MXPA04002498A

MXPA04002498A - Un espectrometro que incorpora filtrado ajustado de senal.

Info

Publication number: MXPA04002498A
Application number: MXPA04002498A
Authority: MX
Inventors: R H Mcconnell Peter
Original assignee: Joule Microsystems Canada Inc
Priority date: 2001-09-19
Filing date: 2002-09-19
Publication date: 2005-04-11
Also published as: US7154599B2; WO2003025546A3; US20040239923A1; BR0212668A; EP1428003A2; CN1575411A; JP2005502895A; WO2003025546A2

Abstract

Se proporciona un sistema optico para ejecutar un analisis espectral de muestras de prueba. El sistema optico comprende una fuente de energia fotonica, un sistema de procesamiento de emision optica, un sistema de procesamiento optico de luz recibida, un detector optico y un sistema de procesamiento de senal digital. La fuente de energia fotonica emite radiacion electromagnetica y es controlada por un sistema de procesamiento de senal digital. El sistema de procesamiento de emision optica recibe la radiacion electromagnetica desde la fuente de energia fotonica y transmite una o mas longitudes de onda de iluminacion hacia una muestra de prueba, en donde el sistema de procesamiento de emision optica es controlado por el sistema de procesamiento de senal digital. El sistema de procesamiento optico de luz recibida recolecta y aisla una o mas longitudes de onda de la radiacion electromagnetica recibida desde la muestra de prueba y transmite las longitudes de onda aisladas de la radiacion electromagnetica recibida hacia un detector optico. El sistema de procesamiento optico de luz recibida es controlado tambien por el sistema de procesamiento de senal digital. El detector optico detecta y convierte las longitudes de onda aisladas de la radiacion electromagnetica recibida en una senal electrica que es transmitida hacia el sistema de procesamiento de senal digital. El sistema de procesamiento de senal digital ejecuta el filtrado ajustado de la senal electrica recibida desde el detector optico y controla adicionalmente la funcionalidad de la fuente de energia fotonica, el sistema de procesamiento de emision optica y el sistema de procesamiento optico de luz recibida.

Description

UN ESPECTRÓMETRO QUE INCORPORA FILTRADO AJUSTADO DE SEÑAL CAMPO DE LA INVENCIÓN Esta invención se refiere al campo de los detectores ópticos, en particular con respecto a espectrómetros.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN Existen un número de espectrómetros o espectrofotómetros que son utilizados para detectar las características espectrales de una muestra de prueba. Por ejemplo, la Patente de los Estados Unidos de Norteamérica No. 4,330,207, describe un espectrofotómetro de fluorescencia que comprende una fuente de luz, un monocromador lateral de excitación que hace que la luz desde la fuente de luz sea sometida al análisis espectroscópico para iluminar una luz actínica de una muestra, un monocromador del lado de fluorescencia que hace que hace que la luz fluorescente del lado de la muestra sea sometida a análisis espectroscópico, un detector que detecta la luz desde el monocromador del lado de fluorescencia, y medios de exploración que ajustan ambos monocromadores a las longitudes de onda de la luz actínica y la luz de fluorescencia para que sean explorados. Esos monocromadores están colocados de tal manera que uno de ellos es fijado automáticamente a la ubicación del valor de longitud de onda pico el cual es detectado por si mismo a través de una operación de exploración de longitud de onda simple y automática y después la otra es explorada por longitud de onda para el espectro de excitación o la medición del espectro de fluorescencia. Este dispositivo está diseñado para detectar una gama de longitudes de onda de radiación fotónica y guarda en medios de memoria la longitud de onda que tiene el valor pico más elevado. Además, la Patente de los Estados Unidos de Norteamérica No. 5,194,916, describe un espectrofotometro de fluorescencia que comprende medios generadores de luz monocromática en excitación para irradiar luz monocromática en excitación sobre una muestra que se va a medir, un monocromador de emisión, para seleccionar la luz monocromática a partir de la luz fluorescente emitida desde la muestra, un fotómetro de emisión para generar una señal de salida primaria que corresponde a la intensidad de la luz monocromática seleccionada por el monocromador de emisión, medios de filtrado para eliminar los ruidos a partir de la salida primaria y para generar una salida secundaria, los medios de filtrado que están caracterizados por un valor de respuesta; medios de determinación para determinar un contenido de la muestra en base a la salida secundaria y medios de fijación de respuesta para fijar el valor de respuesta de los medios de filtrado en base a la salida primaria. Una tabla incluye los datos de intensidad de la señal primaria y el valor de respuesta correspondientes, los cuales son determinados de manera anticipada a través de experimentos y en algunos casos la correlación puede ser determinada mediante una fórmula matemática. Un espectro fotómetro que incluye una fuente de luz operativa para emitir un as de luz, un sistema óptico para dirigir el as de luz hacia una muestra que se va a analizar y un detector que detecta la intensidad del as de luz después de que el as intercepta con la muestra se describe en la Patente de los Estados Unidos de Norteamérica No. 6,002,477. La fuente de luz es operativa para emitir ráfagas de luz separadas mediante un intervalo durante el cual no se emite luz. A manera de ejemplo, un tubo de xenón puede ser utilizado para ese propósito. El espectro fotómetro mide la intensidad del as de luz generado por cada ráfaga de luz después de que el as intercepta con la muestra. Cada as de luz puede ser dividido en primera y segunda partes antes de la interacción con la muestra, y el sistema óptico está colocado para dirigir la primera parte hacia la muestra y para dirigir la segunda parte hacia un segundo detector para conducir una medición de referencia. Una medición de señal obscura se puede conducir inmediatamente antes o después de cada ráfaga de luz. Por lo tanto al tener una señal de referencia que determina el ruido dentro del sistema proporciona un medio para aislar la señal recibida. Sin embargo, la determinación de la señal de referencia en el momento de la exploración de la muestra de prueba es crítica para la funcionalidad de este sistema, ya que el "ruido oscuro" puede cambiar drásticamente durante pequeños periodos. Esta información de antecedentes es proporcionada con el fin de hacer que la información conocida sea considerada por el solicitante como de relevancia posible para la presente invención. No se pretende necesariamente la admisión, ni debe considerarse que ninguna parte de la información anterior constituye nada en contra de la presente invención.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN Un objeto de la presente invención es proporcionar un espectrómetro que incorpora filtrado ajustado por señal. De acuerdo con un aspecto de la presente invención, se proporciona un sistema óptico para ejecutar un análisis espectral de las muestras de prueba que comprende: una fuente de energía fotónica para emitir radiación electromagnética, en donde la fuente de energía fotónica es controlada por medios de procesamiento de señal digital; medios de procesamiento de emisión óptica para recibir la radiación electromagnética desde la fuente de energía fotónica y transmitir una o más longitudes de onda de iluminación hacia una muestra de prueba, en donde los medios de procesamiento de emisión óptica están controlados por los medios de procesamiento de señal digital; medios de procesamiento óptico de luz recibida para recolectar y aislar una o más longitudes de onda de la radiación electromagnética recibida desde la muestra de prueba y transmitir la aislada de una o más longitudes de onda de la radiación electromagnética recibida hacia un detector óptico, en donde los medios de procesamiento ópticos de luz recibida son controlados por los medios de procesamiento de señal digital; un detector óptico para detectar y convertir las longitudes de onda aisladas una o más, de ¡a radiación electromagnética recibida en una señal eléctrica; y medios de procesamiento de señal digital para ejecutar el filtrado ajustado de la señal eléctrica recibida desde el detector óptico y para controlar la funcionalidad de la fuente de energía fotónica, los medios de procesamiento de emisión óptica y los medios de procesamiento óptico de luz recibida. De acuerdo con otro aspecto de la invención, se proporciona un sistema para ejecutar un análisis óptico de un fluido que comprende: una sonda óptica que incluye un sistema de iluminación que incluye una fuente de energía fotónica para emitir radiación electromagnética y dispositivos ópticos para dirigir la radiación electromagnética hacia la muestra de prueba, la sonda óptica que incluye además elementos ópticos detectores para recolectar y dirigir la variación electromagnética emitida por la muestra de prueba hacia un foto detector, en donde la sonda óptica es insertada dentro de un flujo de fluido o una cámara de muestra que contiene una muestra de fluido; medios de control para activar la fuente de energía fotónica; un foto detector para detectar y convertir la radiación electromagnética emitida por la muestra de prueba en señal eléctrica; y medios de procesamiento de señal digital para ejecutar el filtrado ajustado de la señal eléctrica recibida desde el foto detector, los medios de procesamiento de señal que controlan además la activación de fuente de energía fotónica y codifican la radiación electromagnética dirigida hacia la muestra de prueba.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS La figura 1 es un diagrama esquemático de los componentes del sistema óptico que corresponden a una modalidad de la presente invención. La figura 2 es un diagrama esquemático del sistema óptico de acuerdo con otra modalidad de la presente invención. La figura 3 es un diagrama esquemático de un sistema de espectrómetro de exploración de acuerdo con una modalidad adicional de la presente invención que incorpora un receptor de filtro ajustado. La figura 4 es un sistema de procesamiento de impulsos de medios de procesamiento de señal digital. La figura 5 demuestra la señal manipulada de encendido-apagado con una relación de señal 0 dB a ruido, utilizando la detección de modulación de amplitud de impulso. La figura 6 muestra la detección de señal utilizando la detección de dominio de frecuencia. La figura 7 muestra los resultados de la salida de correlación de dominio de tiempo a partir de la detección de señal de codificación de impulso binario. La figura 8 es una representación esquemática de un modelo de canal de codificación de impulso. La figura 9 ilustra la salida de detector utilizando un "FM Chirp" lineal, el cual es una función recta de amplitud 125 mseg, el barrido desde 500 Hz a 3500 Hz y muestreado a 8000 muestras / segundos. La figura 10 muestra el uso de una técnica de codificación de impulso FM lineal en donde la duración del impulso se dejó en 0.125 segundos y el ancho de banda fue 1600 Hz para un producto de ancho de banda en tiempo (TBP) de 200. Una escala de registro del detector se calculó como P=20xlog s, en donde s es la salida de dominio de tiempo del filtro ajustado. La figura 11 muestra el uso de una técnica de codificación de impulso FM lineal como en la figura 10 para un TBP de 800. La figura 12 muestra el uso de una técnica de codificación de impulso FM lineal como en la figura 10 para un TBP de 2250. La figura 3 es una gráfica de dominio de tiempo para el caso de un TBP de 2250, en donde la amplitud de detector se gráfico. La figura 14 es una representación esquemática de un espectrómetro que incorpora un receptor de filtro ajustado. La figura 15 muestra una salida de detector, registrada para ?-, y ?ß, a partir del espectrómetro de la figura 14 y graficado para exhibición. La figura 16 ilustra un sistema óptico que puede ser utilizado para probar la calidad del agua, de acuerdo con una modalidad de la presente invención. La figura 17 es una gráfica de las lecturas de turbidez de un sitio de prueba de agua que se obtuvieron utilizando el sistema óptico ilustrado en la figura 16. La figura 18 es una gráfica de las lecturas de biomasa para un sitio de prueba de agua que se obtuvieron utilizando el sistema óptico ilustrado en la figura 16.

