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TWI782025B - 高功率多工法 - Google Patents

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TWI782025B
TWI782025B TW107117769A TW107117769A TWI782025B TW I782025 B TWI782025 B TW I782025B TW 107117769 A TW107117769 A TW 107117769A TW 107117769 A TW107117769 A TW 107117769A TW I782025 B TWI782025 B TW I782025B
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大衛 派史杜巴
約翰 派卡
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加拿大商１０１０３５６０加拿大公司
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Abstract

在一種用於量測輻射之方法中，該輻射在時間上及/或在空間上由一調變器分離以將入射在每個區域上之輻射的至少N個不同組合引導到至少兩個且少於N個相異方向上。每一方向上之輻射的總強度是利用用於每個調變器組態之偵測器來量測，且用統計方式分析偵測器的輸出以獲得與該輻射之光譜性質有關的資訊。以此方式，在量測裝置之入口孔徑處所接收到的實質上所有能量經編碼成多個輸出，且經多工的輸出由少量偵測器接收。

Description

高功率多工法
本發明係關於使用空間及/或時間調變對波場或粒子通量進行量測。波場可包括至少一個特性或應變數之空間變化。本發明適用於電磁波、物質波及壓力(聲)波。波可為橫向或縱向的。電磁波之空間變化或應變數可為幅值、密度、頻率、波長相位、傳播的極化方向或原點位置。
電磁波亦可描述為光子通量。物質波亦可描述為電子、中子、原子、離子、分子或此等各者之集合體的粒子通量。粒子通量之空間變化可與物質之任何性質有關，包括原點位置、速度、加速度、電荷、質量、自旋、量子狀態、磁或電偶極。聲波之空間變化可為幅值、密度、速度、相位或原點位置。
量測方法可在許多不同領域中使用，該些不同領域包括但不限於晶體學、光譜學、干涉量測學、光譜成像、成像、正電子發射斷層攝影術、顯微術、電子顯微術、質譜分析、離子移動率光譜學及毛細電泳法。本文中之配置亦可在通信系統、雷達系統或如上文所特定闡述之其他用途中使用。
一個實例係揭示於2013年1月1日頒予的用於以光學方式分析薄異質樣本之US 8345254(Prystupa)中，該案之揭露內容可經研究以獲得其他資訊或該案之揭露內容係以引用的方式併入本文中。
另一實例係揭示於2016年1月28日公佈的用於分析由移動樣本反射的光及超音波之PCT公開申請案2016/0011548(Prystupa)中，該案之揭露內容可經研究以獲得其他資訊或該案之揭露內容係以引用的方式併入本文中。
另一實例係揭示於2018年2月1日公佈的用於分離粒子之PCT公開申請案2018/018155中，該案之揭露內容可經研究以獲得其他資訊或該案之揭露內容係以引用的方式併入本文中。在下文中亦包括本揭露內容之主要特徵以實現完整性。
本發明係主要在多工光譜學之領域中研發之概念的延伸。光譜學之領域具有廣泛的文學作品。本說明書僅意欲作為概述，僅針對突顯本發明之點給出更多細節。讀者參考Wolfgang Demtroder的雷射光譜學：基本概念及儀器使用(Laser Spectroscopy：Basic Concepts and Instrumentation)，第2版，施普林格出版社，紐約(1982)以獲得話題之實際描述，或Max Born及Emil Wolf的光學原理(Principles of Optics)，第7版，劍橋大學出版社(2002)以獲得話題之嚴格論述。
Martin Harwit(1979)很好地描述了哈達馬德(Hadamard)光譜儀，其組合了具多工之色散儀器的特徵。哈達馬德光譜儀的一般設計包括入口狹縫、準直元件、繞射元件、空間遮罩及偵測器，以及在沿著光學路徑之各種點處的聚焦光學件及摺疊鏡。在一些設計中，繞射元件及空間濾光器之次序經互換。電磁輻射係藉由繞射元件分散至波帶中且聚焦至空間濾光器上，該空間濾光器將一些而非全部波帶引導至偵測器。偵測器量測一系列不同空間濾光器的電磁輻射強度，且對一系列方程式求解以根據加權方案來推斷每個波帶之強度。關於話題之更全面論述，參見Neil J.A.Sloane及Martin Harwit的用於哈達馬德變換光學件之遮罩(Masks for Hadamard transform optics)及加權設計應用光學15(1)107-114(1976)。
例如1971年5月18日頒予的美國專利3578980(Decker)中所展 示的早期哈達馬德儀器藉由主遮罩之逐步移動而產生一系列哈達馬達空間遮罩。此等系統面對導致若干技術進步的遮罩對準之問題，該些技術進步無一者完全令人滿意。關於此設計之變型係藉由1971年6月22日頒予的美國專利3586442(Tripp)設計，由此在空間上經編碼之波帶第二次入射在色散元件上，以便消除色散且將輻射場集中在偵測器上。研發出了基於旋轉遮罩之哈達馬德系統。2001年8月7日頒予的美國專利6271917(Hagler)提及，二進位遮罩之透射中之階梯在傅立葉分析下產生振鈴，且所提議遮罩以分級透射成狹縫。
哈達馬德方法已應用於干涉計以產生混合式傅立葉變換光譜儀。在1988年6月14日頒予的美國4750834中，Fateley等描述了將電可改變之遮罩置放於干涉圖案之平面中的方法。在1996年1月30日頒予的美國5488474中，Fateley等亦提供用於減少FTIR光譜儀之干涉圖中心叢發的方法。本發明擴展此等方法以提供經改良的信號雜訊比。
在1989年8月15日頒予的美國4856897中，Fateley等描述了基於馬達馬達電光遮罩及單一偵測器的拉曼光譜儀(Raman spectrometer)。本發明之目標為改良此設計之信號雜訊比效能。
最近，已提議基於遮罩之哈達馬德設計，該些設計藉由諸如1993年8月10日頒予的美國專利5235461(Kirsch)中之電光效應(液晶)或諸如1996年4月2日頒予的美國專利5504575中之電機械效應(微鏡陣列)動態地產生。此等方法有若干問題。工作循環及因此的取樣率受到遮罩自一個指定狀態轉變至另一指定狀態的轉變時間限制。在基於液晶之設計中，透射遮罩區域與吸收遮罩區域之間的對比度小於10位元，從而限制儀器可達到的精確度。基於微鏡之設計的工作循環受到熱負載限制。此外，微鏡設計遭受繞射及非一包裝分率。另一新近哈達馬德變型照亮哈達馬德遮罩之固定陣列且利用諸如1991年9月24日頒予的美國專利5050989(Van Tassel)中之焦平面陣列來量測透射圖 案。此設計具有無需移動部件即機械穩固的優點，但具有需要巨大焦平面陣列的缺點。在實際項目中，在基於矽之焦平面陣列廉價之情況下，此方法限於光譜之可見區。
空間維度可用與光譜維度以相同方式多工。一般情況係光譜成像，其產生具空間維度及光譜維度之資料立方體。在2009年9月15日頒予的美國758972中，Coifman等描述了用於使用濾光片之馬賽克陣列的多光譜成像之設備。在美國8345254中，多工經更進一步擴展以放大其他弱信號。資料立方體中之資訊的量及必要的處理要求引起基於立方體中之點之間的相關性可用以減小描述立方體所需之參數的數目之想法的壓縮取樣方案的發展。更全面描述由McMackin等在2014年5月6日頒予的美國8717484中給出。
上文所提及的所有哈達馬德變型共有的關鍵缺點為即使忽略了光學損失，平均起來，也僅有一半的進入入口孔徑之EM輻射由偵測器接收到。藉由分別在1986年10月7日及1989年1月24日頒予的美國專利4615619及4799795(Fateley)中所展示之配置來部分地克服此限制，該些專利提議使用可透射及反射EM輻射以產生標準哈達馬德遮罩的電光濾光片之陣列。Fateley結合圖5提出，透射輻射及反射輻射均可量測，此原則上可改良有效輸送量。然而，Fateley所給出之實施提供僅50%之調變(5%透射至55%透射)。僅一半的進入入口孔徑之EM輻射被有效地使用。Fateley沒有提供關於如何使用來自第二偵測器之資訊的任何揭示內容。上文所提及的所有哈達馬德變型之一另外限制係可達成的最佳頻譜解析度受到遮罩元件大小之固定幾何形狀限制。
哈達馬德變換飛行時間質譜儀首先由Brock等(1998)描述。離子係經由電噴射針連續地引入、經撇取、經加速且經準直。準直的離子束入射在的布拉德伯里-尼爾森(Bradbury-Nielsen)快門上，該快門使離子束無偏轉地朝向偵測器傳遞或使離子束偏轉成高於及低於光束軸線。設備稍後藉由在光 束軸線上方及下方添加偵測器來修改(Trapp，2004)，使得直接及經偏轉光束兩者經量測。與先前版本相比，修改使工作循環增加到接近100%且使SNR改良29%。在理論地面上，預期44%之改良。差歸因於有助於錯誤偵測器通道之離子流的不完全分離。在兩個版本中，快門根據哈達馬達矩陣之列而在時間上調變以傳遞具偽隨機時間移位的離子封包。每個封包在最輕離子行進最快的無場區帶中展開。偵測器依據每個列之時間順序接收時間移位之封包的重疊。執行反哈達馬達變換以恢復每個封包內之最初質量分佈。在後續工作中，Hudgens等調變離子源以產生哈達馬德圖案。
Brock,A.；Rodriguez,N.；Zare,N.的哈達馬達變換飛行時間質譜分析(Hadamard Transform Time-of-Flight Mass Spectroscopy)，分析化學(Anal.Chem.)，70，3735-3741(1998)。
Trapp,O.；Kimmel,J.R.；Yoon,O.K.；Zuleta,I.A.；Fernandez,F.M.；Zare,R.N.的電噴射離子之連續兩個通道飛行時間質譜偵測(Continuous Two Channel Time-of-Flight Mass Spectroscopic Detection of Electrosprayed Ions)，Agnew.Chem.Int.，43版，6541-6544(2004)。
Hudgens,J.W.；Bergeron,D.的哈達馬德變換電子電離飛行時間質譜儀，科學儀器評論(REVIEW OF SCIENTIFIC INSTRUMENTS)79(1)：014102(2008)。
