的照明光束，诸如可以扇形展开以提供可以比探测器或反射器更宽的跨度的区域。
图27示出了可包括光栅和色散棱镜两者的配置的示例。
图28A、图28B、图28C示出了本发明的技术在光学相干断层扫描(OCT)中的各种具体实施的示例。
图29A、图29B示出了非编码光方法与编码光方法的比较。
图30示出了使用编码光源进行高光谱成像的方法的示例。
图31是归一化光幅度与波长的曲线图的示意性概念化示例，示出了来自目标物体或场景的发射响应波长的示例，该发射响应波长可以从一个或多个指定的波长泵浦光谱波段(也称为“泵浦波长”)发生波长偏移。
图32是幅度与波长的曲线图的概念化示例，示出了拉曼光谱以及如何将本发明的技术与拉曼光谱技术一起使用以提供增强的光谱分析信息。
图33示出了幅度与波长的曲线图的概念化示例，在这种情况下，在目标物体或场景117(或其他样本)与系统接收侧上的光电探测器或FPA之间的光学路径中，可以在比滤波器的阻挡截止波长更短的波长处提供多个(不同调制编码的)泵浦波长或光谱段，以便提供拉曼光谱。
图34A是示出系统的各部分的示例的例示性框图，该系统可包括可用于生物或其他目标或物体的多波长光谱分析的可穿戴设备或其他设备。
图34B是光发射器的各部分的示意性示例。
图35A、图35B和图35C示出了用于生物或其他目标或物体的多波长光谱分析的实际系统的光发射器的组件布置和所附的例示性光线轨迹的例示性示例。图35C示出了其中可包括任选的光学漫射器的示例以及所得光线轨迹。
图35D示出了用于这些LED中的一个LED的光学发射路径的示例。
图35E示出了成本降低的光学路径的示例，诸如与图35D的示例相比。
图36示出了从LED发射的光的光发射光谱的光谱带宽缩窄的示例，诸如通过滤波器。
图37示出了实际系统的光发射器的例示性示例，诸如其可以在对应的单独的光学路径中利用相应反射器。
图38A(俯视图)和图38B(透视图)示出了可以包括在图37所示的布置中的另外的任选组件。
图39是可以包括衍射组件的光发射器布置的示例。
图40A示出了光强度与波长的曲线图，诸如针对两个LED所例示的。
图40B示出了诸如可以包括多个LED的光发射器模块的各部分的示意性示例。
图40C是光吸收μ(以cm-1为单位)与光波长λ(以纳米为单位)的曲线图的计算机模拟示例。
图41A、图41B、图41C和图41D是光吸收与光波长的曲线图，示出了血液的光谱以及光谱平均化对血红蛋白(Hb)光谱的影响。
图42是光吸收与光波长的曲线图，示出了可以从中选择LED的两个照明波长的两个区域的示例。
图43A、图43B和图43C示出了用于血氧测定的三种光发射器配置的示例，诸如用于腕戴式可穿戴设备中。
图44A、图44B和图44C示出了其中光发射器模块可被包括在智能手表或类似的腕戴式或其他可穿戴设备的背面上的配置的示例的各种视图。
图45示出了类似的示例，诸如用于对目标物体(诸如可以包括具有外皮的水果)执行光谱分析的配置。
图46示出了用于选择系统的各种组件的方法的决策树的各部分的示例，诸如可以包括选择特定的光学滤波器。
图47示出了基于LED的光谱分析(诸如组织样本或其他目标物体)的光谱分析的方法的各部分的示例。
图48示出了可以采用编码光方法用于移动目标物体的机器视觉的系统的各部分的示例。
图49A、图49B和图49C描述了灵活光谱测量的例示性概念示例，包括RGB(图49A)、RGB的组合(例如，诸如BG、GR和RB；图49B)和可以在光谱上连续或不连续的任意波长分量(图49C)。
图50是比较相对于图49A、图49B和图49C描述的技术的各种版本的图，以帮助解释用组合光谱通道(例如，诸如图49B和图49C所示)代替图49A所示的简单RGB通道的一些潜在益处。
图51A、图51B和图51C共同提供了可以应用于波长组或光谱段的某些调制函数的例示性示例，诸如可以用于依次和/或同时照射移动或静止的目标物体。
图52A至图52B是概念化示意性框图，示出了均衡和使用反馈来对调制编码的CLS光学照明光束的光谱进行动态光谱强度控制的示例。
具体实施方式
A节：用于目标成像或分析的编码光示例
A节解释了如何对光进行调制编码，诸如使用不同的光谱段光分量对目标物体或场景进行成像或分析。不同光谱段光分量中的各个光分量可包括单独的波长或波长分布。可以使用不同的光谱段光分量来照射目标物体或场景，该不同的光谱段光分量使用相应不同的时变调制函数进行调制编码。这些调制编码的不同光谱段光分量可以组合成照明光束，以用于照射待成像或分析的目标物体或场景。例如，照明光束可以同时向目标物体或场景提供所编码调制的至少两个单独调制的不同光谱段光分量。响应于照射目标物体或场景的照明光束，所得的响应光可用于产生电响应信号。根据该电响应信号，使用关于相应不同的时变调制函数的信息，可以对电响应信号进行解码，以便恢复关于所调制编码的不同光谱段光分量的相应响应参数的信息，从而提供受目标物体或场景影响的光谱段响应输出。
1.CLS与非CLS方法简介以及CLS的示例
使用光谱学作为例示性用例示例，图2A示出了非编码光源(非CLS)方法，其可以与如图2B所示的用于光谱学的CLS方法进行比较。
在图2A中，在所示系统的光发射侧，非CLS光源201可用于照射目标物体或场景117。非CLS照明光可以与目标物体或场景117相互作用，这产生诸如来自散射、反射或透射的响应光R(λ)。响应光R(λ)中的一些被引导朝向光接收器221，诸如可包括色散系统光学器件，以用于在光探测器探测到响应光R(λ)并通过信号处理电路或组件进行处理之前，对响应光R(λ)执行光谱分离。因此，在图2A的示例中，光源201照射物体，然后在光与目标物体或场景117相互作用之后对有限响应光R(λ)执行光谱分离和测量的任务。可能需要进行繁琐或低效的校准(如上文所述)，如图2A的步骤2所示，然后可将输出用于确定响应光R(λ)的光谱特性，诸如用于确定目标物体或场景117的一个或多个光谱属性，诸如图2A的步骤3所示。
图2B示出了使用CLS诸如对目标物体或场景117的光谱属性进行光谱分析的方法的例示性示例。诸如下文进一步详细描述的多光谱编码光源可包括CLS100，以便提供编码光，诸如用于照射目标物体或场景117。在该例示性示例中，CLS100可被波长编码，使得每个感兴趣的波长组被不同地编码，诸如以提供波长编码的CLS(或W-CLS)100。例如，每个感兴趣的连续或非连续波长组(也称为“光谱段”)可以用唯一的时间调制模式或时间函数进行编码，或者可以提供有可识别的调制码，并且来自不同波长组(光谱段)的调制编码光可以重新组合，以提供来自W-CLS100的照明光输出，例如用于照射目标物体或场景117。来自CLS100的编码光可以由一个或多个光探测器接收，并且可以使用分束或另一技术来根据需要引导编码光。例如，来自CLS100的编码光的参考部分可被引导至参考探测器131，而不是目标物体或场景，来自CLS100的编码光的照明部分可被引导至目标物体或场景，响应光R(λ)可以从中散射、反射或透射，并被一个或多个光探测器141探测到。在这种方法中，编码光的参考部分可以被转换成电信号并用于探测到的响应光R(λ)的归一化或校准，以便减少系统可变性对与目标物体或场景117发生相互作用的响应光R(λ)的探测和信号处理的一种或多种影响。因此，参考探测器131可包括光源测量换能器，其可以在照射目标物体或场景117之前或不照射该目标物体或场景的情况下被光学耦接以接收被提供以形成光束的光的一部分。参考探测器131可用于产生独立于目标物体或场景117的电照明可变性指示信号。信号处理电路13可被配置为使用来自照明可变性指示信号的信息和关于相应不同调制函数的信息，以恢复关于调制编码的不同波长分量的参数的信息，从而提供受目标物体或场景117影响的颜色响应输出。术语“颜色响应”输出旨在指代具有跨不同波长或光谱段发生的分量的响应。
在图2B的示例中，这些光探测器中的每个光探测器可以产生复杂的时变探测响应光信号。这可以通过信号处理组件进行分析，诸如检索响应光信号频谱的各个波长组分量，因为CLS照明光是利用与不同波长组中的各个波长组相对应的唯一调制函数来编码的。光探测器组或阵列可用于形成灰度相机119，其可用于产生高光谱或多光谱图像。每个响应光探测器都可以有效地充当光谱仪，从而不需要具有复杂且低效的色散光学器件的传统光谱仪。因此，本CLS方法可有助于极大地提升光收集能力，从而有助于实现新的应用。本CLS技术还可用于提供与从CLS发出的光的不同方向相对应的唯一调制函数。在这种方向编码CLS方法中，每个光探测器可用于生成目标物体或场景117的方向相关映射。方向相关映射可以是一维或多维的。例如，如果方向相关映射形成了一维映射，则其将在光探测器141处形成线图像。
为了概括和进一步解释，本发明的CLS方法可涉及编码光源的生成，其中可以对不同的光学波长(或者一个或多个其他自由度，诸如方向或偏振)进行时间调制以进行编码。这种编码可包括唯一的时间签名或代码或函数。由一个或多个响应光探测器141探测到的所得的响应光信号可由信号处理组件处理，诸如解密或数字重构目标物体或场景117对用该一个或多个自由度编码的照明光的响应的一个或更多个特性。来自目标物体或场景117的响应光可包括散射、透射或反射的EM辐射中的一种或多种。因此，例如，每个编码自由度可以在一个或多个响应光探测器141中的每一者处被接收、探测和恢复。例如，当用作光谱仪时，使用CLS的这种系统可以在响应光探测器141中的每一者处提供对编码光谱段中的各个光谱段的单独读取。在接收侧，诸如在响应光探测器141处或对应于该响应光探测器，不需要专门的色散光学器件。与需要这种色散光学器件的方法相比，这可有助于提供巨大的优势，因为它使得可以从多个位置同时测量目标物体或场景117的光学响应，在该多个位置处可以放置一个或多个光探测器141，而不产生需要在每个响应光探测器之前放置在光学路径中的色散或成像光学器件的显著增加的成本和体积。本文档进一步描述了实际具体实施的详细示例和优选实施方案。由于可以使用不同的时变函数对编码自由度中的各个自由度进行编码，因此可以从响应光信号中自动去除DC偏移诸如暗电流或低频噪声源。本发明的方法允许在编码照明光与目标物体或场景117相互作用之前和之后明智地放置或定位一个或多个光探测器，这可有助于减弱或甚至消除信号中的许多漂移或偏移源。
本CLS方法可以扩展到斩波、选通、相位调制或幅度调制等技术之外。例如，(A)斩波可包括以固定速率对光束进行斩波，然后使用锁定探测来减少测量中的噪声；(B)频闪光可以“冻结”一个或多个快速移动物体的运动；(C)高频相位调制或幅度调制光可用于测量光往返于目标物体的飞行时间(ToF)。在所有此类情况(A)、(B)或(C)中，仅使用一个或两个“斩波”频率。相比之下，在本CLS方法中，可以同时编码许多不同的自由度—超过三个，通常是数十个、数百个或甚至数千个自由度被同时编码到CLS上，然后可将其用于照射目标物体或场景117。这种自由度上的差异可以提供与单纯的斩波、选通或相位调制或幅度调制照明光相比巨大的、不成比例的不同能力。在本发明方法的示例中，在照明光与目标物体或场景117相互作用之后，光探测器141用于收集来自目标物体或场景117的响应光，并且这样的响应光包含编码自由度。因此，标记的自由度然后可以通过信号处理组件在计算上分离，诸如恢复与各个编码自由度中的各个自由度相对应的目标物体或场景117的属性或特性。
表2：具有各种编码自由度的CLS编码的例示性示例。
表2中的示例还可以通过偏振作为附加自由度进行编码。照明光的这种偏振编码可有助于在每个光探测器141处提供关于目标物体或场景117的更多细节。
2.光谱/波长编码光源(W-CLS)
图1是示出光电系统10的各部分的例示性示例的框图。系统10可被配置用于使用编码光来对目标物体或场景117进行成像或分析，诸如用于高光谱成像或其他光谱分析或成像，诸如本文中所描述的。在图1的示例中，系统10的光学照明器或发射部分11可包括或耦接到光源101，诸如宽带光源，从而生成输入光，从该输入光可以生成或提供输出编码光源(CLS)100，诸如用于照射目标物体或场景117。
更具体地，来自光源101的光可以由光谱分离器103接收。光谱分离器103可被配置为将从光源101输出或以其他方式提供的光分离(例如，空间地或干涉地)成不同的光谱分量，例如分成4个或更多个(例如，数十个、数百个、数千个)光谱上连续或光谱上不相交的波长分量组或段(λ1、λ2、λ3、…、λn)。分离的光谱光波长分量(λ1、λ2、λ3、...、λn)可以诸如经由对应的输出通道从光谱分离器103输出或以其他方式提供，并且可以由编码器诸如多功能光学调制器105(诸如经由多功能调制器105的对应输入通道)输入或以其他方式接收。由光学调制器105提供的调制可以包括接收和调制输入光以提供调制的输出光，或者另选地或附加地，可以包括调制对光源供电或控制光源的电输入信号以提供调制的输出光，这两者均在本文中进行了描述。多功能调制器105可被配置为分别单独地光学调制分离的光谱上连续或光谱上不相交的光谱光波长分量(λ1、λ2、λ3、...、λn)。这种单独的调制可包括使用对应存储的或以其他方式指定的不同光调制函数107，例如g1(t)、g2(t)、g3(t)、...、gn(t)。单独不同调制的分离光谱光波长分量(λ1(g1)、λ2(g2)、λ3(g3)、...、λn(gn))可以是光谱上连续的或者可以是光谱上不相交的，并且这些调制波长分量中的一些或全部可以由多功能调制器105输出或以其他方式提供给光谱组合器109，以便创建组合的多带波长调制编码(“译码”)光信号(W-CLS)，这些光信号可以是波长均匀的，并且诸如可任选地经由系统10的光学照明器或发射部分11的光纤或光纤束或其他光波导进行通信以用于输出。在一个示例中，照射目标物体或场景的波长均匀光束是波长均匀的，使得不同波长的光分量不能通过波长均匀光束的空间或角度划分来分离。在一个示例中，照射目标物体或场景的波长均匀光束是波长均匀的，使得当光束针对朝向目标物体或场景的不同照明发射角度的强度进行归一化时，在朝向目标物体或场景的不同照明角度上具有调制编码的不同波长光分量的波长均匀分布。在一个示例中，照明光束在视场(FOV)上朝向目标物体或场景发射，该视场定义了多个不同的照明发射角，在整个FOV的全部不同照明发射角上，具有调制编码的不同波长光分量的强度归一化波长均匀分布。在一个示例中，其中调制编码的不同波长光分量的波长均匀分布包括整个FOV范围内小于50％的光谱变化。
分束器或其他光信号分离器可用于提供组合W-CLS的参考部分，用于输出到参考光电探测器131和相关电路。组合W-CLS光信号的另一部分可以提供多频带调制编码的照明光信号，该信号可以诸如经由光纤或其他波导113输出到本地或远程照明光学器件115，其可以通过光学照明器或发射部分11提供CLS100的投影或其他方向，以照射目标物体或场景117。
系统10的接收部分12可包括或耦接到响应光换能器，诸如一个或多个相机或其他光电探测器119。光电探测器119可布置在一个或多个指定位置处，以便接收响应于来自CLS100的照明光与目标物体或场景117之间的相互作用而生成的响应光。探测到的响应光可被转换成对应的转换电响应信号，该信号可耦接到信号处理电路并由信号处理电路接收，诸如控制器或信号处理器电路13。信号处理器电路13可包括解码器电路121，以恢复关于所调制编码的不同波长分量的参数的信息，以提供受目标物体或场景影响的颜色响应输出。在一个示例中，受目标物体或场景影响的颜色响应输出可响应于波长均匀的或与目标物体或场景的材料相互作用的其他照明光束，诸如产生吸收颜色响应、反射颜色响应、散射颜色响应、荧光颜色响应或偏振颜色响应中的至少一种，如本文其他部分所述。在一个示例中，信号处理电路被配置为恢复关于参数的信息，其中参数包括所调制编码的不同波长分量的复幅度参数、实幅度参数或相位参数中的至少一者，以提供受目标物体或场景影响的颜色响应输出。
解码器电路121可被配置为对多帧数据进行解码。这样的解码可包括使用关于原始指定调制函数107的信息，例如，g1(t)、g2(t)、g3(t)、...、gn(t)和定时参考信号，诸如在系统10的接收侧12上的信号处理器13的帧同步信号输入141处从系统10的发射部分11接收的帧同步信号。在高光谱成像用例示例中，电响应信号的多帧数据的解码和/或像素阵列的读取能够以这种方式(例如，以硬件或软件方式)同步，并用于生成高光谱立方体，诸如目标物体或场景117的波长组特定特性的高光谱立方体，诸如具有(x,y,λ)维度的高光谱立方体，诸如针对来自特定光电探测器119的数据的每个帧，其可包括(x,y)像素阵列。
因此，图1示出了使用根据本发明方法的技术执行光谱分析或高光谱成像的示例。存在许多具体实施，它们的示例在图1以及其他附图中示出并且在本文中进一步描述。在高光谱成像用例的例示性示例中，相机中的每个光电探测器119可以像光谱仪一样工作。因此，本发明的方法能够使用单个或几个探测器来扩展光谱技术，诸如用于特别重要的应用，诸如工业过程控制、医疗设备、环境监测或其他应用。
图3示出了图1的系统10的光学照明器或发射部分11的部分的例示性示例，包括光源101、光谱分离器103、调制器105和光谱组合器109。图3还示出了光线轨迹和对应的概念化图示，示出了光信号在系统10的发射部分11的各个感兴趣位置处的空间、时间和波长特性。
在图3的例示性示例中，来自光源101的光可诸如经由狭缝被引导向光谱分离器103。光谱分离器103可经由狭缝接收光，诸如可以入射到光谱分离器103的光折射器(诸如透镜L1)上。从透镜L1出射的光可以被引导向光谱分离器103的光色散元件，诸如棱镜或衍射光栅G2。从色散元件诸如棱镜或光栅G2出射的光可包括不同角度波长的出射光，这些出射光可被引导向光谱分离器103的光折射器，诸如透镜L2。从透镜L2出射的光可被引导向调制器105，其中不同波长(λ1、λ2、λ3、...、λn)的光被引导向调制器105的不同空间位置。这可允许调制器105用于向不同波长的光(λ1、λ2、λ3、...、λn)提供不同的编码调制函数107，例如g1(t)、g2(t)、g3(t)、...、gn(t)。
因此，调制器105允许对这些波长段中的每个波长段施加多个唯一的时变函数。在该调制之后，我们诸如使用光谱组合器109来重新组合这些调制光谱。更具体地，不同调制的分离光谱光分量(λ1(g1)、λ2(g2)、λ3(g3)、...、λn(gn))可以由多功能调制器105输出或以其他方式提供给光谱组合器109，其可以将光学功能“反转”到光谱分离器103的光学功能。例如，光谱组合器108可包括折射元件，诸如透镜L3(例如，可以向透镜L2提供“反转”功能)。从透镜L3出射的折射调制光可被引导向色散元件，诸如棱镜或衍射光栅G1(例如，可提供与色散元件诸如棱镜或光栅G2的光学功能相反的“反转”光学功能)。从光栅G1出射的色散、折射、调制光可被引导向折射元件，诸如透镜L4(例如，可以提供与透镜L1的光学功能相反的“反转”光学功能)。从透镜L4出射的折射、色散、折射和调制光可被引导向照明光学器件115或经由光导管引导至该照明光学器件，光可从该照明光学器件被投射或以其他方式引导向目标物体或场景117。
图3示出了色散系统的组件的多种可能具体实施中的一种具体实施的示例。色散系统可以使用一个或多个棱镜或一个或多个光栅或一个或多个其他色散系统来实现，诸如以反射或透射几何形状或布置来实现。可以注意到，图3中所示的色散系统分离光源101的波长分量，然后在单独地(例如，不同地、独立地或唯一地)编码每个波长段之后将它们重新组合。物理意义上或光学意义上的光谱分辨率可通过色散系统的配置来设置，但是目标物体或场景117的独立测量的次数可通过独立代码或调制函数107的数量来设置。
从CLS100处的设备出现的编码光谱可通过目标物体或场景117的介质反射、散射或透射，并且其光谱将根据目标物体或场景117的一种或多种属性而被修改或影响。所得的响应光可被一个或多个光电探测器119探测到。例如，单独的(相同或不同的)探测器可相对于目标物体或场景117放置在不同的方向上。来自目标物体或场景117的响应光可被每个光电探测器119转换成对应的电信号。所得的电响应信号可被处理或分析，以便对由光电探测器119中的每一者探测到的响应光信号频谱进行测量。相机可包括像素阵列或光电探测器119的其他布置。本发明使用CLS的方法可用于将任何黑白或灰度相机转换为比色或高光谱相机。
本CLS技术为光谱分析提供了更大的自由度。例如，可以使用和编码波长范围比任何单个光电探测器119材料所能测量的波长范围更宽的光源，但是可以通过多个光电探测器119测量来自目标物体或场景117的不同波段的响应光，从而提供完全校准的光谱。这可有助于提供特别重要的商业和实用优势。具有热灯丝的普通灯泡或基于超连续谱激光的光源或等离子体源可以提供宽带光，诸如波长跨度从300纳米到5000纳米的光。这是比任何特定的单独光电探测器技术所允许探测或测量EM辐射都宽的波段。例如，硅光电探测器的波长大约限制在1000纳米以下。基于InGaAs的光电探测器的工作波长为700纳米至1700纳米。PbS光电探测器的工作范围为1500纳米至3000纳米。PbSe光电探测器的工作范围为2000纳米至5000纳米。这些类型的光电探测器中的每一种都可能需要不同的电信号调节电路以获得最佳性能。可以使用的光电探测器的其他示例可包括硅、锗、InGaAs、PbS、GaSb、PbSe、HgCdTe或可被配置为接收和探测电磁辐射的许多其他半导体和材料系统。
在多光电探测器系统的一种方法中，可能需要购买三种或更多种不同类型的光谱仪，以使用针对各种感兴趣的波长的不同类型的光电探测器来测量响应光信号。此类测量可能很难同时进行，甚至可能很难在整个感兴趣的波长范围内保持不同光谱仪系统的校准。
相比之下，在本发明使用基于CLS的系统的方法中，可以对整个宽带光源光谱进行编码，然后可以同时接收散射、反射或透射的光，诸如通过具有重叠光谱灵敏度的不同类型的多个光电探测器。每个光电探测器的输出可被处理以产生单独的光电探测器中每个光电探测器所看到的光谱，并且重叠的光谱部分可用于保持所有不同类型的光电探测器的光谱被调整、归一化或校准。此外，还可以将多个光电探测器上的这种连续正确连接的合成光谱与参考探测器131提供的响应进行比较，该参考探测器可包括在系统100的发射部分11中，也可以位于照明光与目标物体或场景117相互作用之前的其他位置，如本文所述。
虽然这种解释显示了使用对不同波段敏感的多个光电探测器来提供宽带光谱分析的灵活性，但这种灵活性也扩展到了光源本身。例如，多个光源101(诸如具有不同光输出光谱(例如，重叠或不重叠))可以组合以合成宽带光源101。本文进一步描述了这种类型的异质光源布置的示例。由于是光学调制或编码步骤将特定的物理频率或波长与代码相关联(代码本身通常用电频率表示)，因此异质宽带光源101的单独光源的波长漂移并不重要。这可能是特定产品或应用中特别理想的特征，因为使用本CLS方法，可以高度抑制不同批次、不同时间或不同温度和其他环境条件下光谱变化的影响。这尤其可以通过包括参考探测器131来实现，诸如用于探测和测量参考光谱，如果需要的话，参考光谱可以连续提供，诸如用于校准或归一化。
3.高光谱成像示例
为了概况和扩展前一节对W-CLS技术的高光谱成像用例的描述，可以注意到图1示出了来自目标物体或场景117的编码响应光的并行光谱的例示性示例。编码光可以在光电探测器119的阵列处被接收，诸如可以被放置或位于焦平面处。可以处理或分析经转换的响应信号，以便提供高光谱成像功能。对高光谱成像的分析可应用于一个或多个单独的探测器，诸如可放置在目标物体或场景117周围或相对于该目标物体或场景的任意位置处。参考图1所述的方法，可用于将灰度相机转换为高光谱相机。在实现这一点的同时，还能保持高光收集效率、准确的光谱通道、跨通道的出色图像配准以及软件可编程超立方体分辨率的灵活性(例如，可以在软件中选择性地组合多个编码光谱段，诸如根据需要在更新速率和分辨率之间进行选择，如本文其他部分所述)。
例如，考虑编码光源(CLS)100，其中不同波长光谱段的光强度通过不同频率的幅度调制来编码。在此示例中，整个光谱的整个代码在一段时间T之后重复。在这种情况下，这些光谱段中的每个光谱段都在时间T内更新。但由于正弦曲线或傅立叶变换的属性，可以将分辨率减半并将更新时间减半。因此，本系统有可能包括(例如，在软件中)允许用户或应用选择更新速率和光谱分辨率的设置，以适合特定期望的应用。在一些应用中，例如，在实验之后，可能会确定需要光谱颜色的固定叠加，诸如创建表示基本材料属性的伪彩色图像。本系统可被配置为直接对原始数据执行这种叠加，以输出期望的伪彩色图像。
在图1和其他图的示例中，CLS100可以提供调制的宽带光源，诸如其中感兴趣的多个(例如，4个或更多个、数十个、数百个或甚至数千个)光谱分量中的每个光谱分量可被编码或标记，诸如使用唯一组对应的相应重复时间相关调制函数107，然后重新组合以形成波长编码光源(CLS)或W-CLS100。一系列帧可以由包括光电探测器119(其可包括像素阵列)的相机捕获。可以在指定时间捕获每个帧。
这些帧捕获时间可以与编码调制函数107同步，诸如经由帧同步信号141。帧同步信号141可以由控制器/信号处理器13发出或接收，或者两者。控制器/信号处理器电路13可被配置为控制系统10的发射部分11上的多功能调制器105的操作。控制器/信号处理器电路13还可接收帧同步信号141以在系统10的接收部分12上使用，诸如用于同步调制函数107的解码。这样的解码又可以用于在对应于编码调制函数107的相应波长组处提取关于目标物体或场景117的光谱信息。解码可以将一个或多个数学恒等式或重构算法应用于由一个或多个光电探测器119捕获的图像帧中的每个“像素”的时间序列，以便重构光谱内容。这是因为对应于这些光谱分量(例如，λ1、λ2、λ3、...、λn)中的每个光谱分量的调制函数107(例如，g1(t)、g2(t)、g3(t)、...、gn(t))可以是唯一的，并且可被选择以允许根据时间序列数据进行重构。例如，调制函数107(例如，g1(t)、g2(t)、g3(t)、...、gn(t))可以形成一组正交(或几乎正交)的调制函数。
在图1的示例中，为了生成W-CLS100，可以提供宽带光源(LS)101。示例可包括热光源(例如，热灯丝、发光棒等)、超发光或其他发光二极管(LED)、基于磷光体的光源(例如，白色LED，或激光泵浦或LED泵浦的磷光体)中的一种或多种，或者甚至包括许多不同颜色的光源或由许多不同颜色的光源组成的光源，以便产生多个或多种感兴趣波长的宽带或其他多光谱输出。
在图1的示例中，光谱分离器103可接收来自光源101的宽带或其他多光谱光，并且可以在空间上将所接收的光分离成诸如p个不同的光谱分量。光谱分离器103能够以多种不同的方式实现，其一些示例在图3、图4A至图4B和图13A中示出。如上面关于图3所述，在由光谱分离器103实现空间光色散之后，可以诸如通过多功能调制器105对所得光进行调制或以其他方式编码。多功能调制器(MFM)105可以将不同的(例如，唯一的)函数107编码为gi(t)，其中i表示与光谱分离器103输出的光的n个光谱分量相对应的n空间位置中的各个空间位置。本文描述了此类调制器105的多个例示性示例。
在应用调制之后，诸如使用MFM 105，这些不同调制的光谱分量可以被重新组合，诸如使用图3、图4A至图4B和图13A中的光谱组合器109。在一个示例中，如果需要，光谱组合器109可任选地被配置为提供光谱分离器103的“反转”光学功能，但这不是必需的。例如，光谱组合器109可包括透镜或反射镜系统，诸如可被配置为收集由MFM 105输出的各种调制光谱分量，并且将它们组合和均匀化，诸如使用光漫射器，诸如图5C的示例中所示。由MFM 105输出的调制分量的不同波长的组合可以是有利的，诸如对于对目标物体或场景117的一个或多个特性进行良好的光谱测量。更具体地，使用其中不同光谱分量具有在朝向目标物体或场景的不同方向上引导的相对相同的权重的照明光来照射目标物体或场景117可能是有利的。否则，将难以获得入射在目标物体或场景117上的不同位置的良好光谱，这又将影响响应于与目标物体或场景117相互作用的照明光而探测和分析的响应光的分析质量。能够任选地包括和使用照明器光学器件115，以便帮助在目标物体或场景117上产生适当的照明图案，以及帮助均匀化和准备在波长编码光源100处提供的用于照射目标物体或场景117的光。
图4A、图4B示出了图1和图3中所示的系统10的发射部分11的各部分的不同变型。图4A示出了发射部分组件的折叠紧凑几何形状的示例，并附有概念性光线轨迹以帮助说明其操作。图4B示出了可包括其他布置反射组件的发射部分组件的示例，并附有概念性光线轨迹以帮助说明其操作。图1、图3、图4A和图4B的各种示例能够以各种方式进行组合，并且系统11的发射部分11的具体实施的其他示例也是可能的。
在图4A中，由宽带或其他多光谱光源101输出的光可被引导向光谱分离器103，诸如可包括元件诸如图3的L1、G2和L2，这些元件可被布置成大致在第一方向上透射光。从光谱分离器103输出的光可被提供给光反射器402A，诸如能够以与第一方向成45度角布置，以便在与第一方向正交的方向上反射从光谱分离器103输出的光，在该方向上其可由提供调制函数107的调制器105接收和调制。从调制器105输出的光可由光反射器402B接收，诸如能够以45度角定向以在第二方向(例如，与第一方向相反)将光反射回来。这样的反射光可被光谱组合器109接收，并且与如上所述的类似地重新组合，以提供编码光源100，该编码光源可在与光源101输出的光的方向大致相反的方向上朝向目标物体或场景117投射或引导照明光。图4A中的布置可提供图1和图3中所示的系统10的更紧凑的发射部分11。如果需要，可以任选地修改图4A中的布置以实现一个或多个其他目的。
在图4B中，由光源101输出的光可被反射镜M3反射，而不是被透镜L1折射。反射色散元件G2可以接收从M3出射的光。反射色散元件G2可以对光进行色散，并且可将色散后的光引导向反射镜M2。反射镜M2可以将色散后的光反射向提供调制函数107的调制器105。从调制器105出射的调制光可被引导向反射镜并且被反射向反射型光谱组合元件G1，诸如可以提供与G2所提供的色散相反的光学功能。由元件G1反射的所得光可以由折射元件(诸如L4)聚焦到照明光学器件115的焦平面上，诸如用于提供用于照射目标物体或场景117的编码光源100。
图5A是色散系统的例示性示例的一般表示，该色散系统诸如可用于图3、图4A至图4B和图13A中所示和所述的光谱分离器103中。如所解释的，这样的色散系统可包括色散元件307(例如，诸如光栅、棱镜、棱栅或其他波长色散元件)，以便将不同的波长沿着色散平面311色散到不同的位置。沿着色散平面311的这些不同位置可以向光学调制器105的对应“通道”提供相应的输入。这可以允许光学调制器105接收不同通道的不同位置处的相应色散光谱分量，使得光学调制器105可以将不同的(例如，唯一的)调制函数应用于不同通道的不同光谱分量。
图5B是色散系统的例示性示例的另一种一般表示，该色散系统诸如可用于图3、图4A至图4B和图13A中所示和所述的光谱分离器103中。在图5B的示例中，空间可变薄膜滤波器317可以用作色散元件，以便将不同的波长沿着色散平面311色散到不同的位置。沿着色散平面311的这些不同位置可以向光学调制器105的对应“通道”提供相应的输入。这可以允许光学调制器105接收不同通道的不同位置处的相应色散光谱分量，使得光学调制器105可以将不同的(例如，唯一的)调制函数应用于不同通道的不同光谱分量。
图5C是光谱组合器109的例示性示例的一般表示。尽管光谱组合器109在本文中被描述为实现光谱分离器105的“反转”功能，但是这不必如此。图5C示出了光谱组合器109的示例，其中，诸如由调制器105输出的调制波长光分量313可以被收集(例如，通过透镜或反射镜系统)并且被引导向光漫射器321，诸如可以被包括在照明光学器件115中或光耦合到该照明光学器件。光漫射器321可有助于在空间上均匀化不同的波长分量，诸如被提供作为用于照射目标物体或场景117的编码光源100。组合不同的波长分量(例如，通过光漫射器321)可有助于重新形成具有调制波长分量的波长均匀光源。这对于对目标物体或场景117进行良好的光谱测量非常有帮助。通过其中不同光谱分量在不同方向上具有相对相同的权重的编码光来照射目标物体或场景117可能是有利的。否则，可能很难在目标物体或场景117上的不同位置获得良好的光谱。任选的照明器光学器件115可用于产生适当的照明图案(例如，结构化或非结构化)以及使由波长CLS 100提供的光均匀化以用于照射目标物体或场景117。
各个图的光谱分离器105可以在数学上表示为将具有强度a(λ)的源S的光谱分量(即其光谱)映射到空间中的不同位置：
一旦分量在沿着色散平面311的不同位置处被空间分离，调制器105就可接收这些空间分离的分量以通过调制器105的不同“通道”进行编码。这种编码可包括针对以λi为中心的每个对应的相应波长组使用不同的编码函数λi。可以使用各种不同类型的空间光学调制器105来提供调制。图6A、图6B、图7A和图7B示出了这些不同类型的空间光学调制器的一些例示性示例。一旦n波长组或不同的光谱段被调制器105调制，所调制分量就可以被重新组合，诸如本文所述，以便形成光谱编码光源，其可在数学上表示为：
图6A示出了调制器105的示例，该调制器可在旋转机械盘或机械轮上使用移动图案，诸如可包括图案化透射区和非透射区的图案，如美国专利第7,339,170号所述和所示的那样，该专利全文以引用方式并入本文。通过将入射光的不同光谱段分量径向色散在旋转机械盘或机械轮上，并旋转机械轮，调制器105的不同通道可以将不同的调制函数编码到对应于特定的相应波长组的光上，然后可以对其进行光谱重组，如本文所述。图6A的示例还示出了包括外围周向“帧时钟”。该“帧时钟”可包括周向周期性的透射和非透射区域，诸如可以用于根据旋转机械盘或机械轮的旋转周期来调制外围“帧时钟”区域中的光。穿过外围“帧时钟”区域的光可以被检测并用于生成帧同步信号141，该帧同步信号可以从系统10的发射部分11提供给系统10的接收部分12，以同步来自目标物体或场景117的响应光的检测和解码。