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN Definiciones. El término "modulador de luz electrónica" representa un modulador acusto-óptico, pulsador de luz mecánico, holograma o componentes opto electrónicos accionados eléctricamente, o dispositivos similares. El término "fuente de luz de iluminación" significa un diodo emisor de luz (LED), láser incandescente, lámpara de descarga de gas, diodo láser, lámpara de arco, fuente de rayos x o dispositivos similares. El término "monocromador" representa un instrumento de dispersión luminosa que es utilizado para obtener la luz sustancialmente de una longitud de onda, por lo menos de una banda muy estrecha del espectro que puede ser por ejemplo un filtro de interferencia, filtro de corte, prisma de difracción, rejilla de difracción, interferómetro, holograma o dispositivos similares. El término "dispositivo foto detector" representa un dispositivo de detección de luz o detector óptico e incluye un fotodiodo, fotomultímetro, dispositivo de par de carga (CCD) o dispositivos similares. El término "radiación resultante" se refiere a cada una o toda la luz reflejada, transmitida, absorbida o en fluorescencia que resulta cuando un sujeto es expuesto a una radiación de iluminación. La frase "detección de señal débil" se refieren a técnicas utilizadas para habilitar la medición de radiación de emisión de baja intensidad desde una muestra. Para cualquier relación de señal a ruido determinada, el índice de error de información se puede reducir incrementando el ancho de banda utilizado para transferir la información. Los anchos de banda de señal son distribuidos antes de la transmisión en el canal con ruido, y después reunidos a la recepción. Este proceso resulta en lo que se llama ganancia de procesamiento. El término "distribución de señal" se refiere a un número de medios para distribuir la señal, incluyendo modulación de frecuencia lineal (en ocasiones llamada Modulación Chirp) y métodos de Secuencia Directa y otras técnicas.

El término "reunión de señal" se refiere a un proceso que se logra mediante la correlación de la señal recibida con una señal de referencia local similar que utiliza un receptor de correlación o la técnica de receptor de filtro ajustado. Cuando se ajustan dos señales, la señal de distribución es colapsada a su anchoa de banda original antes de la distribución, considerando que cualquier señal no ajustada es distribuida por la referencia local esencialmente hacia el ancho de banda de transmisión. Este filtro rechaza después todas menos las señales deseadas. Por tanto, a fin de optimizar una señal deseada dentro de su interferencia (ruido térmico en el sistema de detección, ruido inducido de luz ambiental, ruido de la línea de corriente alterna, por ejemplo), un receptor de filtro ajustado mejora la señal en tanto que suprime los efectos de todas las otras entradas, incluyendo ruido. A menos que se defina de otra manera, todos los términos técnicos y científicos utilizados en la presente tienen el mismo significado que se conoce actualmente por parte de alguien con experiencia ordinaria en la técnica al cual pertenece la invención. Los diferentes aspectos de la invención se apreciarán más fácilmente y se comprenderán mejor mediante referencia a la siguiente descripción detallada. El sistema de acuerdo con la presente invención proporciona un sistema de exploración óptica que incorpora codificación de señal óptica y filtrado ajustado, permitiendo la detección de la respuesta de una muestra de prueba para su iluminación, en donde esta respuesta puede incluir la reflexión, fluorescencia, transmisión, y/o absorción. Debido a la relación de señal a ruido mejorada proporcionada por este sistema, esta invención puede detectar los cambios ópticos sutiles en la muestra de prueba. Con referencia a la figura 1 , el sistema óptico de la presente invención, comprende un espectrómetro y medios de procesamiento de señal digital 5, que comprenden: una fuente de energía fotónica 15 la cual está controlada por los medios de procesamiento de señal digital 5 (específicamente los componentes electrónicos de control de emisor 10), para emitir radiación electromagnética la cual puede variar de ultravioleta hasta infrarroja profunda (o un ancho de banda desde 150 nm hasta 3000 nm) y medios de procesamiento de emisión óptica 20 los cuales son controlados por los medios de procesamiento de señal digital 5 (específicamente los componentes electrónicos de control de emisor 10) para recibir la luz desde la fuente de energía fotónica 15 y para proporcionar una o varias longitudes de onda de iluminación en una secuencia de impulsos hacia una muestra de prueba 25. Los medios de procesamiento de emisión óptica 20 pueden comprender medios para aislar una o más longitudes de onda de iluminación y elementos ópticos emisores que orientan y enfocan las longitudes de onda de iluminación sobre la muestra de prueba 25. El sistema comprende además medios de procesamiento ópticos de luz recibida 30 los cuales son controlados por los medios de procesamiento de señal digital 5 (específicamente los componentes electrónicos de control de emisor 10) para recolectar y aislar una o más longitudes de onda de la luz recibida debido a la iluminación de una muestra de prueba 25. Los medios de procesamiento óptico de luz recibida 30 pueden comprender elementos ópticos detectores para recolectar la luz recibida desde la muestra de prueba 25 y medios para aislar una o más de las longitudes de onda de la luz recibida. Adicionalmente, el sistema comprende un detector óptico 35 para detectar y convertir a una señal eléctrica, la luz recibida la cual ha sido transmitida por los medios de procesamiento ópticos de luz recibida 30 y los medios de procesamiento de señal recibida DSP 40, los cuales son un componente de los medios de procesamiento de señal digital 5, para ejecutar el filtrado ajustado sobre la salida del detector óptico 35. El filtrado ajustado de la señal recibida es ejecutado en base a las señales eléctricas recibidas desde el detector óptico 35 y los parámetros de control desde los componentes electrónicos de control de emisor 10. Existen varias ubicaciones para que entren el ruido o la interferencia en el sistema de acuerdo con la presente invención, con esta interferencia que disminuye la habilidad para detectar las señales recibidas desde la muestra de prueba debido a su iluminación. Por ejemplo y con referencia adicional a la figura 1 , la luz ambiental puede entrar al sistema a través de los medios de procesamiento ópticos de luz recibida 30 y el ruido eléctrico puede entrar al sistema a través de los medios de procesamiento de señal recibida DSP 40. La incorporación de los medios de procesamiento de señal digital puede proporcionar medios para la codificación de la señal de iluminación y el filtrado ajustado de la señal recibida en relación con la señal de iluminación codificada. Como tal, los medios de procesamiento de señal digital pueden permitir la detección mejorada de las señales recibidas que resultan a partir de la iluminación de la muestra de prueba. A fin de describir como operan los componentes juntos, una revisión general de una modalidad de un sistema de conformidad con esta invención se presenta en la figura 2. En esta modalidad, una fuente de luz de iluminación 100 es controlada por medios de procesamiento de señal digital 300 para emitir un ancho de banda de radiación que varía desde, por ejemplo, 250 nm hasta 1000 nm. Un colimador 110 lineariza la luz de iluminación y la dirige hacia el modulador de luz 200, en donde un colimador 110 puede ser, por ejemplo, un tubo estrecho y largo en el cual las paredes de fuerte absorción o reflexión permiten solamente que la radiación se desplace paralela al eje del tubo para atravesar toda la longitud. El modulador de luz 200 el cual podría ser un disco de codificación (como se muestra en la figura 2) modulador acusto-óptico, o modulador electrónico de manera que puede permitir la modulación de amplitud o fase, por ejemplo, esencialmente dispersa la señal óptica. Un monocromador de iluminación 120 es controlado por los medios de procesamiento de señal digital 300 para recibir la luz desde la fuente de luz de iluminación 100 y para proporcionar la longitud de onda Nth en una secuencia impulsada hacia una sonda óptica la cual proporciona la longitud de onda Nth hacia la muestra de prueba 140, por ejemplo, una muestra de fluido. La radiación resultante, debida a la iluminación de la muestra de prueba, es recolectada y suministrada hacia el monocromador de emisión 160. Las señales de radiación detectadas desde el objeto son codificadas con la codificación de la función de dispersión y la intensidad es proporcional al coeficiente de reflexión y al coeficiente de fluorescencia. El monocromador de detección 160, el cual es controlado por los medios de procesamiento de señal digital 300, separa los espectros de reflexión y fluorescencia de manera óptica, ejecutando las tareas de procesamiento digital especificas para pasar las características radiactivas de la longitud de onda Nth de una longitud de onda de iluminación especifica, de manera que cada una de las señales ópticas codificadas pueden ser detectadas por el foto detector 170. El foto detector 170 detecta la señal óptica y la convierte en una señal eléctrica, la cual es procesada después por el filtro de paso de banda 180, (esencialmente un convertidor de analógico a digital) y las transmite hacia los medios de procesamiento de señal digital 300. Los medios de procesamiento de señal digital 300 ejecutan el filtrado ajustado a fin de identificar y aislar la respuesta de la muestra de prueba a la radiación de iluminación desde el ruido que entra al sistema óptico desde varias fuentes. En una modalidad alternativa el sistema óptico puede estar configurado con los componentes como se ilustra en la figura 3. Una fuente de luz 100 genera la energía fotónica la cual es dirigida hacia un disco de codificación 200 mediante un colimador 10. La energía fotónica codificada directa pasa a través de un prisma de iluminación 520 para separar las diferentes longitudes de onda de la radiación de iluminación. Esta radiación de iluminación separada es dirigida hacia una ranura 530 orientada de una manera tal que la longitud de onda o banda deseada de las longitudes de onda son transmitidas hacia la muestra de prueba 140. La radiación emitida por la muestra de prueba 140 como resultado de su iluminación, es recolectada por un lente 150 y transmitida hacia un prisma de emisión 540 en donde la radiación emitida es separada en varias longitudes de onda. El prisma de emisión 540 dirige la radiación emitida hacia una ranura 550 orientada de una manera tal que la longitud de onda o banda deseada de las longitudes de onda es dirigida hacia el detector 170. El detector 170 convierte la radiación de emisión en una señal eléctrica que es dirigida hacia el receptor de filtro ajustado 560 para procesar la información reunida con relación a la iluminación de la muestra de prueba. Existe un número de modalidades de este sistema óptico, que comprenden variaciones de los componentes particulares. Sin embargo, cada modalidad tiene una forma de cada uno de esos componentes. Algunos criterios para seleccionar que componente debería incluirse en una modalidad particular se describe a continuación.

A. Fuente de Energía Fotónica.

Cada modalidad incluye una fuente de energía fotónica que es controlada por los medios de procesamiento de señal digital para emitir la radiación electromagnética la cual puede variar de ultravioleta a infrarrojo profundo (o un ancho de banda desde 150 nm hasta 3000 nm). Una fuente de energía fotónica que se puede utilizar en conjunción con la presente invención se puede seleccionar a partir del grupo que comprende: un láser, diodo láser, diodo emisor de luz (LED), lámpara intermitente de arco, un bulbo de onda continua, una lámpara intermitente controlada electrónicamente, cualquier lámpara de descarga de gas o cualquier fuente de energía fotónica como sería bien conocido para alguien con experiencia en la técnica. La selección de la fuente de energía fotónica que se va a utilizar en una modalidad particular de la presente invención, se puede determinar mediante el análisis espectral de la muestra de prueba. La funcionalidad del dispositivo puede requerir un amplio análisis espectral de una muestra de prueba o puede requerir las características espectrales durante un ancho de banda estrecho o incluso longitud de onda especifica, por ejemplo. Por ejemplo, un láser tiene un espectro muy estrecho (una longitud de onda "individual" altamente coherente), un as especial estrecho y una energía de alto impulso. Un bulbo de luz incandescente tiene un espectro amplio, un as ancho y transmisión continua. En una modalidad de la presente invención, la radiación electromagnética generada por la fuente de energía fotónica puede estar en la forma de radiación electromagnética impulsada.

Medios de Procesamiento de Emisión Ópticos.

