JP2005502895A - 信号整合フィルタリングを組み込んだ分光計 - Google Patents
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Abstract
試験サンプルのスペクトル解析を実行するための光学システム。該光学システムは、光子エネルギー源と、光学的エミッション処理システムと、受信光の光学的処理システムと、光検出器と、ディジタル信号処理システムとを備える。光子エネルギー源は電磁放射を放出し、ディジタル信号処理システムによって制御される。光学的エミッション処理システムは、光子エネルギー源から電磁放射を受信し、１つまたはそれ以上の照明波長を試験サンプルに送信し、光学的エミッション処理システムは、ディジタル信号処理システムによって制御される。受信光の光学的処理システムは試験サンプルからの受信電磁放射の１つまたはそれ以上の波長を収集して分離し、受信電磁放射の分離された１つまたはそれ以上の波長を光検出器に送信する。受信光の光学的処理システムもディジタル信号処理システムによって制御される。光検出器は、受信電磁放射の分離された１つまたはそれ以上の波長を感知し、ディジタル信号処理システムに送信される電気信号に変換する。ディジタル信号処理システムは、光検出器から受信した電気信号の整合フィルタリングを実行し、さらに、光子エネルギー源、光学的エミッション処理システムおよび受信光の光学的処理システムの機能を制御する。
Description
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光検出器の分野に関し、特に分光計に関する。
【背景技術】
【０００２】
試験サンプルのスペクトル特性を検出するために使用される分光光度計または分光計がいくつかある。例えば、米国特許第４，３３０，２０７号は、光源と、サンプルを化学線として照明するために光源からの光を分光分析の対象とする励起側の単色分光器と、サンプルからの蛍光線を分光分析の対象とする蛍光側の単色分光器と、蛍光側の単色分光器からの光を検出する検出器と、走査される化学線と蛍光線の波長に対して両方の単色分光器を調整する走査手段とを備える蛍光分光光度計を開示している。これらの単色分光器は、それらのうちの１つが簡単で自動的な波長走査の操作を通じてそれ自身によって検出されるピーク波長値の位置に自動的に設定され、他の単色分光器は、励起スペクトルまたは蛍光スペクトル測定のために波長走査されるように配置されている。この装置はある範囲の波長の光放射を検出し、ピーク値が高い波長をメモリ手段に保存するように設計されている。
【０００３】
さらに、米国特許第５，１９４，９１６号に、測定されるサンプル上に励起単色光を照射するための励起単色光発生手段と、サンプルから放射される蛍光線から単色光を選択するためのエミッション用単色分光器と、エミッション用単色分光器によって選択された単色光の強度に対応する一次出力信号を発生するためのエミッション光度計と、応答値により特性化された、一次出力からノイズを消去するため、および二次出力を発生するためのフィルタリング手段と、二次出力に基づいてサンプルの内容を決定するための決定手段と、一次出力に基づいてフィルタリング手段の応答値を設定するための応答設定手段とを備える蛍光分光光度計が記述されている。一次信号の強度データおよび対応する応答値を含む表があり、それらはあらかじめ実験によって決定され、ある場合には、この相関は数式によって決定することができる。
【０００４】
光のビームを放出するように動作する光源と、その光のビームを分析されるサンプルに向けるための光学システムと、ビームがサンプルと相互作用した後の光ビームの強度を検出する検出器とを含む分光光度計が、米国特許第６，００２，４７７号に開示されている。その光源は光が放出されない間隔によって隔てられている光のバーストを放出するように動作する。例として、キセノン管をその目的に使用することができる。この分光光度計はビームがサンプルと相互作用した後の光の各バーストによって発生される光ビームの強度を測定する。そのような各光ビームを、サンプルとの相互作用の前に第１および第２の部分に分けることができ、その光学システムは、その第１の部分をサンプルに向け、その第２の部分を、基準測定を行うための第２の検出器に向けるように配置されている。光の各バーストの直前または直後に、暗信号測定を行うことができる。それ故、システム内のノイズを決定する基準信号を有することによって、受信した信号を分離するための手段を提供する。しかし、試験サンプルの走査の時点において基準信号を決定することは、このシステムの機能に対して重要である。何故なら、「ダーク・ノイズ」は非常に短い時間の間に劇的に変化する可能性があるからである。
【０００５】
この背景情報は、本発明に関連すると思われる既知の情報を提供するものである。上記情報のいずれも本発明に対する従来技術ですること意図しておらず、またそのように解釈すべきではない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の１つの目的は、信号整合フィルタリングを組み込んだ分光計を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
１つの態様によれば、本発明は、試験サンプルのスペクトル解析を実行するための光学システムを提供する。上記光学システムは、電磁放射を放出するための、ディジタル信号処理手段によって制御される光子エネルギー源と、光子エネルギー源からの電磁放射を受信し、試験サンプルに１つまたはそれ以上の波長の照明を送るための、ディジタル信号処理手段によって制御される光学的エミッション処理手段と、試験サンプルからの受信電磁放射の１つまたはそれ以上の波長を収集および分離し、受信電磁放射の分離された１つまたはそれ以上の波長を光検出器に送信するための、ディジタル信号処理手段によって制御される受信光の光学的処理手段と、受信電磁放射の分離された１つまたはそれ以上の波長を感知して変換するための光検出器と、光検出器から受信した電気信号の整合フィルタリングを実行するため、および光子エネルギー源、光学的エミッション処理手段および受信光の光学的処理手段の機能を制御するためのディジタル信号処理手段とを備える。
【０００８】
もう１つの態様によれば、本発明は、流体の光学的分析を実行するためのシステムを提供する。上記システムは、電磁放射を放出するための光子エネルギー源と、上記電磁放射を試験サンプルに向けるための光学装置とを含む照明システムを含む光学プローブを備え、上記光学プローブは、試験サンプルによって放出される電磁放射を収集し、光検出器に向けるための検出器光学系をさらに含み、上記光学プローブが流体の流れの中、あるいは流体のサンプルを含むサンプル・チャンバ内に挿入され、上記システムはさらに光子エネルギー源を作動するための制御手段と、試験サンプルによって放出される電磁放射を感知して電気信号に変換するための光検出器と、光検出器から受信した電気信号の整合フィルタリングを実行するためのディジタル信号処理手段とを含み、上記ディジタル信号処理手段は光子エネルギー源の作動および試験サンプルに向けられた電磁放射の符号化をさらに制御する。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
定義
「電子光変調器」という用語は、音響光学変調器、機械的光チョッパ、ホログラムまたは電気的に駆動される光電子装置、または類似の装置を意味する。
【００１０】
「照明光源」という用語は、発光ダイオード（ＬＥＤ）、白熱光、レーザ、ガス放電ランプ、レーザ・ダイオード、アーク・ランプ、Ｘ線源または類似の装置を意味する。
【００１１】
「単色分光器」という用語は、実質的に１つの波長、または少なくともスペクトルの非常に狭い帯域の光を得るために使用される光分散器を意味し、例えば、干渉フィルタ、カットオフ・フィルタ、回折プリズム、回折格子、干渉計、ホログラムまたは類似の装置であってもよい。
【００１２】
「光検出器装置」という用語は、光検出装置または光検出器を意味し、フォトダイオード、光増倍器、電荷結合素子（ＣＣＤ）または類似の装置を含む。
【００１３】
「結果の放射」という用語は、対象物が照明放射を受けているときに結果として生じる反射、透過、吸収された光、および蛍光の光のそれぞれまたはすべてを意味する。
【００１４】
「弱信号検出」という用語は、サンプルからの低強度エミッション放射を測定できるようにするために使用される技術を指す。所与の任意の信号対雑音比に対して、情報を伝達するために使用される帯域幅を増加させることによってその情報の誤り率を下げることができる。信号帯域幅はノイズの多いチャネルにおいて送信する前に拡散され、次に受信時に逆拡散される。このプロセスは結果としていわゆる処理利得と呼ばれるものになる。
【００１５】
「信号拡散」という用語は、線形周波数変調（チャープ変調と呼ばれることがある）および直接シーケンス法などの技術を含む、信号を拡散するいくつかの手段を指す。
【００１６】
「信号逆拡散（ｓｉｇｎａｌ ｄｅｓｐｒｅａｄｉｎｇ）」という用語は、相関受信機または整合フィルタ受信機技術を使用して受信信号を類似のローカル基準信号と相関付けることによって達成されるプロセスを指す。２つの信号が整合している時、その拡散信号は拡散の前にその元の帯域幅に畳み込まれ、一方、整合していない信号はすべてそのローカル基準によって実質的に伝送帯域幅に対して拡散される。次にこのフィルタが所望の信号以外のすべてを拒絶する。それ故、その妨害（例えば、検出システムにおける熱雑音、周囲光誘起型ノイズ、ＡＣ電源線ノイズなど）内での所望の信号を最適化するために、整合フィルタ受信機はその信号を強化し（ｅｎｈａｎｃｅ）、一方、ノイズを含めてすべての他の入力の影響を抑圧する。
【００１７】
別段の定義がない限り、本明細書で使用されるすべての技術的および科学的な用語は、本発明の属する技術分野における通常の当業者によって一般的に理解されるのと同じ意味を持つ。
【００１８】
本発明の種々の態様が以下の詳細な説明を参照することによって、より容易に評価され、より良く理解されることになる。
【００１９】
本発明によるシステムは、光信号符号化および整合フィルタリングを組み込んだ光学式走査システムを提供する。上記照明に対する試験サンプルの応答を検出することができ、この応答は、反射、蛍光、透過および／または吸収を含むことができる。このシステムによって信号対雑音比が高められるので、本発明は試験サンプルにおける僅かな光学的変化を検出することができる。
【００２０】
図１を参照すると、本発明の光学システムは、分光計およびディジタル信号処理手段５を備え、ディジタル信号処理手段５（特に、エミッタ制御電子回路１０）によって制御されて、紫外線から遠赤外線までの範囲（すなわち、１５０ｎｍから３０００ｎｍまでの帯域幅）電磁放射を放出する可能の光子エネルギー源１５と、ディジタル信号処理手段５（特にそのエミッタ制御電子回路１０）によって制御されて、光子エネルギー源１５から光を受け取り、１つまたはそれ以上の照明波長をパルス化されたシーケンスにおいて試験サンプル２５に送出する光学的エミッション処理手段２０とを備える。光学的エミッション処理手段２０は、１つまたはそれ以上の照明波長を分離するための手段と、照明波長を配向して試験サンプル２５上にフォーカスするエミッタ光学系とを備えることができる。上記システムは、さらに、ディジタル信号処理手段５（特にエミッタ制御電子回路１０）によって制御されて、試験サンプル２５の照明によって受信光の１つまたはそれ以上の波長を収集して分離する受信光の光学的処理手段３０を備える。受信光の光学的処理手段３０は、試験サンプル２５から受信光を収集するための検出器光学系と、受信光の１つまたはそれ以上の波長を分離するための手段とを備えることができる。さらに、上記システムは受信光の光学的処理手段３０によって送信された受信光を感知して電子信号に変換するための光検出器３５と、ディジタル信号処理手段５の１つの構成要素であって、光検出器３５の出力について整合フィルタリングを実行するためのＤＳＰ受信信号処理手段４０とを備える。受信信号の整合フィルタリングは光検出器３５から受信した電気信号および、エミッタ制御電子回路１０からの制御パラメータに基づいて実行される。
【００２１】
ノイズまたは妨害が本発明によるシステムに入って来る種々の場所があり、この妨害が照明に起因して試験サンプルから受信される信号を検出するための能力を低下させる。例えば、さらに図１を参照すると、受信光の光学的処理手段３０を通じて周囲光がシステムに入る可能性があり、ＤＳＰ受信信号処理手段４０を通して電気ノイズがシステムに入る可能性がある。ディジタル信号処理手段を組み込むことによって、照明信号の符号化および符号化された照明信号に関連しての受信信号の整合フィルタリングのための手段を提供することができる。そのように、ディジタル信号処理手段によって、試験サンプルの照明から結果として発生する受信信号の検出を改善することができる。
【００２２】
これらの構成要素がそれぞれどのように動作するかを説明するために、本発明によるシステムの１つの実施形態の概要が図２に示されている。この実施形態においては、照明光源１００がディジタル信号処理手段３００によって制御され、例えば、２５０ｎｍから１０００ｎｍまでの範囲の放射線帯域幅を放出する。コリメータ１１０は照明光を線形化し、それを光変調器２００に導く。ここで、コリメータ１１０は、例えば、細長い管であって、強く吸収または反射する壁によって管の軸に対して平行に進行する放射だけがその長さ全体を通過できるようにすることができる。光変調器２００は、符号化ディスク（図２に示すような）、音響光学変調器、または電子変調器であってもよく、そのため、振幅または位相変調を行うことができ、例えば、実質的に光信号を拡散することができる。照明用単色分光器１２０は、ディジタル信号処理手段３００によって制御されて照明光源１００からの光を受信し、Ｎ番目の波長をパルス・シーケンスで光プローブに送出し、光プローブは上記Ｎ番目の波長を試験サンプル１４０、例えば、流体のサンプルに送出する。試験サンプルの照明の結果としての放射線が収集され、エミッション用単色分光器１６０に送出される。対象物から検出された放射信号が拡散関数符号化によってさらに符号化され、その強度は反射係数、および蛍光係数に比例している。検出用単色分光器１６０は、ディジタル信号処理手段３００によって制御され、反射および蛍光のスペクトルを光学的に分離し、特定のディジタル処理タスクを実行することによって、特定の照明波長に対するＮ番目の波長の反応特性を渡し、その結果これらの符号化された各光信号を光検出器１７０によって検出できるようにする。光検出器１７０は光信号を検出し、それを電気信号に変換し、次にその信号が帯域フィルタ１８０（実質的にＡＤ変換器）によって処理され、それをディジタル信号処理手段３００に送信する。ディジタル信号処理手段３００は、照明放射に対する試験サンプルの応答を識別し、種々のノイズ源からこの光学システムに入るノイズから分離するために整合フィルタリングを実行する。
【００２３】
他の実施形態においては、上記光学システムは、図３に示されているような構成要素によって構成することができる。光源１００は、コリメータ１１０によって符号化ディスク２００に向けられる光子エネルギーを発生する。上記向けられた符号化された光子エネルギーは照明放射の種々の波長を分離するための照明プリズム５２０を通過する。分離された照明放射は、所望の波長または波長帯域が試験サンプル１４０に送られるように配向されているスリット５３０に向けられる。その照明の結果として、試験サンプル１４０によって放出される放射がレンズ１５０によって収集され、エミッション・プリズム５４０に送信され、放出された放射が各種の波長に分離される。エミッション・プリズム５４０は、所望の波長または波長帯域が検出器１７０に向けられるように配向されているスリット５５０に上記放出された放射を向ける。検出器１７０は上記エミッション放射を電気信号に変換し、その電気信号は試験サンプルの照明に関連して収集された情報を処理するために整合フィルタ受信機５６０に向けられる。
【００２４】
この光学システムの実施形態は、特定の構成要素の変形例を含めていくつかある。しかし、各実施形態は１つの形式のこれらの各構成要素を有している。特定の実施形態においてどの構成要素が含められるべきかを選定するためのいくつかの基準が以下に説明される。
【００２５】
光子エネルギー源
各実施形態は、ディジタル信号処理手段によって制御されて、紫外線から遠赤外線までの範囲（すなわち、１５０ｎｍから３０００ｎｍまでの帯域幅）が可能な電磁放射線を放出するための光子エネルギー源を含む。
【００２６】
本発明に関連して使用できる光子エネルギー源は、レーザ、レーザ・ダイオード、発光ダイオード（ＬＥＤ）、アーク・フラッシュランプ、連続波電球、電子的に制御されるフラッシュランプ、任意のガス放電ランプ等当業者であれば周知のような任意の他の光子エネルギー源を備えるグループから選択した光源を使用できる。本発明の特定の実施形態において使用される光子エネルギー源の選択は、その試験サンプルの要求されるスペクトル解析によって決定することができる。その装置の機能は、例えば、試験サンプルの広いスペクトル解析を必要とするか、あるいは狭い帯域幅または特定の波長についてのスペクトル特性を必要とする可能性がある。
【００２７】
例えば、レーザは、非常に狭いスペクトル（高度にコヒーレントな「単独の」波長）、狭い空間ビームおよび大きいパルス型のパワーを有している。白熱電球は広いスペクトル、広いビームおよび連続伝送を有している。
【００２８】
本発明の１つの実施形態においては、光子エネルギー源によって発生される電磁放射はパルス型電磁放射の形式とすることができる。
【００２９】
光学的エミッション処理手段
光学的エミッション処理手段は、光子エネルギー源からの光を受信し、試験サンプルにパルス・シーケンスで１つまたはそれ以上の照明波長を送出することができ、光学的エミッション処理手段は、１つまたはそれ以上の照明波長を分離するための手段と、その照明波長を試験サンプル上に配向し、フォーカスするエミッタ光学系とを備えることができる。光学的エミッション処理手段は、ディジタル信号処理手段に含まれているエミッタ制御電子回路によって制御され、エミッタ制御電子回路はパルス符号化およびパルス成形などの機能を実行することができ、例えば、照明エネルギーの変調を行うことができる。
【００３０】
反射および蛍光による光の波長を、どれが試験サンプルからで、どれが周囲光ノイズからのものであるかを識別するためには、試験サンプルの照明が狭帯域照明を使用して行われる必要がある。
【００３１】
本発明の１つの実施形態においては、一般的な装置は、試験サンプルのスペクトル特性を照明の波長の範囲に対して決定できるように、照明のスペクトル特性を簡単に変化させる機能を必要とする可能性がある。これは、例えば、ハロゲン電球またはキセノン管などの広帯域光源を使用することによって、そしてその後で波長分離光学系を使用してその放出された光をフィルタリングし、それにより試験サンプルを照明するためのスペクトルの狭い部分を分離することによって達成することができる。他の方法は、複数の狭帯域または中帯域の光源（例えば、レーザ・ダイオードおよび／または各種の色のＬＥＤなど）のアレイを使用し、それぞれが特定の所望のスペクトル特性を有し、それらを一度に一つ作動し、それにより実効的に光の広いスペクトルを経るようにし、これらの装置の照明のシーケンスの間に特定の照明波長を分離する方法である。
【００３２】
光学的制御処理手段は、例えば、光の放出のパルス化されたシーケンスを作り出す試験サンプルを照明するための光を変調するための手段を提供する光制御装置をさらに備える。光制御装置は、間接的な光変調器、例えば、光チョッパ、シャッター、液晶フィルタ、ガルバノメトリック・スキャナまたは音響光学デバイスであってもよい。さらに、光変調は振幅変調回路または周波数変調回路を使用して直接の方法で実行することができる。当業者であれば、照明光の放出を変調する代替方法を理解することができるだろう。
