KR20160074412A - 동적 객체로부터의 스펙트럼 정보의 획득 - Google Patents

Abstract

본 광학 장치는 제1 및 제2 편광자들 간에 개재되는 파장판을 포함하며 또한 광학 장치에 상대하여 이동 중인 물체 또는 물체 이미지로부터 방사하는 광을 수용하도록 배치된다. 검출기 어레이는 하나 이상의 검출기 요소들을 포함하며 또한 제2 편광자로부터 광을 수용하도록 광학적으로 결합된다. 검출기 어레이의 검출기 요소 각각은 제2 편광자로부터 수용되는 광의 강도에 따라 변화하는 전기 출력 신호를 제공한다. 광의 강도는 물체 또는 물체 이미지와 광학 장치의 상대 이동의 함수이며 또한 물체의 물체 지점에 관한 스펙트럼 정보를 포함한다.

Description

이동하는 물체로부터 스펙트럼 정보 획득{OBTAINING SPECTRAL INFORMATION FROM A MOVING OBJECT}

본 명세서는 일반적으로 스펙트럼 이미지 처리를 위한 장치들, 시스템들 및 방법들에 관한 것이다.

초분광 이미지 처리(hyperspectral imaging)를 포함하는 스펙트럼 이미지 처리는 물체의 하나 이상의 지점들로부터 스펙트럼 정보를 제공할 수 있다. 초분광 이미지 처리는 공간 이미지 처리와 분광법을 조합할 수 있다. 초분광 이미지 장비는 물체의 좌표 위치마다 많은 수, 예를 들어, 10 이상 또는 100 이상의 스펙트럼 대역들에 대한 광 강도를 구한다. 따라서 초분광 이미지 내의 모든 위치는 그의 상응하는 위치에서 광의 스펙트럼을 포함한다.

초분광 이미지 데이터는 물체의 특징들을 정밀하고도 상세하게 특징화하기 위해 사용될 수 있다. 스펙트럼 이미지 처리는 농업, 천문학, 및 생체 의학 이미지 처리를 포함하는 많은 분야에서 애플리케이션들을 갖는다.

여기에 기술되는 일부 실시예들은 궤적을 따라 이동하는 물체로부터 방사하는 광을 접수하도록 배치되는 제1 편광자를 포함하는 광학 장치에 관계된다. 제1 편광자는 물체로부터 방사하는 광을 제1 편광 방향을 따라 편향한다. 파장판은 제1 편광자로부터 광을 접수하도록 배치되며, 파장판은 궤적 방향을 따라 위치의 함수로서 변화하는 광학 지연성을 가지며 또한 제1 각도, 예를 들어, 제1 편광 방향에 대해 약 45도에서 저속 축을 갖는다. 제2 편광자는 파장판으로부터 광을 접수하도록 배치된다. 제2 편광자는 파장판으로부터 접수된 광을 제1 편광 방향을 따라 편향한다. 여기서 제2 편광 방향은 제1 편광 방향에 대하여 거의 평행 또는 거의 수직일 수도 있다. 하나 이상의 검출기 요소들을 포함하는 검출기는 제2 편광자로부터 광을 접수하도록 배치된다. 검출기 요소 각각은 제2 편광자로부터 접수된 광 내의 강도 변화들에 응답하여 전기 출력 신호를 생성한다. 검출기 및 파장판은 검출기 요소 각각과 파장판의 적어도 하나의 특정 지연성 간에 고정된 일치성을 갖도록 배치된다.

일부 실시예들은 광학 장치 및 광학 장치의 전기 출력에 결합되는 프로세서 회로를 포함하는 시스템을 필연적으로 포함한다. 광학 장치는 궤적을 따라 광학 장치에 상대하여 이동하는 물체 또는 물체의 이미지로부터 광을 접수하도록 구성되는 제1 편광자를 포함한다. 제1 편광자는 광을 제1 편광 방향을 따라 편광한다. 파장판은 제1 편광자로부터 광을 접수하도록 광학적으로 결합된다. 파장판은 궤적을 따라 위치의 함수로서 변화하는 광학 지연성을 가지며 또한 제1 편광 방향에 대해 제1 각도에서 저속 축을 갖는다. 제2 편광자는 파장판으로부터 광을 접수하도록 광학적으로 결합된다. 제2 편광자는 파장판으로부터 접수된 광을 제1 편광 방향에 거의 평행 또는 거의 수직한 제2 편광 방향을 따라 편향한다. 복수의 검출기 요소들을 포함하는 검출기 어레이는 제2 편광자로부터 광을 접수하도록 광학적으로 결합된다. 검출기 어레이의 검출기 요소 각각은 제2 편광자로부터 접수되는 광의 강도에 따라 시간과 더불어 변하는 전기 출력 신호를 제공한다. 프로세서 회로는 검출기 요소들의 전기 출력 신호들을 처리하고, 그 전기 출력 신호들에 기초하여 물체에 관한 파장 정보를 결정한다.

일부 실시예들은 광을 방사하는 물체로부터 위치 및 스펙트럼 정보를 구하는 방법에 관계된다. 그 방법은 파장판에 상대하여 물체 또는 물체의 이미지를 이동하는 것을 포함한다. 물체 또는 물체의 이미지의 하나 이상의 지점들(여기서 물체 지점들/물체 이미지 지점들로서 호칭됨)에 대하여, 물체에 관한 위치 정보는 물체 또는 물체의 이미지가 파장판에 상대하여 이동할 때 방사하는 광으로부터 위치 의존성 편광 인터페로그램(interferogram)을 구하는 동안 동시에 검출된다. 소정의 물체 지점/물체 이미지 지점에 상응하는 스펙트럼 정보는 물체 지점/물체 이미지 지점으로부터 기록된 위치 의존성 편광 인터페로그램으로부터 결정된다.

도 1A는 일부 실시예들에 따른 이미지 처리 시스템의 개통도;
도 1B는 일부 실시예들에 따른 물체로부터 스펙트럼 정보를 구하기 위해 구성되는 시스템의 개통도;
도 2는 일부 실시예들에 따른 검출의 주파수 영역 신호의 변환을 도해하는 도면;
도 3은 일부 실시예들에 따른 공간 필터를 포함하는 광학 장치를 나타내는 도면;
도 4는 일부 실시예들에 따른 편광 빔 분리기(beamsplitter) 및 복수의 검출기들을 포함하는 광학 장치를 나타내는 도면;
도 5는 일부 실시예들에 따른 방법을 도해하는 흐름도;
도 6은 복수의 검출기 요소들을 갖는 검출기 어레이를 포함하는 이미지 처리 시스템의 개통도;
도 7A는 스펙트럼 부호기와, 스펙트럼 부호기를 가로질러 물체의 이미지를 이동시키는 광학 부품을 포함하는 이미지 처리 시스템의 개통도;
도 7B는 스펙트럼 부호기와, 스펙트럼 부호기와 물체 간에서 상대 이동하도록 구성되는 이동 장치를 포함하는 이미지 처리 시스템의 개통도;
도 8A는 제1 및 제2 절반들을 포함하는 월라스턴 프리즘(Wollaston prism)을 나타내는 도면;
도 8B는 광학적으로 등방성 재료의 기판에 접속되는 제1 및 제2 절반들을 포함하는 월라스턴 프리즘을 나타내는 도면;
도 9A는 프리즘 절반들과, 스펙트럼 부호기의 이미지 처리 축을 따라 배치되는 복굴절 재료의 부가층을 포함하는 월라스턴 프리즘을 나타내는 도면;
도 9B는 스펙트럼 부호기의 이미지 처리 축을 따라 배치되는 복굴절 재료의 부가층들을 갖는 프리즘 절반들을 포함하는 월라스턴 프리즘을 나타내는 도면;
도 10A 내지 도 10C는 복굴절 구배를 각각 갖는 제1 및 제2 필름들로 된 파장판을 나타내는 도면들;
도 10D는 편광자들 간에 개입된 도 10A 내지 도 10C의 파장판을 포함하는 스펙트럼 부호기를 도해하는 도면;
도 11은 월라스턴 프리즘의 주변부 장소를 보정하기 위해 일정한 각도로 경사진 검출기를 갖는 스펙트럼 부호기를 나타내는 도면.
도면들은 치수에 맞춘 것이 아니다. 도면에 사용된 동일 번호는 동일 부품을 말한다. 그러나, 주어진 도면 내의 부품을 호칭하기 위한 번호의 사용은 동일 번호로 지칭되는 또 다른 도면 내의 부품을 제한하려는 것이 아님을 이해할 것이다.

여기서 기술되는 실시예들은 사이즈가 미시적인 물체들로부터 거시적인 물체들까지의 범위에 걸친 물체들의 스펙트럼 이미지 처리를 위한 장치들, 시스템들 및 방법들을 포함한다. 예를 들어, 일부 실시예들은 작은 물체들, 예를 들어, 생체 세포들 또는 기타 소립자들에 대한 스펙트럼 정보를 구하는 것에 관계된다. 다른 실시예들은 지구 또는 외계 지리적 특징들과 같은 더 큰 물체들의 스펙트럼 이미지 처리에 관계된다. 여기서 논의되는 방법들은 물체 또는 물체들이 스펙트럼 부호기에 상대하여 이동중인 동안 물체로부터(또는 복수의 물체들로부터) 스펙트럼 정보를 구하도록 구성되는 광학 장치(또한 스펙트럼 부호기로서 호칭됨)를 포함한다. 여기에 기술되는 일부 방법들은 스펙트럼 부호기에 상대하여 이동중에 있는 물체 또는 물체 이미지의 단일 또는 다중 공간 차원들을 갖는 스펙트럼 이미지 처리를 구하도록 구성되는 스펙트럼 부호기를 포함한다. 스펙트럼 정보는 이하에 더 상세히 논의되는 바와 같이, 위치 의존성 편향을 생성하도록 물체 또는 물체의 이미지와 광학 장치 간에 상대 이동을 사용함으로써 광학 처리량 또는 스펙트럼 대역폭을 감소시키지 않고 고 스펙트럼 분해도로 구할 수도 있다.

후술되는 실시예들에서 스펙트럼 부호기는 물체 또는 물체의 이미지로부터 방사하는 광으로부터의 광학 신호를 전기 신호로 변환하며, 여기서 전기 신호는 전기 신호 내의 물체 또는 물체의 이미지의 한 지점 이상으로부터의 스펙트럼 정보를 부호화한다. 일부 실시예들에서, 물체 자체는 스펙트럼 부호기에 상대하여 이동하고 있을 수도 있다. 일부 실시예들에서, 물체의 이미지는 스펙트럼 부호기에 상대하여 이동중일 수도 있다. 예를 들어, 물체 자체는 물체의 이미지가 스펙트럼 부호기에 상대하여 이동시키는, 이동 가능한 거울이 이동하는 동안 스펙트럼 부호기에 대하여 고정될 수도 있다. 일부 실시예들에서, 이동 가능한 거울은 1차원 또는 2차원 어레이의 이동가능 거울들을 포함할 수도 있다. 스펙트럼 부호기에 의해 생성되는 전기 신호는 여기서 프로세서로서 호칭되는 전기 회로에 의해 처리되어 스펙트럼 정보를 추출할 수 있다. 스펙트럼 정보의 추출은 전기 신호의 완전 프리에르 변환(Fourier transform) 또는 관심 있는 하나 이상의 예정된 주파수들의 전기 신호의 부분 프리에르 변환, 등을 수행함으로써 시간 영역으로부터 주파수 영역까지의 물체 지점/물체 이미지 지점에 상응하는 전기 신호의 변환을 포함한다.

도 1A는 물체(191)에 관한 스펙트럼 정보를 포함하는 전기 신호(195)를 제공하도록 구성되는 광학 장치(193)를 포함하는 시스템을 도해한다. 일반적으로, 물체(191)의 사이즈는 미시적인 것부터 거시적인 것까지의 범위일 수도 있다. 미시적인 물체들은 단일 물체 지점/물체 이미지 지점으로서 스펙트럼 부호기에 의해 이미지 처리될 수도 있다. 거시적인 물체들은 복수의 물체 지점들/물체 이미지 지점들로서 이미지 처리될 수도 있다. 물체(191) 자체 또는 물체의 이미지 중 하나는 광학 장치(193)에 상대하여 이동한다. 화살표(181)는 물체(191)와 광학 장치(193) 간의 상대 이동을 나타낸다. 방사하는 광(105)은 물체(191)로부터 방사한다. 예를 들어, 방사하는 광(105)은 분광, 반사 광, 형광, 인광, 화학 발광, 생물 발광, 등일 수도 있고 또는 이들로 구성할 수도 있다. 물체(191)로부터 방사하는 광(105)의 적어도 일부는 광학 장치(193)에 의해(예, 직접 또는 이동가능 거울에 의해 재지향 후) 접수된다.

