ВЫСОКОЭФФЕКТИВНОЕ МУЛЬТИПЛЕКСИРОВАНИЕ
HIGHLY EFFICIENT MULTIPLEXING

Данное изобретение относится к измерению волновых полей или потоков частиц с использованием пространственной и/или временной модуляции. Волновые поля могут включать в себя пространственное варьирование, по меньшей мере, одной характерной или зависимой переменной. Изобретение применяется к электромагнитным волнам, волнам вещества и волнам давления (звука). Волны могут быть поперечными или продольными. Пространственное варьирование или зависимая переменная в электромагнитных волнах может представлять собой амплитуду, интенсивность, частоту, длину волны, фазу, направление поляризации распространения или местоположение источника.
Электромагнитные волны также могут описываться как поток фотонов. Волны вещества также могут описываться как потоки частиц электронов, нейтронов, атомов, ионов, молекул либо их узлов. Пространственное варьирование в потоках частиц может быть связано с любым свойством вещества, включающим в себя местоположение источника, скорость, ускорение, заряд, массу, вращение, квантовое состояние, магнитный или электрический диполь. Пространственное варьирование в акустических волнах может представлять собой амплитуду, интенсивность, скорость, фазу или местоположение источника.
Способ измерения может использоваться во множестве различных областей техники, таких как, но не только, кристаллография, спектроскопия, интерферометрия, формирование спектральных изображений, формирование изображений, позитрон-эмиссионная томография, микроскопия, электронная микроскопия, масс-спектроскопия, спектроскопия на основе подвижности ионов и капиллярный электрофорез. Компоновка в данном документе также может использоваться в системах связи, радарных системах или в других вариантах использования, как конкретно изложено выше.
Один пример раскрывается в патенте US 8345254 (Prystupa), выданном 1 января 2013 года, для анализа оптически тонких гетерогенных выборок, раскрытие сущности которого может изучаться для получения дополнительной информации, либо раскрытие сущности которого содержится в данном документе по ссылке.
Другой пример раскрывается в опубликованной PCT-заявке 2016/0011548 (Prystupa), опубликованной 28 января 2016 года, для анализа света и ультразвука, отражаемого посредством перемещающейся выборки, раскрытие сущности которой может изучаться для получения дополнительной информации, либо раскрытие сущности которой содержится в данном документе по ссылке.
Другой пример раскрывается в опубликованной PCT-заявке 2018/018155, опубликованной 1 февраля 2018 года, для отделения частиц, раскрытие сущности которой может изучаться для получения дополнительной информации, либо раскрытие сущности которой содержится в данном документе по ссылке. Кроме того, основные признаки этого раскрытия сущности включаются для полноты в дальнейшем.
Уровень техники
nd
th
Изобретение представляет собой расширение принципов, разработанных главным образом в области техники мультиплексной спектроскопии. Область техники спектроскопии имеет огромное количество литературы. Данное описание предназначено только в качестве раскрытия сущности, при этом более подробная информация предоставляется только для аспектов, имеющих большое значение для настоящего изобретения. Читателю следует обратиться к работе автора Wolfgang Demtroder "Laser Spectroscopy: Basic Concepts and Instrumentation", 2 Edition, Springer Verlag, Нью-Йорк (1982 год), на предмет практического описания темы, либо к работе авторов Max Born и Emil Wolf, "Principles of Optics", 7 Edition, Cambridge University Press (2002 год), на предмет тщательного пояснения темы.
Спектрометры Адамара, которые комбинируют функции дисперсионного измерительного прибора с мультиплексированием, в полной мере описываются в работе Martin Harwit (1979). Общая конструкция спектрометра Адамара включает в себя входную щель, коллимирующий элемент, дифракционный элемент, пространственную маску и детектор, наряду с фокусирующей оптикой и складываемыми зеркалами в различных точках вдоль оптического тракта. В некоторых конструкциях, порядок элемента дифрагирования и пространственного фильтра меняется местами. Электромагнитное излучение рассеивается в полосы частот волн посредством дифракционного элемента и фокусируется на пространственный фильтр, который направляет часть, но не все полосы частот волн в детектор. Детектор измеряет интенсивность электромагнитного излучения для последовательности различных пространственных фильтров, и решается последовательность уравнений для того, чтобы выводить интенсивность каждой полосы частот волн в соответствии со схемой взвешивания. На предмет более полного пояснения темы, следует обратиться к работе авторов Neil J. A. Sloane и Martin Harwit, "Masks for Hadamard transform optics and weighing designs", APPLIED OPTICS 15(1) 107-114 (1976 год).
Ранние измерительные приборы Адамара, например, измерительные приборы, показанные в патенте US 3578980 (Decker), выданном 18 мая 1971 года, формируют последовательность пространственных масок Адамара посредством пошагового перемещения эталонной маски. Эти системы сталкиваются с проблемами при совмещении с маской, приводящими к нескольким техническим усовершенствованиям, ни одно из которых не является полностью удовлетворительным. Разновидность этой конструкции создана посредством патента US 3586442 (Tripp), выданного 22 июня 1971 года, за счет которой пространственно кодированные полосы частот волн падают на дисперсионный элемент второй раз таким образом, чтобы отменять дисперсию и концентрировать поле излучения на детекторе. Разработаны системы Адамара на основе вращающихся масок. Патент US 6271917 (Hagler), выданный 7 августа 2001 года, отмечает, что шаг при пропускании бинарной маски формирует кольцевание согласно анализу Фурье и предложенным маскированным щелям с градуируемым пропусканием.
Способы Адамара применяются к интерферометрам для того, чтобы формировать гибридный спектрометр на основе преобразования Фурье. В патенте US 4750834, выданном 14 июня 1988 года, Fateley и др. описывают способ, размещающий электрически изменяемую маску в плоскости интерференционного рисунка. Fateley и др. также предоставляют способ для уменьшения всплеска в центре интерферограммы для FTIR-спектрометров в патенте US 5488474, выданном 30 января 1996 года. Настоящее изобретение расширяет эти способы для того, чтобы предоставлять улучшенное отношение "сигнал-шум".
В патенте US 4856897, выданном 15 августа 1989 года, Fateley и др. описывают рамановский спектрометр на основе электрооптической маски Адамара и одного детектора. Настоящее изобретение имеет цель повышения производительности этой конструкции с точки зрения отношения "сигнал-шум".
В дальнейшем, предложены конструкции Адамара на основе масок, сформированных динамически посредством электрооптического эффекта (жидких кристаллов), к примеру, в патенте US 5235461 (Kirsch), выданном 10 августа 1993 года, или электромеханического эффекта (микрозеркальных матриц), к примеру, в патенте US 5504575, выданном 2 апреля 1996 года. Эти подходы испытывают несколько проблем. Скважность импульсов и в силу этого частота дискретизации ограничены посредством времени перехода для маски, чтобы переходить из одного заданного состояния в другое заданное состояние. В жидкокристаллических конструкциях, контрастность между пропускающими и поглощающими областями маски меньше 10 битов, что ограничивает точность, достижимую посредством измерительного прибора. Скважность импульсов микрозеркальных конструкций ограничена посредством тепловой нагрузки. Кроме того, микрозеркальные конструкции подвержены дифракции и неоднородности компоновки. Другая недавняя разновидность Адамара освещает фиксированную матрицу масок Адамара и измеряет пропускаемый рисунок с матрицей в фокусной плоскости, к примеру, как указано в патенте US 5050989 (Van Tassel), выданном 24 сентября 1991 года. Эта конструкция имеет преимущество механической надежности без движущихся частей, но имеет недостаток необходимости большой матрицы в фокусной плоскости. На практике, этот подход ограничен видимой областью спектра, в которой матрицы в фокусной плоскости на основе кремния являются недорогими.
Пространственные размерности могут мультиплексироваться аналогично спектральным размерностям. Общий случай представляет собой формирование спектральных изображений, которое формирует куб данных с пространственными размерностями и спектральными размерностями. Работа авторов Coifman и другие описывает оборудование для формирования множественных спектральных изображений с использованием мозаической матрицы фильтров в патенте US 758972, выданном 15 сентября 2009 года. В патенте US 8345254, мультиплексирование расширяется в еще большей степени для того, чтобы усиливать в других отношениях слабые сигналы. Количество информации в кубе данных и обязательные требования по обработке приводят к разработке схем дискретизации со сжатием на основе такой идеи, что корреляция между точками в кубе может использоваться для того, чтобы сокращать число параметров, требуемых для того, чтобы описывать куб. Более полное описание приводится авторами McMackin и др. в патенте US 8717484, выданном 6 мая 2014 года.
Ключевой недостаток, общий для всех разновидностей Адамара, отмеченных выше, состоит в том, что даже если оптическими потерями пренебрегают, только половина электромагнитного излучения, входящего во входную апертуру, принимается посредством детектора(ов) в среднем. Это ограничение частично преодолевается посредством компоновки, показанной в патентах US 4615619 и 4799795 (Fateley), выданных 7 октября 1986 года и 24 января 1989 года, соответственно, которые предлагают использование матрицы электрооптических фильтров, которые могут как пропускать, так и отражать электромагнитное излучение, чтобы формировать стандартные маски Адамара. Fateley отмечает в связи с фиг. 5, что может измеряться как пропускаемое, так и отраженное излучение, что позволяет в принципе повышать эффективную пропускную способность. Тем не менее, реализация, предоставленная посредством работы Fateley, предоставляет модуляцию только в 50% (от пропускания в 5% до пропускания в 55%). Эффективно, используется только половина электромагнитного излучения, входящего во входную апертуру. Fateley не предоставляет раскрытия сущности касательно того, как использовать информацию из второго детектора. Дополнительное ограничение всех разновидностей Адамара, указанных выше, заключается в том, что наилучшее достижимое спектральное разрешение ограничено посредством фиксированной геометрии размера элементов маски.
Времяпролетный масс-спектрометр на основе преобразования Адамара в первый раз описан в работе авторов Brock и др. (1998 год). Ионы непрерывно вводятся через электрораспыляющий капилляр, быстро скользят, ускоряются и коллимируют. Коллимированный ионный пучок падает на затвор Брэдбери-Нильсена, который либо пропускает ионный пучок неотклоненным к детектору, либо отклоняет ионный пучок выше и ниже оси пучка. Оборудование впоследствии модифицировано (Trapp, 2004) посредством добавления детекторов выше и ниже оси пучка таким образом, что измеряются как прямые, так и отклоненные пучки. Модификация увеличивает скважность импульсов близко к 100% и улучшает SNR на 29% по сравнению с более ранней версией. Улучшение в 44% ожидается на теоретических основаниях. Разность приписывается неидеальному отделению ионного потока, способствующему неправильному детекторному каналу. В обеих версиях, затвор временно модулируется согласно строкам матрицы Адамара, чтобы пропускать пакеты ионов с псевдослучайными сдвигами по времени. Каждый пакет рассредоточивается в свободной полевой зоне, при этом самые легкие ионы перемещаются быстрее всего. Детектор принимает наложение сдвинутых по времени пакетов в качестве временной последовательности для каждой строки. Обратное преобразование Адамара выполняется для того, чтобы восстанавливать исходное массовое распределение в каждом пакете. В следующей работе, Hudgens и др. модулируют источник ионов, чтобы формировать рисунки Адамара.
Brock, A.; Rodriguez, N.; Zare, N. "Hadamard Transform Time-of-Flight Mass Spectroscopy", Anal. Chem., 70, 3735-3741 (1998 год).
Trapp, O.; Kimmel, J.R.; Yoon, O.K.; Zuleta, I.A.; Fernandez, F.M.; Zare, R.N. "Continuous Two Channel Time-of-Flight Mass Spectroscopic Detection of Electrosprayed Ions", Agnew. Chem. Int. Ed. 43, 6541-6544 (2004 год).
Hudgens, J.W.; Bergeron, D. "The Hadamard transform electron ionization time-of-flight mass spectrometer", REVIEW OF SCIENTIFIC INSTRUMENTS 79(1): 014102 (2008 год).
Раскрытия сущности каждой из вышеуказанных ссылок содержатся в данном документе по ссылке либо могут изучаться для получения дальнейшей информации относительно конструкций, которые могут использоваться в данном документе.
Сущность изобретения
Изобретение представляет собой систему модуляции и способ анализа для волн и потоков частиц. Специалисты в области физики должны понимать, что физические явления, измеренные посредством изобретения, имеют описания на основе частиц и на основе волн, и выбор описания является вопросом удобства. Модуляция может быть пространственной, временной либо и той, и другой. Волны могут представлять собой электромагнитные волны, волны вещества или волны давления.
Согласно одному определению изобретения, предусмотрен способ для измерения одного или более свойств падающего излучения, содержащий этапы:
- сбора падающего излучения, которое должно измеряться;
- разделения падающего излучения на N пакетов, причем каждый пакет содержит излучение с различным значением первого свойства;
- отделения упомянутых пакетов излучения временно или пространственно с использованием временного или пространственного модулятора и варьирования модулятора с использованием последовательности модуляции, чтобы направлять N различных комбинаций пакетов падающего излучения, по меньшей мере, в два различающихся тракта, причем сумма интенсивности излучения для всех различающихся трактов составляет, по меньшей мере, 60% от полного падающего излучения;
- измерения полной интенсивности излучения в каждом тракте с помощью детектора для каждой конфигурации модулятора, чтобы предоставлять множество выводов детектора;
- статистического анализа выводов детектора, чтобы получать информацию, связанную со свойствами излучения, которое должно измеряться;
- при этом последовательность конфигураций модулятора включает в себя по меньшей мере две конфигурации, для которых каждый пакет направляется в упомянутые различающиеся тракты.