Los medios de procesamiento de emisión ópticos reciben la luz desde la fuente de energía fotónica y pueden suministrar una o más longitudes de onda de iluminación en una secuencia impulsada hacia una muestra de prueba, en donde los medios de procesamiento de emisión ópticos pueden comprender medios para aislar una o más longitudes de onda de iluminación y elementos ópticos emisores que orientan y enfocan las longitudes de onda de iluminación sobre la muestra de prueba. Los medios de procesamiento de emisión ópticos son controlados por los componentes electrónicos de control emisor contenidos en los medios de procesamiento de señal digital, en donde los componentes electrónicos de control de emisor pueden ejecutar funciones que comprenden codificación de impulso y formación de impulso, permitiendo por ejemplo la modulación de la energía de iluminación. A fin de distinguir las longitudes de onda de luz debidas a la reflexión y la fluorescencia, que son recibidas desde la muestra de prueba, desde el ruido de la luz ambiental, la iluminación de la muestra de prueba se puede ejecutar utilizando iluminación de banda estrecha. En una modalidad de la presente invención un dispositivo genérico puede requerir la habilidad para variar fácilmente las características espectrales de iluminación, tales como las características espectrales de la muestra de prueba que pueden determinarse a partir de un rango de longitudes de onda de iluminación. Esto puede lograrse utilizando una fuente de luz de banda ancha, tal como un bulbo de halógeno o un tubo de xenón y subsecuentemente utilizando elementos ópticos de separación de longitud de onda para filtrar la luz emitida aislando de esta manera las porciones estrechas del espectro para iluminar la muestra de prueba. Un enfoque alterno es utilizar una disposición de múltiples fuentes de luz de banda estrecha o banda media (por ejemplo, diodos láser y/o LED's de distintos colores), cada uno teniendo características espectrales deseadas particulares, y subsecuentemente activándolos uno a la vez, atravesando de manera efectiva un espectro amplio de luz y aislando las longitudes de onda de iluminación particular durante la secuencia de iluminación de esos dispositivos. Los medios de procesamiento de control óptico comprenden además un dispositivo de control de luz que proporciona medios para modular la luz, la cual es para iluminar la muestra de prueba, por ejemplo produciendo una secuencia impulsada de emisiones de luz. Un dispositivo de control de luz puede ser un modulador de luz indirecta, por ejemplo, un pulsador de luz, un obturador, filtro de cristal líquido, explorador galvanométrico o dispositivo acusto-óptico. Además, la modulación de luz puede ejecutarse en una manera directa utilizando un circuito modulador de amplitud o un circuito modulador de frecuencia. Alguien con experiencia en la técnica comprendería métodos altemos de modulación de las emisiones de luz de iluminación. Los elementos ópticos de separación de longitud de onda pueden seleccionarse a partir de elementos ópticos de acondicionamiento de luz fijos que incluyen filtros ópticos, elementos ópticos refractivos, elementos ópticos difractivos y un sub sistema de acondicionamiento de luz variable incluyendo un sistema óptico refractivo o difractivo en donde la longitud de onda central óptica se selecciona mediante el uso de una superficie reflejante controlada en posición después de que la luz ha pasado los elementos ópticos de acondicionamiento de luz fijos. Los elementos ópticos de acondicionamiento de luz fijos pueden también ser un sistema óptico refractivo o difractivo por medio del cual la longitud de onda central óptica se selecciona a través del uso de un controlador de posición para mover los elementos ópticos de acondicionamiento de luz fijos. Un ejemplo del dispositivo óptico de separación de longitud de onda es un monocromador. Otras formas de dispositivos ópticos de separación de longitud de onda serían conocidos por alguien con experiencia en la técnica. Los elementos ópticos emisores pueden ser utilizados para transmitir la energía fotónica entre los componentes de los medios de procesamiento de emisión ópticos y también para transmitir la luz de iluminación hacia la muestra de prueba. Los elementos ópticos emisores pueden ser seleccionados a partir del grupo que comprende, condensadores, dispositivos de enfoque, fibras ópticas, aberturas y otros dispositivos como lo conocería alguien con experiencia en la técnica. En una modalidad de la invención en donde un análisis de un fluido es deseable, por ejemplo, la sonda óptica estrecha de agua puede ser incorporada en e sistema óptico, en donde esta sonda óptica puede ser insertada en una cámara de prueba de fluido. Esta sonda óptica comprende componentes para iluminar la muestra de prueba y para recolectar la luz emitida por la muestra de prueba debido a su iluminación. Ya que la sonda óptica es insertada dentro de la muestra de fluido, una reducción en los efectos de reflexión de las capas limites de superficie de la muestra se podrán detectar. En esta modalidad, la sonda óptica comprende la fuente de energía fotónica, por ejemplo, un LED o un diodo láser, los elementos ópticos de iluminación para dirigir la radiación de iluminación hacia la muestra de prueba y los elementos ópticos de detección para recolectar la luz reflejada y en fluorescencia. La sonda óptica es interconectada con los componentes adicionales del sistema óptico, por ejemplo los medios DSP y el foto detector para la transmisión de instrucciones y los datos recolectados entre ellos. Los elementos ópticos de iluminación y los elementos ópticos de detección de luz pueden ser orientados dentro de la sonda óptica de manera que la interacción del fluido con la luz de iluminación puede ser detectada de manera suficiente. En una modalidad de la invención, la sonda óptica comprende además una característica de auto limpieza, por ejemplo, un mecanismo limpiador, en donde el recibo del fluido que se adhiere a la superficie de la sonda puede ser retirado.

Medios de Procesamiento Ópticos de Luz Recibida.

Los medios de procesamiento ópticos de luz recibida recolectan y aislan una o más longitudes de onda de la luz recibida desde la muestra de prueba, con esta luz recibida que está relacionada con la iluminación de la muestra de prueba como se describió antes. Los medios de procesamiento ópticos de luz recibida pueden comprender elementos ópticos detectores para recolectar la luz recibida desde la muestra de prueba y medios para aislar una o más de las longitudes de onda de la luz recibida para detección de! detector óptico. Los medios de procesamiento ópticos de luz recibida son controlados por los componentes electrónicos de control de emisor contenidos en los medios de procesamiento de señal digital y por tanto su función puede estar correlacionada con los medios de procesamiento de emisión ópticos, los cuales pueden proporcionar un medio para el análisis eficiente de las emisiones espectrales recibidas. En una modalidad de la presente invención, los medios de procesamiento ópticos de luz recibida pueden aislar longitudes de onda particulares de la luz recibida a través del uso de los elementos ópticos de separación de longitud de onda, los cuales proporcionar medios para aislar una o más longitudes de onda de la luz recibida permitiendo de esta manera que la luz recibida sea correlacionada con la longitud de onda de iluminación. Los elementos ópticos de separación de longitud de onda pueden ser seleccionados a partir de elementos ópticos de acondicionamiento de luz fijos que incluyen filtros ópticos, elementos ópticos refractivos, elementos ópticos difractivos y un subsistema de acondicionamiento de luz variable que incluye un sistema óptico refractivo o difractivo por lo que la longitud de onda central óptica se selecciona mediante el uso de una superficie reflectiva controlada en posición después de que la luz ha pasado los elementos ópticos de acondicionamiento de luz fijos. Los elementos ópticos de acondicionamiento de luz fijos pueden ser también un sistema óptico refractivo o difractivo por lo que la longitud de onda central óptica se selecciona a través del uso de un controlador de posición para mover los elementos ópticos de acondicionamiento de luz fijos. Un ejemplo de un dispositivo óptico de separación de longitud de onda es un monocromador. Otras formas de dispositivos ópticos de separación de longitud de onda serían conocidos por alguien con experiencia en la técnica. En una modalidad adicional de la presente invención, los medios de procesamiento ópticos de luz recibida puedan requerir de aislar una longitud de onda seleccionada. Por ejemplo, si la muestra de prueba es iluminada por una longitud de onda particular de luz y el nivel de reflexión de su energía fotónica de iluminación de la muestra de prueba se requiere, los medios de procesamiento ópticos de luz recibida pueden tener medios de separación de luz fija. De esta manera solamente una longitud de onda de luz recibida en particular sería evaluada. Los elementos ópticos detectores pueden utilizarse para transmitir la energía fotónica entre los componentes de los medios de procesamiento ópticos de luz recibida y también para transmitir la luz recibida hacia el detector óptico. Los elementos ópticos detectores pueden seleccionarse a partir del grupo que comprende, condensadores, dispositivos de enfoque, lentes, fibras ópticas y aberturas. En una modalidad de la invención un filtro óptico puede proporcionar esta funcionalidad, en donde el filtro óptico puede incluir filtros de banda pasa bajos y pasa altos u otros filtros compatibles como lo sabría alguien con experiencia en la técnica.

Detector Óptico.

Cada modalidad incluye un detector óptico que puede detectar la luz transmitida por los medios de procesamiento ópticos de luz recibida y convertir esta luz recibida en una señal eléctrica para procesamiento mediante los medios de procesamiento de señal digital y en particular los medios de procesamiento de señal recibida DSP. Un detector óptico adecuado puede ser un diodo, un foto multiplicador, o un dispositivo acoplado de carga (CCD) colocado en una disposición lineal o en una disposición de área, por ejemplo. Un ejemplo especifico de un detector óptico es un fotodiodo de galio-arsénido mejorado de color azul, un fotodiodo de sulfuro de cadmio (CdS) o un diodo de descarga del silicio.

Medios de Procesamiento de Señal Digital.

