JP5808834B2 - ディスパーシブフーリエ変換イメージングの装置および方法 - Google Patents

Description

関連出願へのクロスリファレンス
本願は、２００８年７月２４日に提出された米国仮出願(番号６１／０８３２５５)の優先権の利益を享受する。その仮出願の全ては本明細書において参照により組み込まれる。

連邦によって後援された研究または開発に関する宣言
本願は、米国防衛省によって与えられたグラント（番号Ｎ６６００１−０７−１−２００７）による米国政府の支援と共になされた。米国政府は本発明において所定の権利を保有する。

コンパクトディスクで提出されるものの参照による援用
該当無し。

著作権で保護されるものについての注意
本特許文書のなかの一部は米国および他の国の著作権法の下で著作権保護の対象となる。特許文書または特許開示が米国特許商標庁において公に供されるファイルまたは記録に現れた場合に、著作権者はその特許文書または特許開示がだれに複製されたとしてもそれに反対するものではない。しかしながらそうでない場合はいかなる場合でも全ての著作権を留保する。ここで著作権者は、３７Ｃ．Ｆ．Ｒ．セクション１．１４にしたがう権利を非限定的に含む権利のいずれをも、この特許文書を秘密にしておくために放棄するものではない。

本発明は主に光イメージングに関し、特にディスパーシブフーリエ変換イメージングを使用した高速光イメージングに関する。

バーコードは、機械読み取り可能な情報のバイナリ表現であり、通常は高い反射率の背景（例えば、明るいまたは白い背景）上の一連の低い反射率のバー（例えば、暗いまたは黒いバー）として現れる。バーの光学的性質の測定可能な差（例えば、明るいバーと比較した場合の暗いバーの反射率）はバイナリ表現に変換される。例えば、暗いバーは０に対応し、それらの間の白いスペースは１に対応するか、またはその反対であり、それは復号ソフトウエアによる。バーコードはバーコードリーダと呼ばれる光スキャナによって読み取られうる。このバーコードリーダはプローブビームがバーに入射するとき、黒いバーまたは白いスペースからの光反射を測定する。

その導入以来、バーコードはラベリングおよび在庫管理において必須のものとなっている。最近のバーコードアプリケーションは以下のものを含む。（ａ）生産物のラベリングおよび自動化された検出、（ｂ）発券および許可証、（ｃ）郵便、パッケージ、飛行機の荷物、レンタルカー、および核廃棄物などの動きおよび流れ、（ｄ）イメージング、ファイリングおよびインデクシングを含む文書管理、（ｅ）血液バンク情報システム、（ｆ）蜂の研究における追跡、（ｇ）複数のネットワーク化されたソースからの小包データの収集およびそこへの追跡。当業者であれば、バーコードアプリケーションは現代社会の至る所で見られるようになっていることを理解するであろう。

バーコードリーダはバーコード技術において重要な部分である。従来のリーダは、スキャナと、（ビルトインまたは外部の）デコーダと、デジタル信号を処理する処理デバイス（例えば、コンピュータ）にリーダを接続するのに使用されるケーブルと、からなる。バーコードリーダは光電子工学デバイスであり、例えば非反射性の黒いバーおよび反射性の白いスペースからなるバーコードからの光反射を測定する。市場では異なる種類のバーコードリーダが入手可能であり、それらはバーコードを読み取って復号するために僅かに異なる方法を使用する。バーコードはバーおよびラインで表現されるような１次元的な種類のものであってもよく、または２次元フィールド上に含まれたドットや他の小さくて空間的に制約を受けたシンボルを伴う２次元的なものであってもよい。

バーコードリーダのひとつの形態はペンタイプのリーダであり、そこでは連続波光源および光ダイオードレセプタが例えばペンの先端または棒部内部で互いに隣接する。バーコードを読み出すためには、ペン先がバーを横切って定常的に動かされる。移動する入射光にバーが曝されるときにそのバーから反射して戻ってくる光のパワーの変化が光ダイオードで検出され、それに応答してバーコードにおけるバーおよびスペースのパターンを表す電圧波形が生成される。光ダイオードによって検出された波形はスキャナによって、モールス信号におけるドットおよびダッシュが復号されるのと同じように復号される。

バーコードリーダの別の形態はレーザスキャナであり、それはペンタイプのリーダとほぼ同じように動作する。異なるのは、レーザスキャナは往復動ミラーまたは回転プリズムのいずれか一方を使用してレーザビームをバーコードに亘って行ったり来たりでスキャンすることである。ペンタイプリーダと丁度同じように、バーコードから反射して戻ってくる光のパワーを測定するために光ダイオードが使用される。ペンタイプリーダおよびレーザスキャナの両方において、リーダによって発せられる光はある特定の波長に合わせられており、光ダイオードはこの波長のみを検出するよう設計されている。

リーダの別の形態はＣＣＤリーダであり、そこでは電荷結合デバイス（ＣＣＤ）リーダまたは代替的にＣＭＯＳアクティブピクセルリーダはリーダのヘッドにおいて一列に並ぶ光センサのアレイを使用する。ＣＣＤリーダはバーコードから反射された光を測定し、列の各センサにおける電圧を測定することによってバーコードのパターンと同じ電圧パターンを生成する。ＣＣＤリーダとペンタイプまたはレーザスキャナとの重要な違いのひとつは、ＣＣＤリーダはバーコードからの周辺光の反射を測定するのに対し、ペンまたはレーザスキャナはスキャナ自身に起源を有する特定波長の反射光を測定することである。

リーダの別の形態はカメラベースのリーダであり、そこではカメラがバーコードの２次元画像を取得する。これらは２次元バーコードを読み取るのに特に適しているが、技術的にはどちらのタイプのバーコードであっても読み取ることができる。（例えば最小ラインまたはピクセル間隔に基づく）幾何学的解像度を所与としたとき、２次元バーコードの情報密度は１次元バーコードのそれをはるかに超えうることは理解されるであろう。１次元バーコードは単一の方向にのみスキャンされる。例えば、バーコードの画像は小さなＣＣＤまたはＣＭＯＳカメライメージャによって取得され、デジタル画像処理技術を使用して復号される。

バーコードリーダは多数のアイテムの経過を追うのに役に立つが、従来のバーコード技術では、非常に多くのアイテム（例えば、百万のオーダー）の追跡が要求される場合にはその遅い読み取りおよび復号プロセスのためにスピードが制限される。従来のバーコードリーダは、１秒間に数百スキャン程度のオーダーのスキャンレートを有する。最も速いバーコードリーダであっても１秒間におよそ千スキャン程度のレートが限界である。スキャナにおけるスピードの限界は大きくはバーコードを横切ってソース光をスキャンする必要があることに応じたものであり、イメージングリーダにあってはイメージフレームレートが１秒間のスキャン数を制限する。

従来のデジタル信号処理に従来のバーコードリーダのスピードの限界が組み合わされたとき、非常に多くのアイテムを追跡することが妨げられる。これは特に生命情報工学の分野を含むアプリケーションにおいてそうである。生命情報工学の分野では生来的に、血液バンク、幹細胞バンク、精子バンクおよびＤＮＡ配列バンクなどのように多数のアイテムが管理される必要がある。

例えば、現在、バーコード技術は血液バンク情報システムにおいて使用されている。この技術により、輸血用の人間の血液の収集、処理、貯蔵、および提供を含む安全な献血および輸血サービスが可能となる。正しくない血液成分の輸血が、輸血に伴って最も頻繁に起こる重大事件である。これらの事件に通底するエラーは大抵の場合サンプルの誤認に帰せられる。加速的なグローバリゼーションに直面している現在、非常に多数の血液サンプルを追跡し管理することが重要である。しかしながら、適切な識別のためには、バーコード技術は大量の情報が符号化されることを要求する。そのような情報は例えば患者の病院番号、名字、名前、生年月日、性別、血液型などを含む。このように多くの情報が必要とされることは、現在のスキャナのスピードに対して挑戦的である。特にプローブされたバーコードが大きなデータベースと比較されなければならない場合においてそうである。これにより、スキャンスピードと正確さとのトレードオフということになってしまう。

したがって、スキャンされるべきアイテム上を光が横切る必要なしにより短い時間でバーコードを読み取りかつ変位検出を行うシステムおよび方法が必要とされる。本発明のなかでこれらおよび他の必要は満たされる。本発明は従来開発された走査システムおよび方法の欠点を克服する。

本発明は、ターゲットに向けたビームまたはターゲットからのビームに対してディスパーシブフーリエ変換を行うことに応じてターゲットを読む装置および方法である。ターゲットは符号化されたまたは符号化されていない任意の形態のターゲットを含んでもよく、各種バーコードや固体、液体および／または気体の符号化されていないサンプルを含む。平易化のため、本明細書において「ターゲット」という用語は、そのターゲットに向けられた光ビームの反射または透過に応じてそれについての情報が収集されうる任意のターゲットまたはサンプルを指し示すものとして使用される。

本発明は、バーコード読み取りおよび相関マッチバーコード読み取りに関するアプリケーションに特に適しているが、広範な検出、測定、および読み取りアプリケーションにも適している。本発明の動作は主に、空間ドメインおよび時間ドメインのそれぞれにおけるバーコードのスペクトル符号化および復号を使用する検出に基づく。これにより、数千万のサンプル（例えば、バーコード）を１秒間に読み取り、またデータベース相関マッチ検出することが可能となる。これは従来のバーコードリーダよりも４桁ほど速い。本発明はまた、空間の１以上の次元に亘る光応答の検出および／または測定を伴う高速変位検知を提供する。

平易化のため、本発明は主にバーコードサンプルの読み取りを議論する。そこでは隣接するバーの寸法は決定され、したがってそれらのコーディングを復号して英数字情報を生成することができる。これらのバーコードは、本明細書で説明される光ビームプローブに光学的に応答する任意のバーコード構造を含んでもよい。例えばバーは異なる色や反射性の材料を含んでもよく、またはそうでなければプローブビームに光学的に応答する反射を有してもよい。代替的にまたは追加的に、バーは例えばエッチングされた構造または浮き彫りの構造に応じた変位を含んでもよい。

議論を平易化するために、本発明はサンプルを「読む」ことを議論することとし、これは何が復号されているか、検出されているかおよび／または測定されているかによらない。そして本発明は、バーコードの場合のように符号化された情報を含むサンプルに限定されない。符号化されていないサンプルを「読む」ことは、サンプルの性質を決定することを意味するものとみなされる。この性質は、成分の存在または非存在、サイズ、形、粗さ、向き、流れ、および前記サンプルから反射してくるプローブビームから決定されうるサンプル内の関心のある任意の性質を含む。代替的に、本発明はサンプルを通じての光透過のレベルに応じてサンプルを読むよう構成されうる。そこでは反射光の代わりに透過光によってサンプルの異なる特徴が識別される。加えて、本発明は、追加的な情報が望まれる場合にはひとつのサンプルの反射および透過の両方を別々に検出するよう実装されうる。本発明について教示される技術は、透過光を干渉法的に検出することによって透明な物体の相を解析するためにも使用されうる。