방사하는 광(105)은 제1 편광 방향을 따라 광을 편광하는 제1 편광자(131)를 통해 통과한다. 제1 편광 방향을 따라 편광된 광은 파장판(140) 예, 제1 편광자(131)와 제2 편광자(132) 간에 개입되는 복수의 (고)차수 파장판에 의해 접수된다. 파장판(140)은 물체(191)(여기서 총체적으로 “물체/물체 이미지”로서 호칭됨)와 광학 장치(193) 간의 상대 이동의 화살표(181)를 따라 위치의 함수로서 변화하는 광학 지연성을 갖는다. 일부 구현들에서, 지연성은 물체(191)와 광학 장치(193) 간의 화살표(181)의 궤적을 따라 위치의 함수로서 단순 또는 선형적으로 변화한다.

도 1A에 도시된 제2 편광자(132)는 하나 이상의 제2 편광자들을 나타낸다. 제1 및 제2 편광자들(131, 132)의 편광 축들은 예를 들어, 평행 또는 수직 방위로 배치될 수도 있다. 일부 구현들에서, 제1 및 제2 편광자들(131, 132)은 교차된 편광자들로서 제1 편광자(131)는 제2 편광자(132)의 편광 축으로부터 약 90도인 편광 축을 갖는다. 파장판(140)의 저속 축은 제1 각도 예, 제1 및 제2 편광자들(131, 132)의 편광 축에 대하여 약 45도를 만든다.

파장판(140)의 위치 의존성 광학 지연성에 상대하여 물체(191)의 이동은 물체 상의 지점마다 그리고 물체 지점/물체 이미지 지점으로부터 방사하는 광의 파장마다 편광에서의 시간 의존성 변화를 생성한다. 광의 변화하는 편광은 제2 편광자에 의해 광의 강도 변화로 변환되고, 또한 소정의 물체/물체 이미지 위치에 대한 모든 파장들에서의 강도들은 함께 합성되어 시간 의존성 인터페로그램을 형성한다. 일부 실시예들에서, 검출기(190)는 물체/물체 이미지의 단일 지점으로부터 방사하는 광을 검출하기 위해 구성되는 단일 검출기 요소일 수도 있다. 일부 실시예들에서, 검출기(190)는 물체/물체 이미지를 횡단하는 복수의 물체 지점들/물체 이미지 지점들로부터 방사하는 광을 검출하도록 구성되는 복수의 검출기 요소들을 포함할 수도 있다. 예를 들어, 복수의 검출기의 복수의 검출기 요소들은 1차원 또는 2차원 검출기 어레이로 배열될 수도 있다.

검출기(190)의 위치는 검출기(190)의 검출기 요소 각각과 파장판(140)의 하나 이상의 특정 지연성 간에 일치성이 고정되도록 파장판(140)에 상대하여 고정된다. 검출기(190)의 검출기 요소 각각은 검출기(190)의 전기 신호(195)에서 제2 편광자로부터 광을 접수하고 또한 광의 강도를 변화시키는 시간을 시간 변화 전기 출력 신호, 예, 시간 변화 전압으로 변환한다. 검출기(190)의 검출기 요소 각각에 의해 검출된 광의 강도는 물체(191)의 지점과 광학 장치(193) 간의 상대 위치의 함수이다. 물체(191)로부터 방사하는 협대역 광에 대하여 광의 강도에서의 시간 변화는 협대역 광의 중심 파장에 의존하는 발진 주기로 발진할 수도 있다. 여기서 발진 수 N은 광의 강도에서 명백히 가시 가능한 것을 의미하며, 또한 스펙트럼 대역폭에 의해 분할된 광의 중심 파장이 N 또는 그 이상의 정도임을 의미한다. 그래프(161)는 파장의 협대역에서 광이 발광하는 동안 화살표(181)를 따라 광학 장치(193)에 상대하여 이동하는 물체/물체 이미지의 지점과 연관되는 검출기(190)의 한 검출기 요소의 시간 변화 출력 신호의 일 예를 도해한다. 전기 신호(195)는 물체(191)의 물체 지점 각각으로부터 방사하는 광의 스펙트럼에 관한 정보를 포함한다. 출력 신호(195)는 물체(191)의 각 지점으로부터 방사하는 광의 스펙트럼을 추출하도록 전기 회로, 예, 프로세서(197)에 의해 분석될 수 있다.

프로세서(197)는 물체/물체 이미지의 각 지점으로부터의 광의 스펙트럼을 결정하도록 검출기 요소들과 파장판 위치들의 지연성 간에 예정된 일치성을 사용하도록 프로그램될 수 있다. 복수의 요소들을 갖는 검출기를 포함하는 실시예들에서, 마치 이미지 처리 광학계들이 파장판(140)과 검출기(190) 간에 위치되는 것과 같이 검출기 요소와 특정한 지연성과 연관된 파장판(140) 상의 한 지점 간에 1 대 1의 일치성이 있을 수도 있다. 일부 실시예들에서, 검출기 요소들 중 하나는 파장판 상의 복수의 지연성들(복수의 위치들)과 대응한다.

일부 실시예들에서, 파장판의 지연성들과 검출기 요소들 간의 일치성은 고정된 파장판 위치들과 검출기 어레이들에 의해 설정될 수도 있다. 일부 실시예들에서, 마이크로 거울 어레이는 스펙트럼 부호기의 주 광학 축을 따라 임의 장소에 배치될 수도 있다. 그에 의해 고정된 위치들로부터 결과되는 일치성과 상이한, 검출기 요소들과 파장판의 지연성들 간의 일치성을 제공할 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, 물체 지점들/물체 이미지 지점들로부터 방사하는 광은 제1 이미지 처리 광학 부품에 의해 복수의 요소 검출기 상에 이미지 처리되고 또한 파장판으로부터의 광은 검출기 요소들과 파장판의 지연성들 간의 일치성이 마이크로 거울 어레이에 의해 확립되는 마이크로 거울 어레이를 포함하는 제2 이미지 처리 광학 부품에 의해 복수의 요소 검출기 상에 이미지 처리된다.

여기에 설명되는 스펙트럼 부호기를 위한 많은 수의 애플리케이션들이 있다. 특히 유체 사이토미터(flow cytometry)에서 스펙트럼 부호기의 사용에 관심이 있다. 도 1B 내지 도 5는 스펙트럼 부호기가 궤적을 따라 스펙트럼 부호기에 상대하여 이동하는 작은 또는 미세 물체들을 관측하도록 구성되는 유체 사이토미터와 같은 애플리케이션에 사용되는 스펙트럼 부호기를 도해한다. 이 방법들은 물체를 단일 물체 지점/물체 이미지 지점으로서 관측하도록 단일 요소 검출기들(또한 단일 화소 검출기들로도 호칭함)을 적용할 수도 있고 또는 복수의 화소 검출기들을 사용할 수도 있으며, 어느 경우에나 복수의 적은 또는 미세 입자들이 관측될 수도 있다. 복수의 요소 검출기들(또는 복수의 화소 검출기들로도 호칭함)을 사용하는 유체 사이토미터에서, 스펙트럼 부호기는 예를 들어, 유체 사이토미터의 유체 채널 내에서 중첩하는 소립자들을 분해하도록 구성될 수도 있다. 도 1B 내지 도 5와 관련하여 설명되는 기술들은 단일 또는 복수의 화소 검출기들을 사용하는 스펙트럼 부호기들에 적용될 수 있다. 복수의 화소 스펙트럼 부호기들은 물체들이 복수의 물체 지점들/물체 이미지 지점들로서 스펙트럼 부호기에 의해 관측되는 거시적인 물체들로부터 스펙트럼 정보를 획득하도록 구성될 수 있다.

도 1B는 이동하는 물체의 특성들에 관한 정보를 포함하는 전기 신호를 제공하도록 구성되는 광학 장치(103)(또한 여기서 스펙트럼 부호기로도 호칭됨)를 포함하는 시스템을 도해한다. 도 1B는 유로(110)를 따라 궤적(111)에서 이동하는 하나 이상의 이동하는 물체(101)를 나타낸다. 일부 실행들에서, 유로는 유체 채널(113)을 형성하는 채널 벽들(112), 즉, 물체 이동을 궤적(111)으로 구속하는 유체 채널(113)의 채널 벽들(112) 간에 배치될 수도 있다. 도 1B에 도시하지 않았지만, 예를 들어, 일부 실시예들에서, 하나 이상의 펌프들 및/또는 하나 이상의 밸브들을 포함하는 유체 이동 장치는 채널 벽들(112) 간의 유체 채널 내의 유체에 결합될 수도 있으며, 여기서 유체 이동 장치는 궤적(111)을 따라 물체(101)가 이동하도록 구성된다. 선택적으로, 광학 장치(103)는 이동하는 물체(101)와 상호 작용하는 입사광을 제공하도록 구성되는 광원(102)을 포함할 수도 있다. 입사광에 응답하여 물체들은 광을 방사한다. 예를 들어, 방사하는 광(105)은 분산 광, 반사 광, 형광, 인광, 화학 발광, 생물 발광, 등일 수도 있고 또는 이들을 포함할 수도 있다.

유체 채널 벽들을 포함하는 일부 실시예들에서, 적어도 하나의 벽들은 입사광에 선택적으로 투명할 수도 있고 또한 적어도 하나의 벽들은 방사하는 광(105)에 선택적으로 투명할 수도 있다. 광학 장치(103)는 본 예에서 제1 편광자(131)로 표현되는 하나 이상의 제1 편광자들을 포함한다. 제1 편광자(131)는 이동하는 물체(101)로부터 방사하는 광(105)을 접수하도록 구성된다. 선택적으로 렌즈(120)는 렌즈(120)가 예를 들어, 파장판(140)의 표면들 간의 중간에 방사하는 광(105)을 집속하도록 물체와 제1 편광자(131) 간에 배치될 수도 있다. 대안적으로, 물체의 궤적(111)은 렌즈가 필요 없도록 물체를 파장판(140)에 충분히 근접시킬 수도 있다. 렌즈를 포함하는 실시예들에서 렌즈들은 광의 모든 주파수들이 파장판(140)의 표면들 간의 중간에 실질적으로 집속되도록 색수차적으로 정확하도록 구성될 수 있다.

방사하는 광(105)은 제1 편광자(131)를 통과하며, 이때, 광은 제1 편광 방향을 따라 편광한다. 제1 편광 방향을 따라 편향된 광은 파장판(140) 예를 들어, 제1 편광자(131)와 제2 편광자(132) 간에 개입된 복수의 (고)차수 파장판에 의해 접수된다. 파장판(140)은 이동하는 물체(101)의 궤적(111)을 따라 위치의 함수로서 변화하는 광학 지연성을 갖는다. 일부 구성들에서, 지연성은 이동하는 물체(101)의 궤적(111)을 따라 위치의 함수로서 단조적으로 또는 선택적으로 변화한다. 일부 구성들에서, 파장판은 월라스턴 프리즘 또는 다른 광학 지연성 장치일 수도 있는 것으로 물체가 거의 검출기의 시야의 중심에 있을 때 파장판을 통해 전파한 후 광의 두 편광들 간에서 광학 지연성이 거의 제로가 되도록 위치된다. 이에 의해 기록된 인터페로그램이 그의 0차 주연부 부근에서 실질적으로 집중되는 것을 보장한다.

도 1B에 도시된 제2 편광자(132)는 하나 이상의 편광자들을 나타낸다. 제1 및 제2 편광자들(131, 132)의 편광 축들은 평행 또는 수직 방향으로 배치될 수도 있다. 일부 구현들에서, 제1 및 제2 편광자들(131, 132)은 교차된 편광자들로서, 제1 편광자(131)는 제2 편광자(132)의 편광 축으로부터 약 90도인 편광 축을 갖는다. 파장판(140)의 저속 축은 제1 및 제2 편광자들(131, 132)의 편광 측들에 대해 제1 각도, 예를 들어, 약 45도를 만든다.