【００３３】
波長分離光学系が、固定の光調整光学系、例えば、光学フィルタ、屈折光学系、回折光学系および可変光調整サブシステム、例えば、屈折または回折システムから選択され、それにより光学的な中心波長が、その光が固定型光調整光学系を通過した後に位置制御型反射面の使用によって選定されるようにすることができる。また、固定型光調整光学系は、屈折または回折光学システムであってもよく、それにより、光学的中心波長が、ポジション・コントローラを使用して選定されて、固定型光調整光学系を動かすようにすることができる。波長分離光学系装置の一例は単色分光器である。他の形式の波長分離光学系装置は、当業者なら周知である。
【００３４】
エミッタ光学系は、光学的エミッション処理手段の構成要素間で光子エネルギーを伝達するため、また照明光を試験サンプルに伝達するためにも使用することができる。エミッタ光学系は、集光器、フォーカシング装置、光ファイバ、アパーチャおよび当業者であれば周知のような他の装置を含むグループから選択することができる。
【００３５】
流体の解析が必要である本発明の１つの実施形態においては、例えば、防水型光学プローブをその光学システムに組み込むことができ、この光学プローブを流体試験チャンバ内に挿入することができる。この光学プローブは、試験サンプルを照明するため、およびその照明によって試験サンプルによって放出される光を収集するための構成要素を備える。光学プローブが流体サンプル内に挿入されているので、サンプルの表面境界層の反射効果の低減が実現される。この実施形態においては、光学プローブは、光子エネルギー源、例えば、ＬＥＤまたはレーザ・ダイオード、流体サンプルに照明放射を向けるための照明用光学系と、反射光および蛍光を収集するための検出用光学系とを備える。光学プローブは、光学システムのさらに他の構成要素、例えば、ＤＳＰ手段および指示の送信およびそれらの間の収集データの送信のための光検出器と相互に接続されている。照明用光学系および光検出用光学系は、その流体の照明光との相互作用を十分に検出できるように光学プローブ内で配向することができる。本発明の１つの実施形態においては、光学プローブは、自己クリーニング機能、例えば、ワイパ機構をさらに備え、プローブの表面に付着する残留物を流体から取り除くことができる。
【００３６】
受信光の光学的処理手段
受信光の光学的処理手段は、試験サンプルからの受信光の１つまたはそれ以上の波長を収集して分離し、この受信光は上記のように試験サンプルの照明に関連付けられている。受信光の光学的処理手段は、試験サンプルからの受信光を収集するための検出器光学系と、光検出器による検出のために受信光の波長の１つまたはそれ以上を分離するための手段とを備えることができる。受信光の光学的処理手段は、ディジタル信号処理手段内に含まれているエミッタ制御電子回路によって制御され、それ故、その機能を光学的エミッション処理手段と相関付け、受信したスペクトル・エミッションの有効な分析のための手段を提供することができる。
【００３７】
本発明の１つの実施形態においては、受信光の光学的処理手段は、波長分離光学系を使用することによって、受信光の特定の波長を分離することができ、波長分離光学系は、受信光の１つまたはそれ以上の波長を分離し、それ故、受信光が照明波長に相関付けられるようにすることができる手段を提供する。
【００３８】
波長分離光学系は、固定型光調整光学系、例えば、光学フィルタ、屈折光学系、回折光学系および可変の光調整サブシステム、例えば、屈折または回折光学システムから選択することができ、それにより光学的中心波長が、その光が固定型光調整光学系を通過した後に、位置制御型反射面を使用することによって選定される。また、固定型光調整光学系は、屈折または回折光学システムであってもよく、それにより光学的中心波長が固定型光調整光学系を動かすために位置コントローラを使用することによって選定される。波長分離光学系の一例は単色分光器である。他の形式の波長分離光学装置は当業者であれば周知である。
【００３９】
本発明の他の実施形態においては、受信光の光学的処理手段は、１つの選択された波長を分離する必要がある場合がある。例えば、その試験試料が特定の波長の光によって照明され、試験サンプルによるこの照明の光子エネルギーの反射のレベルが必要である場合、受信光の光学的処理手段は固定型光分離手段を有することができる。この方法で、特定の受信光の波長だけが評価される。
【００４０】
検出器光学系は、受信光の光学的処理手段の構成要素間で光子エネルギーを伝達するため、および受信光を光検出器に伝達するためにも使用することができる。検出器光学系は、集光器、フォーカシング装置、レンズ、光ファイバおよびアパーチャを含むグループから選択することができる。本発明の１つの実施形態においては、光学フィルタがこの機能を提供することができ、光学フィルタは低域フィルタ、高域フィルタまたは当業者であれば周知のような他の同等なフィルタを含むことができる。
【００４１】
光検出器
各実施形態は光検出器を含み、光検出器は受信光の光学的処理手段から送信された光を感知し、この受信光を、ディジタル信号処理手段、特にＤＳＰ受信信号処理手段によって処理するために電気信号に変換することができる。
【００４２】
適切な光検出器は、ダイオード、光電子増倍管、または、例えば、線形アレイまたは面積アレイに配置された電荷結合素子（ＣＣＤ）であってもよい。光検出器の特定の１つの例は、青色が強調されたガリウム砒素フォトダイオード、硫化カドミウム（ＣｄＳ）フォトダイオードまたはシリコン・アバランシェ・ダイオードである。
【００４３】
ディジタル信号処理手段
ディジタル信号処理（ＤＳＰ）手段は、光子エネルギー源、光学的エミッション処理手段および受信光の光学的処理手段を制御して、照明放射の１つまたはそれ以上の波長に関連して結果の放射の１つまたはそれ以上の波長を検出することができ、この検出は、ノイズがシステムに導入された場合でも実行できる。ディジタル信号処理手段は照明放射を制御するための手段（光学的エミッション処理システム）を提供するエミッタ制御電子回路と、受信光の光学的処理システムとを備える。さらに、ＤＳＰ手段は、受信信号処理手段を備え、それによりＤＳＰが受信光の放射を照明放射と相関付けることができ、それは照明に起因する試験サンプルからの反射、蛍光および吸収を識別するための手段を提供することができる。
【００４４】
照明放射を制御するエミッタ制御回路は、回路に電力を供給して駆動し、電気エネルギーを光エネルギーに変換すること、光源パルスの振幅およびタイミングを制御すること、照明放射をフィルタリング、フォーカスまたは機械的にパルス化する光学装置、例えば、光フィルタ、単色分光器、コリメータおよび／またはチョッパを制御することなどのタスクを実行する。さらに、エミッタ制御回路は、受信光の光学的処理手段を制御して、試験サンプルからその照明に起因する反射および蛍光波長を分離することができるようにする。例えば、受信光の光学的処理手段への単色分光器への組込みによって所望の波長を分離するための手段を提供することができ、その単色分光器の機能が受信光の光学的処理システムによって制御される。
【００４５】
試験サンプルとの相互作用に先立って、照明信号を符号化するためにエミッタ制御電子回路によって採用される符号化機能は任意の数の信号変調技術によって提供することができる。例えば、光制御装置の周波数の直接変調のための同期パルスを生成するためにパルス符号ソフトウェアを使用することができる（パルス周波数変調、ＰＦＭ）。ＰＦＭによって、パルスの周波数が所望の情報を符号化するために変調される。パルス符号ソフトウェアを使用して光制御装置の振幅の直接変調（パルス振幅変調、ＰＡＭ）のための同期パルスを生成することができ、その場合、ＰＡＭによってパルスの振幅が所望の情報を符号化するために変調される。さらに、パルス符号ソフトウェアを使用して光制御装置のパルス幅の直接変調（パルス幅変調、ＰＷＭ）のための同期パルスを生成することができる。ＰＷＭによって、パルスの幅が所望の変調を符号化するために変調される。最後に、関数発生器を使用して照明信号を符号化して固定同期パルスを生成することができ、パルス・レートおよび振幅変調ができるようにし、さらに機械的エンコーダのドライバが間接光変調のため、例えば、チョッパ、シャッター、ガルボミラーなどのための同期パルスを生成することができる。
【００４６】
本発明の１つの実施形態においては、エミッタ制御電子回路によって採用される符号化機能はディジタル変調形式であるバイナリ位相シフト・キーイング（ＢＰＳＫ）である。ＢＰＳＫは弱い信号の受信のために非常に効果的な変調技術である。ＢＰＳＫ変調を使用してキャリヤ信号の位相がディジタル・ビット・ストリームに従って１８０°シフトされる。ＢＰＳＫのディジタル符号化方式は次の通りである。「１」によってキャリヤ信号の位相が遷移し（１８０°）、「０」は位相の遷移を発生しない。この変調技術を使用して、受信機は差動的にコヒーレントな検出プロセスを実行し、各ビットの位相が前のビットの位相と比較される。ＢＰＳＫ変調を使用することによって、例えば、オンオフ・キーイングなどの他の変調技術と比較して信号対雑音比が改善される。
【００４７】
ＤＳＰ受信信号処理手段によって、光検出器から受信した電気信号とエミッション制御電子回路によって定義される対応する時間周期との間の整合フィルタ相関が可能になる。送信信号と受信信号との間のこの相関は本発明の光学システムに入って来る場合があるノイズ（例えば、周囲光または電気ノイズ）上での受信信号の識別を強化するための手段を提供することができる。放出されたパルス・シーケンスと同期されて整合されている受信信号のフィルタリングおよび時間平均によって、信号対雑音比（ＳＮＲ）が高められ、問題の単数または複数の波長におけるサンプルの応答の測定における信頼度が改善される。
【００４８】
整合フィルタは問題の信号の正確なコピーである。このフィルタは入力信号と相関付けられ、この手順は基本的にフィルタの合計の持続時間にわたってフィルタによって乗算される信号の積の和である。フィルタと問題の信号の整合時に、相関（コンボルーション）の合計は、通常、整合されていない合計に対してピークとなり、この光学システムでの外部ノイズ上で信号を識別するための手段を提供する。本発明の１つの実施形態においては、パルス・レートの時間間隔において中心となっている狭帯域フィルタのバンクがパルス・スペクトルからより多くのラインを捕捉することができ、それ故、光パルスのエネルギー評価および検出された波長のそれ以降の識別を改善するための手段を提供することができる。
【００４９】
本発明の１つの実施形態においては、時間領域拡散関数がＦ（ω）で表され、受信信号がＨ（ω）で表されている場合、ディジタル信号プロセッサを使用して整合フィルタ受信機の出力を次のように得ることができる。
【数１】
【００５０】
この式において、Ｆ（ω）は、入力信号ｆ（ｔ）のフーリエ変換であり、Ｈ（ω）は受信機の線形フィルタｈ（ｔ）のフーリエ変換である。整合フィルタにおいては、受信機の線形フィルタＨ（ω）は、特定の入力信号ｆ（ｔ）に対する受信機出力ｓ（ｔ）のピークの信号対雑音比を最適化するように調整される。受信機の線形フィルタの応答Ｈ（ω）が下式によって与えられるとき、
【数２】
出力の信号対雑音比が最大化され、受信機のフィルタ応答Ｈ（ω）が入力信号ｆ（ｔ）に整合されている。ここで、ｆ（ｔ）のフーリエ変換がＦ（ω）である。上記２つの式は、シュワルツ、ミッシャの「情報伝送、変調およびノイズ、通信システムに対する統一化された方法」（Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ，Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｎｏｉｓｅ，Ａ Ｕｎｉｆｉｅｄ Ａｐｐｒｏａｃｈ ｔｏ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍｓ）第３版から取られている。整合フィルタ受信機によって、検出したい出力信号ｓ（ｔ）の信号対雑音比を最大化できる可能性がある。それ故、整合フィルタ受信機は出力信号の最適検出を提供することができる。整合フィルタ受信機は線形システムであるので、ｓ（ｔ）は検出器上での反射および蛍光照明の強度に直接比例している。整合フィルタを使用することによって、ノイズ（光学システムの外部および内部ノイズ）の存在において、他の光学システムを使用しては検出不可能である場合のある弱い信号を検出することができる。
【００５１】
本発明の１つの実施形態においては、信号処理システムは、アナログ・フロントエンド・タスクおよびディジタル・バックエンド・タスクの両方を含む。一般的に、アナログ処理タスクは小さいセンサ信号を復元することおよび非常に選択的なフィルタリング操作に関係している。ディジタル領域のタスクはエネルギーの検出およびデータ出力に関連して、解析関数以外に更なる信号のフィルタリングに関係している。妨害を最小化し、ショット雑音に対する不感性を提供するために、照明信号が通常は数百ヘルツの周波数で変調される。アナログ・セクションはフォトダイオードの出力を大きく増幅して前フィルタリングするように設計され、変調周波数を復元する。これらの信号を利用して、狭帯域トラッキング・フィルタは変調された信号の復元のために非常に高い選択性を提供することができる。狭帯域フィルタの出力は、増幅後にアナログからディジタルへ変換され、ＤＳＰ（ディジタル信号プロセッサ）に入力され、ＤＳＰはリアルタイムでフィルタリング、エネルギー検出、平均化および結果の使用可能なデータへの変換のバックエンド・タスクを実行する。フィルタリングはさらにアナログ処理の最終段階において導入された可能性のあるＡＣノイズおよび高調波歪みの除去を強化する。フィルタリングの後に平均化エネルギー検出器が続き、それはセンサ信号のエネルギーに比例している値を出力する。これらの値が短い時間間隔においてホスト・コンピュータに送信され、そこでそれらが記憶され、それ以降の解析のために処理されるようにすることができる。
【００５２】
本発明の他の実施形態においては、ディジタル信号処理手段を図４に示されているように設計することができる。最初、パルス・シーケンス・ジェネレータ４５０がパルス周期カウンタをパルス周期バッファ４４０に送信し、さらに、一般化されたシーケンスを定義しているディジタル信号をＤＡ変換器４６０に送信する。結果のアナログ・パルスはアナログ・低域フィルタ４７０を通過して光源に送信され、これらのパルスに基づいて光源がそれ以降で試験サンプルを照明する。その照明に起因して試験サンプルから放出された放射線の収集および検出時に、光子放射検出の結果として光検出器によって生成されたパルスがアナログ低域フィルタ（ＬＰＦ）４００に送信され、ＬＰＦはそのフィルタリングされた情報をＡＤ変換器（ＡＤＣ）４１０に送信する。アナログＬＰＦは、例えば、１０ｋＨｚを超える周波数を抑圧し、それによりアンチ・エイリアシングを提供することができる。このディジタル化された情報が、狭帯域有限インパルス応答（ＦＩＲ）フィルタ４２０のバンクに送信され、各フィルタはパルス・シーケンス・スペクトル（入力信号パルス）におけるラインの１つに整合されている。これはシステム内の外部ノイズ上で信号を識別するためにパルスのスペクトルを整合させるための手段（整合フィルタリング）を提供する。フィルタ入力信号相関の合計４３０は、パルス周期バッファ４４０および４８０を通してピーク検出器に送信され、測定された平均光は、次に、ＤＳＰの制御ロジック５００に送信される。制御ロジック５００はディジタル信号処理（ＤＳＰ）手段のスケジューリングの制御および構成の制御を実行するための手段を提供する。平均化された測定された光信号は次に、例えば、ＲＳ２３２シリアル・ポート５１０を経由してパーソナル・コンピュータ上のコンピューティング装置に送信されて、使用可能な、そして提示可能なフォーマットに編成される。例えば、収集された情報のグラフィカル表示を発生する。
【００５３】
本発明の１つの実施形態においては、ＤＳＰ手段の機能はアラームの設定を確立する機能をさらに備えることができ、１つのアラーム設定の作動時に１つまたはそれ以上のアクションが取られる。例えば、ＤＳＰ手段は処理されたデータについての統計的解析を絶えず相関付けて実行することができ、受信光における所定のレベルの変化があったとき、ＤＳＰ手段はそのアラーム設定を作動する。アラーム設定の作動の結果、その光学システムを監視している人員に警告のランプまたは雑音の形式でメッセージを送信することができる。１つの実施形態においては、試験サンプルは流れている流体のサンプルであり、アラーム設定の作動の結果として、弁を使用して流体を流れから収集用コンテナへ、例えば、流体の流れから流体のサンプルを抽出したことを示す。次にこの流体のサンプルを、例えば、実験室においてその内容を評価するために詳細な解析を受けるようにすることができる。流れている流体の監視の例においては、アラーム設定の組込みによって、光の照明に対するその流体の反応の特定のレベルの変化の検出時に流体のサンプリングによって流体の内容における大幅な変化を捕捉することができる。この手順によって周期的な、時間ベースの流体のサンプリングとは違って流体の内容における変化の評価を改善することができる。
【００５４】
先進の信号処理技術を利用することによって、普通には検出されない光の反射および蛍光エミッションを検出することができる。
【００５５】
さらに、信号処理アルゴリズムを標準ディジタル信号処理チップ内に実装し、この技術に基づいたデバイスの総合コストを比較的低くすることができる。
【００５６】
ＤＳＰ手段をコンピュータ内に設置できる回路基板の形式でコンピュータ・システム内に組み込むことができる。その場合、コンピュータは整合フィルタリングの後、受信情報を、例えば、システムのオペレータによって解釈しやすいフォーマットに操作して編成するための手段を提供することができる。他の方法としては、ＤＳＰはスタンドアロン型ハードウェアを備えることができ、ＤＳＰが独立に機能するための手段を提供することができる。
【００５７】
スタンドアロン型ＤＳＰシステム
本発明の１つの実施形態においては、ディジタル信号処理手段はそのサブシステムと一緒にスタンドアロン型の構成に設計されている。このタイプのスタンドアロン型の構成においては、グローバルな通信システム、例えば、インターネットと相互接続する機能、あるいはローカル・エリア・ネットワーク（ＬＡＮ）でのネットワーキングのための機能をさらに含むことができる。通信ネットワークとのこのタイプの相互接続によって、中央局による複数の試験サイトからの情報の収集が可能となり、それによりこの試験データの収集のために必要な人員が削減される可能性がある。
【００５８】
当業者であれば周知のように、光学システムからの情報が送信される通信システム（ＬＡＮ、ＷＡＮ、インターネット）および、その情報のために必要なセキュリティの所望するレベルに依存して、そのデータの暗号化レベルの変更が必要になる場合がある。
【００５９】
この実施形態においては、スタンドアロン型ＤＳＰは、送信機および受信機のブロックと、マイクロコントローラ・ブロック（ＭＣＵ）と、ネットワーキング・ブロックと、ディジタルおよびアナログ電源ブロックとを備える。
【００６０】
この実施形態においては、ＤＳＰブロックは、ディジタル信号処理チップと追加の外部スタティック・ランダム・アクセス・メモリ（ＳＲＡＭ）とを備える。ＤＳＰブロックは光検出器から転送されるスペクトル・データの高速リアルタイム処理のための計算アルゴリズムを実行する。また、このブロックは光子エネルギー源を変調することができる信号も発生し、必要であればこの変調信号を複数の光子エネルギー源に多重化することができる。しかし、２つ以上あった場合の各検出器は、受信光に関連している情報の伝送のためにＤＳＰブロック内に別のチャネルを有している。さらに、ＤＳＰブロックは照明放射を機械的にパルス化する光学装置、例えば、チョッパを制御することができる。当業者であれば周知のように、ＤＳＰチップの必要な処理速度は、例えば、処理される入力データの量および周波数の評価値によって決定することができる。この方法で、チップの処理速度、例えば、ＤＳＰが動作する４０Ｈｚ、６０Ｈｚなどのヘルツ数に基づいて適切なチップを決定することができる。