В одном варианте осуществления, излучение пространственно отделяется посредством исходного местоположения, энергии, частоты, длины волны, фазы или поляризации и направляется в N>2 различных областей, которые должны характеризоваться в измеряемой поверхности, и при этом модулятор представляет собой пространственный модулятор, размещенный на упомянутой измеряемой поверхности.
В другом варианте осуществления, излучение временно отделяется с использованием модулятора-логического вентиля.
Согласно другому определению изобретения, предусмотрен способ для измерения одного или более свойств падающего излучения, содержащий этапы:
- сбора падающего излучения, которое должно измеряться;
- направления падающего излучения во временной модулятор или пространственный модулятор либо временной и пространственный модулятор;
- причем упомянутый модулятор циклически проходит через последовательность M конфигураций, причем в каждой конфигурации, разделяет падающее излучение на N частей согласно позиции и/или времени, когда излучение падает на модулятор, и направляет большинство каждой части падающего излучения в одни из P различающихся трактов, причем сумма интенсивности излучения для всех частей и всех трактов составляет, по меньшей мере, 60% от интенсивности падающего излучения;
- измерения полной интенсивности излучения в каждом тракте с помощью детектора для каждой конфигурации модулятора, чтобы предоставлять множество выводов детектора;
- статистического анализа выводов детектора, чтобы получать информацию, связанную со свойствами излучения, которое должно измеряться;
- при этом P больше или равно двум и меньше N;
- и при этом M больше или равно N, и последовательность конфигураций модулятора включает в себя по меньшей мере две конфигурации, для которых большинство каждой части направляется в различные тракты.
В одном варианте осуществления, излучение пространственно разделяется на N>2 частей посредством исходного местоположения, энергии, частоты, длины волны, фазы или поляризации и направляется в N различных областей, которые должны характеризоваться в измеряемой поверхности, и при этом модулятор представляет собой пространственный модулятор, размещенный на упомянутой измеряемой поверхности.
В другом варианте осуществления, излучение временно разделяется на N>2 частей с использованием, например, модулятора-логического вентиля, который модулируется согласно упомянутой последовательности.
T
Предпочтительно, последовательность конфигураций модулятора выбирается таким образом, что матричное представление Z последовательности конфигураций имеет такое свойство, что ZZ является несингулярной; при этом Z имеет MP строк и N столбцов, и при этом каждая строка Z представляет измерение в одном детекторе, и каждый столбец Z представляет один диапазон для параметра потока частиц. Элементы Z представляют долю потока частиц из каждого диапазона, принимаемого посредством детектора, указываемого посредством строки для одного измерения.
Согласно другому определению изобретения, предусмотрен способ для измерения одной или более зависимых переменных падающего излучения в пределах интервалов независимой переменной, содержащий этапы:
- сбора падающего излучения, которое должно измеряться;
- направления более половины падающего излучения в каждом интервале в один из по меньшей мере двух различающихся трактов с помощью пространственного модулятора или временного модулятора, причем упомянутый модулятор подвергается последовательности конфигураций таким образом, что каждый элемент последовательности направляет различную комбинацию падающего излучения в пределах интервалов в каждый тракт, причем сумма интенсивности излучения для всех различающихся трактов составляет, по меньшей мере, 60% от полного падающего излучения;
- измерения полной интенсивности излучения в каждом тракте с помощью детектора для каждой конфигурации модулятора, чтобы предоставлять множество выводов детектора;
- статистического анализа выводов детектора, чтобы получать информацию, связанную с зависимыми переменными излучения, которое должно измеряться.
Термин "логический вентиль" или "модулятор-логический вентиль", используемый в данном документе, означает устройство, которое выполняет функцию приема потока частиц и доставки более половины этого потока частиц, по меньшей мере, в два различных назначения в различные моменты времени. Один пример логического вентиля представляет собой мультиплексор.
Термины "разделение" и "диапазон" используются взаимозаменяемо. Оба из них означают интервалы независимого параметра, в общем, пространственного или временного, но также и параметры, которые коррелируются с пространственными и временными параметрами.
Термины "статистически" и "статистический анализ" означают аналитические способы на основе многовариантной статистики, корреляции и вероятности, независимо от того, вычисляются они непосредственно, аналогично методу наименьших квадратов, либо косвенно, аналогично нейронным сетям.
Это представляет собой общее описание без ссылки на число конфигураций модулятора, тип модулятора или тип переменной. Это определение включает в себя как частично, так и полностью определенные системы уравнений. "Зависимый" означает свойство излучения, и "независимый" может представлять собой свойство излучения или чего-либо несвязанного, к примеру, времени или пространства.
В одном варианте осуществления, излучение пространственно отделяется посредством независимого свойства, выбранного из набора исходного местоположения, энергии, частоты, длины волны, фазы или поляризации, и направляется в N>2 различных областей, которые должны характеризоваться в измеряемой поверхности, и при этом модулятор представляет собой пространственный модулятор, размещенный на упомянутой измеряемой поверхности.
В другом варианте осуществления независимое свойство представляет собой время, и излучение, принимаемое за период T, временно отделяется с использованием модулятора-логического вентиля на N>2 временных срезов. Временные срезы могут иметь равную длину T/N или неравную длину. Временные срезы равной длины могут быть полезными для измерения формы лазерного импульса, причем зависимое свойство представляет собой интенсивность. Модулятор-логический вентиль во времяпролетном оптическом спектрометре может разделять импульс фотонов, перемещающихся через диспергирующую среду, на неравные временные срезы, чтобы измерять фотонный поток с равными интервалами длин волн.
Предпочтительно, число различных конфигураций модулятора превышает или равно числу разделений независимого свойства. Это предоставляет гарантию того, что все переменные могут решаться.
Предпочтительно, последовательность конфигураций модулятора включает в себя по меньшей мере две конфигурации для каждого разделения, при этом большинство излучения в этом разделении направляется в различные тракты.
Предпочтительно, каждый тракт имеет множество детекторов, при этом каждый детектор измеряет излучение, перемещающееся вдоль тракта в различном энергетическом диапазоне.
В одном варианте осуществления излучение, которое должно измеряться, исходит из дисперсионного спектрометра.
В одном варианте осуществления излучение, которое должно измеряться, исходит из спектрометра на основе преобразования Фурье.
В одном варианте осуществления излучение, которое должно измеряться, исходит из видеоспектрометра. В этом варианте осуществления каждый тракт может иметь множество детекторов, при этом каждый детектор измеряет излучение, исходящее из различного набора областей в объекте, который должен наблюдаться.
В одном варианте осуществления излучение, которое должно измеряться, исходит из интерференционного рисунка.
В одном варианте осуществления излучение, которое должно измеряться, исходит из дифрактометра.
В одном варианте осуществления излучение, которое должно измеряться, подвергается рамановскому рассеянию.
В одном варианте осуществления излучение, которое должно измеряться, исходит из гранулярного ядра.
В одном варианте осуществления пространственный модулятор является преломляющим.
В одном варианте осуществления пространственный модулятор является отражательным.
В одном варианте осуществления пространственный модулятор является дифракционным.
В одном варианте осуществления детектор на каждом тракте формирует аналоговое напряжение, и это аналоговое напряжение имеет базовый уровень напряжения, вычитаемый до преобразования в цифровую форму.
В одном варианте осуществления изобретение принимает волны, по меньшей мере, с одним свойством, варьирующимся в зависимости от позиции и времени, кодирует свойство пространственно вдоль двух или более трактов с помощью пространственного модулятора, кодирует свойство временно вдоль каждого тракта с помощью временного модулятора, измеряет интенсивность волны временно на каждом тракте с помощью детектора и анализирует информацию изо всех детекторов, чтобы предоставлять информацию относительно волн, падающих на анализатор.
Таким образом, типично последовательность измерений проводится с помощью пространственного модулятора, кодирующего волновое свойство, которое варьируется в зависимости от позиции по-разному для каждого измерения в последовательности. Последовательность может повторяться, чтобы дополнительно улучшать отношение "сигнал-шум". В этом варианте осуществления изобретение является концептуально промежуточным между мультиплексирующим измерительным прибором с одним детектором, таким как спектрометр Фурье или Адамара, и немультиплексированной линейной матрицей детекторов. Изобретение предоставляет отношение "сигнал-шум", более высокое, чем при традиционном мультиплексировании, и близкое к линейной матрице детекторов, при одновременном использовании доли числа детекторов.
Таким образом, в другом варианте осуществления изобретение принимает волны, по меньшей мере, с одним свойством, варьирующимся во времени, принимает волны в детекторе, который формирует аналоговый сигнал, пропорциональный волновому свойству, модулирует аналоговый сигнал временно в двух или более интегрирующих устройствах и анализирует информацию изо всех интегрирующих устройств, чтобы предоставлять информацию относительно волн, падающих на анализатор.
Этот вариант осуществления предоставляет способ для того, чтобы измерять динамику рекуррентных явлений с повышенным временным разрешением и повышенной производительностью с точки зрения отношения "сигнал-шум".
В другом варианте осуществления варианты осуществления на основе пространственной и временной модуляции, отмеченные выше, могут комбинироваться.
Излучение может состоять из частиц, выбранных из списка, содержащего, но не только, фотоны, электроны, позитроны, субатомные частицы, протоны, нейтроны, ионы, атомы или молекулы.
Предпочтительно, сумма интенсивности излучения, измеренной для всех различающихся направлений, составляет, по меньшей мере, 90% от полной интенсивности излучения, падающего на измеряемую поверхность.
Предпочтительно, модулятор направляет излучение, по меньшей мере, в трех направлениях.
Предпочтительно, модулятор формирует циклические перестановки базовой маски, по меньшей мере, с двумя различающимися областями.
Предпочтительно, модулятор заставляет каждую область базовой маски направлять, по меньшей мере, половину и предпочтительно более 90% излучения, падающего на эту область, в различающемся направлении.
Предпочтительно, по меньшей мере, одна область базовой маски модулятора направляет часть излучения, падающего на эту область, в первом направлении и, по меньшей мере, часть излучения, падающего на эту область, в другом различающемся направлении.
В некоторых вариантах осуществления по меньшей мере одна область модулятора перемещается в пространстве или вращается во время измерения таким образом, что, по меньшей мере, часть области базовой маски модулятора проходит, по меньшей мере, через две области измерений.
Предпочтительно, доля излучения, направленного в каждом различающемся направлении для каждой области измерений, вычисляется как взвешенная по времени геометрическая доля, в которой область маски направляет излучение в этом направлении.
В некоторых случаях базовая маска представляет собой маску Адамара или псевдослучайную маску.
В некоторых случаях пространственный модулятор формирует циклическую перестановку базовой маски, и, по меньшей мере, часть характеристик маски определяется посредством движения маски в течение периода измерений. Тем не менее, также можно использовать нециклические перестановки, например, при которых каждый элемент маски является отдельно настраиваемым, аналогично микрозеркальной матрице. Циклические перестановки являются результатом масок с фиксированной геометрией.
Предпочтительно, по меньшей мере, один элемент модулятора имеет по меньшей мере две различных конфигурации, к примеру, как микрозеркальная матрица, микрорешетка, жидкокристаллические, электрооптические устройства.
Предпочтительно, каждый вывод (выходной сигнал) детектора нормализуется к сумме выводов (выходных сигналов) детектора.
Предпочтительно, свойства излучения, которое должно измеряться, получаются посредством многовариантного анализа по методу наименьших квадратов.
Предпочтительно, информация в излучении, которое должно измеряться, получается посредством анализа главных компонентов необработанных выводов детектора (как описано выше) или нормализованных выводов детектора (как описано выше).
В одном важном признаке рисунок излучения с N областей анализируется посредством статистического анализа для того, чтобы находить меньшее число m латентных переменных; проводить m измерений и использовать статистический анализ для того, чтобы логически выводить значение каждой латентной переменной. Этот признак является полезным в обстоятельствах, в которых некоторые из N областей коррелируются, и в обстоятельствах, в которых некоторые из N областей содержат очень небольшое количество интересующей информации. Каждая латентная переменная описывает часть полной дисперсии в базовом наборе данных N областей. Пользователь может выбирать использование только стольких латентных переменных, сколько требуется для того, чтобы моделировать набор данных N областей с приемлемой степенью точности. Например, если латентные переменные находятся посредством PCA, первые m латентных переменных обычно описывают большую часть дисперсии в базовом наборе данных N областей. Эмпирически, первые три латентные переменные зачастую описывают более 90% дисперсии в инфракрасном спектре с сотнями спектральных областей. Пользователь может выбирать использование трех латентных переменных в качестве приемлемой аппроксимации для набора данных N областей или выбирать использование дополнительных латентных переменных для того, чтобы повышать точность аппроксимации.
Предпочтительно, полная интенсивность излучения, суммированного по всем детекторам, варьируется по меньшей мере для некоторых конфигураций пространственного модулятора; и в каждой конфигурации модулятора, необработанное значение интенсивности формируется в каждом детекторе; при этом полная интенсивность для конфигурации модулятора составляет C=SUM (интенсивности di детектора), причем вектор данных загружается со значениями di'=di/C таким образом, что эта нормализация компенсирует изменения интенсивности.