파장판(140)의 위치 의존성 광학 지연성에 상대하여 물체의 이동은 광의 광학 스펙트럼에 의존하는 방사 광의 편광에서 시간 의존성 변화를 생성한다. 광의 변화하는 편광은 제2 편광자(132)에 의해 변화하는 강도로 변환된다. 검출기(150) 예를 들어, 단일 이미지 검출기는 검출기의 출력(151)에서 광의 시간 변화 강도를 시간 변화 전기 출력 신호, 예를 들어, 시간 변화 전압으로 변환한다. 협대역 광에 대하여, 광의 강도에서 시간 변화는 대역의 중심 파장에 의존하는 발진 주기로 발진할 수도 있다. 그래프(160)는 광을 협대역 파장으로 방사하는 동안 궤적(111)을 따라 이동하는 한 물체와 연관된 검출기의 시간 변화 출력 신호의 예를 도해한다. 출력 신호는 물체로부터 방사하는 광의 스펙트럼과 같은 이동하는 물체(101)에 관한 정보를 포함한다.

선택적으로 광학 장치(103)는 하나 이상의 선택적 광학 필터(145)를 포함한다. 예를 들어, 다양한 실시예들에서 광학 필터는 이동하는 물체(101)와 검출기(150) 간의 광 경로 어느 곳에나 예를 들어, 도 1B에 도시된 바와 같이 제2 편광자(132)와 검출기(150) 간에 배치될 수도 있다. 선택적 광학 필터(145)는 검출기(150) 상에 입사하는 광의 대역폭을 신호 처리를 간략화하는 원하는 대역폭 범위로 제한하는 역할을 할수 있다. 일부 경우들에서, 검출기에 의해 접수된 광의 대역폭을 제한하면 인터페로그램에 의해 생성된 전기 신호가 심지어 나이퀴스트 한계(Nyquist limit)(최단 검출 파장에 대한 간섭 주연부당 두 개의 샘플)이하에서 샘플될지라도 물체의 이동에 의해 생성된 광학 인터페로그램으로부터의 스펙트럼 정보를 완전 회복시킨다.

도 1B에 도시된 시스템은 검출기(150)로부터 전기 출력 신호를 수신하도록 결합되는 프로세서(180)를 포함한다. 프로세서(180)는 이동하는 출력 신호를 처리하여 물체(101)에 관한 스펙트럼 정보를 추출하도록 구성되는 프로그램된 지령들을 실행하는 연산적 프로세서와 같은 회로들을 포함한다. 물체 또는 그의 이미지의 사이즈가 파장판(140)의 지연성의 위치 변화에 대하여 작을 수도 있고, 그 결과 물체/물체 이미지의 각 지점에 의해 생성된 광 간섭 주연부들이 검출기(150)의 단일 화소 또는 요소에 의해 검출될 때 실질적으로 동상일 수 있다. 예를 들어, 만일 N 개의 간섭 주변부들이 궤적(111)을 따라 위치의 함수 지연성을 선택적으로 증가시킴과 더불어 파장판을 횡단할 경우, 궤적(111)을 따라 이동하는 물체(101)의 사이즈는 궤적(111)을 따라 파장판(140)의 길이의 약 2/1N 또는 그보다 작을 수도 있으며, 그에 의해 간섭 주변부들이 해결될 수 있다.

검출기의 출력은 예를 들어, 프리에르 변환 또는 상이한 시간 대 주파수 영역 변환에 의해 처리되어 물체로부터 방사하는 광의 광학 스펙트럼을 결정할 수 있다. 도 2에 도시된 바와 같이, 변환된 출력 신호(170)는 더 낮은 주파수 성분들(170a) 및 더 높은 주파수 성분들(170b)을 포함한다. 더 낮은 주파수 성분들(170a)은 신호(160)의 첨단과 연관되며 또한 더 높은 주파수 성분들(170b)은 방사하는 광의 광학 스펙트럼에 대응한다.

일 예에서, 파장판은 쐐기 각 α를 갖는 월라스턴 프리즘이며, 여기서 쐐기 각도는 스펙트럼 부호기의 주 광학 축에 수직한 프리즘의 정면과 프리즘의 두 개의 절반들이 함께 접합된 내면 간의 각도로서 정의된다. 프리즘의 저속 축들은 편광자들의 편광 축들에 대하여 약 45도로 배향될 수도 있다. 프리즘의 쐐기의 방향은 프리즘의 정면에 평행한 평면에서의 방향으로서 정의되며, 이 방향을 따라 프리즘의 두 개의 절반들의 두께가 가장 신속하게 조정된다. 프리즘의 쐐기의 방향을 물체의 궤적과 정렬하고 또한 저속 축들을 쐐기의 방향에 45도로 정렬하는 것이 바람직하다. 만일 파장 λ에서의 원하는 스펙트럼 분해도가 λ/N일 경우, N 주변부들은 물체가 시야를 가로질러 횡단할 때 기록되어야 한다. 만일 물체/물체 이미지의 이동 거리가 복굴절 Δn을 갖는 월라스턴 프리즘의 쐐기의 방향을 따라 L일 경우, 월라스턴의 쐐기 각도는 α

Nλ/2LΔn 이어야 한다. 최대 스펙트럼 대역폭은 검출기 신호의 샘플 속도에 의해 제한되며, 샘플 속도 또는 관측된 주변부들을 기록할 정도로 충분히 고속이어야 한다. 스펙트럼 대역폭은 또한 물체의 사이즈에 의해 제한된다. 만일 물체의 직경이 d 일 경우, 검출기에 의해 기록될 수 있는 주변부들의 최대 수는 대략 L/2d이며, 결국 최대 검출가능 파장은 λ

4αdΔn이다.

여기에 논의된 방법들에 따르면, 물체 이동은 스펙트럼 정보를 적어도 하나의 단일 이미지 검출기의 시간 변화 신호로 부호화하기 위해 사용된다. 이 방법들을 사용하면, 방사하는 광 스펙트럼을 구하기 위해 단일 출력을 갖는 단일 이미지 검출기를 사용하는 것이 가능하고, 또한 종래의 분광기로 발생할 때와 같이 스펙트럼 분해도를 증가시킴과 더불어 광학 출력의 충분한 손실이 없다. 일부 구현들에서, 둘 이상의 단일 이미지 검출기들의 출력들은 합성된 신호 대 잡음 비를 향상시키도록 합성된다.

도 3은 도 1B의 광학 장치(103)에 대한 일부 관점들에 유사한 광학 장치(305)를 나타낸다. 광학 장치(305)는 제1 및 제2 편광자들(131, 132) 간에 개입되는 파장판(140)을 포함한다. 궤적(111)을 따라 진행하는 이동하는 물체(101)로부터의 방사하는 광(105)은 제1 편광 방향을 따라 광을 편향하는 제1 편광자(131)를 통과한다. 제1 편광자에 의해 편광되는 광은 궤적 방향(111)을 따라 위치의 함수로서 변화하는 광학 지연성을 갖는 파장판(140)에 의해 접수된다.

파장 각각에서, 파장판(140)에 의해 도입되는 방사하는 광 내의 두 편광들 간의 광학 지연성은 파장에 의존하는 변화하는 편광을 생성한다. 광의 변화하는 편광은 제2 편광자(132)에 의해 변화하는 광의 강도로 변환된다. 제2 편광자로부터의 광은 검출기(150)에 떨어진다. 일부 구성들에서, 광은 제2 편광자(132)와 검출기(150) 간의 광 경로에 배치되는 선택적 광학 필터(145)에 의해 여과된다.

광학 장치(305)는 3,4,5 또는 그 이상의 광학적으로 불투명 마스크 특색들로 대체하는 방사하는 광에 대하여 광학적으로 투명한 3,4,5 또는 그 이상의 마스크 특색들을 포함하는 공간 마스크(320)를 부가적으로 포함한다. 물체로부터 방사하는 광(105)의 일부는 공간 마스크(320) 상에 이미지 처리될 수도 있다. 공간 마스크(320)는 이동하는 물체(101)로부터의 방사하는 광(105)과 상호 작용 하고 또한 이 상호 작용은 검출기(150) 상에 입사하는 시간 변화 광을 생성한다. 궤적을 따라 이동하는 물체(101)의 이동은 검출기(150)의 출력(152)에서 시간 다중화된 신호를 제공할 수도 있음을 이해할 것이다. 출력(152)의 시간 다중화된 신호는 제2 편광자(132)로부터 변화하는 광의 강도에 상응하는 제1 시간 다중화 부분 및 방사하는 광(105)과 공간 마스크(320) 간의 상호 작용에 의해 기인되는 시간 변화 광에 상응하는 제2 시간 다중화 부분을 포함한다. 광학 장치(305)가 선택적으로 배치됨으로써 출력(152)의 제1 부분이 공간 마스크(320)로부터의 시간 변화 광에 상응하고, 또한 제2 부분은 제2 편광자(132)의 출력에서의 변화하는 강도에 상응할 수 있음을 이해할 것이다. 제2 편광자로부터의 변화하는 강도의 광에 반응하는 신호의 제1 시간 부분은 물체에 관한 제1 정보 예를 들어, 물체로부터 방사하는 광의 광학 스펙트럼을 추출하도록 처리될 수도 있다. 공간 마스크와 방사하는 광의 상호 작용에 의해 기인되는 시간 변화하는 광에 반응하는 신호의 제2 부분은 물체의 속도 및/또는 사이즈와 같은 물체에 관한 제2 정보를 추출하도록 처리될 수도 있다. 제2 정보는 광학 스펙트럼의 파장 규모를 보정하도록 물체 속도 정보를 사용하는 것과 같이 제1 정보에 보정을 가하기 위해 사용될 수도 있다.

일부 구현들에 따르면, 출력 신호는 출력(152)을 제1 및 제2 부분들로 복조하는 시간을 갖지 않고 분석될 수 있다. 이러한 시나리오는 이동하는 물체(101)로부터 방사하는 광(105)의 광학 대역이 일정 범위를 초과하지 않도록 알려질 때 발생할 수도 있으며, 그 결과 검출기에서 검출된 인터페로그램의 주변부들은 소정의 대역폭 내에 있어야 한다. 만일 이것이 그 경우일 때, 방사하는 광의 일부분은 도시된 바와 같이, 파장판에 인접하여 위치될 수도 있는 공간 마스크 상에 이미지 처리될 수 있다. 예를 들어, 도시된 바와 같이 동시에 방사하는 광의 절반은 공간 마스크 상에 떨어지는 한편, 방사하는 광의 절반은 제1 편광자 상에 떨어진다. 공간 마스크에 의해 기인되는 강도 변화들은 편광자/파장판/편광자 구조에 의해 생성되는 인터페로그램 주변부들의 주파수 범위 밖에 있다. 따라서, 편광자/파장판/편광자 구조 상에 떨어지는 광 및 공간 마스크 상에 떨어지는 광은 동일한 검출기(150) 상에서 합성될 수 있다. 편광자/파장판/편광자 구조에 반응하는 전기 출력 신호 성분 및 출력(152) 내의 공간 마스크에 의해 변조되는 광에 반응하는 신호 성분은 소프트웨어로 분리될 수 있다. 이 분리는 편광자/파장판/편광자 구조로부터 나온 광이 공간 마스크로부터 나온 공간적 변조된 광에 실질적으로 직교하는 주파수 범위 내에 있기 때문에 가능하다.

일부 실시예들에서, 제1 및 제2 편광자들 각각은 편광 빔 분리기에 의해 선택적으로 대체될 수 있다. 일부 실시예들에서, 두 개(또는 그 이상) 단일 이미지 검출기들은 상이한 편광들을 갖는 광을 검출하기 위해 사용될 수 있다. 도 4는 도 3에 도시된 제2 편광자를 대신하는 편광 빔 분리기(406)를 포함하는 광학 장치(405)를 도해한다. 제1 편광자(131)는 제1 편광 방향을 따라 이동하는 물체(101)로부터 방사하는 광(105)을 편광한다. 편광 빔 분리기(406)는 파장판(140)으로부터의 광을 제2 편광 방향을 따라 편광되는 광(411) 및 제3 편광 방향을 따라 편광되는 광(412)으로 분할한다. 예를 들어, 편광 빔 분리기(406)의 편광 축들 중 하나는 제1 편광자(131)의 편광 방향에 평행하게 놓이도록 선택될 수 있었다. 검출기(150)는 제2 방향을 따라 편광되는 광(411)을 검출하도록 배치된다. 검출기(420)는 제2 편광 방향에 대해 수직한 제3 편광 방향을 따라 편광되는 광(412)을 검출하도록 배치된다. 선택 부품들(145, 410)은 편광 빔 분리기(406)와 검출기(150) 간의 광 경로에 및/또는 편광 빔 분리기(406) 및 검출기(420) 간의 광 경로에 제각기 배치될 수도 있다. 일부 실시예들에서, 선택 부품들(145, 410)은 광(411 및 412)을 선택적으로 여과하는 광학 필터들을 포함한다. 일부 실시예들에서, 선택적 광학 필터(145) 및/또는 부품(410)은 공간 마스크일 수도 있고 또는 그를 포함할 수도 있다. 선택 부품들(145, 410)은 물체 또는 물체의 이미지로부터 방사하는 광을 공간 필터들 상에 이미지 처리하는 광학계들을 부가적으로 포함할 수 있다. 검출기(150, 420)의 출력들(153, 421)은 둘다 프로세서(400)에 결합된다. 프로세서(400)는 광학 장치의 광학 처리량과 신호 대 잡음 비를 향상하기 위해 출력들을 분석하도록 구성될 수도 있다.

