用于色散型傅立葉變換成像的設(shè)備和方法
用于色散型傅立葉變換成像的設(shè)備和方法
【專利摘要】一種條碼讀取設(shè)備和方法，其中，首先將探測光的光譜傅立葉變換到指向條碼的空間，然后將光譜編碼的條碼圖案傅立葉變換為時域波形。在一種實現(xiàn)中，通過色散元件來實現(xiàn)從光譜域到空間域的傅立葉變換，而通過群速離差（GVD）來實現(xiàn)從光譜編碼的條碼圖案到時域波形的傅立葉變換。時間編碼的條碼圖案通過光電檢測器被檢測、通過數(shù)字化轉(zhuǎn)換器被數(shù)字化、并通過數(shù)字信號處理器被分析。本發(fā)明可應(yīng)用于許多領(lǐng)域，包括一維和二維條碼的讀取、位移感測、表面測量、寬度和間隔測量、流式細胞計量術(shù)、光學(xué)介質(zhì)的讀取、存在或不存在的檢測、以及其他相關(guān)領(lǐng)域。
【專利說明】用于色散型傅立葉變換成像的設(shè)備和方法
[0001]本申請是申請?zhí)枮?00980131718.1、申請日為2009年7月23日、發(fā)明名稱為“用
于色散型傅立葉變換成像的設(shè)備和方法”的專利申請的分案申請。
[0002]相關(guān)申請的交叉引用
[0003]本申請要求于2008年7月24日提交的序列號為61/083，255的美國臨時申請的優(yōu)先權(quán)，并通過引用的方式將其整體合并于此。
[0004]關(guān)于聯(lián)邦政府主辦的研究或發(fā)展的聲明
[0005]本發(fā)明使用國防部授予的政府撥款支持N0.N66001-07-1-2007而產(chǎn)生。政府擁有本發(fā)明中的特定權(quán)利。
[0006]通過引用的方式合并以壓縮盤的形式提交的材料
[0007]不適用
[0008]材料受版權(quán)保護的材料的公告
[0009]按照美國和其他國家的版權(quán)法，本專利文件中的部分材料受版權(quán)保護。版權(quán)擁有者不反對任何專利文件或?qū)＠_的拓制，這是因為該受版權(quán)保護的材料出現(xiàn)在了美國專利商標(biāo)局公開的可用文件或記錄中，但是，版權(quán)擁有者保留除此以外的所有版權(quán)。因此，版權(quán)擁有者不放棄任何將本專利文件當(dāng)作秘密的權(quán)利，包括在不依照《聯(lián)邦法規(guī)匯編》第37輯，第1.14條限制其權(quán)利的情況下。
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0010]本發(fā)明主要涉及光學(xué)成像，更具體地，涉及使用色散型傅立葉變換成像的高速光學(xué)成像。
【背景技術(shù)】
[0011]條碼是通常表現(xiàn)為高反射背景(例如，淺色或白色背景)上的一系列低反射條(例如，深色或黑色條)的信息的可機讀二進制表示。這些條的光學(xué)性質(zhì)的可測量差異(例如，深色條相比于淺色條的反射率)被轉(zhuǎn)換為二進制表示。例如，根據(jù)解碼軟件，使深色條對應(yīng)于0，深色條間的白色間隔對應(yīng)于I，或者反之亦然。可以通過被稱為條碼讀取器的光學(xué)掃描器來讀取條碼，當(dāng)探測束入射到黑色條或白色間隔時，條碼讀取器測量來自黑色條或白色間隔的光學(xué)反射。
[0012]由于黑色條或白色間隔的引入，條碼已成為標(biāo)簽和庫存管理中所必需的。條碼的一些現(xiàn)代應(yīng)用包括:(a)產(chǎn)品標(biāo)簽和自動檢測；(b)票務(wù)和許可證；(C)移動和流動，諸如郵件、包裹、航空行李、租車、以及核廢料；(d)文件管理，包括成像、歸檔和索引；(e)血庫信息系統(tǒng)；(f)蜜蜂研究中的跟蹤；(g)從多網(wǎng)絡(luò)源收集郵包信息并對其進行跟蹤。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員都將意識到，條碼的應(yīng)用已普遍存在于我們現(xiàn)代社會。
[0013]條碼讀取器是條碼技術(shù)的必須部件。傳統(tǒng)的讀取器包括掃描器、解碼器(內(nèi)置或外置)、以及用來連接讀取器與用于對數(shù)字信號進行處理的處理裝置(例如，計算機)的電纜。條碼讀取器是測量來自條碼(例如，由非反射黑色條和反射白色間隔組成)的光學(xué)反射的光電裝置。市場中可獲得不同類型的條碼讀取器，它們使用略有不同的方法對條碼進行讀取和解碼。條碼可以是使用條和線描繪的一維變化，或者可以是使用點或二維域中所包含的其他小的空間限制符號描繪的二維變化。
[0014]條碼讀取器的一種形式是筆式讀取器，在筆式讀取器中連續(xù)波(continuous-wave)光源和光電二極管接收器相互鄰近，諸如在筆或棒的頂端。為了讀取條碼，以恒穩(wěn)運動的方式使筆的頂端移動跨越條。響應(yīng)于在各條暴露于移動入射光時對從其反射回的光功率的改變進行的光電二極管檢測，生成表示條碼中的條和間隔圖案的電壓波形。光電二極管檢測到的波形由掃描器以類似于解碼莫爾斯電碼信號(Morse code dotsand dashes)的方式進行解碼。
[0015]條碼讀取器的另一種形式是激光掃描器，除了采用往復(fù)鏡(reciprocatingmirror)或旋轉(zhuǎn)棱鏡來掃描反復(fù)越過條碼的激光束外，其工作與筆式讀取器非常類似。如同筆式讀取器一樣，使用光電二極管來測量從條碼反射回的光的功率。在筆式讀取器和激光掃描器二者中，讀取器發(fā)出的光都被調(diào)節(jié)為特定波長，并且光電二極管都被設(shè)計為僅檢測該波長的光。
[0016]讀取器的另一種形式是CCD讀取器，其中電荷耦合器件(CCD)讀取器或者可替換地CMOS有源像素讀取器利用讀取器頭部中排成一行的光傳感器陣列。CCD讀取器測量從條碼反射的光，通過測量所述一行傳感器中每個傳感器兩端的電壓來生成與條碼中的圖案相同的電壓圖案。CCD讀取器和筆式或激光掃描器之間的一個重要區(qū)別在于，CCD讀取器測量從條碼反射的環(huán)境光，而筆式或激光掃描器則測量源自掃描器本身的特定波長的反射光。
[0017]讀取器的另一種形式是基于攝像機的讀取器，其中攝像機捕獲條碼的二維圖像。盡管技術(shù)上它們可以讀取任意類型的條碼，但是尤其適合用來讀取二維條碼。應(yīng)該理解的是，對于給定的幾何分辨率(例如，基于最細的線或像素間隔)，二維條碼的信息密度可以遠遠超過僅跨越單個方向來掃描的一維條碼的信息密度。舉例來說，通過小型CCD或CMOS攝像機成像器來捕獲條碼的圖像，并使用數(shù)字圖像處理技術(shù)對其進行解碼。
[0018]盡管條碼讀取器對跟蹤大量的物品很有用，但是，當(dāng)需要跟蹤相當(dāng)大量(例如，約數(shù)百萬)的物品時，傳統(tǒng)的條碼技術(shù)由于其緩慢的讀取和解碼處理而在速度方面具有其限制。傳統(tǒng)的條碼讀取器具有每秒約幾百次掃描的掃描速率。甚至最快的條碼讀取器也僅限于每秒約一千次掃描的掃描速率。掃描器的速度限制主要是越過條碼對源光進行掃描所需要的響應(yīng)，而在成像讀取器中，圖像幀的速率限制了每秒的掃描次數(shù)。
[0019]結(jié)合了傳統(tǒng)數(shù)字信號處理的傳統(tǒng)條碼讀取器的速度限制阻止了人們對相當(dāng)大量物品進行跟蹤，尤其是在包括生物信息學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用中，在生物信息學(xué)領(lǐng)域中，本來就需要管理大量物品，諸如血庫、干細胞庫、精子庫、以及DNA序列庫。
[0020]例如，條碼技術(shù)目前用于允許安全捐血和輸血服務(wù)(包括收集、處理、存儲、以及提供用于輸血的人血)的血庫信息系統(tǒng)。錯誤血液成分的輸血是與輸血有關(guān)的最常見的嚴(yán)重事件。引起這些事件的過失通常是因為對樣本的錯誤標(biāo)識。面對全球化的加速，跟蹤和管理極其大量的血液樣本是很關(guān)鍵的。但是，為了進行適當(dāng)?shù)臉?biāo)識，條碼技術(shù)需要數(shù)量可觀的信息來進行編碼，例如包括患者的醫(yī)院編號、姓、名、出生日期、性別、血型等。對如此之多的信息的需要對當(dāng)今掃描器的速度提出了要求，尤其是當(dāng)所探測的條碼必須與大型數(shù)據(jù)庫進行比較時。這就意味著需要在掃描速度與準(zhǔn)確性之間進行折衷。[0021]因此，需要在無需使光越過要掃描的物品的情況下以較少的時間讀取條碼并執(zhí)行位移感測的系統(tǒng)和方法。這些和其他需要在本發(fā)明中得到了滿足，本發(fā)明克服了以前開發(fā)的掃描系統(tǒng)和方法的缺陷。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0022]本發(fā)明提供了一種設(shè)備和方法，所述設(shè)備和方法用于響應(yīng)于對指向目標(biāo)或來自目標(biāo)的光束執(zhí)行色散型傅立葉變換來讀取該目標(biāo)。所述目標(biāo)可以包括任意形式的編碼或未編碼目標(biāo)(包括各種形式的條碼)以及未編碼的固體、液體和/或氣體樣本。為了簡單起見，術(shù)語“目標(biāo)”在此用來表示可以響應(yīng)于對指向該目標(biāo)的光束的反射率或透射率來收集與其有關(guān)的信息的任意目標(biāo)或樣本。
[0023]盡管本發(fā)明適合寬泛的檢測、測量和讀取應(yīng)用，但是，本發(fā)明尤其適合于涉及條碼讀取和相關(guān)匹配的條碼讀取的應(yīng)用。本發(fā)明的操作通?；诜謩e在空間域和時域中利用條碼的光譜編碼和解碼的檢測，從而允許在一秒內(nèi)對數(shù)千萬樣本(例如，條碼)進行讀取和數(shù)據(jù)庫相關(guān)匹配的檢測。這比傳統(tǒng)的條碼讀取器快多達四個數(shù)量級。本發(fā)明還利用對跨越一維或多維空間的光響應(yīng)進行檢測和/或測量來提供高速位移感測。
[0024]為了簡單起見，本發(fā)明主要討論對條碼樣本的讀取，其中條碼樣本中相鄰條的尺寸是確定的，從而可以對它們的編碼進行解碼以生成字母數(shù)字信息。這些條碼可以包括對本文所描述的光束探測光敏感的任意條碼結(jié)構(gòu)。例如，所述條可以包括不同顏色、反射率的材料，或者具有對探測束光敏感的反射性?？商鎿Q地或另外地，所述條可以例如響應(yīng)于凹陷的或凸出的結(jié)構(gòu)而具有位移。
[0025]為了簡化討論，本發(fā)明討論樣本的“讀取”，而不管正在對什么進行解碼、檢測和/或測量，并且不限于包含編碼信息的樣本(諸如條碼的情況)。對未編碼樣本的“讀取”被視作意味著對樣本的性質(zhì)(包括:成分的有無、尺寸、形狀、粗糙度、方向、流動、以及樣本內(nèi)可以根據(jù)從所述樣本反射的探測束確定的任意有關(guān)性質(zhì))進行確定?？商鎿Q地，本發(fā)明可以被配置用于響應(yīng)于穿過樣本的光透射水平來讀取樣本，其中可以通過透射光而不是反射光來辨別樣本的不同特性。此外，如果想得到另外的信息，可以將本發(fā)明實現(xiàn)為對樣本的反射和透射率進行單獨的檢測。本發(fā)明所教導(dǎo)的技術(shù)也可以用于通過干涉地檢測透射光來對透明物體的相位進行分析。
[0026]本發(fā)明主要涉及光學(xué)成像，尤其用于對條碼進行高速位移感測和讀取、針對參考數(shù)據(jù)庫執(zhí)行相關(guān)匹配的檢測，且更具體地，涉及一種用于分別在空間域和時域中基于對一維或二維條碼的光譜編碼和解碼來進行色散型傅立葉變換成像和光學(xué)數(shù)據(jù)庫相關(guān)的設(shè)備和方法，包括使樣本暴露于寬帶脈沖束和對優(yōu)選地被轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號的時域波形的光反射檢測。
[0027]所述方法使條碼曝露于通過衍射光柵而空間分散的寬帶脈沖光探測束，以使得每個獨立波長的光沿著條碼上的橫向線路入射到條碼的不同部分。條碼信息被編碼成反射光的光譜。來自條碼的反射光返回到衍射光柵，衍射光柵對光譜分散的分量進行重組。然后，使用群速離差(GVD)來對反射光束執(zhí)行傅立葉變換，并且由單像素光電檢測器來檢測該反射光。在進行傅立葉變換期間，可以實施任意的內(nèi)部放大以提高信噪比，從而提高檢測靈敏度。也可以執(zhí)行零差檢測和/或平衡檢測來改善信噪比。[0028]在優(yōu)選實施例中，光電檢測器將光信號轉(zhuǎn)換為可以被放大和數(shù)字化的電子信號。色散型傅立葉變換與光電檢測器相結(jié)合地將光譜(光譜編碼的條碼信息)映射為電子時域波形并且表示了全電子譜分析器。因此，本發(fā)明的實施例消除了對傳統(tǒng)光學(xué)分光計(例如，衍射光柵和陣列檢測器)的需要，并且提供了高檢測靈敏度，尤其是結(jié)合內(nèi)部放大來看。
[0029]應(yīng)該理解的是，可以根據(jù)本發(fā)明使用另一種色散元件來在垂直方向上對探測束進行進一步色散，從而光束譜以光束頻率進行光柵掃描的方式跨越二維平面。另一種方法是，當(dāng)在垂直于探測束經(jīng)由衍射光柵入射的橫線的方向上掃描探測束時，可以獲得條碼的二維圖像，例如用來在讀取二維條碼的過程中使用。還應(yīng)該理解的是，此處的技術(shù)可以被擴展到三維。在一個實施例中，第二二維探測束可以從正交方向指向樣本，并且根據(jù)本發(fā)明來捕獲和處理光反射和/或透射，以在三維中提供對樣本的讀取和分析。
[0030]本發(fā)明還允許利用由上百萬個條碼組成的大型數(shù)據(jù)庫對所測量條碼進行可選的超速相關(guān)匹配檢測。如果電光調(diào)制器放置在光電檢測器之前，則實現(xiàn)了相關(guān)匹配檢測。所探測條碼的幅值通過數(shù)據(jù)庫中已知條碼圖案的共軛進行調(diào)制。如果所測量條碼匹配數(shù)據(jù)庫中的一個，則所檢測信號顯示一個相關(guān)峰。來自隨后的激光脈沖的測量信號與數(shù)據(jù)庫中的其他圖案進行比較，直到識別出正確的圖案。在對光束進行調(diào)制之前，使用圖案生成器或者數(shù)模轉(zhuǎn)換器將數(shù)據(jù)庫圖案轉(zhuǎn)換為共軛時間序列。當(dāng)然，對數(shù)據(jù)庫進行調(diào)制的圖案必須與引入的測量圖案同步。此后，以激光的脈沖重復(fù)率來執(zhí)行對相關(guān)匹配檢測的掃描。顯然，相關(guān)匹配檢測的使用是可選的，這是因為色散型傅立葉變換掃描器可以在沒有相關(guān)匹配檢測的情況下使用。
[0031 ] 使用衍射光柵來將光譜映射到空間是已知的。當(dāng)空間衍射的光從物體反射時,物體的反射率圖案被編碼到光譜上。光譜的映射已用于醫(yī)學(xué)成像，在醫(yī)學(xué)成像中使用電荷耦合器件(CXD)來解碼光譜編碼的空間信息。
[0032]本發(fā)明的一個重要的方面是利用色散型傅立葉變換來將空間信息(編碼到光譜上)映射為時域信號，以及利用該技術(shù)來讀取條碼。色散型傅立葉變換已應(yīng)用到了在吸收光譜學(xué)和拉曼光譜學(xué)、光反射法、以及光相干斷層照相法方面的光脈沖譜的測量。使用色散型傅立葉變換測量光譜消除了對衍射光柵和檢測器陣列的需要。這些元件由色散光纖、單光電檢測器、以及數(shù)字化轉(zhuǎn)換器代替。這簡化了系統(tǒng)，并且更重要地，使得能夠進行快速實時的條碼捕獲。
[0033]色散型傅立葉變換的主要限制以及本發(fā)明所克服的是在色散介質(zhì)中的損耗。該損耗可以是由光穿過色散元件時發(fā)生的不期望的吸收或散射而引起的。還有一個由克拉茂-克朗尼希關(guān)系(Kramers-Kronig relation)的色散與損耗之間的密切聯(lián)系所描述的更重要的根源。獨立于該根源，所述損耗限制了系統(tǒng)的檢測靈敏度。這可以通過認識到以下方面來理解，即，借助于光譜-時間轉(zhuǎn)換，光譜分辨率(從而，條碼掃描器的像素數(shù))由電檢測系統(tǒng)的時間分辨率確定。換句話說，數(shù)字化轉(zhuǎn)換器的電帶寬(electrical bandwidth)限制了光譜分辨率，Δ λ=0.35/(D*fdig)給出了這一關(guān)系，其中Λ λ為光譜分辨率，D為總?cè)核匐x差，fdig為實時電子數(shù)字化轉(zhuǎn)換器的輸入帶寬。乘積Λ λ.D由數(shù)字化轉(zhuǎn)換器的帶寬確定，從而，為了增大光譜分辨率(即，增大像素數(shù))，則不得不增大總?cè)核匐x差D。
[0034]但是，該光譜分辨率的增大是以增大光損耗和減小檢測靈敏度為代價而實現(xiàn)的。因此，當(dāng)期望高檢測靈敏度和高光譜分辨率時，色散元件中的損耗為中心問題。由于條碼空間信息被編碼到光譜上，因此色散元件的損耗對像素數(shù)和檢測靈敏度施加了限制。靈敏度可以通過使用長信號積分時間來改善，但是這限制了條碼的讀取速度。因此，色散元件中的損耗使得在檢測靈敏度、像素數(shù)與掃描速度之間產(chǎn)生了折衷。增大激光功率不是可取的解決方案，因為其可以導(dǎo)致不期望的非線性信號失真。
[0035]本發(fā)明依靠在色散元件中使用內(nèi)部放大來克服靈敏度、像素數(shù)與掃描速度的折衷。上述折衷通過對色散元件中的損耗進行補償來克服。為了使性能最佳化，在色散光纖中執(zhí)行放大，以增加從條碼反射回的信號強度。色散元件中的內(nèi)部放大先前已經(jīng)關(guān)于實時拉曼光譜學(xué)和吸收光譜學(xué)、以及飛秒數(shù)字化在我們實驗室中得到論證。該放大被應(yīng)用到本發(fā)明中來優(yōu)化一個或多個條碼掃描器實施例。
[0036]色散元件的期望特征是高全色散、低損耗、大光學(xué)帶寬、所述帶寬上的平滑色散、以及商業(yè)可用性。盡管存在諸如啁啾光纖光柵(CFBG)之類的其他選擇，但是諸如色散補償光纖(DCF)之類的色散光纖提供了這些參數(shù)的最優(yōu)組合。盡管CFBG比DCF更緊湊，但是后者也可以作為拉曼放大器來對損耗進行補償。所述損耗還可以通過分立的光學(xué)放大器(例如，摻餌光纖放大器或者甚至半導(dǎo)體光學(xué)放大器)來補償。通常首選色散光纖內(nèi)的分布式拉曼放大是因為其在整個傅立葉變換過程中保持了相對恒定的信號電平。該相對恒定的信號電平是重要的，因為其通過使信號功率遠離低功率(充滿噪聲的)和高功率(非線性的)狀態(tài)而使信號對噪聲和失真比最大化。
[0037]拉曼放大相對于半導(dǎo)體光學(xué)放大器的一個優(yōu)點是，當(dāng)在非晶態(tài)介質(zhì)(例如玻璃)中使用時，拉曼放大自然為寬帶?？梢酝ㄟ^使用多波長泵激激光來進一步裁剪該增益譜，并且出人意料地，使用非相干的泵激源可以實現(xiàn)非常寬頻帶的增益譜。這是非?？扇〉模驗榇蟮墓鈳拰?dǎo)致大的橫向條碼檢測范圍。拉曼放大的色散元件還可以消除對高功率源的需要，高功率源可以潛在地導(dǎo)致不期望的非線性信號失真。
[0038]本發(fā)明經(jīng)得起以多種方式實施的檢驗，包括但不限于以下描述。
[0039]本發(fā)明的一個實施例是用于讀取條碼和感測位移的設(shè)備，其包括:(a)用于生成寬帶脈沖探測束的裝置；(b)用于基于將要讀取的目標(biāo)的響應(yīng)光信號將脈沖探測束的光譜映射到指向?qū)⒁x取的目標(biāo)的空間域的裝置；(C)用于對響應(yīng)光信號進行色散型傅立葉變換的裝置，以將該響應(yīng)光信號轉(zhuǎn)換為時域波形；以及(d)用于檢測和分析時域波形的裝置，以確定被讀取目標(biāo)內(nèi)的條碼圖案和/或位移。
[0040]在本發(fā)明的實施例中，可以響應(yīng)于從目標(biāo)反射到用于色散型傅立葉變換的裝置的光能量、或者響應(yīng)于通過目標(biāo)傳輸?shù)接糜谏⑿透盗⑷~變換的裝置的光能量來生成響應(yīng)光信號。此外，可以實施組合實施例，其基于反射和透射光二者讀取關(guān)于樣本的信息。
[0041]所述設(shè)備可以被實施為使得通過自由空氣、光纖(或其他光傳輸結(jié)構(gòu))、或者通過自由空氣和光纖的組合來傳送包括探測束和響應(yīng)光信號的光束。
[0042]可替換地，可以通過改變將光譜映射到空間(空間色散)和色散型傅立葉變換(時間色散)的順序來實現(xiàn)所述設(shè)備。
