KR102577524B1 - 고효율 멀티플렉싱 - Google Patents
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Abstract
방사선을 측정하는 방법에서, 방사선은 각각의 영역에 입사하는 적어도 N 개의 상이한 조합의 방사선을 적어도 2 개 이하의 N 개의 개별 방향으로 지향시키기 위해 변조기에 의해 시간적으로 및/또는 공간적으로 분리된다. 각 방향에서의 방사선의 전체 세기는 각각의 변조기 구성에 대한 검출기로 측정되며, 검출기 출력은 통계적으로 방사선의 스펙트럼 특성과 관련된 정보를 얻기 위해 분석된다. 이러한 방식으로, 측정 장치의 입구 개구에서 수신된 실질적으로 모든 에너지는 다수의 출력으로 인코딩되고, 멀티플렉싱된 출력은 적은 수의 검출기에 의해 수신된다.
Description
본 발명은 공간 및/또는 시간 변조를 이용한 파장 또는 입자 플럭스의 측정에 관한 것이다. 파장은 적어도 하나의 특성 또는 종속 변수에서의 공간 변화를 포함할 수 있다. 본 발명은 전자기파, 물질파 및 압력파(음파)에 적용된다. 파동은 가로 또는 세로일 수 있다. 전자기파에서의 공간적 변화 또는 종속 변수는 진폭, 강도, 주파수, 파장, 위상, 전파의 편광 방향 또는 원래 위치일 수 있다.
전자기파는 또한 광자의 플럭스로서 기술될 수 있다. 물질파는 전자, 중성자, 원자, 이온, 분자 또는 이들의 집합체의 입자 플럭스로 설명될 수도 있다. 입자 플럭스의 공간적 변화는 원래 위치, 속도, 가속도, 전하, 질량, 스핀, 양자 상태, 자기 또는 전기 쌍극자를 포함한 물질의 모든 특성과 관련될 수 있다. 음파의 공간 변화는 진폭, 강도, 속도, 위상 또는 원래 위치일 수 있다.
측정 방법은 결정학, 분광학, 간섭계, 스펙트럼 이미징, 이미징, 양전자 방출 단층촬영, 현미경, 전자 현미경, 질량 분석, 이온 이동성 분광법 및 모세관 전기 영동을 포함하지만, 이에 제한되지 않는 다른 많은 분야에서 사용될 수 있다. 본 명세서의 구성은 또한 통신 시스템, 레이더 시스템 또는 상기에서 구체적으로 기재된 다른 용도에 사용될 수 있다.
하나의 예는 광학적으로 얇은 이종 샘플을 분석하기 위한 것으로서 2013 년 1 월 1 일자로 공고된 US 8345254(Prystupa)에 개시되어 있으며, 그 개시 내용은 추가 정보를 연구할 수 있으며, 또한 그 개시 내용은 본원에 참조로 포함된다.
또 다른 예는 이동 샘플에 의해 반사된 광 및 초음파를 분석하기 위한 것으로서 2016 년 1 월 28 일자로 공개된 PCT 공개 출원 2016/0011548(Prystupa)에 개시되어 있으며, 그 개시 내용은 추가 정보를 연구할 수 있으며, 또한 그 개시 내용은 본원에 참조로 포함된다.
또 다른 예는 입자 분리를 위한 것으로서 2018 년 2 월 1 일자로 공개된 PCT 공개 출원 2018/018155에 개시되어 있으며, 그 개시 내용은 추가 정보를 연구할 수 있으며, 또한 그 개시 내용은 본원에 참조로 포함된다. 또한, 본 개시의 주요 특징은 이하의 완전성을 위해 포함된다.
본 발명은 멀티플렉스 분광학 분야에서 주로 개발된 개념의 확장이다. 분광학 분야에는 광범위한 문헌이 있다. 그 설명은 단지 본 발명에 대한 중요한 요점에 대해서만 상세히 요약된 것으로 의도된다. 독자는 볼프강 댐트로이더(Wolfgang Demtroder)의 레이저 분광법: 기본 개념 및 계측, 2판(Basic Concepts and Instrumentation, 2nd Edition)과, 스프링거 버락(Springer Verlag)의 주제에 대한 실질적인 설명에 대한 뉴욕 (1982)(New York (1982) for a practical description of the topic), 또는 맥스 본과 에밀 울프(Max Born and Emil Wolf)의, 광학 원리, 7판(Principles of Optics, 7th Edition), 캠브리지 대학 출판부의 주제에 대한 엄격한 토론(a rigorous discussion of the topic)을 참조하라.
분산 장치의 특징과 멀티플렉싱을 결합하는 아다마르 분광계(Hadamard spectrometers)는 마틴 하위트(Martin Harwit)(1979)에 의해 잘 설명되어 있다. 아다마르 분광계의 일반적인 설계는 광학 경로를 따라 다양한 지점에서, 포커싱 광학 및 폴딩 미러와 함께, 입구 슬릿, 콜리메이팅 요소, 회절 요소, 공간 마스크, 및 검출기를 포함한다. 일부 설계에서, 회절 요소와 공간 필터의 순서는 서로 바뀐다. 전자기 방사선은 회절 요소에 의해 파장 대역으로 분산되고, 공간 필터에 초점을 맞추며, 모든 파장 대역이 아닌, 일부 파장을 검출기로 향하게 한다. 검출기는 일련의 상이한 공간 필터들에 대한 전자기 방사선의 세기를 측정하고, 가중 방식에 따라 각 파장대의 세기를 추론하기 위해 일련의 식이 이용된다. 이 주제에 대한 자세한 내용은, 닐. 제이. 에이. 슬로안(Neil J. A. Sloane)과 마틴 하위트(Martin Harwit)의 아다마르 변환 광학용 마스크 및 계량 설계(APPLIED OPTICS 15(1) 107-114(1976))를 참조하라.
예를 들어, 1971 년 5 월 18 일자로 공고된 미국 특허 3578980(Decker)에 도시된, 초기 아다마르 기구는 마스터 마스크의 단계적 이동에 의해 일련의 아다마르 공간 마스크를 생성하였다. 이러한 시스템은 마스크 정렬에 문제가 있었고, 몇 가지 기술적 진보로 이어졌지만, 그 중 어느 것도 만족스럽지는 않았다. 이 디자인에 대한 변형은 1971 년 6 월 22 일자로 공고된 미국 특허 3586442(Tripp)에 의해 개발되었으며, 이로 인해 공간적으로 인코딩된 파장 대역이 이차 분산 요소에 입사하여 분산을 취소하고 방사선 장을 검출기에 집중시킨다. 회전 마스크를 기반으로 하는 아다마르 시스템이 개발되었다. 2001 년 8 월 7 일자로 공고된 미국 특허 6271917(Hagler)은 이진 마스크의 전송 단계가 푸리에 분석하에서 링잉(ringing)을 생성하고 등급화된 전송을 갖는 마스크 슬릿을 제안한다고 언급했다.
하이브리드 푸리에 변환 분광계를 생성하기 위해 간섭계에 아다마르 방법이 적용되었다. 1988 년 6 월 14 일자로 공고된 미국 4750834에서 페트레이(Fateley) 등은 간섭 패턴의 평면에 전기적으로 변경 가능한 마스크를 배치하는 방법을 기술한다. 페이트레이 등은 또한 1996 년 1 월 30 일자로 공고된 US 5488474에서 FTIR 분광계에 대한 인터페로그램 센터-버스트(interferogram centre-burst)를 감소시키는 방법을 제공한다. 본 발명은 이러한 방법을 확장하여 개선된 신호-대-노이즈(signal-to-noise)를 제공한다.
1989 년 8 월 15 일자로 공고된 US 4856897에서 페트레이 등은 아다마르 전기-광학 마스크 및 단일 검출기를 기반으로 하는 라만 분광계를 기술한다. 본 발명은 이러한 설계의 신호-대-노이즈 성능을 향상시키는 것을 목적으로 한다.
보다 최근에, 1993 년 8 월 10 일자로 공고된 미국 특허 5235461(Kirsch)의 전기 광학 효과(액정), 또는 1996 년 4 월 2 일자로 공고된 미국 특허 5504575의 전기 기계 효과(마이크로미러 어레이)에 의해, 동적으로 생성된 마스크를 기반으로 하는 아다마르 설계가 제안되었다. 이러한 접근 방식에는 몇 가지 문제가 있다. 듀티 사이클 및 결과적인 샘플링 속도는 마스크가 하나의 정의된 상태에서 다른 정의된 상태로 전이하는 전환 시간에 의해 제한된다. 액정 기반 설계에서, 투과 마스크 영역과 흡수 마스크 영역 사이의 대비는 10 비트 미만으로 기기의 정확도를 제한한다. 마이크로미러 기반 설계의 듀티 사이클은 열 부하에 의해 제한된다. 더욱이, 마이크로미러 설계는 회절 및 논-유니티 패킹 분율(non-unity packing fraction)에 영향을 받는다. 또 다른 최근의 아다마르 변형은, 1991 년 9 월 24 일자로 공고된 미국 특허 5050989(Van Tassel)의 고정된 아다마르 마스크 어레이를 조명하고, 전송된 패턴을 초점 평면 어레이로 측정한다. 이 설계는 이동 부품없이도 기계적으로 견고하다는 장점이 있지만, 큰 초점 평면 어레이가 필요하다는 단점이 있다. 실제적인 관점에서, 이 접근법은, 실리콘 기반 초점 평면 어레이가 저렴한, 스펙트럼의 가시 영역에 대해 제한된다.
공간 규모는 스펙트럼 치수와 같은 방식으로 멀티플렉스 될 수 있다. 일반적인 경우는 스펙트럼 이미징이며, 공간 및 스펙트럼 규모의 데이터 큐브를 생성한다. 코이프만(Coifman) 등은 2009 년 9 월 15 일자로 공고된 미국 특허 758972에서 필터의 모자이크 어레이를 사용하는 다중 스펙트럼 이미징을 위한 장치를 기술하고 있다. 미국 특허 8345254에서는 멀티플렉싱이 더욱 확장되어 약한 신호를 증폭시킨다. 데이터 큐브의 정보량과 필수 처리 요구사항은, 큐브의 포인트 간 상관 관계를 사용하여 큐브를 설명하는 데 필요한 파마미터의 수를 줄일 수 있는 아이디어에 기반한 압축 샘플링 체계가 개발되었다. 더욱 상세함은 맥맥킨(McMackin) 등의 2014 년 5 월 6 일자로 공고된 미국 특허 8717484에 설명되어 있다.