부품들(145 및/또는 410)이 공간 마스크들을 포함하는 실시예들에서 프로세서(400)는 공간 마스크에 기인하여 전기 신호 내의 시간 변화에 기초하여 물체 속도 및/또는 사이즈와 같은 물체들에 관한 추가 정보를 추출할 수 있다. 방사하는 광의 공간 마스크와의 상호 작용은 편광에서 시간 의존성 변화에 기인하여 변화하는 광의 강도로부터 결과되는 주파수 성분들로부터 변별될 수 있는 검출기(150, 420)의 전기 출력 신호(153, 421) 내의 주파수 성분들을 생성한다.

도 5는 여기서 논의되는 광학 검출기 및 프로세서를 운영하는 방법의 흐름도이다. 광은 궤적을 따라 이동하는 하나 이상의 물체들로부터 방사한다(510). 방사하는 광은 제1 편광 방향을 따라 편광된다(520). 광의 변화하는 편광은 물체의 궤적을 따라 가변 지연성을 갖는 파장판에 의해 생성된다(530). 변화하는 편광은 광의 시간 변화 강도로 변환된다(540). 시간 변화 전기 신호는 광의 시간 변화 강도에 응답하여 생성된다(550). 시간 변화 전기 신호는 물체의 하나 이상의 특성들에 관한 정보를 포함한다. 예를 들어, 정보는 물체로부터 방사하는 광의 형광 스펙트럼으로 부호화될 수도 있다. 시간 변화 전기 신호는 물체로부터 방사하는 광의 스펙트럼에 관한 정보를 추출하도록 분석된다(560).

유체 사이토미터(flow cytometry)와 같은 일부 구현들에서, 상대적으로 넓은 광학 대역폭 범위에 걸치는 개별 채널들 내에서 광을 검출하는 능력을 갖는 것이 유용하다. 전통적으로 이러한 능력은 하드웨어에 의해 고정되는 개별 형광 채널들을 한정하도록 광학 대역통과 필터들을 사용하여 달성해왔다. 다른 기술로서 광을 분산하기 위한 프리즘과 분산된 광을 검출하기 위한 광전자 증배관 어레이를 허용하였다. 또 다른 기술들은 필터를 따라서 각각의 위치가 상이한 광학 대역을 전달하는, 선형 가변 필터에 의해 채널들 내로 분해되는 방사하는 광의 공간 변조를 사용에 의존하였다. 이 기술들의 단점들은 하드웨어 제한 즉, 비싼 검출기 어레이 및/또는 스펙트럼 분해도의 손실 및/또는 광학 처리량으로 인한 비융통성을 포함한다. 여기에 기술된 방법은 이러한 요인들을 완화하기 위해 이용될 수 있다.

여기에 기술되는 방법들은 하나 이상의 물체들로부터 방사하는 광의 고 스펙트럼 분해도의 스펙트럼을 검출하기 위해 제공된다. 이 방법들은 한 화소만큼 소수의 검출기들로 작동하고, 또한 종래의 분광기의 형태에 영향을 주는 광학 처리량과 스펙트럼 분해도 간에 타협점들이 없다. 이 방법들은 인터페로그램을 생성하고 또한 한 화소만큼 적은 검출기를 사용하여 인터페로그램을 전기 신호로 변환하도록 물체 이동을 사용하는 것을 포함한다. 일부 구현들에서, 단 하나의 검출기가 사용되고 또한 일부 경우에서는 복수의 화소 검출기들이 사용된다. 방사하는 광의 스펙트럼 정보는 예를 들어, 전기 신호의 주파수 영역에서 전기 신호로 부호화된다. 만일 스펙트럼 정보가 주파수 영역에서 부호화되면 그 스펙트럼 정보는 시간 영역의 프리에르 변환과 같은 주파수 영역으로의 변환을 사용하여 검출기의 출력 신호로부터 추출될 수 있다.

여러 실시예들에서 예를 들어, 도 1B 내지 도 5에 도시하고 기술되는 광학 장치 및/또는 프로세서는 샘플 내에 존재하는 물체들에 구속되는 물체들 및/또는 분석물들을 분석하도록 구성될 수 있다. 이 실시예들에서 프로세서는 하나 또는 복수의 처리 채널들을 사용하여 전기 신호를 처리하는 능력을 가질 수도 있으며, 여기서 처리 채널 각각은 유체 사이토미터의 특정 형광 채널에 상응한다. 처리 채널들은 전기 하드웨어 채널들일 수도 있으며 및/또는 재구성가능 소프트웨어 채널일 수도 있다. 예를 들어, 일부 구현들에서, 유체 사이토미터의 유체 채널에서 이동하는 물체들로부터 방사하는 광은 검출된 다음 전기 신호로 변환되어 샘플 및 저장된다. 정보는 하나 이상의 아날로그 및/또는 디지털 전기 필터들을 통해 전기 신호를 통과시킴으로써 처리 채널 각각으로부터 추출될 수도 있다. 예를 들어, 처리 채널 각각은 전기 신호의 스펙트럼 슬라이스(주파수 범위)에 상응한다. 일부 구현들에서, 프로세서는 전기 신호의 예상되는 및/또는 관측되는 스펙트럼 성분들에 기초하여 사용될 처리 채널들 예를 들어, 광학 신호에 대하여 최적인 채널들의 수 및/또는 주파수 범위들을 자동으로 결정하도록 프로그램될 수 있다. 일부 실시예들에서, 프로세서는 채널 필터들에 대한 최적의 필터 계수들 및/또는 구성들을 결정할 수도 있다. 채널 필터들은 유체 사이토미터의 동작 전 및/또는 동작 동안 예를 들어, 수동 또는 자동으로 수정될 수 있다.

일부 실시예들에서, 프로세서는 처리 채널들의 최적의 수 및/또는 처리 채널들의 최적의 주파수 범위들을 군집 알고리즘(clustering algorithm)을 사용하여 결정하도록 구성될 수 있다. 일부 구현들에 따르면, 최적 채널들을 결정하기 위해 프로세서는 스펙트럼 정보에 기초하여 군집되는 상이한 물체 집단들의 전기 신호를 분석하여 그룹들을 식별한다. 그 다음 이 군집되는 그룹들은 처리 채널들의 최적 수 및/또는 주파수 범위들을 결정하기 위해 사용된다. 일부 구현들에서, 전기 필터들은 동작하는 동안 수동 또는 자동으로 수정될 수 있다. 일부 구현들에서, 처리 채널들은 다른 처리 채널들의 조합들로 구성할 수 있다.

전술한 바와 같이, 일부 구현들에서, 하나 이상의 검출기를 사용하여, 검출기 각각이 방사하는 광의 상이한 편광을 검출하도록 할 수도 있다. 검출기 각각으로부터의 전기 신호들 및/또는 이 신호들의 시간 영역 대 주파수 영역 변환들이 하나 이상의 물체들로부터 방사하는 광의 스펙트럼을 분석하도록 저장, 조합 및/또는 사용될 수도 있다. 예를 들어, 만일 직교 편광들의 광학 신호들은 동일한 검출기에 의해 검출되었을 경우, 반대로 편광된 광학 신호들은 하나의 편광에서 측정되는 인터페로그램이 직교 편광에서 측정된 인터페로그램으로서 반대 위상을 갖기 때문에 서로 상쇄되는 경향이 있다. 두 개의 검출기들을 사용하면, 검출기들 각각으로부터의 신호들은 동상에 있도록 합성 이전에 처리될 수 있고, 그 결과 감산처리보다 오히려 가산 처리될 수 있다. 예를 들어, 검출기들 중 하나로부터의 시간 변화 신호는 위상 반전될 수도 있으며, 또는 두 개의 검출기들로부터의 신호들은 합성 이전에 시간 영역으로부터 주파수 영역으로 변환될 수도 있다. 두 개의 신호들의 조합은 단일 신호에 상대하여 광학 장치의 광학 처리량을 증가시킬 수 있으며 또한 그에 상응하여 합성된 신호의 신호 대 잡음 비가 증가된다. 일부 시나리오들에서, 편광 빔 분리기는 제1 및 제2 편광자들 각각을 대체하여 사용된다. 이 시나리오들에서, 제1 편광 빔 분리기 뒤에 두 개의 파장판들 또는 월라스턴 프리즘들을 위치할 필요가 있는데, 제1 편광 빔 분리기에 존재하는 편광마다 하나의 파장판이 위치된다. 파장판 또는 월라스턴 각각은 저속 축이 빔 분리기의 편광 축에 대해 약 45도가 되도록 배향되어야 한다. 파장판 또는 월라스턴의 쐐기 축, 즉, 광학 지연성이 변화하는 파장판 또는 월라스턴의 두께 방향에 횡단하는 방향은 물체 궤적과 거의 평행해야 한다. 그 다음 편광 빔 분리기와 한 쌍의 검출기들이 파장판 각각 뒤에 위치되고, 그와 더불어 편광 방향은 제1 편광 빔 분리기의 편광 방향들 중 하나와 평행하다. 따라서, 전체적으로, 3개의 편광 빔 분리기들과 4개의 검출기들이 있는데, 검출기는 제2 또는 제3 편광 빔 분리기들에 의해 생성되는 두 개의 편광된 광 빔들 중 하나를 검출하도록 각각 배치된다. 광의 모든 편광 조합들을 검출함으로써 4개의 검출기들을 갖는 이 구성은 단일 이미지 검출기 구성으로서 4배까지의 광학 처리량을 갖는다. 일부 실시예들에서, 한 위상 두 개의 인터페로그램들은 한 검출기 상에서 합성되며, 또한 반대 위상의 두 개의 인터페로그램들은 다른 검출기 상에서 합성되므로 전체적으로 단 두 개의 검출기만 필요하다.

일부 실시예들에서, 프로세서는 우선 전기 신호의 진폭이 임계치 이상인지와 같은 전기 신호의 특성들에 기초하여 유로 내에 물체의 출현을 검출 및 트리거할 수도 있다. 아마도 트리거 이전 및 트리거 이후의 샘플들을 포함하는 신호의 트리거된 부분은 주파수 영역으로의 변환과 같은 추가 처리를 위해 선택될 수도 있다. 검출된 물체 각각과 연관된 스펙트럼 정보는 전기 신호의 주파수 성분들로 부호화된다. 상이한 타입의 물체들로부터 방사하는 광의 광학 스펙트럼과 연관된 주파수 성분들이 상이할 때, 프로세서는 전기 신호의 변환에 기초하여 상이한 타입들의 물체들을 변별할 수 있다.

일부 실시예들에서, 분석은 넓은 주파수 범위에 걸친 전체 변환보다 오히려 전기 신호의 일정 주파수 범위들 또는 부분들의 변환만을 포함할 수도 있다. 이 실시예들에서 광학 필터들은 검출기들 앞에 위치될 수도 있고, 또는 프로세서는 소프트웨어 및/또는 하드웨어 디지털 및/또는 아날로그 필터들을 사용하여 시간 영역의 주파수 영역으로의 변환을 수행하기 전에 관심이 없는 신호 내의 주파수 성분들을 제거 또는 감소시킬 수도 있다. 아니면 프로세서는 그 이상의 변환을 사전에 제거하는 일부 경우들에서 전기 신호 내의 관심 있는 주파수 성분들을 직접 추출하기 위한 수단으로서 소프트웨어 및/또는 하드웨어 디지털 및/또는 아날로그 필터들을 사용할 수도 있다.