[0043]在至少一個實施例中，用于生成寬帶脈沖探測束的裝置包括被配置為生成脈沖的激光器。在本發(fā)明的一種模式中，可選地包括脈沖采集元件，以提供從由脈沖激光器(或類似源)生成的一系列脈沖中采集所選脈沖的裝置。脈沖束探測可以包括或被改進為響應(yīng)于用于放大和/或濾波的可選裝置，從而提高所述設(shè)備的信噪比和檢測靈敏度。類似地，放大和/或濾波可以可選地施加到從樣本接收到的響應(yīng)光信號(例如，反射和/或透射光)。通過示例而非限制的方式，光學(xué)放大可以使用受激拉曼散射、半導(dǎo)體放大器、或光纖放大器來執(zhí)行。更進一步，光纖放大器可以被布置在用于色散型傅立葉變換的裝置之前、之內(nèi)、或之后，而連續(xù)波光或脈沖光可以對所述光纖放大器進行泵激。另一個可選的元件是用于超連續(xù)譜生成的裝置，其用于使從光源發(fā)出的光的光譜帶寬變寬，并且其可以被包含在所述光源內(nèi)或者被實現(xiàn)為單獨的可選元件。
[0044]在至少一個實施例中，用于將光譜映射到空間域中的裝置包括色散元件，例如衍射光柵、棱鏡、虛擬成像的相控陣列色散器、或者可以區(qū)分引入的寬帶脈沖探測束的波長的類似元件。
[0045]在至少一種實現(xiàn)中，例如，當(dāng)檢測與入射探測光的路徑相同路徑的一部分的反射光能量時，包括用于分離光束的可選裝置。
[0046]在至少一個實施例中，用于色散型傅立葉變換的裝置使用用于引起群速離差(GVD)的元件(例如色散元件)、和/或被配置用于在將響應(yīng)光信號轉(zhuǎn)換為時域波形的過程中引起群速離差(GVD)的啁啾光學(xué)元件將響應(yīng)光信號轉(zhuǎn)換為時域波形。
[0047]在至少一個實施例中，用于檢測和分析時域波形的裝置利用至少一個諸如光敏半導(dǎo)體器件(例如，光電二極管、光電晶體管等)之類的光敏元件或者其電特性響應(yīng)于接收到的光的特性的改變而改變的任意其他器件來檢測入射光。檢測器對入射光進行轉(zhuǎn)換，優(yōu)選地在將模擬信號改變?yōu)閿?shù)字信號以簡化處理的數(shù)字化轉(zhuǎn)換器中進行轉(zhuǎn)換。但是，應(yīng)該理解的是，在不首先將這些模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號的情況下，響應(yīng)于對這些模擬信號的直接處理，至少可以從樣本讀取有限的信息。信號處理器分析來自檢測器的電信號，從而對樣本進行讀取并且提供關(guān)于編碼、空間位移和樣本的其他可讀方面的信息。優(yōu)選地，信號處理器包括一個或多個配置有用于執(zhí)行數(shù)字信號處理的軟件的處理器。
[0048]在至少一個實施例中，所述設(shè)備被配置用于對作為一維或二維條碼的目標(biāo)進行讀取，例如用于商品的跟蹤、印刷電路板的串行控制(serial control)、硬盤驅(qū)動器(HDD)部件的檢尋控制、傳送線中的自動分揀、PC媒體驅(qū)動器的跟蹤、晶片生產(chǎn)、或其中讀取條碼的任意場合。
[0049]在本發(fā)明的至少一個實施例中，可以以相關(guān)的形式來讀取樣本，其中將樣本的實際特征與樣本的期望特征(例如，從數(shù)據(jù)庫中讀出的)進行光學(xué)比較。由于本發(fā)明的該方面關(guān)于編碼樣本最容易理解，因此條碼將被看作示例而非限制。在一種相關(guān)模式中，使用樣本的期望條碼(例如，在連續(xù)條碼之中)來調(diào)制來自樣本的響應(yīng)光信號，其中根據(jù)所接收到的信號(例如，響應(yīng)于閾值處理)可以容易地確定相關(guān)性而無需進一步分析。在至少一個實施例中，可以通過包含布置在將響應(yīng)光信號轉(zhuǎn)換為電信號之前的電光調(diào)制器來提供與從數(shù)據(jù)庫及其施加到該電光調(diào)制器的共軛接收到的期望的條碼圖案的相關(guān)性。響應(yīng)于被檢測響應(yīng)光信號是否具有相關(guān)峰來實現(xiàn)目標(biāo)與數(shù)據(jù)庫的相關(guān)匹配檢測。在相關(guān)性的至少一種模式中，圖案生成器用于基于來自數(shù)據(jù)庫的信息來生成相關(guān)圖案，所述數(shù)據(jù)庫包含與其中可以找到當(dāng)前目標(biāo)的目標(biāo)集合相關(guān)的信息。調(diào)幅器被配置用于調(diào)制響應(yīng)光信號，其使用用于對進行了幅值調(diào)制的響應(yīng)光信號進行閾值感測的裝置來顯示目標(biāo)與從數(shù)據(jù)庫接收到的用于調(diào)制響應(yīng)光信號的幅值的相關(guān)圖案之間的正相關(guān)性或負相關(guān)性。
[0050]可以利用本發(fā)明的實施例來響應(yīng)于從目標(biāo)(樣本)反射的光和/或透射過目標(biāo)(樣本)的光以一維或二維的方式對目標(biāo)進行讀取。本發(fā)明可以被實現(xiàn)用于讀取編碼的目標(biāo)(例如，光敏條碼形式)，以及用于對目標(biāo)執(zhí)行高速位移感測。應(yīng)該理解的是，位移感測可以記錄目標(biāo)的形狀和結(jié)構(gòu)、對粗糙表面的測量、對寬度和間隙的測量、以及材料和/或物體或元件缺失的存在。本發(fā)明還可以利用位移感測通過檢測和/或測量流體內(nèi)任意形式顆粒的移動和形態(tài)特征(例如，大小、形狀等)來實現(xiàn)流式細胞計量術(shù)(flow cytometry)。在本發(fā)明的其他實施例中，所述設(shè)備可以被配置用于讀取被使用例如光存儲介質(zhì)(包括根據(jù)協(xié)議格式化了的介質(zhì)，所述協(xié)議包括與CD、DVD、以及藍光光盤一起使用的那些協(xié)議)內(nèi)的數(shù)據(jù)進行了光學(xué)編碼了的目標(biāo)。
[0051 ] 在至少一個實施例中，所述設(shè)備被配置用于對選自應(yīng)用領(lǐng)域組中的應(yīng)用中的目標(biāo)進行讀取，所述應(yīng)用領(lǐng)域組包括生物信息學(xué)、醫(yī)學(xué)標(biāo)本的跟蹤、跟蹤干細胞庫、精子庫、DNA序列庫中的使用、或者其中從設(shè)備內(nèi)的測試樣本讀取生物信息的任意場合。
[0052]本發(fā)明的一個實施例是一種設(shè)備，其包括:(a)寬帶光源，被配置用于生成脈沖探測束；(b)光譜編碼器，被配置用于將脈沖探測束轉(zhuǎn)換到空間域并且引導(dǎo)其指向?qū)⒁x取的目標(biāo)；(C)空間解碼器，被配置用于將從目標(biāo)反射的或者透射通過目標(biāo)的空間域的光轉(zhuǎn)換到時域；以及(d)信號處理器，被配置用于檢測和分析時域波形以讀取圖案和/或確定目標(biāo)內(nèi)的位移。
[0053]本發(fā)明的一個實施例是一種用于讀取圖案和確定目標(biāo)的位移的方法，其包括:(a)生成來自寬帶光源的脈沖探測束；(b)將脈沖探測束轉(zhuǎn)換到空間域；(c)引導(dǎo)空間域脈沖探測束指向?qū)⒁x取的目標(biāo)；(d)將來自讀取目標(biāo)的空間域的光轉(zhuǎn)換為時域波形；以及(e)在配置用于執(zhí)行來自存儲器的程序指令的處理器內(nèi)檢測并分析時域波形，以讀取圖案和/或確定目標(biāo)內(nèi)的位移。
[0054]本發(fā)明提供了許多有益的方面，在不脫離本技術(shù)的情況下，其可以單獨實現(xiàn)也可以以任意期望組合的形式實現(xiàn)。
[0055]本發(fā)明的一方面是用于從光學(xué)目標(biāo)讀取信息的設(shè)備和方法。
[0056]本發(fā)明的另一方面提供了響應(yīng)于將空間域的第一光學(xué)信號引導(dǎo)指向目標(biāo)來讀取目標(biāo)信息、將從目標(biāo)接收到的光轉(zhuǎn)換到時域、然后對時域波形進行分析來讀取目標(biāo)信息的能力。
[0057]本發(fā)明的另一方面提供了以一維、二維或三維的形式對信息進行讀取。
[0058]本發(fā)明的另一方面提供了響應(yīng)于從目標(biāo)反射的或透射穿過目標(biāo)的探測光、或者其組合來對信息進行讀取。
[0059]本發(fā)明的另一方面提供了對編碼目標(biāo)進行讀取，例如對來自目標(biāo)的條碼信息進行讀取。
[0060]本發(fā)明的另一方面提供了目標(biāo)信息與數(shù)據(jù)庫信息的相關(guān)性。
[0061]本發(fā)明的另一方面提供了響應(yīng)于對光信號進行調(diào)制和在響應(yīng)時域波形中對相關(guān)峰進行檢查的目標(biāo)相關(guān)性。
[0062]本發(fā)明的另一方面提供了對來自目標(biāo)(樣本)的各種編碼和未編碼形式的信息進行讀取。
[0063]本發(fā)明的再一方面是可以被應(yīng)用于寬范圍的編碼目標(biāo)(例如，一維和二維條碼)以及收集關(guān)于樣本的信息(包括基于樣本的組成部分的存在、位移、結(jié)構(gòu)、移動等的信息)的設(shè)備和方法。
[0064]說明書的以下部分中將給出本發(fā)明的其他方面，其中詳細的描述是為了充分公開本發(fā)明的優(yōu)選實施例，而不是對本發(fā)明進行限制。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0065]通過參考以下僅用于說明目的的附圖，將更充分地理解本發(fā)明:
[0066]圖1是根據(jù)本發(fā)明一個方面的執(zhí)行色散型傅立葉變換反射率測量的方法的一個實施例的流程圖。
[0067]圖2是根據(jù)本發(fā)明一個實施例的執(zhí)行一維色散型傅立葉變換反射率測量的設(shè)備的示意框圖。
[0068]圖3是根據(jù)本發(fā)明一個實施例的執(zhí)行一維色散型傅立葉變換反射率測量和數(shù)據(jù)庫相關(guān)匹配檢測的設(shè)備的示意框圖。
[0069]圖4是根據(jù)本發(fā)明一個實施例的執(zhí)行二維色散型傅立葉變換反射率測量的設(shè)備的示意框圖。
[0070]圖5是根據(jù)本發(fā)明一個實施例的執(zhí)行二維色散型傅立葉變換反射率測量和數(shù)據(jù)庫相關(guān)匹配檢測的設(shè)備的示意框圖。
[0071]圖6是根據(jù)本發(fā)明的一方面的圖2的色散型傅立葉變換反射率測量設(shè)備的一個實施例的示意圖，其示出了對壓電式換能器(PZT)樣本的檢測。
[0072]圖7是測試樣本的正交視圖，通過非條碼的目標(biāo)來說明本發(fā)明的使用，所述樣本具體為被具有兩個相鄰薄鋁膜的二氧化硅保護的硅波導(dǎo)。
[0073]圖8是根據(jù)本發(fā)明一個方面的對來自樣本的反射探測光譜與來自用作參考的反射鏡的反射光進行比較的曲線圖。
[0074]圖9是根據(jù)本發(fā)明一個方面的圖7所示樣本的校準(zhǔn)反射率輪廓的曲線圖。
[0075]圖10是響應(yīng)于被掃描樣本的物理平移(移動)示出的、根據(jù)本發(fā)明的一方面的圖7中的樣本的校準(zhǔn)反射率輪廓的曲線圖。
[0076]圖11是根據(jù)本發(fā)明一個方面的響應(yīng)于不同放大等級示出的從樣本反射的探測光的光譜的曲線圖。
[0077]圖12是根據(jù)本發(fā)明一個實施例示出的、圖2的色散型傅立葉變換條碼讀取測量的示意圖。
[0078]圖13是以如存在于樣本條碼中的背景條示出的、根據(jù)本發(fā)明一個方面的單沖(single shot)—維條碼測量的曲線圖。
[0079]圖14是根據(jù)本發(fā)明一個實施例示出的、圖4的二維色散型傅立葉變換反射率測量的示意圖。
[0080]圖15是根據(jù)本發(fā)明一個實施例示出的色散型傅立葉變換透射率測量的示意圖?！揪唧w實施方式】
[0081]下面對附圖進行更具體地參考，為了說明的目的，在圖1至圖15概括示出的設(shè)備中實施本發(fā)明。應(yīng)該理解的是，在不脫離此處所公開的基本思想的情況下，所述設(shè)備的結(jié)構(gòu)及其具體部件可以改變，并且所述方法的具體步驟和順序可以改變。[0082]圖1是色散型傅立葉變換反射率測量的方法的實施例10，其概括了執(zhí)行一維或二維條碼讀取以及可選的針對已知數(shù)據(jù)庫進行相關(guān)匹配檢測所必需的步驟。根據(jù)該實施例，在框12中，通過衍射光柵使條碼暴露于寬帶脈沖，同時空間色散光譜入射到條碼。在框14中，從條碼產(chǎn)生的反射光返回到重整脈沖的衍射光柵，并且通過色散型傅立葉變換被轉(zhuǎn)換為時域波形。然后，在框16中，可以依照由圖案生成器提供的由光調(diào)制器對其進行調(diào)制的光譜編碼的條碼信息來光學(xué)地執(zhí)行可選的針對參考數(shù)據(jù)庫的相關(guān)匹配檢測。在框18中，通過光電檢測器來檢測光信號，并且在時域中例如通過數(shù)字信號處理器來分析該光信號的電信號。
[0083]參考框12，光源優(yōu)選地為指向條碼的超連續(xù)譜。應(yīng)該理解的是，超連續(xù)譜的生成通?？梢员幻枋鰹槠渲袑⒓す廪D(zhuǎn)換為具有非常寬的光譜帶寬(例如，具有低時間相干性)的光的處理。通常通過使光脈沖傳播通過強非線性裝置(例如，光纖)來實現(xiàn)光譜擴展?？梢酝ㄟ^使具有高峰值功率的脈沖激光穿過高非線性光纖來產(chǎn)生超連續(xù)譜?？商鎿Q地，可以通過具有大帶寬的超短波脈沖激光來生成光源，例如由鈦藍寶石激光器產(chǎn)生。探測束在到達衍射光柵之前可以被光學(xué)地放大和濾波。
[0084]探測束的帶寬應(yīng)該較大，在某些情況下優(yōu)選地為盡可能的大，這是因為衍射光柵的衍射角度范圍和條碼上的可分辨點數(shù)隨帶寬而增大。光譜帶寬可以與目標(biāo)以及設(shè)備允許的一樣大。只要時間色散的連續(xù)脈沖不在時間上重疊，就可以增大帶寬。同樣，應(yīng)該理解的是，對設(shè)備的每個部件(例如，光電二極管)以及光學(xué)元件存在限制。另外，目標(biāo)本身在指定光譜范圍內(nèi)被最好地分辨，例如，在可視光譜中從條碼中清楚地檢測到的目標(biāo)在移動到光譜的紅外光部分時可能不會呈現(xiàn)出來。典型地，帶寬是一個范圍，例如可視到近紅外范圍的650nm到llOOnm，或者可視范圍內(nèi)的、可視到紫外(UV)范圍的、可視到紅外、近紅外、近紫外等范圍的某些類似范圍。
[0085]入射到衍射光柵的探測束被空間色散，對探測束的波長進行分離。然后，通過柱面透鏡或其他衍射光柵使色散光準(zhǔn)直并入射到條碼。來自條碼的反射光返回到衍射光柵，重整脈沖。
[0086]考慮框14，通過任意期望的光學(xué)元件或其組合(例如，色散元件、啁啾光學(xué)元件等)來引起(啁啾)群速離差以執(zhí)行傅立葉變換，從而提供用于對反射光信號進行色散型傅立葉變換的裝置。該色散元件包括引起反射光信號的群速離差的光學(xué)元件。應(yīng)該理解的是，啁啾反射響應(yīng)是其中布拉格波長不恒定而在結(jié)構(gòu)內(nèi)改變的響應(yīng)，例如在啁啾光學(xué)元件(例如啁啾鏡)中，不同波長的光不同程度地穿透到鏡結(jié)構(gòu)中，從而經(jīng)歷不同的群時延。色散元件可以是光纖、體單晶、啁啾鏡、或啁啾光纖布拉格光柵。色散元件中的色散將頻域信號轉(zhuǎn)換為時域波形。沿橫向線路對應(yīng)于條碼的不同點的來自條碼的反射光的構(gòu)成頻率以這樣的方式在時間上進行分布，所述方式為允許將來自條碼不同點的反射光映射為時域波形。在傅立葉變換期間，當(dāng)通過寬帶光來光學(xué)地泵激色散元件時，信號光可以通過受激拉曼散射進行光學(xué)放大。可替換地，在可以或不可以進行光學(xué)放大的色散元件之前，可以通過拉曼放大器或摻鉺光纖放大器來光學(xué)放大反射光。
[0087]在框16中，示出了用于使檢測與數(shù)據(jù)相匹配的光學(xué)相關(guān)性。應(yīng)該理解的是，其變型允許使用大型數(shù)據(jù)庫來執(zhí)行一系列相關(guān)檢測操作。已經(jīng)按照框14進行了傅立葉變換的時序條碼信號由調(diào)幅器進行調(diào)制。例如，在共軛時序中，由生成對應(yīng)于白色間隔和深色條的0、1序列(與條碼編碼相反)的圖案生成器來提供調(diào)制信號，從而僅當(dāng)調(diào)制器抵銷了輸入條碼信號的幅值時調(diào)幅器的傳輸才為零，從而檢測到正相關(guān)性。
[0088]參考框18，如果與參考數(shù)據(jù)庫的相關(guān)匹配檢測不是必須的，則框14處的反射信號可以直接被光電檢測器檢測。如果需要與參考數(shù)據(jù)庫的相關(guān)匹配檢測，則光電檢測器在框16處檢測調(diào)幅器的傳輸。光電檢測器的輸出信號被數(shù)字化轉(zhuǎn)換器數(shù)字化，所述數(shù)字化轉(zhuǎn)換器被一定重復(fù)率的探測束的脈沖序列適當(dāng)?shù)剡M行觸發(fā)。僅當(dāng)數(shù)字化轉(zhuǎn)換器上的信號為零時，所測量的條碼與其信號被提供給調(diào)幅器的數(shù)據(jù)庫中的條碼相匹配。每個脈沖執(zhí)行一次數(shù)據(jù)庫中的條碼與測量條碼的相關(guān)性檢測。換句話說，以激光脈沖序列的重復(fù)率來執(zhí)行測量條碼與許多條碼的相關(guān)性檢測。
[0089]圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的一維色散型傅立葉變換反射率測量的示例實施例20。應(yīng)該理解的是，所述設(shè)備可以被用于條碼感測以及寬范圍的高速位移形式感測、以及類似應(yīng)用。另外，指向讀取目標(biāo)的光束(脈沖探測束)、檢測和/或測量的以及其反射的光信號通過自由空氣、光透射介質(zhì)或裝置(例如光纖)、或者通過其組合傳播。
[0090]通常，用于生成寬帶脈沖探測束的裝置(例如，寬帶脈沖探測激光器22)連接到用于分離指向目標(biāo)的光信號與從目標(biāo)反射的光信號的裝置32，例如包括光環(huán)行器，其隔離從讀取目標(biāo)反射的光。以下討論可選元件24、26和28。
[0091]例如，響應(yīng)于使用衍射光柵或使探測束空間色散的類似的一個或多個光學(xué)元件(例如，棱鏡、虛擬成像的相控陣列色散器等)、使探測束的波長分散到跨越讀取目標(biāo)(例如，條碼38)的一維橫向線路或延長圖案上，通過用于對脈沖探測束的光譜進行傅立葉變換映射的裝置34來將脈沖流轉(zhuǎn)換到空間域?？商鎿Q地，所述系統(tǒng)可以被配置用于讀取、檢測、和/或測量根據(jù)材料性質(zhì)和/或位移提供不同反射率的其他目標(biāo)的一維或二維方面。
[0092]用于使脈沖探測束準(zhǔn)直的裝置36 (例如，透鏡)使探測束對準(zhǔn)或聚焦到條碼目標(biāo)38。條碼信息被光譜編碼為來自條碼38的反射光的光譜。來自條碼38的反射光返回到衍射光柵34，重整脈沖。光環(huán)行器32引導(dǎo)反射光指向(放大式)色散型傅立葉變換器40，并且對其隔離使其不能返回到激光源22。然后，通過用于對反射光信號進行色散型傅立葉變換的裝置40將反射光傅立葉變換為時域波形，以將反射光信號轉(zhuǎn)換為時域波形?？蛇x地，可以在色散型傅立葉變換處理中執(zhí)行光學(xué)放大，從而對由于色散處理而產(chǎn)生的不可避免的光損耗進行補償。色散型傅立葉變換裝置40的輸出被用于檢測和分析時域波形以確定讀取目標(biāo)內(nèi)的條碼圖案和/或位移的檢測和分析裝置接收。該檢測和分析裝置被示為包括光檢測器42、可選濾波器44、可選放大器46、數(shù)字化轉(zhuǎn)換器48，通過它們對時域波形進行引導(dǎo)，然后通過用于執(zhí)行數(shù)字信號處理的裝置50 (例如，以任意期望的方式實現(xiàn)的數(shù)字信號處理器)來對其進行分析。
[0093]應(yīng)該理解的是，在不脫離本發(fā)明的技術(shù)范圍的情況下，可以以多種方式來生成寬帶脈沖束。例如，本發(fā)明尤其適合于使用脈沖激光。激光的光譜響應(yīng)可以根據(jù)需要響應(yīng)于使用裝置來生成超連續(xù)譜而得到增強。