Los medios de procesamiento de señal digital (DSP) pueden ser utilizados para controlar la fuente de energía fotónica, los medios de procesamiento de emisión ópticos y los medios de procesamiento ópticos de luz recibida a fin de permitir la detección de una o más longitudes de onda de la radiación resultante en relación con una o más longitudes de onda de la radiación de iluminación, en donde esta detección es ejecutada en presencia del ruido introducido dentro del sistema. Los medios de procesamiento de señal digital comprenden componentes electrónicos de control de emisor, los cuales proporcionan un medio para controlar la radiación de iluminación (sistema de procesamiento de emisión óptica) y el sistema de procesamiento óptico de luz recibida. Además, los medios DSP comprenden medios de procesamiento de señal recibida los cuales permiten que el DSP correlacione la radiación de luz recibida con la radiación de iluminación, lo cual puede proporcionar medios para identificar la reflectancia, fluorescencia y absorción a partir de una muestra de prueba debido a su iluminación. Los componentes electrónicos de control de emisor que controlan la radiación de iluminación ejecutan tareas que incluyen: suministro de energía eléctrica y accionamiento de circuitos para convertir la energía eléctrica en energía luminosa, controlando la amplitud y la sincronización de los impulsos de la fuente de luz, controlando los dispositivos ópticos que filtran, enfocan o impulsan mecánicamente la radiación de iluminación, por ejemplo, un filtro de luz, monocromador, colimador y/o un pulsador. Además, los componentes electrónicos de control de emisor proporcionan medios para controlar los medios de procesamiento ópticos de luz recibida permitiendo el aislamiento de las longitudes de onda de luz de reflectancia y fluorescencia desde la muestra de prueba debido a su iluminación. Por ejemplo, la incorporación de un monocromador dentro de los medios de procesamiento ópticos de luz recibida pueden proporcionar medios para aislar las longitudes de onda deseadas y la funcionalidad del monocromador es controlada por el sistema de procesamiento óptico de luz recibida. La función de codificación es empleada por los componentes electrónicos de control de emisor a fin de codificar la señal de iluminación antes de la interacción con la muestra de prueba se pueden proporcionar mediante un número de técnicas de modulación de señal. Por ejemplo, el software de código de impulso puede ser utilizado para crear un impulso sincrónico para dirigir la modulación de la frecuencia del dispositivo de control de luz (modulación de frecuencia de ¡mpulso,PFM). Con la PFM la frecuencia de los impulsos es modulada a fin de codificar la información deseada. El software de código de impulso puede ser utilizado para crear un impulso sincrónico para dirigir la modulación de la amplitud del dispositivo de control de luz (modulación de amplitud de impulso PAM), en donde con la PAM la amplitud del impulso es modulada a fin de codificar la información deseada. Además, el software de código de impulso puede ser utilizado para crear el impulso sincrónico para dirigir la modulación del ancho de impulso del dispositivo de control de luz (modulación de ancho de impulso PWM). Con la PWM el ancho de los impulsos es modulado a fin de codificar la modulación deseada. Finalmente la señal de iluminación puede ser codificada utilizando un generador de función para crear un impulso sincrónico fijo que permite que el rango de impulso y la modulación de amplitud, además del impulsor de codificador mecánico para crear un impulso sincrónico para un modulador de luz indirecto, por ejemplo un pulsador, obturador, espejo galvanométrico etc. En una modalidad de la invención la función de codificación que es empleada por los componentes electrónicos de control del emisor es la modulación por desviación de fase (BPSK) la cual es un formato de modulación digital. La BPSK es una técnica de modulación que puede ser extremadamente efectiva para la recepción de señales débiles. Utilizando la modulación BPSK, la fase de la señal portadora es desviada 180° de acuerdo con una corriente de bit digital. El esquema de codificación digital de la BPSK es como sigue, un "1" ocasiona una transición de fase de la señal portadora (180°) y un "0" no produce una transición de fase. Utilizando esta técnica de modulación un receptor ejecuta un proceso de detección coherente de manera diferencial en el cual la fase de cada bit es comparada con la fase del bit precedente. Utilizando la modulación BPSK puede producirse una ventaja mejorada de señal a ruido cuando se compara con otras técnicas de modulación, por ejemplo, manipulación de encendido-apagado. Los medios de señal recibida DSP permiten la correlación de filtro ajustado entre las señales eléctricas recibidas desde el detector óptico y el periodo correspondiente como se define mediante los componentes electrónicos de control de emisión. Esta correlación entre las señales transmitidas y recibidas puede proporcionar un medio para la identificación mejorada de señales recibidas sobre el ruido (luz ambiental o ruido eléctrico, por ejemplo) el cual puede entrar al sistema óptico de la presente invención. El filtrado y el promedio de tiempo de las señales recibidas, sincronizadas y ajustadas con la secuencia de impulso emitida, mejora la relación de señal a ruido (SNR) y mejora la confianza en la medición de la respuesta de muestra en una longitud de onda o longitudes de onda de interés. Un filtro ajustado es una copia exacta de la señal de interés. El filtro es correlacionado con la señal de entrada, con este procedimiento que es básicamente una suma de los productos de la señal multiplicados por el filtro sobre la duración total del filtro. Al hacer el ajuste del filtro y la señal de interés, la correlación (convolucion) suma de manera común los picos relacionados con las sumas no ajustadas que proporcionan un medio para identificar la señal sobre el ruido externo dentro del sistema óptico. En una modalidad de la presente invención, un banco de filtros de banda estrecha centrados en intervalos del régimen de impulso pueden capturar más líneas del espectro de impulso, y por tanto pueden proporcionar un medio para la estimación de energía de impulso de luz mejorada y la subsecuente identificación de la longitud de onda detectada. En una modalidad de la presente invención, si el dominio de tiempo que distribuye a la función está representado por F(w) y la señal recibida está representada por H(w), entonces la salida del receptor de filtro ajustado puede obtenerse utilizando el procesador de señal digital: s(t)= F(w)H(w)ejandf en donde ??=2p? En esta ecuación F(w) es la transformación Fourier de la señal de entrada f(t) y H(w) es la transformación Fourier del filtro lineal de receptor h(t). En un filtro ajustado, el filtro lineal de receptor H(w) es ajustado para optimizar la relación de señal pico a ruido de la salida de receptor s(t) para la señal de entrada especifica f(t). Cuando la respuesta de filtro lineal de receptor H(w) está dada por: H(w)=KF*(w ian0 Entonces la relación de señal de salida a ruido se aumenta al máximo y la respuesta de filtro de receptor H(w) es ajustada para la señal de entrada f(t), en donde f(t) tiene la transformación Fourier F(w). Las dos ecuaciones anteriores son tomadas de "Information Transmission, Modulation and Noise, A Unified Approach to Communication Systems", Schwartz, Mischa; Third Edition. Un receptor de filtro ajustado permite que se aumente al máximo potencialmente la relación de señal a ruido de la señal de salida s(t), la detección de la cual es deseable. Por lo tanto un receptor de filtro ajustado puede proporcionar la detección óptima de la señal de salida. Ya que un receptor de filtro ajustado es un sistema lineal, s(t) es directamente proporcional a la intensidad de la iluminación de reflectancia y fluorescencia en el detector. El uso del filtro ajustado puede permitir que se detecten señales débiles en presencia de ruido (ruido externo e interno del sistema óptico), que pueden no ser detectables utilizando otros sistemas ópticos. En una modalidad de la invención, el sistema de procesamiento de señal involucra las tareas tanto de extremo anterior análogo como de extremo posterior digital. En general, las tareas de procesamiento análogo están relacionadas con recuperar las señales de censor pequeñas y aplicar operaciones de filtrado altamente selectivas. Las tareas de dominio digital están relacionadas con el filtrado de señal adicional así como las funciones de análisis, en relación con la detección de energía y la salida de datos. Para reducir al mínimo la interferencia y para proporcionar inmunidad contra el ruido de impacto, la señal de iluminación es modulada mediante una frecuencia típicamente de unos cientos de Hz. La sección análoga está designada para amplificación de alta ganancia y prefiltrar la salida del diodo y recuperar la frecuencia de modulación. Utilizando esas señales, un filtro de rastreo de banda estrecha puede proporcionar la selectividad muy alta para la recuperación de señal modulada. La señal del filtro de banda estrecha, después de la amplificación es convertido analógico/digital e introducido en un DSP (procesador de señal digital) el cual ejecuta en tiempo real las tareas del lado posterior del filtrado, la detección de energía, promediado y conversión de los resultados en datos útiles. El filtrado mejora además el rechazo de un ruido a/c y distorsión armónica, los cuales pudieron haber sido introducidos en las etapas finales del procesamiento analógico. El filtrado es seguido por un detector de energía promedio, el cual emite los valores proporcionales a la energía de la señal del censor. Esos valores son enviados a la computadora principal en intervalos cortos, en donde pueden ser clasificados y procesados para análisis posterior. En otra modalidad de la presente invención, los medios de procesamiento de señal digital pueden ser designados como se ilustra en la figura 4. Inicialmente un generador de secuencia de impulso 450 transmite un contador de periodos de impulso hacia el regulador de periodo de impulso 440 y transmite además la señal digital que define la secuencia generada para un convertidor de digital a analógico 460. Los impulsos analógicos resultantes son enviados hacia la fuente de luz al pasar a través de un filtro de pasabajos analógico 470 y la fuente de luz ilumina subsecuentemente la muestra de prueba en base a esos impulsos. A la recolección y detección de la radiación emitida desde la muestra de prueba debido a su iluminación, los Impulsos generados por el foto detector como un resultado de la detección de la radiación fotónica son transmitidos hacia un filtro de pasabajos analógico (LPF) 400, el cual transmite la información filtrada hacia un convertidor analógico a digital (ADC) 410. El LPF analógico puede suprimir las frecuencias sobre 10 kHz, por ejemplo, proporcionando de esta manera la antiformación de pseudónimos. Esta información digitalizada es enviada hacia un banco de filtros de respuesta de impulso finito de banda estrecha (FIR) 420, en donde cada filtro es ajustado para una de las líneas en el espectro de secuencia de impulso (pulso de señal de entrada). Esto proporciona un medio para ajustar el espectro del pulso a fon de identificar la señal sobre el ruido externo dentro del sistema (filtrado de ajuste). Las sumas de la correlación filtro-señal de entrada 430 son transmitidos hacia el detector de pico a través de los reguladores de periodo de pulso 440 y 480 y la luz promedio medida es enviada después hacia la lógica de control 500 en el DSP. La lógica de control 500 proporciona medios para ejecutar el control de programación y el control de configuración de los medios de procesamiento de señal digital (DSP). Las señales de luz medida promediada son transmitidas subsecuentemente hacia un dispositivo de computación ubicado en una computadora personal, por ejemplo, a través de un puerto serial RS232 510, a fin de estar organizado en un formato utilizable y presentable, por ejemplo, generando una representación gráfica de la información recolectada. En una modalidad de la invención, la funcionalidad de los medios DSP puede comprender además la habilidad de establecer una disposición de alarma, en donde una o más acciones se toman a la activación de una disposición de alarma. Por ejemplo, los medios DSP pueden correlacionar y ejecutar constantemente análisis estadísticos sobre los datos procesados y una vez que un nivel de cambio predeterminado en la luz recibida se alcanza los medios DSP activarán la disposición de alarma. La activación de una disposición de alarma puede resultar en un mensaje que es enviado al personal que está monitoreando el sistema óptico, por ejemplo, en la forma de una luz o ruido de advertencia. En una modalidad, en donde la muestra de prueba es una muestra de fluido que fluye, la activación de una disposición de alarma puede resultar en una muestra de fluido que es extraída desde el flujo de fluido, a través del uso de una válvula para transferir el fluido desde el flujo hacia un recipiente de recolección, por ejemplo. Esta muestra de fluido puede subsecuentemente ser sometida a un análisis detallado para la evaluación de sus contenidos en un laboratorio, por ejemplo. En el ejemplo del monitoreo de un fluido que fluye, la incorporación de una disposición de alarma puede permitir la captura de cambios significativos en los contenidos de fluido a través del muestreo del fluido a la detección de un nivel particular de cambio en la reacción del fluido a la iluminación de la luz. Este procedimiento puede proporcionar una evaluación mejorada de los cambios en un contenido de fluido en oposición al muestreo en base a tiempo periódico, del fluido. La utilización de técnicas de procesamiento de señal avanzadas, permiten la detección de las emisiones de reflectancia y fluorescencia óptica que normalmente no serían capaces de ser detectadas. Además, los algoritmos de procesamiento de señal pueden ser implementados en microcircuitos de procesamiento de señal digital estándar, permitiendo que el costo general de los dispositivos en base a esta tecnología sea relativamente bajo. Los medios DSP pueden estar incorporados en un sistema de cómputo en la forma de un tablero de circuitos que puede ser instalado en una computadora, en donde la computadora puede proporcionar medios para manipular y organizar la información recibida después del filtrado ajustado en un formato que es fácil de interpretar para los operadores del sistema por ejemplo. De manera alternativa, el DSP puede comprender hardware autónomo que proporciona medios para que el DSP funciones de manera independiente.

Sistema DSP Autónomo.

