专利名称：用于辐射编码及分析的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明总的来说涉及辐射谱分析器和辐射图象分析器，并且具体地，涉及辐射分析器和编码器，其采用了按波长分散或沿直线成像的辐射的空间调制。
背景技术：
辐射光谱分析目前以几种方法进行。基于分散变换和傅立叶变换的分析器用于高分辨率并能够用于许多不同的应用，使得它们比现有的特定应用仪器和程序用途更广。虽然这些分析器提供了较好的光谱性能，但它们通常较昂贵、体积大、沉重，并且不易携带。对于绝大多数应用，这些仪器提供的光谱分辨率在很大程度上是不必要的。许多分析计算通过相对较少的光谱测量即可完成。对于额外的、不必要的光学数据的处理减慢了这些仪器的速度并降低了这些仪器的光度测定精度。
相反地，用于光谱分析的非分散方法采用了辐射源，其由一个或多个带通过滤以给特定分析函数提供输入。这些带通滤波器被用来选择特征在于中心波长和带宽的一个或多个特定光谱分量。非分散方法的一大优点为对于特别的应用，能够单独指定带通滤波器的中心波长和带宽以最优化该仪器。但是，如果分析函数需要大量的带通滤波器，系统的信噪比会降低，因为在给定滤波器内在一时序间测量的总能量与滤波器的数量成反比。而且，如果采用该方法的光谱分析器被配置用于第一应用，为了调整该分析器以适应第二种应用，该装置内的滤波器可能不得不被替换，或者滤波器的数量可能要改变。结果，非分散方法在适用性和可以分析的光谱分量的数量方面明显受限。
另一种光谱分析器为Hadamard光谱仪，其最好被描述为是介于分散仪器和非分散仪器之间的复合型仪器。Hadamard光谱仪包括空间辐射调制器，其包括由不透明材料制成的圆盘，其上有反射或透射辐射的狭槽，在此处这些狭槽具有相同的透射率或反射率。辐射束依据波长被分散在该圆盘上，并且这些狭槽有选择地、以不同的半径与轴线隔开以形成一些不同的光学通道以检测辐射束的相应的光谱分量。该圆盘绕着轴线旋转，并且这些狭槽有选择地以二元幅度调制给相应的光谱分量编码。被编码的辐射束随后被导入检测器。为了将由一道狭槽透射或反射的光谱分量的强度与另一狭槽透射或反射的光谱分量的强度区分开，该圆盘通过特定数量的步骤被顺序移动，每个步骤具有开放或关闭的光学通道的二元图，其为光谱分量的幅度定义了一组联立方程中的一个方程。这组联立方程被求解从而在任一特定分析函数之前得到每个通道的强度，这是一种耗时且容易出错的方法。例如，作为二元编码方法的直接后果，没有这样的机械装置如果任何一个信号电平在旋转周期显著变化，通过它人们可以恢复真实的信号电平。应该注意的是如果狭槽的图形使得在一个时刻只透射或阻挡一个光谱分量(如滤波器-轮式光度计)，那么就可以简化方程组。但是，该方法使每个光谱分量的光占空因数最优值50％发生了变化，因此，使信噪比变差。最后，如果配置Hadamard分析器用于第一种应用，狭槽的数量被改变以调整分析器使之适用于第二种应用，还必须改变数据采集及解码算法，这就严重地限制了该装置的适用性。
辐射成像主要通过使用检测器阵列和电荷耦合器件(CCD)进行。这些技术所采用的大量数据分析涉及将图像映射到检测器元件的规则阵列上。如果能够针对应用中所测得的特定图象配置检测器阵列元件，将显著减少数据分析。红外检测器阵列对于背景辐射，检测器间元件漂移及1/f噪音比较敏感。基于红外检测器的成像系统通常需要较大的热电(TE)冷却器并且非常昂贵。由于它们的灵敏度有限，基于CCD的成像系统通常需要热电冷却器并且在低光电平应用，如荧光成像中需要较长的暴光时间。如果用单个的、内校准的光电倍增管(PMT)代替CCD相机的像素，可以在荧光成像中实现显著的性能提高。不幸的是，低成本的、基于PMT的高密度检测器阵列并不存在。
上述各种方法都不是完全令人满意。因此，人们希望提供改进的光谱和图象分析器，其中上述的缺点得以避免或显著减少，并且其中编码、数据采集及解码既一般化又非常简单，从而光谱或图象分析器的细部可以由单个应用的特定硬件元件实现。

发明内容
本发明提供上述辐射分析器的许多优点。在一些实施例中，独立于带宽调制入射辐射的强度，且调制信号的幅度是平滑函数，或者当调制器绕轴线旋转或以其它方式往复运动时在三个或更多的不同的对比水平之间变化。对于任意中心波长和带宽及任意径向强度分布，人们可以实施多通道正交编码方案。以这种方式，被编码的通道的中心波长和带宽可针对具体应用独立地最优化。上述的光学编码方案与成像光学器件相结合，这样，用单个的检测器可以使来自扩展源的辐射或从不连续样品收集到的辐射成像。这允许人们在通道连通道的基础上，独立于带宽来控制调制深度，这种设计策略可能对于平衡一些系统(这些系统中一个或多个通道具有与总的入射辐射不成比例的大的部分)内的信号电平有用。这允许人们将调制通道分组成为互补对，其中所得到的编码分量的幅度和相位由入射到具有该互补对的两个滤波器上的辐射的相对部分决定。以这种方式，可以直接测量强度差，波长导数和强度分布中心的径向位置。这允许人们与希望采用的用于校准和调整的辐射元件一起使用一个或多个互补滤波器对。为了校准和调整，人们还可以用专用的光源、检测器和调制器上的一系列标记来检测调制器基底上的轴向摆动、振动或错排的调制器图形。人们还可以实质上同时地测量作为两个或多个激励分量的函数的多个响应辐射分量，从而获得快速的、紧凑的荧光、拉曼或光折射激励/响应分析器。有可能采用调制函数，其基于调制器旋转的不完全周期，该调制器可用来去除不同的硬件部分、释放微处理器资源、使外部机械装置的运动同步、测量成像辐射分量的径向位置和强度，并且提高分析器的空间的或光谱的分辨率。最后，人们还可以通过使用一维超级光谱成像光学器件和单个的通道检测器实质上同时地测量单独地选自辐射发射样品的多个光谱分量。
在本发明的一个实施例中，光谱分析器包括至少一个提供辐射的辐射源，其具有至少一个所选的光谱分量，该光谱分量具有强度、中心波长和带宽。第一光学器件被用来收集、分散和聚焦辐射以在编码平面上形成按波长沿编码轴线分散的图象。二维空间辐射调制器绕旋转轴旋转并位于编码平面内，这样，编码轴线实质上沿着调制器的径向轴。调制器在始于旋转轴的半径上具有至少一个辐射滤波器，其具有实质上限定辐射的相应光谱分量的带宽的径向宽度。该滤波器实质上独立于带宽调制相应光谱分量的强度，以提供包括至少一个编码分量的编码束，其中该编码分量的幅度是平滑函数，或者当调制器绕旋转轴旋转时在三个或多个实质上不同的对比水平之间变化。优选的，至少两个滤波器具有实质上沿方位角轴正交的调制函数。最为有选定，至少一个滤波器实质上根据形式为sin2(mθ+pπ/4)的函数的数字化复制形式(例如半色调表示)调制光谱分量的强度，其中θ为调制器绕着轴线的旋转角，m是整数。第二光学器件被用来收集并引导编码束到达检测器上，并且计算机被用来分析检测器响应编码束所产生的信号。优选的，计算机采用解码算法以计算来自检测器响应编码束所产生的信号的至少一个编码分量的幅度。如果需要同时分析两个或更多光谱范围内的辐射，可以用一些分色镜将两个或多个分散图象聚焦到调制器上，并且可以用两个或多个检测器来检测编码辐射。
在本发明的另一实施例中，用于分析来自具有至少两个空间分量的扩展源的辐射的图象分析器发射、透射或反射辐射，该图像分析器包括第一光学器件，其收集并聚焦来自扩展源的辐射以便在编码平面上沿编码轴形成至少两个相应的图象。扩展源的一个实例就是发射、散射、透射或反射辐射的一组不同样品。在这种情况下，单个的样品沿编码轴在编码平面上成像，这样，单独的样品在编码平面上沿着编码轴被聚焦。扩展源的另一个实例为被两个或多个带通滤波器过滤的一个或多个辐射源。在这种情况下，从这组带通滤波器透射(或反射)的辐射沿编码轴在编码平面上成像，这样，每个带通滤波器过滤的辐射在实质上不同的点上沿着编码轴被聚焦。扩展源的另一个实例为与光学系统结合在一起的辐射源(如包括一个或多个衍射、束分离、或透镜阵列元件——或者是这些元件的不同组合)，以产生沿一条或多条空间轴彼此分离的多个实质上相同的子图象。二维空间辐射调制器绕旋转轴旋转并位于编码平面内，这样编码轴沿着径向轴。该调制器在始于旋转轴的半径上具有至少一个辐射滤波器，用来调制相应的空间分量的强度，以提供包括至少一个编码分量的编码束。优选的，编码分量的幅度是平滑函数，或者当调制器绕旋转轴旋转时在三个或多个实质上不同的对比水平之间变化。最优选的，至少一个滤波器实质上根据形式为sin2(mθ+pπ/4)的函数的数字化复制形式(如半色调表示)调制光谱分量的强度，其中θ为调制器绕着轴线的旋转角，m是整数。第二光学器件被用来收集并引导编码束到达检测器上，并且计算机被用来分析检测器响应编码束所产生的信号。优选的，计算机采用解码算法以计算来自检测器响应编码束所产生的信号的至少一个编码分量的幅度。如果需要同时分析来自两个或更多的扩展源的辐射，来自扩展源的图象可以被聚焦在调制器的不同表面上或不同径向轴上，并且可以用一个或多个检测器来检测辐射。在图象分析器的优选实施例中，扩展源包括一些基准空间分量，并且调制器包括一些专用滤波器以便为图象在调制器图形上的对准提供反馈。对于一些应用，人们可能希望进一步分析来自扩展源的空间编码辐射用于一个或多个光谱特性。通过在调制器和检测器之间插入光谱分析器或其它波长滤波装置即可实现。
在上述光谱和成像分析器的优选实施例中，二维空间辐射调制器包括一系列的时序标记并且分析器具有一些由时序标记触发的光学器件开关以便为解码确定绝对旋转角。最优选的，时序标记还会触发从检测器进行的数据采集(DAQ)和解码算法，它反过来会实质上放宽调制器旋转周期的任何稳定性需求。优选的，分析器会具有专用的辐射源和模拟检测器，其局部地被调制器上的时序标记和/或其它标记中断，或卷轴以检测调制器上的轴向摆动或错排图形。更为优选的，模拟检测产生的信号由计算机处理以便和一个或多个用于补偿轴向摆动或错排图形的不良效应的校准系数一起提供给解码算法和/或分析函数。最优选的，模拟检测器产生的信号由计算机处理以提供控制信号给一个或多个光学元件的位置，从而使图象或分散图象集中在调制器图形上。
在上述的光谱和成像分析器的优选实施例中，分析器的计算机包括暂态信号算法，其检测在调制器的旋转周期内发生的编码分量的幅度中的暂态值。优选的，计算机分析暂态信号以确定它的谐波含量。更为优选的，解码算法采用谐波含量来补偿暂态值引发的谐波干涉。优选的，暂态信号算法包括反馈机制以提高响应于子旋转周期信号暂态值的检测的马达速度并降低响应幅度稳定的时间的扩展周期的马达速度。
本发明的另一方面并且对于上述光谱和图象分析器有用的一方面是适于绕旋转轴旋转的空间辐射调制器，其用于调制入射辐射束的至少一个分量以提供编码束。该调制器包括基底和至少一个位于始于旋转轴的半径上的辐射滤波器。该滤波器包括实质上环绕具有与基底实质上不同的光学特性的多个像素的环形区域。这些像素实质上分布在该环形区内，以主要沿方位角轴调制相应的辐射分量的强度，以便提供编码分量，这样，当基底绕旋转轴旋转时，编码分量的幅度在三个或多个实质上不同的对比水平之间变化。优选的，像素的密度被用来控制编码分量的调制深度。以这种方式，当一个分量具有与总入射辐射不成比例的部分时，两个或多个编码分量的幅度能够得以平衡。
本发明的另一方面并且对于上述的光谱和图象分析器有用的一方面是适于绕旋转轴旋转的二维辐射调制器，其用于调制入射辐射束的至少一个分量以提供编码束。该调制器包括基底和至少一个位于始于旋转轴的半径上的辐射滤波器。该滤波器具有沿方位角轴实质上连续可变的光学特性，并且这些光学特性连续变化以调制相应的辐射分量的强度，该相应的辐射分量的强度是调制器绕旋转轴的旋转角的平滑函数。
本发明的另一方面并且对于上述的光谱和图象分析器有用的一方面是适于绕旋转轴旋转或者在一方向内往复运动的二维辐射调制器。该调制器包括至少一个用于调制入射辐射束强度的辐射滤波器对，以提供包括至少一个编码分量的编码束。该滤波器对包括位于始于旋转轴的不同半径上、并且具有彼此互补的调制函数的两个滤波器，这样，产生的编码分量的幅度和相位由入射到两个滤波器上的辐射的相对比例确定。以这种方式，可以直接测量入射到两个滤波器上的辐射强度之差，而不是用减法来推算辐射强度之差，后者效率不高且易于出错，并且浪费了检测器信号的动态范围。优选的，调制函数是平滑函数或是具有三个或多个不同的对比水平的平滑函数的数字化复制形式。优选的，用于调制两个不同辐射分量差的两个滤波器对的调制函数实质上彼此正交。
本发明的另一方面并且对于上述的光谱和图象分析器有用的一方面是适于绕旋转轴旋转或者在一个方向内往复运动的二维辐射调制器。该调制器包括至少一个用于测量入射到两个滤波器上的辐射强度的差的辐射滤波器对，其包括该滤波器对和用于测量入射到两个滤波器上的总的辐射强度的第三辐射滤波器。以这种方式，可以实质上同时地测量强度分布的中心的径向位置和总强度。
在一些应用中，人们可能希望实质上同时地测量两个或多个不同激励分量的样品响应。例如，一些样品被激励辐射改变，这样测量的结果可能会根据一系列采用不同激励分量的测量中最先采用的是哪个激励分量而变化。希望实质上同时地测量两个或多个不同激励分量的样品响应的另一个实例就是在工业生产液流上流动的样品，其中样品在测量位置的停留时间不足以依次完成激励测量。在本发明的另一实施例中，一个或多个激励源提供包括两个或多个明显的激励分量的激励辐射。例如，可以采用衍射或折射光学器件以便从空间上将多线激光的光谱线分离。激励分量(入光谱线)被实质上依次导向样品。作为对激励辐射的响应，样品发射辐射响应束，其具有至少一个响应激励辐射发射、透射、反射或散射的响应分量。辐射的响应束被收集并且图象或分散图象沿编码轴在编码平面上形成。二维空间辐射调制器绕旋转轴旋转并位于编码平面内，这样编码轴沿着径向轴。该调制器在始于旋转轴的半径上具有至少一个辐射滤波器。该辐射滤波器调制相应的响应分量的强度以提供具有至少一个编码响应分量的编码响应束。优选的，给响应分量编码的调制器的调制函数是平滑函数或是具有三个或多个不同对比水平的平滑函数的数字化复制形式。编码响应束被收集并被导向检测器，并且由计算机分析所产生的信号，以便作为两个或多个激励分量的函数计算至少一个编码响应分量的幅度。优选的，用于给响应分量编码的调制器还被用于将激励辐射的分量实质上依次地引导至样品。优选的，激励顺序与编码响应束的数据采集是同步的，这样，能够从那些与其它激励分量相对应的响应分量中区分与一个激励分量相对应的响应分量。更为优选的，基于时间的检测器信号被分组成为子信号，其中每个子信号对应于只与一个激励分量相对应的编码响应分量。
在本发明的另一实施例中，用于监控来自至少一个辐射源的辐射的分析器包括输入束，其具有与远辐射源对应的至少一个辐射分量，并具有强度和中心波长。输入束被收集并分散以便沿着编码轴在编码平面上形成至少一个图象，其中图象与分量相对应。二维空间辐射调制器绕旋转轴旋转并位于编码平面内，这样编码轴实质上沿着径向轴，这样分量的中心波长的变化会引起相应的图象实质上沿径向轴移动。调制器至少用于调制相应分量的强度的具有一个辐射滤波器对，以便提供具有至少一个编码分量的编码束。滤波器对包括位于始于旋转轴的不同半径上的两个辐射滤波器，并且具有互补或异相的调制函数，这样，编码分量的幅度和相位由入射到两个滤波器上的辐射的相对比例决定。优选的，辐射滤波器包括彼此相邻的滤波器对。优选的，相邻辐射滤波器之间的边界实质上位于对应于辐射源的法线或理想的中心波长的半径上。编码束被收集并被导向检测器，计算机分析检测器响应编码束所产生的信号。优选的，计算机计算来自检测器响应编码束所产生的信号的至少一个编码分量的幅度和相位。优选的，计算机产生至少一个控制信号以响应检测器产生的信号，调节至少一个辐射源的中心波长以调谐辐射源。优选的，用实质上正交的调制函数给至少两个编码分量编码，并且计算机计算至少一个编码分量的幅度和相位。优选的，每个调制函数是平滑函数或是具有三个或多个不同对比水平的平滑函数的数字化复制形式。优选的，该分析器具有一个或多个位于移动台上的光学器件，这样图象可以沿着调制器的径向轴共同移动。以这种方式，装置可以被校准，并且周期性地，源图象可以相对调制器上的滤波器对有目的地偏移，以便测量辐射源的强度。更为优选的，调制器可以被分隔成两半，第一半包括用于监控波长的互补对，而第二半包括测量强度的单独的滤波器。以这种方式，分析器可以提供控制信号以稳定源波长及测量源强度。通过增加与其它滤波器对正交的滤波器对，可以同时监控多个辐射源。
在下文的实施例中，引导由辐射源提供的辐射以便沿图象轴在平面上形成图象。二维空间辐射调制器绕旋转轴旋转并位于该平面内，这样图象轴实质上沿着调制器的编码轴，调制器调制光谱分量的强度以提供具有至少两个编码分量的编码束，其中编码轴实质上沿着径向轴。调制器在始于旋转轴的不同半径上具有至少两个辐射编码滤波器，用于当调制器绕旋转轴旋转时调制来自源的辐射的强度。
在一个实施例中，辐射光谱分析器采用了双圆锥形的光学元件来缩短调制器和检测器之间的光学通道长度，并且/或者提高收集效率。可以对双圆锥形的光学元件的曲率进行选择以便于提高收集效率。
在另一实施例中，根据调制器上的分散函数按波长使辐射分散。调制器在其上具有滤波器，其径向位置和径向宽度是某一分析物的光谱特性和分散函数的函数。可以分析由滤波器调制的辐射以确定一种或更多种分析物的存在。可以通过建立化学计量矩阵来设计调制器，将分析物的浓度与辐射中光谱分量的强度联系起来，由化学计量矩阵推导出最优化的光谱窗口，并通过分散函数将最优化的光谱窗口转换为调制器上相应的最优化环形区域或环形段。
在再一实施例中，调制器上的滤波器具有实质上互补的调制函数，这样每对互补辐射滤波器产生单一的编码校准分量，其中编码校准分量的至少一个特性由入射到两个滤波器上的束的辐射的相对强度决定，其中环形区域的径向位置和径向宽度是这样的使得单一的编码校准分量的预定值在调制器绕旋转轴旋转时产生。检测一个或多个编码校准分量以测量分散图象中已知光谱特征始于校准位置沿编码轴的位移。
在又一实施例中，调制器在始于旋转轴的半径上具有至少两个辐射滤波器，其实质上占据了公共环形区域。滤波器以不同的调制频率调制相应的束的辐射分量的实质上相当的部分的强度，以便在调制器绕旋转轴旋转时提供具有至少两个编码校准分量的编码束，该编码校准分量具有实质上不同的频率。检测编码校准分量以确定检测系统的频率相关性。
在又一实施例中，与编码滤波器相关的辐射计包括至少两个目标波长滤波器，该目标波长滤波器在光谱范围内具有大的光吸收率；以及至少一个基准波长滤波器，每个基准波长滤波器与分析物相比在光谱范围内具有低得多的吸收率。分开经过滤波器的辐射被用来测量样品，并被检测以测量样品的特性。
在又一实施例中，与编码滤波器相关的辐射计用于测量具有至少一个目标和基准波长滤波器对的样品，至少一个滤波器对中的目标波长滤波器在光谱范围内具有大的光吸收率，而至少一个滤波器对中的基准波长滤波器与目标分析物相比在光谱范围内具有低得多的光吸收率。经透射分开经过目标波长滤波器和基准波长滤波器的辐射入射到被描述为绕旋转轴旋转的这种调制器上，并被检测。在放置有样品的光通道中这样检测到的辐射对于测量样品是有用的。
在又一实施例中，采用光学器件响应于编码束提供的实质上准直的编码束，使得能够测量大或远的物体和介质。
在又一实施例中，不同光谱范围内的辐射被上述类型的调制器调制，并被分开检测。这样的方案有助于测量多个样品。
而另一实施例的目的是提出适于绕旋转轴旋转的二维空间辐射调制器，其用来调制入射辐射束的至少一个分量以便为该束编码，该调制器包括基底和至少一个环形区域，其实质上环绕着多个非邻近的子区域，其具有与基底实质上不同的光学特性，环形区域包括至少两个环形段，每一段包含调制器的部分旋转周期，
第一环形段中的子区域排列成图形以形成至少一对辐射滤波器，其位于始于旋转轴的不同半径上并具有实质上互补的调制函数，作为对辐射束的响应，该滤波器对产生第一编码分量，其具有的特性由来自入射到至少一个滤波器对上的束的辐射的相对强度决定；第二环形段中的子区域排列成图形以形成至少一个辐射滤波器，作为对束的响应，其产生第二编码分量，其具有的特性由来自入射到至少一个辐射滤波器上的束的辐射的总强度决定。
再一实施例采用了一种调制器，其具有至少一个环形区域，该环形区域具有至少两个环形段，每一段包含调制器的部分旋转周期，其中，至少一个辐射滤波器的该段内的子区域排列成图形以通过导向调制器的周期函数调制束中相应的辐射分量的强度，从而当调制器绕旋转轴旋转时，提供包括至少一个编码分量的编码束，该周期函数实质上包括有效子周期(active sub-period)的谐波。调制器具有至少另一个段，其在旋转周期的被动子周期(passive sub-period)期间，当与束相互作用时，实质上呈光学被动。
在再一实施例中，控制上述类型的调制器的旋转频率。分析检测调制信号的检测器所产生的信号，其中分析包括为来自周期性噪音源的至少一个噪音跟踪信号解码。调制器的旋转频率变化使噪音跟踪信号的幅度最大化，并从而使周期性噪音源对特定编码分量的解码幅度的影响最小化。
在再一实施例中，调制器具有互补对，其具有实质上互补的调制函数，这样，通过将辐射束引导至调制器而获得的编码束包括一分量，该分量具有的特性由入射到两个滤波器上的来自束的辐射的相对强度决定。检测编码束，分析结果，以确定作为调制器绕旋转轴的旋转角的函数的特性，以便测量环形段或区域相对于旋转轴的同心性。


图1A为用来说明本发明的优选实施例的多功能辐射分析器100的侧视图。
图1B为图1A中的分析器沿图1A中的直线1B-1B的一部分的示意图。
图1C为分析器100的实施例的示意图，其在两个不同的光谱范围内为辐射编码并分析辐射。
图2为调制器22的实施例22A的顶视图，其适用于图1的分析器100，该图用来说明本发明的实施例。
图3A为平滑调制函数的数字化复制形式的示意图，以说明图2中辐射滤波器之一的一个实施例。
图3B示出了有限数字化对于一般正交幅度波函数的影响。
图4A示出图1A中的分析器100的光谱分析器实施例的焦平面。
图4B示出图1A中的分析器100的图象分析器实施例的焦平面。
图5为调制器22的实施例22B的顶视图，其适用于图1的分析器100，该图用来说明本发明的实施例。
图6为调制器22的实施例22C的顶视图，其适用于图1的分析器100，该图用来说明本发明的实施例。
图7为调制器22的实施例22D的顶视图，其适用于图1的分析器100，该图用来说明本发明的实施例。
图8为调制器22的实施例22E的顶视图，其适用于图1的分析器100，该图用来说明本发明的实施例。
图9A为分析器100的示意图，其包括位置可以移动的折叠式反射镜，该图用来说明本发明的实施例。
图9B为分析器100的对准校正和跟踪分析器的侧视图。
图9C为调制器22的实施例22F的顶视图，其适用于分析器100的对准校正和跟踪分析器。
图10A为分析器300的示意图，其适用于当通过两个不同的激励源的方式激励时测量样品的光学特性。
图10B为调制器22的实施例322的顶视图，其用于图10A中的分析器300。
图11A为调制器22的实施例22DZ的顶视图，其包括基于不完全旋转周期的谐波的辐射滤波器。
图11B为调制器22的实施例22G的顶视图，示出了提高目标图象52的编码的空间分辨率的两种方法。
图12A为图1A的预编码器光学器件36A的实施例HS的第一侧视图。
图12B为图1A的预编码器光学器件36A的实施例HS的第二侧视图。
图12C为调制器22的实施例22HS的顶视图，其被用于分析器100的超级光谱成像分析器实施例。
图13A为调制器22的一种配置方法的示意图，该方法用于分析器100的多变量化学计量分析器实施例。
图13B为调制器22的实施例22HC，其用于分析器100的多变量化学计量分析器实施例。
图13C示出5种碳氢化合物各自的透射谱，以及用于分析器100的多变量化学计量分析器实施例的相应的最优化光谱窗口。
图14A示出了甲烷和二氧化碳的透射谱之间的关系和用于分析器100的光谱-校准分析器实施例的最优化校准光谱窗口。
图14B分别示出了获得两条标准的校准曲线，用于在3.0～4.5微米的区域内的CH4和CO2的光谱吸收特性，并用在分析器100的光谱-校准分析器实施例中。
图14C为调制器22的实施例22SC，其用于分析器100的光谱-校准分析器实施例。
图14D示出了甲烷和二氧化碳的透射谱之间的关系和优化校准光谱窗口TSC.1至TSC.4，其用于分析器100的光谱-校准分析器实施例。
图15为图1A的调制器22的实施例22FD的顶视图，该实施例与检测系统频率相关性补偿分析器一起使用。
图16A为图1的后编码器光学器件36B的实施例SP1(短通道，后编码器光学器件)。
图16B为图1的后编码器光学器件36B的实施例SP1(短通道，后编码器光学器件)的编码分量收集效率图。
图16C为图1的后编码器光学器件36B的实施例SP1(短通道)的侧视图。
图16D为图1的后编码器光学器件36B的实施例SP2(短通道)的侧视图。
图17A为辐射分析器100的编码滤波器-光度计分析器实施例的顶视图。
图17B为辐射分析器100的编码滤波器-光度计分析器实施例的侧视图。
图18为辐射分析器100的锁相噪音抑制分析器实施例的侧视图。
图19A为辐射分析器100的图形同心性分析器实施例的侧视图。
图19B为与图形同心性分析器一起使用的调制器22的一个实施例的顶视图。
为了更容易参照，下文中在各图中的特别的元件或系统的示例中所描述的实施例通常被给予复合的符号，例如本文中各图中的元件的带有小数点的数字，以及带有字母的数字。例如，100.1为下文中分析器100的一个实施例的实例中的数字，其中该实施例与分析器100的另一实施例100.2不同。36A(HS)是预编码器光学器件36的实施例。如果实施例包括多个元件，复合的符号包括图1A或本文的其它图中的元件的数字，其带有小数点和表示该元件的实施例的第一数字或字母，然后再带一个小数点和用来表示该实施例的特定元件的第二数字。例如，在实例1中，36B1.1和36B1.2分别表示图1A或本文的其它图中的后编码器光学器件36B的第一和第二元件。为了简化附图，这些复合符号并未在图1A中或本文的其它图中示出。实例中介绍的附加元件被给予独特的符号。
具体实施例方式
由于本发明可以配置为光谱分析器、图象分析器，或超级光谱图象分析器，对于下文描述中所用的某些术语和短语进行归纳是比较方便的。在下文对本发明的描述中，为了简短，我们会采用下列多功能符号1.辐射源辐射源具有光谱分量，辐射源具有空间分量，或辐射源既具有光谱分量又具有空间分量。辐射源可以是一个样品或一组样品，作为对一个或多个激励和/或检测辐射的响应，其发射、散射、透射或反射辐射。
2.辐射分量来自具有光谱信息的辐射源的辐射的一部分，来自具有空间信息的辐射源的辐射的一部分，或者来自同时具有光谱信息和空间信息的辐射源的辐射的一部分。
3.预编码器光学器件在调制器表面上形成一个或多个图象，或形成一个或多个分散图象的一个或多个光学元件。预编码器光学器件可以包括一个或多个光学纤维、波导或光管，用于将来自一个或多个远程源的辐射与分析器耦合。预编码器光学器件可以包括一个或多个开放通道和一个或多个远程反射镜。预编码器光学器件可以包括显微镜或望远镜光学器件。
4.后编码器光学器件一个或多个光学元件，其收集来自调制器的编码辐射，并引导和聚焦编码束到达一个或多个辐射检测器上。后编码器光学器件包括一个或多个光学纤维、波导或光管，用于将来自装置的编码辐射与一个或多个取样台耦合。后编码器光学器件可以包括一个或多个开放通道和一个或多个远程反射镜。后编码器光学器件可以包括显微镜或望远镜光学器件。
5.目标图象具有两个或多个辐射分量的图象，这些分量沿编码轴彼此实质上分开。目标图象的宽度为与编码轴垂直的空间长度。
6.成像收集并聚焦源辐射以形成一个或多个图象，一个或多个超级光谱图象；或者收集、分散并聚焦源辐射以形成一个或多个沿公共轴分散的图象。
7.对准分量预期的或设计的辐射分量，其和专用的滤波器和/或互补滤波器对一起使用，用来校正调制器图形上的目标图象的对准。
8.检测器一个或多个辐射检测器及相关联的电子装置。相关联的电子装置可以包括偏压电子装置，可编程增益，以及一个或多个模拟滤波器网络(如抗混淆滤波器)。
9.样品可以是任意的固体、液体或气体，如吸收、透射或散射(如反射，Raman散射，Raleigh散射)入射辐射的一种或几种气体、液体和/或固体。作为对激励辐射的一个或多个分量的响应，样品可以发射一个或几个响应辐射分量。样品可以被装在容器或单元内，或者也可以是无限制的(如大气)。
辐射分析器/编码器100图1A为多功能辐射分析器100(其可以配置为光谱分析器、图象分析器、超级光谱成像分析器或激励或探测辐射的编码源)的侧视图，为说明本发明的优选实施例，通过空间改变旋转空间辐射调制器的反射特性实现其中所选光谱或空间分量的编码。如图1A所示，分析器100包括空间辐射调制器22，其包括在调制器基底23的表面上形成的模板21，用来给来自源24的辐射编码，源24可以是宽带的或含有光谱信息的多波长的辐射源、含有空间信息的扩展辐射源，或者它们的任意组合。来自源24的输入辐射束54适宜穿过入口狭缝32，到达折叠式反射镜34，其将辐射反射到预编码器光学器件36A，其使输入的辐射成像，在调制器22上形成目标图象52，这样，52的辐射分量被实质上沿着调制器22的径向轴聚焦在不同点。如果需要实质上同时地给多个目标图象编码，可以采用附加的光学元件(未示出)，以便将两个或多个目标图象聚焦在调制器22上，并收集和引导编码束到达一个或多个辐射检测器上。