상기 언급된 모든 아다마르 변형들의 공통적인 주요 단점은, 광학 손실이 무시 되더라도, 입구 개구로 들어가는 EM 방사선이 평균적으로, 절반 만이 검출기에 수신된다는 것이다. 이 제한은 1986 년 10 월 7 일과 1989 년 1 월 24 일자로 각각 공고된 미국 특허 4615619 및 4799795(Fateley)에 제시된 배열에 의해 부분적으로 극복되며, 이는 EM 방사선을 투과 및 반사시켜 표준 아다마르 마스크를 생성시킬 수 있는 전기-광학 필터의 어레이의 사용을 제안했다. 페트레이(Fateley)는 도 5와 관련하여, 투과 및 반사 방사선을 모두 측정할 수 있으며 원칙적으로 유효 처리량을 향상시킬 수 있다고 하였다. 그러나 페트레이의 구현은 50 %(5 % 전송에서 55 % 전송까지)의 변조만 제공한다. 입구 개구로 들어가는 EM 방사선의 절반 만이 효과적으로 사용된다. 페트레이는 2차 탐지기로부터의 정보를 사용하는 방법에 대하여는 어떠한 공개도 제공하지 않는다. 상기 언급된 모든 아다마르 변형의 추가적인 제한은, 달성 가능한 최상의 스펙트럼 해상도가 마스크 요소 크기의 고정된 기하학적 구조에 의해 제한된다는 것이다.
아다마르 변환 비행 시간 질량 분광계(Hadamard Transform Time-of-Flight Mass Spectrometer)는 브록(Brock)(1998) 등에 의해 처음 설명되었다. 이온은 전기분무 니들(electrospray needle)을 통해 지속적으로 도입되어, 스쳐 지나가고, 가속되고, 시준된다. 시준된 이온 빔은 브레드베리-닐슨 셔터(Bradbury-Nielsen shutter)에 입사되는데, 이 빔은 검출기를 향하여 편향되지 않은 이온 빔을 통과 시키거나, 빔 축의 위와 아래로 이온 빔을 편향시킨다. 직접 및 편향된 빔이 측정되도록 빔 축의 위와 아래에 검출기를 추가하여, 장치를 나중에 수정하였다(Trapp, 2004). 이 수정은 듀티 사이클을 100%에 가깝게 늘리고, SNR을 이전 버전과 비교하여 29 % 개선했다. 이론상으로는 44 %의 개선이 예상되었다. 이러한 차이는 잘못된 검출기 채널에 기여하는 이온 플럭스의 불완전한 분리로 인한 것이다. 두 버전 모두에서, 셔터는 아다마르 매트릭스의 행에 따라 시간적으로 변조되어, 의사 랜덤 특성간 시프트로 이온 패킷을 통과시킨다. 각 패킷은 가장 가벼운 이온이 가장 빠르게 이동하여 전계 프리 영역에 퍼진다. 검출기는 각 행에 대한 시간 시컨스로서 시간 시프트된 패킷의 중첩을 수신한다. 역 아다마르 변환(inverse Hadamard transform)은 각 패킷 내에서 원래의 질량 분포를 복구하기 위해 수행된다. 후속 작업에서 허드겐스(Hudgens) 등은 아다마르 패턴을 생성하기 위해 이온 소스를 조절했다.
브록, 에이.(Brock, A.); 로드리게즈, 엔.(Rodriguez, N.); 자레, 엔.(Zare, N.) Hadamard Transform Time-of-Flight Mass Spectroscopy. Anal. Chem., 70, 3735-3741 (1998).
트랩, 오.(Trapp, O.); 킴멜, 제이.알.(Kimmel, J.R.); 윤, 오.케이.(Yoon, O.K.); 줄레타, 아이.에이.(Zuleta, I.A.); 페르난데스, 에프.엠.(Fernandez, F.M.); 자레, 알.엔.(Zare, R.N.). Continuous Two Channel Time-of-Flight Mass Spectroscopic Detection of Electrosprayed Ions. Agnew. Chem. Int. Ed. 43, 6541-6544 (2004).
허그겐, 제이.더블유.(Hudgens, J.W.); 베르게론, 디.(Bergeron, D.) A Hadamard transform electron ionization time-of-f light mass spectrometer. REVIEW OF SCIENTIFIC INSTRUMENTS 79(1 ) : 014102 (2008).
상기 참고 문헌 각각의 개시 내용은 본원에 참고로 포함되거나, 본원에서 사용될 수 있는 구성물의 추가 세부 사항을 위해 연구될 수 있다.
본 발명은 파동 및 입자 플럭스에 대한 변조 시스템 및 분석 방법에 관한 것이다. 물리학에서의 당업자는 본 발명에 의해 측정된 물리적 현상이 입자 및 파동 설명을 가지며, 설명의 선택은 편의의 문제라는 것을 이해할 것이다. 변조는 공간적, 시간적, 또는 둘 다 일 수 있다. 파동은 전자파, 물질파 또는 압력파에 의해 발생할 수 있다.
본 발명의 하나의 정의에 따르면, 다음 단계를 포함하는 입사 방사선의 하나 이상의 특성을 측정하는 방법이 제공된다:
측정될 입사 방사선을 수집하는 단계;
입사 방사선을 N 개의 패킷으로 나누고, 각 패킷은 제 1 특성의 상이한 값을갖는 방사선을 포함하는 단계;
시간적 또는 공간적 변조기를 사용하여 상기 방사선 패킷을 시간적 또는 공간적으로 분리하고, 변조 시컨스를 사용하여 N 개의 상이한 조합의 입사 방사선 패킷을 적어도 2 개의 개별 경로로 보내도록 변조기를 변화시키는 단계, 여기서, 모든 개별 경로에 대한 방사선 세기의 합은 전체 입사 방사선의 적어도 60%이다;
복수의 검출기 출력을 제공하기 위해 각각의 변조기 구성에 대한 검출기로 각각의 경로에서 방사선의 전체 세기를 측정하는 단계; 및
측정될 방사선의 특성과 관련된 정보를 얻기 위해 검출기 출력을 통계적으로 분석하는 단계를 포함하며;
여기서 변조기 구성 시컨스는 각각의 패킷이 상기 개별 경로로 향하는 적어도 2 개의 구성을 포함한다.
일 실시예에서, 방사선은 소스 위치, 에너지, 주파수, 파장, 위상 또는 편광에 의해 공간적으로 분리되고, 측정 표면으로 특성화되도록 N > 2 개의 상이한 영역으로 지향되고, 변조기는 상기 측정 표면에 배치된 공간 변조기이다.
다른 실시예에서, 방사선은 게이트 변조기를 사용하여 시간적으로 분리된다.
본 발명의 다른 정의에 따르면, 다음 단계를 포함하는 입사 방사선의 하나 이상의 특성을 측정하는 방법이 제공된다:
측정될 입사 방사선을 수집하는 단계;
입사 방사선을 시간 변조기 또는 공간 변조기, 또는 시간 및 공간 변조기로 지향시키는 단계;
상기 변조기는 일련의 M 구성을 통해 순환하며, 각각의 구성에서 방사선이 변조기에 입사하는 위치 및/또는 시간에 따라 입사 방사선을 N 부분으로 분할하고, 입사 방사선의 각 부분의 대부분을 P 개별 경로 중 하나로 지향시키고, 여기서 모든 부분 및 모든 경로에 대한 방사선 세기의 합이 입사 방사선 세기의 적어도 60 % 이며;
복수의 검출기 출력을 제공하기 위해 각각의 변조기 구성에 대한 검출기로 각각의 경로에서 방사선의 전체 세기를 측정하는 단계; 및
측정될 방사선의 특성과 관련된 정보를 얻기 위해 검출기 출력을 통계적으로 분석하는 단계를 포함하며;
여기서 P는 2보다 크거나 같고, N보다는 작으며;
M은 N보다 크거나 같고, 변조기 구성 시컨스는 각 부분의 대부분이 다른 경로로 향하는 적어도 2 개의 구성을 포함한다.
일 실시예에서, 방사선은 소스 위치, 에너지, 주파수, 파장, 위상 또는 편광에 의해 N > 2 부분으로 공간적으로 분할되고, 측정 표면으로 특성화되도록 N 개의 상이한 영역으로 지향되고, 여기서 변조기는 상기 측정 표면에 배치된 공간 변조기이다.
다른 실시예에서, 방사선은 예를 들어, 상기 시컨스에 따라 변조되는 게이트 변조기를 사용하여 N > 2 부분으로 시간적으로 분할된다.
바람직하게는 변조기의 구성 순서는, 구성 순서 Z의 매트릭스 표현이 ZTZ가 비-단일적 성질을 갖도록 선택되고; 여기서 Z는 MP 행과 N 열을 가지며, Z의 각 행은 하나의 검출기에서의 측정을 나타내고, Z의 각 열은 입자 플럭스 파라미터에 대한 하나의 범위를 나타낸다. Z의 요소는 하나의 측정에 대해 행에 의해 지정된 검출기에 의해 수신된 각 범위로부터의 입자 플럭스의 분율을 나타낸다.
본 발명의 다른 정의에 따르면, 다음 단계를 포함하는 독립 변수의 간격 내에서 입사 방사선의 하나 이상의 종속 변수를 측정하는 방법이 제공된다:
측정될 입사 방사선을 수집하는 단계;
공간 변조기 또는 시간 변조기를 사용하여 각각의 간격에서 절반 이상의 입사 방사선을 적어도 2 개의 개별 경로 중 하나로 지향시키는 단계로서, 상기 변조기는 일련의 구성을 겪으며, 여기서, 시컨스의 각각의 부재는 입사 방사선의 상이한 조합을 간격 내에서 각 경로로 향하도록 하고, 모든 개별 경로에 대한 방사선 세기의 합은 전체 입사 방사선의 적어도 60 % 이며;
복수의 검출기 출력을 제공하기 위해 각각의 변조기 구성에 대한 검출기로 각각의 경로에서 방사선의 전체 세기를 측정하는 단계;
측정될 방사선의 특성과 관련된 정보를 얻기 위해 검출기 출력을 통계적으로 분석하는 단계를 포함한다.