В одном примере модулятор содержит динамические маски Теплица, и разрешение варьируется посредством изменения частоты дискретизации.
В одном важном конечном варианте применения излучение предоставляется посредством времяпролетного масс-спектрометра.
В одном важном конечном варианте применения излучение предоставляется посредством затухания люминесценции.
В одном важном конечном варианте применения излучение предоставляется посредством проточной ячейки для измерения потока текучей среды.
В одном важном конечном варианте применения излучение предоставляется посредством света, отражаемого от частиц при анализе.
В одном важном конечном варианте применения излучение предоставляется посредством ультразвука, испускаемого посредством запитанного твердого материала для анализа плотности материала.
Предпочтительно, полосовой фильтр является полезным для того, чтобы ограничивать диапазон длин волн, распространяющихся через систему обнаружения, и устанавливать граничные условия для системы анализа.
Предпочтительно, полосовой фильтр используется для того, чтобы удалять полосы спектра с небольшим диагностическим значением таким образом, что динамический диапазон детекторов используется только для того, чтобы измерять полосы спектра для большего диагностического значения.
Предпочтительно, полосовой фильтр используется для того, чтобы оптимизировать чувствительность измерительного прибора для обнаружения конкретного аналита посредством взвешивания доли различных полос спектра пропорционально значимости этой полосы частот.
Согласно другому аспекту изобретения предусмотрен способ для измерения одного или более свойств падающего излучения, содержащий этапы:
- сбора падающего излучения, которое должно измеряться;
- разделения падающего излучения на N пакетов, причем каждый пакет содержит излучение с различным значением первого свойства;
- отделения упомянутых пакетов излучения временно или пространственно с использованием временного или пространственного модулятора и варьирования модулятора с использованием последовательности модуляции, чтобы направлять, по меньшей мере, N различных комбинаций пакетов падающего излучения, по меньшей мере, в два различающихся тракта;
- измерения полной интенсивности излучения в каждом тракте с помощью детектора для каждой конфигурации модулятора, чтобы предоставлять множество выводов детектора;
- статистического анализа выводов детектора, чтобы получать информацию, связанную со свойствами излучения, которое должно измеряться;
- при этом рисунок излучения с N областей анализируется посредством статистического анализа для того, чтобы находить меньшее число m латентных переменных в спектре;
- проведения m измерений и использования статистического анализа для того, чтобы логически выводить значение каждой латентной переменной.
Согласно другому аспекту изобретения предусмотрен способ для измерения одного или более свойств падающего излучения, содержащий этапы:
- сбора падающего излучения, которое должно измеряться;
- разделения падающего излучения на N пакетов, причем каждый пакет содержит излучение с различным значением первого свойства;
- отделения упомянутых пакетов излучения временно или пространственно с использованием временного или пространственного модулятора и варьирования модулятора с использованием последовательности модуляции, чтобы направлять, по меньшей мере, N различных комбинаций пакетов падающего излучения, по меньшей мере, в два различающихся тракта;
- измерения полной интенсивности излучения в каждом тракте с помощью детектора для каждой конфигурации модулятора, чтобы предоставлять множество выводов детектора;
- статистического анализа выводов детектора, чтобы получать информацию, связанную со свойствами излучения, которое должно измеряться;
- при этом интенсивность излучения варьируется для каждой из множества выборок;
- и в каждой временной выборке, необработанное значение интенсивности формируется в первом детекторе A и во втором детекторе B;
- при этом полная интенсивность на временном шаге составляет C=A+B, причем вектор данных загружается со значениями a'=A/C и b'=B/C таким образом, что эта нормализация компенсирует изменения интенсивности.
Согласно другому аспекту изобретения предусмотрен способ для измерения одного или более свойств падающего излучения, содержащий этапы:
- сбора падающего излучения, которое должно измеряться;
- разделения падающего излучения на N пакетов, причем каждый пакет содержит излучение с различным значением первого свойства;
- отделения упомянутых пакетов излучения временно или пространственно с использованием временного или пространственного модулятора и варьирования модулятора с использованием последовательности модуляции, чтобы направлять, по меньшей мере, N различных комбинаций пакетов падающего излучения, по меньшей мере, в два различающихся тракта;
- измерения полной интенсивности излучения в каждом тракте с помощью детектора для каждой конфигурации модулятора, чтобы предоставлять множество выводов детектора;
- статистического анализа выводов детектора, чтобы получать информацию, связанную со свойствами излучения, которое должно измеряться;
- при этом модулятор содержит динамические маски Теплица, и разрешение варьируется посредством изменения частоты дискретизации.
Согласно другому аспекту изобретения предусмотрен способ для измерения одного или более свойств падающего излучения, содержащий этапы:
- сбора падающего излучения, которое должно измеряться;
- разделения падающего излучения на N пакетов, причем каждый пакет содержит излучение с различным значением первого свойства;
- отделения упомянутых пакетов излучения временно или пространственно с использованием временного или пространственного модулятора и варьирования модулятора с использованием последовательности модуляции, чтобы направлять, по меньшей мере, N различных комбинаций пакетов падающего излучения, по меньшей мере, в два различающихся тракта;
- измерения полной интенсивности излучения в каждом тракте с помощью детектора для каждой конфигурации модулятора, чтобы предоставлять множество выводов детектора;
- статистического анализа выводов детектора, чтобы получать информацию, связанную со свойствами излучения, которое должно измеряться;
- включающий в себя этапы оценки взвешенной по времени доли каждой полосы частот в полной интенсивности, принимаемой посредством каждого детектора в каждом измерении, и задания коэффициентов Z-матрицы таким образом, чтобы явно моделировать взвешенные по времени доли.
Это является функционально эквивалентным применению свертки, и результирующая H-матрица не является двоичной и сингулярной даже в случае с одним детектором.
Как подробнее описано в дальнейшем, раскрытая компоновка в данном документе, предоставляет способ мультиплексирования, чтобы эффективно измерять свойства потока частиц с использованием оптимального числа детекторов.
В одном варианте осуществления частицы представляют собой фотоны. В нижеприведенном пояснении термины "фотон" и "электромагнитное излучение", и "электромагнитное излучение" используются взаимозаменяемо. Способ может использоваться для вариантов применения, включающих в себя, но не только, спектроскопию, кристаллографию, интерферометрию, формирование изображений и формирование спектральных изображений. Собирающая оптика, известная в данной области техники, используется для того, чтобы собирать и проецировать, по меньшей мере, три (и обычно гораздо больше) различные части электромагнитного излучения на поверхность, на которой должны проводиться измерения, и пространственный модулятор на поверхности направляет по меньшей мере две части в разностные детекторы. Части излучения могут варьироваться посредством источника, поляризации, длины волны, фазы либо любой комбинации означенного.
В другом варианте осуществления частицы представляют собой нейтроны. Способ может использоваться в вариантах применения, включающих в себя рассеяние нейтронов и дифракцию нейтронов.
В другом варианте осуществления частицы представляют собой электроны. Способ может использоваться в вариантах применения, включающих в себя дифракцию электронов и электронную микроскопию.
В другом варианте осуществления частицы представляют собой протоны и ионы. Способ может использоваться в вариантах применения, включающих в себя масс-спектроскопию, спектрометрию подвижности ионов и капиллярный электрофорез.
В еще одном другом варианте осуществления частицы представляют собой атомы или молекулы, перемещающиеся совместно, чтобы формировать волну давления. Способ может использоваться в вариантах применения, включающих в себя акустическую спектроскопию и формирование акустических изображений.
Цель изобретения заключается в том, чтобы собирать и измерять более 60% и предпочтительно практически всю энергию падающих волн или потока частиц. В качестве иллюстрации, здесь следует обратиться к электромагнитному излучению, но проиллюстрированные принципы также применяются к другим волнам, таким как, но не только, акустические волны, нейтронные волны, электронные волны, ионные волны, атомные волны и молекулярные волны. Ссылаясь теперь на электромагнитные волны, изобретение включает в себя необязательный полосовой фильтр, пространственный или временной модулятор, два или более наборов детекторов или модулей интегрирования, систему управления и систему анализа.
Полосовой фильтр является полезным для того, чтобы ограничивать диапазон длин волн, распространяющихся через систему обнаружения, и устанавливать граничные условия для решения уравнения (3) (см. ниже) посредством системы анализа. Во-вторых, полосовой фильтр может использоваться для того, чтобы удалять полосы спектра с небольшим диагностическим значением таким образом, что динамический диапазон детекторов используется только для того, чтобы измерять полосы спектра для большего диагностического значения. В-третьих, полосовой фильтр может использоваться для того, чтобы оптимизировать чувствительность измерительного прибора для обнаружения конкретного аналита посредством взвешивания доли различных полос спектра пропорционально значимости этой полосы частот, определенной посредством хемометрического анализа (например, собственных векторов, ассоциированных с этим аналитом). Преимущество этого подхода состоит в том, что динамический диапазон наборов детекторов или модулей интегрирования используется оптимально, чтобы достигать максимально возможной точности в измерении аналита.
В одном варианте осуществления пространственный модулятор пошагово перемещается через последовательность конфигураций посредством системы управления. В каждой конфигурации, пространственный модулятор разделяет падающее излучение на две или более частей со спектральным контентом, конкретным для этой конфигурации, и каждая часть измеряется с использованием различного набора детекторов. В простейшем случае имеется соответствие "один-к-одному" между детекторами и частями. В случаях, если измеряется расширенный диапазон длин волн, набор детекторов может использоваться для того, чтобы измерять каждую часть. Например, набор может содержать, но не только, ультрафиолетовый детектор, детектор в диапазоне видимого света, детектор в ближнем инфракрасном диапазоне спектра, детектор в среднем инфракрасном диапазоне спектра, микроволновый детектор и радиоволновый детектор. Следует понимать, что дополнительная оптика, такая как призмы, решетки, полосовые фильтры, дихроические зеркала, зеркала и линзы, используется для того, чтобы направлять каждую спектральную область в соответствующий детектор. Интенсивность или амплитуда (с гетеродинным средством) в каждом детекторе интегрируется, и результат передается в средство анализа. Пространственный модулятор может разделять падающее излучение посредством пропускания одной части и отражения одной или более других частей либо посредством отражения двух или более частей в различных направлениях. Альтернативно, пространственный модулятор может разделять падающее излучение посредством пропускания одной части и преломления одной или более частей в различных направлениях либо посредством преломления двух или более частей в различных направлениях. Альтернативно, пространственный модулятор может разделять падающее излучение посредством пропускания одной части и дифрагирования одной или более частей в различных направлениях либо посредством дифрагирования двух или более частей в различных направлениях. В общем, любая комбинация пропускания, отражения, преломления и дифракции может использоваться для того, чтобы достигать цели направления различных частей излучения в различных направлениях.
В некоторых вариантах осуществления пространственный модулятор и ассоциированная оптика и детекторы находятся в относительном движении относительно источника излучения, которое должно измеряться, и относительное движение формирует требуемую модуляцию. Например, изображение на пространственном модуляторе в спутник, движущемся по орбите Земли, перемещается с почти постоянной скоростью относительно пространственного модулятора, и информация изображений модулируется аналогично тому, как если изображение является стационарным, и модулятор перемещается. В обоих случаях, относительное движение формирует модуляцию.
Другие способы, известные специалистам в данной области техники, могут использоваться для того, чтобы управлять неэлектромагнитными волнами.
В одном варианте осуществления как описано ниже, излучение, отражаемое от быстро движущегося объекта, собирается и пропускается во входную щель спектрометра. Полное излучение, принимаемое на каждом временном шаге, является отличающимся вследствие изменений расстояния и ориентации объекта относительно источника облучения и собирающей оптики. На каждом временном шаге, необработанное значение интенсивности формируется в детекторе A (отражение) и в детекторе B (пропускание). Полная интенсивность на временном шаге составляет C=A+B. Вектор данных загружается со значениями a'=A/C и b'=B/C. Эта нормализация компенсирует изменения полного уровня сигнала.
В другом варианте осуществления излучение, которое должно измеряться, падает на один или более детекторов в течение полного времени T измерения. В качестве иллюстрации, детекторы могут представлять собой фотодиоды, которые формируют фотоэлектроны через фотоэлектрический эффект. Полное время измерения разделяется на N интервалов. В течение каждого временного интервала временной модулятор выбирает один из множества модулей интегрирования согласно псевдослучайной последовательности, как пояснено ниже, и направляет практически все фотоэлектроны, сформированные в течение этого временного интервала, в выбранный модуль интегрирования. В простейшем случае двух модулей A и B интегрирования A или B принимает фотоэлектроны в течение каждого временного интервала, и сумма фотоэлектронов, принимаемых посредством A и B за период T, практически равна общему числу фотоэлектронов, сформированных посредством фотодиода за период T. Процесс измерения повторяется, по меньшей мере, N раз с N уникальных последовательностей, и число фотоэлектронов, принимаемых посредством каждого модуля интегрирования для каждого измерения, передается в систему анализа.
