ES2929286T3 - Dispositivo y método espectroscópico de detección de compresión que utiliza dispositivos de capa delgada - Google Patents

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ES2929286T3 ES14825655T ES14825655T ES2929286T3 ES 2929286 T3 ES2929286 T3 ES 2929286T3 ES 14825655 T ES14825655 T ES 14825655T ES 14825655 T ES14825655 T ES 14825655T ES 2929286 T3 ES2929286 T3 ES 2929286T3
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Abstract

Un método espectroscópico que utiliza dispositivos de capa delgada sintonizables o preestablecidos no sintonizables o una combinación de ambos para modular modulaciones espectrales compatibles con la detección comprimida y para usar mediciones de intensidad de cada modulación espectral respectiva para reconstruir numéricamente una distribución espectral estimada de la señal tal que la distribución espectral estimada se caracteriza por una totalidad de bandas espectrales que superan el número de modulaciones espectrales en aproximadamente la mitad de un orden de magnitud o más. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN
Dispositivo y método espectroscópico de detección de compresión que utiliza dispositivos de capa delgada Antecedentes y campo de la invención
La presente invención se refiere en general a la espectroscopia y, específicamente, se refiere a dispositivos de capa fina (TTLD) de una manera compatible con la detección por compresión (CS) para espectroscopia.
Como se sabe, la espectroscopia tradicional normalmente obtiene información espectral en bandas espectrales estrechas y se obtiene a través de diversas técnicas de filtrado de banda estrecha, dispersiva o de difracción.
El documento US 2013/0002968 A1 muestra un sistema de formación de imágenes de compresión adaptado para modular un flujo de luz incidente y detectar el flujo de luz modulado para obtener medidas de compresión.
En ciertas aplicaciones, dichos esquemas de medición pueden hacer que la adquisición de datos requiera mucho tiempo y recursos.
La carga de medición se puede reducir empleando espectroscopia de detección compresiva al multiplexar la señal espectral convertida espacialmente para recuperar el número de bandas espectrales que excedan el número de mediciones con algoritmos prescritos por la teoría CS.
Sin embargo, las técnicas de formación de imágenes espectrales compresivas basadas en la modulación espacial sufren pérdidas de potencia, pueden ser relativamente engorrosas y complejas de operar.
Por lo tanto, sería ventajoso emplear sistemas espectroscópicos de técnicas CS en los que el multiplexado se realiza completamente en el dominio espectral.
Sumario de la invención
De acuerdo con las enseñanzas de la presente invención, se proporciona un método espectroscópico que incluye el uso de uno o más dispositivos fotónicos de capa delgada para modular una pluralidad de modulaciones espectrales a partir de una señal espectral, caracterizada cada modulación espectral por al menos dos picos cuando se representa en una señal modulada de respuesta de transmisión o reflexión; obtener una medida de intensidad de cada una de las modulaciones espectrales, utilizando un procesador para resolver numéricamente una distribución espectral estimada de la señal espectral a partir de las medidas de intensidad, caracterizada la distribución espectral estimada por una totalidad de bandas espectrales que exceden en número a la pluralidad de modulaciones espectrales.
De acuerdo con otra característica de la presente invención, el uno o más dispositivos fotónicos de capa delgada incluyen dispositivos fotónicos no sintonizables.
De acuerdo con una característica adicional de la presente invención, el uno o más dispositivos fotónicos de capa delgada incluyen un retardador de cristal líquido de una única celda sintonizable.
De acuerdo con otra característica de la presente invención, el uso de uno o más dispositivos fotónicos de capa delgada para modular una pluralidad de modulaciones espectrales incluye ajustar una tensión aplicada al retardador de cristal líquido.
De acuerdo con otra característica de la presente invención, el ajuste de una tensión aplicada al retardador de cristal líquido se implementa en incrementos entre 0,001 voltios a 0,5 voltios.
De acuerdo con una característica adicional de la presente invención, el uno o más dispositivos fotónicos de capa delgada incluyen un dispositivo fotónico de capa delgada basado en reflexión sintonizable que tiene una pluralidad de capas parcialmente reflectantes que tienen una reflectividad que oscila entre aproximadamente 70 % y 95 %.
De acuerdo con una característica adicional de la presente invención, el uno o más dispositivos fotónicos de capa delgada incluyen un dispositivo fotónico de capa delgada basado en reflexión sintonizable que tiene una pluralidad de capas parcialmente reflectantes que tienen una reflectividad que varía entre aproximadamente 80 % - 90 %.
De acuerdo con otra característica de la presente invención, el uso de uno o más dispositivos fotónicos de capa delgada basados en la reflexión, sintonizables, para modular una pluralidad de modulaciones espectrales de una señal espectral, incluye ajustar una distancia entre las capas parcialmente reflectantes.