본 명세서에서 사용되는 용어 "게이트(gate)" 또는 "게이트 변조기(gate modulator)"는 플럭스 또는 입자를 취하고 그 플럭스의 절반 이상을 상이한 시간에 적어도 2 개의 상이한 목적지로 전달하는 기능을 수행하는 장치를 지칭한다. 게이트의 일례는 멀티플렉서이다.
용어 "분할(division)"과 "범위(range)"는 서로 바꾸어 사용될 수 있다. 둘 다 독립 파라미터의 간격을 나타매며, 일반적으로 공간 또는 시간뿐만 아니라 공간 및 시간 파라미터와 상관되는 파라미터의 간격을 나타낸다.
용어 "통계학적(statistically)" 및 "통계학적 분석(statistical analysis)"은 다변량 통계, 상관 관계 및 확률을 기초로하여, 적어도 제곱에서 직접적으로 계산되거나 또는 신경망에서 간접적으로 계산되는지의 여부에 기초한 분석 방법을 나타낸다.
이는 변조기 구성 수, 변조기 유형 또는 변수 유형을 참조하지 않는 일반적인 설명이다. 이 정의에는 부분적으로 그리고 완전히 결정된 식 시스템이 모두 포함된다. 종속은 방사선의 특성을 의미하며, 독립은 방사선의 특성 또는 시간이나 공간과 관련이 없는 것이 될 수 있다.
일 실시예에서, 방사선은 소스 위치, 에너지, 주파수, 파장, 위상 또는 편광의 세트로부터 선택된 독립적인 특성에 의해 공간적으로 분리되고, 측정 표면으로 특성화되도록 N > 2 개의 상이한 영역으로 지향되고, 변조기는 상기 측정 표면에 배치된 공간 변조기이다.
다른 실시예에서, 독립 특성은 시간이고, 기간 T에 걸쳐 수신된 방사선은 게이트 변조기를 사용하여 N > 2 시간 슬라이스로 시간적으로 분리된다. 시간 슬라이스는 동일한 길이 T / N 이거나 길이가 같지 않을 수 있다. 동일한 길이의 시간 슬라이스는 종속 특성이 강한 레이저 펄스의 형상을 측정하는데 유용할 수 있다. 비행 시간 광학 분광계(time of flight optical spectrometer)에서의 게이트 변조기는 분산 매체를 통해 이동하는 광자의 펄스를 동일하지 않은 시간 슬라이스로 분할하여 동일한 파장 간격으로 광자 플럭스를 측정할 수 있다.
바람직하게는 변조기의 상이한 구성의 수는 독립 특성의 분할 수보다 크거나 같다. 이는 모든 변수를 해결할 수 있다.
바람직하게는, 변조기 구성 시컨스는 각 분할에 대한 적어도 2 개의 구성을 포함하는데, 이 분할 내의 방사선의 대부분은 상이한 경로로 지향된다.
바람직하게는 각각의 경로는 복수의 검출기를 가지며, 각각의 검출기는 상이한 에너지 범위 내에서 경로를 따라 이동하는 방사선을 측정한다.
일 실시예에서, 측정될 방사선은 분산 분광계로부터의 것이다.
일 실시예에서, 측정될 방사선은 푸리에 변환 분광계로부터의 것이다.
일 실시예에서, 측정될 방사선은 이미징 분광계로부터의 것이다. 이 실시예에서, 각각의 경로는 복수의 검출기를 가질 수 있으며, 각각의 검출기는 관찰될 물체 내의 상이한 세트의 영역으로부터 나오는 방사선을 측정한다.
일 실시예에서, 측정될 방사선은 간섭 패턴으로부터의 것이다.
일 실시예에서, 측정될 방사선은 회절계로부터의 것이다.
일 실시예에서, 측정될 방사선은 라만 산란이다.
일 실시예에서, 측정될 방사선은 그레인 커널로부터의 것이다.
일 실시예에서, 공간 변조기는 굴절이다.
일 실시예에서, 공간 변조기는 반사적이다.
일 실시예에서, 공간 조절제는 회절성이다.
일 실시예에서, 각각의 경로상의 검출기는 아날로그 전압을 생성하고, 그 아날로그 전압은 디지털 형태로 변환하기 전에 감산된 기본 전압 레벨을 갖는다.
일 실시예에서, 본 발명은 위치 및 시간에 따라 변하는 적어도 하나의 특성을 갖는 파동을 수신하고, 공간 변조기를 사용하여 둘 이상의 경로를 따라 공간적으로 특성을 인코딩하고, 시간적 변조기를 사용하여 각 경로를 따라 특성을 일시적으로 인코딩하고, 각 경로에는 검출기가 있고 모든 검출기의 정보를 분석하여 분광계에 입사되는 파동에 대한 정보를 제공하다.
통상적으로, 일련의 측정은 시컨스의 각 측정에 대해 위치에 따라 다르게 변하는 파동 특성을 인코딩하는 공간 변조기로 수행된다. 이 시컨스는 신호-대-노이즈 비율을 더욱 개선하기 위해 반복될 수 있다. 이 실시예에서, 본 발명은 푸리에 또는 아다마르 분광계와 같은 단일 검출기 멀티플렉싱 기구와 검출기의 비-멀티플렉스 선형 어레이 사이에서 개념적으로 중간이다. 본 발명은 다수의 검출기의 일부를 사용하면서, 종래의 멀티플렉싱보다 우수하고 선형 어레이의 검출기에 가까운 신호-대-노이즈 비율을 제공한다.
즉, 다른 실시예에서, 본 발명은 시간에 따라 변하는 적어도 하나의 특성을 갖는 파동을 수신하고, 파동 특성에 비례하는 아날로그 신호를 생성하는 검출기에서 파동을 수신하고, 아날로그 신호를 일시적으로 둘 이상의 적분 디바이스로 변조하고, 모든 통합 장치의 정보를 분석하여 분광계에 입사되는 파동에 대한 정보를 제공하다.
이 실시예는 개선된 시간 해상도 및 개선된 신호-대-노이즈 성능으로 재현 현상의 역학(dynamics of recurring phenomena)을 측정하는 방법을 제공한다.
다른 실시예에서, 위에서 언급된 공간 및 시간 변조 실시예 모두가 결합될 수 있다.
방사선은 광자, 전자, 양전자, 아원자 입자, 양성자, 중성자, 이온, 원자 또는 분자를 포함하는 목록으로부터 선택된 입자로 구성될 수 있지만, 이들로 제한되지는 않는다.
바람직하게는, 모든 개별 방향에 대해 측정된 방사선 세기의 합은 측정 표면에 입사하는 총 방사선 세기의 적어도 90 % 이다.
바람직하게는, 변조기는 방사선을 적어도 3 개의 방향으로 지향시킨다.
바람직하게는, 변조기는 적어도 두 개의 개별 영역을 갖는 베이스 마스크의 순환 순열을 생성한다.
바람직하게는, 변조기는 베이스 마스크의 각 영역이 그 영역에 입사되는 방사선의 적어도 절반, 바람직하게는 90 % 이상을 개별 방향으로 향하게 한다.
바람직하게는, 변조기의 베이스 마스크의 적어도 하나의 영역은 그 영역에 입사되는 방사선의 일부를 제 1 방향으로, 그리고 그 영역에 입사되는 방사선의 적어도 일부를 상이한 개별 방향으로 지향시킨다.
일부 실시예들에서, 변조기의 적어도 하나의 영역은, 변조기의 베이스 마스크 영역의 적어도 일부가 적어도 2 개의 측정 영역을 통과하도록, 측정 동안 변환되거나 회전된다.
바람직하게는, 각각의 측정 영역에 대해 각각의 개별 방향으로 향하는 방사선의 비율은 마스크 영역이 방사선을 그 방향으로 향하게 하는 시간 계량 기하 분수(time weighed geometric fraction)로 계산된다.
일부 경우에, 베이스 마스크는 아다마르 마스크 또는 의사-랜덤 마스크이다.
일부 경우에, 공간 변조기는 베이스 마스크의 순환 순열을 생성하고, 마스크 특성의 적어도 일부는 측정 기간 동안 마스크의 움직임에 의해 결정된다. 그러나, 예를 들어 각각의 마스크 요소가 마이크로-미러 어레이에서와 같이 개별적으로 조정될 수 있는, 비-순환 순열(non-cyclic permutations)을 사용할 수도 있다. 순환 순열은 고정된 형상을 가진 마스크에서 발생하다.
바람직하게는, 변조기의 적어도 하나의 요소는 마이크로-미러 어레이, 마이크로-격자, 액정, 전기-광학 장치와 같은, 적어도 2 개의 상이한 구성을 갖는다.
바람직하게는, 각각의 검출기 출력은 검출기 출력의 합으로 정규화된다.
바람직하게는, 측정될 방사선의 특성은 다변량 최소 제곱 분석(multivariate least squares analysis)에 의해 얻어진다.
바람직하게는, 측정될 방사선의 정보는 원시 검출기 출력(상기와 같은) 또는 정규화된 검출기 출력(상기와 같은)의 원리 성분 분석에 의해 얻어진다.