【００６１】
この実施形態によれば、送信機および受信機のブロックは、ＡＤ変換器（ＡＤＣ）、ＤＡ変換器（ＤＡＣ）および低域フィルタを備え、これらのフィルタによって受信信号のアンチエイリアシングを行うことができる。光学システムに対する光子エネルギー源として発光ダイオード（ＬＥＤ）またはレーザ・ダイオードが使用される場合、このブロックはマルチプレクサおよび大電流増幅器をさらに備える。マルチプレクサによって複数の光子エネルギー源の作動のための信号を独立に送ることができ、大電流増幅器はこれらの光子エネルギー源を作動するために、それぞれの最大スペクトル・パワー出力が得られるように十分なエネルギーを提供するための手段を提供する。
【００６２】
スタンドアロン型ＤＳＰ手段のネットワーキング・ブロックは、例えば、ネットワーキング・カードと、イーサネット（登録商標）・チップまたは無線ネットワーク・チップとを備え、ネットワーク・チップによってスタンドアロン型ＤＳＰシステムを通信ネットワーク、例えば、ローカル・エリア・ネットワーク（ＬＡＮ）、広域ネットワーク（ＷＡＮ）または無線ネットワーク（例えば、ブルートゥース（Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ）（商標）またはＩＥＥＥ８０２．１１）に相互接続することができる。当業者であれば、所望のネットワーク接続のために必要なチップまたはカードのフォーマットおよびタイプを理解することができるだろう。さらに、ネットワーク・ブロックはシリアル・インタフェース・チップ、例えば、ＲＳ−２３２ポートをさらに備え、それは別の構成要素またはシステム、例えば、コンピュータまたはシリアル・モデム、例えば、ダイヤルアップまたは無線タイプのモデムまたは単色分光器に対するシリアル・コネクタにシリアル・インタフェースを提供することができる。
【００６３】
さらに、このスタンドアロン型の実施形態においては、マイクロ・コントローラ・ユニット（ＭＣＵ）ブロックはＭＣＵチップ（例えば、８ビット、１６ビットまたは３２ビットのチップであってもよい）と、外部ＳＲＡＭおよび外部ＦＬＡＳＨユニットとを備える。ＭＣＵブロックはＤＳＰブロックおよびネットワーキング・ブロックを管理し、ＤＳＰブロックから処理されたデータを収集し、この情報をネットワーキング・ブロックに転送する。照明放射および受信光をフィルタおよび／またはフォーカスする光学装置、例えば、光フィルタまたは単色分光器はＭＣＵブロックによって制御することができる。ＭＣＵブロックはさらにデータについての統計解析を実行することができ、アラーム設定を作動することができる。例えば、アラーム設定は試験サンプルの蛍光のレベルが所定のレベルを超えた場合に作動することができ、このアラームの作動はより詳細な解析のためのサンプルの収集または、アラームの作動についての人員への通知を含むことができる。ＤＳＰブロックに対するソフトウェアの更新が必要な場合、例えば、整合フィルタリング手順の修正の場合、ＭＣＵブロックは、例えば、ＤＳＰコードのリモート・ソフトウェア更新を管理することができる。ＭＣＵブロックに組み込まれるＭＣＵチップのタイプは、当業者であれば周知のように、例えば、処理される情報の量に依存して変化する場合がある。
【００６４】
スタンドアロン型ＤＳＰシステムのディジタルおよびアナログ電源ブロックは、そのスタンドアロン型ＤＳＰシステムの構成要素からの要求に基づいて各種のレベルにおいて調整されたＤＣ電力を提供することができる。１つの例においては、このスタンドアロン型システムに対する入力電力を、例えば、コンセントなどの調整されていない、あるいは変動する電源から供給することができる。ディジタルおよびアナログ電源ブロックは、入力電力を調整し、その後、スタンドアロン型ＤＳＰシステムの各構成要素に対する必要なレベルのアナログおよびディジタル電圧を発生することができる要素を含む。例として、入力電力を調整することができる要素は、変圧器、ＡＣ−ＤＣ変換器または当業者であれば周知のような他の任意の電源調整要素を含む。
【００６５】
試験サンプルのハウジング
オプションとして、この光学システムは、サンプルの照明とサンプルの結果のエミッションの検出を実行することができるように、試験サンプルを配向するための手段を提供する試験サンプル・ハウジングを備える。例えば、顕微鏡で使用されるように、試験サンプルのハウジングは試験サンプルを固定するためのカバー・スリップおよびガラス板を備えることができ、一組のクリップを使用して試験時にこのガラス板およびカバー・スリップの向きを調整してその動きを保持することができる。
【００６６】
試験サンプルが流れている流体である本発明の１つの実施形態においては、試験サンプルのハウジングは、その流体の流れ内に挿入されて適切に配向されている管であってもよく、このハウジングはその中で光学プローブの向きが調整されるための手段を提供する。このサンプル・ハウジングは、流体の流れに及ぼす影響を最小化し、それにより流体の照明に対する検出された応答に及ぼすその影響を少なくすることができるように設計することができる。試験サンプル・ハウジングのサイズ、特にその断面積は、ハウジングの表面が光検出器の視野の外側にあるように設計することができる。この方法でハウジングからの反射の検出を最小化することができる。応答の試験サンプル・ハウジングの影響をさらに減らすようにするために、ハウジングの表面は非反射型の光吸収材料を使用するか、あるいはその材料でペイントして作ることができる。さらに、この実施形態においては、必要な場合に光学プローブを清掃のために取り除くことができ、その後、同じ向きに配置されるように試験サンプルのハウジングを作ることができる。試験サンプル・ハウジング内に光学プローブを再配置する時の位置合わせを容易化するために、ある形式のインデキシング（ｉｎｄｅｘｉｎｇ）を使用することができる。
【００６７】
考察
１つの実施形態においては、光学システムの要件は、１）２５０ｎｍから８００ｎｍまでの範囲にわたる光学的スペクトルを分解できること、２）そのスペクトル分解能は５ｎｍ程度より良いこと、３）それは照明側およびエミッション側のユニットの両方に対して浮遊光の抑圧が１０−５またはそれより良いことである。さらに、スペクトル分解能が５〜１０ｎｍであることによって、蛍光のピークの程良いサンプリングを行うことができ、それは３０〜５０ｎｍ程度であるように見える。しかし、いくつかの用途においては、より細かい分解能が有用である場合がある。必要な浮遊光抑制係数は検出したい受信光の面積がどの程度小さいかによって変わる。浮遊光がそのシステムに対する光学ノイズ・フロアを実質的に決定し、光学的検出可能性の限界を設定する。
【００６８】
照明波長の選定においてバランスされるべきファクタは、問題の領域または試験サンプルに対する総合的な走査時間およびその走査の分解能である。照明光および受信光のスペクトルを掃引するために必要な合計のステップ数Ｎは下式で表される。
Ｎ＝ｎｉ・ｎｄ／２
ここで、
ｎｉ＝照明用単色分光器のためのステップ数
ｎｄ＝受信光用単色分光器のためのステップ数
である。
【００６９】
係数１／２は対角の１つの側だけにおける項の他に、問題の照明光／受信光の行列の対角項だけを決定する。さらに、Ｎは△λ／２に比例し、ここで、△λは単色分光器のスペクトル分解能である。走査時間がＮに比例しているので、△λと走査時間との間にトレードオフがある。
【００７０】
弱信号検出
１つの実施形態においては、トーン符号化法が、その基本的な単純性およびその複雑性に対して程良い程度のノイズ抑制を発生することのために、信号の符号化のために使用される。この実施形態においては、主要な考察は１つの測定値を採取するために必要な時間の量である。これは、１）本質的に必要なサンプル数をサンプル・レートで割った値である周波数領域の変換のためのサンプルを取得するために必要な時間の量、および２）本質的にフィルタの帯域幅の逆数である帯域フィルタ技術の場合におけるフィルタの帯域幅によって決定される。
【００７１】
電気信号の帯域幅についてのトレードオフは観察時間対ノイズである。帯域幅が増加し、観察時間が減少するとき、ノイズのパワーは帯域幅に比例して増加する。ノイズが増加すると検出器の感度が減少する。問題の領域を走査するための合計処理時間は、Ｔ＝Ｎτによって決定することができる。ここで、τは１つの波長における１つの測定のための時間である。観察時間における２つの主要な変数は、光フィルタの帯域幅と電気フィルタの帯域幅である。
【００７２】
下記の仮定を行うことによって、Ｔの粗い一次計算を行うことができる。１）２５０ｎｍから８００ｎｍまでの範囲にわたって光のスペクトルを分解する、２）１０ｎｍの光学的分解能帯域幅を使用する、３）１０Ｈｚの電気帯域フィルタＢＷを使用する。従って、τ＝０．１０秒である。この仮定を使用することによって、走査時間は１５１．２５秒、すなわち、約２．５分となる。
【００７３】
検査される試験サンプルが照明放射にさらされるとき、反応の放射特性の検出がその目標である。一般的に、蛍光は反射光よりずっと弱い。必要なスペクトル分解能は反射された波長と蛍光の波長とを区別できるための光学的分光器システムの機能によって決定される。これは浮遊放射を抑圧する可変アパーチャと一緒にプリズムおよび／または格子単色分光器を使用することによって達成することができる。
【００７４】
光学的シグネチャが十分に分解されるためには、システムは非常に弱い電気信号を検出することができなければならず、それはフォトダイオードによって検出される光学的放射から結果として得られる。究極的にその目標は電気ノイズ、光学的バックグラウンド放射および試験サンプルからの帯域外エミッションに起因する（分光器のスペクトル分解能による）バックグラウンド・ノイズにおいて非常に弱い信号を検出することである。
【００７５】
スペクトルのシグネチャの測定における他の変数は、ａ）試験サンプルの照明の持続時間、ｂ）試験サンプルの第１の表面における照明の振幅、ｃ）ノイズ変数の振幅、ｄ）照明装置における経時的なスペクトル・シフト、およびｅ）試験サンプルの照明が止められた後の試験サンプルによって放出される蛍光の減衰を含む。これらの変数は各種の検出方式の性能を比較するために調べられる必要がある。
【００７６】
本発明の１つの実施形態においては、受信光の適応フィルタリングによって、試験サンプルの照明を止めたときの試験サンプルによって放出される蛍光の強度の減衰を検出することができる。照明の停止は光子エネルギーの伝送の完全な終了、あるいは特定の照明波長の停止である。本発明による装置を使用して試験サンプルによって放出される蛍光の減衰を測定することにより、試験サンプルの識別のための手段を提供することができる。
【００７７】
この状況に適用されるパルス振幅変調技術は照明のオンオフ・キーイングとすることができる。その検出は周囲ノイズの中での信号の存在を検出するための能力に基づいている。信号の検出可能性は信号をノイズから区別するための能力に依存し、一般的に、ノイズより大幅に大きい信号パワー（通常、１０ｄＢより大きい）を必要とする。オンオフ型のキー変調された信号の一例が図５に示されている。このケースにおける信号対雑音比（ＳＮＲ）は０ｄＢであり、信号とノイズから構成されているものから信号のノイズ部分を区別することはできない。
【００７８】
周波数領域の検出機構は一定の周波数変調による信号の周波数変調に基づいた検出手段である。これは、例えば、オンオフ・キーイングなどの時間領域の検出手段よりはるかに有利である。信号およびノイズのＲＭＳ振幅が等しい（ＳＮＲ＝０ｄＢ）場合でも、変調された信号のパワー・スペクトル密度は普通は広帯域ノイズのパワー・スペクトル密度よりずっと大きい。搬送波をノイズからいくつかの手段によって分離することができ、それらは、ａ）ＤＦＴまたはＦＦＴなどのスペクトル測定技術、およびｂ）変調周波数に合わせられたフィルタの中心周波数による狭帯域フィルタリングである。
【００７９】
この一例が図６に示されている。この場合、第１の信号およびノイズのＲＭＳ振幅は等しい（ＳＮＲ＝０ｄＢ）。第１の信号に対してそれぞれ振幅が０．５０および０．１の２つの他の信号が加えられた。時間領域の信号は図５に示されているのと正確に同じように見える。しかし、周波数領域においては、第１および第２の信号に対するスペクトルのピークがはっきりしている。この信号に対するスペクトル・シグネチャはノイズ内に埋まっていて分解することができない。この検出技術は実際には実施するのが比較的簡単であり、光学分光器における使用に適している可能性がある。
【００８０】
パルス符号化技術（バイナリ、線形、エンハンスト）は、検出の代替手段である。パルス符号化技術はノイズ中で非常に弱い信号を検出するためによく使用されている。それらはトーン検出およびパルス振幅検出などの従来の技術より複雑である場合があるが、それらは検出される信号の振幅がノイズに対して弱く、パルス符号化以外に信号対雑音比を増加させるために利用できる手段がない場合に唯一の選択肢となり得る。２つのパルス符号化技術の例は、バイナリ・パルス符号化および線形周波数変調（ＦＭ）符号化である。これらの技術は両方ともパルス圧縮および拡散スペクトルの領域にはいり、それらは多くの参考資料（Ｂａｒｔｏｎ，ＤＫ（１９７８）Ｒａｄａｒｓ Ｖｏｌｕｍｅ ３：Ｐｕｌｓｅ Ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ， Ａｒｔｅｃｈ Ｈｏｕｓｅ Ｉｎｃ．）の中で十分に説明されている。
【００８１】
一例として、バイナリ・パルス符号化は１０００ビットの同期ワードを使用し、それは一様な乱数発生器を使用し、そのデータからバイナリ・シーケンスを構築することによって生成することができる。パルスは時間領域の中の特定の場所において生成され、その相対振幅が測定される。時間領域の相関出力の結果が図７に示されている。振幅プロットにおいて、すべての３つのパルスを検出することができる。第３の、そして最も小さい信号パルスがノイズから区別できる。
【００８２】
線形ＦＭパルス圧縮方式は、大きな検出範囲を依然として達成しながら、送信される信号の総合ピーク・パワーを減らすためにレーダ・システムにおいて従来使用されてきている。また、それらは航空機および宇宙船のイメージング・レーダに対する合成開口レーダ（Ｓｙｎｔｈｅｔｉｃ Ａｐｅｒｔｕｒｅ Ｒａｄａｒ）処理において極めて重要な役割りを演じる。この形式の符号化は持続時間τの間にｆ１からｆ２までキャリヤ信号を線形的に掃引すること（△ｆの掃引帯域幅に対して）によって得られる。一般に、線形ＦＭ符号化信号の「出力パワー」は、時間帯域幅積（ＴＢＰ）△ｆτによって増加され、ＴＢＰは秒単位でのパルスの持続時間とヘルツ単位での掃引される帯域幅との積である。その検出プロセスは、線形ＦＭ送信パルスに整合されている整合フィルタ検出器と本質的に同じである。全体のプロセスが図８に示されている。信号ｓ（ｔ）は、通常、ディラック（Ｄｉｒａｃ）のデルタ関数であり、それは単にエンコーダｈ（ｔ）に対するトリガ・パルスであり、エンコーダは送信される信号Ｕ（τ，△ｆ）を発生し、この信号は持続時間がτで、帯域幅が△ｆである線形ＦＭ符号化パルス（またはチャープ）である。これは試験サンプルを照明するために光エミッタを駆動することになる信号である。ノイズｎ（ｔ）が光学系および電子回路の両方において符号化された信号に追加される。この光信号は光検出器によって検出され、光検出器の電気出力信号は問題の実際の光信号、光学バックグラウンド・ノイズおよび光検出器および電子回路内の電気ノイズから構成されている。次に整合フィルタ検出器が、この電気信号を処理する。問題の光信号は整合フィルタに整合されている信号の３つの成分のうちの１つだけであるので、線形ＦＭパルス符号化に起因して利得を得る唯一の成分である。光学ノイズおよび電気ノイズの成分は、符号化信号に対して本質的に抑圧される。これは上記方式の利点の１つである。線形ＦＭチャープの出力が図９に示されている。上記振幅プロットにおいて、最も大きい２つのパルスだけを検出することができ、第３のパルスは本質的にノイズ内に埋まっている。この例は、線形ＦＭパルス圧縮技術によって提供される符号化の利得を図式的に示している。
【００８３】
エンハンスト・パルス符号化技術は、時間帯域幅積を増加させることによって、より大きな符号化利得を得ることができるという事実を利用している。この技術を使用して、時間領域パルスのうちの最も弱いパルスがちょうど見られた。
【００８４】
ＴＢＰが２００である場合のオリジナル・ケースのプロットが図１０に示されており、ＴＢＰが８００である新しいケースが図１１に示されている。時間帯域幅積が増加することによって、符号化利得が十分に増加し、第３のパルスおよび最も弱いパルスがノイズ・フロア上で見られるようになっている。符号化利得は２３．０ｄＢから２９．０ｄＢへ増加し、すなわち、６．０ｄＢの総合的増加が見られた。両方のプロットにおいて、パワーはサンプル１００におけるピークに正規化されている。ＴＢＰが２００から８００になると明らかにノイズ・フロアが降下している。
【００８５】
この点をさらに強調するために、ＴＢＰが２２５０の場合に対するプロットが図１２に示されている。この高い時間帯域幅積の検出方式を他の符号化技術と比較するために、検出器の振幅がプロットされている時間領域の大きさのプロットが図１３に示されている。ノイズ振幅は√２２５０、すなわち約４７．４だけ抑制されているはずである。パルス１のピーク振幅は２５０５であり、パルス２の場合は１２５２であり、パルス３は２５０である。ノイズ振幅はピーク１に対する信号の場合と同じであった。従って、ノイズ振幅は約５２のレベルにまで抑圧されるはずである。図１３から分かるように、これはほぼそのケースである。高いレベルのノイズ抑圧が達成されたために、パルス３に対する信号はノイズ・バックグラウンドに対してかなりよく見えている。これはパルス３が見えていない図９におけるＴＢＰ＝３７５のケースがパルス３が見えている図１３におけるＴＢＰ＝２２５０のケースと比較すると、容易に明らかである。
【００８６】
より高い時間帯域幅積を使用してより高い符号化利得を達成することができるが、これは信号符号化を達成するために使用される手段に依存して制限される可能性がある。機械的チョッパは、チョッパ・ホイール上に線形ＦＭ符号を複製するための能力によって制限され、一方、音響光学変調器はずっと高いＴＢＰを得ることができるが、より高い費用がかかる。
【００８７】
走査方法
手動走査の場合、プローブは解析される表面を横切って手動で動かされ、観察されている直下の領域だけを解析する。スペクトル特性は空間の中の固定点（ｘ０，ｙ０）において観察される。従って、各点（ｘ０，ｙ０）に対するスペクトル応答の一次元のプロットが得られる。このモードの動作は、蛍光を発生する物質が観察される媒体全体にわたって拡散的に分布されている場合、あるいは局所化された解析が必要である場合に有用である。
【００８８】
二次元走査の場合、チャンバを通る流体の流れ、およびスペクトル応答が時刻（ｔ，λ）において各点に対して得られる。このモードの動作は、蛍光を発生する物質が地方都市の水道システムなどの開システムまたは、流体処理のための閉システムなどのように周期的である場合に有用である。
【００８９】
三次元走査の場合、閉ループ・フィードバック制御に対して定量的および定性的データを得ることができ、主題の物質における物理的および光学的特性の検出が得られる。プローブが二次元表面を横切って走査されるにつれて、スペクトル応答が各点（ｘｉ，ｙｉ，ｚｉ，λ）に対して得られる。
【００９０】
本明細書で説明してきた本発明をより良く理解してもらうために、以下の例を示す。これらの例は、例示としての目的だけのためであることを理解されたい。従って、それらはいずれにしても本発明の範囲を制限するものではない。
【００９１】
（例）
例Ｉ：流体のサンプルを解析するための光学システム