图6B示出了不需要包括移动图案的调制器105的示例。相反，可以提供电子可控光阀“像素”或通道的固定图案，诸如图6B所示的像素或通道的纵向序列。入射光可以在所布置的纵向序列的长度上进行波长色散，以提供与不同信道相对应的波长段。这些通道可包括电子控制的光阀，诸如可以在时间上调制通过光阀的光传输，诸如在来自一个或多个电信号发生器电路的对应调制电信号107的控制下，诸如可以包括在控制器/信号处理器13中。电子控制的调制器光阀的示例可包括液晶(LC)元件的阵列或序列布置，或数字微镜(DMD)元件，诸如来自德州仪器(TI)的DLP。使用图6A或图6B的布置，可以提供根据方程4的调制，诸如利用光谱重新组合，其可以向目标物体或场景117提供光谱均匀的照明光束。
返回到图6A，示出了可包括图案化掩模或轮的调制器。掩模的旋转导致不同的调制码gi(t)被施加在不同波长的光上，其中这种不同波长的光已经被分散在掩模或轮的指定区域上。在此示例中，掩模及其图案的旋转或其他运动共同确定了编码函数。例如，可以可控地致动掩模，以便使其沿一个方向旋转，或者可旋转地前后振荡。在任一情况下，期望生成与掩模上的图案的运动直接相关的准确的编码“时钟”或同步信号—这样的编码时钟可以用于使系统10的发射侧11上的编码与将在系统10的接收侧13上执行的解码同步。这样的编码时钟可通过包括将被放置在掩模上的高分辨率图案来实现，例如，如图6A所示，通过以其他方式图案化的“帧时钟的编码”的印刷凹坑，其被示为均匀分布在用于多功能调制器105的掩模或轮的圆周周围。这样的编码时钟需要以高精度读取，诸如用于发射编码和接收解码之间的精确同步。
对于高光谱成像应用的例示性示例，帧速率可以为数百赫兹。这意味着，北美电力公司使用的来自电线频率(例如60Hz、120Hz、180Hz等)的环境噪声谐波可能直接干扰来自某些发射代码的信息的接收侧恢复，这些发射代码恰好具有与电力公司频率谐波重叠的频率。
但是可以采用技术来减少任何编码功能的这种干扰，使得外部的、不同步的干扰消除，同时保留来自编码的信息。作为这种抗噪声技术的例示性、非限制性示例，调制的“符号”或意义可以在调制周期中的一个或多个指定点处反转或“翻转”(例如，正好在全旋转的调制周期的一半)，使得对于周期中该指定点处的每个编码函数的光学调制，不透明变为透明，反之亦然。如果这是在发射侧完成的，则在接收侧进行解码时，解码器信号处理软件可以在该时刻“反翻转”，诸如使用有关外围帧同步编码时钟的信息，该同步信息可以从发射侧提供给接收侧。当在整个调制时间段内重构数据时，该技术可以消除不同步的环境噪声。还可以采用其他类似的方法，诸如增强环境噪声抗扰度。这种噪声消除技术不限于机械旋转轮形式的调制器，而是可以类似地应用于基于MEMS的调制器或基于PIC的调制器的驱动，或者甚至应用于直接电输入信号调制的CLS，如本文档其他部分所述。
成像应用可能需要的调制的特定特性是避免在调制函数gi(t)中的每一者中生成更高的频率。这是因为，帧速率是有限的，并且为了提供最大更新速率，可能需要生成尽可能接近奈奎斯特频率运行的代码，但不会产生光学混叠，或者至少有助于减少光学混叠到一个可接受的值。这种调制码gi(t)的高次谐波有可能混叠回来并产生混合。这种混叠可以通过远离奈奎斯特极限运行或生成尽可能接近正弦的代码来避免，因为纯正弦代码将避免生成方波或二进制编码方案的高阶谐波。二进制掩模，或开关光学阀，将生成方形或“近似方形”外观的时域特征，这些特征可能会受到此类高阶谐波的影响。生成正弦时域轮廓的一种方式是制作具有正弦透射或反射特性的灰度掩模，例如，在永久掩膜中形成的调制函数的正弦透射或反射特性。另一种方式是使图中的狭缝180(或其他狭缝，诸如图20中所示的狭缝1602)沿着狭缝的长度提供正弦光透射率。由于正是经由该狭缝的光被投射到旋转调制器掩模或轮上，并且调制器在时域中的输出是固定狭缝图案(例如，正弦)与调制器掩模或者轮定义的移动图案的卷积，因此投射与调制一起可以经由这种卷积生成主要为正弦的代码。来自调制器105的这种输出可有助于避免高阶谐波，这又可有助于避免这种高阶谐波的混叠。
在某些情况下，方程4的调制函数可能不需要使用色散元件来分离不同的波长。相反，调制编码函数能够以其他方式编码，例如，不使用色散元件，诸如可以包括使用光子集成电路或“PIC”的集成编码器组，诸如下文所描述的。
图7A和图7B表示了基于PIC的方法的例示性示例。例如，图7A示出了发射部分11的示例，其中足够的宽带光源101(诸如超发光LED或连续谱生成激光器)可有效地耦接到输入波导701。输入波导701可以将来自光源101的宽带光光学地传送到阵列波导光栅(AWG)703。AWG可用于将光的不同光谱分量分离到不同的波段或波长组(λ1...λn)。然后，光的光谱分量的这些不同的段或组可以被传递到基于波导的光子调制器的并行调制器组704，诸如可以分别由施加相应的不同调制函数g(t)的对应电信号单独驱动。然后，来自调制器704的调制光可以由AWG 709重新组合，以便产生光谱重构的宽带编码光源100。
图7B示出了发射部分11的又一个示例。在图7B的示例中，可以使用基于PIC的方法，诸如不需要波长分离并且仍然可以根据方程4产生输出。在图7B的示例中，从光源101输出的宽带光可被输入到波导704中。一系列谐振器结构705可被配置为充当单独的调制器705。这些谐振器705中的每一者可被调谐到不同的波长，对应于特定的调制信道。此外，这些谐振器中的每个谐振器可由不同的调制函数gi(t)驱动，以提供编码到特定谐振器705的对应波长上的唯一调制函数。以这种方式，宽带光可以具有在主波导704中不同地调制的不同光谱分量，而不需要根据波长的光的空间色散。
一般来说，基于波导的调制器704、705可采用几种不同形式中的一种，诸如电光、热光、相变、基于MEMS或另一形式。PIC中的调制器可提供使用所有电子调制和使用更复杂代码的能力，诸如与图6A的旋转轮或旋转盘机械调制器相比。电光学调制器可以提供包括在MHz或GHz范围内的调制。如本文所讨论的，这种高频调制可有助于允许直接测量目标物体或场景对不同光频率的频率响应。这种能力在对人体组织中的重要医学参数的漫射光光谱学、距离或范围测量(例如，在ToF系统中)或一种或多种半导体属性测量中可能是有用的。基于波导的调制器704、705还可用于创建物体的空间图而不是光谱图，如本文所述。图7A、图7B中基于PIC的方法的另一个优势可以是有助于在PIC基板上提供一个或多个参考探测器131，例如以集成或混合的方式，从而使整个解决方案极其紧凑。
也可以使用其他光调制方法。就此类方法可以提供函数gi(t)的良好编码而言，当它们能够以足够的带宽和信号质量同时调制多个函数时，它们可能会很有用。
在W-CLS生成系统10内，包括参考探测器131可能是有利的。例如，参考探测器131可以使用光采样器133对传出的CLS进行采样，如图1所示。光采样器133可包括分束器或由分束器组成，诸如基于光纤的分束器或任何其他合适的装置，以对将经由CLS100传送的出射照明光的一小部分进行采样。参考探测器131可用于在调制编码之后重构光源101的光谱。由参考探测器131获取的参考信号包括所有先前的光学和调制组件(例如，光谱分离器103、调制器105、光谱组合器109)的损耗。参考探测器131可用于帮助减少或消除CLS100中的变化的影响，诸如连续地或以其他方式持续进行，以便通过将检测到的光学响应信号的主要测量值除以目标物体或场景117的照明之前的参考测量值来表示目标物体或情景117的真实光谱特性。在某些情况下，从与系统10的接收部分12上的主探测器的探测器系统紧密匹配或相同的探测器系统中构造参考探测器131可能是有利的，该主探测器在照明光与目标物体或场景117相互作用之后接收响应光。参考探测器131采样的光可以表示为：
其中β是表示由光采样器133采样的某个比例参数。
来自目标物体或场景117的W-CLS响应光可以由光电探测器119相机在一系列帧中捕获，该相机可包括具有适当成像系统的焦平面阵列(FPA)。相机能够以帧速率F运行，提供一系列按时间tk拍摄的图像I(x,y；tk)。这些图像的电表示可以被发送到解码器121。帧捕获时间tk通常与CLS100中的编码系统或调制器105同步。这被显示为帧同步信号141。如下所述，还有其他方式发射帧同步信号，包括对CLS本身进行编码，以及如果相机或探测器系统和CLS在不同的系统中或相距很远并且电缆布线麻烦，则使用RF或其他链路。在大多数情况下，这种同步是有利的并且允许精确重构编码函数。
解码器121可以从相机接收按时间tk拍摄的帧的电信号表示。利用预先指定的知识gi(tk)，解码器121可以计算高光谱图像H(x,y,λp)。如本文所述，为特定波长段λi编码gi(tk)中的每一者。从光电探测器119的每个像素恢复光谱信息可以诸如通过使用编码调制函数gi(t)的正交性或伪正交性条件来完成，使得
其中，γ又是一个比例系数，在N个帧中适用于p(p≤N)个独立的调制函数。
方程6是为完全正交重构而写的，但可以被推广用于具有伪正交函数的真实世界的情况，或者用于可能在CLS100中产生串扰的情况，诸如可能由于光学器件缺陷或调制器105的限制。例如，调制器105不需要精确地放置在色散平面上。如果调制器105的一个或多个部分被放置在除色散平面之外的位置处，则调制器编码可以分别对应于不同波长的唯一线性组合或不同波长段的唯一线性组合，而不是分别对应于不同波长或不同波长段的唯一线性组合。可应用的方程可表示为矩阵方程，并且系统的发射部分上的相应唯一编码线性组合仍然可以由系统的接收部分上的解码器使用，以恢复对应于不同波长或对应于不同波长段的各个响应。因此，可以从所选择的数学函数的属性或从CLS100的表征中获知的交叉项可被包括在分析中。此处，为了清楚起见，使用方程6来保持分析的简单性，但是方程6的直接扩展可包括求解线性方程组以恢复编码信息，这样的技术可以并入本文而不失一般性。
由正交条件可知，在tk时刻拍摄的N个帧的高光谱重构结果为：
聚焦在相机的任何一个像素上，方程7可更容易理解。对于单个光电探测器119或几个光电探测器119(诸如用于例示光谱仪功能)也是如此。方程8中的最后一个等式来自方程6，因为它被应用于每个像素。因此，我们可以每N帧恢复一个完整的高光谱图像立方体。
此外，可以单独应用对参考通道131的重构来恢复：
通过将方程7的输出除以方程9，可以生成目标物体或场景117的反射率、透射率或散射r(x,y,λ)的精确测量。显然，CLS100的参考通道测量可用于自动消除响应光测量中光源漂移的影响。这种参考测量还可有助于消除校准CLS100的需要，诸如使用“白卡”，因为使用参考探测器131的归一化在持续的基础上执行这种校准。由于每个光谱段都可使用用于编码的相同时变函数来重构，因此低频或“DC”暗电流漂移也可以从测量中消除。这是本发明使用编码光来测量响应光谱的方法的有利属性。通过这种方法，使用参考探测器131可有助于避免对暗卡和白卡校准的需要。这些优势可广泛地扩展到通过这样的技术执行的任何光谱测量(或空间测量，也在本文中描述)—或者使用几个分立的光电探测器119或者光电探测器119的阵列，如在高光谱成像示例中所描述的。实际上，可有助于加速真实世界的数据获取，相对于需要校准的方法降低了使用系统10的成本，并使其比需要校准的这种方法稳健得多，诸如本文关于图2A与图2B之间的描述和比较所述。
本发明的方法的另一个优势(包括使用参考探测器131)可以遵循W-CLS的构造方式，其允许编码光谱光系统10的直接波长或光谱校准或正在进行的归一化。例如，系统10可包括图3、图4A和图4B中所示的色散方法或者图7A、图7B中的调制器，它们不需要波长色散，但是仍然可提供波长与调制码或它被分配到的调制频率之间的映射。如果由于各种光机械组件的漂移(诸如来自温度、湿度、老化或其他条件)而随时间发生漂移，则基于W-CLS的光谱仪或高光谱成像器可能会在波长方面无法校准。虽然当前的光谱仪或光谱成像设备可能需要定期校准，诸如通过更新内部校准参数，但如本文所述，本发明的方法可以省去校准光源和CLS光谱强度变化的繁琐工作。本发明的方法还可有助于提供用于连续或准连续波长校准的技术，或者更确切地说，提供波长到调制码的映射。这有助于允许持续的测量使用，诸如允许在不停止测量的情况下进行校准。例如，窄波长线源诸如氖校准灯可以与输入光源101混合或以其他方式组合。校准灯可以循环地或周期性地打开，或者可以连续地保持打开，以便在光谱中产生一个或多个额外特征，这些特征可由参考探测器131拾取以用于校准目的，并且根据需要从响应信号测量中归一化出来。校准灯的光谱线所显示的特定调制频率或代码可用于校准从调制码到波长的映射。如本文所述，有源狭缝源可直接结合具有已知发射光谱的一种或多种特定材料，以便有助于提供连续或正在进行的校准。
图8示出了成本效益高、稳健且稳定的方法的示例，其中薄膜滤波器137(例如，具有校准的光透射光谱)可以被放置在图1中所示的参考探测器131的前面，以便形成波长与调制码之间的映射。例如，如图8所示，参考探测器131可定位成接收编码光133的参考样本，该参考样本将被提供给照明光学器件115以照射目标物体或场景117。参考探测器131可由多个参考探测器135、136组成。分束器134可用于将编码光133的参考样本的第一部分引导到第一参考探测器135，并将编码光133的参考样本的第二部分引导到第二参考探测器135，诸如通过波长特定的滤波器137。例如，波长特定的滤波片137可被配置为选择性地通过与来自调制器105的编码波长中的一些或全部相对应的一个或多个透射波段ΛA,ΛB,ΛC。使用第一参考探测器135探测到的光可提供总体CLS效率的测量，诸如方程8所描述的。在第二参考探测器136处探测到的光强度与在第一参考探测器135处探测到的光强度之间的比率或其他差分关系可用于提供可由系统10的接收部分12使用的参考信号电平，诸如在解码器121的解码期间或者用于由控制/信号处理器13重构编码函数。以这种方式，由第二探测器136探测到的编码光133的参考样本的波长特定光和由第一探测器135探测到的编码光133的参考样本的波长复合光可用于创建特定编码波长的强度归一化图，以用于解码和重构。根据波长透射带的偏移类型，可包括一个或多个透射波段ΛA,ΛB,ΛC，诸如通过配置薄膜滤波器137。总之，这可以提供一种能够立即且直接地提供波长校准的技术，而不需要使系统10从其测量工作离线来执行校准。
因此，本发明的方法可以提供光谱测量系统10，该光谱测量系统可以没有DC漂移，并且不需要白卡校准来维持关于波长的校准。这是一个独特且有价值的优势，可影响所有权成本和可用性。一个或多个参考探测器131的包含和使用可能是有用的并且可以包括在本发明的方法中。
表3列出了调制函数gi和的一些示例。
表3：调制函数gi和的示例。
由于每个像素可以使用与预先指定的编码函数相对应的重构过程来独立地重构全光谱，因此每个像素生成与目标物体或场景117上的特定位置相对应的光的光谱。这保证了高光谱图像中所有不同波长段的空间配准。根据用于编码的调制函数的类型，可以在软件中组合多个光谱段(例如，通过不同的调制函数编码)。这种光谱段的组合可有助于减少光谱段的数量，并且还可有助于提高高光谱立方体的更新率。(这在前面已经描述过并被称为“软件可编程超立方体分辨率”)。
例如，能够以一定速率提供粗略的高光谱信息，同时随着重构中使用的帧的数量增加而继续细化光谱分辨率。当调制函数是傅立叶分量时，这是显而易见的，因为重构的光谱分辨率取决于用于重构图像的时间点或帧的数量。注意，大多数调制函数可以是循环的(例如，在某个时间T之后或在一定数量的帧之后重复)。这意味着以原始帧速率进行滚动更新确实是可能的，并且可以使用一组滑动帧来更新高光谱图像。
根据先前的解释和本文所述的数学方法，还可以得出，没有光谱合并的“黑白或灰度”图像也是同时可用的。可以诸如使用帧的“平均值”或多帧的平均值来提供这种“黑白或灰度”图像，而不应用任何重构算法。这与其他高光谱相机不同，因为光谱数据和“灰度”数据可以同时可用，并在空间上完全配准，没有视差，也没有时间延迟。黑白数据将具有更高的SNR，并且可以在图像处理阶段使用以发挥巨大的优势。整个过程的示例在图9中示出，其类似于图1中所示的示例，但是图9示出了使用高光谱探测器通道119A和黑白探测器通道119B的并行探测和信号处理。
表4比较了各种高光谱技术。
表4：高光谱技术示例
举例来说，本发明的方法可适用于受控环境，诸如机器视觉、医疗设备、过程控制、成像光谱学或任何可以通过W-CLS进行主动照明的地方。
如本文所述，如图1所示的多个相机或光电探测器可用于观察来自目标物体或场景117的响应光。每个相机都可以恢复完整的光谱信息。但是使用不同的相机可允许从不同的有利位置观察目标物体或场景117，或者可以允许覆盖目标物体或场景117的不同部分。在一些情况下，W-CLS 100照明光可具有比系统10的接收部分12上的第一相机的波长范围更宽的光谱范围。可以采用第二相机，其中第二相机包括光电探测器，该光电探测器可以由与第一相机的探测器材料不同的探测器材料制成。第一相机和第二相机可用于同时从同一目标物体或场景生成高光谱立方体，但包括不同(但可能重叠)的波段。这种方法可能是有利的。一旦W-CLS照射目标物体或场景117，任何相机都可转换为具有帧数据和重构软件同步的高光谱相机。
任何黑白或灰度相机(例如个人计算机(PC)、移动设备或独立设备中的相机)都可以通过添加W-CLS照明、帧同步信号和重构来“转换”为高光谱相机软件。这方面的一个示例如图9所示，示出了可用于高光谱成像的移动设备241，诸如智能手机。许多PC或手机相机已经配备了高质量相机。黑白相机可以轻松添加到PC或移动设备中的多个相机中，或者可以与RGB相机一起使用。辅助W-CLS111可用于照射目标物体或场景117。W-CLS111可以并入到移动设备241中并与该移动设备集成，但是为了说明清楚并且为了完全通用，它在图10中被单独示出，如下所述。
图10示出了CLS系统的示例，诸如可以包括移动设备，以提供控制器、信号处理器和相机，并且包括有线或无线连接的附件CLS，该CLS照射目标物体或场景117。在一个示例中，连接W-CLS111和移动设备241的电缆可以携带帧同步信息，或者W-CLS可以直接在将由单独的快速探测器探测的光上对帧同步时钟进行编码。例如，大多数环境光传感器都有足够的带宽可用于时钟同步。将帧捕获与W-CLS同步有助于使数据重构更加稳健，并有助于降低计算负载。因此，高光谱成像可以变得无处不在，这可以极大地帮助疾病的远程评估、皮肤状况的测量，或者植物、油漆或许多其他东西的光谱测量。例如，此类技术可帮助医生评估皮肤和下层皮肤的颜色变化，甚至可以进行基于图像的血液分析，以提供高质量的患者护理。在本发明方法的基础上，对漫射光光谱学的一些应用进行了详细描述，这些应用同样适用于高光谱成像。
本发明的方法同样可以很好地应用于RGB相机，并且不需要灰度相机。RGB相机中的每个像素都对光谱带的一部分敏感，并且光谱带之间存在一些重叠。在重构过程中，“R”像素将能够仅重新生成位于“R”透射曲线内的光谱段，对于“G”和“B”像素以此类推。如果RGB相机上没有IR截止滤波器，则大多数像素也会对NIR波长敏感。因此，本发明的方法不限于灰度相机，而是可以轻松地与彩色相机一起使用。在这种情况下，本发明的方法与使用不同灰度相机在不同波段中工作但接收来自W-CLS照射的目标物体或场景的散射光(其光谱宽度大于任何一台相机的光谱宽度)没有任何不同。
使用调制函数对光谱段进行编码还有另一个优势。这样做可以建立从波长到调制函数的映射，即从λi→gi(t)。重构的是gi的幅度。如果人们对目标物体或场景117的某种光谱测量感兴趣，其中目标物体或场景117的特性中的一个或多个特性可通过各种光谱分量的线性组合来描述，则根据方程7可以看出，可以通过使用重构函数的线性组合直接解调到期望的光谱输出。这意味着我们可以构造抽象的高光谱立方体，其中每种“颜色”都是光谱分量的线性组合。在许多应用中，诸如叶绿素含量的测量、皮肤疾病或色彩保真度的过程控制或其他用例，可以直接合成适当的度量并减少到更高水平的图像处理的数据传输，诸如本文其他部分所述。
虽然本发明的方法已经被描述为强调在基于W-CLS的高光谱成像器的分析中使用二维焦平面阵列，但本发明的方法和分析同样适用于一维线成像器。这对于某些应用可能是有用的，因为W-CLS光源可以聚焦到一维线，这又可显著提高照明功率。与面照明相比，线照明可以亮数十到数百倍，并且一维线像素阵列的像素尺寸相对于平面或其他二维像素阵列也可以更大。这两个优点结合在一起，可允许使用更小的W-CLS101或更快地收集数据，或两者兼而有之。特定的实际应用考虑因素可能会影响在线阵列或二维阵列之间的选择，并且可能以组合方法一起使用两者。
高光谱成像的应用太多，无法一一列举。本文所述的方法可应用于这些潜在应用中的任何一个，诸如可包括过程控制、通过测量叶、茎、果实或其他目标的化学含量实现精准农业，或应用于远程或临床健康领域中用于诊断皮肤病(诸如牛皮癣)、组织灌注，或应用于艺术品分析、验证和鉴定，诸如帮助揭露赝品或了解艺术大师的作品。随着这项技术的广泛应用，消费者可以不受光照条件的限制，用它来匹配家具和油漆，或用于烹饪或选购更有营养的食物。通过让高光谱成像技术像RGB彩色照相机一样普及，许多新的应用将得以实现，或者许多其他应用最终将以实用的价格点面世。
与上文所述利用本发明的W-CLS技术将黑白相机或RGB相机转换为高光谱成像器的方式类似，本发明的W-CLS技术也可用于将黑白相机转换为RGB相机。相机的典型光谱响应曲线与人眼的典型光谱响应曲线不同。因此，典型相机可能需要进行复杂的色彩调整，才能为人类观察者呈现悦目的肤色或其他色彩。普通相机中的RGB彩色成像取决于将不同光谱分量发射到底层像素的物理滤波器。包括本发明的基于W-CLS的系统可为此类物理滤波器的光谱特性提供极大的灵活性，诸如摄影师或艺术家所需的。有多种方法可使用基于W-CLS的技术来完成RGB渲染。例如，色散系统和编码可被布置为直接产生所需的RGB颜色的所需映射。以另一种方式，可以生成更高分辨率的高光谱数据，然后通过软件等方式将不同的光谱段组合起来，以便生成粗略的三色RGB图像。后一种方法可以更好地控制每个RGB通道的精确光谱形状，从而有助于提供高度的色彩渲染能力。此外，还可以通过使用高强度光源或本文所述的有源狭缝技术等方法，达到足够的理想亮度。
4.结构光和高光谱成像示例
本发明的技术可实现漫射光光谱学，包括组织漫射光光谱学的医疗设备应用。在一个示例中，使用W-CLS的高光谱成像可以与结构光组合以照射可能包括皮肤表面和下层组织的目标物体或场景117。使用结构光和高光谱成像可有助于提供有关皮肤光谱或结构信息(或两者)的前所未有的细节。它可以测量灌注、血气、血红蛋白浓度或其他有用的生物医学诊断信息，以及有关光子如何在整个面部或照明区域传播的信息，这可用于表征或诊断肿瘤。
图11示出了系统10的各部分的示例，其中照明光学器件115可包括结构化光照明器251或与该结构化光照明器一起使用。结构光照明器251可接收来自W-CLS光源100的光，诸如本文所述，并且可产生图案化的或以其他方式结构化的W-CLS光，诸如可投射到皮肤表面或其他目标物体或场景117上。结构光照明器251可包括图案化掩模或屏幕或扫描仪或其他技术，诸如可以在目标物体或场景117上形成W-CLS光的入射图案。这种图案的例示性示例可包括目标物体或场景117的表面上的点或线的图案。图11中示出了一个例示性示例，其中，在不损失一般性的情况下，光点的图案已经被投射到可包括受试者的手的目标物体或场景117上。在一个示例中，光的线图案(例如，线之间具有相同或变化的节距)也可用作投射图案。
如图11所示，本发明的技术可用于测量目标物体或场景117的结构属性(诸如可包括皮肤表面和下层组织)，诸如使用基于W-CLS的高光谱相机系统10(诸如图1所述并修改为包括结构光照明器251)测量光在组织中传播的一个或多个特性(例如，吸收、散射或其他特性)。所投射的斑点或点261中的每一者都可使用W-CLS光产生。因此，从每个点261周围的组织发出的漫射光携带关于以W-CLS光的编码波长中的每个编码波长在组织中的光传输的信息。这是一个非常丰富的数据集，可用于测量W-CLS光光谱中组织的吸收或散射系数中的一者或两者。解码的信息可提供关于用作目标物体或场景117的组织或其他样本的化学和结构成分的详细测量结果。但是，通过使用结构光照明器251进行成像，可以在多个位置处导出这样的信息，诸如对应于各个点261。结构光照明器251可包括扫描仪或光偏转器。通过扫描或移动斑点或点261，可以重构关于组织或其他目标物体或场景117的整个表面的信息。
组织属性的空间映射测量有助于直接了解组织结构和组织成分。当这些见解应用于人类健康时，它们可有助于有效地诊断、预测或表征患者的健康状况，诸如皮肤或组织的健康状况。这可包括诊断或表征皮肤癌、牛皮癣、表皮和真皮的各种疾病、组织灌注、氧合和血红蛋白状态(例如，使用与SpO2测量类似的原理)或其他属性。但本发明的技术可制作一个或多个此类属性的空间映射。因此，它们还可用于成像或分割或以其他方式识别或区分血管或其他结构。例如，可以对动脉和静脉进行成像和区分，诸如根据血管中携带的血红蛋白氧合状态的不同来区分它们的光谱属性。在光谱的近红外(NIR)区域，光子的穿透力很强，这种空间映射可实现恶性组织的诊断，诸如通过寻找血管生成、散射增加或局部氧合水平的变化。因此，本发明的技术可用于诸如癌症筛查(诸如乳腺癌)的应用中。
此外，在足够高的帧速率和SNR下，还可以直接测量整个表面的动脉搏动产生的光电体积描记信号—这是SpO2和心率测量探测器常用的技术。图像处理技术与丰富的光谱信息相结合，将允许沿着动脉和静脉测量光电体积描记图(PPG)，由于静脉中的血液颜色与动脉中的血液颜色不同，因此在高光谱图像中可以识别和区分。这种快速、配准、光谱分辨的图像可允许测量一个或多个参数，诸如动脉、静脉或组织目标中的一个或多个参数。例如，这样的参数可涉及氧合作用、血红蛋白含量、pH值、或一种或多种其他血液或组织属性。
在一个示例中，本发明的技术可用于提供诊断工具，诸如可允许无创测量血压或组织对压力的反应。例如，血管中血液的脉搏波速度可以表示当心脏泵血时沿主要动脉中的每条主要动脉传播的血压波。这种脉搏波速度是动脉僵硬度的重要函数。人类受试者的脉搏波速度可以在4米/秒至15米/秒的范围内，例如，取决于受试者的年龄、动脉顺应性等。但是对于特定的人类受试者，脉搏波速度还取决于受试者的血压。因此，脉搏波速度可用作无创测量受试者血压的替代方案。例如，诸如本文所述的基于W-CLS的高光谱成像技术可用于可视化沿着动脉传播的血压波。例如，可使用本发明的用于获得光谱信息的技术来获得动脉PPG，并且动脉PPG可用于测量脉搏波速度。对于典型的人类脉搏波速度，基于W-CLS的高光谱相机系统10可被配置为具有每秒60帧范围内的更新速率，这是容易实现的。
本发明的技术可进一步扩展到使用偏振光源的W-CLS，诸如在本文其他部分所述的偏振编码示例中进一步解释的。这可进一步加深对材料属性的了解。例如，可以将交叉分析仪放置在接收侧相机的前面。这可用于将投射的入射光点的镜面反射与光点周围的漫反射分开。在某些情况下，诸如涉及测量材料片(例如，塑料片)中的均匀性或应力的情况下，偏振映射可有助于提供材料应力的内部图，而对一个或多个散射参数的测量可提供深入了解材料片中不均匀性的尺寸分布。
虽然前面的描述集中于人体组织测量及其在皮肤病学和内窥镜检查中的应用，但本发明的技术可以应用于其他用途，诸如可扩展到植物组织、油漆(悬浮在基质中的散射颗粒和吸收剂)，诸如分析历史艺术和绘画的材料特性，或半导体晶片检查(例如，缺陷)。
4.基于波长编码光源的光谱仪示例
本节描述基于W-CLS的光谱仪，包括对散射的描述，诸如通过目标物体或场景117，诸如在组织和其他浑浊介质中。光谱仪可使用与本文所述的用于高光谱成像的技术类似的技术，但是光谱仪可能涉及使用很少或更少的探测器。本节介绍了各种光谱分析应用的示例以及增强W-CLS的方法，以便有助于提供更丰富的信息，否则这些信息可能难以通过光谱获得。
先前所述的高光谱成像可用于光谱学应用。有利地，从目标物体或场景117样本发出的光的各种分量(可以被反射、透射或散射)可以被同时测量，或者甚至在多个位置测量，而不需要多个光谱仪。每个探测器都可有效地充当光谱仪。根据特定应用的需要，可以将各种探测器放置在目标物体或场景117周围的任何位置处。因此，本发明的技术可以提供完整的、完全校准的光谱仪，只需在任何需要的位置安装探测器和电子器件。由于本发明的方法允许收集光学器件从目标物体或场景117或样本中简单地收集光子，因此光检测和处理的效率远远高于与样本相互作用之后对光进行的传统光谱分析，如图2B的示例所示。本发明的技术提供的高光收集效率可提供令人难以置信的效率优势，相比于与样本相互作用后的传统光谱分析(如图2B中例示性示例所示)，效率高10倍到1000倍。与传统光谱分析技术相比，这种效率的提高可用于帮助实现其他用途或应用，或帮助显著提高信噪比。在不失一般性的前提下，下文描述了一个详细的示例，其中基于CLS的技术可应用于组织或漫射光光谱学，其中目标物体或场景117的漫射材料对光的衰减是显著的。该示例可有助于强调根据本技术的基于CLS的光谱仪不仅可提供信号优势，而且本发明的技术还可有助于实现使用传统光谱技术难以实现的新模式。
图12A、图12B是大体示出用于对穿过目标物体或场景117(图12A)或从该目标物体或场景出射(图12B)的散射光执行光谱分析的系统的各部分的示例的示意图，该目标物体或场景诸如可包括生物组织或能够漫射光穿过(图12A)或从表面反射散射光(图12B)的另一种材料807，诸如用于使用本发明的技术进行探测和分析。例如，考虑提供宽带光的光源，诸如包括波长从600纳米到1000纳米的光，可将其分为N＝20个光谱段。在不失一般性的前提下，N可以是任何合理的数字，诸如从5个光谱段到500个或更多个光谱段，或者诸如本文另外所述。N个光谱段中的每个光谱段都可被给予唯一的时变调制，诸如本文所述。在施加时变信号调制之后，对应于各个波长段的调制光可以被组合以重新配制编码白光或宽带光，诸如形成空间均匀的W-CLS光源。该W-CLS光源可通过光纤束或光纤1202(诸如图12A所示)，或通过将其他光学器件甚至整个W-CLS系统与提供目标物体或场景117的皮肤或组织样本807放置在一起，传送到提供目标物体或场景117的皮肤或组织样本807。
入射到皮肤或组织样本807上并耦合到该皮肤或组织样本中的W-CLS光可被传输通过皮肤或组织807，并且然后可以被一个或多个光电探测器821、823测量。一个或多个光电探测器821、823可放置在皮肤或组织807上，或者以其他方式定位在一个或多个各种指定的相应位置处，并且距W-CLS光耦合到皮肤或组织样本807中的位置有一定距离。这类似于关于图10的使用基于W-CLS的高光谱成像器的结构光照明的描述。在图12A中，穿过皮肤或组织样本807的光的不同光谱分量在穿过皮肤或组织样本807时被不同地衰减。该衰减可取决于光电探测器821、823与W-CLS光耦合到皮肤或组织样本807中的位置之间的距离。衰减还可取决于皮肤或组织样本807的成分。在一个示例中，光电探测器821、823可被配置为恢复穿过皮肤或组织807并到达此类光电探测器821、823的光的整个光谱。例如，光电探测器821、823可以很大，以便提供足够的表面积来收集从皮肤或组织样本807或其他散射目标物体或场景117发出的光子的大部分或全部。来自光电探测器821、823的所得电信号可以由信号处理电路进行信号处理，以允许测量响应光的光谱。该信号处理可用于确定皮肤或组织807样本的波长依赖性吸收和散射截面，诸如使用由位于距光耦合到皮肤或组织807样本中的位置不同距离处的探测器821、823检测到的响应光的光谱测量结果。这样的光谱测量结果可携带关于样本807的血液和组织中的不同分子成分的状态的信息。光谱测量可足够快地进行，以测量由于动脉和静脉的脉动而引起的光吸收的变化，这是由于心脏的泵送作用而引起的，并且在较小的部分中是由于呼吸的吸气和呼气而引起的。光电体积描记法(PPG)技术可以使用这些脉动测量来检测关于血液化学状态的信息。SpO2测量就是这种技术的一个示例，其中只需两种波长的光就能测量血液中的氧饱和度，或使用更复杂的测量方法测量更多波长的光。某些方法可使用多个不同颜色的LED从不同位置产生光来照射组织。光吸收的脉动分量通常约为总光吸收的0.1％至3％，因此需要高SNR才能准确测量。然而，使用W-CLS的本发明的技术可提供更高保真度的信号(诸如下文所述)，并且还可提供将本W-CLS技术扩展到更宽的电磁频谱的方法，提供可以测量血液或组织中存在的更多化学物质的频率。
对于许多基于散射的测量—尤其是与人体组织光谱学相关的测量，光谱测量的质量取决于所有波长的光是否从同一空间位置入射耦合(incoupling)到组织样本807中。例如，当入射耦合光源与光电探测器之间的分离不依赖于波长时，校准会更容易，而且还可有助于减少运动伪影。这是因为大多数光谱分析都与光谱之间的相对变化有关。如果身体的运动平等地改变了所有的光，则会抵消这种变化。身体的运动可包括肌肉纤维、皮肤结构等的变化，以及光源和光探测器相对于身体的运动。由于本发明的W-CLS技术可提供从同一位置开始的所有颜色的所有光子，因此本发明的技术可用于抑制运动引起的变化，这与不同LED提供不同颜色、在不同位置照射人体的方法不同。
与非基于CLS的光谱分析方法相比，本发明的基于CLS的光谱分析方法可显著提高信噪比(SNR)。下面的表5提供了从光源到光谱测量的光收集的大致情况。每个阶段收集的光量与每个阶段的输入集光率(A*Ω)和输出集光率的比率成正比。此处，A表示面积，Ω表示光谱分析系统中每个阶段的光的立体角。在下表中，我们计算了传统光谱分析系统和基于W-CLS的光谱分析系统的集光率的比率。下标是指计算集光率的阶段。
表5：用于非CLS和基于CLS的漫射测量光谱学的信号链
表5中提供的信息可用于在非CLS和基于CLS的光谱仪之间进行比较，诸如方程9中所示，诸如使用表5中定义或解释的变量和符号。
在上述方程9的最后一行中，假设无论是将色散系统置于发射器处(如基于CLS的光谱学方法)，还是置于接收器处(如非CLS的光谱学方法)，色散系统的损耗(例如，一个或多个棱镜)都大致相当。然而，对于相同的给定色散系统，基于CLS的光谱学方法将比非CLS方法具有更好的光通量。这是因为，在基于CLS的方法中，光源和CLS位于同一光学系统中。在非基于CLS的方法中，接收光谱仪的集光率远小于漫射光在穿过散射组织或材料807之后的漫射光。