De acuerdo con otra característica de la presente invención, el ajuste de la distancia entre las capas parcialmente reflectantes se implementa en incrementos de 0,1 pm.
De acuerdo con las enseñanzas de la presente invención, se proporciona el uso de uno o más dispositivos fotónicos de capa delgada para modular una pluralidad de modulaciones espectrales a partir de una señal espectral, las modulaciones espectrales caracterizadas por una coherencia mutua que permite la reconstrucción numérica de una distribución espectral estimada de la señal espectral, la distribución espectral estimada caracterizada por una totalidad de bandas espectrales que superan la pluralidad de modulaciones; obtener una medida de intensidad de cada una de las modulaciones espectrales; y usar un procesador para resolver numéricamente una distribución espectral estimada de la señal espectral a partir de las mediciones de intensidad, caracterizada la distribución espectral estimada por una totalidad de bandas espectrales que exceden en número la pluralidad de modulaciones espectrales.
De acuerdo con otra característica de la presente invención, el uno o más dispositivos fotónicos de capa delgada incluyen dispositivos fotónicos no sintonizables.
De acuerdo con una característica adicional de la presente invención, el uno o más dispositivos fotónicos incluyen un retardador de cristal líquido de una única celda sintonizable.
De acuerdo con otra característica de la presente invención, el uso de uno o más dispositivos fotónicos para modular una pluralidad de modulaciones espectrales incluye ajustar una tensión aplicada al retardador de cristal líquido.
De acuerdo con una característica adicional de la presente invención, uno o más dispositivos fotónicos incluyen un dispositivo fotónico basado en la reflexión que tiene al menos una capa parcialmente reflectante que tiene una reflectividad que oscila entre aproximadamente 75 % - 95 %.
De acuerdo con una característica adicional de la presente invención, el uno o más dispositivos fotónicos incluyen un dispositivo fotónico sintonizable basado en reflexión que tiene al menos una capa parcialmente reflectante que tiene una reflectividad que oscila entre aproximadamente 80 % - 90 %.
De acuerdo con otra característica de la presente invención, el uso de uno o más dispositivos fotónicos para modular una pluralidad de modulaciones espectrales incluye ajustar una distancia entre las capas parcialmente reflectantes.
De acuerdo con las enseñanzas de la presente invención, se proporcionan uno o más dispositivos fotónicos de capa delgada operativos para modular una pluralidad de modulaciones espectrales a partir de una señal espectral, teniendo cada modulación espectral un intervalo espectral caracterizado por una pluralidad de picos en una transmisión modulada o respuesta de reflexión; un sensor de intensidad operativo para obtener una medida de intensidad a partir de las modulaciones espectrales, un procesador configurado para resolver numéricamente una distribución espectral de la señal espectral a partir de las medidas de intensidad, la distribución espectral estimada caracterizada por una totalidad de bandas espectrales que exceden en número a la pluralidad de modulaciones.
De acuerdo con otra característica de la presente invención, uno o más dispositivos fotónicos se implementan en paralelo.
De acuerdo con otra característica de la presente invención, el uno o más dispositivos fotónicos incluyen un retardador de cristal líquido de una única celda sintonizable.
De acuerdo con las enseñanzas de la presente invención, se proporciona un dispositivo de medición espectroscópico que incluye: uno o más dispositivos fotónicos de capa delgada operativos para modular una pluralidad de modulaciones espectrales a partir de una señal espectral, teniendo cada modulación espectral un intervalo espectral caracterizado por una pluralidad de picos en una respuesta modulada de transmisión o reflexión; un sensor de intensidad operativo para obtener una medida de intensidad a partir de las modulaciones espectrales, un procesador configurado para resolver numéricamente una distribución espectral estimada de la señal espectral a partir de las medidas de intensidad, caracterizada la distribución espectral estimada por una totalidad de bandas espectrales que superan en número la pluralidad de modulaciones espectrales.
De acuerdo con otra característica de la presente invención, uno o más dispositivos fotónicos se implementan en paralelo.
De acuerdo con otra característica de la presente invención, el uno o más dispositivos fotónicos incluyen un retardador de cristal líquido de una única celda sintonizable.
De acuerdo con una característica adicional de la presente invención, uno o más dispositivos fotónicos incluyen un dispositivo fotónico basado en reflexión que tiene una pluralidad de capas parcialmente reflectantes de una reflectividad que oscila entre aproximadamente 80 % - 90 %.
De acuerdo con otra característica de la presente invención, uno o más dispositivos fotónicos basados en reflexión se implementan en serie.
De acuerdo con otra característica de la presente invención, también se proporciona un dispositivo de visualización configurado para visualizar gráficamente la distribución espectral de la señal espectral.