本発明の１つの実施形態においては、流体のサンプルの解析を実行するために、例えば、流れている水のサンプルにおける濁度および／またはバイオスマスを検出するために光学システムを設計することができる。本発明のこの形式は、例えば、石油のサンプルの解析に対しても使用することができる。この光学システムの実施形態においては、試験サンプルのスペクトル特性における変化が検出され、評価される。
【００９２】
この目的のために使用される本発明のシステムのある実施形態が図１６に示されている。この例は、水の解析に向けられているが、他の流体の解析に対しても同様に等しく使用することができる。上記光学システムは、ディジタル信号プロセッサ６００と、ＬＥＤ制御システム６１０と、照明システム６２０と、光学プローブ７００が置かれるサンプル・チャンバまたは水の流れ６３０と、検出器光学系６４０と、光検出器６５０と、光検出器電子回路６６０と、ＤＳＰ６００が接続されているネットワーク６７０とを備える。流れている水の中に挿入することができる光学プローブ７００は、照明システム６２０と検出器光学系６４０の両方を備え、それらを整列させて水のサンプルによってその照明時に放出される放射の検出を最大化することができる。
【００９３】
ディジタル信号プロセッサ６００は、一緒に統合化されたソフトウェアおよびハードウェアを備え、信号処理、データ処理、制御ロジックを使用することによるシステム制御、および外部ネットワーク、例えば、インターネットまたはローカル・エリア・ネットワーク（ＬＡＮ）との通信を実行することができる。ＤＳＰによって実行される信号処理は、照明信号（放射線）を符号化することができる信号発生器の動作を含む。さらに、ＤＳＰによって可能となる信号処理は、光信号（水のサンプルによって放出された検出された放射）のＦＩＲ整合フィルタリングおよび相関フィルタリングを含む。ＤＳＰによって実行されるデータ処理は収集されるデータの収集、処理および解析を含むことができる。そのデータの統計的解析もＤＳＰによって実行することができ、例えば、検出された特定のレベルの放射の戻り周期を決定することができる。サンプル・チャンバ内に水の流れからのサンプルを引き出すための弁の制御およびＬＥＤの作動を制御するＬＥＤスイッチの制御は、両方ともＤＳＰ内に組み込まれている制御ロジックによって提供される。制御ロジックは、光学プローブ上に収集されて成長する可能性のある生物学的な付着物を取り除くために使用することができる光学ワイパをさらに制御することができる。光学ワイパを含めることによって、クリーニングのためにサンプル・チャンバまたは水の流れからプローブを取り除く回数を減らすことができる。ＤＳＰは、さらに、通信システムを備え、それによりネットワークと接続することができ、それによりデータ検索のためにテスト・サイトに人員が行く必要なしに、他のサイトに収集された情報を送信することができる。この実施形態においては、この通信は生成されるイーサネット（登録商標）・リンクを可能にするソフトウェアおよびハードウェアによって提供される。
【００９４】
ＬＥＤ制御６１０は、ＬＥＤスイッチおよび大電流増幅器を含み、ＬＥＤスイッチは所望のＬＥＤを作動し、大電流増幅器は利用できる電源を所望の強度レベルに対してＬＥＤを作動するのに合ったレベルに変換する。
【００９５】
光学プローブ７００は、照明システム６２０と検出器光学系６４０との両方を備え、このプローブを水の流れの中に直接挿入するか、あるいは水の流れから抽出された水を含んでいるサンプル・チャンバ内に挿入することができる。プローブが動いている水の流れの中に挿入される場合、そのプローブの形状は水の流れの乱れを最小にするように設計される必要がある。照明システムは、ＬＥＤアレイと、そのＬＥＤアレイによって発生される光子放射をフォーカスするためのＬＥＤ光学系とを備える。ＬＥＤアレイは単独のダイオードであってもよく、あるいはダイオードの集合であってもよく、それにより所定の帯域の波長をカバーすることができる。１つの実施形態においては、緑および青の発光ダイオードが光学システム内で使用される。検出器光学系は、水のサンプルによって放出される放射を収集するためのレンズを、検出された放射を電子信号に変換するための光検出器６５０によって検出される前に収集された放射を、前フィルタリングするための光学帯域フィルタの他に備える。
【００９６】
光検出器の電子回路６６０はＤＳＰによるその処理の前に収集された情報を前フィルタリングするフィルタの集合を備え、例えば、水のサンプルの照明に関連している収集された情報の整合フィルタリングを備える。
【００９７】
本発明のこの実施形態においては、ＤＳＰはスタンドアロン型システムであって、それは内部電源、またはＤＳＰを標準交流電源、例えば、コンセントに相互接続するための電力変換器を含むことができる。さらに、このスタンドアロン型システムによって、この光学システムを複数のサイトに配置することができる。例えば、水道システム内の各種の場所に配備することができる。通信ネットワーク、例えば、インターネットまたはローカル・エリア・ネットワークに対する光学システムのこの収集の相互接続を通じて、これらの光学システムによって収集されて処理される情報を、人員が各試験サイトを訪問してその情報を収集する必要なしに、中央サイトに送信することができる。このタイプのシステムは、水道システムを効率的に、そしてコスト効率良く評価するための手段を提供することができる。
【００９８】
この光学システムは、反射および蛍光を検出することができ、反射は水のサンプルの濁度を示し、蛍光はその水のサンプル内に含まれている生物学的物質を示す。生物学的物質はその照明時に蛍光を発し、その蛍光の強度を検出することによって、水道システム内の生物学的物質のレベルを決定することができることは、当業者なら周知である。この光学システムの実施形態は水の流れの中の反射および蛍光における変化を評価し、それにより特定の関連があり得る状況を識別できる可能性がある。この方法で、水の流れの光学的シグネチャにおける変化の特定のレベルの検出時に、ＤＳＰはサンプリング手順を作動し、研究室での解析のために水の流れのサンプルを収集することができる。このタイプのほとんど一定の試験および選択的な研究室の解析によって、水道システムを監視するコストが削減できる可能性があり、潜在的な問題の識別を増加させることができる。
【００９９】
例えば、図１７は、この光学システムによって収集されるような一日のコースで収集される濁度の読みをグラフィック形式で示す。図１８は、これも一日のコースで光学システムによって検出されるバイオマスの読みを示す。
【０１００】
例ＩＩ：整合フィルタ受信機を組み込んだ分光器
１つの実施形態が図１４に示されており、上記分光器は、光源、例えば、少数の離散スペクトル線による６０００°Ｋの黒体の場合にほぼ等しい発光スペクトルを有する小型キセノン管を備える。光は集光され、チョッパ・ホイールによって変調される。チョッパ・ホイールは、照明用単色分光器に入って来る光に対する５００Ｈｚのオンオフ変調を提供する。ＣＰＵの制御下で動作している照明用単色分光器は、２５０ｎｍから８００ｎｍまでの照明波長を１０ｎｍのステップで掃引する。この照明が問題の領域上にフォーカスされる。ＣＰＵの制御下で動作している受信光用単色分光器は、２５０ｎｍから８００ｎｍまでの受信光の波長を１０ｎｍのステップで掃引する。それは、すべての照明波長サンプルλｉに対して、λｉより大きいか、またはそれに等しい波長の範囲上で掃引するように制御される。光検出器としてＧａＡｓフォトダイオードが使用され、そのフォトダイオードからの信号が低雑音増幅器（ＬＮＡ）によって増幅される。ＬＮＡの出力は、アナログ・フィルタを使用してフィルタリングするか、あるいはＡＤ変換器（ＡＤＣ）を使用してディジタル化し、ＩＩＲまたはＦＩＲディジタル・フィルタを使用してディジタル的に処理することができる。検出器の出力はλｉおよびλｅごとに記録され、図５に示されているように表示のためにプロットすることができる。
【０１０１】
扱われる１つの重要な問題はシステムの振幅対波長の校正である。何故なら、キセノン光はスペクトル的に平坦でないからである。これは光波長の意味でスペクトル的に平坦である標準の拡散反射源を使用して行うことができる。その校正係数を収集されたデータに適用し、照明源のスペクトル・カラーリングをデータから取り除くことができる。このプロセスは本質的にデータのスペクトル的等化である。
【０１０２】
データが等化されると、それを、例えば、コントゥワー・プロット（ｃｏｎｔｏｕｒ ｐｌｏｔ）、表面プロットなどのいくつかの方法で表示し、照明／エミッションのスペクトルを容易に視覚化することができる。これは、例えば、固定された波長の場所におけるいくつかの応答の最も強いスペクトル・ピークに対するある正規化を必要とする可能性がある。これは実験的に決定されなければならない。表面タイプのプロットの一例が図１５に示されている。
【０１０３】
例ＩＩＩ
本発明の１つの実施形態は光学システムを備え、該システムは、ａ）３８０から５００ナノメートルまでの範囲の放射帯域幅を放出するための、ディジタル信号処理手段によって制御される照明光源としての発光ダイオード（ＬＥＤ）と、ｂ）照明装置から光を受信するため、およびＮ番目の波長をパルス・シーケンスで送出するための、ディジタル信号処理手段によって制御されるステッパー・モータ制御型の照明用格子単色分光器と、ｃ）Ｎ番目の波長を対象の領域に送出する集光およびフォーカシングの要素を備えた単色分光器に結合される光ファイバ・プローブとを備える。この光学プローブは、照明用光学系を検出用光学系について互いに一定の角度にあるように配向するアセンブリ内に置かれている。システムは、さらに、ｄ）Ｎ番目の波長の結果の放射を収集し、集光レンズおよび制御されるステッパー・モータに結合されるファイバを経由してその情報を検出用格子単色分光器に送出するための収集手段と、ｅ）ＧａＡｓ集積化フォトダイオードおよび増幅器などの光検出器とを備える。ステッパー・モータ制御型の格子単色分光器（照明用および検出用単色分光器の両方）がディジタル信号処理手段によって制御され、特定の時刻においてＮ番目の波長の反応特性を渡すためのタスクを実行する。
【０１０４】
通常、ＧａＡｓ集積化フォトダイオードおよび増幅器は同じチップ上のフォトダイオードおよび変換インピーダンス増幅器から構成されている材料電子部品から構成されている。これがディジタル信号処理手段によってサンプルされ、特定の時刻における放射が感知される。光検出器としてフォトダイオードが使用され、フォトダイオードからの信号が低雑音増幅器（ＬＮＡ）によって増幅される。ＬＮＡの出力は、信号を指定の範囲にまで増幅する演算増幅器で光検出器からの信号を調整するためにアナログ・フィルタを使用してフィルタリングされ、ＡＤ変換器（ＡＤＣ）を使用してディジタル化され、相関受信機を使用して時間／帯域幅積を測定できるようにＦＩＲディジタル・フィルタおよびディジタル信号符号化ソフトウェア技術を使用してディジタル的に処理さる。
【０１０５】
このシステムはＤＳＰＳ装置をさらに備え、そこで照明変調符号化信号がパルス圧縮のための３２ビット線形ＦＭパルス符号化技術を使用して生成され、その検出パルスの符号化は整合型相関受信機によって時間帯域幅積を分解しており、特定の振幅の照射の検出によって、ＤＳＰＳが特定のルーチンを実行し、照明の波長の限界に依存して、この場合、蛍光における特定の信号応答特性に対して試験するようプロンプトし、反射を測定することができる。単色分光器の格子は可視スペクトルを通して動作することができ、他の波長に対してＵＶまたはＩＲに置き換えることができ、データのピークおよびそれぞれのルールをベースとする重み付けられた関連を認識するソフトウェアなどのディジタル信号処理技術によって、照明および検出用の単色分光器を制御することができる。
【０１０６】
例ＩＶ
本発明の１つの実施形態においては、変調技術を含めて走査の波長（照明放射）を制御するための機能を備えるように光学システムを設計することができる。このタイプの光学システムは、研究および診断などの用途に対して必要な場合がある最大の光学的柔軟性を提供することができる。
【０１０７】
このシナリオのために設計された光学システムのある実施形態は、光学的エミッション処理手段の周波数の直接変調のための同期パルスを生成するためのパルス符号ソフトウェアと、信号相関整合フィルタを組み込んでいる受信信号処理手段とを備えるエミッタ制御電子回路を有するコンピューティング装置内に統合化されているディジタル信号処理手段と、光子エネルギー源を提供しているフラッシュランプと、照明放射を変調するための周波数変調器回路と、屈折または拡散の光学システムを組み込んでいて、それにより光学的中心波長がエミッタ光学システムの固定光調整用光学系を移動するために位置コントローラを使用することによって選定される周波数変調回路とを組み込んでいる光学的エミッション処理手段と、屈折または拡散の光学システムを組み込んでいて、それにより光学的中心波長が検出器の光学システムの固定光調整光学系を動かすために位置コントローラを使用することによって選定される受信光の光学的処理手段と、光検出器として働くシリコンＡＰＤ光検出器とを備える。
【０１０８】
この実施形態においては、フラッシュランプのための放出されたスペクトルの補正は、それを例ＩＩのような標準の拡散反射源と単純に比較すること以上の機能が要求される場合がある。ピーク・エミッションの非常に細かい特定の波長は、正確な信号対雑音比の正規化を維持するために、アパーチャおよび検出器システムの調整を必要とする可能性がある。これらの調整は理想的に自動的に行われ、正規化プロセスにおけるデータ変数として記録される。これは特に、サンプルの吸収および反射がピークのエミッタ波長において非常に変わり易い場合である。非ピーク波長において、最大の蛍光検出のために設定されるシステムは、ピーク波長による応答によって容易に過飽和となる場合がある。
【０１０９】
例Ｖ
本発明の１つの実施形態においては、既知の波長の光による試験サンプルの照明からの結果として生じる放射の感度を最大化するために、光学システムを設計することができる。このタイプの光学システムは蛍光の解析に対して有用である場合がある、特にスペクトルのプローブが問題の対象物に付加され、蛍光、吸収または反射の特定の波長の検出が測定できるような既知のスペクトル特性を有する場合に有用である。
【０１１０】
このシナリオに対して設計された光学システムのある実施形態は、光学的エミッション処理手段の周波数の直接変調のための同期パルスを生成するためのパルス符号ソフトウェアおよび、信号相関整合フィルタを組み込んでいる受信信号処理手段を備える、エミッタ制御電子回路と一緒にコンピューティング装置内に統合化されているディジタル信号処理手段と、光子エネルギー源を提供しているレーザと、音響光学スキャナおよび固定型エミッタ光学システムを組み込んでいる光学的エミッション処理手段と、固定型光調整光学系を組み込んでいる受信光の光学的処理手段と、光検出器として働く光電子増倍管とを備える。システムのこの実施形態は、試験サンプルまたは対象の物質内での生物学的分子からの特定の蛍光応答を直接感知するために使用することができる。
【０１１１】
例ＶＩ
本発明の他の実施形態においては、例えば、水の濁度などの粒子測定を含む蛍光測定または反射測定の最低コストの用途において使用することができる光学システムがある。この例においては、試験サンプルを特定の波長の光で照明し、同じ、または異なる波長の反射、または反射された波長帯域、または流体の中の粒子の刺激によって放出された波長帯域を検出することができるように光学装置を設計することができる。
【０１１２】
このタイプの装置に関連する光学システムのある実施形態は、光学的エミッション処理手段の振幅の直接変調のための同期パルスを生成するためのパルス符号ソフトウェアと、信号相関整合フィルタを備える受信信号処理手段とを備えるエミッタ制御電子回路を有するスタンドアロン型ディジタル信号処理手段と、光子エネルギー源として働く発光ダイオード（ＬＥＤ）と、振幅変調器回路および固定型光調整用エミッタ光学システムとを備える光学的エミッション処理手段と、固定型光調整検出器の光学システムと光検出器として働くシリコン・フォトダイオードとを組み込んでいる受信光の光学的処理手段とを含む。
【０１１３】
この実施形態においては、上記光学システムは、流体の中に直接放出し、検出器がその流体内から光を受信する。これは光ファイバの手段によって、あるいはその光学システムを対象とする流体の中に直接挿入することによって実現される。このタイプの手順は表面境界層の反射効果を減らし、それによりその光学システムの信号対雑音特性を改善する可能性がある。
【０１１４】
本発明の実施形態の上記説明から、その同じものを多くの方法で変化させることができることは明白である。そのような変形例は本発明の精神および範囲から逸脱するものとしてみなされるべきではなく、そのような変更はすべて特許請求の範囲に含まれることが意図されていることは当業者には明白である。
【図面の簡単な説明】
【０１１５】
【図１】本発明の１つの実施形態に対応する光学システムの構成要素の概略図である。
【図２】本発明のもう１つの実施形態による光学システムの概略図である。
【図３】整合フィルタ受信器を組み込んだ本発明の他の実施形態による走査型分光計システムの概略図である。
【図４】ディジタル信号処理手段の光パルス処理システムの概略図である。
【図５】パルス振幅変調検出を使用した、信号対雑音比が０ｄＢであるオンオフ・キーイング信号を示す。
【図６】周波数領域の検出を使用した信号検出を示す。
【図７】バイナリ・パルス符号化信号検出からの時間領域相関出力の結果を示す。
【図８】パルス符号化チャネル・モデルの概略表現である。
【図９】線形ＦＭチャープを使用した検出器出力を示し、検出器出力は１２５ミリ秒幅の直角関数であり、５００Ｈｚから３５００Ｈｚまで走査され、８０００サンプル／秒でサンプルされている。
【図１０】線形ＦＭパルス符号化技術の使用を示し、ここで、パルス幅は０．１２５秒であり、帯域幅は２００の時間帯域幅積（ＴＢＰ）に対して１６００Ｈｚであった。上記検出器の対数目盛りはＰ＝２０×ｌｏｇ ｓとして計算されたものであり、ここで、ｓは整合フィルタの時間領域出力である。
【図１１】８００のＴＢＰに対する図１０に示すような線形ＦＭパルス符号化技術の使用を示す。
【図１２】２２５０のＴＢＰに対する図１０に示すような線形ＦＭパルス符号化技術の使用を示す。
【図１３】２２５０のＴＢＰのケースに対する時間領域のプロットであり、ここで、検出器の振幅がプロットされている。
【図１４】整合フィルタ受信機を組み込んだ分光計の概略表現である。
【図１５】図１４の分光計からλｉおよびλｅに対して記録され、表示のためにプロットされた検出器出力を示す。
【図１６】本発明の１つの実施形態による、水の品質の試験のために使用することができる光学システムを示す。
【図１７】図１６に示す光学システムを使用して得られた水の試験サイトに対する濁度の読みのプロットである。
【図１８】図１６に示す光学システムを使用して得られた水の試験サイトに対するバイオマスの読みのプロットである。
【０００１】
本発明は、光検出器の分野に関し、特に分光計に関する。
【背景技術】
【０００２】
試験サンプルのスペクトル特性を検出するために使用される分光光度計または分光計がいくつかある。例えば、米国特許第４，３３０，２０７号は、光源と、サンプルを化学線として照明するために光源からの光を分光分析の対象とする励起側の単色分光器と、サンプルからの蛍光線を分光分析の対象とする蛍光側の単色分光器と、蛍光側の単色分光器からの光を検出する検出器と、走査される化学線と蛍光線の波長に対して両方の単色分光器を調整する走査手段とを備える蛍光分光光度計を開示している。これらの単色分光器は、それらのうちの１つが簡単で自動的な波長走査の操作を通じてそれ自身によって検出されるピーク波長値の位置に自動的に設定され、他の単色分光器は、励起スペクトルまたは蛍光スペクトル測定のために波長走査されるように配置されている。この装置はある範囲の波長の光放射を検出し、ピーク値が高い波長をメモリ手段に保存するように設計されている。