하나의 중요한 특징에서, N 영역을 갖는 방사선 패턴은 통계 분석에 의해 분석되어 더 적은 수의 잠재 변수를 발견하고; m 개의 측정을 수행하고 통계 분석을 사용하여 각 잠재 변수의 값을 추론한다. 이 특징은, 일부 N 영역이 서로 관련되어 있고 N 영역 중 일부에 관심 정보가 거의 없는 환경에서 유용하다. 각 잠재 변수는 기본 N 영역 데이터 세트에서 총 분산의 일부를 나타낸다. 사용자는 허용 가능한 정밀도로 N 영역 데이터 세트를 모델링 하는 데 필요한 만큼의 잠재 변수만 사용하도록 선택할 수 있다. 예를 들어, 잠재 변수가 PCA에 의해 발견되면, 첫 번째 m 개의 잠재 변수는 일반적으로 기본 N 영역 데이터 세트의 대부분의 분산을 설명한다. 경험적으로, 처음 3 개의 잠재 변수는 수백 개의 스펙트럼 영역이 있는 적외선 스펙트럼에서 90 % 이상의 분산을 나타낸다. 사용자는 3 개의 잠재 변수를 N 영역 데이터 세트에 대한 허용 가능한 근사치로 사용하거나 근사 정밀도를 향상시키기 위해 더 많은 잠재 변수를 사용하도록 선택할 수 있다.
바람직하게는, 모든 검출기에 대해 합산된 방사선의 전체 세기는 공간 변조기 구성 중 적어도 일부에 따라 변하며; 각각의 변조기 구성에서, 원시 세기 값이 각각의 검출기에서 생성되고; 여기서 변조기 구성에 대한 총 세기는 C = SUM(검출기 세기 di)이며, 여기서 이 정규화는 세기의 변화를 보상하도록, 데이터 벡터가 값 di'= di/C로 로딩된다.
일례에서, 변조기는 동적 퇴플리츠 마스크를 포함하고, 해상도는 샘플링 속도를 변경함으로써 변화된다.
하나의 중요한 최종 용도에서, 방사선은 비행 시간 질량 분광계에 의해 제공된다.
하나의 중요한 최종 용도에서, 방사선은 형광 붕괴에 의해 제공된다.
하나의 중요한 최종 용도에서, 방사선은 유체 흐름을 측정하기 위한 플로우 셀에 의해 제공된다.
하나의 중요한 최종 용도에서, 방사선은 분석시 입자로부터 반사된 광에 의해 제공된다.
하나의 중요한 최종 용도에서, 방사선은 물질의 밀도를 분석하기 위해 통전된 고체 물질에 의해 방출된 초음파에 의해 제공된다.
바람직하게는, 대역통과 필터는 검출 시스템을 통해 전파되는 파장의 범위를 제한하고, 분석 시스템에 대한 경계 조건을 설정하는 데 유용하다.
바람직하게는, 대역통과 필터는 진단 값이 거의 없는 스펙트럼 대역을 제거하기 위해 사용되어, 검출기의 동적 범위는 더 큰 진단 값의 스펙트럼 대역을 측정하기 위해서만 사용된다.
바람직하게는, 대역통과 필터는 대역의 중요성에 비례하여 상이한 스펙트럼 대역의 기여를 가중함으로써 특정 분석물의 검출을 위한 기구 감도를 최적화하기 위해 사용된다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 다음 단계를 포함하는 입사 방사선의 하나 이상의 특성을 측정하는 방법이 제공된다:
측정될 입사 방사선을 수집하는 단계;
입사 방사선을 N 개의 패킷으로 나누고, 각 패킷은 제 1 특성의 상이한 값을 갖는 방사선을 포함하는 단계;
시간적 또는 공간적 변조기를 사용하여 상기 방사선 패킷을 시간적 또는 공간적으로 분리하고, 변조 시컨스를 사용하여 N 개의 상이한 조합의 입사 방사선 패킷을 적어도 2 개의 개별 경로로 보내도록 변조기를 변화시키는 단계;
복수의 검출기 출력을 제공하기 위해 각각의 변조기 구성에 대한 검출기로 각각의 경로에서 방사선의 전체 세기를 측정하는 단계; 및
측정될 방사선의 특성과 관련된 정보를 얻기 위해 검출기 출력을 통계적으로 분석하는 단계를 포함하며;
여기서, N 영역을 갖는 방사선 패턴은 스펙트럼에서 더 적은 수의 잠재 변수를 찾기 위해 통계 분석에 의해 분석되고; m 개의 측정을 수행하고, 통계 분석을 사용하여 각 잠재 변수의 값을 추론한다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 다음 단계를 포함하는 입사 방사선의 하나 이상의 특성을 측정하는 방법이 제공된다:
측정될 입사 방사선을 수집하는 단계;
입사 방사선을 N 개의 패킷으로 나누고, 각 패킷은 제 1 특성의 상이한 값을 갖는 방사선을 포함하는 단계;
시간적 또는 공간적 변조기를 사용하여 상기 방사선 패킷을 시간적으로 또는 공간적으로 분리하고, 적어도 2 개의 상이한 입사 방사선 패킷의 조합을 적어도 2 개의 개별 경로로 향하도록 변조 시컨스를 사용하여 변조기를 변화시키는 단계;
복수의 검출기 출력을 제공하기 위해 각각의 변조기 구성에 대한 검출기로 각각의 경로에서 방사선의 전체 세기를 측정하는 단계; 및
측정될 방사선의 특성과 관련된 정보를 얻기 위해 검출기 출력을 통계적으로 분석하는 단계를 포함하며;
여기서 방사선의 세기는 복수의 샘플 각각에 대해 변하고;
각각의 시간 샘플에서, 원시 세기 값이 제 1 검출기 A 및 제 2 검출기 B에서 생성되고;
여기서 시간 단계에서의 총 세기는 C = A + B이고, 여기서 데이터 벡터는 값 a' = A/C 및 b'= B/C로 로딩되어, 이 정규화는 세기의 변화를 보상한다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 다음 단계를 포함하는 입사 방사선의 하나 이상의 특성을 측정하는 방법이 제공된다:
측정될 입사 방사선을 수집하는 단계;
입사 방사선을 N 개의 패킷으로 나누고, 각 패킷은 제 1 특성의 상이한 값을 갖는 방사선을 포함하는 단계;
시간적 또는 공간적 변조기를 사용하여 상기 방사선 패킷을 시간적으로 또는 공간적으로 분리하고, 적어도 2 개의 상이한 입사 방사선 패킷의 조합을 적어도 2 개의 개별 경로로 향하도록 변조 시컨스를 사용하여 변조기를 변화시키는 단계;
복수의 검출기 출력을 제공하기 위해 각각의 변조기 구성에 대한 검출기로 각각의 경로에서 방사선의 전체 세기를 측정하는 단계;
측정될 방사선의 특성과 관련된 정보를 얻기 위해 검출기 출력을 통계적으로 분석하는 단계를 포함하며;
여기서 변조기는 동적 퇴플리츠 마스크(dynamic Toeplitz masks)를 포함하고, 해상도는 샘플링 속도를 변경함으로써 변화된다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 다음 단계를 포함하는 입사 방사선의 하나 이상의 특성을 측정하는 방법이 제공된다:
측정될 입사 방사선을 수집하는 단계;
입사 방사선을 N 개의 패킷으로 나누고, 각 패킷은 제 1 특성의 상이한 값을 갖는 방사선을 포함하는 단계;
시간적 또는 공간적 변조기를 사용하여 상기 방사선 패킷을 시간적으로 또는 공간적으로 분리하고, 적어도 2 개의 상이한 입사 방사선 패킷의 조합을 적어도 2 개의 개별 경로로 향하도록 변조 시컨스를 사용하여 변조기를 변화시키는 단계;
복수의 검출기 출력을 제공하기 위해 각각의 변조기 구성에 대한 검출기로 각각의 경로에서 방사선의 전체 세기를 측정하는 단계;
측정될 방사선의 특성과 관련된 정보를 얻기 위해 검출기 출력을 통계적으로 분석하는 단계;
각 측정에서 각각의 검출기에 의해 수신된 전체 세기에 대한 각 대역의 시간 가중 기여도를 추정하는 단계 및 시간 가중 기여도를 명시적으로 모델링하기 위해 Z 매트릭스의 계수를 설정하는 단계를 포함한다.
이것은 콘볼루션(convolution)을 적용하는 것과 기능적으로 동일하며, 결과적인 H 매트릭스는 단일 검출기 케이스에서도 이진수(binary) 및 단수(singular)가 아니다.
이하에서 더 상세히 설명되는 바와 같이, 본 명세서에 개시된 장치는 최적의 개수의 검출기를 사용하여 입자 플럭스의 특성을 효율적으로 측정하기 위한 멀티플렉싱 방법을 제공한다.
일 실시예에서, 입자는 광자이다. 다음의 논의에서, 광자 및 전자기 방사선 및 EM 방사선이라는 용어는 서로 바꾸어 사용될 수 있다. 이 방법은 분광학, 결정학, 간섭계, 이미징 및 스펙트럼 이미징을 포함하지만 이에 제한되지 않는 응용에 사용될 수 있다. 당 업계에 공지된 수집 광학계는 측정이 수행될 표면 상에 적어도 3 개의(및 일반적으로 더 많은) 상이한 전자기 방사선 부분을 수집하고 투영하는데 사용되고, 표면상의 공간 변조기는 적어도 2 개의 부분을 상이한 검출기로 보낸다. 방사선의 부분은 소스, 편광, 파장, 위상 또는 이들의 임의의 조합에 따라 변할 수 있다.
다른 실시예에서, 입자는 중성자이다. 상기 방법은 중성자 산란 및 중성자 회절을 포함하는 응용에 사용될 수 있다.
다른 실시예에서, 입자는 전자이다. 이 방법은 전자 회절 및 전자 현미경을 포함하는 응용에 사용될 수 있다.
다른 실시예에서, 입자는 양성자와 이온이다. 상기 방법은 질량 분석법, 이온 이동도 분석법 및 모세관 전기 영동을 포함하는 응용에 사용될 수 있다.
또 다른 실시예에서, 입자는 압력파를 형성하기 위해 집합적으로 이동하는 원자 또는 분자이다. 이 방법은 음향 분광법 및 음향 이미징을 포함하는 응용에 사용될 수 있다.