여기서 기술된 방법들은 전기 신호의 전체 주파수 범위를 처리 또는 관심없는 다른 주파수 범위들을 처리할 필요성 없이 관심 있는 컬러들(광학 스펙트럼 범위들)에 상응하는 전기 신호의 주파수 범위(주파수 슬라이스들)의 특정 부분들만을 처리함에 있어 융통성을 허용한다. 일부 실시예들에서, 그러한 처리는 프로세서에 의해 자동으로 조정될 수 있는 및/또는 사용자로부터 입력되는 어떤 것에 기초하여 반자동으로 조정될 수 있는 파라미터를 갖는 적용 가능한 필터들의 사용을 가능하게 한다. 예를 들어, 한 시나리오에서, 프로세서는 주파수 성분들이 전기 신호에 존재하는지를 결정하고 또한 사용되는 필터들의 수 및 주파수 범위들을 결정할 수도 있다. 다른 시나리오에서, 사용자는 전기 신호 예상되는 주파수 범위들(또는 관심있는 주파수 범위들)에 관련되는 정보를 입력할 수도 있으며 또한 프로세서는 처음에 필터들을 설정하기 위해 그 주파수 범위들을 사용할 수도 있고 또한 자동으로 조정하기 위해 사용할 수도 있다.

프로세서는 물체 집단들의 주파수들 또는 주파수 범위들을 그룹화하고 또한 이 주파수 범위들의 변화에 기초하여 샘플 내에 존재하는 물체 타입들 간의 최고의 신원 분리를 결정하도록 군집 알고리즘을 사용하여 관심 있는 광학 스펙트럼에 상응하는 전기 신호의 주파수 범위(들)을 결정할 수도 있다. 일부 실시예들에서, 군집 알고리즘은 전기 신호의 주 성분 분석일 수도 있고 또는 그를 포함할 수도 있다. 예를 들어, 군집 알고리즘이 전기 신호의 M 개의 광학 스펙트럼과 M 개의 주 성분들에 상응하는 M 개의 상이한 물체 타입들을 식별하는 시나리오를 고려해 보자. 프로세서는 시간 영역 내의 전기 신호로 M 개의 주 성분들 각각의 내적 연산(dot product)을 수행함으로써 관심 있는 M 개의 광학 스펙트럼들 중 임의의 것을 갖는 물체 타입들을 검출할 수 있다. 내적 연산의 결과들은 세분된 M 차원 공간 내의 백터를 포함하며, 그에 의해 그 공간의 한 영역 내에 벡터의 출현은 특정 타입의 물체가 검출되었음을 나타낼 수도 있다. 전기 신호의 프리에르 변환은 이 기술을 이용할 때 필요하지 않을 수도 있다.

일부 실시예들에서, 프로세서는 광학 장치의 파장판 및/또는 다른 광학 부품들의 물리적 특성들에 기인하는 에러들을 보정할 수 있다. 예를 들어, 주변부들의 수가 파장 및 복굴절 Δn에 의존하는 것을 고려해 보자. 그러나, 광학 분산으로 인하여, 복굴절은 또한 파장에도 의존하므로 결국 보정 인자는 전기 신호의 주파수를 물체의 광학 스펙트럼에 정확하게 관련짓게 하기 위해 필요하다. 그렇지 않으면, 전기 신호(프리에르 성분)의 한 주파수에서의 보정은 다른 주파수들/프리에르 성분들에 걸쳐 적용될 수 없다. 이 보정 인자는 프로세서에서 예를 들어, 복수의 공지된 파장 의존성을 사용하여 결정될 수도 있고 또한 적용될 수도 있다.

일반적으로, 파장판 상에 입사하는 물체/물체 이미지로부터의 광은 실질적으로 시준될 것이다. 그러나 소프트웨어 보정은 또한 물체/물체 이미지 지점으로부터 방사하는 주 광선의 각도의 함수로서 광학 지연성에서의 차이를 평가하기 위해 필요할 수도 있다. 각도 변화는 물체 또는 그 물체의 이미지가 파장판 표면을 가로질러 측방으로 이동할 때 이동하는 물체의 위치 변화에 기인된다.

도 6은 기하학적 장면과 같은 거시적인 물체들의 스펙트럼 이미지 처리에 유용한 스펙트럼 부호기(603)를 포함하는 시스템을 도해한다. 스펙트럼 부호기는 또한 복수의 작은 또는 미시적인 물체들 예를 들어, 사이토미터 유체 채널을 통해 이동하는 복수의 입자들의 스펙트럼 이미지 처리에 유용할 수도 있다.

도 6은 스펙트럼 부호기(603)에 상대하여 이동하는 거시적인 물체 또는 물체의 이미지 예를 들어, 기하학적 장면(601)을 나타낸다. 물체/물체 이미지(601)는 여기서 “물체 지점들/물체 이미지 지점들”로서 호칭되는 복수의 영역들(601a)로 분할될 수 있다. 물체/물체 이미지(601)와 파장판(640) 간의 상대 이동은 파장판 상의 물체 지점들/물체 이미지 지점들(601a) 각각과 광학 지연성들 간의 시간 의존 관계를 생성한다. 광(605), 예를 들어, 반사 광, 형광, 인광, 화학 발생 광, 생물 발생 광, 등은 물체 지점들/물체 이미지 지점들(601a)의 각각으로부터 방사한다. 스펙트럼 부호기(603)는 제1 편광자(631)에 의해 본 예에서 표현되는 적어도 하나의 제1 편광자를 포함한다. 제1 편광자(631)는 물체/물체 이미지(601)로부터 방사하는 광(605)을 접수하도록 구성된다. 선택적으로 렌즈(611) 또는 다른 광학 부품은 물체/물체 이미지(601)와 제1 편광자(631) 간에 또는 제1 편광자와 파장판 간에 배치됨으로써 렌즈(611)는 점선들(605a 및 605b)에 의해 지시된 바와 같이, 파장판(640) 상에 예를 들어, 파장판(640)의 표면들(640a-1, 640b-1) 간의 중간에 광(605)을 집속할 수 있다. 렌즈를 포함하는 실시예들에서 렌즈들은 광의 모든 주파수들이 파장판의 표면들 간의 중간에 실질적으로 집속되도록 단조적으로 보정되도록 구성될 수 있다. 일부 구현들에서, 렌즈들은 텔레센트릭(telecentric) 렌즈일 수도 있다.

광학 설정(예를 들어, 이 렌즈(611)의 초점을 조정)은 물체/물체 이미지와 스펙트럼 부호기 간의 상대적인 이동의 경로를 따라 물체/물체 이미지의 부분마다 소정의 물체 지점/물체 이미지 지점(601a)에 상응하는 광선들은 파장판(640)의 동일 위치에서 모두 이미지 처리되므로 결국 동일한 지연성을 보는 것을 보장하는 것을 포함할 수 있으며, 그렇지 않으면 인터페로그램은 콘트라스트를 상실할 수도 있다. 이 경우에, "동일한 위치"는 소정의 파장에 대하여 “동일한 위치”에 상응하도록 고려되는 위치 영역을 횡단하는 광선들의 위상 변화는 불과 약 π/2 라디안만큼 상이하다는 것을 의미한다.

일부 실시예들에서, 부호화된 개구 마스크는 예를 들어, 렌즈(611) 또는 렌즈(612)의 위치에서 사용될 수도 있다. 프로세서는 부호화된 마스크의 부호화 패턴의 정보를 검출기 어레이에 의해 구한 신호들의 변환들 내로 부합시킴으로써 스펙트럼 및 위치 정보 양자를 포함하는 물체의 스펙트럼 이미지를 연산적으로 재구성한다. 광(605)은 제1 편광 방향을 따라 광을 편광하는 제1 편광자(631)를 통과한다. 제1 편광 방향을 따라 편광된 광은 파장판(640) 예를 들어, 복수 차수 파장판에 의해 접수되어 제1 편광자(631)와 제2 편광자(632) 간에 개입된다. 파장판(640)은 물체/물체 이미지(601)와 스펙트럼 부호기(603) 간의 상대 이동의 궤적을 따라 위치의 함수로서 변화하는 광학 지연성을 갖는다. 일부 구성들에서, 파장판(640)의 지연성은 상대 이동의 궤적을 따라 위치의 함수로서 단조적으로 또는 선형적으로 변화한다. 도 6에 도시된 제2 편광자(632)는 하나 이상의 제2 편광자들을 나타낸다. 제1 및 제2 편광자(631, 632)의 편광 축들은 서로에 대해 평해 또는 수직 배향으로 배치될 수도 있다. 일부 구현들에서, 제1 및 제2 편광자(631, 632)는 교차되는 편광자들로서, 제1 편광자(631)는 제2 편광자(632)의 편광 축으로부터 약 90도의 편광 축인 편광 축을 갖는다. 일부 실시예들에서, 파장판(640)의 저속 축은 제1 및 제2 편광자(631, 632)의 편광 축에 대해 제1 각도, 예를 들어, 약 45도의 각도를 만든다.

도 6에 도시된 바와 같이, 파장판(640)은 제1 절반(640a)이 제1 광학 축 또는 저속 축을 갖고 또한 제2 절반(640b)이 제2 광학 축 또는 저속 축을 갖는 월라스턴 프리즘을 포함할 수도 있으며, 여기서 월라스턴 프리즘의 제1 및 제2 광학 축은 월라스턴의 입구 면들 및 출구 면들에 상호적으로 직교 및 평행하다. 월라스턴 프리즘과 같은 단축 복수의 층의 광학 축 또는 저속 축은 그의 편광과 무관하게 동일한 속도로 광이 이동하는 축이다. 광이 광학 축 이외의 방향들을 따라 단축 복수의 층을 통해 이동할 때, 광은 서로에 대해 직각으로 배향되어 상이한 속도로 이동하는 진동 방향들로 각각 편광되는 두 개의 광선들로 굴절된다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, 월라스턴 프리즘의 제1 절반(640a)의 광학 축은 프리즘 절반(640a)의 쐐기 방향에 평행하게 배향될 수도 있고 또한 월라스턴 프리즘의 제2 절반(640b)의 광학 축은 제1 절반(640a)의 광학 축에 수직하게 배향될 수도 있다. 일부 실시예들에서, 제1 및 제2 편광자들의 편광 방향들은 도 6에 지시된 바와 같이, 월라스턴 프리즘의 제1 절반(640a)의 광학 축에 대해 45도의 각도로 배향되는 제1 편광자의 편광 방향과 월라스턴 프리즘의 제1 절반(640a)의 광학 축에 대해 135도의 각도로 배향되는 제2 편광자의 편광 방향과 상호적으로 직교할 수 있다. 일부 실시예들에서, 월라스턴 프리즘의 광학 축들은 프리즘의 쐐기 방향에 대해 ±45°로 배치될 수도 있다.

파장판(640)의 위치 의존성 광학 지연성에 상대하여 물체/물체 이미지의 물체 지점/물체 이미지 지점(601a) 각각의 이동은 물체 지점/물체 이미지 지점으로부터 방사하는 광의 편광에서 시간 의존성 변화를 생성한다. 편광에서 시간 의존성 변화는 방사하는 광의 광학 스펙트럼에 의존한다. 광의 변화하는 편광은 제2 편광자(632)에 의해 변화하는 강도로 변환된다. 검출기(650), 예를 들어, 복수의 검출기 요소들(650a)을 포함하는 공간적으로 분해 또는 이미지 처리하는 검출기는 검출기(650)의 전기 출력 신호(651)에서, 물체 지점/물체 이미지 지점(601a) 각각으로부터 나온 광의 시간 변화 강도를 위치 및 시간 변화 전기 출력 신호 예를 들어, 위치 및 시간 변화 전압으로 변환한다. 여기에 기술된 스펙트럼 부호기는 복수의 물체 지점들/물체 이미지 지점들에 대한 스펙트럼 및 공간 정보를 동시에 구하도록 구성된다. 파장판에 상대하여 물체/물체 이미지를 주사하면 각 물체 지점/물체 이미지 지점마다 스펙트럼 정보를 포함하는 물체 지점/물체 이미지 지점마다 위치 의존성 편광 인터페로그램을 생성한다. 소정의 물체 지점/물체 이미지 지점에 상응하는 스펙트럼 정보는 물체 지점/물체 이미지 지점으로부터 기록되는 위치 의존성 편광 인터페로그램으로부터 결정된다.