调制器基底23在电动轴42上绕旋转轴40在编码平面内旋转。优选的，调制器22包括时序子模板和/或位置标记，其中断下文所述的用于时序或对准的光学开关。优选的，该子模板包括位于不同半径的环形区域内的至少两套标记，一套标记的角度间隔是规则的，而另一套标记的角度间隔是不规则的。在这种方法中，调制器的准确的旋转角可以由计算机28确定，用于解码。调制器22在始于旋转轴40的半径上具有至少一个辐射滤波器，其对相应的辐射分量的强度进行调制(或编码)，以提供具有至少一个编码分量56的编码束(如56.1)，其中编码分量的幅度是平滑函数，或者当调制器绕轴线40旋转时在三个或更多的不同的对比水平之间变化。为了便于描述，调制器22上的空间辐射滤波器被称作反射辐射，应当了解的是在本文中的每个实施例中采用的空间辐射滤波器透射而不是反射辐射，这些变化属于本发明的范围之内。编码辐射束56(图1示出由调制器22反射)被后编码器光学器件36B向折叠式反射镜34收集、引导并聚焦，折叠式反射镜34向着出口狭缝44将编码束56反射到检测器26上。优选的，编码分量(如56.1和56.2)实质上在检测器26的表面上彼此重叠。检测器26检测编码束中不同编码辐射分量的总强度，将检测器输出27提供给计算机28。
如图1A所示，在分析器100的许多实施例中，样品38被插入光通道，介于源24和检测器26之间。在一些实施例中，样品38是装有样品气体或液体的样品单元。在一些实施例中，样品单元38具有一种或多种吸收介质37，其随时间收集被吸收的分析物。可以通过加热器39增加吸收介质37，其加热吸收介质37以使一种或多种被吸收的分析物释放。如果通过加热器39从吸收介质37中释放出的分析物被限制在样品单元38内，样品单元38内的分析物浓度增大。下文将介绍样品38、吸收介质37和加热器39的实例。
作为一种方案，分析器100包括远程检测器RD26和远程计算机RD28用于下文所述的应用。远程检测器RD26和远程计算机RD28分别与检测器26和计算机28相似，但被安装在一个或多个较远的位置。
为了清楚，选择图1A中的光学结构，因为它具有少量的光学分量。例如，如图1A所示，预编码器光学器件36A和后编码器光学器件36B被一起装入单一的光学元件。在本文的各个实施例中，还可以用另一光学结构，其涉及分开的，和更多的精细的光学系统以收集输入辐射和将其聚焦到调制器22上，并且收集和聚焦来自调制器22的编码束到检测器26上，这些变化属于本发明的范围之内。
在激励辐射发射或辐射散射样品的分析器100的实施例中，第二后编码器光学器件(如36B被36B.1和36B.2代替，在图1中未示出)可能有用。例如，36B.1被用来收集编码的激励辐射并引导编码激励束到达一个或多个样品上。作为对激励辐射的响应，样品发射或散射一个或多个响应辐射分量，而36B.2被用来收集来自被激励的样品的编码响应辐射，并引导编码响应束到达检测器26上。这样的和其它的变化属于本发明的范围之内。
优选的，对于减小装置的尺寸，将光学分量限制在一个或多个平行于调制器22的平面内的附加的光学元件(如折叠式反射镜)可能有用。优选的，本发明的光学元件实质上被安装在两个与所述的调制器实质上平行的平面内。在这种方法中，安装和光学校准过程得以简化。优选的，在两个平面中的每一个平面内，单个的光学元件被安装在单一的单块光学器件内(如通过注射成型)，以进一步简化校准过程并降低成本。
在本发明的另一实施例中，检测器26可以由光学纤维束和包括检测器RD26和计算机RC28的一些远程采样站代替。以这种方式，通过用光学纤维或其它合适的方法将编码束传送到远程测量点，可以实质上同时地进行一些远程测量。优选的，由下文所述的光学开关产生的时序信号沿着编码束发出，这样，可以正确地分析在远距离位置所采集的数据。
图1B为图1A中沿箭头1B-1B所示的入口和出口狭缝32，34的示意图。图1A还示出了xyz轴，这样沿箭头1B-1B的视图是沿着负x轴方向的。在源和入口狭缝之间或在出口狭缝44和检测器26之间可以放置样品和/或光学纤维(未示出)，以便分析。
计算机28分别包括模数转换器28.adc，子信号分离器算法28.sss(如下文所述)，解码算法28.dec，特定应用分析函数28.asf，以及模拟和数字输出28.dac和28.dig。优选的，检测器模拟输出由数模转换器(ADC)28.adc采样，该数模转换器(ADC)28.adc由具有辐射源78a和光检测器79a的第一光学开关70触发。具有辐射源78b和光检测器79b的第二光学开关将0度的基准提供给计算机，以便使输出28.adc与解码算法同步。优选的，计算机的模拟输出被用于到现有的分析装置接口协议的接口。优选的，计算机28的数字输出包括与互联网，局域网或无线网络的连接，这样，可以从中心位置监控一些远程装置。正如下文所要描述的，如本发明所介绍的一样，调制器22之上或之内的滤波器是这样的保留了最优的50％占空因数，并且计算机28能够确定每个被调制器22编码的辐射分量的幅度，而不必解方程组来求出目标图象52中的任意径向辐射强度分布。
计算机28还包括一套实用算法28.ut1，其包括马达控制算法(MCA)，电动步骤控制(MSC)，暂态信号算法(TSA)，对准校正算法(ACA)，对准跟踪算法(ATA)，频率补偿算法(FCA)，噪音搜索算法(NSA)，噪音相位锁定算法(NPL)和图形同心性分析(PCA)。下文对这些算法进行了描述。
如图1A所示，包括辐射源78c和光检测器79c的对准探头72是这样安装的由78c发射并由79c收集的对准束被调制器22上的时序标记和/或附加的位置标记局部地中断。优选的，这样安置对准束间隔角规则的标记大致遮掩了对准束的一半，而间隔角不规则的标记大致遮掩了对准束的另一半。更为优选的，对准束实质上被集中在一个或多个互补滤波器对上(如下文所述)，这样，由光检测器79c产生的信号的大小和相位直接与调制器图形相对于旋转轴40的同心性相关。最优选的，光检测器79c的大小和相位被用作制造过程中的反馈，以便正确地将调制器22对准在电动轴42上。对准探头72的模拟输出由对准跟踪算法分析，以便测量辐射滤波器相对于旋转轴的绝对位置的误差。这种位置误差可能来自调制器的制作过程(如调制器图形偏离了中心被印刷在基底上，导致周期误差)，也可能来自轴的摆动(导致动态的，周期的或非周期的误差)，或来自基底的热膨胀(导致静态的径向误差)。优选的，对准跟踪算法的输出被用作特定应用分析函数28.asf的输入，用来补偿辐射滤波器相对于旋转轴的绝对位置的误差的影响。更为优选的，对准跟踪算法的输出被用于对准校正和跟踪分析器(如图9B所示)，其动态地定位一个或多个光学元件，以便在基底23绕轴40旋转时，保持目标图象52准确对准在调制器22上。
在一些应用中，分析两个或多个的不同的光谱范围内的辐射是有用的。例如，在分析化学组成时，通过观察两个或多个不同的光谱范围内的一些光谱特征，可以提高确切性(或辨别力)。不同的光谱范围的实例包括多个光谱范围，其中最优化第一检测器类型(如PbSe)以进行第一光谱范围(如3～5微米)内的辐射检测；最优化第二类型检测器类型(如HgCdTe)以进行第二光谱范围(如8～12微米)内的辐射检测。其它不同的光谱范围的实例包括多个光谱范围，其受到一种或多种干扰气体或蒸气(或液体)的干扰，这些干扰能够不可预测地影响光谱测量的精度。周围的二氧化碳(CO2)就是一个著名的相关的例子。
图1C为分析器100的实施例的示意图，其对两个不同的光谱范围内的辐射进行编码和分析。辐射源24.SR1提供第一光谱范围内的辐射。预编码器光学器件36A.SR1收集来自源24.SR1的辐射54.SR1，并在调制器22的第一表面上形成目标图象52.SR1。后编码器光学器件36B.SR1收集并引导编码束56.SR1到达检测器26.SR1上，该检测器26.SR1提供信号27.SR1作为56.SR1的响应。检测器信号27.SR1由28.adc.1采样并由28.dec.1解码。以一种相似的方式，辐射源24.SR2提供第二光谱范围内的辐射。预编码器光学器件36A.SR2收集来自源24.SR2的辐射，并在调制器22的第二表面上形成目标图象52.SR2。后编码器光学器件36B.SR2收集并引导编码束56.SR2到达检测器26.SR2上，该检测器26.SR2提供信号27.SR2作为56.SR2的响应。检测器信号27.SR2由28.adc.2采样并由28.dec.2解码。来自56.SR1和56.SR2的被解码的分量被用作28.utl和28.asf的输入。
如图1C所示，样品36.SR1由第一光谱范围内的编码辐射探测，样品36.SR2由第二光谱范围内的编码辐射探测。在一些情况下，用两个光谱范围内的辐射检测同一个样品可能有用。这样的和其它的变化属于本发明的范围之内。
图2为其上具有四个不同的辐射强度滤波器的辐射调制器的顶视图，用于对本发明的实施例进行说明。如图2所示，调制器22A包括四个辐射滤波器50a、50b、50c和50d。这些滤波器可以在非反射性基底的顶部形成辐射反射材料的成形层，或者在反射性基底的顶部形成非反射性材料的成形层；作为选择的，这些滤波器可以在不透明的基底内形成成形辐射透射区，或者在透射性基底上形成不透明材料的成形层。为了便于描述，辐射强度滤波器被描述为反射辐射，应该了解的是在本文中每个实施例代替采用的辐射强度滤波器透射而不是反射辐射或引入相位差，这些变化属于本发明的范围之内。在调制器22A中，四个辐射滤波器50a、50b、50c和50d沿径向轴以不规则的间隔集中，并具有不同的径向宽度。在优选实施例中，辐射滤波器的径向位置、径向宽度和调制深度都相对于特殊的分析函数28.asf单独作了最优化。调制器22A还包括在规则间隔角60的一些时序标记和在不规则间隔角61的一个或多个时序标记。
优选的，时序标记是反射性的并且源78a、78b和78c以及光检测器79a、79b和79c都位于调制器的同一侧。通过这种方式，源78a、78b和78c以及光检测器79a、79b和79c可以安装在同一个PC板上。作为选择的，基底对于时序束是透射性的，并且时序标记遮挡了时序束，或者基底对于时序信号是不透明的并且时序标记被研磨或刻蚀穿过基底。因此，光检测器79b的输出可以通过连接提供给计算机28，从而标记零旋转角标记61，并且79a可以通过连接提供，以标记每个时序标记60的通道实例。这些实例可以被计算机28用于在调制器22绕旋转轴40旋转时对来自检测器26的输出进行相位敏感采样。
更为优选的，时序标记60和61以及光学开关70和71由市售的增量旋转编码器(IRE)代替，其沿旋转轴40与调制器22同轴安装。下文将描述来自IRE的信号与调制器22的旋转的同步。
辐射强度滤波器在优选的实施例中，本发明的辐射滤波器具有调制函数，其为函数sin2(mθ+pπ/4)的数字化近似或复制形式(如半色调表示)，其中m是整数。例如，滤波器50a为调制函数sin2(3θ)的数字化近似，滤波器50b为调制函数sin2(5θ)的数字化近似，滤波器50c为调制函数sin2(7θ)的数字化近似，滤波器50d为调制函数sin2(9θ)的数字化近似。如图2所示，每个辐射滤波器50a～50d的反射率或透射率作为调制器22A绕旋转轴40旋转的旋转角θ的不同函数变化。对于任一给定的调制器22A相对于目标图象50的旋转角，调制辐射的幅度由非邻近的辐射滤波器所反射(或透射)的辐射部分给定。当调制器22A绕轴40旋转时，辐射分量52a被聚焦到辐射滤波器50a的不同部分。因此，当调制器22A旋转时，通过辐射滤波器50a的与角相关的反射率，编码辐射分量52a。
如图2所示，有效区域53a包括目标图象52和环绕辐射滤波器50a的环形区域的重叠部分。(反射的或透射的)编码分量56a的相对强度由53a内50a的非邻近区域的面积和与53a的总面积的比率给定(由辐射分量52a的强度分布适当加权)。如果50a沿方位角轴Θ的最小的非邻近区域，比特区域(如像素或点)的宽度等于或小于目标图象沿方位角轴的宽度的一半，当0，1或2个相邻的比特区域(形成面积两倍于比特区域的第二非邻近区域)在目标图象52下移动时，入射辐射的强度可以以三个实质上不同的对比水平调制。这与两比特半色调技术相似，其具有的反射率(或透射率)值为{0，0.5，1}。通过利用宽度比目标图象宽度更小的非邻近区域，可以增加实质上不同的对比水平的数量。
如图2所示，调制器22A的辐射强度滤波器50a～50d类似沿方位角轴同中心的条码，当调制器22绕轴40旋转时，其被单独设计以为目标图象52的一部分编码，作为sin2(mθ)的数字化近似或复制形式(如半色调表示)。辐射滤波器50a～50d具有光学特性与基底23实质上不同的多个非邻近区域，包括一些沿方位角轴的宽度小于目标图象52的、沿方位角轴Θ延伸的空间长度。如图2所示，包括本发明的辐射滤波器的非邻近区域的总数大于在复制的平滑函数中的局部最大值的个数。例如，在{0，2π}的范围内，函数sin2(mθ)具有2m个局部最大值(即当sin2(mθ)＝1时)，而本发明的最佳模式的辐射滤波器具有最少4m个有至少两个不同尺寸、有至少两个不同区域间隔的非邻近区域，以便在相同的间隔内提供sin2(mθ)的半色调表示。对比水平的数量或灰度级实质上等于1加上目标图象的宽度与最小非邻近区域(如所选光刻术的最小特征尺寸)沿方位角轴Θ的宽度的比值。
调制器22A上的滤波器的调制函数可以沿径向和方位角方向变化。在图2的实施例中，滤波器50a～50d的调制函数只在方位角方向内变化，不在径向内变化。滤波器50a～50d中的每一个占据了一个径向宽度实质上不变的二维的环形区域。图2所示的辐射滤波器沿编码通道的径向宽度均匀地调制入射辐射的强度。因此，由绝对径向强度分布产生的调制波形扭曲在本发明中不会出现。如果目标图象52是分散图象，由滤波器50a～50d编码的光谱分量的强度被调制，而不受带宽的影响。如果目标图象52是扩展源的图象，由滤波器50a～50d编码的光谱分量被沿着扩展源的轴(其沿着调制器22的径向轴延伸)的方向调制，而不受空间分辨率(或视场)的影响。
在本发明的另一实施例中，50a～50d中所示的类似“条码”的结构连续延伸穿过辐射滤波器的径向宽度，将其中断以控制调制深度和/或增加可用的不同对比水平的数量。对于在通道连通道的基础上不受带宽(或视场/照明区域)的影响改善正交状态或控制调制深度，该实施例可以是有用的，这对于在一个或多个通道具有与总的入射辐射不成比例的大的部分的系统中平衡信号电平是有益的。优选的，辐射滤波器中连续的类似“条码”的结构被以类似“西洋跳棋盘”的图形中断，以控制调制深度和/或增加可得到的对比水平的数量，同时实质上消除由任意径向(和/或方位角)强度分布导致的(编码分量的)波形扭曲。
在优选实施例中，调制器22A上的辐射滤波器50a～50d包括实质上环绕光学特性与基底实质上不同的多个像素的环形区域。这些像素实质上在该环形区域内成形，以便主要沿方位角轴调制相应分量的强度，从而提供编码分量，其中，当基底绕旋转轴40旋转时，编码分量的幅度在三个或多个实质上不同的对比水平之间变化。并不采用上述的低反射率或透射率的基底和高反射率材料的成形层，(或在不透明基底上形成成形透射区)，可以用另一种方式构造辐射滤波器。这样可以采用反射率或透射率适中的基底。那么在滤波器中需要高反射率或透射率的区域内，形成了具有这种特点的区域(通过沉积反射层或形成透射区)，并且可以在滤波器需要这种特点的区域内沉积低反射率或不透明的材料层。
并不采用交替的高的和低的反射率或透射率的模式，还有可能用实质上正交的调制函数构建调制器，这些函数并未数字化而实际上是“模拟”的。因此，中性滤光片可以用于该目的，其中，通过将辐射反射材料溅射到非反射性的或透明的基底上形成滤波器。根据所溅射的材料的厚度(或者一个或多个半导体基底层中的掺杂浓度，如Si，Ge，GaAS)，可以控制透射或反射的量，从而获得实质上连续并且平滑的强度调制函数。在该实施例中，辐射滤波器具有沿方位角轴实质上连续可变的光学特性，并且该光学特性连续变化以调制相应分量的强度作为调制器绕旋转轴旋转的旋转角的实质上的平滑函数。
图3A示出了sin2(mθ+pπ/4)函数的可能的数字化近似51，其中的m＝1，p＝0，该图是通过用20个对比水平或灰度级将sin2(θ)向上或向下弯曲得到的。还示出了具有三个灰度级水平的sin2(θ)的数字化近似，51x。总的来说，灰度级水平越多，数字化近似就越接近理想的调制函数sin2(θ)，其用虚线50’示出。显然，理想函数50’的其它数字化近似可以被采用并属于本发明的范围之内。当不必解方程组即有可能区分不同编码分量对检测器信号的贡献时，数字化近似就是足够的，并且可以包括少而有限的数量的修正以补偿数字化的影响。
图3B示出了有限数字化对垂直正交的幅度波函数sin2(mθ+pπ/4)的影响。数据点从25通道的系统得到，其中，p＝0，且m＝1-25。通过将25个幅度统一标准，第一次给幅度解码，并随后改变单个通道的幅度并第二次给幅度解码，得以确定幅度差。平均输出误差由第一和第二解码幅度的和除以通道的个数求出。在该图中，50E.1，50E.2和50E.3为改变基频m＝1，第一谐波，m＝2，和第二谐波，m＝3的幅度，改变范围为+/-100％时所产生的误差。改变m＝11的谐波的幅度的误差也由50E.11示出。该图清楚地说明了有限数字化对调制波函数的正交性的影响。低端应用可能只需要3～10个对比水平即可满足给定的精度要求，但高端系统，其性能的优越取决于光度计的精度，可能需要100或更多的对比水平。对于要求最高的应用，下文所述的第一级修正可以被用来针对干扰修正解码幅度。
如上所述，本发明的许多优点来自于这样的事实有可能选择保持最优50％的占空因数的滤波器调制函数并且为检测器解码以获得两个或更多编码分量的各个幅度而不必解方程组。对于许多应用，当调制函数大致正交时，这是有可能的。对于一些需要非常高精度的应用，如下所述确定实质上的正交性是有益的。在实施下文所述的第一级幅度修正之后，当100％地改变第一(第二)编码分量的幅度导致100中少于一部分的第二(第一)分量的解码幅度的误差时，两个辐射滤波器的调制函数可以被认为是实质上彼此正交的。
目标图象图4A和图4B为目标图象52的示意图，其由图1A中的预编码器光学器件36A在调制器22上形成，以便对本发明进行说明。如上所述，目标图象或者是具有沿编码轴聚焦在不同点的不同的光谱分量的分散图象，或者是具有沿编码轴聚焦在不同点的不同的光谱分量的扩展图象。为了简化，在图4A和图4B中只示出了图2中的滤波器50a和50b。优选的，如图4所示，编码轴实质上沿着调制器22的径向轴R。目标图象的宽度被定义为垂直于编码轴的空间长度。
在图4A中，我们描述了这样的情况其中目标图象52是宽带或多波长源的分散图象，它的分散轴沿着径向轴R。由调制器22B编码的两个不同的光谱分量52a和52b由图4A中的不同交叉排线示出。光谱分量52a的特征在于中心波长(λ2+λ1)/2和带宽(λ2-λ1)。相似地，光谱分量52b的特征在于中心波长(λ4+λ3)/2和带宽(λ4-λ3)。宽带或多波长辐射源的实例包括黑体辐射体，白炽灯，光发射二极管，低压煤气灯，光、生物或化学激励的样品，流体中分散的荧光标记的珠子，染料激光器，半导体激光器，玻璃激光器，气体激光器，多波长光纤维，热气和/或蒸气流，炉子，等离子体，电晕放电，原子辐射以及被反射或过滤的阳光。
在图4B中，我们描述了这样的情况其中目标图象是扩展图象(即扩展源的图象)。在这种情况下，我们简单地将52a和52b定义为扩展源的两个不同空间分量，并将S1和S2定义为52a的空间边界(即视场)，将s3和s4定义为52b的空间边界(即视场)。扩展源的一个实例为异族样品，其发射、散射、透射或反射辐射作为对激励的响应。在这种情况下，空间分量52a和52b与样品组中的特定样品所发射、散射、透射或反射的辐射对应。扩展源的第二个实例为光学纤维的线性阵列。在这种情况下，空间分量52a和52b与阵列中的特定纤维所发射或反射的辐射对应。扩展源的第三个实例为经一组带通滤波器和/或分色镜，线性可变纤维，或一组关联辐射测定光电元件透射的辐射。在这种情况下，空间分量52a和52b与滤波器组中两个不同的带通滤波器所透射或反射的辐射对应，或者与线性可变纤维(或两个不同的关联辐射测定光电元件)的两个不同部分所透射或反射的辐射对应。扩展源的第四个实例为一组辐射源(如线性阵列光发射二极管或激光器二极管)。在这种情况下，空间分量52a和52b由该组辐射源中的单个源透射的辐射对应。扩展源的第五个实例为与一个或多个折射或反射光学元件(如一系列的光束分裂器)相连的一个或多个激励源，从而产生多个实质上相同的子图象。扩展源的其它实例包括半导体晶片和电路，机械组件，多模式光学纤维，多道电泳，干扰模板(如一个或多个与衍射光学器件相连的激励源，以产生每个激励源的子图象)，以及在连续区域内收集的被反射或过滤的阳光。
解码算法对于任意给定的旋转角，入射到图1A中的检测器26上的总的信号由所选择的辐射分量52a～52d产生的子信号的和决定，52a～52d依据它们相应的辐射滤波器50a～50d的与角相关的反射率独立地在调制器22上编码。通常，通过指定表达式sin2(mθ+pπ/4)(其中m是整数或整数的一半)中m和p的值，可以定义辐射滤波器。因此通常地，图1A中的检测器26所检测到的来自调制器，如调制器22A或其它本发明所述的调制器的编码束的强度通常可以由下面的方程给出。
S(θ)=ΣmΣpam,psin2(mθ+pπ4)---(1)]]>其中，S(θ)为由检测器26检测的强度，并且该总和包括与给定的调制器设计中出现的滤波器对应的所有的m和p值。在方程(1)中，am，p为已经由辐射滤波器编码的编码分量的幅度，该滤波器的调制函数是sin2(mθ+pπ/4)的数字化近似或复制形式(如半色调表示)。为了给具有绝对径向宽度和具有绝对径向强度分布的目标图象编码，本发明允许保持最优50％的占空因数并确定编码分量的幅度而无需解方程组。在方程(1)的求和过程中，特定调制器中的滤波器可以不包括与所有的m和p值的组合相对应的滤波器。这由图2的调制器22A示出，其中p值只取0，而在图5的调制器22B中，所有滤波器的m值都是3。在这样的情况下，调制器中没有出现的滤波器的幅度am，p为0。优选的，将调制器上的一列m和p的值提供给解码算法28.dec并且方程(1)中的求和仅限于这列值。优选的，该列值被编码到磁盘上，这样正确的数值列总是被28.dec采用，以便为检测器信号解码。
作为进一步的优点，本发明允许对调制器驱动系统、数据采集和解码算法使用常规化的方法。例如，电动轴42以实质上不变的频率旋转(与步进相反)，检测器模拟输出由模数转换器(ADC)28.adc采样，其由光学开关70对时序标记60作出响应触发。以不规则间隔角61响应时序标记的光学开关71将0度的基准提供给计算机28，以便使28.adc的输出与解码算法28.dec同步。因此，解码算法与方程(1)所定义的任意函数，以及调制分量的数量和特性{m，p}是相匹配的，并且解码数据要采用的具体分析函数由应用特定软件定义。优选的，与调制器上的辐射滤波器相对应的{m，p}值的列表被编码到磁盘上。
如果p和q是整数，三角函数sin2(mθ+pπ/4)遵循下面的标准正交关系∫02πdθcos(2mθ+pπ2)sin2(nθ+qπ4)=-π2δm,n(δp,q-δp,q±2)---(2)]]>可以根据下面的方程3利用三角函数的正交特性确定编码光谱分量的幅度am，pam,p=-2π∫02πdθcos(2mθ+pπ2)S(θ)---(3)]]>
第一次幅度修正由于采用三角函数sin2(mθ+pπ/4)的数字化近似或复制形式而引起的新问题就是用方程(2)描述并被上述方程(3)所采用的正交性是不精确的。因此，在一些应用中，有必要考虑干扰条件和针对来自其它通道的干扰进行修正的各个幅度，这自然导致一系列后续的更高次的修正关系am,p=am,p(0)+am,p(1)+...---(4)]]>其中0次幅度系数由下式确定am,p(0)=-2π∫02πdθcos(2mθ+pπ2)S(θ)---(5)]]>第一次幅度修正由下式给出am,p(1)=ΣnΣqAm,pn,qan,q(0)---(6)]]>其中要了解的是在对给定模式的辐射滤波器求和的过程中，不包括n＝m，q＝p的情况。
在方程(6)中，通过顺序减少或增大an，q的幅度并测量am，p(0)，可以确定矩阵元素。例如，如果我们确定δam，p(0)作为am，p(0)观察到的变化，其由外加给an，q(0)的变化am，p(0)产生，相应的矩阵元素由下式给出Am,pn,q=δam.p(0)Δan,q(0)---(7)]]>优选的，外加给an，q(0)的变化被具有狭缝或遮蔽的可移动电路模板利用，其与辐射滤波器的径向宽度相匹配，其中电路模板沿着调制器22的径向轴平移，这样入射的辐射有选择地依次从辐射滤波器透射或阻断。例如，具有螺旋型狭缝或遮蔽的圆盘，其安装在与调制器22平行的平面内，直接位于调制器22之上或之下，绕旋转轴40步进。优选的，外加给an，q(0)的变化被专用的辐射源和检测器利用，其独立地或集体地沿调制器22的径向轴平移，这样，入射辐射被调制滤波器依次有选择地调制。最优选的，专用辐射源沿径向轴的束的尺寸实质上小于调制器22上最窄的辐射滤波器的径向宽度。在这种方法中，调制分量可以彼此隔离，以便更精确地确定它们各自的谐波成分。这样的用于照明和/或隔离具体辐射滤波器的装置还可以用来为下述的二次编码器时序信号同步化产生已知的编码信号。
实际上，方程(5)中所示的积分由对M的连续求和代替，M为每次旋转数据采集(DAQ)事件(或间隔、步骤或周期)的数量。在开始时，利用旋转时DAQ间隔估计的cos(2mθ+pπ/2)的值可以定义并初始化一套解码系数(如三角法的对照表)Tm,pj=-2πMcos(4jmπM+pπ2)---(8)]]>零次幅度系数由连续信号测量与相应的解码系数的乘积的和得出am,p(0)=Σj=1MTm,pjS(j)---(9)]]>其中，S(j)为在第j个DAQ步骤从检测器读取的ADC，即来自28.adc的输出。在整个旋转的结尾，对于特定的应用如果必要，估算第一次幅度修正am,p(1)=ΣnΣqAm,pn,qan,q(0)---(10)]]>其中要了解的是在该关系中不包括当n＝m，p＝q时的求和。注意如果从上次估算修正开始，幅度没有显著改变，修正不需要重新估算。
暂态信号检测优选的，图1中的计算机包括暂态信号算法28.utl(TSA)以测量调制器22的旋转周期内发生的编码分量的幅度中的暂态值。优选的，计算机会分析暂态信号以确定它的谐波成分。在每个DAQ步骤j，28.utl(TSA)将检测器信号从一个或多个先前的检测器信号或用最后算出的由上式(9)确定的零次幅度系数求出的预期信号中减去ΔSk(j)=Sk(j)-{ΣmΣpam,p(k-1)sin2(2jmπM+pπ4)}---(11)]]>其中，Sk(j)在第k个旋转周期的第j个步骤测得的来自28.adc的输出(即检测器信号)，并且am，q(k-1)为算出的第(k-1)个旋转周期的零次幅度系数。ΔSk(j)的大小被用来检测子旋转周期时间范围内发生的一个或多个编码分量中的幅度暂态值。优选的，当ΔSk(j)的大小超过了预定的临界值时，28.utl(TSA)引导分析器操作系统增大电动轴42的速度，并且当ΔSk(j)的大小小于第二预定临界值一段预定的扩展时间周期后，28.utl(TSA)引导分析器操作系统减小电动轴42的速度。在这种方法中，电动轴42能够尽可能慢地运转，从而延长了运行寿命。最优选的，28.utl(TSA)在足够数量的DAQ周期内对ΔSk(j)进行分析以确定它的谐波成分，这反过来将被解码算法用作输入以补偿由子周期信号暂态值产生的谐波干扰。通过28.utl(MCA)和28.dac的方式经与电动轴42相连的控制信号线可以实现对电动轴42的控制。
图5为辐射调制器22B的顶视图，用来说明本发明的另一方面。调制器22B配有四个辐射滤波器50.5、50.6、50.7和50.8，其中，四个滤波器的调制函数都是上述的通式为sin2(mθ+pπ/4)的函数的数字化近似或复制形式，参见图2中的调制器22A。在图5的调制器22B中，辐射滤波器50.5和50.6的m值都为3，但p值分别为0和1。类似的，滤波器50.7和50.8的m值都为5，但p值分别为0和1。通过对方程(2)中确定的正交性关系的验证，很清楚调制器22B上的所有的四个辐射滤波器实质上彼此正交。能够分布在调制器22上的最高谐波(m值)由目标图象52沿方位角轴的宽度和选定半径的调制器22的周长决定。通过利用m值相同、p值的差为奇数的滤波器对，可以使任意给定的谐波的正交滤波器的数量翻倍。
图6为辐射调制器22C的顶视图，用来说明本发明的另一方面。调制器22C配有四个辐射滤波器50.9、50.10、50.11和50.12，它们具有m和p值相等的相同的调制函数(即(sin2(mθ+pπ/4))，但位于开始于旋转轴40的不同半径上，并且彼此分离，以便为不同的辐射分量编码。以这种方式，非邻近的辐射分量组可以被共同调制以提高分析器的信噪比。