본 발명의 목적은 입사파 또는 입자 플럭스 에너지의 60 % 이상, 바람직하게는 실질적으로 모두를 수집하고 측정하는 것이다. 예시적인 목적으로, 여기서는 전자기 방사선을 참조하지만, 설명된 개념은 음향파, 중성자파, 전자파, 이온파, 원자파 및 분자파와 같은 다른 파에도 적용된다. 전자기파를 참조하면, 본 발명은 선택적인 대역통과 필터, 공간 또는 시간 변조기, 둘 이상의 검출기 세트 또는 적분기, 제어 시스템 및 분석 시스템을 포함한다.
대역통과 필터는 검출 시스템을 통해 전파되는 파장의 범위를 제한하고, 분석 시스템에 의해 식(3)(아래 참조)을 해결하기 위한 경계 조건을 설정하는 데 유용하다. 둘째로, 대역통과 필터는 진단 값이 거의 없는 스펙트럼 대역을 제거하는 데 사용될 수 있으므로, 검출기의 동적 범위는 더 큰 진단 값의 스펙트럼 대역을 측정하는 데만 사용된다. 셋째로, 대역통과 필터는 화학 분석(예를 들어, 분석물과 관련된 고유 벡터)에 의해 결정된 바와 같이 대역의 중요성에 비례하여 상이한 스펙트럼 대역의 기여를 가중함으로써 특정 분석물의 검출을 위한 기구 감도를 최적화하는데 사용될 수 있다. 이 접근법의 장점은, 검출기 세트 또는 적분기의 동적 범위가 분석물 측정에서 가능한 최고의 정밀도를 달성하기 위해 최적으로 활용된다는 것이다.
일 실시예에서, 공간 변조기는 제어 시스템에 의해 일련의 구성을 통해 스테핑된다. 각각의 구성에서, 공간 변조기는 입사 방사선을 그 구성에 대해 특정한 스펙트럼 내용을 갖는 둘 이상의 부분으로 나누고, 각 부분은 상이한 검출기 세트를 사용하여 측정된다. 가장 간단한 경우에, 검출기와 부품 간에는 일대일 대응이 있다. 확장된 파장 범위가 측정되는 경우, 검출기 세트를 사용하여 각 부품을 측정할 수 있다. 예를 들어, 한 세트는 UV 검출기, 가시 광선 검출기, 근적외선 검출기, 중 적외선 검출기, 마이크로파 검출기 및 전파 검출기를 포함할 수 있지만 이에 제한되지는 않는다. 프리즘, 격자, 대역통과 필터, 이색성 미러, 미러 및 렌즈와 같은 추가 광학 장치가 각 스펙트럼 영역을 적절한 검출기로 향하게 하는데 사용되는 것으로 이해된다. 각각의 검출기에서 세기 또는 진폭(헤테로다인 수단을 갖는)은 통합되고, 그 결과는 분석 수단으로 전송된다. 공간 변조기는 하나의 부분을 전송하고, 하나 이상의 다른 부분(들)을 반사함으로써, 또는 2 개 이상의 부분을 상이한 방향으로 반사함으로써 입사 방사선을 분할할 수 있다. 대안적으로, 공간 변조기는 하나의 부분을 투과시키고, 하나 이상의 부분을 상이한 방향으로 굴절시킴으로써, 또는 2 개 이상의 부분을 상이한 방향으로 굴절시킴으로써, 입사 방사선을 분할할 수 있다. 대안적으로, 공간 변조기는 하나의 부분을 투과시키고, 하나 이상의 부분을 상이한 방향으로 회절시킴으로써, 또는 2 개 이상의 부분을 상이한 방향으로 회절시킴으로써, 입사 방사선을 분할할 수 있다. 일반적으로, 투과, 반사, 굴절 및 회절의 임의의 조합이 상이한 부분의 방사선을 상이한 방향으로 지향시키기 위한 목적을 달성하기 위해 사용될 수 있다.
일부 실시예에서, 공간 변조기 및 관련 광학계 및 검출기는 측정될 방사선 소스에 대해 상대 운동하고, 상대 운동은 원하는 변조를 생성한다. 예를 들어, 지구 궤도를 도는 위성의 공간 변조기 상의 이미지는 공간 변조기와 관련하여 거의 일정한 속도로 이동하고, 이미지 정보는 이미지가 정지하고 변조기가 움직이는 것처럼 동일한 방식으로 변조된다. 두 경우 모두, 상대 운동은 변조를 생성하다.
비 전자기파를 조종하기 위해 당업자에게 잘 알려진 다른 방법이 사용될 수 있다.
이하에서 설명되는 일 실시예에서, 빠르게 움직이는 물체로부터 반사된 방사선은 수집되어 분광계의 입구 슬릿으로 전송된다. 각각의 시간 단계에서 수신된 총 방사선은 조사원 및 수집 광학에 대한 물체의 거리 및 배향의 변화로 인해 상이하다. 각각의 시간 단계에서, 원시 세기 값은 검출기 A(반사) 및 검출기 B(전송)에서 생성된다. 시간 단계에서의 전체 세기는 C = A + B 이다. 데이터 벡터는 값 a'= A/C 및 b'= B/C로 로드된다. 이 정규화는 전체 신호 레벨의 변화를 보상한다.
다른 실시예에서, 측정될 방사선은 총 측정 시간(T) 동안 하나 이상의 검출기에 입사된다. 예시적인 목적을 위해, 검출기는 광전자 효과를 통해 광-전자를 생성하는 포토다이오드 일 수 있다. 총 측정 시간은 N 간격으로 나뉜다. 각각의 시간 간격 동안, 시간 변조기는 후술하는 바와 같이 의사-랜덤 시컨스에 따라 복수의 적분기 중 하나를 선택하고, 그 시간 간격 동안 생성된 실질적으로 모든 광-전자를 선택된 적분기로 향하게 한다. 2 개의 적분기(A 및 B)의 가장 간단한 경우에, A 또는 B는 각각의 시간 간격 동안 광전자를 수신하고, 기간(T)에 걸쳐 A 및 B에 의해 수신된 광-전자의 합은 총 광-전자의 수와 실질적으로 동일하다. 측정 프로세스는 N 개의 고유한 시컨스로 적어도 N 회 반복되고, 각 측정을 위해 각 적분기에 의해 수신된 광전자의 수는 분석 시스템으로 전송된다.
이제 분석 시스템으로 돌아가서, 멀티플렉싱이 위에서 언급된 모든 실시예에서 공통 요소라는 것을 알 것이다. 차이점은 구현 세부 사항에 있다. 일반적인 멀티플렉스 식은 다음과 같다.
y = AZb + e (1)
여기서 y는 관측치의 열 벡터이고, A는 계기 함수, Z는 멀티플렉싱 계수의 매트릭스, b는 입자 플럭스 세기의 열 벡터, e는 측정 오류 또는 불확실성으로 인한 잔차의 열 벡터이다. Z의 각 행은 하나의 검출기에서 하나의 측정에 대한 멀티플렉싱 계수를 포함하고, 측정 벡터 y의 해당 행은 측정된 값을 포함하다. Z의 각 열은 독립 파마미터의 값 범위에 해당한다. 각 열에 표시된 범위에는 제한이 없다. 각 열에 표시된 값의 범위는 불연속적일 수 있으며, 각 열의 범위는 모든 열에 대해 표시되는 독립 파마미터의 전체 범위의 다른 부분을 나타낼 수 있다. 여기서 논의된 잠재 파라미터를 측정하는 경우, 각 열에 표시된 범위는 불연속적이다. Z의 열로 표시되는 범위는 겹칠 수 있다. Z의 각 열의 멀티플렉싱 계수는 행에 의해 지정된 검출기로의 경로를 향하는 지정된 범위 내의 입자 플럭스 또는 방사선의 분율을 나타낸다. 각각의 측정 사이클은 적어도 2 개의 검출기 및 2 개의 Z 열을 포함한다. 예를 들어, 광학 시스템에서의 기구 기능은 시스템에서 각각의 광학 구성요소의 효율의 컨볼루션이다. 간단하게 하기 위해, 다음 논의에서 A 매트릭스가 동일한 매트릭스 I 인 이상적인 시스템을 고려하라. Z의 멀티플렉싱 계수는 공간 변조기의 기하학적 구조 또는 시간 변조기의 시간 슬라이스를 나타낸다. 잔차(노이즈)는 다음 논의에서 상관이 없는 것으로 간주된다. 잔차가 상관되는 덜 일반적인 경우에 대한 해결책은 당업자에게 공지되어 있다. n 개의 스펙트럼 세기 및 n 개의 스펙트럼 세기의 상이한 조합의 n 개의 측정이 존재한다. Z는 n x n 차원이고 b와 y는 n x 1 차원이다. 이러한 Z의 특별한 경우에는 다음 해결책이 있다
b = Z-1y (2)
Z의 행이 추가로 아다마르 인코딩된 경우, Z 매트릭스는 일반적으로 문헌에서 S 매트릭스로 지칭된다. S 매트릭스는 다음 특정 값에 대해서만 존재한다.
n = 2m-1,
여기서 m은 정수 >=0이다. S 매트릭스는 역을 쉽게 계산할 수 있는 유용한 특성을 가지며, 모든 요소를 이진 코드로 줄여 계산을 크게 단순화 할 수 있다. S 매트릭스 방법은 입자 플럭스의 대략 절반(n/2+1)/n 을 사용한다. 종래 기술은 증가된 신호 처리량으로 인한 SNR의 이론적인 sqrt(2) 개선을 제공하는 탠덤에 사용되는 S 매트릭스 방법을 포함한다.
식 1은 또한 검출기의 선형 어레이를 기술한다. 이 경우 Z는 동일한 매트릭스 I 이다. 기기 기능 매트릭스 A는 어레이의 검출기들 사이의 응답 차이를 기술하는 항(terms)을 포함한다. n 개의 검출기로 측정한 n 개의 스펙트럼 세기와 n 개의 동시 측정이 있다.
본 발명은 식 2로 이어지는 단순화된 가정이 없는 식 1의 물리적 실시예이다. 본 발명에서 사용되는 일반적인 경우는 계산상 더 까다롭지만, 추가적인 컴퓨팅은, 식 2에 의해 설명된 간단한 경우로 달성될 수 있는 신호 대 노이즈비의 추가적인 개선에 의해 정당화된다. 전술한 바와 같이, 본 발명은 d 검출기 또는 통합 장치(d > = 2)를 포함하고, 또한 측정을 c 번 반복할 수 있게 한다(c > = 1).