일부 실시예들에서, 위치 의존성 편광 인터페로그램은 시간 내의 각 지점에서 물체 지점/물체 이미지 지점의 위치에 상응하는 검출기 어레이의 위치들을 샘플링함으로써 시간 변화 전기 신호로 변환된다. 즉, 검출기(650)의 위치 및 시간 변화 전기 출력 신호(651)는 검출기 요소 위치마다 시간 변화 전기 출력들을 제공한다. 한 물체 지점/물체 이미지 지점에 의해 생성되는 위치 의존성 편광 인터페로그램은 상이한 시간들에서 상이한 검출기 요소들을 횡단한다. 물체 지점/물체 이미지 지점으로부터 방사하여 스펙트럼 부호기를 통과하는 광이 이들 연속 검출기 요소들 상에 착륙할 때 하나의 물체 지점/물체 이미지 지점으로부터 생성되는 연속 검출기 요소 신호들을 시간에서 함께 합침으로써, 하나의 물체 지점/물체 이미지 지점에 의해 생성되는 위치 및 시간 변화 전기 신호는 시간 변화 전기 신호로 전환될 수 있다. 이에 대하여 이하에 수학적으로 설명한다. 시간 변화 전기 신호는 예를 들어, 시간 영역의 주파수 영역으로의 변환에 의해 물체 지점/물체 이미지 지점에 대한 스펙트럼 정보를 추출하도록 처리될 수 있다.

공지된 것으로 가정된 스펙트럼 부호기와 물체/물체 이미지 간의 상대 이동은 위치 x(t)에서 소정의 물체 지점/물체 이미지 지점(601a)이 복수의 요소 즉, 공간적으로 분해하는 검출기를 횡단하게 한다. 이미지 공간 X 내의 소정 지점에서 검출기의 응답과 시간 t에서의 소정 지점은 I(X,t)이다. 만일 f가 물체를 검출기 상에서 이미지 처리하는 함수일 경우, X=f(x(t))이다. 만일 물체 지점/물체 이미지 지점이 시간 t∈(0, T) 내에 검출기를 횡단하면, 그 물체 지점/물체 이미지 지점의 인터페로그램 S는 S(t)=I(f(x(t)),t)에 의해 주어지며, 여기서 t∈(0,T)이다. 이미지 공간 X 내의 각 지점 및 그에 따른 시간 t 내의 각 지점은 알려진 지연성 S(Γ)=I(g(X)=g(f(x(t)))에 해당한다. 이러한 정보로, 지연성의 함수로서 인터페로그램 S(Γ)=I(g^{- 1}(Γ),x^{- 1}(f^-1(g^-1(Γ))))를 예를 들어, 스펙트럼 부호기가 부착되는 프로세서 또는 다른 주 시스템에 의한 연산을 통해 구할 수 있다. 난연성에 대해 푸리에 변환을 수행하면 주어진 물체 지점/물체 이미지 지점으로부터 기록된 광 스펙트럼이 산출된다.

물체/물체 이미지의 복수의 물체 지점들/물체 이미지 지점들로부터 구한 공간 및 공간 정보는 예를 들어, 축들 x(궤적 방향을 따라 한 공간 차원) 및 λ(파장)을 갖는 초분광 데이터 2승, 또는 축들(x, y)(두 개의 공간 차원들, 하나는 궤적 방향을 따르고, 다른 하나는 궤적 방향에 교차하고) 및 λ(파장)을 갖는 초분광 데이터 3승을 포함하는 데이터 집합에 프로세서에 의해 배치된다. 그래프(660)는 스펙트럼 부호기(603)에 상대하여 이동하는 물체/물체 이미지(601)의 한 물체 지점/물체 이미지 지점(601a)과 연관된 검출기(650)의 시간 변화 출력 신호의 일 예를 도해한다. 전기 출력 신호(651)는 물체 지점/물체 이미지 지점(601a)으로부터 방사하는 광의 스펙트럼을 포함한다. 검출기는 적어도 궤적 방향을 따라 검출기(650)의 순간 시야 내에서 분해하기 위한 물체 지점/물체 이미지 지점들이 있는 만큼 궤적 방향을 따라 많은 요소(650a)를 포함해야 한다. 예를 들어, 유체 사이토미터의 경우에, 만일 N 개 입자들이 동시에 검출기에 도달하게 될 광을 방사할 것으로 예상되면, 검출기는 검출기에 충돌되는 바와 같이, 입자들의 궤적 방향을 따라 적어도 N 개의 분해 요소들을 가져야 하며, 그 결과 입자 신호들이 명확해질 수 있다.

선택적으로 스펙트럼 부호기(603)는 예를 들어, 제2 편광자(632)와 검출기(650) 간에 또는 파장판과 제2 편광자 간에 배치되는 제2 렌즈(612)를 포함할 수 있다. 제2 렌즈(612)는 광(605b)에 의해 지시된 바와 같이, 파장판으로부터 광(605b)을 검출기(650) 상에 이미지 처리하도록 구성된다.

선택적으로 스펙트럼 부호기(603)는 도 6에 도시된 하나 이상의 광학 필터들을 포함한다. 예를 들어, 여러 실시예들에서 광학 필터는 물체/물체 이미지(601)와 검출기(650) 간 예를 들어, 제2 편광자(632)와 검출기(650) 간의 광 경로 내의 아무 곳에나 배치될 수도 있다. 광학 필터는 검출기(650) 상에 입사하는 광의 대역폭을 신호 처리를 간략화하는 관심 있는 대역폭 범위까지 제한하는 역할을 할 수 있다. 일부 경우들에서, 검출기에 의해 접수된 광의 대역폭을 제한하면 심지어 인터페로그램에 의해 생성된 전기 신호가 나이퀴스트 한계(간섭 주변부당 두 개의 샘플) 이하로 샘플 되더라도 물체의 이동에 의해 생성되는 광학 인터페로그램으로부터 스펙트럼 정보가 완전 복구된다.

전술한 바와 같이, 일 예에서, 파장판은 두 개의 절반들을 포함하는 월라스턴 프리즘이다. 월라스턴 프리즘의 절반 각각은 쐐기 각도 α를 가지며, 여기서 쐐기 각도는 통상 스펙트럼 부호기의 주 광학 축에 직각으로 배치되는 프리즘 절반의 전면과 프리즘의 두 개의 절반이 함께 접합되는 내면 간의 각도로서 정의된다. 월라스턴 프리즘의 저속 축들은 편광자들의 축들에 대해 약 45도로 배향될 수도 있다. 프리즘의 쐐기의 방향은 프리즘의 전면에 평행한 평면에서의 방향으로서 정의되며, 이 방향을 따라 프리즘의 두 개의 절반들의 두께가 최고속으로 조정된다. 프리즘의 쐐기의 방향을 물체/물체 이미지(601)와 스펙트럼 부호기(603) 간의 상대 이동의 궤적과 정렬하고 또한 ±45°에서 프리즘의 저속 축을 쐐기의 방향으로 정렬하는 것이 바람직하다. 만일 파장 λ에서 원하는 스펙트럼 분해도가 λ/N 일 경우, N 주변부들은 물체 지점/물체 이미지 지점(601a)이 스펙트럼 부호기의 시야를 가로질러 지나갈 때 기록되어야 한다. 만일 월라스턴 프리즘의 쐐기의 방향을 따라 물체 지점/물체 이미지 지점의 이동 거리가 L일 경우, 또한 프리즘 재료가 복수의 Δn 을 가질 경우, 월라스턴 프리즘의 쐐기 각도는 αNλ/2LΔn 이어야 한다. 최대 스펙트럼 대역폭은 검출기 신호의 샘플 속도에 의해 제한되며, 샘플 속도 또는 관측된 주변부들을 기록할 정도로 충분히 고속이어야 한다. 스펙트럼 대역폭은 또한 궤적 방향을 따라 검출기 화소들의 사이즈에 의해 제한된다. 만일 궤적 방향을 따라 검출기 화소들의 사이즈가 d 일 경우, 궤적 방향을 따라 사이즈 D에 의해 기록될 수 있는 주변부들의 최대수는 약 D/2d이다. 그러므로 기록할 주변부들의 최대 가능 수에 상응하는 그러한 수 D/2d는 검출될 최소 파장에서 예상되는 최대 수보다 더 크다. 여기에 기술된 스펙트럼 부호기는 위치 의존성 편광 인터페로그램을 생성하는 편광자-파장판-편광자 샌드위치를 포함한다. 제1 편광자는 입사광을 편광한다. 즉, 파장판은 궤적을 따라 물체의 위치에 의존하는 두 직교 편광 성분들 간의 지연성(및 그에 따른 파장판-의존성 위상 전이)을 포함하며; 또한 제2 편광자는 결과로 나오는 파장-의존성 편광 상태를 파장-의존성 강도로 변경한다. 광이 궤적을 따라 상이한 지점들에서 물체/물체 이미지의 물체 지점/물체 이미지 지점으로부터 방사할 때, 광은 상이한 지연성들을 경험하고, 그 결과 광학 스펙트럼을 제공하도록 프리에르 변환될 수 있는 인터페로그램을 생성할 수 있다.

프로세서(도 6에 도시되지 않았지만 도 1a에 도시됨)는 검출기(650)의 요소(650a)의 각각으로부터 전기 출력 신호(651)를 수신하도록 결합될 수 있다. 일부 실시예들에서, 검출기(650)의 요소(650a) 각각은 개별 평행 출력 신호들을 프로세서에 제공하도록 결합될 수도 있다. 대안적으로 복수의 요소(650a)로부터의 전기 출력 신호(651)는 다중화될 수도 있다. 프로세서는 검출기 출력 신호(들)를 처리하여 물체/물체 이미지(601)에 관한 정보를 추출한다. 물체/물체 이미지(601)의 이동에 의해 생성되고 검출기(650)에 의해 검출되는 광 간섭 주변부들은 프로세서에 의해 해석될 수 있다. 검출기 요소들의 출력들은 단일 물체 지점/물체 이미지 지점에 상응하는 시간 변화하는 인터페로그램을 형성하도록 합성될 수 있다. 이 시간 변화하는 인터페로그램은 예를 들어, 프리에르 변환 또는 기타 변환에 의해 처리될 수 있고, 그에 의해 물체 지점/물체 이미지 지점으로부터 방사하는 광의 광학 스펙트럼을 결정할 수 있다.

전술한 바와 같이, 여기에 기술된 방법들은 물체/물체 이미지과 스펙트럼 부호기 간의 상대 이동에 의존한다. 도 7A는 물체(701)의 이미지(702)이 스펙트럼 부호기(703)를 가로질러 이동시키는 이동가능 거울 또는 다른 장치와 같은 스펙트럼 부호기(703) 및 광학 부품을 포함하는 시스템을 도해한다. 이 시나리오에서, 물체(701) 자체는 스펙트럼 부호기(703)에 대해 고정되어야 한다. 스펙트럼 부호기(703)는 물체(701)로부터 방사하여 광학 부품에 의해 스펙트럼 부호기(703)로 재지향되는 광(705)에 관한 스펙트럼 정보를 결정하도록 구성된다.

도 7B는 스펙트럼 부호기(703) 및 샤시, 이동기(예, 자동차 또는 비행기), 또는 물체(701)와 스펙트럼 부호기(703) 간에 상대 이동을 야기하도록 구성되는 기타 이동 기구(722)를 포함하는 시스템을 도해한다. 도 7B의 실시예는 비행기와 같은 이동 기구(722)를 나타낸다. 스펙트럼 부호기(703)는 여기에 기술된 바와 같이, 물체(701)와 스펙트럼 부호기(703) 간의 상대 이동에 기초하여 물체(701)로부터 방사하는 광(705)에 관한 스펙트럼 정보를 구하도록 구성된다.