图7是辐射调制器22D的顶视图，用来说明本发明的另一方面。调制器22D配有两个辐射滤波器对具有辐射滤波器{50.13，50.14}的55.1和具有辐射滤波器{50.15，50.16}的55.2，以及单个的未成对的辐射滤波器50.17。在调制器22D中，滤波器对55.1和55.2被配置来分别测量入射到具有对{50.13，50.14}和{50.15，50.16}的两个滤波器上的辐射强度的差。包括每个滤波器对的滤波器的调制函数是互补的或异相的，这样，编码分量的幅度和相位由入射到两个滤波器上的辐射的相对比例决定。在调制器22D中，滤波器的调制函数都是通式为sin2(mθ+pπ/4)的数字化近似或复制形式。对于形式为sin2(mθ+pπ/4)的调制函数，当包括一对滤波器的两个滤波器具有相同的m值和不同的p值时，出现互补形式，其中p值的差为偶数。
参看图7中的55.1，滤波器50.13和50.14彼此相邻。以这种方式，由55.1产生的信号实质上等于相对于径向位置的强度分布在边界半径处的估算的导数，BR.1。在一实施例中，通过平衡入射到50.13和50.14上的辐射的强度，由滤波器对50.17产生的编码分量的幅度为空或零。
参看图7中的55.2，滤波器50.15和50.16彼此沿径向轴分离。产生的编码分量的幅度和相位由入射到两个滤波器上的辐射的相对比例确定。以这种方式，可以直接测量沿径向轴分离的两个辐射分量的强度差。在许多应用中，分析函数28.asf用相应的绝对强度使一个或多个强度差标准化。在调制器22D中，滤波器50.17被配置用来在50.15和50.16之间的中点处提供绝对强度。50.17的调制频率(m值)被选择为远高于55.2的调制频率，这样，利用检测器26和模数转换器28.adc之间的适当的电子带通滤波器28.bpf，可以过滤掉来自50.17的信号。优选的，图1中的电子带通滤波器28.bpf具有可编程的带通，这样，来自50.17的信号能够根据需要被切换进入或离开通向28.adc的信号通道。以这种方式，由滤波器50.17编码的辐射的绝对强度可以在校准周期内测量并被用于使由互补对55.2编码的强度差异标准化(如增大装置的速度，分辨率，和/或保持28.adc的动态范围)。或者，来自检测器26的信号可以用不同的电子带通滤波器分离成为两个信号通道，并且第一ADC可以被用来测量由55.2编码的分量而第二ADC可以被用来测量由50.17编码的分量。
图8为调制器22E的顶视图，用来说明本发明的另一方面。调制器22E配有两个辐射滤波器对55.3和55.4，用来测量入射到具有该对的两个滤波器的辐射强度的差。调制器22E还配有两个未配对的辐射滤波器50.22和50.23，分别用来测量入射到环绕55.3和55.4的环形区域的辐射强度的和。由55.3和55.4产生的编码分量彼此正交，并且由50.22和50.23产生的编码分量也彼此正交。在图8中，55.3和50.22占据了同一环形区的不同环形段，55.3占据了调制器22E的上半部分(即介于0到180度之间的环形段)，而50.22则占据了调制器22E的下半部分(即介于180到360度之间的环形段)。相似地，55.4和50.23占据了同一环形区的不同环形段，55.4占据了调制器22E的上半部分，而50.23则占据了调制器22E的下半部分。当调制器22E逆时针旋转时，在旋转的第一个半周期内，目标图象52由55.3和55.4编码；在旋转的第二个半周期内，由50.22和50.23编码。优选的，计算机28利用子信号分离器算法28.sss将检测器信号分离成两个分别与{55.3，55.4}和{50.22，50.23}对应的子信号。这两个子信号由解码算法28.dec处理以确定编码分量的幅度。优选的，两个滤波器对(55.3和55.4)和两个未配对的辐射滤波器(50.22和50.23)各自被唯一的编码函数编码，以提供四个具有25％占空因数的实质上正交的编码分量。以这种方式，可以实质上同时测量相对于在边界半径处计算的径向位置的强度分布的导数和每个编码辐射分量的总强度。调制器22E完全包括了基于调制器22的一个或多个不完整旋转周期的调制函数的特殊实例。
调制器22E的环形区域、环形段以及辐射滤波器和滤波器对的配置是为说明选择的，并不意味着限制了本发明的范围。对于辐射滤波器和滤波器对，具有不同环形区域、不同的环形段、不同的径向位置和/或径向宽度的其它配置也属于本发明的范围之内。
对准校正和跟踪分析器图9A示出了移动一个或多个预编码器光学器件36A的元件对于调制器22上的目标图象52的聚焦和位置的影响。为了简化，我们将“目标图象52对准在调制器22上”定义为包括i)目标图象52聚焦在基底23的表面上，和ii)目标图象52定位在调制器22上。因此，如图9A所示，当折叠式反射镜34在位置34(1)时，目标图象52’没有正确对准，但当折叠式反射镜34在位置34(2)时，目标图象52在调制器22的表面上正确对准。作为对周围温度变化的响应，36A的不同元件和安装固件的膨胀或收缩可能会引起调制器22表面上的目标图象52的对准出现不必要的变化。调制器22表面上的目标图象52错排的另一个原因是调制器的半径作为温度的函数发生变化。
在分析器100的另一实施例中，对准校正和跟踪分析器，可以控制一个或多个光学元件的位置以修正系统中的对准误差。为此，折叠式反射镜34被安装在活动台上。优选的，活动台由一个或多个由28.ADC驱动的致动器控制，以便将折叠式反射镜移到位置34(2)，这样，目标图象52被正确对准在调制器22上。
图9B为对准校正跟踪分析器的示意图，其中，折叠式反射镜34的位置由活动台35控制。优选的，活动台25完全包括一个或更多个致动器，以便沿一条或多条轴平移折叠式反射镜34。优选的，移动台35完全包括两个或多个致动器以便沿着和/或绕着一条或多条轴平移折叠式反射镜34。以这种方式，通过适当的控制信号，活动台35能够被用来给折叠式反射镜34定位，以便将目标图象52正确地对准在调制器22上。
对准校正机械装置包括一个或多个对准分量(或通道)的解码幅度和相位，对准校正算法28.utl(ACA)，一个或多个将解码幅度与调制器22上的目标图象52的对准联系起来的校准曲线，数模转换器28.adc，电压控制的活动台35和折叠式反射镜34。
对准跟踪机械装置包括时序标记60和61和/或对准标记62，对准探头72，对准跟踪算法28.utl(ATA)，硬件驱动器28.drv，活动台35和折叠式反射镜34。优选的，折叠式反射镜34被安装在活动台35上，其包括一个或多个致动器，以便将折叠式反射镜34定位，从而使目标图象52准确地对准在调制器22上。
对准跟踪算法28.utl的输入是对准探头72响应时序/定位标记60，61和/或62(或优选的，下述的一个或多个互补滤波器对)和调制器22的旋转的输出。对准跟踪算法28.utl(ATA)分析对准探头72的输出以检测基底23上的轴向摆动、振动或调制器的错排。优选的，对准跟踪算法28.utl(ATA)产生(或计算)一个或多个跟踪系数，其随后由特定应用函数28.asf使用来补偿检测到的基底23上的轴向摆动、振动或调制器的错排。优选的，对准跟踪算法28.utl(ATA)产生对移动台35的控制信号，以便动态地放置折叠式反射镜34(和/或其它光学元件)以保持目标图象52的正确对准。最优选的，在制作过程中，28.utl(ATA)的输出可以被用来将反馈提供给组装技术员。以这种方式，调制器22上的编码模式相对于旋转轴40的同心性可以被优化，从而使对于特定的应用，随后的对准跟踪变得不必要。
对准校正算法28.utl(ACA)的输入为一个或多个对准分量的解码幅度。为了对准，组装到一个或多个对准通道内的专用滤波器和互补滤波器对可以被用于图9所述的分析器中。图9C示出了具有辐射滤波器和滤波器对的调制器22的一个可能的实施例，其包括两个信号通道和两个对准通道。在调制器22F中，辐射滤波器50.24和50.25的径向位置与目标图象52中的两个预期的对准分量的垂直径向位置对应。对准分量的实例包括两个或多个不连续荧光样品的子图象，光学纤维阵列中专用的基准纤维，样品的分散或过滤光谱特征，一个或多个光学元件(如滤波器的边缘)中的分散或过滤光谱特征。辐射滤波器50.24和50.25分别由辐射滤波器对55.5和55.6限制。辐射滤波器55.5和55.6由具有互补(如位相相差180度)调制函数的辐射滤波器组成，这样，产生的编码对准分量的幅度和相位由入射到两个滤波器上的辐射的相对比例确定。优选的，具有55.5和55.6的滤波器的位置和径向宽度被配置为当目标图象52准确对准在调制器22F上时，在两个编码对准分量中产生特征幅度和相位。最优选的，当目标图象52准确对准时，经过55.5和55.6的强度分布将编码对准分量的幅度降为零。目标图象52的对准中的任何误差都会导致一个或多个编码对准分量中的特征幅度和相位。以这种方式，55.5和55.6中的信号分别提供了对基底23和调制器22F上的目标图象52的聚焦误差和位置误差的大小和方向的校准数据。优选的，通过精确地分别把目标图象52的聚焦和位置在基底23和调制器22F上解谐，(如用活动台35)，并记录编码对准分量产生的幅度和相位，可以产生一条或多条校准曲线。更为优选的，对准校正算法28.utl(ACA)输入当前对准分量的幅度和相位并利用校准曲线产生一个或多个校准系数，其随后由特定应用函数28.asf使用来补偿对准误差的影响。最优选的，28.utl(ACA)将当前对准与校准曲线相比，以产生对活动台35的控制信号，以便使折叠式反射镜34(和/或其它光学元件)定位，以保持目标图象52准确对准。在制作过程中，对准校正算法28.utl(ACA)的输出可以被用来提供反馈给组装技术员。仅仅通过使由50.24和50.25产生的编码分量的幅度最大，即可获得目标图象52沿着调制器22的方位角轴的准确对准。
选择图9B所示的对准校正机械装置和对准跟踪机械装置的共同分量用来说明，并不意味着限制本发明的范围。利用独立的(或多个独立的)输入源，硬件驱动器，活动台，致动器和光学元件的其它的配置也属于本发明的范畴。在前面的描述中，选择折叠式反射镜34用来说明，要了解的是为了对准，可以控制其它光学元件的安装，包括入口狭缝32、出口狭缝44，预编码器光学器件36A，后编码器光学器件36B，检测器26和调制器22的不同组合，这也属于本发明的范畴。选择调制器22F中的辐射滤波器用来说明，要了解的是对于对准，其它滤波器对和滤波器的组合也是有益的，并属于本发明的范畴。特别地，图7和图8分别示出的调制器22D和22E的不同方面对于对准是有益的。上述的校正和对准机械装置对于本发明的所有实施例都适用。
交错激励分析器300在一些应用中，可能希望测量样品对于两个或多个不同激励辐射分量的响应。激励辐射分量的实例包括一组不同的激光，多线激光或与用来分离发射线的衍射性或折射性光学器件相连的低压煤气灯，光学纤维，或灯/滤波器组合。样品的实例包括多道/多毛细电泳，以及一组按线性阵列排列的不同的荧光发射(或Raman散射)样品。这样的和其它的激励分量和样品的实例属于本发明的范畴。在一些情况下，还可能希望实质上同时地测量样品对两个或多个不同的激励分量的响应。例如，一些样品被激励辐射改变，使得一系列的激励/响应测量的结果可能根据外加激励分量的顺序变化。另一实例就是在工业生产液流中流动的样品(如电泳、流体血细胞计数器、水或天然气)，其中在测量处的滞留时间不足以连续地进行激励测量。另一实例为经历化学动力学的样品的激励分析。下文所述的交错激励分析器，如图10所示，允许实质上同时地测量作为两个或多个不同激励分量的响应、来自样品的被发射、散射、透射或反射的辐射。
图10A为分析器300的示意图，其包括图1中的分析器100和实质上同时地以两个或多个不同激励辐射分量激励辐射发射样品的交错机械装置。在图10A中，一个或多个激励源(未示出)提供具有两个不同激励分量EX1和EX2的激励辐射。在分析器300中，当调制器322绕旋转轴340旋转时，激励分量EX1和EX2实质上沿光学通道P1和P2顺序地(如交错地)被导向样品324。优选的，在任意给时序刻，激励顺序实质上防止了不只一个激励分量到达样品324。优选的，可以用可调衰减器来预先处理或预先设定激励分量的强度。作为对编码激励束的响应，样品324发射，透射，反射或散射辐射响应束，其包括至少两个响应分量。响应束由预编码器光学器件36A成像，以形成目标图象352，其具有沿调制器322的径向轴实质上聚焦在不同点的响应分量。调制器322具有至少两个辐射滤波器，其位于开始于旋转轴340的不同半径上，用来为响应束编码以提供编码响应束。优选的，目标图象352与辐射滤波器对准，这样编码分量具有和响应分量实质上一对一的响应。更为优选的，编码响应分量的幅度实质上是平滑函数或当调制器322绕旋转轴340旋转时在三个或多个实质上不同的对比水平之间变化。更为优选的，编码响应分量的幅度实质上彼此正交。最优选的，编码响应分量的幅度都是通式sin2(mθ+pπ/4)的数字化近似。编码响应束被后编码器光学器件收集、引导并聚焦到检测器26上。作为对编码响应束的响应，检测器26将输出提供给计算机28上的模数转换器(ADC)28.adc。如图1A所示，计算机28包括子信号分离器算法28.sss，其被分析器300用来作为对编码响应束的响应、由检测器26产生的基于时间的信号分离成两个子信号，其分别与EX1和EX2产生的编码响应束对应。子信号随后被解码算法28.dec独立地分析以提供作为激励分量的函数的编码响应的幅度。
如果样品324是具有多个所选的响应分量的单个样品，分析器300允许人们实质上同时地测量作为激励分量的函数的所选响应分量。如果样品324是一组样品并且响应分量是具有所需的光谱信息的空间分量(如多道，多染料电泳或多染料荧光分析物)，通过在光学元件36B和检测器26之间插入分光计或其它波长过滤装置并扫描透射到检测器26的辐射的波长，可以确定响应分量的光谱特性。更为优选的，分光计或其它波长过滤装置被用来引导编码束的一些所选的光谱分量到达同样数量的检测器。最优选的，计算机28包括足够数量的模数转换器(ADC)和解码算法28.dec，这样，能够实质上同时地分析由检测器作为对编码束的响应产生的信号。
图10B示出了与分析器300一起使用的调制器22的可能的实施例。调制器322包括一套分别集中在R1和R2的叉排的光学通道64.1和64.2。64.1和64.2交替地允许辐射分量EX1和EX2透射，这样，在任意给时序刻，只有一个激励分量发出的辐射入射到样品324上。优选的，当时序标记60(其中每隔一个通道是开放的)和两个环形区域内的开放通道的相对相位是这样一次只开放一个通道时，叉排的光学通道具有相同的分辨率。这些通道可能仅仅是不透明基底中的透射区域或非反射性或透明基底中的反射性区域。辐射响应束被收集并聚焦以便沿着调制器322的径向轴形成目标图象352，这样，响应分量沿着调制器322的径向轴被聚焦在不同的点上。响应分量由调制器322上的四个空间辐射滤波器50.26、50.27、50.28和50.29编码以提供编码响应束。优选的，当调制器322绕旋转轴340旋转时，用来给响应束编码的322的每个调制函数是平滑函数或是具有三个或多个不同对比水平的平滑函数的数字化复制形式。更为优选的，编码响应分量的幅度实质上彼此正交。最优选的，实质上根据形式为sin2(mθ+pπ/4)的函数调制编码响应分量。
在图10A和图10B中，激励分量以及编码辐射器的光学结构和数量是为了清楚而选择的。要了解的是激励分量和辐射滤波器的任意数量属于本发明的范畴。其它涉及分离、更加精细的光学元件或光学系统以收集并聚焦入射辐射到调制器322上并收集和聚焦来自调制器322的编码束到达检测器26的其它光学几何结构可以在本发明的每个实施例中被采用，并且属于本发明的范畴。为了清楚，选择调制器322的透射模式，要了解的是具有反射性调制器的相似装置属于本发明的范畴。
在图10A和图10B中，调制器22的叉排的光学通道64.1和64.2被用来引导激励分量以交错的顺序到达样品324。该交错机械装置可以被来自计算机28、到达一个或多个引导激励分量到达324的可控通道装置的交错顺序的控制信号(未示出)代替。可控通道装置的实例包括可设定地址的遮光器，活动镜和可控电源。在这种情况下，计算机28将产生到达一些可控通道源的控制信号，作为对一个或多个光学开关(如光学开关70，71和/或72)的响应，以引导激励分量实质上顺序地到达样品324。
参看图9，对于上述的分析器300，一个或多个光学元件的位置可以被控制以便将目标图象3 52对准到调制器322上。优选的，样品324包括一些对准分量(如一个或多个已知的荧光素，一个或多个光发射二极管，或者一个或多个光学纤维，其具有在324内的已知的空间位置处分布的已知的光谱输出)并且调制器322包括一些对准通道以提供输出给对准校正算法28.utl(ACA)。优选的，28.utl(ACA)产生一个或多个校正系数，其随后由特定应用函数28.asf使用来补偿对准误差的影响。更为优选的，28.utl(ACA)产生一个或多个控制信号以便使一个或多个光学元件定位，从而将目标图象325准确对准到调制器322上。更为优选的，对准空间分量还具有已知的光谱激励/发射特性，用于校正波长过滤装置或波长分离装置。
不完整旋转周期的谐波调制器22A-22D所用的编码函数是基底23的不完整旋转周期的谐波。在另一实施例中，对于减少不同的硬件项目，释放微处理器资源，使外部机械装置的运动同步，测量强度分布的位置和强度并提高分析器的空间或光谱分辨率，不完整旋转周期(如一个环形区域内的环形段内的辐射滤波器)的谐波是有益的。对于下文的讨论，我们定义不完整旋转周期的谐波包括由辐射滤波器产生、具有实质上重复的模式的编码函数，其在限定的环形段内具有整数个周期(或半周期)。不完整旋转周期的谐波的通式由sin2(mθ’+pπ/4)表示，其中θ’为将环形段的方位角长度与调制器22的完整旋转周期联系起来的压缩角。图8的调制器22E为一个实例，其利用以两个不完整旋转周期为基础的调制函数来测量已经成像的辐射分布的强度和径向位置(或者沿调制器22E的径向轴的强度导数)，从而提高了分析器100的测量能力。在图8所示的实例中，角θ’被压缩了2的因数，因为环形段是调制器22E的半个旋转周期。
在调制器22的另一实施例中，通过用光学开关70产生的信号上的简单暂停代替来自关学开关71的信号，不完整旋转周期的谐波可以被用来减少调制器22和光学开关71上的时序标记61。图11A为辐射调制器的顶视图，其包括基于不完整旋转周期的谐波的辐射滤波器。如图11所示，辐射调制器22DZ具有四个辐射滤波器50.30、50.31、50.32和50.33，它们是以旋转角θi为起点、旋转角θf为终点(即，θi和θf确定了环绕50.30、50.31、50.32和50.33的相应的环形区内的环形段)的不完整旋转周期的谐波。在θi和θf之间，调制器22DZ包括没有辐射滤波器的被动区。为了清楚，我们定义有效周期为完整旋转周期的一部分，其中目标图象52正在被调制器22上的辐射滤波器调制，并且我们定义被动周期为完整旋转周期的一部分，其中目标图象52没有被调制器22上的辐射滤波器调制。优选的，调制器22DZ上的时序标记60是这样排列的在被动周期，光学开关70没有产生ADC激发事件。
为了采用调制器22DZ，将调整辐射分析器100的解码算法28.dec，以减少来自光学开关71的输入并包括时序器，其提供用于测量光学开关70作为对时序标记60的响应，所产生的ADC激发事件之间的实耗时间的基础。ADC激发事件之间的实耗时间将被用来计算平均ADC激发事件周期。解码算法28.dec包括函数，当从上一个ADC激发事件以来消耗的时间大于平均ADC激发事件周期时，该函数会产生ADC暂停事件。优选的，调制器22DZ是这样配置的在被动周期内发生ADC暂停事件。ADC暂停事件被计算机28用来使解码算法28.dec与来自28.adc的输出同步。以这种方式辐射分析器100的成本和复杂性都大大降低。
当每个旋转周期都要进行计算机时间集中算法时，与被动周期相结合的不完整旋转周期的谐波还可能是必要的，否则会影响数据收集和解码工作。例如，在分析器100中，在不完整旋转周期采集数据，并且在被动周期运行特定应用函数28.asf。以这种方式，可以在每个旋转周期运行28.asf而不必跳过数据采集周期。
与被动周期相结合的不完整旋转周期的谐波在一些应用中是有益的，其中，在调制器22的每个旋转周期一个或多个光学元件被重新定位以便从中选择两个或多个不同的光学通道。例如，分析器100被配置用来测量扩展源的空间分量并且分光计被插到检测器26之前以隔离空间编码信号的某个特定的空间分量。每个旋转周期分光光栅步进一次，达到被动周期内的下一个波长。优选的，被动周期足够长，这样，在重新启动DAQ之前，光学元件的任何残留运动被控制在可以接受的水平。以这种方式，经过较少数量的旋转周期即可画出每个空间分量的光谱特性。另一实例就是分析器100被配置用来测量扩展源的光谱分量，并且反射镜或其它的光学元件被安装在移动台上以便沿着一个或多个空间轴隔离扩展源的特定部分。在被动周期内，每个旋转周期移动台步进一次。以这种方式，经过较少数量的旋转周期即可画出扩展源的空间和光谱特性。另一实例就是分析器100被配置用来测量二维扩展源沿第一空间轴的空间分量，并且反射镜或其它的光学元件被安装在移动台上以便沿着第二空间轴隔离扩展源的特定截面部分。每个旋转周期移动台步进一次，以便在被动周期内隔离扩展源的下一个特定截面。以这种方式，经过较少数量的旋转周期，即可得到扩展源的二维图象。
在分析器100的另一实施例中，两个或多个不完整旋转周期的谐波可以结合在一起，以增加编码通道的数量而无需增加编码束中的谐波的数量。以这种方式，编码束的总调制带宽以及相应地，检测器26产生的信号的带宽能够被减到最小。图11B示出了两种提高目标图象52的编码的空间分辨率的方法。调制器22G包括两套辐射滤波器，其为不完整旋转周期的谐波。辐射滤波器50.34和50.35是旋转周期的第一半的谐波，而辐射滤波器50.34’和50.35’是旋转周期的第二半的谐波。辐射滤波器50.34和50.34’(50.35和50.35’)具有相同的相位和频率。而且，辐射滤波器50.34和50.34’(50.35和50.35’)具有相同的径向宽度。如图11B所示，辐射滤波器50.34’沿着径向轴相对于辐射滤波器50.34的距离大于或等于径向宽度，并且辐射滤波器50.35’沿着径向轴相对于辐射滤波器50.34的距离小于径向宽度。因为这样，不同的编码通道的总数量是4，并且不同编码频率和相位的总数量是2。为了采用调制器22G，辐射分析器100的子信号分离器28.sss将编码信号相应于调制器22G的旋转周期的第一半和第二半分别分离成两个子信号27.1和27.2。27.1由解码算法28.dec处理以产生由50.34和50.35编码的分量的幅度，并且27.2由解码算法28.dec处理以产生由50.34’和50.35’编码的分量的幅度。以这种方式，用两个编码函数可以确定目标图象52的四个径向部分。
在前面的讨论中，为了清楚，选择了不完整旋转周期和被动周期的数量、每个不完整旋转周期中的滤波器的数量，以及包括不完整旋转周期(如径向位置，径向宽度和对向的角度)的环形段的结构，并不意味着要限制本发明的范围。
超级光谱成像分析器在一些应用中，有必要测量一些不连续辐射发射样品的有限集合的一些光谱分量。辐射发射样品的集合的实例包括多染料、多毛细(或多道)电泳，多染料、多样品荧光分析物，以及具有来自远程采样点的光谱分量的光学纤维的线性阵列。典型地，为此，采用了与光学器件相连的CCD相机，这些光学器件为沿第一轴的空间信息和沿第二轴的空间信息作投影图。如果用光电倍增管(PMT)和多通道光学编码器代替CCD相机，可以实现成本和性能的显著优势。
图1所示的分析器100的另一实施例，超级光谱成像分析器被配置来实质上同时地测量分别从两个或多个辐射发射样品选择的多个光谱分量。辐射源24是一组两个或多个辐射发射样品，每个所述样品发射多个选择的光谱分量中的辐射。源24发射的辐射由预编码器光学器件36A(一维超级光谱成像光学器件)成像，以便在调制器22上形成目标图象52。目标图象52包括多个沿调制器22的公共径向轴实质上彼此分离的光谱分量(分别选自每个辐射发射样品)。调制器22包括一些辐射滤波器，以便给目标图象52编码，从而提供具有两个或多个编码分量的编码束。优选的，目标图象52对准所述的辐射滤波器，这样，所述的编码分量与所述选择的光谱分量实质上有一对一的对应。编码束被后编码器光学器件36B收集，引导和聚焦道检测器26上。计算机28随后分析检测器26响应编码束所产生的信号，以确定编码分量的幅度。
图12A和图12B分别为预编码器光学器件36A的实施例HS，36A(HS)的顶视图和侧视图，其被用来为辐射发射样品24.HS.1和24.HS.2的分散光谱分量沿着公共编码轴Xe作投影图。如图12A和图12B所示，预编码器光学器件36A(HS)包括两个收集透镜，36A(HS).C.136A(HS).C.2，单个衍射光栅36A(HS).DG，以及两个聚焦透镜，36A(HS).F.1和36A(HS).F.2。收集透镜，36A(HS).C.136A(HS).C.2实质上沿公共收集轴Xc安装。收集透镜被安装以校准由两个沿公共样品轴Xs排列的辐射发射样品24.HS.1和24.HS.2发射的辐射。经过校准的辐射束由衍射光栅36A(HS).DG衍射，并被聚焦透镜36A(HS).F.1和36A(HS).F.2(实质上沿公共聚焦轴Xf排列)聚焦，以便大致在一个公共编码平面内形成两个分散图象52.HS.1和52.HS.2，各自的分散轴实质上沿着公共编码轴Xe。通过预编码器光学器件36A(HS)，分别与来自样品24.HS.1和24.HS.2的辐射对应，目标图象52.HS包括两个分散图象52.HS.1和52.HS.2，其实质上沿编码轴Xe彼此分离，并且每个图象具有与编码轴Xe方向一致的各自的分散轴。
如图12B所示，衍射光栅36A(HS).DG的平面是倾斜的，并且聚焦透镜36A(HS).F.1和36A(HS).F.2的位置被调整为引导零次非衍射辐射离开优选的束通道。如图12A所示，预编码器光学器件36A(HS)包括一个或多个带通滤波器36A(HS).BPF，以防止两个分散图象彼此交叠。如果样品24.HS.1和24.HS.2被激励辐射激励，优选的，带通滤波器36A(HS).BPF在激励辐射的波长具有有限的透射，这样，激励辐射的子图象能够被用于对准。在本发明中，预编码器光学器件36A(HS)将与图12C所示的调制器22HS一起被使用，即编码轴Xe位于该平面内，并沿着调制器22HS的径向轴R。但是，预编码器光学器件36A(HS)还能够与线性检测器阵列，扫描狭缝，或可设定地址的空间光调制器一起使用。预编码器光学器件36A(HS)的这些和其它的变化及应用属于本发明的范畴。
图12C为调制器22的实施例22HS的示意图，其和预编码器光学器件36A(HS)一起被用于超级光谱成像分析器。调制器22HS包括两组辐射滤波器55.HS.1和55.HS.2，用于分别给两个辐射发射样品24.HS.1和24.HS.2的分散图象编码。每个子图形包括一些用来测量来自每个样品的挑选的光谱分量的辐射滤波器。而且，为了校正和对准，每个子图形包括互补滤波器对，其位于(在每个辐射发射样品中期望的)对准光谱分量的预期的径向位置。对准分量的实例包括散射激励能，Raman线，以及一个或多个光学元件中的光谱特征。优选的，来自两个滤波器对的信号被用作对准校正算法28.utl(ACA)的输入，其反过来，产生一个或多个控制信号以使一个或多个光学元件定位，以便将目标图象52对准在调制器22HS上。
在超级光谱成像分析器中，有两个显著的竞争编码策略1)以光谱分辨率为代价，分离子图象以获得更高的信号水平；或2)以信号水平为代价，使子图象交错以获得更高的光谱分辨率。如果需要更高的光谱分辨率，可以在源24.HS(24.HS.1和24.HS.2)和检测器26之间插入多带通滤波器，从而允许分散的子图象以更高的光谱分辨率互相交错。但是，这种提高了的光谱分辨率是以信号水平为代价的，其被多带通滤波器降低。
在图12A，图12B和图12C中，为了清楚，选择了辐射发射样品的光学结构和数量、光学元件、以及辐射滤波器(和滤波器对)的数量和结构，要了解的是辐射发射样品，光学元件，辐射滤波器和互补滤波器对的任意数量属于本发明的范畴。
交错激励编码器在一些应用中，可能希望测量样品对两或多个不同激励辐射的分量的响应。激励辐射源的实例包括一组不同的激光，多线激光或与用于分离发射线的衍射性或折射性的光学器件相连的低压煤气灯，光学纤维，或灯/滤波器组合。样品的实例包括多道/多毛细电泳，以及一组按线性阵列排列的不同的荧光发射(或Raman散射)样品。这样的和其它的激励分量和样品的实例属于本发明的范畴。在一些情况下，还可能希望实质上同时地测量样品对两个或多个不同的激励分量的响应。例如，一些样品被激励辐射改变，使得一系列的激励/响应测量的结果可能根据外加激励分量的顺序变化。另一实例就是在工业生产液流中流动的样品(如电泳、或细胞流血细胞计数器)，其中在测量处的滞留时间不足以连续地进行激励测量。下文所述的交错激励编码器(提供多组编码激励束，包括从两个或多个激励源到一组样品的辐射)允许实质上同时地检测来自样品的、作为对两个或多个不同激励分量的响应的被发射、散射、透射或反射的辐射。