[0094]在圖2所示的實施例中，如果激光脈沖重復(fù)率如此高以至于連續(xù)脈沖在經(jīng)過色散型傅立葉變換裝置40之后重疊，則可以通過使用可選的脈沖檢出器24來減少脈沖序列。此外，可以利用可選的光學(xué)放大器26來放大來自脈沖激光器22的光脈沖，并且用于泵激可選的超連續(xù)譜生成器28。如果源自激光器22的脈沖已經(jīng)足夠強大來生成超連續(xù)譜，則可以不需要可選的放大器26。同樣，如果原始脈沖具有非常大的帶寬，則放大器26和/或超連續(xù)譜生成器28可以不是必須的。例如，鈦藍寶石鎖模激光器可以生成具有非常大帶寬OlOOnm)的超快脈沖(<10fs)。輻射的超連續(xù)譜可以通過可選的帶通濾波器30。
[0095]光檢測器42可選地是可以將來自(放大式)傅立葉變換裝置40的輸出的光子轉(zhuǎn)換為電信號的光檢測器。光檢測器42可以是光電二極管、雪崩光電檢測器、或配置用于將光信號轉(zhuǎn)換為電信號的類似裝置。可以對來自光檢測器42的電信號進行濾波以限制其帶寬，例如利用可選的電子濾波器44以及可選地通過電子放大器46來放大所述信號。應(yīng)該理解的是，只需將帶寬向下限制為限制引入到隨后的模數(shù)轉(zhuǎn)換中的噪聲。然后，可以通過數(shù)字化轉(zhuǎn)換器48對信號進行數(shù)字化。也可以使用數(shù)字信號處理器50或計算機來處理或分析信號，并對其進行顯示和存儲。
[0096]可以看出，所述設(shè)備和方法可以在大范圍的合理探測波段實現(xiàn)。例如，可以使用工作在1300與1600nm之間的通信激光器或放大器來產(chǎn)生高峰值功率的探測脈沖。還可以對通信激光器進行倍頻(二次諧波生成)或三倍頻(三次諧波生成)來產(chǎn)生更高頻率以在所述設(shè)備中使用?？梢允褂玫牧硪环N類型的激光器是鈦藍寶石激光器，其提供波長在650與IlOOnm之間(更典型地，在SOOnm附近)的短波、高功率脈沖。盡管這些激光器類型是優(yōu)選的，但是也可以利用各種其他類型的激光源。
[0097]圖3示出了執(zhí)行一維色散型傅立葉變換反射率測量和數(shù)據(jù)庫相關(guān)匹配檢測的示例實施例52。應(yīng)該看出，除了圖案生成器74和調(diào)幅器76被包括用來執(zhí)行被匹配條碼70與參考數(shù)據(jù)庫的相關(guān)匹配檢測以外，圖3與圖2相同。
[0098]寬帶脈沖探測激光器54的輸出被引導(dǎo)通過可選的脈沖檢出器56、可選的光學(xué)放大器58、可選的超連續(xù)譜生成器60、以及可選的光濾波器62，通過隔離入射和反射波的光環(huán)行器64，到用于對該探測束進行空間色散的衍射光柵66以使其波長分散到一維橫向線路或延長圖案，到透鏡68，到目標(biāo)條碼70或位移感測目標(biāo)或者多個目標(biāo)。來自目標(biāo)條碼70的反射光通過透鏡68、衍射光柵66，并被光環(huán)行器64路由到色散型傅立葉變換裝置72，到還接收來自圖案生成器74的信號的調(diào)幅器76。來自調(diào)幅器76的輸出被路由到檢測器78，檢測器78的輸出通過可選濾波器80和可選放大器82到達數(shù)字化轉(zhuǎn)換器84并被信號處理裝置86處理。
[0099]圖案生成器74生成數(shù)字條碼圖案(例如，其由O和I組成)，并以共軛時間序列的形式將其提供到調(diào)幅器76。由圖案生成器74生成的條碼圖案被看作來自包含關(guān)于其條碼正在被所述設(shè)備讀取的物品的信息的數(shù)據(jù)庫。僅當(dāng)由圖案生成器74生成的條碼圖案與正在讀取的條碼70的圖案匹配時，調(diào)幅器76的傳輸被空置為零。每個脈沖到達調(diào)幅器后，數(shù)據(jù)庫中的不同圖案被提供給調(diào)幅器，對數(shù)據(jù)庫中的所有參考條碼與測試條碼進行比較以查看哪個與其匹配。
[0100]圖4示出了二維色散型傅立葉變換反射率測量的示例實施例88。盡管圖2和圖3描述了用于執(zhí)行一維反射率測量的示意圖，但是圖4示出了用于執(zhí)行二維反射率測量、以及從而讀取二維條碼的示意圖。
[0101]參考該附圖，寬帶脈沖激光器90的輸出被引導(dǎo)通過可選的脈沖檢出器92、可選的光學(xué)放大器94、可選的超連續(xù)譜生成器96、以及可選的光濾波器98，通過使入射和反射波隔離的光環(huán)行器100，到第一透鏡102、色散器104、第二透鏡106、以及衍射光柵108，到目標(biāo)110 (例如二維條碼)或位移感測目標(biāo)或者多個目標(biāo)。來自目標(biāo)Iio的反射光返回通過衍射光柵108、透鏡106、色散器104、透鏡102，并且被光環(huán)行器100路由到色散型傅立葉變換裝置112，到光檢測器114，光檢測器114的輸出通過可選濾波器116和可選放大器118到了數(shù)字化轉(zhuǎn)換器120，并且被信號處理裝置122處理。
[0102]更具體地考慮圖4所示的元件，該實施例優(yōu)選地使用柱面透鏡102來將寬帶脈沖聚焦到虛擬成像的相控陣列(VIPA)色散器104，例如包括玻璃板，所述玻璃板在光束進入的前區(qū)上具有防反射膜、并且在其余的正面部分上具有高反射涂層(約100%)以及在背面上具有部分高反射涂層(通常為95%或類似)。VIPA色散器104產(chǎn)生從位于入射光束發(fā)生第一反射的背面位置處的光束腰的各虛擬圖像發(fā)散的光束陣列。這些光束相干并形成準(zhǔn)直光束，然后通過球面透鏡106聚焦。
[0103]衍射光柵108沿垂直于VIPA色散器104產(chǎn)生的色散方向的方向來分離入射光束的衰退頻率。這在二維平面中產(chǎn)生了由許多聚焦在目標(biāo)樣本Iio (或2D條碼)上的點構(gòu)成的光束。目標(biāo)樣本110上的這些點對應(yīng)于寬帶光束的不同頻率分量,形成了樣本110上的可分辨點。來自樣本110的寬帶光束的不同頻率分量的反射完全返回到光環(huán)行器100，形成樣本Iio的二維反射率被光譜編碼成的脈沖。(放大式)色散型傅立葉變換112將輸入光譜映射為時域波形。該色散型傅立葉變換112可以被光學(xué)放大，以補償變換處理期間的光損耗。因此，(放大式)色散型傅立葉變換的輸出是將來自二維樣本的反射光以類似于光柵掃描的某種方式光譜編碼成的時域波形。
[0104]圖5示出了二維色散型傅立葉變換反射率測量和數(shù)據(jù)庫相關(guān)匹配檢測的示例實施例124。按照該附圖，所獲得的二維反射圖像已被轉(zhuǎn)換為一維時域波形，然后可以如圖3所示的讀取一維目標(biāo)時一樣，通過使用圖案生成器150和調(diào)幅器152進行相關(guān)匹配檢測來與參考數(shù)據(jù)庫進行比較。
[0105]參考該附圖，寬帶脈沖激光器126的輸出被引導(dǎo)通過可選的脈沖檢出器128、可選的光學(xué)放大器130、可選的超連續(xù)譜生成器132、以及可選的光濾波器134，通過光環(huán)行器136到達第一透鏡138 (例如，柱面透鏡)、色散器140、第二透鏡142 (例如，球面透鏡)、以及衍射光柵144，到目標(biāo)146，例如二維(2D)條碼或位移感測目標(biāo)或者多個目標(biāo)。來自目標(biāo)146的反射光返回穿過衍射光柵144、第二透鏡142、色散器140、第一透鏡138，并且被光環(huán)行器136路由到色散傅立葉變換148。來自傅立葉變換148的輸出被引導(dǎo)指向接收從圖案生成器150輸入的信號的調(diào)幅器152。來自調(diào)幅器152的輸出被引導(dǎo)指向光檢測器154,光檢測器154的輸出通過可選濾波器156和可選放大器158到達數(shù)字化轉(zhuǎn)換器160以由數(shù)字信號處理器162進行處理。
[0106]在稍后的說明二維色散型傅立葉變換反射率測量的附圖(圖13)中示出了上述實施例。應(yīng)該再次強調(diào)的是，樣本可以包括任何感興趣的讀回事物，例如通過示例而非限制的方式描述的二維條碼。
[0107]下文中討論對本發(fā)明實施例執(zhí)行的實際測試。
[0108]圖6示出了使用壓電式換能器(PZT)上的樣本的圖2所示的色散型傅立葉變換反射率測量設(shè)備的簡化實現(xiàn)170。與圖2中所示相同的參考標(biāo)號表示相同的功能。寬帶脈沖激光源54耦接到光纖172，通過光環(huán)行器64，通過目標(biāo)側(cè)光纖174到達光纖準(zhǔn)直器176。從準(zhǔn)直器176輸出的自由空間光束178被引導(dǎo)指向產(chǎn)生色散圖案182的衍射光柵34，通過透鏡36并到達耦接到固定架188的壓電平移臺186上的樣本38。如關(guān)于圖2所描述的，反射光返回穿過該設(shè)置并被光環(huán)行器64分離到使用色散補償光纖(DCF)從中執(zhí)行色散型傅立葉變換的測量光纖190。通過示例而非限制的方式，DCF40被示為在其輸入端具有耦接到光纖194以用于附接至第一泵激源的第一波分復(fù)用器(WDM)192。DCF40的輸出端處為耦接到光纖198以用于附接至第二泵激源的第二波分復(fù)用器(WDM) 196。傅立葉變換的輸出被引導(dǎo)指向檢測器42 (描繪為光電二極管)，并引導(dǎo)指向測量裝置200 (此處被描繪為示波器)。應(yīng)該認識到，在所示測試設(shè)置中，示波器提供用于觀察波形，從而評價是否可以使用數(shù)字信號處理裝置和方法來正確地記錄所述裝置所生成的波形。應(yīng)該清楚地理解的是，所述示波器被用在光學(xué)設(shè)備的測試中，而在自動化應(yīng)用中，將利用計算機處理器裝置來分析信號，從而響應(yīng)于從設(shè)備的其余部分接收到的信號來對目標(biāo)進行讀取。
[0109]該示例性實施例中的光源54包括中心波長為1560nm、重復(fù)率為100MHz、以及平均輸出功率為20mW的鎖模飛秒光纖激光器。激光通過高非線性光纖，其帶寬增大到15nm。激光的重復(fù)率被脈沖檢出器(圖6中沒有示出)減小到25MHz。經(jīng)過脈沖檢出器和光纖光環(huán)行器之后，光纖174上的激光具有5mW的平均功率。光纖準(zhǔn)直器176使自由空間中的激光對準(zhǔn)到衍射光柵34，所述衍射光柵在該測試情況中具有1200行/毫米的條紋密度以及90%的反射效率。衍射光柵通過分離探測束的波長來對寬帶光進行空間色散。
[0110]圖7以實例的方式描繪了圖6中所示的目標(biāo)，該實例包括硅波導(dǎo)，具有由二氧化硅保護的硅，并且具有相鄰的薄鋁膜。所述鋁膜部分在該示例中被示為80 μ m寬，其間具有5 μ m的硅翼片。所述硅和二氧化硅是透明的，并且所述鋁膜是對約1560nm的光具有高反射性。由于本發(fā)明經(jīng)得起使用寬范圍的目標(biāo)類型和大小的檢驗，因此只有在允許理解以下所描述的測量結(jié)果是如何與正在讀取的特定目標(biāo)相關(guān)的范圍內(nèi)，對上述目標(biāo)的測量才是重要的。
[0111]圖8是描繪了來自圖7所示樣本的反射探測光的光譜與來自被用作參考的反射鏡的反射探測光的光譜之間的比較的曲線圖。通過透鏡將空間色散的光束對準(zhǔn)樣本，所述樣本在該示例中為圖7所示的硅波導(dǎo)。如圖6所示，硅波導(dǎo)樣本被固定在壓電式換能器(PZT)上，所述壓電式換能器被連接到具有大質(zhì)量的光學(xué)固定架。
[0112]如圖6所示，脈沖激光被引導(dǎo)到達樣本38，并且反射光通過衍射光柵34返回到光纖準(zhǔn)直器176。光環(huán)行器引導(dǎo)反射光指向離散度為_1512ps/nm以及光損耗為9dB的色散補償光纖(DCF)。所述DCF將輸入光譜映射為時域波形，所述輸入光譜為樣本的光譜編碼的一維橫向反射率輪廓。在DCF之前，波分復(fù)用器(WDM)(第一 WDM)將1470nm的拉曼泵激與反射光結(jié)合，在DCF之后，波分復(fù)用器(WDM)(第二 WDM)從反射光移除1470nm的拉曼泵激。
[0113]光電檢測器(例如，在該示例中具有50ps的響應(yīng)時間)被用來檢測DCF的時間分散的輸出。根據(jù)由 D.Yelin, 1.Rizvi1W.M.White, J.T.Motz, T.Hasan, B.E.Bouma 以及G.J.Tearney 在“Three-dimensional miniature endoscopy,，，Nature443, 765 (2006)中所給出的公式，基于衍射光柵的條紋密度、中心波長、帶寬、和探測束的直徑、以及利特羅角(Littixw’ S angle)，可分辨點數(shù)約為64個?；诩す獾闹貜?fù)率(25MHz)，該色散型傅立葉變換成像裝置的時間分辨率為40ns。
[0114]在圖8中，介電反射鏡樣本的反射光的光譜被顯示為上鐘形曲線，而硅波導(dǎo)的光譜被顯示為下面的曲線，該曲線的中部具有“凹口”或“下沉”。曲線圖所示波長被標(biāo)定為X軸上的距離。比較兩個光譜，硅波導(dǎo)的光譜清楚地顯示出一個下沉，其對應(yīng)于樣本(即，圖7中所示由二氧化硅覆蓋的硅波導(dǎo))的低反射率部分。
[0115]圖9根據(jù)圖8中所描繪的測量描繪了圖7中所示樣本的標(biāo)定反射率輪廓。應(yīng)該注意，一個非常明顯的峰出現(xiàn)在約40 μ m處。
[0116]圖10描繪了圖7所示樣本的標(biāo)定反射率輪廓的另一曲線圖，其基于使用壓電平移臺橫向掃描樣本時在不同時刻在圖6所示的測試設(shè)置中所進行的測量。當(dāng)使用斜坡函數(shù)來掃描PZT以使得PZT在圖6所示方向上平移樣本時，在四個不同時刻(O μ S，25 μ S，50 μ S、以及75 μ s)示出了被測樣本的標(biāo)定反射率輪廓。硅波導(dǎo)傳輸了大部分探測束，而鋁膜將探測束反射回光源。盡管圖像獲取周期為40nm，但是此處為了清楚起見，每625次掃描(每25 μ s掃描一次)中僅繪制一次。樣本的快速位移被清楚地捕獲。
[0117]圖11描繪了不同泵激功率水平的、色散濾波器中具有和不具有分布式拉曼放大的來自圖7所示樣本的反射探測光的光譜。當(dāng)樣本為弱反射體時，弱反射信號可能被光電檢測器的電子噪聲所掩蓋。該【專利附圖】
【附圖說明】，通過對弱反射光的功率進行光學(xué)放大可以提高信噪比。在該論證中，分布式拉曼放大被用來將弱反射信號提升為遠高于檢測器噪聲。附圖中不同泵激功率(40mW、80mW、和120mW)的信號增長是明顯的。
[0118]圖12示出了圖2所示色散型傅立葉變換條碼讀取設(shè)備的示例實施例210，除了使用不同的聚焦透鏡和將所述設(shè)備指向不同的目標(biāo)(具體地為條碼樣本)以外，該設(shè)備類似于圖6中所示設(shè)備。圖6中的聚焦透鏡被圖11中的球面透鏡(例如，在本示例中具有100_的焦距)代替?？紤]該示例，光束擴展被改變?yōu)樵龃笱苌涔鈻派系陌唿c大小。這些改進導(dǎo)致了可分辨點數(shù)(145)的增加。因此在該示例中，條碼被用作樣本來演示超速條碼讀取。
[0119]在該簡化的實現(xiàn)210中，色散型傅立葉變換反射率測量設(shè)備指向條碼樣本。使用相同參考標(biāo)號表示相同的功能。寬帶脈沖激光源54耦接至光纖172，通過光環(huán)行器64，通過目標(biāo)側(cè)濾波器174到達光纖準(zhǔn)直器176。從準(zhǔn)直器176輸出的自由空間光束178指向產(chǎn)生色散圖案182的衍射光柵34，通過透鏡212并被引導(dǎo)指向條碼214。反射光返回穿過該設(shè)置，并被光環(huán)行器64分離到使用色散補償光纖(DCF)執(zhí)行色散型傅立葉變換的測量光纖190。通過示例而非限制的方式，DCF40被示出在其輸入端具有耦接到光纖194以用于附接至第一泵激源的第一波分復(fù)用器(WDM) 192。DCF40的輸出端處為耦接到光纖198以用于附接至第二泵激源的第二波分復(fù)用器(WDM) 196。傅立葉變換的輸出被引導(dǎo)指向檢測器42(描繪為光電二極管)，并到達測量裝置200 (此處被描繪為示波器)。應(yīng)該認識到，在所示測試設(shè)置中，示波器提供用于觀察波形，從而評價是否可以使用數(shù)字信號處理裝置和方法來正確地記錄所述裝置所生成的波形。
[0120]圖13描繪了來自圖12所示測試設(shè)備的波形響應(yīng)，其中使用樣本條碼的背景來示出單沖一維條碼測量的曲線圖。在該示例中，條碼樣本由其上印有黑色條的透明膜組成。附圖還使用附圖上的標(biāo)定長軸示出了被測條碼的標(biāo)定反射率輪廓。測量到的反射率輪廓容易與在僅17ns內(nèi)示出了 1001010100的條碼樣本進行比較(非常一致)。掃描率為25MHz表示一次掃描只需要40ns。該演示明確地確立了根據(jù)本發(fā)明的實施例的色散型傅立葉變換條碼讀取的可行性。
[0121]圖14示出了圖4中所示的二維色散型傅立葉變換反射率測量的示例實施例250。在該簡化實現(xiàn)中，色散型傅立葉變換反射率測量設(shè)備指向二維條碼或其他樣本。[0122]使用相同參考標(biāo)號表示相同的功能。寬帶脈沖激光源54耦接到光纖172，通過光環(huán)行器64,通過目標(biāo)側(cè)光纖174到達光纖準(zhǔn)直器176。從準(zhǔn)直器176輸出的自由空間光束178通過第一透鏡252 (優(yōu)選地為柱面透鏡)到達高分辨率的虛擬成像的相控陣列(VIPA)色散器254，色散器254的輸出256通過第二透鏡258 (優(yōu)選地為球面透鏡)、產(chǎn)生照射到樣本266的2D彩色帶信號或色散圖案264的照射(striking)衍射光柵262。反射光返回穿過該設(shè)置，并被光環(huán)行器64分離到使用色散補償光纖(DCF)從中執(zhí)行色散型傅立葉變換的測量光纖190。通過示例而非限制的方式，DCF40被示出在其輸入端具有耦接到光纖194以用于附接至第一泵激源的第一波分復(fù)用器(WDM) 192。DCF40的輸出端處為耦接到光纖198以用于附接至第二泵激源的第二波分復(fù)用器(WDM) 196。傅立葉變換的輸出被引導(dǎo)指向檢測器42 (描繪為光電二極管)，并到達測量裝置200 (此處被描繪為示波器)。應(yīng)該認識到，在所示測試設(shè)置中，示波器提供用于觀察波形，從而評價是否可以使用數(shù)字信號處理裝置和方法來正確地記錄所述裝置所生成的波形。所檢測的ID時域數(shù)據(jù)被數(shù)字地存儲到表示樣本的2D圖像的2D矩陣中。
[0123]圖15示出了色散型傅立葉變換透射率測量設(shè)備的簡化實現(xiàn)270，盡管其讀取通過樣本的透射光而不是反射光，但是其類似于圖6及其他所示設(shè)備。還應(yīng)該理解的是，對透射光的讀取可以與讀取反射光的實施例結(jié)合，從而反射光和透射光都可以被記錄，如此可適合于選擇應(yīng)用的技術(shù)。樣本38被示為樣本在分析期間被保留、包含、或通過其內(nèi)部的空間。應(yīng)該理解的是，如在每個其他實施例中，樣本可以為編碼的表面、固態(tài)材料、液態(tài)、或氣態(tài)材料、或者其組合。
[0124]與其他附圖中所示的相同參考標(biāo)號表示相同的功能。寬帶脈沖激光源54耦接到光纖172，到達光纖準(zhǔn)直器176。從準(zhǔn)直器176輸出的自由空間光束178指向產(chǎn)生色散圖案182的第一衍射光柵34a,通過第一透鏡36a并被引導(dǎo)指向樣本38。透射通過樣本38的光通過第二透鏡36b到達第二衍射光柵34b，并到達準(zhǔn)直器272以及使用色散補償光纖(DCF)40來在其中執(zhí)行色散型傅立葉變換的測量光纖274。通過示例而非限制的方式，DCF40被示出在其輸入端具有耦接到光纖194以用于附接至第一泵激源的第一波分復(fù)用器(WDM) 192。DCF40的輸出端處為耦接到光纖198以用于附接至第二泵激源的第二波分復(fù)用器(WDM)196。傅立葉變換的輸出被引導(dǎo)指向檢測器42 (描繪為光電二極管)，并到達信號處理裝置280。
[0125]因此，應(yīng)該理解的是，由于入射到樣本上的光要么被反射、要么被透射(除非其被吸收，這僅在選擇樣本形式中發(fā)生)，因此透射通過樣本的光通常可以被看作是反射光的補。圖15中所示設(shè)置的變型也可以適用于干涉測量法，在干涉測量法中，響應(yīng)于通過設(shè)備的其余部分接收到的光，由信號處理設(shè)備來檢測透明物體的相位。