Breve descripción de los dibujos
El objeto considerado como la invención se señala en particular y se reivindica claramente en la porción final de la memoria descriptiva, que se comprende más claramente a la vista de los dibujos adjuntos en los que:
La figura 1 es una respuesta espectral de un filtro de banda estrecha de tres etapas de técnicas tradicionales de exploración espectral;
La figura 2 es un diagrama de flujo de las etapas empleadas en la detección por compresión, de acuerdo con una realización;
La figura 3 es un diagrama de flujo de bloques que representa el uso de TLD en espectroscopia, de acuerdo con una realización;
La figura 3A es un diagrama de flujo que representa el funcionamiento del sistema de espectroscopia TLD de una manera compatible con CS, de acuerdo con una realización;
La figura 4 es una vista esquemática de una realización de un retardador de cristal líquido de celda única de un dispositivo sintonizable de capa fina, de acuerdo con una realización;
La figura 4A es un gráfico de imagen de la matriz del sistema que representa el operador de detección de compresión O que se muestra en la figura 2 del retardador de cristal líquido de celda única de la figura 4, que se puede ver como una pila de modulación espectral MLC = 102 de acuerdo con a una realización;
La figura 4B representa dos comportamientos de transmisión modulados del retardador de cristal líquido de la figura 4, de acuerdo con una realización;
Las figuras 5 y 5A representan espectros comparativos, uno derivado de modulación espectral compatible con CS utilizando un sistema de espectroscopia basado en cristal líquido y el otro derivado de un sistema de espectroscopia tradicional basado en barrido, de acuerdo con una realización;
La figura 6 es una vista esquemática de una realización basada en la reflexión de un dispositivo sintonizable de capa fina, de acuerdo con una realización;
La figura 6A es un gráfico de imagen de una pila de transmisión de modulación de una realización basada en reflexión de un dispositivo sintonizable de capa fina de la figura 6, de acuerdo con una realización;
La figura 6B representa dos comportamientos de transmisión de una realización basada en la reflexión del parámetro respectivo en capas sintonizables delgado del dispositivo de la figura 6, de acuerdo con una realización; La figura 7 son espectros comparativos, uno derivado de modulación espectral compatible con CS utilizando un TTLD basado en reflexión y el otro derivado de un sistema de espectroscopia tradicional basado en barrido, de acuerdo con una realización;
Se apreciará que, por simplicidad y claridad, los elementos de las figuras pueden no estar dibujados a escala y los números de referencia pueden repetirse para indicar elementos correspondientes o análogos.
Descripción detallada de la presente invención
En la siguiente descripción detallada, se exponen numerosos detalles específicos para proporcionar una comprensión completa de la invención. Sin embargo, los expertos en la técnica entenderán que la presente invención puede practicarse sin estos detalles específicos. Además, los métodos, procedimientos y componentes bien conocidos no se han descrito en detalle para no oscurecer la presente invención. La presente invención se refiere al uso de dispositivos sintonizables de capa delgada de una manera compatible con CS para espectroscopia.
Específicamente, se relaciona con la producción de modulaciones compatibles con CS de una señal espectral que se pueden usar para reconstruir numéricamente la señal espectral original con una resolución de banda que supera con creces el número de mediciones ópticas obtenidas de las modulaciones compatibles con CS.
Los siguientes términos se utilizarán a lo largo del documento.
"Dispositivos sintonizables de capa delgada (TTLD)" se refiere a una clase de dispositivos fotónicos que tienen una pila de capas electroópticas configuradas para alterar las características espectrales de la luz.
"Sintonizable" se refiere a la capacidad de cambiar las propiedades ópticas como la transmisión, la reflexión o la polarización, por ejemplo. En las realizaciones de cristal líquido (LC), la sintonizabilidad se puede lograr cambiando la tensión aplicada a la celda LC, mientras que, en las realizaciones basadas en reflexión, la sintonizabilidad se logra cambiando el grosor de una capa dieléctrica dispuesta entre capas parcialmente reflectantes, por ejemplo.
Debe apreciarse que, en algunas realizaciones, las capas exteriores o una pluralidad de capas interiores también son sintonizables.
La capa sintonizable varía en grosor entre aproximadamente 1 micrómetro y 4 mm dependiendo del intervalo espectral de implementación, como se discutirá más adelante.
La capa sintonizable puede construirse a partir de materiales que incluyen, entre otros, materiales conductores dieléctricos y no metálicos, materiales polarizantes, cristal líquido y metal.
"De capa fina" se refiere al elemento óptico o electroóptico que polariza la luz que pasa a través del dispositivo fotónico. Normalmente, en los dispositivos fotónicos de cristal líquido, estas capas tienen un espesor de aproximadamente 10 a 100 veces la mayor longitud de onda del intervalo espectral que se mide, de acuerdo con una realización. Típicamente, en los dispositivos fotónicos Fabry-Perot modificados, las capas ópticamente activas tienen un espesor de aproximadamente 100 a 1000 veces la mayor longitud de onda del intervalo espectral que se mide, de acuerdo con una realización.