交错激励编码器把包括两个或多个编码激励束的两个或多个激励组提供给一组样品中的两个或多个样品。交错激励编码器包括分析器100的大部分元件和激励交错光学器件。激励交错光学器件包括预编码元件和后编码元件。激励交错光学器件的预编码元件利用一个或多个衍射性、折射性或反射性的元件(或各元件的不同组合)产生(来自每个辐射源的子图象阵列)两个或多个辐射源(如激光线，单独的激光，二极管，灯/滤波器组合)的多个子图象，这样，所述的两个或多个辐射源的子图象在一个编码平面(即RGB-RGB-RGB-RGB，其中，R、G和B分别与长的、中等的和短的波长的激光的子图象对应)内沿编码轴交错。多通道编码器(如分析器/编码器100)用实质上唯一的调制函数为每个子图象编码以产生具有多组编码激励分量的编码交错激励束，其中，所述的组包括来自每个所述的辐射源的编码分量(如RGB包括一组)。或者，还可以将交错光学器件放置在编码器之后。在这种情况下，可以编码为RRRR-GGGG-BBBB并且交错光学器件可以从编码束中构建出激励组(RGB)。激励交错光学器件的后编码元件(如一组物镜，其中物镜的数量与样品的数量大致相等)聚焦每个所述组到样品组中的相应样品上。优选的，包括特定组的编码束的子图象被聚焦到相应样品的一个公共点上。优选的，无需改变样品上聚焦点的尺寸，即可对子图象的强度进行编码。优选的，沿着样品上的一条或多条轴用实质上均匀的空间照明度对子图象的强度进行编码。
对应于编码激励辐射，样品组中的样品发射、散射、透射或反射响应辐射。在绝大多数情况下(如在线性近似中)，用与相应的编码激励束的强度调制函数实质上一样的强度调制函数为响应辐射编码。对应于激励辐射，每个所述的样品发射或散射一个或多个辐射响应分量(或束)。优选的，编码激励束组的阵列与样品组对准，这样，在特定的编码响应分量和特定的样品/激励组合之间存在实质上一对一的对应(即，对于每个激励源，每个样品发射或散射一个编码响应束，避免了由于一个编码激励束激发了不止一个样品而产生的激励色度干扰。通过在样品组的样品之间放置辐射阻挡障碍物可以实现该目的。)。编码响应束被后编码器光学器件36B收集，引导并聚焦到检测器26上，并且由检测器响应编码响应束而产生的信号由计算机28分析，以确定编码分量的幅度。
如果应用需要，可以通过在后编码器光学器件36B和检测器之间插入分光计或其它波长过滤装置和扫描透射到检测器的辐射的波长测量编码响应分量的光谱特性。更为优选的，分光计或其它的波长分离装置被用来引导编码束的一些被选择的光谱分量到达相同数量的检测器。最优选的，计算机28包括足够数量的模数转换器(ADC)，这样，能够实质上同时地分析由检测器响应编码束产生的信号。以这种方式，可以实质上同时地测量一组样品对一个或多个激励辐射源的响应的光谱特性。
二次编码器时序信号同步化将多功能辐射分析器100中由光学开关70和71产生的时序和复位信号用市售的增量旋转编码器(IRE)代替是有益的。IRE是一种耐用的良好技术，其提供与旋转对应的增量信号(事件，中断)和复位信号(事件，中断)。IRE安装在轴电动机42上，通过将IRE的增量信号和复位信号提供给触发映射算法28.tma，IRE与计算机28相连，其将软件产生的触发事件输出给28.adc并把解码算法复位事件输出给28.dec。这种方式的一个复杂性在于补偿介于IRE的复位信号和调制器22的零角位(即由调制器模板22定义的零度的相对位置和IRE上的复位位置)之间的相对角偏移。该问题的一个解决方法就是采用一比特函数发生器，其由IRE增量信号计时(提供时间基础)并且由IRE复位信号触发(确定产生的函数的起点)。一比特函数发生器的输出为28.adc提供触发信号并且为28.dec提供复位信号。利用来自IRE的增量输出作为28.adc的触发器并利用来自IRE的复位信号确定数据采集间隔的起点和终点，通过分析对检测器26产生的信号采样获得的波形，可以确定一比特函数发生器的模式。通过曲线拟合成预期的波形(如，IRE的复位信号和调制器22上的图形之间的相位变化为0时，在调制器22的完整旋转周期内，在IRE间隔采样的检测器26的理想输出)，波形(即在调制器22的完整旋转周期内，来自检测器26的输出)被分析，以确定IRE复位和调制器图形22上的一个或多个子图形之间的相对相位。在这个同步化步骤中，辐射源可以是与用来隔离一个或多个已知的编码分量的强度电路模板相连的基准灯。优选的，同步化步骤在调制器22上采用专用的辐射源，专用的检测器和一个或多个专用的基准滤波器以便为分析提供已知的基准波形。(如，为了分析，用于照明和/或隔离上述的一次幅度修正中的具体的辐射滤波器的系统可以被用来提供已知的检测器信号。)一旦确定了IRE和调制器22之间的相对相位，可以建立来自IRE的触发和复位信号和到达28.adc和28.dec的适当的触发和复位信号之间的数学关系。优选的，到达28.adc的触发信号是IRE增量信号的整数倍或有理分式(如4，3，2，1，1/2，3/1，4/1)，并且用整体相位因数建立了28.dec所用的三角法对照表，用来说明软件产生的ADC触发信号和调制器22上的图形之间的残留相位变化(如，其由增量信号IRE的粗糙度和/或任何增量信号和软件产生的触发事件之间的等待时间引起)。
同步化步骤的输出可以是对照表，其确定了一比特函数发生器。一比特函数发生器可以包括一个或多个被动周期，或多个独立的(如多个具有公共时间基础的函数发生器)输出，以使数据采集与调制器图形同步，其包括不完整旋转周期的谐波或涉及为多个检测器采样的应用。
多变量化学计量分析器由于能够针对具体的应用，配置调制器22上的辐射滤波器和滤波器对的径向位置和径向宽度，本发明用作多变量化学计量分析器是很理想的。图1A中的分析器100的另一实施例，多变量化学计量分析器被配置来实质上同时地测量样品中所选的多种分析物的浓度。通常，分析物吸收，和/或散射，和/或发射的辐射是它们各自的浓度的函数。在下文的讨论中，我们考虑了一种仪器，其被设计来测量第一组所选的分析物，这些分析物吸收的辐射是各自的浓度的函数。要了解的是设计用来测量两种或多种散射或发射辐射的分析物的分析器100的其它实施例属于本发明的范畴。
辐射源24提供宽带辐射，其包含来自每个所选分析物的至少一个光谱特征。预编码器光学器件36A包括至少一个衍射性，折射性或过滤元件以便沿调制器22的径向轴形成分散图象52。调制器22包括第二组辐射滤波器和/或辐射滤波器对，以便当调制器22绕轴40旋转时，为来自源24的第三组所选择的辐射光谱分量编码，以提供编码束。每个滤波器占据环形区域(或环形段)，其具有实质上确定相应的光谱分量的中心波长的径向位置和实质上确定相应的光谱分量的带宽的径向宽度。
后编码器光学器件36B收集并引导编码束到达至少一个辐射检测器26上，其将编码信号27提供给计算机28.adc。计算机28包括解码算法28.dec，其为信号27解码以提供一个或多个编码光谱分量的幅度作为特定应用函数28.asf的输入，化学计量算法计算一个或多个所选分析物的浓度。
优选的，一个或多个样品或样品单元(如图1A的样品38)被放置在源24和检测器26之间，以便进行多变量化学计量分析。
优选的，通过明智地选择的光谱元件，化学计量算法的性能可以被优化。例如，调制器22上的辐射滤波器和/或辐射滤波器对的径向位置和径向宽度可以被调整以提供最优的光谱分量，其使由一个或多个光谱分量中的强度(测量)误差引起的、由28.asf计算得到的浓度误差最小。以这种方式，由调制器22绕旋转轴40旋转产生的编码分量为化学计量算法提供了理想的输入。对于给定的分散目标图52，有唯一的调制器模板，其将理想的光谱输入提供给具体的多变量化学计量应用。以这种方式，多变量化学计量分析器的调制器模板21与特定的目标图象52和一组特定的分析物对应。下文介绍了一种方法，用来优化用于化学计量应用的调制器。
优选的，辐射源24包括至少一个基准光谱分量，其强度实质上不受分析物浓度的影响，并且调制器22包括相应的辐射滤波器以提供编码基准分量，其被用来使化学计量算法中所用的光谱分量的幅度标准化。优选的，多变量化学计量分析器采用两个或多个基准光谱分量以及两个或多个相应的辐射滤波器(或滤波器对)，以提供28.asf所用的编码基准分量，以便于测量源24的光谱输出的变化(如实质上是黑体的辐射器的温度)和/或检测器26的光谱响应度。以这种方式，化学计量算法28.asf可以区分分析物浓度的变化和源24的输出的变化或检测器26的响应度的变化。
优选的，在源24和检测器26之间的光学通道中插入样品(如图1A的样品38)，以提供已知长度的受控光学通道。优选的，样品38是具有泵和计算机控制的阀的采样系统的一部分，这样一个或多个单元可以被交替地装满零气体(即所含化学计量分析物的浓度为零的气体)和含有分析物的样品气体。零气体的实例包括空气、氮气，氩气等。以这种方式，由样品气体过滤的一个或多个光谱分量的幅度可以由经零气体过滤的一个或多个光谱分量的幅度校准(或标准化)。
在多变量化学计量分析器的一个实施例中，含有样品38的单元和检测器26被组装到一个单个元件(如空气检测器)中。
优选的，多变量化学计量分析器包括一个或多个光谱校正滤波器组(在下文的光谱校正分析器中进行了描述)以调整目标图象52对准到调制器22的径向轴上。
优选的，多变量化学计量分析器包括一个或多个检测器响应度频率校准滤波器组(在检测系统频率相关补偿分析器中进行了描述)，以便针对频率相关的检测器26使不同编码分量标准化。
多变量化学计量分析器的配置方法在这部分我们描述一种产生优化图形21的方法(如软件算法)，其用于多变量化学计量分析器的空间辐射调制器22，以便分析(如确认并量化)一个或多个样品中的分析物组。
图13A为，多变量化学计量分析器的实施例所用的调制器22的一种配置方法的示意图，其测量两种分析物ψ1和ψ2的浓度，它们所吸收的辐射是它们各自的浓度ξ1和ξ2的函数，要了解的是该方法可以适用于设计来测量两个或多个散射或发射辐射的分析物的分析器100的其它实施例。这样的和其它的变化属于本发明的范畴。如图13A中的垂直虚线所示，该方法输入已知浓度和实验条件的每个分析物的相应的光谱ψ1(λ)和ψ2(λ)，每个在源24的至少一个光谱范围内具有至少一个与浓度相关的光谱特征。实验条件的实例包括光学通道长度，温度，湿度和压力。优选的，该光谱是电子格式的。
如图13A中的水平虚线所示，该方法输入参数，其确定一组两个初始光谱窗口，TMC.1(0)(λ)和TMC.2(0)(λ)，其分别由中心波长λ0MC.1和λ0MC.2及带宽ΔλMC.1和ΔλMC.2定义。尽管有更精细的模型(如解决有限光谱分辨率的模型)属于本发明的范畴，在下文的讨论中，我们考虑以下的TMC.1(0)(λ)和TMC.2(0)(λ)的模型Tj(λ)=0...λ<(λ0j-Δλj2)1...(λ0j-Δλj2)≤λ≤(λ0j+Δλj2)0...λ>(λ0j+Δλj2)---(12)]]>优选的，确定初始光谱窗口的参数{λ0MC.1，ΔλMC.1}(0)和{λ0MC.2，ΔλMC.2}(0)被储存在一个或多个文本文件中，在优化时间段的起点被引入，由优化步骤更新，并在优化步骤结束时被输出到一个优化光谱窗口文件。以这种方式，经过优化的光谱窗口可以被用作随后优化的初始光谱窗口。
如图13A所示，算法80计算作为分析物浓度的函数的标准的光谱分量强度SMC.1和SMC.2Sj=1Sj0∫dλI(λ)Tj(λ)Πk=12ψk(λ;ξk)---(13)]]>其中，I(λ)是当调制器22被反射性均匀(或透射性均匀)的基底23代替时，源24发射的到达检测器26的辐射的与波长相关的强度，j＝{MC.1，MC.2}，SMC.10和SMC.20为在零浓度极限(如样品单元充满了零气体或零液体)内的光谱窗口强度Sj0=∫dλI(λ)Tj(λ)---(14)]]>与分析物k＝{ψ1，ψ2}的吸光率相关的光谱分量j＝{MC.1，MC.2}的标准强度被定义为 其中，对于第k个分析物浓度，吸光率函数(其包括影响通道长度，压力，温度等) 在多项式中展开 在线性吸光率范围(即低浓度范围)中，Sjk可以近似为Sjk≈e-Ajkξk,---(17)]]>则，化学计量的方程组变为-ln(S)≈Aξ(18)经过转换，分析物浓度作为标准光谱分量表示的函数ξ≈A-1[-ln(S)]， (19)
其中，A-1是化学计量系数矩阵的逆矩阵。
如图13A所示，算法81输入不同分析物浓度的标准光谱分量并输出逆化学计量系数矩阵A-1。利用A-1和一个或多个强度误差δS＝{δSMC.1，δSMC.2}作为输入，算法82计算出作为每个光谱分量的强度误差的函数的每个分析物的至少一个浓度误差。优选的，算法82计算出由强度误差实质上随机的分布产生的浓度误差的统计样本。可供选择的其它统计方法包括估算逆化学计量系数矩阵A-1的一个或多个条件数。在这种情况下，A-1可以完全被用作经过82提供给算法83的输入。这样的和其它的噪音传递的测定属于本发明的范畴。
在线性吸光率范围中，浓度误差δξ这样表示δξ≡A-1[ln(1+δS)](20)其中，δξ＝{δξ1，δξ2}为与强度误差δS＝{δSMC.1，δSMC.2}对应的ψ1和ψ2的浓度误差(即错误浓度)。
如图13A所示，算法83输入一个或多个浓度误差并输出至少一个当前噪音特征函数χ(n)。噪音特征函数的实例包括A-1的多种条件数。在图13A中，我们考虑基于从光谱上的随机强度误差得到的浓度误差的统计分析(均方根)的噪音特征函数M.F=(δξ1)2+(δξ2)2---(2)]]>其中，<δξ1>和<δξ2>为28.asf响应随机强度噪音(即强度误差δSMC.1和δSMC.2的随机分布)计算出的ψ1和ψ2的相应的统计平均浓度误差。
如图13A中的虚线圆所示，算法84将当前特征函数χ(n)与先前最佳特征函数χopt相比。如果当前特征函数χ(n)比先前最佳特征函数χopt更优，χopt被χ(n)代替，并且TMC.1opt和TMC.2opt被TMC.1(n)和TMC.2(n)代替。在图13A所示的优化回路中的第一次叠代中，χopt和{TMC.1opt，TMC.2opt}分别被赋予初值χ(0)和TMC.1(0)和TMC.2(0)。
如图13A所示，优化回路由以下算法顺序确定85，80，81，82，83，84并回到85，当算法85产生后续的多组光谱窗口TMC.1(n+1)和TMC.2(n+1)时重复该回路，通过对称地改变初始光谱窗口的中心波长和带宽，即通过搜索目标图象52提供的中心波长和带宽的整个参数空间而获得该TMC.1(n+1)和TMC.2(n+1)。
一旦确定了最优的光谱窗口系列，相应的中心波长和带宽必须被映射到调制器22的径向轴上。如图13A所示，算法86输入至少一个分散函数λ52(r)(优选的，以电子格式)以便将目标图象52的光谱特性与调制器22的径向位置联系起来。分散函数λ52(r)作为调制器22的径向位置的函数与分散图象52的波长相关。该分散函数被转换以得到r52(λ)，调制器22的径向位置作为波长的函数。逆分散函数r52(λ)被算法86用来将优化的中心波长和带宽系列在调制器22上转换成相应的环形区域系列(或环形段，即如图11A所示)，RMC1opt和RMC2opt。以这种方式，优化环形区域(或环形段)RMC1opt和RMC2opt分别具有与优化光谱窗口TMC.1opt和TMC.2opt实质上一对一的对应。
一旦确定了优化环形区域(或环形段)RMC1opt和RMC2opt，算法87为辐射滤波器50.MC.1和50.MC.2(或滤波器对)设定模式，其具有在每个所述的相应的环形区域(或环形段)中的多个子区域(具有与基底23实质上不同的光学特性)，以提供相应的唯一的调制函数系列，以便为最优光谱分量编码。优选的，子区域被成形以提供调制函数，当空间辐射调制器绕旋转轴40旋转时，其为实质上正交的平滑函数或具有三个或多个不同对比水平的正交平滑函数的数字化复制形式。优选的，调制函数的形式为sin2(mθ+pπ/4)。最优选的，谐波m被选为质数，以便使编码最优光谱分量之间的色度干扰最小(即使内通道的正交性最大)。以这种方式，当调制器22绕旋转轴40旋转时被编码的最优光谱分量与最优光谱窗口TMC.1opt和TMC.2opt对应。
优选的，最优图形21以和不同印刷和光刻图形发生器匹配的电子格式输出(例如，设计互换格式，或DXF)。
注意最优光谱窗口TMC.1opt和TMC.2opt被映射在了调制器22的环形区域上，其环绕为目标图象52的被选择的光谱分量编码的辐射滤波器和/或滤波器对。换而言之，光谱分量由目标图象52和辐射滤波器和/或滤波器对的重叠定义，其被调整为始于最优光谱窗口TMC.1opt和TMC.2opt。以这种方式，本发明的调制器22上的最优化学计量编码器图形21对应于化学计量优化问题的解决方法，并且代替了用于传统的非分散性化学和荧光分析器的定制的带通滤波器。
多变量化学计量分析器的碳氢化合物实例图13B和图13C示出了之前提到的过程的实际例子，说明了用于五种碳氢化合物的化学计量的分析物光谱、最优光谱窗口以及调制器22HC上的辐射滤波器之间的对应。
图13C示出了碳氢化合物甲烷、丙烷、丁烷、戊烷和己烷在3.0～3.6微米光谱范围内的各自的透射光谱，以及最优光谱窗口THC.1到THC.2。利用上述方法获得最优光谱窗口THC.1到THC.2。图13C还包括位于该光谱范围之外的基准光谱窗口THC.R，其中分析物吸收辐射以提供对源24的整体强度和/或检测器26的响应度的测量。优选的，多变量化学计量分析器采用两个或多个基准光谱分量以测量源24和/或检测器26的光谱响应度中的变化。
图13B示出了调制器22HC上的辐射滤波器50.HC.1到50.HC.5以及50.HC.R的最优配置。图13C和目标图象52.HC之间的虚线是用来说明化学计量优化光谱窗口和调制器22HC上的辐射滤波器的经过调整的模式之间的一对一的对应。
在对多变量化学计量分析器和相应的配置方法的描述中，选择样品38的位置用来说明，并不意味着要限制本发明的范围。
在多变量化学计量分析器和相应的配置方法中，选择分析物的数量用来说明，并不意味着要限制本发明的范围。
在多变量化学计量分析器和相应的配置方法中，选择基准分量的数量用来说明，并不意味着要限制本发明的范围。
在多变量化学计量分析器和相应的配置方法中，一个或多个辐射滤波器可以被互补或聚光镜滤波器对代替。这样的和其它的变化属于本发明的范畴。
在多变量化学计量分析器和相应的配置方法中，选择目标图象的数量和辐射检测器的数量用来说明，并不意味着要限制本发明的范围。在一些化学计量应用中，包括两个或多个光谱范围(目标图象)、带通和/或分色镜，以及两个或多个辐射检测器可以是有益的。
通过改变分散图象52的光谱范围，并为调制器22配置合适的图形，对于碳氢化合物甲烷、丙烷、丁烷、戊烷和己烷所描述的装置和过程适用于气体、液体和固体相中的不同化学药品种类。例如，挥发性的有机化学药品、溶剂、水、污染物、汽油添加剂、麻醉剂、碳的氯氟化合物(CFC)、细菌群、天然气的组分以及化学武器都具有化学信号，可以被用于量化和识别。对于这些和其它的化学信号的应用属于本发明的范畴。对于碳氢化合物甲烷、丙烷、丁烷、戊烷和己烷所描述的装置和过程也适用于对荧光染料进行识别并量化。根据其它基于辐射的光谱信号(如荧光、Raman线和原子发射)，对化学组成进行识别并量化的应用也属于本发明的范畴。
优选的，共用实质上公共的平台(如共用实质上相同的预编码器光学器件36A，后编码器光学器件36B，样品单元38，检测器26和计算机28)的一类装置可以从多变量化学计量分析器派生出来，其中，调制器图形21被设计用于具体的应用(即，在这类装置中调制器图形21和28.asf是具体装置之间的主要区别)。以这种方式，对于应用特定化学计量分析器的不同方案，可以使用经济地大规模制造过程。
光谱校准分析器本发明的一个独特之处就是能够构建互补滤波器对，其产生单个的编码分量，其中由入射到具有该对的两个滤波器上的辐射的相对比例确定幅度和相位。在辐射谱分析器100的另一实施例光谱校准分析器中，选择互补滤波器对的径向位置和径向宽度来检测目标图象52的特定的、已知的光谱特征，以便调整目标图象52对准到调制器22的径向轴上。以这种方式，由互补对55编码的分量的幅度和相位可以被用来调整目标图象52对准到调制器22上。
适于光谱校准的已知光谱特征的实例包括H2O，CO2，甲烷，塑料和其它普通化学药品的不同吸收特征，普通染料的发射谱，激励激光线，衍射图(如干扰带)，不同的Raman线(如N2，O2和H2O)以及普通光学材料(如玻璃、蓝宝石、ZnSe、Ge、BaF2等等)的光谱边界和薄膜滤波器。这些和其它的适于调整目标图象52对准到调制器22的径向轴上的光谱特征属于本发明的范畴。
在下面的讨论中，为了说明，我们考虑用甲烷(CH4)和CO2的吸收特性进行光谱校准，这并不意味着要限制本发明的范围。
对于以下的讨论，定义一个解调谐互补对辐射分量比较方便S_(Δ)=∫dλ{T1(λ+Δ)Δλ1-T2(λ+Δ)Δλ2}ψcal(λ)---(22)]]>以及解调谐聚光镜对辐射分量
S+(Δ)=∫dλ{T1(λ+Δ)Δλ1+T2(λ+Δ)Δλ2ψcal(λ)---(23)]]>其中，Δ为目标图象52相对于调制器图形21沿着径向轴的矢量位移，ψcal(λ)是校准分析物的与波长相关的透射光谱，并且T1(λ)和T2(λ)分别是具有该解调谐聚光镜对的第一和第二滤波器的标准透射。
Tj(λ)=0...λ<(λ0j-Δλj2)1...(λ0j-Δλj2)≤λ≤(λ0j+Δλj2)0...λ>(λ0j+Δλj2)---(24)]]>优选的，调整与S-(Δ)对应的互补滤波器对，使得当目标图象52正确对准到调制器22的径向轴上时，S-(Δ)的幅度为空(即达到零)limΔ→0S_(Δ)=0---(25)]]>优选的，调整与S-(Δ)对应的互补滤波器对，使得在预期的目标图象52沿调制器22径向轴解调谐的范围内，S-(Δ)的幅度和相位是单值的。优选的，相应编码分量的幅度是目标图象52沿调制器22的径向轴的解调谐的强函数，从而能够最精确地调整52对准到22上。
获得为光谱校准而经过优化的互补对的一种方法系统地分别改变T1和T2的中心波长和带宽，以确定使特征函数最小的参数，特征函数为M.F.=1+|S_(0)|S_(Δ0)-S_(-Δ0)---(26)]]>其中，Δ0是预期最大解调谐参数。对于给定的校准应用，为了找到的最优互补对，互补滤波器的中心波长和带宽系统地变化，以使特征函数最小。
一旦找到T1和T2的合适参数，通过沿调制器22的径向轴相对于校准分析物的透射光谱移动T1和T2，可以得到(理论的)相应的标准校准曲线F。标准校准曲线的一个这样的模型由下式给出F(Δ)=S_(Δ)2-S+(Δ)---(27)]]>其中，Δ是波长解调谐参数，即目标图象52沿着调制器22的径向轴的矢量位移。
优选的，调整与S-(Δ)对应的互补滤波器对和与S+(Δ)对应的聚光镜滤波器对，使得标准校准曲线在不同浓度范围内实质上不受校准分析物浓度的影响。
优选的，调整与S-(Δ)对应的互补滤波器对和与S+(Δ)对应的聚光镜滤波器对，使得它们各自的环形段不包括被特定应用滤波器占据的环形区域或环形段；如，径向位置和/或环形段将最优化学计量滤波器与和S-(Δ)及S+(Δ)对应的滤波器对分离。
在光谱校准分析器中，选择调制器22上的校准组中的滤波器对的数量和结构用来说明，并不意味着要限制本发明的范围。在光谱校准分析器中，选择特征函数的形式和标准校准曲线用来说明，并不意味着要限制本发明的范围。
优选的，光谱校准分析器包括平移台(如图9B的元件35)用于沿调制器22的径向轴解调谐目标图象52的位置，以产生方程(27)的经验形式。优选的，该平移台与装在已知长度的样品单元(如与图1A的样品单元38相似，插在24和26之间)内的已知浓度的校准气体一起使用，以产生一条或多条校准曲线，用于后续的装置和/或随后的装置组装过程。最优选的，该平移台与背景分析物(如CO2，CH4，H2O，N2或O2)一起使用以产生一条或多条校准曲线，用于后续的装置和/或随后的装置组装过程。
优选的，已知浓度的标准校准气体被装在已知长度的样品单元中(如图1A中的样品38)，其位于光谱校准分析器的源24和检测器26之间的光学通道中，以便正确的使校准曲线标准化。优选的，与S-(Δ)对应的互补滤波器对被限定在包括不完整旋转周期的环形段内(如图11A所示)，并增加了测量目标图象52的实质上相同的部分的未配对的辐射滤波器。最优选的，与S-(Δ)对应的互补滤波器对被限定在包括不完整旋转周期的环形段内，并增加了与S+(Δ)对应的聚光镜滤波器对，其具有与互补滤波器对实质上相同的径向位置和径向宽度，但占据了不同的环形段，如互补滤波器对占据了调制器22的第一个半周期，而相应的聚光镜滤波器对则占据了第二个半周期(如图14C所示)。以这种方式，可以在较宽的校准分析物浓度范围内获得标准校准曲线。
优选的，来自一个或多个互补滤波器对的经过解码的幅度和相位被用来给特定应用函数28.asf提供反馈，以补偿运行过程中有缺陷的对准的影响(如补偿由温度变化引起的对准和调制器半径的变化)。优选的，来自一个或多个互补滤波器对和相应的聚光镜对(或未配对的滤波器)的经过解码的幅度和相位被用来给特定应用函数28.asf提供反馈，以补偿运行过程中有缺陷的校准的影响，如补偿对应于温度变化引起的一个或多个光学元件的尺寸或校准的变化。
对于分析器100，包括平移台35是额外的花费。因此，希望在装置的批量生产中不包括电动平移台35。优选的，来自一个或多个互补滤波器对的经过解码的幅度和相位被用来提供反馈，以便在组装过程中，用于预编码器光学器件相对于调制器22的校准。更为优选的，来自一个或多个互补滤波器对和相应的聚光镜对(或未配对的滤波器)的经过解码的幅度和相位被用来提供反馈，以便在组装过程中，用于预编码器光学器件相对于调制器22的校准。
优选的，优化一个或多个互补滤波器对和相应的聚光镜对的结构，以检测目标图象52中装在已知长度的样品单元内的已知浓度的标准校准气体(如氮气中的低浓度甲烷)的一个或多个光谱特征相对于调制器22的相对校准。以这种方式，标准校准气体被用作“校准标准”(或标定)，以便在组装过程中，在相对于调制器22安装预编码器光学器件36A的过程中提供组装技术员指南(反馈)。更为优选的，分别与S-(Δ)和S+(Δ)对应的互补和聚光镜滤波器对被优化，以检测目标图象52中背景CO2和/或水蒸气的一个或多个光谱特征相对于调制器22的相对校准。以这种方式，背景CO2和/或水蒸气被用作“校准标准”(或标定)以便在组装过程中，在相对于调制器22安装预编码器光学器件36A的过程中为组装技术员提供指导(反馈)。
优选的，分别与S-(Δ)和S+(Δ)对应的互补和聚光镜滤波器对被优化，以检测目标图象52中背景CO2和/或水蒸气的一个或多个光谱特征相对于调制器22的相对校准，以便能够进行在位校准步骤；如，连续地调整目标图象52相对于调制器22的校准(如对应于周围温度的变化)，并针对由目标图象52相对于调制器22的校准的变化所引起的非自然信号对随后的解码分量和/或特定应用算法28.asf进行补偿。
图14A示出了最优校准光谱窗口TSC.1到TSC.4并且图14B分别示出了产生的在3.0～4.5微米范围内获得的CH4和CO2的光谱吸收特征的标准校准曲线。两条校准曲线展示了在±0.5毫米的径向解调谐范围(即目标图象52相对于图14C所示的调制器图形21的径向位移)内的单值行为。可见对于校准气体的可比浓度，CO2的校准曲线(虚线)是解调谐因子的强函数(即52相对于22SC上的理想校准的平移)，使得能够实现分析器100对CO2的光谱校准。
图14C示出了调制器22SC的实施例22，其中CH4和CO2的透射光谱被用来调整目标图象52对准到调制器22SC的径向轴上。图形21SC包括两个校准组，其被优化以便分别利用CH4和CO2的吸收特征调整目标图象52对准到调制器22SC的表面上。包括互补滤波器对55.SC.1和聚光镜滤波器对57.SC.1的第一校准组检测CH4的透射光谱以调整目标图象52对准到调制器22SC上。包括互补滤波器对55.SC.2和聚光镜滤波器对57.SC.2的第二校准组检测CO2的透射光谱以调整目标图象52对准到调制器22SC上。如图14C中的粗体点段线所示，调制器图形21SC被分成两个半周期。互补滤波器对55.SC.1和聚光镜滤波器对57.SC.2占据了调制器22SC的第一个半周期，并且聚光镜滤波器对57.SC.1和互补滤波器对55.SC.2占据了调制器22SC的第二个半周期。以这种方式，可以在调制器22SC的旋转周期内测量标准解调谐因子(即标准校准曲线上的一个点)。校准曲线的标准化实质上减少了对已知数量的校准气体的需要。优选的，标准解调谐因子与标准校准曲线相比以调整52对准到22SC上。
图14D示出了最优校准光谱窗口TSC.1到TSC.4，并且图14C示出了调制器22SC上的辐射滤波器对(55.SC.1，55.SC.2，57.SC.1和57.SC.2)的结构，以说明最优校准光谱窗口和辐射滤波器对的经过调整的图形21之间的一对一的对应。
在图14C中，包括光谱校准滤波器对55.SC.1，55.SC.2，57.SC.1和57.SC.2的辐射滤波器并不相邻。对于具有单个主要特征或非常分散的特征的光谱特征(如激励激光线，衍射极大值)，相邻的光谱校准滤波器是有益的。