以上參考中之每一者的揭示內容係以引用的方式併入本文中或可針對可在本文中使用的構造之其他細節進行研究。
本發明係針對波及粒子通量之分析的調變系統及方法。彼等熟習物理者將理解，本發明量測到的物理現象具有粒子及波描述兩種且描述之選 擇係便利性問題。調變可為空間的、時間的或兩者。波可為電磁波、物質波或壓力波。
根據本發明之一個定義，提供一種用於量測一入射輻射之一或多個性質的方法，該方法包含以下步驟：收集待量測的該入射輻射；將該入射輻射分割成N個封包，每個封包含有具有一第一性質之一不同值的輻射；使用一時間調變器或一空間調變器在時間上或在空間上分離該些輻射封包且使用一調變序列改變該調變器，以將入射輻射封包之N個不同組合引導至至少兩個相異路徑中，其中所有相異路徑之輻射強度的總和為總入射輻射之至少60%；利用用於每個調變器組態之一偵測器來量測每個路徑中的該總輻射強度，以提供複數個偵測器輸出；用統計方式分析該些偵測器輸出，以獲得與待量測的該輻射之該些性質有關的資訊；其中該調變器組態序列包括至少兩種組態，對於該至少兩種組態，每個封包經引入至該些相異路徑中。
在一個具體實例中，該輻射依據源位置、能量、頻率、波長、相位或極化而在空間上分離且經引導至待特性化至一量測表面中的N>2個不同區域中，且其中該調變器係置放於該量測表面處之一空間調變器。
在另一具體實例中，該輻射係使用一閘調變器在時間上分離。
根據本發明之另一定義，提供一種用於量測一入射輻射之一或多個性質的方法，該方法包含以下步驟：收集待量測的該入射輻射； 將該入射輻射引導至一時間調變器或一空間調變器或一時間及空間調變器；該調變器循環經歷一序列之M個組態，在每個組態中，根據入射輻射入射在該調變器上的位置及/或時間將該輻射分割成N個部分，及將入射輻射之每一部分的大部分引導至P個相異路徑中之一者中，其中所有部分及所有路徑之輻射強度的總和係入射輻射強度之至少60%；利用用於每個調變器組態之一偵測器來量測每個路徑中的該總輻射強度，以提供複數個偵測器輸出；用統計方式分析該些偵測器輸出，以獲得與待量測的該輻射之該些性質有關的資訊；其中P大於或等於二且小於N；且其中M大於或等於N，且該調變器組態序列包括至少兩種組態，對於該至少兩種組態，每一部分的大部分經引導至不同路徑中。
在一個具體實例中，該輻射依據源位置、能量、頻率、波長、相位或極化而在空間上分割成N>2個部分且經引導至待特性化至一量測表面中的N個不同區域，且其中該調變器係置放於該量測表面處之一空間調變器。
在另一具體實例中，該輻射使用例如一閘調變器在時間上分割成N>2個部分，根據該序列來調變該閘調變器。
較佳地，選取該調變器的該序列之組態，以使得該序列之組態之一矩陣表示Z具有如下性質：Z T Z係非奇異的；其中Z具有MP個列及N個行，且其中Z之每一列表示一個偵測器處的量測且Z之每一行表示一粒子通量參數的一個範圍。Z之元素表示由針對一個量測的該列指定之偵測器接收的每一範圍的粒子通量之分率。
根據本發明之另一定義，提供一種用於在一自變數之區間內量 測一入射輻射之一或多個應變數的方法，該方法包含以下步驟：收集待量測的該入射輻射；利用一空間調變器或一時間調變器將每一區間中的大於一半之入射輻射引導至至少兩個相異路徑中之一者中，該調變器經歷一序列之組態，以使得該序列之每個成員將區間內的入射輻射之一不同組合引導至每個路徑中，其中所有相異路徑之輻射強度的總和為總入射輻射之至少60%；利用用於每個調變器組態之一偵測器來量測每個路徑中的該總輻射強度，以提供複數個偵測器輸出；用統計方式分析該些偵測器輸出，以獲得與待量測的該輻射之該些應變數有關的資訊。
本文中所使用之術語「閘」或「閘調變器」係指執行獲取一通量或粒子且在不同時間將大於一半的該通量之粒子輸送至至少兩個不同目的地之功能的裝置。閘之一個實例為多工器。
術語「分組(division)」及「範圍(range)」可被互換地使用。該兩者係指通常為空間或時間之獨立參數的區間，但係指與空間參數及時間參數相關的參數。
術語「用統計方式」及「統計分析」係指基於多變數統計、相關性及如在最小平方中直接地計算或如在神經網路中間接地計算之機率的分析方法。
此係不參考調變器組態的數目、調變器之類型或變數之類型的一般描述。此定義包括部分地及完全地判定的方程式系統兩者。相依意謂輻射之一性質且獨立可為輻射之一性質或不相關某物，如時間或空間。
在一個具體實例中，輻射依據選自源位置、能量、頻率、波長、相位或極化之集合的一獨立性質在空間上分離且經引導至待特性化至一量 測表面中的N>2個不同區域中，且其中該調變器係置放於該量測表面處之一空間調變器。
在另一具體實例中，該獨立性質係時間且在一時段T中接收到的輻射係使用一閘調變器在時間上分離成N>2個時間片段。該些時間片段可具有相等長度T/N，或具有不等長度。在相依性質係強度之情況下，相等長度之時間片段可用於量測雷射脈衝之形狀。飛行時間光學光譜儀中之閘調變器可將行進穿過一色散介質之光子的一脈衝分割成不等的時間片段以量測相等波長間隔中之光子通量。
較佳地，調變器之不同組態的數目大於或等於該獨立性質之分組的數目。這樣保證可解出所有變數。
較佳地，該調變器組態序列包括用於每個分組的至少兩種組態，其中分組內之輻射的大部分經引導至不同路徑中。
較佳地，每個路徑具有複數個偵測器，其中每個偵測器量測一不同能量範圍內的沿著該路徑行進之輻射。
在一個具體實例中，待量測的該輻射來自一色散光譜儀。
在一個具體實例中，待量測的該輻射來自一傅立葉變換光譜儀。
在一個具體實例中，待量測的該輻射來自一成像光譜儀。在此具體實例中，每個路徑可具有複數個偵測器，其中每個偵測器量測自待觀察之物件中的區域之一不同集合發出的輻射。
在一個具體實例中，待量測的該輻射來自一干涉圖案。
在一個具體實例中，待量測的該輻射來自一繞射儀。
在一個具體實例中，待量測的該輻射係拉曼散射。
在一個具體實例中，待量測的該輻射來自一顆粒內核。
在一個具體實例中，該空間調變器係折射的。
在一個具體實例中，該空間調變器係反射的。
在一個具體實例中，該空間調變器係繞射的。
在一個具體實例中，每個路徑上之偵測器產生一類比電壓，且該類比電壓在轉換至數位形式之前已減去一基準電壓位準。
在一個具體實例中，本發明接收具有隨位置及時間改變之至少一個性質的波，利用一空間調變器沿著兩個或多於兩個路徑在空間上對該性質編碼，利用一時間調變器沿著每個路徑在時間上對該性質編碼，利用一偵測器在每個路徑上在時間上量測波強度，且分析來自所有偵測器的資訊以提供關於入射在分析器上的波的資訊。
亦即，通常，利用空間調變器來進行一序列之量測，從而編碼隨針對該序列中之每個量測不同的位置改變之波性質。可重複該序列以進一步改良信號雜訊比。在此具體實例中，本發明在概念上係諸如傅立葉或哈達馬達光譜儀的單一偵測器多工儀器與偵測器之非多工線性陣列之間的中間體。本發明在使用小部分的偵測器之數目時提供優於習知多工且接近於偵測器之線性陣列的信號雜訊比。
亦即，在另一具體實例中，本發明接收具有隨時間改變之至少一個性質的波，在產生與波性質成比例之類比信號的偵測器處接收該些波，在時間上將該類比信號調變至兩個或多於兩個積分裝置中，且分析來自所有積分裝置之資訊以提供關於入射在分析器上之波的資訊。
此具體實例提供用以量測復發現象之動態的方法，其具有經改良之時間解析度及經改良之信號雜訊效能。
在另一具體實例中，可組合上文所提及的空間及時間調變具體實例兩者。
該輻射可由選自含有但不限於以下各者之清單的粒子組成：光子、電子、正電子、亞原子粒子、質子、中子、離子、原子或分子。
較佳地，針對所有相異方向量測的該輻射強度之總和係入射在該量測表面上之該總輻射強度的至少90%。
較佳地，該調變器將輻射引導至至少三個方向上。
較佳地，該調變器產生具有至少兩個相異區域之一基本遮罩的循環排列。
較佳地，該調變器使一基本遮罩之每個區域將至少一半且較佳大於90%的入射在該區域上的輻射引導至一相異方向上。
較佳地，該調變器之一基本遮罩的至少一個區域將入射在該區域上的輻射之一部分引導至一第一方向上且將入射在該區域上的該輻射之至少一些引導至一不同的相異方向上。
在一些具體實例中，該調變器的至少一個區域在一量測期間平移或旋轉，以使得該調變器之一基本遮罩區域之至少一部分經過至少兩個量測區域。
較佳地，每個量測區域的經引導至每一相異方向上的該輻射之該分率係計算為遮罩區域將輻射引導至該方向上的時間加權幾何分率。
在一些情況下，該基本遮罩係一哈達馬德遮罩或一偽隨機遮罩。
在一些情況下，空間調變器產生一基本遮罩之一循環排列，且遮罩特性之至少一部分係藉由該遮罩在一量測時段期間的運動判定。然而，亦有可能使用非循環排列，例如在每個遮罩元件個別地可調的情況下，如在微鏡陣列中。循環排列由具有固定幾何形狀之遮罩引起。
較佳地，該調變器之至少一個元件具有至少兩種不同組態，諸 如微鏡陣列、微光柵、液晶、電光裝置。
較佳地，每個偵測器輸出經正規化至該些偵測器輸出之總和。
較佳地，待量測的該輻射之該些性質係藉由多變數最小平方分析獲得。
較佳地，待量測的該輻射中之資訊係藉由對原始偵測器輸出(如上所述)或正規化之偵測器輸出(如上所述)的主分量分析獲得。
在一個重要特徵中，藉由統計分析來分析具有N個區域之輻射圖案以找到一較小數目m個潛在變數；進行m次量測，且使用統計分析推斷每個潛在變數之值。此特徵在該N個區域中之一些相關的情形中及在該N個區域中之一些幾乎不含有感興趣資訊的情形中有用。每個潛在變數描述基本N區域資料集中之總方差的一部分。使用者可選擇僅使用與以可接受程度之精確度來模型化N區域資料集所需一樣多的潛在變數。舉例而言，若該些潛在變數係藉由PCA找到，則前m個潛在變數通常描述基本N區域資料集中之方差的大部分。憑經驗，前三個潛在變數常常描述大於90%的具有數百光譜區域之紅外線光譜中之方差。使用者可選擇使用三個潛在變數作為對N區域資料集之可接受近似，或選擇使用更多潛在變數以改良近似之精確度。
較佳地，對所有偵測器求和的該總輻射強度針對空間調變器組態的至少一些而改變；且在每個調變器組態下，在每個偵測器處產生一原始強度值；其中該調變器組態之該總強度係C=SUM(偵測器強度di)，其中資料向量經載入值di'=di/C，使得此正規化補償該強度之變化。
在一個實例中，該調變器包含動態特普立茲遮罩且藉由使取樣率變化來改變解析度。
在一個重要最終用途中，輻射係由一飛行時間質譜儀提供。
在一個重要最終用途中，輻射係由螢光衰退提供。
在一個重要最終用途中，輻射係由用於量測流體流量之流量槽提供。
在一個重要最終用途中，輻射係由自受分析之粒子反射的光提供。