[0126]以下部分通過示例而非限制的方式概括了本文中針對本發(fā)明所描述的多種實現(xiàn)、模式和特征。本發(fā)明提供了對脈沖探測束指向的一維或多維目標(biāo)進行讀取的方法和設(shè)備。發(fā)明構(gòu)思可應(yīng)用于各種設(shè)備和應(yīng)用中。其中，本發(fā)明包括以下發(fā)明實施例:
[0127]1.一種用于讀取條碼和感測位移的設(shè)備，包括:
[0128](a)用于生成寬帶脈沖探測束的裝置；
[0129](b)用于基于將要讀取的目標(biāo)的響應(yīng)光信號將所述脈沖探測束的光譜傅立葉變換映射到指向?qū)⒁x取的目標(biāo)的空間域的裝置；[0130](c)用于對所述響應(yīng)光信號進行色散型傅立葉變換的裝置，以將所述響應(yīng)光信號轉(zhuǎn)換為時域波形；以及
[0131](d)用于檢測和分析所述時域波形的裝置，以確定被讀取目標(biāo)內(nèi)的條碼圖案和/或位移。
[0132]2.如實施例1中所述的設(shè)備，其中響應(yīng)于從目標(biāo)反射到所述用于色散型傅立葉變換的裝置的光能量、或者響應(yīng)于通過目標(biāo)透射到所述用于色散型傅立葉變換的裝置的光能量而產(chǎn)生所述響應(yīng)光信號。
[0133]3.如實施例1中所述的設(shè)備，其中通過自由空氣、光纖、或通過自由空氣和光纖的組合來傳播所述探測束和所述響應(yīng)光信號。
[0134]4.如實施例1中所述的設(shè)備，其中所述用于生成所述寬帶脈沖探測束的裝置包括被配置用于生成脈沖的激光器。
[0135]5.如實施例1中所述的設(shè)備，還包括用于從所述用于生成寬帶脈沖探測束的裝置所生成的脈沖序列中檢出所選脈沖的裝置。
[0136]6.如實施例1中所述的設(shè)備，還包括耦接到所述用于生成寬帶脈沖探測束的裝置的、用于進行放大和/或濾波的裝置，以提高所述脈沖探測束的信噪比和檢測靈敏度。
[0137]7.如實施例1中所述的設(shè)備，其中所述用于生成寬帶脈沖探測束的裝置包括用于超連續(xù)譜生成的裝置，用于使從光源發(fā)出的光的光譜帶寬變寬。
[0138]8.如實施例1中所述的設(shè)備，其中所述用于將光譜傅立葉變換映射到空間域的裝置包括色散元件。
[0139]9.如實施例1中所述的設(shè)備，其中由包括衍射光柵的色散元件來實現(xiàn)所述用于傅立葉變換映射的裝置，以分離所述脈沖探測束的波長。
[0140]10.如實施例1中所述的設(shè)備，其中由包括棱鏡的色散元件來實現(xiàn)所述用于傅立葉變換映射的裝置。
[0141]11.如實施例1中所述的設(shè)備，其中由包括虛擬成像的相控陣列色散器的色散元件來實現(xiàn)所述用于傅立葉變換映射的裝置。
[0142]12.如實施例1中所述的設(shè)備，還包括用于根據(jù)從目標(biāo)返回的響應(yīng)光信號分離指向目標(biāo)的所述脈沖探測束的裝置。
[0143]13.如實施例1中所述的設(shè)備，其中用于將所述響應(yīng)光信號轉(zhuǎn)換為時域波形的所述用于色散型傅立葉變換的裝置包括用于引起群速離差(GVD)的元件。
[0144]14.如實施例1中所述的設(shè)備，其中所述用于色散型傅立葉變換的裝置包括在將所述響應(yīng)光信號轉(zhuǎn)換為時域波形的過程中引起群速離差(GVD)的色散元件和/或啁啾光學(xué)元件。
[0145]15.如實施例1中所述的設(shè)備，其中所述用于檢測和分析所述時域波形的裝置包括:
[0146](a)至少一個光敏元件；
[0147](b)數(shù)字化轉(zhuǎn)換器，其耦接到所述光敏元件，所述數(shù)字化轉(zhuǎn)換器被配置用于將光學(xué)波形轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號；
[0148](C)數(shù)字信號處理器，被配置用于分析所述數(shù)字信號，以讀取目標(biāo)。
[0149]16.如實施例1中所述的設(shè)備，還包括在所述用于色散型傅立葉變換的裝置之前、之內(nèi)、或之后的光學(xué)放大和/或濾波。
[0150]17.如實施例1中所述的設(shè)備:
[0151]還包括在所述用于色散型傅立葉變換的裝置之前、之內(nèi)、或之后的光學(xué)放大和/或濾波；并且
[0152]其中使用受激拉曼散射、半導(dǎo)體放大器、或光纖放大器來實現(xiàn)所述光學(xué)放大。
[0153]18.如實施例1中所述的設(shè)備，還包括:
[0154]布置在所述用于色散型傅立葉變換的裝置之前、之內(nèi)、或之后的光纖放大器；以及
[0155]對所述光纖放大器進行泵激的連續(xù)波光或脈沖光。
[0156]19.如實施例1中所述的設(shè)備，還包括用于對目標(biāo)執(zhí)行光學(xué)數(shù)據(jù)庫相關(guān)匹配檢測的裝置。
[0157]20.如實施例1中所述的設(shè)備，還包括:
[0158]電光調(diào)制器，其布置在將所述響應(yīng)光信號轉(zhuǎn)換為電信號之前；以及
[0159]數(shù)據(jù)庫，其耦接到所述用于控制光調(diào)制的電光調(diào)制器；
[0160]其中，從數(shù)據(jù)庫及其施加到所述電光調(diào)制器的共軛來接收期望的條碼圖案；
[0161]其中，響應(yīng)于被檢測響應(yīng)光信號是否具有相關(guān)峰來實現(xiàn)目標(biāo)與數(shù)據(jù)庫的相關(guān)匹配檢測。
[0162]21.如實施例1中所述的設(shè)備，其中所述用于執(zhí)行光學(xué)數(shù)據(jù)庫相關(guān)的裝置包括:
[0163](a)圖案生成器，被配置用于基于來自數(shù)據(jù)庫的信息來生成相關(guān)圖案，應(yīng)當(dāng)在目標(biāo)集合中找到當(dāng)前目標(biāo)；
[0164](b)調(diào)幅器，其耦接到所述圖案生成器，所述調(diào)幅器被配置用于對響應(yīng)光信號進行調(diào)制；以及
[0165](C)用于對進行了幅度調(diào)制的響應(yīng)光信號進行閾值感測的裝置，以指示目標(biāo)與從數(shù)據(jù)庫接收到的用于調(diào)制所述響應(yīng)光信號的幅度的相關(guān)圖案之間的正相關(guān)性或負相關(guān)性。
[0166]22.如實施例1中所述的設(shè)備，其中所述設(shè)備被配置用于讀取一維或二維目標(biāo)。
[0167]23.如實施例1中所述的設(shè)備，其中所述設(shè)備被配置用于對作為在商品的跟蹤、印刷電路板的串行控制、HDD部件的檢尋控制、輸送線中的自動分揀、PC媒體驅(qū)動器的跟蹤、或晶片生產(chǎn)中使用的條碼的目標(biāo)進行讀取。
[0168]24.如實施例1中所述的設(shè)備，其中所述設(shè)備被配置用于對選自應(yīng)用領(lǐng)域組中的應(yīng)用中的目標(biāo)進行讀取，所述應(yīng)用領(lǐng)域組包括生物信息學(xué)、醫(yī)學(xué)標(biāo)本的跟蹤、跟蹤干細胞庫、精子庫、和/或在DNA序列庫中的使用。
[0169]25.如實施例1中所述的設(shè)備，其中所述設(shè)備被配置用于在對目標(biāo)執(zhí)行高速位移感測的過程中讀取目標(biāo)。
[0170]26.如實施例1中所述的設(shè)備:
[0171]其中所述設(shè)備被配置用于在對目標(biāo)執(zhí)行高速位移感測的過程中讀取目標(biāo)；以及
[0172]其中高速位移感測包括對粗糙表面的測量和/或?qū)挾群烷g隙的測量。
[0173]27.如實施例1中所述的設(shè)備，其中所述設(shè)備被配置用于通過檢測和/或測量流體內(nèi)顆粒的移動來實現(xiàn)流式細胞計量術(shù)。
[0174]28.如實施例1中所述的設(shè)備，其中所述設(shè)備被配置用于響應(yīng)于光存儲介質(zhì)內(nèi)編碼的反射差異來對目標(biāo)進行讀取。[0175]29.如實施例1中所述的設(shè)備:
[0176]其中，所述設(shè)備被配置用于對包括光存儲介質(zhì)內(nèi)編碼的反射差異的目標(biāo)進行讀??；以及
[0177]其中，根據(jù)從用來編碼⑶、DVD、和藍光光盤的協(xié)議組中選出的期望的存儲協(xié)議來格式化所述光存儲介質(zhì)。
[0178]30.如實施例1中所述的設(shè)備，其中所述設(shè)備被配置用于檢測物體存在或不存在。
[0179]31.—種設(shè)備，包括:
[0180](a)寬帶光源，被配置用于生成脈沖探測束；
[0181](b)光譜編碼器，被配置用于將所述脈沖探測束轉(zhuǎn)換到空間域并且引導(dǎo)其指向?qū)⒁x取的目標(biāo)；
[0182](c)空間解碼器，被配置用于將從目標(biāo)反射的空間域光或透射穿過目標(biāo)的空間域光轉(zhuǎn)換到時域；以及
[0183](d)信號處理器，被配置用于檢測和分析所述時域波形，以在目標(biāo)內(nèi)讀取圖案和/或確定位移。
[0184]32.一種用于讀取目標(biāo)的圖案和確定目標(biāo)的位移的方法，包括:
[0185](a)從寬帶光源生成脈沖探測束；
[0186](b)將所述脈沖探測束轉(zhuǎn)換到空間域；
[0187](c)引導(dǎo)所述空間域脈沖探測束指向?qū)⒁x取的目標(biāo)；
[0188](d)將來自被讀取目標(biāo)的空間域光轉(zhuǎn)換為時域波形；以及
[0189](e)在配置用于執(zhí)行來自存儲器的程序指令的處理器內(nèi)檢測并分析所述時域波形，以在目標(biāo)內(nèi)讀取圖案和/或確定位移。
[0190]盡管以上描述包含許多細節(jié)，但是這些不應(yīng)當(dāng)被理解為對本發(fā)明范圍的限制，而僅僅是提供對本發(fā)明的一些當(dāng)前優(yōu)選的實施例的說明。因此，應(yīng)該理解的是，本發(fā)明的范圍完全涵蓋對本領(lǐng)域技術(shù)人員顯而易見的其他實施例，并且因此本發(fā)明的范圍僅由所附權(quán)利要求限定，在所附權(quán)利要求中，除非明確說明，否則所提到的單數(shù)形式的元件不是指“只有一個”而是指“一個或多個”。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員已知的所有結(jié)構(gòu)上、化學(xué)上以及功能上等效于上述優(yōu)選實施例的元件均通過引用的方式明確地結(jié)合于此并且由所附權(quán)利要求涵蓋。此外，所附權(quán)利要求所涵蓋的裝置或方法無需解決本發(fā)明所要解決的每個問題。此外，本公開中沒有元件、部件或方法步驟旨在專用于公眾，而不管該元件、部件或方法步驟是否明確地列舉在權(quán)利要求中。
【權(quán)利要求】
1.一種用于讀取條碼和感測位移的設(shè)備，包括: 用于生成寬帶脈沖探測束的裝置； 用于將所述脈沖探測束的光譜傅立葉變換映射到空間域的裝置，從而空間分散所述寬帶脈沖探測束，以使得基于將要讀取的目標(biāo)的響應(yīng)光信號，每個獨立的波長入射到將要讀取的目標(biāo)的不同部分； 其中目標(biāo)信息包括條碼圖案和/或位移，所述目標(biāo)信息變成以從所述目標(biāo)接收到的光的光譜被編碼以作為所述響應(yīng)光信號； 用于對所述響應(yīng)光信號進行色散型傅立葉變換的裝置，以將所述響應(yīng)光信號轉(zhuǎn)換為時域波形；以及 其中所述色散型傅立葉變換將所述空間分散的寬帶脈沖探測束的各個獨立的波長重組回時域； 用于檢測和分析所述時域波形的裝置，以確定被讀取目標(biāo)內(nèi)的條碼圖案和/或位移。
2.如權(quán)利要求1中所述的設(shè)備，其中響應(yīng)于從目標(biāo)反射到所述用于色散型傅立葉變換的裝置的光能量、或者響應(yīng)于通過目標(biāo)透射到所述用于色散型傅立葉變換的裝置的光能量而產(chǎn)生所述響應(yīng)光信號。
3.如權(quán)利要求1中所述的設(shè)備，其中通過自由空氣、光纖、或通過自由空氣和光纖的組合來傳播所述探測束和所述響應(yīng)光信號。
4.如權(quán)利要求1中所述的設(shè)備，其中所述用于生成所述寬帶脈沖探測束的裝置包括被配置用于生成脈沖的激光器。
5.如權(quán)利要求1中所述的設(shè)備，還包括用于從所述用于生成寬帶脈沖探測束的裝置所生成的脈沖序列中檢出所選脈沖的裝置。
6.如權(quán)利要求1中所述的設(shè)備，還包括耦接到所述用于生成寬帶脈沖探測束的裝置的、用于進行放大和/或濾波的裝置，以提高所述脈沖探測束的信噪比和檢測靈敏度。
7.如權(quán)利要求1中所述的設(shè)備，其中所述用于生成寬帶脈沖探測束的裝置包括用于超連續(xù)譜生成的裝置，用于使從光源發(fā)出的光的光譜帶寬變寬。
8.如權(quán)利要求1中所述的設(shè)備，其中所述用于將光譜傅立葉變換映射到空間域的裝置包括色散元件。
9.如權(quán)利要求1中所述的設(shè)備，其中由包括衍射光柵的色散元件來實現(xiàn)所述用于傅立葉變換映射的裝置，以分離所述脈沖探測束的波長。
10.如權(quán)利要求1中所述的設(shè)備，其中由包括棱鏡的色散元件來實現(xiàn)所述用于傅立葉變換映射的裝置。
11.如權(quán)利要求1中所述的設(shè)備，其中由包括虛擬成像的相控陣列色散器的色散元件來實現(xiàn)所述用于傅立葉變換映射的裝置。
12.如權(quán)利要求1中所述的設(shè)備，還包括用于根據(jù)從目標(biāo)返回的響應(yīng)光信號分離指向目標(biāo)的所述脈沖探測束的裝置。
13.如權(quán)利要求1中所述的設(shè)備，其中用于將所述響應(yīng)光信號轉(zhuǎn)換為時域波形的所述用于色散型傅立葉變換的裝置包括用于引起群速離差(GVD)的元件。
14.如權(quán)利要求1中所述的設(shè)備，其中所述用于色散型傅立葉變換的裝置包括在將所述響應(yīng)光信號轉(zhuǎn)換為時域波形的過程中引起群速離差(GVD)的色散元件和/或啁啾光學(xué)元件。
15.如權(quán)利要求1中所述的設(shè)備，其中所述用于檢測和分析所述時域波形的裝置包括: 至少一個光敏元件； 數(shù)字化轉(zhuǎn)換器，其耦接到所述光敏元件，所述數(shù)字化轉(zhuǎn)換器被配置用于將光學(xué)波形轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號； 數(shù)字信號處理器，被配置用于分析所述數(shù)字信號，以讀取目標(biāo)。
16.如權(quán)利要求1中所述的設(shè)備，還包括在所述用于色散型傅立葉變換的裝置之前、之內(nèi)、或之后的光學(xué)放大和/或濾波。
17.如權(quán)利要求1中所述的設(shè)備: 還包括在所述用于色散型傅立葉變換的裝置之前、之內(nèi)、或之后的光學(xué)放大和/或濾波；并且 其中使用受激拉曼散射、半導(dǎo)體放大器、或光纖放大器來實現(xiàn)所述光學(xué)放大。
18.如權(quán)利要求1中所述的設(shè)備，還包括: 布置在所述用于色散型傅立葉變換的裝置之前、之內(nèi)、或之后的光纖放大器；以及 對所述光纖放大器進行泵激的連續(xù)波光或脈沖光。
19.如權(quán)利要求1中所述的設(shè)備，還包括用于對目標(biāo)執(zhí)行光學(xué)數(shù)據(jù)庫相關(guān)匹配檢測的裝置。
20.如權(quán)利要求1中所述的設(shè)備，還包括: 電光調(diào)制器，其布置在將所述響應(yīng)光信號轉(zhuǎn)換為電信號之前；以及 數(shù)據(jù)庫，其耦接到所述用于控制光調(diào)制的電光調(diào)制器； 其中，從數(shù)據(jù)庫及其施加到所述電光調(diào)制器的共軛來接收期望的條碼圖案； 其中，響應(yīng)于被檢測響應(yīng)光信號是否具有相關(guān)峰來實現(xiàn)目標(biāo)與數(shù)據(jù)庫的相關(guān)匹配檢測。
21.如權(quán)利要求1中所述的設(shè)備，其中所述用于執(zhí)行光學(xué)數(shù)據(jù)庫相關(guān)的裝置包括: 圖案生成器，被配置用于基于來自數(shù)據(jù)庫的信息來生成相關(guān)圖案，應(yīng)當(dāng)在目標(biāo)集合中找到當(dāng)前目標(biāo)； 調(diào)幅器，其耦接到所述圖案生成器，所述調(diào)幅器被配置用于對響應(yīng)光信號進行調(diào)制；以及 用于對進行了幅度調(diào)制的響應(yīng)光信號進行閾值感測的裝置，以指示目標(biāo)與從數(shù)據(jù)庫接收到的用于調(diào)制所述響應(yīng)光信號的幅度的相關(guān)圖案之間的正相關(guān)性或負相關(guān)性。
22.如權(quán)利要求1中所述的設(shè)備，其中所述設(shè)備被配置用于讀取一維或二維目標(biāo)。
23.如權(quán)利要求1中所述的設(shè)備，其中所述設(shè)備被配置用于對作為在商品的跟蹤、印刷電路板的串行控制、HDD部件的檢尋控制、輸送線中的自動分揀、PC媒體驅(qū)動器的跟蹤、或晶片生產(chǎn)中使用的條碼的目標(biāo)進行讀取。
24.如權(quán)利要求1中所述的設(shè)備，其中所述設(shè)備被配置用于對選自應(yīng)用領(lǐng)域組中的應(yīng)用中的目標(biāo)進行讀取，所述應(yīng)用領(lǐng)域組包括生物信息學(xué)、醫(yī)學(xué)標(biāo)本的跟蹤、跟蹤干細胞庫、精子庫、和/或在DNA序列庫中的使用。
25.如權(quán)利要求1中所述的設(shè)備，其中所述設(shè)備被配置用于在對目標(biāo)執(zhí)行高速位移感測的過程中讀取目標(biāo)。
26.如權(quán)利要求1中所述的設(shè)備: 其中所述設(shè)備被配置用于在對目標(biāo)執(zhí)行高速位移感測的過程中讀取目標(biāo)；以及 其中高速位移感測包括對粗糙表面的測量和/或?qū)挾群烷g隙的測量。
27.如權(quán)利要求1中所述的設(shè)備，其中所述設(shè)備被配置用于通過檢測和/或測量流體內(nèi)顆粒的移動和形態(tài)特征來實現(xiàn)流式細胞計量術(shù)。
28.如權(quán)利要求1中所述的設(shè)備，其中所述設(shè)備被配置用于響應(yīng)于光存儲介質(zhì)內(nèi)編碼的反射差異來對目標(biāo)進行讀取。
29.如權(quán)利要求1中所述的設(shè)備: 其中，所述設(shè)備被配置用于對包括光存儲介質(zhì)內(nèi)編碼的反射差異的目標(biāo)進行讀??；以及 其中，根據(jù)從用來編碼⑶、DVD、和藍光光盤的協(xié)議組中選出的期望的存儲協(xié)議來格式化所述光存儲介質(zhì)。
30.如權(quán)利要求1中所述的設(shè)備，其中所述設(shè)備被配置用于物體存在或不存在的檢測。
31.一種設(shè)備，包括: 寬帶光源，被配置用于生成脈沖探測束； 光譜編碼器，被配置用于將所述脈沖探測束轉(zhuǎn)換到空間域并且引導(dǎo)其指向?qū)⒁x取的目標(biāo)；` 空間解碼器，被配置用于將從目標(biāo)反射的空間域光或透射穿過目標(biāo)的空間域光轉(zhuǎn)換到時域；以及 信號處理器，被配置用于檢測和分析所述時域波形，以在目標(biāo)內(nèi)讀取圖案和/或確定位移。
32.—種用于讀取目標(biāo)的圖案和確定目標(biāo)的位移的方法,包括: 從寬帶光源生成脈沖探測束； 將所述脈沖探測束轉(zhuǎn)換到空間域； 引導(dǎo)所述空間域脈沖探測束指向?qū)⒁x取的目標(biāo)； 將來自被讀取目標(biāo)的空間域光轉(zhuǎn)換為時域波形；以及 在配置用于執(zhí)行來自存儲器的程序指令的處理器內(nèi)檢測并分析所述時域波形，以在目標(biāo)內(nèi)讀取圖案和/或確定位移。
【文檔編號】G06K7/14GK103632125SQ201310624745
【公開日】2014年3月12日 申請日期:2009年7月23日 優(yōu)先權(quán)日:2008年7月24日
【發(fā)明者】合田圭介, 巴赫拉姆·賈拉利, 謝堅文 申請人:加利福尼亞大學(xué)董事會