En una modalidad de la presente invención, los medios de procesamiento de señal digital junto con sus subsistemas están diseñados en una configuración autónoma. En este tipo de configuración autónoma, el sistema DSP puede incluir además la capacidad de interconectarse con un sistema de comunicación global, por ejemplo, la Internet o para conectarse en red dentro de una red de área local (LAN). Este tipo de interconexión con una red de comunicación puede permitir la recolección de información a partir de una pluralidad de sitios de prueba mediante una estación central, reduciendo de esta manera potencialmente el personal requerido para la recolección de estos datos de prueba. Como lo sabría alguien con experiencia en la técnica, dependiendo del sistema de comunicación (LAN, WAN, Internet) a través del cual la información de los sistemas ópticos sea transmitida y el nivel deseado de seguridad para la información, pueden requerirse niveles variables de encriptado de los datos. En esta modalidad, el DSP autónomo comprende un bloque transmisor y receptor, un bloque microcontrolador (MCU), un bloque de conexión en red y un bloque de suministro de energía digital y analógica. En esta modalidad el bloque DSP comprende un microcircuito de procesamiento de señal digital y memoria de acceso aleatorio estática externa adicional (SRAM). El bloque DSP ejecuta los algoritmos de computación para el procesamiento rápido en tiempo real de los datos espectrales que son transferidos desde el o los detectores ópticos. Este bloque también genera señales que son capaces de modular la fuente de energía fotónica, en donde esta señal de modulación puede ser multiplexada hacia múltiples fuentes de energía fotónica si se requiere. Sin embargo, cada detector, si existe más de uno, tiene un canal separado dentro del bloque DSP para la transmisión de la información con relación a la luz recibida. Además, el bloque DSP puede controlar el o los dispositivos ópticos que impulsan mecánicamente la radiación de iluminación, por ejemplo, un pulsador. Como lo conoce alguien con experiencia en la técnica, la velocidad de procesamiento requerido del microcircuito DSP se puede determinar a través de la cantidad estimada y la frecuencia de los datos entrantes que van a ser procesador por ejemplo. De esta manera un microcircuito apropiado puede determinarse en base a su velocidad de procesamiento por ejemplo del número de hertz que el DSP opera, 40 Hz, 60 Hz y así sucesivamente. De acuerdo con esta modalidad, el bloque transmisor y receptor comprende convertidor o convertidores de analógico a digital (ADC), convertidores de digital a analógico (DAC) y filtras de pasabajos, en donde esos filtros permiten la antiformación de pseudónimos de la señal recibida. Si los diodos emisores de luz (LEDs) o los diodos láser son utilizados como la fuente de energía fotónica para el sistema óptico, este bloque comprende además un multiplexor y amplificadores de alta corriente. El multiplexor permite la transmisión de señales para la activación de múltiples fuentes de energía fotónica independientemente y los amplificadores de alta corriente proporcionan medios para proveer la energía suficiente a fin de activar esas fuentes de energía fotónica de manera que su salida de energía espectral máxima se obtiene. El bloque de conexión de red de los medios DSP autónomos comprenden una tarjeta de conexión de red, por ejemplo, un microcircuito ethernet o un microcircuito de red inalámbrico, el cual permite la interconexión del sistema DSP autónomo con una red de comunicación, por ejemplo, una red de área local (LAN), una red de área ancha (WAN) o una red inalámbrica (por ejemplo, Bluetooth™ o IEEE 802.11). Alguien con experiencia en la técnica entendería el formato y tipo del microcircuito o tarjeta que se requiere para la conexión de red deseada. Además el bloque de red comprende un microcircuito de interfaz serial, por ejemplo, el puerto RS-232 que puede proporcionar una interfaz serial a otro componente o sistema, por ejemplo, una computadora o un modulador serial, por ejemplo, un modulador del tipo de marcación o inalámbrico o una conexión serial a un monocromador. Además, en esta modalidad autónoma el bloque de unidad de microcontrolador (MCU) comprende un circuito MCU, el cual puede ser un microcircuito de 8 bits, 16 bits, o 32 bits, por ejemplo, un SRAM externo y una unidad FLASH externa. El bloque MCU maneja el bloque DSP y el bloque de conexión de red, en donde el bloque MCU recolecta los datos procesados desde el bloque DSP y envía esta información hacia el bloque de conexión de red. Los dispositivos ópticos que filtran y/o enfocan la radiación de iluminación y la luz recibida, por ejemplo, los filtros de luz o monocromadores, pueden ser controlados por el bloque MCU. El bloque MCU puede ejecutar de manera adicional análisis estadísticos sobre los datos y puede posiblemente activar una disposición de alarma. Por ejemplo, una disposición de alarma puede ser activada si el nivel de fluorescencia de la muestra de prueba excede un nivel predeterminado, en donde esta activación de alarma puede comprender la recolección de una muestra para un análisis más detallado o la notificación del personal de la activación de alarma. En el caso donde las actualizaciones de software para el bloque DSP son requeridas, por ejemplo la modificación del procedimiento de filtrado de ajuste, el bloque MCU puede manejar las actualizaciones de software remoto del código DSP, por ejemplo. El tipo de microcircuito MCU incorporado dentro del bloque MCU puede variar dependiendo del volumen de la información que se va a procesar por ejemplo, como lo sabría alguien con experiencia en la técnica. El bloque de suministro de energía digital y analógica del sistema DSP autónomo puede proporcionar energía DC regulada en una variedad de niveles dependiendo de aquel requerido por los componentes del sistema DSP autónomo. En un ejemplo, la energía de entrada a este sistema autónomo puede ser suministrada mediante un suministro de energía no regulada o variable, por ejemplo, un conector de pared. El bloque de suministro de energía digital y analógica comprende elementos que pueden regular la energía de entrada y subsecuentemente generar los niveles de voltaje analógico y digital requeridos para cada componente del sistema DSP autónomo. Como ejemplos, los elementos que permiten el ajuste de la energía de entrada comprenden transformadores, convertidores AC-DC o cualquier otro elemento de regulación de energía como lo sabría alguien con experiencia en la técnica.

Alojamiento de Muestra de Prueba.

De manera opcional, el sistema comprende un alojamiento de muestra de prueba que proporciona medios para orientar una muestra de prueba de manera que la iluminación de la muestra y la detección de las emisiones resultantes de muestra se pueden ejecutar. Por ejemplo, como se utilizaría con un microscopio, el alojamiento de muestra de prueba puede comprender una tira de cubierta y una placa de vidrio para asegurar la muestra de prueba y un conjunto de sujetadores se puede utilizar para orientar y restringir el movimiento de esta placa de vidrio y la tira de cubierta durante la prueba. En una modalidad de la presente invención en donde la muestra de prueba es un fluido que fluye, un alojamiento de muestra de prueba puede ser un tubo insertado y apropiadamente orientado dentro del flujo de fluido en donde este alojamiento proporciona medios para que una sonda óptica sea orientada en el mismo. Este alojamiento de muestra puede ser diseñado de manera que reduzca al mínimo los efectos en el flujo del fluido reduciendo potencialmente de esta manera sus efectos sobre la respuesta detectada del fluido para su iluminación. El tamaño, en particular el área de sección transversal, del alojamiento de la muestra de prueba puede diseñarse de manera que el área de superficie del alojamiento esté fuera del campo de vista del detector óptico. De esta manera, la detección de la refiectancia desde el alojamiento se puede reducir al mínimo. A fin de reducir potencialmente el efecto del alojamiento de muestra de prueba de la respuesta, la superficie del alojamiento puede fabricarse utilizando o pintando con un material absorbente de luz no reflectivo. Además, en esta modalidad, el alojamiento de muestra de prueba puede ser fabricado de manera que la sonda óptica puede ser retirada para limpieza, si se desea y subsecuentemente reemplazada en la misma orientación.

Una forma de indexación puede utilizarse a fin de facilitar la realineación de la sonda óptica al volverla a colocar en el alojamiento de muestra de prueba.

Consideraciones.

En una modalidad, los requerimientos del sistema óptico son que: 1) sea capaz de resolver el espectro óptico en un rango de 250 nm hasta 800 nm; 2) la resolución espectral sea del orden de 5 nm o mayor; y 3) que tenga una supresión de luz difusa de 10"5 o mejor, tanto para las unidades de iluminación como de emisión. Además, una resolución espectral de 5 hasta 10 nm puede permitir el muestreo razonable de los picos de fluorescencia, los cuales parecen ser del orden de 30 hasta 50 nm. Sin embargo, la resolución más fina puede ser útiles en algunas aplicaciones. El factor de supresión de luz difusa requerido depende de que tan pequeña sea el área de la luz recibida que uno desea detectar. La luz difusa esencialmente determina el piso de ruido óptico para el sistema y fija el límite de capacidad de detección óptica. En la selección déla longitud de onda de iluminación, los factores que se equilibrarán son el tiempo de exploración general para el área de interés o muestra de prueba y la resolución de la exploración. El número total de etapas N requeridas para hacer el barrido de la luz de iluminación y el espectro de luz recibida es: N=n¡ nd/2 en donde: n¡=número de etapas para el monocromador de iluminación. nd=número de etapas para el monocromador de luz recibida. El factor ½ determina que solamente los términos diagonales de la matriz de luz de iluminación / luz recibida son de interés además de los términos de un lado de la diagonal solamente. Además N es proporcional a ??/2, en donde ?? es la resolución espectral de un monocromador. Ya que el tiempo de exploración es proporcional a N, existe entonces una relación entre ?? y el tiempo de exploración.

Detección de Señal Débil.

En una modalidad, el método codificado por tono es utilizado para codificar la señal debido a su simplicidad básica y el hecho de que proporciona un grado razonable de supresión de ruido con relación a la complejidad. En esta modalidad, la consideración clave es la cantidad de tiempo requerida para tomar una medición. Esto se determina mediante: 1) la cantidad de tiempo requerida para adquirir las muestras de una transferencia de dominio de frecuencia, la cual es esencialmente el número de muestras requeridas dividido entre el promedio de muestra y 2) el ancho de banda de filtro en el caso de una técnica de filtro de pasabajos, la cual es esencialmente el recíproco del ancho de banda del filtro. La relación con el ancho de banda de señal eléctrica es el tiempo de observación contra el ruido. A medida que se incrementa el ancho de banda y el tiempo de observación disminuye, la energía de ruido incrementa en proporción al ancho de banda. Cualquier incremento en el ruido reduce la sensibilidad del detector. El tiempo de procesamiento total para explorar el área de interés puede determinarse mediante ?=?t, en donde t es el tiempo para una medición en una longitud de onda. Las dos variables claves en el tiempo de observación son el nacho de banda de filtro óptico y el ancho de banda de filtro eléctrico. Un cálculo de primer orden aproximado de T se puede hacer al realizar las siguientes suposiciones: 1 ) resolver el espectro óptico sobre un rango de 250 nm hasta 800 nm; 2) utilizar un ancho de banda de resolución óptica de 10 nm; y 3) utilizar un filtro de pasabajos eléctrico BW de 10 Hz, por lo tanto t=0.10 seg. Utilizando esas tres suposiciones, el tiempo de exploración es de 151.25 segundos, o aproximadamente 2.5 minutos. Cuando una muestra de prueba va a ser examinada es expuesta a radiación de iluminación, la detección de las características de radiación reactiva son el objetivo. En general, la luz fluorescente será mucho más débil que la luz reflejada. La resolución espectral requerida es determinada por la habilidad del sistema de espectrómetro óptico para discriminar entre las longitudes de onda reflejadas y en fluorescencia. Esto puede lograrse a través del uso de un prisma y/o monocromadores con aberturas variables, los cuales suprimen la radiación difusa. Para que las identificaciones ópticas sean resueltas adecuadamente, el sistema debe ser capaz de detectar señales eléctricas muy débiles, las cuales resultan a partir de la radiación óptica que es detectada por el fotodiodo. Finalmente, el objetivo es detectar una señal muy débil en un fondo de ruido debida al ruido eléctrico, la radiación de fondo óptica y las emisiones fuera de banda a partir de la muestra de prueba (debido a la resolución espectral del espectrómetro). Otras variables en la medición de las identificaciones espectrales comprenden: a) duración en tiempo de la muestra de prueba que es iluminada; b) la amplitud de la iluminación en la primera superficie de muestra de prueba; c) la amplitud de las variables de ruido; d) los desplazamientos espectrales en los iluminadores durante el tiempo; y e) la disminución de la fluorescencia emitida por una muestra de prueba después de que se ha detenido la iluminación de la muestra de prueba. Esas variables necesitan ser resueltas para comparar el rendimiento de los diferentes esquemas de detección.