【０００３】
さらに、米国特許第５，１９４，９１６号に、測定されるサンプル上に励起単色光を照射するための励起単色光発生手段と、サンプルから放射される蛍光線から単色光を選択するためのエミッション用単色分光器と、エミッション用単色分光器によって選択された単色光の強度に対応する一次出力信号を発生するためのエミッション光度計と、応答値により特性化された、一次出力からノイズを消去するため、および二次出力を発生するためのフィルタリング手段と、二次出力に基づいてサンプルの内容を決定するための決定手段と、一次出力に基づいてフィルタリング手段の応答値を設定するための応答設定手段とを備える蛍光分光光度計が記述されている。一次信号の強度データおよび対応する応答値を含む表があり、それらはあらかじめ実験によって決定され、ある場合には、この相関は数式によって決定することができる。
【０００４】
光のビームを放出するように動作する光源と、その光のビームを分析されるサンプルに向けるための光学システムと、ビームがサンプルと相互作用した後の光ビームの強度を検出する検出器とを含む分光光度計が、米国特許第６，００２，４７７号に開示されている。その光源は光が放出されない間隔によって隔てられている光のバーストを放出するように動作する。例として、キセノン管をその目的に使用することができる。この分光光度計はビームがサンプルと相互作用した後の光の各バーストによって発生される光ビームの強度を測定する。そのような各光ビームを、サンプルとの相互作用の前に第１および第２の部分に分けることができ、その光学システムは、その第１の部分をサンプルに向け、その第２の部分を、基準測定を行うための第２の検出器に向けるように配置されている。光の各バーストの直前または直後に、暗信号測定を行うことができる。それ故、システム内のノイズを決定する基準信号を有することによって、受信した信号を分離するための手段を提供する。しかし、試験サンプルの走査の時点において基準信号を決定することは、このシステムの機能に対して重要である。何故なら、「ダーク・ノイズ」は非常に短い時間の間に劇的に変化する可能性があるからである。
【０００５】
この背景情報は、本発明に関連すると思われる既知の情報を提供するものである。上記情報のいずれも本発明に対する従来技術ですること意図しておらず、またそのように解釈すべきではない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の１つの目的は、信号整合フィルタリングを組み込んだ分光計を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
１つの態様によれば、本発明は、試験サンプルのスペクトル解析を実行するための光学システムを提供する。上記光学システムは、電磁放射を放出するための、ディジタル信号処理手段によって制御される光子エネルギー源と、光子エネルギー源からの電磁放射を受信し、試験サンプルに１つまたはそれ以上の波長の照明を送るための、ディジタル信号処理手段によって制御される光学的エミッション処理手段と、試験サンプルからの受信電磁放射の１つまたはそれ以上の波長を収集および分離し、受信電磁放射の分離された１つまたはそれ以上の波長を光検出器に送信するための、ディジタル信号処理手段によって制御される受信光の光学的処理手段と、受信電磁放射の分離された１つまたはそれ以上の波長を感知して変換するための光検出器と、光検出器から受信した電気信号の整合フィルタリングを実行するため、および光子エネルギー源、光学的エミッション処理手段および受信光の光学的処理手段の機能を制御するためのディジタル信号処理手段とを備える。
【０００８】
もう１つの態様によれば、本発明は、流体の光学的分析を実行するためのシステムを提供する。上記システムは、電磁放射を放出するための光子エネルギー源と、上記電磁放射を試験サンプルに向けるための光学装置とを含む照明システムを含む光学プローブを備え、上記光学プローブは、試験サンプルによって放出される電磁放射を収集し、光検出器に向けるための検出器光学系をさらに含み、上記光学プローブが流体の流れの中、あるいは流体のサンプルを含むサンプル・チャンバ内に挿入され、上記システムはさらに光子エネルギー源を作動するための制御手段と、試験サンプルによって放出される電磁放射を感知して電気信号に変換するための光検出器と、光検出器から受信した電気信号の整合フィルタリングを実行するためのディジタル信号処理手段とを含み、上記ディジタル信号処理手段は光子エネルギー源の作動および試験サンプルに向けられた電磁放射の符号化をさらに制御する。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
定義
「電子光変調器」という用語は、音響光学変調器、機械的光チョッパ、ホログラムまたは電気的に駆動される光電子装置、または類似の装置を意味する。
【００１０】
「照明光源」という用語は、発光ダイオード（ＬＥＤ）、白熱光、レーザ、ガス放電ランプ、レーザ・ダイオード、アーク・ランプ、Ｘ線源または類似の装置を意味する。
【００１１】
「単色分光器」という用語は、実質的に１つの波長、または少なくともスペクトルの非常に狭い帯域の光を得るために使用される光分散器を意味し、例えば、干渉フィルタ、カットオフ・フィルタ、回折プリズム、回折格子、干渉計、ホログラムまたは類似の装置であってもよい。
【００１２】
「光検出器装置」という用語は、光検出装置または光検出器を意味し、フォトダイオード、光増倍器、電荷結合素子（ＣＣＤ）または類似の装置を含む。
【００１３】
「結果の放射」という用語は、対象物が照明放射を受けているときに結果として生じる反射、透過、吸収された光、および蛍光の光のそれぞれまたはすべてを意味する。
【００１４】
「弱信号検出」という用語は、サンプルからの低強度エミッション放射を測定できるようにするために使用される技術を指す。所与の任意の信号対雑音比に対して、情報を伝達するために使用される帯域幅を増加させることによってその情報の誤り率を下げることができる。信号帯域幅はノイズの多いチャネルにおいて送信する前に拡散され、次に受信時に逆拡散される。このプロセスは結果としていわゆる処理利得と呼ばれるものになる。
【００１５】
「信号拡散」という用語は、線形周波数変調（チャープ変調と呼ばれることがある）および直接シーケンス法などの技術を含む、信号を拡散するいくつかの手段を指す。
【００１６】
「信号逆拡散（ｓｉｇｎａｌ ｄｅｓｐｒｅａｄｉｎｇ）」という用語は、相関受信機または整合フィルタ受信機技術を使用して受信信号を類似のローカル基準信号と相関付けることによって達成されるプロセスを指す。２つの信号が整合している時、その拡散信号は拡散の前にその元の帯域幅に畳み込まれ、一方、整合していない信号はすべてそのローカル基準によって実質的に伝送帯域幅に対して拡散される。次にこのフィルタが所望の信号以外のすべてを拒絶する。それ故、その妨害（例えば、検出システムにおける熱雑音、周囲光誘起型ノイズ、ＡＣ電源線ノイズなど）内での所望の信号を最適化するために、整合フィルタ受信機はその信号を強化し（ｅｎｈａｎｃｅ）、一方、ノイズを含めてすべての他の入力の影響を抑圧する。
【００１７】
別段の定義がない限り、本明細書で使用されるすべての技術的および科学的な用語は、本発明の属する技術分野における通常の当業者によって一般的に理解されるのと同じ意味を持つ。
【００１８】
本発明の種々の態様が以下の詳細な説明を参照することによって、より容易に評価され、より良く理解されることになる。
【００１９】
本発明によるシステムは、光信号符号化および整合フィルタリングを組み込んだ光学式走査システムを提供する。上記照明に対する試験サンプルの応答を検出することができ、この応答は、反射、蛍光、透過および／または吸収を含むことができる。このシステムによって信号対雑音比が高められるので、本発明は試験サンプルにおける僅かな光学的変化を検出することができる。
【００２０】
図１を参照すると、本発明の光学システムは、分光計およびディジタル信号処理手段５を備え、ディジタル信号処理手段５（特に、エミッタ制御電子回路１０）によって制御されて、紫外線から遠赤外線までの範囲（すなわち、１５０ｎｍから３０００ｎｍまでの帯域幅）電磁放射を放出する可能の光子エネルギー源１５と、ディジタル信号処理手段５（特にそのエミッタ制御電子回路１０）によって制御されて、光子エネルギー源１５から光を受け取り、１つまたはそれ以上の照明波長をパルス化されたシーケンスにおいて試験サンプル２５に送出する光学的エミッション処理手段２０とを備える。光学的エミッション処理手段２０は、１つまたはそれ以上の照明波長を分離するための手段と、照明波長を配向して試験サンプル２５上にフォーカスするエミッタ光学系とを備えることができる。上記システムは、さらに、ディジタル信号処理手段５（特にエミッタ制御電子回路１０）によって制御されて、試験サンプル２５の照明によって受信光の１つまたはそれ以上の波長を収集して分離する受信光の光学的処理手段３０を備える。受信光の光学的処理手段３０は、試験サンプル２５から受信光を収集するための検出器光学系と、受信光の１つまたはそれ以上の波長を分離するための手段とを備えることができる。さらに、上記システムは受信光の光学的処理手段３０によって送信された受信光を感知して電子信号に変換するための光検出器３５と、ディジタル信号処理手段５の１つの構成要素であって、光検出器３５の出力について整合フィルタリングを実行するためのＤＳＰ受信信号処理手段４０とを備える。受信信号の整合フィルタリングは光検出器３５から受信した電気信号および、エミッタ制御電子回路１０からの制御パラメータに基づいて実行される。
【００２１】
ノイズまたは妨害が本発明によるシステムに入って来る種々の場所があり、この妨害が照明に起因して試験サンプルから受信される信号を検出するための能力を低下させる。例えば、さらに図１を参照すると、受信光の光学的処理手段３０を通じて周囲光がシステムに入る可能性があり、ＤＳＰ受信信号処理手段４０を通して電気ノイズがシステムに入る可能性がある。ディジタル信号処理手段を組み込むことによって、照明信号の符号化および符号化された照明信号に関連しての受信信号の整合フィルタリングのための手段を提供することができる。そのように、ディジタル信号処理手段によって、試験サンプルの照明から結果として発生する受信信号の検出を改善することができる。
【００２２】
これらの構成要素がそれぞれどのように動作するかを説明するために、本発明によるシステムの１つの実施形態の概要が図２に示されている。この実施形態においては、照明光源１００がディジタル信号処理手段３００によって制御され、例えば、２５０ｎｍから１０００ｎｍまでの範囲の放射線帯域幅を放出する。コリメータ１１０は照明光を線形化し、それを光変調器２００に導く。ここで、コリメータ１１０は、例えば、細長い管であって、強く吸収または反射する壁によって管の軸に対して平行に進行する放射だけがその長さ全体を通過できるようにすることができる。光変調器２００は、符号化ディスク（図２に示すような）、音響光学変調器、または電子変調器であってもよく、そのため、振幅または位相変調を行うことができ、例えば、実質的に光信号を拡散することができる。照明用単色分光器１２０は、ディジタル信号処理手段３００によって制御されて照明光源１００からの光を受信し、Ｎ番目の波長をパルス・シーケンスで光プローブに送出し、光プローブは上記Ｎ番目の波長を試験サンプル１４０、例えば、流体のサンプルに送出する。試験サンプルの照明の結果としての放射線が収集され、エミッション用単色分光器１６０に送出される。対象物から検出された放射信号が拡散関数符号化によってさらに符号化され、その強度は反射係数、および蛍光係数に比例している。検出用単色分光器１６０は、ディジタル信号処理手段３００によって制御され、反射および蛍光のスペクトルを光学的に分離し、特定のディジタル処理タスクを実行することによって、特定の照明波長に対するＮ番目の波長の反応特性を渡し、その結果これらの符号化された各光信号を光検出器１７０によって検出できるようにする。光検出器１７０は光信号を検出し、それを電気信号に変換し、次にその信号が帯域フィルタ１８０（実質的にＡＤ変換器）によって処理され、それをディジタル信号処理手段３００に送信する。ディジタル信号処理手段３００は、照明放射に対する試験サンプルの応答を識別し、種々のノイズ源からこの光学システムに入るノイズから分離するために整合フィルタリングを実行する。
【００２３】
他の実施形態においては、上記光学システムは、図３に示されているような構成要素によって構成することができる。光源１００は、コリメータ１１０によって符号化ディスク２００に向けられる光子エネルギーを発生する。上記向けられた符号化された光子エネルギーは照明放射の種々の波長を分離するための照明プリズム５２０を通過する。分離された照明放射は、所望の波長または波長帯域が試験サンプル１４０に送られるように配向されているスリット５３０に向けられる。その照明の結果として、試験サンプル１４０によって放出される放射がレンズ１５０によって収集され、エミッション・プリズム５４０に送信され、放出された放射が各種の波長に分離される。エミッション・プリズム５４０は、所望の波長または波長帯域が検出器１７０に向けられるように配向されているスリット５５０に上記放出された放射を向ける。検出器１７０は上記エミッション放射を電気信号に変換し、その電気信号は試験サンプルの照明に関連して収集された情報を処理するために整合フィルタ受信機５６０に向けられる。
【００２４】
この光学システムの実施形態は、特定の構成要素の変形例を含めていくつかある。しかし、各実施形態は１つの形式のこれらの各構成要素を有している。特定の実施形態においてどの構成要素が含められるべきかを選定するためのいくつかの基準が以下に説明される。
【００２５】
光子エネルギー源
各実施形態は、ディジタル信号処理手段によって制御されて、紫外線から遠赤外線までの範囲（すなわち、１５０ｎｍから３０００ｎｍまでの帯域幅）が可能な電磁放射線を放出するための光子エネルギー源を含む。
【００２６】
本発明に関連して使用できる光子エネルギー源は、レーザ、レーザ・ダイオード、発光ダイオード（ＬＥＤ）、アーク・フラッシュランプ、連続波電球、電子的に制御されるフラッシュランプ、任意のガス放電ランプ等当業者であれば周知のような任意の他の光子エネルギー源を備えるグループから選択した光源を使用できる。本発明の特定の実施形態において使用される光子エネルギー源の選択は、その試験サンプルの要求されるスペクトル解析によって決定することができる。その装置の機能は、例えば、試験サンプルの広いスペクトル解析を必要とするか、あるいは狭い帯域幅または特定の波長についてのスペクトル特性を必要とする可能性がある。
【００２７】
例えば、レーザは、非常に狭いスペクトル（高度にコヒーレントな「単独の」波長）、狭い空間ビームおよび大きいパルス型のパワーを有している。白熱電球は広いスペクトル、広いビームおよび連続伝送を有している。
【００２８】
本発明の１つの実施形態においては、光子エネルギー源によって発生される電磁放射はパルス型電磁放射の形式とすることができる。
【００２９】
光学的エミッション処理手段
光学的エミッション処理手段は、光子エネルギー源からの光を受信し、試験サンプルにパルス・シーケンスで１つまたはそれ以上の照明波長を送出することができ、光学的エミッション処理手段は、１つまたはそれ以上の照明波長を分離するための手段と、その照明波長を試験サンプル上に配向し、フォーカスするエミッタ光学系とを備えることができる。光学的エミッション処理手段は、ディジタル信号処理手段に含まれているエミッタ制御電子回路によって制御され、エミッタ制御電子回路はパルス符号化およびパルス成形などの機能を実行することができ、例えば、照明エネルギーの変調を行うことができる。
【００３０】
反射および蛍光による光の波長を、どれが試験サンプルからで、どれが周囲光ノイズからのものであるかを識別するためには、試験サンプルの照明が狭帯域照明を使用して行われる必要がある。
【００３１】
本発明の１つの実施形態においては、一般的な装置は、試験サンプルのスペクトル特性を照明の波長の範囲に対して決定できるように、照明のスペクトル特性を簡単に変化させる機能を必要とする可能性がある。これは、例えば、ハロゲン電球またはキセノン管などの広帯域光源を使用することによって、そしてその後で波長分離光学系を使用してその放出された光をフィルタリングし、それにより試験サンプルを照明するためのスペクトルの狭い部分を分離することによって達成することができる。他の方法は、複数の狭帯域または中帯域の光源（例えば、レーザ・ダイオードおよび／または各種の色のＬＥＤなど）のアレイを使用し、それぞれが特定の所望のスペクトル特性を有し、それらを一度に一つ作動し、それにより実効的に光の広いスペクトルを経るようにし、これらの装置の照明のシーケンスの間に特定の照明波長を分離する方法である。
【００３２】
光学的制御処理手段は、例えば、光の放出のパルス化されたシーケンスを作り出す試験サンプルを照明するための光を変調するための手段を提供する光制御装置をさらに備える。光制御装置は、間接的な光変調器、例えば、光チョッパ、シャッター、液晶フィルタ、ガルバノメトリック・スキャナまたは音響光学デバイスであってもよい。さらに、光変調は振幅変調回路または周波数変調回路を使用して直接の方法で実行することができる。当業者であれば、照明光の放出を変調する代替方法を理解することができるだろう。
【００３３】
波長分離光学系が、固定の光調整光学系、例えば、光学フィルタ、屈折光学系、回折光学系および可変光調整サブシステム、例えば、屈折または回折システムから選択され、それにより光学的な中心波長が、その光が固定型光調整光学系を通過した後に位置制御型反射面の使用によって選定されるようにすることができる。また、固定型光調整光学系は、屈折または回折光学システムであってもよく、それにより、光学的中心波長が、ポジション・コントローラを使用して選定されて、固定型光調整光学系を動かすようにすることができる。波長分離光学系装置の一例は単色分光器である。他の形式の波長分離光学系装置は、当業者なら周知である。
【００３４】
エミッタ光学系は、光学的エミッション処理手段の構成要素間で光子エネルギーを伝達するため、また照明光を試験サンプルに伝達するためにも使用することができる。エミッタ光学系は、集光器、フォーカシング装置、光ファイバ、アパーチャおよび当業者であれば周知のような他の装置を含むグループから選択することができる。
【００３５】
流体の解析が必要である本発明の１つの実施形態においては、例えば、防水型光学プローブをその光学システムに組み込むことができ、この光学プローブを流体試験チャンバ内に挿入することができる。この光学プローブは、試験サンプルを照明するため、およびその照明によって試験サンプルによって放出される光を収集するための構成要素を備える。光学プローブが流体サンプル内に挿入されているので、サンプルの表面境界層の反射効果の低減が実現される。この実施形態においては、光学プローブは、光子エネルギー源、例えば、ＬＥＤまたはレーザ・ダイオード、流体サンプルに照明放射を向けるための照明用光学系と、反射光および蛍光を収集するための検出用光学系とを備える。光学プローブは、光学システムのさらに他の構成要素、例えば、ＤＳＰ手段および指示の送信およびそれらの間の収集データの送信のための光検出器と相互に接続されている。照明用光学系および光検出用光学系は、その流体の照明光との相互作用を十分に検出できるように光学プローブ内で配向することができる。本発明の１つの実施形態においては、光学プローブは、自己クリーニング機能、例えば、ワイパ機構をさらに備え、プローブの表面に付着する残留物を流体から取り除くことができる。
【００３６】
受信光の光学的処理手段