【專利摘要】一種條碼讀取設(shè)備和方法，其中，首先將探測光的光譜傅立葉變換到指向條碼的空間，然后將光譜編碼的條碼圖案傅立葉變換為時域波形。在一種實現(xiàn)中，通過色散元件來實現(xiàn)從光譜域到空間域的傅立葉變換，而通過群速離差（GVD）來實現(xiàn)從光譜編碼的條碼圖案到時域波形的傅立葉變換。時間編碼的條碼圖案通過光電檢測器被檢測、通過數(shù)字化轉(zhuǎn)換器被數(shù)字化、并通過數(shù)字信號處理器被分析。本發(fā)明可應(yīng)用于許多領(lǐng)域，包括一維和二維條碼的讀取、位移感測、表面測量、寬度和間隔測量、流式細胞計量術(shù)、光學(xué)介質(zhì)的讀取、存在或不存在的檢測、以及其他相關(guān)領(lǐng)域。
【專利說明】用于色散型傅立葉變換成像的設(shè)備和方法
[0001]本申請是申請?zhí)枮?00980131718.1、申請日為2009年7月23日、發(fā)明名稱為“用
于色散型傅立葉變換成像的設(shè)備和方法”的專利申請的分案申請。
[0002]相關(guān)申請的交叉引用
[0003]本申請要求于2008年7月24日提交的序列號為61/083，255的美國臨時申請的優(yōu)先權(quán)，并通過引用的方式將其整體合并于此。
[0004]關(guān)于聯(lián)邦政府主辦的研究或發(fā)展的聲明
[0005]本發(fā)明使用國防部授予的政府撥款支持N0.N66001-07-1-2007而產(chǎn)生。政府擁有本發(fā)明中的特定權(quán)利。
[0006]通過引用的方式合并以壓縮盤的形式提交的材料
[0007]不適用
[0008]材料受版權(quán)保護的材料的公告
[0009]按照美國和其他國家的版權(quán)法，本專利文件中的部分材料受版權(quán)保護。版權(quán)擁有者不反對任何專利文件或?qū)＠_的拓制，這是因為該受版權(quán)保護的材料出現(xiàn)在了美國專利商標(biāo)局公開的可用文件或記錄中，但是，版權(quán)擁有者保留除此以外的所有版權(quán)。因此，版權(quán)擁有者不放棄任何將本專利文件當(dāng)作秘密的權(quán)利，包括在不依照《聯(lián)邦法規(guī)匯編》第37輯，第1.14條限制其權(quán)利的情況下。
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0010]本發(fā)明主要涉及光學(xué)成像，更具體地，涉及使用色散型傅立葉變換成像的高速光學(xué)成像。
【背景技術(shù)】
[0011]條碼是通常表現(xiàn)為高反射背景(例如，淺色或白色背景)上的一系列低反射條(例如，深色或黑色條)的信息的可機讀二進制表示。這些條的光學(xué)性質(zhì)的可測量差異(例如，深色條相比于淺色條的反射率)被轉(zhuǎn)換為二進制表示。例如，根據(jù)解碼軟件，使深色條對應(yīng)于0，深色條間的白色間隔對應(yīng)于I，或者反之亦然。可以通過被稱為條碼讀取器的光學(xué)掃描器來讀取條碼，當(dāng)探測束入射到黑色條或白色間隔時，條碼讀取器測量來自黑色條或白色間隔的光學(xué)反射。
[0012]由于黑色條或白色間隔的引入，條碼已成為標(biāo)簽和庫存管理中所必需的。條碼的一些現(xiàn)代應(yīng)用包括:(a)產(chǎn)品標(biāo)簽和自動檢測；(b)票務(wù)和許可證；(C)移動和流動，諸如郵件、包裹、航空行李、租車、以及核廢料；(d)文件管理，包括成像、歸檔和索引；(e)血庫信息系統(tǒng)；(f)蜜蜂研究中的跟蹤；(g)從多網(wǎng)絡(luò)源收集郵包信息并對其進行跟蹤。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員都將意識到，條碼的應(yīng)用已普遍存在于我們現(xiàn)代社會。
[0013]條碼讀取器是條碼技術(shù)的必須部件。傳統(tǒng)的讀取器包括掃描器、解碼器(內(nèi)置或外置)、以及用來連接讀取器與用于對數(shù)字信號進行處理的處理裝置(例如，計算機)的電纜。條碼讀取器是測量來自條碼(例如，由非反射黑色條和反射白色間隔組成)的光學(xué)反射的光電裝置。市場中可獲得不同類型的條碼讀取器，它們使用略有不同的方法對條碼進行讀取和解碼。條碼可以是使用條和線描繪的一維變化，或者可以是使用點或二維域中所包含的其他小的空間限制符號描繪的二維變化。
[0014]條碼讀取器的一種形式是筆式讀取器，在筆式讀取器中連續(xù)波(continuous-wave)光源和光電二極管接收器相互鄰近，諸如在筆或棒的頂端。為了讀取條碼，以恒穩(wěn)運動的方式使筆的頂端移動跨越條。響應(yīng)于在各條暴露于移動入射光時對從其反射回的光功率的改變進行的光電二極管檢測，生成表示條碼中的條和間隔圖案的電壓波形。光電二極管檢測到的波形由掃描器以類似于解碼莫爾斯電碼信號(Morse code dotsand dashes)的方式進行解碼。
[0015]條碼讀取器的另一種形式是激光掃描器，除了采用往復(fù)鏡(reciprocatingmirror)或旋轉(zhuǎn)棱鏡來掃描反復(fù)越過條碼的激光束外，其工作與筆式讀取器非常類似。如同筆式讀取器一樣，使用光電二極管來測量從條碼反射回的光的功率。在筆式讀取器和激光掃描器二者中，讀取器發(fā)出的光都被調(diào)節(jié)為特定波長，并且光電二極管都被設(shè)計為僅檢測該波長的光。
[0016]讀取器的另一種形式是CCD讀取器，其中電荷耦合器件(CCD)讀取器或者可替換地CMOS有源像素讀取器利用讀取器頭部中排成一行的光傳感器陣列。CCD讀取器測量從條碼反射的光，通過測量所述一行傳感器中每個傳感器兩端的電壓來生成與條碼中的圖案相同的電壓圖案。CCD讀取器和筆式或激光掃描器之間的一個重要區(qū)別在于，CCD讀取器測量從條碼反射的環(huán)境光，而筆式或激光掃描器則測量源自掃描器本身的特定波長的反射光。
[0017]讀取器的另一種形式是基于攝像機的讀取器，其中攝像機捕獲條碼的二維圖像。盡管技術(shù)上它們可以讀取任意類型的條碼，但是尤其適合用來讀取二維條碼。應(yīng)該理解的是，對于給定的幾何分辨率(例如，基于最細的線或像素間隔)，二維條碼的信息密度可以遠遠超過僅跨越單個方向來掃描的一維條碼的信息密度。舉例來說，通過小型CCD或CMOS攝像機成像器來捕獲條碼的圖像，并使用數(shù)字圖像處理技術(shù)對其進行解碼。
[0018]盡管條碼讀取器對跟蹤大量的物品很有用，但是，當(dāng)需要跟蹤相當(dāng)大量(例如，約數(shù)百萬)的物品時，傳統(tǒng)的條碼技術(shù)由于其緩慢的讀取和解碼處理而在速度方面具有其限制。傳統(tǒng)的條碼讀取器具有每秒約幾百次掃描的掃描速率。甚至最快的條碼讀取器也僅限于每秒約一千次掃描的掃描速率。掃描器的速度限制主要是越過條碼對源光進行掃描所需要的響應(yīng)，而在成像讀取器中，圖像幀的速率限制了每秒的掃描次數(shù)。
[0019]結(jié)合了傳統(tǒng)數(shù)字信號處理的傳統(tǒng)條碼讀取器的速度限制阻止了人們對相當(dāng)大量物品進行跟蹤，尤其是在包括生物信息學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用中，在生物信息學(xué)領(lǐng)域中，本來就需要管理大量物品，諸如血庫、干細胞庫、精子庫、以及DNA序列庫。
[0020]例如，條碼技術(shù)目前用于允許安全捐血和輸血服務(wù)(包括收集、處理、存儲、以及提供用于輸血的人血)的血庫信息系統(tǒng)。錯誤血液成分的輸血是與輸血有關(guān)的最常見的嚴(yán)重事件。引起這些事件的過失通常是因為對樣本的錯誤標(biāo)識。面對全球化的加速，跟蹤和管理極其大量的血液樣本是很關(guān)鍵的。但是，為了進行適當(dāng)?shù)臉?biāo)識，條碼技術(shù)需要數(shù)量可觀的信息來進行編碼，例如包括患者的醫(yī)院編號、姓、名、出生日期、性別、血型等。對如此之多的信息的需要對當(dāng)今掃描器的速度提出了要求，尤其是當(dāng)所探測的條碼必須與大型數(shù)據(jù)庫進行比較時。這就意味著需要在掃描速度與準(zhǔn)確性之間進行折衷。[0021]因此，需要在無需使光越過要掃描的物品的情況下以較少的時間讀取條碼并執(zhí)行位移感測的系統(tǒng)和方法。這些和其他需要在本發(fā)明中得到了滿足，本發(fā)明克服了以前開發(fā)的掃描系統(tǒng)和方法的缺陷。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0022]本發(fā)明提供了一種設(shè)備和方法，所述設(shè)備和方法用于響應(yīng)于對指向目標(biāo)或來自目標(biāo)的光束執(zhí)行色散型傅立葉變換來讀取該目標(biāo)。所述目標(biāo)可以包括任意形式的編碼或未編碼目標(biāo)(包括各種形式的條碼)以及未編碼的固體、液體和/或氣體樣本。為了簡單起見，術(shù)語“目標(biāo)”在此用來表示可以響應(yīng)于對指向該目標(biāo)的光束的反射率或透射率來收集與其有關(guān)的信息的任意目標(biāo)或樣本。
[0023]盡管本發(fā)明適合寬泛的檢測、測量和讀取應(yīng)用，但是，本發(fā)明尤其適合于涉及條碼讀取和相關(guān)匹配的條碼讀取的應(yīng)用。本發(fā)明的操作通?；诜謩e在空間域和時域中利用條碼的光譜編碼和解碼的檢測，從而允許在一秒內(nèi)對數(shù)千萬樣本(例如，條碼)進行讀取和數(shù)據(jù)庫相關(guān)匹配的檢測。這比傳統(tǒng)的條碼讀取器快多達四個數(shù)量級。本發(fā)明還利用對跨越一維或多維空間的光響應(yīng)進行檢測和/或測量來提供高速位移感測。
[0024]為了簡單起見，本發(fā)明主要討論對條碼樣本的讀取，其中條碼樣本中相鄰條的尺寸是確定的，從而可以對它們的編碼進行解碼以生成字母數(shù)字信息。這些條碼可以包括對本文所描述的光束探測光敏感的任意條碼結(jié)構(gòu)。例如，所述條可以包括不同顏色、反射率的材料，或者具有對探測束光敏感的反射性?？商鎿Q地或另外地，所述條可以例如響應(yīng)于凹陷的或凸出的結(jié)構(gòu)而具有位移。
[0025]為了簡化討論，本發(fā)明討論樣本的“讀取”，而不管正在對什么進行解碼、檢測和/或測量，并且不限于包含編碼信息的樣本(諸如條碼的情況)。對未編碼樣本的“讀取”被視作意味著對樣本的性質(zhì)(包括:成分的有無、尺寸、形狀、粗糙度、方向、流動、以及樣本內(nèi)可以根據(jù)從所述樣本反射的探測束確定的任意有關(guān)性質(zhì))進行確定?？商鎿Q地，本發(fā)明可以被配置用于響應(yīng)于穿過樣本的光透射水平來讀取樣本，其中可以通過透射光而不是反射光來辨別樣本的不同特性。此外，如果想得到另外的信息，可以將本發(fā)明實現(xiàn)為對樣本的反射和透射率進行單獨的檢測。本發(fā)明所教導(dǎo)的技術(shù)也可以用于通過干涉地檢測透射光來對透明物體的相位進行分析。
[0026]本發(fā)明主要涉及光學(xué)成像，尤其用于對條碼進行高速位移感測和讀取、針對參考數(shù)據(jù)庫執(zhí)行相關(guān)匹配的檢測，且更具體地，涉及一種用于分別在空間域和時域中基于對一維或二維條碼的光譜編碼和解碼來進行色散型傅立葉變換成像和光學(xué)數(shù)據(jù)庫相關(guān)的設(shè)備和方法，包括使樣本暴露于寬帶脈沖束和對優(yōu)選地被轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號的時域波形的光反射檢測。
[0027]所述方法使條碼曝露于通過衍射光柵而空間分散的寬帶脈沖光探測束，以使得每個獨立波長的光沿著條碼上的橫向線路入射到條碼的不同部分。條碼信息被編碼成反射光的光譜。來自條碼的反射光返回到衍射光柵，衍射光柵對光譜分散的分量進行重組。然后，使用群速離差(GVD)來對反射光束執(zhí)行傅立葉變換，并且由單像素光電檢測器來檢測該反射光。在進行傅立葉變換期間，可以實施任意的內(nèi)部放大以提高信噪比，從而提高檢測靈敏度。也可以執(zhí)行零差檢測和/或平衡檢測來改善信噪比。[0028]在優(yōu)選實施例中，光電檢測器將光信號轉(zhuǎn)換為可以被放大和數(shù)字化的電子信號。色散型傅立葉變換與光電檢測器相結(jié)合地將光譜(光譜編碼的條碼信息)映射為電子時域波形并且表示了全電子譜分析器。因此，本發(fā)明的實施例消除了對傳統(tǒng)光學(xué)分光計(例如，衍射光柵和陣列檢測器)的需要，并且提供了高檢測靈敏度，尤其是結(jié)合內(nèi)部放大來看。
[0029]應(yīng)該理解的是，可以根據(jù)本發(fā)明使用另一種色散元件來在垂直方向上對探測束進行進一步色散，從而光束譜以光束頻率進行光柵掃描的方式跨越二維平面。另一種方法是，當(dāng)在垂直于探測束經(jīng)由衍射光柵入射的橫線的方向上掃描探測束時，可以獲得條碼的二維圖像，例如用來在讀取二維條碼的過程中使用。還應(yīng)該理解的是，此處的技術(shù)可以被擴展到三維。在一個實施例中，第二二維探測束可以從正交方向指向樣本，并且根據(jù)本發(fā)明來捕獲和處理光反射和/或透射，以在三維中提供對樣本的讀取和分析。
[0030]本發(fā)明還允許利用由上百萬個條碼組成的大型數(shù)據(jù)庫對所測量條碼進行可選的超速相關(guān)匹配檢測。如果電光調(diào)制器放置在光電檢測器之前，則實現(xiàn)了相關(guān)匹配檢測。所探測條碼的幅值通過數(shù)據(jù)庫中已知條碼圖案的共軛進行調(diào)制。如果所測量條碼匹配數(shù)據(jù)庫中的一個，則所檢測信號顯示一個相關(guān)峰。來自隨后的激光脈沖的測量信號與數(shù)據(jù)庫中的其他圖案進行比較，直到識別出正確的圖案。在對光束進行調(diào)制之前，使用圖案生成器或者數(shù)模轉(zhuǎn)換器將數(shù)據(jù)庫圖案轉(zhuǎn)換為共軛時間序列。當(dāng)然，對數(shù)據(jù)庫進行調(diào)制的圖案必須與引入的測量圖案同步。此后，以激光的脈沖重復(fù)率來執(zhí)行對相關(guān)匹配檢測的掃描。顯然，相關(guān)匹配檢測的使用是可選的，這是因為色散型傅立葉變換掃描器可以在沒有相關(guān)匹配檢測的情況下使用。
[0031 ] 使用衍射光柵來將光譜映射到空間是已知的。當(dāng)空間衍射的光從物體反射時,物體的反射率圖案被編碼到光譜上。光譜的映射已用于醫(yī)學(xué)成像，在醫(yī)學(xué)成像中使用電荷耦合器件(CXD)來解碼光譜編碼的空間信息。
[0032]本發(fā)明的一個重要的方面是利用色散型傅立葉變換來將空間信息(編碼到光譜上)映射為時域信號，以及利用該技術(shù)來讀取條碼。色散型傅立葉變換已應(yīng)用到了在吸收光譜學(xué)和拉曼光譜學(xué)、光反射法、以及光相干斷層照相法方面的光脈沖譜的測量。使用色散型傅立葉變換測量光譜消除了對衍射光柵和檢測器陣列的需要。這些元件由色散光纖、單光電檢測器、以及數(shù)字化轉(zhuǎn)換器代替。這簡化了系統(tǒng)，并且更重要地，使得能夠進行快速實時的條碼捕獲。
[0033]色散型傅立葉變換的主要限制以及本發(fā)明所克服的是在色散介質(zhì)中的損耗。該損耗可以是由光穿過色散元件時發(fā)生的不期望的吸收或散射而引起的。還有一個由克拉茂-克朗尼希關(guān)系(Kramers-Kronig relation)的色散與損耗之間的密切聯(lián)系所描述的更重要的根源。獨立于該根源，所述損耗限制了系統(tǒng)的檢測靈敏度。這可以通過認識到以下方面來理解，即，借助于光譜-時間轉(zhuǎn)換，光譜分辨率(從而，條碼掃描器的像素數(shù))由電檢測系統(tǒng)的時間分辨率確定。換句話說，數(shù)字化轉(zhuǎn)換器的電帶寬(electrical bandwidth)限制了光譜分辨率，Δ λ=0.35/(D*fdig)給出了這一關(guān)系，其中Λ λ為光譜分辨率，D為總?cè)核匐x差，fdig為實時電子數(shù)字化轉(zhuǎn)換器的輸入帶寬。乘積Λ λ.D由數(shù)字化轉(zhuǎn)換器的帶寬確定，從而，為了增大光譜分辨率(即，增大像素數(shù))，則不得不增大總?cè)核匐x差D。
[0034]但是，該光譜分辨率的增大是以增大光損耗和減小檢測靈敏度為代價而實現(xiàn)的。因此，當(dāng)期望高檢測靈敏度和高光譜分辨率時，色散元件中的損耗為中心問題。由于條碼空間信息被編碼到光譜上，因此色散元件的損耗對像素數(shù)和檢測靈敏度施加了限制。靈敏度可以通過使用長信號積分時間來改善，但是這限制了條碼的讀取速度。因此，色散元件中的損耗使得在檢測靈敏度、像素數(shù)與掃描速度之間產(chǎn)生了折衷。增大激光功率不是可取的解決方案，因為其可以導(dǎo)致不期望的非線性信號失真。
[0035]本發(fā)明依靠在色散元件中使用內(nèi)部放大來克服靈敏度、像素數(shù)與掃描速度的折衷。上述折衷通過對色散元件中的損耗進行補償來克服。為了使性能最佳化，在色散光纖中執(zhí)行放大，以增加從條碼反射回的信號強度。色散元件中的內(nèi)部放大先前已經(jīng)關(guān)于實時拉曼光譜學(xué)和吸收光譜學(xué)、以及飛秒數(shù)字化在我們實驗室中得到論證。該放大被應(yīng)用到本發(fā)明中來優(yōu)化一個或多個條碼掃描器實施例。
[0036]色散元件的期望特征是高全色散、低損耗、大光學(xué)帶寬、所述帶寬上的平滑色散、以及商業(yè)可用性。盡管存在諸如啁啾光纖光柵(CFBG)之類的其他選擇，但是諸如色散補償光纖(DCF)之類的色散光纖提供了這些參數(shù)的最優(yōu)組合。盡管CFBG比DCF更緊湊，但是后者也可以作為拉曼放大器來對損耗進行補償。所述損耗還可以通過分立的光學(xué)放大器(例如，摻餌光纖放大器或者甚至半導(dǎo)體光學(xué)放大器)來補償。通常首選色散光纖內(nèi)的分布式拉曼放大是因為其在整個傅立葉變換過程中保持了相對恒定的信號電平。該相對恒定的信號電平是重要的，因為其通過使信號功率遠離低功率(充滿噪聲的)和高功率(非線性的)狀態(tài)而使信號對噪聲和失真比最大化。
[0037]拉曼放大相對于半導(dǎo)體光學(xué)放大器的一個優(yōu)點是，當(dāng)在非晶態(tài)介質(zhì)(例如玻璃)中使用時，拉曼放大自然為寬帶?？梢酝ㄟ^使用多波長泵激激光來進一步裁剪該增益譜，并且出人意料地，使用非相干的泵激源可以實現(xiàn)非常寬頻帶的增益譜。這是非?？扇〉模驗榇蟮墓鈳拰?dǎo)致大的橫向條碼檢測范圍。拉曼放大的色散元件還可以消除對高功率源的需要，高功率源可以潛在地導(dǎo)致不期望的非線性信號失真。
[0038]本發(fā)明經(jīng)得起以多種方式實施的檢驗，包括但不限于以下描述。
[0039]本發(fā)明的一個實施例是用于讀取條碼和感測位移的設(shè)備，其包括:(a)用于生成寬帶脈沖探測束的裝置；(b)用于基于將要讀取的目標(biāo)的響應(yīng)光信號將脈沖探測束的光譜映射到指向?qū)⒁x取的目標(biāo)的空間域的裝置；(C)用于對響應(yīng)光信號進行色散型傅立葉變換的裝置，以將該響應(yīng)光信號轉(zhuǎn)換為時域波形；以及(d)用于檢測和分析時域波形的裝置，以確定被讀取目標(biāo)內(nèi)的條碼圖案和/或位移。
[0040]在本發(fā)明的實施例中，可以響應(yīng)于從目標(biāo)反射到用于色散型傅立葉變換的裝置的光能量、或者響應(yīng)于通過目標(biāo)傳輸?shù)接糜谏⑿透盗⑷~變換的裝置的光能量來生成響應(yīng)光信號。此外，可以實施組合實施例，其基于反射和透射光二者讀取關(guān)于樣本的信息。
[0041]所述設(shè)備可以被實施為使得通過自由空氣、光纖(或其他光傳輸結(jié)構(gòu))、或者通過自由空氣和光纖的組合來傳送包括探測束和響應(yīng)光信號的光束。
[0042]可替換地，可以通過改變將光譜映射到空間(空間色散)和色散型傅立葉變換(時間色散)的順序來實現(xiàn)所述設(shè)備。