本発明は主に、光イメージング、特に高速変位検知およびバーコード読み取りのための光イメージングに関する。本発明は主に、参照データベースに対して相関マッチ検出を行うことに関する。本発明は特に、空間ドメインおよび時間ドメインのそれぞれにおける１または２次元バーコードのスペクトル符号化および復号に基づくディスパーシブフーリエ変換イメージングおよび光データベース相関の装置および方法に関する。その装置および方法は、広帯域パルスビームにサンプルを曝すこと、および、時間ドメインの波形を光反射的に検出し、好適にはその時間ドメインの波形をデジタル信号に変換することを含む。

この方法では、広帯域パルス光プローブビームを回折格子によって空間的に分光し、バーコードをその広帯域パルス光プローブビームに曝す。その結果、分離された各々の波長の光はバーコードを横切る線に沿ってバーコードの異なる部分に入射する。バーコード情報は反射光のスペクトルに符号化される。バーコードからの反射光は回折格子に戻り、その回折格子はスペクトル分光成分を再結合する。次に反射ビームに群速度分散（ＧＶＤ）を使用して行われるフーリエ変換が適用され、その反射ビームは単一ピクセル光検出器によって検出される。そのフーリエ変換の最中に、内的な光増幅が行われうる。この場合、信号対ノイズ比およびしたがって検出感度を増やすことができる。信号対ノイズ比を改善するために、ホモダイン検出および／または平衡検出が行われてもよい。

好適な実施の形態では、光検出器は光信号を電気信号に変換し、その電気信号は増幅およびデジタル化されうる。光検出器と組み合わせられたディスパーシブフーリエ変換は、スペクトル的に符号化されたバーコード情報である光スペクトルを電気的な時間ドメイン波形にマップし、また全て電気的なスペクトルアナライザに相当する。したがって、本発明の実施の形態は、従来的な分光器（例えば、回折格子およびアレイディテクタ）の必要性を除去し、高い検出感度を提供する。これは特に内的な増幅の組み込みの観点でそうである。

本発明にしたがい、さらにプローブビームを垂直方向に分散させるために、別の分散要素が使用されてもよいことは理解されるべきである。これにより、ビームの周波数がラスター走査を生じるようにビームスペクトルは２次元に広がる。２次元バーコードを読み取る際に使用されるような別の方法は、回折格子を介してプローブビームが入射する横切り線、に垂直な方向にプローブビームが走査されるとき、バーコードの２次元イメージが取得されうることである。本明細書における技術は３次元に拡張されうることは理解されるべきである。ある実施の形態では、直交方向から第２の２次元プローブビームがサンプルに向けられてもよく、その光反射および／または透過が本発明にしたがい取得され処理されてもよい。この場合、３次元におけるサンプルの読み取りおよび解析が提供される。

本発明によると、数百万のバーコードからなる大きなデータベースに対する測定されたバーコードの超高速相関マッチ検出もオプションで可能となる。光検出器の前に電気光学モジュレータが配置された場合、相関マッチ検出が実現される。プローブされたバーコード信号の振幅は、データベースからの既知のバーコードパターンの共役によって変調される。測定されたバーコードがデータベースからのものとマッチする場合、検出信号は相関ピークを示す。連続するレーザパルスから到着する測定信号は、正しいパターンが識別されるまで、データベース中の他のパターンと比較される。光ビームへの変調の前に、データベースパターンはパターンジェネレータまたはデジタルアナログコンバータを使用して共役時系列に変換される。当然、変調データベースパターンは入来測定パターンと同期していなくてはならない。これ以降、走査相関マッチ検出はレーザのパルス繰り返しレートで行われる。相関マッチ検出の使用はオプションであることは明らかである。ディスパーシブフーリエ変換スキャナはそれ無しで使用されうるからである。

光スペクトルを空間にマップするために回折格子を使用することは周知である。空間的に回折された光が対象から反射された場合、対象の反射率パターンは光スペクトル上に符号化される。光スペクトルのマッピングは医療用イメージングにおいて使用されてきた。そこではスペクトル的に符号化された空間情報を電荷結合デバイス（ＣＣＤｓ）を使用して復号する。

本発明の重要な側面のひとつは、（光スペクトル上に符号化された）空間情報を時間ドメインの信号にマップするためにディスパーシブフーリエ変換を使用すること、およびこの技術をバーコード読み取りのために使用することである。ディスパーシブフーリエ変換は、吸光分光法およびラマン分光法における光パルスのスペクトルの測定や光反射率測定や断層映像法に適用されている。ディスパーシブフーリエ変換を使用して光スペクトルを測定することにより、回折格子およびディテクタアレイの必要性が除去される。これらの要素は分散ファイバ、単一の光検出器、およびデジタイザによって置き換えられる。これによりシステムは単純化され、より重要には高速でリアルタイムのバーコード取得が可能となる。

ディスパーシブフーリエ変換の主要な限界であって本発明が克服する限界は、分散性媒体における損失である。光が分散性デバイスを通過する際に生じる望まれない吸収や散乱に起因して損失が生じうる。この損失は、クラマース・クローニッヒの関係式によって課せられる分散と損失との間の密接な関係によって説明されるより根源的な原因をも有する。その原因によらず、損失はシステムの検出感度を制限する。これは、スペクトルから時間への変換のために、スペクトル分解能（およびしたがってバーコードスキャナのイメージピクセルの数）は電気的検出システムの時間分解能によって固定されるということを認識することで理解されうる。言い換えると、デジタイザの電気的な帯域幅がスペクトル分解能を制限し、その関係式は

で与えられる。ここで、Δλは光スペクトル分解能であり、Ｄは全群速度分散であり、ｆ_ｄｉｇはリアルタイム電子デジタイザの入力帯域幅である。Δλ・Ｄの積はデジタイザの帯域幅によって決定される。その結果、スペクトル分解能を増やすためには（すなわち、イメージピクセルの数を増やすためには）、全群速度分散Ｄを増やすよう強制される。

しかしながら、このスペクトル分解能の増大は光損失の増大および検出感度の低減という犠牲のもとに達成される。したがって、高い検出感度および高いスペクトル分解能が望まれる場合、分散要素における損失が中心的な課題である。バーコード空間情報が光スペクトル上に符号化されるので、分散要素の損失はイメージピクセルの数および検出感度に制限を課す。長い信号積分時間を使用すれば感度を改善できるが、これはバーコード読み取りのスピードを制限する。したがって、分散要素における損失は、検出感度、イメージピクセルの数、および走査スピードの間のトレードオフを生成する。レーザのパワーを増やすことは、望まれない非線形の信号歪みが生じうるので魅力的な解ではない。

本発明は、感度、イメージピクセルの数、および走査スピードの間のトレードオフを克服するために分散要素内で内的な増幅を使用することに依拠する。上記のトレードオフは分散要素における損失を補償することによって克服される。性能の最適化に向けて、バーコードから反射されて戻ってくる信号の強度を増やすために、分散ファイバの中で増幅が行われる。分散要素内での内的増幅は、以前当実験室においてリアルタイムラマンおよび吸光分光法に関連してフェムト秒デジタル化と共に実演された。この増幅は、ひとつ以上のバーコードスキャナの実施の形態の最適化に向けて、本発明に応用される。

分散要素についての望ましい特徴は、高い全分散、低い損失、広い光帯域幅、その帯域幅に亘る滑らかな分散、および商的可用性である。分散補償ファイバ（ＤＣＦ）などの分散ファイバはこれらのパラメータの最適な組み合わせを提供するが、チャープファイバブラッググレーティング（ＣＦＢＧ）などの他のオプションもある。ＣＦＢＧはＤＣＦよりもコンパクトであるが、後者は損失を補償するためのラマン増幅器としても機能しうる。エルビウムがドープされたファイバ増幅器や半導体光増幅器などのディスクリートな光増幅器によっても損失を補償できる。一般的に、分散ファイバ内での分布ラマン増幅は、それがフーリエ変換プロセスを通じて比較的一定の信号レベルを維持する点で好まれる。この比較的一定の信号レベルは、それが信号のパワーを低パワーレジーム（ノイズが大きい）および高パワーレジーム（非線形）から離すことによって信号対ノイズおよび歪み比を最大化する点で、重要である。

半導体光増幅器に対するラマン増幅の利点のひとつは、ラマン増幅はガラスなどのアモルファス媒体において使用された場合自然と広帯域になることである。ゲインスペクトルは多波長ポンプレーザを使用することによってさらに調整されうる。そして驚くべくことではあるが偶然に、非干渉性ポンプ源を使用することによって非常に広帯域のゲインスペクトルが実現されうる。広い光帯域幅は大きな横方向バーコード検出範囲をもたらすので、これは非常に望ましい。ラマン増幅分散要素は、望まれない非線形の信号歪みを潜在的にもたらしうる高出力源の必要性も除去する。

本発明は、以下の記述を含むがそれに限定されない複数の手法で具象化されるものにしたがう。

本発明のある実施の形態は、バーコードを読み取りかつ変位を検知する装置である。この装置は、（ａ）広帯域パルスプローブビームを生成する手段と、（ｂ）光応答信号に基づいて読まれるべきターゲット、に向けられたパルスプローブビームのスペクトルを空間ドメインにマッピングする手段と、（ｃ）光応答信号を時間ドメインの波形に変換するための、光応答信号のディスパーシブフーリエ変換手段と、（ｄ）時間ドメインの波形を検出し解析することによってバーコードパターンおよび／または読まれているターゲット内の変位を決定する手段と、を備える。

本発明の実施の形態では、光応答信号は、ターゲットからディスパーシブフーリエ変換手段へ反射された光エネルギ、または、ディスパーシブフーリエ変換手段へターゲットを透過する光エネルギに応じて生成されうる。加えて、反射光および透過光の両方に基づいてサンプルについての情報を読む組み合わせの実施の形態も実現されうる。

装置は、プローブビームおよび光応答信号を含む光ビームが自由大気を通してまたは光ファイバ（または他の光透過的な構造）を通してもしくは自由大気および光ファイバの組み合わせを通して運ばれるよう、実現されうる。