Обращаясь теперь к системе анализа, следует отметить, что мультиплексирование представляет собой общий элемент во всех вариантах осуществления, отмеченных выше. Различия заключаются в подробностях реализации. Общее мультиплексное уравнение представляет собой следующее:
y=AZb+e (1),
где y является вектором-столбцом наблюдений, A является функцией измерительного прибора, Z является матрицей коэффициентов мультиплексирования, b является вектором-столбцом интенсивностей потоков частиц, и e является вектором-столбцом остатков вследствие ошибки измерения или неопределенности. Каждая строка Z содержит коэффициенты мультиплексирования для одного измерения в одном детекторе, и соответствующая строка вектора y измерения содержит измеренное значение. Каждый столбец Z соответствует диапазону значений независимого параметра. Отсутствуют ограничения на диапазон, представленный в каждом столбце. Диапазон значений, представленных в каждом столбце, может быть прерывистым, и диапазоны в каждом столбце могут представлять различные доли полного охвата независимого параметра, представленного по всем столбцам. Диапазон, представленный в каждом столбце, является прерывистым для случая измерения латентных параметров, поясненных в данном документе. Диапазоны, представленные посредством столбцов Z, могут перекрываться. Коэффициенты мультиплексирования в каждом столбце Z представляют долю потока частиц или излучения в указанном диапазоне, которая направляется на тракте в детектор, указываемый посредством строки. Каждый измерительный цикл включает в себя по меньшей мере два детектора и две строки Z. Функция измерительного прибора в оптической системе, например, представляет собой свертку эффективностей каждого оптического компонента в системе. Для простоты, рассмотрим идеальную систему, в которой матрица принимается в качестве единичной матрицы I в нижеприведенном пояснении. Коэффициенты мультиплексирования Z представляют геометрию пространственного модулятора или временные срезы временного модулятора. Остатки (шум) считаются декоррелированными в нижеприведенном пояснении. Известны решения для специалистов в данной области техники для менее общего случая, когда остатки коррелируются. Предусмотрено n интенсивностей спектра и n измерений различных комбинаций n интенсивностей спектра. Z имеет размерность n x n, и как b, так и y имеют размерность n x 1. Этот частный случай Z имеет следующее решение:
-1
b=Zy (2)
Если строки Z дополнительно подвергаются кодированию Адамара, Z-матрица обычно называется S-матрицей в литературе. S-матрица существует только для конкретных значений:
m
n=2-1,
где m является целым числом, >=0. S-матрица имеет такое полезное свойство, что инверсия легко вычисляется, и все элементы могут уменьшаться до двоичного кода, значительно упрощающего вычисления. Способ на основе S-матрицы использует приблизительно половину (n/2+1)/n потока частиц. Предшествующий уровень техники включает в себя способ на основе S-матрицы, используемый совместно с предоставлением теоретического улучшения SNR по sqrt(2) вследствие увеличенной пропускной способности передачи сигналов.
Уравнение 1 также описывает линейную матрицу детекторов. В этом случае Z является единичной матрицей I. Функциональная матрица A измерительного прибора включает в себя члены, которые описывают разности в реакции между детекторами в матрице. Предусмотрено n интенсивностей спектра и n одновременных измерений, проведенных посредством n детекторов.
Изобретение представляет собой физический вариант осуществления уравнения (1) без упрощающих допущений, приводящих к уравнению (2). Общий случай, используемый в изобретении, является более вычислительно емким, но дополнительное вычисление оправдывается посредством дополнительного улучшения отношения "сигнал-шум" инкрементно относительно того, что может достигаться посредством более простого случая, описанного посредством уравнения 2. Как пояснено выше, настоящее изобретение включает в себя d детекторов или интегрирующих устройств (d>=2) и также обеспечивает возможность повторяющихся измерений c раз (c>=1).
В настоящем изобретении Z имеет размерность ndc x n; y имеет размерность ndc x 1; и b имеет размерность n x 1. Следует отметить, что требуется минимум nd (c=1) измерений. В данном документе следует понимать, что n является числом измеренных параметров, которые могут представлять собой латентные параметры. В случае, если получение данных прерывается при нецелочисленном значении c>1, данные по-прежнему могут анализироваться.
Дополнительно, матричные элементы Z находятся в общих комплексных числах, а не в целых числах, аналогично предшествующему уровню техники. Удобно считать, что Z включает в себя свертку с функциональной матрицей A измерительного прибора для нижеприведенного пояснения, поскольку свертка с A, в общем, вводит нецелочисленные элементы. Вследствие размерностей Z не может инвертироваться непосредственно в этом случае. Вместо этого интенсивности b спектра могут оцениваться с минимальной ошибкой посредством использования решения на основе множественного метода наименьших квадратов (MLS) в уравнении (1):
T
-1ZT
b=(ZZ)y (3)
T
-1
T
T
T
Для дополнительного пояснения удобно задавать H=(ZZ)Z. Ковариационная матрица ZZ является симметричной, что упрощает вычисление инверсии. В общем случае, вычисление обратной матрицы требует большого объема вычислений. Следует отметить, что если строки Z являются циклическими перестановками порождающей последовательности, ZZ всегда является циркулянтной матрицей, и в силу этого инверсия может вычисляться с дискретным преобразованием Фурье. Другие решения уравнения 1 являются возможными и могут быть предпочтительными для больших значений N. Один альтернативный подход заключается в том, чтобы коррелировать вектор y измерения с известными входными векторами b, чтобы логически выводить коэффициенты преобразования из y в b. Это может осуществляться посредством прямых способов и посредством неконтролируемых способов, таких как нейронные сети. Хотя MLS-способ представляет собой предпочтительный способ решения уравнения 1 для систем среднего размера (N<1024), другие статистические способы, такие как контролируемая и контролируемая корреляция, также должны работать и находятся в пределах объема изобретения.
T
Настоящее изобретение накладывает несколько ограничений на форму Z. Чтобы измерять N полос частот волн с использованием уравнения 3, все, что требуется - это то, что Z имеет, по меньшей мере, N строк; каждая полоса частот волн представляется, по меньшей мере, в одной строке; каждая строка является уникальной; и ZZ является несингулярной. Таким образом, измерения могут проводиться с использованием удобной формы Z и преобразовываться в другую основу для вычисления. Элементы Z не ограничены целыми числами, как указано в предшествующем уровне техники, но, в общем, могут быть комплексными числами. Тем не менее, в большинстве вариантов применения, элементы Z являются действительными числами в интервале [0, 1] и представляют долю излучения, направленного в детектор. Следует признавать, что умножение всех элементов Z на общий множитель должно формировать эквивалентный результат и может быть предпочтительным, если вычисления проводятся в целочисленной арифметике по причинам производительности. Различные варианты выбора Z формируют различные отношения "сигнал-шум" в решениях уравнения (3). Z выбирается таким образом, чтобы балансировать технические соображения с минимизацией RMS-шума в результатах, вычисленных из уравнения (3). Один важный класс решений компонуется посредством циклической перестановки порождающего рисунка или базовых рисунков для перестановок, по меньшей мере, с двумя различающимися областями. Как отмечено выше, рисунки Адамара в предшествующем уровне техники представляют собой поднабор этой категории, оптимизированной, по меньшей мере, в случае с одним детектором, чтобы минимизировать RMS-шум. В объеме настоящего изобретения рисунок Адамара расширяется на два детектора посредством включения дополнения рисунка Адамара для второго детектора. Для двух или более детекторов, псевдослучайные порождающие последовательности могут использоваться в качестве основания для циклической перестановки. Для двух или более детекторов в объеме настоящего изобретения базовые порождающие рисунки для каждого детектора могут формироваться посредством случайного назначения значений между 0 и 1 для каждого детектора для каждого измерения таким образом, что сумма по всем детекторам равна 1 для каждого измерения. Значение, назначаемое для каждого столбца, представляет долю потока частиц, падающего на соответствующий диапазон независимого параметра, чтобы направлять к указываемому детектору. RMS-шум может минимизироваться посредством генетического алгоритма, который итеративно видоизменяет порождающие последовательности и вычисляет RMS-шум согласно уравнению 3.
Другой важный класс рисунков порождающего числа основан на рисунках Теплица, которые имеют блок единиц и блок нулей. Физические маски с рисунками Теплица, в общем, проще изготавливать, чем маски на основе псевдослучайных порождающих чисел, поскольку физический размер областей может быть большим.
Элементы Z также могут выбираться таким образом, что отсутствует взаимосвязь между строками, с тем чтобы оптимизировать отношение "сигнал-шум".
В варианте применения y является измеренной величиной; y может записываться следующим образом:
b
s
y=y+y, (4)
b
s
где y является постоянным базовым сигналом, и y представляет переменный сигнал. При подстановке в (3) можно находить:
b
s
b=H y+H y (5)
b
b
Поскольку y является постоянным вектором, Hy также является постоянным вектором. Уравнение 5 указывает то, что константа может суммироваться с любым входным сигналом y, и единственный эффект представляет собой постоянное смещение в результирующем спектре b. В аппаратных средствах, сигнал y обычно представляет собой аналоговое напряжение (но может представлять собой другую измеримую величину), которое смещено, усилено и затем оцифровано. Аппаратные компоненты работают в рамках заданных пределов, задающих динамический диапазон системы обнаружения. Оптимально, динамический диапазон системы обнаружения задается таким образом, что он совпадает с диапазоном входных сигналов, сформированных посредством выборки, которая должна измеряться. Система обнаружения может калиброваться посредством выполнения следующих этапов.
1. Измерение y с нулевым смещением и низким усилением для репрезентативного набора выборок.
2. Определение средних минимальных и максимальных значений сигнала и среднеквадратического отклонения каждого для репрезентативного набора выборок.
3. Задание минимального ожидаемого сигнала равным среднему минимуму минус три среднеквадратических отклонения.
4. Задание максимального ожидаемого сигнала равным среднему максимальному сигналу равным среднему максимуму плюс три среднеквадратических отклонения.
5. Задание смещения напряжения равным ожидаемому минимальному сигналу.
6. Задание коэффициента g усиления как (динамический диапазон системы обнаружения)/(ожидаемый максимум - ожидаемый минимум).
s
s
b
При работе y измеряется в пределах динамического диапазона системы обнаружения и затем оцифровывается. Во многих вариантах применения, единственная интересующая часть представляет собой y. Необязательно, может добавляться цифровое значение y, чтобы восстанавливать y.
Для многих практических вариантов применения, связанных с распознаванием рисунков в пределах объема изобретения, вычисление вектора b интенсивности спектра не требуется. Из уравнения 3, совершенно очевидно, что b состоит из линейных комбинаций y векторных элементов. Y векторных элементов, как отмечено в процедуре нормализации выше, могут представлять собой линейные комбинации измерений. Любая процедура анализа, которая вычисляет комбинации интенсивности b спектра, также может применяться к вектору y измерения и должна приводить к эквивалентному результату, выражаемому относительно различного набора базисных векторов. С точки зрения неспециалиста, различные наборы или базисные векторы представляют собой просто различные системы координат. Например, в трехмерном пространстве, точка может выражаться в декартовых координатах в качестве {x, y, z} или эквивалентно в сферических координатах в качестве {r, θ, φ}. В большинстве практических вариантов применения число размерностей превышает три. Процедура анализа может представлять собой любой способ многовариантного статистического анализа, к примеру, LDA, MLS, PCA или способы на основе распространения, такие как нейронные сети. Например, алгоритм распознавания рисунков, такой как анализ главных компонентов (PCA), традиционно вычисляет линейные комбинации b векторных элементов, которые лучше всего захватывают дисперсию в наборе данных. Поскольку b векторных элементов непосредственно представляют собой линейные комбинации y векторных элементов, из этого следует, что PCA-алгоритм может принимать вектор необработанных данных y в качестве ввода непосредственно, чтобы приводить к эквивалентным результатам.
Компоновка в данном документе допускает получение спектров с разными уровнями пространственного разрешения. В предшествующем уровне техники разрешение является фиксированным посредством пространственного кодового датчика. В настоящем изобретении спектральное разрешение может увеличиваться посредством увеличения частоты дискретизации. Соответствующий код изменяется, чтобы отражать более высокую частоту дискретизации посредством дублирования записей. Например, кодовая последовательность {1001101} становится {1100 00 11 1100 11} при двойном разрешении. Хотя разрешение может увеличиваться неограниченно посредством этого способа, практический предел определяется посредством разрешения системы, направляющей поток частиц на пространственный модулятор. Время дискретизации увеличивается пропорционально разрешению: повышение спектрального разрешения на коэффициент 2 требует двукратного времени дискретизации. Спектрометр на основе преобразования Фурье имеет идентичную временную зависимость, но имеется такое требование, чтобы перемещать в пространстве сканирующее зеркало в интерферометре на вдвое большее расстояние. Повышенное разрешение в настоящем изобретении может достигаться посредством только электронных средств без изменения механических частей. Как показано ниже на фиг. 14, только конкретные рабочие параметры предоставляют допустимые результаты с повышенным разрешением. Разрешение матричного детектора является фиксированным. Разрешение повышается в традиционном дисперсионном измерительном приборе посредством уменьшения ширины щели, что приводит к потерям пропускной способности. Следовательно, время дискретизации увеличивается в качестве квадрата повышения разрешения. Мультиплексирующие измерительные приборы имеют четкое преимущество.
В отношении скважности импульсов компоновка в данном документе может работать в статическом и динамическом режиме.
В статическом режиме пространственный модулятор поддерживается в фиксированной конфигурации в течение длительности каждого измерения. Для случая с одним детектором, это соответствует традиционному спектрометру Адамара в предшествующем уровне техники. В этом режиме, имеется соответствие "один-к-одному" между физическими областями модулятора и разделениями потока частиц.