但即使有如此简化的假设，方程9中的最后一项也清楚地表明了使用基于CLS的光谱方法的优势。对于能够接收来自各个方向的辐射的光电探测器，则ΩΔ＝π。对于具有给定f/#的光谱仪，则光谱仪狭缝区域的一个示例是宽度为约100微米，高度为最多几毫米。该示例给出了0.1毫米2至0.5毫米2范围内的狭缝面积。光电探测器的面积很容易超过几毫米2。光电探测器的面积在7毫米2至20毫米2的范围内是容易实现的。因此，方程10的最后一项的量级为(f#)2(40-100)>500。如果将所有其他优势都考虑在内，基于CLS的光谱甚至可以提供更高的信号。这一优势可以通过多种方式带来好处。例如，具有小型电池供电光源的基于CLS的便携式光谱仪可以提供与具有大型固定光源(诸如卤钨灯或成本数千美元的超连续谱激光器)的系统相同的SNR。在一些应用中，基于CLS的光谱仪可包括使用一个或多个极其灵敏的光电探测器，诸如一个或多个雪崩光电二极管(APD)，以帮助提高灵敏度。这些类型的光电探测器几乎总是极其昂贵或难以或不可能与光电探测器阵列一起使用，诸如在不使用基于CLS的方法的传统光谱仪中。
与使用光电探测器阵列的非基于CLS的光谱仪相比，本发明的基于CLS的方法可以提供一个或多个其他益处。利用本发明的基于CLS的方法(不需要不同光电探测器的光电探测器阵列来探测不同波长范围)，不存在诸如使用光电探测器阵列会导致的像素化。因此，在本发明的基于CLS的方法中，无需担心探测到的响应中像素间的不均匀性，也无需担心像素饱和度。此外，通过对CLS内部的参考通道探测器131和在光与样本807相互作用之后的一个或多个响应测量探测器821、823使用相同的探测器，可以使用来自参考通道探测器131的信息进行校准或归一化，以减少或去除W-CLS光源100、801的光谱变化的影响。此类技术还可用于调整光电探测器821、823的响应度，如前所述，使得可以获得完全校准的光谱响应信号。使用当前基于CLS的方法，还可以避免DC暗平衡问题，因为调制和重构可以消除任何DC漂移。如前所述，添加波长校准光源还可以提供持续或连续的光谱校准，而不需要单独的编码波长用于校准目的。
本发明的基于CLS的方法可提供其他优势，诸如用于体内组织光谱学。例如，考虑当光穿过受试者的手指或一些其他组织样本807时对光的测量，诸如用于测量样本807的血液和组织成分，诸如在氧饱和度(SpO2)测量设备使用情况中。为了进行例示性比较，市场上提供的多波长SpO2设备(https://www.masimo.com/technology/co-oximetry/set/)测量的不仅仅是血氧水平。在这种组织测量设备中，使用多个LED光源来测量穿过组织样本的光透射率。但良好的测量需要LED波长的稳定性，这可能取决于温度、注入电流和批次间的变化。因此，这些多个LED光源设备可能需要仔细的校准和复杂的制造。这大大增加了制造和使用此类设备的成本。此外，由于所有不同颜色的LED并非在同一光入射耦合位置入射到皮肤上，因此这类设备很容易出现校准误差和运动伪影。组织中漫射光传输的物理特性对源-探测器分离非常敏感。对于不同的LED，源-探测器间隔是LED颜色的函数，因为不同颜色的LED距探测器的距离不同。此外，从不同LED波长下的光谱响应测量结果推断动脉血液成分取决于某些假设，例如不同颜色光子所采取的光传播路径相同。当不同位置的不同LED发出不同颜色时，这可能会出现问题。此外，LED可能会产生略有不同的颜色，诸如批次不同、温度或偏置电流不同。因此，现有的两种颜色SpO2测量设备可能具有显著的测量误差，诸如由波长不确定性以及所有波长的照明光都行进相同路径的假设引起的。
使用本发明的W-CLS方法可减少或消除大部分这些困难，如本文档A节所述，以及本文档B节所提供的示例中进一步所述，其中解释了基于LED的光谱学的应用等。包含所有不同波长的编码光可以在同一位置处入射并耦合到组织样本807中，诸如使用光纤或光纤束1202，诸如图12A所示。光电探测器821、823可以测量来自组织样本807的整个编码响应光谱，诸如借助于固定且明确定义的源探测器分离距离。可使用多于一个的光电探测器821、823来测量指定的不同源-探测器间隔处的光传输，这又可有助于提供关于组织样本807的成分或其他性质或属性的更详细且准确的信息。如所解释的，能够采用参考探测器131来获得校准的光谱响应，使得可以在现场进行准确的样本测量。
除了如上所述的使用本发明的W-CLS方法进行组织测量的益处之外，本发明的W-CLS光谱学方法还有至少两个进一步的且有利的益处。本发明的W-CLS方法具有可扩展性—可根据需要使用更多的光谱段，同时保持光谱精度。与不使用W-CLS的传统光谱测量相比，本发明的W-CLS方法还可以为漫射组织光谱测量提供100倍至1000倍的聚光能力。
对于散射通过组织样本807的光的光谱分析(诸如图12A中所示)，或者来自散射表面的反射率的光谱分析(诸如图12B中所示)，传统的非W-CLS光谱分析技术依赖于在图12A、图12B中的每个位置处具有光谱仪，在该处示出了探测器821、823。如前所述(包括关于表5和方程9所述)，高分辨率光谱仪只能接收极少量的衰减响应光。因此，传统的光谱测量方法必须使用高强度光源，诸如超连续谱光源、等离子体生成的光源，或耗电量达数百瓦或价格达数万美元的大型氙/氙钨灯泡。相比之下，本发明的方法不需要高强度光源，但是这样的高强度光源可以任选地与本发明的方法一起使用，但是以获得附加益处的方式使用，诸如照射更大的表面积或更暗的目标物体，或者更快速地或以更高的SNR收集数据等。此外，重复已经陈述的一点，在光谱测量的传统方法中，使用传统的非W-CLS方法进行两个并行测量涉及使用两个昂贵的光谱仪。因此，对多光谱或高光谱分析的详细科学理解和前景仍然局限于实验室，因为在实验室中存在用于进行此类研究的昂贵设备。相比之下，本发明的W-CLS方法可以将此类测量从实验室的限制中解放出来，并可以在现场使用小功率光源进行同等甚至更高质量的光谱测量，并为每个光电探测器增加光谱测量能力。本发明的W-CLS方法的高光子收集效率能力意味着确实可以拥有足够高的带宽并保持所需的SNR来测量多个或许多光谱通道上的光电体积描记图(PPG)和其他动态现象，诸如用于帮助提供对受试者组织样本的准确无创测量，诸如用于帮助诊断人类或动物健康。
因此，本发明的W-CLS技术可以提供许多实用的测量益处，诸如紧凑、低价、单宽带光源。更具体地，由于通过避免常规光谱仪在样本的接收侧的较低光环境中对色散光学器件的需要而获得较高的光收集，因此可以降低发射侧光源功率。此外，如所解释的，本发明的W-CLS方法可允许所有波长的照明光入射在目标样本807上的同一单个位置处，从而帮助避免由于不同波长采取不同路径穿过样本并因此经历与样本的不同相互作用而导致的不准确性。本发明的W-CLS方法还可以提供在多个位置重构光谱的能力，以任意几何形状，无论光电探测器放置在何处，都能获得高SNR。使用多个光电探测器，诸如可定位在各种不同位置的光电探测器，就可以分别测量不同波长的散射系数和吸收系数。这不仅可以应用于测量血液参数的患者监测光谱仪(如前所述)，还可以应用于许多其他用途，诸如测量液体的浊度，或测量植物生理学的一个或多个特性，或大脑或乳房的功能成像，如使用近红外光谱法，它可以使用多个光响应信号拾取位置进行断层重构。
下文描述了一些其他例示性示例应用。例如，本发明的W-CLS方法可用于短波红外区域的高SNR光谱法，诸如测量一种或多种成分，诸如脂肪、蛋白质、酒精或葡萄糖。本发明的W-CLS方法可以实现无创血糖测量(NIG)—先前的NIG尝试似乎因以下一种或多种原因而失败：光谱覆盖范围不足，无法获得足够高的SNR，无法访问多个光谱区域(诸如800纳米至1000纳米以及1500纳米至1800纳米)并获得散射和吸收的独立测量。对于NIG，需要以足够的多样性来测量组织的光学属性，以允许信号处理消除一种或多种混杂效应，诸如皮肤类型、组织水合作用、体温等的影响。先前对NIG的尝试被葡萄糖的变化会导致一个或多个其他参数发生系统性变化“欺骗”，而这些参数也会因其他原因而发生变化。
本发明的W-CLS方法可允许同时执行多点(例如，来自多个探测器，诸如可以根据需要不同地空间安置或定位)不同的光谱测量，诸如可以提供稳健的葡萄糖诊断或预测的基础。例如，使用本发明的W-CLS方法，可以测量700纳米至1800纳米范围内的光谱响应，涵盖体内发现的许多现象和材料。凭借足够高的SNR，可以在整个波长范围内跟踪PPG脉冲，这可以消除其他组织的一种或多种影响，诸如使用类似于应用于SpO2测量的技术。可以使用本发明的W-CLS技术在多个位置监测光谱响应，诸如有助于确定随葡萄糖浓度变化的一个或多个散射参数的变化。与PPG无关的缓慢变化也可以跨所有波长进行监测。由于本发明的W-CLS方法允许所有波长的入射光在同一位置入射耦合到样本中，因此可以减少运动伪影，或者可以系统地与光源在被测试样本上的放置相关联。这样可以建立组织的精确光学模型，从而可以跟踪组织的变化。此外，一旦确定了适当的光谱区域，就可以“调整”W-CLS波长编码以仅提供必要的波长，诸如前面参考“可编程分辨率”所描述的。其他改进可包括使用有源狭缝或基于PIC的调制器。虽然这一解释在一定程度上强调了NIG用例，但该方法可应用于体内、植物或其他目标中发现的许多其他化学物质。
例如，本发明的W-CLS方法可应用于植物组织的光谱分析，诸如在800nm至2400nm区域，诸如测量类黄酮、生物碱、多酚等中的一种或多种。
图12B示出了可使用本发明的W-CLS方法以便提供对来自样本表面的光散射的多角度、多波长测量的布置。用途可包括表征表面纹理、表面类型和材料组成，并且可以在紧凑的模块中实现，诸如关于图45在本文档的B节和其他部分所描述的。例如，类似的方法可用于其他基于散射的测量，诸如表征气溶胶。
本发明的W-CLS技术还可以应用于光学传感器，诸如可以通过与刺激变量成比例的光谱响应的变化或刺激变量的其他函数来测量温度、应变、压力、磁场或一些其他刺激变量的传感器。这在高电磁干扰(EMI)或其他恶劣环境中可能是有利的，因为本发明的W-CLS方法可允许独立于光强度或各种组件的老化来测量光谱偏移。这种传感器系统的示例可包括法布里-珀罗(FP)谐振器(例如，具有如图13A所示的透射波长光谱响应偏移)或光纤布拉格光栅(FBG)(例如，具有如图13B所示的透射波长光谱响应偏移)结构。W-CLS方法可以提供光谱偏移的直接测量，诸如图13A、图13B所示，例如当询问FP谐振器、FBG谐振器或其他光学传感器结构时。
本发明的W-CLS方法还可用于空气质量测量应用，诸如提供紧凑、稳健的仪器，其可测量一种或多种气体或气溶胶，诸如O2、CO2、水蒸气、CH4以及烟雾或其他颗粒物。光学气体测量可使用红外吸收光谱法，使用针对一种或多种特定气体的非色散红外(NDIR)仪器。颗粒散射的探测或表征可使用可见光波长进行。对于气溶胶分类，可以在多个角度测量衰减和散射。对于本发明的W-CLS，编码波长范围为500nm至5000nm，这可以使用普通灯泡作为光源来实现。可使用特定波长的宽带编码对光源进行编码，该特定波长可使用色散组件(诸如棱镜)获得。
图14A、图14B示出了如何针对特定气体、气溶胶或颗粒测量在感兴趣的各种重要波长处提供编码的示例。图14B示出了如何使用复合光电探测器141(例如，由硅、InGaAs、PbS和PbSe制成)来执行响应光探测的示例，该复合光电探测器可提供能够全部同时探测相应波长的各个光电探测器元件。以这种方式，在W-CLS照明光已经穿过空气或其他待测试介质固定的距离之后，复合光电探测器的各个光电探测器元件可以测量感兴趣的整个波长光谱。侧面光电探测器143可用于测量来自可见光/NIR或整个波长光谱中的颗粒的散射。光电探测器141可测量不同气体的光学衰减，因此能够直接测量它们相应的浓度。烟雾和其他颗粒物(例如，花粉、细菌等)会将光散射到侧面光电探测器143中，并且由于光散射而导致光电探测器141处的衰减。宽带(例如，可见光和NIR光)可用于提供有关各种类型的颗粒和颗粒分布的详细信息。此外，光电探测器141可跟踪一个或多个特定光吸收带，以便测量各种相关的大气气体以及气溶胶，诸如图14B所示。如本文其他部分所述，诸如关于图23，可以使用其中光可以被反射回来的配置，诸如使用一个或多个回射器，这可有助于避免对远程探测器的需要。气溶胶(从纳米到微米的小颗粒)的表征具有特定的波长依赖性散射和衰减，这可能取决于颗粒尺寸分布和材料吸收。如本文所述，本发明的W-CLS方法可被配置为允许多角度测量(任选地在不同的偏振下)，以便有助于准确地确定或分类气溶胶类型。这可以应用于安全领域。它还可用于监测空气中的环境过敏原。由于现有光谱仪的成本高昂，在家庭、办公室或工厂车间不容易进行气溶胶的光谱表征。本发明的W-CLS方法可有助于使提供空气质量信息具有商业可行性，诸如可用于空气质量的智能控制、不同类型烟雾的测量或其他应用。例如，在烟雾探测应用中，使用关于多角度、多波长散射的信息可有助于显著减少误报，并且可允许区分不同类型的烟雾，例如，警告财产燃烧或类似火灾的存在，但不警告焚香的存在。
上述示例可以扩展到涉及多个角度的散射吸收测量的许多系统。图11中所示的系统可以多种方式与图14A、图14B中所示的系统结合。重要的商业市场可包括水中浊度测量、流式细胞仪或大气测量，诸如长基线测量。
在上述应用中，重构可包括使用正交性或自相关性，这可以通过系统发射侧的W-CLS编码时钟与系统接收侧的重构时钟同步或对齐来实现，以便有助于促进高SNR重构。对于占地面积较小的系统(如上文所述)，编码时钟可通过电线从CLS系统的发射侧发射到系统接收侧与光电探测器附接的信号测量组件。但是，关于图14A至图14B示出和描述的技术可以在长基线上扩展，诸如光电探测器141可以位于距离CLS数米或千米的位置，而不必通过物理线路或使用无线电传输无线地发射时钟。相反，时钟信息可以在CLS本身上以指定的频率直接编码，诸如以比编码函数占用的频率区域高得多的频率。这可与本文其他部分所述类似地实现，诸如在图10的高光谱成像应用的从CLS发射到相机的帧同步信息的描述中。这允许在远端恢复编码时钟以进行高保真重构，而无需与W-CLS系统的发射侧进行直接有线或RF通信。可使用通过W-CLS通道传输编码时钟的示例性应用是表征大气中的气溶胶。在这种情况下，W-CLS源与探测器之间的路径可能很长。因此，从W-CLS源到探测器进行布线以进行正确重构可能不切实际。因此，光学CLS信号本身可以进行光学编码，以便包括定时参考输出，从而提供定时参考信号，其中定时参考信号在发射侧被光学嵌入到所调制编码的不同波长分量中的至少一个分量上，并且在接收侧被光学恢复，以提供同步或定时参考信号。另选地(或附加地)，编码时钟还可通过单独的RF来发射。这将允许测量大气散射参数。
5.具有高速光源调制的W-CLS示例
如上所述，W-CLS光散射和光吸收的测量可使用空间上不同的测量来执行，诸如使用结构光高光谱相机，诸如上文关于图11所述，或者使用多探测器测量，例如上文关于图12A、图12B所述。另选地或附加地，可以测量照明光的行进时间，例如，这种光穿过目标物体或样本807、117的漫射组织或材料行进到光电探测器821、823的时间。
例如，光穿过目标物体或样本807的传播时间可以被测量(例如，通过信号处理器电路13)作为照明光源的相位延迟与高频调制的关系。例如，对于纳秒范围内的光传播时间延迟，例如用于执行相位延迟测量的高频调制在数十MHz至GHz范围内。例如，可使用一种或多种技术，诸如时域漫光反射光谱法(“TD-DLS”)或傅立叶域漫光反射光谱法(“FD-DLS”)，以便允许直接测量样本807的散射介质中的散射和吸收与光波长的函数关系。如先前所述，这样的测量对于表征样本807是有用的，诸如对于多次尝试。例示性示例可包括组织或其他生物样本807的医学相关参数的无创测量，诸如组织温度、水合作用、SpHb、葡萄糖等中的一项或多项。
本发明的W-CLS技术可与LS的高频调制一起使用，以提供进行此类测量的实用方法，诸如在临床或工业环境中。例如，FD-DLS可与W-CLS一起使用。系统10的光学照明器或发射侧11对kHz至数百kHz范围内的不同光波长组的W-CLS调制可另外由系统10的光学照明器或发射侧11的相同或不同调制器以甚至更高的频率进行调制，诸如MHz至GHz范围内的高频(HF)调制，以便使得FD-DLS技术能够用于表征样本807。关于系统10的发射侧11上的这种调制的信息可以由系统10的接收侧12上的控制器/信号处理器13使用，诸如用于解码并恢复关于W-CLS光谱段的幅度、相位或其他响应信息，或使用更高频率调制，以同步从相机119或其他光电探测器(例如，821、823)或两者读取像素或其他信息，诸如通过也可以使用照明调制定时参考信息的硬件或软件。
图15示出了使用W-CLS调制和HF调制两者的幅度与频率的概念图。图15示出了不同的W-CLS调制光分量1506的示例。这些调制光分量1506可具有在kHz到数百kHz范围内的调制频率。调制光分量1506可使用对应的调制频率以各种波长单独编码，诸如本文所述。这种编码和调制可能涉及使用机械调制器或其他调制器，其示例在本文中描述。另外，向调制器105提供光的光源101本身可以被调制，诸如以fl左右的高频，诸如通过使用耦接在光源101与编码调制器105之间的高频光学调制器。以这种方式，光源101可提供随后可高频调制的光，以便向编码调制器105提供高频调制光分量1507。在图15中示出了从编码调制器105输出的用于幅度调制CLS的所得光谱的示例。
如下所述，高频调制频率fl可以扫描或扫频，以便在不同光学波长下产生系统的复杂响应。高频的扫描可通过扫描LS的调制频率或者通过使用基于PIC的调制器来完成，诸如关于图7A、图7B所描述的。电光学调制器阵列可提供足够的带宽来直接生成调制光谱，诸如图15所示的所有光学波长下的调制光谱。应当注意，调制频率可以被推入MHz至GHz范围，以便测量穿过样本807的光传输的相位或频率响应。此类高频的解码可使用一种或多种RF解调技术。例如，对于图15的示例中所示的光谱，可以将高频fl解调到中频，从而将相位信息传送到中频。然后，可以使用编码光源频率中每个编码光源频率下的直接数字转换和I-Q解调来恢复幅度和相位信息。这类似于先前所述的用于恢复高光谱相机光谱信息的技术，其中未解决相位项，因为在之前的情况下，与穿过样本的光速相比，帧速率可能太慢807。但是W-CLS技术即使在多个波长的高频系统响应的更先进的信号处理中也能很好地工作。
这样的信号处理技术可包括将频域动态光散射(“FD-DLS”)与W-CLS或与S-CLS一起使用，诸如与LIDAR或其他应用一起使用。例如，假设感兴趣的光谱跨越用于W-CLS调制码的频率，其总带宽(BW)可表示为Δfcode。换句话说，W-CLS调制码的范围从g1(t)到gn(t)跨越频率区域Δfcode。在W-CLS的最初描述中，光源101本身没有被调制。相反，未调制的光源101将光传递到调制器105，该调制器执行W-CLS调制。为了采用光信号的FD-DLS测量，例如在诸如用于W-CLS的多个波长下，广谱光源101本身可以被调制，诸如在高频Ω下。HF调制频率Ω可以在MHz范围内，诸如期望与预期的相位变化或时间延迟一致，该预期的相位变化或时间延迟将与穿过样本807的光相关联地测量。在一个示例中，HF调制频率Ω可通过直接调制超辐射LED(“SLED”)光源101或通过使用基于磷光体的光源101来实现，其中磷光体的宽带光输出可以通过泵浦激光器或使用一个或多个波导调制器来调制，诸如图7B所示。因此，由于光源101在频率Ω下的直接HF调制，穿过样本807并在光电探测器821、823处接收的光的信号频谱将包括高频调制，其两侧是与W-CLS编码调制相对应的两个边带(例如，在W-CLS编码为幅度调制编码的示例中)。如果没有W-CLS编码调制，则光源101的以频率Ω的高频调制将在一个或多个光电探测器821、823处被接收，诸如以一定延迟
或对应的相位φ＝Ωτ 方程10
该延迟相对于照射并入射耦合到样本807中的入射光的相位，其中z表示入射耦合位置与光电探测器821、823之间的距离，并且c表示样本807的介质中的光速。可以使用I-Q解调技术来解调调制频率Ω的高频调制。但是，如下所述，对于W-CLS，可以使用W-CLS光的一个或多个或全部光谱分量来测量相位延迟。
为了理解FD-DLS如何与W-CLS一起应用，可以假设高频调制可以是频率为Ωl的正弦调制。还可以假设W-CLS编码中的每一者都被正弦编码，诸如以对应的频率ωk。使用其他正交或准正交函数而不是使用正弦函数进行类似的分析。为了说明清楚而不失一般性，本说明集中于正弦函数。对于kHz范围内或小于光源101的高调制频率ωk的W-CLS编码频率Ωl，出射的W-CLS照明光可描述为：
在方程11中，ωk表示W-CLS编码调制的波长λk中每个波长的不同单独调制频率。在图14中示出了调制光分量的频域描述的概念性图示。在光与介质807相互作用之后，在光电探测器821、823处所得的接收到的光信号可表示为：
使用信号处理解调技术诸如控制器/信号处理器13中的解调器中的I-Q解调(其可以同时应用于频率Ωl+ωk下的多个“载波”)，可以恢复每个λk下的相位和幅度。信号处理诸如I-Q解调技术可使用多于一个载波频率Ωl来应用，以便消除由于相位缠绕造成的模糊性，只要φk＝Ωlτk>2π。注意，方程12中的系数ak和出射光照明信号的定时可以使用参考探测器131来测量，并且被传送到控制器/信号处理器13的解码器121。因此，控制器/信号处理器13中的解调器可以直接测量(rk,τk)，这可以针对每个特定的λk执行，并表示为该解码的相位延迟信息可以提供关于样本807的色散和散射介质的性质的详细信息。
如上所述，高频调制频率Ωl可以扫描或扫频，以便在不同光学波长下产生系统的复杂响应。高频的扫描可通过扫描光源的调制频率或者通过使用基于PIC的调制器来完成，诸如关于图7A、图7B所描述的。电光学调制器阵列可提供足够的带宽来直接生成调制光谱，诸如图15所示的所有光学波长下的调制光谱。
尽管图15示出了与具有边带的幅度调制相对应的示例，但是可应用一种或多种其他合适的调制技术。例如，各个光谱分量可分别用唯一的伪随机、随机或类噪声信号或序列来编码，诸如可以具有宽带宽。在这种宽带编码情况下，每个光电探测器821、823处的输出信号与伪随机、随机或类噪声信号或序列中每一者的输入调制的互相关可用于直接产生系统在各个波长中的每个波长下的高频光谱响应。
可以使用扫频高频技术(诸如图15所示的示例中所示)或类噪声宽带编码两者，以便根据系统的频域测量结果生成系统的脉冲响应。这种宽带W-CLS的应用的一些例示性示例包括在以下描述中。第一，不同波长下的频率响应或相位延迟可用于表征人类、动物或其他生物组织。这对于无创医疗诊断或治疗设备可能是有用的，包括诸如本文其他部分所述的设备。第二例示性示例可包括测量被布置为光学探测器的半导体样本的电频率响应，诸如在宽光谱范围内，以测量光学探测器在光谱上的响应度和一个或多个电特性。第三例示性示例可包括获得数十个或数百个级联光纤布拉格光栅(FBG)的同时测量，诸如其中可以测量和表征时间延迟和光谱偏移两者。本发明的技术(包括使用W-CLS)可以在这三个(和其他)例示性示例中的每个示例中提供便利和简化。
对于半导体测量或表征，诸如在上面的第二例示性示例中提到的，采用W-CLS的本发明的技术可提供诸如快速且方便的测量的益处，这又可加速材料属性的研究。光子感应电荷的迁移率和光子在半导体中的吸收深度可确定特定探测器的固有电带宽及其响应度。详细描述响应度与波长、频率的关系既费时又费力。相比之下，使用W-CLS技术来照射被布置为光电探测器的半导体样本可通过简单地使用被测试的半导体样本作为光电探测器来直接测量半导体样本的响应度，诸如本文其他部分所述。进一步以高频(诸如在MHz至GHz范围内)调制光源101可将样本/探测器的响应度绘制为调制频率的函数，从而生成频率相关响应度的详细映射。这种方法可用于新探测器的研究以及新探测器和光敏材料的表征和设计。上述示例是例示性的，其他应用也可采用本发明的技术。
现在进一步描述可以在高频下有效调制并且可以为宽带W-CLS提供基础的宽带光源101的例示性示例。首先，在一个示例中，超辐射LED可提供20纳米至100纳米的光谱宽度，并且可直接调制到数百MHz并且可能是1000MHz调制。其次，可以调制激光泵浦磷光体，诸如可具有由磷光体的发射时间限定的调制带宽。一些磷光体能够以数百MHz的频率进行调制。这些磷光体或磷光体的混合物可具有范围从500纳米至1000纳米或者甚至高达1500纳米的光谱宽度，以便形成能够快速调制的宽带光源。
6.有源狭缝光源示例
如上所述，W-CLS技术可用于多种配置和应用。除其他之外，本发明的W-CLS技术和系统配置可有助于将光谱分析的负担从接收侧12(在与目标物体或场景117、807相互作用之后，其可用光子相对稀缺)转移到发射侧11或光源101(与在与目标物体或场景117、807相互作用之后可用的光子相比，其具有相对丰富的可用光子)。当然，可存在在接收侧12上执行的一些附加数字信号处理，诸如用于对在发射侧11上编码的光进行解码，诸如使用本发明的W-CLS技术。参考探测器131和帧同步可被包括在发射侧11上，以便将信息传送到接收侧，诸如用于在接收侧12上进行有效解码。
在以上对图3、图4A、图4B的示例的解释中，所采用的某些光色散技术被描述为包括其中可使用“狭缝”将光传递到光散射光学元件的示例，诸如用于光色散光谱学、高光谱成像或诸如本文所述的各种其他应用。但狭缝限制了可以从光源LS101收集的光量。因此，这样的狭缝会导致光学效率的显著损失。然而，在上述配置和应用中以及在其他配置和应用中，诸如通过提供“有源狭缝”，可以显著提高这样的效率，诸如本文中所描述的。诸如本文所述的有源狭缝还可有助于实现或提供在使用W-CLS构造系统10中的附加功能和灵活性，并且可提供可调谐的有源狭缝光源，该可调谐的有源狭缝光源甚至可在使用W-CLS的系统10的上下文之外的其他应用中使用。
可以使用某些磷光体和LED来构造有源狭缝。例如，使用激光泵浦磷光体，可以提供发光亮度为100微瓦/纳米至1000微瓦/纳米的有源狭缝。这与激光泵浦等离子体源或短脉冲激光器生成的超连续谱或氙钨灯的发光亮度相当，而达到这样的亮度需要消耗数百瓦的功率。通过用适当的磷光体构造有源狭缝以提供如此高的发光亮度和效率，可以减小系统的尺寸，因为当消耗较少的电功率来产生如此明亮的光时，将降低热需求(例如，用于功率输送和散热)。使用白色LED磷光体可以实现1瓦/毫米2至100瓦/毫米2的输出发光功率强度，诸如可用于汽车前照灯或一般照明。可用于其他技术的激光和LED泵浦的基于磷光体的光源可用于本发明的系统和技术中以构造高效率的W-CLS。
某些这样的源的一个实质性优势在于，如果需要，可使用单个高温源(例如，灯丝、气体等)来生成整个宽带光谱，与LED或磷光体的集合相比，该高温源在随时间、随温度和批次变化进行测量时是光谱稳定的。某些光谱学方法可从稳定光源中获益，该光源可照射目标物体或场景117或样本807，以便然后测量目标物体或场景117或样本807的光谱响应。如本文所述，在某些方法中，在每次光谱测量(或每隔一段时间)之前，需要执行用于校准源探测器响应的“白卡”测试以及“暗”校准。此外，为了通过光纤(或光纤束)发射来自光源的光或提供良好准直的照明，诸如用于显微镜或角度敏感的光谱测量，或将光源聚焦到一个小点，光源的集光率G＝A源Ω源应小至或小于照明和耦合要求。总之，这些考虑因素可能使得在某些光谱学方法中使用LED或LED/激光泵浦磷光体源变得困难。
事实上，一些光谱分析方法可能涉及广泛的校准、内部光谱仪或光电探测器阵列来测量光谱输出。某些色散可调谐的光源可基于耦接到单色仪或窄带滤波器系统(需要准直光)的宽带光源，并可提供用户可选择的窄带光。
诸如下文所述，本发明的技术可包括有源狭缝，该有源狭缝可潜在地超越某些其他可调谐光源的性能。值得注意的是，这样的有源狭缝可以提供极其紧凑且功率高效的光源101，诸如用于使用CLS技术(诸如W-CLS)。具体地，如下所述，使用有源狭缝CLS方法可减少或消除使用异质光源(诸如空间上分离的光源混合物，诸如图16B和图18所示)的某些障碍，如本文其他部分所述。
在本发明的方法的示例中，在照明光与目标物体或场景117或样本807相互作用之前，目标物体或场景117或样本807可用编码波长照明，其中在光源101处或在系统10的发射侧11上提供光谱分析的光谱色散。该发射侧方法可与附加的光学技术一起使用，该附加的光学技术可允许使用LED或LED/激光泵浦的基于磷光体的有源狭缝光源101，并且可有利地解决和避免之前提到的校准问题。相反，本发明的方法本身可为W-CLS的光谱输出提供持续或连续的校准。使用例如包括由一个或多个LED/激光器泵浦的一个或多个磷光体的高效率有源狭缝光源101，可提供精确的、低功率的光谱分析，其可超过光谱仪的某些其他方法的性能。
图16A示出了有源狭缝的示例，该有源狭缝包括不透明外壳或屏幕1604中的限定形状的非不透明通道(诸如狭缝1602)，该不透明外壳或屏幕将光源101与下游光谱分析或其他组件(诸如色散光学器件、调制器等)分离或屏蔽，诸如图3、图4A、图4B、图14A、图14B所示。在光谱仪狭缝的传统方法中，狭缝1602只是受光源照射的开口—为了高效率，来自光源的光必须聚焦在狭缝上。狭缝的辐射度(单位面积每单位球面的功率)决定了通过狭缝的光量，这些光可以被收集并在色散系统的其余部分的下游使用。
在本发明的有源狭缝技术中，“开口”狭缝被有源狭缝1602替代。有源狭缝1602不仅仅构成不透明屏幕中的不透明开口。相反，有源狭缝1602被配置为在形成有源狭缝1602的区域中主动地生成光，例如，诸如通过在有源狭缝1602区域中提供一种或多种磷光体材料。这样，具有期望形状(例如，狭缝)几何发光区域的光源直接形成了光谱系统的有源狭缝1602。通过用入射光刺激有源狭缝1602中的磷光体材料，可以诱导填充有磷光体的有源狭缝1602从有源狭缝1602主动地发射光，该入射光诸如来自形成用于激励来自填充有磷光体的有源狭缝1602的光发射的激励光源1606的一个或多个LED或激光器。
图16B、图16C、图16D和图16E示出了可以实现这种有源“狭缝”1602或类似W-CLS结构的各种方式的示例。在图16A的示例中，一种或多种磷光体可以填充有源狭缝1602。在图16B的示例中，多种磷光体(其可以是相同磷光体类型或不同磷光体类型)的组合可位于有源狭缝1602的不同区域中，诸如沿着有源狭缝1602的长度的不同位置处，诸如图16B的示例中所示。如果需要，有源狭缝1602区域中的不同类型的磷光体可用于提供不同光谱区域中的光。有源狭缝1602区域中的磷光体可以由来自激光器或LED光源1606的任何合适方向的入射光泵浦。如果需要，除了磷光体之外或者作为磷光体的替代，有源狭缝1602区域可任选地包括一个或多个LED光源。有源狭缝1602可以形成多波长有源光源，诸如由有源狭缝1602的光发射区域在空间上限定的。作为适合于色散系统的示例的例示性示例，有源狭缝1602的典型宽度(定义为应用色散的方向并且通常是两个维度中较窄的一个)可以在10微米至1000微米(含)的范围内。磷光体和LED能够在这样的维度内确定尺寸和形状，以便提供来自有源狭缝1602的光输出。磷光体有多种材料类型，并且可以进行选择、混合或两者兼而有之，以便根据需要提供所需的直接或复杂的光谱光发射。在一个示例中，荧光或尖锐谱线生成材料可以被包括或混合在有源狭缝1602区域中的材料中，诸如用于提供波长校准，诸如本文其他部分所述的与W-CLS一起使用。
图16C示出了其中有源狭缝1602的不同部分(例如，在图16C中示出的示例中的不同宽度部分)可以由不同的LED/激光器照射或者由不同的磷光体(例如，不同的磷光体类型或不同的磷光体成分)制成的示例。在这样的示例中，有源狭缝1602的不同部分可任选地单独或一起调制，诸如使用来自一个或多个适当调制的泵浦激光器、LED或两者的入射光。这种调制可以在刺激光源上以电子方式进行。这可能很有用，诸如以多种不同的方式。例如，可以保持宽度为w的单个薄狭缝的分辨率，同时具有聚集宽度为nw的n个狭缝的聚光能力，诸如通过以特定序列(诸如Golay序列)调制宽度为w的每个薄狭缝。这种方法可有助于提高光吞吐量。狭缝的调制可能很困难—特别是对于传统的空气开口狭缝。具有多个宽度区域(诸如图16C的示例中所示)，每个区域可以像狭缝一样起作用，并且可以采用一个或多个Golay序列或其他调制序列(诸如通过以电子方式调制一个或多个发光刺激光源)来帮助改善由有源狭缝1602提供的并且在下游可用于W-CLS的总光。每个“区域”可任选地由不同的磷光体材料或成分制成，分别跨越不同的感兴趣波长范围。因此，可以在W-CLS中使用图16C所示的有源狭缝1602，以便根据需要提供不同光谱范围的光输出。
图16D示出了其中一个或多个激光器或LED 1606可耦接到玻璃或其他波导板1608上的示例。玻璃板1608可以将入射耦合的光引导到形成在玻璃板1608的端部处的有源狭缝1602区域中的磷光体1610。因此，在该示例中，有效“狭缝”1602只是在玻璃板1608边缘处的发光磷光体有源条带1610外围界定的有源发光区域—而不需要不透明屏幕或屏蔽件1604来限定有源狭缝1602的外围边界。玻璃板1608的尺寸、形状或以其他方式配置为其自身限定有源条带的这种外围边界，从而提供有效的光的泵浦、聚集和引导，诸如图16E的“光漏斗”示例中所示。
因此，如本文所述，本发明的技术可允许使用光源本身作为色散系统的有源“狭缝”1602或类似的可互换有源“条带”。尽管图16A至图16E的描述尤其集中于用作有源狭缝1602或有源条带区域中的光发射器的磷光体材料或LED材料，但是本发明的技术不限于此。例如，热源或适当成形的气体放电区域的热灯丝或热丝可附加地或另选地形成有源狭缝1602(或可互换的有源条带)，诸如与W-CLS或一个或多个其他应用一起使用。
图17A示出了与垂直有源狭缝1602相关联的详细光线轨迹的示例。有源狭缝1602可以由光发射器的任意组合组成，诸如以图16B所示的布置。图17B示出了与垂直有源狭缝1602相关联的详细光线轨迹的示例，该垂直有源狭缝可以由光发射器的任意组合组成，诸如以图16B所示的布置。