在一個重要最終用途中，輻射係由為了分析材料之密度藉由激勵固體材料射出的超音波提供。
較佳地，一帶通濾波器用於限制傳播通過偵測系統的波長之範圍且用於確定用於分析系統的邊界條件。
較佳地，帶通濾波器用以移除具有小診斷值之光譜帶，使得偵測器之動態範圍僅用以量測具有較大診斷值之光譜帶。
較佳地，一帶通濾波器用以藉由與不同光譜帶之重要性成比例地對該光譜帶之貢獻加權來最佳化用於偵測一特定分析物的儀器靈敏度。
根據本發明之另一態樣，提供一種用於量測一入射輻射之一或多個性質的方法，該方法包含以下步驟：收集待量測的該入射輻射；將該入射輻射分割成N個封包，每個封包含有具有一第一性質之一不同值的輻射；使用一時間或空間調變器在時間上或在空間上分離該些輻射封包且使用一調變序列改變該調變器，以將入射輻射封包之至少N個不同組合引導至至少兩個相異路徑中；利用用於每個調變器組態之一偵測器來量測每個路徑中的該總輻射強度，以提供複數個偵測器輸出；用統計方式分析該些偵測器輸出，以獲得與待量測的該輻射之該些性質有關的資訊； 其中藉由統計分析來分析具有N個區域之輻射圖案以在一光譜中找到一較小數目m個潛在變數；進行m次量測，且使用統計分析推斷每個潛在變數之值。
根據本發明之另一態樣，提供一種用於量測一入射輻射之一或多個性質的方法，該方法包含以下步驟：收集待量測的該入射輻射；將該入射輻射分割成N個封包，每個封包含有具有一第一性質之一不同值的輻射；使用一時間或空間調變器在時間上或在空間上分離該些輻射封包且使用一調變序列改變該調變器，以將入射輻射封包之至少N個不同組合引導至至少兩個相異路徑中；利用用於每個調變器組態之一偵測器來量測每個路徑中的該總輻射強度，以提供複數個偵測器輸出；用統計方式分析該些偵測器輸出，以獲得與待量測的該輻射之該些性質有關的資訊；其中該輻射之一強度對於複數個樣本中之每一者改變；且在每個時間樣本，一原始強度值係在一第一偵測器A處及在一第二偵測器B處產生；其中時步(time step)中之總強度為C=A+B，其中該資料向量經載入值a’=A/C及b’=B/C，使得此正規化補償該強度之變化。
根據本發明之另一態樣，提供一種用於量測一入射輻射之一或多個性質的方法，該方法包含以下步驟：收集待量測的該入射輻射；將該入射輻射分割成N個封包，每個封包含有具有一第一性質之一不同值 的輻射；使用一時間或空間調變器在時間上或在空間上分離該些輻射封包且使用一調變序列改變該調變器，以將入射輻射封包之至少N個不同組合引導至至少兩個相異路徑中；利用用於每個調變器組態之一偵測器來量測每個路徑中的該總輻射強度，以提供複數個偵測器輸出；用統計方式分析該些偵測器輸出，以獲得與待量測的該輻射之該些性質有關的資訊；其中該調變器包含動態特普立茲遮罩且藉由使取樣率變化來改變解析度。
根據本發明之另一態樣，提供一種用於量測一入射輻射之一或多個性質的方法，該方法包含以下步驟：收集待量測的該入射輻射；將該入射輻射分割成N個封包，每個封包含有具有一第一性質之一不同值的輻射；使用一時間或空間調變器在時間上或在空間上分離該些輻射封包且使用一調變序列改變該調變器，以將入射輻射封包之至少N個不同組合引導至至少兩個相異路徑中；利用用於每個調變器組態之一偵測器來量測每個路徑中的該總輻射強度，以提供複數個偵測器輸出；用統計方式分析該些偵測器輸出，以獲得與待量測的該輻射之該些性質有關的資訊；包括以下步驟：在每個量測中估計每個帶對由每個偵測器接收到的該總強度之時間加權貢獻及設定該Z矩陣之係數以便明確地模型化該些時間加權貢獻。
此在功能上等效於應用一卷積，且即使在單一偵測器情況下，所得H矩陣並非二進位且單數的。
如下文中更詳細地描述，本文中所揭示之配置提供用以使用最佳數目個偵測器高效地量測粒子通量之性質的多工方法。
在一個具體實例中，該些粒子為光子。在以下論述中，術語光子及電磁輻射及輻射可被互換地使用。方法可用於包括但不限於光譜學、晶體學、干涉量測學、成像及光譜成像的應用。此項技術中已知的收集光學件係用以聚集電磁輻射之至少三個(且通常更多)不同部分且將該些部分投影至將進行量測之一表面上，且該表面上之一空間調變器將至少兩個部分引導至差偵測器。輻射之該些部分可依據源、極化、波長、相位或此等各項之任何組合改變。
在另一具體實例中，該些粒子係中子。該方法可在包括中子散射及中子繞射之應用中使用。
在另一具體實例中，該些粒子係電子。該方法可在包括電子繞射及電子顯微術之應用中使用。
在另一具體實例中，該些粒子係質子及離子。該方法可在包括質譜分析、離子遷移率光譜測定法及毛細電泳法之應用中使用。
在又一具體實例中，該些粒子係一起移動以形成壓力波之原子或分子。該方法可在包括聲音光譜學及聲音成像之應用中使用。
本發明之目標係收集及量測大於60%且較佳地實質上所有的入射波或粒子通量能量。出於說明之目的，此處參考電磁輻射，但所說明之概念亦適用於其他波，諸如但不限於聲波、中子波、電子波、離子波、原子波以及分子波。現參考電磁波，本發明包括一可選帶通濾波器、一空間或時間調變器、兩個或多於兩個偵測器集合或積分器、一控制系統以及一分析系統。
帶通濾波器用於限制傳播通過偵測系統的波長之範圍及確定用於由分析系統對方程式(3)(參見下文)求解的邊界條件。第二，帶通濾波器可用以移除具有小診斷值之光譜帶，使得偵測器之動態範圍僅用以量測具有較大診斷值之光譜帶。第三，帶通濾波器可用以藉由與如藉由化學計量學分析(例如，與特定分析物相關聯之特徵向量)所判定的不同光譜帶之重要性成比例地對該光譜帶之貢獻加權來最佳化用於偵測該分析物的儀器靈敏度。此方法之優點係偵測器集合或積分器之動態範圍得到最佳利用以達成分析物量測中之最佳可能精確度。
在一個具體實例中，一空間調變器藉由控制系統分步經過一序列之組態。在每一組態中，空間調變器將入射輻射分割成具有特定於組態之光譜內容的兩個或多於兩個部分且每一部分係使用一不同集合之偵測器來量測。在最簡單的情況下，偵測器與部分之間存在一對一對應。在量測延伸的波長範圍之情況下，偵測器之一集合可用以量測每一部分。舉例而言，一集合可包括但不限於UV偵測器、可見光偵測器、近紅外線偵測器、中間紅外線偵測器、微波偵測器以及無線電波偵測器。應理解，諸如稜鏡、光柵、帶通濾波器、二向色鏡、鏡以及透鏡的額外光學件經使用以將每一光譜區域引導至適當偵測器。對每個偵測器處之強度或幅值(用外差法)積分且將結果傳輸至分析構件。空間調變器可藉由透射一個部分及反射一或多個其他部分或藉由將兩個或多於兩個部分反射至不同方向上來分割入射輻射。替代地，空間調變器可藉由透射一個部分及折射一或多個部分至不同方向上或藉由折射兩個或多於兩個部分至不同方向上來分割入射輻射。替代地，空間調變器可藉由透射一個部分及繞射一或多個部分至不同方向上或藉由繞射兩個或多於兩個部分至不同方向上來分割入射輻射。一般而言，透射、反射、折射以及繞射之任何組合可用以達成將輻射之不同部分引導至不同方向上的目的。
在一些具體實例中，空間調變器及相關聯光學件及偵測器相對於待量測之輻射的源相對運動，且該相對運動產生所要調變。舉例而言，繞地球軌道運行之衛星中之一空間調變器上的影像相對於該空間調變器以接近恆定的速度移動，且以相同方式調變影像資訊，如同影像係靜止的且調變器在移動中一樣。在兩種情況下，相對運動產生調變。
熟習此項技術者所熟知的其他方法可用以操控非電磁波。
在如下文中所描述之一個具體實例中，自快速移動物件反射之輻射經收集且傳輸至光譜儀之入口狹縫。每一時步處所接收的總輻射由於物件相對於輻照源及收集光學件之距離及定向的變化而不同。在每一時步處，在偵測器A(反射)處及偵測器B(透射)處產生一原始強度值。時步中之總強度係C=A+B。資料向量經載入值a’=A/C及b’=B/C。此正規化補償總體信號位準之變化。
在另一具體實例中，待量測的該輻射入射在一或多個偵測器歷時一總量測時間T。出於說明之目的，該些偵測器可為光電二極體，其經由光電效應產品光電子。將總量測時間分割成N個區間。在每個時間區間期間，時間調變器根據如下文所論述的偽隨機序列而選擇複數個積分器中之一者且將實質上所有的在該時間區間期間產生之光電子引導至所選的積分器。在兩個積分器A及B的最簡單情況下，A或B在每個時間區間期間接收光電子，且A及B在時段T中所接收到的光電子之總和實質上等於光電二極體在時段T中所產生的光電子之總數目。在N個獨特序列之情況下，量測程序重複至少N次，且關於每個量測的由每個積分器接收到的光電子之數目經傳輸至分析系統。
現在轉而參考分析系統，應注意，多工係上文所提及的所有具體實例中之一般要素。區別在於實施之細節。通用多工方程式係y=AZb+e (1)
其中y為觀測之行向量，A為儀器函數，Z為多工係數之矩陣，b為粒子通量強度之行向量且e為因量測誤差或不確定性所致的殘差之行向量。Z之每一列含有針對一個偵測器處之一次量測的多工係數，且量測向量y之對應列含有量測到的值。Z之每一行對應於獨立參數之一系列值。對於每一行中所表示的範圍沒有限制。每一行中所表示的值之範圍可以不連續，且每一行中之範圍可表示跨所有行所表示的獨立參數之總跨度的不同分率。每一行中所表示的範圍對於量測本文所論述之潛在參數的情況係不連續的。Z之行所表示的該些範圍可重疊。Z之每一行中的多工係數表示在指定區間內在一路徑上引導至由列指定之偵測器的粒子通量或輻射之分率。每一量測循環包括至少兩個偵測器及Z的兩列。光學系統中之儀器函數例如係該系統中的每個光學組件之效率的卷積。為簡單起見，在以下論述中考慮選取A矩陣為單位矩陣I之理想系統。Z之多工係數表示空間調變器之幾何形狀或時間調變器之時間片段。在以下論述中選取殘差(雜訊)為不相關的。對於殘差係相關的之不太常見情況，解係熟習此項技術者已知的。存在n個光譜強度及對該n個光譜強度之不同組合的n次量測。Z之大小為n×n，且b及y兩者之大小為n×l。Z之此特殊情況具有解b=Z-1y (2)
若Z之列經進一步哈達馬德編碼，則Z矩陣在文獻中通常被稱為S矩陣。S矩陣僅針對如下特定值存在n=2m-1，其中m為大於等於0的整數。S矩陣具有反矩陣容易計算且所有元素可減小成二進位碼之有用性質，從而極大地簡化計算。S矩陣法使用粒子通量之近似一半(n/2+1)/n。先前技術包括串列(tandem)中所使用之S矩陣法，從而提供因增加之信號輸送量所致的SNR之理論平方根(2)改良。
方程式1亦描述偵測器之線性陣列。在此情況下，Z係單位矩陣 I。儀器函數矩陣A包括描述陣列中之偵測器之間的響應之區別的項。存在n個光譜強度及由n個偵測器進行的n個同時量測。
本發明係無產生方程式(2)之簡化假設之情況下的方程式(1)之實體具體實例。本發明中所使用之一般情況在計算上要求更高，但額外計算由於信號雜訊比相對於藉由方程式2所描述的較簡單情況可達成之信號雜訊比的增加的另外改良而變得合理。如上文所論述，本發明包括d個偵測器或積分裝置(d>=2)且亦允許將量測重複c次(c>=1)的可能性。