En una modalidad de la presente invención, el filtrado adaptable de la luz recibida puede permitir la detección de la intensidad en disminución de la fluorescencia emitida desde una muestra de prueba al descontinuar la iluminación de la muestra de prueba. La descontinuación de la iluminación puede ser la terminación completa de la transmisión de la energía fotónica o la descontinuación de una longitud de onda de iluminación particular. La medición de la disminución de la fluorescencia emitida por una muestra de prueba utilizando un dispositivo de acuerdo con la presente invención puede proporcionar medios para la identificación de una muestra de prueba. Las técnicas de modulación de amplitud de impulso como se aplican para esta situación pueden ser la manipulación de encendido-apagado de la iluminación. La detección se basa en la habilidad para detectar la presencia de la señal en un ruido ambiental. La capacidad de detección de la señal depende de la habilidad para discriminar la señal del ruido y requiere generalmente de una energía de señal mucho mayor que el ruido (>10dB típicamente). Un ejemplo de una señal manipulada de encendido-apagado se muestra en la figura 5. La relación de señal a ruido (SNR) en este caso es 0 dB y no es posible distinguir la porción de ruido de la señal a partir de aquella que consiste del ruido más la señal. El mecanismo de detección del dominio de frecuencia es un medio de detección en base a la modulación de frecuencia de la señal con una modulación de frecuencia constante. Esto tiene grandes ventajas sobre la detección del dominio de tiempo tal como la manipulación de encendido-apagado. Aunque las amplitudes RMS de la señal y el ruido pueden ser iguales, la densidad espectral de energía déla señal modulada es usualmente mucho mayor que la densidad espectral de energía del ruido de transmisión de banda ancha. La portadora puede ser aislada del ruido por un número de medios, incluyendo: a) técnicas de medición espectral, tal como DFT o FFT; y b) filtrado de banda estrecha con la frecuencia central del filtro ubicada en la frecuencia de modulación. Un ejemplo de esto se muestra en la figura 6. En este caso, las amplitudes RMS de la primera señal y el ruido son iguales (SNR=0 dB). Otras dos señales son añadidas las cuales tuvieron magnitudes relativas para la primera señal de 0.50 y 0.1 respectivamente. La señal de dominio de tiempo parece exactamente igual que aquella mostrada en la figura 5. En el dominio de frecuencia sin embargo, los picos espectrales para la primera y segunda señales son evidentes. La identificación espectral para esta señal es ocultada en el ruido no puede ser resuelta. Esta técnica de detección es relativamente simple de implementar en la práctica y puede ser adecuada para el uso en un espectrómetro óptico. Las técnicas de codificación de impulso (binaria, lineal, mejorada) son medios alternativos de detección. Las técnicas de codificación de impulso se utilizan frecuentemente para detectar señales muy débiles en presencia de ruido. Estas pueden ser más complejas que las técnicas tradicionales tales como la detección de tono y la detección de amplitud de impulso, aunque en ocasiones son la única opción cuando la amplitud de la señal que se va a detectar es débil con relación al ruido y no hay medios disponibles para incrementar la relación de señal a ruido distinta de la codificación de impulso. Dos técnicas de codificación de impulso ilustrativas son la codificación de impulso binario y la codificación de modulación de frecuencia lineal (F ). Ambas técnicas quedan dentro del dominio de la compresión de impulso y espectro de distribución y son adecuadamente descritas en numerosas referencias (Barton, DK (1978) Radars Volume 3: Pulse Compression, Artech House Inc.). La codificación de impulso binario, como un ejemplo, utiliza la palabra de sincronización de 1000-bit, la cual puede ser creada utilizando un generador de número aleatorio uniforme y construyendo una secuencia binaria a partir de esos datos. Los pulsos son generados en ubicaciones especificas en el dominio de tiempo y las amplitudes relativas son medidas. Los resultados de una salida de correlación de dominio de tiempo se muestran en la figura 7. En una gráfica de amplitud, los tres impulsos pueden ser detectados. El tercero y más pequeño de los pulsos de señal es solamente distinguible a partir del ruido. Los esquemas de compresión de impulso lineal FM han sido utilizados tradicionalmente en sistemas de radar para reducir la energía de pico general de las señales transmitidas en tanto que se logra aún grandes rangos de detección. También figuran de manera prominente en el procesamiento de radar de abertura sintética para radares de formación de imagen aérea y espacial. Esta forma de codificación se logra haciendo un barrido lineal de una señal portadora desde hasta f2 (para un ancho de banda de barrido de M) durante una duración t. En general, la "potencia de salida" de una señal codificada FM lineal se incrementa por el producto de ancho de banda del tiempo (TBP) ??t, el cual es el producto de la duración del impulso en segundos y el ancho de banda de barrido en Hertz. El proceso de detección es esencialmente un detector de filtro ajustado, el cual es ajustado para el impulso transmitido FM lineal. El proceso general es mostrado en la figura 8. la señal s(t) es usualmente una función Dirac Delta, la cual en realidad es simplemente el impulso de accionamiento para el codificador h(t) que genera la señal transmitida ?(t,??) la cual es el impulso codificado FM lineal (o Chirp) el cual tiene una duración xy un ancho de banda Af. Esta es la señal que accionaría un emisor óptico para iluminar una muestra de prueba. El ruido n(t) es agregado a la señal codificada tanto en los elementos ópticos como en los electrónicos. Esta señal óptica es detectada por un foto detector, cuya señal de salida eléctrica está comprendida de la señal óptica real de interés, el ruido de fondo óptico y el ruido eléctrico en el foto detector y los componentes electrónicos. El detector de filtro ajusta procesa entonces esta señal eléctrica. Ya que la señal óptica de interés es solamente una de los tres componentes de la señal que es ajustada para el filtro ajustado, es el único componente que experimenta ganancia durante la codificación de impulso FM lineal. Los componentes de ruido óptico y eléctrico son esencialmente suprimidos con relación a la señal codificada. Esta es una ventaja de dicho esquema. Una salida FM Chrip lineal se muestra en la figura 9. En la gráfica de amplitud, solamente los dos impulsos más grandes pueden ser detectados, con el tercero que es esencialmente ocultado en el ruido. Este ejemplo demuestra gráficamente la ganancia de codificación ofrecida por una técnica de compresión de impulso FM lineal. Las técnicas de codificación de impulso mejorado toman ventaja del hecho de que incrementando el producto del ancho de banda en tiempo, puede lograrse una mayor ganancia de codificación. Utilizando esta técnica el más débil de los impulsos de dominio de tiempo apenas fue visible. Una gráfica del caso original con un TBP de 200 se muestra en la figura 10 y el nuevo caso con un TBP de 800 se muestra en la figura 11. El incremento del producto del ancho de banda de tiempo ha incrementado la ganancia de codificación lo suficiente para que el tercero y más débil impulso sea visible ahora sobre el piso de ruido. La ganancia de codificación se incrementó de 23.0 dB hasta 29.0 dB o un incremento general de 6.0 dB. En ambas gráficas, la potencia ha sido normalizada hasta el pico ubicado e la muestra 100. El punto en el piso de ruido va desde un TBP de 200 hasta 800 y es fácilmente visible. Para lograr este punto, una gráfica para el caso de un TBP de 2250 se muestra en la figura 12. Para comparar este esquema de detección de producto de ancho de banda de tiempo elevada para las otras técnicas de codificación, una gráfica de magnitud de dominio de tiempo en donde la amplitud de detector ha sido graficada se muestra en la figura 13. La amplitud de ruido será suprimida por 2250, o aproximadamente 47.4. La amplitud pico del impulso 1 es de 2505, el impulso 2 es de 1252 y el impulso 3 es de 250. La magnitud de ruido fue la misma que aquella de la señal para el pico 1 , por lo que la magnitud del ruido será suprimida hasta un nivel de aproximadamente 52. Como puede verse a partir de la figura 13, este es más o menos el caso. Debido al alto nivel de supresión de ruido logrado, la señal para el impulso 3 es muy visible con relación al fondo de ruido. Esto es fácilmente evidente cuando TBP=375 el caso en la figura 9 en donde el impulso 3 no es visible, se compara con el caso TBP=2250 en la figura 13 en donde el • impulso 3 es visible. Los productos de ancho de banda de tiempo más altos pueden utilizarse para ganar ganancias de codificación superiores, aunque estas pueden limitarse dependiendo de los medios utilizados para lograr la codificación de señal. Un pulsador mecánico estaría limitado por la habilidad para reproducir el código FM lineal sobre la rueda de pulsador, en tanto que los moduladores acusto-ópticos podrían lograr TBP's mucho mayores aunque a un mayor costo.

Metodologías de Exploración.

Para exploración manual, la sonda es movida manualmente a través de la superficie que se va a analizar, y analiza solamente el área inmediatamente bajo observación. Las características espectrales son observadas en un punto fijo en el espacio (x0, y0). Por tanto, se obtiene una gráfica unidimensional de la respuesta espectral para cada punto (x0, y0). Este modo de operación es útil si el material fluorescente es distribuido de manera difusa a través del medio que se va a observar, o si se requiere del análisis localizado. Para la exploración bidimensional, el fluido fluye a través de una cámara y las respuestas espectrales se obtienen para cada punto en el tiempo (t, ?). Este modo de operación es útil si el material fluorescente es periódico como en un sistema abierto tal como un sistema de drenaje municipal o un sistema cerrado para procesamiento de fluido. Para la exploración tridimensional, pueden obtenerse datos cuantitativos y cualitativos para el control de retroalimentación de ciclo cerrado y la detección de características físicas y ópticas en la materia en cuestión. A medida que la sonda es explorada a través de una superficie bidimensional, las respuestas espectrales se obtienen para cada punto (x¡, y¡, z¡, ?). Para lograr una mejor comprensión de la invención aquí descrita, se proporcionan los siguientes ejemplos. Debe comprenderse que esos ejemplos son solamente para fines ilustrativos. Por lo tanto, no limitarán el alcance de la invención en forma alguna.

EJEMPLOS EJEMPLO 1 : SISTEMA ÓPTICO PARA ANALIZAR MUESTRAS DE FLUIDO.