Los dispositivos TTL son sintonizables en el sentido de que su comportamiento de modulación se define mediante el ajuste de cualquiera o combinación de una característica óptica, geometría o ancho de una o más de las capas. Los dispositivos TTL se caracterizan además por su capacidad para generar una respuesta espectral que tiene múltiples picos dentro de un intervalo espectral a medir.
"Respuesta espectral modulada" se refiere a una respuesta espectral definida por un dispositivo sintonizable de capa delgada que funciona de acuerdo con los parámetros de modulación elegidos.
"Respuesta espectral" se refiere a la relación entre la intensidad de salida y la intensidad de entrada en función de la longitud de onda.
"Dispositivo de visualización" se refiere a un dispositivo de visualización visual o textual, por ejemplo.
Volviendo ahora a las figuras, la figura 1 muestra una respuesta espectral de un filtro de banda estrecha, como un filtro Lyot de tres etapas, durante la exploración en serie de un intervalo espectral completo durante las operaciones de medición espectroscópica tradicionales.
La figura 2 muestra un diagrama de flujo de la técnica CS utilizada para recuperar señales dispersas de un número significativamente menor de mediciones que las necesarias de acuerdo con la teoría de muestreo tradicional.
En la etapa 43, f representa una señal física, por ejemplo, una señal espectral de entrada y a representa un vector de componentes en el dominio dispersante usado para representar f. En general, a es un vector de representación matemática que contiene principalmente ceros o valores cercanos a cero o un vector disperso.
En la etapa de adquisición espectral 44, el vector de señal física f, se muestrea usando el operador O (O también se llama el operador de detección de compresión), lo que produce el vector de medición g.
En la etapa final 45, la reconstrucción de la señal se logra mediante la estimación de f usando minimización de tipos con alguna función u operador de penalización de regularización.
Se supone que un N x 1 vector de señal física, f, que se va a medir se puede expresar por f = ^a , donde el N x 1 vectorial, a, contiene solo k << N elementos distintos de cero y ^ es un operador dispersante que depende del mecanismo físico de f.
El vector de medidas g e MX1, se obtiene mediante g = Of donde O e MxN es una matriz sensora.
Eligiendo correctamente M y O, y suponiendo escasez de f en el dominio de ^ , hay una garantía de que la señal f se puede recuperar de las g mediciones.
Por lo tanto, se construye una matriz de detección física y óptica, O, tal que permite la recuperación precisa de un f de N-tamaño de menos medidas M, g.
La reconstrucción de f desde g está garantizada si el número de mediciones, M, cumple la siguiente condición:
Figure imgf000005_0001
Se puede ver que el número de medidas requeridas, M, depende del logaritmo del tamaño de la señal, N, su escasez, k, y y, representando la coherencia mutua entre O y ^ . La coherencia mutua se define por:
Figure imgf000005_0002
dónde O i, ^ j son vectores de O y ^ , respectivamente. El valor de y está en el intervalo de
A más bajo sea j , mejor es el rendimiento del sistema.
La señal original, f, se puede recuperar resolviendo los métodos utilizados en la teoría de detección compresiva. Un enfoque de recuperación común es formular un problema convexo con penalización de regularización como:
Figure imgf000006_0001
donde ||*||i es ti norma y y es un peso de regularización.
La figura 3 es un diagrama de flujo de bloques de un sistema de espectroscopia basado en TLD 30 incluyendo al menos un dispositivo delgado en capas 32 configurado para modular la señal espectral 31de manera compatible con CS de acuerdo con los parámetros de modulación 32A, un detector de luz 33 para medir la intensidad de la señal espectral modulada 32B, un procesador 34 u ordenador para reconstruir numéricamente una respuesta espectral a partir de valores de intensidad medidos 33A, una pantalla gráfica 35 para mostrar gráficamente la distribución espectral estimada construida numéricamente 35A de señal espectral 31.
TLD 32 se implementa en ciertas realizaciones como un retardador de cristal líquido sintonizable (LCR) de una única celda y en otras realizaciones no limitativas, como un dispositivo de capa delgada sintonizable basado en reflexión (RBTTLD). Cabe señalar que los LCR pueden implementarse en cualquiera de las formas nemáticas, esquemáticas o quirales de cristal líquido o en una combinación de ellas.
Con respecto a múltiples dispositivos conectados entre sí, debe apreciarse que las realizaciones de RBTTLD pueden conectarse en serie para que una primera modulación de la señal espectral 31 es remodulado por cada dispositivo TTL consecutivo 32, o puede estar vinculado en paralelo para modular espectralmente la señal espectral 31 en paralelo. Las realizaciones de LCR pueden vincularse para trabajar juntas en paralelo, de acuerdo con una realización. En ciertas realizaciones en las que una pluralidad de dispositivos TTL están conectados en paralelo y cada uno está equipado con su sensor de luz respectivo, la sintonización se implementa simultáneamente cuando cada uno de los dispositivos TTL está sintonizado de manera diferente.