В динамическом режиме пространственный модулятор находится в относительном движении относительно пространственно переменного потока частиц, который должен измеряться. Относительное движение приводит к взаимосвязи "один-ко-многим" между разделениями потока частиц и физическими областями модулятора. Поток частиц из каждой области направляется в различные детекторы согласно относительным взвешенным по времени геометрическим поперечным сечениям областей модулятора для каждого детектора в течение одного измерительного цикла.
Рисунок Теплица может состоять из двух или более наборов пространственно различающихся областей. Каждый набор областей конструируется с возможностью направлять практически все электромагнитное излучение, падающее на упомянутую область, к детектору или набору детекторов, который является исключительным для этого набора областей. Средство может включать в себя один или более оптических элементов, чтобы концентрировать электромагнитное излучение из пространственно отделенных областей набора на детекторе. Каждый набор областей может использовать отражение, пропускание, преломление или дифракцию для того, чтобы направлять электромагнитное излучение к детектору или набору детекторов.
Пропускающая область может конструироваться посредством размещения пропускающего материала в области, или более предпочтительно, посредством размещения разреза в области. Отражательная область может конструироваться посредством размещения сильноотражательного материала в области. Отражательный материал предпочтительно представляет металл, такой как Al, Ag или Au с высоким коэффициентом отражения по широкому спектральному диапазону. Диэлектрическое зеркало может предлагать более высокий коэффициент отражения по более узкому спектральному диапазону. Могут использоваться другие материалы, которые предоставляют высокий коэффициент отражения в интересующей спектральной области. Угол падения может варьироваться, чтобы предоставлять наборы отражательных областей, направленных к различным детекторам. В некоторых вариантах осуществления, отражательные области имеют плоские поверхности, и в других вариантах осуществления, отражательные области имеют искривленные поверхности в целях концентрирования электромагнитного излучения на детекторе. Преломляющая область может конструироваться посредством размещения материала с коэффициентом преломления >1 в области. Преломляющий материал, в общем, предпочтительно является клиновидным таким образом, что общее направление электромагнитного излучения, выходящего из преломляющей области, не является параллельным общему направлению электромагнитного излучения, падающего на преломляющую область. Преломляющие области с различными направлениями выхода могут конструироваться посредством варьирования угла клина. В частности, два или более наборов областей могут конструироваться посредством использования двух или более различающихся углов клина. Поверхности преломляющих областей могут быть плоскими или искривленными в целях концентрирования электромагнитного излучения на детекторе. Дифракционная область может конструироваться посредством размещения дифракционной решетки в области. Дифракционная решетка может быть пропускающей или отражательной. По мере того, как электромагнитное излучение с различными длинами волн падает на пространственно отделенные дифракционные поверхности в наборе с общим периодом решетки, набор трактов, приводящих к общему детектору, представляет собой линию в тета-Z-пространстве. Следует отметить, что дифракционная решетка может функционировать в качестве нескольких логических областей, поскольку падающее излучение направляется в нескольких дифракционных порядках. Относительная интенсивность в каждом порядке может настраиваться посредством модификации параметров, таких как угол блеска, глубина канавки или материал решетки. Дифракционные области с различными направлениями выхода могут конструироваться посредством варьирования периода решетки. Дифракционные поверхности могут быть плоскими или искривленными в целях концентрирования электромагнитного излучения на детекторе. Отражательные и преломляющие области, как представляется в настоящем изобретении, приводят к пространственным модуляторам, которые являются внутренне переменными в трех измерениях, по сравнению с предшествующими конструкциями, которые являются по существу двумерными. Двумерные пространственные модуляторы, в общем, проще изготавливать, чем трехмерные пространственные модуляторы, но трехмерные пространственные модуляторы могут предоставлять превосходную производительность. Вариант с дифракционными областями имеет преимущество обеспечения нескольких выходных направлений, комбинированных с простотой изготовления, за счет уменьшенной эффективности.
Краткое описание чертежей
Ниже описывается один вариант осуществления изобретения в сочетании с прилагаемыми чертежами, на которых:
Фиг. 1 является изометрическим видом оборудования для гранулярной сортировки, показывающего один пример компоновки, в которой может использоваться способ согласно настоящему изобретению.
Фиг. 2 является вертикальным видом в поперечном сечении через оборудование по фиг. 1.
Фиг. 3 является схематичным видом двухдетекторной компоновки согласно настоящему изобретению измерительной системы 28 оборудования по фиг. 1 и 2.
Фиг. 4 показывает эквивалентное сечение пространственного модулятора для использования на фиг. 3 с тремя типами отражательных областей.
Фиг. 4A показывает график различных типов области, которые размещаются в строке с тем, что направлять излучение, падающие на различные части измеряемой поверхности, в трех направлениях.
Фиг. 5 является аналогичным фиг. 4, за исключением того, что неподвижные зеркала заменяются подвижным зеркалом, которое может переключаться между тремя позициями.
Фиг. 6 показывает эквивалентное сечение пространственного модулятора с тремя типами преломляющих областей.
Фиг. 7 является аналогичным фиг. 6, за исключением того, что используется один тип преломляющего элемента, и электрическое поле прикладывается для того, чтобы варьировать показатель преломления таким образом, чтобы направлять падающее излучение в трех различных направлениях
Фиг. 8 показывает эквивалентное сечение пространственного модулятора с тремя типами дифракционных областей.
Фиг. 9A является видом диска пространственного кодового датчика с признаками, параллельными оси вращения.
Фиг. 9B является видом диска пространственного кодового датчика с признаками, перпендикулярными оси вращения.
Фиг. 10 является графиком свертки в зависимости от RMS-шума на основе численного моделирования с использованием компоновки, показанной на фиг. 3, для 23 каналов и трех моделей дискретизации.
Фиг. 11 является графиком, аналогичным фиг. 10, за исключением того, что вычисление проводится для 127 каналов, что имеет большее практическое применение, чем случай с 23 каналами.
Фиг. 12 является графиком свертки в зависимости от RMS-шума, показывающим зависимость от RMS-шума для 127-канальной системы в качестве функции от числа детекторов.
Фиг. 13 является графиком RMS-шума в зависимости от скважности импульсов для пространственного модулятора с 127 каналами, перемещающегося на постоянной скорости.
Фиг. 14 является графиком RMS-шума в зависимости от скважности импульсов для системы с тремя детекторами и 23 каналами для первых 10 гармоник базовой частоты дискретизации.
Фиг. 15 является схематичным чертежом времяпролетного масс-спектрометра с тремя детекторами с использованием изобретения.
Фиг. 16 показывает схематичный чертеж системы для измерения затухания люминесценции с использованием изобретения.
Фиг. 17 показывает схематичный чертеж системы для проточной ячейки с использованием изобретения.
Фиг. 18A показывает схематичный чертеж весовой функции, используемой в процессе измерения настоящего изобретения.
Фиг. 18B показывает схематичный чертеж зависимого параметра, который должен измеряться.
Фиг. 18C показывает схематичный чертеж интегрированной интенсивности зависимого параметра на фиг. 18B.
Фиг. 19A показывает примерную весовую функцию настоящего изобретения.
Фиг. 19B показывает примерную весовую функцию настоящего изобретения.
Фиг. 19C показывает примерную весовую функцию настоящего изобретения.
Фиг. 20A показывает эффект относительного движения для весовой функции настоящего изобретения.
Фиг. 20B показывает пример наиболее общей весовой функции настоящего изобретения.
Подробное описание изобретения
Оборудование для сортировки частиц на основе измеримого параметра частиц, показанных на фиг. 1 и 2, содержит подающий трубопровод 10, переносящий частицы, которые должны сортироваться, из питающего подвода 10A, который предоставляет частицы в непрерывном потоке для представления через трубопровод во вращающееся тело 11, поворотное вокруг оси 12. В показанном варианте осуществления, вращающееся тело представляет собой плоский диск с осью 12, размещаемой вертикально таким образом, что диск предоставляет верхнюю горизонтальную поверхность, на которую подаются частицы 13 в потоке из трубопровода 10. Трубопровод размещается в центре диска таким образом, что частицы осаждаются в центе позиции, в которой вращается диск, но в которой имеется незначительная наружная скорость. В примерном случае, частицы могут представлять собой гранулярные ядра. Скорость ядра в этот момент получается из потока в подающем трубопроводе 10. Скорость в точке на диске составляет v=wr, где w является угловой скоростью, и r является радиусом. Если ядра осаждаются в области, в которой изменение скорости является слишком высоким, они возвращаются, и поток является хаотичным. Ядра осаждаются в центральной области, чтобы минимизировать изменение скорости.
На верхней поверхности диска, формирующего вращающееся тело, предоставляется множество протоков 14, каждый из которых протягивается из внутреннего конца 15 рядом с осью наружу во внешний конец 16, разнесенный на большее радиальное расстояние наружу от оси, чем внутренний конец. В этом варианте осуществления внешний конец 16 протоков размещается на краю 17 диска 11. В этом варианте осуществления каждый проток 14 протягивается из позиции непосредственно рядом с центром в периферию 17 диска таким образом, что центры протоков размещаются непосредственно рядом, и протоки отклоняются наружу таким образом, что на внешнем конце 16, они разнесены вокруг периферии 17.
Внутренние концы 15 в силу этого размещаются в матрице рядом с осью таким образом, что подающий трубопровод 10 действует с возможностью осаждать частицы, которые должны сортироваться, на внутренних концах 15 протоков, для ввода частиц, которые должны сортироваться, во внутренние концы. Поскольку внутренние концы являются непосредственно смежными в центре диска, частицы, которые формируют крупный фрагмент в центре, который автоматически сортируется равномерно в открытые горловины протоков на внутренних концах. При условии непрерывного крупного фрагмента частиц в центре вращение диска должно действовать с возможностью равномерно сортировать частицы в отдельные протоки в потоке, заданном посредством размеров горловины относительно размеров частиц. В начале тракта вдоль протока частицы должны быть непосредственно смежными или перекрывающимися. Тем не менее, прохождение частиц вдоль протока в то время, когда они ускоряются посредством центробежных сил, должно действовать с возможностью рассредоточивать частицы по принципу "каждая из следующей", чтобы формировать линию частиц без перекрытия. Поскольку силы являются относительно равномерными, частицы должны равномерно ускоряться и в силу этого должны быть равномерно разнесены вдоль протока. Ядра совмещаются с протоком аксиально в первой части протока, и длина ядра задает начальный центр, чтобы центрировать разнесение с некоторым варьированием вследствие разностей в размере ядра. Центробежное ускорение является равномерным при данном радиусе, но силы трения варьируются приблизительно на 20%. Силы трения масштабируются с кориолисовой силой=uN (u=коэффициент трения приблизительно в 0,2-0,25, N=нормальная сила к стенке протока, предоставляемая главным образом посредством кориолисовой силы). Как изложено выше, проток может иметь такую форму, чтобы минимизировать нормальную силу и трение посредством изгиба протока вдоль линии сетевой силы (упомянуто в тексте выше).
Выбор длины протока относительно размера частиц может осуществляться таким образом, что разнесение между каждой частицей и частицей позади может выбираться в качестве пропорции длины частиц. В примере, в котором разделитель используется для порождающих чисел, отделение между каждым порождающим числом и следующим может быть, по меньшей мере, равно длине порождающих чисел и типично в 1,5 или 2.0 раза превышает длину порождающего числа. Ширина протока во впускном отверстии должна приблизительно в 1,5 раза превышать длины порождающих чисел, чтобы не допускать засорения.
Таким образом, протоки имеют такую форму и размещаются таким образом, что частицы ускоряются по мере того, как они проходят от внутреннего конца к внешнему концу, с тем чтобы заставлять частицы совмещаться один за другим в строке по мере того, как они перемещаются к внешнему концу.
Внешние концы 16 размещаются в разнесенной в угловом направлении матрице во внешней периферии вращающегося тела таким образом, что частицы из строки частиц в каждом протоке высвобождаются посредством центробежной силы из диска наружу относительно оси диска. Все отверстия находятся в общей радиальной плоскости диска. Протоки могут формироваться либо в качестве канавок, вырезанных в верхней поверхности более толстого диска, либо посредством дополнительных стен, применяемых к верхней поверхности диска.
Матрица 20 устройств 21 отделения частиц размещается в кольцевом пространстве на диске 11 или в окружении внешнего края 17 диска таким образом, что отдельные отделительные устройства 21 размещаются в разнесенных в угловом направлении позициях вокруг диска.
Каждое отделительное устройство выполнено с возможностью направлять каждую частицу в один из множества трактов, определенных посредством работы отделительных устройств. В показанном примере, отделительные устройства выполнены с возможностью направлять частицы вверх или вниз относительно плоскости выпускных отверстий 16. Как показано на фиг. 2 отделительное устройство 21 может занимать первоначальную промежуточную или начальную позицию, в которой частицы не отделяются в одном направлении или в другом. Отделительное устройство может перемещаться вверх таким образом, чтобы направлять частицы вниз в тракт 22 для сбора в сборной камере 23. Аналогично, когда отделительное устройство перемещается в опущенную позицию, частицы перемещаются вверх поверх отделительного устройства вдоль тракта 24 для сбора в камере 25. Два тракта 22 и 24 отделяются посредством направляющей пластины 26, что обеспечивает то, что частицы перемещаются в одну или в другую из камер 23, 25.