[0043]在至少一個實施例中，用于生成寬帶脈沖探測束的裝置包括被配置為生成脈沖的激光器。在本發(fā)明的一種模式中，可選地包括脈沖采集元件，以提供從由脈沖激光器(或類似源)生成的一系列脈沖中采集所選脈沖的裝置。脈沖束探測可以包括或被改進為響應(yīng)于用于放大和/或濾波的可選裝置，從而提高所述設(shè)備的信噪比和檢測靈敏度。類似地，放大和/或濾波可以可選地施加到從樣本接收到的響應(yīng)光信號(例如，反射和/或透射光)。通過示例而非限制的方式，光學(xué)放大可以使用受激拉曼散射、半導(dǎo)體放大器、或光纖放大器來執(zhí)行。更進一步，光纖放大器可以被布置在用于色散型傅立葉變換的裝置之前、之內(nèi)、或之后，而連續(xù)波光或脈沖光可以對所述光纖放大器進行泵激。另一個可選的元件是用于超連續(xù)譜生成的裝置，其用于使從光源發(fā)出的光的光譜帶寬變寬，并且其可以被包含在所述光源內(nèi)或者被實現(xiàn)為單獨的可選元件。
[0044]在至少一個實施例中，用于將光譜映射到空間域中的裝置包括色散元件，例如衍射光柵、棱鏡、虛擬成像的相控陣列色散器、或者可以區(qū)分引入的寬帶脈沖探測束的波長的類似元件。
[0045]在至少一種實現(xiàn)中，例如，當(dāng)檢測與入射探測光的路徑相同路徑的一部分的反射光能量時，包括用于分離光束的可選裝置。
[0046]在至少一個實施例中，用于色散型傅立葉變換的裝置使用用于引起群速離差(GVD)的元件(例如色散元件)、和/或被配置用于在將響應(yīng)光信號轉(zhuǎn)換為時域波形的過程中引起群速離差(GVD)的啁啾光學(xué)元件將響應(yīng)光信號轉(zhuǎn)換為時域波形。
[0047]在至少一個實施例中，用于檢測和分析時域波形的裝置利用至少一個諸如光敏半導(dǎo)體器件(例如，光電二極管、光電晶體管等)之類的光敏元件或者其電特性響應(yīng)于接收到的光的特性的改變而改變的任意其他器件來檢測入射光。檢測器對入射光進行轉(zhuǎn)換，優(yōu)選地在將模擬信號改變?yōu)閿?shù)字信號以簡化處理的數(shù)字化轉(zhuǎn)換器中進行轉(zhuǎn)換。但是，應(yīng)該理解的是，在不首先將這些模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號的情況下，響應(yīng)于對這些模擬信號的直接處理，至少可以從樣本讀取有限的信息。信號處理器分析來自檢測器的電信號，從而對樣本進行讀取并且提供關(guān)于編碼、空間位移和樣本的其他可讀方面的信息。優(yōu)選地，信號處理器包括一個或多個配置有用于執(zhí)行數(shù)字信號處理的軟件的處理器。
[0048]在至少一個實施例中，所述設(shè)備被配置用于對作為一維或二維條碼的目標(biāo)進行讀取，例如用于商品的跟蹤、印刷電路板的串行控制(serial control)、硬盤驅(qū)動器(HDD)部件的檢尋控制、傳送線中的自動分揀、PC媒體驅(qū)動器的跟蹤、晶片生產(chǎn)、或其中讀取條碼的任意場合。
[0049]在本發(fā)明的至少一個實施例中，可以以相關(guān)的形式來讀取樣本，其中將樣本的實際特征與樣本的期望特征(例如，從數(shù)據(jù)庫中讀出的)進行光學(xué)比較。由于本發(fā)明的該方面關(guān)于編碼樣本最容易理解，因此條碼將被看作示例而非限制。在一種相關(guān)模式中，使用樣本的期望條碼(例如，在連續(xù)條碼之中)來調(diào)制來自樣本的響應(yīng)光信號，其中根據(jù)所接收到的信號(例如，響應(yīng)于閾值處理)可以容易地確定相關(guān)性而無需進一步分析。在至少一個實施例中，可以通過包含布置在將響應(yīng)光信號轉(zhuǎn)換為電信號之前的電光調(diào)制器來提供與從數(shù)據(jù)庫及其施加到該電光調(diào)制器的共軛接收到的期望的條碼圖案的相關(guān)性。響應(yīng)于被檢測響應(yīng)光信號是否具有相關(guān)峰來實現(xiàn)目標(biāo)與數(shù)據(jù)庫的相關(guān)匹配檢測。在相關(guān)性的至少一種模式中，圖案生成器用于基于來自數(shù)據(jù)庫的信息來生成相關(guān)圖案，所述數(shù)據(jù)庫包含與其中可以找到當(dāng)前目標(biāo)的目標(biāo)集合相關(guān)的信息。調(diào)幅器被配置用于調(diào)制響應(yīng)光信號，其使用用于對進行了幅值調(diào)制的響應(yīng)光信號進行閾值感測的裝置來顯示目標(biāo)與從數(shù)據(jù)庫接收到的用于調(diào)制響應(yīng)光信號的幅值的相關(guān)圖案之間的正相關(guān)性或負相關(guān)性。
[0050]可以利用本發(fā)明的實施例來響應(yīng)于從目標(biāo)(樣本)反射的光和/或透射過目標(biāo)(樣本)的光以一維或二維的方式對目標(biāo)進行讀取。本發(fā)明可以被實現(xiàn)用于讀取編碼的目標(biāo)(例如，光敏條碼形式)，以及用于對目標(biāo)執(zhí)行高速位移感測。應(yīng)該理解的是，位移感測可以記錄目標(biāo)的形狀和結(jié)構(gòu)、對粗糙表面的測量、對寬度和間隙的測量、以及材料和/或物體或元件缺失的存在。本發(fā)明還可以利用位移感測通過檢測和/或測量流體內(nèi)任意形式顆粒的移動和形態(tài)特征(例如，大小、形狀等)來實現(xiàn)流式細胞計量術(shù)(flow cytometry)。在本發(fā)明的其他實施例中，所述設(shè)備可以被配置用于讀取被使用例如光存儲介質(zhì)(包括根據(jù)協(xié)議格式化了的介質(zhì)，所述協(xié)議包括與CD、DVD、以及藍光光盤一起使用的那些協(xié)議)內(nèi)的數(shù)據(jù)進行了光學(xué)編碼了的目標(biāo)。
[0051 ] 在至少一個實施例中，所述設(shè)備被配置用于對選自應(yīng)用領(lǐng)域組中的應(yīng)用中的目標(biāo)進行讀取，所述應(yīng)用領(lǐng)域組包括生物信息學(xué)、醫(yī)學(xué)標(biāo)本的跟蹤、跟蹤干細胞庫、精子庫、DNA序列庫中的使用、或者其中從設(shè)備內(nèi)的測試樣本讀取生物信息的任意場合。
[0052]本發(fā)明的一個實施例是一種設(shè)備，其包括:(a)寬帶光源，被配置用于生成脈沖探測束；(b)光譜編碼器，被配置用于將脈沖探測束轉(zhuǎn)換到空間域并且引導(dǎo)其指向?qū)⒁x取的目標(biāo)；(C)空間解碼器，被配置用于將從目標(biāo)反射的或者透射通過目標(biāo)的空間域的光轉(zhuǎn)換到時域；以及(d)信號處理器，被配置用于檢測和分析時域波形以讀取圖案和/或確定目標(biāo)內(nèi)的位移。
[0053]本發(fā)明的一個實施例是一種用于讀取圖案和確定目標(biāo)的位移的方法，其包括:(a)生成來自寬帶光源的脈沖探測束；(b)將脈沖探測束轉(zhuǎn)換到空間域；(c)引導(dǎo)空間域脈沖探測束指向?qū)⒁x取的目標(biāo)；(d)將來自讀取目標(biāo)的空間域的光轉(zhuǎn)換為時域波形；以及(e)在配置用于執(zhí)行來自存儲器的程序指令的處理器內(nèi)檢測并分析時域波形，以讀取圖案和/或確定目標(biāo)內(nèi)的位移。
[0054]本發(fā)明提供了許多有益的方面，在不脫離本技術(shù)的情況下，其可以單獨實現(xiàn)也可以以任意期望組合的形式實現(xiàn)。
[0055]本發(fā)明的一方面是用于從光學(xué)目標(biāo)讀取信息的設(shè)備和方法。
[0056]本發(fā)明的另一方面提供了響應(yīng)于將空間域的第一光學(xué)信號引導(dǎo)指向目標(biāo)來讀取目標(biāo)信息、將從目標(biāo)接收到的光轉(zhuǎn)換到時域、然后對時域波形進行分析來讀取目標(biāo)信息的能力。
[0057]本發(fā)明的另一方面提供了以一維、二維或三維的形式對信息進行讀取。
[0058]本發(fā)明的另一方面提供了響應(yīng)于從目標(biāo)反射的或透射穿過目標(biāo)的探測光、或者其組合來對信息進行讀取。
[0059]本發(fā)明的另一方面提供了對編碼目標(biāo)進行讀取，例如對來自目標(biāo)的條碼信息進行讀取。
[0060]本發(fā)明的另一方面提供了目標(biāo)信息與數(shù)據(jù)庫信息的相關(guān)性。
[0061]本發(fā)明的另一方面提供了響應(yīng)于對光信號進行調(diào)制和在響應(yīng)時域波形中對相關(guān)峰進行檢查的目標(biāo)相關(guān)性。
[0062]本發(fā)明的另一方面提供了對來自目標(biāo)(樣本)的各種編碼和未編碼形式的信息進行讀取。
[0063]本發(fā)明的再一方面是可以被應(yīng)用于寬范圍的編碼目標(biāo)(例如，一維和二維條碼)以及收集關(guān)于樣本的信息(包括基于樣本的組成部分的存在、位移、結(jié)構(gòu)、移動等的信息)的設(shè)備和方法。
[0064]說明書的以下部分中將給出本發(fā)明的其他方面，其中詳細的描述是為了充分公開本發(fā)明的優(yōu)選實施例，而不是對本發(fā)明進行限制。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0065]通過參考以下僅用于說明目的的附圖，將更充分地理解本發(fā)明:
[0066]圖1是根據(jù)本發(fā)明一個方面的執(zhí)行色散型傅立葉變換反射率測量的方法的一個實施例的流程圖。
[0067]圖2是根據(jù)本發(fā)明一個實施例的執(zhí)行一維色散型傅立葉變換反射率測量的設(shè)備的示意框圖。
[0068]圖3是根據(jù)本發(fā)明一個實施例的執(zhí)行一維色散型傅立葉變換反射率測量和數(shù)據(jù)庫相關(guān)匹配檢測的設(shè)備的示意框圖。
[0069]圖4是根據(jù)本發(fā)明一個實施例的執(zhí)行二維色散型傅立葉變換反射率測量的設(shè)備的示意框圖。
[0070]圖5是根據(jù)本發(fā)明一個實施例的執(zhí)行二維色散型傅立葉變換反射率測量和數(shù)據(jù)庫相關(guān)匹配檢測的設(shè)備的示意框圖。
[0071]圖6是根據(jù)本發(fā)明的一方面的圖2的色散型傅立葉變換反射率測量設(shè)備的一個實施例的示意圖，其示出了對壓電式換能器(PZT)樣本的檢測。
[0072]圖7是測試樣本的正交視圖，通過非條碼的目標(biāo)來說明本發(fā)明的使用，所述樣本具體為被具有兩個相鄰薄鋁膜的二氧化硅保護的硅波導(dǎo)。
[0073]圖8是根據(jù)本發(fā)明一個方面的對來自樣本的反射探測光譜與來自用作參考的反射鏡的反射光進行比較的曲線圖。
[0074]圖9是根據(jù)本發(fā)明一個方面的圖7所示樣本的校準(zhǔn)反射率輪廓的曲線圖。
[0075]圖10是響應(yīng)于被掃描樣本的物理平移(移動)示出的、根據(jù)本發(fā)明的一方面的圖7中的樣本的校準(zhǔn)反射率輪廓的曲線圖。
[0076]圖11是根據(jù)本發(fā)明一個方面的響應(yīng)于不同放大等級示出的從樣本反射的探測光的光譜的曲線圖。
[0077]圖12是根據(jù)本發(fā)明一個實施例示出的、圖2的色散型傅立葉變換條碼讀取測量的示意圖。
[0078]圖13是以如存在于樣本條碼中的背景條示出的、根據(jù)本發(fā)明一個方面的單沖(single shot)—維條碼測量的曲線圖。
[0079]圖14是根據(jù)本發(fā)明一個實施例示出的、圖4的二維色散型傅立葉變換反射率測量的示意圖。
[0080]圖15是根據(jù)本發(fā)明一個實施例示出的色散型傅立葉變換透射率測量的示意圖?！揪唧w實施方式】
[0081]下面對附圖進行更具體地參考，為了說明的目的，在圖1至圖15概括示出的設(shè)備中實施本發(fā)明。應(yīng)該理解的是，在不脫離此處所公開的基本思想的情況下，所述設(shè)備的結(jié)構(gòu)及其具體部件可以改變，并且所述方法的具體步驟和順序可以改變。[0082]圖1是色散型傅立葉變換反射率測量的方法的實施例10，其概括了執(zhí)行一維或二維條碼讀取以及可選的針對已知數(shù)據(jù)庫進行相關(guān)匹配檢測所必需的步驟。根據(jù)該實施例，在框12中，通過衍射光柵使條碼暴露于寬帶脈沖，同時空間色散光譜入射到條碼。在框14中，從條碼產(chǎn)生的反射光返回到重整脈沖的衍射光柵，并且通過色散型傅立葉變換被轉(zhuǎn)換為時域波形。然后，在框16中，可以依照由圖案生成器提供的由光調(diào)制器對其進行調(diào)制的光譜編碼的條碼信息來光學(xué)地執(zhí)行可選的針對參考數(shù)據(jù)庫的相關(guān)匹配檢測。在框18中，通過光電檢測器來檢測光信號，并且在時域中例如通過數(shù)字信號處理器來分析該光信號的電信號。
[0083]參考框12，光源優(yōu)選地為指向條碼的超連續(xù)譜。應(yīng)該理解的是，超連續(xù)譜的生成通?？梢员幻枋鰹槠渲袑⒓す廪D(zhuǎn)換為具有非常寬的光譜帶寬(例如，具有低時間相干性)的光的處理。通常通過使光脈沖傳播通過強非線性裝置(例如，光纖)來實現(xiàn)光譜擴展?？梢酝ㄟ^使具有高峰值功率的脈沖激光穿過高非線性光纖來產(chǎn)生超連續(xù)譜?？商鎿Q地，可以通過具有大帶寬的超短波脈沖激光來生成光源，例如由鈦藍寶石激光器產(chǎn)生。探測束在到達衍射光柵之前可以被光學(xué)地放大和濾波。
[0084]探測束的帶寬應(yīng)該較大，在某些情況下優(yōu)選地為盡可能的大，這是因為衍射光柵的衍射角度范圍和條碼上的可分辨點數(shù)隨帶寬而增大。光譜帶寬可以與目標(biāo)以及設(shè)備允許的一樣大。只要時間色散的連續(xù)脈沖不在時間上重疊，就可以增大帶寬。同樣，應(yīng)該理解的是，對設(shè)備的每個部件(例如，光電二極管)以及光學(xué)元件存在限制。另外，目標(biāo)本身在指定光譜范圍內(nèi)被最好地分辨，例如，在可視光譜中從條碼中清楚地檢測到的目標(biāo)在移動到光譜的紅外光部分時可能不會呈現(xiàn)出來。典型地，帶寬是一個范圍，例如可視到近紅外范圍的650nm到llOOnm，或者可視范圍內(nèi)的、可視到紫外(UV)范圍的、可視到紅外、近紅外、近紫外等范圍的某些類似范圍。
[0085]入射到衍射光柵的探測束被空間色散，對探測束的波長進行分離。然后，通過柱面透鏡或其他衍射光柵使色散光準(zhǔn)直并入射到條碼。來自條碼的反射光返回到衍射光柵，重整脈沖。
[0086]考慮框14，通過任意期望的光學(xué)元件或其組合(例如，色散元件、啁啾光學(xué)元件等)來引起(啁啾)群速離差以執(zhí)行傅立葉變換，從而提供用于對反射光信號進行色散型傅立葉變換的裝置。該色散元件包括引起反射光信號的群速離差的光學(xué)元件。應(yīng)該理解的是，啁啾反射響應(yīng)是其中布拉格波長不恒定而在結(jié)構(gòu)內(nèi)改變的響應(yīng)，例如在啁啾光學(xué)元件(例如啁啾鏡)中，不同波長的光不同程度地穿透到鏡結(jié)構(gòu)中，從而經(jīng)歷不同的群時延。色散元件可以是光纖、體單晶、啁啾鏡、或啁啾光纖布拉格光柵。色散元件中的色散將頻域信號轉(zhuǎn)換為時域波形。沿橫向線路對應(yīng)于條碼的不同點的來自條碼的反射光的構(gòu)成頻率以這樣的方式在時間上進行分布，所述方式為允許將來自條碼不同點的反射光映射為時域波形。在傅立葉變換期間，當(dāng)通過寬帶光來光學(xué)地泵激色散元件時，信號光可以通過受激拉曼散射進行光學(xué)放大。可替換地，在可以或不可以進行光學(xué)放大的色散元件之前，可以通過拉曼放大器或摻鉺光纖放大器來光學(xué)放大反射光。
[0087]在框16中，示出了用于使檢測與數(shù)據(jù)相匹配的光學(xué)相關(guān)性。應(yīng)該理解的是，其變型允許使用大型數(shù)據(jù)庫來執(zhí)行一系列相關(guān)檢測操作。已經(jīng)按照框14進行了傅立葉變換的時序條碼信號由調(diào)幅器進行調(diào)制。例如，在共軛時序中，由生成對應(yīng)于白色間隔和深色條的0、1序列(與條碼編碼相反)的圖案生成器來提供調(diào)制信號，從而僅當(dāng)調(diào)制器抵銷了輸入條碼信號的幅值時調(diào)幅器的傳輸才為零，從而檢測到正相關(guān)性。
[0088]參考框18，如果與參考數(shù)據(jù)庫的相關(guān)匹配檢測不是必須的，則框14處的反射信號可以直接被光電檢測器檢測。如果需要與參考數(shù)據(jù)庫的相關(guān)匹配檢測，則光電檢測器在框16處檢測調(diào)幅器的傳輸。光電檢測器的輸出信號被數(shù)字化轉(zhuǎn)換器數(shù)字化，所述數(shù)字化轉(zhuǎn)換器被一定重復(fù)率的探測束的脈沖序列適當(dāng)?shù)剡M行觸發(fā)。僅當(dāng)數(shù)字化轉(zhuǎn)換器上的信號為零時，所測量的條碼與其信號被提供給調(diào)幅器的數(shù)據(jù)庫中的條碼相匹配。每個脈沖執(zhí)行一次數(shù)據(jù)庫中的條碼與測量條碼的相關(guān)性檢測。換句話說，以激光脈沖序列的重復(fù)率來執(zhí)行測量條碼與許多條碼的相關(guān)性檢測。
[0089]圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的一維色散型傅立葉變換反射率測量的示例實施例20。應(yīng)該理解的是，所述設(shè)備可以被用于條碼感測以及寬范圍的高速位移形式感測、以及類似應(yīng)用。另外，指向讀取目標(biāo)的光束(脈沖探測束)、檢測和/或測量的以及其反射的光信號通過自由空氣、光透射介質(zhì)或裝置(例如光纖)、或者通過其組合傳播。
[0090]通常，用于生成寬帶脈沖探測束的裝置(例如，寬帶脈沖探測激光器22)連接到用于分離指向目標(biāo)的光信號與從目標(biāo)反射的光信號的裝置32，例如包括光環(huán)行器，其隔離從讀取目標(biāo)反射的光。以下討論可選元件24、26和28。
[0091]例如，響應(yīng)于使用衍射光柵或使探測束空間色散的類似的一個或多個光學(xué)元件(例如，棱鏡、虛擬成像的相控陣列色散器等)、使探測束的波長分散到跨越讀取目標(biāo)(例如，條碼38)的一維橫向線路或延長圖案上，通過用于對脈沖探測束的光譜進行傅立葉變換映射的裝置34來將脈沖流轉(zhuǎn)換到空間域?？商鎿Q地，所述系統(tǒng)可以被配置用于讀取、檢測、和/或測量根據(jù)材料性質(zhì)和/或位移提供不同反射率的其他目標(biāo)的一維或二維方面。
[0092]用于使脈沖探測束準(zhǔn)直的裝置36 (例如，透鏡)使探測束對準(zhǔn)或聚焦到條碼目標(biāo)38。條碼信息被光譜編碼為來自條碼38的反射光的光譜。來自條碼38的反射光返回到衍射光柵34，重整脈沖。光環(huán)行器32引導(dǎo)反射光指向(放大式)色散型傅立葉變換器40，并且對其隔離使其不能返回到激光源22。然后，通過用于對反射光信號進行色散型傅立葉變換的裝置40將反射光傅立葉變換為時域波形，以將反射光信號轉(zhuǎn)換為時域波形?？蛇x地，可以在色散型傅立葉變換處理中執(zhí)行光學(xué)放大，從而對由于色散處理而產(chǎn)生的不可避免的光損耗進行補償。色散型傅立葉變換裝置40的輸出被用于檢測和分析時域波形以確定讀取目標(biāo)內(nèi)的條碼圖案和/或位移的檢測和分析裝置接收。該檢測和分析裝置被示為包括光檢測器42、可選濾波器44、可選放大器46、數(shù)字化轉(zhuǎn)換器48，通過它們對時域波形進行引導(dǎo)，然后通過用于執(zhí)行數(shù)字信號處理的裝置50 (例如，以任意期望的方式實現(xiàn)的數(shù)字信號處理器)來對其進行分析。
[0093]應(yīng)該理解的是，在不脫離本發(fā)明的技術(shù)范圍的情況下，可以以多種方式來生成寬帶脈沖束。例如，本發(fā)明尤其適合于使用脈沖激光。激光的光譜響應(yīng)可以根據(jù)需要響應(yīng)于使用裝置來生成超連續(xù)譜而得到增強。
