DE69931257T2

DE69931257T2 - Verfahren und vorrichtung zur spektralanalyse und kodierer

Info

Publication number: DE69931257T2
Application number: DE69931257T
Authority: DE
Inventors: Thomas Pleasanton Hagler
Original assignee: Aspectrics Inc
Current assignee: Aspectrics Inc
Priority date: 1998-06-26
Filing date: 1999-06-25
Publication date: 2007-03-01
Anticipated expiration: 2019-06-26
Also published as: US6982788B2; WO2000000796A9; US6762833B2; WO2000000796A3; EP1666856A2; US20010019408A1; EP1666856A3; DE69931257D1; EP1090276B1; US20020141028A1; WO2000000796B1; US6271917B1; EP1090276A2; AU4833399A; US20040223150A1; WO2000000796A2; US6388794B2; US6897952B1

Description

Diese Erfindung betrifft generell Spektrumanalysatoren und insbesondere einen Spektrumanalysator und Codierer zum Anwenden räumlicher Modulation von durch Wellenlänge dispergierter oder entlang einer Linie abgebildeter Strahlung.
Strahlungsspektralanalyse wird derzeit mit verschiedenen Möglichkeiten durchgeführt. Dispersive und Fourier-Transformation basierte Analysatoren können für hohe Auflösungen und viele unterschiedliche Anwendungen verwendet werden, so dass diese vielseitiger als existierende anwendungsbezogene Instrumente und Verfahren anwendbar sind. Obwohl diese Analysatoren eine überlegene spektrale Leistung bieten, tendieren sie dazu, teuer, langsam und nicht portabel zu sein. Für die meisten Anwendungen bieten diese Instrumente eine weitgehend unnötige Auflösung. Viele Anwendungen benötigen Messungen bei nur einigen Wellenlängen, so dass die meisten der über das gesamte, vollständige Spektrum aufgenommenen Daten bei Verwendung dieser Instrumente verworfen werden und überhaupt nicht in der analytischen Berechnung verwendet werden. Solche Analysatoren können für viele praktische Anwendungen auch zu groß und schwer sein.
Im Gegensatz dazu verwendet ein nicht-dispersiver Ansatz zur Spektralanalyse Interferenzfilter mit fixierten Frequenz-Durchlaßbereichen, um vorgegebene analytische Funktionen durchzuführen. Um die Messung durchzuführen, wird das eine Anzahl von Wellenlängenkomponenten enthaltende Signal durch ein oder mehrere Interferenzfilter verbreitet, welche durch eine Schwerpunktwellenlänge und Bandbreite charakterisiert sind. Der nicht-dispersive Ansatz ist gegenüber der Fourier-Transformation und dispersiven Spektrumanalysatoren vorteilhafter, weil der nicht-dispersive Ansatz weniger aufwendig ist und die minimale Anzahl benötigter Spektraldaten misst, um eine gegebene analytische Funktion durchzuführen. Wenn die analytische Funktion jedoch eine signifikante Anzahl von Filtern benötigt, ist das Signal-Rausch-Verhältnis des Systems verringert, wenn die gesamte, in einem bestimmten Filter im Laufe der Zeit gemessene Energie umgekehrt zu der Anzahl von Filtern in Zusammenhang steht. Wenn ferner ein Spektrumanalysator, welcher diesen Ansatz verwendet, für eine erste Anwendung konfiguriert wird, müssen die in dieser Vorrichtung benutzten Filter ersetzt werden oder die Anzahl der Filter verändert werden, um den Analysator an eine zweite Anwendung anzupassen. Obwohl der nicht-dispersive Ansatz aufwendiger ist und keine unnötigen Daten im Vergleich zu dispersiven Ansätzen und Fourier-Transformation Ansätzen misst, hat der betreffende Ansatz deshalb klare Anwendungsbeschränkung der Anpassungsfähigkeit und der Anzahl von Wellenlängen, welche untersucht werden können.
Eine andere Art von optischen Spektrumanalysatoren, welche am besten als ein Hybrid zwischen dispersiven und nicht-dispersiven Instrumenten beschrieben werden kann, ist das Hadamard-Spektrometer. Das Hadamard-Spektrometer umfasst einen räumlichen Lichtmodulator, bestehend aus einer opak hergestellten Scheibe mit Schlitzen darin, welche Licht reflektieren oder transmittieren, wobei die Schlitze eine einheitliche Transmittanz oder Reflektanz haben. Ein Lichtstrahl dispergiert entsprechend der Wellenlänge auf der Scheibe und die Schlitze sind in regelmäßigen Abständen an unterschiedlichen Radien von der Achse verteilt, um eine Anzahl von optischen Kanälen zum Detektieren entsprechender Wellenlängenkomponenten des Strahls zu bilden. Die Scheibe wird um die Achse rotiert und die Schlitze codieren selektiv die entsprechende Wellenlängenkomponenten mit einer binären Amplitudenmodulation. Der codierte Strahl wird dann zu einem Detektor gelenkt. Um die Intensität der durch einen Schlitz transmittieren oder reflektierten Wellenlängenkomponente von der einer anderen zu unterscheiden, wird die Scheibe sequenziell durch eine spezifische Anzahl von Schritten gestuft, wobei jeder Schritt eine binäre Form von offenen oder geschlossenen optischen Kanälen aufweist, welche eine Gleichung in einem System von Simultangleichungen für die Amplituden der Wellenlängenkomponenten definieren. Danach wird diese Gruppe von Simultangleichungen gelöst, um die Intensität für jeden Kanal einer spezifischen analytischen Funktion zu liefern, was ein umständlicher und zeitintensiver Ansatz ist. Als eine direkte Konsequenz des binär codierenden Ansatzes existiert außerdem keine Methode, bei welcher man die aktuellen Signalpegel zurückgewinnen kann, falls sich eine der Signalhöhen über der Rotationsperiode im Wesentlichen verändert. Es sollte beachtet werden, dass das Gleichungssystem vereinfacht werden kann, wenn die Schlitze derart gemustert sind, dass das Licht zu einem Zeitpunkt eine Wellenlängenkomponente transmittiert oder blockiert wird. Jedoch verändert dieser Ansatz den optischen Arbeitszyklus von jeder der Wellenlängenkomponenten von seinem Optimalwert von 50% und beeinträchtigt dadurch das Signal-Rausch-Verhältnis. Abschließend, wenn ein Hadamard-Analysator für eine erste Anwendung konfiguriert wird und die Anzahl der Schlitze verändert wird, um den Analysator an eine zweite Anwendung anzupassen, müssen die Datenerfassung und Codierfungsalgorithmen auch verändert werden, was die Anpassungsfähigkeit des Instruments signifikant einschränkt.
Keiner der obigen Ansätze ist völlig zufriedenstellend. Deshalb ist es erstrebenswert, einen Spektrumanalysator zur Verfügung zu stellen, wobei die oben genannten Nachteile vermieden oder signifikant verringert werden, insbesondere wobei die Codierung, Datenerfassung und Demodulation generalisiert und signifikant derart vereinfacht werden, dass aus den Details des Spektrumanalysators eine einzelne anwendungsbezo gene Hardwarekomponente werden kann.
Gemäß der Erfindung ist ein zweidimensional räumlicher Strahlungsmodulator angepasst, um um eine Rotationsachse rotiert zu werden, um eine Vielfalt von Komponenten des besagten einfallenden Strahlungsstrahls zu codieren. Der Modulator umfasst ein Substrat und eine Vielzahl von Strahlungsfiltern, welche sich jeweils an einer unterschiedlichen Position von dieser Rotationsachse befinden und eine im Wesentlichen ringförmige Region umfasst, die eine Vielzahl von Pixeln mit optischen Eigenschaften umfasst, welche sich im Wesentlichen vom Substrat unterscheiden. Die Pixel sind im Wesentlichen innerhalb dieser ringförmigen Region gemustert, um die Intensität einer entsprechenden Komponente im Wesentlichen nur entlang einer Azimutalachse zu modulieren, um eine codierte Komponente zur Verfügung zu stellen, wobei sich die Amplitude dieser codierten Komponente zwischen drei oder mehreren im Wesentlichen deutlichen Kontraststufen unterscheiden, wenn das Substrat um diese Rotationsachse rotiert wird.
Bei einer Anwendung der Erfindung ist der Modulator in einen Strahlungsspektrumanalysator eingebaut, umfassend:
mindestens eine Quelle, welche Strahlung mit einer Vielzahl von ausgewählten Spektralkomponenten bereitstellt, wobei jede Spektralkomponente eine Intensität, eine Schwerpunktwellenlänge und eine Bandbreite hat,
erste optische Bauelemente zum Sammeln, Dispergieren und Fokussieren besagter Strahlung, um durch Wellenlängen entlang einer Dispersionsachse auf den Modulator ein dispergiertes Bild zu formen, welcher um die Rotationsachse rotiert wird, so dass sich besagte Dispersionsachse im Wesentlichen entlang einer Radialachse befindet, wobei jeder Filter besagte Strahlung moduliert, um einen codierten Strahl bereitzustellen,
einen Detektor,
zweite optische Bauelemente zum Sammeln und Lenken des codierten Strahls auf besagten Detektor, was bewirkt, dass der Detektor eine Ausgangsleistung bereitstellt und
einen Computer zum Analysieren von Signalen, die vom Detektor als Reaktion auf besagten codierten Strahl generiert werden.
Bei einer anderen Verwendung der Erfindung ist der Modulator in einem Strahlungsbildanalysator eingebaut, umfassend:
Mindestens eine Quelle, welche Strahlung mit mindestens zwei räumlich getrennten, ausgewählten Raumkomponenten bereitstellt,
erste optische Bauelemente zum Sammeln, Dispergieren und Fokussieren besagter Strahlung, um ein Bild der Quelle entlang einer Dispersionsachse zu formen, welche im Wesentlichen entlang einer Radialachse des Modulators liegt, welcher um die Rotationsachse rotiert wird, so dass besagte Bilder der besagten Raumkomponenten entlang der Dispersionsachse separat bleiben, wobei jeder Filter besagte Strahlung moduliert, um einen codierten Strahl bereitzustellen,
zweite optische Bauelemente zum Sammeln und Lenken besagten codierten Strahls auf einen Detektor, was bewirkt, dass der Detektor ein Output bereitstellt und
einen Computer zum Analysieren der durch den Detektor generierten oder davon berechneten Signale als Reaktion auf besagten Strahl.
Die Erfindung ist auch auf ein Verfahren zum Analysieren eines Strahlungsspektrums gerichtet. Ein Verfahren gemäß der Erfindung umfasst die folgenden Schritte:
Bereitstellen von Strahlung mit einer Vielheit ausgewählter Spektralkomponenten, wobei jede Komponente eine Intensität, eine Schwerpunktwellenlänge und Bandbreite aufweist,
Sammeln, Dispergieren und Fokussieren der Strahlung, um ein Bild durch Wellenlänge entlang einer Dispersionsachse auf eine Ebene zu dispergieren,
Positionieren des zweidimensional räumlichen Strahlungsmodulators in besagte Ebene und Rotieren des Modulators um eine Rotationsachse, so dass besagte Dispersionsachse im Wesentlichen entlang einer Radialachse liegt,
Sammeln und Lenken besagten codierten Strahls auf einen Detektor und
Analysieren der vom Detektor als Reaktion auf besagten codierten Strahl generierten Signale.
Diese Erfindung bietet viele Vorteile gegenüber der konventionellen oben beschriebenen Hadamard-Scheibe. In einigen Ausgestaltung für bestimmte Anwendungen ermöglicht die Erfindung, die Amplituden der Wellenlängenkomponenten als digitale Nachbildungn gleichmäßiger Funktionen zu codieren, welche die codierten Wellenlängenkomponenten im Wesentlichen orthogonal zueinander werden lassen. Auf diese Weise kann man den idealen 50% Duty Cycle erhalten, die zeitaufwändige Praxis vermeiden, ein System von Simultangleichungen zu lösen, um das codierte Signal zu Entwinden und das decodierte Signal ist größtenteils unempfindlich gegenüber Transienten, welche in einer oder mehreren Wellenlängenkomponenten während eines Datenerfassungszyklus vorkommen können. Darüber hinaus wird die Anzahl der Datenerfassungsschritte arbiträr, was einen verallgemeinerten Ansatz ermöglicht, die optischen Signale zu decodieren. Für diesen Zweck werden die Modulationsfunktionen der Filter derart angewendet, dass diese verursachen, dass die Amplituden gegebener modulierter Wellenlängenkomponenten zwischen drei oder mehreren deutlichen Kontraststufen wechseln. Wenn der Modulator um eine Achse rotiert wird oder anders versetzt wird, hat die bevorzugte Konfiguration die größte Anzahl von deutlichen Kontraststufen, welche praktisch ist.