在对光谱校准分析器的描述中，分别选择3.3和4.2微米的CH4和CO2的光谱吸收特征只是为了说明。其它的光谱范围，其它的气体(水蒸气，O2等等)，其它的校准分析物(包括液态H2O，吸收剂染料，荧光染料)，以及其它的透射、散射或发射(如荧光)光谱特征(如光学材料的透射分离点，或者一个或多个薄膜滤波器，Raman线，和原子发射线)属于本发明的范畴。
在对光谱校准分析器的描述中，选择采用聚光镜滤波器对57.SC.1和57.SC.2只是为了说明，并不意味着要限制本发明的范围。提供对目标图象相对于调制器模板的校准的测量的其它的滤波器和滤波器对的结构，也属于本发明的范畴。
上述的校准滤波器对同样适用于分析器100的成像实施例，其中选择互补滤波器对(和/或聚光镜滤波器)的径向位置和径向宽度与目标图象52中已知位置的特定光谱特征一致(如具有装有一种或多种荧光染料的一个或多个校准毛细管的毛细管阵列)。以这种方式，由互补对编码的分量的幅度和相位可以被用来调整目标图象52对准到调制器22上。
检测系统频率相关性补偿分析器本发明的一个独特方面就是能够构建具有在较宽范围内变化的调制频率的滤波器组，其为源24的实质上相同的辐射分量编码(如通过占据调制器22的相同环形区，或利用专用的校准源)。通过有选择地将滤波器安装在组中并明智地选择它们各自的调制频率，可以测量调制频率与检测器26和相应的检测电子元件的关系。
在辐射分析器100的另一实施例检测系统频率相关性补偿分析器中，检测器26(包括检测器和相关电子元件)具有是调制频率的函数的响应度(即相对于调制光学强度输入的信号输出)。除了使幅度失真，检测系统26的频率相关性在以不同频率调制的编码分量之间施加了一个相对的相位漂移，其使解码算法复杂化。作为另一个问题，检测系统26的频率相关性不是静态的，而是随时间变化(如响应温度或平均照明度的变化)。检测系统频率相关性补偿分析器提供集成的机械装置以便周期性地校准检测系统26的频率相关性，以便补偿由检测系统26的频率相关性变化所引起的编码分量的幅度和相位的失真。
图15为辐射调制器22FC的顶视图，用来说明本发明的另一方面。调制器22FC包括三个不同的典型校准滤波器组59.FC.1，59.FC.2和59.FC.3，每个包括三个具有不同调制周期的滤波器，其被设计用来测量检测系统26的依频性。校准组59.FC.1，59.FC.2和59.FC.3用3个不同的频率实质上测量目标图象52的相同辐射分量(如，通过将校准滤波器限制在一个实质上公共的环形区内)，以提供具有实质上相同的幅度的三个编码的与频率相关的校准分量。
计算机28.dec给与频率相关的校准分量的幅度和相位解码。解码的幅度和相位被计算机与频率相关的校准算法28.ult(FCA)用作输入，以测量检测系统26的频率相关性。计算机算法28.ult(FCA)输出两条校准曲线，幅度-调制频率曲线和相位-调制频率曲线，其随后被计算机28用来解码并规范其它的解码分量(在调制器22FC中未示出)。由于用已知的相位的标准化，解码分量的积分分析和再次标准化超过了解码元件的计算能力的两倍，优选的，校准曲线被用来产生一组更新的解码系数(其由28.ult(FCA)传递给28.dec，如图1A所示)Tm,pj≡-(1+δam)2πmcos(4jmπM+(p+δpm)π2)---(28)]]>其中，δam和δpm分别是与频率相关的幅度和相位的修正，其为编码分量{m，p}补偿检测系统26的频率相关性。根据应用的需要，与频率相关的幅度和相位的修正δam和δpm以及更新的解码系数Tm，pj根据校准曲线经常被重新计算，如由一个或多个温度传感器和/或时序器触发。以这种方式，避免了检测系统26的频率相关性使特定应用计算机算法28.asf的结果出错。
图15示出了三组与频率相关的、具有不同调制频率的校准分量，其被用于检测系统频率相关性补偿分析器。校准组59.FC.1包括3个具有不同调制频率的相邻的、同中心的辐射滤波器。由于不稳定，不均匀的径向强度分布，校准组59.FC.1常出现误差。校准组59.FC.2包括3个占据着公共环形区域内的连续的环形段的辐射滤波器。对于59.FC.1，这种配置更适宜，但常因为子旋转周期强度暂态而出现误差。校准组59.FC.3包括3个具有不同调制频率的交错的辐射滤波器。这种配置是最优选的，因为它实质上消除了不均匀的径向强度分布和子旋转周期强度暂态。
图15所示的校准组将与特定应用图形一起使用，如上述的多变量化学计量分析器的最优化学计量图形。以这种方式，特定应用分量可以补偿检测器26的频率相关性。
在调制器22FC中，选择每个与频率相关的校准组中的滤波器的数量以及环形区和环形段的结构用来说明，并不意味着要限制本发明的范围。
短通道后编码器光学器件在图1的分析器100的许多应用中，有强烈的需求，即限制调制器22和检测器26之间的光学通道(或样品单元入口)的长度。例如，在分析器(其在未受控制的通道中测量受干扰的光谱分量)中希望有短的光学通道。另一个常见的设计限制就是检测器元件的截面(或样品单元的截面)的尺寸，其决定了在检测器26的表面上(或样品室狭缝处)编码束的最大允许点尺寸。本发明的最重要的工程问题就是针对实施例配置后编码器光学器件36B，其中检测器元件(或样品单元38)的一个或多个截面尺寸实质上小于目标图象52沿调制器22的径向轴的长度(如，少于1/4)。在图1A的分析器100的实施例中就有这个问题，其中目标图象52是分散图象。优选的，后编码器光学器件36B被设计成这样，使得两个或多个编码光谱分量(如图1中的56.1和56.2)在检测器元件的表面上或样品单元38的入口处彼此交叠。
在采用反射性调制器22的分析器100的实施例中，检测器截面(或样品单元截面)的约束也导致了短通道约束，因为调制器22的沿着旋转轴40的轴向摆动导致聚焦编码分量(如56.1和56.2)在检测器元件的表面上(或样品单元入口处)移动。轴向摆动可能导致被检测的辐射的包络调制(如，如果在检测器26的响应度中有空间变化)，它的幅度随调制器22和检测器26之间的光学通道的长度的增加而增大。如果光学通道太长，编码束56可能周期性地完全偏离检测元件，导致一个或多个编码波形中的突然中断以及相应的解码幅度的错误。在这些和其它的应用中，希望调整后编码器光学器件36B以便在调制器22和检测器26之间提供短的光学通道，并在调制器26的表面上产生编码束斑点，其具有编码分量的实质上重叠的图象。优选的，斑点的尺寸实质上与检测器26的元件的尺寸相同，尽管斑点尺寸可能小于检测器26的元件的尺寸。优选的，每个编码分量的辐射密度(照度)在检测器26的区域内实质上是均匀的。以这种方式，检测信号27上的轴向摆动可以被最小化。
在以下的讨论中，我们描述了集成的短通道后编码器光学器件的两种结构，SP1和SP2，其用于25.6毫米×2.0毫米的分散图象，其由(大约)F/4预编码器光学器件(即分光计光学器件)用调制器22的反射性实施例产生。目标图象52的分散轴沿着调制器22的径向轴。短通道后编码器光学器件具有小于调制器22的直径的总的光学通道的长度(在中心)，并且将每个编码辐射分量的最少20％(或所有编码分量的平均20％)聚焦到一个3.0毫米×3.0毫米的截面区域内(如检测器元件，或样品单元狭缝)。
图16A示出了用于光谱辐射分析器100的集成的短通道后编码器光学器件的一个实施例，结构SP1。结构SP1对于分析器100的一个实施例作了调整，其中，检测器元件26.SP.1具有3.0毫米×3.0毫米的截面，并且目标图象52是分散图象(在3.0～5.0微米的光谱范围内)，其长为25.6毫米，宽为2.0毫米，分别与分散轴平行和垂直。分析器100的后编码器光学器件36B(SP1)的SP1配置包括以下元件以调制器22的表面上的目标图象52为起点，以检测器元件26.SP.1(在下文对SP1的讨论中，我们不考虑带通滤波器26.SP.3或检测器窗口26.SP.2)为终点，依次为36B(SP1)的配置36B(SP1).1双二次曲线反射器；36B(SP1).2平面折叠式反射镜，以及36B(SP1).3平凸的聚焦透镜。
配置SP1具有这样的特点利用聚焦透镜的色散在检测器26.SP.1的表面上提供更小的编码束斑点，但36B(SP1)的光谱范围被36B(SP1).3的透射特性限制。优选的，36B(SP1).3被集成到检测器26.SP.1中，这样36B(SP1).3的透射能够与检测器26的光谱响应度匹配。
如图16A所示，对于36B(SP1)，128个由调制器22编码的分散辐射分量56.SP.{1，128}由双二次曲线反射器36B(SP1).1收集，被折叠式反射镜36B(SP1).2反射，并由透镜36B(SP1).3聚焦到检测器元件26.SP.1上。如图16A所示，在检测器元件26.SP.1的表面上，辐射分量56.SP.{1，128}实质上彼此重叠。36B(SP1)的中心光学通道的总长度大约为41毫米(即，大约是调制器22的半径的2/3)。
图16B示出了图16A所示的后编码器光学器件36B(SP1)的收集效率与波长的关系(即128个编码光谱分量的单独的收集效率)。收集效率是这样定义的从目标图象52收集并被引导到检测器元件26.SP.1(即截取26.SP.1)上的特定编码辐射分量的辐射分数。图16B所示的结构SP1的收集效率包括市售PbSe检测器的被限制的视场(FOV)的影响。如图16B所示，对于配置SP1，平均收集效率大于70％，并且对于单个编码分量的范围介于67％～89％之间。
双二次曲线反射器36B(SP1).1的照明度纵横比大于3∶1，并且曲率半径相差大约两倍(如46毫米和27.5毫米)，其长的边与长半径平行于分散轴。双二次曲线反射器36B(SP1).1阻碍52的分散以提供实质上彼此重叠的分量的聚焦编码束56.SP.{1，128}。折叠式反射镜36B(SP1).2被用来反射编码束离开调制器22以提供放置检测器26.SP的空间。
图16C为36B(SP1)的侧视图。如图16C所示，折叠式反射镜36B(SP1).2位于与调制器22的平面(如双点段线所示)平行的平面内(如点段线所示)。为了使36B(SP1)的尺寸最小，折叠式反射镜36B(SP1).2平行于并且尽可能地靠近调制器22的表面；如Δzmin为调制器22和36B(SP1).2之间的最小距离，其由相对于调制器22安装36B(SP1)的元件所需的支架或固定装置(未示出)决定，并且Δzmin小于2英寸。
聚焦透镜36B(SP1).3为曲率半径大约为18毫米的球形的平凸透镜，并被用来使编码束聚焦穿过检测器窗口26.SP.2到达检测器元件26.SP.1上。优选的，选择具体的聚焦透镜36B(SP1).3来利用色散的影响在检测器元件26.SP.1的表面上产生更小，更重叠，和/或更均匀的编码束56.SP.{1，128}。
后编码器光学器件36B的结构SP1的总的光学通道长度(在中心)为41毫米(即大约是调制器22的半径的2/3)。
图16D为用于分析器100的后编码器光学器件36B的第二种配置SP2的侧视图，其在36B(SP1)的双二次曲线反射镜、平面反射镜和平凸聚焦透镜的位置采用了两个Fresnel双二次曲线反射器。配置SP2对于分析器100的一个实施例作了调整，其中，检测器元件26.SP.1具有3.0毫米×3.0毫米的截面，并且目标图象52是分散图象(在3.0～5.0微米的光谱范围内)，其长为25.6毫米，宽为2.0毫米，分别与分散轴平行和垂直。如图16D所示，配置SP2包括以下元件以调制器22的表面上的目标图象52为起点，以检测器元件26.SP.1(在下文对SP2的讨论中，我们不考虑带通滤波器26.SP.3或检测器窗口26.SP.2)为终点，依次为36B(SP2)的配置36B(SP2).1Fresnel双二次曲线反射器；36B(SP2).2Fresnel双二次曲线反射器配置SP2具有这样的优点在配置中减少了一个光学元件。配置SP2还具有一个重要的优点完全由反射性元件组成，这使它对于为辐射在一些不同波长范围内编码的分析器100的不同实施例是有益的。如图16D所示，调整36B(SP2)的面，这样它能够位于与调制器22的平面(如双点段线所示)平行的平面内(如点段线所示)，这显著地简化了设计和组装。为了使36B(SP2)的尺寸最小，Fresnel双二次曲线反射器平行于并且尽可能地靠近调制器22的表面；如Δzmin为调制器22和36B(SP2)之间的最小距离，其由相对于调制器22安装36B(SP2)的元件所需的支架或固定装置(未示出)决定，并且Δzmin小于2英寸。
后编码器光学器件36B的配置SP2的总的光学通道长度(在中心)大约是调制器22的半径的2/3，并且具有相似的收集效率。如图16D所示，辐射分量56.SP.{1，128}在检测器元件26.SP.1的表面上实质上彼此重叠。
在用于短通道光学器件36B的配置SP1和SP2中，利用Zemax光学设计程序所包括的用户定义操作数(UDO)优化步骤对不同的曲率半径、双二次曲线Fresnel表面的各个面，以及单个光学元件的空间配置进行优化。UDO优化特征允许用户在“c”编程语言中生成特定应用特征函数。上述的用于优化短通道结构的UDO，UDO.SP采用了Zemax光线跟踪发动机以跟踪来自源24到达检测器26.SP的光线，作为波长的函数。在UDO.SP中，总的特征函数χSP由下式给出χSP=χpath+Σn=1Nλχn---(29)]]>其中，χpath为通道长度特征函数，χn为波长效率特征函数，并且求和是对目标图象52的被选择的光谱分量Nλ进行的。
UDO.SP中所用的通道长度特征函数由下式给出χpath=exp(Lpath-Lpath0σpath)---(30)]]>其中，Lpath0是目标最大通道长度，Lpath为介于目标图象52和检测器元件26.SP.1之间的在中心光学通道长度(即穿过透射分量的中心，和到达以及来自光学器件36B的反射性元件的中心)。σpath为控制Lpath>Lpath0]]>时的损失的可调节参数。在对SP1和SP2的优化中，目标最大通道长度被选择为是调制器22的半径的2/3。
波长效率特征函数，其测量作为波长的函数的后编码器光学器件36B的效率，由下式给出χn=exp((ϵn0-ϵn)σn)---(31)]]>其中，εn0和εn分别为在第n个波长λn由UDO.SP计算的目标效率和光线跟踪效率，并且σn为控制ϵn<ϵn0]]>时的损失的可调节参数。在UDO.SP中，检测器元件26.SP.1被给定了有限的尺寸(如3.0毫米×3.0毫米)和有限的视场(FOV)(如45度)。εn只是以小于特定FOV的入射角中断检测器元件26.SP.1的来自源24的光线(波长为λn)的分数。在对SP1和SP2的优化中，跟踪在3和5微米之间的32个间距相等的波长，并且目标效率都被设为70％。对于每个波长，具有不同起点的和不同初始延伸矢量的多重跟踪被用来激励有限源24和有限入口狭缝32。
通过明智地选择单个的波长目标效率εn0，可以优化后编码器光学器件36B，以补偿检测器26.SP的响应度或分析器100的其它光学分量的光谱效率(如，源24，预编码器光学器件36A，等)。这些和其它变化属于本发明的范畴。
UDO.SP有一种优化光学器件36B的配置的方法，以便为每个光谱分量提供检测器元件的更均匀的照明度。在该实施例中，UDO.SP将χn代入均匀照度特征函数<χn><χn>=ΣmNmexp((ϵn0Nm-ϵnm)σn)---(32)]]>其中，Nm是确定等尺寸的、包括检测器元件26.SP.1的截面的区域的数量的参数，(即26.SP.1被分成Nm个等尺寸的区域，并且εn为在第n个波长和检测器26的第m个子区域由UDO.SP计算的光线跟踪效率。用<χn>优化的短通道后编码器光学器件36B的实施例在检测器元件26.SP.1的截面内具有实质上均匀的照明度。以这种方式，检测信号27上的轴向摆动的影响可以降到最小。
通过适当地代替聚焦透镜36B(SP1).3，后编码器光学器件36B能够适用于许多种具有实质上相同的入射角，长度，宽度和分散角度的分散图象。通过较小的改动，后编码器36B(SP1)可以被包含在基于分析器100的多种产品中。由于后编码器光学器件配置SP2完全由反射性元件组成，无需调整，利用规模经济学，36B(SP2)可以被完全包含在基于分析器100的多种产品中。这些和其它的变化属于本发明的范畴。
我们注意到通过在36B的配置中引入其它的光学元件，非球形的二次曲线段，折射性或衍射性元件，或梯度索引透镜可以实现明显的改进。这些改进属于本发明的范畴，虽然这将大大增加成本和制作复杂性。
选择分散图象尺寸，预编码器光学器件F/#，目标效率，光学元件的位置和曲率，特征函数，以及编码元件的数量用来说明。其它的针对透射性调制器设计的后编码器光学器件，不同的在中心通道长度，不同的目标效率，不同的元件数量，不同的曲率，不同的特征函数，和/或所包含的非线性二次曲线段，折射性或反射性元件，或梯度索引透镜属于本发明的范畴。
编码滤波器-光度计分析器在图1所示的分析器100的另一实施例中，编码滤波器-光度计分析器是多通道编码器滤波器-光度计，其利用一个或多个宽带辐射源和一组(一个阵列)波长滤波器，以提供用于探测一个或多个未知样品的多个编码光谱滤波器束。
在编码滤波器-光度计分析器中，来自源24的辐射被一组波长滤波器过滤以提供第一组被选择的光谱分量。源的实例包括扩展源，多灯丝白炽灯，以及一列黑体辐射器。波长滤波器的实例包括多介电层带通滤波器，标准具和分色镜(如成堆的1/2和1/4波板)。其它的波长滤波器的实例包括装满不同气体或液体的辐射线测定关联单元。其它的波长滤波器的实例包括包括一个或多个部分透明(或部分反射性的)固体的光学元件。这样和其它的源和波长滤波器的实例属于本发明的范畴。
优选的，波长滤波器的集合包括分析物和基准波长滤波器以提供第一组分析物和基准束。分析物束的实例包括由CO，CO2，NOX，N2O，H2O，H2S，溶剂和包括天然气的组分的不同碳氢化合物过滤的辐射。由于内在的危险，由化学武器和其它有毒气体和液体过滤的辐射作为分析物束的实际例子更少。分析物束的其它实例包括由一个或多个多介电层带通滤波器或分色镜过滤的辐射，其中，被选择的光谱分量被调整为实质上与相应的分析物的一个或多个主要光谱特征相符；如分析物束包括多变量化学计量分析器的一个或多个最优光谱分量。基准束的实例包括由N2，水，溶剂，或完全或局部的真空过滤的辐射。基准束的其它实例包括由一个或多个多介电层带通滤波器或分色镜过滤的辐射，其中，被选择的光谱分量被调整为与样品中的所有可能存在的分析物的任何主要光谱特征的一致性最小。
经过波长滤波器的集合过滤的辐射由预编码器光学器件36A成像，以便实质上沿着调制器22的径向轴形成目标图象52。目标图象52包括与波长滤波器透射的辐射对应的第一组子图象，其沿调制器22的一条或多条径向轴被聚焦(或集中)在实质上不同的径向位置。调制器22在不同的半径具有一些给目标图象52编码的辐射滤波器，以便当调制器22绕旋转轴40旋转时提供第二组编码束。优选的，子图象与辐射滤波器对准，这样编码束与透射过单个波长滤波器的辐射具有一对一的对应。
优选的，编码分析物和基准束延伸经过(或反射自)一个或多个样品。样品的实例包括周围空气，汽车尾气，工业生产液流，集装箱HVAC的输入口，管道系统或排气装置的内部空气，以及天然气。如果样品是气体或液体，优选的，用样品单元装载样品。样品的其它实例包括透射性和反射性的固体。
在编码滤波器-光度计分析器的一个实施例中，多个样品单元被用来提供来自多种气体和/或液体样品的多路复用。调整图形21和后编码器光学器件36B的配置，以便将特定应用分析物-基准束对的组提供给每个样品单元。例如，第一样品单元装有两个未知分析物浓度——并采用了至少两个分析物-基准束对进行分析，而第二样品单元装有五个未知分析物浓度——并采用了至少五个分析物-基准束对进行分析。如果应用需要用相同的分析物-基准束对检测两个或多个样品，可以如下文所述利用多个检测器和ADC。以这种方式，可以实质上同时地检测多个样品。
在经过样品之后，编码关联束被后编码器光学器件36B收集，引导并聚焦到检测器26上，并且计算机28分析由检测器26响应编码束所产生的信号，以确定编码分量的幅度。编码分量的幅度随后被特定应用算法28.asf用于确定样品中的一种或多种分析物的存在和浓度。
优选的，分析物和基准束(以及它们各自的目标子图象)被配置为沿着调制器22的径向轴顺序排列的对(即每个分析物束与相应的基准束相邻)，或关于一条或多条对称半径对称(即每个分析物束被关于一条或多条对称半径由相应的基准束反映)，以便包括分析物-基准对，其在样品内具有实质上相同的光学通道，和/或在检测器26的表面上具有实质上相同的标准强度分布。更为优选的，给定对的分析物和基准束被互补滤波器对编码，这样，产生的编码分量的幅度和相位由分析物和基准束的相对强度确定。最优选的，调整互补滤波器的相对调制强度(如，通过在相应的基准束的通道内插入狭缝或中性滤光片，或通过参照为分析物束编码的辐射滤波器，改变为基准束编码的辐射滤波器的宽度或调制深度)，以便使当样品单元中没有相关吸收(或水平极低)时产生的编码分量为0。以这种方式，编码滤波器-光度计分析器提供了最高的光度测定精度的过滤光度测量。
优选的，限制每个分析物-基准束对的光谱范围(如，通过一个或多个分色镜，带通滤波器，和/或装满不同气体或液体的单元，包括天然气的一种或多种组分)，以分离分析物的一个或多个主要光谱特征，或排除一个或多个不同(其它)分析物的一个或多个主要光谱特征。以这种方式，可以提高装置对样品中的分析物的灵敏度(如编码的分析物-基准对响应样品单元中分析物的特定浓度的幅度)和专一性(如区分两种或多种分析物的能力)。例如，在对天然气的分析中，充满甲烷(天然气的主要成分)的单元能够被用来排除基准过滤分量和非甲烷分析物过滤分量中的甲烷的光谱特征。
特定编码束在系统(包括样品或关联单元)中的通道实际上是始于所有光线轨迹的通道的重叠，其从源24开始，由调制器22上的相应的辐射滤波器的有效区反射，并到达检测器26。因此，当有效区内的辐射滤波器的图形随调制器22的旋转而变化时，通道的重叠发生变化。当吸收性分析物存在时，其中束的衰减取决于通道长度，通道的重叠的变化会导致编码分量的波形失真。在本发明中，通过在辐射滤波器图形中减少沿一条或多条轴的突然中断的数量，可以使这些影响降到最少。优选的，调制器22的辐射滤波器具有上述的类似于“条码”或“西洋跳棋盘”的图形，以提供一个或多个编码分量，其在系统中具有实质上恒定的光学通道的重叠。
图17A是编码滤波器-光度计分析器的实施例的顶视图，其分别为由两个分析物-基准关联室对{F.A1，F.R1}和{F.A2，F.R2}过滤的辐射编码。关联单元F.A1和关联单元F.A2分别装满了已知浓度的分析物A1和A2。如图17A所示，由两个宽带或多光谱分量辐射源24提供辐射24.FP.1和24.FP.2。来自源24.FP.1的辐射被预编码器光学器件36A(FP).2.1(如第一透镜对)收集并聚焦，以便沿着调制器22FP的径向轴在第一个点形成目标子图象52.FP.A1；并沿着调制器22FP的径向轴在第二个点形成目标子图象52.FP.R1。相似地，来自源24.FP.2的辐射被预编码器光学器件36A(FP).2.2(如第二透镜对)收集并聚焦，以便沿着调制器22FP的径向轴在第三个点形成目标子图象52.FP.A2；并沿着调制器22FP的径向轴在第四个点形成目标子图象52.FP.R2。目标子图象(52.FP.A1，52.FP.R1，52.FP.A2和52.FP.R2)和相应的辐射源(24.FP.1和24.FP.2)分别包括目标图象52和辐射源24。
如图17A所示，预编码器光学器件36A(FP)包括带通滤波器36A(FP).1.1以限制分析物-基准束对{56 A1，56 R1}的光谱范围，以隔离分析物A1的一个或多个主要的光谱分量；以及带通滤波器36A(FP).1.2以限制分析物-基准束对{56 A2，56 R2}的光谱范围，以隔离分析物A2的一个或多个主要的光谱分量。例如，带通滤波器被调整为与多变量化学计量分析器的两个最优光谱窗口对应。以这种方式，能够增强编码分析物-基准对的幅度相应于样品中分析物的给定浓度的变化(也就是，灵敏度)。
在图17A所示的编码滤波器-光度计分析器的另一实施例中，带通滤波器36A(FP).1.1或36A(FP).1.2可以被装有不同气体、液体或固体(如天然气的一种或多种组分)的单元代替，以排除一种或多种不同(其它)分析物的一个或多个主要光谱特征。以这种方式，可以提高装置对样品中的分析物的专一性(如区分两种或多种分析物的能力)。例如，在对天然气的分析中，充满甲烷(天然气的主要成分)的单元能够被用来排除基准过滤分量和非甲烷分析物过滤分量中的甲烷的光谱特征。
图17B示出了编码滤波器-光度计分析器的侧视图，以进一步说明束56.A1从源24.FP.1到达检测器26的通道。如图17B所示，来自源24.FP.1的辐射被带通滤波器36A(FP).1.1过滤，并由预编码器光学器件36A(FP).2.1收集并聚焦，以便在调制器22FP的表面上形成子图象52.FP.A1。当调制器22FP绕旋转轴40旋转时，子图象52.FP.A1随后由辐射滤波器50.FP1和互补滤波器对55.FP.A1编码，以提供编码束50.A1。编码束50.A1由后编码器光学器件36B(FP).1.1收集并被引导穿过关联单元F.A1，其装有已知浓度的分析物A1。在经过关联单元F.A1之后，编码束50.A1被后编码器光学器件36B(FP).2.1收集并引导穿过样品单元SC。在经过样品单元SC之后，编码束56.FP.1被后编码器光学器件36B(FP).3收集并聚焦到检测器26上。
如图17A所示，编码滤波器-光度计分析器的分析物和基准单元，F.A1，F.R1，F.A2和F.R2被配置成这样每个分析物束与相应的基准束相邻，以包括分析物-基准束，其在样品单元38.FP中具有实质上相同的通道，和/或在检测器26的表面上具有实质上相同的强度分布。更为优选的，给定对的分析物和基准束被互补滤波器对编码，这样，产生的编码分量的幅度和相位由分析物和基准束的相对强度确定。最优选的，调整互补滤波器的相对调制幅度(如，通过在相应的基准束的通道内插入狭缝或中性滤光片，或通过参照为分析物滤波器，改变为基准滤波器的宽度或调制深度)，以便使当样品单元中没有相关吸收(或水平极低)时产生的编码分量为0(如通过给分析物和基准束施加相当的幅度)。
在图17中，选择光学元件的顺序用来说明并不意味着限制本发明的范围。例如，分析物和基准单元阵列相对于编码器的位置是任意的。经关联单元透射的辐射可以被编码，或者辐射可以被编码并随后透射过关联单元。而且，样品单元能够被放置在束通道中介于源24和检测器26之间的任何位置。这些和其它的变化属于本发明的范畴。
参看图9，对于上述的编码滤波器-光度计分析器，经过光谱过滤的子图象的集合的位置，分析物和基准波长滤波器的阵列的位置，样品单元的位置，和/或其它光学元件，可以被控制以将目标图象52对准到调制器22上，并使编码的相关束对准穿过样品单元到达检测器上。如图17A所示，所有的光学元件可以预先校准，并被安装在公共台35.FP上，其可以相对于调制器22FP移动以对准目标图象52.FP。优选的，源24.FP包括一些校准空间分量并且调制器24.FP包括一些校准通道以便为对准校正算法28.utl(ACA)提供输入，其反过来，产生一个或多个控制信号以将一个或多个光学元件定位，以便使目标图象52.FP对准到调制器22FP上。
优选的，调整预编码器光学器件36A(FP)以便沿不同的径向轴在不同的径向位置提供分析物和基准子图象(如52.FP.A1，52.FP.R1，52.FP.A2和52.FP.R2)。优选的，调整(如，通过在不同的径向位置并沿不同的径向轴安装分析物-基准关联单元对)用于安装预编码器光学器件36A(FP)的单个元件(如带通滤波器，源，透镜)的机械固定装置(支架)，以使分析物-基准对子图象(如{52.FP.A1，52.FP.R1}和{52.FP.A2，52.FP.R2})之间的径向分离最小。
优选的，单个灯丝的位置和单个辐射器的位置和辐射滤波器的位置一起被调整，以简化预编码器光学器件36A(FP)的设计，如，将灯丝和/或辐射器的高度与调制器22上的辐射滤波器对的高度匹配。
锁相噪音抑制分析器在图1的分析器100的许多应用中，在系统中有一个或多个实质上周期性的噪音源(如源驱动电流，开关电源，60Hz线，电动机和冷却风扇的后EMF，等等)，其使被28.adc数字化的编码信号出错。没有有效的锁相，周期噪音源的相位相对于编码辐射分量的相位漂移，导致编码幅度的不可预测的错误。如果噪音源的相位相对于编码辐射分量的相位被锁定，通过明智地选择编码谐波，可以使数字化编码信号的错误最小化或大大减少。
在分析器100的另一实施例中，为了使编码分量的错误最小化，锁相噪音抑制分析器包括噪音搜索算法28.utl(NSA)和噪音锁相算法28.utl(NPL)，以便将调制器22的旋转相位锁定在一个或多个周期性噪音源。