あるいはまた、装置は、スペクトルを空間（空間分散）にマッピングすることとディスパーシブフーリエ変換（時間分散）との順序を変えることによって、実現されうる。

少なくともひとつの実装において、広帯域パルスプローブビームを生成する手段はパルスを生成するレーザを含む。本発明のあるモードでは、パルスレーザや同様のソースによって生成されるパルス列から選択パルスを取り出す手段を提供するためにパルス取り出し要素がオプションで含まれる。パルスビームプローブは増幅および／またはフィルタリングのオプション手段を含むかまたはそのオプション手段に応じて変更されてもよい。これにより、装置の信号対ノイズ比および検出感度が増大する。同様に、オプションで、サンプルから（例えば、反射光および／または透過光から）受ける光応答信号に増幅および／またはフィルタリングが適用されてもよい。限定ではなく例示を目的として、光増幅は誘導ラマン散乱、半導体増幅器、またはファイバ増幅器を使用して実行されてもよい。さらに、ファイバ増幅器はディスパーシブフーリエ変換手段の前、中、または後に配置されてもよく、一方で連続波光またはパルス光はファイバ増幅器をポンピングすることができる。別のオプション要素は、光源から発せられる光のスペクトル帯域幅を広げるためのスーパーコンティニューム生成手段であり、それは光源の中に組み込まれるかまたは別体のオプション要素として実装されてもよい。

少なくともひとつの実装において、スペクトルを空間ドメインにマッピングする手段は、回折格子やプリズムや仮想的に結像されるフェーズドアレイディスパーサや入来広帯域パルスプローブビームの波長を分離できる同様のものなどの分散要素を含む。

少なくともひとつの実装において、入射プローブ光と同じ経路の一部上で反射光エネルギを検出する場合などでは、ビームを分離するオプション手段が組み込まれる。

少なくともひとつの実装において、ディスパーシブフーリエ変換手段は、分散要素および／またはチャープ光学要素などの群速度分散（ＧＶＤ）を誘起する素子を使用して、光応答信号を時間ドメインの波形に変換する。分散要素および／またはチャープ光学要素は、光応答信号を時間ドメインの波形に変換する際に群速度分散（ＧＶＤ）を誘起するよう構成される。

少なくともひとつの実装において、時間ドメインの波形を検出し解析する手段は、光応答的半導体デバイス（例えば、光ダイオードや光トランジスタなど）などの少なくともひとつの光応答素子またはその電気的特性が受け取る光の性質の変化に応じて変わることで入来光を検出できる任意の他のデバイスを使用する。入来光はディテクタによって変換され、好ましくは処理を単純化するためにアナログ信号をデジタル信号に変えるデジタイザのなかで変換される。しかしながら、直接これらのアナログ信号を処理することに応じて、最初にアナログ信号をデジタル信号に変換することなしにサンプルから少なくとも限定的な情報が読まれうることは理解されるべきである。信号プロセッサはディテクタからの電気信号を解析し、それによってサンプルを読み、またコーディング、空間変位およびサンプルの他の読み取り可能な側面についての情報を提供する。信号プロセッサは、デジタル信号処理を実行するためのソフトウエアと共に構成されたひとつ以上のプロセッサを含むことが好ましい。

少なくともひとつの実装において、装置は、例えば商品の追跡、プリント基板の逐次管理、ハードドライブ（ＨＤＤ）部品のトレーサビリティ管理、コンベヤラインにおける自動並べ替え、ＰＣメディアドライブの追跡、ウエハ生産、またはバーコードが読み取られる任意の事例、などにおいて使用される１または２次元バーコードとしてターゲットを読むよう構成される。

本発明の少なくともひとつの実施の形態では、サンプルからの読み出しは相関の形態を取りうる。そこでは、サンプルの実際の特性がそのサンプルの期待される特性、例えばデータベースから読み出されるものと光学的に比較される。本発明のこの態様はコード化されたサンプルに関して最も良く理解されうるが、バーコードは例えであり限定ではない。相関のひとつのモードでは、（例えば、連続する複数のバーコードの中の）サンプルについて期待されるバーコードを使用してサンプルからの光応答信号を変調する。ここでは、例えばしきい値化に応じて、受信信号から相関を容易に、さらなる解析を行う必要なく、突き止めることができる。少なくともひとつの実装において、光応答信号の電気信号への変換の前に配置された電気光学モジュレータを組み込み、期待されるバーコードパターンをデータベースから受け取りその共役を電気光学モジュレータに適用することによって、相関を提供できる。検出される光応答信号が相関ピークを有する否かに応じて、データベースに対するターゲットの相関マッチ検出が実現される。この相関の少なくともひとつのモードにおいて、現在のターゲットがその中に見いだされるべき一組のターゲットについての情報を含むデータベースからの情報に基づいて相関パターンを生成するためにパターンジェネレータが使用される。振幅モジュレータは光応答信号を変調するよう構成される。振幅変調された光応答信号のしきい値検出手段は、ターゲットとデータベースから受け取られた相関パターンであって光応答信号の振幅を変調するために使用された相関パターンとの正の相関または負の相関を示す。

本発明の実施の形態は、ターゲット（サンプル）から反射された光および／またはターゲットを透過した光に応じて、ターゲットを１次元または２次元のいずれか一方で読むために使用されうる。本発明は、コード化されたターゲット（例えば、光学的に準備ができているバーコードの形態）を読むと共にターゲットに対して高速変位検知を実行するように実装されうる。変位検知によると、ターゲットの形および構成を登録でき、粗い表面を測定でき、幅およびギャップを測定できると共に、物質および／または物理的物体または要素の非存在の存在を登録できることは理解されるべきである。変位検知は本発明と共に、流体内の任意形態の粒子の運動および形態的特徴（例えば、サイズ、形など）を検出および／または測定することによって、フローサイトメトリを実行するために使用されうる。本発明の他の実装では、装置は、光記憶メディア内などでデータによって光符号化されているターゲットを読むよう構成されてもよく、そのような光記憶メディアは、ＣＤ、ＤＶＤ、およびブルーレイディスクで使用されるプロトコルを含むプロトコルにしたがってフォーマットされているメディアを含む。

少なくともひとつの実装において、装置は、生命情報工学、医学標本の追跡、幹細胞バンクの追跡、精子バンク、ＤＮＡ配列バンクにおける使用、または装置内でテストされているサンプルから生物学的情報が読まれる任意の事例からなる応用分野のグループから選択されたひとつのアプリケーションにおいてターゲットを読むよう構成される。

本発明のある実施の形態は装置であり、その装置は、（ａ）パルスプローブビームを生成する広帯域光源と、（ｂ）パルスプローブビームを空間ドメインに変換し、かつ、それを読まれるべきターゲットに向けるスペクトルエンコーダと、（ｃ）ターゲットから反射された光の、またはターゲットを透過した光の空間ドメインを時間ドメインに変換する空間デコーダと、（ｄ）時間ドメインの波形を検出し解析することでパターンを読みおよび／またはターゲット内の変位を決定する信号プロセッサと、を備える。

本発明のある実施の形態はパターンを読みかつターゲットの変位を決定する方法であって、その方法は、（ａ）広帯域光源からパルスプローブビームを生成することと、（ｂ）パルスプローブビームを空間ドメインに変換することと、（ｃ）空間ドメインパルスプローブビームを読まれるべきターゲットに向けることと、（ｄ）読まれているターゲットからの光の空間ドメインを時間ドメインの波形に変換することと、（ｅ）メモリからのプログラムインストラクションを実行するよう構成されたプロセッサ内において、時間ドメインの波形を検出し解析することで、パターンを読みおよび／またはターゲット内の変位を決定することと、を含む。

本発明は複数の有利な態様を提供し、それらの態様は本教示から逸脱することなく別々にまたは任意の所望の組み合わせで実装されうる。

本発明のある態様は、光学的ターゲットからの情報を読む装置および方法である。

本発明の別の態様は、空間ドメインの第１光信号をターゲットに向け、ターゲットから受け取った光を時間ドメインに変換し、時間ドメインの波形を解析すること、に応じてターゲット情報を読む能力を提供する。

本発明の別の態様は、１、２および３次元における情報の読み取りを提供する。

本発明の別の態様は、ターゲットから反射したプローブ光またはターゲットを透過したプローブ光もしくはそれらの組み合わせに応じた情報の読み取りを提供する。

本発明の別の態様は、ターゲットからのバーコード情報の読み取りなどのコード化されたターゲットの読み取りを提供する。

本発明の別の態様は、データベース情報に対するターゲット情報の相関を提供する。

本発明の別の態様は、光信号を変調し、応答に係る時間ドメインの波形のなかで相関ピークをチェックすることに応じたターゲット相関を提供する。

本発明の別の態様は、ターゲット（サンプル）から、種々の符号化されたまたは符号化されていない形態の情報を読み取ることを提供する。

本発明のさらに別の態様は、装置および方法は、１および２次元バーコードなどの広範なコード化されたターゲットに適用可能であると共に、サンプルの構成要素の存在、変位、構成、動きなどに基づく情報を含むサンプルについての情報を収集することにも適用可能であることである。

本発明のさらなる態様は本明細書の以下の部分において明らかになるであろう。詳細な説明は、本発明の好適な実施の形態を、本発明に限定を課すことなく十分に開示することを目的とする。

本発明は、説明のみを目的とする以下の図面を参照することでより十分に理解されるであろう。

本発明のある態様に係る、ディスパーシブフーリエ変換反射率測定を実行する方法のある実施の形態のフローチャートである。

本発明のある実施の形態に係る、１次元ディスパーシブフーリエ変換反射率測定を実行する装置の模式的なブロック図である。

本発明のある実施の形態に係る、１次元ディスパーシブフーリエ変換反射率測定およびデータベース相関マッチ検出を実行する装置の模式的なブロック図である。

本発明のある実施の形態に係る、２次元ディスパーシブフーリエ変換反射率測定を実行する装置の模式的なブロック図である。

本発明のある実施の形態に係る、２次元ディスパーシブフーリエ変換反射率測定およびデータベース相関マッチ検出を実行する装置の模式的なブロック図である。

本発明のある態様に係る、図２のディスパーシブフーリエ変換反射率測定装置のある実施の形態の模式図である。図６は、圧電変換器（ＰＺＴ）サンプルに対する検出を示す。

テストサンプルの投影図（orthogonal view）である。特に、テストサンプルは、２つの隣接するアルミニウム薄膜を伴い二酸化ケイ素によって保護されているシリコン導波路である。図７は、バーコード以外のターゲットへの本発明の使用を説明する。

本発明のある態様に係るサンプルから反射したプローブ光スペクトルを、参照として使用されたミラーから反射した光スペクトルとの比較で比較したグラフである。

本発明のある態様に係る、図７に示されるサンプルについての較正された反射率プロファイルのグラフである。

本発明のある態様に係る、図７のサンプルについての較正された反射率プロファイルのグラフである。このグラフは走査されているサンプルの物理的な並進（動き）に応じて示されている。