In vielen praktischen Ausgestaltungen können digitalisierte Versionen oder Nachbildungen der gleichmäßigen Funktionen anstelle von analogen verwendet werden, während die meisten Vorteile der Erfindung beibehalten werden. Die durch die Digitalisierung verursachten geringen Interferenzeffekte können entweder ignoriert oder für die Anwendung benötigte Korrektur in Betracht gezogen werden. Die Modulationsfunktionen von zwei dispergierten Strahlungsfiltern für zwei unterschiedliche Kanäle gelten als im Wesentlichen orthogonal zueinander, wenn es möglich ist, den Beitrag des durch die Wellenlängenkomponente verursachten Detektorsignals in einem der zwei Kanälen von dem durch die Wellenlängenkomponente in dem anderen Kanal zu differenzieren ohne ein Simultangleichungssystem lösen zu müssen. Die Definition erlaubt ebenso für eine endliche Anzahl von Korrekturen, um den Digitalisierungseffekt zu Kompensieren. Wie oben erklärt, kann diese Definition für andere Anwendungen anders angewendet werden. Auf diese Weise ist die erforderliche Zeit und Mühe, um die Amplitudenkoeffizienten zu decodieren, außerordentlich reduziert. Außerdem kann der Modulator für bestimmte analytische Funktionen mit besonders angepassten Filtern hergestellt werden. Wenn Modulatoren mit anderen Charakteristika erforderlich sind, um eine andere analytische Funktion durchzuführen, ist es eine einfache Angelegenheit, den Modulator durch einen mit den gewünschten Eigenschaften zu ersetzen, ohne die Systemvorrichtung zu verändern. Ein anderer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass die Filter eines Modulators in einer fixierten räumlichen Beziehung zueinander stehen, so dass Wellenlängenkalibration darauf redu ziert ist, die Ausrichtung des dispergierten Bildes auf dem Radius der Scheibe zu bestimmen
Eine Ausgestaltung des Spektralanalysators dieser Erfindung umfasst eine Quelle, die Strahlung bereitstellt, wobei die Strahlung eine Vielzahl von ausgewählten Wellenlängenkomponenten beinhaltet. Strahlung der Quelle wird gesammelt, dispergiert und fokussiert, um ein durch Wellenlängen dispergiertes Bild auf einer Ebene zu bilden. Der in der Ebene räumlich positionierter Modulator moduliert Amplituden der Wellenlängenkomponenten, um jede Komponente derart zu codieren, dass die Amplituden jeder codierten Komponente drei oder mehr deutliche Kontraststufen als eine Funktion der Zeit haben. Der codierte Strahl wird gesammelt und zu einem Detektor gelenkt und die durch den Detektor generierten Signale werden abgetastet und analysiert. Vorzugsweise haben mindestens zwei der Modulationsfunktionen zum Codieren entsprechender Wellenlängenkomponenten den optimalen 50% Duty Cycle und sind im Wesentlichen orthogonal, so dass die Amplituden der zwei codierten Komponenten voneinander unterschieden werden können, ohne ein Simultangleichungssystem lösen zu müssen. Vorzugsweise wird der Modulator um eine Achse rotiert oder anders in einer Richtung hin- und herbewegt, wobei der Modulator die Wellenlängenkomponenten moduliert, so dass die Amplitude von jeder codierten Komponente drei oder mehr deutliche Kontraststufen als Funktion der Zeit hat. Weiter bevorzugt haben mindestens zwei der Modulationsfunktionen des Modulators den optimalen 50% Duty Cycle und sind im Wesentlichen orthogonal entlang einer Azimutalachse relativ zur Rotation.
In Modulatoren der Erfindung ist bevorzugt, dass deren Modulationsfunktionen gleichmäßige Funktionen sind oder digitalisierte Nachbildungen davon sind, welche durch Aufrunden oder Abrunden auf eine endliche Anzahl von deutlichen Kontraststufen erzielt werden und die Modulationsfunktion zweier Filter zum Modulieren zwei unterschiedlicher Wellenlängenkomponenten dem optimalen 50% Duty Cycle haben und im Wesentlichen orthogonal sind. In der bevorzugten Ausgestaltung enthält der Modulator eine Reihe von Zeitmarkierungen und der Analysator hat eine Anzahl von optischen Schaltern, welche durch die Zeitmarkierungen getriggert sind, um den absoluten Rotationswinkel für Decodierzwecke festzulegen. Am meisten bevorzugt triggern die Zeitmarkierungen auch die Datenerfassung des Detektors und den Dekodieralgorithmus, was wiederum die Anforderungen an die Stabilität der Modulationsrotationsperiode wesentlich erleichtert. Der Analysator kann eine dezidierte Strahlungsquelle und einen analogen Detektor haben, welcher teilweise durch die Zeitmarkierungen unterbrochen wird, um Platter Wobbeln oder ein falsch ausgerichtetes Muster zu detektieren. Weiter bevorzugt wird das durch den analo gen Detektor generierte Signal als Eingabe beim Dekodieralgorithmus oder der analytischen Funktion verwendet werden, um die unerwünschten Effekte von Plattter Wobbeln oder eines falsch ausgerichteten Musters zu kompensieren. Am meisten bevorzugt werden die durch den analogen Detektor generierten Signale als Eingabe zum Kontrollieren der Position eines oder mehrerer optischer Elemente verwendet werden, um das Beugungsbild am Modulationsmuster zentriert zu halten. Bevorzugt beinhaltet das Betriebssystem des Analysators einen Algorithmus, welcher Transienten in den Signalpegeln der Wellenlängenkomponenten detektiert, welche während einer Rotationsperiode des Modulators auftreten. Am meisten bevorzugt wird der Algorithmus einen Feedbackmechanismus beinhalten, um die Motorgeschwindigkeit als Reaktion auf die Detektion von Subrotationsperiodensignaltransienten zu erhöhen und die Motorgeschwindigkeit als Reaktion auf verlängerte Zeitspannen zu reduzieren.
In einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung umfasst ein Spektrumanalysator zum Analysieren einer Probe eine Quelle um Anregungsstrahlung bestehend aus einer ersten Vielzahl von Wellenlängenkomponenten zur Verfügung zu stellen sowie Mittel zum Sammeln, Dispergieren und Fokussieren eines Strahlungsstrahls. Ein erster zweidimensional räumlicher Strahlungsmodulator ist in der ersten Ebene platziert, um die Amplitude der ersten Vielzahl von Wellenlängenkomponenten zu modulieren, wo solche Amplituden unter Verwendung einer oder mehrerer deutlicher Kontraststufen periodisch moduliert werden. Der codierte Anregungsstrahl wird gesammelt und auf die Probe fokussiert, was bewirkt, dass die Probe einen Strahlungsstrahl emittiert oder streut. Der emittierte oder gestreute Strahlungsstrahl von der Probe wird gesammelt und fokussiert um ein zweites durch Wellenlängen dispergiertes Bild auf eine zweite Ebene fokussiert. Ein zweiter in der zweiten Ebene positionierter, zweidimensional räumlicher Strahlungsmodulator moduliert die Amplituden einer zweiten Vielzahl von Wellenlängenkomponenten in diesem emittierten oder gestreuten Strahl um solchen Strahl zu codieren, wobei solche Amplituden unter Verwendung von drei oder mehren deutlicher Kontraststufen periodisch moduliert werden. Der emittierte oder gestreute Strahl wird gesammelt und auf einen Detektor fokussiert und ein durch den Detektor generiertes, zeitbasierte Signal wird für Kreuzmodulationsphänomene analysiert.
Bei einigen Anwendungen kann es wünschenswert ein, bestimmte Charakteristika einer Probe zu messen, wenn diese durch Strahlung von zwei oder mehreren unterschiedlichen Anregungsquellen angeregt wird. Einige Proben sind derart, dass sich die Resultate der Messung in Abhängigkeit der Quelle, welche in einer Sequenz von Messungen zuerst verwendet wird, unterscheiden können. Daher kann Messen einer Probe unter Verwendung einer Anregungsquelle eine Veränderung in der Probe verursachen, was seine Messung mittels einer anderen Erregungsquelle beeinflussen kann.
Für solche Anwendungen kann es wünschenswert sein, die Probe mittels zweier oder mehrerer unterschiedlicher Anregungsquellen im Wesentlichen simultan zu messen, wobei jede Quelle Strahlung in einem entsprechendem Wellenlängenbereich bereitstellt. Für diesen Zweck wird Strahlung von zwei oder mehreren Strahlungsquellen bereitgestellt, wobei die Strahlung Wellenlängenkomponenten in zwei oder mehreren entsprechenden Wellenlängenbereichen umfasst. Strahlung von den Quellen werden derart zu einer Probe gelenkt, dass Anregungsstrahlung jeweils in nicht mehr als einen der Bereiche zu der Probe gelenkt werden. Als Reaktion auf Anregungsstrahlung emittiert, transmittiert oder streut die Probe Strahlung. Nachdem solch eine emittierte, transmittierte oder gestreute Strahlung durch den Modulator codiert wurde, wird die codierte Strahlung derartig detektiert, dass der Beitrag zum Detektorsignal von der durch jede Quelle hervorgerufene Strahlung von Beiträgen anderer Quellen unterschieden werden kann. Auf diese Weise können die Charakteristika Emission, Transmission oder Streuung der Probe anhand von Strahlung in unterschiedlichen Wellenlängenbereichen von unterschiedlichen Anregungsquellen im Wesentlichen simultan gemessen werden. Bevorzugt sind mindestens zwei der Modulationsfunktionen des Modulators im Wesentlichen orthogonal zueinander und haben den optimalen 50% Duty Cycle. In einer bevorzugten Ausgestaltung umfasst jede ringförmige Region eine Serie optischer Gatter, welche in einem Randgebiet des Modulators vorgesehen sein können, um sequentiell Strahlung von den Anregungsquellen zu der Probe in einer Art und Weise passieren zu lassen, welche die Datenerfassung mit dem Öffnen der optischen Gatter synchronisiert, so dass mittels Strahlung ermittelte Daten von einer Anregungsquelle von denen unterscheiden werden können, welche unter Verwendung einer Strahlung einer anderen Strahlungsquelle ermittelt wurden. Vorzugsweise haben die Modulationsfunktionen des Modulators drei oder mehr deutliche Kontraststufen.
Die Erfindung ist auch zum Überwachen der Stabilität von einstellbaren Strahlungsquellen wie Laser nützlich. Ein Strahlungsstrahl von mindestens einer der Quellen wird gebeugt, um ein Bild auf einer Ebene zu formen. Deshalb wird eine Wellenlängenänderung der Strahlung von der Quelle bewirken, dass sich das Bild auf der Ebene bewegt. Der Strahlungsstrahl wird auf einen an der Ebene platzierten Modulator gebeugt, welcher zum Codieren des Strahls ein Paar Filter an unterschiedlichen Radien einer Achse zum Modulieren von Amplituden von Wellenlängenkomponenten des Strahls hat. Das Filterpaar hat Modulationsfunktionen, welche in Bezug zueinander phasenverschoben sind.
Der Modulator wird um die Achse rotiert, so dass die Intensität des codierten Strahls proportional zur Differenz der Strahlungsintensitäten vom dem auf die zwei Filter einfallenden Strahls ist. Der codierte Strahl wird detektiert und analysiert, um mindestens eine Anregungsquelle zu überwachen. Wenn sich die Wellenlänge(n) der von den Anregungsquellen bereitgestellten Strahlung verändert, bewirkt dies, dass sich das vom Strahlungsstrahl geformte Bild auf dem Modulator bewegt, dadurch die Differenz der Strahlungsintensität von dem auf die zwei Filter einfallenden Strahls einschließlich des Paares verändert, was eine Änderung des durch den Detektor detektierten Signals bewirkt. Solch eine Änderung kann in einem Feedbackschema angewendet werden, um die Quelle derart einzustellen, dass die Wellenlänge(n) stabil bleibt beziehungsweise bleiben. Vorzugsweise hat jede der Modulationsfunktionen drei oder mehr deutliche Kontraststufen. Weiter bevorzugt sind die Modulationsfunktionen, wenn mehr als ein Paar Filter vorhanden ist, von jedem gegebenen Paar im Wesentlichen orthogonal gegenüber denen eines anderen Paares und haben einen optimalen 50% Duty Cycle. Mehr als eine Anregungsquelle kann zur gleichen Zeit überwacht werden.
Einige Strahlungsquellen sind keine Punktquellen, sondern haben Ausdehnungen. Diese Erfindung ermöglicht, jeden Anteil der Strahlungsquelle separat von anderen Anteilen zu überwachen. Dies ist insbesondere zum Analysieren unterschiedlicher Proben nützlich, welche unterschiedliche optische Charakteristika wie Emission, Fluoreszenz und Streuung haben, wobei die unterschiedlichen Proben alle zusammen als erweiterte Strahlungsquelle betrachtet werden können. Strahlung von zumindest zwei Anteilen einer ausgedehnten Quelle werden auf einem zweidimensional räumlichen Strahlungsmodulator abgebildet. In der bevorzugten Ausgestaltung wird Strahlung von der ausgedehnten Quelle derart gesammelt, dass das Bild erhalten wird und entlang einer räumlichen Achse mittels eines zylindrischen Objektives fokussiert wird, um ein eindimensionales räumliches Bild auf dem Modulator zu formen. Der Modulator hat Filter mit ersten Modulationsfunktionen, um die Strahlung von mindestens zwei Anteilen der ausgedehnten Quelle zu codieren. Die codierte Strahlung oder die davon abgeleitete Strahlung wird detektiert und analysiert, so dass die codierte Strahlung von jedem Anteil der ausgedehnten Quelle von dem eines anderen Anteils unterscheidbar ist. Für einige Anwendungen kann es wünschenswert sein, die codierte Strahlung von jedem der Anteile der Quelle weiter spektral zu analysieren. Dies kann durch Lenken der codierten Strahlung nach Codieren durch den ersten Modulator zu einem Beugungselement, welches die Strahlung in Richtung eines zweiten zweidimensionalen Modulators dispergiert, welcher Filter mit zweiten Modulationsfunktionen hat, um die Strahlen mit Spektralinformationen weiter zu codieren, durchgeführt werden. Die vorher codierte Strahlung wird dann detektiert und analysiert, um die Amplituden von mindestens einigen Strahlungsspektralkomponenten von jedem der Anteile der ausgedehnten Quelle herzuleiten.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus den folgenden Beschreibungen von Ausgestaltungen der Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren ersichtlich. In den Figuren:
1A ist eine schematische Seitenansicht eines Spektralanalysators, um die bevorzugte Ausgestaltung dieser Erfindung zu veranschaulichen, wobei das Codieren durch räumliches Variieren der Reflektanz des Modulators erreicht wird.
1B zeigt eine schematische Ansicht von einem Teil des Analysators in 1A entlang der Linie 1B-1B in 1A.
2 ist eine Draufsicht eines zweidimensional räumlichen Strahlungsmodulators, welcher zur Anwendung in dem Analysator aus 1A geeignet ist, um eine Ausgestaltung der Erfindung zu veranschaulichen.