일부 구현들에서, 여기에 기술된 바와 같이, 스펙트럼 부호기를 포함하는 이미지 처리 시스템의 소형화는 물체/물체 이미지로부터 방사하는 광을 파장판 상에 이미지 처리하도록 고 개구 수의 렌즈들의 사용을 통해 향상될 수 있다. 파장판의 각 지점의 지연성은 그 지점에서의 파장판 상에 입사하는 광의 각도에 의존한다. 입사 광의 각도 또는 고 개구 수의 이미지 처리 시스템 내의 하나의 검출기 요소에 의해 검출되는 광선들을 통해 변화한다. 그러므로 지연성은 또한 기록되는 시간 변화하는 인터페로그램에서 변조 심도 또는 콘트라스트의 상실을 유도하는 그 검출기 요소에 의해 검출되는 광선들을 통해 변화한다. 일부 구현들에서, 한 검출기 요소 상에 집속되는 광선들의 각도들의 변화에 대한 파장판의 지연성의 감도를 감소시키는 것이 바람직할 수도 있다. 이러한 각도 감도를 감소시킬 수 있는 여러 가지 방법들이 있다. 월라스턴 프리즘을 파장판으로서 사용할 때, 그의 쐐기된 부재들을 따라 위치의 함수로서 변화하는 지연성을 갖는 경우를 고려해 보자. 도 8A는 제1 및 제2 절반들(801a, 801b)을 포함하는 프리즘(801)을 나타낸다. 제1 절반(801a)의 광학 축은 x 방향을 따라 배향되며; 제2 절반(801b)의 광학 축은 y 방향을 따라 배향되며; 및 프리즘(801)의 이미지 축(890)은 z 방향을 따라 배향된다. 프리즘(801)은 제1 및 제2 절반들(801a, 801b)의 쐐기 형상들로 인하여 x 축을 따라 위치 의존 지연성 및 z 축에 대해 입력 광의 각도 θ에 기초하여 고유한 의존성을 갖는다. 오직 제1 및 제2 절반들(801a, 801b)의 쐐기된 부분들만이 위치 의존 지연성에 기여한다. 점선들(898, 899)에 의해 지시된 바와 같이, 프리즘(801)의 절반(801a, 801b)은 직사각 고체들(801a-1, 801b-1) 및 삼각 쐐기들(801a-2, 801b-2)로 구성된다. 프리즘(801)의 위치 의존성은 절반들(801a, 801b) 각각 내의 삼각 쐐기들(801a-2, 801b-2)에 만 기인 될 수도 있는 한편, 각도 의존성은 직사각 부분들(801a-1, 801b-1)을 포함하는 전체 프리즘(801)에 기인할 수도 있다.

일부 구현들에서, 스펙트럼 부호기에서 사용되는 월라스턴 프리즘의 각도 의존성은 프리즘 절반들을 얇게 함으로써 예를 들어, 도 8A 및 도 8B에 도해 된 바와 같이, 직사각 부분들(801a-1, 801b-1)을 제거하거나 또는 감소시킴으로써 감소될 수도 있다. 일부 실시예들에서, 프리즘 절반들은 쐐기가 남을 정도로 필요한 만큼만으로 얇아진다. 도 8B는 실질적으로 사각 부분들을 포함하지 않는 제1 및 제2 절반들(802a, 802b)을 포함하는 월라스턴 프리즘(802)을 도해한다. 여러 실시예들에서 프리즘 절반의 가장 얇은 부분의 두께 t1(도 8A 참조)은 프리즘 절반의 가장 두꺼운 부분의 두께 t2의 90% 미만, 75% 미만, 50% 미만, 또는 25% 미만일 수도 있다. 일부 구현들에서, t1과 t2의 차는 미크론 정도 예를 들어, 1μm 및 500μm일 수도 있다. 그렇게 얇은 프리즘을 용이하게 취급하기 위해, 하나 또는 두 개의 절반들(802a, 802b)을 도 8B에 도시된 바와 같이, 광학적으로 이방성 재료의 기판(803)에 접합할 필요가 있을 수도 있다.

일부 구현들에서, 월라스턴 프리즘의 각도 감도는 각도 의존성들의 일부를 도 9A 및 도 9B에 도해한 바와 같이, 월라스턴 프리즘의 일측 또는 양측에 인접 배치되는 복굴절 재료로 된 하나 이상의 부가층들로 보상함으로써 감소될 수 있다. 도 9A 및 도9B와 관련하여 도시되고 설명되는 기술들은 도 8A 및 도 8B에 기술된 방법들에 부가되거나 또는 그들의 대안들로서 사용될 수 있다.

도 9A는 프리즘 절반들(901, 902) 및 스펙트럼 부호기의 이미지 축(999)을 따라 배치되는 복굴절 재료의 부가층(903)을 포함하는 월라스턴 프리즘(900)을 나타낸다. 이 예에서, 월라스턴 프리즘(900)의 제1 절반(901)의 광학 축은 x 축을 따라 배향되며; 월라스턴 프리즘(900)의 제1 절반(901)의 광학 축은 y 축을 따라 배향되며; 부가층(903)의 광학 축은 스펙트럼 부호기의 이미지화하는 축(999)(도 9A에서 z 축)을 따라 배향된다. 복굴절 재료의 부가층(903)은 프리즘 절반들(901, 902)과 동일한 재료로 구성될 수도 있다. 일부 실시예들에서, 부가층(903)은 실질적으로 일정하고 또한 점선(998)에 의해 지시된 그들의 중간지점에서 프리즘 절반들(901, 902) 중 하나와 실질적으로 동일한 두께를 가질 수도 있다. 부가층(903)의 두께는 프리즘 절반들(901, 902) 중 하나의 평균 두께와 실질적으로 동일할 수도 있다.

부가층(903)은 월라스턴 프리즘(900)의 각도 의존성의 일부를 보상한다. 이러한 보상은 z 축에 대해 각도 θ를 만드는 xz 평면에서의 광선이 x 축을 따라 광학 축으로 단축 복굴절 매체를 통해 이동하는 특이한 광선(x 방향으로 편광되는)의 복굴절 지수의 각도 의존성을 고려함으로써 볼 수 있다. 특이한 광선의 복굴절 지수는

에 의해 주어지며, 여기서 n_e 및 n_o는 복굴절 매체의 임시 및 통상 지수들이다. 만일 광선이 동일한 두께의 z 축을 따라 광학 축을 갖는 매체를 통해 이동할 경우, 여기서, 임시 광선의 굴절 지수는

에 의해 주어지며, 그 때 임시 광선에 의해 보이는 평균 굴절 지수는 n'_e(θ)이라기 보다

이다. 따라서 각도 의존성은 거의 θ=0으로서, 원래의 각도 의존성인

으로 감소된다. 이 의존성은 복굴절 매체 방해석을 사용할 때 원래의 각도 의존성의 약 28%으로 작용한다.

도 9b는 월라스턴 프리즘의 각도 감도를 감소시키기 위한 또 다른 기술을 도해한다. 도 9B는 복굴절 재료의 부가층(911, 912)이 스펙트럼 부호기의 이미지 축(999)을 따라 배치되는 프리즘 절반들(901, 902)을 포함하는 월라스턴 프리즘을 나타낸다. 부가층(911, 912)은 월라스턴 프리즘(900)의 각도 의존성들의 일부를 보상하도록 배치된다. 부가층(911, 912) 각각은 실질적으로 일정한 두께 또한 한 프리즘 절반들(901, 902)의 평균 두께와 실질적으로 동일한 두께를 갖는다. 월라스턴 프리즘 절반들의 중간지점(스펙트럼 부호기의 중간 지점)에서, 프리즘 절반들(901, 902) 각각과 부가층(911, 912) 각각의 두께는 실질적으로 동일할 수도 있다. 이 예에서, 스펙트럼 부호기의 이미지 축(999)은 z 축을 따라 배향되며; 월라스턴 프리즘(900)의 제1 절반(901)의 광학 축은 x 축을 따라 배향되며; 월라스턴 프리즘(900)의 제2 절반(902)의 광학 축은 y 축을 따라 배향된다. 층(911)은 x 축을 따라 배향되는 광학 축을 갖는 제1 절반(901)로서 크기가 동일하고 또한 복굴절 부호가 반대이다. 층(912)은 y 축을 따라 배향되는 광학 축을 갖는 제2 절반(902)으로서 크기가 동일하고 또한 복굴절 부호가 반대이다. 이러한 배치에서 월라스턴 프리즘의 제1 절반(901)에 의해 도입되는 각도 감도는 층(911)에 의해 보상되며 또한 월라스턴 프리즘의 제2 절반(902)에 의해 도입되는 각도 감도는 층(912)에 의해 보상된다. 각도 감도는 모든 층들이 두께가 동일한 프리즘의 중간지점에서만 완전하게 제거된다.

일부 구성들은 쐐기의 방향에 대해 월라스턴 프리즘 절반들의 광학 축들의 방위를 고려할 때 유익할 수도 있다. 일부 예들에서, 도 6에 지시된 바와 같이, 쐐기의 방향에 평행한 월라스턴 프리즘의 한 절반의 결정 방향 및 쐐기의 방향에 수직한 월라스턴의 다른 절반의 방향을 갖는 것이 유리할 수도 있다. 다른 구현들에서, 쐐기의 방향에 대해 45도(아직 서로에 대해 수직한)로 두 개의 월라스턴 프리즘 절반들의 결정 방향들을 갖는 것이 유익할 수도 있다.

일부 구현들에서, 파장판은 하나 이상의 축 상에 배향된 복굴절 층들로 제조될 수도 있으며, 예를 들어, 복굴절 구배를 갖고 제조될 수 있는 이축 상에 배향되는 폴리에틸렌 테레프탈레이트(boPET)와 같은 고분자 필름 또는 폴리에스터 필름 또는 다른 축 상에 배향되는 필름들로 제조될 수도 있다. 이러한 구현들에서, 지연성의 각도 의존성에 기여하는 과잉 복굴절 재료의 양은 지연성의 위치 의존성에 기여하는 복굴절 재료의 양에 상관하여 감소된다. 예를 들어, 도 10A 내지 도 10C에 도시된 바와 같이, 파장판은 두 개의 필름들로 구성되며, 각각의 필름은 복굴절 구배를 갖는다. 필름 내의 특정된 복굴절 구배는 예를 들어, 필름을 연신함으로써 구할 수도 있다. 도10A는 제1 및 제2 필름들(1001, 1002)로 제조된 파장판(1000)의 횡단면도를 나타낸다. 여기서 제1 및 제2 필름들(1001, 1002)은 제1 및 제2 필름들(1001, 1002) 각각이 복굴절 구배를 갖는다. 도 10B는 제1 층(1001)의 많은 지점들에서의 복굴절을 나타내는 축(1099)을 따라 정면도이고 또한 도 10C는 제2 층(1002)의 많은 지점들에서의 복굴절을 나타내는 축(1099)을 따라 정면도이다. 여기서 화살표들(1091, 1092)은 복굴절의 크기 및 화살표가 길수록 더 큰 복굴절을 나타내는 저속 축의 정렬을 나타낸다. 두 층들(1001, 1002)은 함께 접합되는데, 층들(1001, 1002) 중 하나의 저속 축은 도 10B 및 도 10C에 지시된 바와 같이 층들(1001, 1002)의 다른 하나의 저속 축에 실질적으로 수직하게 배향된다. 그러므로 두 층들(1001, 1002)은 제로 지연성 지점이 파장판의 중간에 있도록 조정될 수 있는 파장판을 생성한다. 제로 지연성 지점은 동일한 기하학적 경로를 따라 이동하는 두 개의 직교하여 편광되는 광선들이 파장판을 통과할 때 그들이 동일한 광학 경로 길이를 경험하는 지점이다.

도 10D는 물체/물체 이미지(1011)에 상대적으로 배치되는 제1 및 제2 편광자들(131, 132) 간에 개입되는 두 층들(1001, 1002)로 제조된 파장판(1000)을 포함하는 스펙트럼 부호기를 도해한다. 도 10D에 도해된 스펙트럼 부호기는 방해석 또는 다른 결정 기재 파장판들과 비교될 때 제조하기에 덜 비싸고 및/또는 더 용이할 수도 있다. 일부 실시예들에서, 파장판은 제로 지연성 지점을 갖는 물체/물체 이미지의 궤적 방향을 따라 일정한 복굴절 구배를 갖도록 형성되는 복굴절 재료의 단일 층일 수도 있고 또는 이것으로 구성할 수도 있다.