Además, cabe señalar que todas las direcciones de entrada de la señal espectral 31 y salida de señal modulada espectral 32B también están incluidos dentro del alcance de la presente invención.
De manera similar, en una determinada realización, un dispositivo de capa delgada (TLC) 32 se implementa como una pluralidad de dispositivos fónicos de capa fina no sintonizables; cada ajuste previo para modular de acuerdo con una manera compatible con CS.
Los incrementos de modulación se establecen de acuerdo con el número de medidas a tomar de modo que el número de modulaciones sea un orden de magnitud menor que el número de bandas espectrales a estimar, en una determinada realización.
En otra realización, los incrementos de modulación se establecen para minimizar la coherencia mutua, como saben los expertos en la técnica.
Debe apreciarse que en una determinada realización TLD 32 implementado como parte de la fuente de iluminación para producir iluminación estructurada o modulada para la iluminación de objetos para obtener una señal espectral modulada 32B está incluido dentro del alcance de la invención. El uso de iluminación estructurada para reemplazar múltiples modulaciones se implementa de acuerdo con la reciprocidad de Helmholtz y la "fotografía dual" [Sen, Pradeep, et al. "Dual photography." ACM Transactions on Graphics (TOG) 24.3 (2005): 745-755].
La figura 3A es un diagrama de flujo que representa las etapas empleadas para obtener la distribución espectral estimada 35A de la señal espectral 31 usando TLD de una manera compatible con CS.
En vista de la figura 3A, en la etapa 40 la señal espectral 31 que pasa a través del delgado dispositivo sintonizable 32 se modula cambiando los parámetros de modulación 32A de acuerdo con la práctica de CS, como se indicó anteriormente. De esta manera, se proporciona un mecanismo físi
del dispositivo sintonizable de capa delgada 32 para codificar componentes espectrales y definir proyección de vector espectral en señal espectral modulada 32B. Debe apreciarse que el ajuste de los parámetros de modulación 32Apara modular la señal espectral 31 puede realizarse de forma automatizada o manual.
Los parámetros de modulación particulares 32A utilizado para modular la señal espectral 31 son los parámetros apropiados para la implementación particular del dispositivo de capa delgada 32. Por ejemplo, cuando se implementa como un dispositivo LC, los parámetros de modulación 32A incluyen tensión mientras que, en implementaciones basadas en reflexión, parámetros de modulación 32A incluyen la proximidad entre superficies parcialmente reflectantes, como se discutirá más adelante.
Debe apreciarse que los parámetros de modulación alternativos 32 incluir entre otros, parámetros geométricos, presión, temperatura e índice de refracción y pueden modularse independientemente o en combinación entre sí para lograr la respuesta espectral modulada deseada.
En la etapa 42 un sensor de luz 33 mide toda la intensidad transmitida de cada señal modulada 32B de acuerdo con
Figure imgf000007_0001
donde:
gi es la intensidad medida de la i-ésima medida,
f(A) es la señal espectral de entrada, y
Ti (á) es la transmisión o reflexión modulada para la i-ésima medida
En la etapa 44, valores de intensidad 33A junto con cada modulación respectiva son procesadas por el procesador 34 o un ordenador de acuerdo con un algoritmo para reconstruir numéricamente los valores de transmisión o reflectancia en función de la longitud de onda para formar una distribución espectral estimada de la señal espectral 31.
Los ejemplos no limitantes de tales algoritmos incluyen, entre otros, Algoritmo Selector de Dantzig, Algoritmos de Reducción Iterativa y Algoritmos de Seguimiento y son bien conocidos por los expertos en la técnica. Se pueden encontrar algoritmos adicionales en referencias como:
• "Sparse and Redundant Representations: From Theory to Applications in Signal and Image Processing", de M. Elad, DOI 10.1007/978-1-4419-7011-4_3, © Springer Science Business Media, LLC 2010,
• "Compressed Sensing: Theory and Applications", de Eldar, Yonina C., and Gitta Kutyniok, Cambridge:
Cambridge University Press, 2012, y
• "A Mathematical Introduction to Compressive Sensing", por Foucart, Simon y Holger Rauhut, Berlín: Springer, 2013.
En la etapa 46, la distribución espectral estimada de la señal espectral 31 se muestra gráficamente por el dispositivo de salida 35, de acuerdo con realizaciones no limitativas.
La figura 4 es un diagrama esquemático de un TTLD implementado como un retardador de cristal líquido de una única celda 50 en el que una pila de capas electroópticas está formada por una capa de cristal líquido 51 intercalado entre dos electrodos transparentes 53 a su vez dispuestos entre polarizadores 54.