3A ist ein graphischer Darstellung einer digitalen Nachbildung einer gleichmäßigen Modulationsfunktion von einem der dispergierten Strahlungsfilter in dem Modulator in 2 sowie eine idealisierte Modulationsfunktion, von welcher die digitalisierte Modulationsfunktion des Filters vom Modulator in 2 abgeleitet werden kann. Außerdem ist in 3A eine digitalisierte Modulationsfunktion mit nur drei Graustufenniveaus als eine grob digitalisierte Nachbildung der idealisierten Modulationsfunktion aus 3A gezeigt.
3B ist eine grafische Darstellung, welche die Effekte endlicher Digitalisierung der nominell orthogonalen Amplitudenwellenfunktionen sin²(mθ + pπ/4) zeigt. Die Datenwerte wurden für ein System mit fünfundzwanzig Kanälen ermittelt, wobei p = 0 und m = 1 – 25.
4A ist eine graphische Darstellung der digitalisierten Nachbildungen einer gleichmäßigen Modulationsfunktion von zwei der dispergierten Strahlungsfilter des zweidimensionalen Modulators aus 2 und 3, sowie das gestreckte Bild, welches den Nachbildungen überlagert ist, um die Erfindung zu veranschaulichen.
4B ist eine graphische Darstellung der Entstehung der Graustufen oder Kontraststufen, um die Erfindung zu veranschaulichen.
5 ist eine Draufsicht eines zweidimensional räumlichen Strahlungsmodulators, um einen Modulator mit vier dispergierten Strahlungsfiltern zum Codieren unterschiedlicher Wellenlängenkomponenten unter Verwendung von unterschiedlichen Modulationsfunktionen, welche zueinander orthogonal sind, zu veranschaulichen.
6 ist eine Draufsicht eines zweidimensional räumlichen Strahlungsmodulators, welcher vier räumliche Strahlungsfilter zum Codieren vier unterschiedlicher Wellenlängenkomponenten unter Verwendung der gleichen Modulationsfunktion zeigt.
7 ist eine Draufsicht eines zweidimensional räumlichen Strahlungsmodulators, mit räumlichen Strahlungsfiltern aus zwei serpentinenförmigen Bändern, wobei sich jeder zwischen zwei entsprechenden konzentrischen Kreisen mit unterschiedlichen Radien von der Rotationsachse befindet, um einen anderen Aspekt der Erfindung zu veranschaulichen.
8 ist eine Draufsicht eines zweidimensional räumlichen Strahlungsmodulators, welcher mit einem räumlichen Strahlungsfilter in Form eines Bandes ausgestattet ist, dessen Breite mit dem Rotationswinkel über der Rotationsachse variiert, um noch einen weiteren Aspekt der Erfindung zu veranschaulichen.
9 ist eine Draufsicht eines zweidimensional räumlichen Strahlungsmodulators, welcher mit zwei räumlichen Strahlungsfiltern mit zwei Modulationsfunktionen an der selben Frequenz ausgestattet ist, welche jedoch zueinander phasenverschoben sind, um einen anderen Aspekt der Erfindung zu veranschaulichen.
10A ist eine schematische Ansicht, eines Kreuzmodulations-Fluoreszenz-Anregungs/Emissions-Analysators, um einen weiteren Aspekt der Erfindung zu veranschaulichen.
10B ist eine schematische Ansicht des Analysators aus 10A entlang der Richtung 10B-10B in 10A.
11A ist eine schematische Ansicht einer bevorzugten Ausgestaltung eines Spektralanalysators, welcher einen Klappspiegel umfasst, dessen Position regulierbar ist.
11B ist eine schematische Ansicht des Spektralanalysators aus 11A, welche die Position des Klappspiegels und andere Aspekte des Analysators detaillierter veranschaulicht.
11C ist eine Ansicht eines Teilbereiches des Spektralanalysators aus 11B entlang der Linie 11C-11C in 11B.
12A ist eine schematische Ansicht, welche eine Vorrichtung zum Herstellen des räumlichen Strahlungsmodulators 22 sowie des Modulators 22a–22c wie oben beschrieben, veranschaulicht.
12B ist eine graphische Darstellung der Laserintensität, welche in der Vorrichtung aus 1A zum Herstellen des zweidimensionalen Modulators verwendet werden kann.
13A ist eine schematische Ansicht eines Spektrumsanalysators, welcher zum Messen der optischen Charakteristika einer Probe geeignet ist, wenn diese mittels zweier verschiedener Anregungsquellen angeregt wird.
13B ist eine Draufsicht eines zweidimensional räumlichen Strahlungsmodulators, welcher für die Ausgestaltung in 13A geeignet ist.
14 ist eine Draufsicht eines zweidimensional räumlichen Strahlungsmodulators, welcher zum Überwachen der Stabilität von einstellbaren Strahlungsquellen geeignet ist.
15A ist eine schematische Ansicht einer Vorrichtung, welche als Bildanalysator und zum Analysieren der optischen Eigenschaften von unterschiedlichen Anteilen einer erweiterten Anregungsquelle geeignet ist, um einen weiteren Aspekt der Erfindung zu veranschaulichen.
15B und 15C sind Ansichten entlang der Linien 15B-15B und 15C-15C in 15A. Zur Einfachheit der Beschreibung werden identische Komponenten mit gleichen Ziffern in dieser Anwendung gekennzeichnet.
1A ist eine schematische Ansicht eines Spektrumanalysators, um eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung zu veranschaulichen, wobei das Codieren der ausge wählten Wellenlängenkomponenten durch räumliches Variieren der Reflektanz des Modulators erreicht wird. Wie in 1A gezeigt, beinhaltet Spektrumsanalysator 20 einen zweidimensional räumlichen Strahlungsmodulator 22 zum Modulieren von Strahlung einer Quelle 24, welche eine Breitband- oder Multiwellenlängenquelle wie ein Schwarzkörperstrahler, eine Glühquelle, eine Niederdruck-Isotopenquelle, eine Röntgen-angeregte Probe, eine Raman-angeregte Probe, eine lumineszente Probe, ein Farbstoff-Laser, ein Halbleiter-Laser, ein Glas-Laser, ein Gas-Laser und insbesondere ein Kohlendioxid-Laser. Nachdem die Strahlung von Quelle 24 durch Modulator 22 codiert wurde, wird der codierte Strahl in Richtung eines Detektors 26 gelenkt, was bewirkt, dass der Detektor ein Output für Analysemittel wie einen Computer 28 zur Verfügung stellt. Ein Eingangsstrahlungsstrahl von Quelle 24 durchläuft vorzugsweise eine Eingangsapertur 32 zu einem Klappspiegel 34, welcher die Strahlung in Richtung eines konkaven Beugungsgitters (Fokussiergitter) 36 reflektiert, welches die Strahlung auf Modulator 22 fokussiert. Gitter 36 beugt den Eingangsstrahl, so dass ein gestrecktes Bild entsprechend der Wellenlänge auf dem Modulator gebildet wird. Vorzugsweise wird das gestreckte Bild mit seiner Länge entlang einer radialen Richtung des Modulators 22 gebildet, wenn der Modulator mittels einer motorbetriebenen Platte 42 um eine Achse 40 rotiert wird. Wellenlängenkomponenten in dem Eingangsstrahl durch selektives Reflektieren der codierten Komponenten in Richtung Gitter 36. Gitter 36 wiederum sammelt, reflektiert und fokussiert diese Komponenten in einen codierten Strahl in Richtung Klappspiegel 34, welcher den Strahl in Richtung einer Ausgangsapertur 44 zu Detektor 26 reflektiert. Decoder 26 detektiert die Gesamtintensität der unterschiedlichen, codierten Wellenlängenkomponenten in dem codierten Strahl, um ein Detektor-Output für Computer 28 zur Verfügung zu stellen.
Vorzugsweise wird jede Wellenlängenkomponente durch einen Filter, welcher seine Modulationsfunktion hat, moduliert. Auf diese Weise bildet jeder Filter am Modulator 22 einen von den anderen Filtern/Kanälen getrennten Kanal.
Computer 28 umfasst einen Decodieralgorithmus 400a, anwendungsspezifische Funktion 400d und ein Output 999. Vorzugsweise wird der analoge Output mit einem Analog-Digital-Wandler (ADC) 400adc abgetastet, welcher durch einen optischen Schalter, umfassend Strahlungsquelle 154a und Photodetektor 156a, getriggert wird. Ein zweiter optischer Schalter, umfassend Strahlungsquelle 154b und Photodetektor 156b, versorgt den Computer mit einer Referenz von 0 Grad, um den ADC 400adc Output mit dem Decodieralgorithmus zu synchronisieren. Wie unten beschreiben und durch diese Erfindung gelehrt, sind die Filter in oder am Modulator 22 derart, dass der optimale 50% Duty Cycle beibehalten wird und Computer 28 die Intensitätsbeiträge von jeder Wellenlängenkompo nente unterscheiden kann, welche durch Modulator 22 codiert werden, ohne ein Simultangleichungssysem lösen zu müssen. Eine periodische Modulationsfunktion eines Filters hat einen 50% Duty Cycle, wenn der Mittelwert der Funktion während einer Periode 50% beträgt.
Ein dritter optischer Schalter, umfassend Strahlungsquelle 154c und Photodetektor 156c, ist derart positioniert, dass die von 154a emittierte und von 156c gesammelte Strahlung teilweise durch die Zeitmarkierungen am Modulator 22 unterbrochen wird. Vorzugsweise ist die Kombination Timing-Strahl 154c/Photodetektor 156, welche zum Positionsfehler-Quantifizieren verwendet wird, derart positioniert, dass die Zeitmarkierungen ungefähr die Hälfte des Timing-Strahls verdecken. Der analoge Output von Photodetektor 156c versorgt den Computer mit Informationen über Platter Wobbeln und Ausrichtungsfehler des Musters von dispergierten Strahlungsfiltern am Modulator 22 bezüglich der Rotationsachse 40. Eine Probenzelle (nicht gezeigt) kann zwischen der Quelle und der Eingangsapertur oder zwischen der Ausgangsapertur 44 und dem Detektor 26 zur Analyse der Probe in der Zelle platziert werden.
1B ist eine Ansicht auf die Eingangs- und Ausgangsaperturen 32, 34 entlang des Pfeils 1B-1B in 1A. In 1A ist auch eine xyz-Achse gezeigt, so dass die Ansicht entlang des Pfeils 1B-1B entlang der negativen x-Achse ist.
2 ist eine Draufsicht eines zweidimensional räumlichen Strahlungsmodulators mit vier unterschiedlichen räumlichen Strahlungsfiltern darauf, um eine Ausgestaltung der Erfindung zu veranschaulichen. Wie in 2 gezeigt, umfasst Modulator 22a vier dispergierte Strahlungsfilter 50a, 50b, 50c und 50d. Diese Filter können als eine Schicht aus strahlungsreflektierendem Material auf einem nichtreflektierenden Substrat ausgestaltet sein oder als Schicht aus nichtreflektierendem Material auf einem reflektierenden Substrat. Alternativ können diese Filter als transmissive Bereiche in einem opaken Substrat oder als eine Schicht aus opakem Material auf einem transmissiven Substrat ausgestaltet sein. Zur Einfachheit werden in der Beschreibung die räumlichen Strahlungsfilter zum Reflektieren von Strahlung beschrieben, aber es versteht sich, dass räumliche Strahlungsfilter, welche Strahlung transmittieren anstelle zu reflektieren in jeder der Ausgestaltungen verwendet werden können und solche Variationen im Rahmen der Erfindung liegen.
In der bevorzugten Ausgestaltung haben die Filter 50a–50d digitalisierte Modulationsfunktionen, welche die digitalisierten Approximationen oder Nachbildungen der Funkti on sin²(mθ + pπ/4) sind, wobei m eine Ganzzahl und p einer der Werte 0, t1, t2 und t3 ist. Filter 50a ist beispielsweise eine digitalisierte Approximation der Modulationsfunktion sin²(3θ) Filter 50b die der Modulationsfunktion sin²(5θ), Filter 50c die von sin²(7θ) und Filter 50d die von sin²(9θ). Deshalb variiert die Reflektanz oder Transmittanz von jedem der dispergierten Strahlungsfilter 50a–50d als eine deutliche Funktion des Rotationswinkels θ um die Rotationsachse 40.
Eine mögliche digitalisierte Approximation 51 der Funktion sin²(2)mit m = 1 und p = 0 ist in 3A dargestellt, welche durch Auf- oder Abrunden von sin²(θ) unter Verwendung von 20 Graustufenniveaus gewonnen wird. Auch ist die digitalisierte Approximation von sin²(θ) mit drei Graustufenniveaus gezeigt, 50x. Allgemein, je mehr Graustufenniveaus, desto näher ist die digitalisierte Approximation zu der idealisierten Modulationsfunktion sin²(θ), welche mit gepunkteter Linie 50' gezeigt wird. Offensichtlich können andere digitalisierte Approximationen der digitalisierten Funktion 50' verwendet werden und liegen im Rahmen der Erfindung. Die digitalisierten Approximationen sind ausreichend, wenn es möglich ist, zwischen den Beiträgen von den verschiedenen Wellenlängenkomponenten zum Detektorsignal zu unterscheiden, ohne ein Simultangleichungssystem lösen zu müssen und kann eine kleine aber endliche Anzahl von Korrekturen zum Kompensieren der Effekte der Digitalisierung enthalten.