在本發明中，Z之大小為ndc×n；y之大小為ndc×l；且b之大小為n×l。應注意，需要nd之最小值(c=1)次量測。在本文中應理解，n係量測之參數的數目，該些量測之參數可為潛在參數。在資料獲取以c>1之非整數值中斷之情況下，仍可對資料進行分析。
此外，Z之矩陣元素通常為複數，而非如先前技術中之整數。對於以下論述，考慮Z包括關於儀器函數矩陣A之卷積係便利的，此係因為關於A之卷積通常引入非整數元素。因大小所致，Z在此情況下不能直接地反轉。實情為，可藉由使用方程式(1)之多個最小平方(MLS)解用最小誤差估計光譜強度b：b=(ZTZ)-1ZTy (3)
為了進一步論述，定義H=(Z T Z) -1 Z T 係便利的。協方差矩陣Z T Z係對稱的，其簡化反矩陣之計算。在一般情況下，計算反矩陣係計算密集的。應注意，若Z之列係種子序列之循環排列，則ZTZ始終為循環矩陣且因此可用離散傅立葉變換來計算反矩陣。方程式1之其他解係可能的且對於N之大值可為較佳的。一個替代方法係使量測向量y與已知輸入向量b相關以推斷自y至b之變換的係數。此方法可藉由直接方法及藉由諸如神經網路之不受監督方法進行。雖然MLS方法對中等大小(N<1024)之系統而言係對方程式1求解之較佳 方法，但諸如監督及不受監督相關性之其他統計方法亦將起作用且在本發明之範圍內。
本發明對Z之形式的約束很少。為了使用方程式3量測N個波帶，全部所需的即Z具有至少N個列；每個波帶係在至少一個列中表示；每一列係獨特的；且Z T Z係非奇異的。亦即，量測可使用Z之便利形式進行且經變換至另一基準用於計算。Z之元素不限於如先前技術中的整數，但通常可為複數。然而，在大部分應用中，Z之元素係區間[0,1]中之實數且表示引導至偵測器之輻射的分率。應認識到，將Z之所有元素乘以一共同因數將產生等效結果且在計算出於效能原因而以整數運算進行的情況下可能較佳。對Z之不同選擇產生方程式(3)之解中的不同訊號雜訊比。選取Z以平衡工程化考慮因素，使得根據方程式(3)計算之結果中的RMS雜訊達到最小。一個重要類別之解係藉由具有至少兩個相異區域的種子圖案之循環排列或排列之基本圖案構建。如上文所提及，先前技術中之哈達馬德圖案係至少在單一偵測器情況下最佳化以將RMS雜訊減至最小的此類別之一子集。在本發明之範圍中，藉由包括用於第二偵測器的哈達馬德圖案之補數而將哈達馬德圖案延伸至兩個偵測器。對於兩個或多於兩個偵測器，偽隨機種子序列可用作循環排列之基礎。對於在本發明之範圍中的兩個或多於兩個偵測器，每個偵測器之基本種子圖案可藉由針對每個量測將0與1之間的值隨機地指派給每個偵測器而產生，以使得跨所有偵測器之總和對於每個量測等於1。為每一行指派之值表示入射在獨立參數之對應範圍上以引導至指定之偵測器的粒子通量之分率。RMS雜訊可藉由一基因演算法減至最小，該基因演算法反覆地使種子序列變異且根據方程式3來計算RMS雜訊。
另一重要類別之種子圖案係基於特普立茲圖案，該些圖案具有一區塊之1及一區塊之0。具有特普立茲圖案之實體遮罩通常比基於偽隨機種子 之遮罩更容易製造，此係因為區域之實體大小可較大。
亦可選取Z之元素，以使得列之間不存在關係，以便最佳化信號雜訊比。
在應用中，y係量測之數量。y可寫成y=yb+ys (4)
其中y b 係一恆定基本信號且y s 表示一可變信號。代入至(3)中，吾人得到b=H y b +H y s (5)
由於y b 係恆定向量，因此Hy b 亦係恆定向量。方程式5指示常數可添加至任何輸入信號y且唯一效應係所得光譜b中之恆定偏移。在硬體中，信號y通常為一類比電壓(但可為另一可量測量)，其已偏移、放大，接著數位化。硬體組件在界定偵測系統之動態範圍的設定極限內工作。最佳地，設定偵測系統之動態範圍以匹配由待量測的樣本產生的輸入信號之範圍。可藉由執行以下步驟來校準偵測系統。
1.在樣本之代表性集合的零偏移及低放大的情況下量測y。
2.判定樣品之代表性集的每一者之平均最小及最大信號值及標準偏差。
3.將最小預期信號設定為平均最小值減去三倍標準偏差。
4.將最大預期信號設定為平均最大值信號至平均最大值加上三倍標準偏差。
5.將電壓偏移設定為預期最小信號。
6.將放大增益g設定為(偵測系統動態範圍)/(預期最大值-預期最小值)。
在操作中，y s 係在偵測系統之動態範圍內量測，接著數位化。對於許多應用，唯一興趣的部分為y s 。視情況，可加上y b 之數位值以復原y。
對於關於本發明之範圍內之圖案辨識的許多實際應用，計算光 譜強度向量b係非必要的。自方程式3看，顯而易見，b由y個向量元素之線性組合組成。如上文的正規化程序中所說明，y個向量元素可為量測結果之線性組合。計算光譜強度b之組合的任何分析程序亦可應用於量測向量y且將產生相對於基本向量之一不同集合表述的等效結果。在外行人看來，不同集合或基本向量恰為不同的座標系統。舉例而言，在三維空間中，點可以笛卡爾座標可表示為{x,y,z}或可以球座標等效地表示為{r,θ,Φ}。在大部分實際應用中，維度之數目大於三。分析程序可為任何多變數統計分析方法，諸如LDA、MLS、PLS、PCA、或傳播方法，諸如神經網路。舉例而言，諸如主分量分析(PCA)之圖案辨識演算法習知地計算最佳地俘獲資料集中之的方式之b個向量元素之線性組合。由於b向量元素本身為y個向量元素之線性組合，由此得出，PCA演算法可用原始資料y個向量作為直接產生等效結果的輸入。
本文中之配置能夠用不同位準之空間解析度獲得光譜。在先前技術中，解析度由空間編碼器固定。在本發明中，可藉由增加取樣率來增加光譜解析度。更改對應碼以藉由複製輸入項來反映較高取樣率。舉例而言，碼序列{1001101}在解析度加倍之情況下變為{11 00 00 11 11 00 11}。雖然藉由此方法可無限地增加解析度，但實際極限係藉由將粒子通量引導至空間調變器上的系統之解析度判定。取樣時間與解析度成比例地增加：將光譜解析度改良2倍需要取樣時間加倍。傅立葉變換光譜儀具有相同的時間相依性，但需要使干涉計中之掃描鏡平移遠至兩倍。本發明中之經改良解析度可藉由單獨電子構件來達成，無需更改任何機械部件。如下文在圖14中所示，僅特定操作參數提供具有增強之解析度的有效結果。陣列偵測器之解析度係固定的。藉由減小狹縫寬度，習知色散儀器中之解析度得到改良，從而導致輸送量之損失。因此，取樣時間隨解析度之改良的平方增加。多工儀器具有明確優點。
關於工作循環，本文中之配置可在靜態及動態模式兩者下操 作。
在靜態模式下，空間調變器在每個量測之持續時間中保持在固定組態。對於單一偵測器情況，此對應於先前技術中之習知哈達馬德光譜儀。在此模式下，調變器的實體區域與粒子通量之分組之間存在一對一對應。
在動態模式下，空間調變器相對於待量測的空間可變之粒子通量相對運動。相對運動導致粒子通量之分組與調變器的實體區域之間的一對多關係。在一個量測循環期間，根據用於每個偵測器之調變器區域的相對時間加權幾何截面，來自每個區域之粒子通量經引導至不同偵測器。
特普立茲圖案可由空間不同區域之兩個或多於兩個集合構成。區域之每一集合經設計以朝向偵測器或除該集合之區域以外的偵測器之集合引導實質上所有的入射在該區域上之EM輻射。構件可包括一或多個光學元件以將來自該集合之空間上分離區域的EM輻射集中至偵測器上。每一集合之區域可使用反射、透射、折射或繞射朝向偵測器或偵測器集合引導EM輻射。
透射區域可藉由在區域中放置透射材料或更佳地藉由在區域中放置狹縫來建構。反射區域可藉由在區域中放置高反射材料來建構。反射材料較佳為金屬，諸如在廣譜範圍上具有高反射率之Al、Ag或Au。介電質鏡可提供較窄光譜範圍上之較高反射率。可使用在感興趣光譜區中提供高反射率之其他材料。入射角可改變以提供朝向不同偵測器引導的反射區域之集合。在一些具體實例中，該些反射區域具有平面表面，且在其他具體實例中，該些反射區域具有彎曲表面以實現將EM輻射集中在偵測器處之目的。折射區域可藉由在區域中置放折射率>1之材料來建構。折射材料較佳地大體上成楔狀，使得射出折射區域之EM輻射的整體方向不平行在折射區域上之EM輻射的整體方向。具有不同射出方向之折射區域可藉由改變楔角來建構。具體言之，區域之兩個或多於兩個集合可藉由使用兩個或多於兩個相異楔角來建構。折射區域之表面可 為平面，或彎曲的以實現將EM輻射集中在偵測器處之目的。繞射區域可藉由在區域中置放繞射光柵來建構。繞射光柵可為透射或反射的。由於具有不同波長之EM輻射將落在具有共同光柵週期之集合中的空間上分離之繞射表面上，因此通向共同偵測器之路徑的集合係西塔-Z空間中之線。應注意，繞射光柵可充當若干邏輯區域，此係因為入射輻射經引導至若干繞射級中。每一級中之相對強度可藉由修改諸如炫耀角、凹槽深度或光柵材料的參數來調諧。具有不同射出方向之繞射區域可藉由改變光柵週期來建構。繞射表面可為平面，或彎曲的以實現將EM輻射集中在偵測器處之目的。如本發明中所設想之反射區域及折射區域產生與基本上二維的先前設計相比在三維中本質上可變的空間調變器。二維空間調變器通常比三維空間調變器容易製造，但三維空間調變器可提供優良效能。繞射區域選項具有允許以降低之效率為代價將多個輸出方向與易於製造結合的優點。
7‧‧‧側壁
8‧‧‧正面
9‧‧‧底部
10‧‧‧供應管道
11‧‧‧圓盤
12‧‧‧軸線
14‧‧‧導管
15‧‧‧口部/內端/開口
16‧‧‧排出末端/外端
17‧‧‧邊緣/周邊
20‧‧‧陣列
21‧‧‧分離裝置
22‧‧‧路徑
23‧‧‧收集腔室
24‧‧‧路徑
25‧‧‧腔室
26‧‧‧導板
28‧‧‧量測系統/偵測裝置/量測裝置
29‧‧‧控制系統
30‧‧‧入口孔徑
31‧‧‧凹面鏡
32‧‧‧準直光束
33‧‧‧光闌
34‧‧‧稜鏡
35‧‧‧波長範圍
36‧‧‧波長範圍
37‧‧‧波長範圍
38‧‧‧鏡
39‧‧‧凹面鏡
40‧‧‧第一空間調變器
41‧‧‧第二表面/量測表面
42‧‧‧第二空間調變器
43‧‧‧聚焦鏡
44‧‧‧第一偵測器
45‧‧‧第二偵測器
46‧‧‧控制系統
48‧‧‧一個週期
50‧‧‧區域/固定鏡
51‧‧‧區域/固定鏡
52‧‧‧區域/固定鏡
53‧‧‧聚焦元件
54‧‧‧偵測器
55‧‧‧偵測器
56‧‧‧偵測器
57‧‧‧可移動鏡/空間編碼器圓盤
58‧‧‧楔狀折射元件/間隙
59‧‧‧楔狀折射元件/反射器
60‧‧‧楔狀折射元件
61‧‧‧折射元件
62‧‧‧區域
63‧‧‧區域
64‧‧‧區域
69‧‧‧中心
70‧‧‧多工飛行時間質譜儀
71‧‧‧引入
72‧‧‧撇取
73‧‧‧加速
74‧‧‧布拉德伯里-尼爾森快門
75‧‧‧電壓源
76‧‧‧處理器