图18是锁相噪音抑制分析器的示意图。如图18所示，调制器22包括为来自源24的辐射编码的辐射滤波器，以便当调制器22绕旋转轴40旋转时提供编码束56.PL。辐射滤波器的调制函数被调整为调制器22的旋转周期的谐波。因为这样，编码束包括一组编码谐波56.PL.1，56.PL.2和56.PL.3。编码束56.PL被后编码器光学器件36B引导到检测器26，并且计算机28分析由检测器26响应编码束56.PL产生并被一个或多个实质上周期性的噪音源29破坏的信号27。
如图18所示，计算机28包括电动机控制算法28.utl(MCA)和数模转换器28.dac，以改变电动轴42的速度。除了给编码分量56.PL.{1，2，3}解码，计算机28还为一组噪音跟踪谐波的幅度和相位解码，其也是调制器22的旋转周期的谐波，但不在这套编码谐波之内。噪音跟踪谐波被噪音搜索算法28.utl(NSA)提供给28.dec。优选的，这套噪音跟踪谐波配有56.PL.{1，2，3}的编码谐波，以使得28.utl(NSA)更好地检测周期性噪音源29。更为优选的，在电动轴42的一个或多个默认(或理想)速度下，噪音跟踪谐波系列实质上与一个或多个周期性噪音源(如29)的一个或多个预期频率对应。优选的，如果周期性噪音源29具有泛音谐波(如，周期性噪音源是具有基数和谐陪音的方波)，调整提供56.PL.{1，2，3}的这组编码辐射滤波器以省略相位锁定的周期性噪音源的基波和一个或多个主要谐波。
启动时，并且之后任何时候，只要是必需的，噪音搜索算法28.utl(NSA)对称地改变电动轴42的速度(如，通过向28.utl(MCA)提出请求)，并且28.dec为噪音跟踪谐波的幅度和相位解码，直到发现轴电动机的速度使一个或多个被解码的噪音跟踪谐波的幅度最大。计算机28随后利用主要的噪音跟踪谐波的幅度和相位作为提供给噪音相位锁定算法(如锁相回路)28.utl(NPL)的输入，其输出控制信号给28.utl(MCA)，该28.utl(MCA)通过28.dac控制电动轴42的速度，以使主要噪音跟踪谐波的相位稳定或锁定。以这种方式，相对于调制器22的旋转锁定周期性噪音源29的相位，并因此，与编码分量56.PL.{1，2，3}实质上正交。
在锁相噪音抑制分析器的另一实施例中，电动轴42的速度与闭合回路采样系统中的一个或多个空气泵同步。以这种方式，由空气泵驱动的质量-密度波动所产生的影响可以被降到最小、被补偿或分析。
图形同心性分析器在分析器100的组装中，最重要的任务之一就是将调制器22安装到电动轴42上。为了使分析器正确运转，调制器22的图形21必须与旋转轴40同中心。如果调制器图形21不是与旋转轴40同中心，由于当调制器22绕旋转轴40旋转时，辐射滤波器的环形区域沿径向轴前后振荡，选择的辐射分量将经历不必要的二次调制。
在分析器100的另一实施例中，图形同心性分析器测量调制器22上的图形21相对于旋转轴40的同中心对准(即同心性)。在图形同心性分析器中，预编码器光学器件36A在沿编码轴的编码平面上形成校准辐射分量的至少一个目标图象(如He-Ne激光束的图象)。调制器22位于编码平面内并包括至少一个互补滤波器对，以便在调制器22绕旋转轴40旋转时提供编码校准束。优选的，包括校准滤波器对的辐射滤波器实质上彼此相邻。更为优选的，校准滤波器对的径向宽度实质上与校准目标图象的宽度相等。最优选的，校准分量的图象(即校准目标图象)的宽度是调制器图形21的中心相对于旋转轴40的最大预期位移的两倍。
图PCA是图形同心性分析器的示意图，其测量调制器图形21PC相对于旋转轴40的同心对准。辐射源24.PC提供至少一个辐射分量用于检测图形21PC的同心性。预编码器光学器件36A收集来自源24.PC的辐射并在调制器22PC的表面上形成目标图象52.PC。如图PCB所示，除了应用具体辐射滤波器和滤波器对(未示出)，调制器22PC还包括互补辐射滤波器对55.PC(包括50.PC.1和50.PC.2)，以便当调制器22PC绕旋转轴40旋转时为目标图象52.PC编码。如图PCA所示，编码束56.PC被后编码器光学器件36B收集并引导到检测器26.PC。优选的，辐射源24.PC被充分校准，使得光学器件36A和36B变得不必要。计算机28分析由检测器26.PC响应编码校准束56.PC产生的信号以确定调制器图形21PC相对于旋转轴40的同心性。
图PCB示出了调制器图形的中心21PC.0和旋转轴40之间的差异。图形中心21PC.0相对于旋转轴40矢量位移由同心性误差确定。认为在同心性误差达到0的范围内，调制器图形21PC应当与旋转轴40同心。
对于以下的讨论，我们定义，当调制器图形与旋转轴40同心时，50.PC.1和50.PC.2之间的边界的径向位置为理想的边界半径Rpc。优选的，预编码器光学器件36A实质上将校准目标图象52.PC定位在理想边界半径RPC处的编码平面内。
如图PCA所示，辐射源24.PC，预编码器光学器件36A，后编码器光学器件36B以及检测器26.PC被安装在平移台35.PC.1上，实质上与电动轴42的径向轴平行地排列，以允许在理想边界半径RPC处精确定位调制器22PC表面上的校准目标图象52.PC。
计算机28包括图形同心性算法28.utl(PCA)，其分析作为旋转角的函数的编码校准分量56.PC的幅度和相位，以确定调制器图形21PC的中心相对于旋转轴40的位移矢量。例如，如果校准分量集中在理想边界半径上，当调制器图形21PC与旋转轴40同心时，编码校准分量56.PC的幅度为0。如果调制器图形21PC与旋转轴40不同心，相位变化的标记和编码校准分量的幅度为零的点的角位置提供了确定调制器图形21PC的中心相对于旋转轴40的位移矢量所需要的所有信息。如果位移矢量的值小于校准分量的图象的宽度的一半，位移矢量的值实质上与编码校准分量的最大幅度成正比。
优选的，图形-轴同心性图形同心性分析器与致动器机械装置35.PC.2相连，用于将调制器移到适当的位置。如图PCA所示，计算机28包括从硬件驱动器到致动器机械装置35.PC.2的控制信号。致动器机械装置35.PC.2包括接触探头35.PC.2.1，用于沿径向轴移动调制器22PC。作为对角相关的编码校准分量56.PC的响应，计算机28移动接触探头。该过程持续到编码校准分量56.PC的幅度实质上与调制器22PC的旋转角无关，优选的，达到零。作为采用致动器机械装置35.PC.2的一种替代方法，28.utl(PCA)可以被用来控制声的或光的信号，以便在手动安装调制器图形21PC(如轻拍)使其实质上同心对准时，将反馈提供给组装技术员。
优选的，图形-轴同心性图形同心性分析器与将调制器22固定在电动轴42上的机械装置相结合(如利用UV固化的树脂和触发闪光灯)。如图PCA所示，电动轴包括树脂座42.2，其被UV固化的树脂覆盖。调制器圆盘22PC被放置在树脂座42.2的顶部，则校准步骤开始。一旦调制器图形21PC实质上与旋转轴40同心(如同心性误差与电动轴42的径向弯曲相似)，触发UV灯以使树脂固化，并且将调制器22PC固定在电动轴42上。
优选的，电动轴42和调制器22PC能够从图形同心性分析器上卸除，并被安装到分析器100的其它实施例中。以这种方式，源24.PC，预编码器光学器件36A.PC和后编码器光学器件36B.PC，检测器26.PC，计算机28和机械装置35.PC.1和35.PC.2包括组装工具(如对心台)。
实例将通过以下实例对本发明做进一步的说明，除非有别的声明，这些实例为参照图1A的分析器100的实例。为了更易于对照，图1A或其它图中的特定元件或系统中的实例中的下述实施例通常被给予复合的符号，例如本文中各图中的元件的带有小数点的数字，以及带有字母的数字。例如，图1A和其它图中的元件的数字，其后带有小数点和数字或字母。例如，100.1为下文中分析器100的一个实施例的示例中的数字，其中该实施例与分析器100的另一实施例100.2不同。如果实施例包括多个元件，复合的符号包括图1A或本文的其它图中的元件的数字，其带有小数点和表示该元件的实施例的第一数字或字母，然后再带一个小数点和用来表示该实施例的特定元件的第二数字。例如，在实例1中，36B1.1和36B1.2分别表示图1A或本文的其它图中的后编码器光学器件36B的第一和第二元件。为了简化附图，这些复合符号并未在图1A中或本文的其它图中示出。实例中介绍的附加元件被给定了专门的符号。
这些实例是为了具体说明本发明，并不意味着限制本发明的范围。在下文介绍的所有实例中，优选的，每个调制函数是平滑函数或平滑函数的数字化复制形式，其当调制器绕旋转轴40旋转时，具有三个或更多的不同的对比水平。最优选的，调制函数的形式为sin2(mθ+pπ/4)。
实例1图1A的多功能分析器100的第一实施例分析器100.1是具有高强度的多光谱分量编码源，校准束，其被用来在一个或多个长而开放的通道中测量辐射吸收气体和蒸气，如图1A中在38处的气体和蒸气，在此气体和蒸气并未被任何围绕物限制。长而开放的通道的实例包括大气，微波收发器之间的被限制的空气空间，建筑物或公路天桥之间和战场上远距离的物体之间的，沿着军事或工业设施的的光线。辐射源24.1是具有多个选择的光谱分量(如二氧化碳激光)的校准辐射束。预编码器光学器件36A.1包括至少一个衍射性的或折射性的元件，以分离选择的光谱分量以便沿着调制器22.1的径向轴形成目标图象52.1。优选的，预编码器光学器件36A.1包括可调节的衰减器，以便预先处理或预先设定选择分量的强度。目标图象52.1具有选择分量的分散图象，其沿着调制器22.1的一条或多条径向轴被聚焦在实质上不同的点。调制器22.1包括一些辐射滤波器，其为选择分量编码，以便当调制器22.1绕旋转轴40旋转时，提供具有多个编码光谱分量的编码束。优选的，目标图象52.1与辐射滤波器对准，这样，编码分量具有与选择的光谱分量实质上一对一的对应。优选的，第一后编码器光学器件36B.1.1包括至少一个衍射性的或折射性的元件，以便大致再子校准编码分量(如36A.1和36B.1.1具有至少一个光栅对，棱镜对或棱镜光栅组合)。以这种方式，编码束可以延伸穿过长而开放的通道到达反射器或其它提供扩散或镜面反射率的目标物体，并被引导到检测器26.1。远程反射器的实例包括反射器，简单的反射镜，人造卫星，或提供扩散和镜面反射率的不同的目标物体。第二后编码器光学器件36B.1.2(图1A中未示出)收集编码辐射束并引导它回到检测器26.1。计算机28.1分析检测器26.1响应编码束产生的信号，以确定编码分量的幅度。以这种方式，分析器100.1和远程反射器之间的开放通道的光透射性能可以被用作化学计量分析的输入，以提供长而开放的通道的化学组成分析；如用来检测可燃或有毒的化学药品，包括化学和生化武器。
在分析器100.1的相关的实施例中，编码束延伸穿过较长的距离到达至少一个远程检测器RD26.1(与检测器26.1相似，但被安装在较远处)，其在图1A中用虚线表示。为了简化图1A，传输编码束到达远程检测器26.1的光学器件并未示出。优选的，由RD26响应编码束产生的信号被送回(未示出)到分析器100.1，以便由计算机28.1进行分析，其确定编码分量的幅度。优选的，远程检测器RD被增加远程计算机RC28以包括一个远程接收器，并且时序和校准信号被分配(如通过微波信号，光学纤维或一个或多个其它的编码激光束)到远程接收器，这样检测器信号可以由RC28在远处进行分析。最优选的，编码束被光束分离器分开并且和时序及对准信号一起被分配给一些远程接收器。以这种方式，检测器信号可以在每个远处被分析，以便在一些不同的样品通道中(如以网、圆周、立面和/或输出端的形式)实质上同时地提供光谱分析。
在分析器100.1的其它实施例中，被校准的，经过编码的束被输入光学纤维，波导，光管或净化(或抽空)的管道系统并被分配给一个或多个远程采样台，这样，编码束的未受控制的通道实质上被限制在远程采样台之外。优选的，每个远程采样台包括至少一个远程检测器RD26.1和远程计算机RC28(和计算机28具有相同的解码函数性)，以便分析由检测器产生的信号及时序和校准信号。以这种方式，可以正确分析在远处采集的数据。
优选的，通过调整源24.1，可以实质上简化预编码器光学器件36A.1和后编码器光学器件36B.1，以提供空间上彼此分离的选择分量(如在获取介质中的空间变化或用分色镜的模式阵列代替激光的偏光镜)。优选的，源24.1被调整，以便在与调制器22.1上的辐射滤波器和滤波器对的排列实质上对应的空间位置处提供选择分量。
参看图9A，对于上述的分析器，可以控制一个或多个光学元件的位置以便将目标图象52.1对准到调制器22.1上。优选的，调制器22.1包括一个或多个校准辐射滤波器或滤波器对，以便为源24.1的一个或多个校准分量编码。校准分量为校准校正算法28.utl(ACA).1提供输入，其反过来，产生一个或多个控制信号以使一个或多个光学元件定位，以便将目标图象52.1准确对准到调制器22.1上。
实例2图1A的多功能分析器100的第二实施例分析器100.2是小型光谱分析器，其利用一组带通滤波器或线性可调滤波器(LVF)来提供多个选择的辐射分量。在分析器100.2中，辐射源包括宽带或多波长源，其由两个或多个带通滤波器的线性阵列(或两个或多个相关辐射计滤波器的线性阵列，如一组物理气体或液体样品)或线性可调滤波器(LVF)过滤。结合在一起，辐射源和该组带通滤波器或LVF包括扩展源24.2，其具有一些与沿LVF透射过(或反射自)单个的带通滤波器或特定位置的辐射对应的空间分量。由带通滤波器阵列或LVF过滤的辐射由预编码器光学器件36A.2成像，以便实质上沿调制器22.2的径向轴形成目标图象52.2。目标图象52.2包括经不同的带通滤波器或LVF的选择部分透射(或反射)的辐射的子图象，其沿调制器22.2的所述径向轴被聚焦在实质上不同的点。调制器22.2在不同的半径处具有一些辐射滤波器，其当调制器22.2绕旋转轴40旋转时，用于为空间分量编码。优选的，空间分量与辐射滤波器对准，这样，编码分量与经单个带通滤波器或LVF的选择部分透射的辐射具有一对一的对应。编码束被后编码器光学器件36B.2收集，引导并聚焦到检测器26上。计算机28随后分析由检测器26响应编码束所产生的信号，以确定编码分量的幅度。可以在源24.2和检测器26之间插入样品或样品单元(如图1A中的虚线框所示的样品38)。以这种方式，可以测量样品的光谱性能。
参看图9A，对于上述的分析器100.2，可以控制带通滤波器或LVF组的位置，以使目标图象52.2对准到调制器22.2上。优选的，扩展源24.2包括一些校准空间分量(如非透射性的掩模，其阻挡单个的带通滤波器或LVF的选择部分之间的边界)，并且调制器22.2包括一些校准通道以提供输入给校准校正算法28.tul(ACA).2，其反过来，产生一个或多个控制信号以使一个或多个光学元件定位，以便将目标图象52.2对准到调制器22.2上。
实例3图1A的多功能分析器100的第三个实施例分析器100.3是光谱分析器，其既被用于分析又被用来提供反馈，以便同时控制一些可调辐射源的中心波长。辐射源24.3包括一些光谱分量，其中，每个光谱分量与一个不同的辐射源对应并以强度和中心波长为特征。例如，辐射源24.3可以是具有多个光学信号的光学纤维，其中每个信号与不同的辐射源对应。由源24.3发射的辐射由预编码器光学器件36A.3成像，以便在调制器22.3上形成目标图象52.3。目标图象52.3包括沿调制器22.3的径向轴被聚焦在实质上不同的点的子图象，其中每个子图象与不同的辐射源对应。预编码器光学器件36A.3包括至少一个衍射性元件，这样，任何不同辐射源中的一个的中心波长的变化将会引起相应的子图象实质上沿调制器22.3的径向轴移动。调制器22.3在不同的半径处具有一些辐射滤波器对(与图7中的调制器22D中的55.1相似)，其当调制器22.3绕旋转轴40.3旋转时，提供编码束。每个辐射滤波器对包括具有互补的或异相的调制函数的辐射滤波器，这样，编码分量的幅度和相位由入射到两个滤波器上的辐射的相对比例确定。编码束被后编码器光学器件36B.3收集，引导并聚焦到检测器26.3上，并且计算机28.3分析由检测器26.3响应编码束所产生的信号。计算机28.3计算检测器26.3响应编码束所产生的信号的编码分量的幅度和相位。优选的，计算机28.3产生一些不同的控制信号以调节不同的辐射源的中心波长，作为对检测器26.3所产生的信号的响应，以便为源调整频率。优选的，包括每个对的辐射滤波器实质上彼此相邻，并且相邻辐射滤波器的边界实质上位于半径上，其与相应的可调频的辐射源的额定或预期波长的子图象的径向位置对应。以这种方式，当辐射源的中心波长被调节为额定或预期波长，编码分量的幅度为零(或空)。特定的可调频源的任何相对于理想配置的偏离产生一个信号(在其相应的调制通道内)，其中，解码信号的标记和幅度分别表明中心波长的方向和大小。以这种方式，解码信号可以被用作反馈机制以保持可调频源处于最优的配置。这样，当温度改变或其它的环境变化引起中心波长漂移时，解码信号可以被用来调节可调频辐射源，以便保持稳定和不变的中心波长，如通过改变源的温度或电流。
参看图9A，对于上述的分析器100.3，可以控制一个或多个光学元件的位置，以便使目标图象52.3对准到调制器22.3。优选的，源24.3包括一些校准光谱分量(如基准激光或一些气体或杂质光谱线)并且调制器22.3包括一些校准通道以提供输入给校准校正算法28.utl(ACA).3，其反过来，产生一个或多个控制信号以使一个或多个光学元件定位，以便将目标图象52.3对准到调制器22.3上。
优选的，不时地测量不同辐射源的强度。为此，28.utl(ACA).3被用来产生一个或多个控制信号以使一个或多个光学元件重新定位，以便使目标图象52.3沿着径向轴从默认位置移动到解调谐位置。这反过来共同地沿径向轴相应于单个的辐射源移动子图象。计算机28.3随后将由目标图象52.3的默认位置获得的被解码的幅度与由目标图象52.3的解调谐位置获得的幅度进行比较，以确定不同辐射源的强度。优选的，图8中调制器22E所示的的与{55.3，50.22}，{55.4，50.23}相似的任何图形的阵列被用来允许测量每个编码辐射分量的中心波长和总强度(即，光谱强度分布)，而无需解调谐目标图象52.3的位置。
实例4图1A所示的多功能分析器100的第四个实施例分析器100.4是荧光成像分析器，其具有PMT的速度和灵敏度。辐射源24.4示扩展源，其包括来自一组不同荧光样品的发射。例如，多道电泳的泳道或荧光标记的被分析物的样品。由源24.4发射的辐射由预编码器光学器件36A.4成像，以便实质上沿调制器22.4的径向轴形成目标图象52.4(连续图象)。目标图象52.4包括不同荧光样品的组的子图象，其沿调制器22.4的径向轴被聚焦在实质上不同的点。调制器22.4包括一些辐射滤波器，其为由荧光样品发射的辐射编码，以便当调制器22.4绕旋转轴40旋转时，提供包括多个编码空间分量的编码束。优选的，目标图象52.4与辐射源对准，这样，编码分量与不同的荧光样品具有实质上一对一的对应。换句话说，预编码器光学器件36A.4对应于相应的目标图象52.4的子图象使每个不同的荧光样品在调制器22.4上成像，其中子图象最好没有在调制器上重叠。优选的，子图象沿调制器22.4的径向轴分散，这样，来自相应的子图象的每个编码光谱分量(或一个带宽内的一个编码光谱分量组)与一个或只一个不同的荧光样品对应。
编码束被后编码器光学器件36B.4收集，引导并聚焦到检测器26.4上，其为光电倍增管(PMT)，并且由PMT响应编码束产生的信号被计算机28分析，以确定编码分量的幅度。优选的，通过在后编码器光学器件36B.4和PMT之间插入分光计或其它波长过滤装置并扫描或改变透射到PMT的辐射的波长，测量不同荧光样品的光谱特性。优选的，光谱摄制仪或其它的波长分离装置被用来引导编码束的一些选择的光谱分量到达相同数量的PMT。最优选的，计算机28.4会增加足够数量的模数转换器(ADC)，这样，可以实质上同时地分析由PMT响应编码束产生的信号。以这种方式，可以实质上同时地测量通过PMT的速度和灵敏度，荧光样品组的光谱特性。
如果必要，分析器100.4可以和分析器300的交错激励机械装置(如图10所示)相连，以便实质上同时地确定不同荧光样品的激励特性(如激励光谱)。
特定样品的视场由所有光线轨迹的重叠确定，该轨迹开始于样品(在相应的样品平面内，包括源24.4的部分)，反射自相应辐射滤波器的有效区域，并到达检测器26.4。因此，当调制器22.4旋转时，视场随有效区域内的辐射滤波器的排列而变化。对于不均匀的样品或具有不连续边界的样品，视场中与旋转相关的变化可能引起编码响应分量的波形失真。在本发明中，通过减少沿辐射滤波器的图形中的一条或多条轴的突然中断的数量，这些影响可以被降到最小。优选的，调制器22.4的辐射滤波器包括如上所述的类似“条码”或“西洋跳棋盘”的图形，以提供一个或多个编码分量，其沿样品平面的一条或多条轴具有实质上不变的视场。
参看图9A，对于上述的分析器100.4，通过移动一个或多个光学元件可以控制成像的荧光，以使目标图象52.4对准到调制器22.4上。优选的，源24.4包括一些校准空间分量(如，24.4中一些分布在已知的空间位置的已知的荧光种类，并且调制器22.4包括一些校准通道以提供输入给校准校正算法28.utl(ACA).3，其反过来，产生一个或多个控制信号以使一个或多个光学元件定位，以便将目标图象52.3对准到调制器22.3上。优选的，校准空间分量还可以具有已知的光谱发射特性，用于校准波长过滤装置或波长分离装置。
实例5图1A所示的多功能分析器100的第五个实施例分析器100.5是光谱分析器，其为具有多个选择的光谱分量的分散图象和具有透射过或反射自一个或多个带通滤波器和/或双色光束分离器的辐射的连续图象编码。当穿过分析器的辐射通道可能包括干扰气体和蒸气(或液体)时，其会不可预测地影响光谱测量的精度，在这样的条件下，这种方法是有益的。在这样的情况下，优选的，对于那些受干扰的光谱分量，使穿过分析器的光通道最小。二氧化碳(CO2)就是相关的著名例子。在希望在CO2的光谱区内获得高的透射精度的应用中所用的分散性装置通常包括用氮净化装置的未受控制的通道，即，没有包括样品或样品单元的光通道。分析器100.5提供了该方法的一种选择。
在分析器100.5，辐射源是宽带或多波长源，其在两个不同的光谱区SR1和SR2内具有多个选择的光谱分量。SR1包含那些在未受控制的通道内受干扰的光谱分量。优选的，分析器100.5包括分色镜和一个或多个带通滤波器或线性可调的滤波器(LVF)用来过滤SR1中的辐射。组合在一起，辐射源，分色镜以及带通滤波器组或LVF包括源24.5，其具有与透射过(或反射自)单个带通滤波器的辐射或沿LVF的位置对应的一些空间分量。SR2中的未受干扰的辐射被指定源24.5.2。预编码器光学器件36A.5包括子光学器件36A.5.1和36A.5.2，用于分别使24.5.1和24.5.2在调制器22.5上成像。子光学器件36A.5.1实质上沿调制器24.5的第一径向轴形成第一目标图象52.5.1，并且包括衍射性或折射性元件的子光学器件36A.5.2实质上沿调制器22.5的第二径向轴形成第二目标图象52.5.2。目标图象52.5.1包括24.5的选择的光谱分量，其沿调制器22.5的第一径向轴被聚焦在实质上不同的点。目标图象52.5.2是分散图象，包括24.5.2的选择的光谱分量，其沿调制器22.5的第二径向轴被聚焦在实质上不同的点。
调制器22.5在不同的半径处具有一些辐射滤波器，用于为辐射分量24.5.1和24.5.2编码，以便当调制器22.5绕旋转轴40旋转时提供两个编码束(分别为56.5.1和56.5.2)。优选的，目标图象52.5.1与辐射滤波器对准，这样，56.5.1的编码分量与选择的光谱分量24.5.1具有实质上一对一的对应。优选的，目标图象52.5.2与辐射滤波器对准，这样，56.5.2的编码分量与选择的光谱分量24.5.2具有实质上一对一的对应。后编码器光学器件36B.5包括子光学器件36B.5.1和36B.5.2，分别用于控制56.5.1和56.5.2。56.5.1被36B.5.1收集、引导并聚焦到第一检测器26.5.1，并且56.5.2被36B.5.2收集、引导并聚焦到第二检测器26.5.2。计算机28.5分析由检测器26.5.1和检测器26.5.2分别响应编码束56.5.1和56.5.2产生的信号，以确定两个光谱范围内的编码分量的幅度。可以在辐射源和分色镜之间插入样品或样品单元(如，图1A中的虚线框所示的样品38)用于光谱分析；即样品位于源24.5的限制之内。优选的，SR1的光谱分量的总的未受控制的通道被做得尽可能的小，以使干扰最少。以这种方式，可以在有干扰气体或蒸气存在时测量样品的光谱特性。
实例6图1A所示的多功能分析器100的第六个实施例分析器100.6是小型光谱分析器，为分析样品，其利用一组不连续的辐射源来提供多光谱分量编码源。不连续的源包括激光二极管，光发射二极管或等/滤波器组合。优选的，辐射源24.6包括不扩展源的线性阵列。源的阵列发射的辐射被成像，以便实质上沿调制器22.6的径向轴形成目标图象52.6。优选的，源阵列靠近并沿着调制器22.6的径向轴安装，这样，无需预编码器光学器件36A即可形成目标图象52.6。目标图象52.6包括空间分量，由单个源发射的辐射的子图象，其沿着调制器22.6的径向轴被聚焦(或集中)在实质上不同的点。调制器22.6在不同的半径处具有一些辐射滤波器，用于为空间分量编码，以便当调制器22.6绕旋转轴40.6旋转时提供编码束。优选的，空间分量与辐射滤波器对准，这样，编码分量与由单个不扩展源发射的辐射具有实质上一对一的对应。编码束被36B.6收集、引导并聚焦到检测器26.6上。计算机28.6随后分析由检测器26.6响应编码束产生的信号，以确定编码分量的幅度。可以在辐射源24.6和检测器26.6之间插入样品或样品单元。以这种方式，可以测量样品的光谱特性。
参看图9A，对于上述的分析器100.6，可以控制不扩展源的阵列和/或其它光学元件的位置，以便将目标图象52.6对准到调制器22.6上。优选的，源24.6包括一些校准空间分量，并且调制器22.6包括一些校准通道，以便提供输入给校准校正算法28.utl(ACA).6，其反过来，为硬件驱动器28.6.drv产生一个或多个控制信号以使一个或多个光学元件(如一个公共的结构，其上安装着不扩展源阵列)定位，以便将目标图象52.6对准到调制器22.6上。
实例7在一些应用中，有必要测量两个或多个不同光谱区域中的两个或多个选择的光谱分量组的强度。由于实际的原因，这些光谱区域通常由不同的辐射检测器的波长响应特性区分。例如，汞镉碲化物(HgCdTe或MCT)响应大致介于8～12微米之间的辐射，硒化铅(PbSe)检测器响应大致介于3～5微米之间的辐射，硫化铅(PbS)检测器响应大致介于1～3微米之间的辐射，铟镓砷化物(InGaAs)检测器响应大致介于0.7～2.2微米之间的辐射，并且光电倍增管(PMT)响应大致介于0.2～0.7微米之间的辐射。在特定的应用中，可能有必要测量这些检测器特定的光谱区域的不同组合中的选择的光谱分量。
图1A所示的多功能分析器100的第七个实施例分析器100.7是光谱分析器，其采用了具有一个或多个辐射滤波器的调制器22.7，这些滤波器同时地为两个不同光谱区域内的选择的光谱分量编码。辐射源24.7包括两个不同光谱区域内的选择的光谱分量SR1和SR2。预编码器光学器件36A.7收集由辐射源24.7发射的辐射并形成两个目标图象52.7.1和52.7.2。在一个实施例中，预编码器光学器件36A.7可以包括一个或多个具有两个或多个不同的沟道频率的光栅。以这种方式，多沟道频率光栅使两个不同的光谱区域实质上沿相同的光学通道分散(即分散图象52.7.1和52.7.2彼此重叠)。目标图象52.7.1包括来自SR1的选择的光谱分量，并且目标图象52.7.2包括来自SR2的选择的光谱分量。52.7.1的选择的光谱分量沿着调制器22.7的径向轴被聚焦在实质上不同的点，52.7.2的选择的光谱分量沿着调制器22.7的径向轴被聚焦在实质上不同的点。如果需要，预编码器光学器件36A.7可以被调整，这样，52.7.1和52.7.2被沿着径向轴分开，或着沿着两条不同的径向轴投射。这样的或其它的改变属于本发明的范畴。调制器22.7在不同的半径处具有一些辐射滤波器，以便当调制器22.7绕旋转轴40旋转时，给光谱分量编码，以提供两个相符的编码束56.7.1和56.7.2。优选的，目标图象52.7.1和52.7.2与辐射滤波器对准，这样编码分量与SR1的选择的光谱分量具有实质上一对一的对应。更为优选的，调制器22.7为“类似阵列”的图形，其包括大量的实质上正交的彼此相邻的辐射滤波器，形成实质上无间隙的编码网，以同时检测辐射源24.7的两个光谱范围。更为优选的，调整调制器22.7的辐射滤波器的单个宽度以提供在特定光谱区域内具有恒定波长带宽或恒定能量带宽的编码光谱分量。利用调制器22.7“类似阵列”的图形，56.7.1和56.7.2在光谱范围SR1和SR2中分别具有实质上完整的光谱。编码束56.7.1和56.7.2分别被后编码器光学器件36B.7收集，分离并聚焦到检测器26.7.1和26.7.2上；如利用一个或多个分色镜。优选的，检测器26.7.1响应选择的光谱分量或SR1，并且检测器26.7.2响应选择的光谱分量或SR2。优选的，计算机28.7具有两个ADC用于同时给来自检测器26.7.1和26.7.2的信号采样。计算机28随后分析由两个检测器响应编码束产生的信号，以实质上同时地确定两个光谱范围内的选择的光谱分量的幅度。可以在源24.7和调制器22.7之间插入样品或样品单元。以这种方式，样品在两个不同光谱范围内的光谱特性可以被同时测量。