在包括色散光学器件(诸如图17A、图17B中所示为光栅，而不失一般性)的色散光谱分离器的例示性示例中，穿过有源狭缝1602的不同垂直区域的光可以在不同位置成像到色散平面311上，诸如在不同高度处，诸如图17A所示。图17B示出了形成有源狭缝1602的有源光源(其可被配置为发射不同的光波长)映射到色散平面311中的不同垂直区域的示例。通过遮蔽其他区域，并且仅使用穿过期望的指定感兴趣区域312中的掩模的波长来传递光，可以避免不需要的光阶(例如，较高的衍射阶)，而无需使用阶次分选滤波器，否则可能需要使用阶次分选滤波器。由于色散平面311中的光谱将被调制(例如，诸如使用多功能调制器105，其示例在图17D中示出)，因此可能希望多功能调制器105能够沿着色散平面311在不同高度处进行调制。图17D示出了这种具体实施的示例。在图17D中，多功能调制器105可包括在色散平面311处的旋转图案化掩模，诸如上文关于图6A所示和所描述的。这样的调制器105可用于调制沿着色散平面311的光的不同光谱分量。通过在调制器105前面使用光学掩模或网罩(为了清楚起见，从图17D中省略)，仅允许对指定的感兴趣区域312中的光进行调制。光栅上不需要的高衍射阶次可通过光学掩膜或网罩从调制器105上屏蔽掉。这样，就可以消除任何阶次分选的需要。图18示出了避免阶次分选滤波器的另一种方法的示例，如下所述。
7.有源或其他光源输入调制和波长校准以及更高分辨率操作的示例
如前所述，可使用参考探测器131和发射侧11测量方法。这可有助于实现波长校准，或者可有助于实现无漂移测量(或两者兼而有之)—即使在使用多个光源时也是如此，诸如多个光源中的各个单独的光源可能独立漂移，诸如随温度、时间或批次变化而漂移。可以附加地或另选地采用一种或多种其他技术，以便帮助实现一个或多个这样的目标。
图18A、图18B示出了CLS光源1800布置的示例，该布置可包括多个光源和反射(或透射)光栅以及不透明屏幕中的针孔，该针孔可用于从光栅通过期望的波长，其中屏幕上的偏离针孔位置用于剔除光栅上不期望的波长。在图18A的示例中，多个(例如，两个)LED1802(例如，产生不同波长的光)可以分别放置在不同的对应期望位置处。每个LED 1802可以提供不同波长的光，诸如用于对CLS光源1800作出贡献。控制电路可用于利用对应的电调制信号来驱动每个LED 1802或为其供电，并且LED的该电信号输入调制可用于对每个单独的LED 1802以其指定波长输出的光进行编码。来自这些不同LED 1802的光线轨迹分别用红色和蓝色示出以供说明。这些光线轨迹分别表示来自这两个不同LED 1802的两个不同波长组，其可被引导通过折射或准直器元件1803并且被引导向光栅1804。在图18A中，光栅1804能够以Littrow配置布置，在该布置中光栅1804的发光角度可被选择为使得光栅1804的衍射角和入射角相同。在该配置中，入射到光栅1804上的光线可以被衍射回源LED 1802。反向衍射的“反射”几何形状并不是必须的，但这种几何形状可以将光线沿折叠路径引回，从而提供紧凑性。透射几何结构也能起到类似的作用。光栅1804的反向衍射光线可被引导向不透明片中的针孔P并通过该针孔。由于这些LED 1802处于不同的空间位置，因此每个相应LED 1802的反向衍射波长光谱中只有特定部分会穿过针孔P，具体取决于各个LED 1802的放置及其发射的光谱。LED光谱随温度的变化，或制造批次间的变化，或LED 1802放置的小的变化，都可能影响从针孔P出射的光吞吐量，但不会改变从每个LED选择的光谱组。因此，来自光栅1804并穿过针孔P的反向衍射光可以相对不受LED 1802的发射波长的漂移、改变或变化的影响。这种变化抗扰性可有助于减少或避免使用参考探测器131来执行发射侧测量的需要。
概括地说，来自多个LED 1802或具有不同发射光谱的LED泵浦磷光体的光可以在穿过针孔P之后组合它们的波长，以便形成W-CLS100。此外，每个LED 1802或光源可以单独地直接进行电输入调制，诸如通过根据特定LED 1802的指定调制序列来控制特定LED 1802的电功率信号。因此，在该示例中，不需要外部调制器105。相反，可以使用传递到对应LED1802的电信号来直接输入调制多波长异质光源。
图18B示出了与图18A的二维(2D)图示相对应的三维(3D)视图的示例。图18B仅示出了会聚到针孔P的那些光线。图18A、图18B的折叠光学路径方法可用于形成非常紧凑的W-CLS100。这种结构紧凑的特点可以充分利用不断进步的微型LED技术。此外，许多基于LED和磷光体的光源可以在高频下调制，诸如在数十MHz的范围内。这可允许有源狭缝1802、有源条带或LED 1802直接用于FD-DLS或TD-DLS，诸如上文所述。
图18C示出了可有助于概括图18A和图18B的示例的另一个示例。在图18C中，多于两个有源光源(诸如LED 1802)可以被单独地进行电输入调制，并且所得的光可以沿着路径传送到屏幕S中的针孔P，以选择性地提供重组的多波长均匀CLS。在图18C中，LED 1802与针孔P之间的折叠光学路径可包括凹面反射镜(M3)1810，其可以将来自LED 1802的光反射向反射模式衍射光栅(G)1812。反射式衍射光栅(G)1812可以选择性地将其接收到的某些波长的光衍射到凹面反射镜(M2)1814，该凹面反射镜可将光反射并聚焦向不透明屏幕S中的针孔P，通过该针孔可以提供重新组合的多波长均匀CLS，诸如用于本文所述的各种系统配置中。
图18D示出了这种特定系统配置的示例，其中LED 1802可包括多个(例如，如图所示，8个)IC芯片LED 1802，这些IC芯片LED可以被机器“拾取并放置”在印刷电路板(PCB)1820上，其定位精度落在一定的制造公差内。LED 1802可发射不同波长的光，并且可利用不同的调制波形代码gi(t)单独地进行电输入调制，诸如先前所述。从LED 1802发射的光可被反射(诸如通过凹面镜(M2)1822)向反射模式光栅(G)1824。反射模式衍射光栅(G)1824可选择性地将其接收到的光的某些波长衍射回凹面反射镜(M2)1822。反射镜(M2)1822可将光反射并聚焦到不透明PCB 1820屏幕S中的针孔P。通过针孔P，可提供入射到目标物体或样本807上并进入该目标物体或样本的CLS。例如，样本807可包括人类或其他生物组织或其他漫射材料。PCB 1820的下侧可具有安装到其上的光探测器821、823，诸如用于探测响应于入射CLS而引发的响应光。
图18C、图18D示出了向CLS提供包含各种波长的光的单个光束的不同方式的示例，这些光可以分别用不同的编码函数进行电输入调制。发出不同波长光的LED 1802中的每一者可被放置在不同的位置，但是被布置成使得色散系统的作用是使所有不同的波长穿过共同的针孔的配置。LED 1802可分别用代码gi(t)直接进行电输入调制。CLS输出可例如从独立调制的LED 1802中的每一者提供例如3到32个离散波长组。对于本文所示的各种示例，包括图18A、图18B、图18C和图18D的示例，可使用参考探测器131(诸如本文其他部分所述)来增强对响应信号的信号处理，以考虑发射侧照明可变性。
由于LED的发射光谱因温度、电流和批次不同等原因而变化，除非仔细选择和校准，否则在光谱法中使用这种LED源可能非常困难。然而，在图18A、图18B、图18C和图18D所示的配置中，穿过针孔P的波长可通过光学器件的色散特性来固定或选择。因此，LED光谱的变化变成了穿过针孔P的所选波长的可用光强度的变化。但是，如前所述，使用参考探测器来适应光源强度的变化允许在响应光的信号处理中基本上消除光源强度变化的影响。为了清楚起见，参考探测器未在图18A至图18D中示出，但可以类似于本文其他部分所示的方式被包括。
图18D是紧凑型版本，其中示出了单个光栅1824(例如，Littrow配置)，以便组合来自8个LED 1802的光，每个LED发出不同波长的光。图18D的配置可用于测量一种或多种组织或血液属性，例如，在紧凑的几何形状中。单个PCB 1820在其底表面上承载适当放置的LED1802、光栅1824和单个聚焦镜1822组件以及光电探测器821、823。LED 1802经由PCB 1820中的针孔P生成CLS光束，该CLS光束入射并进入组织(或其他介质)，并且一个或多个光电探测器821、823可以收集散射光子。在图18D中所示的情况下，可使用在所有LED波长下的光谱分析来确定组织属性，诸如先前所述。通过以直角反射LED光，可以使光学几何结构更加紧凑。总之，可以提供薄而紧凑的CLS光源，满足对材料属性进行良好散射测量的所有需求。
图19示出了一个示例，其中可选择性地引导或扫描宽带或多光谱光源(例如，一个或多个LED)101，以便在不同的时间(诸如以交替或其他时间序列)将光源泵浦或以其他方式提供给多于一个泵浦区域，例如不同的有源狭缝区域1602A、1602B。这些不同的有源狭缝区域1602A、1602B可位于不透明屏幕上，诸如本文其他部分所述。有源狭缝区域可向色散光学器件103提供光，诸如可将波长分离为期望的波长段λ1、...、λn(来自有源狭缝1602A)和λ’1、...、λ’n(来自有源狭缝1602B)，诸如在xy色散平面311处。多功能调制器105可位于色散平面311处，诸如本文其他部分所述。
通过选择性地引导或扫描到泵浦区域位置中的特定一个位置(例如，有源狭缝区域1602A、1602B中的一者)，可以移动沿着x轴的色散波长图，诸如移动所需的量(例如，一半波长)。因此，在当光泵浦有源狭缝1602A时调制λ1的x轴位置处，当光泵浦有源狭缝1602B时，这样的位置调制略微不同的波长λ’1。
图20示出了波长λ相对于沿着x轴的位置x的概念性示例，其中虚线表示用于泵浦有源狭缝1602B的光的波长到位置映射，实线表示用于泵浦有源狭缝1602A的光的波长到位置映射。波长偏移可允许在特定x轴位置执行的调制码通过选择性定向或扫描期望的泵浦区域位置或有源狭缝1602A、1602B来调制不同的波长段。因此，通过在波长图中应用“偏移”并测量每个偏移的光谱响应，就可获得更高分辨率的光谱。这种配置和操作可与Golay序列的原理相结合，该序列可采用一组数字移位和调制模式(“Golay码”)，这些模式可以非常有效地工作，并且只需要一次互相关操作就可以对响应信号进行信号处理和代码重构。无论是否采用Golay码，本发明的技术都可允许对光谱的不同部分进行采样，然后重新创建更高分辨率的光谱，只要测量在重复采样期间不改变即可。即使不进行扫描，也可以“调谐”波长段，诸如到沿着x轴的一组期望的位置，并可与本文所述的波长校准技术相结合。
8.空间编码光源(S-CLS)示例
上文的描述强调了用于制造和使用光谱编码(波长编码)光源(W-CLS)的技术。但是可以附加地或另选地使用角度或其他空间编码光源(S-CLS)来提供某些优势。例如，光束可以被传播和投射，使得光束锥的不同角部分可以携带不同的代码。
图21A示出了S-CLS200的示例。在该示例中，光源1900可通过多功能调制器804投射包括各种角度θk的光束锥。多功能调制器804可以对光锥的不同角度投射区域θk进行不同的空间编码，诸如在一维或二维中。光锥的这些不同区域θk形成角度段，类似于本文关于光谱学所述的光谱段。这些不同的区域可使用不同的调制码函数gk(t)来进行编码，以便形成可入射到目标物体或场景117上的照明S-CLS200光。所得的S-CLS200编码光的一部分可以在发射侧被引导向参考探测器131。参考探测器131可测量角度或空间光分布的指示，并且关于这种测量的信息可以与上述方式类似的方式提供给系统接收侧的信号处理电路。S-CLS200编码光本身可以是宽光谱的，携带多种光谱分量，也可以是窄光谱的，诸如使用LED或激光器产生的光源。多功能调制器804能够以与用于光谱编码(W-CLS)的多功能调制器105类似的方式在不同的空间位置处提供不同的调制码函数gk(t)，诸如先前所述。例如，用于图21A的S-CLS配置的多功能调制器804可采用关于图6A、图6B、图7A或图7B中的一个或多个图所示和所述的调制器中的一个或多个调制器。响应于S-CLS照明光200而生成的来自目标物体或场景117的光可以在一个或多个探测器821、823处被接收，并且被转换以用于由控制器和信号处理器电路进行解码和其他信号处理，诸如以与先前所述的方式类似的方式。
图21B示出了用于S-CLS的多功能调制器804的基于波导的具体实施的示例。来自光源1900的宽带或窄带光可以穿过分束器803。图21B示出了1xN分束器803，其产生从光源1900分出的所得的N个光束。N个光束中的每个光束都可经历不同且唯一的调制函数gk(t)的调制，诸如以与图7A或图7B所示的方式类似的方式。所得的调制光束可穿过透镜或其他投射光学器件1910，以形成可将光投射到目标物体或场景117上的S-CLS。
一般来说，先前关于W-CLS光谱学编码和重构的大部分解释可以类似地应用于使用S-CLS的空间编码和重构。然而，在S-CLS中，编码自由度不是波长，而是空间或角度维度。由于来自目标物体或场景117的散射光与目标物体或场景117的局部反射率成比例(其可以是角度相关的)，所以S-CLS光束的每个编码部分都与目标物体或场景117相交于一个特定的位置。来自目标物体或场景117的这种散射光可诸如通过一个或两个或更多个光电探测器821、823被收集和转换，并且被解码和以其他方式进行信号处理。由于一个或多个光电探测器821、823仅需要收集散射光子，因此与光电探测器821、823相关联的收集光学器件不受对目标物体或场景117成像的限制。这可有助于收集更多的光，并且可提供比涉及成像的其他方法更大的数值孔径。
在图21A的S-CLS配置中使用的一个或多个光电探测器821、823能够以多种方式使用或应用，本文引入并描述了其中的一些例示性非限制性示例。在一些示例中，来自多个光电探测器821、823中的各个光电探测器的输出可以被组合，以便有助于改善来自目标物体或场景117的光子的总收集。在S-CLS重构之后，特定的调制码映射到目标物体或场景117上的特定位置，诸如基于照明光学器件1910。特定代码与物体上的位置之间的映射可独立于光电探测器821、823的放置。它可以仅取决于S-CLS与目标物体或场景117之间的关系。这与传统成像方法不同，在传统成像方法中，图像形成取决于物体接收器的几何形状。在一类例示性应用中，可通过将多个探测器821、823放置在相对于目标物体或场景117的多个不同角度来测量整个目标物体或场景117的角度相关反射率。
如上所述，W-CLS方法可以大幅提高光收集效率。这可以提高信噪比(SNR)，诸如对于漫射光光谱学。S-CLS也有类似的优势。假设目标物体或场景117被强度为I0的S-CLS光均匀地照射。然后，探测器收集的散射光由下式给出：
其中a是“像素”或探测器面积，f#是光输入到光电探测器时透镜或其他光收集光学器件的f数。
在成像传感器(诸如线成像器或相机)中，包括低f数透镜的光收集光学器件可改善光收集。然而，这是以复杂且笨重的光学器件为代价的。经过一番努力，低f/#光学器件的尺寸和重量可以减小。此外，像素尺寸可限制在1mm至50mm范围内(取决于待成像的波长范围，例如从UV到LWIR)。否则，成像器芯片就会变得太大并且极其昂贵。可以基于待使用的期望波长范围任选地选择特定的光电探测器或成像光电探测器阵列。
但有了空间编码照明S-CLS，就无需在接收侧进行“像素化”。因此，使用S-CLS，光电探测器和相关联的输入光收集光学器件可被配置为收集尽可能多的光子，而不受像素或其他成像限制。使用S-CLS，可以使用等效f/#＜1的高光收集非成像光学器件，诸如使用一个或多个光电探测器和对应的由高折射率材料制成的固体透镜，诸如可直接粘合到光电探测器传感器表面。光电探测器的尺寸本身可以很大，诸如毫米级或厘米级，具体取决于系统的带宽需求。下表6示出了使用S-CLS与成像方法相比在光收集方面的巨大进步。
表6：S-CLS编码照明与传统成像的比较
S-CLS巨大的集光信号优势使得它甚至可用于照明功率有限的应用。在不失一般性的前提下，下文描述了一些例示性、非限制性示例。
实施例1：塑料分拣或过程测量示例
塑料分拣是一项重要的商业和环境优先事项，诸如减少最终进入垃圾填埋场的废物。类似地，在许多过程控制或质量控制的情况下，需要对传送带上移动的材料进行识别或表征。这种识别或表征可包括观察其光谱特征。
图22A、图22B示出了可以使用本发明的技术的示例，诸如用于实现材料识别或表征系统，诸如用于分拣或其他应用。
图22A示出了可以对投射光进行空间编码的材料识别、表征或分拣系统2000的示例。宽带波长均匀光源LS可被空间编码，诸如使用本文所述的编码函数gk(t)以生成空间编码光源S-CLS200。S-CLS200可以将S-CLS照明光投射到目标样本或物体2001上，诸如可以在传送带2002上携带。多个光电探测器2003可被布置为接收来自目标样本或物体2001的响应光，诸如可被单独配置为收集和转换不同光波长的响应光。所得的电信号可被传送到控制器或信号处理器电路2004，其可用于执行S-CLS光的编码和解码，以及执行经转换和解码的S-CLS光响应信号的信号处理。可以生成每个空间位置处的光谱响应图。
图22B示出了可以对投射光进行波长编码的材料识别、表征或分拣系统2010的示例。宽带波长均匀光源LS波长编码，诸如使用本文所述的编码函数gk(t)以生成波长编码光源W-CLS101。W-CLS101可以将W-CLS照明光投射到目标样本或物体2001上，诸如可以在传送带2002上携带。灰度相机119(例如，线成像器或2D成像器)可被布置成接收来自目标样本或物体1901的响应光，以便识别每个空间位置处的光谱。所得的电成像信号可被传送到控制器或信号处理器电路2014，其可用于执行W-CLS光的编码和解码，以及执行W-CLS响应图像信号的信号处理。可以生成每个空间位置处的光谱响应图。
因此，在图22A、图22B中，系统2000、2010两者可分别允许生成每个空间位置处的光谱响应图。取决于用于分析特定样本2001的材料的波长区域，或者特定过程控制问题的需要，图22A的S-CLS技术可能比图22B的W-CLS技术更优选。例如，在塑料分拣的情况下，可轻松获得许多光谱信息来识别或分析不同的塑料类型，诸如使用波长在1200纳米至2000纳米之间的红外光谱。图22B的W-CLS配置中的灰度相机119可能是昂贵的，诸如如果使用由InGaAs制成的焦平面阵列。因此，尽管图22B的W-CLS具体实施可提供比图22A的S-CLS配置更高的光谱分辨率，但是使用快速灰度照相机119对快速移动的传送带上的物体进行W-CLS分析可能是昂贵的。另一方面，图22A的S-CLS技术使用几个分立的InGaAs光电探测器2003，观察在几个精心选择的波长下对S-CLS照明的散射光响应，可实现经济高效的材料识别、分类或分拣。图22B中的S-CLS方法速度极快，光收集效率高，而且成本比高光谱成像仪低得多。对于涉及使用可见光或近红外波长范围的光进行分拣或测量过程变量的不同问题，硅基成像器可能是合适的、廉价的和高灵敏度的，因此图22B的W-CLS系统2010可能优于图22A的S-CLS系统2000。
实施例2：THz线成像器示例
S-CLS技术不限于电磁波谱的可见光或IR区域。例如，考虑在77GHz或94GHz或任何其他RF或毫米波段运行的毫米波长系统。
图23示出了类似于图22A、图22B中所示的系统2100的示例，其中可诸如通过多个同步毫米波长光源的直接调制来产生毫米波长S-CLS2102。编码的S-CLS2102可以用不同的调制码在不同的方向上照射。接收侧响应探测器2104可包括用于接收反射毫米波的天线，诸如可以由控制器或信号处理器电路2106解码和信号处理以创建目标物体或场景117的图像。这种毫米波成像可提供在墙壁或其他障碍物后面的实用的成像。例如，当毫米波S-CLS2102引导向典型的房屋墙壁时，墙壁后的空腔可能包含金属或塑料管、木材或金属螺柱等。毫米波S-CLS2102反射率测量可示出墙壁后这些其他物体的图像，因为金属具有高反射率，并且许多墙壁材料在这些毫米波长下相对透明。扫频毫米波S-CLS2102甚至可以用于材料识别，因为在THz区域，不同的材料可能具有显著不同的介电常数。此外，THz S-CLS2102源可进行幅度调制，诸如在MHz至GHz范围内。先前关于漫射光光谱学中测量相位或时间延迟的讨论可应用于此处描述的THz区域技术。在THz区域中，这样的相位或时域测量可对应于并提供到THz反射物体的距离测量的指示。本发明的技术可用于提供幅度调制雷达，但具有生成目标物体的图像以及生成光谱反射的能力的附加优势。因此，使用THz范围内的S-CLS2102，可以构造障碍物(诸如墙壁)后面的物体的图像。该THz图像可以非常丰富，可以在不同的THz频率下进行测量(诸如可用于提供THz高光谱成像器)，并提供到目标物体的距离的指示。
在作为仪器的实际具体实施中，人类可见的红色或绿色激光器可被包括在系统2100中并且其光束可以与人类不可见的毫米波光束共同对准。这样，用户就能看到毫米波光束正射向人类可见的红色或绿色激光束所指示的目标。类似地，可见光视频或其他相机可被包括在系统2100中。系统2100可使用可见光相机来拍摄目标场景的一张或多张照片，诸如在用户扫描墙壁时。图像处理可由控制器或信号处理器电路2102执行，该控制器或信号处理器电路可包括或耦接到用户界面，该用户界面可包括显示器，该显示器可被配置为将毫米波图像叠加在可见光图像上，该可见光图像包括可见光相机可看到的人类可见激光束的瞬时位置。
上述这些实施例1和实施例2示出了可应用本发明的S-CLS或W-CLS技术或两者的方式的一些非限制性示例。基于CLS的仪器可以多种方式应用，以解决涉及一个或多个物体的光谱或空间映射的许多实际问题。
在关于图23所述的示例中，系统2100可包括毫米波调制器组2101，其可用于形成图像和测量距离，诸如使用针对高带宽W-CLS所述的技术。系统2100可包括(例如，在单个集成电路(IC)芯片上)“光”源(电磁辐射源)。电磁辐射源可包括毫米波源或生成频率范围从几GHz到数百GHz的电磁辐射的发射器。例如，毫米波源或发射器可包括THz振荡器电路2103。
系统2100可包括波导分路器2105，诸如用于接收由THz振荡器2103或其他电磁辐射源生成的电磁辐射，并且将接收到的源辐射分成相应分量以传递到相应调制器2101，诸如调制器2101组。所得的调制电磁辐射可被传递到天线2107的指定位置。天线2107可生成编码的THz辐射照明2102，用于传递到目标物体或场景并对其照射。因此，这与图21B的描述类似。调制器2101本身可分别包括对应的开关，以便施加唯一的调制码gi(t)。
在系统2100的接收侧，毫米波探测器2104可接收响应信号，诸如可从目标物体或场景散射或反射的响应信号—作为实际示例，在图23中示出为具有螺柱和管道的墙壁。来自探测器2104的经转换的电响应信号可由信号处理器电路2106接收并进行信号处理。信号处理可提供关于对应于调制码gi中的每个调制码的强度的信号信息，其与天线2107将辐射定向到的目标物体或场景处的对应位置成比例。
以与先前针对FD-DLS描述的方式类似的方式，可通过CLS生成和重构控制器/信号处理器2106中的相位恢复信号处理来恢复编码方向中每个编码方向上的信号相位。在这种情况下，相位延迟对应于毫米波的时间延迟。因此，信号的相位延迟可用于提供到物体的距离的“测距”测量，而信号的强度可提供成像信息。如关于图21B所述，本发明的技术可在可见光或红外光中使用来构造LIDAR成像器。可以使用各种不同的编码方案来恢复时域中的幅度或频域中的幅度-相位，诸如本文所述。对于毫米波成像器的情况，诸如图23所示，可使用不同的源频率来生成雷达图像。在一个示例中，这可包括使用宽带源发生器(例如，THz振荡器2103)和一个或多个不同调谐的探测器2104，诸如以与先前关于图22A的示例所述类似的方式。在图23中所示的情况下，其中目标物体或场景可包括背衬有各种螺柱、管道等的视觉不透明的墙立面，这样的系统2100不仅可提供到墙壁和位于墙壁后面的各种物体的图像和距离，而且还可用于识别在其构造中使用的一种或多种材料，诸如通过对它们在毫米波区域中的属性进行信号处理和光谱分析。
9.偏振编码示例
观察物体的偏振敏感图像可提供一种灵敏的方法来发现缺陷、材料内应力或表面划痕。例如，在皮肤病学中，胶原纤维可提供高偏振依赖性响应等。偏振测量对材料和结构双折射敏感。材料变形、散射粒子几何形状的变化以及菲涅耳反射的变化都对偏振敏感。基于偏振的成像或测量可用于材料的过程控制或测量。一般来说，可通过观察不同照明光偏振下的目标物体来分析目标的偏振状态。
本文所述的CLS技术可扩展为包括提供偏振信息，以便增强W-CLS技术中的所有波长，或者增强S-CLS技术中的所有空间位置。附加的偏振信息可与本文所述的光谱或空间测量一起提供。这可通过以与用于调制S-CLS中的空间分量或W-CLS中的光谱分量的频率或代码空间不同的频率或代码来调制光源的偏振来实现。当代码对应于调制频率时可说明这一点，但使用类噪声或其他正交或近正交调制技术时，分析同样有效。
图24示出了CLS系统2200的示例，诸如可包括S-CLS或W-CLS系统配置中的线性偏振光源。系统2200可包括旋转半波片，诸如其在频率fpol下旋转线性偏振的状态。偏振调制可以通过多种方式实现。例如，可包括基于液晶(LC)的电可调谐波片或四分之一波片，然后是旋转偏振器2202。偏振器2202可放置在系统2200中的多功能调制器105、805之前或之后。考虑到使用类傅立叶分量的分析，多功能调制器105、805可生成正弦或余弦分量。调制器105、805可被布置用于调制，使得各个调制码以2*fpol分开。旋转偏振器2202提供偏振状态并在单独的调制码中的每个调制码周围生成边带，诸如图24中概念性地示出的。在偏振CLS光已经与目标物体或场景117相互作用之后，所得的响应光可在包括在系统2200中的一个或多个探测器821或相机119处被接收，如前所述，其中不同方向的偏振分析器被放置在它们的前面。如图24中概念性地示出的，编码调制的频率fk中的每个频率都会在fk±fpol处产生边带。因此，通过增强解码和重构中使用的重构函数以包括这些附加频率，可实现完整的偏振光谱或偏振空间映射。该技术可推广到其他时变函数和代码。
10.不同编码技术之间相互关系的示例
已经描述了多个示例来说明对光源进行编码(诸如使用W-CLS或S-CLS)以及测量由接收编码光的一个或多个探测器所转换的响应光的自由度的多个优势。此外，编码照明技术可与高频调制技术无缝地结合，诸如本文所述。这种高频调制技术可被实现为多速率调制器105的一部分，特别是如果调制器105基于集成光子学。这种编码或高频调制还可通过调制光源本身来执行(例如，以一种或多种期望的调制频率切换到光源的电力等)。附加的高频调制可允许执行附加的时间延迟或相位测量，诸如以调制频率的函数。因此，此类附加技术可用于测量距离(诸如在S-CLS的情况下)，或用于测量光谱散射或吸收特性(诸如在W-CLS的情况下)。还可测量偏振敏感响应，诸如通过进一步调制光源的偏振，诸如以类似于光源的高速调制的方式，这样的偏振响应测量可以提供相位延迟或距离的测量。这些技术可以一起使用或叠加使用，因为每个探测器都可以测量编码自由度。
所述的光学系统的示例和配置展示了如何在源(发射)侧使用编码来帮助提高SNR、简化光学设计并从根本上改进测量，诸如通过低成本仪器将原本需要昂贵实验室级设备才能完成的测量带到现场。一般来说，编码增加了一个额外的测量维度，而高速源调制则增加了两个额外的维度。从下表7的前四行可以清楚地看出这一点。为了保持表7的简单性，可假设能够对任何系统进行相位或时延测量的高速调制，但仅针对一个探测器进行显示。在每种情况下，都可以通过包括偏振调制来添加额外的自由度，为清楚起见，表7中也未示出偏振调制。阴影行表示波长编码，无阴影行表示空间编码。下表7对此进行了总结。
表7：重构输出的维度
本文所述的技术是可扩展的。光子集成电路、焦平面阵列和高速电子学技术的进步可有利地用于提供极其丰富的数据集，有助于了解许多物理或生物系统。例如，基于CMOS的成像器可以MHz速率执行像素内解调，从而测量每个像素的相位延迟或飞行时间。这样的成像器可被称为TOF相机。当与本文所述的系统和技术一起使用时，这样的相机可用于构造具有场景apol(x,y,z,λ,pol)的全偏振描述的5D立方体。对(x,y)或(θx,θy)可通过焦平面阵列获得。距离和光谱信息对(z,λ)可由W-CLS提供，如前所述。高频调制和偏振可以顺序测量或通过调制测量，如前所述，其中通过偏振编码或通过使用偏振敏感像素来增强W-CLS。
11.一些具体应用的示例
实施例3：组织成分分析
已经详细描述了应用和用途的示例，包括解释基于W-CLS的高光谱成像或漫射光光谱学。具体地，许多重要的生物参数都可通过此类技术来定向和提取。此外，此类技术可包括可应用于此类提取的信息的一种或多种诊断或表征算法，诸如可用于诸如经由显示器或其他用户界面设备向用户传达警报或其他诊断信息。可定向、提取、表征或诊断的生物参数的示例可包括皮肤病(诸如牛皮癣)、血液和组织成分、生物参数(诸如氧合作用)(人体各处，包括婴儿或其他受试者的大脑等)、pH值、葡萄糖、温度、血红蛋白浓度以及蛋白质或脂肪分析中的一项或多项。本发明的技术(包括W-CLS)可允许利用关于散射和吸收参数的光谱分析信息，以便帮助识别癌性或其他组织异常，诸如黑色素瘤。本发明的技术还可用于乳腺组织的漫射光光谱学或可受益于从多个部位获取数据的其他人体组织分析应用。
其他示例可包括植物组织(诸如叶子或茎)的组织分析，其可提供在精准农业中有用的信息。例如，本发明的技术可应用于确定植物样本的枯萎病或其他疾病状态，或提供可用于确定植物或其他生物样本的营养价值或其他更复杂特征的详细表征信息。油类、谷物、面粉、水果或蔬菜等均可使用本发明的技术经由光谱学分析进行测量。类似地，对肉类或乳制品(例如，来自水生或陆生动物的肉类或乳制品)的组织分析也可使用本发明的技术，以便提供有关肉类质量、新鲜度或其他参数的信息和见解，甚至提供有关所分析肉类来源的信息和见解。本发明的技术可用于提供光谱分析或表征信息，这些信息可用于确定或增强对肉类质量的一种或多种测量。可使用本发明的技术对牛奶或牛奶衍生物(诸如奶酪)进行光谱分析，以便有助于确定蛋白质含量、脂肪含量，或识别污染物或不需要的添加剂。
在这样的示例中，使用本发明的技术(诸如W-CLS)可提供多种优势或益处。这些优势或益处可包括扩展光谱分析范围、提供高SNR以进行快速、高质量的测量。需要实验室级仪器的分析技术也可采用本发明的技术，这样就可以将这些分析技术移植到现场并在现场进行，而且如本文所述，不需要暗校准或白校准，非常方便。使用本发明的技术可克服光谱学的许多缺点或限制，这可以使得使用多个探测器、获取表面的详细或平均数据成为可能，并具有成本效益，或者可以部署超光谱成像技术，该技术可与低价、便携和广泛可用的手机相机一起使用，或者可使用任何灰度相机。
散射测量(组织除外)可包括烟雾或气溶胶测量、浊度或水质测量、细胞计数、表面纹理或材料成分测量，其中任何一项都可合并到其他自动化或半自动化过程控制或质量控制技术中，使用本发明的技术可提供方便的单角度或多角度光谱，从而深入了解材料和质量。
通过本发明的技术实现的吸收/透射率测量可包括气体测量，诸如关于图14A、图14B所述。任何气体种类、液体测量或表面反射率测量都适用于本发明的技术，诸如使用W-CLS。
实施例4：氧气浓度测量
通过吸收光谱测量氧气浓度可能具有挑战性。如下所述，本发明的技术(诸如使用W-CLS)可取代更昂贵的基于激光的技术。此实施例可说明能够部署本发明的技术(诸如包括W-CLS)的多种方式。
透射中气体或液体的大多数光吸收测量都依赖于比尔-兰伯特定律。对于非常弱的吸收体，通常需要长的路径长度和高度的光谱稳定性。对于相同的给定路径长度，光谱的变化会改变光的吸收，因此可能导致确定特定感兴趣物种的浓度时出现错误。在大约765纳米的光学波长下进行氧气测量可能会遇到距离(诸如数百米或数公里)的大量吸收问题，并且分子气态氧气的吸收谱线很窄。因此，环境或大气中氧气的光学测量需要使用波长可调谐激光器源的精密光谱。
图25A包括氧气(O2)的吸收与波长的曲线图。图25A示出了在765纳米左右的波长下相对强的光吸收特性。该吸收特性可用于测量大气或其他周围环境中(诸如在熔炉中)的氧气量。由于这些吸收线是窄且弱的，例如，与LED的光谱输出的轮廓相比，如在相同的图25A中所示，使用光吸收和低价的LED测量氧气非常具有挑战性。可能采用的昂贵且复杂的技术可依赖于扫频二极管激光器或使用宽带光的高分辨率光谱。
本发明的技术可采用低价的LED光源，诸如可通过使用W-CLS编码对图25A中以频率f1、f2和f3示出的三个光谱区域(作为非限制性示例)进行编码。在图25A的示例中，只有中心波长区域(f2处或附近)对氧气的光吸收敏感。周围的两个区域(f1和f3)会受到其他因素的影响，诸如灰尘或光学器件脏污等，这三个波段f1、f2和f3都会受到同样或类似的影响，因为这些频段彼此接近。如图25A所示，O2光吸收相当弱，在峰值吸收波长处，在1米的路径长度下仅吸收了0.4％的光。但如图25A的曲线图所示，LED光谱往往会发生变化，诸如随温度、注入电流、时间以及制造批次间的变化。
本发明的技术(诸如使用W-CLS和发射侧参考探测器)可用于在照明光已经穿过含氧气体的特定固定长度路径之后，帮助消除来自由接收侧的主响应探测器执行的氧吸收测量的LED光谱变化的影响。本发明的技术(诸如使用W-CLS)可以避免暗电流偏移效应。使用相邻的非吸收通道(诸如f1和f3)的差分光谱学方法，可以基本上消除灰尘和光学器件脏污的影响，这些影响对所有三个波长段f1、f2和f3都有类似的影响。
图25A概念性地示出了灰尘或光学器件脏污的影响。正如从图25A中可看到的，灰尘或光学器件劣化或介入烟雾的任何影响都将类似地影响所有三个波长段(例如，f1、f2、f3)。与主吸收段(例如，f2)相邻的段(例如，f1、f3)的变化将代表感兴趣吸收段(例如，f2)中也必须发生的变化。因此，f2处的通道中只有超过相邻通道f1、f3预期的差异(例如，差值、比率)变化对应于定向物质的真实吸收。此外，由于存在可用的参考测量，如前所述，因此可跟踪并补偿源光谱(诸如LED光源)的变化。