77‧‧‧偏轉板
78‧‧‧遮罩
81‧‧‧路徑
82‧‧‧路徑
83‧‧‧路徑
90‧‧‧光源
91‧‧‧電磁輻射脈衝
92‧‧‧樣品
93‧‧‧螢光發射
94‧‧‧電信號
95‧‧‧偵測器
96‧‧‧閘
101‧‧‧積分電路
102‧‧‧積分電路
103‧‧‧積分電路
104‧‧‧積分電路
111‧‧‧數位轉換器
112‧‧‧數位轉換器
113‧‧‧數位轉換器
114‧‧‧數位轉換器
115‧‧‧處理器
120‧‧‧紅外線輻射光束
121‧‧‧高折射率晶體
122‧‧‧全內反射
123‧‧‧頂部表面
124‧‧‧通道
125‧‧‧聚焦鏡
126‧‧‧透射光柵
127‧‧‧繞射紅外線輻射
128‧‧‧鏡
129‧‧‧空間調變器
D‧‧‧逆時針方向
F‧‧‧粒子上之力
現將結合附圖來描述本發明之一個具體實例，在附圖中：圖1係顆粒分類設備的等角視圖，其展示了其中可使用根據本發明之方法之一配置的一個實例。
圖2係穿過圖1之設備的垂直截面圖。
圖3係圖1及圖2之設備之量測系統28的根據本發明之兩偵測器配置的示意圖。
圖4展示用於圖3中的具三種類型之反射區域之空間調變器的代表性截面。
圖4A展示配置成一列以將入射在量測表面之不同部分上的輻射引導至三個方向上的不同類型之區域的曲線圖。
圖5類似於圖4，例外為固定鏡係用可在三個位置之間切換的可移動鏡替 換。
圖6展示具三種類型之折射區域之空間調變器的代表性截面。
圖7類似於圖6，例外為使用了單一類型之折射元件且施加電場以改變折射率，從而將入射輻射引導至三個不同方向上。
圖8展示具三種類型之繞射區域之空間調變器的代表性截面。
圖9A係具平行於旋轉軸線之特徵的空間編碼器圓盤的視圖。
圖9B係具垂直於旋轉軸線之特徵的空間編碼器圓盤的視圖。
圖10係23個通道及三個取樣模型的基於使用圖3中所示之配置之數值模擬的RMS雜訊對卷積的曲線圖。
圖11係類似於圖10的曲線圖，例外為計算係關於127個通道進行，其比23通道情況具有更多的實際應用。
圖12係RMS雜訊對卷積的曲線圖，其展示了127通道系統之隨偵測器之數目而變的對RMS雜訊之相依性。
圖13係空間調變器在127個通道以恆定速度移動情況下的RMS雜訊對工作循環的圖。
圖14係具三個偵測器及23個通道的系統關於基準取樣頻率的前10個諧波的RMS雜訊對工作循環的圖。
圖15係使用本發明的具三個偵測器之飛行時間質譜儀的示意圖。
圖16展示使用本發明的用於量測螢光衰退之系統的示意圖。
圖17展示使用本發明的用於流量槽之系統的示意圖。
圖18A展示在本發明之量測程序中使用的加權函數的示意圖。
圖18B展示待量測之相依參數的示意圖。
圖18C展示圖18B中之相依參數之積分強度的示意圖。
圖19A展示本發明之一實例加權函數。
圖19B展示本發明之一實例加權函數。
圖19C展示本發明之一實例加權函數。
圖20A展示相對運動對本發明之加權函數的影響。
圖20B展示本發明之最一般加權函數的實例。
圖1及圖2中所示的用於基於粒子之可量測參數對該些粒子分類的設備包含供應管道10，該供應管道將待分類的粒子自供應連續流之粒子以經由管道提供的饋給供應器10A攜載至圍繞軸線12可旋轉的旋轉本體11。在所示之具體實例中，該旋轉本體係具有垂直配置之軸線12的扁平圓盤，使得該圓盤提供一上部水平表面，粒子13係以串流自管道10供應至該表面上。該管道配置在該圓盤的中心，使得該些粒子沈積至該圓盤旋轉但向外速度極小的位置之中心上。在一例示性情況下，該些粒子可為顆粒內核。此時的內核速度來自供應管道10中之流動。該圓盤上之一點處的速度為v=wr，其中w係角速度且r係半徑。若內核沈積在速度變化過高的區域中，則該些內核彈跳且流動係混亂的。內核係沈積在中心區域中以將速度變化減至最小。
在形成旋轉本體之圓盤的上部表面上提供有複數個導管14，每一者自鄰近軸線之內部末端15向外延伸至外部末端16，其以比內部末端大的徑向距離自軸線向外隔開。在此具體實例中，該些導管的外部末端16配置在圓盤11之邊緣17處。在此具體實例中，每個導管14自緊密鄰近中心的位置延伸至該圓盤之周邊17，使得在中心處，該些導管係並排地緊靠著配置且該些導管向外發散，使得在外部末端16處，該些導管圍繞周邊17隔開。
內部末端15因此配置成鄰近軸線之陣列，使得供應管道10起作用以將待分類的粒子沈積在該些導管之內部末端15，從而將待分類的粒子輸入 至內部末端中。由於該些內部末端在圓盤之中心處緊密地鄰近，因此在中心處成堆之粒子自動地均勻分類至導管的在其內部末端處之打開口部中。假設中心處的粒子之連續堆，圓盤之旋轉將用於將該些粒子按由相對於粒子之尺寸的口部之尺寸界定的流均勻地分類至個別導管中。在沿著導管之路徑的開端處，該些粒子將緊鄰或重疊。然而，粒子在由離心力加速時沿著導管通過將用於將該些粒子各自依次散開，從而形成無重疊的粒子線。由於力相對均勻，因此該些粒子將均勻地加速且因此將沿著導管均勻地隔開。內核在導管之第一部分中軸向地與導管對準，且內核長度界定初始的中心至中心間距，其由於內核大小之差異會有一些變化。離心加速度在給定半徑下係均勻的，但摩擦力改變約20%。摩擦力依據科氏力=μN(u=大約0.2至0.25之摩擦係數，N=主要由科氏力供給的至導管壁之法向力)縮放。如上文所述，導管可塑形以藉由沿著淨力之線彎曲導管而將法向力及摩擦減至最小(在本文中先前提及)。
可進行導管長度相對於粒子之尺寸的選擇，使得每個粒子與粒子後之間的間距可選擇為一定比例的粒子之長度。在將分離器用於種子之實例中，每個種子與下一個種子之間的間隔可至少等於種子長度且通常為種子長度的1.5或2.0倍。進口處之導管寬度應為約1.5倍種子長度以避免堵塞。
因此，導管經塑形及配置，使得粒子在其自內部末端傳遞至外部末端時被加速，以致於使該些粒子在其朝向外部末端移動時一個接一個地成一列對準。
外部末端16成有角度地隔開之陣列配置在旋轉本體的外部周邊，使得每個導管中之粒子列的粒子由於來自圓盤的離心力而自圓盤之軸線向外釋放。開口全部位於圓盤之共同徑向平面中。導管可形成為切入較厚圓盤之上部表面中的凹槽，或由施加至圓盤之頂部表面上的額外壁形成。
粒子分離裝置21之陣列20成環形配置在圓盤11上或環繞圓盤的 外部邊緣17配置，使得個別分離裝置21圍繞圓盤配置在有角度地隔開之位置處。
每個分離裝置可操作以將每個粒子引導至如藉由分離裝置之操作所判定的複數個路徑中之一者中。在所示之實例中，分離裝置經配置以相對於出口16之平面向上或向下地引導粒子。如圖2中所示，分離裝置21可佔據粒子未分離至一個方向或另一方向的初始中間或開始位置。分離裝置可向上移動以便將粒子向下引導至路徑22中從而收集在收集腔室23內。類似地，當分離裝置移動至一降低位置時，該些粒子沿著路徑24越過分離裝置之頂部向上移動從而收集在腔室25內。兩個路徑22及24由確保該些粒子移動至腔室23、25中之一者或另一者的導板26分離。
為了控制分離裝置21，提供整體以28指示之量測系統，其用以量測在粒子自處於圓盤之邊緣的導管之末端朝向分離裝置移動時量測彼等粒子之一選定參數或多個參數。該量測系統可為例如圖3中所示之光譜儀。
在一典型實例中，對粒子之分析係關於因疾病所致的種子之衰退的存在，且此常常可例如使用本發明發明人的先前美國專利8227719中所揭示之系統以光學方式偵測到，該先前美國專利之揭露內容係以引用的方式併入本文中。
每個分離裝置21與各別偵測裝置28相關聯，偵測裝置可包括可操作以量測粒子之參數的多個偵測組件，且回應於藉由相關聯偵測裝置量測之參數，各別或分離裝置經操作以選擇路徑22或路徑24。
應瞭解，視待量測的參數而定，路徑之數目可經修改以在必要時包括多於兩個路徑。對增加數目之路徑的此選擇可藉由提供定位在初始間隔下游的後續分離裝置21來進行。以此方式，路徑中之一者或兩者可分割成兩個或多於兩個的輔助路徑，同時所有分離裝置由控制系統29控制接收來自量測裝 置28之資料。
圓盤11因此具有面向供應管道之正面8，且導管14位於該圓盤之徑向平面且自軸線向外延伸至圓盤11之周邊17。
如所示，導管14形成具有面朝向供應管道10之打開面的通道。然而，該些導管可在頂部表面處封閉，僅口部15及排出末端16打開。
如圖1中所示，導管14係彎曲的，使得外部末端16相對於內部末端15有角度地遲延。此形成每個導管之側表面，其在如以D展示的逆時針方向上相對於旋轉方向有角度地遲延，及對置側上的有角度地提高之側表面。導管之此曲率經配置以實質上遵循科氏力及離心力，使得粒子沿著導管而行，但對導管之任一側壁沒有過度壓力。然而，導管之形狀經配置以使得科氏力趨於相對於導管14的下游側驅動粒子。側壁7係傾斜的，使得粒子上之力F相對於傾斜壁推動粒子，從而朝向導管14之底部9驅動粒子。此用於使所有粒子朝向導管之底部，因此該些粒子在導管14之底部表面的徑向平面處自該圓盤浮現。
如圖1中最佳地展示，導管14緊密地並排處於鄰近軸線的內部末端15處且朝向外部末端16使間距增加。在內部末端15上，該些導管緊密地並排，使得導管之最大數目係由最大數目個開口15提供。在導管包括分支以使得每個導管沿著其長度分割成一或多個分支的未展示配置中，導管之數目可增加。
在未展示之另一配置中，導管可在內部末端15處一個堆疊在另一者頂部上，以增加內部末端處的導管開口之數目。亦即，舉例而言，若導管之三個環一個堆疊在另一個頂部上，則導管之總數目可增加為三倍。藉由最上部導管在外部邊緣處有空間可用於將導管之三個環容納在共同平面中時向下移動，該些導管接著配置在外部末端處之共同徑向平面中。以此方式，導管的外部末端16可直接並排地配置在圓盤之周邊17上。
在圖2之具體實例中，偵測裝置28及分離裝置21均位於圓盤之周邊17外。以此方式，粒子退出周邊邊緣17且在該些粒子自導管的外部末端傳遞至分離裝置之陣列時不能操縱。該些粒子沿著藉由圓盤11之角速度及外部末端16處的導管14之方向判定的軌跡行進。相關聯偵測裝置28係相對於分離裝置21定位以作用於在軌跡中之粒子。亦即，軌跡係配置在外部周邊17與分離裝置21之間的自由空間中，使得推出導管之排出末端16的粒子視其釋放位置而行進經過偵測裝置28中之一者，且自該偵測裝置，該粒子視藉由其相關聯偵測裝置28進行之分析而移動至用於分離的相關聯分離裝置21。因此需要該些軌跡係一致的且確保偵測到的粒子移動至必需的分離裝置。