本発明のある態様に係る、異なる増幅のレベルに応じて示される、サンプルから反射されてきたプローブ光からのスペクトルのグラフである。

本発明のある実施の形態にしたがって示される、図２のディスパーシブフーリエ変換バーコード読み取り測定の模式図である。

本発明のある態様に係る、シングルショット１次元バーコード測定のグラフである。図１３は、サンプルバーコードにおいて存在するようなバーの背景と共に示される。

本発明のある実施の形態にしたがって示される、図４の２次元ディスパーシブフーリエ変換反射率測定の模式図である。

本発明のある実施の形態にしたがって示される、ディスパーシブフーリエ変換透過率測定の模式図である。

より具体的に図を参照すると、説明を目的として、本発明は主に図１から図１５に示される装置に具現化される。本明細書において開示される基本的な概念から逸脱することなく、装置は構成に関しておよび部分の詳細に関して変わりうること、および、方法は特定のステップおよびシーケンスに関して変わりうることは理解されるであろう。

図１は、ディスパーシブフーリエ変換反射率測定の方法の実施の形態１０であり、１または２次元バーコード読み取り、および、オプションで既知のデータベースに対する相関マッチ検出を実行するために必要なステップをまとめている。本実施の形態によると、ブロック１２において回折格子を通じてバーコードを広帯域パルスに曝すと、空間的に分散されたスペクトルがバーコードに入射する。ブロック１４では、その結果バーコードから反射された光が回折格子に戻り、回折格子はパルスを再形成し、その光はディスパーシブフーリエ変換によって時間ドメインの波形に変換される。ブロック１６では、スペクトル的に符号化されたバーコード情報の参照データベースに対する相関マッチ検出が光学的にオプションで行われる。これは、パターンジェネレータによって入力が与えられる光モジュレータでそのバーコード情報を変調することによって行われる。ブロック１８では、光信号が光検出器によって検出され、その電気信号が例えばデジタル信号プロセッサによって時間ドメインで解析される。

ブロック１２を参照すると、光源はバーコードに向けられたスーパーコンティニュームであることが好ましい。一般にスーパーコンティニューム生成は、レーザ光が非常に広いスペクトル帯域幅を有する（例えば、低い時間相関性を有する）光に変換されるプロセスとして説明されうることは理解される。スペクトルを広げることは通常、光パルスを光ファイバなどの非線形性が強いデバイスを通じて伝搬させることによって達成される。スーパーコンティニュームは高いピークパワーを有するパルスレーザを高非線形ファイバに通すことによって生成されてもよい。あるいはまた、例えばチタン・サファイアレーザから生じるような、広い帯域幅を有する超短パルスレーザによって光源が生成されてもよい。プローブビームは回折格子に到達する前に光学的に増幅されフィルタされてもよい。

プローブビームの帯域幅は広くあるべきであり、ある場合ではできるだけ広いことが好ましい。回折格子の回折の角度範囲およびバーコード上で分解できる点の数は帯域幅と共に増大するからである。スペクトル帯域幅は、ターゲットと同程度の大きさであると共に装置が許容する程度の大きさであってもよい。帯域幅は、時間的に分散された連続パルスが時間軸上で重なり合わない程度まで広くされうる。また、光学要素と共に光ダイオードなどの装置の各部材にも限界が存在することは理解される。加えて、ターゲット自身はある特定のスペクトル範囲内において最も良く分解される。例えば可視スペクトルにおいてバーコードからはっきりと検出されるものは、スペクトルの赤外部分に移動すると表れなくなるかもしれない。典型的には、帯域幅は、可視から近赤外範囲における６５０から１１００ｎｍなどの範囲、または可視、可視から紫外、可視から赤外、近赤外、近紫外などの中の同様の範囲の中にあってもよい。

回折格子に入射したプローブビームは空間的に分散され、プローブビームの波長が分離される。分散光は次に円柱レンズまたは別の回折格子によってコリメートされ、バーコードに入射する。バーコードからの反射は回折格子に戻り、そこでパルスが再形成される。

ブロック１４を考えると、分散要素、チャープ光学要素、または同様のものなどの任意の所望の光学要素またはそれらの組み合わせによって群速度分散を誘起（チャープ）してフーリエ変換を実行し、これにより反射光信号のディスパーシブフーリエ変換手段を提供できる。この分散要素は、反射光信号の群速度分散を誘起する光学要素を含む。チャープ反射応答は、ブラッグ波長が例えばチャープミラーなどのチャープ光学素子の構造内で一定ではなく変化し、異なる波長の光がミラー構造の中へ異なる度合いで侵入ししたがって異なる群遅延を受けることであることは理解されるべきである。分散要素は、光ファイバ、バルクの結晶、チャープミラー、またはチャープファイバブラッググレーティングであってもよい。分散要素内での分散は、周波数ドメインの信号を時間ドメインの波形に変換する。バーコードから反射された光の構成周波数であってバーコードを横切る線に沿ったバーコードの異なる点に対応する構成周波数は、バーコードの異なる点から反射された光が時間ドメインの波形にマップされうるように時間的に分配される。分散要素が広帯域光によって光ポンピングされる場合、フーリエ変換中に信号光が誘導ラマン散乱によって光増幅されてもよい。あるいはまた、反射光はラマン増幅器またはエルビウムがドープされたファイバ増幅器によって分散要素の前で光増幅されてもよい。この場合分散要素は光増幅されてもよいしされなくてもよい。

ブロック１６では、データに対して検出をマッチさせるのに使用される光相関が示される。これを変形することで、大きなデータベースに伴う一連の相関検出動作が実行されうることは理解されるべきである。ブロック１４の通りにフーリエ変換された時系列バーコード信号は振幅モジュレータによって変調される。例えば、変調信号はパターンジェネレータによって供給され、そのパターンジェネレータは共役時系列において白いスペースおよび暗いバーに対応する０および１の列（バーコードのコーディングとは逆）を生成する。その結果、モジュレータが入力バーコード信号の振幅を相殺する場合のみ振幅モジュレータの透過はゼロとなるので、正の相関が検出される。

ブロック１８を参照すると、参照データベースとの相関マッチ検出が必要でない場合、ブロック１４における反射信号は光検出器によって直接検出されうる。それが必要とされる場合、光検出器はブロック１６における振幅モジュレータの透過を検出する。光検出器出力信号はデジタイザによってデジタル化され、そのデジタイザはある繰り返しレートにあるプローブビームのパルス列によって適切にトリガされる。測定されたバーコードがデータベース内のバーコードであってその信号が振幅モジュレータに入力されたバーコードにマッチするのは、デジタイザ上の信号がゼロの場合のみである。データベース内のバーコードと測定されたバーコードとの相関検出はパルスごとに行われる。言い換えると、測定されたバーコードと多くのバーコードとの相関検出はレーザパルス列の繰り返しレートで行われる。

図２は、本発明に係る、１次元ディスパーシブフーリエ変換反射率測定の例示的実施の形態２０を示す。装置はバーコード検知と共に広範な高速形態の変位検知や同様のアプリケーションに利用されてもよいことは理解されるべきである。加えて、読まれるべき、検出されるべきおよび／または測定されるべきターゲットに向けられたビーム（パルスプローブビーム）およびその反射された光信号は、自由大気を通して、光ファイバなどの光透過的なメディアまたはデバイスを通して、またはそれらの組み合わせを通して運ばれる。

一般に、広帯域パルスプローブレーザ２２などの広帯域パルスプローブビームを生成する手段は、ターゲットから反射された光信号からターゲットに向けられた光信号を分離する手段３２に向けられる。この光信号を分離する手段３２は例えば、読まれているターゲットから反射された光を取り出す光サーキュレータを含む。オプション要素２４、２６および２８は後述される。

パルス流は、パルスプローブビームのスペクトルのフーリエ変換マッピング手段３４によって空間ドメインに変換される。これは例えば回折格子または同様の光学要素（例えば、プリズム、仮想的に結像されるフェーズドアレイディスパーサ、および／または同様のもの）を使用することに応じてなされる。回折格子または同様の光学要素は、プローブビームを空間的に分散させ、バーコード３８などの読まれているターゲットに亘って、１次元的に横切る線上または細長いパターン上にプローブビームの波長を分解する。あるいはまた、システムは他のターゲットの１または２次元的側面を読み、検出し、および／または測定するよう構成されうる。他のターゲットは、材質および／または変位に応じて反射率の差を提供する。

レンズなどのパルスプローブビームをコリメートする手段３６は、バーコードターゲット３８上にプローブビームをコリメートするかまたは集束させる。バーコード情報はバーコード３８から反射された光のスペクトルのなかにスペクトル的に符号化される。バーコード３８からの反射は回折格子３４に戻り、パルスを形成する。光サーキュレータ３２は反射を（増幅）ディスパーシブフーリエ変換器４０に向け、その反射をレーザ源２２へ戻っていくことから分離する。次に、反射光信号を時間ドメインの波形に変換するために、反射光信号のディスパーシブフーリエ変換手段によって反射は時間ドメインの波形４０にフーリエ変換される。オプションで、ディスパーシブフーリエ変換プロセスのなかで光増幅が実行されてもよい。この場合、分散プロセスに起因する不可避の光損失が増幅によって補償される。ディスパーシブフーリエ変換４０の出力は、時間ドメインの波形を検出し解析することでバーコードパターンおよび／または読まれているターゲット内の変位を決定する手段によって受け取られる。この検出および解析手段は、光ディテクタ４２、オプションのフィルタ４４、オプションの増幅器４６、デジタイザ４８を含むものとして説明される。時間ドメインの波形はそれらを通じて方向付けられ、任意の所望の態様で実装されたデジタル信号プロセッサなどのデジタル信号処理を実行する手段５０によって解析される。

本発明の教示から逸脱することなく、広帯域パルスビームは数多くの手法で生成されうることは理解されるべきである。例えば、本発明はパルスレーザを使用することに特に適する。レーザのスペクトル応答は、スーパーコンティニュームを生成するためのデバイスを使用することに応じて望むとおりに強化されうる。

図２に示される実施の形態において、レーザパルス繰り返しレートが高くて連続するパルスがディスパーシブフーリエ変換４０の後で重なり合う場合、オプションのパルスピッカー２４を使用することによってパルス列を低減できる。加えて、パルスレーザ２２からの光パルスを増幅するためおよびオプションのスーパーコンティニュームジェネレータ２８をポンピングするために、オプションの光増幅器２６が使用されてもよい。最初のレーザ２２パルスが既にスーパーコンティニュームを生成するのに十分なほど強力である場合には、オプションの増幅器２６は要求されないかもしれない。また、最初のパルスが非常に広い帯域幅を有する場合、増幅器２６および／またはスーパーコンティニュームジェネレータ２８は必要でないかもしれない。例えば、チタン・サファイアモードロックレーザは非常に広い帯域幅（＞１００ｎｍ）を有する超速パルス（＜１０ｆｓ）を生成できる。放射のスーパーコンティニュームはオプションのバンドパスフィルタ３０を通過してもよい。