氧吸收测量可能受至少一个其他参数的影响：W-CLS系统本身的稳定性，诸如随时间变化、随温度变化或两者兼而有之。例如，以特定频率编码的特定光谱段本身可能会漂移。如前所述，在讨论W-CLS的波长校准时，可使用参考通道。参考通道可配备有稳定的薄膜涂层作为参考目标或参考样本，可对其进行测量并用于校准或作为反馈或其他控制输入，诸如用于校正或稳定使用其他编码波长的其他W-CLS测量。因此，本发明的技术可实现对弱吸收物质(诸如氧气)的低成本、高效且稳定的测量。
本发明的技术(诸如应用于氧气或其他弱光吸收物质的差分光谱测量)可采用先前描述的使用有源狭缝或条带来提供CLS源的技术，诸如上文关于图16A至图16E和图17A至图17D所描述的，或者可将电输入信号直接输入调制到LED或其他光源，诸如上文关于图18A、图18B所描述的，以及本文其他部分描述的其他技术。如前所述，有源狭缝光源(其中不同的LED或磷光体可以放置在有源狭缝的平面中)可以产生不同的光谱段，并且通过对不同的发光二极管或磷光体进行直接电输入信号调制，可以形成复合的W-CLS。这种方法在此处特别适用于弱吸收物质(诸如氧气)的差分光谱分析或其他测量，因为用于进行测量的所有波长都可从相同的LED或从其中心波长仅略有不同的LED容易地获得。此处描述的技术(集中于O2测量示例)可扩展到许多其他气体、液体、凝胶或其他材料中的溶质，这些材料可通过它们唯一的光谱特征进行识别。图14B包括能够使用类似技术的一些其他具有商业意义的物质的示例列表，包括烟雾、气溶胶或其他颗粒、水、天然气(CH4)、二氧化碳、一氧化碳和可使用的对应光波长。
实施例5：远距离烟雾报警器和气体探测
如先前关于图14A、图14B所提到的，本发明的技术可应用于烟雾、颗粒物或环境气体监测。在图14A、图14B的示例中，探测器可位于远离照明器的位置，或者回射器可位于靠近或远离照明器和探测器的位置。在许多应用中，诸如建筑物、工厂车间或类似场所的烟雾探测，距离跨度可达20米至100米。因此，建筑物的移动、光束的遮挡或类似情况都可能导致系统发出不符合要求的警报或报警，例如，如果发出的照明光束错过了目标探测器或回射器。
图26示出了其中CLS系统2300(诸如S-CLS或W-CLS)可以方便的几何形状布置的示例，诸如可实现稳健的操作。例如，CLS诸如S-CLS200可被布置成提供发散的照明光束，诸如可以扇形展开以提供可以比回射镜、带或阵列宽得多的跨度的区域。这种布置可有助于适应回射器2402随时间可能发生的移动。照明光的一部分可被反射回探测器821，诸如可能位于S-CLS200处或附近。反射回探测器821的光量将取决于回射器2402的面积与由出射光束投射到回射器2402的平面上的照明面积的比率。
在图26的示例中，可任选地使用基于S-CLS的系统2400来代替图14B的基于W-CLS的方法。图26的S-CLS200方法可提供某些优势，诸如与点探测器系统或基于成像的系统方法相比。在图26的系统2400中，S-CLS照明光束锥以扇形展开并且回射光束可由探测器821测量。由探测器821转换的一个或多个信号的重构可提供回射器2402的图像。当系统2400安装在建筑物中时，随着建筑物移动或摇摆，接收侧信号处理可以继续跟踪回射器的图像。以这种方式，可以仅使用与图像跟踪的回射器2402相对应的像素或代码来计算任何遮蔽。此具体实施可提供低计算复杂性、低电子和其他组件成本，并且可使用低功率照明光进行操作。由于CLS技术拒绝“DC”，因此可以自动拒绝背景环境光条件和变化。S-CLS光源的波长可以改变，诸如以一种以上的颜色进行测量，诸如用于气溶胶识别。用于使用W-CLS测量特定气体的光吸收的图25的系统2300可以与图26的S-CLS系统2400组合。
12.其他W-CLS具体实施和应用的示例
如前所述，W-CLS可通过多种方式增强，诸如使用有源狭缝或条带，诸如可与多个LED光源中的单个LED光源的电输入调制相结合，这些LED光源有助于经由有源狭缝或条带发射光。如所解释的，使多个光源沿着狭缝占据不同的垂直高度可有利地帮助避免使用昂贵且麻烦的阶次分选滤波器。一般来说，光栅或其他衍射元件提供更高的色散，但由于其本身的性质，它们会产生更高的衍射阶次，因此只要λ2＝2λ1，一阶波长λ2就会与2阶波长λ1重叠。这也适用于更高阶的衍射。因此，为了使用衍射色散光学器件，如果光谱范围超过一个倍频程，通常需要提供一些手段来去除较高的衍射阶次。具有空间变化光谱透射率的可变光学薄膜滤波器可用作阶次分选滤波器。在大多数光谱分析中，响应光探测器阵列以直线方式排列，并且需要阶次分选滤波器。但由于W-CLS100用于发射侧，因此在配置W-CLS时有更大的光学自由度。
图27示出了可包括光栅2502和色散棱镜2504两者的配置2500的示例。光栅2502可被布置成帮助提供沿着色散轴(例如，x轴)的快速色散。但光栅2502也会生成重叠的高阶光束。布置单个棱镜2504(诸如图27所示)可以在垂直于x轴的方向上提供色散，使得颜色现在沿着正交的X方向和Y方向散布。但棱镜2504并不存在衍射阶次分选问题。图27的光线轨迹图示出了这些波长中的一些波长如何可以在色散平面311中传播，诸如可用作调制器的输入。重叠阶次区域将垂直分开，500纳米的2阶光位于1000纳米的1阶光的下方(或上方)，以此类推，如图27所示。因此，在色散平面311处，被成形为调制落在阴影区域312中的波长的调制器将自动消除或减少入射到色散平面311上的光的较高衍射阶次。这可通过屏蔽除了感兴趣区域312之外的所有区域来实现。这类似于图17A至图17D中在有源狭缝的上下文中所示的示例。
实施例6：特效和录音室录制
基于W-CLS的高光谱成像器可在可见光波长下使用，以产生特殊效果或帮助视频编辑人员摆脱光线和色彩平衡调整的难题。使用极其明亮的有源狭缝光源或类似的白光源，并在电磁频谱的可见光部分的多个光谱段中使用W-CLS编码，可以用数百到数千勒克斯的波长编码的可见光照射工作室。这足以用灰度摄像机以高帧速率创建4K视频，从而使用本发明的W-CLS编码技术，可以测量目标物体或场景的真实反射率。它还使测量独立于相机滤色器阵列的属性或其在成像器上的空间排列(诸如拜耳滤色器图案)，并且由于不需要滤色器，因此灵敏度几乎提高了2倍至3倍。因此，与音频工程师使用音频均衡器来改变音频信号的频谱以获得最佳或期望效果的方式类似，视频工程师可利用本发明的技术和可见光的W-CLS编码，使用W-CLS生成的高光谱数据进行完美的像素配准，并可继续使用喜爱的镜头进行创意视频创作。稍后在视频编辑过程中，几乎可以重新创建任何照明情况，诸如使用基于W-CLS的高光谱成像器的数字处理，通过高光谱通道的适当加权组合生成标准RGB视频源。
举例说明最能说明这一点，而且不失一般性。以具有挑战性的60帧/秒(FPS)4K视频为例。例如，可以使用波长从400纳米到700纳米的10个可见光通道的代码来记录视频。通过创建包括近红外波长的视频或以其他方式扩展用于记录视频的波长谱，可以为电影实现全新的特效。编码的光谱通道不需要在波长或频率上等间隔，而是可根据需要被选择以满足一些心理视觉标准。本示例可涉及使用至少1200帧/秒的灰度拍摄，这是符合实际情况的。基于W-CLS的高光谱成像的一个特点是可以使用多个相机接收来自目标场景的光。每个相机可用于对编码波长区域的子集进行成像—这可降低对单个相机的帧速率要求(诸如本文其他部分所述)。由于其中每个相机都在测量场景的纯反射率，因此可以将来自不同相机的图像合并为一个无缝流。
另外，可同时记录一个或多个不可见的近红外通道，并在视频编辑期间选择性地使用或忽略。黑白相机将不需要像素上的滤色器阵列，并且可通过简化光学和像素设计来显著提高实际光学吞吐量。
实施例7：基于W-CLS的光学相干断层扫描(OCT)
光学相干断层扫描(OCT)可包括谱域OCT(SD-OCT)或傅立叶域OCT(FD-OCT)。在一种方法中，在干涉参考臂和样本臂光束之后使用光栅或色散光学器件，诸如图28A的示例中所示。图28B示出了一种方法，其中用W-CLS替换图28A的宽带低相干源。在图28B中的方法中，代替在干涉测量之后使用具有光栅或色散光学器件的光谱仪，可使用单个探测器，而不需要任何这样的色散光学器件。
因此，图28B的方法可显著地增加从样本收集光的能力，如前所述。光谱段的数量由W-CLS中的编码通道数量控制。图28B的方法还可有助于避免传统SD-OCT中的光谱仪中使用的CCD/CMOS光电探测器阵列的缺点，该光电探测器阵列不能去除DC背景信号并且需要像素对像素校准。大多数FD-OCT配置使用超辐射LED(“SLED”)。基于PIC的W-CLS，诸如本文关于图7A和图7B所述，可以提供100个至1000个波长的光谱分辨率。此外，如果使用基于阵列波长光栅(AWG)的光谱分离器，则调制码可对应于等间隔的频率(而不是如用于FD-OCT的基于光栅的光谱仪中的等间隔的波长)。因此，使用AWG方法，OCT深度图像不需要从波长空间到k空间或频率空间的插值。
任何FD-OCT系统每秒的更新速率或深度扫描或A扫描(有时也称为A扫描)的次数取决于每秒可读取的光谱数量。对于W-CLSOCT系统，每秒可读取的光谱数量将受到其调制器的调制带宽的限制。基于PIC的系统可实现GHz范围内的调制带宽。为了便于比较，可考虑配置如图28A所示的超高速FD-OCT系统，该系统以每秒100,000次A扫描的速度运行，光谱仪可读取大约200个至500个波长。这种方法使用的读出带宽为～(A扫描次数)*(光谱仪像素数)，相当于大约50MHz至100MHz的原始读出速率。利用W-CLS的GHz调制速率，可以达到更高的读出速率，加快完整的(x,y)扫描，并减少运动伪影。W-CLS方法还可以收集更多的光，从而更容易达到更高的速度，因为与光谱仪的光学效率相比，W-CLS探测器的损耗几乎为零。相反，在图28B的W-CLS方法中，在发射侧将存在一些类似的损耗，在该处，此类功率损耗的关注度要小得多。
此外，可以组合多个基于SLED的W-CLS源，诸如每个W-CLS源在不同的波长区域中工作，并且CLS光能够经由相同的共享光纤探头传递到相同的位置。在不同波长区域工作的不同探测器可直接生成跨不同光谱区域的OCT深度扫描图像，提供极其有价值的信息。这样的系统可以非常紧凑，因为基于SLED的光源和PIC可适配在几平方厘米的电路板空间中。
但即使使用慢速机械调制器，诸如每秒只能进行几千次A扫描，这仍然可实现非常宽的波长范围，因为它可使用许多不同的光源，并提供更高的光谱功率。因此，它可能提供非常有用的信息。本发明的技术(诸如所描述的)可以按比例缩放到成像系统，并且可像先前所述的基于W-CLS的高光谱成像器一样被配置。这可以使得能够执行诸如图28C中所示的全视场OCT。
13.使用荧光、拉曼或波长偏移响应的其他示例来对目标物体或场景进行成像或分析。
本文所述的各种技术(可包括使用对应于不同光谱段的各个时变调制函数对照明光束进行调制)可以附加地或另选地应用于获得和使用波长偏移响应信息以用于对目标物体或场景进行成像或分析的上下文中，诸如用于提供荧光响应光谱、拉曼光谱、波长偏移响应成像等。
荧光
本文所述的各种技术(可包括使用对应于不同光谱段的各个时变调制函数对照明光束进行调制)可以附加地或另选地应用于获得和使用波长偏移响应信息以用于对目标物体或场景进行成像或分析的上下文中。由系统10的光学照明器提供的编码照明光束可包括任意一组或多组波长。可以选择这样的照明波长以帮助目标物体117的特定材料在被照射时产生荧光。当入射照明光子被物体吸收时，该物体会发出荧光，并且入射光子能量部分地转换为该物体的内能，并以发射荧光响应光子的较低能量或频率(或较长波长)作为“荧光响应”光部分地从物体发射。光学照明“泵浦”频率是物体的材料成分发出荧光的频率，并且是物体的该特定材料成分的特性。来自物体的荧光输出或波长偏移的发射光谱取决于入射到目标物体上的光学照明泵浦波长。由复杂材料(诸如生物组织或异质矿物样本)组成的目标物体将对不同的光学照明泵浦波长表现出复杂的荧光响应。例如，在许多生物测定中，生物样本物体中包含或引入的荧光分子可充当具有可识别特性的“探针”，其可用于测量目标物体分子的存在，使得只有当探针与目标分子结合时才能观察和测量荧光。通过使用不同的荧光探针附着至目标物体中的相应分子，可以探测目标物体中多个目标物体分子的存在，并且可使用探测到的荧光响应信号来测量存在的此类分子的量。
图31是照明(和波长偏移响应)光强度与波长的曲线图的概念化示例。图31示出了可由系统10的发射侧11上的光学照明器提供的多个光学照明泵浦波长3102(或波长光谱段)。虽然图31示出了四个泵浦波长，但是可根据物体的特性使用任意数量的泵浦波长。光学照明泵浦波长3102(或光谱段)中的每个光学照明泵浦波长都可使用由系统10产生的其自己唯一的单独调制码来单独进行调制，诸如本文其他部分所述。因此，本文所述的W-CLS系统10和技术可用于测量来自目标物体117或样本的波长偏移光发射响应信号，诸如荧光响应。目标物体117通过向每个光学照明泵浦波长3102发射具有对应的复荧光响应光谱3104的荧光来进行响应，该复荧光响应光谱根据产生特定单个响应光谱3104的特定单个光学照明泵浦波长3102被对应唯一地调制。在图31中，为了概念清楚起见，每个响应3104都被示出为归一化的，但实际上，一些泵浦波长3102可能产生强的对应荧光响应光谱3104，而其他泵浦波长3102可能产生非常弱的对应荧光响应光谱3104。因此，这些对不同光学照明泵浦波长3102的荧光响应光谱3104特性响应可用作荧光响应光谱或波长偏移响应光谱。光学阻挡滤波器3120可被插入到目标物体117或样本与系统10的接收侧12上的光电探测器或FPA之间的光学路径中，以便阻挡光学照明泵浦光的波长，但允许光电探测器或FPA接收来自目标物体117或样本或场景的更长、波长偏移的荧光响应光。由光电探测器119或FPA探测到的荧光响应可以由接收器12的信号处理器/控制器电路13读取和解码。当解码时，被解码的荧光响应3104现在将对应于其中所有荧光响应光都是对应于使用其唯一调制码提供的光学照明泵浦信号来测量的荧光响应3104。
通过使用CLS测量荧光来提高SNR
本发明的波长偏移的荧光响应测量CLS技术对于材料和荧光特征的快速测量或表征非常有利。例如，考虑生物细胞的自发荧光。根据细胞的化学状态，自发荧光光谱可能会发生变化，这可以用来测量细胞的状态。这对于诸如体外受精或不可能或不希望使用或添加外部的、潜在有毒的荧光探针分子的其他应用来说是极其有用的。
来自大多数材料的典型荧光信号可能非常弱，因此光电探测器或成像器从目标物体或样本接收到的光子非常少。在这种情况下，探测波长偏移的荧光响应信号的能力受到读出电子器件的噪声的限制。这可以得到缓解，诸如通过增加积分时间以允许收集更多光子，通过主动冷却和降低光电探测器或成像传感器的温度以减少热噪声，以及通过增加光学照明泵浦光的强度最大程度地避免因照明光强度增加而导致样本发生变化。然而，根据本发明的用于测量荧光响应的CLS技术，对于待用于光谱分析或用于高光谱或其他比色成像的所有光谱段，所有波长偏移的响应光同时到达光电探测器或成像传感器。这意味着使用本发明的技术，由光电探测器或其他成像传感器接收的光子的总数要大很多倍。响应光的增加足以克服接收器噪声以及使测量受到散粒噪声的限制。此外，由于可以同时连续地调制和测量对应于各个光谱段的信号，因此可避免因其他技术的积分时间较长而产生的暗电流、1/f噪声和系统漂移等一些实际问题。这反过来又可减少光学照明泵浦光强度或降低积分时间，或大大降低无需主动冷却的探测器系统的成本。因此，本文所述的CLS调制荧光光谱或波长偏移响应光的测量可有助于提供巨大的实际优势，这些优势可适用于本发明的技术的各种用例，但对于来自目标物体、场景或样本的微弱荧光和拉曼信号的光谱分析尤其有用。
荧光测量可与非荧光测量相结合，以便允许同时通过物体的反射率或透射率以及其荧光属性来表征物体。如图15所示，泵浦光学的高频编码可提供荧光寿命信息，该信息可以进一步帮助表征目标物体、样本或场景的分子和材料成分或环境。
拉曼
拉曼光谱是目标材料的成分产生波长偏移响应光的另一个示例。拉曼效应的物理机制与上述荧光不同，但可以应用CLS来提供材料的拉曼光谱。拉曼光谱是一个发展良好的领域，其目标是测量波长偏移响应的光谱。
图32示出了波长偏移拉曼光谱3204(为了概念清楚而归一化)的幅度与频率的概念化例示性示例，以及对应的光学照明泵浦波长3202，根据这些波长诱导出对应的单独波长偏移拉曼光谱3204。根据光学频率而不是光学波长来考虑拉曼光谱是更容易的，因为对于拉曼来说，基本的现象是目标物体117或样本或场景的材料的分子组分的能级方面的测量。考虑光学照明泵浦频率3202中的一个频率—例如，图32中以实线表示的频率。目标物体117的材料会产生对应的拉曼光谱3204，在图32中也以实线表示。
此拉曼光谱3204的位置和形状是目标物体117的材料的一种或多种成分的特性并且表示目标物体内的原子和分子之间的内部振动中的一些。波长偏移的拉曼光谱，如果偏移到比光学照明泵浦频率更低的频率，则称为斯托克斯拉曼光谱；如果偏移到比光学照明泵浦频率更高的频率，则称为反斯托克斯拉曼光谱。本文的描述适用于斯托克斯拉曼光谱和反斯托克斯拉曼光谱两者。待确定和测量的拉曼光谱的信息特征是拉曼光谱相对于光学照明泵浦频率偏移的量。因此，将光学照明泵浦频率3202从图32中的实线所示的频率改变为3202中的虚线所表示的频率，将斯托克斯拉曼响应偏移相同的量到对应的虚线拉曼光谱3204。
如本文所述的基于CLS的荧光测量技术，系统10的发射侧11上的光学照明器可用于使用多个光学照明泵浦频率或波长3202来提供目标物体117或样本的照明，每个光学照明泵浦频率或波长具有其自己的唯一调制码，并且可同时传递到目标物体117或样本。这将导致目标物体117产生对应的波长偏移斯托克斯拉曼光谱响应，每个响应都是根据其泵浦光照明光的泵浦波长(或光谱段)的对应调制编码所使用的唯一调制码进行调制的。
由于对所有泵浦波长的拉曼响应除了频率偏移外都是相同的，因此为了确定拉曼响应，需要在目标物体117与接收来自目标物体117的波长偏移拉曼响应的光电探测器119或成像传感器之间的光学路径中设置附加的光学滤波器3222。此附加光学滤波器3222可被配置为提供指定的光透射分布，如果需要，也可以是复杂的光透射分布。例如，对于图32中所示的情况，光学滤波器3222可被配置为使得其仅使具有在其固定通带(在图32中示出为阴影区域)中的频率的光通过，该固定通带对应于位于目标物体117与接收来自目标物体117的波长偏移拉曼响应的光电探测器或成像传感器之间的光学路径中的光学滤波器3222。从图32可以容易看出，由光电探测器或成像传感器接收的经滤波的解码信号再现了如3206所示的拉曼光谱，其可被称为“合成拉曼光谱”。通过使用许多泵浦光学照明光谱段频率，合成了拉曼光谱的一部分。拉曼光谱的分辨率将取决于泵浦光谱段以及光学滤波器3222的特性。这是根据先前所述的拉曼效应的特性得出的，即拉曼响应波长/频率仅需要测量为相对于对应泵浦波长/频率的偏移量。任选的阻挡光学滤波器3220(例如，仅具有由对应于光学滤波器3222的图32中的阴影区域所示的窄固定通带)可定位在目标物体117与接收来自目标物体117的波长偏移拉曼响应的光电探测器或成像传感器之间的光学路径中，以便有助于减少来自强大的同时可传递的调制编码的光泵浦波长，这可有助于测量微弱的拉曼信号。例如，一个或多个这样的光学滤波器3222本身可使用薄膜滤波器技术或使用色散光学器件来构造。
在图33中，光学滤波器3322A被示出为阻带滤波器(在两个灰色阴影区域中透射)，其狭小地阻挡到达放置在其后面的探测器的拉曼信号。如图33中所示的示例，对应于特定光学滤波器3322A或3322B的特定阴影区域下的拉曼响应的整个部分由其对应的光电探测器接收，其中更宽的通带允许对应的光电探测器119或成像传感器收集更多的拉曼光子。经滤波的解码光谱可直接用于“指纹识别”目标物体117的材料的成分，因为它产生对底层拉曼光谱的数学变换的响应，该响应可直接充当拉曼光谱的替代方案。此外，对于给定的滤波器形状3322，可以通过采用进一步的数学处理来恢复传统的拉曼光谱。实际上，光学滤波器形状3222或3322A有许多可能的构造，并且通过适当选择光学滤波器，可以优化光子收集，同时在经滤波的解码合成拉曼光谱中提供足够的对比度以允许快速测量材料特性。
此外，基于CLS的光谱学允许多个探测器或成像系统在空间上定位以观察来自物体117的散射辐射，正如我们之前针对许多应用所讨论的。每个系统都会产生解码光谱。这同样适用于荧光和拉曼信号的波长偏移测量，可用于提高SNR以及材料识别的准确性。
通过使用CLS测量拉曼来提高SNR
通过本文描述的CLS技术测量的波长偏移的拉曼响应可有助于在更短的采集或测量时间内提供更高的信噪比(SNR)，并且因此可以比传统拉曼光谱法有利。本文描述的关于荧光光谱的SNR优势甚至更适用于拉曼光谱法。在传统的拉曼光谱仪中，微弱的拉曼响应3204会被光谱仪进一步划分为单独的光谱段，因此与特定光谱段相对应的每个特定探测器接收到的光子数量会更少。在许多使用传统拉曼光谱仪的情况下，即使使用强大的光学照明泵浦激光器，每个段中的光子水平也在每秒1个至100个光子的范围内。这要求传统拉曼光谱仪普遍采用冷却光电探测器和较长的积分时间，从而需要高度稳定的光学机械和电子器件，进一步增加了此类传统拉曼光谱仪系统的成本。这也使得构造目标物体117的完整拉曼图像变得困难或甚至不可能，除非通过极其缓慢地扫描目标物体117并逐点重构拉曼光谱。相比之下，使用本发明的CLS技术，诸如本文所述，来自多个光学照明泵浦波长的光子全部同时被系统10的接收侧12上的一个或多个光电探测器119或成像传感器接收，从而使检测到的光子总数远远超过读出噪声。在滤波器3322的情况下，预期光子水平可提高10倍以上，从而使提供各种调制编码拉曼光学照明泵浦频率的适中功率CLS光学照明光源能够生成来自目标物体117的足够响应光子，并将其传递到光电探测器119或成像传感器，从而允许使用非制冷光电探测器、低功率光学照明光源，甚至首次以实用方式生成完整的拉曼图像。这有可能彻底改变我们测量和观察周围世界的能力，诸如用于各种用例，从无标记组织病理学到复杂介质中分析物的测量，诸如协助质量和过程控制。
所得的波长偏移的发射响应波长3104可用于成像、光谱分析或其他分析，诸如本文其他部分所述。因此，提供泵浦波长的光谱段的调制可允许接收器12(例如，光电探测器119或成像焦平面阵列(FPA))响应于由系统的发射部分11的光学照明器提供的照明光束而接收来自目标物体或场景117的波长偏移的发射波长。这些波长偏移的发射波长3104可以从目标物体或场景117产生对应于特定泵浦光谱段3102的调制光输出。高频调制还可提供每个泵浦光谱段3102的荧光寿命信息，诸如本文其他部分所述，诸如关于图15所述。这种高频调制可用于光谱分析和成像，或两者兼而有之。成像可使用飞行时间(ToF)相机，诸如本文其他部分所述，这有助于提供快速解调。
使用泵浦波长或光谱段3102来从波长偏移的发射响应波长或光谱段3104获得光谱分析或成像信息对于LED或其他光源(诸如本文其他部分所述)获得调制泵浦波长或光谱段3104的电输入调制技术特别有用，因为用于获得荧光发射响应的泵浦可能限于针对特定目标物体或场景117的预期材料或材料属性的几个精心选择的波长(例如，在一个示例中，小于16个泵浦波长)。此外，为了对来自样本或目标物体或场景117的荧光或其他类似发射响应进行成像，本文所述的波长均匀照明技术对于测量所得的荧光图像可以是有利的，因为来自样本的典型荧光响应或拉曼信号可能非常微弱。更具体地，波长均匀照明可涉及较少的接收侧信号处理来补偿从目标物体或场景的不同位置或部分到达的信号。对于较弱的信号，此类校正本身可能会引入系统偏差或噪声，因此最好尽可能避免这种校正。
14.使用反馈的均衡和动态强度控制
图52A至图52B是概念化示意性框图，示出了均衡和使用反馈来对调制编码的CLS光学照明光束的光谱进行动态光谱强度控制的示例。
图52A示出了本文所述的CLS技术的示例，来自系统10的发射侧11处的光学照明器的调制光学照明光束与目标物体、样本或场景117相互作用，并且在系统的接收器侧12处的响应光由光电探测器119或FPA或其他成像传感器探测，并且所得的信号由信号处理电路13读取和解码，以便形成响应光谱。
在图52A的示例中，目标物体117在一些波长或光谱段处具有高衰减，而在一些其他波长或光谱段处具有低衰减，诸如在输出光谱图5201处所示，其响应于相对平坦的光学照明输入光谱5202而获得，并且不预先比任何其他光谱段加重任何特定的光谱段。如输出光谱图5201中所示，这可能导致在解调之后在一些光谱段中有太多信号，而在一些其他光谱段中只有非常少的信号。这可能导致光电探测器119饱和，诸如由于光谱区域中的波长具有太多信号。在这种情况下，减少一个或多个特定光谱段中的光输出并增加一个或多个其他光谱段中的光输出可能是有帮助的。这可使用本发明的CLS技术(无论是直接调制光还是通过改变驱动电流来调制LED或SLED或其他光源电输入信号)来实现，使得接收、恢复和解调的输出光谱更加均匀。
图52B示出了一个示例，其中系统10的发射部分11中的光学照明器可包括光谱增强组件5204，该光谱增强组件可相对于被调制编码到光学照明光束中的其他光谱段的光强度来增加特定光谱段中的光强度，以用于照射目标物体117。图52B的概念性例示性示例中，在5206处，示出了在SLM或其他多功能调制器的调制编码中使用的预加重照明光谱的例示性示例。在5206处所示的预加重的例示性示例以旨在将其表示为适合用于补偿或均衡图52A所示的输出光谱5201的方式被示出为在其光谱的中间区域中具有来自样本的高响应，使得诸如图52B中在5206处所示的光照的减小的中间区域光谱强度是合适的，并且产生如图52B的5208所示的更一致的幅度输出光谱。如图52B所示，响应于使用诸如5206处所示的照明预加重，在5208处的所得输出光谱可以在5212处被重新归一化，诸如通过信号处理器电路13，以便产生图52B中的真实输出光谱5210，诸如用于存储在存储器电路中、用于进一步信号处理或用于显示。在预计将由光电探测器119和FPA或其他成像传感器探测到的光谱中存在较大变化的情况下，使用5212处的预加重和重整化来恢复真实光谱可能特别有用，因为这样做可有助于提高SNR，并且可有助于抑制或防止光电探测器119或FPA或其他成像传感器的一个或多个像素的饱和。
对于电驱动CLS的情况或者其中SLM或其他多功能调制器115被电控制以调制编码照明光束的各种光谱波长或光谱段的情况，可以通过观察来自目标物体117的所得响应光谱并使用该反馈信息来动态调整系统的发射侧11上的一个或多个光谱段的照明强度来动态调整输出照明光谱。对于固定SLM(诸如基于盘的掩模)，可以对照明光谱进行整形以提供期望的预加重，诸如使用或交换一个或多个灰度透射掩膜、光学滤波器或其他一些波长依赖性透射组件，这些组件可以使用关于目标物体的实际或预期光谱响应的先验信息来为期望的照明预加重进行适当选择。
在调制编码成用于照射目标物体或场景的照明光束之前，除了通过光谱加重器组件基于目标物体或场景的实际测量或预期输出光谱来相对于至少一个其他光谱段预加重至少一个光谱段的预加重以外或者作为其补充，还可以在接收侧加入光谱增益调整组件，以调整系统10的接收器和解码12侧上的信号处理电路13中的光谱增益，使得相对于至少另一个光谱段调整与至少一个光谱段相关联的增益。
B节：基于高光谱纯度LED的光谱学示例
如A节中所提到的，不同的光谱段可以在系统10的发射侧11上进行调制编码，诸如通过包括或耦接到接收输入光并对其进行光学调制的多功能光学调制器105的光学照明器，或者通过调制LED或其他光源的电控制或功率信号，从而响应于这种电信号调制来调制编码光输出。B节进一步解释了LED或其他光源的此类电信号调制的示例，并解释了对生物目标样本的光谱分析示例的特定适用性，诸如用于经皮血氧合的氧饱和度(SPO2)测量。因为在某些这样的应用中，皮肤或其他介入介质可充当光学散射介质，所以系统10的发射部分11上的光学照明器输出不必是波长均匀的，诸如关于在A节中的某些其他示例所描述的。除其他内容外，本节B解释了使用准直和光学滤波器的技术，以便有助于更好地定义来自相应LED的光谱段，诸如可以对其进行电调制以调制对应的光学输出，诸如用于利用不同时变调制函数的调制编码，如A节所述。
图34A是示出系统3400的各部分的示例的例示性框图，该系统可包括可用于生物或其他目标3404或物体的多波长光谱分析的可穿戴设备或其他设备3402。为了说明清楚，本文档的B节将集中于特定应用—动脉血氧饱和度的光谱测量和分析。不过，通过阅读本文档，其他应用也会变得一目了然。
在图34A中，设备3402可包括光学照明器，诸如多光谱光发射器3406模块，光学探测器模块3408(诸如可包括光电探测器、FPA或其他光换能器)以及相关联的电子器件，诸如可包括信号处理或控制或处理器电路3410，以便控制光发射器3406或其他光学照明器生成和传递光，以及控制对响应于光学照明器或其他光发射器模块3406的照明而从物体3404接收的响应光的检测、处理或分析中的一项或多项。系统3400或设备3402还可包括本地或远程用户界面3412，诸如用于接受用户输入或者向用户或另一个本地或远程设备(诸如计算机、移动电话、无线网络路由器等)显示或以其他方式传送分析结果。
图34B是光学照明器或光发射器3406的各部分的例示性示例。在图34B的示例中，光发射器3406可包括多个单独的发光二极管(LED)3414。该多个单独的LED 3414可包括至少两个单独的LED 3414，其提供具有不同的单独选择的、指定的或定向照明光谱的对应LED输出照明。作为例示性非限制性示例，单独的LED 3414中的第一个LED可被选择为发射以570纳米波长为中心的光，并且单独的LED中的第二个LED可被选择以发射以不同波长为中心的光，诸如波长为650纳米。
光发射器3406还可包括多个光准直器3416。例如，这可包括在对应于相应单独的LED 3414的相应光学路径中的至少两个单独的光学准直器3416。图34B示出了例示性非限制性示例，其中单独的光学准直器3416和单独的LED 3414之间可存在一对一的对应关系，使得每个单独的LED 3414在其光学发射路径中具有相关联的对应光学准直器3416以准直从对应的单独的LED 3414发出的光。
光发射器3406还可包括一个或多个波长选择性光学滤波器3418。例如，光学滤波器3418可位于单独的LED的相应光学路径中的一个或多个路径中，诸如位于与对应的单独LED 3414相关联的单独的对应准直器3416的下游。光学滤波器3418可被配置为限制来自对应LED 3414的相应LED输出照明的对应光谱带宽，诸如在使用对应准直器3416进行准直之前或之后。图34B示出了例示性示例，其中单独的光学滤波器3416和单独的LED 3414之间可存在一对一对应关系，使得每个单独的LED 3414在其光发射路径中具有相关联的对应光学滤波器3418以在由对应的准直器3416准直之前或之后对从该对应的单独的LED 3414发射的光进行滤波。
在图34B中，LED 3414可布置在平面中，诸如以形成LED 3414的二维(2D)阵列。处理器或控制器3410可发出控制信号来控制对单独的LED 3414的通电，以便允许对从相应的单独的LED 3414发射的光进行个性化控制。下游准直光学器件(诸如对应的准直透镜的2D阵列、抛物面或其他准直反射器，或其他准直器3416)可被包括在LED 3414的相应光学发射路径中。经准直器3416修正的LED 3414的准直光可被导入一个或多个光学滤波器3418，诸如对应光学滤波器的二维阵列，这些光学滤波器可分别位于单独的对应LED 3414的光发射通路中，诸如相应准直器3416的下游，如图34B示例所示。以这种方式，单独的LED 3414可以将其发射光谱限制在对应的光学滤波器3418的透射带内。尽管图34B的示例示出了光学滤波器3418与LED 3414之间的一对一对应关系，但这不是必需的。在某些波长处，可能提供具有足够窄的发射光谱的LED 3414，使得对于该特定的单独的LED 3414可以省略对应的下游光学滤波器3418，而对于以其他波长发射光的其他LED 3414，这样的下游光学滤波器3418可用于缩窄特定的单独的LED 3414的发射光谱。
例如，LED 3414中的每个LED可包括宽带白光LED 3414，并且对应光学滤波器3418中的不同光学滤波器可被配置为透射LED光谱的不同部分，以便提供可从相应光学滤波器3418输出的不同颜色的光，这取决于哪个特定的LED 3414被打开。这些经滤波的光源可直接呈现用于目标物体3404的照明，诸如用于来自目标物体3404的响应光的光谱测量，或者经滤波的光可首先由任选的光学漫射器3420漫射，诸如用于更多波长均匀的照明或朝向目标物体3404的投射。
可包括任选的参考光电探测器3425，以便为单独的LED 3414中的每个LED提供出射光强度的可测量指示(或者这种强度的改变或变化的指示)。此参考光电探测器3425可光学耦接到漫射器3420，或者以其他方式位于光发射器模块3406内，以便允许对来自LED3414中的每个LED下游的输出光进行采样。以这种方式，图34B的示例中的布置可以提供极其紧凑的光源光发射器模块3406，其中不同颜色的光以明确定义的光谱特性发射，并且任选地，具有来自光电探测器3425的测量输出光强度的指示。由任选的参考光电探测器3425提供的测量输出光强度的指示可用于消除或补偿输出照明光信号强度变化，诸如随温度、LED偏置电流和部件之间的变化，并且可在照射目标物体3404或场景之前或不照射该目标物体或场景的情况下确定，以便产生独立于目标物体3404或场景的电照明变化指示信号。
如图34A所示，可以在固定的光谱位置(诸如可由光学滤波器3418确定的位置)测量来自被测目标物体3404的相对于来自单独的LED 3414中的每个LED的照明光(例如，经过准直或滤波中的一者或两者之后)的响应光。如果包括任选的参考光电探测器3425，则可将从目标物体3404接收的响应光标准化为参考值，以便提供差分测量。在一个示例中，这样的差分测量可通过将响应光强度“除以”参考光电探测器3425对光谱分量中的每个光谱分量的输出强度来获得。这可有助于提供从目标物体3404到来自单独的LED 3414的照明光的光谱响应的稳定测量，但与单独的LED 3414的输出强度的变化无关。来自目标物体3404的光谱响应可包括响应参数的测量，诸如可包括吸收、反射率、透射率、散射或荧光等中的一项或多项，诸如对应于光学探测器3408在准直、滤波或二者之后从单独的LED 3414发射的光探测到的响应。