3B ist eine grafische Darstellung der Effekte endlicher Digitalisierung der nominell orthogonalen Amplitudenwellenfunktionen sin²(mθ + pπ/4). Die Datenpunkte wurden für ein fünfundzwanziges Kanalsystem mit p = 0 und m = 1 – 25 bestimmt. Ein Unterschied zwischen den decodierten Amplituden wird durch Normalisieren der fünfundzwanzig Amplituden zu Eins definiert, Decodieren der Amplituden zum ersten Mal und dann Variieren der Amplituden eines einzelnen Kanals und Decodieren der Amplituden zum zweiten Mal. Der durchschnittliche Ausgabefehler wird durch die Summe der absoluten Differenz der ersten und zweiten decodierten Amplituden dividiert durch die Anzahl der Kanäle bestimmt. In der 61a, 61b und 61c sind die resultierenden Fehler für Variieren der Amplitude der Grundwelle, m = 1, der ersten Harmonischen, m = 2, und der zweiten Harmonischen, m = 3 bei +/– 100% gezeigt. Der Fehler für das Variieren der Amplitude des Terms m = 11 wird auch in 61d gezeigt. Die Figur zeigt deutlich den Effekt endlicher Digitalisierung auf die Orthogonalität der Modulationswellenfunktionen. Einfache Anwendungen können nur 3–10 Kontraststufen benötigen, um eine gegebene Genauigkeitsspezifikation einzuhalten, aber Spitzen-Anwendungen, bei denen signifikante Genauigkeit benötigt wird, können 20 oder mehr Kontraststufen benötigen. Für die anspruchsvollsten Anwen dungen kann die unten beschriebene Korrektur erster Ordnung angewendet werden, um die decodierten Amplituden für die Interferenz zu korrigieren.
Wie oben erwähnt, stammen viele der Vorteile der Erfindung von der Tatsache ab, dass es möglich ist, Filtermodulationsfunktionen auszuwählen, welche den optimalen 50% Duty Cycle einhalten und das Detektorsignal zu decodieren, um die jeweiligen Amplituden von zwei oder mehreren Wellenlängenkomponenten zu erhalten, ohne ein Simultangleichungssystem lösen zu müssen. Für viele Anwendungen ist dies möglich, bei denen die Modulationsfunktionen ungefähr orthogonal sind. Für einige Anwendungen, welche hohe Genauigkeit benötigen, kann es nützlich sein, eine substantielle Orthogonalität zu definieren wie folgt. Die Modulationsfunktionen von zwei dispergierenden Strahlungsfiltern können als im Wesentlichen orthogonal zueinander gelten, wenn die folgenden Bedingungen erfüllt sind:

1) Der Fehler in der decodierten Amplitude eines ersten Kanals, welcher durch Wechseln des Outputs eines zweiten Kanals um 100% in jede Richtung verursacht wird, kleiner als ein Part in 1000 nach Anwenden der Korrektur erster Ordnung ist, wie unten beschrieben und
2) Der Fehler in der decodierten Amplitude des zweiten Kanals, welcher durch Wechseln des Outputs des ersten Kanals um 100% in beide Richtung verursacht wird, kleiner als ein Part in 1000 nach Anwenden der Korrektur erster Ordnung ist, wie unten beschrieben.

4A ist eine grafische Darstellung des gestreckten, Wellenlängen dispergierten Bildes 52, welches durch Gitter 36 aus 1A auf die Ebene des in 2 dargestellten Modulators fokussiert ist, um die Erfindung zu veranschaulichen. Wie in 4A gezeigt, ist das gestreckte Bild 52 entlang der x-Achse dispergiert. Zwei unterschiedliche Wellenlängenkomponenten, 52a und 52b des dispergierten Bildes 52, welches durch Modulator 22b codiert sind, sind durch unterschiedliche Kreuzschraffierungen in 4A dargestellt. Wellenlängekomponente 52a ist durch eine Schwerpunktwellenlänge (λ₂ + λ₁)/2 und eine Bandbreite (λ₂ – λ₁) charakterisiert. Gleichermaßen ist Wellenlängenkomponente 52b durch eine Schwerpunktwellenlänge (λ₄ + λ₃)/2 und eine Bandbreite (λ₄ – λ₃) charakterisiert. Zur Einfachheit sind nur Filter 50a und 50b aus 2 in 4A schematisch dargestellt.
4B ist eine grafische Darstellung der Entstehung der Graustufen oder Kontraststufen, um die Erfindung zu veranschaulichen. Die Kurve N1 ist die Bildintensität von 52a entlang der y-Achse und Kurve N2 ist die räumlich modulierte Reflektanz des disper gieren Strahlungsfilters 50a entlang der y-Achse bei einem arbiträren Rotationswinkel θ'. Die Kurve N3 ist das Produkt der Kurven N1 und N2 und ist zur Übersichtlichkeit entlang der vertikalen Achse verschoben. Aus der Figur ist ersichtlich, dass die relative Reflektanz von 50a bei θ' durch das Verhältnis der Fläche unter Kurve N3 zu der Fläche unter Kurve N1 gegeben ist. Während Modulator 22a um Achse 40 rotiert wird, wie in 1A und 2 gezeigt, wird Wellenlängenkomponente 52a auf unterschiedliche Positionen des dispergierten Strahlungsfilters 50a fokussiert. Dadurch, wenn der Modulator 22a rotiert wird, wird die Wellenlängenkomponente 52a durch die winkelabhängige Reflektanz des dispergierten Strahlungsfilters 50a codiert. Wie in 4B gezeigt, werden die Anzahl der Kontraststufen oder Graustufen durch die räumliche Auflösung der räumlich modulierten Reflektanz des Filters 50a und der Breite des dispergierten Bildes 52a entlang der y-Achse bestimmt.
Bei jedem gegebenen Rotationswinkel ist die gesamte Signalintensität am Detektor 26 in 1A durch die Summe der Subsignale, welche sich aus den ausgewählten Wellenlängenkomponenten 52a–52d ergeben, unabhängig von der winkelabhängigen Reflektanz oder deren korrespondierenden dispergierten Strahlungsfiltern 50a–50d am Modulator 22 gegeben.
Mit Bezug auf 2 ist Bild 52 durch Wellenlänge entlang einer radialen Achse, in Bezug auf die Rotation des Modulators 22a um Achse 40, dispergiert, wo die radiale Richtung mit der x-Achse in 1A und 4A, 4B übereinstimmt. Theoretisch kann die Modulationsfunktion der Filter in beide, die radiale und azimutale Richtung, wechseln. In der Ausgestaltung in 2 ändern sich die Modulationsfunktionen der Filter 50a–50d nur in der azimutalen Richtung und nicht in der radiale Richtung. Jeder der Filter 50a–50d belegt einen zweidimensionalen ringförmigen Bereich mit einem Radius und einer Breite. Zur Vereinfachung kann deshalb die Breite der Filter ignoriert werden und die Modulationsfunktionen entlang der azimutalen Richtung als die Modulationsfunktion der zweidimensionalen Filter betrachtet werden. Es versteht sich, dass die räumlichen Strahlungsfilter mit arbiträren Breiten im Rahmen der Erfindung liegen.
5 ist eine Draufsicht einer anderen Ausgestaltung 22b des räumlichen Strahlungsmodulators aus 1A. Modulator 22b ist mit vier dispergierten Strahlungsfiltern 50a, 54a, 56a und 58a versehen, wobei die Modulationsfunktionen der vier Filter alle digitalisierte Approximationen der Funktion der allgemeinen Form sin²(mθ + pπ/4) sind, welche oben mit Bezug auf Modulator 22a in 2 beschrieben sind. In den Filtern 50a–50d des Modulators 22a in 2 hat p den Wert 0 für alle vier Filter, wobei m die Werte 3, 5, 6 und 9 hat. Im Modulator 22b in 5 haben die Filter 50a, 54a, 56a, 58a hingegen die entsprechenden Werte p von 0, 1, 2 und 3, wobei m für alle vier Filter 3 ist. Im Allgemeinen können die dispergierten Strahlungsfilter im Modulator in jeder Form durch Spezifizieren der Werte für m und p in dem Ausdruck sin²(mθ + pπ/4) definiert werden, wobei m eine Ganzzahl und p nur einen der Werte 0, ±1, ±2 und ±3 annehmen kann. Somit ist im Allgemeinen die durch Detektor 26 in 1A detektierte Intensität des codierten Strahls von einem räumlichen Strahlungsmodulator so wie Modulator 22a, 22b oder anderen, in dieser Anwendung beschriebenen, allgemein durch die folgende Formel gegeben werden:
wobei S(θ) die von Detektor 26 detektierte Intensität ist und die Summen alle der Werte m und p umfassen, welche zu den in einem gegebenen Modulationsdesign vorhandenen Filtern korrespondieren. In obiger Gleichung 1 ist a_m,p die Amplitude der Wellenlängenkomponente, welche vom dispergierten Strahlungsfilter codiert wurde, welcher eine Modulationsfunktion hat, welche eine digitalisierte Approximation oder Nachbildungen von sin²(mθ + pπ/4) ist. Diese Erfindung ermöglicht es, den optimalen 50% Duty Cycle beizubehalten und die Amplituden der Wellenlängenkomponenten zu bestimmen, ohne ein Simultangleichungssystem zu lösen, wie unten demonstriert wird. In dem Summationsprozess in Gleichung 1 können die in einem bestimmten räumlichen Strahlungsmodulator vorhandenen Filter nicht zu allen Kombinationen der Werte m und p korrespondierenden Filter enthalten. Dies wird beispielhaft an Modulator 22a in 2 erläutert, wobei p nur den Wert 0 annimmt und an dem anderen Modulator 22b in 5, wobei bei allen Filtern m immer den Wert 3 annimmt. In solchem Fall sind die Amplituden a_m,p für nicht-vorhandene Filter im Modulator einfach 0.
Als ein weiterer Vorteil ermöglicht dieser Ansatz die Anwendung verallgemeinerter Ansätze für das Modulatorantriebssystem, die Datenerfassung und den Decodieralgorithmus. Beispielsweise wird das Muster bei einer annähernd konstanten Frequenz rotiert (im Gegensatz abgestuft zu sein), das analoge Output der Detektoren wird von einem Analog-Digital-Wandler 400adc abgetastet, welcher durch einen optischen Schalter getriggert ist, welcher eine Strahlungsquelle 154a, Photodetektor 156a und Zeitmarkierungen 150 umfasst, einen zweiten optischen Schalter, welcher eine Strahlungsquelle 154b, Photodetektor 156b und Zeitmarkierung 152 umfasst, versorg den Computer mit einer Referenz von 0 Grad, um den ADC Output mit dem Decodieralgorithmus 400a zu synchronisieren. Da her ist der Decodieralgorithmus mit jeder in Gleichung 1 definierten Funktion kompatibel sowie die Nummer und Identität (m, p und Wellenlänge/Bandbreite) der modulierten Komponenten und deren an den decodierten Daten durchzuführenden spezifischen analytischen Funktonen werden in einer anwendungsspezifischen Software definiert. Es ist ferner bevorzugt, dass sich die anwendungsspezifische Software an einer Seite der anwendungsspezifischen Hardware befindet, der gemusterten Scheibe.
Die trigonometrischen Funktionen sin²(mθ + pπ/4) folgen der folgenden orthogonalen Relation.
Die Amplituden a_m,p der codierten Wellenlängenkomponenten können durch Verwendung der orthogonalen Eigenschaften der trigonometrischen Funktionen in Übereinstimmung mit Gleichung 3 unten bestimmt werden:
Eine eingebrachte Komplikation durch die Verwendung digitalisierter Approximationen oder Nachbildungen der trigonometrischen Funktion in den Modulatoren 22a, 22b führt zu einem Ringing Phänomen bei höheren Harmonischen der Grundrotationsfrequenzen und führt zu einer Zunahme von Interferenztermen, welche proportional zu den verschiedenen Amplituden der Wellenlängenkomponenten in den unterschiedlichen Kanälen sind. Für ausreichend hohe Anzahlen von Kontrastniveaus können jedoch verbleibende Interferenzen für viele Anwendungen ignoriert werden. Dennoch ist die durch Gleichung 2 beschriebene und in Gleichung 3 verwendete Orthogonalität ungenau. Als Resultat ist es vorzuziehen, die Interferenzterme zur Korrektur der individuellen Amplituden in Betracht zu ziehen, welche aus den Amplituden in den anderen Kanälen resultieren, was natürlich zu einer Reihe sukzessiver Korrekturterme höherer Ordnung führt.
wobei die Amplitudenkoeffizienten nullter Ordnung bestimmt werden durch
Die Korrektur erster Ordnung ist gegeben durch
wobei die Primen an den Summationen kennzeichnen, dass der Term, bei dem m = n und p = q, ausgeschlossen wird.
Die Matrixelemente A m,p / n,q werden durch sequentielles Reduzieren oder Erhöhen der Amplituden von a_n,q bestimmt und die und Messformel ändert sich zu a (0) / m,p. Wenn wir beispielsweise δa (0) / m,p als die Änderung in a (0) / m,p definieren, resultierend aus der Änderung Δa (0) / n,q die imponierte Änderung a (0) / n,q, das korrespondierende Matrixelement ist gegeben durch
In der Praxis wird das in Gleichung 5 gezeigt Integral mit einer diskreten Summation über der Anzahl der Schritte M pro Rotation ersetzt. Beim Start wird eine dreidimensionale Nachschlagetabelle T j / m,p definiert und mit den Werten von cos(2mθ + pπ/2) initialisiert, welche über dem Schrittintervall für die Rotation berechnet werden.
Die Amplitudenkoeffizienten nullter Ordnung sind durch eine Summation der diskreten Signalmessungen multipliziert mit den korrespondierenden Einträgen in der trigonometrischen Nachschlagetabelle gegeben.
wobei S(j) ADC der Messwert des Detektors beim j-ten Rotationsschritt ist. Beim Ende einer kompletten Rotation werden, falls benötigt, die Korrekturen erster Ordnung für eine gegeben Anwendung berechnet:
Es ist zu beachten, dass, falls sich die Amplituden seit der letzten Zeit, in der die Korrekturen ausgewertet wurden, sich nicht signifikant verändert haben, müssen diese Korrekturen nicht noch einmal berechnet werden.