在如圖3中所示之一個具體實例中，本發明係用作例如色散光譜儀中之偵測構件，以用於分析藉由來自圖1及圖2中之樣本的反射接收之光。電磁輻射或在此情況下待分析之光經收集且經引導通過入口孔徑30。通常，但未必，準直光束32係藉由使用熟習此項技術者所熟知之方法的聚焦光學件，諸如凹面鏡31而產生。該準直光束穿過一或多個光闌33以限制角發散且入射在一陣列之一或多個色散元件上，此導致光束路徑中的波長相關之角偏差。色散元件可為折射或繞射的。在所示之具體實例中，色散元件包含稜鏡34。偏差之角範圍係分割成藉由待量測的最小波長及最大波長指定的兩個或多於兩個波長範圍35、36、37。針對以下論述，此等波長範圍被被稱為「帶」。熟習此項技術者將認識到，帶之最小寬度係藉由在前的光學組件之解析能力判定。該些帶寬度未必相等。在一較佳具體實例中，藉由使用低折射率稜鏡34進行色散而使輸送量達到最大，此係因為透射在寬光譜範圍中通常優於80%且不存在光譜混疊。
在於下文更詳細地論述之另一配置中，繞射光柵可經設計以在特定波長下達成類似效率，但效率隨著與設計波長之距離而降低。較佳地，組合的所有帶之波長範圍被限制在最小波長與最大波長之間。波長範圍可利用帶 通濾波器、孔徑光闌或偵測器靈敏度來限制。
色散光束視情況由鏡38及凹面鏡39聚焦且入射在透射或吸收入射輻射之第一空間調變器40上。第一空間調變器40充當帶通濾波器。在此具體實例中，透射光傳遞至含有第二空間調變器42之第二表面41。
對於N次量測中之每一者，量測表面41處之空間調變器42將入射輻射分割成透射的波長帶之第一集合及反射的波長帶之第二集合。每個集合中所包括之波長帶對於每個量測係不同的，使得存在N個相異組合。空間調變器42將第一集合之波長帶透射至聚焦鏡43，其將該集合之波長帶聚焦至第一偵測器44上。空間調變器42彎曲以反射第二集合之波長帶且將其聚焦至第二偵測器45上。儘管展示了兩個相異方向，但在本發明之範圍內可存在多達N-1個方向。在所有相異方向上總計的EM輻射強度係入射在空間調變器42上之EM輻射強度的至少60%。
每個方向上之EM輻射的總強度係用每個空間調變器組態之偵測器44、45量測，且偵測器之輸出傳輸至控制系統46以用於用統計方式分析該些偵測器輸出，以獲得與待量測的EM輻射之光譜性質有關的資訊。
圖4展示具三種類型之區域50、51及52之空間調變器的代表性截面。每一類型之區域係反射性的且以不同角度傾斜，從而將入射輻射引導至三個不同方向。聚焦元件53將輻射集中至偵測器54、55、56上。如圖4A中所示，不同類型之區域配置成一列以將入射在量測表面之不同部分上的輻射引導至三個方向上。在一些具體實例中，區域之配置係二維的。
圖5類似於圖4，例外為固定鏡50、51及52係用可在許多位置之間切換的可移動鏡57替換，展示了三個位置作為一實例。在一較佳具體實例中，使用微鏡陣列。
圖6展示具三種類型之區域之空間調變器的代表性截面。每一類 型之區域具有將入射輻射引導至三個不同方向上的楔狀折射元件58、59及60。聚焦元件53將輻射集中至偵測器54、55、56上。
圖7類似於圖6，例外為使用了單一類型之折射元件61且施加電場以改變折射率，從而將入射輻射引導至三個不同方向上。聚焦元件53將輻射集中至偵測器54、55、56上。
圖8展示具三種類型之區域62、63及64之空間調變器的代表性截面。每一類型之區域係繞射的，具有不同光柵週期。光柵刻度較佳地實質上平行於沿著陣列之色散方向以將出自空間調變器之平面的繞射輻射引導至偵測器54、55、56上。
圖9A展示空間編碼器圓盤57，其具有圍繞周邊垂直於圓盤之平面配置的間隙58及反射器59之特普立茲圖案。該圓盤圍繞穿過中心且垂直於該圓盤之平面的軸線旋轉。該些反射器平行於該旋轉軸線。該空間編碼器圓盤可在圖3中所示之光譜儀佈局中使用。該些光譜帶達到等於間隙之一個週期48(圖9B)之區域上的焦點及編碼器圓盤之周邊上的反射區域。當該編碼器圓盤旋轉時，反射或透射之波帶區域變化。便利地，反射區域之曲率可用以將反射波帶聚焦在偵測器上。重複圖案產生環狀邊界條件。在其他具體實例中，圖4、圖5、圖6、圖7及圖8中所示之圖案可圍繞圓盤之周邊配置。此配置之關鍵優點在於在編碼器圓盤旋轉時掃掠之角範圍在反射(或透射)區域之高度上係恆定的。
圖9B展示具八個重複的偽隨機圖案之扁平編碼器圓盤。該圓盤圍繞穿過中心69且垂直於該圓盤之平面的軸線旋轉。波帶聚焦在長度等於編碼器圖案之一個週期的區域上。入射在暗區域上的輻射經透射且聚焦在第一偵測器上，入射在亮區域上的輻射經反射且聚焦在第二偵測器上。較佳地，製造該圓盤，使得由反射或透射特徵掃掠之角範圍係恆定的。替代地，可使圓盤直徑 足夠大，以使得藉由矩形特徵引入之卷積小於一容限值。在其他具體實例中，圖4、圖5、圖6、圖7及圖8中所示之圖案可圍繞圓盤之周邊配置。
圖10展示23個通道及三個取樣模型的卷積對RMS雜訊之影響的數值模擬。RMS偵測器雜訊係100，但由於多工優點，每一通道中之RMS雜訊會較小。零卷積處的頂部曲線(哈達馬德-1)對應於先前技術中的用一個偵測器量測一半的入射輻射之標準哈達馬德技術。在零卷積處，每個空間遮罩區域與一波帶區域對準且對應該波帶區域。關於卷積計算，空間遮罩以恆定速度移動且每個空間區域之中心與每一樣本積分週期之中點處的每一波帶之中心對準。掃描速率(對於整個光譜)與速度成比例。高卷積因數對應於高掃描速率。卷積索引表示藉由遮罩區域自中心波帶之前及之後的波帶中之每一者接收的輻射之分率。最大值0.25意謂藉由遮罩區域引導之輻射的1/4來自先前波帶，1/2來自中心波帶且1/4來自後續波帶。在應用卷積之情況下，編碼圖案係非二進位的或非正交的。多重最小平方演算法可用以對所得方程組求解。多工優點隨著卷積增加而降低且在接近卷積因數0.19時全部失去。中間曲線(哈達馬德-2)使用與基數相同的哈達馬德編碼，例外為基數編碼之互補係用第二偵測器來量測。第二曲線與頂部曲線成定比0.65，標準偏差為0.01。由於單獨量測的強度之分率之增加，因此預期平方根(2)(0.71)的因數。0.06之進一步改良係歸因於互補遮罩。底部曲線(3-基因)係用基因演算法識別的三偵測器編碼。基因演算法之開始點係藉由在針對23個三重組中之每一者選擇的一個位置處置放二進位1及藉由模擬來計算由該碼產生之RMS雜訊而產生。測試100,000個隨機組合且用基因演算法來進一步改進最佳組合。基因演算法隨機地選擇23個通道中之一者以變異，接著隨機地調換彼三重組中的二進位一至一不同位置。若變化使RMS誤差減小，則保持該變化作為下一次變異的基礎。否則，保持初始序列。用於底部曲線之序列為： S1={0,0,1,0,1,1,0,0,1,1,0,1,0,1,0,0,0,0,0,0,1,1,1}；S2={0,1,0,1,0,0,1,1,0,0,0,0,0,0,1,0,1,0,0,0,0,0,0}；S3={1,0,0,0,0,0,0,0,0,0,1,0,1,0,0,1,0,1,1,1,0,0,0}。
對於接近零之卷積，三倍偵測器情況之RMS雜訊係先前技術中之標準哈達馬德情況的0.60且係雙倍哈達馬德情況的0.91。標準偏差在兩種情況下係0.01，從而確認三倍碼優點並非統計假像。然而，三倍碼與基於哈達馬德之變型相比相對於卷積更穩固且鎖著卷積因數增大相對更好執行。在卷積因數0.22下，RMS雜訊係標準哈達馬德的0.51且係雙倍哈達馬德情況的0.80，此意謂三倍碼允許RMS雜訊之減少及較高掃描速率兩者。藉由1000次試驗實驗來測試零卷積情況。總信號強度為近似25伏特，且RMS誤差對於H1、H2及S3情況分別為1.56V、1.02V及0.55V。H1與H2之間的比接近平方根(2)之預期值。在實驗中，三偵測器情況L3使RMS雜訊減小的比數值模擬中預測的多。藉由計算L1與多工情況中之每一者之間的點積來評估線性陣列結果L1各自匹配的程度。H1、H2及S3與L1之點積分別為0.971、0.981及0.988。隨著偵測器之數目自一個增加至三個，線性陣列光譜與多工結果之間的匹配改良。
圖11類似於圖10，例外為計算係關於127個通道進行，其比23通道情況具有更多的實際應用。總體秩順序相同，且相對效能之比類似。三通道三重組情況的RMS雜訊係單一哈達馬德情況的0.65且係雙倍哈達馬德情況的0.93。標準偏差在兩種情況下係0.01，從而確認三倍碼優點並非統計假像。不同於23通道情況，效能之比沒有隨卷積因數而變的趨勢。
圖12展示了127通道系統之隨偵測器之數目而變的對RMS雜訊之相依性。頂部四條曲線使用簡單的特普立茲圖案(在一些文獻中區塊對稱)。特普立茲圖案之關鍵優點在於該些圖案容易製造，從而有可能導致成本節省。特普立茲圖案具有每個偵測器之一個相連區塊。頂部曲線給出兩個偵測 器的對卷積之RMS相依性。區塊大小為63及64通道。除小於0.02之卷積外，SNR效能比線性陣列(RMS=100)差，但僅使用兩個偵測器而非127個偵測器，此係明顯的成本節省。第二曲線表示區塊具有23、41及63個通道情況下的三偵測器特普立茲幾何形狀。零卷積處之RMS雜訊係具有124個較少偵測器之線性陣列的RMS雜訊之2/3且保持優良直至0.11之卷積因數。第三曲線展示區塊長度為29、31、33及34情況下的用於四個偵測器之特普立茲圖案之RMS效能。添加第四偵測器使所有卷積因數之RMS雜訊進一步減小。第四曲線展示具有特普立茲幾何形狀之五偵測器情況。區塊長度為17、19、23、31以及37。RMS雜訊小於使用122個較少偵測器之線性陣列在零卷積處之RMS雜訊的½。效能保持優於線性陣列，直至0.16之卷積因數。底部曲線給出使用哈達馬德圖案之兩偵測器系統的效能。哈達馬德圖案的效能明顯優於特普立茲圖案中之任一者的效能，但代價為製造中之更大複雜度及操作期間之對準。
圖13與圖10係基於相同資料，例外為積分時間之效應被算在雜訊計算中。在圖10中，卷積因數可被視為遮罩區域的中心與波帶區域的中心之間的未對準之量度。對於以恆定速度移動之遮罩，工作循環在數值上係卷積因數的四倍。為了校正積分時間之效應，將因卷積所致的RMS雜訊乘以D-1/2，其中D係工作循環。對於以恆定速度移動之遮罩，積分時間與卷積之間的最佳折衷在中心接近0.5工作循環之寬廣區域中。在遮罩及波帶區域的中心接近對準時減小遮罩速度及在對準不良時增大遮罩速度可減小總體雜訊。在一些具體實例中，此可為利用經歷簡單諧波運動之振盪器來實現。
圖14展示相對於速度增大取樣率之效應。基本取樣率係標記為H1且與具有對應於23個波帶之23行的Z矩陣Z1相關聯。使取樣率加倍將有效波帶寬度減半，因此存在46個波帶。Z矩陣Z2中的行之數目倍增至46。為了自Z1形成Z2，複製Z1中之每個元素且鄰近於原始元素置放複本。Z2係奇異矩陣， 但由於因運動所致的卷積，Z2變為非奇異的，從而允許低雜訊解用於工作循環之一些值。展示了高達十倍於原始取樣率之諧波。每個諧波存在至少一個解，其導致RMS雜訊接近120。對於光學光譜儀，此結果意謂取樣解析度可增加直至系統之光學解析度，在不改變空間調變器之情況下，SNR中有適當的20%懲罰。