En ciertas realizaciones cristal líquido 51 tiene un espesor que oscila entre unos 10 y 100 micrómetros; menos que el espesor colectivo de las realizaciones típicas de LC utilizadas para espectrometría implementadas como una pluralidad de celdas conectadas en serie.
Sorprendentemente, un retardador de cristal líquido de una única celda proporciona la modulación compatible con CS necesaria para resolver numéricamente una distribución espectral estimada de una señal espectral caracterizada por una totalidad de bandas espectrales que exceden el número de modulaciones espectrales.
La señal espectral 31 se modula en señal espectral modulada 32B en función de los cambios en la tensión suministrada por el suministro de tensión variable 52 oscilando entre 0,0 y 15,0 voltios. En ciertas realizaciones, los incrementos de tensión en un primer intervalo de tensión son diferentes a los incrementos en un segundo intervalo de tensión. Por ejemplo, entre 0,0 y 3,0 voltios, la tensión aplicada cambió en incrementos de 0,05 voltios, mientras que, en el intervalo entre 3,0 y 10,0 voltios, la tensión cambió en incrementos de 0,1 voltios.
Teniendo en cuenta los resultados teóricos para el sistema espectroscópico 30 (figura 3) empleando retardador de cristal líquido de una única celda 50, la matriz de detección Olc se puede modelar como:
Figure imgf000007_0002
Donde:
"An" es la diferencia entre el índice de refracción extraordinario y el ordinario del cristal líquido 51 en el estado del dispositivo "i ",
"d" es la longitud de la celda, y
"c" es la velocidad de la luz.
Como saben los expertos en la técnica, la matriz del sistema anterior exhibe un comportamiento armónico que es uno de los operadores de detección favoritos en la práctica de CS y exhibe un armónico sesgado (por 1/2), por lo tanto, solo tiene valores no negativos.
Las medidas de señal modulada 32B dispositivo de cristal líquido nemático utilizado para construir la matriz de detección Olc y la ecuación
Figure imgf000008_0001
resuelta para producir el vector dimensional N que representa el espectro de N bandas de espectro resueltas.
La figura 4A es un gráfico de imagen defunciones de modulación Mlc en las que cada fila corresponde a la fila "i" del operador de detección de compresión Oij señalado anteriormente. El gráfico de imagen se deriva de 102 modulaciones espectrales de señal espectral 31, y 1024 bandas espectrales, de 0,4 nm cada una, de acuerdo con una realización no limitativa.
La figura 4B representa dos respuestas de transmisión moduladas V'lc y V"lc derivadas de modulaciones elegidas de la pila de modulación de la figura 4A. V'lc y V"lc son indicativos del comportamiento de transmisión del dispositivo LC 50 para sus respectivos parámetros de modulación.
Como se muestra, las modulaciones V'lc y V"lc son compatibles con CS en el sentido de que cada uno se caracteriza por al menos dos picos que abarcan las bandas espectrales de interés; en este ejemplo no limitativo, las bandas espectrales de interés están incluidas dentro del intervalo de cero a mil nanómetros. Además, las modulaciones V'lc y V"lc tienen una baja correlación en el sentido de que hay una superposición mínima entre las funciones de modulación
Las figuras 5A y 5B representan espectros comparativos de corteza biogénica; CSTlc y TST dentro de un intervalo espectral de 400-810nm. La respuesta espectral CSTlc se obtiene a través de técnicas CS junto con un dispositivo LC como se describe anteriormente, mientras que la respuesta espectral TST se deriva de técnicas tradicionales de espectroscopia basadas en barrido.
La respuesta espectral CSTlc rastrea sustancialmente el TST y resuelve 1024 bandas de espectro de 0,4 nm cada una para la señal reconstruida obtenida de un mero Mlc= 102 mediciones de intensidad obtenidas con la pila de transmisiones de modulación que se muestra arriba en la figura 4A.
La figura 6 muestra una vista esquemática de una realización basada en la reflexión de un TTLD en el que una pila de capas electroópticas está formada por capas parcialmente reflectantes. 55B y 55C capa intermedia intercalada 57, de acuerdo con una realización no limitativa.
La capa sintonizable 57, se implementa como aire, capas parcialmente reflectantes 55B y 55C están configurados para ser una variante de proximidad en incrementos de 0,1 ^m, como se muestra mediante la flecha “A”, dentro de un intervalo “d” entre aproximadamente 50 ^m y 4 mm, de acuerdo con algunas realizaciones. Las capas parcialmente reflectantes 55B y 55C cada una puede tener un espesor de aproximadamente 3,0 nm a 20,0 nm y una reflectancia de aproximadamente R = 0,8-0,9 en ciertas realizaciones, y en otras realizaciones 0,75-0,95. (La reflexión parcial de la capa 55C no se muestra).