또 다른 고려할 점은 광의 두 편향들을 간섭함으로써 생성되는 주변부 평면의 위치이다. 도 11을 참조하면, 주변부 평면은 두 개의 절반들(1141, 1142) 간의 인터페이스(1149) 부근에서 또한 각도 β=α*(n_e+ n_o)/2n_en_o 에서 월라스턴 프리즘(예를 들어) 내부에 위치된다. 그러므로 검출기의 광 접수 표면이 스펙트럼 부호기의 주 광학 축(1199)에 실질적으로 수직 할 때, 검출기와 위에서 계산된 바와 같이, β와 동일한 주변부 평면 간에 약간의 경사가 있을 수도 있다. 약간의 경사는 월라스턴 프리즘 절반들의 인터페이스가 검출기의 광 접수 표면에 실질적으로 평행하도록 검출기를 기울임으로써 (예를 들어) 달성될 수 있다. 그렇지 않으면, 주변부들의 위치 평면을 변경하는 월라스턴 프리즘들의 조합과 같은 본 기술 분야에서 공지된 다른 수단에 의해 보상될 수도 있다. 도 11은 제1 및 제2 편광자들(131, 132) 간의 월라스턴 프리즘(1140)을 나타낸다. 검출기(1190)는 각도 β로 기울어진다. 그 결과 검출기(1190)의 광 접수 표면(1191)은 월라스턴 프리즘(1140)의 주변부 위치 평면에 실질적으로 평행하다. 대안적으로 검출기는 스펙트럼 부호기의 주 광학 축(1199)에 실질적으로 수직 하게 배향될 수 있으며 또한 월라스턴 프리즘은 예를 들어, 주변부 위치 평면이 검출기의 접수 표면에 실질적으로 평행하도록 경사질 수 있다.

여기에 기술되는 실시예들에 따르면 스펙트럼 부호기를 포함하는 초분광 이미지 처리 시스템을 위해 사용되는 이미지 처리 기구 및/또는 렌즈들에 관하여 일부 고려할 점들이 있을 수도 있다. 첫째 이미지 처리 기구 및/또는 렌즈들은 색수차들을 보정해야만 한다. 물체를 이미지 처리할 경우 이상적이다, 예를 들어, 지리적 장면은 스펙트럼 부호기에 평탄하게 나타난다. 이는 스펙트럼 부호기로부터 장면까지의 거리가 장면의 높이 변화들에 상대하여 충분히 클 경우 달성될 수 있다. 이는 또한 지리적인 장면(또는 다른 물체)을 파장판 상에 이미지 처리하는 초기 이미지 처리 요소로서 텔레센트릭(telecentric) 렌즈를 사용함으로써 달성될 수 있다. 만일 물체가 충분히 평탄하지 않으면, 스펙트럼 부호기에 대하여 동일한 선형 속도로 이동하는 물체 지점들/물체 이미지 지점들이 상이한 배율을 가지며, 그 결과 파장판을 가로질러 상이한 속도로 이동한다. 이 현상을 보정하기 위해, 물체 지점들/물체 이미지 지점들의 높이들이 예를 들어, 제2 카메라 또는 LiDaR 시스템을 사용하여 추정될 수 있으며, 또한 직보정(orthorectification)이 수행될 수 있다. 스펙트럼 정보는 소정의 물체 지점/물체 이미지 지점으로부터 구한 일부 인터페로그램 데이터로부터 계산될 수 있었다. 소정의 물체 지점/물체 이미지 지점에 대한 전체 인터페로그램은 구할 수 없을 수도 있음에 유의해야 한다; 즉, 더 멀리 떨어진 물체 지점들/물체 이미지 지점들이 더 가까운 물체 지점들/물체 이미지 지점들에 의해 방해될 수도 있을 때, 더 멀리 떨어진 물체 지점/물체 이미지 지점에 상응하는 인터페로그램은 프리에르 변환 이전에 잘라내야 할 수도 있으며, 그에 의해 더 가까운 물체 지점들/물체 이미지 지점들로부터 가려지는 것들은 계산된 스펙트럼 내의 인공물체들에 기인하지 않는다.

만일 제2 렌즈가 파장판을 공간적으로 분해하는 검출기 상에 이미지 처리하도록 포함되지 않을 경우, 그 대신 (예를 들어,) 검출기가 파장판 바로 뒤에 위치되는데, 스펙트럼 분해도(예, 월라스턴의 쐐기 인터페이스에서 집속되는) 및 공간 분해(검출기상에 집속되는)에 최적인 상태들 간에 제1 렌즈를 디더링(dither) 하는데 유리할 수도 있다.

더 앞에서 언급된 바와 같이, 유체 사이토미터 애플리케이션들에 사용되는 공간적으로 분해하는 검출기는 이미지 처리 시스템이 중첩하는 입자들을 분리하도록 허용한다. 여기에 기술된 스펙트럼 부호기 실시예들에서, 편광자들은 광의 모든 직교 편광들을 유지하도록 빔 분리기들로 대체될 수 있다. 이 빔 분리기들은 시스템을 콤팩트하게 유지하도록 사바트 판(Savart plate)(빔 분리기들의 평행 경로)일 수도 있다. 대안적으로 그들은 월라스턴 프리즘들 또는 다른 편광 빔 분리기들을 포함할 수 있다.

여러 실시예들에서, 광학 장치 및/또는 프로세서의 전부 또는 일부는 광학 및/또는 전자 하드웨어로 구현될 수도 있다. 일부 예시적인 실시예들에서, 프로세서의 기능들은 펌웨어, 마이크로콘트롤러 또는 다른 장치 상에서 실행되는 소프트웨어, 또는 하드웨어, 소프트웨어 및 펌웨어의 임의 조합으로 구현될 수도 있다.

다양한 실시 예들의 상기 설명은 예시 및 설명의 목적으로 제시되었으며, 한정하기 위한 것이 아니다. 개시된 실시 예들은 배타적이거나 또는 개시된 실시예들에 대한 가능한 실시를 제한하는 것이 아니다. 수 많은 수정 및 변형이 상기 교시의 관점에서 가능하다.

Claims (10)

1. 물체 또는 상기 물체의 이미지로부터 광을 수용하도록 구성되는 제1 편광자로서, 상기 물체 또는 물체의 이미지는 궤적을 따라 광학 장치에 상대하여 이동하며, 상기 제1 편광자는 제1 편광 방향을 따라 상기 광을 편광하도록 배치되는 상기 제1 편광자;
   상기 제1 편광자로부터 광을 수용하도록 광학적으로 결합되는 파장판으로서, 상기 궤적을 따라 위치의 함수에 따라 변화하는 광학 지연성을 가지며 또한 상기 제1 편광 방향에 대해 제1 각도로 저속 축을 갖는 상기 파장판;
   상기 파장판으로부터 광을 수용하도록 광학적으로 결합되는 제2 편광자로서, 제2 편광 방향을 따라 상기 파장판으로부터 수용되는 광을 편광하도록 구성되는 상기 제2 편광자; 및
   하나 이상의 검출기 요소들을 포함하는 검출기 어레이로서, 상기 제2 편광자로부터 광을 수용하도록 광학적으로 결합하되, 상기 검출기 요소 각각이 상기 제2 편광자로부터 수용되는 상기 광의 강도에 따라 변화하는 전기 출력 신호를 제공하도록 구성되며, 상기 광의 상기 강도가 상기 물체 또는 상기 물체의 이미지 및 상기 광학 장치의 상대 이동의 함수인 상기 검출기 어레이를 포함하는 광학 장치.
2. 제1 항에 있어서, 상기 광학 장치에 상대하여 이동하는 상기 물체 또는 상기 물체의 이미지로부터의 광을 상기 파장판 상에 이미지 처리하도록 구성되는 렌즈 및 상기 파장판으로부터의 광을 상기 검출기 어레이 상에 이미지 처리하도록 구성되는 렌즈의 적어도 하나를 더 포함하는 장치.
3. 제1 항에 있어서, 상기 검출기 어레이 및 상기 파장판은 상기 검출기 요소와 상기 파장판의 적어도 하나의 지연성 간에 고정된 관련성이 있도록 배치되는 장치.
4. 제1 항에 있어서, 상기 장치는;
   상기 물체 또는 상기 물체의 이미지와 상기 검출기 어레이 간에 배치되며, 또한 실질적으로 일정한 두께를 갖는 복굴절 층으로서, 상기 광학 장치의 이미지 처리 축을 따라 배치되는 광학 축을 갖는 상기 복굴절 층;
   상기 파장판을 형성하며, 또한 제1 및 제2 절반 프리즘들을 갖는 월라스턴 프리즘(Wollaston prism)으로서, 상기 제1 및 제2 절반 프리즘들 각각은 쐐기의 가장 얇은 부분을 따라 제1 두께 t1을 그리고 상기 쐐기의 가장 두꺼운 부분을 따라 제2 두께 t2를 가지며, t1은 t2의 75% 미만인 상기 월라스턴 프리즘; 및
   상기 파장판을 형성하며 또한 제1 층 및 제2 층을 더 포함하며, 상기 제1 층의 복굴절은 제1 절반 월라스턴 프리즘의 복굴절에 대하여 크기가 실질적으로 동일하고 부호가 반대이며, 또한 상기 제2 층의 복굴절은 제2 절반 월라스턴 프리즘의 복굴절에 대하여 크기가 실질적으로 동일하고 부호가 반대이며, 상기 제1 층 및 제2 층의 두께는 상기 월라스턴 프리즘의 상기 제1 절반 및 제2 절반의 평균 두께와 실질적으로 제각기 동일한 월라스턴 프리즘의 적어도 하나를 포함하는 장치.
5. 광학 장치로서:
   물체 또는 상기 물체의 이미지로부터 광을 수용하도록 구성되는 제1 편광자로서, 상기 물체 또는 물체의 이미지가 궤적을 따라 상기 광학 장치에 상대하여 이동하며, 상기 제1 편광자는 제1 편광 방향을 따라 상기 광을 편광하도록 배치되는 상기 제1 편광자;
   상기 제1 편광자로부터의 광을 수용하도록 광학적으로 결합되는 파장판으로서, 상기 궤적을 따라 위치의 함수에 따라 변화하는 광학 지연성을 가지며 또한 상기 제1 편광 방향에 대하여 제1 각도로 저속 축을 갖는 상기 파장판;
   상기 파장판으로부터 광을 수용하도록 광학적으로 결합되는 제2 편광자로서, 제2 편광 방향을 따라 상기 파장판으로부터 수용되는 광을 편향하도록 구성되는 상기 제2 편광자;
   하나 이상의 검출기 요소들을 포함하며, 또한 상기 제2 편광자로부터 광을 수용하도록 광학적으로 결합되는 검출기 어레이로서, 상기 검출기 어레이의 검출기 요소 각각은 상기 제2 편광자로부터 수용되는 상기 광의 강도에 따라 변화하는 전기 출력 신호를 제공하도록 구성되며, 상기 광의 상기 강도는 상기 물체 또는 상기 물체의 이미지와 상기 광학 장치의 상대 이동의 함수인 상기 검출기 어레이를 포함하는 광학 장치; 및
   상기 검출기 출력 신호를 처리하고 상기 물체에 관한 파장 정보를 결정하도록 구성되는 프로세서 회로를 포함하는 시스템.
6. 제5 항에 있어서, 상기 광학 장치에 상대하여 상기 물체 또는 물체 이미지를 이동하도록 구성되는 이동 기구를 더 포함하는 시스템.
7. 제5 항에 있어서, 상기 물체의 상기 궤적을 한정하는 유체 채널을 더 포함하는 시스템.
8. 파장판에 상대하여 물체 또는 상기 물체의 이미지를 이동하는 단계; 및
   상기 물체 또는 상기 물체의 상기 이미지의 하나 이상의 물체 지점들에 대하여:
   위치 정보를 동시에 검출하는 단계; 및
   상기 물체에 대하여 스펙트럼 정보를 획득하는 단계를 포함하되, 상기 정보를 획득하는 단계는:
   상기 물체 또는 물체 이미지가 상기 파장판에 상대하여 이동할 때 방사광으로부터 위치 의존성 편광 인터페로그램을 생성하는 단계; 및
   소정의 물체 지점 또는 물체 이미지 지점으로부터 기록되는 상기 위치 의존성 편광 인터페로그램으로부터 상기 물체 지점 또는 물체의 이미지 지점에 상응하는 스펙트럼 정보를 결정하는 단계를 포함하는 방법.
9. 제8 항에 있어서, 상기 스펙트럼 정보를 결정하는 단계는:
   상기 위치 의존성 편광 인터페로그램을 시간 변화 전기 출력 신호로 변환하는 단계, 및
   상기 시간 변화 전기 출력 신호로부터 상기 스펙트럼 정보를 결정하는 단계를 포함하는 방법.
10. 제8 항에 있어서, 상기 파장판의 각도 감도를 보상하는 단계를 더 포함하는 방법.

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