圖15展示根據本發明之整體以70指示的多工飛行時間質譜儀。儘管為了清楚起見將圖式簡化，但許多組件類似於布魯克(Brock)設計。如前所述，離子在71引入、在72撇取、在73加速且經準直(圖中未示)。此等步驟並非本發明之部分。可使用熟習此項技術者已知的任何合適手段。離子束視情況入射在連接至由處理器76控制之電壓源75的布拉德伯里-尼爾森快門74上，該處理器可用以設定量測序列之時間邊緣。此功能類似於阻斷先前所描述之色散光譜儀中的非所需波長的前置遮罩(pre-mask)。在資料獲取期間，該快門打開，允許所有離子通過。離子束接著由於根據自一控制器接收之信號在偏轉板77之一或多個集合上施加之電壓而偏轉成分散角度，該控制器使資料獲取同步。在此具體實例中，該些偏轉板形成一時間調變器。此類似於上文的圖7之光學具體實例中的藉由施加電壓來改變折射率。在該圖中，展示了三個離散路徑81、82及83，但路徑之數目可為大於二且小於量測之數目的任何整數。離子束根據經設計以將RMS雜訊減至最小的多狀態偽隨機序列而在離散路徑81、82及83之間之間切換且由偵測器54、55及56偵測到。由於偏轉板上之有限電壓變化速率，離子束暫時地沿在離散路徑之間的中間路徑而行。此類似於光學情況下之卷積。遮罩78視情況阻斷此等中間路徑。可選布拉德伯里-尼爾森快門74可在偏轉板77上之電壓狀態之間的轉變期間啟動以暫時地將離子束分流至光闌中。更佳地，配置該些離散路徑以使得任何兩個路徑之間的轉變不與第三路徑交叉。在一較佳具體例中，該些偵測器配置成正多邊形。引導至離散路徑上之 離子行進通過無場區帶，按質量散開，且由偵測器接收。偵測器信號經放大、積分、數位化且傳輸至處理器76。該處理器藉由將資料向量乘以H矩陣(方程式3)來計算電荷至質量分佈。熟習此項技術者將認識到，離子遷移率光譜儀可用相同方式修改，且認識到自本發明之獲益相同。
改良點：
1.整個離子束係一次朝向一個偵測器引導且實質上維持待偵測及分析的總強度。強度大於總強度的60%且較佳大於總強度的90%。先前技術在兩個偵測器之間分割互補光束，且互補通道中之總強度小於未偏轉通道中之強度。
2.包括用以阻斷中間路徑之遮罩減少雜散離子。雜散離子係作為先前技術達成44%改良而非SNR中之理論(平方根(2))改良的關鍵原因來引用。
3.所有資料通道藉由MLS來一起分析，而非如在先前技術方法中個別地分析。
4.增大偵測器之數目超出如先前技術中的兩個使多工優點增加，從而產生較好的SNR。
圖16展示用於量測螢光衰退的示意圖。樣本92達至開始狀態且接著用來自光源90之電磁輻射脈衝91輻照以產生經由螢光發射93衰減的激發態。螢光發射係由偵測器95針對週期T接收，該偵測器產生與接收的光子通量成比例之電信號94。偵測器可包括一放大器(圖中未示)以產生與光子通量成比例之信號。電信號按長度為T/N的N個區間由閘96在時間上編碼。在每個區間中，閘將來自偵測器之電信號引導至四個積分電路101、102、103及104中之一者。在每個量測循環結束時，藉由類比至數位轉換器111、112、113及114來讀取該些積分電路，且將數位化結果傳輸至處理器。在另一配置(圖中未示)中，積分器101、102、103、104中之積分信號得以暫時地保持且依序地引導至單一的類比至數位轉換器。允許樣本鬆弛至開始狀態，且對N個相異的編碼圖 案重複量測循環。處理器115利用方程式3來計算時間相依螢光。
圖17展示使用本發明的用於量測液體之流量槽的示意圖。在此實例中，紅外線輻射光束120自左側入射在高折射率晶體121(在此項技術中被稱為ATR)上且在自右側出現之前在晶體內經歷若干次全內反射122。晶體之頂部表面123形成通道124之底部表面的部分，該通道含有待量測的流動液體。在晶體/液體界面處的每個全內反射下，消散波穿透液體，且對應於液體中之振動及擺動轉變的波長被部分地吸收。自右邊出現的經修改紅外線光束經由一孔徑(圖中未示)聚焦且藉由引導紅外線輻射通過透射光柵126的聚焦鏡125準直。繞射的紅外線輻射127藉由鏡128聚焦在空間調變器129上，該空間調變器將不同集合之波帶引導至三個偵測器54、55及56。空間調變器循環經歷一系列組態以將波帶之N個不同集合投影至每一者，且偵測器讀數經傳輸至一處理器(圖中未示)，該處理器經由方程式3來計算具有液體之N個光譜區域的紅外線光譜且分析該光譜以判定液體之組成。
在與2016年1月28日公佈的PCT公開案2016/0011548(Prystupa)相關之另一具體實例中，藉由一聲音換能器使一片肉依據時間相依圖案振動，且藉由干涉量測學來量測表面之變形。具體言之，準單色光源經準直且用光束分裂器分裂成兩個部分。一個部分係朝向偵測表面引導，且第二部分入射在肉類樣本上，接著朝向偵測表面引導。在偵測表面處，該些部分根據光程差而形成干涉圖案。藉由聲音激勵來調變任何點處的光程差。本發明之配置經置放在偵測表面中以量測干涉圖案的時間相依變化，且用統計方式分析該些變化以提供關於肉類之結構的資訊。
在另一具體實例中，本發明可用以量測由傅立葉變換光譜儀產生之干涉圖案。給定波長之干涉條紋在干擾光束共線的情況下均勻地隔開且在干擾光束不共線的情況下不均勻地隔開。共線情況在數學上較簡單，但僅使用 了一半的可用電磁輻射。儘管計算複雜度增加，本文中之非共線情況仍為較佳的，此係因為藉由使用多於一半的可用電磁輻射改良了SNR。1989年1月10日頒予Clarke的美國4797923描述了利用部分波分析之高解析度FTIR光譜儀。本發明係用以量測Clarke所描述的高解析度干涉圖案之合適方法。
在另一態樣中，可應用本發明以改良包括聲學、光譜學、磁共振及晶體學的許多領域中所使用之泵探針實驗中的信號雜訊比及時間解析度。作為一說明性實例，吾人考慮Yorke在以引用方式併入本文中的自然方法(Nature Methods)2014 11(11)中所描述的光子有限x射線繞射實驗。在Yorke實驗中，在時間上調變x射線且藉由偵測器之一陣列來記錄繞射圖案。接著藉由哈達馬達逆轉(方程式2)來計算電子密度之時間演進。Yorke實驗中之工作循環係50%，但藉由應用如圖16中所示的本發明之方法而升高至100%。在本發明中，x射線光束在實驗之完全持續時間中常亮以產生可用光子之最大數目。來自每個偵測器之光電流係針對實驗之每個時間區間藉由一閘引導至m(m>=2)個整合電路中之一者，以使得每個積分電路接收光電流的時間上經調變之通量。閘在功能上實施在方程式3中由Z矩陣指定的資料收集序列。每個序列之長度等於待量測的時間區間之數目n。每個積分電路收集編碼序列之長度的光電子，接著處理每個積分電路之總電荷，通常藉由類比至數位轉換(analog to digital converting，ADC)電路來處理，以產生與藉由積分電路累積之總電荷成比例的值。該些值進入方程式3之y資料向量的適當m個位置中。允許樣本放鬆至開始狀態，且將量測循環重複n次，Z矩陣中之m列之每個集合一次，以產生資料向量y之所有mn值。用於每個偵測器之時間順序較佳為偽隨機或哈達馬德。接著可根據每一時步處之繞射圖案來計算該時步處的電子密度。
本發明係一種用於量測隨一或多個獨立參數而變之一相依參數的方法，其中該相依參數係一粒子通量之一可量測性質且該(該些)獨立參數 係空間及時間參數。出於說明之目的，將一般獨立參數表示為x且表示為f(x)的應變數隨x變化而改變。舉例而言，x可為攝影機之焦平面上的位置且f(x)係在該位置x處接收到的照明之強度。在許多情況下，量測若干相依參數，接著使該些參數彼此相關。舉例而言，入射在稜鏡上之光在量測表面上之不同位置x處分散成不同波長f(x)。亦在相同位置處量測光之強度，且將量測結果相關以得到強度隨波長而變的光譜。出於本文件之目的，在獨立參數之上下文中對相依參數之任何參考應解釋為對基本相關空間或時間參數的參考。亦即，以上實例中對波長之參考應解釋為對與波長相關的空間參數之參考。粒子可為任何類型，包括但不限於亞原子粒子、質子、中子、電子、正電子、光子、原子、離子以及分子。可量測性質可為任何類型，包括但不限於質量、能量、電荷、自旋、頻率、波長、極化、電偶極矩、磁偶極矩、動量、壓力以及速度。
獨立參數經分割成由參數x之開始及結束值指定的一系列範圍。每個範圍經指派一獨特標記。用範圍內的x之平均值來標記範圍常常係便利的，但此並非必要的，且可使用其他標記方案。舉例而言，一系列範圍可改為由一系列整數索引指定。本文中的文字中之術語頻段(bin)係指範圍。
本發明係關於一種用以藉由進行至少N個不同集合之量測來量度一相依參數在N個範圍中之值以產生N個集合之純量參數的方法。在一集合中有P次量測，其中P大於或等於2。一集合中之每個量測與值在0至1範圍內的加權函數wij(x)相關聯，其中索引i具有M個值且索引j具有P個值，且M大於或等於N。有P個邏輯偵測器進行量測，一個偵測器針對j之每一值。藉由將待量測的相依參數f(x)乘以wij(x)且在該些範圍中所包括的x之所有值上進行積分以產生純量gij之集合來進行每個量測。加權函數wij(x)係空間及/或時間調變器之實體傳遞函數，其描述了入射在位置x處的入射粒子通量在量測i期間在一路徑上經引導至偵測器j的分率。空間調變器可例如由一陣列之鏡構成，每個鏡對應於 獨立參數x之不同範圍。主要藉由鏡之反射率來判定傳遞函數。技術上可達成的最高寬頻反射率為約0.97，使得在此情況下之傳遞函數可為0.97。本發明之界定特徵係x之每個範圍上的加權函數之總和大於0.60，亦即大於入射在每個範圍上的粒子通量在一路徑上經引導至P個偵測器中之一者的60%。
圖18示意性地展示一次量測之計算。將(A)中所示之加權函數乘以(B)中之通量強度(相依參數)，且對所得碎片(C)求和以提供該量測之積分通量強度。加權函數18A對於每個偵測器之每個量測係不同的。在先前技術中，存在如(A)中所示之一個加權函數，其將平均約50%的入射通量傳遞至單一偵測器。
圖19展示用於本發明之一具體實例的示意性理想加權函數，其中三個加權函數(A)、(B)及(C)對應於每個量測循環的至三個偵測器之輸入。對於獨立參數x之所有區域，該些加權函數之總和為1。在實體情況下，該些加權函數之總和大於0.6且較佳大於0.9。對於空間獨立參數，圖19中之該些加權函數可藉由以下各者實體地實施：如圖4中所示的一組反射表面，或如圖5中所示的可移動鏡，或如圖6中所示的折射楔狀物，或如圖7中所示的用電場來改變楔狀物之折射率，或如圖8中所示的一組繞射表面，或如圖9A及圖9B中所示的旋轉圓盤上之特普立茲圖案。圖16展示用以實施具有時間獨立參數的圖19中之加權函數的方法。在圖16中，一脈衝之光子通過經受折射及散射之樣本。具有不同波長之光子在不同時間自樣本出現且藉由將光子通量強度轉換成電壓波形的光偵測器記錄。根據加權函數(對於此實例中所示的積分器中之一者為零)將電壓波形引導至積分電路。藉由類比至數位轉換器將積分電壓轉換成純量值。光源將脈動N次。將一不同集合之加權函數用於每個脈衝。