A diferencia de los interferómetros de tipo Fabry-Perot que tienen una reflexión cercana al 100 % y un espacio entre las placas reflectantes de aproximadamente 5,0 cm, la reflexión relativamente baja y la capa sintonizable delgada 58 de la presente invención sorprendentemente proporcionan modulaciones compatibles con CS necesarias para resolver numéricamente una distribución espectral estimada de una señal espectral caracterizada por una totalidad de bandas espectrales que exceden el número de modulaciones espectrales.
Debe apreciarse que la capa intermedia 57 implementado como una pluralidad de subcapas o implementado como un cristal piezoeléctrico capaz de proporcionar un cambio en el comportamiento de modulación en respuesta a cambios en la tensión. En ciertas realizaciones, la tensión se puede aplicar entre 0,0 y 80,0 voltios y se puede cambiar en incrementos como se indicó anteriormente.
Considerando una reflectancia de R=0,8, cada modulación de transmisión 32B es dada por:
Figure imgf000008_0002
en donde "R" es la reflectancia de la capa parcialmente reflectante 55B,
"Áj" es la longitud de onda de la banda espectral "",
"n" es el índice de refracción, y
"d i" es la distancia entre las capas reflectantes.
Los elementos "i, j " de "T,(Áy)" representa el elemento "i, j " de matriz de detección O señalado anteriormente tal que <py, el elemento en la fila i de la matriz O en la posición j, es decir, la transmisión para Áj en estado de dispositivo i.
La figura 6A muestra un gráfico de imagen de modulaciones de transmisión, T(Áj) donde filas i = 1, ..., M es el índice de modulaciones, y j = 1, ..., N es el índice de curvatura espectral de la señal espectral 31 por cada cambio incremental en la distancia entre las capas reflectantes 55. En esta realización basada en la reflexión, se obtuvieron 102 mediciones de intensidad, una para cada modulación de la señal espectral 31
La figura 6B representa dos respuestas de transmisión moduladas, V'rbttld y V 'rbttld, que representa el comportamiento de transmisión de un dispositivo sintonizable de capa delgada basado en reflexión (RBTLLD) derivado de dos de las 100 modulaciones separadas (Mrbttld) que se muestra en la figura 6A. Como saben los expertos en la materia, V'rbttld y V 'rbttld son indicativos del comportamiento de transmisión del RBTLLD 50 para distancias respectivas entre capas reflectantes 55.
Como se muestra, el comportamiento de RBTLLD también exhibe múltiples ventanas de transmisión espectral ponderada de diferentes tamaños, distribuidas de manera no uniforme en el intervalo del espectro de medición como lo requiere la práctica de CS.
La figura 7 muestra respuestas espectrales comparativas para CSTrbttld y TST dentro de un intervalo espectral de 400-800nm. Respuesta espectral CSTrbttld se obtiene a través de técnicas de CS junto con un dispositivo de capa fina sintonizable (TTLD) basado en reflexión, mientras que TST se deriva de técnicas de espectroscopia tradicionales basadas en barrido.
Como se muestra, la respuesta espectral CSTrbttld rastrea sustancialmente la respuesta espectral TST y resuelve 1024 bandas de espectro de 0,4nm cada una para la señal reconstruida obtenida de un mero Mrbttld = 100 mediciones de intensidad como se muestra arriba en la figura 6A.
El uso de dispositivos sintonizables de capas delgadas junto con técnicas de detección comprimidas proporciona numerosos beneficios que no se encuentran en los métodos CS espectroscópicos y basados en el espacio convencionales. En concreto, la reducción de medidas resultante facilita:
• Reducción del número y del tamaño de los detectores,
• Reducción del tamaño y la complejidad del sistema,
• Reducción de costes del sistema,
• Reducción de ruido,
• Reducción de la pérdida de energía,
• Reducción del tiempo de adquisición, y
• Mejora de la adquisición espectral de ultra resolución.
Las aplicaciones del método aquí descrito incluyen, entre otras, imágenes multiespectrales e hiperespectrales en las que la información espectral de píxeles se distribuye espacialmente y también aplicaciones en las que se realiza la detección de compresión en el dominio espacial antes de la descomposición espectral utilizando luz estructurada o no estructurada para la muestra o la iluminación de la muestra.
Debe apreciarse que el método descrito anteriormente se puede aplicar para varios intervalos espectrales que abarcan frecuencias asociadas con IR y UV en el intervalo de THz, por ejemplo. En principio, el grosor de la capa sintonizable de los dispositivos de modulación escala linealmente con la longitud de onda que se modula. Por ejemplo, el ancho de la capa sintonizable utilizada para IR que tiene una longitud de onda de aproximadamente 3,0-5,0 micrómetros es unas diez veces mayor que el grosor de una capa sintonizable utilizada para el espectro visible que tiene una longitud de onda de aproximadamente 0,5 micrómetros.