본 발명에서, Z는 차원 ndc x n 이고; y는 차원 ndc x 1이고; b는 차원 n x 1 이다. 최소 nd(c = 1) 측정이 필요하다는 점에 유의해야 한다. 여기서 n은 측정된 파라미터의 수이며, 잠재적 파라미터일 수 있는 것으로 이해된다. 비 적분 값 c > 1에서 데이터 수집이 중단된 경우에도, 데이터를 계속 분석할 수 있다.
또한, Z의 매트릭스 요소는 일반적으로 종래 기술에서와 같이 정수가 아니라 복소수이다. A와의 컨볼루션은 일반적으로 정수가 아닌 요소를 도입하므로, 다음 논의를 위해 계측기 기능 매트릭스 A와 컨볼루션을 포함하는 Z를 고려하는 것이 편리하다. 치수(dimensions)로 인해, 이 경우 Z를 직접 반전시킬 수 없다. 대신, 스펙트럼 세기 b는 식(1)에 대한 다중 최소 제곱(MLS) 솔루션을 사용함으로써 최소 오차로 추정될 수 있다 :
b =(ZTZ)-1ZTy (3)
추가 논의를 위해, H =(ZTZ)-1ZT 를 정의하는 것이 편리하다. 공분산 매트릭스 ZTZ는 대칭이므로 역 계산을 단순화한다. 일반적인 경우에, 역 매트릭스 계산은 계산 집약적이다. Z의 행은 시드 시컨스의 순환 순열이고, ZTZ는 항상 순환 매트릭스이므로, 이산 푸리에 변환을 사용하여 역을 계산할 수 있다. 식 1의 다른 솔루션이 가능하며 큰 값의 N에 바람직할 수 있다. 하나의 대안적인 접근법은 측정 벡터 y를 알려진 입력 벡터 b와 상관시켜 y에서 b 로의 변환 계수를 추론하는 것이다. 이는 직접적인 방법 및 신경망과 같은 감독되지 않은 방법에 의해 수행될 수 있다. MLS 방법이 중간 크기 (N < 1024)의 시스템에 대해 식 1을 푸는 바람직한 방법이지만, 감독 및 비감독 상관과 같은 다른 통계적 방법도 작동하며, 이는 본 발명의 범위 내에 있다.
본 발명은 Z의 형태에 대한 제약을 거의 갖지 않는다. 식 3을 사용하여 N 개의 파장 대역을 측정하기 위해서는, Z가 적어도 N 개의 행을 가지고 있으면 되고; 각각의 파장 대역은 적어도 하나의 행으로 표현되고; 각 행은 고유하며, ZTZ는 단수이다. 즉, 편리한 Z 형태를 사용하여 측정을 수행하고, 계산을 위해 다른 기준으로 변환할 수 있다. Z의 요소는 종래 기술에서와 같이 정수로 제한되지 않지만, 일반적으로 복소수 일 수 있다. 그러나 대부분의 응용에서, Z의 요소는 간격 [0,1]에서 실수이고 검출기로 향하는 방사선의 비율을 나타낸다. Z의 모든 요소에 공통 요소를 곱하면 동등한 결과가 생성되며, 성능상의 이유로 정수 산술로 계산을 수행하는 것이 바람직할 수 있다. Z를 다른 선택은 식(3)에 대한 솔루션에서 신호 대 노이즈비가 달라진다. Z는 식 (3)으로부터 계산된 결과에서 RMS 노이즈의 최소화와 함께 공학적 고려 사항의 균형을 맞추기 위해 선택된다. 하나의 중요한 종류의 솔루션은 시드 패턴의 순환 순열 또는 순열에 대한 기본 패턴을 적어도 두 개의 개별 영역으로 구성한다. 전술한 바와 같이, 종래 기술의 아다마르 패턴은 RMS 노이즈를 최소화하기 위해 적어도 단일 검출기 경우에 최적화된 이 범주의 서부세트(subset)이다. 본 발명의 범위에서, 아다마르 패턴은 제 2 검출기에 대한 아다마르 패턴의 컴플리먼트(compliment)을 포함함으로써 2 개의 검출기로 확장된다. 둘 이상의 검출기의 경우, 의사 랜덤 시드 시컨스(pseudo-random seed sequences)가 순환 순열의 기본으로 사용될 수 있다. 본 발명의 범위에 있는 둘 이상의 검출기의 경우, 모든 검출기에 대한 합이 각각의 측정에 대해 1이 되도록, 각 측정에 대한 각 검출기에 0과 1 사이의 값을 무작위로 할당하여, 각 검출기에 대한 기본 시드 패턴을 생성할 수 있다. 각 컬럼에 할당된 값은 지정된 검출기로 향하는 대응하는 독립 파라미터 범위에서 입자 플럭스 입사 비율을 나타낸다. RMS 노이즈는 시드 시컨스를 반복적으로 변화시키고 식 3에 따라 RMS 노이즈를 계산하는 유전자 알고리즘에 의해 최소화 될 수 있다.
시드 패턴의 또 다른 중요한 클래스는 퇴플리츠 패턴을 기반으로 하며, 이는 1과 0의 블록을 갖는다. 퇴플리츠 패턴을 갖는 물리적 마스크는 일반적으로 의사-랜덤 시드에 기초한 마스크보다 제조가 더 용이하며, 이는 영역의 물리적 크기가 더 클 수 있기 때문이다.
신호 대 노이즈비를 최적화하기 위해 행들 사이에 관계가 없도록 Z의 요소들이 또한 선택될 수 있다.
응용에서, y는 측정된 양이며, y는 다음과 같이 쓸 수 있다.
y = yb + ys (4)
여기서 yb는 일정한 기본 신호이고 ys는 가변 신호를 나타낸다. (3)으로 대체하며, 다음을 얻을 수 있다.
b = H yb + H ys (5)
yb 가 상수 벡터이므로 H yb 도 상수 벡터이다. 식 5는 임의의 입력 신호 y에 상수를 추가할 수 있으며, 유일한 효과는 결과적인 스펙트럼 b에서 상수 오프셋이라는 것을 나타낸다. 하드웨어에서, 신호 y는 일반적으로 오프셋, 증폭 및 디지털화된 아날로그 전압(그러나 다른 측정 가능한 양일 수 있음)이다. 하드웨어 구성 요소는 감지 시스템의 동적 범위를 정의하는 설정된 한계 내에서 작동한다. 최적으로, 검출 시스템의 동적 범위는 측정될 샘플에 의해 생성된 입력 신호의 범위와 일치하도록 설정된다. 탐지 시스템은 다음 단계를 수행하여 보정할 수 있다.
1. 대표 샘플 세트에 대해 제로 오프셋 및 낮은 증폭으로 y를 측정한다.
2. 대표 샘플 세트에 대한 평균 최소 및 최대 신호 값과 각각의 표준 편차를 결정한다.
3. 최소 기대 신호를 평균 최소 마이너스 3개의 표준 편차로 설정한다.
4. 최대 예상 신호를 평균 최대 신호에 대해 평균 최대 플러스 3개의 표준 편차로 설정한다.
5. 전압 오프셋을 예상되는 최소 신호로 설정한다.
6. 증폭 게인(amplification gain) g를 (검출 시스템 동적 범위)/(예상 최대값 - 예상 최소값)으로 설정한다.
작동시에, ys는 검출 시스템의 동적 범위 내에서 측정된 후 디지털화된다. 많은 응용에서, 관심있는 유일한 부분은 ys이다. 선택적으로, y를 복원하기 위해 yb의 디지털 값을 추가할 수 있다.
본 발명의 범위 내에서 패턴 인식에 관한 많은 실제 응용에 있어서, 스펙트럼 세기 벡터 b를 계산할 필요는 없다. 식 3으로부터, b는 y 벡터 요소의 선형 조합으로 구성되어 있음이 명백하다. 상기 정규화 절차에서 언급된 바와 같이, y 벡터 요소는 측정의 선형 조합일 수 있다. 스펙트럼 세기 b의 조합을 계산하는 임의의 분석 절차는 또한 측정 벡터 y에 적용될 수 있고, 상이한 세트의 기본 벡터에 대해 표현된 동등한 결과를 생성할 것이다. 쉽게 말하자면, 다른 세트 또는 기본 벡터는 다른 좌표계이다. 예를 들어 3 차원 공간에서, 포인트는 직교 좌표로 {x, y, z}로 표현되거나 구형 좌표로 {r, θ, φ}로 표현될 수 있다. 대부분의 실제 응용에서, 치수의 수는 3보다 크다. 분석 절차는 LDA, MLS, PLS, PCA와 같은 임의의 다중 통계적 통계 분석 방법, 또는 신경망과 같은 전파 방법일 수 있다. 예를 들어, 원리 성분 분석(PCA)과 같은 패턴 인식 알고리즘은 통상적으로 데이터 세트의 분산을 가장 잘 포착하는 b 벡터 요소의 선형 조합을 계산한다. b 벡터 요소 자체는 y 벡터 요소의 선형 조합이기 때문에, PCA 알고리즘은 원시 데이터 y 벡터를 입력으로 사용하여 동등한 결과를 생성할 수 있다.