受信光の光学的処理手段は、試験サンプルからの受信光の１つまたはそれ以上の波長を収集して分離し、この受信光は上記のように試験サンプルの照明に関連付けられている。受信光の光学的処理手段は、試験サンプルからの受信光を収集するための検出器光学系と、光検出器による検出のために受信光の波長の１つまたはそれ以上を分離するための手段とを備えることができる。受信光の光学的処理手段は、ディジタル信号処理手段内に含まれているエミッタ制御電子回路によって制御され、それ故、その機能を光学的エミッション処理手段と相関付け、受信したスペクトル・エミッションの有効な分析のための手段を提供することができる。
【００３７】
本発明の１つの実施形態においては、受信光の光学的処理手段は、波長分離光学系を使用することによって、受信光の特定の波長を分離することができ、波長分離光学系は、受信光の１つまたはそれ以上の波長を分離し、それ故、受信光が照明波長に相関付けられるようにすることができる手段を提供する。
【００３８】
波長分離光学系は、固定型光調整光学系、例えば、光学フィルタ、屈折光学系、回折光学系および可変の光調整サブシステム、例えば、屈折または回折光学システムから選択することができ、それにより光学的中心波長が、その光が固定型光調整光学系を通過した後に、位置制御型反射面を使用することによって選定される。また、固定型光調整光学系は、屈折または回折光学システムであってもよく、それにより光学的中心波長が固定型光調整光学系を動かすために位置コントローラを使用することによって選定される。波長分離光学系の一例は単色分光器である。他の形式の波長分離光学装置は当業者であれば周知である。
【００３９】
本発明の他の実施形態においては、受信光の光学的処理手段は、１つの選択された波長を分離する必要がある場合がある。例えば、その試験試料が特定の波長の光によって照明され、試験サンプルによるこの照明の光子エネルギーの反射のレベルが必要である場合、受信光の光学的処理手段は固定型光分離手段を有することができる。この方法で、特定の受信光の波長だけが評価される。
【００４０】
検出器光学系は、受信光の光学的処理手段の構成要素間で光子エネルギーを伝達するため、および受信光を光検出器に伝達するためにも使用することができる。検出器光学系は、集光器、フォーカシング装置、レンズ、光ファイバおよびアパーチャを含むグループから選択することができる。本発明の１つの実施形態においては、光学フィルタがこの機能を提供することができ、光学フィルタは低域フィルタ、高域フィルタまたは当業者であれば周知のような他の同等なフィルタを含むことができる。
【００４１】
光検出器
各実施形態は光検出器を含み、光検出器は受信光の光学的処理手段から送信された光を感知し、この受信光を、ディジタル信号処理手段、特にＤＳＰ受信信号処理手段によって処理するために電気信号に変換することができる。
【００４２】
適切な光検出器は、ダイオード、光電子増倍管、または、例えば、線形アレイまたは面積アレイに配置された電荷結合素子（ＣＣＤ）であってもよい。光検出器の特定の１つの例は、青色が強調されたガリウム砒素フォトダイオード、硫化カドミウム（ＣｄＳ）フォトダイオードまたはシリコン・アバランシェ・ダイオードである。
【００４３】
ディジタル信号処理手段
ディジタル信号処理（ＤＳＰ）手段は、光子エネルギー源、光学的エミッション処理手段および受信光の光学的処理手段を制御して、照明放射の１つまたはそれ以上の波長に関連して結果の放射の１つまたはそれ以上の波長を検出することができ、この検出は、ノイズがシステムに導入された場合でも実行できる。ディジタル信号処理手段は照明放射を制御するための手段（光学的エミッション処理システム）を提供するエミッタ制御電子回路と、受信光の光学的処理システムとを備える。さらに、ＤＳＰ手段は、受信信号処理手段を備え、それによりＤＳＰが受信光の放射を照明放射と相関付けることができ、それは照明に起因する試験サンプルからの反射、蛍光および吸収を識別するための手段を提供することができる。
【００４４】
照明放射を制御するエミッタ制御回路は、回路に電力を供給して駆動し、電気エネルギーを光エネルギーに変換すること、光源パルスの振幅およびタイミングを制御すること、照明放射をフィルタリング、フォーカスまたは機械的にパルス化する光学装置、例えば、光フィルタ、単色分光器、コリメータおよび／またはチョッパを制御することなどのタスクを実行する。さらに、エミッタ制御回路は、受信光の光学的処理手段を制御して、試験サンプルからその照明に起因する反射および蛍光波長を分離することができるようにする。例えば、受信光の光学的処理手段への単色分光器への組込みによって所望の波長を分離するための手段を提供することができ、その単色分光器の機能が受信光の光学的処理システムによって制御される。
【００４５】
試験サンプルとの相互作用に先立って、照明信号を符号化するためにエミッタ制御電子回路によって採用される符号化機能は任意の数の信号変調技術によって提供することができる。例えば、光制御装置の周波数の直接変調のための同期パルスを生成するためにパルス符号ソフトウェアを使用することができる（パルス周波数変調、ＰＦＭ）。ＰＦＭによって、パルスの周波数が所望の情報を符号化するために変調される。パルス符号ソフトウェアを使用して光制御装置の振幅の直接変調（パルス振幅変調、ＰＡＭ）のための同期パルスを生成することができ、その場合、ＰＡＭによってパルスの振幅が所望の情報を符号化するために変調される。さらに、パルス符号ソフトウェアを使用して光制御装置のパルス幅の直接変調（パルス幅変調、ＰＷＭ）のための同期パルスを生成することができる。ＰＷＭによって、パルスの幅が所望の変調を符号化するために変調される。最後に、関数発生器を使用して照明信号を符号化して固定同期パルスを生成することができ、パルス・レートおよび振幅変調ができるようにし、さらに機械的エンコーダのドライバが間接光変調のため、例えば、チョッパ、シャッター、ガルボミラーなどのための同期パルスを生成することができる。
【００４６】
本発明の１つの実施形態においては、エミッタ制御電子回路によって採用される符号化機能はディジタル変調形式であるバイナリ位相シフト・キーイング（ＢＰＳＫ）である。ＢＰＳＫは弱い信号の受信のために非常に効果的な変調技術である。ＢＰＳＫ変調を使用してキャリヤ信号の位相がディジタル・ビット・ストリームに従って１８０°シフトされる。ＢＰＳＫのディジタル符号化方式は次の通りである。「１」によってキャリヤ信号の位相が遷移し（１８０°）、「０」は位相の遷移を発生しない。この変調技術を使用して、受信機は差動的にコヒーレントな検出プロセスを実行し、各ビットの位相が前のビットの位相と比較される。ＢＰＳＫ変調を使用することによって、例えば、オンオフ・キーイングなどの他の変調技術と比較して信号対雑音比が改善される。
【００４７】
ＤＳＰ受信信号処理手段によって、光検出器から受信した電気信号とエミッション制御電子回路によって定義される対応する時間周期との間の整合フィルタ相関が可能になる。送信信号と受信信号との間のこの相関は本発明の光学システムに入って来る場合があるノイズ（例えば、周囲光または電気ノイズ）上での受信信号の識別を強化するための手段を提供することができる。放出されたパルス・シーケンスと同期されて整合されている受信信号のフィルタリングおよび時間平均によって、信号対雑音比（ＳＮＲ）が高められ、問題の単数または複数の波長におけるサンプルの応答の測定における信頼度が改善される。
【００４８】
整合フィルタは問題の信号の正確なコピーである。このフィルタは入力信号と相関付けられ、この手順は基本的にフィルタの合計の持続時間にわたってフィルタによって乗算される信号の積の和である。フィルタと問題の信号の整合時に、相関（コンボルーション）の合計は、通常、整合されていない合計に対してピークとなり、この光学システムでの外部ノイズ上で信号を識別するための手段を提供する。本発明の１つの実施形態においては、パルス・レートの時間間隔において中心となっている狭帯域フィルタのバンクがパルス・スペクトルからより多くのラインを捕捉することができ、それ故、光パルスのエネルギー評価および検出された波長のそれ以降の識別を改善するための手段を提供することができる。
【００４９】
本発明の１つの実施形態においては、時間領域拡散関数がＦ（ω）で表され、受信信号がＨ（ω）で表されている場合、ディジタル信号プロセッサを使用して整合フィルタ受信機の出力を次のように得ることができる。
【数１】
この式において、Ｆ（ω）は、入力信号ｆ（ｔ）のフーリエ変換であり、Ｈ（ω）は受信機の線形フィルタｈ（ｔ）のフーリエ変換である。整合フィルタにおいては、受信機の線形フィルタＨ（ω）は、特定の入力信号ｆ（ｔ）に対する受信機出力ｓ（ｔ）のピークの信号対雑音比を最適化するように調整される。受信機の線形フィルタの応答Ｈ（ω）が下式によって与えられるとき、
【数２】
【００５１】
本発明の１つの実施形態においては、信号処理システムは、アナログ・フロントエンド・タスクおよびディジタル・バックエンド・タスクの両方を含む。一般的に、アナログ処理タスクは小さいセンサ信号を復元することおよび非常に選択的なフィルタリング操作に関係している。ディジタル領域のタスクはエネルギーの検出およびデータ出力に関連して、解析関数以外に更なる信号のフィルタリングに関係している。妨害を最小化し、ショット雑音に対する不感性を提供するために、照明信号が通常は数百ヘルツの周波数で変調される。アナログ・セクションはフォトダイオードの出力を大きく増幅して前フィルタリングするように設計され、変調周波数を復元する。これらの信号を利用して、狭帯域トラッキング・フィルタは変調された信号の復元のために非常に高い選択性を提供することができる。狭帯域フィルタの出力は、増幅後にアナログからディジタルへ変換され、ＤＳＰ（ディジタル信号プロセッサ）に入力され、ＤＳＰはリアルタイムでフィルタリング、エネルギー検出、平均化および結果の使用可能なデータへの変換のバックエンド・タスクを実行する。フィルタリングはさらにアナログ処理の最終段階において導入された可能性のあるＡＣノイズおよび高調波歪みの除去を強化する。フィルタリングの後に平均化エネルギー検出器が続き、それはセンサ信号のエネルギーに比例している値を出力する。これらの値が短い時間間隔においてホスト・コンピュータに送信され、そこでそれらが記憶され、それ以降の解析のために処理されるようにすることができる。
【００５２】
本発明の他の実施形態においては、ディジタル信号処理手段を図４に示されているように設計することができる。最初、パルス・シーケンス・ジェネレータ４５０がパルス周期カウンタをパルス周期バッファ４４０に送信し、さらに、一般化されたシーケンスを定義しているディジタル信号をＤＡ変換器４６０に送信する。結果のアナログ・パルスはアナログ・低域フィルタ４７０を通過して光源に送信され、これらのパルスに基づいて光源がそれ以降で試験サンプルを照明する。その照明に起因して試験サンプルから放出された放射線の収集および検出時に、光子放射検出の結果として光検出器によって生成されたパルスがアナログ低域フィルタ（ＬＰＦ）４００に送信され、ＬＰＦはそのフィルタリングされた情報をＡＤ変換器（ＡＤＣ）４１０に送信する。アナログＬＰＦは、例えば、１０ｋＨｚを超える周波数を抑圧し、それによりアンチ・エイリアシングを提供することができる。このディジタル化された情報が、狭帯域有限インパルス応答（ＦＩＲ）フィルタ４２０のバンクに送信され、各フィルタはパルス・シーケンス・スペクトル（入力信号パルス）におけるラインの１つに整合されている。これはシステム内の外部ノイズ上で信号を識別するためにパルスのスペクトルを整合させるための手段（整合フィルタリング）を提供する。フィルタ入力信号相関の合計４３０は、パルス周期バッファ４４０および４８０を通してピーク検出器に送信され、測定された平均光は、次に、ＤＳＰの制御ロジック５００に送信される。制御ロジック５００はディジタル信号処理（ＤＳＰ）手段のスケジューリングの制御および構成の制御を実行するための手段を提供する。平均化された測定された光信号は次に、例えば、ＲＳ２３２シリアル・ポート５１０を経由してパーソナル・コンピュータ上のコンピューティング装置に送信されて、使用可能な、そして提示可能なフォーマットに編成される。例えば、収集された情報のグラフィカル表示を発生する。
【００５３】
本発明の１つの実施形態においては、ＤＳＰ手段の機能はアラームの設定を確立する機能をさらに備えることができ、１つのアラーム設定の作動時に１つまたはそれ以上のアクションが取られる。例えば、ＤＳＰ手段は処理されたデータについての統計的解析を絶えず相関付けて実行することができ、受信光における所定のレベルの変化があったとき、ＤＳＰ手段はそのアラーム設定を作動する。アラーム設定の作動の結果、その光学システムを監視している人員に警告のランプまたは雑音の形式でメッセージを送信することができる。１つの実施形態においては、試験サンプルは流れている流体のサンプルであり、アラーム設定の作動の結果として、弁を使用して流体を流れから収集用コンテナへ、例えば、流体の流れから流体のサンプルを抽出したことを示す。次にこの流体のサンプルを、例えば、実験室においてその内容を評価するために詳細な解析を受けるようにすることができる。流れている流体の監視の例においては、アラーム設定の組込みによって、光の照明に対するその流体の反応の特定のレベルの変化の検出時に流体のサンプリングによって流体の内容における大幅な変化を捕捉することができる。この手順によって周期的な、時間ベースの流体のサンプリングとは違って流体の内容における変化の評価を改善することができる。
【００５４】
先進の信号処理技術を利用することによって、普通には検出されない光の反射および蛍光エミッションを検出することができる。
【００５５】
さらに、信号処理アルゴリズムを標準ディジタル信号処理チップ内に実装し、この技術に基づいたデバイスの総合コストを比較的低くすることができる。
【００５６】
ＤＳＰ手段をコンピュータ内に設置できる回路基板の形式でコンピュータ・システム内に組み込むことができる。その場合、コンピュータは整合フィルタリングの後、受信情報を、例えば、システムのオペレータによって解釈しやすいフォーマットに操作して編成するための手段を提供することができる。他の方法としては、ＤＳＰはスタンドアロン型ハードウェアを備えることができ、ＤＳＰが独立に機能するための手段を提供することができる。
【００５７】
スタンドアロン型ＤＳＰシステム
本発明の１つの実施形態においては、ディジタル信号処理手段はそのサブシステムと一緒にスタンドアロン型の構成に設計されている。このタイプのスタンドアロン型の構成においては、グローバルな通信システム、例えば、インターネットと相互接続する機能、あるいはローカル・エリア・ネットワーク（ＬＡＮ）でのネットワーキングのための機能をさらに含むことができる。通信ネットワークとのこのタイプの相互接続によって、中央局による複数の試験サイトからの情報の収集が可能となり、それによりこの試験データの収集のために必要な人員が削減される可能性がある。
【００５８】
当業者であれば周知のように、光学システムからの情報が送信される通信システム（ＬＡＮ、ＷＡＮ、インターネット）および、その情報のために必要なセキュリティの所望するレベルに依存して、そのデータの暗号化レベルの変更が必要になる場合がある。
【００５９】
この実施形態においては、スタンドアロン型ＤＳＰは、送信機および受信機のブロックと、マイクロコントローラ・ブロック（ＭＣＵ）と、ネットワーキング・ブロックと、ディジタルおよびアナログ電源ブロックとを備える。
【００６０】
この実施形態においては、ＤＳＰブロックは、ディジタル信号処理チップと追加の外部スタティック・ランダム・アクセス・メモリ（ＳＲＡＭ）とを備える。ＤＳＰブロックは光検出器から転送されるスペクトル・データの高速リアルタイム処理のための計算アルゴリズムを実行する。また、このブロックは光子エネルギー源を変調することができる信号も発生し、必要であればこの変調信号を複数の光子エネルギー源に多重化することができる。しかし、２つ以上あった場合の各検出器は、受信光に関連している情報の伝送のためにＤＳＰブロック内に別のチャネルを有している。さらに、ＤＳＰブロックは照明放射を機械的にパルス化する光学装置、例えば、チョッパを制御することができる。当業者であれば周知のように、ＤＳＰチップの必要な処理速度は、例えば、処理される入力データの量および周波数の評価値によって決定することができる。この方法で、チップの処理速度、例えば、ＤＳＰが動作する４０Ｈｚ、６０Ｈｚなどのヘルツ数に基づいて適切なチップを決定することができる。
【００６１】
この実施形態によれば、送信機および受信機のブロックは、ＡＤ変換器（ＡＤＣ）、ＤＡ変換器（ＤＡＣ）および低域フィルタを備え、これらのフィルタによって受信信号のアンチエイリアシングを行うことができる。光学システムに対する光子エネルギー源として発光ダイオード（ＬＥＤ）またはレーザ・ダイオードが使用される場合、このブロックはマルチプレクサおよび大電流増幅器をさらに備える。マルチプレクサによって複数の光子エネルギー源の作動のための信号を独立に送ることができ、大電流増幅器はこれらの光子エネルギー源を作動するために、それぞれの最大スペクトル・パワー出力が得られるように十分なエネルギーを提供するための手段を提供する。
【００６２】
スタンドアロン型ＤＳＰ手段のネットワーキング・ブロックは、例えば、ネットワーキング・カードと、イーサネット（登録商標）・チップまたは無線ネットワーク・チップとを備え、ネットワーク・チップによってスタンドアロン型ＤＳＰシステムを通信ネットワーク、例えば、ローカル・エリア・ネットワーク（ＬＡＮ）、広域ネットワーク（ＷＡＮ）または無線ネットワーク（例えば、ブルートゥース（Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ）（商標）またはＩＥＥＥ８０２．１１）に相互接続することができる。当業者であれば、所望のネットワーク接続のために必要なチップまたはカードのフォーマットおよびタイプを理解することができるだろう。さらに、ネットワーク・ブロックはシリアル・インタフェース・チップ、例えば、ＲＳ−２３２ポートをさらに備え、それは別の構成要素またはシステム、例えば、コンピュータまたはシリアル・モデム、例えば、ダイヤルアップまたは無線タイプのモデムまたは単色分光器に対するシリアル・コネクタにシリアル・インタフェースを提供することができる。
【００６３】
さらに、このスタンドアロン型の実施形態においては、マイクロ・コントローラ・ユニット（ＭＣＵ）ブロックはＭＣＵチップ（例えば、８ビット、１６ビットまたは３２ビットのチップであってもよい）と、外部ＳＲＡＭおよび外部ＦＬＡＳＨユニットとを備える。ＭＣＵブロックはＤＳＰブロックおよびネットワーキング・ブロックを管理し、ＤＳＰブロックから処理されたデータを収集し、この情報をネットワーキング・ブロックに転送する。照明放射および受信光をフィルタおよび／またはフォーカスする光学装置、例えば、光フィルタまたは単色分光器はＭＣＵブロックによって制御することができる。ＭＣＵブロックはさらにデータについての統計解析を実行することができ、アラーム設定を作動することができる。例えば、アラーム設定は試験サンプルの蛍光のレベルが所定のレベルを超えた場合に作動することができ、このアラームの作動はより詳細な解析のためのサンプルの収集または、アラームの作動についての人員への通知を含むことができる。ＤＳＰブロックに対するソフトウェアの更新が必要な場合、例えば、整合フィルタリング手順の修正の場合、ＭＣＵブロックは、例えば、ＤＳＰコードのリモート・ソフトウェア更新を管理することができる。ＭＣＵブロックに組み込まれるＭＣＵチップのタイプは、当業者であれば周知のように、例えば、処理される情報の量に依存して変化する場合がある。
【００６４】
スタンドアロン型ＤＳＰシステムのディジタルおよびアナログ電源ブロックは、そのスタンドアロン型ＤＳＰシステムの構成要素からの要求に基づいて各種のレベルにおいて調整されたＤＣ電力を提供することができる。１つの例においては、このスタンドアロン型システムに対する入力電力を、例えば、コンセントなどの調整されていない、あるいは変動する電源から供給することができる。ディジタルおよびアナログ電源ブロックは、入力電力を調整し、その後、スタンドアロン型ＤＳＰシステムの各構成要素に対する必要なレベルのアナログおよびディジタル電圧を発生することができる要素を含む。例として、入力電力を調整することができる要素は、変圧器、ＡＣ−ＤＣ変換器または当業者であれば周知のような他の任意の電源調整要素を含む。