Aus der obigen Beschreibung ist ersichtlich, dass dort, wo M Messungen bei Rotation des Modulators von 0° bis 360° durchgeführt worden sind, der Wert j für den j-ten Rotationsschritt im Bereich zwischen 1 bis M liegt. Die unterschiedlichen am Modulator vorhandenen Kombinationen von m und p, welche mit den gegenwärtig vorhandenen dispergierten Strahlungsfiltern korrespondieren, würden zu einer Zahl N führen, welche mit der Gesamtanzahl der am Modulator vorhandenen Kanälen übereinstimmt. Darauf wird beim Start des System bei der Verwendung eines bestimmten Modulators eine trigonometrische Nachschlagetabelle T j / m,p unter Verwendung der obigen Gleichung 8 erstellt. Um die Korrektur erster Ordnung zu erhalten, wird die Amplitude a_n,q des Kanals, welcher eine Modulationsfunktion hat, welche eine Approximation von sin²(nθ + qπ/4) ist, um Δa (0) / m,p erhöht oder verringert und die Veränderungen der Amplitude a (0) / m,p werden erfasst. Auf diese Weise, wenn die eingeprägte Änderung der Amplitude a_n,q Δa (0) / n,q ist, wird die auf diese Weise die eingeprägte Änderung δa (0) / m,p hervorgerufen, wobei durch solches Einführen das korrespondierende Matrixelement A m,p / n,q definiert wird, welches durch obige Gleichung 7 gegeben ist. Dieser Prozess definiert daher eine Matrix A m,p / n,q, welche durch Gleichung 7 definiert ist. Die Amplitude a_n,q kann durch Blockieren der Strahlung, welche von dem korrespondierenden Filter reflektiert wird, einfach verändert werden. Nach einer kompletten Rotation können die Korrekturen erster Ordnung gemäß obiger Gleichung 10 bestimmt werden.
Dadurch kann nach Initialisieren des Systems, wie solch eines Systems 20 in 1A, eine Matrix T j / m,p mit N Reihen und M Spalten berechnet werden und ihre Werte in einer Nachschlagetabelle mit N Reihen und M Spalten gespeichert werden. Wenn jede der M Messungen an M Werten von 2 gewonnen wurden, wenn der Modulator von 0 bis 360° rotiert wurde, wobei M und N eine positive Ganzzahl ist, berechnet der Computer die Amplituden von jeder der Wellenlängenkomponenten (die Koeffizienten a_m,p in Gleichung 1) in den N Kanälen durch Summieren der Produkte von jedem der M Messungen mit jedem der M Einträge in der korrespondierenden Reihen in der Nachschlagetabelle für jeden solcher Kanäle.
TRANSIENTE DETEKTION UND MOTORSTEUERUNG: Vorzugsweise wird bei jedem Schritt j das Detektorsignal von dem erwarteten Signal subtrahiert, welches durch Verwendung der zuletzt berechneten Amplitudenkoeffizienten nullter Ordnung berechnet wurde, welche durch obige Gleichung 9 definiert wurden: ΔSk(j) = Sk(j) – {ΣmΣpa(k – 1) mpsin2(j·m·2π/M + 2π/4)} (11)wobei S^k(j) das beim j-ten Schritt bei der k-ten Rotationsperiode gemessene Detektorsignal ist und a^{(k – 1)}mp die Amplitudenkoeffizienten nullter Ordnung sind, welche für die (k – 1)-te Rotationsperiode berechnet wurden. Der Betrag von ΔS^k(j) wird zum Detektieren von Transienten verwendet, welche bei einer Subrotationsperiodenzeit auftreten. Vorzugsweise, wenn der Wert ΔS^k(j) einen vordefinierten Schwellwert übersteigt, erhöht das Analysatorbetriebssystem die Geschwindigkeit der Motoreinheit 42 wie mittels Kontrollsignalen von Computer 28 zur Motoreinheit 42) und wenn der Wert von ΔS^k(j) unter einen zweiten, vordefinierten Schwellwert für eine vordefinierte, erweiterte Zeitdauer fällt, reduziert das Analysatorbetriebssystem die Geschwindigkeit der Motoreinheit 42. Auf diese Weise kann die Motoreinheit 42 so langsam wie möglich betrieben werden, wodurch die Betriebslebensdauer erhöht wird. Am meisten bevorzugt wird ΔS^k über einer endlichen Anzahl von Schritten analysiert, um seinen harmonischen Gehalt zu bestimmen, welcher wiederum als Input beim Decodieralgorithmus verwendet wird, um die harmonischen Interferenzen, welche von subperiodischen Signaltransienten resultieren, zu kompensieren. Die Steuerung von Einheit 42 kann mittels Computer 28 über eine Steuersignalleitung (in den Figuren nicht gezeigt) zu Einheit 42 durchgeführt werden.
6 ist eine Draufsicht eines räumlichen Strahlungsmodulators 22c mit vier darin enthaltenen dispergierten Strahlungsfiltern mit derselben Modulationsfunktion sin²(mθ + pπ/4), welche sich jedoch an unterschiedlichen Radien von der Rotationsachse 40 zum Codieren unterschiedlicher Wellenlängenkomponenten befinden. Dies kann für das Gruppieren von Wellenlängen in Untergruppen nützlich sein, wobei die Komponenten solcher Wellenlängen gemeinsam moduliert werden, um das Signal-Rausch-Verhältnis zu erhöhen. Wie in 2, 5 und 6 gezeigt, umfassen die dispergierten Strahlungsfilter vorzugsweise Bereiche in der Form von ringförmigen Segmenten an unterschiedlichen Radien der Rotationsachse 40.
7 ist eine Draufsicht eines anderen räumlichen Strahlungsmodulators 70, um einen weiteren Aspekt der Erfindung zu veranschaulichen. Wie in 7 gezeigt, ist Modu lator 70 mit drei kontinuierlichen Bändern 72, 74, 76 versehen, welche eine Serpentinenform haben. Jedes der Bänder 72, 74, 76 befindet sich zwischen zwei konzentrischen Kreise unterschiedlicher Radien an der Rotationsachse Beispielsweise befindet sich Band 74 zwischen zwei konzentrischen Kreisen 78, 79 bei Radien r1 und r2 an der Rotationsachse 40, wobei die zwei Radien mit zwei unterschiedlichen Wellenlängen λ₁ und λ₂ korrespondieren. Somit hat das serpentinenförmige Band 74 eine derartige Form, dass seine Form zwischen den beiden konzentrischen Kreisen bei einer Modulationsfrequenz, welche durch die Gleichung unten gegeben ist, oszilliert: r(θ) = r1 + (r2 – r1)·sin2(m·θ) (12)wobei m eine Ganzzahl und θ der Rotationswinkel um die Rotationsachse 40 ist.
Das Gleiche gilt für Bänder 72, 76. Wie aus 7 offensichtlich ist, wird Band 74 bei einer Frequenz moduliert, welche zwischen den Modulationsfunktionen der Bänder 72 und 76 liegt. So kann in der gleichen Art und Weise wie oben beschrieben für die Demodulation der unterschiedlichen Wellenlängenkomponenten für die Modulatoren 22a und 22b in 2 und 5 oben die Amplitude des Signals bei der Wellenlänge (λ₁ + λ₂)/2, welches für Band 74 bei einer Frequenz zwischen den beiden Wellenlängen moduliert wurde, in einer ähnlichen Art und Weise aus einer einzelnen Messung erhalten werden, wenn der Modulator um 360 Grad gedreht wird. Durch Wahl einer geeigneten Modulationsfrequenz ist es möglich, das die erste Ableitung zwischen λ₁ und λ₂ zu erhalten, welche für viele Anwendungen nützlich sein kann.
8 ist eine Draufsicht eines noch anderen räumlichen Strahlungsmodulators 80, um einen weiteren Aspekt der Erfindung zu veranschaulichen. Modulator 80 ist mit einem Band 82 versehen, welches eine Breite hat, welche als eine Funktion des Rotationswinkels θ um die Rotationsachse 40 bei einer ausgewählten Frequenz variiert, welche gegeben ist durch Gleichung: r(θ) = Δrl + (Δr2 – Δ41)·sin2(mθ) (13)wobei m eine Ganzzahl und 2 der Rotationswinkel um die Rotationsachse 40 ist. Der schmalste Punkt 82b vom Band ist und der breiteste Punkt ist 82a. Die detektierte Amplitude der Wellenlängenkomponente, welche durch Band 82 moduliert wird, kann dazu verwendet werden, die unter Verwendung der Modulatoren 22a, 22b, 22c erhaltene Messergebnisse zum Korrigieren von durch Mangelhaftigkeiten eingeführten Fehlern der unterschiedlichen Komponenten des Spektrumsanalysators zu verwenden.
In der bevorzugten Ausgestaltung umfassen die dispergierten Strahlungsfilter zweidimensionale Muster mit alternierend hoher und niedriger Transmittanz oder Reflektanz der Bereiche. Ein solches Muster ist eine praktische Implementierung der digitalisierten Approximationen oder Nachbildungen einer gleichmäßig periodischen Funktion wie die Sinusquadrat-Funktion. Dies ist analog zum Rasterungsprozess beim Drucken, bei dem schwarz und weiß gedruckte Muster zum Annähern an dazwischen liegende Graustufen verwendet werden. So wie in 2, 5 und 6 gezeigt, sind Bereiche in dem dispergierten Strahlungsfilter mit höherer Reflektanz mit einer höheren Konzentration von schwarzen Punkten gezeigt, wohingegen die Bereiche des Filters mit einer niedrigeren Reflektanz mit weniger Punkten gezeigt sein. Wie oben erwähnt, können die schwarzen Punkte in diesen Figuren Bereiche mit hoher Tranzmittanz oder Reflektanz kennzeichnen, wohingegen der weiße Hintergrund der Scheibe in solchen Filterbereichen im Wesentlichen nicht-reflektierend, nicht-transmittierend oder opak ist. Die Größe der Punkte in diesen Filtern definieren die Größe der reflektierenden oder transmittierenden Pixel. Anstelle ein Substrat mit niedriger Reflexion oder Transmission und eine gemusterte Schicht aus hochreflektierendem Material auf dem Substrat zu Verwenden (oder Bilden von gemusterten transmissiven Bereichen in einem opaken Substrat), wie oben beschrieben, können die dispergierenden Strahlungsfilter in einer anderen Art und Weise konstruiert werden. So kann stattdessen ein Substrat mit moderater Reflexion oder Transmission verwendet werden. In Bereichen der Filter, welche eine hohe Reflexion oder Transmission benötigen, wird ein Bereich mit solchen Charakteristika gebildet (durch Aufbringen einer reflektierenden Schicht oder Anordnen eines transmittierenden Bereiches) und eine Schicht mit niedriger Reflexion oder transparentes Material kann in Bereichen des Filters aufgebracht werden, wo diese benötigt werden.
Anstelle Muster von alternierend hoher und niedriger Reflexion oder Transmission zu Verwenden, ist es auch möglich, den Modulator mit im Wesentlichen orthogonalen Modulationsfunktionen zu gestalten, welche nicht digitalisiert, aber von "analoger" Natur sind. So können für diesen Zweck Neutralfilter verwendet werden, wobei die Filter durch Sputtern eines lichtreflektierenden Materials auf einem transparenten Substrat gebildet werden. Abhängig von der Dicke des gesputterten Materials kann der Betrag der Transmission kontrolliert werden, um eine besonders im Wesentlichen kontinuierliche und gleichmäßige Transmittanzfunktion zu erhalten. Anstelle Modulator 70 aus 7 zu verwenden, um eine erste Ableitung zwischen den Wellenlängen λ₁ und λ₂ zu erhalten, kann das gleiche Resultat durch Verwenden des Modulators 22a oder 22b erhalten werden. Die Amplitude der Komponente bei einer ersten Wellenlänge λ₁, welche gemäß der Funktion sin²(mθ + p₁π/4) codiert wurde, und die Amplitude der Komponente bei einer zweiten Wellenlänge λ₂, welche gemäß der Funktion sin²(mθ + p₂π/4) codiert wurde, werden erhalten, wobei p₁ – p₂ eine gerade Ganzzahl und p₁ und p₂ einen der Werte 0, ±1, ±2 und ±3 hat. Der Computer leitet dann die Differenz zwischen den modulierten Amplituden der Komponenten bei λ₁ und λ₂ ab, um einen abgeleiteten Wert bei (λ₂ + λ₂/2 zu erhalten. Dieser Vorgang kann verallgemeinert werden, um Differenzen zwischen arbiträren Wellenlängenkomponenten zu beinhalten.
9 ist eine Draufsicht eines räumlichen Strahlungsmodulators 22ModDiff um einen weiteren Aspekt der Erfindung zu veranschaulichen. Modulator 22ModDiff ist mit drei dispergierten Strahlungsfiltern Na, Nb und Nc versehen, wobei die Modulationsfunktionen von den drei Filtern digitalisierte Approximationen der allgemeinen Form sin²(mθ + pπ/4) sind, welche oben mit Bezug auf Modulator 22a in 2 beschrieben sind. In Modulator 22ModDiff sind jedoch Filter Na und Nb angeordnet, um die Lichtintensitätsdifferenz zwischen einem Paar Wellenlängenkomponenten des dispergierten Bildes 52 in 4A zu messen. Filter Na und Nb bilden ein Paar Na/Nb, welches die gleiche Modulationfrequenz (z.B. m = 3) hat, die aber derart phasenverschoben sind (d.h. unterschiedliche p-Werte, wobei die Differenz zwischen den p-Werten der zwei Filter eine gerade Ganzzahl ist), dass das Signal, welches aus dem Paar Na und Nb resultiert, durch Abgleichen der Lichtintensität auf Null gesetzt werden kann, welche auf Na und Nb einfällt. Beispielsweise kann die Lichtintensität durch Variieren der Breite von Na in Bezug auf Nb abgeglichen werden. Das resultierende Signal am Detektor 26 ist proportional zur einfallenden Lichtintensität auf Na und Nb. Auf diese Art und Weise kann die Differenz der Lichtintensität, welche auf die zwei Filter einfällt, eher direkt gemessen werden als durch Bilden der Differenz durch Subtraktion, was ein ineffizienter Ansatz ist, welcher den Dynamikbereich des Analog-Digital-Wandler (ADC) vergeudet. Allgemein kann man sich vorstellen, dass das Filterpaar aus einem Signalkanal S (z.B. Na) und einem Referenzkanal R (z.B. Nb) besteht und die Erfindung direkt S-R misst.