본 명세서의 구성은 상이한 레벨의 공간 해상도를 갖는 스펙트럼을 얻을 수 있다. 종래 기술에서, 해상도는 공간 인코더에 의해 고정된다. 본 발명에서는, 샘플링 속도를 증가시킴으로써 스펙트럼 해상도가 증가될 수 있다. 해당 코드는 항목을 복제하여 더 높은 샘플링 속도를 반영하도록 변경된다. 예를 들어, 코드 시컨스 {1001101}은 해상도의 두 배로 {11 00 00 11 11 00 11}이 된다. 이 방법에 의해 해상도가 무한으로 증가될 수 있지만, 실제 한계는 입자 플럭스를 공간 변조기로 향하게 하는 시스템의 해상도에 의해 결정된다. 샘플링 시간은 해상도에 비례하여 증가하며, 스펙트럼 해상도를 두 배 향상 시키려면 두 배의 샘플링 시간이 필요하다. 푸리에 변환 분광계는 동일한 시간 의존성을 갖지만, 간섭계에서 스캐닝 미러를 두 배까지 변환해야 한다. 본 발명의 개선된 해상도는 임의의 기계 부품을 변경하지 않고 전자 수단만으로 달성될 수 있다. 아래의 도 14에서 볼 수 있듯이, 특정 작동 파마미터만이 향상된 해상도를 갖는 개선된 결과를 제공한다. 어레이 검출기의 해상도는 고정되어 있다. 해상도는 슬릿 폭을 감소시켜 처리량의 손실을 초래함으로써 종래의 분산 기구에서 해상도가 개선된다. 결과적으로 샘플링 시간은 해상도 향상의 제곱으로 증가한다. 멀티플렉싱 기구는 분명한 장점이 있다.
듀티 사이클과 관련하여, 본 명세서의 구성은 정적 및 동적 모드 모두에서 작동할 수 있다.
정적 모드에서, 공간 변조기는 각 측정 기간 동안 고정 구성으로 유지된다. 단일 검출기 케이스의 경우, 이는 종래 기술에서 종래의 아다마르 분광계에 해당한다. 이 모드에서는, 변조기의 물리적 영역과 입자 플럭스의 분할 사이에 일대일 대응이 있다.
동적 모드에서, 공간 변조기는 측정될 공간 가변 입자 플럭스에 대해 상대 운동 상태에 있다. 상대 운동은 입자 플럭스의 분할과 변조기의 물리적 영역 사이에 일대-다 관계(one-to-many relationship)를 일으킨다. 각각의 영역으로부터의 입자 플럭스는 하나의 측정 사이클 동안 각각의 검출기에 대한 변조기 영역의 상대적 시간 가중된 기하학적 단면에 따라 상이한 검출기로 보내진다.
퇴플리츠 패턴은 둘 이상의 공간적으로 구별되는 영역 세트로 구성될 수 있다. 각각의 영역 세트는 상기 영역 상에 입사하는 EM 방사선 전부를 검출기, 또는 그 세트의 영역에 배타적인 검출기 세트로 향하도록 설계된다. 수단은 세트의 공간적으로 분리된 영역으로부터 EM 방사선을 검출기 상으로 집중시키기 위해 하나 이상의 광학 요소를 포함할 수 있다. 각각의 영역 세트는 반사 또는 투과, 굴절 또는 회절을 이용하여 EM 방사선을 검출기 또는 검출기 세트로 향하게 할 수 있다.
투과 영역은 영역 내에 투과성 재료를 배치함으로써, 또는 보다 바람직하게는 영역 내에 슬롯을 배치함으로써 구성될 수 있다. 반사 영역은 영역 내에 고 반사 재료를 배치함으로써 구성될 수 있다. 반사 물질은 바람직하게는 넓은 스펙트럼 범위에 걸쳐 높은 반사율을 갖는 Al, Ag 또는 Au와 같은 금속이다. 유전체 미러는 더 좁은 스펙트럼 범위에서 더 높은 반사율을 제공할 수 있다. 관심 있는 스펙트럼 영역에서 높은 반사율을 제공하는 다른 재료가 사용될 수 있다. 입사각은 상이한 검출기를 향한 반사 영역 세트를 제공하도록 변경될 수 있다. 일부 실시예에서, 반사 영역은 평면을 가지며, 다른 실시예에서는, 반사 영역은 검출기에서 EM 방사선을 집중시키기 위해 곡면을 갖는다. 굴절 영역은 굴절률이 1보다 큰 물질을 영역에 배치함으로써 구성될 수 있다. 굴절 물질은 일반적으로 웨지 형상이며, 따라서 굴절 영역을 빠져 나가는 EM 방사선의 일반적인 방향은 굴절 영역에 입사하는 EM 방사선의 일반적인 방향과 평행하지 않는다. 출구 방향이 다른 굴절 영역은 웨지 각도를 변경하여 구성될 수 있다. 구체적으로, 둘 이상의 영역 세트는 둘 이상의 개별 웨지 각도를 사용하여 구성될 수 있다. 굴절 영역의 표면은 검출기에서 EM 방사선을 집중시키기 위해 평면 또는 곡면일 수 있다. 회절 영역은 영역 내에 회절 격자를 배치함으로써 구성될 수 있다. 상기 회절 격자는 투과성 또는 반사성일 수 있다. 서로 다른 파장의 EM 방사선이 공통 격자 주기로 공간적으로 분리된 회절 표면에 떨어지기 때문에, 공통 검출기로 이어지는 경로 세트는 쎄타-Z 공간의 라인이다. 입사 방사선이 여러 회절 순서로 향하기 때문에 회절 격자는 여러 논리 영역으로서 기능할 수 있음에 유의해야 한다. 블레이즈 각도, 그루브 깊이 또는 격자 물질과 같은 파라미터를 수정함으로써 각각의 순서에서의 상대 세기가 조정될 수 있다. 격자 방향을 변화시킴으로써 상이한 출구 방향을 갖는 회절 영역이 구성될 수 있다. 회절 표면은 검출기에서 EM 방사선을 집중시키기 위해 평면 또는 곡면으로 형성될 수 있다. 본 발명에서 계획된 반사 및 굴절 영역은 본질적으로 2 차원인 종래의 설계와 비교하여, 3 차원에서 본질적으로 가변적인 공간 변조기를 유도한다. 2 차원 공간 변조기는 일반적으로 3 차원 공간 변조기보다 제조하기 쉽지만, 3 차원 공간 변조기는 우수한 성능을 제공할 수 있다. 회절 영역 옵션은 감소된 비용으로 제조 용이성과 함께 다수의 출력 방향을 허용할 수 있는 이점을 갖는다.
이제, 본 발명의 일 실시예가 첨부 도면과 함께 기재될 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 방법이 사용될 수 있는 구성의 일례를 나타내는 입자 분류 장치의 등각도이다.
도 2는 도 1의 장치의 수직 횡단면도이다.
도 3은 도 1 및 2의 장치의 측정 시스템(28)의 본 발명에 따른 2개의 검출기 장치의 개략도이다.
도 4는 3가지 타입의 반사 영역을 구비한 도 3에 사용하기 위한 공간 변조기의 대표적인 섹션을 도시하고 있다.
도 4a는 측정 표면의 상이한 부분 상의 방사선 입사를 3개의 방향으로 지향시키기 위해 행으로 배치된 상이한 타입의 영역의 그래프를 도시하고 있다.
도 5는 고정 미러가 3개의 위치 사이에서 전환될 수 있는 가동형 미러로 대체된다는 점을 제외하고는, 도 4와 유사한 도면이다.
도 6은 3가지 타입의 굴절 영역을 갖는 공간 변조기의 대표적인 섹션을 도시하고 있다.
도 7은 단일 타입의 굴절 요소가 사용되고 있으며, 또한 굴절률을 변경하여 입사 방사선을 3개의 상이한 방향으로 지향시키기 위해 전기장이 인가되는 점을 제외하고는, 도 6과 유사한 도면이다.
도 8은 3가지 타입의 굴절 영역을 갖는 공간 변조기의 대표적인 섹션을 도시하고 있다.
도 9a는 회전 축선에 평행한 특징을 갖는 공간 인코더 디스크의 도면이다.
도 9b는 회전 축선과 직교하는 특징부를 갖는 공간 인코더 디스크의 도면이다.
도 10은 23채널 및 3개의 샘플링 모델에 대해 도 3에 도시된 구성을 사용한 수치 시뮬레이션에 기초하는, RMS 노이즈 대 컨벌루션의 그래프이다.
도 11은 23채널인 경우보다 더 큰 실제 적용을 갖는 127채널에 대해 계산이 이루어진 점을 제외하고는, 도 10과 유사한 그래프이다.
도 12는 검출기 개수의 함수로서 127채널 시스템에 대한 RMS 노이즈의 의존성을 나타내는 RMS 노이즈 대 컨볼루션의 그래프이다.
도 13은 정속으로 이동하는 127채널을 구비하는 공간 변조기에 대한, RMS 노이즈 대 듀티 사이클의 도표이다.
도 14는 기본 샘플링 주파수의 처음 10개의 고조파에 대해 3개의 검출기 및 23채널을 구비한 시스템에 대한, RMS 노이즈 대 듀티 사이클의 도표이다.
도 15는 본 발명을 사용하는 3개의 검출기를 구비한 비행 시간 질량 분광계의 개략도이다.
도 16은 본 발명을 사용하여 형광 붕괴를 측정하기 위한 시스템의 개략도를 도시하고 있다.
도 17은 본 발명을 사용하는 플로우 셀을 위한 시스템의 개략도를 도시하고 있다.
도 18a는 본 발명의 측정 프로세스에 사용된 가중 함수의 개략도를 도시하고 있다.
도 18b는 측정될 종속 파라미터의 개략도를 도시하고 있다.
도 18c는 도 18b의 종속 파라미터의 적분 세기의 개략도를 도시하고 있다.
도 19a는 본 발명의 예시적인 가중 함수를 도시하고 있다.
도 19b는 본 발명의 예시적인 가중 함수를 도시하고 있다.
도 19c는 본 발명의 예시적인 가중 함수를 도시하고 있다.
도 20a는 본 발명의 가중 함수에 대한 상대 운동의 효과를 도시하고 있다.
도 20b는 본 발명의 가장 일반적인 가중 함수의 예를 도시하고 있다.
도 1은 본 발명에 따른 방법이 사용될 수 있는 구성의 일례를 나타내는 입자 분류 장치의 등각도이다.
도 2는 도 1의 장치의 수직 횡단면도이다.
도 3은 도 1 및 2의 장치의 측정 시스템(28)의 본 발명에 따른 2개의 검출기 장치의 개략도이다.
도 4는 3가지 타입의 반사 영역을 구비한 도 3에 사용하기 위한 공간 변조기의 대표적인 섹션을 도시하고 있다.