[0094]在圖2所示的實施例中，如果激光脈沖重復(fù)率如此高以至于連續(xù)脈沖在經(jīng)過色散型傅立葉變換裝置40之后重疊，則可以通過使用可選的脈沖檢出器24來減少脈沖序列。此外，可以利用可選的光學(xué)放大器26來放大來自脈沖激光器22的光脈沖，并且用于泵激可選的超連續(xù)譜生成器28。如果源自激光器22的脈沖已經(jīng)足夠強大來生成超連續(xù)譜，則可以不需要可選的放大器26。同樣，如果原始脈沖具有非常大的帶寬，則放大器26和/或超連續(xù)譜生成器28可以不是必須的。例如，鈦藍寶石鎖模激光器可以生成具有非常大帶寬OlOOnm)的超快脈沖(<10fs)。輻射的超連續(xù)譜可以通過可選的帶通濾波器30。
[0095]光檢測器42可選地是可以將來自(放大式)傅立葉變換裝置40的輸出的光子轉(zhuǎn)換為電信號的光檢測器。光檢測器42可以是光電二極管、雪崩光電檢測器、或配置用于將光信號轉(zhuǎn)換為電信號的類似裝置。可以對來自光檢測器42的電信號進行濾波以限制其帶寬，例如利用可選的電子濾波器44以及可選地通過電子放大器46來放大所述信號。應(yīng)該理解的是，只需將帶寬向下限制為限制引入到隨后的模數(shù)轉(zhuǎn)換中的噪聲。然后，可以通過數(shù)字化轉(zhuǎn)換器48對信號進行數(shù)字化。也可以使用數(shù)字信號處理器50或計算機來處理或分析信號，并對其進行顯示和存儲。
[0096]可以看出，所述設(shè)備和方法可以在大范圍的合理探測波段實現(xiàn)。例如，可以使用工作在1300與1600nm之間的通信激光器或放大器來產(chǎn)生高峰值功率的探測脈沖。還可以對通信激光器進行倍頻(二次諧波生成)或三倍頻(三次諧波生成)來產(chǎn)生更高頻率以在所述設(shè)備中使用?？梢允褂玫牧硪环N類型的激光器是鈦藍寶石激光器，其提供波長在650與IlOOnm之間(更典型地，在SOOnm附近)的短波、高功率脈沖。盡管這些激光器類型是優(yōu)選的，但是也可以利用各種其他類型的激光源。
[0097]圖3示出了執(zhí)行一維色散型傅立葉變換反射率測量和數(shù)據(jù)庫相關(guān)匹配檢測的示例實施例52。應(yīng)該看出，除了圖案生成器74和調(diào)幅器76被包括用來執(zhí)行被匹配條碼70與參考數(shù)據(jù)庫的相關(guān)匹配檢測以外，圖3與圖2相同。
[0098]寬帶脈沖探測激光器54的輸出被引導(dǎo)通過可選的脈沖檢出器56、可選的光學(xué)放大器58、可選的超連續(xù)譜生成器60、以及可選的光濾波器62，通過隔離入射和反射波的光環(huán)行器64，到用于對該探測束進行空間色散的衍射光柵66以使其波長分散到一維橫向線路或延長圖案，到透鏡68，到目標(biāo)條碼70或位移感測目標(biāo)或者多個目標(biāo)。來自目標(biāo)條碼70的反射光通過透鏡68、衍射光柵66，并被光環(huán)行器64路由到色散型傅立葉變換裝置72，到還接收來自圖案生成器74的信號的調(diào)幅器76。來自調(diào)幅器76的輸出被路由到檢測器78，檢測器78的輸出通過可選濾波器80和可選放大器82到達數(shù)字化轉(zhuǎn)換器84并被信號處理裝置86處理。
[0099]圖案生成器74生成數(shù)字條碼圖案(例如，其由O和I組成)，并以共軛時間序列的形式將其提供到調(diào)幅器76。由圖案生成器74生成的條碼圖案被看作來自包含關(guān)于其條碼正在被所述設(shè)備讀取的物品的信息的數(shù)據(jù)庫。僅當(dāng)由圖案生成器74生成的條碼圖案與正在讀取的條碼70的圖案匹配時，調(diào)幅器76的傳輸被空置為零。每個脈沖到達調(diào)幅器后，數(shù)據(jù)庫中的不同圖案被提供給調(diào)幅器，對數(shù)據(jù)庫中的所有參考條碼與測試條碼進行比較以查看哪個與其匹配。
[0100]圖4示出了二維色散型傅立葉變換反射率測量的示例實施例88。盡管圖2和圖3描述了用于執(zhí)行一維反射率測量的示意圖，但是圖4示出了用于執(zhí)行二維反射率測量、以及從而讀取二維條碼的示意圖。
[0101]參考該附圖，寬帶脈沖激光器90的輸出被引導(dǎo)通過可選的脈沖檢出器92、可選的光學(xué)放大器94、可選的超連續(xù)譜生成器96、以及可選的光濾波器98，通過使入射和反射波隔離的光環(huán)行器100，到第一透鏡102、色散器104、第二透鏡106、以及衍射光柵108，到目標(biāo)110 (例如二維條碼)或位移感測目標(biāo)或者多個目標(biāo)。來自目標(biāo)Iio的反射光返回通過衍射光柵108、透鏡106、色散器104、透鏡102，并且被光環(huán)行器100路由到色散型傅立葉變換裝置112，到光檢測器114，光檢測器114的輸出通過可選濾波器116和可選放大器118到了數(shù)字化轉(zhuǎn)換器120，并且被信號處理裝置122處理。
[0102]更具體地考慮圖4所示的元件，該實施例優(yōu)選地使用柱面透鏡102來將寬帶脈沖聚焦到虛擬成像的相控陣列(VIPA)色散器104，例如包括玻璃板，所述玻璃板在光束進入的前區(qū)上具有防反射膜、并且在其余的正面部分上具有高反射涂層(約100%)以及在背面上具有部分高反射涂層(通常為95%或類似)。VIPA色散器104產(chǎn)生從位于入射光束發(fā)生第一反射的背面位置處的光束腰的各虛擬圖像發(fā)散的光束陣列。這些光束相干并形成準(zhǔn)直光束，然后通過球面透鏡106聚焦。
[0103]衍射光柵108沿垂直于VIPA色散器104產(chǎn)生的色散方向的方向來分離入射光束的衰退頻率。這在二維平面中產(chǎn)生了由許多聚焦在目標(biāo)樣本Iio (或2D條碼)上的點構(gòu)成的光束。目標(biāo)樣本110上的這些點對應(yīng)于寬帶光束的不同頻率分量,形成了樣本110上的可分辨點。來自樣本110的寬帶光束的不同頻率分量的反射完全返回到光環(huán)行器100，形成樣本Iio的二維反射率被光譜編碼成的脈沖。(放大式)色散型傅立葉變換112將輸入光譜映射為時域波形。該色散型傅立葉變換112可以被光學(xué)放大，以補償變換處理期間的光損耗。因此，(放大式)色散型傅立葉變換的輸出是將來自二維樣本的反射光以類似于光柵掃描的某種方式光譜編碼成的時域波形。
[0104]圖5示出了二維色散型傅立葉變換反射率測量和數(shù)據(jù)庫相關(guān)匹配檢測的示例實施例124。按照該附圖，所獲得的二維反射圖像已被轉(zhuǎn)換為一維時域波形，然后可以如圖3所示的讀取一維目標(biāo)時一樣，通過使用圖案生成器150和調(diào)幅器152進行相關(guān)匹配檢測來與參考數(shù)據(jù)庫進行比較。
[0105]參考該附圖，寬帶脈沖激光器126的輸出被引導(dǎo)通過可選的脈沖檢出器128、可選的光學(xué)放大器130、可選的超連續(xù)譜生成器132、以及可選的光濾波器134，通過光環(huán)行器136到達第一透鏡138 (例如，柱面透鏡)、色散器140、第二透鏡142 (例如，球面透鏡)、以及衍射光柵144，到目標(biāo)146，例如二維(2D)條碼或位移感測目標(biāo)或者多個目標(biāo)。來自目標(biāo)146的反射光返回穿過衍射光柵144、第二透鏡142、色散器140、第一透鏡138，并且被光環(huán)行器136路由到色散傅立葉變換148。來自傅立葉變換148的輸出被引導(dǎo)指向接收從圖案生成器150輸入的信號的調(diào)幅器152。來自調(diào)幅器152的輸出被引導(dǎo)指向光檢測器154,光檢測器154的輸出通過可選濾波器156和可選放大器158到達數(shù)字化轉(zhuǎn)換器160以由數(shù)字信號處理器162進行處理。
[0106]在稍后的說明二維色散型傅立葉變換反射率測量的附圖(圖13)中示出了上述實施例。應(yīng)該再次強調(diào)的是，樣本可以包括任何感興趣的讀回事物，例如通過示例而非限制的方式描述的二維條碼。
[0107]下文中討論對本發(fā)明實施例執(zhí)行的實際測試。
[0108]圖6示出了使用壓電式換能器(PZT)上的樣本的圖2所示的色散型傅立葉變換反射率測量設(shè)備的簡化實現(xiàn)170。與圖2中所示相同的參考標(biāo)號表示相同的功能。寬帶脈沖激光源54耦接到光纖172，通過光環(huán)行器64，通過目標(biāo)側(cè)光纖174到達光纖準(zhǔn)直器176。從準(zhǔn)直器176輸出的自由空間光束178被引導(dǎo)指向產(chǎn)生色散圖案182的衍射光柵34，通過透鏡36并到達耦接到固定架188的壓電平移臺186上的樣本38。如關(guān)于圖2所描述的，反射光返回穿過該設(shè)置并被光環(huán)行器64分離到使用色散補償光纖(DCF)從中執(zhí)行色散型傅立葉變換的測量光纖190。通過示例而非限制的方式，DCF40被示為在其輸入端具有耦接到光纖194以用于附接至第一泵激源的第一波分復(fù)用器(WDM)192。DCF40的輸出端處為耦接到光纖198以用于附接至第二泵激源的第二波分復(fù)用器(WDM) 196。傅立葉變換的輸出被引導(dǎo)指向檢測器42 (描繪為光電二極管)，并引導(dǎo)指向測量裝置200 (此處被描繪為示波器)。應(yīng)該認識到，在所示測試設(shè)置中，示波器提供用于觀察波形，從而評價是否可以使用數(shù)字信號處理裝置和方法來正確地記錄所述裝置所生成的波形。應(yīng)該清楚地理解的是，所述示波器被用在光學(xué)設(shè)備的測試中，而在自動化應(yīng)用中，將利用計算機處理器裝置來分析信號，從而響應(yīng)于從設(shè)備的其余部分接收到的信號來對目標(biāo)進行讀取。
[0109]該示例性實施例中的光源54包括中心波長為1560nm、重復(fù)率為100MHz、以及平均輸出功率為20mW的鎖模飛秒光纖激光器。激光通過高非線性光纖，其帶寬增大到15nm。激光的重復(fù)率被脈沖檢出器(圖6中沒有示出)減小到25MHz。經(jīng)過脈沖檢出器和光纖光環(huán)行器之后，光纖174上的激光具有5mW的平均功率。光纖準(zhǔn)直器176使自由空間中的激光對準(zhǔn)到衍射光柵34，所述衍射光柵在該測試情況中具有1200行/毫米的條紋密度以及90%的反射效率。衍射光柵通過分離探測束的波長來對寬帶光進行空間色散。
[0110]圖7以實例的方式描繪了圖6中所示的目標(biāo)，該實例包括硅波導(dǎo)，具有由二氧化硅保護的硅，并且具有相鄰的薄鋁膜。所述鋁膜部分在該示例中被示為80 μ m寬，其間具有5 μ m的硅翼片。所述硅和二氧化硅是透明的，并且所述鋁膜是對約1560nm的光具有高反射性。由于本發(fā)明經(jīng)得起使用寬范圍的目標(biāo)類型和大小的檢驗，因此只有在允許理解以下所描述的測量結(jié)果是如何與正在讀取的特定目標(biāo)相關(guān)的范圍內(nèi)，對上述目標(biāo)的測量才是重要的。
[0111]圖8是描繪了來自圖7所示樣本的反射探測光的光譜與來自被用作參考的反射鏡的反射探測光的光譜之間的比較的曲線圖。通過透鏡將空間色散的光束對準(zhǔn)樣本，所述樣本在該示例中為圖7所示的硅波導(dǎo)。如圖6所示，硅波導(dǎo)樣本被固定在壓電式換能器(PZT)上，所述壓電式換能器被連接到具有大質(zhì)量的光學(xué)固定架。
[0112]如圖6所示，脈沖激光被引導(dǎo)到達樣本38，并且反射光通過衍射光柵34返回到光纖準(zhǔn)直器176。光環(huán)行器引導(dǎo)反射光指向離散度為_1512ps/nm以及光損耗為9dB的色散補償光纖(DCF)。所述DCF將輸入光譜映射為時域波形，所述輸入光譜為樣本的光譜編碼的一維橫向反射率輪廓。在DCF之前，波分復(fù)用器(WDM)(第一 WDM)將1470nm的拉曼泵激與反射光結(jié)合，在DCF之后，波分復(fù)用器(WDM)(第二 WDM)從反射光移除1470nm的拉曼泵激。
[0113]光電檢測器(例如，在該示例中具有50ps的響應(yīng)時間)被用來檢測DCF的時間分散的輸出。根據(jù)由 D.Yelin, 1.Rizvi1W.M.White, J.T.Motz, T.Hasan, B.E.Bouma 以及G.J.Tearney 在“Three-dimensional miniature endoscopy,，，Nature443, 765 (2006)中所給出的公式，基于衍射光柵的條紋密度、中心波長、帶寬、和探測束的直徑、以及利特羅角(Littixw’ S angle)，可分辨點數(shù)約為64個?；诩す獾闹貜?fù)率(25MHz)，該色散型傅立葉變換成像裝置的時間分辨率為40ns。
[0114]在圖8中，介電反射鏡樣本的反射光的光譜被顯示為上鐘形曲線，而硅波導(dǎo)的光譜被顯示為下面的曲線，該曲線的中部具有“凹口”或“下沉”。曲線圖所示波長被標(biāo)定為X軸上的距離。比較兩個光譜，硅波導(dǎo)的光譜清楚地顯示出一個下沉，其對應(yīng)于樣本(即，圖7中所示由二氧化硅覆蓋的硅波導(dǎo))的低反射率部分。
[0115]圖9根據(jù)圖8中所描繪的測量描繪了圖7中所示樣本的標(biāo)定反射率輪廓。應(yīng)該注意，一個非常明顯的峰出現(xiàn)在約40 μ m處。
[0116]圖10描繪了圖7所示樣本的標(biāo)定反射率輪廓的另一曲線圖，其基于使用壓電平移臺橫向掃描樣本時在不同時刻在圖6所示的測試設(shè)置中所進行的測量。當(dāng)使用斜坡函數(shù)來掃描PZT以使得PZT在圖6所示方向上平移樣本時，在四個不同時刻(O μ S，25 μ S，50 μ S、以及75 μ s)示出了被測樣本的標(biāo)定反射率輪廓。硅波導(dǎo)傳輸了大部分探測束，而鋁膜將探測束反射回光源。盡管圖像獲取周期為40nm，但是此處為了清楚起見，每625次掃描(每25 μ s掃描一次)中僅繪制一次。樣本的快速位移被清楚地捕獲。
[0117]圖11描繪了不同泵激功率水平的、色散濾波器中具有和不具有分布式拉曼放大的來自圖7所示樣本的反射探測光的光譜。當(dāng)樣本為弱反射體時，弱反射信號可能被光電檢測器的電子噪聲所掩蓋。該【專利附圖】
【附圖說明】，通過對弱反射光的功率進行光學(xué)放大可以提高信噪比。在該論證中，分布式拉曼放大被用來將弱反射信號提升為遠高于檢測器噪聲。附圖中不同泵激功率(40mW、80mW、和120mW)的信號增長是明顯的。
[0118]圖12示出了圖2所示色散型傅立葉變換條碼讀取設(shè)備的示例實施例210，除了使用不同的聚焦透鏡和將所述設(shè)備指向不同的目標(biāo)(具體地為條碼樣本)以外，該設(shè)備類似于圖6中所示設(shè)備。圖6中的聚焦透鏡被圖11中的球面透鏡(例如，在本示例中具有100_的焦距)代替?？紤]該示例，光束擴展被改變?yōu)樵龃笱苌涔鈻派系陌唿c大小。這些改進導(dǎo)致了可分辨點數(shù)(145)的增加。因此在該示例中，條碼被用作樣本來演示超速條碼讀取。
[0119]在該簡化的實現(xiàn)210中，色散型傅立葉變換反射率測量設(shè)備指向條碼樣本。使用相同參考標(biāo)號表示相同的功能。寬帶脈沖激光源54耦接至光纖172，通過光環(huán)行器64，通過目標(biāo)側(cè)濾波器174到達光纖準(zhǔn)直器176。從準(zhǔn)直器176輸出的自由空間光束178指向產(chǎn)生色散圖案182的衍射光柵34，通過透鏡212并被引導(dǎo)指向條碼214。反射光返回穿過該設(shè)置，并被光環(huán)行器64分離到使用色散補償光纖(DCF)執(zhí)行色散型傅立葉變換的測量光纖190。通過示例而非限制的方式，DCF40被示出在其輸入端具有耦接到光纖194以用于附接至第一泵激源的第一波分復(fù)用器(WDM) 192。DCF40的輸出端處為耦接到光纖198以用于附接至第二泵激源的第二波分復(fù)用器(WDM) 196。傅立葉變換的輸出被引導(dǎo)指向檢測器42(描繪為光電二極管)，并到達測量裝置200 (此處被描繪為示波器)。應(yīng)該認識到，在所示測試設(shè)置中，示波器提供用于觀察波形，從而評價是否可以使用數(shù)字信號處理裝置和方法來正確地記錄所述裝置所生成的波形。
[0120]圖13描繪了來自圖12所示測試設(shè)備的波形響應(yīng)，其中使用樣本條碼的背景來示出單沖一維條碼測量的曲線圖。在該示例中，條碼樣本由其上印有黑色條的透明膜組成。附圖還使用附圖上的標(biāo)定長軸示出了被測條碼的標(biāo)定反射率輪廓。測量到的反射率輪廓容易與在僅17ns內(nèi)示出了 1001010100的條碼樣本進行比較(非常一致)。掃描率為25MHz表示一次掃描只需要40ns。該演示明確地確立了根據(jù)本發(fā)明的實施例的色散型傅立葉變換條碼讀取的可行性。
[0121]圖14示出了圖4中所示的二維色散型傅立葉變換反射率測量的示例實施例250。在該簡化實現(xiàn)中，色散型傅立葉變換反射率測量設(shè)備指向二維條碼或其他樣本。[0122]使用相同參考標(biāo)號表示相同的功能。寬帶脈沖激光源54耦接到光纖172，通過光環(huán)行器64,通過目標(biāo)側(cè)光纖174到達光纖準(zhǔn)直器176。從準(zhǔn)直器176輸出的自由空間光束178通過第一透鏡252 (優(yōu)選地為柱面透鏡)到達高分辨率的虛擬成像的相控陣列(VIPA)色散器254，色散器254的輸出256通過第二透鏡258 (優(yōu)選地為球面透鏡)、產(chǎn)生照射到樣本266的2D彩色帶信號或色散圖案264的照射(striking)衍射光柵262。反射光返回穿過該設(shè)置，并被光環(huán)行器64分離到使用色散補償光纖(DCF)從中執(zhí)行色散型傅立葉變換的測量光纖190。通過示例而非限制的方式，DCF40被示出在其輸入端具有耦接到光纖194以用于附接至第一泵激源的第一波分復(fù)用器(WDM) 192。DCF40的輸出端處為耦接到光纖198以用于附接至第二泵激源的第二波分復(fù)用器(WDM) 196。傅立葉變換的輸出被引導(dǎo)指向檢測器42 (描繪為光電二極管)，并到達測量裝置200 (此處被描繪為示波器)。應(yīng)該認識到，在所示測試設(shè)置中，示波器提供用于觀察波形，從而評價是否可以使用數(shù)字信號處理裝置和方法來正確地記錄所述裝置所生成的波形。所檢測的ID時域數(shù)據(jù)被數(shù)字地存儲到表示樣本的2D圖像的2D矩陣中。
[0123]圖15示出了色散型傅立葉變換透射率測量設(shè)備的簡化實現(xiàn)270，盡管其讀取通過樣本的透射光而不是反射光，但是其類似于圖6及其他所示設(shè)備。還應(yīng)該理解的是，對透射光的讀取可以與讀取反射光的實施例結(jié)合，從而反射光和透射光都可以被記錄，如此可適合于選擇應(yīng)用的技術(shù)。樣本38被示為樣本在分析期間被保留、包含、或通過其內(nèi)部的空間。應(yīng)該理解的是，如在每個其他實施例中，樣本可以為編碼的表面、固態(tài)材料、液態(tài)、或氣態(tài)材料、或者其組合。
[0124]與其他附圖中所示的相同參考標(biāo)號表示相同的功能。寬帶脈沖激光源54耦接到光纖172，到達光纖準(zhǔn)直器176。從準(zhǔn)直器176輸出的自由空間光束178指向產(chǎn)生色散圖案182的第一衍射光柵34a,通過第一透鏡36a并被引導(dǎo)指向樣本38。透射通過樣本38的光通過第二透鏡36b到達第二衍射光柵34b，并到達準(zhǔn)直器272以及使用色散補償光纖(DCF)40來在其中執(zhí)行色散型傅立葉變換的測量光纖274。通過示例而非限制的方式，DCF40被示出在其輸入端具有耦接到光纖194以用于附接至第一泵激源的第一波分復(fù)用器(WDM) 192。DCF40的輸出端處為耦接到光纖198以用于附接至第二泵激源的第二波分復(fù)用器(WDM)196。傅立葉變換的輸出被引導(dǎo)指向檢測器42 (描繪為光電二極管)，并到達信號處理裝置280。
[0125]因此，應(yīng)該理解的是，由于入射到樣本上的光要么被反射、要么被透射(除非其被吸收，這僅在選擇樣本形式中發(fā)生)，因此透射通過樣本的光通常可以被看作是反射光的補。圖15中所示設(shè)置的變型也可以適用于干涉測量法，在干涉測量法中，響應(yīng)于通過設(shè)備的其余部分接收到的光，由信號處理設(shè)備來檢測透明物體的相位。
[0126]以下部分通過示例而非限制的方式概括了本文中針對本發(fā)明所描述的多種實現(xiàn)、模式和特征。本發(fā)明提供了對脈沖探測束指向的一維或多維目標(biāo)進行讀取的方法和設(shè)備。發(fā)明構(gòu)思可應(yīng)用于各種設(shè)備和應(yīng)用中。其中，本發(fā)明包括以下發(fā)明實施例:
[0127]1.一種用于讀取條碼和感測位移的設(shè)備，包括:
[0128](a)用于生成寬帶脈沖探測束的裝置；
[0129](b)用于基于將要讀取的目標(biāo)的響應(yīng)光信號將所述脈沖探測束的光譜傅立葉變換映射到指向?qū)⒁x取的目標(biāo)的空間域的裝置；[0130](c)用于對所述響應(yīng)光信號進行色散型傅立葉變換的裝置，以將所述響應(yīng)光信號轉(zhuǎn)換為時域波形；以及
[0131](d)用于檢測和分析所述時域波形的裝置，以確定被讀取目標(biāo)內(nèi)的條碼圖案和/或位移。
[0132]2.如實施例1中所述的設(shè)備，其中響應(yīng)于從目標(biāo)反射到所述用于色散型傅立葉變換的裝置的光能量、或者響應(yīng)于通過目標(biāo)透射到所述用于色散型傅立葉變換的裝置的光能量而產(chǎn)生所述響應(yīng)光信號。
[0133]3.如實施例1中所述的設(shè)備，其中通過自由空氣、光纖、或通過自由空氣和光纖的組合來傳播所述探測束和所述響應(yīng)光信號。
[0134]4.如實施例1中所述的設(shè)備，其中所述用于生成所述寬帶脈沖探測束的裝置包括被配置用于生成脈沖的激光器。
[0135]5.如實施例1中所述的設(shè)備，還包括用于從所述用于生成寬帶脈沖探測束的裝置所生成的脈沖序列中檢出所選脈沖的裝置。
[0136]6.如實施例1中所述的設(shè)備，還包括耦接到所述用于生成寬帶脈沖探測束的裝置的、用于進行放大和/或濾波的裝置，以提高所述脈沖探測束的信噪比和檢測靈敏度。
[0137]7.如實施例1中所述的設(shè)備，其中所述用于生成寬帶脈沖探測束的裝置包括用于超連續(xù)譜生成的裝置，用于使從光源發(fā)出的光的光譜帶寬變寬。
[0138]8.如實施例1中所述的設(shè)備，其中所述用于將光譜傅立葉變換映射到空間域的裝置包括色散元件。
[0139]9.如實施例1中所述的設(shè)備，其中由包括衍射光柵的色散元件來實現(xiàn)所述用于傅立葉變換映射的裝置，以分離所述脈沖探測束的波長。
[0140]10.如實施例1中所述的設(shè)備，其中由包括棱鏡的色散元件來實現(xiàn)所述用于傅立葉變換映射的裝置。
[0141]11.如實施例1中所述的設(shè)備，其中由包括虛擬成像的相控陣列色散器的色散元件來實現(xiàn)所述用于傅立葉變換映射的裝置。
[0142]12.如實施例1中所述的設(shè)備，還包括用于根據(jù)從目標(biāo)返回的響應(yīng)光信號分離指向目標(biāo)的所述脈沖探測束的裝置。
[0143]13.如實施例1中所述的設(shè)備，其中用于將所述響應(yīng)光信號轉(zhuǎn)換為時域波形的所述用于色散型傅立葉變換的裝置包括用于引起群速離差(GVD)的元件。
[0144]14.如實施例1中所述的設(shè)備，其中所述用于色散型傅立葉變換的裝置包括在將所述響應(yīng)光信號轉(zhuǎn)換為時域波形的過程中引起群速離差(GVD)的色散元件和/或啁啾光學(xué)元件。
[0145]15.如實施例1中所述的設(shè)備，其中所述用于檢測和分析所述時域波形的裝置包括:
[0146](a)至少一個光敏元件；
[0147](b)數(shù)字化轉(zhuǎn)換器，其耦接到所述光敏元件，所述數(shù)字化轉(zhuǎn)換器被配置用于將光學(xué)波形轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號；
[0148](C)數(shù)字信號處理器，被配置用于分析所述數(shù)字信號，以讀取目標(biāo)。
[0149]16.如實施例1中所述的設(shè)備，還包括在所述用于色散型傅立葉變換的裝置之前、之內(nèi)、或之后的光學(xué)放大和/或濾波。
[0150]17.如實施例1中所述的設(shè)備:
[0151]還包括在所述用于色散型傅立葉變換的裝置之前、之內(nèi)、或之后的光學(xué)放大和/或濾波；并且
[0152]其中使用受激拉曼散射、半導(dǎo)體放大器、或光纖放大器來實現(xiàn)所述光學(xué)放大。
[0153]18.如實施例1中所述的設(shè)備，還包括:
[0154]布置在所述用于色散型傅立葉變換的裝置之前、之內(nèi)、或之后的光纖放大器；以及
[0155]對所述光纖放大器進行泵激的連續(xù)波光或脈沖光。
[0156]19.如實施例1中所述的設(shè)備，還包括用于對目標(biāo)執(zhí)行光學(xué)數(shù)據(jù)庫相關(guān)匹配檢測的裝置。
[0157]20.如實施例1中所述的設(shè)備，還包括:
[0158]電光調(diào)制器，其布置在將所述響應(yīng)光信號轉(zhuǎn)換為電信號之前；以及
[0159]數(shù)據(jù)庫，其耦接到所述用于控制光調(diào)制的電光調(diào)制器；
[0160]其中，從數(shù)據(jù)庫及其施加到所述電光調(diào)制器的共軛來接收期望的條碼圖案；
[0161]其中，響應(yīng)于被檢測響應(yīng)光信號是否具有相關(guān)峰來實現(xiàn)目標(biāo)與數(shù)據(jù)庫的相關(guān)匹配檢測。
[0162]21.如實施例1中所述的設(shè)備，其中所述用于執(zhí)行光學(xué)數(shù)據(jù)庫相關(guān)的裝置包括:
[0163](a)圖案生成器，被配置用于基于來自數(shù)據(jù)庫的信息來生成相關(guān)圖案，應(yīng)當(dāng)在目標(biāo)集合中找到當(dāng)前目標(biāo)；
[0164](b)調(diào)幅器，其耦接到所述圖案生成器，所述調(diào)幅器被配置用于對響應(yīng)光信號進行調(diào)制；以及
[0165](C)用于對進行了幅度調(diào)制的響應(yīng)光信號進行閾值感測的裝置，以指示目標(biāo)與從數(shù)據(jù)庫接收到的用于調(diào)制所述響應(yīng)光信號的幅度的相關(guān)圖案之間的正相關(guān)性或負相關(guān)性。
[0166]22.如實施例1中所述的設(shè)備，其中所述設(shè)備被配置用于讀取一維或二維目標(biāo)。
[0167]23.如實施例1中所述的設(shè)備，其中所述設(shè)備被配置用于對作為在商品的跟蹤、印刷電路板的串行控制、HDD部件的檢尋控制、輸送線中的自動分揀、PC媒體驅(qū)動器的跟蹤、或晶片生產(chǎn)中使用的條碼的目標(biāo)進行讀取。
[0168]24.如實施例1中所述的設(shè)備，其中所述設(shè)備被配置用于對選自應(yīng)用領(lǐng)域組中的應(yīng)用中的目標(biāo)進行讀取，所述應(yīng)用領(lǐng)域組包括生物信息學(xué)、醫(yī)學(xué)標(biāo)本的跟蹤、跟蹤干細胞庫、精子庫、和/或在DNA序列庫中的使用。
[0169]25.如實施例1中所述的設(shè)備，其中所述設(shè)備被配置用于在對目標(biāo)執(zhí)行高速位移感測的過程中讀取目標(biāo)。
[0170]26.如實施例1中所述的設(shè)備:
[0171]其中所述設(shè)備被配置用于在對目標(biāo)執(zhí)行高速位移感測的過程中讀取目標(biāo)；以及
[0172]其中高速位移感測包括對粗糙表面的測量和/或?qū)挾群烷g隙的測量。
[0173]27.如實施例1中所述的設(shè)備，其中所述設(shè)備被配置用于通過檢測和/或測量流體內(nèi)顆粒的移動來實現(xiàn)流式細胞計量術(shù)。
[0174]28.如實施例1中所述的設(shè)備，其中所述設(shè)備被配置用于響應(yīng)于光存儲介質(zhì)內(nèi)編碼的反射差異來對目標(biāo)進行讀取。[0175]29.如實施例1中所述的設(shè)備:
[0176]其中，所述設(shè)備被配置用于對包括光存儲介質(zhì)內(nèi)編碼的反射差異的目標(biāo)進行讀??；以及
[0177]其中，根據(jù)從用來編碼⑶、DVD、和藍光光盤的協(xié)議組中選出的期望的存儲協(xié)議來格式化所述光存儲介質(zhì)。
[0178]30.如實施例1中所述的設(shè)備，其中所述設(shè)備被配置用于檢測物體存在或不存在。
[0179]31.—種設(shè)備，包括:
[0180](a)寬帶光源，被配置用于生成脈沖探測束；
[0181](b)光譜編碼器，被配置用于將所述脈沖探測束轉(zhuǎn)換到空間域并且引導(dǎo)其指向?qū)⒁x取的目標(biāo)；
[0182](c)空間解碼器，被配置用于將從目標(biāo)反射的空間域光或透射穿過目標(biāo)的空間域光轉(zhuǎn)換到時域；以及
[0183](d)信號處理器，被配置用于檢測和分析所述時域波形，以在目標(biāo)內(nèi)讀取圖案和/或確定位移。
[0184]32.一種用于讀取目標(biāo)的圖案和確定目標(biāo)的位移的方法，包括:
[0185](a)從寬帶光源生成脈沖探測束；
[0186](b)將所述脈沖探測束轉(zhuǎn)換到空間域；
[0187](c)引導(dǎo)所述空間域脈沖探測束指向?qū)⒁x取的目標(biāo)；
[0188](d)將來自被讀取目標(biāo)的空間域光轉(zhuǎn)換為時域波形；以及
[0189](e)在配置用于執(zhí)行來自存儲器的程序指令的處理器內(nèi)檢測并分析所述時域波形，以在目標(biāo)內(nèi)讀取圖案和/或確定位移。
[0190]盡管以上描述包含許多細節(jié)，但是這些不應(yīng)當(dāng)被理解為對本發(fā)明范圍的限制，而僅僅是提供對本發(fā)明的一些當(dāng)前優(yōu)選的實施例的說明。因此，應(yīng)該理解的是，本發(fā)明的范圍完全涵蓋對本領(lǐng)域技術(shù)人員顯而易見的其他實施例，并且因此本發(fā)明的范圍僅由所附權(quán)利要求限定，在所附權(quán)利要求中，除非明確說明，否則所提到的單數(shù)形式的元件不是指“只有一個”而是指“一個或多個”。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員已知的所有結(jié)構(gòu)上、化學(xué)上以及功能上等效于上述優(yōu)選實施例的元件均通過引用的方式明確地結(jié)合于此并且由所附權(quán)利要求涵蓋。此外，所附權(quán)利要求所涵蓋的裝置或方法無需解決本發(fā)明所要解決的每個問題。此外，本公開中沒有元件、部件或方法步驟旨在專用于公眾，而不管該元件、部件或方法步驟是否明確地列舉在權(quán)利要求中。
【權(quán)利要求】
1.一種用于讀取條碼和感測位移的設(shè)備，包括: 用于生成寬帶脈沖探測束的裝置； 用于將所述脈沖探測束的光譜傅立葉變換映射到空間域的裝置，從而空間分散所述寬帶脈沖探測束，以使得基于將要讀取的目標(biāo)的響應(yīng)光信號，每個獨立的波長入射到將要讀取的目標(biāo)的不同部分； 其中目標(biāo)信息包括條碼圖案和/或位移，所述目標(biāo)信息變成以從所述目標(biāo)接收到的光的光譜被編碼以作為所述響應(yīng)光信號； 用于對所述響應(yīng)光信號進行色散型傅立葉變換的裝置，以將所述響應(yīng)光信號轉(zhuǎn)換為時域波形；以及 其中所述色散型傅立葉變換將所述空間分散的寬帶脈沖探測束的各個獨立的波長重組回時域； 用于檢測和分析所述時域波形的裝置，以確定被讀取目標(biāo)內(nèi)的條碼圖案和/或位移。
2.如權(quán)利要求1中所述的設(shè)備，其中響應(yīng)于從目標(biāo)反射到所述用于色散型傅立葉變換的裝置的光能量、或者響應(yīng)于通過目標(biāo)透射到所述用于色散型傅立葉變換的裝置的光能量而產(chǎn)生所述響應(yīng)光信號。
3.如權(quán)利要求1中所述的設(shè)備，其中通過自由空氣、光纖、或通過自由空氣和光纖的組合來傳播所述探測束和所述響應(yīng)光信號。
4.如權(quán)利要求1中所述的設(shè)備，其中所述用于生成所述寬帶脈沖探測束的裝置包括被配置用于生成脈沖的激光器。
5.如權(quán)利要求1中所述的設(shè)備，還包括用于從所述用于生成寬帶脈沖探測束的裝置所生成的脈沖序列中檢出所選脈沖的裝置。
6.如權(quán)利要求1中所述的設(shè)備，還包括耦接到所述用于生成寬帶脈沖探測束的裝置的、用于進行放大和/或濾波的裝置，以提高所述脈沖探測束的信噪比和檢測靈敏度。
7.如權(quán)利要求1中所述的設(shè)備，其中所述用于生成寬帶脈沖探測束的裝置包括用于超連續(xù)譜生成的裝置，用于使從光源發(fā)出的光的光譜帶寬變寬。
8.如權(quán)利要求1中所述的設(shè)備，其中所述用于將光譜傅立葉變換映射到空間域的裝置包括色散元件。
9.如權(quán)利要求1中所述的設(shè)備，其中由包括衍射光柵的色散元件來實現(xiàn)所述用于傅立葉變換映射的裝置，以分離所述脈沖探測束的波長。
10.如權(quán)利要求1中所述的設(shè)備，其中由包括棱鏡的色散元件來實現(xiàn)所述用于傅立葉變換映射的裝置。
11.如權(quán)利要求1中所述的設(shè)備，其中由包括虛擬成像的相控陣列色散器的色散元件來實現(xiàn)所述用于傅立葉變換映射的裝置。
12.如權(quán)利要求1中所述的設(shè)備，還包括用于根據(jù)從目標(biāo)返回的響應(yīng)光信號分離指向目標(biāo)的所述脈沖探測束的裝置。
13.如權(quán)利要求1中所述的設(shè)備，其中用于將所述響應(yīng)光信號轉(zhuǎn)換為時域波形的所述用于色散型傅立葉變換的裝置包括用于引起群速離差(GVD)的元件。
14.如權(quán)利要求1中所述的設(shè)備，其中所述用于色散型傅立葉變換的裝置包括在將所述響應(yīng)光信號轉(zhuǎn)換為時域波形的過程中引起群速離差(GVD)的色散元件和/或啁啾光學(xué)元件。
15.如權(quán)利要求1中所述的設(shè)備，其中所述用于檢測和分析所述時域波形的裝置包括: 至少一個光敏元件； 數(shù)字化轉(zhuǎn)換器，其耦接到所述光敏元件，所述數(shù)字化轉(zhuǎn)換器被配置用于將光學(xué)波形轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號； 數(shù)字信號處理器，被配置用于分析所述數(shù)字信號，以讀取目標(biāo)。
16.如權(quán)利要求1中所述的設(shè)備，還包括在所述用于色散型傅立葉變換的裝置之前、之內(nèi)、或之后的光學(xué)放大和/或濾波。
17.如權(quán)利要求1中所述的設(shè)備: 還包括在所述用于色散型傅立葉變換的裝置之前、之內(nèi)、或之后的光學(xué)放大和/或濾波；并且 其中使用受激拉曼散射、半導(dǎo)體放大器、或光纖放大器來實現(xiàn)所述光學(xué)放大。
18.如權(quán)利要求1中所述的設(shè)備，還包括: 布置在所述用于色散型傅立葉變換的裝置之前、之內(nèi)、或之后的光纖放大器；以及 對所述光纖放大器進行泵激的連續(xù)波光或脈沖光。
19.如權(quán)利要求1中所述的設(shè)備，還包括用于對目標(biāo)執(zhí)行光學(xué)數(shù)據(jù)庫相關(guān)匹配檢測的裝置。
20.如權(quán)利要求1中所述的設(shè)備，還包括: 電光調(diào)制器，其布置在將所述響應(yīng)光信號轉(zhuǎn)換為電信號之前；以及 數(shù)據(jù)庫，其耦接到所述用于控制光調(diào)制的電光調(diào)制器； 其中，從數(shù)據(jù)庫及其施加到所述電光調(diào)制器的共軛來接收期望的條碼圖案； 其中，響應(yīng)于被檢測響應(yīng)光信號是否具有相關(guān)峰來實現(xiàn)目標(biāo)與數(shù)據(jù)庫的相關(guān)匹配檢測。
21.如權(quán)利要求1中所述的設(shè)備，其中所述用于執(zhí)行光學(xué)數(shù)據(jù)庫相關(guān)的裝置包括: 圖案生成器，被配置用于基于來自數(shù)據(jù)庫的信息來生成相關(guān)圖案，應(yīng)當(dāng)在目標(biāo)集合中找到當(dāng)前目標(biāo)； 調(diào)幅器，其耦接到所述圖案生成器，所述調(diào)幅器被配置用于對響應(yīng)光信號進行調(diào)制；以及 用于對進行了幅度調(diào)制的響應(yīng)光信號進行閾值感測的裝置，以指示目標(biāo)與從數(shù)據(jù)庫接收到的用于調(diào)制所述響應(yīng)光信號的幅度的相關(guān)圖案之間的正相關(guān)性或負相關(guān)性。
22.如權(quán)利要求1中所述的設(shè)備，其中所述設(shè)備被配置用于讀取一維或二維目標(biāo)。
23.如權(quán)利要求1中所述的設(shè)備，其中所述設(shè)備被配置用于對作為在商品的跟蹤、印刷電路板的串行控制、HDD部件的檢尋控制、輸送線中的自動分揀、PC媒體驅(qū)動器的跟蹤、或晶片生產(chǎn)中使用的條碼的目標(biāo)進行讀取。
24.如權(quán)利要求1中所述的設(shè)備，其中所述設(shè)備被配置用于對選自應(yīng)用領(lǐng)域組中的應(yīng)用中的目標(biāo)進行讀取，所述應(yīng)用領(lǐng)域組包括生物信息學(xué)、醫(yī)學(xué)標(biāo)本的跟蹤、跟蹤干細胞庫、精子庫、和/或在DNA序列庫中的使用。
25.如權(quán)利要求1中所述的設(shè)備，其中所述設(shè)備被配置用于在對目標(biāo)執(zhí)行高速位移感測的過程中讀取目標(biāo)。
26.如權(quán)利要求1中所述的設(shè)備: 其中所述設(shè)備被配置用于在對目標(biāo)執(zhí)行高速位移感測的過程中讀取目標(biāo)；以及 其中高速位移感測包括對粗糙表面的測量和/或?qū)挾群烷g隙的測量。
27.如權(quán)利要求1中所述的設(shè)備，其中所述設(shè)備被配置用于通過檢測和/或測量流體內(nèi)顆粒的移動和形態(tài)特征來實現(xiàn)流式細胞計量術(shù)。
28.如權(quán)利要求1中所述的設(shè)備，其中所述設(shè)備被配置用于響應(yīng)于光存儲介質(zhì)內(nèi)編碼的反射差異來對目標(biāo)進行讀取。
29.如權(quán)利要求1中所述的設(shè)備: 其中，所述設(shè)備被配置用于對包括光存儲介質(zhì)內(nèi)編碼的反射差異的目標(biāo)進行讀??；以及 其中，根據(jù)從用來編碼⑶、DVD、和藍光光盤的協(xié)議組中選出的期望的存儲協(xié)議來格式化所述光存儲介質(zhì)。
30.如權(quán)利要求1中所述的設(shè)備，其中所述設(shè)備被配置用于物體存在或不存在的檢測。
31.一種設(shè)備，包括: 寬帶光源，被配置用于生成脈沖探測束； 光譜編碼器，被配置用于將所述脈沖探測束轉(zhuǎn)換到空間域并且引導(dǎo)其指向?qū)⒁x取的目標(biāo)；` 空間解碼器，被配置用于將從目標(biāo)反射的空間域光或透射穿過目標(biāo)的空間域光轉(zhuǎn)換到時域；以及 信號處理器，被配置用于檢測和分析所述時域波形，以在目標(biāo)內(nèi)讀取圖案和/或確定位移。
32.—種用于讀取目標(biāo)的圖案和確定目標(biāo)的位移的方法,包括: 從寬帶光源生成脈沖探測束； 將所述脈沖探測束轉(zhuǎn)換到空間域； 引導(dǎo)所述空間域脈沖探測束指向?qū)⒁x取的目標(biāo)； 將來自被讀取目標(biāo)的空間域光轉(zhuǎn)換為時域波形；以及 在配置用于執(zhí)行來自存儲器的程序指令的處理器內(nèi)檢測并分析所述時域波形，以在目標(biāo)內(nèi)讀取圖案和/或確定位移。
【文檔編號】G06K7/14GK103632125SQ201310624745
【公開日】2014年3月12日 申請日期:2009年7月23日 優(yōu)先權(quán)日:2008年7月24日
【發(fā)明者】合田圭介, 巴赫拉姆·賈拉利, 謝堅文 申請人:加利福尼亞大學(xué)董事會
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