此外，从单独的LED 3414中的对应LED发射的光可用时域信号进行调制，这可用于将测量的信号响应与目标物体3404分离。这些LED 3414可以被顺序地通电，或者可以被提供有正交编码，其中多个或者甚至全部LED3414都可以被一起同时地通电。正交码的示例是对于每个单独的LED 3414具有不同频率的正弦调制。照明光编码的例示性示例在授予Deliwala的于2021年2月24日提交的名称为“CODED LIGHT FOR TARGET IMAGING ORANALYSIS”的美国临时专利申请号63/200,241(代理人案号5712.001PRV)中有所描述，该专利申请通过引用全文并入本文，包括其对照明光编码的描述，并整体并入本文档的A节。
响应于光发射器3406的编码或其他照明，来自目标物体3404的光信号响应可由一个或多个光探测器3408探测到，并且由处理器或控制器3410进行信号处理，以便分析来自目标物体3404的光响应信号的一个或多个光谱响应特性。这些光学探测器3408中的一个或多个光学探测器可包括单个光电探测器或者可包括像素阵列探测器或其他相机，诸如其可允许探测和测量目标物体3404上的光学响应。处理器或控制器3410电子器件可包括存储的编程指令，以便有助于分析光信号响应数据。这可包括利用例如知道何时发出控制信号用于给单独的LED 3414中的一个或多个或每个单个LED通电(例如，当单独的LED 3414依次通电时)，或基于与单独的LED 3414相关联的编码解调与LED 3414中的单独的LED相关联的光响应信号(例如，当单独的LED 3414中的两个或多个LED同时通电时)。这些技术中的每种技术都可具有优势或限制，使得特定技术的使用可以取决于应用，本文档中描述或包含了各种应用。
图35A、图35B和图35C示出了实际系统3400的光发射器3406的组件布置和附带的例示性光线轨迹的示例。系统3400可包括LED 3414的2D阵列(例如，在图35B的透视图和图35A的侧视图中示出了九个LED 3414)、在对应的LED 3414的相应光发射路径中的下游对应透镜(或其他)准直器3416的阵列，以及在准直之前或之后在对应LED 3414的相应光发射路径中的下游对应光学滤波器3418的阵列。
图35A还示出了对应光学挡板3502的阵列，诸如其可以横向地围绕每个LED 3414。挡板3502可提供脚手架或其他安装结构，诸如用于安装LED 3414、用于安装准直透镜或其他准直器3416，或者用于帮助屏蔽和抑制或防止从单独的LED 3414发出的杂散光进入相邻LED 3414的准直透镜3416，否则会产生杂散光线和大量不需要的光散射。图35A、图35B和图35C可扩展到更多的LED 3414和波长。图35A、图35B和图35C中的图以毫米为单位按比例显示，这样可有助于说明所示解决方案的紧凑性。
光学滤波器3418中的一个或多个光学滤波器可包括例如衍射光栅或其他衍射结构或薄膜光学滤波器。可包括光学滤波器3418以缩窄LED 3414中的一个或多个LED的光发射带宽。这种光学滤波可有助于从单独的LED 3414中的特定一个LED提供明确定义的光发射光谱—即使存在从该特定LED 3414发射的光的可变实际发射光谱。
图36示出了通过光学滤波器3418使从LED 3414发射的光的光发射光谱的光谱带宽缩窄的示例。图36示出了来自两个不同颜色的LED的光发射光谱3601，以及经过下游光学路径中对应的光学滤波器滤波后来自这些相应单独的LED 3414的对应经滤波的光发射光谱3602。为了通过光学滤波器3418进行有效的滤波进一步缩窄LED 3414的光谱带宽，诸如缩窄至在5纳米与20纳米之间的波长范围内的波长，来自LED 3414的光应当由准直器准直3416。这种预滤波准直可能是有帮助的，因为所有类型的光学滤波器3418的光谱透射或反射都将对光学滤波器3418上的光的入射角敏感。准直可有助于将提供给光学滤波器3418的光的入射角保持在可低于15度至20度的入射角。这反过来又有助于提供足够窄的光学滤波器光谱带宽，诸如在5纳米与20纳米之间的波长范围内。一般来说，光学滤波器3418所需的光学带宽越窄，入射角的范围应当越窄，使得更好的准直变得更理想。此外，为了实现高功率效率，准直器3416可使用准直透镜或抛物面或其他具有高数值孔径(NA)的准直反射器准直来自LED 3414的光，然后再将这些准直光入射到光学滤波器3418上，诸如图35A、图35B、图35C或图37所示。系统3400(诸如图34A和图34B中所示)提供了可有助于获得期望的照明光谱、光学滤波器3418的操作以及来自LED 3414的光的有效收集的示例。
图35C示出了其中可包括任选的光学漫射器3420的示例以及所得光线轨迹。
如上所述，对光进行准直以降低输入到光学滤波器3418的光的入射角，从而提高光学滤波的效率，这可能是有利的。即使当使用衍射结构时，诸如本文其他部分所描述的，这也可能是有帮助的。不过，在一些情况下，可能会有足够的LED发射照明功率来避免包括准直光学器件3416，这有助于降低设备3402的制造成本。
图35D示出了用于LED 3414中的一个LED的光发射路径的示例，诸如如上所述，并且图35E示出了成本降低的路径的示例(诸如与图35D的示例相比)。
在图35D中，示出了与这些LED 3414中的单个LED相关联的光学路径3501。这些LED3414中的单个LED可安装在印刷电路板(PCB)、封装或其他基板3502上。对应的不透明挡板3504可横向地围绕单独的LED 3414。挡板3504可限制从单独的LED 3414发射的光诸如经由挡板3504中的孔被引导到相应准直器3416。从单独的LED 3414发射的光可以由对应的单独的准直器3416准直，以便将准直的光和更受控制(例如，缩小范围)的入射角投射到对应于单独的LED 3414和单独的准直器3416的相应光学滤波器3418上。如所解释的，光学滤波器3418可减小或控制由单独的LED 3414发射并由单独的准直器3416准直的光的光谱带宽。这种减小的或受控的光谱带宽光可从光学滤波器3418输出，诸如用于照射目标物体3404，以对来自目标物体34104的响应光进行光谱分析。任选地，在照射目标物体3404之前，可以调制或编码这种减小或受控的光谱带宽照明光，诸如使用个性化编码函数，诸如本文所述或并入的。
图35E示出了与这些LED中的单独的LED相关联的光学路径3506的示例。在图2E的示例中，准直光学器件3416可任选地被省略，以便有助于节省制造成本。限制性孔3508可被包括在光学路径3506中、光学滤波器3418的下游，诸如通过将挡板3504延伸超出光学滤波器3418。限制性孔3508可从挡板3504的延伸部分向内延伸。限制性孔3508的尺寸和形状可被设定，并且位于超出光学滤波器3418的指定距离处，以便提供开口以仅允许指定窄锥内的对向角度的经光学滤波的光线3510被发射用于挡板3504之外的下游照明。实际上，这可将经滤波的照明光输出限制为已经以指定方式光学滤波的光线，以便帮助提供稳定的波长照明光输出，而不管由单独的LED 3414发射的光的波长变化。因此，在图35E的示例中，可以在不需要聚焦准直光学器件3416(诸如透镜或抛物面反射器)的情况下实现光学滤波和充分准直。这可有助于减少或管理制造设备3402的成本。
图37示出了实际系统3400的光发射器3406的例示性示例，诸如其可以利用各个光学路径中的反射器。在图37的示例中，一维(1D)行的单独的LED 3414的可安装到PCB或其他基板3502。可提供对应的单独的挡板3504，诸如以如上所述的类似方式，从而以个性化方式约束由单独的LED 3414发射的光。从单独的LED 3414发射的光线可通过离轴抛物面反射器3716单独地准直。在这样的离轴布置中，从单独的LED 3414发射的光可被对应的离轴抛物面反射器3716接收作为输入，并且可以与其成90度角提供所得的反射的准直输出光。这可有助于提供一种紧凑的布置，在某些应用中非常有用。反射器3716可以精确地制造，诸如通过对模制塑料的内表面进行金属化以提供光反射率。单独的准直反射光束可以与输入方向成90度的角度透射到单独的光学滤波器3418的行或其他阵列中的相应光学滤波器3418。如上所述，光学滤波器3418可有助于提供光谱选择和稳定性，并且可任选地被省略，诸如如果能够经济有效地制造稳定的窄带LED 3414并且在设备3402中使用的话。光发射器3406的这种布置可以相当薄，并且这种反射器3716的制造可以利用模塑塑料的精度。
图38A(俯视图)和图38B(透视图)示出了可以包括在图37所示的布置中的另外的任选组件。在图38A、图38B所示的另外的示例中，可包括附加的透镜3802。例如，一对透镜L2(3802A)和L1(3802B)可用于提供用于照明的共享出口位置3804，在该出口位置处，由各个光学滤波器3418输出的所有各种光谱光束都可被组合并且然后被漫射以便随后照射目标物体3404。这可有助于提高一些应用中的性能，这些应用可受益于用于照射目标物体3404的高度均匀的照明光源。例如，如本文所述，这可有助于对复杂组织散射的光谱分析研究以及改善应用中的测量性能，该应用可受益于在相同出口位置处提供的用于照射目标物体3404的所有光谱分量。
图39是光发射器3406布置的示例，该光发射器布置可包括衍射组件，以便允许使用分别发射可跨越宽波长范围的不同波长的光的多个单独的LED 3414。图39中所示的波长旨在用作波长的可能选择的例示性示例。波长的实际选择以及LED 3414的数量可取决于特定的应用。在图39的示例中，从单独的LED 3414发射的光可被单独地准直，诸如通过使用对应的单独的透镜或反射器准直光学器件3416的布置，诸如本文其他部分所述。所得的准直光可被提供给可变光栅或其他衍射元件3925，诸如可被布置成将在相应输入位置处以相应不同光波长接收到的相应输入光束中的每个光束衍射到公共共享位置3930，在该位置处，所有不同波长的光都可在单个空间点或位置3930处聚集。光纤束3932或均化光学器件诸如漫射器可被放置成其输入端置于3930处，以接收来自可变衍射元件3925的光，并提供由此产生的均质化光束，诸如用于照射目标物体3404的光束。
通过将空间滤波器放置在位置3930附近，可以提供图34的薄膜或其他光学滤波器3418的光谱滤波功能。在图39中，复变衍射元件3925可被配置为进行操作以准直来自单独的LED 3414的光并将其重定向到位置3930。可变光栅衍射元件3925可被配置为接收从LED3414阵列生成的光输入，其中每个单独的LED 3414发射不同波长的照明光。可变衍射元件3925可将来自每个LED 3414的具有适当波长组的光重定向到位置3930。由于衍射元件3925的表面的色散性质，来自单独的LED 3414中的每个LED的相应光谱的不同波长通常会以不同的空间分布到达位置3930。因此，衍射元件3925的空间滤波器可充当LED 3414中的每个LED的光谱滤波器。因此，单个衍射元件3925可被配置为用作准直光学器件3416和光谱光学滤波器3418两者。在一些情况下，放置在位置3930处的光纤的位置和数值孔径可充当空间滤波器，并且因此充当进一步简化构造的光谱滤波器。复变衍射元件3925可包括亚波长结构，或者可使用几何相位光学器件来制成。应当注意，图39的示例可扩展为衍射元件3925的二维(2D)阵列，诸如用作图34A、图34B的光学滤波器3418，以及在各种其他示例中，诸如用于波长滤波和将所有各种单独光束空间组合到公共位置3930。
本文所述的各个示例(包括图39的布置)可以是紧凑的，可具有明确定义的光发射光谱，并且可以稳定5nm至20nm的单独输出光谱(比对应的单独的LED 3414的本征发射光谱窄)，诸如通过添加衍射或薄膜光学滤波器结构。这些示例可有助于实现大批量制造，可适应元件放置错误(诸如在单独的LED 3414的安装位置中)，并且可提供适当可管理的透镜和光学滤波器具体实施。
图40A、图40B和图40C示出了光发射器模块3406的光学构造和波长滤波操作的示例。为了清楚起见，仅示出了两个LED 3414，光发射器模块3406可被类似地配置为使用多于两个LED。图40B示出了一个示例，其中来自LED 3414中的每个LED的光可以被准直，诸如使用准直光学器件3416，并且被引导到可提供波长滤波表面的光学滤波器3418(诸如，其可包括薄膜滤波器，或衍射表面)。在图40A中针对LED光谱中的每个光谱描绘了这种滤波操作。在滤波之后，经滤波的光可被投射到皮肤或漫散射表面或其他待测量的目标物体3404上。图40C示出了具体的用例，其中样本是人体组织，应用是检测血液氧合。对于每个具体的用例，可获得相似的光谱并进行分析以识别光谱相关区域和滤波操作。
图40A、图40B和图40C的示例可包括使用几何相位光学元件、超表面光学元件或衍射/亚衍射光学元件中的一者或多者，以实现(1)准直或其他聚焦或(2)光学波长滤波中的一者或两者。这两个功能(例如，聚焦和光学波长滤波)不需要单独的组件来提供这样的功能。在一个示例中，这两个功能可由能够提供这两个功能的共享组件来提供。例如，可以使用“平面光学器件”组合并提供聚焦和光学波长滤波两者。平面光学器件可包括多个表面，以便提供组合的功能。在一个示例中，经由平面光学器件传递的光的光学相位和幅度成形可以在整个平面光学元件上进行改变，以便在广泛的波长范围内选择不同的波长。
图40A示出了光强度与波长的曲线图，诸如对于两个LED(例如，在图40A中以黄色示出的575纳米左右的第一波长和以红色示出的640纳米左右的第二波长)。来自每个这样的LED的光可穿过光学滤波器，诸如通过具有15纳米的半峰全宽(FWHM)带宽的滤波器对来自每个单独的LED的光进行光谱带通滤波。以这种方式，对应的下游光学滤波器可用于抑制单独的LED的光发射光谱的变化。单独的LED的光发射光谱的这种变化可能是以下一项或多项的函数：LED的制造批次、LED的工作温度或LED的偏置电流。单独的LED的光发射光谱的这种变化可通过光学滤波器转化为光学滤波器输出的光相对于输入到光学滤波器的光的有效滤波效率。尽管可使用具有窄带宽光发射光谱的LED，但是这种窄带宽光发射光谱LED的效率可能较低，并且可能表现出更大的制造批次间差异，诸如中心波长与由于一个或多个因素(诸如上述)引起的波长变化的比率(例如，λo/Δλ)。
图40B示出了光发射器模块106的各部分的示意性示例，该光发射器模块可包括多个LED 3414，诸如发射第一波长λ1的光的第一LED(LED 3414A)和发射不同于第一波长λ1的第二波长λ2的光的第二LED(LED2114B)。可包括对应的下游透镜或其他准直光学器件3416，以提供来自对应LED 3414的各个光束的准直聚焦，诸如在光学滤波之前，这样可有助于提高这种光学滤波的效率。在图40B中，在更下游，可提供薄膜光学滤波器3418，以便有助于提供光谱稳定性，而不管LED发射光谱变化的任何变化。在图40B中，再往下游，光束组合器3802可将各种经滤波的光束组合成一致的共享出口位置，用于照射皮肤或其他组织或其他目标物体3404，以及公共照明入射位置，这样可有助于减少任何运动伪影，并可以其他方式有益于响应检测和分析，诸如本文其他部分所述。可诸如通过使用适当的平面光学器件来提供低轮廓(例如，高度小于4毫米)光发射器模块3406。该示例可根据需要扩展到更多LED或更多颜色。
图40C是光吸收μ(以cm-1为单位)与光波长λ(以纳米为单位)的曲线图的计算机模拟示例。示出了含氧血红蛋白(hbO2)、脱氧血红蛋白(hb)、黑色素(浅到深)和皮肤散射(μs’)的吸收的计算机模拟数据。图40C示出了约500纳米与约660纳米的光波长之间的感兴趣区域(ROI)—在低于该ROI的光波长处，光吸收主要以黑色素为主，并且在高于该ROI的光波长处，光吸收深度较长。在图40C所示的ROI内，可诸如使用腕戴式可穿戴监测设备来确定血氧饱和度，诸如本文其他部分所述。
调制技术示例
对于少量(例如，两个或三个)LED 3414，可以顺序地对单独的LED 3414施加脉冲，并且顺序地测量组织或其他目标物体3404的响应。每个单独的LED 3414发出短而强的照明脉冲，可从目标物体3404捕获对该脉冲的响应。但随着LED 3414的数量增加，这会变得越来越成问题。这是因为随着单独的LED被添加到序列中，每个单独的LED 3414的占空比减小，因此，脉冲幅度将需要增加以维持相同的信噪比(SNR)。这可能会变得极其困难—峰值电流可能会变大，电池或其他电气限制可能会变得严重。例如，在电池供电设备诸如智能手表型可穿戴监测器中很难产生如此大的电流，或者如此大的电流消耗可能会导致电池寿命缩短。对于组织测量和其他散射介质，响应光有很大的衰减。这类似于拉曼或荧光成像中微弱信号的情况。如前所述，通过调制组合所有感兴趣的波长，可以克服探测器和接收器噪声的限制，并能够以较低的信号功率达到目标信噪比，从而降低系统功率。此外，LED光源光谱的光学滤波还降低了每个LED的总光强度，同时提高了光谱特征和再现性。本文所述的调制技术能够以必要的输出响应带宽和信号功率水平达到所需的信噪比。
在这种情况下，保持所有LED 3414同时工作(诸如处于较低水平但连续的照明)可能是有利的。组织或其他目标物体3404的响应可针对不同颜色的LED 3414中的每个LED来分离，诸如通过使用正交码来对单独的LED 3414进行调制。这种调制编码的例示性示例在授予Deliwala的于2021年2月24日提交的名称为“CODED LIGHT FOR TARGET IMAGING ORANALYSIS”的美国临时专利申请号63/200,241(代理人案号5712.001PRV)中有所描述，该专利申请通过引用全文并入本文，包括其对调制编码和解码技术的示例的描述，并整体并入本文档的A节。
在腕部和人体其他部位的SpO2应用
在受试者指尖以外的位置使用脉搏血氧仪测量动脉血氧饱和度(SpO2)可能具有挑战性。由于骨骼结构以及光照明和光响应探测布置，指尖是生理上优选的位置。另一个生理上优选的位置是受试者耳朵的耳廓。但这两个位置都不方便进行持续、长期、持续的测量，诸如在锻炼或其他日常生活活动期间。智能手表或其他类似的可穿戴设备(诸如可包括一个或多个光学光电体积描记法(PPG)传感器)可能更适合持续、长期、连续的测量，但腕部是生理上更具挑战性的位置，通过添加红色和IR LED来测量SpO2，诸如用于指尖脉搏血氧仪，即可在腕部上进行SpO2测量。与指尖脉搏血氧仪传感器相比，使用红光和IR LED测量血氧的智能手表性能很差，而且极易因运动伪影和人与人之间的校准差异而产生误差。
随着Covid-19大范围流行，人们迫切需要更好的持续脉搏血氧仪来测量SpO2，因为血氧水平有助于显示疾病的严重程度。能够准确可靠地测量SpO2脉搏血氧饱和度的智能手表或类似可穿戴设备将是非常理想和有用的。像腕部这样的位置非常具有挑战性—它需要克服多项挑战，而且很难在一个解决方案中同时克服所有这些挑战。此类挑战的示例可包括：
1.传感器应安装在智能手表或助听器之类的可穿戴设备中，并且必须非常薄且小；
2.传感器应该是节能的，因为此类可穿戴设备使用相对较小的电池供电；
3.传感器应与大批量生产兼容，对于智能手表来说，每年的生产量已达到约1亿只，如果有了精确的SpO2和其他血液分析测量技术，每年的生产量可轻松达到数十亿只；以及
4.传感器应工作可靠，并采用与腕部组织光学兼容的原理和技术。当这些标准结合在一起时，就很难找到合适的解决方案。但是图34A、图34B中所示的设备的特别适配版本可被配置为同时满足上述所有标准。
首先要注意的是，腕部的光学环境与手指截然不同。对于指尖血氧测定，来自红光和IR LED的照明光必须各自绕过手指中央的骨头到达光探测器，而光探测器位于手指的另一侧，与照明器分离。指尖处的这种布置确保了IR光子和红光光子的光子传播路径相似。因此，可假设这两个照明波长的照明光都经历了类似的通过手指动脉的通道。对于红光和IR照明波长的光子传播距离之比l1/l2差别很大，但光子在手指中传播的几何形状使这些路径相似。这使得指尖位置的双色测量极其稳健，从而实现成功且稳健的指尖脉搏血氧饱和度测定。这些测量技术可扩展到使用多种颜色来改进血气测量。对于照明光的两个不同波长λ1和λ2，可以使用“比率比”(RoR)关系，诸如可以用以下方程表达。
这样的比率比(RoR)可用于估计动脉血氧水平。∈art(λ)是动脉血在不同波长λ下的光吸收率。这反过来又与动脉血中含氧血红蛋白∈ox和脱氧血红蛋白∈deox吸收光的相对量有关。实际上，可以在测量的RoR与测量的动脉血氧之间建立拟合，诸如通过插入动脉管路或使用校准的脉搏血氧仪。
在受试者腕部上的位置处，智能手表或类似可穿戴设备内的血氧仪传感器需要在提供照明的腕部的同一侧进行反射式光响应测量，这与指尖布置不同，在指尖布置中，照明可以在指尖的一侧提供，组织透射的响应光可以在指尖的另一侧探测。在具有同侧照明和测量的腕部位置，照明光子必须散射并“向后散射”才能到达光响应探测器，该探测器可放置在照明光源旁边。更复杂的是，腕部的肌腱和骨骼非常靠近表面，这些纤维的大量运动会导致光子散射(从而导致接收到的响应信号)发生随机和不稳定的变化，从而降低有效信噪比。更具有挑战性的是，用于指尖脉搏血氧仪的红光和IR照明光的两种波长在手腕位置不再起作用，因为用于指尖脉搏血氧仪的红光和IR照明光的光子传播距离(l1和l2)大不相同。这意味着，违反了基于手指的脉搏血氧测定法进行的比率比测量中的假设(即，)，并且不能保证该比率会产生有用的答案。此外，由于智能手表或其他可穿戴设备的摆放位置以及腕部的复杂解剖结构，同一人的这一比率会随着时间的推移而发生很大变化，而且人与人之间也会有很大差异。即使采用使用经训练的机器学习(ML)模型来解读腕部位置的血氧饱和度的方法，也无法轻松应对这些挑战。如本文所述，使用本发明的方法，可以选择的波长。本发明的方法还可有助于确保光子路径较短。
实际上，RoR的测量可以通过测量每个照明光波长处的比率来进行，诸如通过测量PPG信号的AC和DC分量。对于这种方法，DC分量不应被从其他光学器件到响应光探测器的直接杂散反射所破坏。例如，考虑放置在腕部上的智能手表的情况，如图44A、图44B和图44C所示。来自单独的LED 3414的非准直光可能很难远离放置在附近的响应光探测器3408—即使采取了一切努力来隔离来自特定LED 3414的照明光以免直接到达响应光探测器3408，诸如通过使用一个或多个挡板或屏障4440。例如，如果皮肤从照明光出现的智能手表表面移动了几毫米，则来自发散LED的一些照明光线将直接从皮肤表面散射(而不穿过下面的组织)到达响应光光电探测器3408。这将在比率测量中产生误差。但是，当皮肤远离照明光出现的手表表面时，来自LED 3414的准直照明光对比率测量的影响要小得多。提供准直光允许响应光光电探测器3408放置得更靠近光发射器3406，这可有利于在多个照明光波长下进行更好匹配的测量。
图41A、图41B、图41C、图41D是光吸收与光波长的曲线图，示出了血液的光谱以及光谱平均化对血红蛋白(Hb)光谱的影响。本发明的方法的出发点是两种照明光波长的散射路径应尽可能相同。此外，照明光的有效吸收长度应该相对较短，以便光子不会进入腕部组织太远以及与可能发生运动并可能产生过多噪声的肌腱或其他组织结构相互作用。绿色(例如，约520纳米)LED可提供短的有效吸收深度。要确定哪种照明波长对适合腕部脉搏血氧测定，可考虑几个因素。
1.使用更蓝(或更短)的光波长可能是有利的，因为它的传播距离短，血红蛋白(Hb)吸收率高—但深色皮肤中黑色素的吸收率也很高。对于皮肤很黑的人来说，黑色素会吸收大部分蓝光，很少有蓝光会与真皮中的微动脉和动脉相互作用，响应光光电探测器可测量到的响应光更少，因为这种响应光必须第二次(返回)穿过黑色素层。因此，在一种方法中，我们剔除约520纳米的蓝色照明波长。
2.LED光谱相当宽，例如，具有可以大于25纳米至35纳米宽并且在某些情况下甚至更宽的光谱带宽。但是图41B示出，光谱平均化可使含氧Hb和脱氧Hb曲线的形状几乎相同。这使得比率比计算对噪声极为敏感，因为要区分的两种物质(含氧Hb和脱氧Hb)都具有相似的光谱形状。因此，在一种方法中，照明光光谱带宽可经滤波或以其他方式缩窄至小于20纳米的某处，并且优选地，光谱带宽缩窄至15纳米左右。
3.虽然有一个区域可以很好地使用宽LED光谱—指尖脉搏血氧仪中使用的红光和IR波长，但这种方法不适合在靠近肌腱和骨骼的腕部位置进行基于反射的血氧测定，因为所选的两个照明波长需要类似的散射体积。
4.可以使用非常窄的光谱宽度，诸如可由激光器提供的光谱宽度，以便使用图40C中所示的600纳米与650纳米之间的陡峭区域。这样就可以了。能够考虑到激光器波长的批次间变化和温度依赖性的详细计算表明，这在智能手表中可能非常不切实际。比率比的确定对实际激光波长非常敏感，因此很难在消费类产品中使用。
图42是光吸收与光波长的曲线图，示出了可以从中选择LED 3414的两个照明波长的两个区域的示例：第一波长区域4210和第二波长区域4220。如果每个单独的LED 3414发出的照明光谱宽度小于20纳米，就能满足所有要求：RoR相对于SPO2的显著变化、中心波长因制造变异和环境变化而产生的预期误差较低，以及目标组织中照明光吸收长度较短。在图42中，第一波长区域4210在550纳米至590纳米之间(并且更优选地在560纳米至580纳米之间)的区域中。第二波长区域4220为630纳米或更长。包括多个变化源的计算机模拟表明，从630纳米到660纳米的第二波长区域4220可能是优选的。其他可能的解决方案包括在510纳米至530纳米范围内的第一波长区域4210以及在630纳米和更长范围内的第二波长区域4220。为了匹配组织内部的光子路径，第二波长可选择在第二波长范围4220内，以尽可能接近630纳米的波长。
可以省去光发射器3406的构造中的某些步骤和组件，以便有助于降低成本。例如，诸如当单独的LED 3414本身的对应发射光谱足够窄时，可以准直从单独的LED 3414发射的照明光并且不使用任何光学滤波器3418。这种没有光学滤波的准直仍将提供组织内部光学路径的改进匹配，并提高测量比率的稳健性，如本文所述。
图43A、图43B和图43C示出了用于血氧测定的三种光发射器4306配置的示例，诸如用于腕戴式可穿戴设备中。图43A示出了类似于图35A、图35B和图35C中所述的光发射器4306A的实施例1。图43B示出了光发射器4306B的实施例2，该光发射器可包括棱镜表面4320，以便将输出光束弯曲到公共共享照明出口位置用于照射目标物体3404(诸如组织)，以进行反射模式脉搏血氧测定，诸如使用腕戴式可穿戴设备。图43C示出了光发射器4306C的实施例3，该光发射器可包括衍射光栅表面4330，以便将输出光束弯曲到公共共享照明出口位置用于照射目标物体3404(诸如组织)，以进行反射模式脉搏血氧测定，诸如使用腕戴式可穿戴设备。公共共享照明出口处的单个进入点提供了两个照明光波长的光子路径在它们进入腕部或其他组织目标物体3404的复杂生理解剖结构内部并散射时经历尽可能相似的环境。
图44A、图44B和图44C示出了其中光发射器模块3406、4306可被包括在智能手表4410或类似的腕戴式或其他可穿戴设备诸如手臂或胸带或贴片的背面上的配置的示例的各种视图。光发射器模块3406、4306可通过被响应光探测器光电二极管3408包围而附在智能手表4410的背面上，诸如可作为智能手表4410的组件或光发射器模块3406、4306本身的一部分单独放置，该光发射器模块可包括响应光探测光电二极管3418以及模拟和数字处理器或控制器电子器件3410，诸如集成模块。光发射器3406、4306的配置可采用图43A、图43B或图43C中所示的任何形式，并且可扩展为包括其他LED 3414，诸如可分别提供其他照明光颜色，这些照明光颜色可以是或可以不是光学滤波的，诸如本文其他部分所述。
虽然为了清楚起见这些示例强调使用两个LED 3414来测量SpO2，但是可使用多于两种颜色，并且图44A至图44C中所示的模块可根据需要扩展。在胸部或手臂上测量SpO2的问题同样具有挑战性，其原因与腕部类似，但也有胸部或手臂特有的其他原因。例如，在胸部位置，由于靠近跳动的心脏，而且动脉和静脉通常相互靠近，因此胸腔内的动脉和静脉都会生成脉动的“心搏”分量。这使得确定SpO2相当困难，某些RoR算法可能会测量静脉和动脉血氧的一些加权平均值。一种方法是结合以780/940纳米波长照射的LED光的数据来确定并区分动脉和静脉的氧合情况。这是因为附近跳动的心脏对不同微动脉、动脉和静脉的影响会因心脏的位置以及光子与血液相互作用的深度而不同。这些不同的波长依赖性效应可与应用部位的解剖学见解相结合，诸如从可位于胸部的设备3402提供血氧水平。
其他分子的测量示例
本文所述的技术可扩展到其他分子或材料的光谱测量。例如，可类似地使用可穿戴设备来监测或测量葡萄糖，诸如通过使用红外单独的LED 3414，其可提供不同照明光颜色的照明，这些照明光颜色可跨越葡萄糖的吸收波长谱，诸如在1500纳米到2500纳米区域。在另一个示例中，可使用单独的LED 3414来监测或测量血液中的酒精，这些LED可提供对酒精波长光谱敏感的照明光波长，诸如在1200纳米左右的波长区域。在一个示例中，多个单独的LED 3414可被放置在光发射器模块3406、4306中，其中一些可用于血氧测定法以监测或测量SpO2，其中一些可用于血液中的酒精光谱测量或监测，并且例如，其中一些可用于葡萄糖测量或监测。这可包括例如LED 3414和/或对应的任选光学滤波器3418，这些光学滤波器可被配置用于测量SpO2，1200nm左右的几个波长用于测量血液中的酒精，1500nm到1900nm之间的几个波长用于测量血糖。单独的LED 3414中的特定LED的子组可以被顺序地或同时地通电并且视情况用于特定的分析物测量。因此，并非每种目标化合物的所有测量都需要同时进行。
在一些情况下，处理器或控制器3410可包括指令诸如使用脉冲锁定技术(诸如本文在RoR讨论中描述的)，诸如测量动脉血氧成分。在一些情况下，多个单独的响应光光电探测器3408中的各个响应光光电探测器可被布置在距光发射器3406、4306的LED 3414不同距离处，以便测量在LED 3414中的对应LED的各个照明光波长下的吸收或散射系数或两者的一个或多个变化。可使用具有对应的任选下游光学滤波器3418的单独的LED 3414，诸如图34A、图34B和本文其他部分所示和所述的。
放置在身体上或作为独立设备的示例
尽管本文档中的描述集中于用作可位于受试者腕部上的可穿戴设备的应用，但是本发明的技术还可应用于受试者身体的许多其他区域，或者应用于其他目标物体的光谱分析3404，不一定是生物的或与人体或动物体相关的。例如，本发明的技术可用在受试者的指尖上，诸如用于指尖位置处的多分析物测量。例如，本发明设备3402的全部或部分可内置到另一个组件或制品中，诸如内置到臂带、胸带或骨折石膏或其组件中，诸如用于测量伤口愈合的一个或多个指示。例如，当打着石膏的肢体内的血流明显受阻甚至停止时，就会出现骨筋膜室综合症。这可能是由于石膏对打石膏的肢体施加了内压。骨筋膜室综合症的影响可能导致需要通过手术切除受影响的肢体。无论是腿部、手臂还是身体的任何其他部位，对石膏所包裹的肢体组织的血氧水平进行良好的评估都有助于避免此类后果的发生。整个设备3402可内置在石膏或支架中，并可包括电池和射频或其他无线通信模块，通过这些模块可将血氧测量结果传送给护理人员或其他用户或监测设备。
在另一个示例中，本设备3402的全部或部分可内置到另一个组件中，诸如独立设备，诸如健康舱、智能扬声器、个人计算机等，诸如其可包括固定装置或其他界面以帮助受试者定位指尖或其他适当的身体部位以进行诸如本文所述的光谱测量和分析。
用于光谱学的多光谱照明
如本文所讨论的，以及并入本文的提交于2021年2月24日、名称为“CODED LIGHTFOR TARGET IMAGING OR ANALYSIS”的授予Deliwala的美国临时专利申请号63/200,241(代理人案卷号5712.001PRV)的主题所支持或结合的，本文所述或并入的技术(例如，系统、设备或方法)可用于提供稳定的多光谱光源。这样的光源可耦接到光纤或光纤束，诸如用于传递到内窥镜输入端、显微镜输入端，或以其他方式诸如用作光谱法的光源。LED 3414可提供跨越200纳米到10,000纳米的照明波长，诸如可取决于应用需求。其他应用的例示性示例可包括用于分析物测量的比色法、特定分子的光谱法，诸如在工业过程控制或气体和气溶胶测量中，诸如在提交于2021年2月24日、名称为“CODED LIGHT FOR TARGET IMAGING ORANALYSIS”的授予Deliwala的美国临时专利申请号63/200,241(代理人案卷号5712.001PRV)中描述的，该专利申请通过引用并入本文，包括其此类其他申请的示例，并且其整体并入本文档的A节中。如果需要，可任选地组合多个相同(或不同)的光发射器模块3406，以便有助于产生更强烈的照明。
其他光源
虽然本文档中的描述集中于使用LED，但是可以附加地或另选地使用超辐射发光器件(SLED)。图34B中所示的阵列中的LED 3414的一些或全部可用其他组件代替，诸如垂直腔表面发射激光器(VCSEL)，这将避免对准直和滤波的需要。一般来说，VCSEL目前可能无法在分子光谱所需的所有波长下使用。
其他意见
如本文和提交于2021年2月24日、名称为“CODED LIGHT FOR TARGET IMAGING ORANALYSIS”的授予Deliwala的美国临时专利申请号63/200,241(代理人案卷号5712.001PRV)中所述，多响应光接收器光电二极管或其他光电探测器可放置在与准直光谱滤波光源的不同距离，并且可用于估计样本或目标物体3404的吸收和散射系数。通过将多个波长的照明光传递到样本或目标物体3404以便从相同位置开始并且具有基本上相似的角度扩展，可以减少这些参数的估计中的主要误差源。这种吸收和散射系数的估计可以与信号处理相结合，以便测量材料结构和属性的一种或多种变化。例如，可使用几个照明波长来在两个不同的距离处进行测量(例如，如本文档的A节中关于图12A所示和所述的)。