對於量測之每一集合，將圖19中之加權函數(A)、(B)及(C)乘以如圖18B中所示的相依參數以產生三個單獨總和，如圖18C所示意性 地展示。預先形成量測(A)、(B)及(C)的至少N個集合以在圖19之實例中產生至少3N個純量積分強度值。應注意，因為此實例中之該些加權函數在每個區域上具有恆定離散值，所以積分減少至一總和，且方程式3中所給出的線性代數解適用。替代地，積分方程式之體系可藉由在本發明之範圍內的迭代方法來求解。在方程式3之上下文中，3N個加權函數各自表示Z矩陣之一列。獨立參數之每個範圍對應於Z矩陣之一個行，且每個列中之元素係該些加權函數之定值。3N個量測之純量值各自被載入對應於用於量測的加權函數之列的觀察向量y之列中。
圖20示意性地展示加權函數在每個區域上不恆定的一般情況。圖20A展示用於在每個量測期間相對於獨立參數以恆定速度移動的空間調變器之加權函數的整體形狀。如先前所論述，可藉由用在每個量測循環期間由偵測器自每個範圍接收到的粒子通量之時間加權平均強度替換該範圍之靜態加權函數值來解釋相對運動之效應。圖20B展示加權函數在獨立參數x之整個範圍上採用在0與1之間中間的值的一般情況。本發明之量測方案產生可藉由迭代方法求解的積分方程式之體系。亦可藉由將量測區域分割成小範圍來獲得近似解，在該些小範圍內，加權函數幾乎恆定且方程式3之方法適用。
本文中之術語偵測器係指產生與在有限量測時段上積分的入射粒子通量相關之回應的任何裝置。偵測器可為積分裝置且偵測器可為與積分裝置連接之換能器。術語邏輯偵測器可指量測藉由調變器沿著同一路徑引導之粒子通量的單一實體偵測器或複數個實體偵測器。
30‧‧‧入口孔徑
31‧‧‧凹面鏡
32‧‧‧準直光束
33‧‧‧光闌
34‧‧‧稜鏡
35‧‧‧波長範圍
36‧‧‧波長範圍
37‧‧‧波長範圍
38‧‧‧鏡
39‧‧‧凹面鏡
40‧‧‧第一空間調變器
41‧‧‧第二表面/量測表面
42‧‧‧第二空間調變器
43‧‧‧聚焦鏡
44‧‧‧第一偵測器
45‧‧‧第二偵測器
46‧‧‧控制系統

Claims (37)

  1. 一種用於在自變數之區間內量測入射輻射之一或多個變數的方法，其中所述一或多個變數根據所述自變數而改變，該方法包含以下步驟：收集待量測的該入射輻射；利用空間調變器或時間調變器將每個區間中的大於一半之入射輻射引導至至少兩個相異路徑中之一者中，該調變器經歷一序列之組態，以使得該序列之每個成員將區間內的入射輻射之不同組合引導至每個路徑中；其中所有相異路徑之輻射強度的總和為總入射輻射之至少60%；利用用於每個調變器組態之偵測器來量測每個路徑中的總輻射強度，以提供複數個偵測器輸出；用統計方式分析該些偵測器輸出，以獲得與待量測的該輻射之該些應變數有關的資訊。
  2. 如請求項1所述之方法，其中該調變器循環經歷一序列之M個組態，在每一組態中，根據入射的輻射入射在該調變器上的位置及/或時間將該輻射分割成N個部分，及將入射的輻射之每一部分的大部分引導至P個相異路徑中之一者中；其中P大於或等於二且小於N，且其中M大於或等於N，且該調變器組態序列包括至少兩種組態，對於該至少兩種組態，每一部分的大部分經引導至不同路徑中。
  3. 如請求項1所述之方法，其中該輻射依據來源位置、波長、相位或極化而在空間上分離且經引導至要被特性化到量測表面中的N>2個不同區域中，且其中該調變器是置放於該量測表面處之一空間調變器。
  4. 如請求項1-3中任一項所述之方法，其中該輻射是使用根據該序列調變之閘調變器而在時間上分割成N>2個部分。
  5. 如請求項1-3中任一項所述之方法，其中選取該調變器的該序列 之組態，以使得該序列之組態之矩陣表示Z具有如下性質：ZTZ是非奇異的；其中Z具有MP個列及N個行，且其中Z之每一列代表在一個偵測器的量測且Z之每一行代表獨立參數的一個範圍，且Z之元素代表該列的來自每一範圍之粒子通量之分率。
  6. 如請求項5所述之方法，其中Z之至少一個元素是非整數。
  7. 如請求項5所述之方法，其中將卷積應用於所述矩陣的情況下，編碼圖案既不是二進位的也不是正交的。
  8. 如請求項1-3中任一項所述之方法，其中該輻射依據選自來源位置、波長、相位或極化之集合的獨立性質而在空間上分離且被引導至要被特性化到量測表面中的N>2個不同區域中，且其中該調變器是置放於該量測表面處之空間調變器。
  9. 如請求項1-3中任一項所述之方法，其中該輻射依據獨立性質而在空間上分離，其中該獨立性質是時間，且輻射是使用閘調變器在時間上分離。
  10. 如請求項9所述之方法，其中該調變器之不同組態的數目大於或等於該獨立性質之分組的數目。
  11. 如請求項1-3中任一項所述之方法，其中該調變器組態序列包括用於每個分組的至少兩種組態，其中在所述每個分組內的輻射之大部分經引導至不同路徑中。
  12. 如請求項1-3中任一項所述之方法，其中每個路徑具有複數個偵測器，且其中每個偵測器量測在不同能量範圍內的沿著該路徑行進之輻射。
  13. 如請求項1-3中任一項所述之方法，其中每個路徑具有多個偵測器並且在路徑上的每個偵測器量測來自不同原點區域的輻射。
  14. 如請求項1-3中任一項所述之方法，其中待量測的該輻射來自以 下各者之一：色散光譜儀；傅立葉變換光譜儀；成像光譜儀；干涉圖案；繞射儀；來自拉曼散射；顆粒內核、飛行時間質譜儀、螢光衰退、用於量測流體流量之一流量槽、自受分析之粒子反射的光、自振動激勵固體材料反射的輻射及自一參考表面反射的輻射所產生之一干涉圖案。
  15. 如請求項1-3中任一項所述之方法，其中該空間調變器是具有折射性、反射性、繞射性中之一者。
  16. 如請求項1-3中任一項所述之方法，其中每個路徑上的該偵測器產生類比電壓，且該類比電壓在轉換至數位形式之前已減去一基準電壓位準。
  17. 如請求項1-3中任一項所述之方法，其中該調變器產生具有至少兩個相異區域之基本遮罩的循環排列。
  18. 如請求項17所述之方法，其中每個量測區域的經引導至每一相異方向上的該輻射之該分率被計算為該遮罩區域將輻射引導至該方向上的時間加權幾何分率。
  19. 如請求項17所述之方法，其中該調變器產生該基本遮罩之循環排列，且遮罩特性之至少一部分是藉由該遮罩在一量測時段期間的運動而判定。
  20. 如請求項17所述之方法，其中該調變器的至少一個元件具有至少兩種不同組態。
  21. 如請求項17所述之方法，其中該調變器包含動態特普立茲遮罩且藉由改變取樣率來使解析度變化。
  22. 如請求項1-3中任一項所述之方法，其中每個偵測器輸出經正規化至該些偵測器輸出之總和。
  23. 如請求項1-3中任一項所述之方法，其中待量測的該輻射之該些性質是藉由多變數最小平方分析獲得。
  24. 如請求項1-3中任一項所述之方法，其中待量測的該輻射中之該資訊是藉由對原始偵測器的輸出或是經正規化的偵測器的輸出之多變數統計分析而獲得。
  25. 如請求項1-3中任一項所述之方法，其中待量測的該輻射中之該資訊係藉由對該些原始偵測器輸出或該些正規化的偵測器輸出之相關性分析而獲得。
  26. 如請求項1-3中任一項所述之方法，其中藉由統計分析來分析具有N個區域的輻射圖案以在光譜中找到較小數目m個潛在變數；進行m次量測，且使用統計分析推斷每個潛在變數之值。
  27. 如請求項1-3中任一項所述之方法，其中對所有偵測器加總的該總輻射強度隨著所述空間調變器組態的至少一些而改變；且在每個調變器組態下，在每個偵測器產生原始強度值；其中該調變器組態之該總強度是C=SUM(偵測器強度di)，其中資料向量經載入值di'=di/C，使得此正規化補償該強度之變化。
  28. 如請求項1-3中任一項所述之方法，其中一帶通濾波器限制傳播通過量測系統的波長之範圍以確定用於分析系統的邊界條件。
  29. 如請求項28所述之方法，其中該帶通濾波器還被用來最佳化儀器靈敏度，藉由將與光譜帶對特定分析物的測量的重要性成比例的對不同光譜帶之透射率加權來對特定分析物在所述量測系統中的測量進行最佳化。
  30. 如請求項1-3中任一項所述之方法，其中該輻射之強度隨著複數個樣本中之每一者而改變，在每個時間樣本，原始強度值是在第一偵測器A處及在第二偵測器B處產生，其中時步中之總強度為C=A+B，其中該資料向量經載入值a’=A/C及b’=B/C，使得此正規化補償該強度之變化。
  31. 如前述請求項1-3中任一項所述之方法，其包括：將該入射輻射 分割成N個封包，每個封包含有具有第一性質之不同值的輻射；使用時間或空間調變器在時間上或在空間上分離該些輻射封包且使用調變序列改變該調變器，以將入射輻射之至少N個不同組合引導到至少兩個相異路徑上；包括以下步驟：在每個量測中估計每個帶對由每個偵測器接收到的該總強度之時間加權貢獻及設定該Z矩陣之係數以便明確地模型化該些時間加權貢獻。
  32. 如請求項1-3中任一項所述之方法，其中該空間調變器及相關聯光學件及偵測器相對於待量測之輻射的來源相對運動，且該相對運動產生期望的調變。
  33. 如請求項1-3中任一項所述之方法，其中該調變器循環經歷一序列之M個組態，在每一組態中，根據該輻射入射在該調變器上的位置將入射的該輻射分割成N個部分，及將入射的輻射之每一部分的大部分引導至P個相異路徑中之一者中；其中P大於或等於二且小於N，且其中M大於或等於N，且該調變器組態序列包括至少兩種組態，對於該至少兩種組態，每一部分的大部分經引導至不同路徑中。
  34. 如請求項1-3中任一項所述之方法，其中該調變器循環經歷一序列之M個組態，在每一組態中，根據該輻射入射在該調變器上的時間將入射的該輻射分割成N個部分，及將入射的輻射之每一部分的大部分引導至P個相異路徑中之一者中；其中P大於或等於二且小於N，且其中M大於或等於N，且該調變器組態序列包括至少兩種組態，對於該至少兩種組態，每一部分的大部分經引導至不同路徑中。
  35. 如請求項1-3中任一項所述之方法，其中該調變器被排列為在區域之間不具間隙以提供單一包裝分率。
  36. 如請求項1-3中任一項所述之方法，其中該空間調變器在每個量測之持續時間中保持固定組態。
  37. 如請求項1-3中任一項所述之方法，其中該空間調變器相對於待量測的空間可變之粒子通量相對運動，並且在一個量測循環期間，根據用於每個偵測器之調變器區域的相對時間加權幾何截面，將來自每個區域之粒子通量經引導至不同偵測器。
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