【００６５】
試験サンプルのハウジング
オプションとして、この光学システムは、サンプルの照明とサンプルの結果のエミッションの検出を実行することができるように、試験サンプルを配向するための手段を提供する試験サンプル・ハウジングを備える。例えば、顕微鏡で使用されるように、試験サンプルのハウジングは試験サンプルを固定するためのカバー・スリップおよびガラス板を備えることができ、一組のクリップを使用して試験時にこのガラス板およびカバー・スリップの向きを調整してその動きを保持することができる。
【００６６】
試験サンプルが流れている流体である本発明の１つの実施形態においては、試験サンプルのハウジングは、その流体の流れ内に挿入されて適切に配向されている管であってもよく、このハウジングはその中で光学プローブの向きが調整されるための手段を提供する。このサンプル・ハウジングは、流体の流れに及ぼす影響を最小化し、それにより流体の照明に対する検出された応答に及ぼすその影響を少なくすることができるように設計することができる。試験サンプル・ハウジングのサイズ、特にその断面積は、ハウジングの表面が光検出器の視野の外側にあるように設計することができる。この方法でハウジングからの反射の検出を最小化することができる。応答の試験サンプル・ハウジングの影響をさらに減らすようにするために、ハウジングの表面は非反射型の光吸収材料を使用するか、あるいはその材料でペイントして作ることができる。さらに、この実施形態においては、必要な場合に光学プローブを清掃のために取り除くことができ、その後、同じ向きに配置されるように試験サンプルのハウジングを作ることができる。試験サンプル・ハウジング内に光学プローブを再配置する時の位置合わせを容易化するために、ある形式のインデキシング（ｉｎｄｅｘｉｎｇ）を使用することができる。
【００６７】
考察
１つの実施形態においては、光学システムの要件は、１）２５０ｎｍから８００ｎｍまでの範囲にわたる光学的スペクトルを分解できること、２）そのスペクトル分解能は５ｎｍ程度より良いこと、３）それは照明側およびエミッション側のユニットの両方に対して浮遊光の抑圧が１０−５またはそれより良いことである。さらに、スペクトル分解能が５〜１０ｎｍであることによって、蛍光のピークの程良いサンプリングを行うことができ、それは３０〜５０ｎｍ程度であるように見える。しかし、いくつかの用途においては、より細かい分解能が有用である場合がある。必要な浮遊光抑制係数は検出したい受信光の面積がどの程度小さいかによって変わる。浮遊光がそのシステムに対する光学ノイズ・フロアを実質的に決定し、光学的検出可能性の限界を設定する。
【００６８】
照明波長の選定においてバランスされるべきファクタは、問題の領域または試験サンプルに対する総合的な走査時間およびその走査の分解能である。照明光および受信光のスペクトルを掃引するために必要な合計のステップ数Ｎは下式で表される。
Ｎ＝ｎｉ・ｎｄ／２
ここで、
ｎｉ＝照明用単色分光器のためのステップ数
ｎｄ＝受信光用単色分光器のためのステップ数
である。
【００６９】
係数１／２は対角の１つの側だけにおける項の他に、問題の照明光／受信光の行列の対角項だけを決定する。さらに、Ｎは△λ／２に比例し、ここで、△λは単色分光器のスペクトル分解能である。走査時間がＮに比例しているので、△λと走査時間との間にトレードオフがある。
【００７０】
弱信号検出
１つの実施形態においては、トーン符号化法が、その基本的な単純性およびその複雑性に対して程良い程度のノイズ抑制を発生することのために、信号の符号化のために使用される。この実施形態においては、主要な考察は１つの測定値を採取するために必要な時間の量である。これは、１）本質的に必要なサンプル数をサンプル・レートで割った値である周波数領域の変換のためのサンプルを取得するために必要な時間の量、および２）本質的にフィルタの帯域幅の逆数である帯域フィルタ技術の場合におけるフィルタの帯域幅によって決定される。
【００７１】
電気信号の帯域幅についてのトレードオフは観察時間対ノイズである。帯域幅が増加し、観察時間が減少するとき、ノイズのパワーは帯域幅に比例して増加する。ノイズが増加すると検出器の感度が減少する。問題の領域を走査するための合計処理時間は、Ｔ＝Ｎτによって決定することができる。ここで、τは１つの波長における１つの測定のための時間である。観察時間における２つの主要な変数は、光フィルタの帯域幅と電気フィルタの帯域幅である。
【００７２】
下記の仮定を行うことによって、Ｔの粗い一次計算を行うことができる。１）２５０ｎｍから８００ｎｍまでの範囲にわたって光のスペクトルを分解する、２）１０ｎｍの光学的分解能帯域幅を使用する、３）１０Ｈｚの電気帯域フィルタＢＷを使用する。従って、τ＝０．１０秒である。この仮定を使用することによって、走査時間は１５１．２５秒、すなわち、約２．５分となる。
【００７３】
検査される試験サンプルが照明放射にさらされるとき、反応の放射特性の検出がその目標である。一般的に、蛍光は反射光よりずっと弱い。必要なスペクトル分解能は反射された波長と蛍光の波長とを区別できるための光学的分光器システムの機能によって決定される。これは浮遊放射を抑圧する可変アパーチャと一緒にプリズムおよび／または格子単色分光器を使用することによって達成することができる。
【００７４】
光学的シグネチャが十分に分解されるためには、システムは非常に弱い電気信号を検出することができなければならず、それはフォトダイオードによって検出される光学的放射から結果として得られる。究極的にその目標は電気ノイズ、光学的バックグラウンド放射および試験サンプルからの帯域外エミッションに起因する（分光器のスペクトル分解能による）バックグラウンド・ノイズにおいて非常に弱い信号を検出することである。
【００７５】
スペクトルのシグネチャの測定における他の変数は、ａ）試験サンプルの照明の持続時間、ｂ）試験サンプルの第１の表面における照明の振幅、ｃ）ノイズ変数の振幅、ｄ）照明装置における経時的なスペクトル・シフト、およびｅ）試験サンプルの照明が止められた後の試験サンプルによって放出される蛍光の減衰を含む。これらの変数は各種の検出方式の性能を比較するために調べられる必要がある。
【００７６】
本発明の１つの実施形態においては、受信光の適応フィルタリングによって、試験サンプルの照明を止めたときの試験サンプルによって放出される蛍光の強度の減衰を検出することができる。照明の停止は光子エネルギーの伝送の完全な終了、あるいは特定の照明波長の停止である。本発明による装置を使用して試験サンプルによって放出される蛍光の減衰を測定することにより、試験サンプルの識別のための手段を提供することができる。
【００７７】
この状況に適用されるパルス振幅変調技術は照明のオンオフ・キーイングとすることができる。その検出は周囲ノイズの中での信号の存在を検出するための能力に基づいている。信号の検出可能性は信号をノイズから区別するための能力に依存し、一般的に、ノイズより大幅に大きい信号パワー（通常、１０ｄＢより大きい）を必要とする。オンオフ型のキー変調された信号の一例が図５に示されている。このケースにおける信号対雑音比（ＳＮＲ）は０ｄＢであり、信号とノイズから構成されているものから信号のノイズ部分を区別することはできない。
【００７８】
周波数領域の検出機構は一定の周波数変調による信号の周波数変調に基づいた検出手段である。これは、例えば、オンオフ・キーイングなどの時間領域の検出手段よりはるかに有利である。信号およびノイズのＲＭＳ振幅が等しい（ＳＮＲ＝０ｄＢ）場合でも、変調された信号のパワー・スペクトル密度は普通は広帯域ノイズのパワー・スペクトル密度よりずっと大きい。搬送波をノイズからいくつかの手段によって分離することができ、それらは、ａ）ＤＦＴまたはＦＦＴなどのスペクトル測定技術、およびｂ）変調周波数に合わせられたフィルタの中心周波数による狭帯域フィルタリングである。
【００７９】
この一例が図６に示されている。この場合、第１の信号およびノイズのＲＭＳ振幅は等しい（ＳＮＲ＝０ｄＢ）。第１の信号に対してそれぞれ振幅が０．５０および０．１の２つの他の信号が加えられた。時間領域の信号は図５に示されているのと正確に同じように見える。しかし、周波数領域においては、第１および第２の信号に対するスペクトルのピークがはっきりしている。この信号に対するスペクトル・シグネチャはノイズ内に埋まっていて分解することができない。この検出技術は実際には実施するのが比較的簡単であり、光学分光器における使用に適している可能性がある。
【００８０】
パルス符号化技術（バイナリ、線形、エンハンスト）は、検出の代替手段である。パルス符号化技術はノイズ中で非常に弱い信号を検出するためによく使用されている。それらはトーン検出およびパルス振幅検出などの従来の技術より複雑である場合があるが、それらは検出される信号の振幅がノイズに対して弱く、パルス符号化以外に信号対雑音比を増加させるために利用できる手段がない場合に唯一の選択肢となり得る。２つのパルス符号化技術の例は、バイナリ・パルス符号化および線形周波数変調（ＦＭ）符号化である。これらの技術は両方ともパルス圧縮および拡散スペクトルの領域にはいり、それらは多くの参考資料（Ｂａｒｔｏｎ，ＤＫ（１９７８）Ｒａｄａｒｓ Ｖｏｌｕｍｅ ３：Ｐｕｌｓｅ Ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ， Ａｒｔｅｃｈ Ｈｏｕｓｅ Ｉｎｃ．）の中で十分に説明されている。
【００８１】
一例として、バイナリ・パルス符号化は１０００ビットの同期ワードを使用し、それは一様な乱数発生器を使用し、そのデータからバイナリ・シーケンスを構築することによって生成することができる。パルスは時間領域の中の特定の場所において生成され、その相対振幅が測定される。時間領域の相関出力の結果が図７に示されている。振幅プロットにおいて、すべての３つのパルスを検出することができる。第３の、そして最も小さい信号パルスがノイズから区別できる。
【００８２】
線形ＦＭパルス圧縮方式は、大きな検出範囲を依然として達成しながら、送信される信号の総合ピーク・パワーを減らすためにレーダ・システムにおいて従来使用されてきている。また、それらは航空機および宇宙船のイメージング・レーダに対する合成開口レーダ（Ｓｙｎｔｈｅｔｉｃ Ａｐｅｒｔｕｒｅ Ｒａｄａｒ）処理において極めて重要な役割りを演じる。この形式の符号化は持続時間τの間にｆ１からｆ２までキャリヤ信号を線形的に掃引すること（△ｆの掃引帯域幅に対して）によって得られる。一般に、線形ＦＭ符号化信号の「出力パワー」は、時間帯域幅積（ＴＢＰ）△ｆτによって増加され、ＴＢＰは秒単位でのパルスの持続時間とヘルツ単位での掃引される帯域幅との積である。その検出プロセスは、線形ＦＭ送信パルスに整合されている整合フィルタ検出器と本質的に同じである。全体のプロセスが図８に示されている。信号ｓ（ｔ）は、通常、ディラック（Ｄｉｒａｃ）のデルタ関数であり、それは単にエンコーダｈ（ｔ）に対するトリガ・パルスであり、エンコーダは送信される信号Ｕ（τ，△ｆ）を発生し、この信号は持続時間がτで、帯域幅が△ｆである線形ＦＭ符号化パルス（またはチャープ）である。これは試験サンプルを照明するために光エミッタを駆動することになる信号である。ノイズｎ（ｔ）が光学系および電子回路の両方において符号化された信号に追加される。この光信号は光検出器によって検出され、光検出器の電気出力信号は問題の実際の光信号、光学バックグラウンド・ノイズおよび光検出器および電子回路内の電気ノイズから構成されている。次に整合フィルタ検出器が、この電気信号を処理する。問題の光信号は整合フィルタに整合されている信号の３つの成分のうちの１つだけであるので、線形ＦＭパルス符号化に起因して利得を得る唯一の成分である。光学ノイズおよび電気ノイズの成分は、符号化信号に対して本質的に抑圧される。これは上記方式の利点の１つである。線形ＦＭチャープの出力が図９に示されている。上記振幅プロットにおいて、最も大きい２つのパルスだけを検出することができ、第３のパルスは本質的にノイズ内に埋まっている。この例は、線形ＦＭパルス圧縮技術によって提供される符号化の利得を図式的に示している。
【００８３】
エンハンスト・パルス符号化技術は、時間帯域幅積を増加させることによって、より大きな符号化利得を得ることができるという事実を利用している。この技術を使用して、時間領域パルスのうちの最も弱いパルスがちょうど見られた。
【００８４】
ＴＢＰが２００である場合のオリジナル・ケースのプロットが図１０に示されており、ＴＢＰが８００である新しいケースが図１１に示されている。時間帯域幅積が増加することによって、符号化利得が十分に増加し、第３のパルスおよび最も弱いパルスがノイズ・フロア上で見られるようになっている。符号化利得は２３．０ｄＢから２９．０ｄＢへ増加し、すなわち、６．０ｄＢの総合的増加が見られた。両方のプロットにおいて、パワーはサンプル１００におけるピークに正規化されている。ＴＢＰが２００から８００になると明らかにノイズ・フロアが降下している。
【００８５】
この点をさらに強調するために、ＴＢＰが２２５０の場合に対するプロットが図１２に示されている。この高い時間帯域幅積の検出方式を他の符号化技術と比較するために、検出器の振幅がプロットされている時間領域の大きさのプロットが図１３に示されている。ノイズ振幅は√２２５０、すなわち約４７．４だけ抑制されているはずである。パルス１のピーク振幅は２５０５であり、パルス２の場合は１２５２であり、パルス３は２５０である。ノイズ振幅はピーク１に対する信号の場合と同じであった。従って、ノイズ振幅は約５２のレベルにまで抑圧されるはずである。図１３から分かるように、これはほぼそのケースである。高いレベルのノイズ抑圧が達成されたために、パルス３に対する信号はノイズ・バックグラウンドに対してかなりよく見えている。これはパルス３が見えていない図９におけるＴＢＰ＝３７５のケースがパルス３が見えている図１３におけるＴＢＰ＝２２５０のケースと比較すると、容易に明らかである。
【００８６】
より高い時間帯域幅積を使用してより高い符号化利得を達成することができるが、これは信号符号化を達成するために使用される手段に依存して制限される可能性がある。機械的チョッパは、チョッパ・ホイール上に線形ＦＭ符号を複製するための能力によって制限され、一方、音響光学変調器はずっと高いＴＢＰを得ることができるが、より高い費用がかかる。
【００８７】
走査方法
手動走査の場合、プローブは解析される表面を横切って手動で動かされ、観察されている直下の領域だけを解析する。スペクトル特性は空間の中の固定点（ｘ０，ｙ０）において観察される。従って、各点（ｘ０，ｙ０）に対するスペクトル応答の一次元のプロットが得られる。このモードの動作は、蛍光を発生する物質が観察される媒体全体にわたって拡散的に分布されている場合、あるいは局所化された解析が必要である場合に有用である。
【００８８】
二次元走査の場合、チャンバを通る流体の流れ、およびスペクトル応答が時刻（ｔ，λ）において各点に対して得られる。このモードの動作は、蛍光を発生する物質が地方都市の水道システムなどの開システムまたは、流体処理のための閉システムなどのように周期的である場合に有用である。
【００８９】
三次元走査の場合、閉ループ・フィードバック制御に対して定量的および定性的データを得ることができ、主題の物質における物理的および光学的特性の検出が得られる。プローブが二次元表面を横切って走査されるにつれて、スペクトル応答が各点（ｘｉ，ｙｉ，ｚｉ，λ）に対して得られる。
【００９０】
本明細書で説明してきた本発明をより良く理解してもらうために、以下の例を示す。これらの例は、例示としての目的だけのためであることを理解されたい。従って、それらはいずれにしても本発明の範囲を制限するものではない。
【００９１】
（例）
例Ｉ：流体のサンプルを解析するための光学システム
本発明の１つの実施形態においては、流体のサンプルの解析を実行するために、例えば、流れている水のサンプルにおける濁度および／またはバイオスマスを検出するために光学システムを設計することができる。本発明のこの形式は、例えば、石油のサンプルの解析に対しても使用することができる。この光学システムの実施形態においては、試験サンプルのスペクトル特性における変化が検出され、評価される。
【００９２】
この目的のために使用される本発明のシステムのある実施形態が図１６に示されている。この例は、水の解析に向けられているが、他の流体の解析に対しても同様に等しく使用することができる。上記光学システムは、ディジタル信号プロセッサ６００と、ＬＥＤ制御システム６１０と、照明システム６２０と、光学プローブ７００が置かれるサンプル・チャンバまたは水の流れ６３０と、検出器光学系６４０と、光検出器６５０と、光検出器電子回路６６０と、ＤＳＰ６００が接続されているネットワーク６７０とを備える。流れている水の中に挿入することができる光学プローブ７００は、照明システム６２０と検出器光学系６４０の両方を備え、それらを整列させて水のサンプルによってその照明時に放出される放射の検出を最大化することができる。
【００９３】
ディジタル信号プロセッサ６００は、一緒に統合化されたソフトウェアおよびハードウェアを備え、信号処理、データ処理、制御ロジックを使用することによるシステム制御、および外部ネットワーク、例えば、インターネットまたはローカル・エリア・ネットワーク（ＬＡＮ）との通信を実行することができる。ＤＳＰによって実行される信号処理は、照明信号（放射線）を符号化することができる信号発生器の動作を含む。さらに、ＤＳＰによって可能となる信号処理は、光信号（水のサンプルによって放出された検出された放射）のＦＩＲ整合フィルタリングおよび相関フィルタリングを含む。ＤＳＰによって実行されるデータ処理は収集されるデータの収集、処理および解析を含むことができる。そのデータの統計的解析もＤＳＰによって実行することができ、例えば、検出された特定のレベルの放射の戻り周期を決定することができる。サンプル・チャンバ内に水の流れからのサンプルを引き出すための弁の制御およびＬＥＤの作動を制御するＬＥＤスイッチの制御は、両方ともＤＳＰ内に組み込まれている制御ロジックによって提供される。制御ロジックは、光学プローブ上に収集されて成長する可能性のある生物学的な付着物を取り除くために使用することができる光学ワイパをさらに制御することができる。光学ワイパを含めることによって、クリーニングのためにサンプル・チャンバまたは水の流れからプローブを取り除く回数を減らすことができる。ＤＳＰは、さらに、通信システムを備え、それによりネットワークと接続することができ、それによりデータ検索のためにテスト・サイトに人員が行く必要なしに、他のサイトに収集された情報を送信することができる。この実施形態においては、この通信は生成されるイーサネット（登録商標）・リンクを可能にするソフトウェアおよびハードウェアによって提供される。
【００９４】
ＬＥＤ制御６１０は、ＬＥＤスイッチおよび大電流増幅器を含み、ＬＥＤスイッチは所望のＬＥＤを作動し、大電流増幅器は利用できる電源を所望の強度レベルに対してＬＥＤを作動するのに合ったレベルに変換する。
【００９５】
光学プローブ７００は、照明システム６２０と検出器光学系６４０との両方を備え、このプローブを水の流れの中に直接挿入するか、あるいは水の流れから抽出された水を含んでいるサンプル・チャンバ内に挿入することができる。プローブが動いている水の流れの中に挿入される場合、そのプローブの形状は水の流れの乱れを最小にするように設計される必要がある。照明システムは、ＬＥＤアレイと、そのＬＥＤアレイによって発生される光子放射をフォーカスするためのＬＥＤ光学系とを備える。ＬＥＤアレイは単独のダイオードであってもよく、あるいはダイオードの集合であってもよく、それにより所定の帯域の波長をカバーすることができる。１つの実施形態においては、緑および青の発光ダイオードが光学システム内で使用される。検出器光学系は、水のサンプルによって放出される放射を収集するためのレンズを、検出された放射を電子信号に変換するための光検出器６５０によって検出される前に収集された放射を、前フィルタリングするための光学帯域フィルタの他に備える。