选择上述的实例中的光谱范围来说明，并不意味着限制本发明的范围。
实例8图1A所示的多功能分析器100的第八个实施例分析器100.8是多光谱分量编码源，其具有高强度的校准束，能够被用来激励辐射发射或辐射散射样品(如气体云，污染水，污染表面，污染土壤)。辐射源24.8是具有多个选择激励分量(如氩离子激光或其它多激励线激光，或多个独立激励源)的校准辐射束。预编码器光学器件36A.8包括至少一个衍射性或折射性元件以分离选择的光谱分量以便沿着调制器22.8的径向轴形成目标图象52.8。优选的，预编码器光学器件36A.8包括可调衰减器以预先处理或预先设置选择分量的强度。目标图象52.8是具有选择的光谱分量的分散图象，其沿着调制器22.8的一条或多条径向轴被聚焦在实质上不同的点。调制器22.8包括一些辐射滤波器，其为选择的光谱分量编码，以便当调制器22.8绕旋转轴40旋转时，提供具有多个编码光谱分量的编码束。优选的，目标图象52.8与辐射滤波器对准，这样，编码分量具有与选择的光谱分量实质上一对一的对应。优选的，第一后码器光学器件36B.8.1包括至少一个衍射性的或折射性的元件，以便实质上再次校准编码分量(如36A.8和36B.8.1具有至少一个光栅对，棱镜对或棱镜光栅组合)。以这种方式，编码束可以延伸穿过一段距离以激励远处的样品38(如气体云或污染表面)，或激励一个或多个不透光样品(如污染表面，污染水或污染土壤)。样品38(如图1A中的虚线框所示)可以或可以不被限制在围绕物之内。
作为对编码激励束的响应，样品38发射编码响应辐射，其被第二后码器光学器件36B.8.2(如用于远程样品的望远镜，或用于不透光样品的显微镜，在图1A中未示出)收集并引导回到检测器26.8。计算机28.8分析检测器26.8响应编码响应束产生的信号以确定编码分量的幅度。以这种方式，样品的激励特性可以被用作一个或多个化学计量分析的输入，以确定样品的化学组成，如检测可燃的或有毒的化学药品，包括化学或生化武器。
在分析器100.8的另一实施例中，编码束被输送入光学纤维，波导，光管或净化(或抽空)的管道系统并被分配给一个或多个远程采样台，这样，编码激励束的未受控制的通道实质上被限制在远程采样台之外。远程采样台包括至少一个或多个响应编码激励束而发射或散射编码响应束的样品。优选的，每个远程激励台包括至少一个远程检测器RD26和远程计算机RC28(和计算机28具有相同的解码函数性)，以便分析编码响应束。优选的，时序和校准信号被分配给远程样品台，以便由RC28用来分析来自检测器RD26的信号。以这种方式，可以正确分析在远处采集的数据。
优选的，通过调整源24.8，可以实质上简化预编码器光学器件36A.8和后编码器光学器件36B.8，以提供空间上彼此分离的选择分量(如在获取介质中的空间变化或用分色镜的图形阵列代替激光的偏光镜)。优选的，调整源24.8，以便在与调制器22.8上的辐射滤波器和滤波器对的排列实质上对应的空间位置处提供选择分量。
参看图9A，对于上述的分析器，可以控制一个或多个光学元件以便将目标图象52.8对准到调制器22.8上。优选的，调制器22.8包括一个或多个校准辐射滤波器或滤波器对，以便为源24.8的一个或多个校准分量编码。校准分量为校准校正算法28.utl(ACA).8提供输入，其反过来，产生一个或多个控制信号以使一个或多个光学元件定位，以便将目标图象52.8准确对准到调制器22.8上。
实例9图1A所示的多功能分析器100的第九个实施例分析器100.9是成像分析器，其利用一个或多个辐射激励源和成像光学器件(如，配置用来为每个激励源提供线图象或多个子图象的光学器件)来提供编码激励束的阵列(每个激励束沿一条或多条轴具有实质上恒定的点尺寸和实质上均匀的照明度)，用于激励一组样品。激励源的实例包括气体激光，气体二极管，光发射二极管和灯/滤波器组合。样品组的实例包括气体或液体样品单元的阵列，多道电泳，荧光标记分析物的井和污点，不均匀混合物中的区域，以及组装线上的药物。由辐射激励源24.9发射的辐射由预编码器光学器件36A.9成像，以便沿调制器22.9的径向轴形成目标图象52.9。目标图象52.9具有辐射源24.9的子图象(或线图象，其为子图象的连续体)阵列，其沿调制器22.9的径向轴被聚焦(或集中)在实质上不同的点。调制器22.9在不同的半径处具有一些辐射滤波器，其为子图象编码，以便当调制器22.9绕旋转轴40旋转时提供编码激励束阵列。优选的，子图象与辐射滤波器对准，这样，编码激励束具有与具有单个子图象的辐射实质上一对一的对应。编码激励束被后编码器光学器件36B.9收集，引导并聚焦到一组样品上。如果采用了不止一个的激励源，分析器100.9可以与激励交错光学器件(如上所述)相结合，以便为每个样品/激励组合提供专门的编码。优选的，编码激励束的阵列与样品对准，这样，每个样品被来自每个激励源的一个编码激励束激励。
作为对激励辐射的响应，每个所述的样品发射或散射一个或多个辐射响应束。优选的，编码激励束的阵列与样品组对准，这样，在特定的编码响应分量和特定的样品/激励组合之间存在实质上一对一的对应(即，对于每个激励源，每个样品发射或散射一个编码响应束。将会避免由一个编码激励束激励不止一个样品而产生的激励串扰。)。编码响应束被后编码器光学器件36B.9收集，引导并聚焦到检测器26.9上，其为光电倍增管(PMT)，由PMT响应编码束产生的信号由计算机28.9分析，以确定编码分量的幅度。
优选的，通过在后编码器光学器件36B.9和PMT之间插入光度计或其它波长滤波器装置并扫描透射到PMT的辐射的波长，可以测量不同荧光样品的光谱特性。优选的，光谱摄制仪或其它的波长分离装置被用来引导编码束的一些选择的光谱分量到达相同数量的PMT。最优选的，计算机28.9会包括足够数量的模数转换器(ADC)，这样，可以实质上同时地分析由PMT响应编码束产生的信号。以这种方式，可以实质上同时地测量通过PMT的速度和灵敏度，样品组对一个或多个激励辐射源的响应。
特定样品平面中的照明场由所有激励束线轨迹的重叠确定，该轨迹开始于源24.9，反射自相应辐射滤波器的有效区域，并到达相应的样品。因此，当调制器22.9旋转时，照明场(位于样品上，在样品平面内)随有效区域内的辐射滤波器的排列而变化。对于不均匀的样品或具有不连续边界的样品，照明场中与旋转相关的变化可能引起编码响应分量的波形失真。在本发明中，通过减少沿辐射滤波器的图形中的一条或多条轴的突然中断的数量，这些影响可以被降到最小。优选的，调制器22.9的至少一个辐射滤波器包括如上所述的类似“条码”或“西洋跳棋盘”的图形，以提供一个或多个编码激励分量，其沿样品平面的一条或多条轴具有实质上不变的照明场。
参看图9A，对于上述的分析器100.9，可以控制激励子图象的阵列的位置，编码激励束阵列的位置，样品组的位置和/或其它光学器件，以使目标图象52.9对准到调制器22，并使编码激励束对准到样品组上。优选的，源24.9包括一些校准空间分量并且调制器22.9包括一些校准通道以提供输入给校准校正算法28.utl(ACA).9，其反过来，产生一个或多个控制信号以使一个或多个光学元件(如，一个公共结构，其上安装着不扩展源的阵列，与图17A中所示的35.FP相似)被定位，以便将目标图象52.9对准到调制器22上。
实例10图1A所示的多功能分析器100的第十个实施例分析器100.10是具有高强度的校准束多光谱分量编码源，其被用于检测不透光样品，如液体或固体(如饮用水，药物，墙，污染土壤，以及行李传送带上的行李和包裹)。除了来自源的束可以被样品散射而不是穿过样品和被传送到检测器的散射束，样品38可以被安装在源24.10和检测器26.10之间的光学通道中的任意一点，例如，如图1A所示的位置。辐射源24.10是具有多个选择的光谱分量(如二氧化碳激光，氩离子激光，或其它多线激光)的校准辐射束。预编码器光学器件36A.10包括至少一个衍射性或折射性元件以分离选择的光谱分量以便沿着调制器22.10的径向轴形成目标图象52.10。优选的，预编码器光学器件36A.10包括可调衰减器以预先处理或预先设置选择分量的强度。目标图象52.10是具有选择的光谱分量的分散图象，其沿着调制器22.10的一条或多条径向轴被聚焦在实质上不同的点。调制器22.10包括一些辐射滤波器，其为选择的光谱分量编码，以便当调制器22.10绕旋转轴40旋转时，提供具有多个编码光谱分量的编码束。优选的，目标图象52.10与辐射滤波器对准，这样，编码分量具有与选择的光谱分量实质上一对一的对应。优选的，第一后编码器光学器件36B.10.1包括至少一个衍射性的或折射性的元件，以便实质上再次校准编码分量(如36A.10和36B.10.1每个具有至少一个光栅对，棱镜对或棱镜光栅组合)。以这种方式，编码束可以被用于检测不透光样品。第二后码器光学器件36B.10.2收集编码辐射束并引导其返回检测器26.10。优选的，在预编码器光学器件36A.10.1和后编码器光学器件36B.10.2之间放置样品(如图1A中的虚线框所示的样品38)。计算机28.10分析检测器26.10响应编码束56.10产生的信号27.10，以确定编码分量的幅度。以这种方式，不透光样品的光谱透射率可以被用作给化学计量分析的输入，以提供样品的化学组成分析；如检测可燃的或有毒的化学药品，包括化学或生化武器。
在分析器100.10的相关实施例中，编码束延伸穿过较远的距离到达至少一个远程检测器RD26(与检测器26.10相似，但位于远程位置)。优选的，由RD26响应编码束产生的信号被送回分析器100.10，以便由计算机28.10进行分析，其确定编码分量的幅度。优选的，远程检测器RD26配置了远程计算机RC28，以包括远程接收器，并且时序和校准信号被分配(如通过微波信号，光学纤维或一个或多个附加编码激光束)给远程接收器，这样，检测器信号可以被RC28在远处进行分析。最优选的，编码束被光束分裂器分离并和时序和校准信号一起被分配给一些远程接收器。以这种方式，可以在每个远距离位置分析检测器信号。
在分析器100.10的另一个实施例中，校准编码束被输送入光学纤维，波导，光管或净化(或抽空)的管道系统并被分配给一个或多个远程采样台，这样，编码束的未受控制的通道实质上被限制在远程采样台之外。优选的，每个远程激励台包括至少一个远程检测器RD26和远程计算机RC28(和计算机28具有相同的解码函数性)，以便分析由检测器产生的信号和时序与校准信号。优选的，时序和校准信号被分配给远程样品台，以便由RC28用来分析来自检测器RD26的信号。以这种方式，可以正确分析在远处采集的数据。
优选的，通过调整源24.10，可以实质上简化预编码器光学器件36A.10和后编码器光学器件36B.10，以提供空间上彼此分离的选择分量(如在获取介质中的空间变化或用分色镜的图形阵列代替激光的偏光镜)。更为优选的，调整源24.10，以便在与调制器22.10上的辐射滤波器和滤波器对的排列实质上对应的空间位置处提供选择分量。
参看图9A，对于上述的分析器，可以控制一个或多个光学元件的位置，以便将目标图象52.10对准到调制器22.10上。优选的，调制器22.10包括一个或多个校准辐射滤波器或滤波器对，以便为源24.10的一个或多个校准分量编码。校准分量为校准校正算法28.utl(ACA).10提供输入，其反过来，产生一个或多个控制信号以使一个或多个光学元件定位，以便将目标图象52.10准确对准到调制器22.10上。
实例11图1A所示的多功能分析器100的第十一个实施例分析器100.11是光谱分析器，其利用辐射滤波器和辐射滤波器对来识别来自一些分散在流体中的染料标记的珠子的不同的荧光谱，并对其进行量化(不同，标记，远的，识别标记)。
在分析器100.11中，辐射源24.11是来自一些分散在流体中的染料标记的珠子的荧光的重叠。包括衍射性或折射性元件的预编码器光学器件36A.11实质上沿着调制器22.11的径向轴形成分散的目标图象52.11。调制器22.11在不同的半径处具有一些辐射滤波器，用于为24.11.1的选择的辐射分量编码，以便当调制器22.11绕旋转轴40.11旋转时提供编码束。优选的，目标图象52.11与辐射滤波器对准，这样，编码分量具有与选择的光谱分量24.11实质上一对一的对应。后编码器光学器件36B.11收集，引导并聚焦编码束到检测器26.11上。计算机28.11随后分析检测器26.11响应编码束产生的信号，以确定编码分量的幅度。计算机28.11随后在一个或多个化学计量算法中利用解码幅度以确定来自一个或多个标记染料的荧光的存在和强度。以这种方式，可以确定改变一种或多种标记染料(如通过使一种或多种荧光骤冷机制有效或被动)的强度的一种或多种化学药品(或生化药品)的存在和浓度。
优选的，调制器22.11包括一个或多个互补滤波器对，使得计算机28.11能够采用化学计量算法，通过一个或多个波长第一子导数基础函数，利用与确定光谱的零交点相同的方法，其对于不同的标记染料可能不同(尽管它们具有相似的荧光光谱)，区分来自两种或多种具有相似的荧光光谱的标记染料的荧光。优选的，调制器22.11包括一个或多个互补滤波器对和一个或多个滤波器(或收集滤波器对)，其占据了相同环形区域内的环形段(如与图8的调制器22E的那些相似的分布)，以使得计算机28.11同时区分来自两种或多种具有相似的荧光光谱的标记染料的荧光，并将其量化。
实例12图1A所示的多功能分析器100的第十二个实施例分析器100.12是多光谱分量编码源，其具有高强度的校准束，根据对吸附、散射或荧光的分析，其被用来识别气体，蒸气和一种或多种封闭通道中所含的微粒。封闭通道的实例包括HVAC系统的管道系统，油罐卡车或有轨车的油罐，气体管道(如天然气)，集装箱运货船货舱，集装箱和地铁隧道。
辐射源24.12是具有多个选择的光谱分量(如二氧化碳激光，氩离子激光或其它的多线激光)的校准辐射束。预编码器光学器件36A.12包括至少一个衍射性的或折射性的元件，以分离选择的光谱分量，以便沿着调制器22.12的径向轴形成目标图象52.12。优选的，预编码器光学器件36A.12包括可调节的衰减器，以便预先处理或预先设定选择分量的强度。目标图象52.12是具有选择的光谱分量的分散图象，其沿着调制器22.12的所述的径向轴被聚焦在实质上不同的点。调制器22.12包括一些辐射滤波器，其为选择的光谱分量编码，以便当调制器22.12绕旋转轴40旋转时，提供具有多个编码光谱分量的编码束。优选的，目标图象52.12与辐射滤波器对准，这样，编码分量具有与选择的光谱分量实质上一对一的对应。优选的，第一后编码器光学器件36B.12.1包括至少一个衍射性的或折射性的元件，以便实质上再次校准编码分量(如36A.12和36B.12.1每个具有至少一个光栅对，棱镜对或棱镜光栅组合)。以这种方式，编码束可以延伸穿过长而封闭的通道到达远程反射器，并被引导回到检测器26.12。远程反射器的实例包括反射器，简单的反射镜，金属管道系统，或提供扩散和镜面反射率的不同的目标物体。第二后编码器光学器件36B.12.2收集编码辐射束并引导它回到检测器26.12。计算机28.12为检测器26.12产生的信号27.12解码，以确定编码分量的幅度，其随后被用作一种或多种化学计量分析的输入。以这种方式，可以确定封闭通道的化学组成。这些信息随后可以被用于警报特定气体和蒸气的存在，如可燃的或有毒的化学药品，包括化学和生化武器。
在一个实施例中，集装箱运货船货舱可以配置光学窗口，这样可以检测内部空气空间。更为优选的，光学窗口的位置可以被标准化，这样，封闭通道包括至少两个货舱内的并排或并列放置的集装箱的总的内部空气空间。更为优选的，集装箱配有样品单元38.12(如图1A中的虚线框所示的单元38)，其跨越了标准光学窗口之间的内部容积。更为优选的，样品单元配有吸收性介质37.12。更为优选的，样品单元配有加热机械装置39.12(如图1A中的虚线框所示的机械装置39)，以解吸被吸收性介质捕获的化学药品。最优选的，吸收性介质37.12被激光或其它的无线装置加热，以解吸所吸附的化学药品。以这种方式，可以在进入港口之前，针对有毒化学药品和违禁品，对大量的集装箱进行有效检测。
在分析器100.12的相关的实施例中，编码束延伸穿过封闭的通道到达至少一个远程检测器RD26.12(与检测器26相似，但被安装在较远处)，优选的，由RD26响应编码束产生的信号被送回分析器100.12，以便由计算机28.12进行分析，其确定编码分量的幅度。更为优选的，远程检测器RD26.12与远程计算机RC28相结合，以包括远程接收器，并且时序和校准信号被分配给远程接收器，这样检测器信号可以由RC28在远程位置进行分析。最优选的，编码束被光束分离器分开并且和时序及对准信号一起被分配给一些远程接收器；如通过HVAC系统，管道网，或集装箱货船的货舱分配。以这种方式，可以在每个远程位置分析检测器信号，并且可以针对气体，蒸气和微粒的存在和浓度，如可燃的或有毒的化学药品，包括化学和生化武器，同时检测一些封闭通道。
优选的，通过调整源24.12，可以实质上简化预编码器光学器件36A.12和后编码器光学器件36B.12，以提供空间上彼此分离的选择分量(如在获取介质中的空间变化或用分色镜的图形阵列代替激光的偏光镜)。优选的，调整源24.12，以便在与调制器22.12上的辐射滤波器和滤波器对的排列实质上对应的空间位置处提供选择分量。
如果源24.12具有与数据采集速率相等或低于数据采集速率的透射重复速率，优选的，调制器22.12的旋转与重复速率同步，以使得解码幅度的混淆效应最小。
参看图9A，对于上述的分析器，可以控制一个或多个光学元件的位置以便将目标图象52.12对准到调制器22.12上。优选的，调制器22.12包括一个或多个校准辐射滤波器或滤波器对，以便为源24.12的一个或多个校准分量编码，以便为校准校正算法28.utl(ACA).12提供输入，其反过来，产生一个或多个控制信号以使一个或多个光学元件定位，以便将目标图象52.12准确对准到调制器22.12上。
实例13图1A所示的多功能分析器100的第十三个实施例分析器100.13是多光谱分量编码源，其具有与非编码辐射束相结合的校准束以提供热源，通过热源39.13(如图1A中的虚线框所示的加热机械装置39)，其被用来识别从表面(或吸收性介质37.13，如图1A中的虚线框所示的37)解吸的或由热源激发的等离子体产生的气体和蒸气并为其量化(如激光切割喷火器的光谱分析)。解吸的物质随后形成样品38.13，其由分析器100.13按下文所述进行检测。
辐射源24.13是高能校准辐射束，其具有多个选择的光谱分量(如，二氧化碳激光)。辐射源24.13包括光束分离器(在图1A中未示出)，以分离校准辐射束，以便提供具有实质上不同的强度和/或功率的两个或多个辐射束。第一束24.13.1包括具有实质上适合于光谱分析的强度的选择的光谱分量。第二束24.13.12包括具有实质上适合于从样品表面解吸化学药品或激发等离子体的强度的辐射。
预编码器光学器件36A.13包括至少一个衍射性或折射性元件以分离来自24.13.1的选择的光谱分量，以便沿着调制器22.13的径向轴形成目标图象52.13。目标图象52.13是具有选择的光谱分量的分散图象，其沿着调制器22.13所述径向轴被聚焦在实质上不同的点。调制器22.13包括一些辐射滤波器，其为选择的光谱分量编码，以便当调制器22.13绕旋转轴40旋转时，提供具有多个编码光谱分量的编码束。优选的，目标图象52.13与辐射滤波器对准，这样，编码分量具有与选择的光谱分量实质上一对一的对应。优选的，第一后码器光学器件36B.13.1包括至少一个衍射性的或折射性的元件，以便实质上再次校准编码分量(如36A.13和36B.13.1具有至少一个光栅对，棱镜对或棱镜光栅组合)。辐射束24.13.2被用来解吸吸附在样品表面上的化学药品。解吸的化学药品随后由编码辐射束(来自24.13.1)检测。第二后码器光学器件36B.13.2收集编码辐射束并引导其返回检测器26.13。计算机28.13为检测器26.13产生的信号27.13解码，其随后被用作一种或几种化学计量分析的输入。以这种方式，可以确定集装箱中的化学组成。这些信息随后可以被用来警报特定气体和蒸气的存在，如可燃的或有毒的化学药品，包括化学或生化武器。
在一种应用中，货物集装箱(如来自集装箱货船，火车，飞机或卡车)可以配有通过一个或多个光学窗口可以到达的样品单元。样品单元具有固定的通道，反光镜和吸收性介质。优选的，在航行过程中，吸收性介质暴露于集装箱的内部空气，使得吸附了足够的量的一种或多种目标化学药品(如化学武器，违禁品等)用于检测。辐射束24.13.2被用来加热吸收性介质，编码辐射束24.13.1被用来检测样品单元38.13的容纳物。优选的，在加热之前针对可燃的气体，扫描样品，以便使爆炸的可能性降到最低。以这种方式，可以针对有毒化学药品和违禁品对大量的集装箱进行既安全又有效的检测。
优选的，通过调整源24.13，可以实质上简化预编码器光学器件36A.13和后编码器光学器件36B.13，以提供空间上彼此分离的选择分量(如在获取介质中的空间变化或用分色镜的图形阵列代替激光的偏光镜)。优选的，调整源24.13，以便在与调制器22.13上的辐射滤波器和滤波器对的排列实质上对应的空间位置处提供选择分量。
参看图9A，对于上述的分析器，可以控制一个或多个光学元件的位置以便将目标图象52.13对准到调制器22.13上。优选的，调制器22.13包括一个或多个校准辐射滤波器或滤波器对，以便为源24.13的一个或多个校准分量编码，以便为校准校正算法28.utl(ACA).12提供输入，其反过来，产生一个或多个控制信号以使一个或多个光学元件定位，以便将目标图象52.13准确对准到调制器22.13上。
实例HS.1下面的实例是基于图12.A和图12.B所示的超级成像分析器的。辐射源24.HS.1是多道(或多毛细管)，四染料标记的电泳(辐射源24.HS.1的其它实例包括多井微量滴定盘，或多胶点微阵列)，其与辐射源的一个或多个分量对应。由源24.HS.1发射或散射的辐射由预编码器光学器件536A.HS.1成像，以便在调制器22.HS.1 上形成目标图象52.HS.1。目标图象52.HS.1包括多个分散子图象，其通过它们沿着调制器22.HS.1的公共半径实质上各自分离(或精确交错)的分散轴与被激励的电泳道(或毛细管)对应。优选的，分析器100.HS.1包括带通滤波器，其透射来自分散子图象的选择的光谱分量，同时阻止分散子图象彼此干扰。调制器22.HS.1包括多个用于为分散子图象编码的子图形。每个子图形包括一些辐射滤波器，以便当调制器22.HS.1绕旋转轴40旋转时为选择的光谱分量编码。优选的，选择的光谱分量足以确定电泳中所用的四种染料中的每一种的各自的浓度。优选的，目标图象52.HS.1与调制器22.HS.1对准，这样，对于每个泳道(或毛细管)，编码分量具有与选择的光谱分量实质上一对一的对应。换而言之，每个泳道具有它相应的编码分量，其中不同泳道的编码分量实质上彼此正交。具有来自所有泳道的所有编码分量的编码束被后编码器光学器件536B.HS.1收集，引导和聚焦到检测器26.HS.1，如光电倍增管(PMT)。计算机28随后分析由检测器26.HS.1响应编码束产生的信号，以确定编码分量的幅度。由于与不同泳道对应的编码分量彼此正交，因此有可能确定来自检测器26.HS.1的输出的编码分量。应用特定分析函数28.asf随后利用解码幅度来确定每个泳道中的四种染料的各自的浓度，其是产生相应的四色电泳的时间的函数。
如果必要，分析器100.HS.1能够与交错的激励机械装置相结合(如图10A所示)，以确定不同电泳道的激励特性(如激励光谱)。对于四种染料，具有独特的激励/响应光谱(或基体)是很典型的。以这种方式，可以实质上同时地测量作为激励分量的函数的选择的光谱分量，以增强仪器对四种染料的指定性。
参看图9A，对于上述的分析器100.HS.1，优选的，散射自各泳道或毛细管的激励辐射被用作校准分量。优选的，带通滤波器削弱了校准分量的强度，这样，编码校准分量的幅度与选择的光谱分量的标准编码幅度相似。优选的，调制器22.HS.1上的每个子图形将包括一个或多个校准滤波器对，其集中在校准分量的优选或预期位置，以便为校准校正算法28.utl(ACA).HS.1提供输入。优选的，28.utl(ACA).HS.1将校准信号与一条或多条标准曲线(如上所述产生的)进行比较，以产生校准系数，其为目标图象52.HS.1的每个分散图象的校准误差进行量化。特定应用分析函数28.asf随后将利用校准系数为编码分量补偿校准误差。最优选的，校准校正算法28.utl(ACA)将产生一个或多个控制信号，以使一个或多个光学元件定位，以便使目标图象52.HS.1准确对准到调制器22.HS.1。
选择激励分量的数量，电泳道(或毛细管)，以及染料的数量用来说明，应该了解的是激励分量，电泳道(或毛细管)以及染料的任意数量属于本发明的范畴。
实例FP.1下一个实例是基于图17A和图17B所示的编码滤波器光度计分析器的。分析器100.FP.1利用一个或多个宽带辐射源和关联单元阵列(即充满不同气体或液体的目标和基准单元)来提供编码关联束的阵列(包括目标和基准束)，用于检测未知样品。目标束的实例包括由CO，CO2，NOx，N2O，H2O，H2S和不同的烃(包括天然气的组分)过滤的辐射，由于内在的危险，由化学武器和其它有毒气体和液体过滤的辐射作为目标束的实际例子更少。基准束的实例包括由N2，水，溶剂，或真空过滤的辐射。样品的实例包括周围空气，汽车尾气，工业生产液流和天然气。样品，目标和基准束这样的和其它的实例属于本发明的范畴。
在分析器100.FP.1中，一个或多个宽带辐射源被耦合入目标和基准单元阵列(如，通过一个或多个以下元件柱形棱镜，棱镜阵列，衍射性光学元件，或通过装入一个或多个关联单元的源的阵列)。透射过目标和基准单元阵列的包括扩展源24.FP.1的辐射由预编码器光学器件36A.FP.1成像，以实质上沿着调制器22.FP.1的径向轴形成目标图象52.FP.1。目标图象52.FP.1包括与透射过辐射源24.FP.1的目标和基准单元的辐射对应的子图象阵列，其沿着调制器22.FP.1的所述的径向轴被聚焦(或集中)在实质上不同的点。调制器22.FP.1在不同的半径具有一些给子图象编码的辐射滤波器，以便当调制器22.FP.1绕旋转轴40旋转时提供关联编码束阵列。优选的，子图象与辐射滤波器对准，这样编码关联束与透射过单个目标和基准单元(即关联单元)的辐射具有实质上一对一的对应。
编码关联束被后编码器光学器件36B.FP.1收集，引导并聚焦经过一个或多个样品(如，图1A所示的虚线框中的样品38，工业生产液流中的样品单元，管道中的样品单元，以及开放通道周围空气测量)。
优选的，目标和基准单元以图10A所示的方式交错，这样每个目标束与相应的基准束相邻，以便包括目标/基准对，其在样品单元内具有实质上相同的通道和/或在检测器26.FP.1的表面上具有实质上相同的强度分布。优选的，特定对的目标和基准束由互补滤波器对编码，这样，如图17A和图17B所示的方法，产生的编码分量的幅度和相位由目标和基准束的相对强度确定。最优选的，调整互补滤波器对的相对调制强度(如通过在与基准束对应的通道中插入中性滤光片，通过改变基准滤波器相对于目标滤波器的宽度或调制深度)，以便当样品单元中没有关联吸收时，使产生的编码分量为零。以这种方式，分析器100.FP.1提供了具有最高光度测定精度的关联辐射计测量。
优选的，目标和基准束对的光谱范围(优选的，一起)被一个或多个分色镜或带通滤波器限制，以便隔离目标化学药品的主要光谱特征。以这种方式，可以提高装置对于样品单元中的一种或多种目标化学药品的灵敏度(如，编码目标/基准对响应样品单元中的目标化学药品的特定浓度的幅度)。
在延伸穿过样品单元之后，编码关联束由后编码器光学器件36B.FP.1收集，引导并聚焦到检测器26.FP.1上，并且由26.FP.1响应编码束产生的信号由计算机28.FP.1分析，以确定编码分量的幅度。编码分量的幅度随后被特定应用函数28.FP.1.asf(如，关联辐射计算法)使用来确定样品中的一种或多种目标化学药品的存在和浓度。如果检测一个或多个样品单元，可以如前所述地采用多个检测器和ADC(如，参看实例9)。以这种方式，可以实质上同时地检测多个样品。
特定编码束穿过系统(包括样品或关联单元)的通道实际上是始于所有光线轨迹的通道的重叠，其从源24.FP.1开始，由调制器22.FP.1上的相应的辐射滤波器的有效区反射，并到达检测器26.FP.1。因此，当有效区内的辐射滤波器的图形随调制器22.FP.1的旋转而变化时，通道的重叠发生变化。当吸收性分析物(样品或目标)存在时，其中束的衰减取决于通道长度，通道的重叠的变化会导致编码分量的波形失真。在本发明中，通过在辐射滤波器图形中减少沿一条或多条轴的突然中断的数量，可以使这些影响降到最少。优选的，调制器22.FP.1的辐射滤波器中的至少一个具有上述的类似于“条码”或“西洋跳棋盘”的图形，以提供一个或多个编码分量，其在系统中具有实质上恒定的光学通道的重叠。
参看图9A，对于上述的分析器100.FP.1，可以控制相关子图象的阵列的位置，目标和基准单元阵列的位置，样品单元的位置，和/或其它光学元件，以使目标图象52.FP.1对准到调制器22上，并使编码关联束对准穿过样品单元到达检测器上。优选的，源24.FP.1包括一些校准空间分量并且调制器22包括一些校准通道，以提供输入给校准校正算法28.utl(ACA).FP.1，其反过来，产生一个或多个控制信号，以使一个或多个光学元件(如其上安装有目标和基准单元阵列的公共结构)定位，以便使目标图象52.FP.1对准到调制器22上。
在前面的实例中，选择光学元件的顺序用来说明，并不意味着限制本发明。例如，目标和基准单元阵列相对于编码器的位置是任意的。透射过关联单元的辐射可以被编码，或者辐射可以被编码并随后透射过关联单元。而且，样品(如图1A中的虚线框所示的样品38)可以被放置在束通道中介于源24.FP.1和检测器26.FP.1之间的任何位置。这些和其它的变化属于本发明的范畴。
尽管已经参照不同的实施例对本发明进行了以上的描述，应该了解的是不同的组合，改变和调整可以在不偏离本发明的精神实质的条件下实现，其将由所附的权利要求及其等价物定义。因此，不是如所述的以特定的顺序采用特定的光学元件，包括样品单元的放置，或束通道中的样品组，在不偏离本发明的精神实质的条件下可以采用其它光学元件、光学系统、或排列。例如，图1中所用的用于形成分散图象的预编码器光学器件36A可以是聚焦光栅、平面光栅和聚焦反射镜或透镜、光栅对、棱镜对或棱镜-光栅组合和聚焦反射镜或透镜、棱镜和聚焦发射镜或透镜，以及图1采用的用于形成连续图象的预编码器光学器件36A可以包括简单的聚焦反射镜或透镜、相机透镜系统、干涉计、或聚焦反射镜或透镜和带通滤波器或线性可调的滤波器组。而且，不同的光管、波导和光学纤维(以及它们的集合)可以用来将来自编码信号的辐射带到一些远程采样台，或者将编码信号引导到一些远程采样台。当考虑测量由样品或样品组响应激励辐射而发射或散射的辐射的分析器系统，编码器在样品之前或之后的位置是任意的。在第一种情况下，激励辐射被直接编码，并且响应辐射被(随后或不直接地)编码。在第二种情况下，响应辐射被直接编码。对于足够快和线性激励响应，在两种情况中的任一种中，响应辐射被完全相同地编码。
当图1A的调制器22和其它图中不同的其它实施例的调制器被配置为绕轴40旋转，以便为相应的辐射分量编码时，调制器上的滤波器占据了圆盘的环形区域，如本发明的不同图所示。但是本发明并不局限于这样的实施。滤波器，如滤波器50a和50d，可以在调制器的表面上形成四条线性的列，而不是环形的区域，并且调制器可以沿着与滤波器列实质上平行的方向线性地往复，或象鼓一样旋转。目标图象52随后被投射在一个方向内，该方向的长度横穿(优选的，垂直于)滤波器列的方向，这样，图象优选的，与所有四列滤波器重叠。这样的和其它的改变属于本发明的范畴。
当图1A的分析器的辐射滤波器和滤波器对被描述为具有连续的对比度或三个或多个不同的对比水平，上述的不同的实施例和实例可以利用二元调制编码实现，虽然具有低得多的性能。这样的和其它的变化属于本发明的范畴。
本发明的大量实施例可以被认为是设计策略，其被应用于不同的组合以利于光谱学或其它的成像应用。特别地，本文所示出的包括辐射滤波器和滤波器对的不同的组合的调制器图形属于本发明的范畴。
权利要求
1.一种辐射光谱分析器，包括至少一个源，其提供具有至少两个所选的光谱分量的辐射；第一光学器件，其收集，分散和聚焦所述辐射，以形成在平面上沿分散轴按波长分散的图象；空间辐射调制器，其被安装在所述平面内，这样，所述分散轴实质上沿着编码轴，所述调制器调制所述光谱分量的强度，以提供编码束，该编码束包括至少两个编码分量；检测器，其具有截面区；以及第二光学器件，其收集并引导所述编码束到达所述检测器上，引起检测器提供输出，所述第二光学器件包括至少一个双二次曲线光学器件。
2.如权利要求1所述的光谱分析器，其中，所述双二次曲线光学元件具有实质上平行于所述分散轴的第一曲率半径，以及实质上垂直于所述分散轴的第二曲率半径。
3.如权利要求2所述的光谱分析器，其中，所述曲率半径是这样的使得编码束的点尺寸实质上与检测器的截面区匹配。
4.如权利要求2所述的光谱分析器，所述的编码束由第二光学器件引导沿着从调制器到检测器的光程穿过，其中所述曲率半径是这样的使得所述光程的长度不大于所述平面内的调制器的尺寸。
5.如权利要求4所述的光谱分析器，所述的调制器具有圆形的形状和所述平面内的直径，其中所述的曲率半径是这样的使得所述光程的长度不大于所述平面内的调制器的直径。
6.如权利要求2所述的光谱分析器，其中第二光学器件对于辐射的光谱分量的收集效率由编码束中的光谱分量的强度和到达检测器的光谱分量的强度的比率确定，其中所述的曲率半径是这样的使得所述收集效率的平均值不低于20％。
7.如权利要求2所述的光谱分析器，其中第二光学器件对于辐射的光谱分量的收集效率由编码束中的光谱分量的强度和到达检测器的光谱分量的强度的比率确定，其中所述的曲率半径是这样的使得对于第二光学器件的辐射中的至少一些光谱分量的每一个的收集效率不低于20％。
8.如权利要求1所述的光谱分析器，所述的第二光学器件包括折叠式反射镜或双二次曲线反射镜，其中调制器和折叠式反射镜或双二次曲线反射镜之间的间隔约小于2英寸。
9.如权利要求1所述的光谱分析器，所述的第二光学器件包括双二次曲线反射镜，折叠式反射镜和折射性元件，或者两个Frensnel双二次曲线反射器。
10.如权利要求1所述的光谱分析器，所述的截面区具有至少一个尺寸，其小于所述图象沿分散轴的长度，所述第二光学器件使得所述编码分量实质上在所述的截面区内重叠。
11.如权利要求1所述的光谱分析器，所述的第二光学器件包括顺序排列的多于一个的光学器件，用于收集并引导编码束由调制器到达检测器上，其中所述的双二次曲线元件在所述的顺序中位于第二光学器件的任何其它的光学元件之前。
12.一种用于制造辐射光谱分析器的方法，其包括提供装置，该装置包括(a)至少一个源，其提供具有至少两个所选的光谱分量的辐射；(b)第一光学器件，其收集，分散和聚焦所述辐射，以形成在平面上沿分散轴按波长分散的图象；(c)空间辐射调制器，其被安装在所述平面内，这样，所述分散轴实质上沿着编码轴，所述调制器调制所述光谱分量的强度，以提供编码束，该编码束包括至少两个编码分量；以及(d)检测器，其具有截面区；以及设计第二光学器件以收集并引导所述编码束到达所述检测器上，引起检测器提供输出，所述第二光学器件包括至少一个双二次曲线光学器件，其中所述设计包括选择元件的曲率半径，使得编码束的点尺寸实质上位于检测器的截面区之内，或者使得从调制器到检测器的编码束的光程最小。
13.如权利要求12所述的方法，其中，所述设计包括选择元件的曲率半径，使得编码束中的光谱分量在检测器上实质上重叠。
14.如权利要求12所述的方法，其中，所述设计包括选择元件的曲率半径，使得编码束中的每个光谱分量的强度在检测器的截面区上是实质上均匀的。
15.如权利要求12所述的方法，其中，该第二光学器件对于辐射的光谱分量的收集效率由编码束中的光谱分量的强度和到达检测器的光谱分量的强度的比率确定，其中所述设计包括选择元件的曲率半径，使得所述收集效率的平均值不低于20％。
16.如权利要求12所述的方法，其中，该第二光学器件对于辐射的光谱分量的收集效率由编码束中的光谱分量的强度和到达检测器的光谱分量的强度的比率确定，其中所述设计包括选择元件的曲率半径，使得对于第二光学器件的辐射中的至少一些光谱分量的每一个的收集效率不低于20％。
17.一种化学计量分析器，其用于分析多个分析物，包括至少一个源，其提供具有至少两个所选的光谱分量的辐射；第一光学器件，其收集，分散和聚焦具有至少两个所选的光谱分量的辐射，以便在编码平面内形成图象，所述图象实质上按照分散函数沿编码轴按波长分散；空间辐射调制器，其绕旋转轴旋转并位于所述平面内，使得所述编码轴实质上沿着径向轴，所述调制器在始于所述旋转轴的不同半径处具有至少两个辐射滤波器，每个滤波器调制辐射中的相应光谱分量的强度，以便当所述调制器绕所述旋转轴旋转时提供包括至少两个编码分量的编码束，每个所述滤波器具有实质上对应于相应光谱分量的中心波长和带宽的径向位置和径向宽度，其中滤波器的径向位置和径向宽度是所述分析物的光谱特性和所述分散函数的函数；检测器；第二光学器件，其收集并引导所述编码束到达所述检测器上，引起检测器提供输出；以及计算机，其分析由所述检测器响应编码束产生的信号，以确定一种或多种所述分析物的存在。
18.如权利要求17所述的分析器，其中，所述的滤波器调制光谱分量作为所述调制器的旋转周期的谐波，所述谐波具有质数，以使编码束中的光谱分量的串扰最小化。
19.如权利要求17所述的分析器，其中，所述的计算机识别样品中的所述一个或多个分析物，如果有的话，和/或确定样品中的一个或多个分析物的一个或多个量。
20.一种用于产生空间辐射调制器的设计图案的方法，其用来为一个或多个光谱范围内的两个或多个所选的光谱分量编码，用于一组分析物的化学计量分析，所述调制器被用于光学系统，其包括至少一个辐射源和分散性光学器件，以便实质上根据分散函数，沿着所述调制器的至少一条径向轴提供至少一个分散图象，所述分散函数将所述调制器上的径向位置与至少一个分散图象的分散光谱分量相关联；所述方法包括获得所述组中的所述分析物的相应光谱，每个所述光谱在至少一个所述光谱范围内具有至少一个光谱特征；定义一组至少两个初始光谱窗口，每个所述的光谱窗口具有中心波长和带宽，每个所述初始光谱窗口处于至少一个所述光谱范围之内，所述光谱窗口与所述选择的光谱分量对应；建立化学计量矩阵，以便将所述组中的所述分析物的浓度与所述光谱分量的强度相关联；由所述化学计量矩阵推导出最优光谱窗口；以及将所述最优光谱窗口的每一个的所述中心波长和所述带宽平移到所述调制器上的相应的最优环形区内，所述环形区域包括相应的最优径向位置和最优径向宽度。
21.如权利要求20所述的方法，进一步包括在基底上形成多个子区域，其具有与所述基底实质上不同的光学特性，使得所述的子区域实质上包括所述图案，并且在所述的环形区域或所述环形区域的段内为所述的子区域成形，使得所述的子区域根据调制函数调制来自源的辐射的强度。
22.如权利要求20所述的方法，其中，所述推导包括计算所述化学计量矩阵的噪音特征函数，其中所述特征函数测量每个所述的分析物的浓度误差作为所述光谱分量的强度不确定性的函数；以及；最优化所述化学计量矩阵，其中所述的最优化包括改变所述初始光谱分量的中心波长和带宽，以定义所述最优光谱窗口，以及相应的最优光谱分量，所述最优光谱分量实质上使所述的特征函数最小化。
23.一种辐射光谱分析器，包括至少一个源，其提供至少一个光谱范围内的宽带辐射，所述光谱范围具有至少一个已知的光谱特征；第一光学器件，其收集，分散并聚焦所述光谱范围内的所述辐射进入束，以便在编码平面上形成图象，所述图象沿编码轴按波长分散，其中沿所述编码轴的有缺陷的对准引起所述分散图象中的所述已知光谱特征的位置从对准位置沿所述编码轴移动；二维空间辐射调制器，其绕旋转轴旋转并位于所述平面内，使得所述编码轴实质上沿着径向轴，所述调制器具有至少一个互补辐射滤波器对，每个所述滤波器实质上占据了所述调制器的不同的环形区域的至少一部分，每个所述滤波器调制束中相应的辐射分量的强度，所述滤波器具有实质上互补的调制函数，使得每个互补滤波器对产生单个的编码校准分量，其中所述编码校准分量的至少一个特性由入射到两个滤波器上的来自所述束的辐射的相对强度决定，其中，所述环形区域的径向位置和径向宽度是这样的使得当所述调制器绕所述旋转轴旋转时，产生用于单个编码校准分量的预定值；检测器；第二光学器件，其收集并引导所述一个或多个编码校准分量到达所述检测器上，引起检测器提供输出；以及计算机，其分析由所述检测器响应所述一个或多个编码校准分量产生的信号，并测量所述分散图象中的所述已知光谱特征的位置从对准位置沿所述编码轴的移动。
24.如权利要求23所述的分析器，所述一个或多个编码校准分量的每一个具有幅度和相位值，所述幅度和相位值实质上与所述已知光谱特征沿编码轴的预定位置对应。
25.如权利要求23所述的分析器，其中所述宽带辐射具有实质上连续的波长范围。
26.如权利要求25所述的分析器，对于辐射滤波器的所述互补对的每一对，进一步包括至少一个聚光镜辐射滤波器对，并且其与辐射滤波器的所述互补对的每一对对应，且占据了所述调制器的环形区域的一部分，其与由滤波器的互补对的相应对占据的环形区域不同，所述聚光镜滤波器具有实质上相同的调制函数，并且响应束产生单个的编码校准分量，该编码校准分量具有由来自束的、入射到其上的总辐射确定的幅度和相位。
27.如权利要求26所述的分析器，其中，所述的至少一个聚光镜辐射滤波器对占据了由互补滤波器对的相应的对占据的所述调制器的环形区域的不同部分，使得辐射滤波器的所述互补对的每一对和它相应的所述聚光镜对产生校准信号，其当结合在一起时，实质上不受所述已知光谱特征的幅度关于标准幅度的变化的影响。
28.如权利要求27所述的分析器，其中，所述已知光谱特征是背景CO2的吸收特征，并且所述标准幅度与CO2在空气中的标准浓度对应。
29.如权利要求23所述的分析器，其中，所述已知光谱特征是背景CO2的吸收特征。
30.如权利要求23所述的分析器，进一步包括至少一个平移台，其沿着所述编码轴控制并移动所述已知光谱分量的位置，其中，当所述已知光谱特征沿所述的编码轴被移动到调制器的特定位置时，计算机响应于检测器的输出提供一条或多条校准曲线。
31.一种为辐射检测系统补偿调制频率相关性的方法，包括提供具有至少一个所选的分量的辐射；收集并聚焦所述辐射以便沿编码轴在编码平面内形成图象；将二维的空间辐射调制器放置在所述平面内并使所述调制器绕旋转轴旋转，使得所述编码轴实质上沿着径向轴，所述调制器具有至少两个辐射滤波器对，其实质上占据了始于所述旋转轴的半径的公共的环形区域，所述滤波器以不同的调制频率调制所述的相应的辐射分量的实质上相同的部分的强度，以便当所述调制器绕所述旋转轴旋转时提供包括至少两个编码校准分量的编码束，所述编码校准分量具有实质上不同的频率；收集并引导所述编码校准分量到达辐射检测系统；引起所述检测系统提供包括所述辐射的附加编码分量的输出；为由所述检测系统产生的信号解码，以确定所述编码校准分量的幅度；分析所述幅度，以确定所述检测系统的频率相关性。
32.如权利要求31所述的方法，其中，所述调制器包括附加的辐射滤波器，以提供附加编码分量，其中所述分析改变了所述解码，以便为所述的附加编码分量补偿所述检测系统的所述频率相关性。
33.一种用于测量样品的编码滤波器相关辐射计，包括至少一个源，其在至少一个光谱范围内提供宽带辐射；至少两个目标波长滤波器，每个所述目标波长滤波器在所述光谱范围内具有实质上的光学透射率衰减，所述光学透射率衰减是样品中相应的目标分析物的一个或多个光谱特性的函数；至少一个基准波长滤波器，与所述目标波长滤波器相比，所述基准波长滤波器在所述光谱范围内具有实质上更低的光学透射率衰减；二维空间辐射调制器，其绕旋转轴旋转并位于所述平面内，使得所述编码轴实质上沿着径向轴，所述调制器在始于所述旋转轴的不同半径处具有至少三个辐射编码滤波器，以便当所述调制器绕所述旋转轴旋转时调制来自源的辐射的强度；光学器件，其收集并引导所述辐射到达调制器，使得所述辐射沿调制器的径向轴形成至少三个子图象，每个所述子图象与由目标波长滤波器之一或一个或多个基准波长滤波器之一过滤的辐射对应，所述子图象由所述辐射编码滤波器调制，以便提供调制束，其具有包括穿过目标滤波器的辐射的至少两个目标分量，和包括穿过至少一个基准滤波器的辐射的至少一个基准分量；检测器，其响应调制束提供输出，其中，来自至少一个辐射源并到达检测器的辐射在到达检测器之前与所述样品相互作用；以及计算机，其分析由所述检测器响应所述编码束产生的信号，以测量样品的特性。
34.如权利要求33所述的辐射计，其中，所述至少两个目标波长和基准滤波器的每一个包括多介电层带通滤波器，标准具，双二次曲线反射镜，部分透明或反射性的固体或装有气体或液体的辐射计关联单元。
35.如权利要求33所述的辐射计，其中，所述至少两个目标波长滤波器的每一个包括装有已知浓度的目标分析物的容器，所述目标分析物在所述的光谱范围内具有光学吸收率，并且每个所述的基准滤波器包括装有基准介质的容器，所述基准介质与所述目标分析物相比，在所述的光谱范围内具有更小的光学吸收率。
36.如权利要求35所述的辐射计，所述目标分析物包括天然气的标准组分。
37.如权利要求33所述的辐射计，其中，至少一个所述目标分量和至少一个基准分量被一个或多个附加波长滤波器修改，以降低所述光谱范围内对于测量所述的相应的目标分析物无用的光谱分量的强度，或者降低与所述的相应的目标分析物不同的所选分析物的光谱特征的强度。
38.如权利要求37所述的辐射计，其中，每个波长滤波器包括一个或多个分色镜，带通滤波器，和/或充满包括天然气的一种或多种组分的不同气体或液体的单元。
39.一种用于测量样品的编码滤波器相关辐射计，包括至少一个源，其在至少一个光谱范围内提供宽带辐射；至少一个目标和基准波长滤波器，所述目标波长滤波器在所述光谱范围内具有实质上的光学透射率衰减，所述光学透射率衰减是样品中相应的目标分析物的一个或多个光谱特性的函数，与所述目标波长滤波器相比，所述基准波长滤波器在所述光谱范围内具有实质上更低的光学透射率衰减；二维空间辐射调制器，其绕旋转轴旋转并位于所述平面内，使得所述编码轴实质上沿着径向轴，所述调制器包括基底和至少一个辐射滤波器对，所述对包括两个位于始于所述旋转轴的不同半径上的辐射滤波器，每个所述滤波器调制来自所述源的辐射的强度，所述滤波器具有实质上互补的调制函数，当所述调制器绕所述旋转轴旋转时，所述滤波器响应经过过滤的分量产生单个的编码分量，其中所述编码分量的幅度由入射到包括所述对的所述滤波器上的辐射的相对强度决定；光学器件，其收集并引导所述辐射到达调制器，使得所述的辐射沿调制器的径向轴形成至少一对子图象，所述子图象的每一对与由相应的目标和基准波长滤波器对过滤、并且由相应的所述的辐射滤波器对调制的辐射相对应，以提供包括至少一个目标-基准对分量的调制束；检测器，其响应调制束提供输出，其中来自至少一个辐射源并到达检测器的辐射在到达检测器之前与所述样品相互作用；以及计算机，其分析由所述检测器响应所述编码束产生的信号，以测量样品的特性。
40.如权利要求39所述的辐射计，其中，该至少一对中的每个所述的目标波长和基准滤波器包括多介电层带通滤波器，标准具，双二次曲线反射镜，部分透明或反射性的固体或装有气体或液体的辐射计关联单元。
41.如权利要求40所述的辐射计，其中，该至少一对中的所述目标波长滤波器包括装有已知浓度的目标分析物的容器，所述目标分析物在所述的光谱范围内具有实质上的光学吸收率，并且该至少一对中的基准波长滤波器包括装有基准介质的容器，所述基准介质与所述目标分析物相比，在所述的光谱范围内具有更小的光学吸收率。
42.如权利要求40所述的分析器，所述目标分析物包括天然气的标准组分。
43.如权利要求39所述的分析器，所述编码分量的所述特性包括信号的幅度和相位。
44.如权利要求39所述的辐射计，其中，该至少一个所述目标-基准分量被一个或多个附加波长滤波器修改，以降低所述光谱范围内对于测量所述的相应的目标分析物无用的光谱分量的强度，或者降低与所述的相应的目标分析物不同的所选分析物的光谱特征的强度。
45.如权利要求34所述的辐射计，其中，每个目标波长滤波器包括一个或多个分色镜，带通滤波器，和/或充满包括天然气的一种或多种组分的不同气体或液体的单元。
46.一种用于分析样品的辐射光谱分析器，包括至少一个辐射源，其提供束中的辐射，该束具有不同的光谱分量，以便沿着编码轴在编码平面内形成子图象阵列，每个所述的子图象与一个所述的光谱分量对应；二维空间辐射调制器，其绕旋转轴旋转并位于所述平面内，使得所述分散轴实质上沿着径向轴，所述调制器在始于所述旋转轴的不同半径处具有至少两个辐射滤波器，当所述调制器绕所述旋转轴旋转时，所述的至少两个辐射滤波器调制所述光谱分量的强度，以提供具有至少两个编码分量的编码束；检测器；光学器件，其响应编码束提供实质上照准的编码束，所述检测器响应校准编码束或响应所述准直编码束产生的辐射提供输出，其中来自至少一个辐射源并沿着光程到达检测器的辐射在到达检测器之前与样品相互作用；以及计算机，其分析由所述检测器响应所属编码束产生的信号。
47.如权利要求46所述的分析器，其中，该分析器位于介质中，光程穿过介质并且所述的样品在所述介质中的位置不受限制。
48.如权利要求46所述的分析器，其中，所述光程实质上是开放的并且在光学器件和检测器之间的所述光程内包括远程反射器，以便使所述的准直编码束返回检测器。
49.如权利要求46所述的分析器，其中，该至少一个辐射源包括多线激光器和第一光学分散元件，以便沿着编码轴形成三个或更多的相应的子图象，所述光学器件包括第二光学分散元件，其照准编码束进入成为实质上准直的编码束。
50.如权利要求49所述的分析器，其中，该多线激光器包括二氧化碳激光器。
51.如权利要求46所述的分析器，其中，该至少一个辐射源包括三个或多个不连续辐射发射元件的集合。
52.如权利要求51所述的分析器，其中，所述不连续源的集合包括激光二极管的阵列。
53.如权利要求52所述的分析器，其中，所述激光二极管包括一个或多个量子级联激光器。
54.如权利要求46所述的分析器，其中，该第二光学器件沿着实质上平行的光程引导所述编码分量。
55.如权利要求46所述的分析器，其中，该样品响应所述实质上准直的编码束发射辐射，并且检测器检测到这样发射的辐射。
56.如权利要求46所述的分析器，其中，所述样品具有在表面或介质解吸的物质，所述分析器还包括加热机械装置，其用于使所述物质从表面或介质解吸以形成样品。
57.一种用于分析样品的辐射光谱分析器，包括至少一个源，其提供至少两个不同的光谱范围内的辐射；第一光学器件，其收集，分散并聚焦所述第一光谱范围内的所述辐射，以便沿着编码平面内的第一编码轴形成第一分散图象，所述第一分散图象包括至少一个光谱分量；第二光学器件，其收集，分散并聚焦所述第二光谱范围内的所述辐射，以便沿着编码平面内的第二编码轴形成第二分散图象，所述第二分散图象包括至少一个光谱分量；二维空间辐射调制器，其绕旋转轴旋转并位于所述平面内，使得所述第一编码轴和所述第二编码轴实质上沿着所述调制器的一条或多条径向轴；所述调制器在始于所述旋转轴的不同半径处具有至少两个辐射滤波器，以便当所述调制器绕所述旋转轴旋转时，调制所述第一和第二分散图象的分量的强度，以便在两个光谱范围内提供具有多个编码光谱分量的编码束；第一检测器，其响应所述第一光谱范围内的辐射提供信号；第二检测器，其响应所述第二光谱范围内的辐射提供信号；第三光学器件，其引导所述第一光谱范围内的所述编码光谱分量到达第一检测器上；第四光学器件，其引导所述第二光谱范围内的所述编码光谱分量到达第二检测器上，其中来自至少一个辐射源并到达检测器的辐射在到达检测器之前与样品相互作用；以及计算机，其分析由所述检测器响应所述编码束产生的信号，其中所述的分析包括在每个所述光谱范围内确定至少一个编码分量的幅度。
58.如权利要求57所述的分析器，所述第一检测器包括PbS检测器，并且所述第二检测器包括PbSe检测器。
59.如权利要求57所述的分析器，所述第一检测器包括PbSe检测器，并且所述第二检测器包括HgCdTe检测器。
60.如权利要求57中所述的分析器，其中，在第一光谱范围内的旋转受到来自一个或多个背景电解质介质的干扰，其中，在第二光谱范围内的旋转对于干扰实质上更不敏感。
61.一种适于绕旋转轴旋转的二维空间辐射调制器，其用于调制入射辐射束的至少一个分量以提供编码束，所述调制器包括基底和至少一个环形区域，其实质上包围具有与所述基底实质上不同的光学特性的多个不连续的子区域，所述环形区域包括至少两个环形段，每个所述环形段包括所述调制器的部分旋转周期，第一环形段中的所述子区域被成形，以形成位于始于所述旋转轴的不同半径上的至少一对辐射滤波器，并具有实质上互补的调制函数，所述对响应束产生第一编码分量，其特性由来自束的入射到至少一对滤波器上的辐射的相对强度决定；第二环形段中的所述子区域被成形，以形成至少一个辐射滤波器，该辐射滤波器响应束产生第二编码分量，且该第二编码分量的特性由来自束的入射到所述至少一个滤波器上的辐射的总强度决定。
62.如权利要求61所述的调制器，其中，所述第一编码分量的特性包括信号幅度和相位，并且所述第二编码分量的特性包括信号幅度和相位。
63.如权利要求61所述的调制器，其中，至少一个所述的环形段与旋转轴形成大约180度的角。
64.一种用于分析样品的辐射分析器，包括至少一个源，其提供具有至少一个所选的辐射分量的辐射束；第一光学器件，其收集并聚焦所述辐射束以沿着编码轴在编码平面内形成所述辐射分量的图象；二维空间辐射调制器，其绕旋转轴旋转一个或多个旋转周期并位于所述编码平面内，使得所述的编码轴实质上沿着径向轴，所述调制器具有至少一个包括至少两个环形段的环形区域，每个所述的段包括所述调制器的部分旋转周期；其中至少一个所述的段在始于所述旋转轴的半径上包括至少一个辐射滤波器，所述至少一个辐射滤波器包括基底和具有与所述基底实质上不同的光学特性的多个不连续的子区域，在旋转周期的有效子周期期间，在旋转周期的一部分内所述滤波器调制束，其中，辐射滤波器的所述的至少一个段内的所述子区域被成形，以便用周期性函数调制束中相应的辐射分量的强度，从而当所述的调制器绕旋转轴旋转时提供包括至少一个编码分量的编码束，所述的周期性函数实质上包括所述有效子周期的谐波；当与束在旋转周期的被动子周期期间相互作用时，至少另一个所述段是实质上光学被动的；检测器；第二光学器件，其收集并引导所述的编码束到达所述的检测器上，引起检测器提供输出，其中来自至少一个辐射源并到达检测器的辐射在到达检测器之前与样品相互作用；以及计算机，其分析由所述检测器响应所述编码束产生的信号，其中所述的分析包括分离与所述的有效子周期相对应的所述信号和与所述的被动子周期相对应的所述信号。
65.如权利要求64所述的分析器，其中，所述第一光学器件或所述第二光学器件包括至少一个可移动的元件，其在分析器的用于测量的两个或多个不同的光学配置中选择，其中当所述调制器绕所述旋转轴旋转时，在所述的被动子周期期间，所述的可移动的光学元件被重新定位，以改变光学配置。
66.一种用于当至少一种周期性噪音源存在时分析样品的辐射分析器，包括至少一个源，其提供具有多个所选分量的辐射；第一光学器件，其收集并聚焦所述的辐射以便在编码平面内沿编码轴形成多个图象，所述图象与所述的选择的辐射分量对应；二维空间辐射调制器，其按照旋转频率绕旋转轴旋转并位于所述平面内，使得所述编码轴实质上沿着径向轴，所述调制器在始于所述旋转轴的不同半径处具有多个辐射滤波器，用于调制所述选择的辐射分量的强度，以便当所述调制器绕所述旋转轴旋转时提供编码束，每个所述的滤波器用周期性函数为相应的辐射分量编码，其实质上是所述调制器的旋转频率的谐波，所述谐波包括一组编码谐波；检测器；第二光学器件，其收集并引导所述编码束到达所述检测器系统上，引起检测器提供输出；以及计算机，其控制所述调制器的所述旋转频率，并分析由所述检测器产生的信号，其中所述的分析包括提供至少一个噪音跟踪谐波，所述噪音跟踪谐波包括不属于所述编码谐波组的所述调制器的所述旋转频率的谐波；所述计算机为至少一个噪音跟踪谐波解码，所述计算机改变所述调制器的旋转频率，以使噪音跟踪谐波的幅度最大，所述噪音跟踪谐波的所述幅度与所述的周期性噪音源对应，并从而使所述的周期性噪音源对所述编码谐波的解码幅度的影响最小。
67.如权利要求66所述的分析器，其中，所述噪音跟踪滤波器是这样的使得噪音跟踪信号的频率实质上等于以下噪音源的一个的预期频率空气泵驱动的采样系统或HVAC系统中的质量-密度振荡。
68.一种用于分析样品的辐射分析器，包括至少一个源，其提供辐射，沿编码轴在编码平面内形成多个图象；二维空间辐射调制器，其绕旋转轴旋转并位于所述编码平面内，使得所述编码轴实质上沿着所述的径向轴；所述调制器具有至少一个互补辐射滤波器对，以便当所述调制器绕所述旋转轴旋转时提供编码束，所述滤波器对包括环形段或区域，所述互补对具有实质上互补的调制函数，这样所述的编码束包括具有由来自束入射到两个滤波器上的辐射的相对强度决定的特性的分量；检测器，其收集所述的编码束并提供输出；以及计算机，其分析由所述检测器产生的信号，其中所述的分析包括确定特性为所述的调制器绕所述的旋转轴的旋转角的函数，以测量所述环形段或区域相对于所述旋转轴的集中性。
69.如权利要求68所述的分析器，其中，所述计算机控制一个或多个致动器，所述致动器“轻拍”所述调制器进行对准。
70.如权利要求68所述的分析器，其中，所述特性包括信号的幅度和相位。
全文摘要
使用分析器和编码器分析辐射的装置和方法，该分析器和编码器采用了按波长分散或沿直线成像的辐射的空间调制。
文档编号G01J3/18GK1659424SQ03810389
公开日2005年8月24日 申请日期2003年3月6日 优先权日2002年3月6日
发明者托马斯·W.·哈格勒 申请人:埃斯柏克特瑞克斯公司