光ディテクタ４２は、（増幅）フーリエ変換４０の出力からの光子を電気信号に変換できる光ディテクタであることが好ましい。光ディテクタ４２は、光ダイオード、アバランシェ光検出器、または光信号を電気信号に変換するよう構成された同様のデバイスであってもよい。光ディテクタ４２からの電気信号は、その帯域幅を制限するためにフィルタされてもよい。これは例えばオプションの電気フィルタ４４を使用し、オプションでその信号を電気増幅器４６によって増幅することによってなされる。帯域幅を必要なものにのみ制限することによって、次のアナログデジタル変換に導入されるノイズを制限できることは理解されるであろう。そして信号はデジタイザ４８によってデジタル化されてもよい。また信号は、デジタル信号プロセッサ５０またはコンピュータで処理または解析され、表示され、および記憶されてもよい。

装置および方法は、可能なプローブ波長帯の広い範囲に亘って実現されうることは理解されるであろう。例えば、通信用レーザまたは１３００から１６００ｎｍの間で動作する増幅器を使用することで、高いピークパワーのプローブパルスを生成できる。また、通信用レーザの周波数を２倍（第２高調波生成）または３倍（第３高調波生成）することで、装置で使用するためのより高い周波数を生成することも可能である。使用できる別のタイプのレーザは、チタン・サファイアレーザである。このチタン・サファイアレーザは、６５０から１１００ｎｍの間の、より典型的には８００ｎｍ付近の波長の高いパワーの短パルスを提供する。これらのレーザのタイプが好ましいが、種々の他のタイプのレーザ源が使用されてもよい。

図３は、１次元ディスパーシブフーリエ変換反射率測定およびデータベース相関マッチ検出を実行する例示的な実施の形態５２を示す。図３は、パターンジェネレータ７４および振幅モジュレータ７６を含む点を除いて図２のものと同じであることが分かる。パターンジェネレータ７４および振幅モジュレータ７６は、マッチされるバーコード７０の参照データベースに対する相関マッチ検出を行うために使用される。

広帯域パルスプローブレーザ５４は、オプションのパルスピッカー５６、オプションの光増幅器５８、オプションのスーパーコンティニュームジェネレータ６０およびオプションの光フィルタ６２を通して案内され、光サーキュレータ６４を通して案内され、回折格子６６へとそしてレンズ６８へとそしてターゲットバーコード７０または変位検知ターゲットまたはターゲットへと導かれる。光サーキュレータ６４は入射波および反射波を分離する。回折格子６６はプローブビームを空間的に分散させ、１次元的に横切る線上または細長いパターン上にプローブビームの波長を分解する。ターゲットバーコード７０から反射された光はレンズ６８、グレーティング６６を通過し、光サーキュレータ６４によってディスパーシブフーリエ変換７２へ送られ、振幅モジュレータ７６に至る。振幅モジュレータ７６は、パターンジェネレータ７４からも信号を受け取る。振幅モジュレータ７６からの出力はディテクタ７８に送られ、そのディテクタ７８の出力はオプションのフィルタ８０およびオプションの増幅器８２を通過してデジタイザ８４に至り、信号処理手段８６によって処理される。

パターンジェネレータ７４は（例えば、０および１からなる）デジタルバーコードパターンを生成し、それを共役時系列において振幅モジュレータ７６に入力する。パターンジェネレータ７４によって生成されるバーコードパターンは、装置がアイテムのバーコードを読む状況において、そのようなアイテムについての情報を含むデータベースからのものと見なされる。パターンジェネレータ７４によって生成されたバーコードパターンが読まれているバーコード７０のパターンとマッチする場合にのみ、振幅モジュレータ７６の透過はゼロになる。各パルスが振幅モジュレータに到着するたびに、データベース内の異なるパターンを振幅モジュレータに入力し、データベース内の全ての参照バーコードをテストバーコードと比較し、どれがテストバーコードとマッチするかを見る。

図４は、２次元ディスパーシブフーリエ変換反射率測定の例示的な実施の形態８８を示す。図２および図３は１次元反射性測定を実行するための概略図を示すが、図４は２次元反射性測定を実行し、したがって２次元バーコードを読み取るための概略図を示す。

図を参照すると、広帯域パルスレーザ９０は、オプションのパルスピッカー９２、オプションの光増幅器９４、オプションのスーパーコンティニュームジェネレータ９６およびオプションの光フィルタ９８を通して案内され、光サーキュレータ１００を通して案内され、第１のレンズ１０２、ディスパーサ１０４、第２のレンズ１０６および回折格子１０８へとそして２次元（２Ｄ）バーコード１１０または変位検知ターゲットまたはターゲットなどのターゲットへと導かれる。光サーキュレータ１００は入射波および反射波を分離する。ターゲット１１０から反射された光はグレーティング１０８、レンズ１０６、ディスパーサ１０４、レンズ１０２と逆戻りし、光サーキュレータ１００によってディスパーシブフーリエ変換１１２へ送られ、光ディテクタ１１４に至る。その光ディテクタ１１４の出力はオプションのフィルタ１１６およびオプションの増幅器１１８を通過してデジタイザ１２０に至り、信号処理手段１２２によって処理される。

図４の要素をより詳細に考えた場合、本実施の形態は好適には、広帯域パルスを円柱レンズ１０２で仮想的に結像されるフェーズドアレイ（ＶＩＰＡ）ディスパーサ１０４上に集束させる。この仮想的に結像されるフェーズドアレイディスパーサ１０４は例えば、ビームが入射する正面領域に反射防止コーティングが施され、正面側の残りの部分に高反射率の（約１００％）コーティングを有し、背面側に部分的に高反射率の（典型的には９５％程度）コーティングを有するガラス板を含む。ＶＩＰＡディスパーサ１０４は、ビームウエストの個々の虚像から発するビームのアレイを生成する。このビームウエストは、入射ビームの最初の反射が起こる背面の点に位置する。これらのビームは干渉し、コリメートされたビームを形成する。このコリメートされたビームは球面レンズ１０６によって集束する。

回折格子１０８は、ＶＩＰＡディスパーサ１０４が生成した分散の方向と垂直な方向に沿って、入射ビームの縮退した周波数を分離する。これにより、２次元面内におけるターゲットサンプル１１０（または２Ｄバーコード）上の多くの集束点からなるビームが生成される。ターゲットサンプル１１０上の点は広帯域ビームの異なる周波数成分に対応し、サンプル１１０上における解読可能な点を形成する。サンプル１１０からの広帯域ビームの異なる周波数成分の反射は光サーキュレータ１００まで戻り、サンプル１１０の２次元反射率がスペクトル的に符号化されるパルスを形成する。（増幅）ディスパーシブフーリエ変換１１２は、入力スペクトルを時間ドメインの波形にマップする。ディスパーシブフーリエ変換１１２は、変換プロセス中の光損失を補償するために光増幅されてもよい。したがって、（増幅）ディスパーシブフーリエ変換の出力は、２次元サンプルからの反射がラスター走査の場合と幾分似通った態様でスペクトル的に符号化される時間波形である。

図５は、２次元ディスパーシブフーリエ変換反射率測定およびデータベース相関マッチ検出の例示的な実施の形態１２４を示す。図のように取得された２次元反射イメージは１次元時間波形に変換され、パターンジェネレータ１５０および振幅モジュレータ１５２を使用する相関マッチ検出によって参照データベースと比較されうる。これは、図３のように１次元ターゲットを読む場合と同様にして行われる。

図を参照すると、広帯域パルスレーザ１２６の出力は、オプションのパルスピッカー１２８、オプションの光増幅器１３０、オプションのスーパーコンティニュームジェネレータ１３２およびオプションの光フィルタ１３４を通して案内され、光サーキュレータ１３６を通して案内され、第１のレンズ１３８（例えば、円柱レンズ）、ディスパーサ１４０、第２のレンズ１４２（例えば、球面レンズ）および回折格子１４４へとそして２次元（２Ｄ）バーコードまたは変位検知ターゲットまたはターゲットなどのターゲット１４６へと導かれる。ターゲット１４６から反射された光はグレーティング１４４、第２レンズ１４２、ディスパーサ１４０、第１レンズ１３８と逆戻りし、光サーキュレータ１３６によってディスパーシブフーリエ変換１４８へ送られる。フーリエ変換１４８からの出力は振幅モジュレータ１５２に導かれ、その振幅モジュレータ１５２はパターンジェネレータ１５０から入力される信号を受ける。モジュレータ１５２からの出力は光ディテクタ１５４に導かれ、その光ディテクタ１５４の出力はオプションのフィルタ１５６およびオプションの増幅器１５８を通過してデジタイザ１６０に至り、デジタル信号処理１６２によって処理される。

上述の実施の形態は、２次元ディスパーシブフーリエ変換反射率測定を説明する後述の図（図１３）において図示される。サンプルはリードバック（readback）の関心対象となるいかなるものを含んでもよく、例えばそれは２次元バーコードであるが、それは例として示されているのであって限定するものではないことは、再度強調されるべきである。

以下に、本発明の実施の形態に対して行われた実際のテストについて議論する。

図６は、図２のディスパーシブフーリエ変換反射率測定装置の単純化された実装１７０を示す。ここでは圧電変換器（ＰＺＴ）上のサンプルが使用される。同じ符号は図２に示される同じ機能を示す。広帯域パルスレーザ源５４はファイバ１７２と結合され、光サーキュレータ６４を通じてかつターゲット側ファイバ１７４を通じてファイバコリメータ１７６と結合される。コリメータ１７６から出力された自由空間ビーム１７８は回折格子３４に導かれ、回折格子３４は分散パターン１８２を生成し、分散パターン１８２はレンズ３６を通過し、マウント１８８と結合された圧電並進ステージ１８６上のサンプル３８に導かれる。図２に関連して説明されたように、反射光はセットアップを逆戻りし、光サーキュレータ６４によって測定ファイバ１９０へと分離される。その測定ファイバ１９０から、分散補償ファイバ（ＤＣＦ）を使用してディスパーシブフーリエ変換が行われる。例示を目的とし限定を目的とせずに、ＤＣＦ４０の入力には、ファイバ１９４と結合された第１波長分割多重化器（ＷＤＭ）１９２があり、その第１波長分割多重化器（ＷＤＭ）１９２は第１ポンプ源へ取り付けるためのものであるというように、ＤＣＦ４０が示される。ＤＣＦ４０の出力には、ファイバ１９８と結合された第２波長分割多重化器（ＷＤＭ）１９６があり、その第２波長分割多重化器（ＷＤＭ）１９６は第２ポンプ源へ取り付けるためのものである。フーリエ変換出力は、光ダイオードとして描かれているディテクタ４２に導かれ、ここではオシロスコープとして描かれている測定デバイス２００に導かれる。示されるテストセットアップでは、オシロスコープによって波のパターンを見ることができ、それによりデバイスによって生成される波のパターンがデジタル信号処理デバイスおよび手法を使用して適切に登録されうるかを評価することができることは認識されるであろう。オシロスコープは光装置のテストにおいて使用されたのであり、自動化されるアプリケーションではコンピュータプロセッサデバイスを利用して信号を解析し、したがって装置の残りの部分から受ける信号に応じてターゲットを読みうることは明確に理解されるであろう。