En una modalidad de la presente invención, el sistema óptico puede estar diseñado para ejecutar el análisis de muestras de fluido, por ejemplo, para la detección de turbidez y/o biomasa en una muestra de agua que fluye. Esta forma de la invención puede ser utilizada para el análisis de una muestra de petróleo por ejemplo. En esta modalidad del sistema óptico el o los cambios en las propiedades espectrales de una muestra de prueba son detectados y evaluados. Una modalidad de la invención es un sistema utilizado para este propósito que se ilustra en la figura 16. Este ejemplo está dirigido hacia el análisis de agua, aunque puede utilizarse igualmente para el análisis de otros fluidos. El sistema óptico comprende un procesador de señal digital 600, un sistema de control LED 610, un sistema de iluminación 620, una cámara de muestra o flujo de agua 630 dentro de la cual la sonda óptica 700 se puede colocar, elementos ópticos detectores 640, un foto detector 650, componentes electrónicos foto detectores 660 y una red 670 a la cual se conecta el DSP 600. La sonda óptica 700 que puede ser insertada dentro del agua que fluye comprende el sistema de iluminación 620 y los elementos ópticos detectores 640, los cuales pueden estar alineados a fin de aumentar al máximo la detección de la radiación emitida por la muestra de agua a la iluminación. El procesador de señal digital 600 comprende hardware y software integrados juntos para permitir ejecutar las tareas que incluyen el procesamiento de señal, el procesamiento de datos, el control del sistema a través del uso de lógica de control y comunicación con una red externa por ejemplo la Internet o una red de área local (LAN). El procesamiento de señal ejecutado por el DSP incluye la operación del generador de señal que permite la codificación de la señal de iluminación (radiación). Además, el procesamiento de señal habilitado por el DSP incluye el filtrado ajustado FI y el filtrado de correlación de la señal de luz recibida (radiación detectada emitida por la muestra de agua). El procesamiento de datos es ejecutado por el DSP puede incluir la recolección, procesamiento y análisis de los datos recolectados. Un análisis estadístico de los datos también puede ejecutarse mediante el DSP a fin de determinar por ejemplo los periodos de retorno de niveles particulares de radiación detectada. El control de una válvula para retirar una muestra desde el flujo de agua en una cámara de muestra y el control del interruptor LED controlando de esta manera la activación de un LED, son provistos por la lógica de control incorporada dentro del DSP. La lógica de control puede adicionalmente controlar un limpiador óptico que puede ser utilizado para remover la bioincrustación que puede recolectarse y crecer sobre la sonda óptica. La inclusión de un limpiador óptico puede reducir la frecuencia de la remoción de la sonda desde la cámara de muestra o flujo de agua para limpieza. El DSP comprende además un sistema de comunicación que le permite conectar con una red permitiendo de esta manera la transmisión de la información recolectada hacia otros sitios sin la necesidad de personal que visite el sitio de prueba para recuperación de datos. En la presente modalidad, esta comunicación está provista por el software y el hardware que permiten que se cree un vínculo ethernet. El control LED 610 incluye el interruptor LED y un amplificador de alta corriente, en donde el interruptor LED activa el LED deseado y el amplificador de alta corriente transforma el suministro de energía disponible hasta un nivel que es compatible con la activación de un LED hasta un nivel de intensidad deseado. La sonda óptica 700 comprende el sistema de iluminación 620 y los elementos ópticos detectores 640 en donde esta sonda puede ser insertada dentro del flujo de agua directamente o dentro de una cámara de muestra que contiene el agua extraída desde el flujo de agua. Si la sonda es insertada dentro del flujo de agua en movimiento, la forma de la sonda deberá ser diseñada para alteración mínima del flujo de agua. El sistema de iluminación comprende una disposición LED y elementos ópticos LED para enfocar la radiación fotónica generada por la disposición LED. La disposición LED puede ser un solo diodo o puede ser una colección de diodos extendiendo de esta manera una banda predeterminada de longitud de onda. En una modalidad, un diodo emisor de luz verde y azul se utiliza en el sistema óptico. Los elementos ópticos detectores comprenden lentes para recolectar la radiación emitida por la muestra de agua además de un filtro de pasabajos de paso de banda óptico para el prefiltrado de la radiación recolectada antes de ser detectada por el foto detector 650 para conversión de la radiación detectada en señal electrónica. Los componentes electrónicos foto detectores 660 comprenden una colección de filtros que filtran previamente la información recolectada antes de su procesamiento por el DSP, por ejemplo el filtrado ajustado de la información recolectada con relación a la iluminación de las muestras de agua. En esta modalidad de la invención, el DSP es un sistema autónomo que puede incluir un suministro de energía interna o un convertidor de energía a fin de que el DSP esté interconectado a una fuente de energía AC estándar, por ejemplo, un contacto de pared. Además, este tipo autónomo de sistema permite el despliegue de este sistema óptico en una pluralidad de sitios, por ejemplo en varias ubicaciones en un sistema de suministro de agua. A través de la interconexión de esta colección de sistemas ópticos a una red de comunicación, por ejemplo la Internet o una red de área local, la información que es recolectada y procesada por estos sistemas ópticos pueden ser transmitidas hacia un sitio central, sin la necesidad de personal que visite cada sitio de prueba para recolectar la información. Este tipo de sistema puede proporcionar un medio para evaluar eficientemente y de manera efectiva en cuanto al costo un sistema de suministro de agua.

Este sistema óptico es capaz de detectar la refiectancia y la fluorescencia, en donde la refiectancia es indicativa de la turbidez de la muestra de agua y la fluorescencia es indicativa de la biomateria contenida dentro de la muestra de agua. Alguien con experiencia en la técnica sabe que la biomateria, antes su iluminación emanará fluorescencia y la detección de la intensidad de la fluorescencia puede potencialmente permitir la determinación del nivel de biomateria dentro de un suministro de un sistema de agua. Esta modalidad del sistema óptico evalúa los cambios en la refiectancia y la fluorescencia dentro del flujo de agua, permitiendo de manera potencial la identificación de situaciones que pueden ser de relevancia particular. De esta manera, a la detección de un nivel particular de cambio en la identificación óptica del flujo de agua, el DSP puede ser capaz de activar un procedimiento de muestreo, en donde una muestra del flujo de agua es recolectada para análisis de laboratorio. Este tipo de prueba casi constante y análisis de laboratorio selectivo puede reducir potencialmente el costo de monitoreo de un sistema de suministro de agua e incrementar la identificación de un problema potencial. Por ejemplo, la figura 17 ¡lustra en formato gráfico las lecturas de turbidez que son recolectadas durante el curso de un día como se recolectan mediante este sistema óptico.

La figura 18 ¡lustra la lectura de biomasa que son detectadas por el sistema óptico también durante el curso de un día.

EJEMPLO II: ESPECTRÓMETRO QUE INCORPORA UN RECEPTOR DE FILTRO AJUSTADO.

Una modalidad se muestra en la figura 14 que comprende una fuente de luz, por ejemplo un bulbo de xenón miniatura que tiene un espectro de emisión aproximadamente igual a aquel de un 6000°K Blackbody con líneas espectrales discretas. La luz es colimada y modulada mediante una rueda de pulsador, la cual proporciona una modulación de encendido-apagado 500 Hz para la luz que entra al monocromador de iluminación. El monocromador de iluminación opera bajo el control del CPU que barre la longitud de onda de iluminación desde 250 nm hasta 800 nm en etapas de 10 nm. Esta iluminación es enfocada sobre el área de interés. El monocromador de luz recibida opera bajo el control del CPU que barre la longitud de onda de luz recibida desde 250 nm hasta 800 nm en etapas de 10 nm. Es controlado de tal manera que para cada muestra de longitud de onda de iluminación 1¡ barre el rango de longitudes de onda mayor que o igual a ??. Un fotodiodo Ga-As es utilizado como el detector óptico, con la señal desde el fotodiodo que es amplificada por un amplificador de ruido bajo (LNA). La señal del LNA puede ser filtrada utilizando un filtro análogo, o puede ser digitalizada utilizando un convertidor de analógico a digital (ADC) y procesado digitalmente utilizando un filtro digital IIR o FIR. La salida de detector es grabada para cada ?, y ?0, y puede ser graficada para exhibición como se muestra en la figura 15. Un asunto importante con el que se va a tratar es la magnitud contra la calibración de longitud de onda del sistema, ya que la fuente de luz xenón no es espectralmente plana. Esto puede hacerse utilizando una fuente de reflexión difusa estándar, la cual es espectralmente plana en un sentido de longitud de onda óptica. El factor de calibración puede ser aplicado a los datos recolectados de manera que la coloración espectral de la fuente de iluminación puede ser eliminada de los datos. Este proceso es esencialmente de ecualización espectral de los datos. Una vez que los datos son ecualizados, pueden ser exhibidos en un número de formas tales como gráficas de contorno, gráficas de superficie, por ejemplo, permitiendo la fácil visualización de los espectros de iluminación / emisión. Esto puede requerir alguna normalización por decir el pico espectral más fuerte de alguna respuesta en una ubicación de longitud de onda fija. Esto tendrá que determinarse de manera experimental. Un ejemplo de un tipo de superficie de gráfica se muestra en la figura 15.

EJEMPLO III.

Una modalidad de esta invención comprende un sistema óptico que contiene: a) un diodo emisor de luz (LED), como la fuente de luz de iluminación, el cual es controlado por los medios de procesamiento de señal digital para emitir un ancho de banda de radiación que varía desde 380 hasta 500 nanómetros; b) un motor gradual controlado, un monocromador de iluminación que es controlado por los medios de procesamiento de señal digital para recibir la luz desde el dispositivo de iluminación y suministrar la longitud de onda Nth en una secuencia de impulso; c) una sonda de fibra óptica que está acoplada al monocromador con elementos de colimado y enfoque que proporcionan la longitud de onda Nth hacia un área de objetivo. Esta sonda óptica está ubicada en un ensamble que orienta los elementos ópticos de iluminación con aquellos de los elementos ópticos de detección de manera que están en un ángulo constante entre sí; d) medios de recolección para reunir la radiación resultante de la longitud de onda Nfh y suministrar la información por medio de los lentes de recolección de luz y la fibra acoplada a un motor controlado escalonado, y el monocromador de detección; y e) un foto detector tal como un fotodiodo integrado Ga-As y amplificador. Los monocromadores controlados por motores escalonados (tanto los monocromadores de iluminación como de detección) son controlados por los medios de procesamiento de señal digital para ejecutar las tareas de pasar las características reactivas de longitud de onda Nth en un momento especifico. Típicamente un fotodiodo integrado Ga-As y amplificador está conformado de componentes electrónicos compactos que constan de un fotodiodo y amplificador de transimpedancía sobre el mismo microcircuito. Esto es muestreado por los medios de procesamiento de señal digital para detectar la radiación en un momento especifico. Un fotodiodo es utilizado como un detector óptico, con la señal desde el fotodiodo que es amplificada mediante un amplificador de bajo ruido (LNA). La salida del LNA es filtrada utilizando un filtro analógico para acondicionar la señal del foto detector con un op amp, amplificando la señal hasta un rango especifico y es digitalizado utilizando un convertidor de analógico a digital (ADC) y procesado digitalmente utilizando un filtro digital FIR y una técnica de software de codificación de señal digital de manera tal como un producto de tiempo / ancho de banda que puede medirse utilizando un receptor de correlación. El sistema comprende además un dispositivo DSPS en donde la señal de codificación de modulación de iluminación se crea utilizando una técnica de codificación de impulso F lineal de 32 bits para compresión de impulso, la codificación de impulso de detección es resuelta mediante el producto de ancho de banda de tiempo con un receptor de correlación ajustado, y la detección de las amplitudes especificas de irradiación pueden indicar al DSPS que corra una rutina especifica para probar las características de respuesta de señal especifica en este caso la fluorescencia y la reflectancia pueden medirse dependiendo de las limitaciones de las longitudes de onda de iluminación. Los monocromadores pueden operar a través del espectro visible y pueden ser sustituidos por otras longitudes de onda en el UV o IR; y una técnica de procesamiento de señal digital de manera que el software que reconoce los picos de datos y su relevancia ponderada en base a regla puede controlar los monocromadores iluminador y detector.