Чтобы управлять отделительными устройствами 21, предусмотрена измерительная система, в общем, указываемая на 28, которая используется для того, чтобы измерять выбранный параметр или параметры частиц по мере того, как эти частицы перемещаются из конца протока на краю диска к отделительным устройствам. Измерительная система, например, может представлять собой спектрометр, показанный на фиг. 3.
В типичном примере анализ частиц связан с присутствием ухудшения порождающего числа вследствие болезни, и оно зачастую может обнаруживаться оптически, например, с использованием систем, раскрытых в предшествующем патенте US 8227719 автора настоящего изобретения, раскрытие сущности которого содержится в данном документе по ссылке.
Каждое отделительное устройство 21 ассоциировано с соответствующим устройством 28 обнаружения, которое может включать в себя несколько компонентов обнаружения, выполненных с возможностью измерять параметр частиц, и в ответ на параметры, измеренные посредством ассоциированного устройства обнаружения, соответствующее или отделительное устройство работает с возможностью выбирать тракт 22 или тракт 24.
Следует принимать во внимание, что число трактов может модифицироваться таким образом, что оно включает в себя более двух трактов при необходимости в зависимости от параметров, которые должны измеряться. Такой выбор увеличенного числа трактов может выполняться посредством предоставления последующих отделительных устройств 21, позиционированных ниже начального отделения. Таким образом, один или оба тракта могут разделяться на два или более вспомогательных тракта, при этом все отделительные устройства управляются посредством системы 29 управления, принимающей данные из измерительного устройства 28.
Диск 11 в силу этого имеет переднюю поверхность 8, обращенную к подающему трубопроводу, и протоки 14 находятся в радиальной плоскости диска и протягиваются наружу относительно оси в периферию 17 диска 11.
Как показано, протоки 14 формируют каналы с открытой поверхностью, обращенной в направлении к подающему трубопроводу 10. Тем не менее, протоки могут быть закрытыми на верхней поверхности, при этом открыты только горловина 15 и выпускной конец 16.
Как показано на фиг. 1, протоки 14 искривлены таким образом, что внешний конец 16 запаздывает в угловом направлении относительно внутреннего конца 15. Это формирует боковую поверхность каждого протока, который запаздывает в угловом направлении относительно направления вращения в направлении против часовой стрелки, как показано в D, и боковую поверхность на противоположной стороне, которая опережает в угловом направлении. Это искривление протоков выполнено с возможностью фактически соответствовать кориолисовым и центробежным силам таким образом, что, частицы следуют вдоль протока без избыточного давления против любой боковой стенки протока. Тем не менее, форма протока компонуется таким образом, что кориолисовы силы имеют тенденцию направлять частицу против стороны выпуска протока 14. Боковая стенка 7 является наклонной таким образом, что сила F на частице подталкивает частицу против наклонной стенки, направляя частицу к дну 9 протока 14. Это служит для того, чтобы переносить все частицы к дну протока, так что частицы появляются из диска в радиальной плоскости нижней поверхности протоков 14.
Как лучше всего показано на фиг. 1, протоки 14 находятся непосредственно рядом на внутренних концах 15, смежно с осью, и увеличиваются по разнесению к внешним концам 16. На внутренних концах 15, протоки находятся непосредственно рядом таким образом, что максимальное число протоков предоставляется посредством максимального числа отверстий 15. Число протоков может увеличиваться в не показанной компоновке, в которой протоки включают в себя ветви таким образом, что каждый проток разделяется по своей длине на одну или более ветвей.
В другой не показанной компоновке протоки могут укладываться поверх друг друга на внутренних концах 15, чтобы увеличивать число отверстий протоков на внутреннем конце. Т.е., например, если три кольца протоков укладываются поверх друг друга, общее число протоков может увеличиваться втрое. Протоки затем размещаются в общей радиальной плоскости на внешних концах посредством самых верхних протоков, перемещающихся вниз, когда пространство становится доступным на внешнем краю, чтобы размещать три кольца протоков в общей плоскости. Таким образом, внешние концы 16 протоков могут размещаться непосредственно рядом на периферии 17 диска.
В варианте осуществления по фиг. 2 устройство 28 обнаружения и отделительное устройство 21 расположены за пределами периферии 17 диска. Таким образом, частицы выходят из периферийного края 17 и являются ненаправляемыми по мере того, как они проходят из внешнего конца протоков в матрицу отделительных устройств. Частицы перемещаются вдоль траектории, определенной посредством угловой скорости диска 11 и направления протока 14 на внешнем конце 16. Ассоциированные устройства 28 обнаружения расположены относительно отделительного устройства 21 так, чтобы действовать на частицу на ее траектории. Таким образом, траектория размещается в свободном пространстве между внешней периферией 17 и отделительным устройством 21 таким образом, что частица, выходящая из выпускного конца 16 протока, перемещается мимо одного из устройств 28 обнаружения в зависимости от своей позиции высвобождения, и из этого устройства обнаружения частица перемещается в ассоциированное отделительное устройство 21, которое действует с возможностью отделять в зависимости от анализа, выполняемого посредством его ассоциированного устройства 28 обнаружения. Следовательно, траектории обязательно должны быть согласованными и обеспечивать то, что частица, которая обнаруживается, перемещается в требуемое отделительное устройство.
В одном варианте осуществления, как показано на фиг. 3, изобретение используется в качестве средства обнаружения в дисперсионном спектрометре, например, для анализа света, принимаемого посредством отражения от выборок на фиг. 1 и 2. Электромагнитное излучение или, в этом случае, свет, который должен анализироваться, собирается и направляется через входную апертуру 30. Обычно, но не обязательно, коллимированный пучок 32 формируется посредством фокусирующей оптики с использованием способов, известных специалистам в данной области техники, таких как вогнутое зеркало 31. Коллимированный пучок проходит через одну или более диафрагм 33, чтобы ограничивать угловое расхождение, и падает на матрицу из одного или более дисперсионных элементов, что вызывает зависимое от длины волны угловое отклонение в тракте пучка. Дисперсионный элемент может быть преломляющим или дифракционным. В показанном варианте осуществления дисперсионный элемент содержит призму 34. Диапазон углов отклонения разделяется на два или более диапазонов 35, 36, 37 длин волн, указываемых посредством минимальной длины волны и максимальной длины волны, которые должны измеряться. Для нижеприведенного пояснения, эти диапазоны длин волн называются "полосами частот". Специалисты в данной области техники должны признавать, что минимальная ширина полос частот определяется посредством разрешающей способности предыдущих оптических компонентов. Полосы пропускания не обязательно равны. В предпочтительном варианте осуществления пропускная способность максимизируется посредством использования призмы 34 с низким показателем преломления для дисперсии, поскольку пропускание, в общем, составляет более 80% в широком спектральном диапазоне, и отсутствует спектральное наложение спектров.
В другой компоновке, подробнее поясненной в дальнейшем в этом документе, дифракционные решетки могут конструироваться с возможностью достигать аналогичной эффективности при конкретной длине волны, но эффективность уменьшается с расстоянием от конструктивной длины волны. Предпочтительно, диапазон длин волн для всех комбинированных полос частот ограничен между минимальной длиной волны и максимальной длиной волны. Диапазон длин волн может быть ограничен с помощью полосового фильтра, апертурной диафрагмы или чувствительности детектора.
Рассеянный пучок необязательно фокусируется посредством зеркала 38 и вогнутого зеркала 39 и падает на первый пространственный модулятор 40, который пропускает или поглощает падающее излучение. Первый пространственный модулятор 40 служит в качестве полосового фильтра. В этом варианте осуществления пропускаемый свет проходит на вторую поверхность 41, которая содержит второй пространственный модулятор 42.
Для каждого из N измерений пространственный модулятор 42 на измеряемой поверхности 41 разделяет падающее излучение на первый набор диапазонов длин волн, которые пропускаются, и второй набор диапазонов длин волн, которые отражаются. Диапазоны длин волн, включенные в каждый набор, отличаются для каждого измерения таким образом, что предусмотрено N различающихся комбинаций. Пространственный модулятор 42 пропускает первый набор диапазонов длин волн в фокусирующее зеркало 43, которое фокусирует этот набор диапазонов длин волн на первый детектор 44. Пространственный модулятор 42 искривлен с возможностью отражать и фокусировать второй набор диапазонов длин волн на второй детектор 45. Хотя показано два различающихся направления, может быть предусмотрено не менее N-1 в пределах объема изобретения. Интенсивность электромагнитного излучения, суммированная по всем различающимся направлениям, составляет, по меньшей мере, 60% от интенсивности электромагнитного излучения, падающего на пространственный модулятор 42.
Полная интенсивность электромагнитного излучения в каждом направлении измеряется с помощью детектора 44, 45 для каждой конфигурации пространственного модулятора, и вывод детектора передается в систему 46 управления для статистического анализа выводов детектора, чтобы получать информацию, связанную со спектральными свойствами электромагнитного излучения, которое должно измеряться.
Фиг. 4 показывает эквивалентное сечение пространственного модулятора с тремя типами областей 50, 51 и 52. Каждый тип области является отражательным и наклонным под различным углом, направляющим падающее излучение в трех различных направлениях. Фокусирующий элемент 53 концентрирует излучение на детекторах 54, 55, 56. Как показано на фиг. 4A, различные типы области размещаются в строке с тем, что направлять излучение, падающие на различные части измеряемой поверхности, в трех направлениях. В некоторых вариантах осуществления, компоновка областей является двумерной.
Фиг. 5 является аналогичным фиг. 4, за исключением того, что неподвижные зеркала 50, 51 и 52 заменяются подвижным зеркалом 57, которое может переключаться между множеством позиций, при этом три позиции показаны в качестве примера. В предпочтительном варианте осуществления, используется микрозеркальная матрица.
Фиг. 6 показывает эквивалентное сечение пространственного модулятора с тремя типами областей. Каждый тип области имеет клиновидный преломляющий элемент 58, 59 и 60, который направляет падающее излучение в трех различных направлениях. Фокусирующий элемент 53 концентрирует излучение на детекторах 54, 55, 56.
Фиг. 7 является аналогичным фиг. 6, за исключением того, что используется один тип преломляющего элемента 61, и электрическое поле прикладывается для того, чтобы варьировать показатель преломления таким образом, чтобы направлять падающее излучение в трех различных направлениях. Фокусирующий элемент 53 концентрирует излучение на детекторах 54, 55, 56.
Фиг. 8 показывает эквивалентное сечение пространственного модулятора с тремя типами областей 62, 63 и 64. Каждый тип области является дифракционным с различным периодом решетки. Штриховки решетки предпочтительно являются практически параллельными направлению дисперсии вдоль матрицы, чтобы направлять дифрагированное излучение из плоскости пространственного модулятора на детекторы 54, 55, 56.
Фиг. 9A показывает диск 57 пространственного кодового датчика с рисунком Теплица зазоров 58 и отражателей 59, размещаемых вокруг окружности, перпендикулярной плоскости диска. Диск вращается вокруг оси через центр и перпендикулярно плоскости диска. Отражатели являются параллельными оси вращения. Диск пространственного кодового датчика может использоваться в схеме размещения спектрометра, показанной на фиг. 3. Полосы спектра приводятся в фокус для области, равной одному периоду 48 (фиг. 9B) зазора и отражательных областей на окружности диска кодового датчика. По мере того, как диск кодового датчика вращается, области полосы частот волн, которые отражаются или пропускаются, изменяются. Удобно, что искривление отражательной области может использоваться для того, чтобы фокусировать отражаемые полосы частот волн на детекторе. Повторяющийся рисунок обеспечивает циклические граничные условия. В других вариантах осуществления, рисунки, показанные на фиг. 4, 5, 6, 7 и 8, могут размещаться вокруг окружности диска. Ключевое преимущество этой компоновки заключается в том, что диапазон углов, развертываемый по мере того, как диск кодового датчика вращается, является постоянным по высоте отражательной (или пропускающей) области.
Фиг. 9B показывает плоский диск кодового датчика с восемью повторяющимися псевдослучайными рисунками. Диск вращается вокруг оси через центр 69 и перпендикулярно плоскости диска. Полосы частот волн фокусируются на области с длиной, равной одному периоду рисунка кодового датчика. Излучение, падающее на темную область, пропускается и фокусируется на первом детекторе, и излучение, падающее на светлую область, отражается и фокусируется на втором детекторе. Предпочтительно, диск изготавливается таким образом, что диапазон углов, развертываемый посредством отражательного или пропускающего признака, является постоянным. Альтернативно, диаметр диска может задаваться достаточно большим, так что свертка, введенная посредством прямоугольных признаков, меньше значения допуска. В других вариантах осуществления, рисунки, показанные на фиг. 4, 5, 6, 7 и 8, могут размещаться вокруг окружности диска.