この例示的な実施の形態における光源５４は、１５６０ｎｍの中心波長、１００ＭＨｚの繰り返しレート、２０ｍＷの平均出力パワーを有するモードロックフェムト秒ファイバレーザを備えていた。レーザ光を高非線形性ファイバに通すことにより、帯域幅を１５ｎｍまで広げることができる。レーザの繰り返しレートはパルスピッカー（図６では不図示）によって２５ＭＨｚまで低減される。パルスピッカーおよびファイバ光サーキュレータの後、ファイバー１７４上のレーザ光は５ｍＷの平均パワーを有する。ファイバコリメータ１７６はレーザ光を自由空間において回折格子３４上にコリメートする。その回折格子３４は、このテストケースでは１２００ライン／ｍｍの溝密度および９０％の反射効率を有する。回折格子はプローブビームの波長を分離することによって広帯域光を空間的に分散させる。

図７は、図６に示されるターゲットを示す。例示を目的として、そのターゲットはシリコン導波路を備え、そのシリコン導波路ではＳｉが二酸化ケイ素によって保護されており、またそのシリコン導波路は隣接するアルミニウム薄膜を有する。本例におけるアルミニウム薄膜セクションは８０μｍ幅として示されており、またそれらの間の５μｍにはシリコンフィンがある。１５６０ｎｍ付近において、ケイ素および二酸化ケイ素は透明であり、アルミニウム薄膜は高い反射性を有する。本発明は広範なターゲットタイプおよびサイズでの使用を受け入れるので、上記のターゲットの測定は測定された結果（後述）が読まれている特定のターゲットにどのように関係するかの理解を可能とする限りにおいてのみ重要である。

図８は、図７のサンプルから反射されたプローブ光のスペクトルと、参照として使用されるミラーのスペクトルと、の比較を示すグラフである。空間的に分散されたビームはレンズによってサンプル上にコリメートされ、そのサンプルはこの例では図７のシリコン導波路である。図６に示されるように、シリコン導波路サンプルは圧電変換器（ＰＺＴ）上に取り付けられる。圧電変換器（ＰＺＴ）は大きな質量を有する光マウントに接続される。

パルスレーザは図６に示されるようにサンプル３８上に導かれ、その反射は回折格子３４を通してファイバコリメータ１７６へ戻る。光サーキュレータは反射光を分散補償ファイバ（ＤＣＦ）へ導く。その分散補償ファイバ（ＤＣＦ）は−１５１２ｐｓ／ｎｍの分散および９ｄＢの光損失を有する。入力スペクトルはサンプルのスペクトル的に符号化された１次元横方向反射率プロファイルであるが、ＤＣＦはその入力スペクトルを時間ドメインの波形にマップする。波長分割多重化器（ＷＤＭｓ）は、１４７０ｎｍのラマンポンプを、ＤＣＦの前で反射光と組み合わせ（第１のＷＤＭ）、またＤＣＦの後で反射光から除去する（第２のＷＤＭ）。

ＤＣＦの時間的に分散された出力を検出するために光検出器が使用され、本例では例えば５０ｐｓの応答時間を有するものが使用された。Ｄ．Ｙｅｌｉｎ、Ｉ．Ｒｉｚｖｉ、Ｗ．Ｍ．Ｗｈｉｔｅ、Ｊ．Ｔ．Ｍｏｔｚ、Ｔ．Ｈａｓａｎ、Ｂ．Ｅ．Ｂｏｕｍａ、およびＧ．Ｊ．Ｔｅａｒｎｅｙによる「Three-dimensional miniature endoscopy」、ネイチャー４４３、７６５（２００６）によって与えられる式によると、グレーティングの溝密度、中心波長、帯域幅、およびプローブビームの直径およびリトロ角（Littrow's angle）に基づくと、分解可能な点の数は約６４である。レーザの繰り返しレート（２５ＭＨｚ）に基づくと、このディスパーシブフーリエ変換イメージングデバイスの時間分解能は４０ｎｓである。

図８において、誘電ミラーサンプルについての反射光のスペクトルは上側のベル型曲線として示される。一方、シリコン導波路についてのスペクトルは下側の曲線で示され、曲線の中間に「ノッチ」または「ディップ」を有する。グラフで示される波長はＸ軸における距離に対して較正されている。２つのスペクトルを比較すると、シリコン導波路についてのものはサンプルの低反射率部に対応するディップを明確に示している。この低反射率部は図７に示されるような、二酸化ケイ素によって覆われたシリコン導波路である。

図９は、図８に示される測定に応じた図７に示されるサンプルの較正された反射率プロファイルを示す。非常に顕著なピークが４０μｍ付近に生じていることが分かるだろう。

図１０は、図７に示されるサンプルの較正された反射率プロファイルの別のグラフを示し、このグラフは、サンプルが圧電並進ステージを使用することによって横方向に走査されるときの異なる時刻において図６のテストセットアップでなされた測定に基づく。測定サンプルの較正された反射率プロファイルは４つの異なる時刻（０μｓ、２５μｓ、５０μｓ、および７５μｓ）において示される。ここでは、ＰＺＴが図６に示される方向にサンプルを並進させるようなランプ関数でＰＺＴは走査される。シリコン導波路はプローブビームのほとんどを透過させるのに対し、アルミニウム薄膜はそのプローブビームを光源に向けて反射する。イメージ取得周期は４０ｎｍであるが、ここでは明確性のために６２５スキャンごとにひとつのスキャン（２５μｓごとにひとつのスキャン）がプロットされている。サンプルの速い変位も明確に取得された。

図１１は、分散ファイバ内での分布ラマン増幅を伴う場合と伴わない場合での、伴う場合は異なるポンプパワーレベルでの、図７のサンプルから反射されたプローブ光のスペクトルを示す。サンプルが弱い反射体である場合、弱い反射信号は光ディテクタの電気的ノイズによってマスクされる可能性がある。図は、弱い反射光のパワーを光増幅することによって信号対ノイズ比を増やすことができることを示す。この実演では、分布ラマン増幅を使用して弱い反射信号をディテクタノイズよりも十分大きくする。図において、異なるポンプパワー（４０ｍＷ、８０ｍＷ、および１２０ｍＷ）での信号の成長は明らかである。

図１２は、図２のディスパーシブフーリエ変換バーコード読み取り装置の例示的な実施の形態２１０を示す。この装置は図６に示される装置と似ているが、異なる集束レンズを使用し、装置を異なるターゲット、特にバーコードサンプルに向けている点で異なる。図６における集束レンズは図１１においては球面レンズに置き換えられた。この球面レンズは例えば本例では１００ｍｍの焦点距離を有する。本例を考えると、ビームの拡大は回折格子上でのスポットサイズを増大するよう変更された。これらの変更により、分解可能な点の数を増やすことができた（１４５）。ここで本例では、超速バーコード読み取りを実演するためにサンプルとしてバーコードが利用されている。

この単純化されたディスパーシブフーリエ変換反射率測定の実装２１０では、装置はバーコードサンプルに向けられている。同じ符号の使用は同じ機能を示す。広帯域パルスレーザ源５４はファイバ１７２と結合され、光サーキュレータ６４を通じてかつターゲット側ファイバ１７４を通じてファイバコリメータ１７６と結合される。コリメータ１７６から出力された自由空間ビーム１７８は回折格子３４に導かれ、回折格子３４は分散パターン１８２を生成し、分散パターン１８２はレンズ２１２を通過し、バーコード２１４上に導かれる。反射光はセットアップを逆戻りし、光サーキュレータ６４によって測定ファイバ１９０へと分離される。その測定ファイバ１９０から、分散補償ファイバ（ＤＣＦ）を使用してディスパーシブフーリエ変換が行われる。例示を目的とし限定を目的とせずに、ＤＣＦ４０の入力には、ファイバ１９４と結合された第１波長分割多重化器（ＷＤＭ）１９２があり、その第１波長分割多重化器（ＷＤＭ）１９２は第１ポンプ源へ取り付けるためのものであるというように、ＤＣＦ４０が示される。ＤＣＦ４０の出力には、ファイバ１９８と結合された第２波長分割多重化器（ＷＤＭ）１９６があり、その第２波長分割多重化器（ＷＤＭ）１９６は第２ポンプ源へ取り付けるためのものである。フーリエ変換出力は、光ダイオードとして描かれているディテクタ４２に導かれ、ここではオシロスコープとして描かれている測定デバイス２００に導かれる。示されるテストセットアップでは、オシロスコープによって波のパターンを見ることができ、それによりデバイスによって生成される波のパターンがデジタル信号処理デバイスおよび手法を使用して適切に登録されうるかを評価することができることは認識されるであろう。

図１３は、図１２のテストセットアップからの波形応答を示す。そこでは、シングルショット１次元バーコード測定のグラフがサンプルバーコードの背景と共に示される。本例では、バーコードサンプルは黒いバーが印刷された透明フィルムからなる。図は、測定されたバーコードの較正された反射率プロファイルを図の上側の較正された長さ軸と共に示す。測定された反射率プロファイルは、たった１７ｎｓ以内で１００１０１０１００を示すバーコードサンプルと容易に比較される（よく一致する）。スキャンレートは２５ＭＨｚであり、これは１回のスキャンには４０ｎｓしかかからないことを示す。この実演は、本発明の実施の形態に係るディスパーシブフーリエ変換バーコード読み取りの実現可能性を強固に確立する。

図１４は、図４に示される２次元ディスパーシブフーリエ変換反射率測定の例示的な実施の形態２５０を示す。この単純化されたディスパーシブフーリエ変換反射率測定の実装では、装置は２次元バーコードまたは他のサンプルに向けられている。