Aunque ciertas características de la invención se han ilustrado y descrito en este documento, ahora se les ocurrirán muchas modificaciones, sustituciones, cambios y equivalentes a los expertos en la materia. Por lo tanto, debe entenderse que las reivindicaciones adjuntas pretenden cubrir todas las modificaciones y cambios que caen dentro del ámbito de la invención.

Claims (14)

REIVINDICACIONES
1. Un método espectroscópico, que comprende:
modular espectralmente una señal espectral (31) para generar una pluralidad de modulaciones espectrales a través de uno o más dispositivos fotónicos sintonizables de capa delgada (32), cada modulación espectral incluye al menos dos picos cuando se representa en una respuesta modulada de transmisión o reflexión en un dispositivo de visualización (35);
obtener una medida de intensidad de cada una de las modulaciones espectrales; y usar un procesador (34) para resolver numéricamente una distribución espectral estimada de la señal espectral (31) a partir de las mediciones de intensidad, incluyendo la distribución espectral estimada una totalidad de bandas espectrales que superan en número la pluralidad de modulaciones espectrales.
2. El método espectroscópico de la reivindicación 1, en el que uno o más dispositivos fotónicos de capa fina (32) incluyen un retardador (50) de cristal líquido monocelular sintonizable.
3. El método espectroscópico de la reivindicación 2, en el que usar uno o más dispositivos fotónicos sintonizables de capa delgada (32) para modular una pluralidad de modulaciones espectrales incluye ajustar una tensión aplicada al retardador de cristal líquido (50).
4. El método espectroscópico de la reivindicación 3, en el que el ajuste de una tensión aplicada al retardador de cristal líquido (50) se implementa en incrementos entre 0,001 voltios y 0,5 voltios.
5. El método espectroscópico de la reivindicación 1, en el que uno o más dispositivos fotónicos de capa delgada (32) incluyen un dispositivo fotónico de capa delgada basado en reflexión sintonizable (32) que tiene una pluralidad de capas parcialmente reflectantes (55B, 55C) que tienen una reflectividad oscilando entre aproximadamente el 70 % y el 95 %.
6. El método espectroscópico de la reivindicación 1, en el que uno o más dispositivos fotónicos de capa delgada (32) incluyen un dispositivo fotónico de capa delgada basado en reflexión sintonizable (32) que tiene una pluralidad de capas parcialmente reflectantes (55B, 55C) que tienen reflectividad oscilando entre aproximadamente el 80 % y el 90 %.
7. El método espectroscópico de la reivindicación 6, en el que el uso de uno o más dispositivos fotónicos (32) de capa delgada basados en reflexión y sintonizables para generar una pluralidad de modulaciones espectrales a partir de una señal espectral incluye el ajuste de una distancia entre las capas parcialmente reflectantes (55B, 55C).
8. El método espectroscópico de la reivindicación 7, en el que el ajuste de la distancia entre las capas parcialmente reflectantes (55B, 55C) se implementa en incrementos de 0,1 pm.
9. Un dispositivo de medición espectroscópica (30), que comprende:
uno o más dispositivos fotónicos de capa delgada (32) sintonizables operativos para modular espectralmente la luz en una pluralidad de modulaciones espectrales a partir de una señal espectral (31), teniendo cada modulación espectral un intervalo espectral que incluye una pluralidad de picos en una respuesta modulada de transmisión o reflexión;
un sensor de intensidad (33) operativo para obtener una medida de intensidad a partir de las modulaciones espectrales; y
un procesador (34) configurado para resolver numéricamente una distribución espectral de la señal espectral (31) a partir de las medidas de intensidad, incluyendo la distribución espectral una totalidad de bandas espectrales que exceden en número a la pluralidad de modulaciones espectrales.
10. El dispositivo de medición espectroscópica (30) de la reivindicación 9, en el que uno o más dispositivos fotónicos (32) se implementan en paralelo.
11. El dispositivo de medición espectroscópica (30) de la reivindicación 9, en el que uno o más dispositivos fotónicos (32) incluyen un retardador de cristal líquido monocelular sintonizable (50).
12. El dispositivo de medición espectroscópica (30) de la reivindicación 9, en el que uno o más dispositivos fotónicos (32) incluyen un dispositivo fotónico basado en reflexión (32) que tiene una pluralidad de capas parcialmente reflectantes (55B, 55C) de una reflectividad que oscila entre aproximadamente 80 % - 90 %.
13. El dispositivo de medición espectroscópica (30) de la reivindicación 9, en el que uno o más dispositivos fotónicos basados en reflexión (32) se implementan en serie.
14. El dispositivo de medición espectroscópica (30) de la reivindicación 9, que comprende además un dispositivo de visualización (35) configurado para visualizar gráficamente la distribución espectral de la señal espectral (31).
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