图45示出了类似的示例，诸如用于对目标物体3404(诸如可以包括具有外皮的水果)执行光谱分析的配置。通过将第一响应光光电探测器4121定位在第一测量部位处，将第二响应光光电探测器4123定位在不同定位的第二测量部位处，以及通过包括向样本中提供或多或少准直的输入光(其可选择性地被调制，诸如使用W-CLS，诸如本文在A节和提交于2021年2月24日、名称为“CODED LIGHT FOR TARGET IMAGING OR ANALYSIS”的授予Deliwala的美国临时专利申请号63/200,241(代理人案卷号5712.001PRV)中所述)的光发射器306，这样就可以“消除”普通果皮的影响(普通果皮通常更容易吸收光线)，并确定底层果肉的一个或多个参数。这样就可以测量水果的干燥度或细胞硬度。类似的技术还可应用于人类真皮或表皮的测量。
图46示出了用于选择或配置系统3400的各种组件的方法的决策树的各部分的示例，诸如包括选择特定光学滤波器3418。待使用的照明光波长的数量和光学滤波器通带宽度可各自取决于目标物体3404的目标光谱和LED 3414光源的光学波长发射光谱宽度。对于血氧饱和度(SpO2)的情况，诸如使用本文所述的腕戴式设备，如果光学滤波器通带宽度过宽(或根本没有光学滤波器)，就会失去在所选照明光波长下检测血氧饱和度的能力。使光学滤波器通带宽度太窄则会减少可用于进行良好测量的照明光量。这些和类似的考虑因素可能需要根据具体情况加以平衡。但是本发明的方法允许通过适当地配置系统3400来实现可操作性并且实现不同的光学滤波器通带功能，这些光学滤波器通带功能中的每个功能都可被选择以使得对目标光谱的变化的探测是可辨别的，从而实现期望的测量。
在另一个示例中，本发明的方法可以用于体内使用葡萄糖感测。在这样的示例中，可以在1500纳米与2400纳米之间的特定波长上选择许多不同的光波长，诸如可用于测量葡萄糖。这样的葡萄糖测量应用可受益于在每个波长下执行的每次测量，其中SNR在50Hz照明重复率下超过例如60dB。这些参数可针对特定系统3400而改变并且可取决于要进行测量的身体部位。但这些参数加在一起，将直接确定测量光波长的数量、光学滤波器带宽以及要使用的特定波长的实际选择。
图47示出了使用系统3400或设备3402对诸如组织样本或其他目标物体3404的基于LED的光谱分析方法4700的各部分的示例。
在4702处，照明可由光发射器模块3406中的多个LED 3414中的各个LED顺序地或同时地发射不同的光波长来产生。如果是同时的，则可任选地使用正交编码来调制或编码各个LED的相应光学路径中的各个光发射波长。
在4704处，来自各个LED的LED光发射中的一个或多个或全部都可被滤波，例如，缩窄，诸如在各个LED的相应光学路径中。这可有助于减少LED光发射的光谱变化，并可有助于对其他具有挑战性的目标分析物或目标位置进行光谱分析。在单独的光学路径中使用准直光学器件3416来预准直LED发射光，可以提高对应光学滤波器3418的滤波效率。
在4706处，来自不同照明波长的不同的各个LED的不同光学路径可以被引导向共享或公共的目标样本进入位置。这可包括使用以下中的一项或多项：挡板、孔、复变衍射或亚衍射光栅、超表面光学元件、几何相位光学元件、光纤或光纤束，或其他组件，诸如本文所述。任选地，可提供波长均匀化，诸如使用光漫射器。可任选地提供编码/调制，诸如使用多个LED的同时照明，诸如本文所述或并入的。
在4708处，响应于目标的照明而获得的来自样本的响应光可以被探测和转换，诸如使用一个或多个光电探测器，该一个或多个光电探测器可相对于目标和相对于照明光的公共/共享进入点放置在期望的位置。
在4710处，如果照明光被调制或编码，则可对响应光进行解码以产生与各个照明波长相对应的各个响应。如果通过激活对应的单独的LED 3414来顺序地发出单独的不同波长的光，则对应的响应可被对应地分配给这样的照明波长以用于分析。
在4712处，可使用不同响应光波长的RoR来确定目标分析物(例如，血红蛋白中的氧、葡萄糖、酒精或其他分析物)的浓度或其他指示。值得注意的是，如本文所述，如果不对一个或多个LED照明光波长进行滤波，则可能无法进行这种RoR分析。如图41B、图41C和图41C的计算机模型数据所示，仅当照明光谱带宽变窄时(例如，从图41B中的30纳米，到图41C中的20纳米或到图41D中的15纳米)，光谱响应(虚线)才开始表示对应目标分析物(在本示例中，含氧血液与脱氧血液)的光谱特性。
因此，本发明的技术(例如，诸如包括光学波长滤波，诸如具有预滤波准直)可有助于提供来自潜在宽带光源(诸如可包括单独的LED或SLED)中每个光源的光谱上明确定义的照明光。本发明的技术还可有助于向样本中提供明确定义的投影光束，这可以显著减少不需要的散射，这反过来可有助于确保照明光子到达附近的光电探测器，诸如可作为响应光被探测到。本发明的技术可以包括对照明光的编码或调制，诸如使用正交编码函数，诸如本文所述或并入的，这可有助于允许同时照明。并行编码照明有助于提高SNR，否则，随着不同波长数量的增加和顺序照明方案的使用，SNR可能会受到影响。
在SpO2的情况下，能够以足够高的测量重复率(诸如50Hz)来测量响应信号，以便识别和补偿响应信号中的任何脉动分量，诸如由跳动的心脏的心搏叠加的脉动分量。可以计算本文所述的比率之比(RoR)，由此可确定氧气水平。当存在更多不同的照明光波长时，可以使用更复杂的拟合来拟合分析物浓度的光谱。这可以针对每个波长的AC/DC比率、“DC”光谱或两者来执行。不同位置的不同光电探测器的“DC”光谱的变化可以直接测量组织样本或其他目标物体的吸收和散射系数，并且可用于监测化学和结构随时间的变化。AC/DC频谱(或比率频谱)的作用在于，它可允许测量动脉血(或任何随心脏跳动的血液)的变化，并可以跟踪血液中的一种或多种分析物。
上述测量可应用于一种或多种其他分析物，诸如葡萄糖或酒精。因为这些分子的光谱可能受到存在的目标分析物量的微小变化的影响，所以这些分子可以受益于提供高SNR的探测技术。但良好的测量也可以受益于高光谱确定性。因此，本发明的技术可用于提供适当的照明光谱宽度(对应于特定照明波长下的照明)以保留分析物的光谱特征，诸如有助于产生高对比度以帮助减少可在多个照明波长下进行测量的测量误差。这种方法可有助于测量存在背景光谱影响和偏移时分析物的变化。本发明的技术有助于对人体进行体内测量，以及对其他样本或目标物体(诸如植物或其他介质)中的其他分子进行测量。
C节：用于目标成像或分析的编码光示例
本节C介绍了使用本文所述的编码光技术进行目标成像或分析的示例，诸如用于移动目标或物体的机器视觉，诸如待检查的半导体晶片或其他移动物体(例如，在传送带上)。
简而言之，作为本节C中描述的例示性示例，系统10的发射部分11上的光学照明器的编码光照明可与焦平面阵列(FPA)光成像器一起使用，该FPA光成像器用作系统10的接收部分12上的成像光电探测器119，接收来自移动目标物体117的响应光，诸如用于在移动台或传送带上待检查的集成电路(IC)或半导体晶片或其他部件的机器视觉检查。照明光可以用正交函数编码，诸如红-绿-蓝(RGB)照明序列，或者光谱上连续或不连续颜色的组合序列。这种方法可以提供优于某些其他机器视觉移动目标检查方法的优势，诸如二向色组合器或在相机处使用二向色分裂而不是在照明侧对光进行调制编码的3CCD成像系统。
作为例示性示例，可使用机器视觉来检查移动目标物体，这可包括使用光学成像颜色检查系统。这可包括检查一个或多个半导体晶片上的一个或多个集成电路(IC)管芯，这些半导体晶片已放置在经过半导体晶片检测系统的移动台或传送带上。
这种颜色检查系统的一种可能的方法是包括具有三个电荷耦合器件(CCD)传感器的相机，用于分别分析来自经过的移动目标物体(诸如半导体IC或晶片)的光的红色、绿色和蓝色(RGB)分量。在这种方法中，在接收侧(即，使用从经过的移动目标物体接收的光信号进行相机成像)将光二向色分离为RGB分量。这种方法可能容易出现CCD传感器振动、CCD传感器对准或两者兼而有之的问题。使用这种方法可能需要CCD传感器匹配或校准来获得期望的性能水平，诸如上文关于“实施例6：特效和录音室录制”类似地解释的。
因此，本发明人已经认识到，除其他事项外，在本领域中需要提供一种三色或更多色成像系统，诸如其能够满足或超过3CCD传感器彩色成像系统的性能，并且例如，不易发生传感器振动和对准，无需传感器匹配，并且校准负担较轻。还可能期望保持所得的彩色图像的更新速率超过100Hz。如本文所述，可提供一种方法来使用光学照明器来提供调制编码光(“编码光”)，以便照射移动目标物体，诸如待检查的部件。用于机器视觉彩色成像的这种编码光照明可包括使用重复选通的短脉冲闪光(例如，使用闪光氙灯等)，诸如为了“冻结”运动，用于成像目的，诸如为了产生三个移动目标物体(诸如半导体IC或晶片)的三色或更多色图像。编码光可由系统接收侧的一个或多个相机接收，诸如在焦平面阵列(FPA)成像光电探测器处，并且转换成可以解码的电信号，诸如可包括使用关于发射侧上的光学照明器进行的调制编码的信息来提供相对于不使用目标物体的编码光照明的机器视觉成像的一个或多个优势。还可能期望允许本发明的技术也使用和利用(或兼容)成像系统中的某些成像基础设施。还可能期望允许本发明的技术提供定义任意光谱区域(例如，除了RGB区域之外)的能力或灵活性，诸如用于一个或多个静止或移动目标物体的特定于应用的检查。
图48示出并描述了系统4800的各部分的示例，该系统可采用编码光方法来对移动目标4817进行机器视觉成像，诸如可被放置在移动台或传送带上的待检查的半导体IC或晶片(或其他部件)。在图48所示的示例中，光学照明器4802可包括或者可耦接到光学调制器，诸如空间光学调制器(SLM)4804。光学照明器4802可包括闪光或其他选通或脉冲光源(LS)4806。例如，光源4806可包括氙闪光光源、宽带脉冲激光器、LED泵浦磷光体或快门连续光源4806。因此，光源4806可被配置为进行操作以限制输出光脉冲持续时间，这反过来又限制了焦平面阵列(FPA)光成像器的曝光时间，诸如可包括在相机4808中，该相机可被包括在系统4800的接收侧上，诸如图48所示。闪光光源4806可经由光学路径将光输出到下游棱镜或其他色散分离器4810。色散分离器4810可将从闪光光源4806接收的光色散成空间上分散的不同光谱分量。来自色散分离器4810的这些不同的光谱分量可经由光学路径提供至下游空间光学调制器(SLM)4804。SLM 4804可不同地调制所接收的不同光谱分量的各个光谱段，诸如根据不同的(例如，正交的、可识别的或唯一的)时变调制函数来执行不同的各个光谱段或分量的调制编码。来自SLM 4804的调制光输出可被提供给色散组合器4812，诸如当期望将不同光谱段或分量重新组合成来自色散组合器4812的波长均匀输出时，或者允许引导期望的调制波长用于照射移动目标物体上的对应期望位置时。因此，在某些应用中，色散组合器4812可以由非色散组合器代替，诸如上文关于图5C在A节中以及在并入的名称为“CODEDLIGHT FOR TARGET IMAGING OR ANALYSIS”的美国临时专利申请序列号63/200,241中所示和所述的，或者例如用于将照明光输出组合成随机化的光纤束或其他光学照明光束输出。目标可以是从色散组合器4812(或其他非色散组合器)生成编码光输出，该编码光输出可以与良好的光谱成像一致并且有利于良好的光谱图像。如图所示，折射光学器件4814或反射光学器件4816中的一者或多者可用于将色散组合器4812(或其他非色散组合器)提供的调制光引导向移动目标物体4817，诸如可包括待检查的半导体IC或晶片(或其他部件)，诸如在移动台或传送带上沿某一方向移动，该方向可被定义为x方向，诸如以速度vx，诸如图48所示。本发明的可视化或检查方法不限于晶片检查。关于本发明的方法描述的原理还可应用于材料识别和分拣，例如，诸如上文关于图22B在A节中所示和所述的，并且还包括在并入的名称为“CODED LIGHT FOR TARGET IMAGING OR ANALYSIS”的美国临时专利申请序列号63/200,241中，例如在移动带上的目标物体或移动介质中的细胞或其他目标物体，或者以某种方式移动的其他目标物体。
如图48所示，相机4808可包括一维(1D)或二维(2D)焦平面阵列(FPA)成像器，诸如包括成像像素阵列。图48示出了一个用例，其中可由SLM 4804提供M＝3个调制函数(例如，RGB)，用于可任选地使用的调制编码。当M较小时，诸如M＝3，一类新的调制函数以有效的方式良好地工作。这些稍后在图51中描述并在本文中解释。编码照明光束由480提供，用于照射待检查的移动目标4817。移动目标物体4817(或者其上放置目标物体4817的移动台或传送带)可包括视觉或其他位置测量标记，该标记可由所示的位置测量读取部件4820读取。这种位置信息本身或者附加地或另选地使用由此生成的速度信息，可被提供给定时控制器电路4822。使用这样的位置或速度信息，定时控制器电路4822可向光源4802提供一个或多个控制信号，诸如以控制闪光光源4802的闪光或脉冲。例如，此类闪光定时控制可任选地用于帮助提供相机4808中的FPA中的焦平面阵列成像像素的像素同步或对准，诸如本文所述。例如，定时控制器4822可控制生成闪光，使得对于连续闪光的像素的一些整数平移可以维持像素级对准，诸如本文所述。如图48所示的调制编码光机器视觉系统4800可被配置为使得连续的波长组(连续的“光谱段”)可在期望的精确时间呈现给移动目标物体4817，诸如本文所述。尽管图48中所示的示例集中于可位于移动台或传送带上的移动目标物体4817，但是所示和所述的技术也可在没有这种移动台或传送带的情况下使用—例如，在检查设备或系统4800本身相对于静止的目标物体4817移动的情况下，例如，以“推帚”或类似方式，使得目标物体4817仍相对于(例如，关于)检查设备或系统4800在“移动”。
相机4808中的焦平面阵列(FPA)成像器包括在目标移动物体的运动方向(例如，图48的示例中的x方向)上具有足够像素的像素阵列，以从顺序调制的照明脉冲的N次闪光捕获图像，尽管彼此偏移τ＝1/N，其中N≥M。来自不同调制函数的编码信息可由图像信号处理器电路4824解码或重构，诸如使用从定时控制器4822接收的定时信息，诸如用于在存储器/显示器4826中存储或显示图像。所解码或重构的信息可将来自移动目标物体4817上的相同或相似位置的信息彼此组合，如本文所述，诸如通过在与从照相机4808中的焦平面阵列(FPA)成像器读出的信息相关联的存储器电路中应用适当的偏移以生成目标移动物体4817的特定部分的彩色图片(诸如图48中针对N＝M＝3的情况所示)。
在图48的例示性、非限制性的示例中，其中N＝M＝3，传送带或传送台的运动可使得其对于N＝M＝3的彩色图像的每一次闪光移动穿过相机4808中的焦平面阵列(FPA)的1/N(例如，1/3)。对于N＝M＝3，闪光速率、运动方向(x方向)上的像素数Nx和移动台的速度vx是相关的，使得vxτ≤(Nx/3)。
更一般地，假设例如我们想要创建移动台或传送带上的物体(例如，目标移动物体4817)的N通道光谱图像。移动台或传送带以速度vx移动，如相机4808的FPA像素成像阵列所见。此外，假设相机4808中使用的FPA成像阵列在移动台或传送带的运动的x方向上具有Nx个像素。这意味着全新的图像将出现在相机4808的视场(FOV)中，并且在时间上没有重叠，其中p是相机4808的FPA中的像素的宽度或大小。
目标可以是从光学照明器4802获得编码光源的M次曝光，每次曝光包含在一定时间T内进行的波长(或光谱段)的唯一组合。这些M次曝光可用于重构M个通道的光谱图像，如上文A节中所述，以及如包括在并入的提交于2021年2月24日的名称为“CODED LIGHT FORTARGET IMAGING OR ANALYSIS”的美国临时专利申请序列号63/200,241中的。但是目标物体4817正在移动，因此只有在目标物体4817上的每个点都经过所有M次曝光后，才能重构图像，而这些点由于目标物体4817的运动而与相机4808中FPA成像阵列上的不同像素位置相对应。这意味着所有M次曝光必须在时间T内进行，每次曝光的时间间隔为
以这种方式，可以通过识别目标物体4817上的相同点或位置来执行移动目标物体4817的相同区域的组合图像的重构—这些点或位置在图像中彼此平移个像素。这种“重新对准”可以在存储器4826中完成，诸如在用于显示或分析的图像预处理期间。例如，能够以滚动方式对目标物体4817上的每个点执行连续重构，因为可以对光学照明器4802的编码光源进行操作来产生周期性重复的代码。
此外，使每次闪光曝光发生在相机4808的FPA中的整数倍像素处可能是有利的。这可涉及在传送带或移动台已将移动目标物体4817平移nx个像素时的精确时间协调闪光(和/或相机4808的电子/机械快门)。这使得在存储器4826中更容易执行“重新对准”。这可由定时控制器4822管理，该定时控制器接收来自SLM 4804或光学照明器4802的输入，或者将定时控制信号信息发送到SLM 4804或光学照明器4802，使得SL 4804或光学照明器4802处于适当的状态然后在适合于像素级对准的时间生成调制编码光的闪光或触发相机4808的其他曝光的快门。
此外，但不一定的是，移动目标物体4817可任选地“冻结”在b像素的模糊水平，曝光时间(受光学照明器4802的闪光持续时间或相机4808的快门开度限制)由给出。
在图48的例示性示例中，该图示出了定时控制器4822能够(或同时)在节点/总线4828上“接收”来自空间光学调制器4804的输入以用信号通知其状态，或向空间光学调制器4804或光学照明器4802的其他组件“发送”信号以准备编码光源的正确状态，诸如取决于光学照明器4802使用的调制器类型。定时控制器4822还引导光源4806的闪烁(如图48的图的示例中所示)，但是另选地，可被配置为触发相机4808的FPA上的曝光，或两者。
在图48中，该图和说明是针对其中N＝3和M＝3并且其中调制码可对应于一个或多个循环矩阵(例如，其中波长组(或光谱段)中的每一者对应于循环矩阵的列并且其中循环矩阵的行形成用于调制的时间序列的矩阵)的例示性示例作出的。但是，如上所述，本发明的技术(包括循环矩阵或其他调制函数的任何用例)可推广到N和M的不同值对。对静止物体的成像可使用本文所述的任何技术进行，或上文A节以及并入的提交于2021年2月24日、名称为“CODED LIGHT FOR TARGET IMAGING OR ANALYSIS”的美国临时专利申请序列号63/200,241中所述的任何技术。除了循环矩阵之外，可用于调制编码(诸如通过光学照明器4802)的不同调制函数的其他例示性示例可包括一个或多个其他正交调制函数，诸如傅立叶级数、阿达玛级数的分量，或一个或多个其他正交函数。
在一个示例中，相机4808的焦平面阵列光成像器可包括与焦平面阵列光成像器(例如，RGB相机4808)的对应像素相关联的一个或多个光学滤波器。例如，可将该一个或多个光学滤波器布置在目标物体4817与相机4808之间的光学路径中，使得相机4808的焦平面阵列光成像器的不同像素接收对由光学照明器4802提供的照明光束的调制编码的不同波长光分量的不同部分的响应。
在一个示例中，光学照明器4802可包括光学调制器(诸如SLM 4804或除了该SLM之外)，该光学调制器可被配置为提供附加的更高频率的调制，并且图像信号处理电路4824可被配置为使用来自相机4808的焦平面阵列(FPA)成像器的响应信号来对这种更高频率的调制进行解码。例如，此类附加的较高频率调制信息可用于使用关于较高频率调制的解码信息来测量(较低频率调制)波长(或光谱段)分量中的一个或多个分量的时间延迟或相位延迟。
图49A、图49B和图49C描述了灵活光谱测量的例示性概念示例，包括RGB(参见图49A)、RGB的组合(例如，诸如BG、GR和RB中，参见图49B)和可以在光谱上连续或不连续的任意波长分量(参见图49C)。
在图49A、图49B和图49C中的每一者中，图的上部示出了光源4806(例如，氙闪光光源)的特定示例的光强度与波长的光谱图。在图49A、图49B和图49C中的每一者中，图的中间部分和下部示出了将时隙的时间序列分配给氙闪光光源4806的各种波长分量(光谱段)。
在图49A中，移动目标物体4817上的照明光的正交调制函数的时间序列示出了红色照明光(R)的脉冲的发出，接着是绿色照明光(G)的脉冲的发出，接着是蓝色照明光(B)的脉冲的发出。
在图49B中，移动目标物体4817上的照明光的正交调制函数的时间序列示出了蓝色和绿色照明光(BG)的脉冲的发出，接着是绿色和红色照明光(GR)的脉冲的发出，接着是红色和蓝色照明光(RB)的脉冲的发出。但是，时间序列不一定要发出光谱相邻的连续脉冲。
在图49C中，移动目标物体4817上的照明光的正交调制函数的时间序列示出了第一组波长的照明光脉冲(C1)的发出，接着是第二组波长的照明光脉冲(C2)的发出，接着是第三组波长的照明光脉冲(C3)的发出—在特定的波长组内，可包括非连续的波长，并且在时间上相邻的波长组脉冲之间，可包括非连续的波长组，如本示例所示。
图50是比较相对于图49A、图49B和图49C描述的技术的各种版本的图，以帮助解释用组合光谱通道(例如，诸如图49B和图49C所示)代替图49A所示的简单RGB通道的一些潜在益处。更具体地，代替以简单序列诸如RGB调制编码照明，以组合编码诸如BR、RG和GB等可能是有益的，因为，如图50概念性地示出，这样做可增加移动目标物体4817上的照明光，并因此将移动目标物体4817在相机4808的焦平面阵列(FPA)成像器上的响应光增加几乎2的计算因子，从而能够提供与非色散系统的信噪比相当的信噪比(SNR)。其他波长组合可用于对照明光进行编码，例如，如图49C所示，例如，以便与移动目标物体4817的特定光谱反射率相匹配。这可有助于提高由相机4808的焦平面阵列成像器检测到的所得图像中的特征的辨别能力，并且可通过直接改变系统4800的编码方案来实现，诸如上文关于图49C所述。
概括地说，在机器视觉应用中使用本发明的技术可具有一些优势，诸如用于对移动目标物体4817(诸如在移动台或传送带上待检查的IC或半导体晶片或其他部件)进行成像。关于图48、图49A至图C和图50所示和所述的方法可有助于实现高信噪比(SNR)测量，诸如用于使用单色相机4808。所公开的技术可有助于提供移动目标物体4817上的每个位置的光谱或颜色响应的出色对准。这些技术可用于帮助光学照明器4802向目标物体4817提供高光谱纯度照明光。所示和所述的布置和方法与移动目标物体(例如，相对于检查设备或系统4800移动)兼容。本发明的技术可有助于实现使用和改进现有的相机装备、成像光学器件和运动测量。本发明的技术可有助于提供灵活的架构，诸如可有助于允许选择相机、成像光学器件或两者。本发明的技术可扩展到近红外(NIR)波长、4色组合，或者更多或更复杂的颜色组合，诸如可用于薄膜或其他测量。本发明的技术可扩展到短波红外(SWIR)波长。本发明的技术可扩展到更多的颜色，或者甚至可一直扩展到移动目标物体4817或静止目标物体117的高光谱成像，诸如上文在A节以及也在并入的名称为“CODED LIGHT FOR TARGET IMAGINGOR ANALYSIS”的美国临时专利申请序列号63/200,241中所示和所述的。在计算机上执行的光学模拟表明，来自氙闪光灯光源4806的约10％至25％的光可被调制编码，诸如用于彩色成像。
表8提供了本发明人对以下几种方法的比较分析意见(概念化的，并非基于真实数据)：(1)用于检查IC、半导体晶片或其他部件的彩色成像的本发明的编码光方法，与(2)二向色组合器方法；(3)彩色滤色轮或可调滤波器方法；(4)3CCD探测器系统方法进行比较。本发明的方法可使用色散编码照明系统方法，如本文所述。二向色组合器方法使用二向色滤波器将来自三个或更多个光源的光组合到用于照射目标物体的公共路径中。滤色轮或可调滤波器方法可使用可放置在相机前面的移动滤色轮，诸如采用大面积滤波器来对滤色轮或其他可调滤波器中的不同颜色进行成像。3-CCD系统涉及相机处的二向色分离(例如，与二向色组合器方法相反)以使用来自一个照明光源的照明通过三个相机执行同时测量。表8解释了各种方法的各种属性，包括具体实施、测量方法、空间均匀性、光谱均匀性、校准、光效率、成像器接受角度、光学复杂性、缺陷、再现性和灵活性。
表8.预期属性的概念化(非真实数据)比较分析
图51A、图51B和图51C共同提供了可以应用于波长组或光谱段的某些调制函数的例示性示例，诸如可以用于依次和/或同时照射移动或静止的目标物体4817。
考虑以下两种(在许多可能性中)可对多波长光源4806的不同波长分量(光谱段)进行调制的调制函数情况。例示性情况可包括：(1)以余弦函数为基集导出的正交编码(见图51A)；(2)以环形矩阵的直接示例为基集导出的正交编码(见图51B、图51C)。
图51A通过示例示出了使用余弦基函数并使用48个时隙的情况。此处，我们以仅示出4个波长组的示例来例示图51A所示的模式。该模式在时间上重复。所示的黑色和白色区域对应于被诸如光学照明器4802的调制器4804阻挡(黑色)或透射(白色)的光。如上文在A节以及也在名称为“CODED LIGHT FOR TARGET IMAGING OR ANALYSIS”的美国临时专利申请序列号63/200,241中所述，空间调制器4804可包括旋转圆盘的使用，诸如旋转圆盘可包括沿着圆盘的一侧打印的对准“时钟”或定时或位置指示符，诸如用于将照明调制与焦平面阵列成像器检测以及相机4808对来自目标移动物体4817的光响应信号的采样相协调。圆盘是SLM 4804的一个示例。还可使用微机电机器(MEM)或使用另一个空间调制器4804来呈现调制模式。图51A中所示的模式仅表示可被选择用于调制光的照射的许多模式，其中调制编码的光入射在静止或移动的目标物体4817或场景117上。
图51B、图51C示出了使用直接循环照明生成矩阵的控制器电路的示例，该矩阵用于一次使用一个波长组(光谱段)(图51B，其中照明由对应时隙中的亮盒指示，光阻挡由对应时隙的暗盒指示)或同时使用多个波长组(光谱段)(图51C，其中照明由对应时隙中的亮盒指示，光阻挡由对应时隙的暗盒指示)来协调指定时隙的编码照明。类似地，可通过使用照明编码生成矩阵的逆来协调解码。
上述描述包括对附图的参考，附图形成具体实施方式的一部分。附图以例示的方式示出了可以实施本发明的具体实施方案。这些实施方案在本文中也被称为“示例”。这些示例可包括除了所示或所述的那些之外的元素。然而，本发明人还考虑了仅提供所示或所述的那些元件的示例。此外，本发明人还考虑了使用所示或所述的那些元素(或其一个或多个方面)的任意组合或排列的示例，无论是针对特定示例(或其一个或多个方面)，还是针对本文所示或所述的其他示例(或其一个或多个方面)。
如果本文档与通过引用并入的任何文档中的用法不一致，则以本文档中的用法为准。
在本文档中，如专利文件中常见的那样，使用术语“一”或“一个”来包括一个或多于一个，独立于“至少一个”或“一个或多个”的任何其他实例或用法。在本文档中，除非另有说明，术语“或”用于指非排他性的“或”，使得“A或B”包括“A但不B”、“B但不A”以及“A和B”。在本文档中，术语“包括”和“其中”被用作相应术语“包含”和“其特征在于”的通俗的中文等价词。此外，在所附权利要求中，术语“包括”和“包含”是开放式的，也就是说，除了权利要求中该术语后面列出的元素之外，包括这些元素的系统、设备、制品、组合物、制剂或过程仍被视为落入该权利要求的范围内。此外，在所附权利要求中，术语“第一”、“第二”和“第三”等仅用作标记，并不旨在对其物体强加数字要求。
几何术语，诸如“平行”、“垂直”、“圆形”或“方形”，并不旨在要求绝对的数学精度，除非上下文另有说明。相反，此类几何术语允许由于制造或等效功能而产生变化。例如，如果元件被描述为“圆形”或“大体圆形”，则该描述仍然涵盖不精确圆形的组件(例如，略呈长方形或多面多边形的组件)。
本文所述的方法示例可至少部分地由机器或计算机实现。一些示例可包括编码有可操作以配置电子设备以执行如以上示例中所述的方法的指令的计算机可读介质或机器可读介质。此类方法的具体实施可包括代码，诸如微代码、汇编语言代码、高级语言代码等。这样的代码可包括用于执行各种方法的计算机可读指令。代码可形成计算机程序产品的一部分。此外，在一个示例中，代码可有形地存储在一个或多个易失性、非暂态或非易失性有形计算机可读介质上，诸如在执行期间或在其他时间。这些有形计算机可读介质的示例可包括但不限于硬盘、可移动磁盘、可移动光盘(例如，光盘和数字视频盘)、磁带、存储卡或存储棒、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)等。
上述描述旨在是例示性的而非限制性的。例如，上述示例(或其一个或多个方面)可彼此组合使用。本领域普通技术人员在审阅上述说明后，还可使用其他实施方案。提供摘要是为了符合37C.F.R.§1.72(b)的要求，使读者能够快速确定技术公开的性质。所提交的摘要应理解为其将不用于解释或限制权利要求的范围或含义。此外，在上面的具体实施方式中，各种特征可能被组合在一起，以简化公开内容。这不应被解释为意在未要求保护的公开特征对于任何权利要求都是必要的。相反，本发明的主题可能并不在于特定公开实施方案的所有特征。因此，所附权利要求特此作为示例或实施方案并入具体实施方式中，其中每个权利要求本身作为单独的实施方案存在，并且预期这样的实施方案能够以各种组合或排列彼此组合。本发明的范围应参考所附权利要求以及这些权利要求所享有的等同物的全部范围来确定。
Claims (89)
1.一种用于使用不同光谱段光分量对目标物体或场景进行成像或分析的设备，所述不同光谱段光分量中的单个光谱段光分量包括单个波长或波长分布，所述设备包括：
光学照明器，所述光学照明器包括或耦接到光学调制器，并且被布置成提供至少两个单独调制的不同光谱段光分量，所述至少两个单独调制的不同光谱段光分量使用相应不同的时变调制函数进行调制编码，并组合成照明光束以用于照射待成像或分析的所述目标物体或场景，所述照明光束同时向所述目标物体或场景提供所调制编码的至少两个单独调制的不同光谱段光分量；
光换能器，所述光换能器被布置成接收来自所述目标物体或场景的响应于照射所述目标物体或场景的所述照明光束的响应光，并响应于此产生电响应信号；和
信号处理电路，所述信号处理电路耦接到所述光换能器以接收所述电响应信号，并且使用关于所述相应不同的时变调制函数的信息来解码所述电响应信号以恢复关于所调制编码的不同光谱段光分量的相应响应参数的信息，以提供受所述目标物体或场景影响的光谱段响应输出。
2.根据权利要求1所述的设备，其中所述光换能器包括焦平面阵列(FPA)换能器，所述FPA换能器用于接收来自所述目标物体或场景的响应于所述照明光束同时向所述目标物体或场景提供所调制编码的至少两个单独调制的不同光谱段光分量的所述响应光，其中所述FPA被配置为根据所述响应光产生电空间分辨成像信号；并且
其中所述信号处理电路耦接到所述FPA以接收所述电空间分辨成像信号，以恢复关于所调制编码的不同光谱段光分量的相应响应参数的空间分辨信息，从而提供受所述目标物体或场景影响的光谱段响应输出。
3.根据权利要求2所述的设备，其中所述目标物体或场景包括移动目标物体，所述移动目标物体相对于所述设备移动，所述设备包括：
被配置为提供所述照明光束作为脉冲照明光束以用于照射所述移动目标物体的所述光学照明器；和
耦接到所述FPA以接收所述电空间分辨成像信号的所述信号处理电路，并且所述信号处理电路使用关于所述相应不同的时变调制函数的信息和关于所述移动目标物体的移动的信息，以从所调制编码的不同光谱段光分量恢复信息，并组合所恢复的信息以提供所述移动目标物体的移动补偿光谱段响应。
4.根据权利要求1所述的设备，其中所述光学照明器包括所述光学调制器，所述光学调制器被配置为调制一个或多个对应发光二极管(LED)或被布置为提供至少两个单独调制的不同光谱段光分量的其他光源的对应电输入信号，所述至少两个单独调制的不同光谱段光分量使用所述相应不同的时变调制函数进行调制编码，并组合成所述照明光束以用于照射待成像或分析的所述目标物体或场景，所述照明光束同时向所述目标物体或场景提供所调制编码的至少两个单独调制的不同光谱段光分量。
5.根据权利要求4所述的设备，其中所述光学照明器包括所述光学调制器，所述光学调制器包括：
多个发光二极管(LED)，所述多个LED包括至少两个单独的LED，所述至少两个单独的LED提供对应的LED输出照明，所述LED输出照明具有与所述不同光谱段光分量相对应的不同的单独的定向照明光谱；和
多个波长选择性光学滤波器，所述多个波长选择性光学滤波器包括在与相应单独的LED相对应的相应光学路径中的至少两个单独的波长选择性光学滤波器，以限制用于相应地提供所述不同光谱段光分量的所述对应的LED输出照明的对应光谱带宽。
6.根据权利要求5所述的设备，其中所述光学照明器包括所述光学调制器，所述光学调制器包括：
多个光学准直器，所述多个光学准直器分别对应于与所述相应单独的LED中所述至少两个相应单独的LED中的单独LED相对应的所述相应光学路径。
7.根据权利要求1所述的设备，其中：
所述光学照明器被配置为以所述目标物体或场景的对应指定目标泵浦波长提供所述至少两个单独调制的不同光谱段光分量，所述至少两个单独调制的不同光谱段光分量使用所述相应不同的时变调制函数进行调制编码，并组合成所述照明光束以用于照射待成像或分析的所述目标物体或场景，所述照明光束同时向所述目标物体或场景提供所调制编码的至少两个单独调制的不同光谱段光分量；
所述光换能器被布置成接收来自所述目标物体或场景的响应于照射所述目标物体或场景的所述照明光束的波长偏移的发射响应光，所述波长偏移的发射响应光处于响应于所述目标物体或场景的所述对应指定目标泵浦波长的所述目标物体或场景的对应波长偏移的发射响应波长，以及向所述目标物体或场景产生所述电响应信号，其中所述波长偏移的发射响应光包括对所述对应指定目标泵浦波长的波长偏移的发射响应；并且
所述信号处理电路被配置为使用关于所述相应不同的时变调制函数的信息，对所述电响应信号进行解码以恢复关于所调制编码的不同光谱段光分量的所述相应响应参数的信息，以提供受所述目标物体或场景影响的所述波长偏移的发射光谱段响应。