同じ符号の使用は同じ機能を示す。広帯域パルスレーザ源５４はファイバ１７２と結合され、光サーキュレータ６４を通じてかつターゲット側ファイバ１７４を通じてファイバコリメータ１７６と結合される。コリメータ１７６から出力された自由空間ビーム１７８は、好適には円柱レンズである第１のレンズ２５２を通じて、高分解能の仮想的に結像されるフェーズドアレイ（ＶＩＰＡ）ディスパーサ２５４へ導かれる。フェーズドアレイ（ＶＩＰＡ）ディスパーサ２５４の出力２５６は、好適には球面レンズである第２のレンズ２５８を通じて導かれて回折格子２６２に当たる。回折格子２６２は２Ｄ虹または分散パターン２６４を生成し、それはサンプル２６６に当たる。反射光はセットアップを逆戻りし、光サーキュレータ６４によって測定ファイバ１９０へと分離される。その測定ファイバ１９０から、分散補償ファイバ（ＤＣＦ）を使用してディスパーシブフーリエ変換が行われる。例示を目的とし限定を目的とせずに、ＤＣＦ４０の入力には、ファイバ１９４と結合された第１波長分割多重化器（ＷＤＭ）１９２があり、その第１波長分割多重化器（ＷＤＭ）１９２は第１ポンプ源へ取り付けるためのものであるというように、ＤＣＦ４０が示される。ＤＣＦ４０の出力には、ファイバ１９８と結合された第２波長分割多重化器（ＷＤＭ）１９６があり、その第２波長分割多重化器（ＷＤＭ）１９６は第２ポンプ源へ取り付けるためのものである。フーリエ変換出力は、光ダイオードとして描かれているディテクタ４２に導かれ、ここではオシロスコープとして描かれている測定デバイス２００に導かれる。示されるテストセットアップでは、オシロスコープによって波のパターンを見ることができ、それによりデバイスによって生成される波のパターンがデジタル信号処理デバイスおよび手法を使用して適切に登録されうるかを評価することができることは認識されるであろう。検出される１Ｄ時間ドメインデータはデジタル的に２Ｄマトリックスに並べ替えられる。この２Ｄマトリックスはサンプルの２Ｄイメージを表す。

図１５は、ディスパーシブフーリエ変換透過率測定装置の単純化された実装２７０を示す。この実装２７０は図６他に示されるものと同様であるが、反射光の代わりにサンプルを通過した透過光を読むものである。透過光を読むことは反射光を読む実施の形態と組み合わせられてもよく、それによって反射光および透過光の両方が登録されてもよいこと、およびそれは技術のアプリケーションを選択するのに適しているかもしれないことは理解されるべきである。サンプル３８はスペースとして示されており、解析中はそのスペースの中にサンプルが保持され、含まれ、またはサンプルがそのスペースの中を通過する。他の各実施の形態と同様に、サンプルは、コード化された表面、固体物質、液体、または気体物質、またはそれらの組み合わせであってもよいことは理解されるべきである。

同じ符号は他の図において示される同じ機能を示す。広帯域パルスレーザ源５４はファイバ１７２と結合され、ファイバコリメータ１７６と結合される。コリメータ１７６から出力された自由空間ビーム１７８は第１の回折格子３４ａに導かれ、第１の回折格子３４ａは分散パターン１８２を生成し、分散パターン１８２は第１のレンズ３６ａを通過し、サンプル３８上に導かれる。サンプル３８を透過した光は第２のレンズ３６ｂを通じて第２の回折格子３４ｂ上に導かれ、コリメータ２７２および測定ファイバ２７４に導かれる。その測定ファイバ２７４から、分散補償ファイバ（ＤＣＦ）４０を使用してディスパーシブフーリエ変換が行われる。例示を目的とし限定を目的とせずに、ＤＣＦ４０の入力には、ファイバ１９４と結合された第１波長分割多重化器（ＷＤＭ）１９２があり、その第１波長分割多重化器（ＷＤＭ）１９２は第１ポンプ源へ取り付けるためのものであるというように、ＤＣＦ４０が示される。ＤＣＦ４０の出力には、ファイバ１９８と結合された第２波長分割多重化器（ＷＤＭ）１９６があり、その第２波長分割多重化器（ＷＤＭ）１９６は第２ポンプ源へ取り付けるためのものである。フーリエ変換出力は、光ダイオードとして描かれているディテクタ４２に導かれ、信号処理デバイス２８０に導かれる。

したがって、サンプルを透過する光は一般に反射光の補完物と見なされうることは理解されるであろう。サンプルにぶつかる光は反射されるかまたは透過するかのいずれか（光が吸収されない場合の話であるが、光の吸収は選択された形態のサンプルにおいてのみ生じる）であるからである。干渉分光法について、図１５に示されるセットアップの変形例が適用されうる。この場合、信号処理装置によって、装置の残りの部分を通じて受け取る光に応じて、透明物体の相が検出される。

以下のセクションは、例示を目的とし限定を目的とせずに、本発明について本明細書で説明された複数の実装、モードおよび特徴をまとめるものである。本発明は１以上の次元においてターゲットを読む方法および装置を提供する。パルスプローブビームはそのターゲットに導かれる。発明に関する教示は種々の装置およびアプリケーションに適用されうる。本発明は特に以下の独創的な実施の形態を含む。

１．バーコードを読み取りかつ変位を検知する装置であって、
（ａ）広帯域パルスプローブビームを生成する手段と、
（ｂ）光応答信号に基づいて読まれるべきターゲット、に向けられた前記パルスプローブビームのスペクトルを空間ドメインにフーリエ変換マッピングする手段と、
（ｃ）前記光応答信号を時間ドメインの波形に変換する、前記光応答信号のディスパーシブフーリエ変換手段と、
（ｄ）前記時間ドメインの波形を検出し解析することによってバーコードパターンおよび／または読まれているターゲット内の変位を決定する手段と、を備える装置。

２．前記光応答信号は、ターゲットから前記ディスパーシブフーリエ変換手段へ反射された光エネルギ、または、前記ディスパーシブフーリエ変換手段へターゲットを透過する光エネルギに応じて生成される、実施の形態１に記載の装置。

３．前記プローブビームおよび前記光応答信号は、自由大気を通してまたは光ファイバを通してもしくは自由大気および光ファイバの組み合わせを通して運ばれる、実施の形態１に記載の装置。

４．前記広帯域パルスプローブビームを生成する前記手段はパルスを生成するレーザを含む、実施の形態１に記載の装置。

５．広帯域パルスプローブビームを生成する前記手段によって生成されるパルス列から選択パルスを取り出す手段をさらに備える、請求項１に記載の装置。

６．前記パルスプローブビームの信号対ノイズ比および検出感度を増やすために、広帯域パルスプローブビームを生成する前記手段と結合された増幅および／またはフィルタリング手段をさらに含む、実施の形態１に記載の装置。

７．広帯域パルスプローブビームを生成する前記手段は、光源から発せられる光のスペクトル帯域幅を広げるために、スーパーコンティニューム生成手段を含む、実施の形態１に記載の装置。

８．スペクトルを空間ドメインにフーリエ変換マッピングする前記手段は分散要素を含む、実施の形態１に記載の装置。

９．フーリエ変換マッピングする前記手段は分散要素によって実行され、その分散要素は前記パルスプローブビームの波長を分離するための回折格子を含む、実施の形態１に記載の装置。

１０．フーリエ変換マッピングする前記手段はプリズムを含む分散要素によって実行される、実施の形態１に記載の装置。

１１．フーリエ変換マッピングする前記手段は仮想的に結像されるフェーズドアレイディスパーサを含む分散要素によって実行される、実施の形態１に記載の装置。

１２．ターゲットから戻る光応答信号からターゲットに向かう前記パルスプローブビームを分離する手段をさらに備える、実施の形態１に記載の装置。

１３．前記光応答信号を時間ドメインの波形に変換する前記ディスパーシブフーリエ変換手段は、群速度分散（ＧＶＤ）を誘起する素子を含む、実施の形態１に記載の装置。

１４．前記ディスパーシブフーリエ変換手段は、前記光応答信号を時間ドメインの波形に変換する際に群速度分散（ＧＶＤ）を誘起する分散要素および／またはチャープ光学要素を含む、実施の形態１に記載の装置。

１５．前記時間ドメインの波形を検出し解析する前記手段は、
（ａ）少なくともひとつの光応答素子と、
（ｂ）前記光応答素子と結合されたデジタイザであって光の波形をデジタル信号に変換するデジタイザと、
（ｃ）ターゲットを読むために前記デジタル信号を解析するデジタル信号プロセッサと、を含む、実施の形態１に記載の装置。

１６．前記ディスパーシブフーリエ変換手段の前、中、または後に光増幅および／または光フィルタリングをさらに備える、実施の形態１に記載の装置。

１７．前記ディスパーシブフーリエ変換手段の前、中、または後に光増幅および／または光フィルタリングをさらに備え、
前記光増幅は誘導ラマン散乱、半導体増幅器、またはファイバ増幅器を使用して実行される、実施の形態１に記載の装置。

１８．前記ディスパーシブフーリエ変換手段の前、中、または後に配置されたファイバ増幅器と、
前記ファイバ増幅器をポンピングする連続波光またはパルス光と、をさらに備える、実施の形態１に記載の装置。

１９．ターゲットに対して光データベース相関マッチ検出を実行する手段をさらに備える、実施の形態１に記載の装置。

２０．前記光応答信号の電気信号への変換の前に配置された電気光学モジュレータと、
光変調を制御するために前記電気光学モジュレータと結合されたデータベースと、をさらに備え、
期待されるバーコードパターンがデータベースから受け取られ、その共役が前記電気光学モジュレータに適用され、
検出される光応答信号が相関ピークを有する否かに応じて、データベースに対するターゲットの相関マッチ検出が実現される、実施の形態１に記載の装置。

２１．実施の形態１に記載の装置であって、光データベース相関を実行する前記手段は、

（ａ）現在のターゲットがその中に見いだされるべき一組のターゲット、データベースからの情報に基づいて相関パターンを生成するパターンジェネレータと、
（ｂ）前記パターンジェネレータと結合された振幅モジュレータであって光応答信号を変調する振幅モジュレータと、
（ｃ）ターゲットと前記データベースから受け取られた相関パターンであって前記光応答信号の振幅を変調するために使用された相関パターンとの正の相関または負の相関を示すために、振幅変調された光応答信号をしきい値検出する手段と、を含む。

２２．前記装置はターゲットを１次元または２次元のいずれか一方で読むよう構成される、実施の形態１に記載の装置。

２３．前記装置は、商品の追跡、プリント基板の逐次管理、ＨＤＤ部品のトレーサビリティ管理、コンベヤラインにおける自動並べ替え、ＰＣメディアドライブの追跡、またはウエハ生産、において使用されるバーコードとしてターゲットを読むよう構成される、実施の形態１に記載の装置。

２４．前記装置は、生命情報工学、医学標本の追跡、幹細胞バンクの追跡、精子バンク、および／またはＤＮＡ配列バンクにおける使用からなる応用分野のグループから選択されたひとつのアプリケーションにおいてターゲットを読むよう構成される、実施の形態１に記載の装置。

２５．前記装置は、ターゲットに対して高速変位検知を実行する際にそのターゲットを読むよう構成される、実施の形態１に記載の装置。

２６．前記装置は、ターゲットに対して高速変位検知を実行する際にそのターゲットを読むよう構成され、
高速変位検知は、粗い表面の測定および／または幅およびギャップの測定を含む、実施の形態１に記載の装置。