In vielen Anwendungen benötigt die analytische Funktion 400d in 1 Kenntnis über die absolute Intensität des Signals S und Referenz R. Typischerweise ist die Intensität der Referenz R für längere Zeitspannen stabil und deswegen ist es möglich, die absolute Intensität von R zu einem Zeitpunkt t0 zu messen und dann die absolute Differenz S-R aus dem Signal S zu einem späteren Zeitpunkt t1 zu gewinnen. In Modulator 22ModDiff ist Filter Nc vorgesehen, um die absolute Intensität am Mittelpunkt zwischen S und R zu bilden. Die Frequenz von Nc ist weitaus höher gewählt als die Frequenz von dem Paar Na/Nb, so dass das von Nc erzeugte Signal die Signalorientierung von Nc durch Verwendung eines geeigneten analogen Tiefpass-Filters 400lpf zwischen dem Detektor 26 und dem Analog-Digital-Wandler (ADC) 400adc herausgefiltert werden kann. Vorzugsweise hat der analoge Tiefpassfilter 400lpf in 1 eine programmierbare Grenzfrequenz, so dass das von Nc entstehende Signal in den und aus dem Signalpfad zu 400adc wie benötigt geschaltet werden kann. Auf diese Art und Weise kann die mit dem Filterpaar Na/Nb verbundene absoltue Intensität während eines Kalibrierungszyklus gemessen werden und danach kann die Differenz S-R dazu verwendet werden, die Auflösung des Instrumentes zu verbessern. Hilfsweise kann das Signal von Detektor 26 in zwei Signalpfade mit unterschiedlichen Tiefpassfiltern aufgeteilt werden und ein ADC kann dazu verwendet werden, Na/Nb zu messen und ein zweiter ADC kann dazu verwendet werden, Nc zu messen.
Anstelle Modulator 70 aus 7 zu verwenden, um eine erste Ableitung zwischen den Wellenlängen λ₁ und λ₂ zu erhalten, kann das gleiche Resultat durch Verwenden von Modulator 22ModDiff und lokalisieren von Na und Nb nebeneinander erhalten werden. Das vom Filterpaar Na/Nb entstehende Signal ist zur erste Ableitung der bei (λ₁ + λ₂)/2 ausgewerteten, einfallenden Intensität äquivalent.
Vorzugsweise haben ein oder mehr Filterpaare eine Modulationsfunktion, welche die Amplitude der korrespondierenden Wellenlängenkompanentendifferenz codieren, so dass die codierte Komponentendifferenz drei oder mehr deutliche Kontraststufen im Zeitablauf hat, wenn der Modulator um die Achse rotiert wird. Weiter bevorzugt sind die Modulationsfunktionen gleichmäßige Funktionen oder digitalisierte Nachbildungen davon, welche durch Aufrunden oder Abrunden zu einer endlichen Anzahl von Kontraststufenniveaus gewonnen wurden, und sind von solcher Natur, dass die Modulationsfunktionen von zwei Filterpaaren zum Modulieren zweier unterschiedlicher Wellenlängenkomponentendifferenzen den optimalen 50% Duty Cycle haben und im Wesentlichen orthogonal zueinander sind.
Bei Kreuzmodulations-Fluoreszenz-Anregungs/Emissions-Analyse ist es wichtig, in der Lage zu sein, die Phase der Modulationsfunktionen, welche für den Anregungsstrahl verwendet wird, mit der Phase der Modulationsfunktionen, welche für den Emissionsstrahl verwendet wird, zu verriegeln. Noch besser ist die Fähigkeit, die relative Phase zwischen den Modulationsfunktionen, welche für den Anregungsstrahl verwendet werden, zu der Phase der Modulationsfunktionen, welche für den Emissionsstrahl verwendet werden, zu führen. Ein anderer Aspekt der Erfindung ist darauf gerichtet, zu erkennen, dass durch Anordnen des geeigneten dispergierenden Strahlungsfilters auf einer Seite der Scheibe zum Codieren des Anregungsstrahls und des geeigneten Filters zur Emissionsanalyse auf der anderen Seite der Scheibe, wobei die Filter auf beiden Seiten der Scheibe räumlich korreliert sind, die Modulationsfunktion für die Anregungs- und Emissionsmodulationsprozesses phasenstarr verbunden werden können und die relative Phase in einfacher Weise kontrolliert werden kann.
10A ist eine schematische Ansicht eines Kreuzmodulations-Fluoreszenz-Anregungs/Emissions-Analysators 100. Ein Anregungsstrahl 102 von Anregungsquelle 104 wird an einem Klappspiegel 34 reflektiert und durch Gitter 36 wie zuvor in Richtung des zum Codieren des Anregungsstrahls geeigneten Filter an der Oberseite des Modulators 106 reflektiert und fokussiert. Nach Modulation wird der codierte Anregungsstrahl durch Modulator 106 zurück in Richtung des Gitters 36 reflektiert, welches den codierten Anregungsstrahl 108 in Richtung einer fluoreszierender Probe 100 nach Reflexion an Spiegel 34 fokussiert. Der fluoreszierende Strahl 112, welcher von der Probe als Reaktion auf den codierten Anregungsstrahl emittiert wird, wird an Spiegel 34' in Richtung eines zweiten Gitters 36' reflektiert, welches den Strahl dispergiert und in Richtung dispergierender Strahlungsfilter fokussiert, welche für Fluoreszenzcodierung an der Unterseite der Modulationsscheibe 106 vorhanden sind. Nach Modulation wird der codierte fluoreszierende Strahl 118 reflektiert, gesammelt und wird nach Fokussieren durch Gitter 36' an Spiegel 34' in Richtung eines Detektors 120 reflektiert. Wie in 10A angedeutet, ist die fluoreszierende Probe 110 in der Ebene der Seite oder des Papiers, die Anregungsquelle 104 ist in die Seite verschoben und der Fluoreszenzdetektor 120 ist aus der Seite verschoben. Die Seitenansicht von Analysator entlang der Pfeile 10B-10B ist in 10A veranschaulicht. Wie zuvor ist ein Computer 28 (nicht gezeigt) mit Detektor 120 verbunden, um ein zeitbasiertes Signal, welches von dem Detektor generiert wird, zu analysieren. Die Muster auf der Oberseite von Scheibe 106 zum Codieren des Anregungsstrahls können ein Muster haben, welches eine digitalisierte Nachbildung von sin²(mθ + pπ/4) ist und das zum Codieren des Emissionsstrahls eine digitalisierte Nachbildung von sin²(nθ + pπ/4) ist, wobei m, n, p, q positive Ganzzahlen sind. Computer 28 kann dann den Output des Detektors analysieren, um die Amplitude der Summen- und Differenzfrequenztreme zu bestimmen, welche aus der phasenstarren Kreuzmodulation resultieren, entsprechend der allgemeinen trigonometrischen Relation: sin2(Mθ + π/4)·sin2(nθ + qπ/4) = (1/8·/{cos[2(m + n)θ + (p + q)π/2] + cos[2(m – n)θ + (p – q)π/2]})
Um eine Phasenverriegelung der Modulationsfunktionen der Filter an der Ober- und Unterseite der Scheibe 106 zu ermöglichen, werden Zeitmarkierungen vorgesehen, welche an beiden Seiten der Scheibe verwendet werden können. Dies ist deutlicher in 2, 5, 6, 9, 13B, 14 veranschaulicht. Wie in allen solchen Figuren gezeigt, sind Zeitmarkierungen 150 in regelmäßigen Winkelintervallen mit Bezug auf Achse 40 auf einem Kreis nahe des Umfangs der Scheibe 22a, 22b, 22c, 22ModDiff, 22fluoro und 22dwdm versehen und mit einer Zeitmarkierung 152 an einem nicht-regelmäßigen Winkelintervall oder Position versehen, um den Nullwinkel des Rotationswinkels zu markieren.
Wie in 1A gezeigt, stellen die Strahlungsquellen 154a und 154b Strahlen in Richtung der Zeitmarkierungen 150 und 152 bereit, beziehungsweise der Scheiben 22a, 22b, 22c, 22ModDiff, 22fluoro und 22dwdm sowie Photodetektoren 156a und 156b auf der anderen Seite der Scheibe, um den von der Quellen 154a und 154b bereitgestellten Strahlungsstrahl zu detektieren. In der bevorzugten Ausgestaltung ist das Substrat für den Taktstrahl lichtdurchlässig und die Zeitmarkierungen versperren den Taktstrahl. Alternativ ist das Substrat für den Taktstrahl opak und die Zeitmarkierungen werden in das Substrat gefräst oder geätzt oder die Zeitmarkierungen sind reflektierend und die Quellen 154a, 154b und 154c und die Photodetektoren 156a, 156b und 156c sind vorzugsweise an der selben Seite des Modulators angeordnet. Daher kann der Ausgang des Photodetektors 156b durch eine Verbindung zum Computer 28 die Nullrotationswinkelmarke 156 und 156a markieren und kann durch eine Verbindung zum Computer auch die Instanzen der Durchgänge von jeder der Zeitmarkierungen 150 markieren. Solche Instanzen können durch den Computer 28 verwendet werden, um die M Samples aufzunehmen, wenn die Scheibe von 0 bis 360E rotiert wird. Ferner kann eine dritte Zeitstrahl/Photodetektorkombination verwendet werden, um den Fehler der absoluten Position des dispergierten Strahlungsfilters bezüglich der Rotationsachse zu messen. Dieser Positionierungsfehler kann durch einen Fertigungsprozess des Modulators entstehen (z.B. ist das Muster außerhalb des Zentrums gedruckt, welches einen rein periodischen Fehler verursacht), von der Schwankung der Drehzahl der Spindel (resultierend in einem dynamischen, periodischen oder nichtperiodischen Fehler) oder von der thermischen Ausdehnung des Modulators (resultierend in einem statischen Radialfehler). Vorzugsweise wird die Zeitstrahl/Photodetektor Kombination dafür verwendet, um Positionierungsfehler derart zu Quantifizieren, dass die Zeitmarkierungen ungefähr die Hälfte des Zeitstrahls verdecken. Die Amplitude des Photodetektorsignals, welche ein Maß für die Verschiebung des Modulationsmusters bezüglich des Zeitstrahls ist, wird als ein Input der anwendungsspezifischen analytischen Funktion 400d verwendet, um die Effekte des Fehlers in der absoluten Position des dispergierenden Strahlungsfilters bezüglich der Rotationsachse zu kompensieren.
Das oben beschriebene Verfahren für Kreuzmodulation von Anregung und Emission kann auch auf Kreuzmodulation von Erregung und Streuung angewendet werden. Für diesen Zweck wird die fluoreszierende Probe 110 durch ein Probe, welche den Anregungsstrahl streut, ersetzt. Der gestreute Strahl wird dann codiert und in derselben Art und Weise wie der oben beschriebene Emissionsstrahl gemessen. Das obige Verfahren, welches die Zeitmarkierungen 150, 152, Quellen 154a und 154b sowie Photodetektoren 156a und 156b kann ebenso zum Kontrollieren des Timings für die Probennahme in anderen Ausgestaltungen dieser Erfindung verwendet werden.
In Bezug auf 10A und 10B können die selben Zeitmarkierungen und Strahlungsquelle/Photordetektor-System (nicht gezeigt) wie oben beschrieben, in Analysator 110 verwendet werden, um das Codieren des Anregungsstrahls und des Emissions/Streuungsstrahl in Bezug zu den selben Zeitmarkierungen auf der selben Scheibe.
11A ist eine schematischen Ansicht eines Spektrumsanalysators, wobei die Position eines Klappspiegels gesteuert werden kann, um Ausrichtungsfehler und andere Fehler im System zu kompensieren. So wie in 11A gezeigt, wo sich der Klappspiegel in der Position 34(1) befindet, ist der Eingangsstrahl 202 nicht sauber auf dem Modulator 22 fokussiert ist. Für diesen Zweck wird zum Bewegen des Klappspiegels zu Position 34(2) der Klappspiegel 34 mit einer Translations-Rotations gesteuerten Stufe verbunden, so dass Eingangsstrahl 202' sauber auf den Modulator 22 fokussiert wird. 11B ist eine schematische Ansicht eines Analysators mit einer Translationsstufe und einem Feedbackmechanismus, welcher die Position des Klappspiegels steuert, um das System dynamisch auszurichten. Der Klappspiegel ist auf einer Anordnung montiert, welche die Translation entlang der x-Achse und Rotation um die Rotationsachse ermöglicht. Die dielektrischen Hintergrundspektren für verschiedene Konfigurationen des Klappspiegels wurden zuvor analysiert und in Software aufgenommen. Das Echtzeit-dielektrische-Hintergrundspektrum wird mit dem gespeicherten Spektrum verglichen, um den Ausrichtungsfehler des disperierten Bildes auf dem Modulator auszugleichen. Diese Information wird in eine Befehlsfolge umgewandelt, welche zur Translationsstufe für das Rückpositionieren des Klappspiegels gesendet wird. Dieser Prozess wird für eine gegebene Anwendung falls notwendig wiederholt. Mit Bezug zu 10A, 10B wird der Output des Detektors 26 abgetastet und dann durch einen Decodieralgorithmus 400a demoduliert, mit dem Hintergrund dielektrischen Spektrum 400b durch Komparator 400c verglichen und dann durch Analysator 400c analysiert. Der Hardwaretreiber 402 positioniert den Klappspiegel 34 als Antwort auf Instruktionen des Computers 28. 11 zeigt auch eine besondere Strahlungsquelle 154c und einen analogen Detektor 156c, welcher partiell durch die Zeitmarkierungen 150 unterbrochen wird, um Platter Wobbeln oder ein versetztes Muster am Modulator zu detektieren. Die Amplitude des modulierten Signals, welches als Antwort zur Rotation von Modulator 22 durch den analogen Detektor 156c generiert wird, wird als Input zum Hardwaretreiber 401 verwendet, um die Position von 34 zu steuern, um das gestreute Bild 52 auf dem Modulatormuster zu zentrieren.