【００９６】
光検出器の電子回路６６０はＤＳＰによるその処理の前に収集された情報を前フィルタリングするフィルタの集合を備え、例えば、水のサンプルの照明に関連している収集された情報の整合フィルタリングを備える。
【００９７】
本発明のこの実施形態においては、ＤＳＰはスタンドアロン型システムであって、それは内部電源、またはＤＳＰを標準交流電源、例えば、コンセントに相互接続するための電力変換器を含むことができる。さらに、このスタンドアロン型システムによって、この光学システムを複数のサイトに配置することができる。例えば、水道システム内の各種の場所に配備することができる。通信ネットワーク、例えば、インターネットまたはローカル・エリア・ネットワークに対する光学システムのこの収集の相互接続を通じて、これらの光学システムによって収集されて処理される情報を、人員が各試験サイトを訪問してその情報を収集する必要なしに、中央サイトに送信することができる。このタイプのシステムは、水道システムを効率的に、そしてコスト効率良く評価するための手段を提供することができる。
【００９８】
この光学システムは、反射および蛍光を検出することができ、反射は水のサンプルの濁度を示し、蛍光はその水のサンプル内に含まれている生物学的物質を示す。生物学的物質はその照明時に蛍光を発し、その蛍光の強度を検出することによって、水道システム内の生物学的物質のレベルを決定することができることは、当業者なら周知である。この光学システムの実施形態は水の流れの中の反射および蛍光における変化を評価し、それにより特定の関連があり得る状況を識別できる可能性がある。この方法で、水の流れの光学的シグネチャにおける変化の特定のレベルの検出時に、ＤＳＰはサンプリング手順を作動し、研究室での解析のために水の流れのサンプルを収集することができる。このタイプのほとんど一定の試験および選択的な研究室の解析によって、水道システムを監視するコストが削減できる可能性があり、潜在的な問題の識別を増加させることができる。
【００９９】
例えば、図１７は、この光学システムによって収集されるような一日のコースで収集される濁度の読みをグラフィック形式で示す。図１８は、これも一日のコースで光学システムによって検出されるバイオマスの読みを示す。
【０１００】
例ＩＩ：整合フィルタ受信機を組み込んだ分光器
１つの実施形態が図１４に示されており、上記分光器は、光源、例えば、少数の離散スペクトル線による６０００°Ｋの黒体の場合にほぼ等しい発光スペクトルを有する小型キセノン管を備える。光は集光され、チョッパ・ホイールによって変調される。チョッパ・ホイールは、照明用単色分光器に入って来る光に対する５００Ｈｚのオンオフ変調を提供する。ＣＰＵの制御下で動作している照明用単色分光器は、２５０ｎｍから８００ｎｍまでの照明波長を１０ｎｍのステップで掃引する。この照明が問題の領域上にフォーカスされる。ＣＰＵの制御下で動作している受信光用単色分光器は、２５０ｎｍから８００ｎｍまでの受信光の波長を１０ｎｍのステップで掃引する。それは、すべての照明波長サンプルλｉに対して、λｉより大きいか、またはそれに等しい波長の範囲上で掃引するように制御される。光検出器としてＧａＡｓフォトダイオードが使用され、そのフォトダイオードからの信号が低雑音増幅器（ＬＮＡ）によって増幅される。ＬＮＡの出力は、アナログ・フィルタを使用してフィルタリングするか、あるいはＡＤ変換器（ＡＤＣ）を使用してディジタル化し、ＩＩＲまたはＦＩＲディジタル・フィルタを使用してディジタル的に処理することができる。検出器の出力はλｉおよびλｅごとに記録され、図５に示されているように表示のためにプロットすることができる。
【０１０１】
扱われる１つの重要な問題はシステムの振幅対波長の校正である。何故なら、キセノン光はスペクトル的に平坦でないからである。これは光波長の意味でスペクトル的に平坦である標準の拡散反射源を使用して行うことができる。その校正係数を収集されたデータに適用し、照明源のスペクトル・カラーリングをデータから取り除くことができる。このプロセスは本質的にデータのスペクトル的等化である。
【０１０２】
データが等化されると、それを、例えば、コントゥワー・プロット（ｃｏｎｔｏｕｒ ｐｌｏｔ）、表面プロットなどのいくつかの方法で表示し、照明／エミッションのスペクトルを容易に視覚化することができる。これは、例えば、固定された波長の場所におけるいくつかの応答の最も強いスペクトル・ピークに対するある正規化を必要とする可能性がある。これは実験的に決定されなければならない。表面タイプのプロットの一例が図１５に示されている。
【０１０３】
例ＩＩＩ
本発明の１つの実施形態は光学システムを備え、該システムは、ａ）３８０から５００ナノメートルまでの範囲の放射帯域幅を放出するための、ディジタル信号処理手段によって制御される照明光源としての発光ダイオード（ＬＥＤ）と、ｂ）照明装置から光を受信するため、およびＮ番目の波長をパルス・シーケンスで送出するための、ディジタル信号処理手段によって制御されるステッパー・モータ制御型の照明用格子単色分光器と、ｃ）Ｎ番目の波長を対象の領域に送出する集光およびフォーカシングの要素を備えた単色分光器に結合される光ファイバ・プローブとを備える。この光学プローブは、照明用光学系を検出用光学系について互いに一定の角度にあるように配向するアセンブリ内に置かれている。システムは、さらに、ｄ）Ｎ番目の波長の結果の放射を収集し、集光レンズおよび制御されるステッパー・モータに結合されるファイバを経由してその情報を検出用格子単色分光器に送出するための収集手段と、ｅ）ＧａＡｓ集積化フォトダイオードおよび増幅器などの光検出器とを備える。ステッパー・モータ制御型の格子単色分光器（照明用および検出用単色分光器の両方）がディジタル信号処理手段によって制御され、特定の時刻においてＮ番目の波長の反応特性を渡すためのタスクを実行する。
【０１０４】
通常、ＧａＡｓ集積化フォトダイオードおよび増幅器は同じチップ上のフォトダイオードおよび変換インピーダンス増幅器から構成されている材料電子部品から構成されている。これがディジタル信号処理手段によってサンプルされ、特定の時刻における放射が感知される。光検出器としてフォトダイオードが使用され、フォトダイオードからの信号が低雑音増幅器（ＬＮＡ）によって増幅される。ＬＮＡの出力は、信号を指定の範囲にまで増幅する演算増幅器で光検出器からの信号を調整するためにアナログ・フィルタを使用してフィルタリングされ、ＡＤ変換器（ＡＤＣ）を使用してディジタル化され、相関受信機を使用して時間／帯域幅積を測定できるようにＦＩＲディジタル・フィルタおよびディジタル信号符号化ソフトウェア技術を使用してディジタル的に処理さる。
【０１０５】
このシステムはＤＳＰＳ装置をさらに備え、そこで照明変調符号化信号がパルス圧縮のための３２ビット線形ＦＭパルス符号化技術を使用して生成され、その検出パルスの符号化は整合型相関受信機によって時間帯域幅積を分解しており、特定の振幅の照射の検出によって、ＤＳＰＳが特定のルーチンを実行し、照明の波長の限界に依存して、この場合、蛍光における特定の信号応答特性に対して試験するようプロンプトし、反射を測定することができる。単色分光器の格子は可視スペクトルを通して動作することができ、他の波長に対してＵＶまたはＩＲに置き換えることができ、データのピークおよびそれぞれのルールをベースとする重み付けられた関連を認識するソフトウェアなどのディジタル信号処理技術によって、照明および検出用の単色分光器を制御することができる。
【０１０６】
例ＩＶ
本発明の１つの実施形態においては、変調技術を含めて走査の波長（照明放射）を制御するための機能を備えるように光学システムを設計することができる。このタイプの光学システムは、研究および診断などの用途に対して必要な場合がある最大の光学的柔軟性を提供することができる。
【０１０７】
このシナリオのために設計された光学システムのある実施形態は、光学的エミッション処理手段の周波数の直接変調のための同期パルスを生成するためのパルス符号ソフトウェアと、信号相関整合フィルタを組み込んでいる受信信号処理手段とを備えるエミッタ制御電子回路を有するコンピューティング装置内に統合化されているディジタル信号処理手段と、光子エネルギー源を提供しているフラッシュランプと、照明放射を変調するための周波数変調器回路と、屈折または拡散の光学システムを組み込んでいて、それにより光学的中心波長がエミッタ光学システムの固定光調整用光学系を移動するために位置コントローラを使用することによって選定される周波数変調回路とを組み込んでいる光学的エミッション処理手段と、屈折または拡散の光学システムを組み込んでいて、それにより光学的中心波長が検出器の光学システムの固定光調整光学系を動かすために位置コントローラを使用することによって選定される受信光の光学的処理手段と、光検出器として働くシリコンＡＰＤ光検出器とを備える。
【０１０８】
この実施形態においては、フラッシュランプのための放出されたスペクトルの補正は、それを例ＩＩのような標準の拡散反射源と単純に比較すること以上の機能が要求される場合がある。ピーク・エミッションの非常に細かい特定の波長は、正確な信号対雑音比の正規化を維持するために、アパーチャおよび検出器システムの調整を必要とする可能性がある。これらの調整は理想的に自動的に行われ、正規化プロセスにおけるデータ変数として記録される。これは特に、サンプルの吸収および反射がピークのエミッタ波長において非常に変わり易い場合である。非ピーク波長において、最大の蛍光検出のために設定されるシステムは、ピーク波長による応答によって容易に過飽和となる場合がある。
【０１０９】
例Ｖ
本発明の１つの実施形態においては、既知の波長の光による試験サンプルの照明からの結果として生じる放射の感度を最大化するために、光学システムを設計することができる。このタイプの光学システムは蛍光の解析に対して有用である場合がある、特にスペクトルのプローブが問題の対象物に付加され、蛍光、吸収または反射の特定の波長の検出が測定できるような既知のスペクトル特性を有する場合に有用である。
【０１１０】
このシナリオに対して設計された光学システムのある実施形態は、光学的エミッション処理手段の周波数の直接変調のための同期パルスを生成するためのパルス符号ソフトウェアおよび、信号相関整合フィルタを組み込んでいる受信信号処理手段を備える、エミッタ制御電子回路と一緒にコンピューティング装置内に統合化されているディジタル信号処理手段と、光子エネルギー源を提供しているレーザと、音響光学スキャナおよび固定型エミッタ光学システムを組み込んでいる光学的エミッション処理手段と、固定型光調整光学系を組み込んでいる受信光の光学的処理手段と、光検出器として働く光電子増倍管とを備える。システムのこの実施形態は、試験サンプルまたは対象の物質内での生物学的分子からの特定の蛍光応答を直接感知するために使用することができる。
【０１１１】
例ＶＩ
本発明の他の実施形態においては、例えば、水の濁度などの粒子測定を含む蛍光測定または反射測定の最低コストの用途において使用することができる光学システムがある。この例においては、試験サンプルを特定の波長の光で照明し、同じ、または異なる波長の反射、または反射された波長帯域、または流体の中の粒子の刺激によって放出された波長帯域を検出することができるように光学装置を設計することができる。
【０１１２】
このタイプの装置に関連する光学システムのある実施形態は、光学的エミッション処理手段の振幅の直接変調のための同期パルスを生成するためのパルス符号ソフトウェアと、信号相関整合フィルタを備える受信信号処理手段とを備えるエミッタ制御電子回路を有するスタンドアロン型ディジタル信号処理手段と、光子エネルギー源として働く発光ダイオード（ＬＥＤ）と、振幅変調器回路および固定型光調整用エミッタ光学システムとを備える光学的エミッション処理手段と、固定型光調整検出器の光学システムと光検出器として働くシリコン・フォトダイオードとを組み込んでいる受信光の光学的処理手段とを含む。
【０１１３】
この実施形態においては、上記光学システムは、流体の中に直接放出し、検出器がその流体内から光を受信する。これは光ファイバの手段によって、あるいはその光学システムを対象とする流体の中に直接挿入することによって実現される。このタイプの手順は表面境界層の反射効果を減らし、それによりその光学システムの信号対雑音特性を改善する可能性がある。
【０１１４】
本発明の実施形態の上記説明から、その同じものを多くの方法で変化させることができることは明白である。そのような変形例は本発明の精神および範囲から逸脱するものとしてみなされるべきではなく、そのような変更はすべて特許請求の範囲に含まれることが意図されていることは当業者には明白である。
【図面の簡単な説明】
【０１１５】
【図１】本発明の１つの実施形態に対応する光学システムの構成要素の概略図である。
【図２】本発明のもう１つの実施形態による光学システムの概略図である。
【図３】整合フィルタ受信器を組み込んだ本発明の他の実施形態による走査型分光計システムの概略図である。
【図４】ディジタル信号処理手段の光パルス処理システムの概略図である。
【図５】パルス振幅変調検出を使用した、信号対雑音比が０ｄＢであるオンオフ・キーイング信号を示す。
【図６】周波数領域の検出を使用した信号検出を示す。
【図７】バイナリ・パルス符号化信号検出からの時間領域相関出力の結果を示す。
【図８】パルス符号化チャネル・モデルの概略表現である。
【図９】線形ＦＭチャープを使用した検出器出力を示し、検出器出力は１２５ミリ秒幅の直角関数であり、５００Ｈｚから３５００Ｈｚまで走査され、８０００サンプル／秒でサンプルされている。
【図１０】線形ＦＭパルス符号化技術の使用を示し、ここで、パルス幅は０．１２５秒であり、帯域幅は２００の時間帯域幅積（ＴＢＰ）に対して１６００Ｈｚであった。上記検出器の対数目盛りはＰ＝２０×ｌｏｇ ｓとして計算されたものであり、ここで、ｓは整合フィルタの時間領域出力である。
【図１１】８００のＴＢＰに対する図１０に示すような線形ＦＭパルス符号化技術の使用を示す。
【図１２】２２５０のＴＢＰに対する図１０に示すような線形ＦＭパルス符号化技術の使用を示す。
【図１３】２２５０のＴＢＰのケースに対する時間領域のプロットであり、ここで、検出器の振幅がプロットされている。
【図１４】整合フィルタ受信機を組み込んだ分光計の概略表現である。
【図１５】図１４の分光計からλｉおよびλｅに対して記録され、表示のためにプロットされた検出器出力を示す。
【図１６】本発明の１つの実施形態による、水の品質の試験のために使用することができる光学システムを示す。
【図１７】図１６に示す光学システムを使用して得られた水の試験サイトに対する濁度の読みのプロットである。
【図１８】図１６に示す光学システムを使用して得られた水の試験サイトに対するバイオマスの読みのプロットである。
Claims (14)
- 試験サンプルの光学的解析を実行するためのシステムであって、
ａ） 電磁放射を放出するための、ディジタル信号処理手段によって制御される光子エネルギー源と、
ｂ） 前記光子エネルギー源から電磁放射を受信し、１つまたはそれ以上の照明波長を試験サンプルに送信するための、ディジタル信号処理手段によって制御される光学的エミッション処理手段と、
ｃ） 試験サンプルからの受信電磁放射の１つまたはそれ以上の波長を収集して分離し、受信電磁放射の分離された１つまたはそれ以上の波長を光検出器に送信するための、ディジタル信号処理手段によって制御される受信光の光学的処理手段と、
ｄ） 受信電磁放射の分離された１つまたはそれ以上の波長を感知して電気信号に変換するための光検出器と、
ｅ） 光検出器から受信した電気信号の整合フィルタリングを実行するため、および光子エネルギー源、光学的エミッション処理手段および受信光の光学的処理手段の機能を制御するためのディジタル信号処理手段とを備えるシステム。 - 前記光学的エミッション処理手段が試験サンプルに送信される照明波長を符号化する、請求項１に記載の試験サンプルの光学的解析を実行するためのシステム。
- 前記符号化が、パルス振幅変調と、パルス周波数変調と、パルス幅変調と、バイナリ位相シフト・キーイングまたは関数発生器とを含むグループから選択された変調技術を使用して実行される、請求項２に記載の試験サンプルの光学的解析を実行するためのシステム。
- 前記ディジタル信号処理手段がスタンドアロン型システムである、請求項１に記載の試験サンプルの光学的解析を実行するためのシステム。
- 前記ディジタル信号処理手段がコンピューティング・システム内に統合化されている回路基板である、請求項１に記載の試験サンプルの光学的解析を実行するためのシステム。
- 前記ディジタル信号処理手段が、通信ネットワークと相互接続することができ、前記通信ネットワークが、ローカル・エリア・ネットワークと、広域ネットワークと、無線ネットワークと、インターネットまたはイーサネット（登録商標）とを含むグループから選択される、請求項４に記載の試験サンプルの光学的解析を実行するためのシステム。
- 前記光子エネルギー源が、レーザと、レーザ・ダイオードと、発光ダイオードと、アーク・フラッシュランプまたは連続波電球とを含むグループから選択される、請求項１に記載の試験サンプルの光学的解析を実行するためのシステム。
- 光学的エミッション処理手段および前記受信光の光学的処理手段が、集光装置と、フォーカシング装置と、レンズと、光ファイバと、アパーチャと、単色分光器とを含むグループから選択される１つまたはそれ以上の光学装置を含む、請求項１に記載の試験サンプルの光学的解析を実行するためのシステム。
- 前記光検出器が、ガリウム砒素フォトダイオードと、硫化カドミウム・フォトダイオードまたはシリコン・アバランシェ・ダイオードとを含むグループから選択される、請求項１に記載の試験サンプルの光学的解析を実行するためのシステム。
- 流体の光学的解析を実行するためのシステムであって、
ａ） 電磁放射を放出するための光子エネルギー源と、前記電磁放射を試験サンプルに向けるための光学装置とを含む照明システムと、前記試験サンプルによって放出される電磁放射を収集し、光検出器に向けるための検出器光学系をさらに含み、流体の流れの中に挿入されるか、あるいは流体のサンプルを含むサンプル・チャンバ内に挿入される光学プローブと、
ｂ） 前記光子エネルギー源を作動するための制御手段と、
ｃ） 前記試験サンプルによって放出される電磁放射を感知し、電気信号に変換するための光検出器と、
ｄ） 前記光検出器から受信した電気信号の整合フィルタリングを実行し、前記光子エネルギー源の作動をさらに制御し、前記試験サンプルに向けられる電磁放射を符号化するディジタル信号処理手段とを含むシステム。 - 前記符号化が、パルス振幅変調と、パルス周波数変調と、パルス幅変調と、バイナリ位相シフト・キーイングまたは関数発生器とを含むグループから選択される変調技術を使用して実行される、請求項１０に記載の流体の光学的解析を実行するためのシステム。
- 前記ディジタル信号処理手段がスタンドアロン型システムである、請求項１０に記載の流体の光学的解析を実行するためのシステム。
- 前記ディジタル信号処理手段がコンピューティング・システム内に統合化されている回路基板である、請求項１０に記載の流体の光学的解析を実行するためのシステム。
- 前記ディジタル信号処理手段が通信ネットワークと相互接続することができ、前記通信ネットワークが、ローカル・エリア・ネットワークと、広域ネットワークと、無線ネットワークと、イーサネット（登録商標）またはインターネットとを含むグループから選択される、請求項１０に記載の流体の光学的解析を実行するためのシステム。
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