２７．前記装置は、流体内の粒子の運動を検出および／または測定することによって、フローサイトメトリを実行するよう構成される、実施の形態１に記載の装置。

２８．前記装置は、光記憶メディア内で符号化されている反射の差に応じてターゲットを読むよう構成される、実施の形態１に記載の装置。

２９．前記装置は、光記憶メディア内で符号化されている反射の差を含むターゲットを読むよう構成され、
前記光記憶メディアはＣＤ、ＤＶＤ、およびブルーレイディスクを符号化するのに使用されるプロトコルのグループから選択された所望の記憶プロトコルにしたがってフォーマットされている、実施の形態１に記載の装置。

３０．前記装置は物理的物体の存在またはそれがないことを検出するよう構成される、実施の形態１に記載の装置。

３１．（ａ）パルスプローブビームを生成する広帯域光源と、
（ｂ）前記パルスプローブビームを空間ドメインに変換し、かつ、それを読まれるべきターゲットに向けるスペクトルエンコーダと、
（ｃ）ターゲットから反射された光の、またはターゲットを透過した光の空間ドメインを時間ドメインに変換する空間デコーダと、
（ｄ）時間ドメインの波形を検出し解析することでパターンを読みおよび／またはターゲット内の変位を決定する信号プロセッサと、を備える装置。

３２．パターンを読みかつターゲットの変位を決定する方法であって、
（ａ）広帯域光源からパルスプローブビームを生成することと、
（ｂ）前記パルスプローブビームを空間ドメインに変換することと、
（ｃ）前記空間ドメインパルスプローブビームを読まれるべきターゲットに向けることと、
（ｄ）読まれているターゲットからの光の空間ドメインを時間ドメインの波形に変換することと、
（ｅ）メモリからのプログラムインストラクションを実行するよう構成されたプロセッサ内において、前記時間ドメインの波形を検出し解析することで、パターンを読みおよび／またはターゲット内の変位を決定することと、を含む方法。

上述の説明は多くの詳細を含むが、これらは本発明の技術的範囲を限定するものとみなされるべきではなく、本発明の現段階における好適な実施の形態のいくつかについての説明を単に提供するに過ぎないのである。したがって、本発明の技術的範囲は当業者には明白となりうる他の実施の形態もまた当然に包含し、本発明の技術的範囲はしたがって添付の請求の範囲によってのみ限定されるべきであり、添付の請求の範囲では、要素の単数形は明示されている場合を除き「ひとつかつひとつのみ」を意味することを意図しておらずむしろ「ひとつ以上」を意味することを意図していることは理解されるであろう。上述の好適な実施の形態の要素に対する、当業者に知られている全ての構造的、化学的、機能的等価物は明白に本明細書に参照により援用され、本請求の範囲によって包含されることを意図されている。さらに、本請求の範囲によって包含されるためには、デバイスまたは方法が本発明によって解決されるべき個々全ての課題を指向する必要はない。さらに、この開示中のいかなる要素、部品、方法ステップも、その要素、部品または方法ステップが請求の範囲において明確に使われていようといないとに係わらず、公衆に捧げることを意図されていない。本願の請求項のいずれの要素も、その要素が「means for」の句を用いて明確に引用されていない限り、合衆国法典第３５巻第１１２章第６段落の条項の下で解釈されるべきではない。

Claims (30)

1. ターゲットのパターンを読み取る、および／またはターゲットの変位を検知する装置であって、
   広帯域の複数の波長を含む広帯域パルスプローブビームを生成する手段と、
   光応答信号に基づいて読まれるべきターゲット、に向けられた前記広帯域パルスプローブビームのスペクトルを空間ドメインに光学的フーリエ変換マッピングし、空間分散によって波長を光学的に分離する手段と、
   光学的フーリエ変換による前記光応答信号を時間ドメインの波形に変換する、前記光応答信号のディスパーシブフーリエ変換手段と、
   前記時間ドメインの波形を検出し解析することによってパターンおよび／または読まれているターゲット内の変位を決定する手段と、を備える装置。
2. 前記光応答信号は、ターゲットから前記ディスパーシブフーリエ変換手段へ反射された光エネルギ、または、前記ディスパーシブフーリエ変換手段へターゲットを透過する光エネルギに応じて生成される、請求項１に記載の装置。
3. 前記広帯域パルスプローブビームおよび前記光応答信号は、自由大気を通してまたは光ファイバを通してもしくは自由大気および光ファイバの組み合わせを通して運ばれる、請求項１に記載の装置。
4. 前記広帯域パルスプローブビームを生成する前記手段はパルスを生成するレーザを含む、請求項１に記載の装置。
5. 広帯域パルスプローブビームを生成する前記手段によって生成されるパルス列から選択パルスを取り出す手段をさらに備える、請求項１に記載の装置。
6. 前記広帯域パルスプローブビームの信号対ノイズ比および検出感度を増やすために、広帯域パルスプローブビームを生成する前記手段と結合された増幅および／またはフィルタリング手段をさらに含む、請求項１に記載の装置。
7. 広帯域パルスプローブビームを生成する前記手段は、光源から発せられる光のスペクトル帯域幅を広げるために、スーパーコンティニューム生成手段を含む、請求項１に記載の装置。
8. スペクトルを空間ドメインにフーリエ変換マッピングする前記手段は分散要素を含む、請求項１に記載の装置。
9. フーリエ変換マッピングする前記手段は分散要素によって実行され、その分散要素は前記広帯域パルスプローブビームの波長を分離するための回折格子を含む、請求項１に記載の装置。
10. フーリエ変換マッピングする前記手段はプリズムを含む分散要素によって実行される、請求項１に記載の装置。
11. フーリエ変換マッピングする前記手段は仮想的に結像されるフェーズドアレイディスパーサを含む分散要素によって実行される、請求項１に記載の装置。
12. ターゲットから戻る光応答信号からターゲットに向かう前記広帯域パルスプローブビームを分離する手段をさらに備える、請求項１に記載の装置。
13. 前記光応答信号を時間ドメインの波形に変換する前記ディスパーシブフーリエ変換手段は、群速度分散（ＧＶＤ）を誘起する素子を含む、請求項１に記載の装置。
14. 前記ディスパーシブフーリエ変換手段は、前記光応答信号を時間ドメインの波形に変換する際に群速度分散（ＧＶＤ）を誘起する分散要素および／またはチャープ光学要素を含む、請求項１に記載の装置。
15. 前記時間ドメインの波形を検出し解析する前記手段は、
    少なくともひとつの光応答素子と、
    前記光応答素子と結合されたデジタイザであって光の波形をデジタル信号に変換するデジタイザと、
    ターゲットを読むために前記デジタル信号を解析するデジタル信号プロセッサと、を含む、請求項１に記載の装置。
16. 前記ディスパーシブフーリエ変換手段の前、中、または後に光増幅および／または光フィルタリングをさらに備える、請求項１に記載の装置。
17. 前記ディスパーシブフーリエ変換手段の前、中、または後に光増幅および／または光フィルタリングをさらに備え、
    前記光増幅は誘導ラマン散乱、半導体増幅器、またはファイバ増幅器を使用して実行される、請求項１に記載の装置。
18. 前記ディスパーシブフーリエ変換手段の前、中、または後に配置されたファイバ増幅器と、
    前記ファイバ増幅器をポンピングする連続波光またはパルス光と、をさらに備える、請求項１に記載の装置。
19. ターゲットに対して光データベース相関マッチ検出を実行する手段をさらに備える、請求項１に記載の装置。
20. 前記光応答信号の電気信号への変換の前に配置された電気光学モジュレータと、
    光変調を制御するために前記電気光学モジュレータと結合されたデータベースと、をさらに備え、
    期待されるパターンがデータベースから受け取られ、その共役が、前記時間ドメインの波形を検出し解析する手段によって受け取られる前に前記光応答信号の振幅を変調する前記電気光学モジュレータに適用され、
    前記データベースからの前記期待されるパターンと検出される光応答信号のマッチングが相関ピークを有するか否かに応じて、データベースに対するターゲットの相関マッチ検出が実現される、請求項１に記載の装置。
21. 光データベース相関マッチ検出を実行する前記手段は、
    現在のターゲットがその中に見いだされるべき一組のターゲット、データベースからの情報に基づいて相関パターンを生成するパターンジェネレータと、
    前記パターンジェネレータと結合された振幅モジュレータであって光応答信号を変調する振幅モジュレータと、
    ターゲットと前記データベースから受け取られた相関パターンであって前記光応答信号の振幅を変調するために使用された相関パターンとの正の相関または負の相関を示すために、振幅変調された光応答信号をしきい値検出する手段と、を含む、請求項１９に記載の装置。
22. 前記装置はターゲットを１次元または２次元のいずれか一方で読むよう構成される、請求項１に記載の装置。
23. 前記装置は、商品の追跡、プリント基板の逐次管理、ＨＤＤ部品のトレーサビリティ管理、コンベヤラインにおける自動並べ替え、ＰＣメディアドライブの追跡、またはウエハ生産、において使用されるバーコードとしてターゲットを読むよう構成される、請求項１に記載の装置。
24. 前記装置は、生命情報工学、医学標本の追跡、幹細胞バンクの追跡、精子バンク、および／またはＤＮＡ配列バンクにおける使用からなる応用分野のグループから選択されたひとつのアプリケーションにおいてターゲットを読むよう構成される、請求項１に記載の装置。
25. 前記装置は、ターゲットに対して高速変位検知を実行する際にそのターゲットを読むよう構成される、請求項１に記載の装置。
26. 前記装置は、ターゲットに対して高速変位検知を実行する際にそのターゲットを読むよう構成され、
    高速変位検知は、粗い表面の測定および／または幅およびギャップの測定を含む、請求項１に記載の装置。
27. 前記装置は、流体内の粒子の運動および形態的特徴を検出および／または測定することによって、フローサイトメトリを実行するよう構成される、請求項１に記載の装置。
28. 前記装置は、光記憶メディア内で符号化されている反射の差に応じてターゲットを読むよう構成される、請求項１に記載の装置。
29. 前記装置は、光記憶メディア内で符号化されている反射の差を含むターゲットを読むよう構成され、
    前記光記憶メディアはＣＤ、ＤＶＤ、およびブルーレイディスクを符号化するのに使用されるプロトコルのグループから選択された所望の記憶プロトコルにしたがってフォーマットされている、請求項１に記載の装置。
30. 前記装置は、空間ドメインに変換された前記広帯域パルスプローブビームが向けられる、１以上の物質または物理的物体としての前記ターゲットの存在またはそれがないことを検出するよう構成される、請求項１に記載の装置。

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