12A ist eine schematische Ansicht, welche ein Instrument zum Herstellen des räumlichen Strahlungsmodulators 22, so wie Modulator 22a–22c wie oben beschrieben, veranschaulicht. Für diesen Zweck wird ein Aushärtungs/Ablations- Laser 250 verwendet. Ein Photoresist wird auf ein Goldbeschichtetes Substrat angeordnet. Der Photoresist und das Substrat werden beide rotiert und das dem Laser zugeführte Signal steuert in Übereinstimmung mit vorbestimmten Laserintensitätsdaten, die in 12 gezeigt sind, den Laser. Nachdem der Photoresist so belichtet wurde, kann das goldbeschichtete Substrat in konventioneller Art und Weise behandelt werden, um die Muster alternierend hoher und niedriger Reflektanz und/oder Transmittanz auf dem goldbeschichteten Substrat zu bilden, um den räumlichen Strahlungsmodulator zu bilden.
13A ist eine schematische Ansicht auf eine zweite Art von Fluoreszenz Anregungs/Emissionsanalysatoren 300. In diesem Beispiel werden zwei bestimmte Anregungsquellen Nexa und Nexb unabhängig in Richtung der Probe entlang optischer Pfade Npatha beziehungsweise Npathb gerichtet. Die Erregungsquellen können Gas-Laser, Glas-Laser, Laserdioden, lichtemittierende Dioden, Lichtleiter oder Lampen/Filter Kombinationen. Npatha und Npathb enthalten Transmission (oder alternativ Reflexion) durch Modulator 22fluro an unterschiedlichen Radien Rexa bezienungsweise Rexb. Wie in 13B gezeigt, ermöglicht eine Reihe bei Rexa beziehungsweise Rexb verschobener optischer Gatter die Transmission von Strahlung von Nexa beziehungsweise Nexb derart, dass Strahlung nur von einer der Anregungsquellen auf die Probe Nsamp zu jedem gegebenen Zeitpunkt einfällt. Die emittierte, transmittierte oder gestreute Strahlung 112 als Antwort auf die alternierenden Anregungsstrahlen wird durch Spiegel 34 in Richtung eines fokussierenden Gitter 36 reflektiert, welches den Strahl dispergiert und in Richtung dispergierter Strahlungsfilter Ni, Nj, Nk und Nl an modulator 22fluoro fokussiert, welche für die Fluoreszenz angepasst sind, wobei die Codierung durch räumliches Variieren der Transmissionseigenschaften des Modulators ereicht wird. Der in der Ebene positionierte zweidimensional räumliche Modulator moduliert die Amplituden der von der Probe emit tierten, gestreuten oder transmittierten Wellenlängenkomponenten als Antwort auf Nexa oder Nexb um jede Komponente derart codiert, dass die Amplitude jeder codierten Wellenlängenkomponente eine Funktion der Zeit ist. Der codierte fluoreszierende Strahl 112' wird durch Linse Nlens gesammelt und in Richtung Detektor Ndet gelenkt. Das durch den Detektor generierte zeitbasierte Signal wird in zwei Subsignale in ein versetztes, wiederholende Muster derart separiert, dass jedes versetzte Subsignal zu der aus entweder Nexa oder Nexb emittierten oder gestreuten Strahlung korrespondiert. Die Subsignale werden dann unabhängig voneinander analysiert, um zu erreichen, dass die Amplituden der Wellenlängenkomponenten des emittierten oder gestreuten Strahlungsstrahls eine Funktion der Anregungsquellen ist. Vorzugsweise wird die binäre Amplitudenmodulation der zwei Anregungsquellen mit der Modulation der emittierten oder gestreuten Strahlung synchronisiert. Weiter bevorzugt wird die binäre Amplitudenmodulation der zwei Anregungsquellen durch den gleichen zweidimensional räumlichen Strahlungsmodulator durchgeführt, welcher die Amplituden der Wellenlängenkomponenten der emittierten oder gestreuten Strahlung moduliert. Am meisten bevorzugt wird die binäre Amplitudenmodulation der zwei Anregungsquellen durch zwei ringförmige Bereiche durchgeführt, welche eine Reihe von Gattern beinhaltet, welche dieselbe Auflösung wie die Zeitmarkierungen haben, wo jedes andere Gatter offen ist. Die Phase der offenen Gatter in den beiden ringförmigen Bereichen sind derart versetzt, dass nur ein Gatter zur selben Zeit offen ist. Die Gatter können einfach transmissive Bereiche in einem opaken Substrat sein.
Die Anzahl von Anregungsquellen und dispergierten Lichtfiltern wurde zur Klarheit ausgewählt, aber es versteht sich, dass eine arbiträre Anzahl von Anregungsquellen und dispergierenden Strahlungsfiltern im Rahmen der Erfindung liegen. Der Transmissionsmodus von Modulator 22fluoro wurde zur Klarheit ausgewählt, aber es versteht sich, dass eine ähnliche Vorrichtung mit einem Reflexionsmodulator im Rahmen der Erfindung liegt.
Die Anordnung in 13A und 13B ermöglicht, dass die emittierte oder gestreute Strahlung oder Probe mittels zweier oder mehrerer unterschiedlicher Anregungsquellen im Wesentlichen simultan detektiert werden kann. Dies mag vorteilhaft sein, wo Strahlung von beiden der zwei Quellen eine Änderung in der Probe verursacht, so dass dort, wo die Probe unter Verwendung einer Quelle vollständig gemessen wird und dann unter Verwendung der anderen Quelle in einer Sequenz gemessen wird, so dass die Resultate der Messung abhängig davon sein können, welche Quelle zuerst bei der sequentiellen Messung verwendet wurde. In solchem Fall kann die Anordnung aus 13A und 13B nützlich sein.
Jede der zum Codieren der emittierten, transmittierten oder gestreuten Strahlung verwendeten Modulationsfunktionen von 22fluoro hat vorzugsweise drei oder mehr deutliche Kontraststufen. Der codierte Strahl wird gesammelt und in Richtung eines Detektors gelenkt. Vorzugsweise haben zumindest zwei der zum Codieren verwendeten Modulationsfunktionen zum Codieren zwei korrespondierende Wellenlängenkomponenten den optimalen 50% Duty Cycle und sind im Wesentlichen orthogonal, so dass die Amplituden der zwei im Detektorgesamtsignal vorhandenen codierten Komponenten voneinander unterschieden werden können ohne ein Simultangleichungssystem lösen zu müssen.
14 ist eine Draufsicht einer anderen Ausgestaltung 22DWDM des räumlichen Strahlungsmodulators aus 1A, welcher in einem Verfahren zum Bereitstellen von Feedback verwendet wird, um simultan die Schwerpunktwellenlängen einer Anzahl von einstellbarer Strahlungsquellen zu Kontrollieren. Räumlicher Strahlungsmodulator 22DWDM umfasst zwei Paare dispergierender Strahlungsfilter: Ein erstes Paar Ne, Nf und ein zweites Paar Ng, Nh. Die Filter in jedem Paar sind in einer ähnlichen Art und Weise wie Filter Na und Nb wie oben mit Bezug auf 9 phasenverschoben, so dass das von jedem Filterpaar resultierende Signal durch Abgleichen der Intensität des auf die Filter einfallenden Lichtes auf Null gesetzt werden kann oder verschwinden zu lassen. Vorzugsweise hat ein oder mehrere der Filterpaare eine Modulationsfunktion, welche die Amplitude der korrespondierenden Komponentendifferenz derart codiert, dass die codierte Komponentendifferenz drei oder mehrere deutliche Kontraststufen im Zeitablauf hat, wenn der Modulator um die Achse rotiert wird. Modulationsfunktionen der oben beschriebenen Art sind geeignet. Weiter bevorzugt ist die Modulationsfunktion zur Modulation zweier unterschiedlicher Wellenlängenkomponentendifferenzen von jedem der Filter in den zwei Filterpaaren eine gleichmäßige Funktion oder eine digitalisierte Nachbildung davon, welche durch Aufrunden oder Abrunden auf eine endliche Anzahl von Kontraststufen erhalten wurde, den optimalen 50% Duty Cycle hat und die Filterfunktionen der Filterpaare in jedem Paar im Wesentlichen orthogonal zueinander sind.
Die Filterpaare sind derart auf der Oberfläche des Modulators angeordnet, dass, wenn die einstellbaren Strahlungsquellen sich in der bevorzugten Konfiguration befinden, kein Signal von einem der Filterpaare vorhanden ist. Jede Abweichung einer gegebenen, einstellbaren Quelle der bevorzugten Konfiguration resultiert in einem Signal, in welchem das Vorzeichen und die Amplitude des dekodierten Signals die Richtung beziehungsweise den Betrag der Versetzung der Schwerpunktwellenlänge angibt. In solcher Art und Weise kann das decodierte Signal als ein Feedbackmechanismus verwendet werden, um die einstellbare Quelle in der optimalen Konfiguration beizubehalten. Wo Temperatur oder andere umgebungsbedingte Änderungen hervorrufen, dass die Schwerpunktwellenlänge driftet, kann so das dekodierte Signal zum Einstellen der einstellbaren Strahlungsquelle, wie zum Beispiel durch Verändern der Temperatur an der Quelle, verwendet werden, um eine stabile und konstante Schwerpunktwellenlänge beizubehalten.
15A ist eine schematische Ansicht einer anderen Ausgestaltung der Erfindung, welche als Bildanalysator zum Analysieren der räumlichen Eigenschaften einer ausgedehnten Strahlungsquelle verwendet wird, welcher zum Bereitstellen von Licht eine ausgedehnte Quelle 24' enthält. Quelle 24' ist keine Punktquelle, so dass die durch unterschiedliche Anteile der Quelle bereitgestellte Strahlung (z.B. S1, S2 wie in 15B gezeigt) eine Vielzahl von Raumkomponenten umfasst, welche räumlich voneinander getrennt sind. Strahlung von der Quelle 24' wird derart gesammelt, dass das Bild der Quelle erhalten wird und entlang einer ersten räumlichen Achse mit einem bilderhaltenden Fokussierungselement Ma fokussiert wird, um ein eindimensionales Bild auf eine Ebene zu bilden. Ein in der Ebene positionierter zweidimensional räumlicher Strahlungsmodulator 22 moduliert die Amplituden der Raumkomponenten um jede Komponente zu codieren, so dass die Amplitude von jeder codierten Komponente eine Funktion der Zeit ist. Jede der Funktionen hat drei oder mehrere deutliche Kontraststufen. Vorzugsweise haben zumindest zwei der Modulationsfunktionen zum Codieren der korrespondierenden Raumkomponenten den optimalen 50% Duty Cycle und sind vorzugsweise orthogal zueinander, so dass die Amplituden der zwei codierten Komponenten, welche im gesamten Detektorsignal vorhanden sind, voneinander unterschieden werden können ohne ein Simultangleichungssystem lösen zu müssen. Der räumlich codierte Strahl wird durch ein zweites optische Element Ma' gesammelt und auf einen Detektor 26 fokussiert und ein durch den Detektor generiertes, zeitbasiertes Signal wird vom Computer 28 analysiert, welcher die anwendungsbezogenen Algorithmen 400e zum Interpretieren räumlicher Informationen enthält.
15B zeigt eine Draufsicht des Bildanalysators. Die Quelle 24' ist so dargestellt, dass diese zwei Raumkomponenten von Anteilen S1 und S2 der Quelle hat. Von S1 und S2 emittierte Strahlung wird gesammelt und unter Verwendung bilderhaltender Fokussierelemente Ma auf die Radialachse von Modulator 22 fokussiert, um zwei Bilder S1' beziehungsweise S2' zu bilden. Modulator 22 enthält eine Anzahl von räumlichen Strahlungsfiltern (nicht gezeigt, jedoch ähnlich zu den oben beschiebenen), welche die reflektierte Intensität von S1 und S2 codieren. Der räumlich codierte Strahl wird mit einem zweiten optischen Element Ma' gesammelt und auf Detektor 26 fokussiert. Vorzugsweise werden Ma und Ma' derart konstruiert, dass sich Bilder S1'' und S2'' auf der Detektorebene 26 überlappen. Für diesen Zweck kann eine zusätzliche Linse Lensb verwendet werden falls erforderlich. 15C zeigt eine Seitenansicht des Bildanalysators, um die radiale Separation von den Bildern S1 und S2 entlang der Radialachse von Modulator 22 zu veranschaulichen. Wo Modulationsfilter unterschiedliche Filter mit Modulationsfunktionen der Form sin²(mθ + pπ/4) haben, ist der Output von Spiegel Ma' durch dieselbe Funktion räumlich codiert.