8.根据权利要求7所述的设备，其中所述波长偏移的发射光谱段响应包括对所述对应目标泵浦波长的荧光响应或拉曼响应中的至少一者，并且所述设备还包括位于所述目标物体或场景与所述光换能器之间的光学阻挡滤波器，其中所述光学阻挡滤波器被配置为衰减或阻挡所述指定目标泵浦波长到达所述光换能器。
9.根据权利要求1所述的设备，其中所述光学照明器包括或耦接到所述光学调制器，并且被配置为提供至少两个单独调制的不同光谱段光分量，所述至少两个单独调制的不同光谱段光分量使用相应不同的时变调制函数进行调制编码，并组合成波长均匀照明光束以用于照射待成像或分析的所述目标物体或场景。
10.根据权利要求1所述的设备，其中：
受所述目标物体或场景影响的所述光谱段响应输出响应于所述照明光束与所述目标物体或场景的材料相互作用以产生吸收光谱段响应、反射光谱段响应、透射光谱段响应、散射光谱段响应、拉曼波长偏移光谱段响应或荧光波长偏移光谱段响应中的至少一者；并且
所述响应参数包括幅度参数、相位参数、极化参数、复幅度参数或实幅度参数中的至少一者。
11.根据权利要求1所述的设备，其中所述光学调制器被布置成单独地调制不同的光谱段光分量，其中所述不同的光谱段光分量彼此不相交，即，通过一个或多个不存在或未调制波长的相应区域彼此波长分离。
12.根据权利要求1所述的设备，其中：
所述光学调制器被配置为提供电、光、帧时钟或其他模式、射频(RF)或其他电磁或其他定时参考信号；并且
其中所述信号处理电路被配置为使用来自所述定时参考信号的信息和关于所述相应不同的时变调制函数的信息来恢复关于所调制编码的不同光谱段分量的所述参数的信息，以提供受所述目标物体或场景影响的所述光谱段响应输出。
13.根据权利要求1所述的设备，包括：
光源测量换能器，所述光源测量换能器被耦接以在照射所述目标物体或场景之前或不照射所述目标物体或场景的情况下接收为形成所述照明光束而提供的光的一部分，以产生独立于所述目标物体或场景的电照明变化性指示信号；并且
其中所述信号处理电路被配置为使用来自所述电照明变化性指示信号的信息和关于所述相应不同的时变调制函数的信息来恢复关于所调制编码的不同光谱段分量的所述响应参数的信息，以提供受所述目标物体或场景影响的所述光谱段响应输出。
14.根据权利要求1所述的设备，包括：
波长分离器，所述波长分离器被耦接以将接收到的多波长光输入分离成由所述光学调制器单独调制的所述不同光谱段光分量；和
波长重组器，所述波长重组器耦接到所述光学调制器以将所调制编码的不同光谱段光分量重新组合成调制编码的多波长照明光源，以用于编码成所述照明光束来照射所述目标物体或场景。
15.根据权利要求2所述的设备，其中：
所述光学调制器被布置成提供包括可见红色、绿色和蓝色光谱段光分量的所述至少两个单独调制的不同光谱段光分量，所述至少两个单独调制的不同光谱段光分量使用相应不同的时变调制函数进行调制编码，并组合成照明光束以用于照射待成像或分析的所述目标物体或场景，所述照明光束同时向所述目标物体或场景提供所调制编码的可见红色、绿色和蓝色单独调制的不同光谱段光分量；
所述FPA被配置为根据所述响应光产生包括可见红色、绿色和蓝色光谱段光分量通道的电空间分辨成像信号；并且
其中所述信号处理电路耦接到所述FPA以接收包括可见红色、绿色和蓝色光谱段光分量通道的所述电空间分辨成像信号，以恢复关于所调制编码的不同光谱段光分量的相应响应参数的空间分辨信息，从而提供受所述目标物体或场景影响的光谱段响应输出以提供所述目标物体或场景的RGB图像以供显示。
16.根据权利要求1所述的设备，包括在一定范围内或与一定范围结合。
17.根据权利要求2所述的设备，其中存在以下情况中的至少一种情况：
所述光谱段分别包括三个对应的光谱上相连或不相交的波长分布；或者
三个光谱段响应被映射为RGB显示设备的输出，包括被解码或直接对应于可见RGB光谱分布的编码光谱段。
18.根据权利要求1所述的设备，其中所述光谱段包括被选择来表征血液氧合的一个或多个光谱段。
19.根据权利要求7所述的设备，其中所述光谱段包括被选择来表征所述目标物体或场景的自发荧光活动水平的一个或多个光谱段。
20.根据权利要求1所述的设备，其中所述信号处理电路被配置为根据受所述目标物体或场景影响的所述光谱段响应输出的变化来确定辅助参数。
21.根据权利要求1所述的设备，其中所述光学照明器包括氙闪光灯、热灯丝、超发光LED、LED、激光泵浦磷光体、宽带激光生成光源或多波长光源中的至少一者。
22.根据权利要求1所述的设备，其中所述光学调制器被布置成使用相应不同的时变调制函数以电学或光学方式提供编码的至少两个单独调制的不同光谱段光分量中的至少一者。
23.根据权利要求1所述的设备，其中存在以下情况中的至少一种情况：
所述光学照明器包括光谱加重器组件，所述光谱加重器组件用于在调制编码成用于照射所述目标物体或场景的所述照明光束之前，基于来自所述目标物体或场景的实际测量或预期输出光谱来相对于至少一个其他光谱段预加重至少一个光谱段；或者
所述信号处理电路包括光谱增益调整组件，以基于来自所述目标物体或场景的实际测量或预期输出光谱来调整光谱增益。
24.一种使用用于使用不同光谱段光分量对目标物体或场景进行成像或分析的设备的方法，所述不同光谱段光分量中的单个光谱段光分量包括单个波长或波长分布，所述方法包括：
使用不同光谱段光分量来照射所述目标物体或场景，所述不同光谱段光分量使用相应不同的时变调制函数进行调制编码，并组合成照明光束以用于照射待成像或分析的所述目标物体或场景，所述照明光束同时向所述目标物体或场景提供所调制编码的至少两个单独调制的不同光谱段光分量；
响应于照射所述目标物体或场景的所述照明光束，转换来自所述目标物体或场景的响应光，以响应于此产生电响应信号；以及
使用关于所述相应不同的时变调制函数的信息，对所述响应信号进行解码，以恢复关于所调制编码的不同光谱段光分量的相应响应参数的信息，以提供受所述目标物体或场景影响的光谱段响应输出。
25.根据权利要求24所述的方法，包括:
接收来自所述目标物体或场景的响应于所述照明光束同时向所述目标物体或场景提供所调制编码的至少两个单独调制的不同光谱段光分量的所述响应光，以及根据所述响应光产生电空间分辨成像信号；以及
根据所述电空间分辨成像信号，恢复关于所调制编码的不同光谱段光分量的相应响应参数的空间分辨信息，从而提供受所述目标物体或场景影响的光谱段响应输出。
26.根据权利要求25所述的方法，其中所述目标物体或场景包括移动目标物体，所述移动目标物体相对于所述设备移动，所述方法包括：
使所述照明光束脉冲化以照射所述移动目标物体；以及
根据所述电空间分辨成像信号，使用关于所述相应不同的时变调制函数的信息和关于所述移动目标物体的移动的信息，从所调制编码的不同光谱段光分量恢复信息，以及组合所恢复的信息以提供所述移动目标物体的移动补偿光谱段响应。
27.根据权利要求24所述的方法，包括:
调制一个或多个对应光源的对应电输入信号以提供至少两个单独调制的不同光谱段光分量，所述至少两个单独调制的不同光谱段光分量使用所述相应不同的时变调制函数进行调制编码，并组合成所述照明光束以用于照射待成像或分析的所述目标物体或场景；以及
使用所述照明光束来同时向所述目标物体或场景提供所调制编码的至少两个单独调制的不同光谱段光分量。
28.根据权利要求27所述的方法，包括:
提供对应的LED输出照明，所述对应的LED输出照明具有与所述不同光谱段光分量相对应的不同的单独的定向照明光谱；以及
在与相应单独的LED相对应的相应光学路径中进行滤波，以限制用于相应地提供所述不同光谱段光分量的所述对应的LED输出照明的对应光谱带宽。
29.根据权利要求28所述的方法，包括:
准直对应于与所述相应单独的LED中所述至少两个相应单独的LED中的单独LED相对应的所述相应光学路径的光。
30.根据权利要求24所述的方法，包括:
以所述目标物体或场景的对应指定目标泵浦波长提供所述至少两个单独调制的不同光谱段光分量，所述至少两个单独调制的不同光谱段光分量使用所述相应不同的时变调制函数进行调制编码，用于组合成所述照明光束以用于照射待成像或分析的所述目标物体或场景，所述照明光束同时向所述目标物体或场景提供所调制编码的至少两个单独调制的不同光谱段光分量；
接收来自所述目标物体或场景的响应于照射所述目标物体或场景的所述照明光束的波长偏移的发射响应光，所述波长偏移的发射响应光处于响应于所述目标物体或场景的所述对应指定目标泵浦波长的所述目标物体或场景的对应波长偏移的发射响应波长，以及向所述目标物体或场景产生所述电响应信号，其中所述波长偏移的发射响应光包括对所述对应指定目标泵浦波长的波长偏移的发射响应；以及
使用关于所述相应不同的时变调制函数的信息，对所述电响应信号进行解码以恢复关于所调制编码的不同光谱段光分量的所述相应响应参数的信息，以提供受所述目标物体或场景影响的所述波长偏移的发射光谱段响应。
31.根据权利要求30所述的方法，其中所述波长偏移的发射光谱段响应包括对所述相应目标泵浦波长的荧光响应或拉曼响应中的至少一者，并且还包括衰减或阻挡所述泵浦波长的光以抑制或防止所述泵浦波长的所述光被包括在所转换的响应光中。
32.根据权利要求24所述的方法，包括提供至少两个单独调制的不同光谱段光分量，所述至少两个单独调制的不同光谱段光分量使用相应不同的时变调制函数进行调制编码，并组合成波长均匀照明光束以用于照射待成像或分析的所述目标物体或场景。
33.根据权利要求24所述的方法，其中：
受所述目标物体或场景影响的所述光谱段响应输出响应于所述照明光束与所述目标物体或场景的材料相互作用以产生吸收光谱段响应、反射光谱段响应、透射光谱段响应、散射光谱段响应、拉曼波长偏移光谱段响应或荧光波长偏移光谱段响应中的至少一者；并且
所述响应参数包括幅度参数、相位参数、极化参数、复幅度参数或实幅度参数中的至少一者。
34.根据权利要求24所述的方法，其中所述调制编码是彼此不相交的不同光谱段光分量，即，通过一个或多个不存在或未调制波长的相应区域彼此波长分离。
35.根据权利要求24所述的方法，包括:
对应于所述调制编码，提供电、光、帧时钟或其他模式、射频(RF)或其他电磁或其他定时参考信号；以及
使用来自所述定时参考信号的信息和关于所述相应不同的时变调制函数的信息来恢复关于所调制编码的不同光谱段分量的所述参数的信息，以提供受所述目标物体或场景影响的所述光谱段响应输出。
36.根据权利要求24所述的方法，包括:
在照射所述目标物体或场景之前或不照射所述目标物体或场景的情况下接收为形成所述照明光束而提供的光的一部分，以产生独立于所述目标物体或场景的电照明变化性指示信号；以及
使用来自所述电照明变化性指示信号的信息和关于所述相应不同的时变调制函数的信息来恢复关于所调制编码的不同光谱段分量的所述响应参数的信息，以提供受所述目标物体或场景影响的所述光谱段响应输出。
37.根据权利要求24所述的方法，包括:
将接收到的多波长光输入分离成单独调制的所述不同光谱段光分量；以及
将所调制编码的不同光谱段光分量重新组合成调制编码的多波长照明光源，以用于编码成所述照明光束来照射所述目标物体或场景。
38.根据权利要求25所述的方法，包括:
提供包括可见红色、绿色和蓝色光谱段光分量的所述至少两个单独调制的不同光谱段光分量，所述至少两个单独调制的不同光谱段光分量使用相应不同的时变调制函数进行调制编码，并组合成照明光束以用于照射待成像或分析的所述目标物体或场景，所述照明光束同时向所述目标物体或场景提供所调制编码的可见红色、绿色和蓝色单独调制的不同光谱段光分量；
根据所述响应光产生包括可见红色、绿色和蓝色光谱段光分量通道的电空间分辨成像信号；以及
使用包括可见红色、绿色和蓝色光谱段光分量通道的所述电空间分辨成像信号来恢复关于所调制编码的不同光谱段光分量的相应响应参数的空间分辨信息，从而提供受所述目标物体或场景影响的光谱段响应输出以提供所述目标物体或场景的RGB图像以供显示。
39.根据权利要求24所述的方法，在一定范围内使用或与一定范围结合使用。
40.根据权利要求25所述的方法，其中存在以下情况中的至少一种情况：
所述光谱段分别包括三个对应的光谱上相连或不相交的波长分布；或者
三个光谱段响应被映射为RGB显示器的输出，包括被解码或直接对应于可见RGB光谱分布的编码光谱段。
41.根据权利要求24所述的方法，其中所述光谱段包括被选择来表征血液氧合的一个或多个光谱段。
42.根据权利要求30所述的方法，其中所述光谱段包括被选择来表征所述目标物体或场景的自发荧光活动水平的一个或多个光谱段。
43.根据权利要求24所述的方法，包括根据受所述目标物体或场景影响的所述光谱段响应输出的变化来确定辅助参数。
44.根据权利要求24所述的方法，包括使用氙闪光灯、热灯丝、超发光LED、LED、激光泵浦磷光体、宽带激光生成光源或多波长光源中的至少一者。
45.根据权利要求24所述的方法，包括使用相应不同的时变调制函数以电学或光学方式提供编码的至少两个单独调制的不同光谱段光分量。
46.根据权利要求24所述的方法，包括以下情况中的至少一种情况：
在调制编码成用于照射所述目标物体或场景的所述照明光束之前，基于来自所述目标物体或场景的实际测量或预期输出光谱来相对于至少一个其他光谱段预加重至少一个光谱段；或者
基于来自所述目标物体或场景的实际测量或预期输出光谱来调整光谱增益。
47.一种用于生物或其他目标的多波长光谱分析的设备，所述设备包括：
光发射器模块，所述光发射器模块包括：
多个发光二极管(LED)，所述多个LED包括至少两个单独的LED，所述至少两个单独的LED提供对应的LED输出照明，所述LED输出照明具有不同的单独的定向照明光谱；
多个光学准直器，所述多个光学准直器包括在对应于相应单独的LED的相应光学路径中的至少两个单独的光学准直器；和
一个或多个波长选择性光学滤波器，所述一个或多个波长选择性光学滤波器位于所述相应光学路径中的一个或多个相应光学路径中，以在进行准直之前或之后限制所述相应LED输出照明的对应光谱带宽。
48.根据权利要求47所述的设备，其中所述光学准直器中的至少一个光学准直器包括准直透镜。
49.根据权利要求47所述的设备，其中所述光学准直器中的至少一个光学准直器包括抛物面反射器。
50.根据权利要求47所述的设备，包括位于所述相应光学路径中的至少一个漫射器。
51.根据权利要求47所述的设备，在所述相应光学路径中包括以下中的至少之者：衍射或亚衍射光学元件、几何相位光学元件或超表面光学元件。
52.根据权利要求51所述的设备，其中所述至少一个衍射元件在所述相应光学路径中提供准直和波长选择性光学滤波两者。
53.根据权利要求51所述的设备，其中所述至少一个衍射元件沿着所述不同光学路径将不同波长的光引导向共享重叠照明出射区域以用于向所述目标传送。
54.根据权利要求47所述的设备，包括用于利用正交调制编码函数对所述LED输出照明进行编码的控制器电路。
55.根据权利要求54所述的设备，包括：
光探测器，所述光探测器用于探测来自所述目标的响应光信号，并基于所述响应光信号产生所得的响应电光信号；和
信号处理电路，所述信号处理电路用于对所述响应电信号进行解码以确定对相应单独的LED输出照明的单独光谱响应指示。
56.根据权利要求47所述的设备，包括：
光探测器，所述光探测器用于探测来自所述目标的响应光信号，并基于所述响应光信号产生所得的响应电光信号；
信号处理电路，所述信号处理电路用于处理所述响应电信号以确定对相应单独的LED输出照明的单独光谱响应指示；并且
其中所述光探测器包括距照明出射区域不同距离处的单独光电二极管，以估计所述单独LED输出照明的所述相应波长处的吸收和散射指示。
57.根据权利要求47所述的设备，包括：
光探测器，所述光探测器用于探测来自所述目标的响应光信号，并基于所述响应光信号产生所得的响应电光信号；
信号处理电路，所述信号处理电路用于处理所述响应电信号以确定对相应单独的LED输出照明的单独光谱响应指示；
其中所述LED输出照明中的至少一个LED输出照明限于包括510纳米与580纳米之间的波长的第一光谱区域，并且其中所述LED输出照明中的至少一个LED输出照明包括具有630纳米与950纳米之间的波长的第二光谱区域；并且
其中所述信号处理电路至少部分地基于来自所述第一光谱区域的光的第一指示和来自所述第二光谱区域的光的第二指示来确定所述目标的血液或组织氧合的指示。
58.根据权利要求47所述的设备，包括：
光探测器，所述光探测器用于探测来自所述目标的响应光信号，并基于所述响应光信号产生所得的响应电光信号；
信号处理电路，所述信号处理电路用于处理所述响应电信号以确定对相应单独的LED输出照明的单独光谱响应指示，从而测量光吸收率、光透射率或光散射中的至少一者。
59.根据权利要求47所述的设备，包括：
光探测器，所述光探测器用于探测来自所述目标的响应光信号，并基于所述响应光信号产生所得的响应电光信号；
信号处理电路，所述信号处理电路用于处理所述响应电信号以确定对相应单独的LED输出照明的单独光谱响应指示，从而测量所述目标的多种分析物的指示。
60.一种用于对至少生物目标的氧合饱和度进行多波长光谱分析的腕部可穿戴设备，所述系统包括：
光发射器模块，所述光发射器模块包括：
被布置成沿着相应光学路径提供相应准直LED输出照明的至少第一LED光源光输出和第二LED光源光输出，包括波长的光谱带宽小于25纳米的所述相应LED输出照明中的至少一个LED输出照明；和
与所述光发射器布置在所述生物目标的同一侧的至少一个光探测器，所述至少一个光探测器用于探测来自所述生物目标的响应于引导向所述生物目标的所述准直LED输出照明的反向散射光响应，并产生所得的反向散射电响应信号；和
信号处理电路，所述信号处理电路耦接到所述至少一个光探测器以接收所述反向散射电响应信号并由此确定所述生物目标的氧饱和度的指示。
61.一种用于生物或其他目标的多波长光谱分析的设备，所述设备包括：
光发射器模块，所述光发射器模块包括：
多个发光二极管(LED)，所述多个LED包括至少两个单独的LED，所述至少两个单独的LED提供对应的LED输出照明，所述LED输出照明具有不同的单独的定向照明光谱；
一个或多个波长选择性光学滤波器，所述一个或多个波长选择性光学滤波器位于所述相应光学路径中的一个或多个相应光学路径中，以限制所述相应LED输出照明的对应光谱带宽；和
位于所述LED中的单独的一个LED和对应的单独的光学滤波器下游的所述光学路径中的孔，所述孔相对于所述单独的LED和所述单独的光学滤波器中的至少一者间隔开，并且尺寸被设定为限制光输出照明角度而不需要准直器。
62.一种对生物或其他目标的多波长光谱分析方法，所述方法包括：
提供对应的LED输出照明，所述LED输出照明具有来自多个发光二极管(LED)中的相应LED的不同的单独的定向照明光谱；
分别准直来自对应于相应单独的LED的相应光学路径中的对应LED的光；以及
在所述相应光学路径中的一个或多个相应光学路径中进行光学滤波，以在所述准直之前或之后限制所述相应LED输出照明的对应光谱带宽，以提供用于照射所述目标的经滤波的光。
63.根据权利要求62所述的方法，包括使由所述相应光学路径提供的不同波长的光均匀化，以将均匀化的光传递到目标物体。
64.根据权利要求62所述的方法，包括将来自所述响应光学路径的光组合到共享出口位置，以传递到作为所述目标被测试的样本的共享入口位置。
65.根据权利要求62所述的方法，包括使所述相应光学路径中的光朝向共享出口位置衍射以传递到目标。
66.根据权利要求62所述的方法，包括使所述相应光学路径中的光衍射以在所述相应光学路径中提供所述准直和所述光学滤波两者。
67.根据权利要求62所述的方法，包括利用正交调制编码函数对所述LED输出照明进行编码。
68.根据权利要求62所述的方法，包括:
探测来自所述目标的响应光信号，并基于此将所述响应光信号转换成所得的响应电光信号；以及
对所述响应电信号进行解码以确定对相应单独的LED输出照明的单独光谱响应指示。
69.根据权利要求62所述的方法，包括:
探测来自所述目标的响应光信号，并基于此产生所得的响应电光信号；
处理所述响应电信号以确定对相应单独的LED输出照明的单独光谱响应指示；以及
估计所述单独LED输出照明的所述相应波长处的吸收和散射指示。
70.根据权利要求62所述的方法，包括:
至少部分地基于来自所述第一光谱区域的光的第一指示和来自所述第二光谱区域的光的第二指示来确定所述目标的血液或组织氧合的指示。
71.一种设备，所述设备用于使用不同波长光分量对相对于所述设备移动的目标物体进行成像或分析，所述设备包括：
光学调制器，所述光学调制器被布置成使用与所述不同波长光分量相对应的相应不同的调制函数对多波长光中的不同波长光分量进行单独调制，以产生对应的调制编码的不同波长光分量，并编码成照明光束以用于照射待成像或分析的所述移动目标物体；
焦平面阵列光成像器，所述焦平面阵列光成像器被布置成响应于所述照明光束而对来自所述移动目标物体的光进行成像，并对其产生电响应信号；和
信号处理电路，所述信号处理电路耦接到所述焦平面阵列光成像器以接收所述响应信号，并使用关于所述相应不同的调制函数的信息和关于所述目标物体的所述移动的信息，从所调制编码的不同波长分量恢复信息，并组合所恢复的信息以提供所述移动目标物体的颜色响应或波长响应图像输出。
72.根据权利要求71所述的设备，其中：
所述光学调制器被布置成使用与所述不同波长光分量相对应的相应不同的调制函数来单独调制多波长光中的M个不同波长光分量，以产生相应的调制编码的不同波长光分量，所述不同波长光分量在时间上顺序编码成脉冲光束中的N个脉冲，以用于照射待成像或分析的所述移动目标物体，其中N≥M；
所述焦平面阵列光成像器被配置为使得所述N个脉冲中的每个脉冲以一定速率到达，使得当所述移动目标物体相对于所述焦面阵列光成像器以指定速度移动时，所述移动目标物体的每个部分都能被所述N个脉冲中的每个脉冲成像；并且
所述信号处理电路被配置为组合来自对应于所述目标移动物体上的类似位置的N个脉冲中的每个脉冲的信息，以提供所述移动目标物体的所述颜色响应或波长响应图像输出。
73.根据权利要求71所述的设备，其中所述移动目标物体的所述颜色响应或波长响应图像输出是通过限制所述焦平面阵列光成像器的曝光时间而获得的来自所述移动目标物体的静止图像。
74.根据权利要求73所述的设备，包括选通或闪光光源，所述选通或闪光光源包括在所述光学调制器中或耦接到所述光学调制器，以通过限制用于照射待成像或分析的所述移动目标物体的所述光束中的光脉冲的持续时间来限制所述焦平面阵列光成像器的所述曝光时间。
75.根据权利要求73所述的设备，包括机械或电子快门光源，所述机械或电子快门光源包括在所述光学调制器中或耦接到所述光学调制器，以通过限制用于照射待成像或分析的所述移动目标物体的所述光束中的光脉冲的持续时间来限制所述焦平面阵列光成像器的所述曝光时间。
76.根据权利要求71所述的设备，其中所述信号处理电路被配置为至少部分地通过移动存储器中所述响应信号的图像来提供所述移动目标物体的所述颜色响应或波长响应图像输出，以补偿所述移动目标物体相对于所调制编码的不同波长光分量的连续曝光的移动。
77.根据权利要求71所述的设备，包括定时电路，所述定时电路用于至少部分地基于关于所述移动目标物体或与所述移动目标物体相关联的移动台或传送带的位置信息来协调所述照明光束的脉冲的发出，以用于所述焦平面阵列光成像器的像素对准。
78.根据权利要求71所述的设备，其中所述光学调制器被配置为使用一个或多个循环矩阵来提供所述不同的调制函数。
79.根据权利要求71所述的设备，其中所述光学调制器被配置为提供所述不同的调制函数，所述不同的调制函数包括傅立叶级数、阿达玛级数的分量或一个或多个其他正交函数。
80.根据权利要求71所述的设备，其中所述焦平面阵列光成像器被配置为从所述移动目标物体接收对所述照明光束的荧光、拉曼、磷光或发光响应中的至少一者。
81.根据权利要求71所述的设备，其中所述焦平面阵列光成像器包括与所述焦平面阵列光成像器的对应像素相关联的光学滤波器，使得所述焦平面阵列光成像器的不同像素接收对所述照明光束的所调制编码的不同波长光分量的不同部分的响应。
82.根据权利要求71所述的设备，其中所述光学调制器被配置为提供附加的较高频率调制，并且所述信号处理电路被配置为使用来自所述焦平面阵列成像器的所述响应信号来解码此类较高频率调制以用于测量所述照明光束的所调制编码的不同波长光分量中的一个或多个波长光分量的时间延迟或相位延迟中的至少一者。
83.一种用于对目标物体或场景进行成像或分析的设备，所述设备包括：
光学调制器，所述光学调制器被布置成使用与多波长光的不同光谱段光分量相对应的相应不同的调制函数单独地调制所述不同光谱段光分量，以产生编码成用于照射待成像或分析的所述目标物体或场景的光束的对应调制编码的不同光谱段光分量，其中所述光学调制器包括有源条带或有源狭缝中的至少一者，所述有源条带或有源狭缝的长度尺寸长于宽度尺寸，并且沿着所述长度尺寸或所述宽度尺寸中的至少一者在不同位置提供不同光谱段；
光换能器，所述光换能器被布置成接收来自所述目标物体或场景的响应于照射所述目标物体或场景的所述光束的光，并对其产生电响应信号；和
信号处理电路，所述信号处理电路耦接到所述光换能器以接收所述响应信号，并且使用关于所述相应不同的调制函数的信息来恢复关于所调制编码的不同光谱段光分量的参数的信息，以提供受所述目标物体或场景影响的光谱段响应输出。
84.根据权利要求83所述的设备，其中所述有源狭缝或所述有源条带中的至少一者被配置为在沿着所述长度尺寸的不同位置处提供不同光谱段的光。
85.根据权利要求83所述的设备，其中所述有源狭缝或所述有源条带中的至少一者被配置为在沿着所述宽度尺寸的不同位置处提供不同光谱段的光。
86.根据权利要求83所述的设备，包括位于所述有源条带或有源狭缝中的至少一者处的至少一种磷光材料。
87.一种用于使用不同角度段光分量对目标物体或场景进行成像或分析的设备，所述设备包括：
光学照明器，所述光学照明器包括或耦接到光学调制器，并且被布置成提供至少两个单独调制的不同角度段光分量，所述至少两个单独调制的不同光谱段光分量使用相应不同的时变调制函数进行调制编码，并投射成照明光束以用于照射待成像或分析的所述目标物体或场景，所述照明光束同时向所述目标物体或场景提供所调制编码的至少两个单独调制的不同角度段光分量；
光换能器，所述光换能器被布置成接收来自所述目标物体或场景的响应于照射所述目标物体或场景的所述照明光束的响应光，并响应于此产生电响应信号；和
信号处理电路，所述信号处理电路耦接到所述光换能器以接收所述电响应信号，并且使用关于所述相应不同的时变调制函数的信息来解码所述电响应信号以恢复关于所调制编码的不同光谱段光分量的相应响应参数的信息，以提供受所述目标物体或场景影响的角度段响应输出。
88.根据权利要求87所述的设备，其中，
所述光学调制器被配置为提供电、光、帧时钟或其他模式、射频(RF)或其他电磁或其他定时参考信号；并且
其中所述信号处理电路被配置为使用来自所述定时参考信号的信息和关于所述相应不同的时变调制函数的信息来恢复关于所调制编码的不同角度段分量的所述参数的信息，以提供受所述目标物体或场景影响的所述角度段响应输出。
89.根据权利要求87所述的设备，其中：
受所述目标物体或场景影响的所述角度段响应输出响应于所述照明光束与所述目标物体或场景的材料相互作用以产生吸收角度段响应、反射角度段响应、透射率角度段响应、散射角度段响应中的至少一者；并且
所述响应参数包括幅度参数、相位参数、极化参数、复幅度参数或实幅度参数中的至少一者。
Applications Claiming Priority (5)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US63/200,241 | 2021-02-24 | ||
| US63/202,325 | 2021-06-07 | ||
| US202163262370P | 2021-10-11 | 2021-10-11 | |
| US63/262,370 | 2021-10-11 | ||
| PCT/US2022/017503 WO2022182747A2 (en) | 2021-02-24 | 2022-02-23 | Coded light for target imaging or analysis |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN117561426A true CN117561426A (zh) | 2024-02-13 |
Family
ID=89821964
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202280023465.1A Pending CN117561426A (zh) | 2021-02-24 | 2022-02-23 | 用于目标成像或分析的编码光 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN117561426A (zh) |
-
2022
- 2022-02-23 CN CN202280023465.1A patent/CN117561426A/zh active Pending
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US11704886B2 (en) | Coded light for target imaging or spectroscopic or other analysis | |
| JP6672406B2 (ja) | 単一センサのハイパースペクトル撮像デバイス | |
| US10342432B2 (en) | Efficient modulated imaging | |
| JP3649732B2 (ja) | 血液分析物濃度の非侵襲性非分光測光赤外線測定 | |
| RU2507503C2 (ru) | Способ и устройство для проведения оптических исследований содержимого мутных сред | |
| RU2616653C2 (ru) | Способы и устройство для соосного формирования изображения с множеством длин волн | |
| US20160220119A1 (en) | Medical hyperspectral imaging for evaluation of tissue and tumor | |
| US9107567B2 (en) | Spectral imaging with a color wheel | |
| Shen et al. | Open-source mobile multispectral imaging system and its applications in biological sample sensing | |
| US9480424B2 (en) | Systems and methods for measuring tissue oxygenation | |
| US20190387972A1 (en) | Methods and System for Multi-channel Bio-optical Sensing | |
| MX2012014873A (es) | Dispositivo y metodo para identificar y monitorear contenido o propiedades de un medio de medicion, en particular valores sanguineos fisiologicos particulares. | |
| CN108027229A (zh) | 利用脉冲加宽二极管激光器的干涉测量法 | |
| CA2979384C (en) | Systems and methods for measuring tissue oxygenation | |
| CN104523214A (zh) | 一种窄带成像内窥镜装置 | |
| AU2009246917A1 (en) | Systems and methods for hyperspectral medical imaging using real-time projection of spectral information | |
| US10470694B2 (en) | Systems and methods for measuring tissue oxygenation | |
| US9042963B2 (en) | System and method for acquiring images from within a tissue | |
| US20240362883A1 (en) | Wearable device providing glucose measurement | |
| CN117561426A (zh) | 用于目标成像或分析的编码光 | |
| Zhou et al. | Multispectral single pixel imaging based on spatial and spectral dimension decoupling | |
| TWI472742B (zh) | 光學檢測裝置 | |
| WO2024158286A1 (en) | Multi-wavelength speckle sensing | |
| Blain et al. | Comparison of spectral colorimetric measurements vs. color pictures in dermatology | |
| Oertel et al. | Applications of spectral imaging using a tunable laser source |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |