CN102239494B - 用于色散型傅立叶变换成像的设备和方法 - Google Patents

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Abstract

一种条码读取设备和方法，其中，首先将探测光的光谱傅立叶变换到指向条码的空间，然后将光谱编码的条码图案傅立叶变换为时域波形。在一种实现中，通过色散元件来实现从光谱域到空间域的傅立叶变换，而通过群速离差(GVD)来实现从光谱编码的条码图案到时域波形的傅立叶变换。时间编码的条码图案通过光电检测器被检测、通过数字化转换器被数字化、并通过数字信号处理器被分析。本发明可应用于许多领域，包括一维和二维条码的读取、位移感测、表面测量、宽度和间隔测量、流式细胞计量术、光学介质的读取、存在或不存在的检测、以及其他相关领域。

Description

用于色散型傅立叶变换成像的设备和方法
相关申请的交叉引用
本申请要求于2008年7月24日提交的序列号为61/083,255的美国临时申请的优先权，并通过引用的方式将其整体合并于此。
关于联邦政府主办的研究或发展的声明
本发明使用国防部授予的政府拨款支持No.N66001-07-1-2007而产生。政府拥有本发明中的特定权利。
通过引用的方式合并以压缩盘的形式提交的材料不适用
材料受版权保护的材料的公告
按照美国和其他国家的版权法，本专利文件中的部分材料受版权保护。版权拥有者不反对任何专利文件或专利公开的拓制，这是因为该受版权保护的材料出现在了美国专利商标局公开的可用文件或记录中，但是，版权拥有者保留除此以外的所有版权。因此，版权拥有者不放弃任何将本专利文件当作秘密的权利，包括在不依照《联邦法规汇编》第37辑，第1.14条限制其权利的情况下。
技术领域
本发明主要涉及光学成像，更具体地，涉及使用色散型傅立叶变换成像的高速光学成像。
背景技术
条码是通常表现为高反射背景(例如，浅色或白色背景)上的一系列低反射条(例如，深色或黑色条)的信息的可机读二进制表示。这些条的光学性质的可测量差异(例如，深色条相比于浅色条的反射率)被转换为二进制表示。例如，根据解码软件，使深色条对应于0，深色条间的白色间隔对应于1，或者反之亦然。可以通过被称为条码读取器的光学扫描器来读取条码，当探测束入射到黑色条或白色间隔时，条码读取器测量来自黑色条或白色间隔的光学反射。
由于黑色条或白色间隔的引入，条码已成为标签和库存管理中所必需的。条码的一些现代应用包括：(a)产品标签和自动检测；(b)票务和许可证；(c)移动和流动，诸如邮件、包裹、航空行李、租车、以及核废料；(d)文件管理，包括成像、归档和索引；(e)血库信息系统；(f)蜜蜂研究中的跟踪；(g)从多网络源收集邮包信息并对其进行跟踪。本领域普通技术人员都将意识到，条码的应用已普遍存在于我们现代社会。
条码读取器是条码技术的必须部件。传统的读取器包括扫描器、解码器(内置或外置)、以及用来连接读取器与用于对数字信号进行处理的处理装置(例如，计算机)的电缆。条码读取器是测量来自条码(例如，由非反射黑色条和反射白色间隔组成)的光学反射的光电装置。市场中可获得不同类型的条码读取器，它们使用略有不同的方法对条码进行读取和解码。条码可以是使用条和线描绘的一维变化，或者可以是使用点或二维域中所包含的其他小的空间限制符号描绘的二维变化。
条码读取器的一种形式是笔式读取器，在笔式读取器中连续波(continuous-wave)光源和光电二极管接收器相互邻近，诸如在笔或棒的顶端。为了读取条码，以恒稳运动的方式使笔的顶端移动跨越条。响应于在各条暴露于移动入射光时对从其反射回的光功率的改变进行的光电二极管检测，生成表示条码中的条和间隔图案的电压波形。光电二极管检测到的波形由扫描器以类似于解码莫尔斯电码信号(Morse code dots and dashes)的方式进行解码。
条码读取器的另一种形式是激光扫描器，除了采用往复镜(reciprocating mirror)或旋转棱镜来扫描反复越过条码的激光束外，其工作与笔式读取器非常类似。如同笔式读取器一样，使用光电二极管来测量从条码反射回的光的功率。在笔式读取器和激光扫描器二者中，读取器发出的光都被调节为特定波长，并且光电二极管都被设计为仅检测该波长的光。
读取器的另一种形式是CCD读取器，其中电荷耦合器件(CCD)读取器或者可替换地CMOS有源像素读取器利用读取器头部中排成一行的光传感器阵列。CCD读取器测量从条码反射的光，通过测量所述一行传感器中每个传感器两端的电压来生成与条码中的图案相同的电压图案。CCD读取器和笔式或激光扫描器之间的一个重要区别在于，CCD读取器测量从条码反射的环境光，而笔式或激光扫描器则测量源自扫描器本身的特定波长的反射光。
读取器的另一种形式是基于摄像机的读取器，其中摄像机捕获条码的二维图像。尽管技术上它们可以读取任意类型的条码，但是尤其适合用来读取二维条码。应该理解的是，对于给定的几何分辨率(例如，基于最细的线或像素间隔)，二维条码的信息密度可以远远超过仅跨越单个方向来扫描的一维条码的信息密度。举例来说，通过小型CCD或CMOS摄像机成像器来捕获条码的图像，并使用数字图像处理技术对其进行解码。
尽管条码读取器对跟踪大量的物品很有用，但是，当需要跟踪相当大量(例如，约数百万)的物品时，传统的条码技术由于其缓慢的读取和解码处理而在速度方面具有其限制。传统的条码读取器具有每秒约几百次扫描的扫描速率。甚至最快的条码读取器也仅限于每秒约一千次扫描的扫描速率。扫描器的速度限制主要是越过条码对源光进行扫描所需要的响应，而在成像读取器中，图像帧的速率限制了每秒的扫描次数。
结合了传统数字信号处理的传统条码读取器的速度限制阻止了人们对相当大量物品进行跟踪，尤其是在包括生物信息学领域的应用中，在生物信息学领域中，本来就需要管理大量物品，诸如血库、干细胞库、精子库、以及DNA序列库。
例如，条码技术目前用于允许安全捐血和输血服务(包括收集、处理、存储、以及提供用于输血的人血)的血库信息系统。错误血液成分的输血是与输血有关的最常见的严重事件。引起这些事件的过失通常是因为对样本的错误标识。面对全球化的加速，跟踪和管理极其大量的血液样本是很关键的。但是，为了进行适当的标识，条码技术需要数量可观的信息来进行编码，例如包括患者的医院编号、姓、名、出生日期、性别、血型等。对如此之多的信息的需要对当今扫描器的速度提出了要求，尤其是当所探测的条码必须与大型数据库进行比较时。这就意味着需要在扫描速度与准确性之间进行折衷。
因此，需要在无需使光越过要扫描的物品的情况下以较少的时间读取条码并执行位移感测的系统和方法。这些和其他需要在本发明中得到了满足，本发明克服了以前开发的扫描系统和方法的缺陷。
发明内容
本发明提供了一种设备和方法，所述设备和方法用于响应于对指向目标或来自目标的光束执行色散型傅立叶变换来读取该目标。所述目标可以包括任意形式的编码或未编码目标(包括各种形式的条码)以及未编码的固体、液体和/或气体样本。为了简单起见，术语“目标”在此用来表示可以响应于对指向该目标的光束的反射率或透射率来收集与其有关的信息的任意目标或样本。
尽管本发明适合宽泛的检测、测量和读取应用，但是，本发明尤其适合于涉及条码读取和相关匹配的条码读取的应用。本发明的操作通常基于分别在空间域和时域中利用条码的光谱编码和解码的检测，从而允许在一秒内对数千万样本(例如，条码)进行读取和数据库相关匹配的检测。这比传统的条码读取器快多达四个数量级。本发明还利用对跨越一维或多维空间的光响应进行检测和/或测量来提供高速位移感测。
为了简单起见，本发明主要讨论对条码样本的读取，其中条码样本中相邻条的尺寸是确定的，从而可以对它们的编码进行解码以生成字母数字信息。这些条码可以包括对本文所描述的光束探测光敏感的任意条码结构。例如，所述条可以包括不同颜色、反射率的材料，或者具有对探测束光敏感的反射性。可替换地或另外地，所述条可以例如响应于凹陷的或凸出的结构而具有位移。
为了简化讨论，本发明讨论样本的“读取”，而不管正在对什么进行解码、检测和/或测量，并且不限于包含编码信息的样本(诸如条码的情况)。对未编码样本的“读取”被视作意味着对样本的性质(包括：成分的有无、尺寸、形状、粗糙度、方向、流动、以及样本内可以根据从所述样本反射的探测束确定的任意有关性质)进行确定。可替换地，本发明可以被配置用于响应于穿过样本的光透射水平来读取样本，其中可以通过透射光而不是反射光来辨别样本的不同特性。此外，如果想得到另外的信息，可以将本发明实现为对样本的反射和透射率进行单独的检测。本发明所教导的技术也可以用于通过干涉地检测透射光来对透明物体的相位进行分析。
本发明主要涉及光学成像，尤其用于对条码进行高速位移感测和读取、针对参考数据库执行相关匹配的检测，且更具体地，涉及一种用于分别在空间域和时域中基于对一维或二维条码的光谱编码和解码来进行色散型傅立叶变换成像和光学数据库相关的设备和方法，包括使样本暴露于宽带脉冲束和对优选地被转换为数字信号的时域波形的光反射检测。
所述方法使条码曝露于通过衍射光栅而空间分散的宽带脉冲光探测束，以使得每个独立波长的光沿着条码上的横向线路入射到条码的不同部分。条码信息被编码成反射光的光谱。来自条码的反射光返回到衍射光栅，衍射光栅对光谱分散的分量进行重组。然后，使用群速色散(GVD)来对反射光束执行傅立叶变换，并且由单像素光电检测器来检测该反射光。在进行傅立叶变换期间，可以实施任意的内部放大以提高信噪比，从而提高检测灵敏度。也可以执行零差检测和/或平衡检测来改善信噪比。
在优选实施例中，光电检测器将光信号转换为可以被放大和数字化的电子信号。色散型傅立叶变换与光电检测器相结合地将光谱(光谱编码的条码信息)映射为电子时域波形并且表示了全电子谱分析器。因此，本发明的实施例消除了对传统光学分光计(例如，衍射光栅和阵列检测器)的需要，并且提供了高检测灵敏度，尤其是结合内部放大来看。
应该理解的是，可以根据本发明使用另一种色散元件来在垂直方向上对探测束进行进一步色散，从而光束谱以光束频率进行光栅扫描的方式跨越二维平面。另一种方法是，当在垂直于探测束经由衍射光栅入射的横线的方向上扫描探测束时，可以获得条码的二维图像，例如用来在读取二维条码的过程中使用。还应该理解的是，此处的技术可以被扩展到三维。在一个实施例中，第二二维探测束可以从正交方向指向样本，并且根据本发明来捕获和处理光反射和/或透射，以在三维中提供对样本的读取和分析。
本发明还允许利用由上百万个条码组成的大型数据库对所测量条码进行可选的超速相关匹配检测。如果电光调制器放置在光电检测器之前，则实现了相关匹配检测。所探测条码的幅值通过数据库中已知条码图案的共轭进行调制。如果所测量条码匹配数据库中的一个，则所检测信号显示一个相关峰。来自随后的激光脉冲的测量信号与数据库中的其他图案进行比较，直到识别出正确的图案。在对光束进行调制之前，使用图案生成器或者数模转换器将数据库图案转换为共轭时间序列。当然，对数据库进行调制的图案必须与引入的测量图案同步。此后，以激光的脉冲重复率来执行对相关匹配检测的扫描。显然，相关匹配检测的使用是可选的，这是因为色散型傅立叶变换扫描器可以在没有相关匹配检测的情况下使用。
使用衍射光栅来将光谱映射到空间是已知的。当空间衍射的光从物体反射时，物体的反射率图案被编码到光谱上。光谱的映射已用于医学成像，在医学成像中使用电荷耦合器件(CCD)来解码光谱编码的空间信息。
本发明的一个重要的方面是利用色散型傅立叶变换来将空间信息(编码到光谱上)映射为时域信号，以及利用该技术来读取条码。色散型傅立叶变换已应用到了在吸收光谱学和拉曼光谱学、光反射法、以及光相干断层照相法方面的光脉冲谱的测量。使用色散型傅立叶变换测量光谱消除了对衍射光栅和检测器阵列的需要。这些元件由色散光纤、单光电检测器、以及数字化转换器代替。这简化了系统，并且更重要地，使得能够进行快速实时的条码捕获。
色散型傅立叶变换的主要限制以及本发明所克服的是在色散介质中的损耗。该损耗可以是由光穿过色散元件时发生的不期望的吸收或散射而引起的。还有一个由克拉茂-克朗尼希关系(Kramers-Kronigrelation)的色散与损耗之间的密切联系所描述的更重要的根源。独立于该根源，所述损耗限制了系统的检测灵敏度。这可以通过认识到以下方面来理解，即，借助于光谱-时间转换，光谱分辨率(从而，条码扫描器的像素数)由电检测系统的时间分辨率确定。换句话说，数字化转换器的电带宽(electrical bandwidth)限制了光谱分辨率，Δλ＝0.35/(D·fdig)给出了这一关系，其中Δλ为光谱分辨率，D为总群速色散，fdig为实时电子数字化转换器的输入带宽。乘积Δλ·D由数字化转换器的带宽确定，从而，为了增大光谱分辨率(即，增大像素数)，则不得不增大总群速色散D。
但是，该光谱分辨率的增大是以增大光损耗和减小检测灵敏度为代价而实现的。因此，当期望高检测灵敏度和高光谱分辨率时，色散元件中的损耗为中心问题。由于条码空间信息被编码到光谱上，因此色散元件的损耗对像素数和检测灵敏度施加了限制。灵敏度可以通过使用长信号积分时间来改善，但是这限制了条码的读取速度。因此，色散元件中的损耗使得在检测灵敏度、像素数与扫描速度之间产生了折衷。增大激光功率不是可取的解决方案，因为其可以导致不期望的非线性信号失真。
本发明依靠在色散元件中使用内部放大来克服灵敏度、像素数与扫描速度的折衷。上述折衷通过对色散元件中的损耗进行补偿来克服。为了使性能最佳化，在色散光纤中执行放大，以增加从条码反射回的信号强度。色散元件中的内部放大先前已经关于实时拉曼光谱学和吸收光谱学、以及飞秒数字化在我们实验室中得到论证。该放大被应用到本发明中来优化一个或多个条码扫描器实施例。
色散元件的期望特征是高全色散、低损耗、大光学带宽、所述带宽上的平滑色散、以及商业可用性。尽管存在诸如啁啾光纤光栅(CFBG)之类的其他选择，但是诸如色散补偿光纤(DCF)之类的色散光纤提供了这些参数的最优组合。尽管CFBG比DCF更紧凑，但是后者也可以作为拉曼放大器来对损耗进行补偿。所述损耗还可以通过分立的光学放大器(例如，掺饵光纤放大器或者甚至半导体光学放大器)来补偿。通常首选色散光纤内的分布式拉曼放大是因为其在整个傅立叶变换过程中保持了相对恒定的信号电平。该相对恒定的信号电平是重要的，因为其通过使信号功率远离低功率(充满噪声的)和高功率(非线性的)状态而使信号对噪声和失真比最大化。
拉曼放大相对于半导体光学放大器的一个优点是，当在非晶态介质(例如玻璃)中使用时，拉曼放大自然为宽带。可以通过使用多波长泵激激光来进一步裁剪该增益谱，并且出人意料地，使用非相干的泵激源可以实现非常宽频带的增益谱。这是非常可取的，因为大的光带宽导致大的横向条码检测范围。拉曼放大的色散元件还可以消除对高功率源的需要，高功率源可以潜在地导致不期望的非线性信号失真。
本发明经得起以多种方式实施的检验，包括但不限于以下描述。
本发明的一个实施例是用于读取条码和感测位移的设备，其包括：(a)用于生成宽带脉冲探测束的装置；(b)用于基于将要读取的目标的响应光信号将脉冲探测束的光谱映射到指向将要读取的目标的空间域的装置；(c)用于对响应光信号进行色散型傅立叶变换的装置，以将该响应光信号转换为时域波形；以及(d)用于检测和分析时域波形的装置，以确定被读取目标内的条码图案和/或位移。
在本发明的实施例中，可以响应于从目标反射到用于色散型傅立叶变换的装置的光能量、或者响应于通过目标传输到用于色散型傅立叶变换的装置的光能量来生成响应光信号。此外，可以实施组合实施例，其基于反射和透射光二者读取关于样本的信息。
所述设备可以被实施为使得通过自由空气、光纤(或其他光传输结构)、或者通过自由空气和光纤的组合来传送包括探测束和响应光信号的光束。
可替换地，可以通过改变将光谱映射到空间(空间色散)和色散型傅立叶变换(时间色散)的顺序来实现所述设备。
在至少一个实施例中，用于生成宽带脉冲探测束的装置包括被配置为生成脉冲的激光器。在本发明的一种模式中，可选地包括脉冲采集元件，以提供从由脉冲激光器(或类似源)生成的一系列脉冲中采集所选脉冲的装置。脉冲束探测可以包括或被改进为响应于用于放大和/或滤波的可选装置，从而提高所述设备的信噪比和检测灵敏度。类似地，放大和/或滤波可以可选地施加到从样本接收到的响应光信号(例如，反射和/或透射光)。通过示例而非限制的方式，光学放大可以使用受激拉曼散射、半导体放大器、或光纤放大器来执行。更进一步，光纤放大器可以被布置在用于色散型傅立叶变换的装置之前、之内、或之后，而连续波光或脉冲光可以对所述光纤放大器进行泵激。另一个可选的元件是用于超连续谱生成的装置，其用于使从光源发出的光的光谱带宽变宽，并且其可以被包含在所述光源内或者被实现为单独的可选元件。
在至少一个实施例中，用于将光谱映射到空间域中的装置包括色散元件，例如衍射光栅、棱镜、虚拟成像的相控阵列色散器、或者可以区分引入的宽带脉冲探测束的波长的类似元件。
在至少一种实现中，例如，当检测与入射探测光的路径相同路径的一部分的反射光能量时，包括用于分离光束的可选装置。
在至少一个实施例中，用于色散型傅立叶变换的装置使用用于引起群速色散(GVD)的元件(例如色散元件)、和/或被配置用于在将响应光信号转换为时域波形的过程中引起群速色散(GVD)的啁啾光学元件将响应光信号转换为时域波形。
在至少一个实施例中，用于检测和分析时域波形的装置利用至少一个诸如光敏半导体器件(例如，光电二极管、光电晶体管等)之类的光敏元件或者其电特性响应于接收到的光的特性的改变而改变的任意其他器件来检测入射光。检测器对入射光进行转换，优选地在将模拟信号改变为数字信号以简化处理的数字化转换器中进行转换。但是，应该理解的是，在不首先将这些模拟信号转换为数字信号的情况下，响应于对这些模拟信号的直接处理，至少可以从样本读取有限的信息。信号处理器分析来自检测器的电信号，从而对样本进行读取并且提供关于编码、空间位移和样本的其他可读方面的信息。优选地，信号处理器包括一个或多个配置有用于执行数字信号处理的软件的处理器。
在至少一个实施例中，所述设备被配置用于对作为一维或二维条码的目标进行读取，例如用于商品的跟踪、印刷电路板的串行控制(serial control)、硬盘驱动器(HDD)部件的检寻控制、传送线中的自动分拣、PC媒体驱动器的跟踪、晶片生产、或其中读取条码的任意场合。
在本发明的至少一个实施例中，可以以相关的形式来读取样本，其中将样本的实际特征与样本的期望特征(例如，从数据库中读出的)进行光学比较。由于本发明的该方面关于编码样本最容易理解，因此条码将被看作示例而非限制。在一种相关模式中，使用样本的期望条码(例如，在连续条码之中)来调制来自样本的响应光信号，其中根据所接收到的信号(例如，响应于阈值处理)可以容易地确定相关性而无需进一步分析。在至少一个实施例中，可以通过包含布置在将响应光信号转换为电信号之前的电光调制器来提供与从数据库及其施加到该电光调制器的共轭接收到的期望的条码图案的相关性。响应于被检测响应光信号是否具有相关峰来实现目标与数据库的相关匹配检测。在相关性的至少一种模式中，图案生成器用于基于来自数据库的信息来生成相关图案，所述数据库包含与其中可以找到当前目标的目标集合相关的信息。调幅器被配置用于调制响应光信号，其使用用于对进行了幅值调制的响应光信号进行阈值感测的装置来显示目标与从数据库接收到的用于调制响应光信号的幅值的相关图案之间的正相关性或负相关性。
可以利用本发明的实施例来响应于从目标(样本)反射的光和/或透射过目标(样本)的光以一维或二维的方式对目标进行读取。本发明可以被实现用于读取编码的目标(例如，光敏条码形式)，以及用于对目标执行高速位移感测。应该理解的是，位移感测可以记录目标的形状和结构、对粗糙表面的测量、对宽度和间隙的测量、以及材料和/或物体或元件缺失的存在。本发明还可以利用位移感测通过检测和/或测量流体内任意形式颗粒的移动和形态特征(例如，大小、形状等)来实现流式细胞计量术(flow cytometry)。在本发明的其他实施例中，所述设备可以被配置用于读取被使用例如光存储介质(包括根据协议格式化了的介质，所述协议包括与CD、DVD、以及蓝光光盘一起使用的那些协议)内的数据进行了光学编码了的目标。
在至少一个实施例中，所述设备被配置用于对选自应用领域组中的应用中的目标进行读取，所述应用领域组包括生物信息学、医学标本的跟踪、跟踪干细胞库、精子库、DNA序列库中的使用、或者其中从设备内的测试样本读取生物信息的任意场合。
本发明的一个实施例是一种设备，其包括：(a)宽带光源，被配置用于生成脉冲探测束；(b)光谱编码器，被配置用于将脉冲探测束转换到空间域并且引导其指向将要读取的目标；(c)空间解码器，被配置用于将从目标反射的或者透射通过目标的空间域的光转换到时域；以及(d)信号处理器，被配置用于检测和分析时域波形以读取图案和/或确定目标内的位移。
本发明的一个实施例是一种用于读取图案和确定目标的位移的方法，其包括：(a)生成来自宽带光源的脉冲探测束；(b)将脉冲探测束转换到空间域；(c)引导空间域脉冲探测束指向将要读取的目标；(d)将来自读取目标的空间域的光转换为时域波形；以及(e)在配置用于执行来自存储器的程序指令的处理器内检测并分析时域波形，以读取图案和/或确定目标内的位移。
本发明提供了许多有益的方面，在不脱离本技术的情况下，其可以单独实现也可以以任意期望组合的形式实现。
本发明的一方面是用于从光学目标读取信息的设备和方法。
本发明的另一方面提供了响应于将空间域的第一光学信号引导指向目标来读取目标信息、将从目标接收到的光转换到时域、然后对时域波形进行分析来读取目标信息的能力。
本发明的另一方面提供了以一维、二维或三维的形式对信息进行读取。
本发明的另一方面提供了响应于从目标反射的或透射穿过目标的探测光、或者其组合来对信息进行读取。
本发明的另一方面提供了对编码目标进行读取，例如对来自目标的条码信息进行读取。
本发明的另一方面提供了目标信息与数据库信息的相关性。
本发明的另一方面提供了响应于对光信号进行调制和在响应时域波形中对相关峰进行检查的目标相关性。
本发明的另一方面提供了对来自目标(样本)的各种编码和未编码形式的信息进行读取。
本发明的再一方面是可以被应用于宽范围的编码目标(例如，一维和二维条码)以及收集关于样本的信息(包括基于样本的组成部分的存在、位移、结构、移动等的信息)的设备和方法。
说明书的以下部分中将给出本发明的其他方面，其中详细的描述是为了充分公开本发明的优选实施例，而不是对本发明进行限制。
附图说明
通过参考以下仅用于说明目的的附图，将更充分地理解本发明：
图1是根据本发明一个方面的执行色散型傅立叶变换反射率测量的方法的一个实施例的流程图。
图2是根据本发明一个实施例的执行一维色散型傅立叶变换反射率测量的设备的示意框图。
图3是根据本发明一个实施例的执行一维色散型傅立叶变换反射率测量和数据库相关匹配检测的设备的示意框图。
图4是根据本发明一个实施例的执行二维色散型傅立叶变换反射率测量的设备的示意框图。
图5是根据本发明一个实施例的执行二维色散型傅立叶变换反射率测量和数据库相关匹配检测的设备的示意框图。
图6是根据本发明的一方面的图2的色散型傅立叶变换反射率测量设备的一个实施例的示意图，其示出了对压电式换能器(PZT)样本的检测。
图7是测试样本的正交视图，通过非条码的目标来说明本发明的使用，所述样本具体为被具有两个相邻薄铝膜的二氧化硅保护的硅波导。
图8是根据本发明一个方面的对来自样本的反射探测光谱与来自用作参考的反射镜的反射光进行比较的曲线图。
图9是根据本发明一个方面的图7所示样本的校准反射率轮廓的曲线图。
图10是响应于被扫描样本的物理平移(移动)示出的、根据本发明的一方面的图7中的样本的校准反射率轮廓的曲线图。
图11是根据本发明一个方面的响应于不同放大等级示出的从样本反射的探测光的光谱的曲线图。
图12是根据本发明一个实施例示出的、图2的色散型傅立叶变换条码读取测量的示意图。
图13是以如存在于样本条码中的背景条示出的、根据本发明一个方面的单冲(single shot)一维条码测量的曲线图。
图14是根据本发明一个实施例示出的、图4的二维色散型傅立叶变换反射率测量的示意图。
图15是根据本发明一个实施例示出的色散型傅立叶变换透射率测量的示意图。
具体实施方式
下面对附图进行更具体地参考，为了说明的目的，在图1至图15概括示出的设备中实施本发明。应该理解的是，在不脱离此处所公开的基本思想的情况下，所述设备的结构及其具体部件可以改变，并且所述方法的具体步骤和顺序可以改变。
图1是色散型傅立叶变换反射率测量的方法的实施例10，其概括了执行一维或二维条码读取以及可选的针对已知数据库进行相关匹配检测所必需的步骤。根据该实施例，在框12中，通过衍射光栅使条码暴露于宽带脉冲，同时空间色散光谱入射到条码。在框14中，从条码产生的反射光返回到重整脉冲的衍射光栅，并且通过色散型傅立叶变换被转换为时域波形。然后，在框16中，可以依照由图案生成器提供的由光调制器对其进行调制的光谱编码的条码信息来光学地执行可选的针对参考数据库的相关匹配检测。在框18中，通过光电检测器来检测光信号，并且在时域中例如通过数字信号处理器来分析该光信号的电信号。
参考框12，光源优选地为指向条码的超连续谱。应该理解的是，超连续谱的生成通常可以被描述为其中将激光转换为具有非常宽的光谱带宽(例如，具有低时间相干性)的光的处理。通常通过使光脉冲传播通过强非线性装置(例如，光纤)来实现光谱扩展。可以通过使具有高峰值功率的脉冲激光穿过高非线性光纤来产生超连续谱。可替换地，可以通过具有大带宽的超短波脉冲激光来生成光源，例如由钛蓝宝石激光器产生。探测束在到达衍射光栅之前可以被光学地放大和滤波。
探测束的带宽应该较大，在某些情况下优选地为尽可能的大，这是因为衍射光栅的衍射角度范围和条码上的可分辨点数随带宽而增大。光谱带宽可以与目标以及设备允许的一样大。只要时间色散的连续脉冲不在时间上重叠，就可以增大带宽。同样，应该理解的是，对设备的每个部件(例如，光电二极管)以及光学元件存在限制。另外，目标本身在指定光谱范围内被最好地分辨，例如，在可视光谱中从条码中清楚地检测到的目标在移动到光谱的红外光部分时可能不会呈现出来。典型地，带宽是一个范围，例如可视到近红外范围的650nm到1100nm，或者可视范围内的、可视到紫外(UV)范围的、可视到红外、近红外、近紫外等范围的某些类似范围。
入射到衍射光栅的探测束被空间色散，对探测束的波长进行分离。然后，通过柱面透镜或其他衍射光栅使色散光准直并入射到条码。来自条码的反射光返回到衍射光栅，重整脉冲。
考虑框14，通过任意期望的光学元件或其组合(例如，色散元件、啁啾光学元件等)来引起(啁啾)群速色散以执行傅立叶变换，从而提供用于对反射光信号进行色散型傅立叶变换的装置。该色散元件包括引起反射光信号的群速色散的光学元件。应该理解的是，啁啾反射响应是其中布拉格波长不恒定而在结构内改变的响应，例如在啁啾光学元件(例如啁啾镜)中，不同波长的光不同程度地穿透到镜结构中，从而经历不同的群时延。色散元件可以是光纤、体单晶、啁啾镜、或啁啾光纤布拉格光栅。色散元件中的色散将频域信号转换为时域波形。沿横向线路对应于条码的不同点的来自条码的反射光的构成频率以这样的方式在时间上进行分布，所述方式为允许将来自条码不同点的反射光映射为时域波形。在傅立叶变换期间，当通过宽带光来光学地泵激色散元件时，信号光可以通过受激拉曼散射进行光学放大。可替换地，在可以或不可以进行光学放大的色散元件之前，可以通过拉曼放大器或掺铒光纤放大器来光学放大反射光。
在框16中，示出了用于使检测与数据相匹配的光学相关性。应该理解的是，其变型允许使用大型数据库来执行一系列相关检测操作。已经按照框14进行了傅立叶变换的时序条码信号由调幅器进行调制。例如，在共轭时序中，由生成对应于白色间隔和深色条的0、1序列(与条码编码相反)的图案生成器来提供调制信号，从而仅当调制器抵销了输入条码信号的幅值时调幅器的传输才为零，从而检测到正相关性。
参考框18，如果与参考数据库的相关匹配检测不是必须的，则框14处的反射信号可以直接被光电检测器检测。如果需要与参考数据库的相关匹配检测，则光电检测器在框16处检测调幅器的传输。光电检测器的输出信号被数字化转换器数字化，所述数字化转换器被一定重复率的探测束的脉冲序列适当地进行触发。仅当数字化转换器上的信号为零时，所测量的条码与其信号被提供给调幅器的数据库中的条码相匹配。每个脉冲执行一次数据库中的条码与测量条码的相关性检测。换句话说，以激光脉冲序列的重复率来执行测量条码与许多条码的相关性检测。
图2示出了根据本发明的一维色散型傅立叶变换反射率测量的示例实施例20。应该理解的是，所述设备可以被用于条码感测以及宽范围的高速位移形式感测、以及类似应用。另外，指向读取目标的光束(脉冲探测束)、检测和/或测量的以及其反射的光信号通过自由空气、光透射介质或装置(例如光纤)、或者通过其组合传播。
通常，用于生成宽带脉冲探测束的装置(例如，宽带脉冲探测激光器22)连接到用于分离指向目标的光信号与从目标反射的光信号的装置32，例如包括光环行器，其隔离从读取目标反射的光。以下讨论可选元件24、26和28。
例如，响应于使用衍射光栅或使探测束空间色散的类似的一个或多个光学元件(例如，棱镜、虚拟成像的相控阵列色散器等)、使探测束的波长分散到跨越读取目标(例如，条码38)的一维横向线路或延长图案上，通过用于对脉冲探测束的光谱进行傅立叶变换映射的装置34来将脉冲流转换到空间域。可替换地，所述系统可以被配置用于读取、检测、和/或测量根据材料性质和/或位移提供不同反射率的其他目标的一维或二维方面。
用于使脉冲探测束准直的装置36(例如，透镜)使探测束对准或聚焦到条码目标38。条码信息被光谱编码为来自条码38的反射光的光谱。来自条码38的反射光返回到衍射光栅34，重整脉冲。光环行器32引导反射光指向(放大式)色散型傅立叶变换器40，并且对其隔离使其不能返回到激光源22。然后，通过用于对反射光信号进行色散型傅立叶变换的装置40将反射光傅立叶变换为时域波形，以将反射光信号转换为时域波形。可选地，可以在色散型傅立叶变换处理中执行光学放大，从而对由于色散处理而产生的不可避免的光损耗进行补偿。色散型傅立叶变换装置40的输出被用于检测和分析时域波形以确定读取目标内的条码图案和/或位移的检测和分析装置接收。该检测和分析装置被示为包括光检测器42、可选滤波器44、可选放大器46、数字化转换器48，通过它们对时域波形进行引导，然后通过用于执行数字信号处理的装置50(例如，以任意期望的方式实现的数字信号处理器)来对其进行分析。
应该理解的是，在不脱离本发明的技术范围的情况下，可以以多种方式来生成宽带脉冲束。例如，本发明尤其适合于使用脉冲激光。激光的光谱响应可以根据需要响应于使用装置来生成超连续谱而得到增强。
在图2所示的实施例中，如果激光脉冲重复率如此高以至于连续脉冲在经过色散型傅立叶变换装置40之后重叠，则可以通过使用可选的脉冲检出器24来减少脉冲序列。此外，可以利用可选的光学放大器26来放大来自脉冲激光器22的光脉冲，并且用于泵激可选的超连续谱生成器28。如果源自激光器22的脉冲已经足够强大来生成超连续谱，则可以不需要可选的放大器26。同样，如果原始脉冲具有非常大的带宽，则放大器26和/或超连续谱生成器28可以不是必须的。例如，钛蓝宝石锁模激光器可以生成具有非常大带宽(＞100nm)的超快脉冲(＜10fs)。辐射的超连续谱可以通过可选的带通滤波器30。
光检测器42可选地是可以将来自(放大式)傅立叶变换装置40的输出的光子转换为电信号的光检测器。光检测器42可以是光电二极管、雪崩光电检测器、或配置用于将光信号转换为电信号的类似装置。可以对来自光检测器42的电信号进行滤波以限制其带宽，例如利用可选的电子滤波器44以及可选地通过电子放大器46来放大所述信号。应该理解的是，只需将带宽向下限制为限制引入到随后的模数转换中的噪声。然后，可以通过数字化转换器48对信号进行数字化。也可以使用数字信号处理器50或计算机来处理或分析信号，并对其进行显示和存储。
可以看出，所述设备和方法可以在大范围的合理探测波段实现。例如，可以使用工作在1300与1600nm之间的通信激光器或放大器来产生高峰值功率的探测脉冲。还可以对通信激光器进行倍频(二次谐波生成)或三倍频(三次谐波生成)来产生更高频率以在所述设备中使用。可以使用的另一种类型的激光器是钛蓝宝石激光器，其提供波长在650与1100nm之间(更典型地，在800nm附近)的短波、高功率脉冲。尽管这些激光器类型是优选的，但是也可以利用各种其他类型的激光源。
图3示出了执行一维色散型傅立叶变换反射率测量和数据库相关匹配检测的示例实施例52。应该看出，除了图案生成器74和调幅器76被包括用来执行被匹配条码70与参考数据库的相关匹配检测以外，图3与图2相同。
宽带脉冲探测激光器54的输出被引导通过可选的脉冲检出器56、可选的光学放大器58、可选的超连续谱生成器60、以及可选的光滤波器62，通过隔离入射和反射波的光环行器64，到用于对该探测束进行空间色散的衍射光栅66以使其波长分散到一维横向线路或延长图案，到透镜68，到目标条码70或位移感测目标或者多个目标。来自目标条码70的反射光通过透镜68、衍射光栅66，并被光环行器64路由到色散型傅立叶变换装置72，到还接收来自图案生成器74的信号的调幅器76。来自调幅器76的输出被路由到检测器78，检测器78的输出通过可选滤波器80和可选放大器82到达数字化转换器84并被信号处理装置86处理。
图案生成器74生成数字条码图案(例如，其由0和1组成)，并以共轭时间序列的形式将其提供到调幅器76。由图案生成器74生成的条码图案被看作来自包含关于其条码正在被所述设备读取的物品的信息的数据库。仅当由图案生成器74生成的条码图案与正在读取的条码70的图案匹配时，调幅器76的传输被空置为零。每个脉冲到达调幅器后，数据库中的不同图案被提供给调幅器，对数据库中的所有参考条码与测试条码进行比较以查看哪个与其匹配。
图4示出了二维色散型傅立叶变换反射率测量的示例实施例88。尽管图2和图3描述了用于执行一维反射率测量的示意图，但是图4示出了用于执行二维反射率测量、以及从而读取二维条码的示意图。
参考该附图，宽带脉冲激光器90的输出被引导通过可选的脉冲检出器92、可选的光学放大器94、可选的超连续谱生成器96、以及可选的光滤波器98，通过使入射和反射波隔离的光环行器100，到第一透镜102、色散器104、第二透镜106、以及衍射光栅108，到目标110(例如二维条码)或位移感测目标或者多个目标。来自目标110的反射光返回通过衍射光栅108、透镜106、色散器104、透镜102，并且被光环行器100路由到色散型傅立叶变换装置112，到光检测器114，光检测器114的输出通过可选滤波器116和可选放大器118到了数字化转换器120，并且被信号处理装置122处理。
更具体地考虑图4所示的元件，该实施例优选地使用柱面透镜102来将宽带脉冲聚焦到虚拟成像的相控阵列(VIPA)色散器104，例如包括玻璃板，所述玻璃板在光束进入的前区上具有防反射膜、并且在其余的正面部分上具有高反射涂层(约100％)以及在背面上具有部分高反射涂层(通常为95％或类似)。VIPA色散器104产生从位于入射光束发生第一反射的背面位置处的光束腰的各虚拟图像发散的光束阵列。这些光束相干并形成准直光束，然后通过球面透镜106聚焦。
衍射光栅108沿垂直于VIPA色散器104产生的色散方向的方向来分离入射光束的衰退频率。这在二维平面中产生了由许多聚焦在目标样本110(或2D条码)上的点构成的光束。目标样本110上的这些点对应于宽带光束的不同频率分量，形成了样本110上的可分辨点。来自样本110的宽带光束的不同频率分量的反射完全返回到光环行器100，形成样本110的二维反射率被光谱编码成的脉冲。(放大式)色散型傅立叶变换112将输入光谱映射为时域波形。该色散型傅立叶变换112可以被光学放大，以补偿变换处理期间的光损耗。因此，(放大式)色散型傅立叶变换的输出是将来自二维样本的反射光以类似于光栅扫描的某种方式光谱编码成的时域波形。
图5示出了二维色散型傅立叶变换反射率测量和数据库相关匹配检测的示例实施例124。按照该附图，所获得的二维反射图像已被转换为一维时域波形，然后可以如图3所示的读取一维目标时一样，通过使用图案生成器150和调幅器152进行相关匹配检测来与参考数据库进行比较。
参考该附图，宽带脉冲激光器126的输出被引导通过可选的脉冲检出器128、可选的光学放大器130、可选的超连续谱生成器132、以及可选的光滤波器134，通过光环行器136到达第一透镜138(例如，柱面透镜)、色散器140、第二透镜142(例如，球面透镜)、以及衍射光栅144，到目标146，例如二维(2D)条码或位移感测目标或者多个目标。来自目标146的反射光返回穿过衍射光栅144、第二透镜142、色散器140、第一透镜138，并且被光环行器136路由到色散傅立叶变换148。来自傅立叶变换148的输出被引导指向接收从图案生成器150输入的信号的调幅器152。来自调幅器152的输出被引导指向光检测器154，光检测器154的输出通过可选滤波器156和可选放大器158到达数字化转换器160以由数字信号处理器162进行处理。
在稍后的说明二维色散型傅立叶变换反射率测量的附图(图13)中示出了上述实施例。应该再次强调的是，样本可以包括任何感兴趣的读回事物，例如通过示例而非限制的方式描述的二维条码。
下文中讨论对本发明实施例执行的实际测试。
图6示出了使用压电式换能器(PZT)上的样本的图2所示的色散型傅立叶变换反射率测量设备的简化实现170。与图2中所示相同的参考标号表示相同的功能。宽带脉冲激光源54耦接到光纤172，通过光环行器64，通过目标侧光纤174到达光纤准直器176。从准直器176输出的自由空间光束178被引导指向产生色散图案182的衍射光栅34，通过透镜36并到达耦接到固定架188的压电平移台186上的样本38。如关于图2所描述的，反射光返回穿过该设置并被光环行器64分离到使用色散补偿光纤(DCF)从中执行色散型傅立叶变换的测量光纤190。通过示例而非限制的方式，DCF40被示为在其输入端具有耦接到光纤194以用于附接至第一泵激源的第一波分复用器(WDM)192。DCF40的输出端处为耦接到光纤198以用于附接至第二泵激源的第二波分复用器(WDM)196。傅立叶变换的输出被引导指向检测器42(描绘为光电二极管)，并引导指向测量装置200(此处被描绘为示波器)。应该认识到，在所示测试设置中，示波器提供用于观察波形，从而评价是否可以使用数字信号处理装置和方法来正确地记录所述装置所生成的波形。应该清楚地理解的是，所述示波器被用在光学设备的测试中，而在自动化应用中，将利用计算机处理器装置来分析信号，从而响应于从设备的其余部分接收到的信号来对目标进行读取。
该示例性实施例中的光源54包括中心波长为1560nm、重复率为100MHz、以及平均输出功率为20mW的锁模飞秒光纤激光器。激光通过高非线性光纤，其带宽增大到15nm。激光的重复率被脉冲检出器(图6中没有示出)减小到25MHz。经过脉冲检出器和光纤光环行器之后，光纤174上的激光具有5mW的平均功率。光纤准直器176使自由空间中的激光对准到衍射光栅34，所述衍射光栅在该测试情况中具有1200行/毫米的条纹密度以及90％的反射效率。衍射光栅通过分离探测束的波长来对宽带光进行空间色散。
图7以实例的方式描绘了图6中所示的目标，该实例包括硅波导，具有由二氧化硅保护的硅，并且具有相邻的薄铝膜。所述铝膜部分在该示例中被示为80μm宽，其间具有5μm的硅翼片。所述硅和二氧化硅是透明的，并且所述铝膜是对约1560nm的光具有高反射性。由于本发明经得起使用宽范围的目标类型和大小的检验，因此只有在允许理解以下所描述的测量结果是如何与正在读取的特定目标相关的范围内，对上述目标的测量才是重要的。
图8是描绘了来自图7所示样本的反射探测光的光谱与来自被用作参考的反射镜的反射探测光的光谱之间的比较的曲线图。通过透镜将空间色散的光束对准样本，所述样本在该示例中为图7所示的硅波导。如图6所示，硅波导样本被固定在压电式换能器(PZT)上，所述压电式换能器被连接到具有大质量的光学固定架。
如图6所示，脉冲激光被引导到达样本38，并且反射光通过衍射光栅34返回到光纤准直器176。光环行器引导反射光指向离散度为-1512ps/nm以及光损耗为9dB的色散补偿光纤(DCF)。所述DCF将输入光谱映射为时域波形，所述输入光谱为样本的光谱编码的一维横向反射率轮廓。在DCF之前，波分复用器(WDM)(第一WDM)将1470nm的拉曼泵激与反射光结合，在DCF之后，波分复用器(WDM)(第二WDM)从反射光移除1470nm的拉曼泵激。
光电检测器(例如，在该示例中具有50ps的响应时间)被用来检测DCF的时间分散的输出。根据由D.Yelin，I.Rizvi，W.M.White，J.T.Motz，T.Hasan，B.E.Bouma以及G.J.Tearney在“Three-dimensional miniature endoscopy，”Nature443，765(2006)中所给出的公式，基于衍射光栅的条纹密度、中心波长、带宽、和探测束的直径、以及利特罗角(Littrow’s angle)，可分辨点数约为64个。基于激光的重复率(25MHz)，该色散型傅立叶变换成像装置的时间分辨率为40ns。
在图8中，介电反射镜样本的反射光的光谱被显示为上钟形曲线，而硅波导的光谱被显示为下面的曲线，该曲线的中部具有“凹口”或“下沉”。曲线图所示波长被标定为X轴上的距离。比较两个光谱，硅波导的光谱清楚地显示出一个下沉，其对应于样本(即，图7中所示由二氧化硅覆盖的硅波导)的低反射率部分。
图9根据图8中所描绘的测量描绘了图7中所示样本的标定反射率轮廓。应该注意，一个非常明显的峰出现在约40μm处。
图10描绘了图7所示样本的标定反射率轮廓的另一曲线图，其基于使用压电平移台横向扫描样本时在不同时刻在图6所示的测试设置中所进行的测量。当使用斜坡函数来扫描PZT以使得PZT在图6所示方向上平移样本时，在四个不同时刻(0μs，25μs，50μs、以及75μs)示出了被测样本的标定反射率轮廓。硅波导传输了大部分探测束，而铝膜将探测束反射回光源。尽管图像获取周期为40nm，但是此处为了清楚起见，每625次扫描(每25μs扫描一次)中仅绘制一次。样本的快速位移被清楚地捕获。
图11描绘了不同泵激功率水平的、色散滤波器中具有和不具有分布式拉曼放大的来自图7所示样本的反射探测光的光谱。当样本为弱反射体时，弱反射信号可能被光电检测器的电子噪声所掩盖。该附图说明，通过对弱反射光的功率进行光学放大可以提高信噪比。在该论证中，分布式拉曼放大被用来将弱反射信号提升为远高于检测器噪声。附图中不同泵激功率(40mW、80mW、和120mW)的信号增长是明显的。
图12示出了图2所示色散型傅立叶变换条码读取设备的示例实施例210，除了使用不同的聚焦透镜和将所述设备指向不同的目标(具体地为条码样本)以外，该设备类似于图6中所示设备。图6中的聚焦透镜被图11中的球面透镜(例如，在本示例中具有100mm的焦距)代替。考虑该示例，光束扩展被改变为增大衍射光栅上的斑点大小。这些改进导致了可分辨点数(145)的增加。因此在该示例中，条码被用作样本来演示超速条码读取。
在该简化的实现210中，色散型傅立叶变换反射率测量设备指向条码样本。使用相同参考标号表示相同的功能。宽带脉冲激光源54耦接至光纤172，通过光环行器64，通过目标侧滤波器174到达光纤准直器176。从准直器176输出的自由空间光束178指向产生色散图案182的衍射光栅34，通过透镜212并被引导指向条码214。反射光返回穿过该设置，并被光环行器64分离到使用色散补偿光纤(DCF)执行色散型傅立叶变换的测量光纤190。通过示例而非限制的方式，DCF40被示出在其输入端具有耦接到光纤194以用于附接至第一泵激源的第一波分复用器(WDM)192。DCF40的输出端处为耦接到光纤198以用于附接至第二泵激源的第二波分复用器(WDM)196。傅立叶变换的输出被引导指向检测器42(描绘为光电二极管)，并到达测量装置200(此处被描绘为示波器)。应该认识到，在所示测试设置中，示波器提供用于观察波形，从而评价是否可以使用数字信号处理装置和方法来正确地记录所述装置所生成的波形。
图13描绘了来自图12所示测试设备的波形响应，其中使用样本条码的背景来示出单冲一维条码测量的曲线图。在该示例中，条码样本由其上印有黑色条的透明膜组成。附图还使用附图上的标定长轴示出了被测条码的标定反射率轮廓。测量到的反射率轮廓容易与在仅17ns内示出了1001010100的条码样本进行比较(非常一致)。扫描率为25MHz表示一次扫描只需要40ns。该演示明确地确立了根据本发明的实施例的色散型傅立叶变换条码读取的可行性。
图14示出了图4中所示的二维色散型傅立叶变换反射率测量的示例实施例250。在该简化实现中，色散型傅立叶变换反射率测量设备指向二维条码或其他样本。
使用相同参考标号表示相同的功能。宽带脉冲激光源54耦接到光纤172，通过光环行器64，通过目标侧光纤174到达光纤准直器176。从准直器176输出的自由空间光束178通过第一透镜252(优选地为柱面透镜)到达高分辨率的虚拟成像的相控阵列(VIPA)色散器254，色散器254的输出256通过第二透镜258(优选地为球面透镜)、产生照射到样本266的2D彩色带信号或色散图案264的照射(striking)衍射光栅262。反射光返回穿过该设置，并被光环行器64分离到使用色散补偿光纤(DCF)从中执行色散型傅立叶变换的测量光纤190。通过示例而非限制的方式，DCF40被示出在其输入端具有耦接到光纤194以用于附接至第一泵激源的第一波分复用器(WDM)192。DCF40的输出端处为耦接到光纤198以用于附接至第二泵激源的第二波分复用器(WDM)196。傅立叶变换的输出被引导指向检测器42(描绘为光电二极管)，并到达测量装置200(此处被描绘为示波器)。应该认识到，在所示测试设置中，示波器提供用于观察波形，从而评价是否可以使用数字信号处理装置和方法来正确地记录所述装置所生成的波形。所检测的1D时域数据被数字地存储到表示样本的2D图像的2D矩阵中。
图15示出了色散型傅立叶变换透射率测量设备的简化实现270，尽管其读取通过样本的透射光而不是反射光，但是其类似于图6及其他所示设备。还应该理解的是，对透射光的读取可以与读取反射光的实施例结合，从而反射光和透射光都可以被记录，如此可适合于选择应用的技术。样本38被示为样本在分析期间被保留、包含、或通过其内部的空间。应该理解的是，如在每个其他实施例中，样本可以为编码的表面、固态材料、液态、或气态材料、或者其组合。
与其他附图中所示的相同参考标号表示相同的功能。宽带脉冲激光源54耦接到光纤172，到达光纤准直器176。从准直器176输出的自由空间光束178指向产生色散图案182的第一衍射光栅34a，通过第一透镜36a并被引导指向样本38。透射通过样本38的光通过第二透镜36b到达第二衍射光栅34b，并到达准直器272以及使用色散补偿光纤(DCF)40来在其中执行色散型傅立叶变换的测量光纤274。通过示例而非限制的方式，DCF40被示出在其输入端具有耦接到光纤194以用于附接至第一泵激源的第一波分复用器(WDM)192。DCF40的输出端处为耦接到光纤198以用于附接至第二泵激源的第二波分复用器(WDM)196。傅立叶变换的输出被引导指向检测器42(描绘为光电二极管)，并到达信号处理装置280。
因此，应该理解的是，由于入射到样本上的光要么被反射、要么被透射(除非其被吸收，这仅在选择样本形式中发生)，因此透射通过样本的光通常可以被看作是反射光的补。图15中所示设置的变型也可以适用于干涉测量法，在干涉测量法中，响应于通过设备的其余部分接收到的光，由信号处理设备来检测透明物体的相位。
以下部分通过示例而非限制的方式概括了本文中针对本发明所描述的多种实现、模式和特征。本发明提供了对脉冲探测束指向的一维或多维目标进行读取的方法和设备。发明构思可应用于各种设备和应用中。其中，本发明包括以下发明实施例：
1.一种用于读取条码和感测位移的设备，包括：
(a)用于生成宽带脉冲探测束的装置；
(b)用于基于将要读取的目标的响应光信号将所述脉冲探测束的光谱傅立叶变换映射到指向将要读取的目标的空间域的装置；
(c)用于对所述响应光信号进行色散型傅立叶变换的装置，以将所述响应光信号转换为时域波形；以及
(d)用于检测和分析所述时域波形的装置，以确定被读取目标内的条码图案和/或位移。
2.如实施例1中所述的设备，其中响应于从目标反射到所述用于色散型傅立叶变换的装置的光能量、或者响应于通过目标透射到所述用于色散型傅立叶变换的装置的光能量而产生所述响应光信号。
3.如实施例1中所述的设备，其中通过自由空气、光纤、或通过自由空气和光纤的组合来传播所述探测束和所述响应光信号。
4.如实施例1中所述的设备，其中所述用于生成所述宽带脉冲探测束的装置包括被配置用于生成脉冲的激光器。
5.如实施例1中所述的设备，还包括用于从所述用于生成宽带脉冲探测束的装置所生成的脉冲序列中检出所选脉冲的装置。
6.如实施例1中所述的设备，还包括耦接到所述用于生成宽带脉冲探测束的装置的、用于进行放大和/或滤波的装置，以提高所述脉冲探测束的信噪比和检测灵敏度。
7.如实施例1中所述的设备，其中所述用于生成宽带脉冲探测束的装置包括用于超连续谱生成的装置，用于使从光源发出的光的光谱带宽变宽。
8.如实施例1中所述的设备，其中所述用于将光谱傅立叶变换映射到空间域的装置包括色散元件。
9.如实施例1中所述的设备，其中由包括衍射光栅的色散元件来实现所述用于傅立叶变换映射的装置，以分离所述脉冲探测束的波长。
10.如实施例1中所述的设备，其中由包括棱镜的色散元件来实现所述用于傅立叶变换映射的装置。
11.如实施例1中所述的设备，其中由包括虚拟成像的相控阵列色散器的色散元件来实现所述用于傅立叶变换映射的装置。
12.如实施例1中所述的设备，还包括用于根据从目标返回的响应光信号分离指向目标的所述脉冲探测束的装置。
13.如实施例1中所述的设备，其中用于将所述响应光信号转换为时域波形的所述用于色散型傅立叶变换的装置包括用于引起群速色散(GVD)的元件。
14.如实施例1中所述的设备，其中所述用于色散型傅立叶变换的装置包括在将所述响应光信号转换为时域波形的过程中引起群速色散(GVD)的色散元件和/或啁啾光学元件。
15.如实施例1中所述的设备，其中所述用于检测和分析所述时域波形的装置包括：
(a)至少一个光敏元件；
(b)数字化转换器，其耦接到所述光敏元件，所述数字化转换器被配置用于将光学波形转换为数字信号；
(c)数字信号处理器，被配置用于分析所述数字信号，以读取目标。
16.如实施例1中所述的设备，还包括在所述用于色散型傅立叶变换的装置之前、之内、或之后的光学放大和/或滤波。
17.如实施例1中所述的设备：
还包括在所述用于色散型傅立叶变换的装置之前、之内、或之后的光学放大和/或滤波；并且
其中使用受激拉曼散射、半导体放大器、或光纤放大器来实现所述光学放大。
18.如实施例1中所述的设备，还包括：
布置在所述用于色散型傅立叶变换的装置之前、之内、或之后的光纤放大器；以及
对所述光纤放大器进行泵激的连续波光或脉冲光。
19.如实施例1中所述的设备，还包括用于对目标执行光学数据库相关匹配检测的装置。
20.如实施例1中所述的设备，还包括：
电光调制器，其布置在将所述响应光信号转换为电信号之前；以及
数据库，其耦接到所述用于控制光调制的电光调制器；
其中，从数据库及其施加到所述电光调制器的共轭来接收期望的条码图案；
其中，响应于被检测响应光信号是否具有相关峰来实现目标与数据库的相关匹配检测。
21.如实施例1中所述的设备，其中所述用于执行光学数据库相关的装置包括：
(a)图案生成器，被配置用于基于来自数据库的信息来生成相关图案，应当在目标集合中找到当前目标；
(b)调幅器，其耦接到所述图案生成器，所述调幅器被配置用于对响应光信号进行调制；以及
(c)用于对进行了幅度调制的响应光信号进行阈值感测的装置，以指示目标与从数据库接收到的用于调制所述响应光信号的幅度的相关图案之间的正相关性或负相关性。
22.如实施例1中所述的设备，其中所述设备被配置用于读取一维或二维目标。
23.如实施例1中所述的设备，其中所述设备被配置用于对作为在商品的跟踪、印刷电路板的串行控制、HDD部件的检寻控制、输送线中的自动分拣、PC媒体驱动器的跟踪、或晶片生产中使用的条码的目标进行读取。
24.如实施例1中所述的设备，其中所述设备被配置用于对选自应用领域组中的应用中的目标进行读取，所述应用领域组包括生物信息学、医学标本的跟踪、跟踪干细胞库、精子库、和/或在DNA序列库中的使用。
25.如实施例1中所述的设备，其中所述设备被配置用于在对目标执行高速位移感测的过程中读取目标。
26.如实施例1中所述的设备：
其中所述设备被配置用于在对目标执行高速位移感测的过程中读取目标；以及
其中高速位移感测包括对粗糙表面的测量和/或对宽度和间隙的测量。
27.如实施例1中所述的设备，其中所述设备被配置用于通过检测和/或测量流体内颗粒的移动来实现流式细胞计量术。
28.如实施例1中所述的设备，其中所述设备被配置用于响应于光存储介质内编码的反射差异来对目标进行读取。
29.如实施例1中所述的设备：
其中，所述设备被配置用于对包括光存储介质内编码的反射差异的目标进行读取；以及
其中，根据从用来编码CD、DVD、和蓝光光盘的协议组中选出的期望的存储协议来格式化所述光存储介质。
30.如实施例1中所述的设备，其中所述设备被配置用于检测物体存在或不存在。
31.一种设备，包括：
(a)宽带光源，被配置用于生成脉冲探测束；
(b)光谱编码器，被配置用于将所述脉冲探测束转换到空间域并且引导其指向将要读取的目标；
(c)空间解码器，被配置用于将从目标反射的空间域光或透射穿过目标的空间域光转换到时域；以及
(d)信号处理器，被配置用于检测和分析所述时域波形，以在目标内读取图案和/或确定位移。
32.一种用于读取目标的图案和确定目标的位移的方法，包括：
(a)从宽带光源生成脉冲探测束；
(b)将所述脉冲探测束转换到空间域；
(c)引导所述空间域脉冲探测束指向将要读取的目标；
(d)将来自被读取目标的空间域光转换为时域波形；以及
(e)在配置用于执行来自存储器的程序指令的处理器内检测并分析所述时域波形，以在目标内读取图案和/或确定位移。
尽管以上描述包含许多细节，但是这些不应当被理解为对本发明范围的限制，而仅仅是提供对本发明的一些当前优选的实施例的说明。因此，应该理解的是，本发明的范围完全涵盖对本领域技术人员显而易见的其他实施例，并且因此本发明的范围仅由所附权利要求限定，在所附权利要求中，除非明确说明，否则所提到的单数形式的元件不是指“只有一个”而是指“一个或多个”。本领域普通技术人员已知的所有结构上、化学上以及功能上等效于上述优选实施例的元件均通过引用的方式明确地结合于此并且由所附权利要求涵盖。此外，所附权利要求所涵盖的装置或方法无需解决本发明所要解决的每个问题。此外，本公开中没有元件、部件或方法步骤旨在专用于公众，而不管该元件、部件或方法步骤是否明确地列举在权利要求中。

Claims (29)

1.一种用于读取条码和感测位移的设备，包括：
用于生成宽带脉冲探测束的装置；
用于基于将要读取的目标的响应光信号将所述脉冲探测束的光谱傅立叶变换映射到空间域并且将空间域脉冲探测束指向将要读取的目标的装置；
用于对所述响应光信号进行色散型傅立叶变换以将所述响应光信号转换为时域波形的装置；以及
用于检测和分析所述时域波形以确定被读取目标内的条码图案和/或位移的装置，
其中用于对所述响应光信号进行色散型傅立叶变换以将所述响应光信号转换为时域波形的装置包括用于引起群速色散(GVD)的元件。
2.如权利要求1中所述的设备，其中响应于从目标反射到所述用于色散型傅立叶变换的装置的光能量、或者响应于通过目标透射到所述用于色散型傅立叶变换的装置的光能量而产生所述响应光信号。
3.如权利要求1中所述的设备，其中通过自由空气、光纤、或通过自由空气和光纤的组合来传播所述探测束和所述响应光信号。
4.如权利要求1中所述的设备，其中所述用于生成所述宽带脉冲探测束的装置包括被配置用于生成脉冲的激光器。
5.如权利要求1中所述的设备，还包括用于从所述用于生成宽带脉冲探测束的装置所生成的脉冲序列中检出所选脉冲的装置。
6.如权利要求1中所述的设备，还包括耦接到所述用于生成宽带脉冲探测束的装置的、用于进行放大和/或滤波的装置，以提高所述脉冲探测束的信噪比和检测灵敏度。
7.如权利要求1中所述的设备，其中所述用于生成宽带脉冲探测束的装置包括用于超连续谱生成的装置，用于使从光源发出的光的光谱带宽变宽。
8.如权利要求1中所述的设备，其中所述用于将光谱傅立叶变换映射到空间域的装置包括色散元件。
9.如权利要求1中所述的设备，其中由包括衍射光栅的色散元件来实现所述用于傅立叶变换映射的装置，以分离所述脉冲探测束的波长。
10.如权利要求1中所述的设备，其中由包括棱镜的色散元件来实现所述用于傅立叶变换映射的装置。
11.如权利要求1中所述的设备，其中由包括虚拟成像的相控阵列色散器的色散元件来实现所述用于傅立叶变换映射的装置。
12.如权利要求1中所述的设备，还包括用于根据从目标返回的响应光信号分离指向目标的所述脉冲探测束的装置。
13.如权利要求1中所述的设备，其中所述用于色散型傅立叶变换的装置包括在将所述响应光信号转换为时域波形的过程中引起群速色散(GVD)的色散元件和/或啁啾光学元件。
14.如权利要求1中所述的设备，其中所述用于检测和分析所述时域波形的装置包括：
至少一个光敏元件；
数字化转换器，其耦接到所述光敏元件，所述数字化转换器被配置用于将光学波形转换为数字信号；
数字信号处理器，被配置用于分析所述数字信号，以读取目标。
15.如权利要求1中所述的设备，还包括在所述用于色散型傅立叶变换的装置之前、之内、或之后的光学放大和/或滤波。
16.如权利要求1中所述的设备：
还包括在所述用于色散型傅立叶变换的装置之前、之内、或之后的光学放大和/或滤波；并且
其中使用受激拉曼散射、半导体放大器、或光纤放大器来实现所述光学放大。
17.如权利要求1中所述的设备，还包括：
布置在所述用于色散型傅立叶变换的装置之前、之内、或之后的光纤放大器；以及
对所述光纤放大器进行泵激的连续波光或脉冲光。
18.如权利要求1中所述的设备，还包括用于对目标执行光学数据库相关匹配检测的装置。
19.如权利要求1中所述的设备，还包括：
电光调制器，其布置在将所述响应光信号转换为电信号之前；以及
数据库，其耦接到所述用于控制光调制的电光调制器；
其中，从数据库及其施加到所述电光调制器的共轭来接收期望的条码图案；
其中，响应于被检测响应光信号是否具有相关峰来实现目标与数据库的相关匹配检测。
20.如权利要求1中所述的设备，其中所述用于执行光学数据库相关的装置包括：
图案生成器，被配置用于基于来自数据库的信息来生成相关图案，应当在目标集合中找到当前目标；
调幅器，其耦接到所述图案生成器，所述调幅器被配置用于对响应光信号进行调制；以及
用于对进行了幅度调制的响应光信号进行阈值感测的装置，以指示目标与从数据库接收到的用于调制所述响应光信号的幅度的相关图案之间的正相关性或负相关性。
21.如权利要求1中所述的设备，其中所述设备被配置用于读取一维或二维目标。
22.如权利要求1中所述的设备，其中所述设备被配置用于对作为在商品的跟踪、印刷电路板的串行控制、HDD部件的检寻控制、输送线中的自动分拣、PC媒体驱动器的跟踪、或晶片生产中使用的条码的目标进行读取。
23.如权利要求1中所述的设备，其中所述设备被配置用于对选自应用领域组中的应用中的目标进行读取，所述应用领域组包括生物信息学、医学标本的跟踪、跟踪干细胞库、精子库、和/或在DNA序列库中的使用。
24.如权利要求1中所述的设备，其中所述设备被配置用于在对目标执行高速位移感测的过程中读取目标。
25.如权利要求1中所述的设备：
其中所述设备被配置用于在对目标执行高速位移感测的过程中读取目标；以及
其中高速位移感测包括对粗糙表面的测量和/或对宽度和间隙的测量。
26.如权利要求1中所述的设备，其中所述设备被配置用于通过检测和/或测量流体内颗粒的移动和形态特征来实现流式细胞计量术。
27.如权利要求1中所述的设备，其中所述设备被配置用于响应于光存储介质内编码的反射差异来对目标进行读取。
28.如权利要求1中所述的设备：
其中，所述设备被配置用于对包括光存储介质内编码的反射差异的目标进行读取；以及
其中，根据从用来编码CD、DVD、和蓝光光盘的协议组中选出的期望的存储协议来格式化所述光存储介质。
29.如权利要求1中所述的设备，其中所述设备被配置用于物体存在或不存在的检测。
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