Фиг. 10 показывает численное моделирование эффекта свертки на RMS-шуме для 23 каналов и трех моделей дискретизации. RMS-шум детектора равен 100, но RMS-шум в каждом канале является меньшим вследствие преимущества мультиплексирования. Верхняя кривая (1 Адамара) при нулевой свертке соответствует стандартной технологии Адамара в предшествующем уровне техники с одним детектором, измеряющим половину падающего излучения. При нулевой свертке, каждая область пространственной маски совмещается и соответствует области полосы частот волн. Для вычислений со сверткой, пространственная маска перемещается с постоянной скоростью, и центр каждой пространственной области совмещается с центром каждой полосы частот волн в средней точке каждого периода интегрирования выборок. Частота сканирования (для полного спектра) является пропорциональной скорости. Высокий коэффициент свертки соответствует высокой частоте сканирования. Индекс свертки представляет долю излучения, принимаемого посредством области маски из каждой из полос частот волн до и после центральной полосы частот волн. Максимальное значение 0,25 означает то, что 1/4 излучения, направленного посредством области маски, исходит из предыдущей полосы частот волн, 1/2 исходит из центральной полосы частот волн, и 1/4 исходит из следующей полосы частот волн. При применении свертки, рисунок кодирования не является ни двоичным, ни ортогональным. Алгоритм на основе множественного метода наименьших квадратов может использоваться для того, чтобы решать результирующую систему уравнений. Преимущество мультиплексирования уменьшается с увеличением свертки и полностью теряется около коэффициента свертки в 0,19. Средняя кривая (2 Адамара) использует идентичное кодирование Адамара в качестве основания, за исключением того, что дополнение базового кодирования измеряется с помощью второго детектора. Вторая кривая имеет постоянное отношение в 0,65 относительно верхней кривой со среднеквадратическим отклонением в 0,01. Коэффициент sqrt(2) (0,71) ожидается вследствие увеличения доли интенсивности, измеренной отдельно. Дополнительное повышение в 0,06 обусловлено дополнительной маской. Нижняя кривая (3-генетический) представляет собой кодирование с тремя детекторами, идентифицированное с помощью генетического алгоритма. Начальная точка для генетического алгоритма сформирована посредством размещения двоичной 1 в одной в одной позиции, выбранной случайно для каждого из 23 триплетов, и вычисления посредством моделирования RMS-шума, сформированного посредством того кода. 100000 случайных комбинаций протестированы, и наилучшая комбинация дополнительно уточняется с помощью генетического алгоритма. Генетический алгоритм случайно выбирает один из 23 каналов, который должен видоизменяться, и затем случайно переставляет двоичную единицу в этом триплете в другую позицию. Если изменение уменьшает RMS-ошибку, изменение сохраняется в качестве основы для следующей мутации. Иначе, сохраняется исходная последовательность. Последовательности, используемые для нижней кривой, являются следующими:
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};
Для свертки около нуля, RMS-шум для случая с тремя детекторами составляет 0,60 для случая стандартного Адамара в предшествующем уровне техники и 0,91 для случая двойного Адамара. Среднеквадратическое отклонение составляет 0,01 в обоих случаях, подтверждая то, что преимущество тройного кода не является статистическим артефактом. Тем не менее, тройной код является более надежным для свертки, чем любая разновидность на основе Адамара, и работает относительно лучше по мере того, как коэффициент свертки увеличивается. RMS-шум составляет 0,51 для стандартного Адамара и 0,80 для случая двойного Адамара при коэффициенте свертки в 0,22, что означает то, что тройной код обеспечивает как уменьшение RMS-шума, так и более высокую частоту сканирования. Случай нулевой свертки тестируется посредством 1000 испытательных экспериментов. Интенсивность полного сигнала составляет приблизительно 25 Вольт, и RMS-ошибки составляют 1,56 В, 1,02 В и 0,55 В для случаев H1, H2 и S3, соответственно. Отношение между H1 и H2 составляет близко к ожидаемому значению sqrt(2). В эксперименте, случай L3 с тремя детекторами уменьшает RMS-шум более чем спрогнозировано в численном моделировании. Степень, в которой каждый из них совпадает с результатом L1 линейной матрицы, оценивается посредством вычисления произведений с точкой между L1 и каждым из случаев мультиплексирования. Произведения с точкой H1, H2 и S3 с L1 составляют 0,971, 0,981 и 0,988, соответственно. Совпадение между спектром линейной матрицы и результатом мультиплексирования улучшается по мере того, как число детекторов увеличивается с один до трех.
Фиг. 11 является аналогичным фиг. 10, за исключением того, что вычисление проводится для 127 каналов, что имеет большее практическое применение, чем случай с 23 каналами. Полный ранговый порядок является идентичным, и отношения относительной производительности являются аналогичными. Случай трехканального триплета имеет RMS-шум в 0,65 для случая одиночного Адамара и 0,93 для случая двойного Адамара. Среднеквадратическое отклонение составляет 0,01 в обоих случаях, подтверждая то, что преимущество тройного кода не является статистическим артефактом. В отличие от случая с 23 каналами, отсутствует тренд касательно отношения производительности в качестве функции от коэффициента свертки.
Фиг. 12 показывает зависимость от RMS-шума для 127-канальной системы в качестве функции от числа детекторов. Четыре верхних кривые используют простые рисунки Теплица (блочно-симметричные в некоторых документах). Ключевое преимущество рисунков Теплица заключается в том, что их легко изготавливать, что возможно приводит к снижению затрат. Рисунок Теплица имеет один смежный блок в расчете на детектор. Верхняя кривая предоставляет зависимость RMS от свертки для двух детекторов. Размеры блоков составляют 63 и 64 канала. За исключением свертки менее чем в 0,02 SNR-производительность хуже линейной матрицы (RMS=100), но используются только два детектора, а не 127, что является значительным снижением затрат. Вторая кривая представляет геометрию Теплица с тремя детекторами с блоками в 23, 41 и 63 канала. RMS-шум при нулевой свертке составляет 2/3 RMS-шума для линейной матрицы с использованием на 124 меньше детекторов и остается более высоким вплоть до коэффициента свертки в 0,11. Третья кривая показывает RMS-производительность рисунка Теплица для четырех детекторов с длинами блоков в 29, 31, 33 и 34. Добавление четвертого детектора дополнительно снижает RMS-шум для всех коэффициентов свертки. Четвертая кривая показывает случай с пятью детекторами с геометрией Теплица. Длины блоков равны 17, 19, 23, 31 и 37. RMS-шум составляет меньше 1/2 RMS-шума линейной матрицы с использованием на 122 меньше детекторов при нулевой свертке. Производительность остается выше линейной матрицы вплоть до коэффициента свертки в 0,16. Нижняя кривая обеспечивает производительность двухдетекторной системы с использованием рисунка Адамара. Производительность рисунка Адамара значительно лучше производительности любого из рисунков Теплица, но за счет большей сложности при изготовлении и совмещении в ходе работы.
-1/2
Фиг. 13 основан на данных, идентичных данным фиг. 10, за исключением того, что эффект времени интегрирования разлагается на множители при вычислении шума. На фиг. 10, коэффициент свертки может рассматриваться в качестве показателя неправильного совмещения между центром области маски и центром области полосы частот волн. Для маски, перемещающейся на постоянной скорости, скважность импульсов численно в четыре раза превышает коэффициент свертки. Чтобы корректировать эффект времени интегрирования, RMS-шум вследствие свертки умножается на D, где D является скважностью импульсов. Наилучший компромисс между временем интегрирования и сверткой находится в широкой области, центрированной около 0,5 скважности импульсов для маски, перемещающейся на постоянной скорости. Уменьшение скорости маски, когда центры маски и области полосы частот волн являются почти совмещенными, и увеличение скорости маски, когда совмещение является плохим, позволяет уменьшать полный шум. В некоторых вариантах осуществления, это может осуществляться с осциллятором, подвергающимся простому гармоническому движению.
Фиг. 14 показывает эффект увеличения частоты дискретизации относительно скорости. Базовая частота дискретизации помечается H1 и ассоциирована с Z-матрицей Z1 с 23 столбцами, соответствующими 23 полосам частот волн. Удвоение частоты дискретизации уменьшает наполовину эффективную ширину полосы частот волн, так что имеется 46 полос частот волн. Число столбцов в Z-матрице Z2 удваивается до 46. Чтобы создавать Z2 из Z1, каждый элемент в Z1 дублируется, и дубликат размещается рядом с оригиналом. Z2 является сингулярной матрицей, но при использовании свертки вследствие движения Z2 становится несингулярной, обеспечивая решения с малым шумом для некоторых значений скважности импульсов. Показаны гармоники вплоть до десяти раз от исходной частоты дискретизации. Предусмотрено, по меньшей мере, одно решение по каждой гармонике, которое приводит к RMS-шуму около 120. Для оптического спектрометра, этот результат означает то, что разрешение дискретизации может увеличиваться до оптического разрешения системы с умеренным 20%-м штрафом по SNR без изменения пространственного модулятора.
Фиг. 15 показывает мультиплексированный времяпролетный масс-спектрометр, в общем, указываемый посредством 70 согласно настоящему изобретению. Хотя чертеж упрощается для прозрачности, многие компоненты являются аналогичными конструкции Брока. Ионы вводятся на 71, быстро скользят на 72, ускоряются на 73 и коллимируют (не показано), как указано выше. Эти этапы не составляют часть изобретения. Любое подходящее средство, известное специалистам в данной области техники, может использоваться. Ионный пучок необязательно падает на затвор 74 Брэдбери-Нильсена, соединенный с источником 75 напряжения, управляемым посредством процессора 76, который может использоваться для того, чтобы задавать временные края измерительной последовательности. Эта функция является аналогичной блокированию до маски нежелательных длин волн в дисперсионном спектрометре, описанном ранее. Во время получения данных, затвор является открытым, что позволяет всем ионам проходить. Ионный пучок затем отклоняется под дискретными углами посредством напряжения, прикладываемого через один или более наборов отклоняющих пластин 77, согласно сигналам, принимаемым из контроллера, что синхронизирует получение данных. В этом варианте осуществления отклоняющие пластины формируют временной модулятор. Это является аналогичным изменению показателя преломления посредством приложения напряжения в вышеприведенном оптическом варианте осуществления по фиг. 7. На чертеже показаны три дискретных тракта 81, 82 и 83, но число трактов может быть любым целым числом, большим двух и меньшим числа измерений. Ионного пучок переключается между дискретными трактами 81, 82 и 83 в соответствии с псевдослучайной последовательностью со многими состояниями, спроектированной с возможностью минимизировать RMS-шум, и обнаруживается посредством детекторов 54, 55 и 56. Вследствие конечной скорости слежения напряжения на отклоняющих пластинах, ионный пучок кратко следует по трактам в промежутке между дискретными трактами. Это является аналогичным свертке в оптическом случае. Маска 78 необязательно блокирует эти промежуточные тракты. Необязательный затвор 74 Брэдбери-Нильсена может активироваться во время переходов между режимами напряжения на отклоняющих пластинах 77, чтобы быстро отклонять ионный пучок на диафрагму. Более предпочтительно, дискретные тракты размещаются таким образом, что переход между любыми двумя трактами не пересекает третий тракт. В предпочтительном варианте осуществления, детекторы размещаются в правильном многоугольнике. Ионы, направленные на дискретный тракт, перемещаются через свободную полевую зону, рассредоточиваются по массе и принимаются посредством детектора. Сигналы детекторов усиливаются, интегрируются, оцифровываются и передаются в процессор 76. Процессор вычисляет распределение заряда к массе посредством умножения вектора данных на H-матрицу (уравнение 3). Специалисты в данной области техники должны признавать, что спектрометр на основе подвижности ионов может модифицироваться аналогичным образом и реализовывать идентичное преимущество из изобретения.
Аспекты улучшения
Целый ионный пучок направляется к одному детектору за один раз и поддерживает практически полную интенсивность, которая должна обнаруживаться и анализироваться. Интенсивность составляет более 60% суммы и предпочтительно более 90% суммы. Предшествующий уровень техники разделяет дополнительный пучок между двумя детекторами, и полная интенсивность в дополнительных каналах меньше интенсивности в неотклоненном канале.
Включение маски для того, чтобы блокировать промежуточные тракты, уменьшает случайные ионы. Случайные ионы упоминаются в качестве ключевой причины, по которой предшествующий уровень техники достигает 44%-го улучшения, а не теоретического (sqrt(2)) улучшения SNR.
Все каналы передачи данных анализируются совместно посредством MLS, а не отдельно, как в предшествующем уровне техники способа.
Увеличение числа детекторов более чем до двух, как в предшествующем уровне техники, увеличивает преимущество мультиплексирования, приводя к лучшему SNR.
Фиг. 16 показывает схематический вид для измерения затухания люминесценции. Выборка 92 приводится в начальное состояние и затем облучается с помощью импульса электромагнитного излучения 91 из источника 90 света, чтобы формировать возбужденное состояние, которое затухает через люминесцентную эмиссию 93. Люминесцентные эмиссии принимаются в течение периода T посредством детектора 95, который формирует электрический сигнал 94, пропорциональный принимаемому фотонному потоку. Детектор может включать в себя усилитель (не показан), чтобы формировать сигнал, пропорциональный фотонному потоку. Электрический сигнал временно кодируется посредством логического вентиля 96 при N интервалов длины T/N. В каждом интервале, логический вентиль направляет электрический сигнал из детектора в одну из четырех интегрирующих схем 101, 102, 103 и 104. В конце каждого измерительного цикла, интегрирующие схемы считываются посредством аналого-цифрового преобразователя 111, 112, 113 и 114, и оцифрованный результат передается в процессор. В другой компоновке (не показана), интегрированные сигналы в модулях 101, 102, 103, 104 интегрирования хранятся недолго и направляются последовательно в один аналого-цифровой преобразователь. Выборке разрешается ослабляться в начальное состояние, и измерительный цикл повторяется для N различающихся рисунков кодирования. Процессор 115 вычисляет время-зависимую люминесценцию с уравнением 3.