Wo eine oder mehrere der Raumkomponenten einer erweiterten Quelle unterschiedliche Wellenlängenkomponenten haben, kann der oben beschriebene Analysator mit dem in 1 gezeigten Spektrumsanalysator unter Verwendung einer ähnlichen Geometrie, welche in 10A und 10B dargestellt sind, kombiniert werden, um simultane Spektralbildanalyse zu erleichtern. In dieser Ausgestaltung wird der Detektor 26 in 15A durch die Apertur 32 in 1A ersetzt, so dass die räumlich codierte Strahlung sin²(mθ + pπ/4), welche die Apertur verlässt, dann gesammelt, dispergiert und auf einen zweiten Modulator fokussiert wird, um den Strahl mit Spektralinformationen unter Verwendung von Modulationsfunktionen der Form sin²(nθ + pπ/4) in einer ähnlichen Art und Weise wie die oben beschriebenen zum Analysieren von Strahlung der Quelle 24 durch eine Apertur 32 in 1A. Die räumlich codierte und spektralcodierte Strahlung wird dann gesammelt und auf Detektor 26 fokussiert werden. Das durch Detektor 26 generierte Signal wird dann mit Computer 28 analysiert, um die aus der phasenstarren Kreuz-Modulation, gemäß den allgemeinen trigonometrischen Relationen in Gleichung (14) oben resultierende Summen- und Differenzfrequenzkomponenten (m ± n) zu bestimmen.
In den oben beschriebenen, verschiedenen Ausgestaltungen wird der räumliche Strahlungsmodulator mittels einer Motoreinheit oder motorbetriebenen Platte 42 rotiert. Vorzugsweise enthält die Motoreinheit oder motorbetriebene Platte 42 eine Präzisionsspindel (nicht gezeigt), welche mit der Rotationsachse 40 gleichachsig ist, einen Motor (nicht gezeigt) und einen Riemen (nicht gezeigt), welcher den Motor und die Spindel verbindet, so dass der Motor ausgewechselt werden kann, wenn dieser abgenutzt ist, ohne die Ausrichtung des Systems dieser Anwendung zu beeinflussen.
Der Modulator 22 aus 1A und die Modulatoren der vielen anderen Ausgestaltungen in anderen Figuren sind derart konstruiert, um während der Spektralanalyse um Achse 40 rotiert zu werden. Die Filter an den Modulatoren belegen ringförmige Regionen der Scheibe wie in den verschiedenen Figuren dieser Anwendung gezeigt. Diese Erfindung ist jedoch nicht auf solche Implementationen beschränkt. Anstelle von ringförmigen Regionen können die Filter, so wie Filter 50a und 50d vier lineare Reihen auf der Oberfläche des Modulators bilden und der Modulator kann entlang einer Richtung im Wesentlichen parallel zu den Reihen der Filter linear hin- und herbewegt werden Das gestreckte Bild wird dann mit seiner Länge in eine Richtung quer projiziert (vorzugsweise senkrecht) zu der Richtung der Reihen von Filtern, so dass das Bild vorzugsweise alle vier Reihen der Filter überlappt.

Claims

Zweidimensionaler räumlicher Strahlungsmodulator (22), angepasst um eine Rotationsachse (40) rotiert zu werden, um eine Vielheit von Komponenten eines einfallenden Strahlungsstrahls zu modulieren, um besagten Strahl zu codieren, wobei der Modulator einen Träger und eine Vielheit von Strahlungsfiltern (50) umfasst, wobei sich jeder auf einem verschiedenen Radius ab besagter Rotationsachse befindet und einen ringförmigen Bereich umfasst, der im Wesentlichen eine Vielheit von Pixeln mit optischen Kennwerten, die sich im Wesentlichen vom Träger unterscheiden, umringt, wobei die Pixeln im Wesentlichen innerhalb besagten ringförmigen Bereichs gemustert werden, um die Intensität einer entsprechenden Komponente im Wesentlichen nur entlang einer Azimutalachse zu modulieren, um eine codierte Komponente bereitzustellen, wobei sich die Amplitude besagter codierter Komponente zwischen drei oder mehreren im Wesentlichen deutlichen Kontraststufen ändert sowie der Träger um besagte Rotationsachse (40) rotiert wird.
Modulator gemäß Anspruch 1, wobei jede der besagten mindestens einen Komponente eine Intensität, eine Schwerpunktwellenlänge und eine Bandbreite hat, wobei jeder Filter (50) eine radiale Breite aufweist, die im Wesentlichen die Bandbreite einer entsprechenden spektralen Komponente besagter Strahlung definiert und die Intensität der besagten entsprechenden spektralen Komponente im Wesentlichen unabhängig von besagter Bandbreite moduliert.
Modulator gemäß Anspruch 1, der so orientiert ist, dass Wellenlängenkomponenten der Strahlung im Strahl entlang einer Dispersionsachse im Wesentlichen entlang einer radialen Achse dispergiert werden, wobei jeder Filter (50) eine radiale Breite hat, die im Wesentlichen die Bandbreite einer entsprechenden spektralen Komponente besagter Strahlung definiert und die Intensität besagter entsprechenden spektralen Komponente im Wesentlichen unabhängig von besagter Bandbreite moduliert, um einen codierten Strahl bereitzustellen, der mindestens zwei codierte Komponenten umfasst.
Modulator gemäß Anspruch 1, wobei jeder Filter (50) die Intensität einer entsprechenden Strahlungskomponente moduliert, um einen codierten Strahl bereitzustellen, der mindestens zwei codierte Komponenten umfasst, wobei die Amplituden besagter codierter Komponenten mit ungenauen orthogonalen Modulationdfunktionen moduliert werden und wobei mindestens eine der besagten codierten Komponenten Restinterferenz mit einer anderen besagter codierter Komponenten aufweist.
Modulator gemäß Anspruch 1 mit zwei oder mehreren Filtern (50) und wobei mindestens zwei der Filter im Wesentlichen komplementäre Modulationsfunktionen entlang ihren entsprechenden Azimutalachsen haben, sodass die Amplitude und/oder Phase der resultierenden codierten Komponenten durch das relative Verhältnis besagten Strahlungseinfalls auf die zwei Filter (50) bestimmt werden.
Modulator gemäß einem beliebigen vorherigen Anspruch, wobei besagtes Muster von Pixeln eine Reihe von Markierungen (150) einschließt, die optische Kenndaten haben, die im Wesentlich anders als der Träger sind, wobei die Reihe von Markierungen im Wesentlichen auf einen ringförmigen Bereich des Modulators (22) in Bezug auf seine Rotationsachses (40) beschränkt ist, sodass Wobbelung des Modulators und Ausrichtungsfehler des Musters am Modulator anhand der Strahlungsanalyse des durch die Reihe von Markierungen codierten Strahls feststellbar sind.
Modulator gemäß einem beliebigen vorherigen Anspruch, wobei besagte Pixeln und der Träger eine digitalisierte Kopie einer Modulationsfunktion gleichförmiger Intensität formen und die Kopie drei oder mehrere im Wesentlichen deutliche Kontraststufen aufweist.
Strahlungsspektrumanalysator, der einen Modulator (22) gemäß Anspruch 1 einschließt und umfasst: Mindestens eine Quelle (24), die Strahlung mit einer Vielheit ausgewählter Spektralkomponenten bereitstellt, wobei jede Spektralkomponente eine Intensität, eine Schwerpunktwellenlänge und eine Bandbreite hat; erste optische Bauelemente (34, 36) zum Sammeln, Dispergieren und Fokussieren besagter Strahlung, um ein durch Wellenlänge entlang einer Dispersionsachse auf den Modulator (22) dispergiertes Bild zu formen, der um die Rotationsachse (40) rotiert wird, sodass sich besagte Dispersionsachse im Wesentlichen entlang einer Radialachse befindet, wobei jeder Filter besagte Strahlung moduliert, um einen codieren Strahl bereitzustellen; Einen Detektor (26); zweite optische Bauelemente (36, 34) zum Sammeln und Lenken des codierten Strahls auf besagten Detektor was bewirkt, dass der Detektor eine Ausgangsleistung bereitstellt; und einen Computer (28) zum Analysieren von Signalen, die vom Detektor als Reaktion auf besagten codierten Strahl generiert werden.
Strahlungsbildanalysator, der einen Modulator (22) gemäß Anspruch 1 einschließt, und umfasst: mindestens eine Quelle (24), die Strahlung mit mindestens zwei räumlich getrennt ausgewählten Raumkomponenten bereitstellt; erste optische Bauelemente (34, 36) zum Sammeln, Dispergieren und Fokussieren besagter Strahlung, um ein Bild der Quelle entlang einer Dispersionsachse zu formen, die im Wesentlichen entlang einer Radialachse des Modulators (22) liegt, der um die Rotationsachse (40) rotiert wird, sodass besagte Bilder der besagten räumlichen Komponenten entlang der Dispersionsachse separat bleiben, wobei jeder Filter besagte Strahlung moduliert, um einen codierten Strahl bereitzustellen; zweite optische Bauelemente (36, 34) zum Sammeln und Lenken besagten codierten Strahls auf einen Detektor (26) was bewirkt, dass der Detektor eine Ausgangsleistung bereitstellt; und
Ananlysator gemäß Anspruch 9, wobei besagte codierte Strahlung zweioder mehrere Wellenlängenkomponenten, einschließlich eines Spektrumanalysators umfasst, der besagte zwei oder mehrere Wellenlängenkomponenten dispergiert, um simultane Spektralbildanalyse zu erleichtern.
Analysator gemäß einem beliebigen der Ansprüche 8 bis 10, wobei die Quelle mindestens eine Probe umfasst, die aus Folgendem ausgewählt wurde: einer Röntgen-angeregten Probe; einer Raman-angeregten Probe; und einer lumineszenten Probe.
Verfahren zum Analysieren eines Strahlungsspektrums, das umfasst: Bereitstellen von Strahlung mit einer Vielheit ausgewählter Spektralkomponenten, wobei jede Komponente eine Intensität, eine Schwerpunktwellenlänge und Bandbreite aufweist; Sammeln, Dispergieren und Fokussieren der Strahlung, um ein durch Wellenlänge entlang einer Dispersionsachse auf eine Ebene dispergiertes Bild zu formen; Positionieren eines zweidimensional räumlichen Strahlungsmodulator (22) gemäß Anspruch 1 in besagte Ebene und Rotieren des Modulators um eine Rotationsachse (40), sodass besagte Dispersionsachse im Wesentlichen entlang einer Radialachse liegt; Sammeln und Lenken besagten codierten Strahls auf einen Detektor (26); und Analysieren der vom Detektor, als Reaktion auf besagten codierten Strahl, generierten Signale.
Verfahren gemäß Anspruch 12, wobei der Modulator (22) mindestens zwei Strahlungsfilter mit im Wesentlichen komplementären Modulationsfunktionen entlang ihren entsprechenden Azimutalachsen aufweist, sodass die Amplitude der resultierenden codierten Komponenten durch das relative Verhältnis besagten Strahlungseinfalls auf die zwei Filter (50) bestimmt wird.
Verfahren zum Analysieren von Strahlung mithilfe eines Modulators (22) gemäß Anspruch 4, das umfasst: Bereitstellen eines Strahlungsstrahls mit mindestens zwei ausgewählten Strahlungskomponenten; Sammeln des Strahlungsstrahls und Fokussieren seiner besagten Komponenten an im Wesentlichen verschiedenen Punkten entlang einer Codierachse auf den Modulator, sodass die Filter (50) den Strahl codieren; wobei jeder Filter (50) die Intensität einer entsprechenden Strahlungskomponente moduliert, um einen codierten Strahl bereitzustellen, der mindestens zwei codierte Komponenten umfasst, wobei die Amplituden der besagten codierten Komponenten mit ungenauen orthogonalen Modulationsfunktionen moduliert sind und wobei mindestens eine der besagten Komponenten Restinterferenz mit einer anderen der besagten codierten Komponenten hat; Sammeln und Lenken besagten codierten Strahls auf einen Detektor (26), sodass der Detektor eine Ausgangsleistung bereitstellt; und Analysieren vom Detektor (26) generierter Signale, um Amplituden erster nullter Ordnung von codierten Komponenten zu bestimmen, wobei die Amplituden erster nullter Ordnung Decodierfehler aufweisen, die von besagter Restinterferenz herrühren; Erhöhen oder Verringern des Strahlungseinfalls auf mindestens einen der Filter (50), um einen modifizierten codierten Strahl bereitzustellen; Analysieren vom Detektor (26), als Reaktion auf besagten, modifizierten, codierten Strahl, generierter Signale, um modifizierte Amplituden codierter Komponenten zu bestimmen; Vergleichen von mindestens der modifizierten Amplituden mit besagten Amplituden erster nullter Ordnung, um Interferenzkoeffizienten zu bestimmen; und Verwenden der Interferenzkoeffizienten, um nachfolgende Amplituden nullter Ordnung für besagte Decodierfehler zu kompensieren.
Verfahren zum Analysieren von Strahlung mithilfe eines Modulators gemäß Anspruch 6, das umfasst: Bereitstellen ab einer ersten Strahlungsquelle eines ersten Strahlungsstrahls, der mindestens zwei ausgewählte Strahlungskomponenten umfasst; Sammeln des ersten Strahls und Fokussieren jeder seiner Komponenten an einem entsprechenden Punkt entlang einer Codierachse auf eine Codierebene; Positionieren des Modulators in die Codierebene und Rotieren des Modulators um eine Rotationsachse (40), sodass besagte Codierachse im Wesentlichen entlang einer Radialachse liegt und, sodass der erste Strahl durch besagten mindesstens einen Filter (50) codiert wird; Sammeln und Lenken des codierten Strahls auf einen ersten Detektor, der als Reaktion darauf, Datensignale bereitstellt; Analysieren besagter Datensignale, wobei die Analysierung das Bestimmen der modulierten Amplitude von mindestens zwei codierten Komponenten einschließt; Positionieren einer zweiten Strahlungsquelle und eines zweiten Detektors, sodass besagte Reihe von Markierungen einen zweiten Strahl ab der zweiten Quelle moduliert, um zu bewirken, dass ein modifizierter zweiter Strahl den zweiten Detektor erreicht, um zu verursachen, dass der zweite Detektor ein Ausrichtungssignal generiert; und Analysieren des besagten Ausrichtungssignals, um Wobbelung des Modulators und Ausrichtungsfehler des besagten Musters am Modulator zu entdecken.