EJEMPLO IV.

En una modalidad de la presente invención un sistema óptico puede diseñarse con la habilidad para controlar la longitud de onda de la exploración (radiación de iluminación) incluyendo técnicas de modulación. Este tipo de sistema óptico puede proporcionar flexibilidad óptica máxima, la cual puede requerirse para aplicaciones que incluyen investigación y diagnóstico. Una modalidad del sistema óptico diseñado para este escenario comprende: medios procesadores de señal digital los cuales están integrados en un dispositivo de cómputo con los componentes electrónicos de control de emisor que comprenden software de código de impulso para crear un impulso sincrónico para modulación directa de la frecuencia de los medios de procesamiento de emisión ópticos y los medios de procesamiento de señal recibida que incorporan un filtro ajustado de correlación de señal; una lámpara intermitente que proporciona la fuente de energía fotónica; medios de procesamiento de emisión ópticos que incorporan un circuito modulador de frecuencia para modular la radiación de iluminación, un sistema óptico refractivo o difractivo por el cual la longitud de onda central óptica se selecciona a través del uso de un controlador de posición para mover los elementos ópticos de acondicionamiento de luz fija del sistema óptico emisor; medios de procesamiento óptico de luz recibida que incorpora un sistema óptico refractivo o difractivo por lo que la longitud de onda central óptica es seleccionada a través del uso de un controlador de posición para mover los elementos ópticos de acondicionamiento de luz fija del sistema óptico detector; y un foto detector APD de silicio que actúa como el detector óptico. En esta modalidad, la corrección del espectro emitido para una lámpara intermitente puede requerir más que la simple comparación con la fuente de reflexión difusa estándar como en el ejemplo 2. Las longitudes de onda altamente especificas de las emisiones pico pueden requerir el ajuste de aberturas y ganancias del sistema de detección a fin de mantener la normalización precisa de la relación de señal a ruido. Esos ajustes son realizados de manera ideal automáticamente y registrados como variable de datos en el proceso de normalización. Este es especialmente el caso cuando la absorción de muestra y la reflexión son altamente variables en las longitudes de onda emisora pico. Un sistema que es fijado para máxima detección de fluorescencia en longitudes de onda no pico puede estar fácilmente sobre saturado por la respuesta de la longitud de onda pico.

EJEMPLO V.

En una modalidad de la presente invención un sistema óptico puede estar diseñado para sensibilidad máxima de la radiación resultante a partir de la iluminación de una muestra de prueba mediante una longitud de onda conocida de luz. Este tipo de sistema óptico puede ser útil para análisis de fluorescencia, especialmente si una sonda espectral está unida al sujeto de interés y tiene propiedades espectrales conocidas tales como la detección de una longitud de onda especifica de fluorescencia, absorción o reflexión que se puede medir. Una modalidad del sistema óptico diseñada para este escenario comprende: medios de procesamiento de señal digital que están integrados en un dispositivo de cómputo con los componentes electrónicos de control de emisor que comprenden software de código de impulso para crear un pulso sincrónico para dirigir la modulación de la frecuencia de medios de procesamiento de emisión óptica y los medios de procesamiento de señal recibida que incorporan un filtro de ajuste de correlación de señal; un láser que proporciona la fuente de energía fotónica; medios de procesamiento de emisión óptica que incorporan un explorador acusto-óptico y un sistema óptico emisor fijo; medios de procesamiento óptico de luz recibida que incorporan elementos ópticos de acondicionamiento de luz fija; y un foto multiplicador que actúa como el detector óptico.

Esta modalidad del sistema puede ser utilizada para detección directa de la respuesta de fluorescencia especifica a partir de biomoléculas dentro de una muestra de prueba o materia en cuestión.

EJEMPLO VI.

En una modalidad adicional de la presente invención un sistema óptico, el cual puede ser utilizado en las aplicaciones de menor costo de fluorometría y reflectometría que incluyen por ejemplo medición de partículas tales como turbidez de agua. En este ejemplo, el dispositivo óptico puede estar diseñado para iluminar una muestra de prueba con una longitud de onda especifica de luz y puede detectar la reflexión de la misma o una longitud de onda diferente o banda de onda reflejada, o emitida por estimulación de las partículas en el fluido. Una modalidad del sistema óptico asociado con este tipo de dispositivo comprende: medios de procesamiento de señal digital autónomo con los componentes electrónicos de control de emisor que comprenden un software de código de impulso para crear un impulso sincrónico para la modulación directa de la amplitud de los medios de procesamiento de emisión óptica y los medios de procesamiento de señal recibida comprenden un filtro ajustado de correlación de señal; un diodo emisor de luz (LED) que actúa como la fuente de energía fotónica; medios de procesamiento de emisión óptica que comprenden un circuito modulador de amplitud y un sistema óptico emisor de acondicionamiento de luz fija; medios de procesamiento óptico de luz recibida que incorporan un sistema óptico detector de acondicionamiento de luz fija y un fotodiodo de silicio que actúa como el detector óptico. En esta modalidad, el sistema óptico emite directamente dentro del fluido y el detector recibe la luz desde dentro del fluido. Esto se logra por medio de una fibra óptica o mediante la inserción directa del sistema óptico dentro del fluido de objetivo. Este tipo de procedimiento reducirá los efectos de reflexión de las capas límite de superficie, mejorando potencialmente de esta manera las características de señal a ruido del sistema óptico. Las modalidades de la invención que han sido descritas, será obvio que pueden ser variadas de muchas maneras. Dichas variaciones no están consideradas como una separación del espíritu y alcance de la invención y todas esas modificaciones sería obvio para alguien con experiencia en la técnica que se pretenda que estén incluidas dentro del alcance de las siguientes reivindicaciones.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Un sistema para ejecutar un análisis óptico de una muestra de prueba que comprende: a) una fuente de energía fotónica para emitir radiación de electromagnetismo, en donde la fuente de energía fotónica es controlada por medios de procesamiento de señal digital; b) medios de procesamiento de emisión óptica para recibir radiación electromagnética desde la fuente de energía fotónica y transmitir una o más longitudes de onda de iluminación hacia una muestra de prueba, en donde los medios de procesamiento de emisión óptica son controlados por los medios de procesamiento de señal digital; c) medios de procesamiento óptico de luz recibida para recolectar y aislar una o más longitudes de onda de radiación electromagnética recibida desde la muestra de prueba y transmitir las longitudes de onda una o más de la radiación electronomagnética recibida hacia un detector óptico, en donde los medios de procesamiento óptico de luz recibida son controlados por los medios de procesamiento de señal digital; d) un detector óptico para detectar y convertir la o las longitudes de onda aisladas de radiación electromagnética recibida en una señal eléctrica; y e) medios de procesamiento de señal digital para ejecutar el filtrado ajustado de la señal eléctrica recibida desde el detector óptico y para controlar la funcionalidad de la fuente de energía fotónica, los medios de procesamiento de emisión óptica y los medios de procesamiento óptico de luz recibida.

2. El sistema para ejecutar un análisis óptico de una muestra de prueba de acuerdo con la reivindicación 1 , en donde los medios de procesamiento de emisión óptica codifican las longitudes de onda de iluminación transmitidas hacia la muestra de prueba.

3. El sistema para ejecutar un análisis óptico de una muestra de prueba de conformidad con la reivindicación 2, caracterizado porque la codificación es ejecutada utilizando una técnica de modulación seleccionada a partir del grupo que comprende modulación de amplitud de impulso, modulación de frecuencia de impulso, modulación de ancho de impulso, manipulación por desviación de fase binaria o un generador de función.

4. El sistema para ejecutar un análisis óptico de una muestra de prueba de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado porque los medios de procesamiento de señal digital son un sistema autónomo.

5. El sistema para ejecutar un análisis óptico de una muestra de prueba de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado porque los medios de procesamiento de señal digital son un tablero de circuito que está integrado dentro de un sistema de cómputo.

6. El sistema para ejecutar un análisis óptico de una muestra de prueba de conformidad con la reivindicación 4, caracterizado porque los medios de procesamiento de señal digital son capaces de interconexión con una red de comunicación, la red de comunicación que se selecciona a partir del grupo que comprende red de área local, red de área ancha, red inalámbrica la Internet o ethemet.

7. El sistema para ejecutar un análisis óptico de una muestra de prueba de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado porque la fuente de energía fotónica se selecciona a partir del grupo que comprende un láser, un diodo láser, un diodo emisor de luz, una lámpara intermitente de arco o un bulbo de onda continua.

8. El sistema para ejecutar un análisis óptico de una muestra de prueba de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado porque los medios de procesamiento de emisión óptica y los medios de procesamiento óptico de luz recibida incluyen uno o más dispositivos ópticos seleccionados a partir del grupo que comprende condensadores, dispositivos de enfoque, lentes, fibras ópticas, aberturas y monocromadores.

9. El sistema para ejecutar un análisis óptico de una muestra de prueba de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado porque el detector óptico es seleccionado a partir del grupo que comprende un fotodiodo de galio-arsénido, un fotodiodo de sulfuro de cadmio o un diodo de descarga de silicio.

10. Un sistema para ejecutar un análisis óptico de un fluido que comprende: a) una sonda óptica que incluye un sistema de iluminación que incluye una fuente de energía fotónica para emitir radiación electromagnética y dispositivos ópticos para dirigir la radiación electromagnética hacia la muestra de prueba, la sonda óptica que incluye además elementos ópticos detectores para colectar y dirigir la radiación electromagnética emitida por la muestra de prueba hacia un foto detector, en donde la sonda óptica es insertada dentro de un flujo de fluido o una cámara de muestra que contiene una muestra de fluido; b) medios de control para activar la fuente de energía fotónica; c) un foto detector para detectar y convertir la radiación electromagnética emitida por la muestra de prueba en una señal eléctrica; y d) medios de procesamiento de señal digital para ejecutar el filtrado ajustado de la señal eléctrica recibida a partir del foto detector, los medios de procesamiento de señal digital que controlan además la activación de la fuente de energía fotónica y codifica la radiación electromagnética dirigida hacia la muestra de prueba.

11. El sistema para ejecutar un análisis óptico de un fluido de conformidad con la reivindicación 10, caracterizado porque la codificación es ejecutada utilizando una técnica de modulación seleccionada a partir del grupo que comprende modulación de amplitud de impulso, modulación de frecuencia de impulso, modulación de ancho de impulso, manipulación de desviación de fase binaria o un generador de función.

12. El sistema para ejecutar un análisis óptico de un fluido de conformidad con la reivindicación 10, caracterizado porque los medios de procesamiento de señal digital son un sistema autónomo.

13. El sistema para ejecutar un análisis óptico de un fluido de conformidad con la reivindicación 10, caracterizado porque los medios de procesamiento de señal digital son un tablero de un circuito que está integrado en un sistema de cómputo.

14. El sistema para ejecutar un análisis óptico de un fluido de conformidad con la reivindicación 10, caracterizado porque los medios de procesamiento de señal digital son capaces de interconexión con una red de comunicación, la red de comunicación que es seleccionada a partir del grupo que comprende una red de área local, red de área ancha, red inalámbrica, una ethemet o la Internet.