Фиг. 17 показывает схематический вид проточной ячейки для измерения жидкости с использованием изобретения. В этом примере, пучок 120 инфракрасного излучения падает из левой стороны на кристалл 121 с высоким показателем преломления (известный как ATR в данной области техники) и подвергается нескольким полным внутренним отражениям 122 в кристалле до появления с правой стороны. Верхняя поверхность кристалла 123 составляет часть нижней поверхности канала 124, который содержит протекающую жидкость, которая должна измеряться. При каждом полном внутреннем отражении на поверхности раздела кристалла/жидкости, исчезающая волна проникает через жидкость, и длины волн, соответствующие вибрационным и либрационным переходам в жидкости, частично поглощаются. Модифицированный инфракрасный луч, появляющийся справа, фокусируется через апертуру (не показана) и коллимирует посредством фокусирующего зеркала 125, которое направляет инфракрасное излучение через дифракционную решетку для проходящего света 126. Дифрагированное инфракрасное излучение 127 фокусируется посредством зеркала 128 на пространственном модуляторе 129, который направляет различные наборы полос частот волн в три детектора 54, 55 и 56. Пространственный модулятор циклически проходит через последовательность конфигураций, чтобы проецировать N различных наборов полос частот волн в каждую, и показания детектора передаются в процессор (не показан), который вычисляет инфракрасный спектр с N спектральных областей жидкости через уравнение 3 и анализирует спектр, чтобы определять состав жидкости.
В другом варианте осуществления, связанном с PCT-публикацией 2016/0011548 (Prystupa), опубликованной 28 января 2016 года, кусок мяса принудительно вибрирует с время-зависимым рисунком посредством акустического преобразователя, и деформация поверхности измеряется посредством интерферометрии. В частности, квазимонохроматический источник света коллимируется и расщепляется на две части с помощью расщепителя пучка. Одна часть направляется к поверхности обнаружения, и вторая часть падает на выборку мяса и затем направляется к поверхности обнаружения. На поверхности обнаружения, части формируют интерференционный рисунок в соответствии с разностью оптического тракта. Разность оптического тракта в любой точке модулируется посредством акустического возбуждения. Компоновка настоящего изобретения размещается на поверхности обнаружения, чтобы измерять время-зависимые изменения в интерференционном рисунке, и изменения анализируются статистически, чтобы предоставлять информацию относительно структуры сути.
В другом варианте осуществления изобретение может использоваться для того, чтобы измерять интерференционный рисунок, сформированный посредством спектрометра на основе преобразования Фурье. Интерференционные полосы для данной длины волны равномерно разнесены, если создающие помехи пучки являются коллинеарными, и неравномерно разнесены, если создающие помехи пучки не являются коллинеарными. Коллинеарный случай является математически более простым, но использует только половину доступного электромагнитного излучения. Неколлинеарный случай в данном документе является предпочтительным, несмотря на увеличенную вычислительную сложность, поскольку SNR улучшается посредством использования более половины доступного электромагнитного излучения. Патент US 4797923, выданный Clarke 10 января 1989 года, описывает FTIR-спектрометр высокого разрешения с использованием анализа парциальных волн. Изобретение представляет собой подходящий способ для того, чтобы измерять интерференционный рисунок высокого разрешения, описанный посредством Clarke.
В другом аспекте изобретение может применяться для того, чтобы улучшать отношение "сигнал-шум" и повышать временное разрешение в экспериментах на основе накачки-зондирования, используемых во многих областях техники, включающих в себя акустику, спектроскопию, магнитный резонанс и кристаллографию. В качестве иллюстративного примера, рассматривается эксперимент по фотонно-ограниченной рентгеновской дифракции, описанный в работе Yorke в Nature Methods 11 (11) 2014 года, содержащейся в данном документе по ссылке. В эксперименте Yorke, рентгеновские лучи модулируются временно, и дифракционный рисунок записывается посредством матрицы детекторов. Временное развитие плотности электронов затем вычисляется посредством инверсии Адамара (уравнение 2). Скважность импульсов в эксперименте Yorke составляет 50%, но повышается до 100% посредством применения способов настоящего изобретения, как показано на фиг. 16. В настоящем изобретении пучок рентгеновских лучей активируется в течение полной длительности эксперимента, чтобы формировать максимальное число применимых фотонов. Фототок из каждого детектора направляется в одну из m (m>=2) интегрирующих схем посредством логического вентиля для каждого временного интервала эксперимента таким образом, что каждая интегрирующая схема принимает временно модулированный поток фототока. Логический вентиль функционально реализует последовательность сбора данных, указываемую посредством Z-матрицы в уравнении 3. Длина каждой последовательности равна числу n временных интервалов, которые должны измеряться. Каждая интегрирующая схема собирает фотоэлектроны для длины последовательности кодирования, и затем полный заряд для каждой интегрирующей схемы обрабатывается, нормально посредством схемы аналого-цифрового преобразования (ADC), чтобы формировать значение, пропорциональное полному заряду, накопленному посредством интегрирующей схемы. Значения вводятся в соответствующие m позиций вектора данных y уравнения 3. Выборке разрешается ослабляться в начальное состояние, и измерительный цикл повторяется n раз, по одному разу для каждого набора m строк в Z-матрице, чтобы формировать все mn значений вектора данных y. Временная последовательность для каждого детектора предпочтительно представляет собой псевдослучайную последовательность или последовательность Адамара. Плотность электронов на каждом временном шаге затем может вычисляться из дифракционного рисунка на этом временном шаге.
Изобретение представляет собой способ измерения зависимого параметра в качестве функции от одного или более независимых параметров, причем зависимый параметр представляет собой измеримое свойство потока частиц, и независимые параметры представляют собой пространственные и временные параметры. В качестве иллюстрации общий независимый параметр обозначается как x, и зависимая переменная, обозначенная как f(x), варьируется в зависимости от изменения x. Например, x может быть позицией на фокусной плоскости камеры, и f(x) является интенсивностью освещения, принимаемого в упомянутой позиции x. Во многих случаях, несколько зависимых параметров измеряются и затем коррелируются между собой. Например, свет, падающий на призму, рассредоточивается в различные длины f(x) волны в различных местоположениях x на измеряемой поверхности. Сила света также измеряется в идентичных местоположениях, и измерения коррелируются, чтобы обеспечивать спектр в качестве интенсивности в качестве функции от длины волны. Для целей этого документа любая ссылка на зависимый параметр в контексте независимого параметра должна интерпретироваться в качестве ссылки на базовый коррелированный пространственный или временной параметр. Т.е. ссылка на длину волны в вышеприведенном примере должна интерпретироваться в качестве ссылки на пространственный параметр, с которым коррелируется длина волны. Частицы могут иметь любой тип, в том числе, но не только, представлять собой субатомные частицы, протоны, нейтроны, электроны, позитроны, фотоны, атомы, ионы и молекулы. Измеримое свойство может иметь любой тип, в том числе, но не только, представлять собой массу, энергию, заряд, вращение, частоту, длину волны, поляризацию, электрический дипольный момент, магнитный дипольный момент, количество движения, давление и скорость.
Независимый параметр разделяется на последовательность диапазонов, указываемых посредством начального и конечного значения параметра x. Каждому диапазону назначается уникальная метка. Зачастую удобно создавать метки диапазона со средним значением x в диапазоне, но это не является обязательным, и могут использоваться другие схемы создания меток. Например, последовательность диапазонов вместо этого может указываться посредством последовательности целочисленных индексов. Термин "элемент выборки" в тексте в данном документе означает диапазоны.
Изобретение связано со способом, чтобы измерять значение зависимого параметра в N диапазонов посредством проведения, по меньшей мере, N различных наборов измерений, чтобы формировать N наборов скалярных параметров. Предусмотрено P измерений в наборе, где P больше или равно 2. Каждое измерение в наборе ассоциировано с весовой функцией wij(x) со значениями в пределах от 0 до 1, где индекс i имеет M значений, и индекс j имеет P значений, и M больше или равно N. Предусмотрено P логических детекторов, проводящих измерения, по одному для каждого значения j. Каждое измерение проводится посредством умножения зависимого параметра f(x), который должен измеряться, на wij(x) и интегрирования по всем значениям x, включенным в диапазоны, чтобы формировать набор скаляров gij. Весовые функции wij(x) представляют собой физические передаточные функции пространственного и/или временного модулятора, описывающие долю потока падающих частиц, падающего в местоположении x, который направляется на тракте в детектор j во время измерения i. Пространственный модулятор, например, может состоять из матрицы зеркал, причем каждое зеркало соответствует различному диапазону независимого параметра x. Передаточная функция определяется главным образом посредством коэффициента отражения зеркала. Наибольший широкополосный коэффициент отражения, технически достижимый, составляет приблизительно 0,97, так что передаточная функция в этом случае должна составлять 0,97. Задающий признак изобретения представляет собой такое требование, что сумма весовых функций по каждому диапазону x должна быть больше 0,60, т.е. более 60% потока частиц, падающего на каждый диапазон, направляется по тракту в один из детекторов P.
Фиг. 18 схематично показывает вычисление одного измерения. Весовая функция, показанная в (A), умножается на интенсивность потока (зависимый параметр) в (B), и результирующие фрагменты (C) суммируются, чтобы предоставлять интегрированную интенсивность потока для измерения. Весовая функция 18A отличается для каждого измерения для каждого детектора. В предшествующем уровне техники, предусмотрена одна весовая функция, как показано в (A), которая пропускает приблизительно 50% падающего потока в среднем в один детектор.
Фиг. 19 показывает схематичные идеальные весовые функции для варианта осуществления настоящего изобретения с тремя весовыми функциями (A), (B) и (C), соответствующими вводам в три детектора для каждого измерительного цикла. Сумма весовых функций составляет 1 для всех областей независимого параметра x. В физическом случае, сумма весовых функций составляет более 0,6 и предпочтительно более 0,9. Для пространственного независимого параметра, весовые функции на фиг. 19 могут реализовываться физически посредством набора отражающих поверхностей, как показано на фиг. 4, либо посредством подвижного зеркала, как показано на фиг. 5, либо посредством преломляющих клиньев, как показано на фиг. 6, либо посредством изменения показателя преломления клина с электрическим полем, как показано на фиг. 7, либо посредством набора дифракционных поверхностей, как показано на фиг. 8, либо с помощью рисунка Теплица на вращающемся диске, как показано на фиг. 9A и 9B. Фиг. 16 показывает способ для того, чтобы реализовывать весовые функции на фиг. 19 с временным независимым параметром. На фиг. 16, импульс фотонов проходит через выборку, подверженную преломлению и рассеянию. Фотоны с различными длинами волн появляются из выборки в различные моменты времени и регистрируются посредством фотодетектора, который преобразует интенсивность фотонного потока в форму сигнала напряжения. Форма сигнала напряжения направляется в интегрирующие схемы в соответствии с весовыми функциями (нуль для одного из модулей интегрирования, показанных в этом примере). Интегрированные напряжения преобразуются в скалярные значения посредством аналого-цифровых преобразователей. Источник света выдает импульсы N раз. Различный набор весовых функций используется для каждого импульса.
Для каждого набора измерений, весовые функции (A), (B) и (C) на фиг. 19 умножаются на зависимый параметр, как показано на фиг. 18B, чтобы формировать три отдельных суммы, как показано схематично на фиг. 18C. По меньшей мере, N наборов измерений (A), (B) и (C) предварительно формируются для того, чтобы формировать, по меньшей мере, 3N скалярных значений интегрированной интенсивности в примере по фиг. 19. Следует отметить, что поскольку весовые функции в этом примере имеют постоянные дискретные значения для каждой области, интегрирование уменьшается до суммы, и решение на основе линейной алгебры, приведенное в уравнении 3, является применимым. Альтернативно, система интегральных уравнений может решаться посредством итеративных способов в пределах объема изобретения. В контексте уравнения 3, 3N весовых функций представляют строку Z-матрицы. Каждый диапазон независимого параметра соответствует одному столбцу Z-матрицы, и элементы в каждой строке являются постоянными значениями весовых функций. 3N измеренных скалярных значений загружаются в строку вектора y наблюдений, соответствующего строке весовой функции для этого измерения.
Фиг. 20 схематично показывает общий случай, в котором весовые функции не являются постоянными для каждой области. Фиг. 20A показывает общую форму весовых функций для пространственного модулятора, перемещающегося относительно независимого параметра на постоянной скорости в течение каждого измерения. Как пояснено выше, эффект относительного движения может учитываться посредством замены статических значений весовой функции для каждого диапазона на взвешенную по времени среднюю интенсивность потока частиц, принимаемого посредством детектора из этого диапазона в течение каждого измерительного цикла. Фиг. 20B показывает общий случай, в котором весовые функции принимают значения, промежуточные между 0 и 1 по всему диапазону независимого параметра x. Протокол измерения настоящего изобретения приводит к системе интегральных уравнений, которые могут решаться посредством итеративных способов. Приближенные решения также могут получаться посредством разделения области измерений на небольшие диапазоны, в которых весовая функция является почти постоянной, и способ уравнения 3 является применимым.
Термин "детектор" в данном документе означает любое устройство, которое формирует реакцию, связанную с потоком падающих частиц, интегрированным по конечному периоду измерений. Детектор может представлять собой интегрирующее устройство, и детектор может представлять собой преобразователь, связанный с интегрирующим устройством. Термин логический детектор может означать один физический детектор или множество физических детекторов, измеряющих поток частиц, направленный вдоль идентичного тракта посредством модулятора.