도 4a는 측정 표면의 상이한 부분 상의 방사선 입사를 3개의 방향으로 지향시키기 위해 행으로 배치된 상이한 타입의 영역의 그래프를 도시하고 있다.
도 5는 고정 미러가 3개의 위치 사이에서 전환될 수 있는 가동형 미러로 대체된다는 점을 제외하고는, 도 4와 유사한 도면이다.
도 6은 3가지 타입의 굴절 영역을 갖는 공간 변조기의 대표적인 섹션을 도시하고 있다.
도 7은 단일 타입의 굴절 요소가 사용되고 있으며, 또한 굴절률을 변경하여 입사 방사선을 3개의 상이한 방향으로 지향시키기 위해 전기장이 인가되는 점을 제외하고는, 도 6과 유사한 도면이다.
도 8은 3가지 타입의 굴절 영역을 갖는 공간 변조기의 대표적인 섹션을 도시하고 있다.
도 9a는 회전 축선에 평행한 특징을 갖는 공간 인코더 디스크의 도면이다.
도 9b는 회전 축선과 직교하는 특징부를 갖는 공간 인코더 디스크의 도면이다.
도 10은 23채널 및 3개의 샘플링 모델에 대해 도 3에 도시된 구성을 사용한 수치 시뮬레이션에 기초하는, RMS 노이즈 대 컨벌루션의 그래프이다.
도 11은 23채널인 경우보다 더 큰 실제 적용을 갖는 127채널에 대해 계산이 이루어진 점을 제외하고는, 도 10과 유사한 그래프이다.
도 12는 검출기 개수의 함수로서 127채널 시스템에 대한 RMS 노이즈의 의존성을 나타내는 RMS 노이즈 대 컨볼루션의 그래프이다.
도 13은 정속으로 이동하는 127채널을 구비하는 공간 변조기에 대한, RMS 노이즈 대 듀티 사이클의 도표이다.
도 14는 기본 샘플링 주파수의 처음 10개의 고조파에 대해 3개의 검출기 및 23채널을 구비한 시스템에 대한, RMS 노이즈 대 듀티 사이클의 도표이다.
도 15는 본 발명을 사용하는 3개의 검출기를 구비한 비행 시간 질량 분광계의 개략도이다.
도 16은 본 발명을 사용하여 형광 붕괴를 측정하기 위한 시스템의 개략도를 도시하고 있다.
도 17은 본 발명을 사용하는 플로우 셀을 위한 시스템의 개략도를 도시하고 있다.
도 18a는 본 발명의 측정 프로세스에 사용된 가중 함수의 개략도를 도시하고 있다.
도 18b는 측정될 종속 파라미터의 개략도를 도시하고 있다.
도 18c는 도 18b의 종속 파라미터의 적분 세기의 개략도를 도시하고 있다.
도 19a는 본 발명의 예시적인 가중 함수를 도시하고 있다.
도 19b는 본 발명의 예시적인 가중 함수를 도시하고 있다.
도 19c는 본 발명의 예시적인 가중 함수를 도시하고 있다.
도 20a는 본 발명의 가중 함수에 대한 상대 운동의 효과를 도시하고 있다.
도 20b는 본 발명의 가장 일반적인 가중 함수의 예를 도시하고 있다.
도 1 및 도 2에 도시된 입자의 측정 가능한 파라미터에 기초하여 입자를 분류하기 위한 장치는, 저장될 입자를, 도관을 통해 표시하기 위해 상기 입자를 연속적인 스트림으로 공급하는 피드 공급부(feed supply)(10A)로부터, 축선(12)의 둘레로 회전 가능한 회전체(11)로 운반하는 공급 도관(10)을 포함한다. 도시된 실시예에 있어서, 상기 회전체는, 디스크(12)가 입자(13)가 도관(10)으로부터 스트림으로 공급되는 상부 수평면을 제공하도록, 수직으로 배치된 축선(12)을 구비한 플랫 디스크(flat disc)이다. 상기 도관은, 디스크가 회전하지만 그러나 외향하는 속도가 거의 없는 위치의 중심 상으로 증착되도록, 상기 디스크의 중심에 배치된다. 예시적인 경우에, 상기 입자는 그레인 커널(grain kernel)일 수 있다. 이 지점에서의 커널 속도는 상기 공급 도관(10)의 흐름으로부터 기인한다. 디스크 상의 지점에서의 속도는 v = wr 이고, 여기서 w 는 각속도이고, r 은 반경이다. 커널이 속도 변화가 너무 높은 지역에 증착되었다면, 바운스가 발생하여, 상기 흐름이 카오스로 된다. 커널은 속도 변화를 최소화하기 위해 중심 영역에 증착된다.
상기 회전체를 형성하는 디스크의 상면에는다수의 덕트(14)가 제공되며, 이들 덕트는 외향의 축선에 인접한 내단부(15)로부터 상기 내단부보다 상기 축선으로부터 외향하는 더 큰 반경방향 거리로 이격된 외단부(16)로 연장된다. 이런 실시예에 있어서, 상기 덕트의 외단부(16)는 디스크(11)의 엣지(17)에 배치된다. 이런 실시예에 있어서, 각각의 덕트(14)는 중심 덕트가 바로 옆에 인접하여 배치되도록 상기 중심에 밀접하게 인접한 위치로부터 상기 디스크의 주위로 연장되며, 또한 상기 덕트는 외단부(16)에서 이들이 주위와 이격되도록 외향으로 분기된다.
따라서 상기 내단부(15)는, 분류될 입자의 내단부로의 진입을 위해 상기 덕트의 내단부(15)에서 분류될 입자를 증착하도록 동작하기 위해, 상기 축선에 인접한 어레이에 배치된다. 상기 내단부가 디스크의 중심에 바로 인접함에 따라, 상기 입자는 그 내단부에서 덕트의 개방구(open mouth)로 균일하게 자동으로 분류되는 중심에 파일을 형성한다. 상기 중심에 입자의 연속적인 파일을 가정한다면, 디스크의 회전은 입자의 치수에 대한 상기 개방구의 치수에 의해 형성되는 스트림에서, 입자들을 개별 덕트 내로 균일하게 분류하도록 작용할 것이다. 덕트를 따른 경로의 초기에는, 입자들이 바로 인접하거나 또는 중첩될 것이다. 그러나 이들이 원심력에 의해 가속될 동안, 덕트를 따른 입자의 통과는 입자를 다음으로부터 각각 분산시키도록, 중첩 없이 입자의 라인을 형성하도록 작용할 것이다. 힘이 비교적 균일함에 따라, 입자는 균일하게 가속될 것이며, 이에 따라 덕트를 따라 균일하게 이격될 것이다. 상기 커널은 덕트의 제1 부분에서 상기 덕트와 축방향으로 정렬되며, 커널 길이는 커널 크기의 차이로 인해 약간 변형된 초기의 중심 대 중심 이격을 형성한다. 주어진 반경에서는 원심 가속도가 균일하지만, 그러나 마찰력이 약 20% 변한다. 상기 마찰력은 코리올리 힘(Coriolis force) = uN(u 는 약 0.2-0.25의 마찰상수, N 은 상기 코리올리 힘에 의해 주로 공급된 덕트 벽에 대한 수직 힘)의 크기에 대응한다. 위에 설정된 바와 같이, 상기 덕트는 실제 힘(서두에 언급한 바와 같은)의 라인을 따라 덕트를 굴곡시킴으로써 상기 수직 힘 및 마찰을 최소화하도록 성형될 수 있다.
입자의 크기에 대한 덕트의 길이의 선택은, 각각의 입자와 뒤에 있는 입자 사이의 간격이 입자의 길이의 비율로 선택될 수 있도록 이루어질 수 있다. 분리기(separator)가 시드에 사용되는 예에 있어서, 각각의 시드와 다음 시드 사이의 분리는 시드의 길이와 적어도 동일할 수 있으며, 전형적으로는 상기 시드의 길이의 1.5배 또는 2.0배일 수 있다. 입구에서의 덕트 폭은 막힘을 피하기 위해 시드 길이의 약 1.5배이어야 한다.
따라서 덕트는, 입자가 외단부를 향해 이동함에 따라 상기 입자를 차례차례로 행으로 정렬시키기 위해 입자가 내단부로부터 외단부를 통과함에 따라 가속되도록, 성형되어 배치된다.
상기 외단부(16)는, 각각의 덕트에서 입자의 행에 있는 입자가 상기 디스크로부터의 원심력에 의해 디스크의 축선으로부터 외향으로 방출되도록, 회전체의 외주에 각도를 이루어 이격된 어레이로 배치된다. 상기 개구들 모두는 디스크의 공통의 반경방향 평면에 놓인다. 상기 덕트는 더 두꺼운 디스크의 상면으로 절단된 홈으로서 형성되거나, 또는 디스크의 상면에 적용되는 추가적인 벽에 의해 형성될 수 있다.
입자 분리 장치(21)의 어레이(20)는, 개별 분리 장치(21)가 디스크 둘레에 각도를 이루어 이격된 위치에 배치되도록, 상기 디스크(11) 상에 또는 디스크의 외부 엣지(17)를 둘러싸는 고리(annulus)에 배치된다.
각각의 분리 장치는 상기 분리 장치의 작동에 의해 결정되는 바와 같이 각각의 입자를 다수의 경로 중 하나로 안내하도록 작동 가능하다. 도시된 예에 있어서, 상기 분리 장치는 출구(16)의 평면에 대해 입자를 상향으로 또는 하향으로 지향시키도록 배치된다. 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 분리 장치(21)는 입자가 한쪽 방향으로 또는 다른 쪽 방향으로 분리되지 않는 초기 중간 위치 또는 시작 위치를 취할 수 있다. 상기 분리 장치는 수집 챔버(23) 내에서 수집하기 위해 입자를 경로(22) 내로 하향으로 지향시키도록, 상향으로 이동될 수 있다. 유사하게, 상기 분리 장치가 낮은 위치로 이동되었을 때, 입자는 챔버(25) 내로의 수집을 위해 경로(24)를 따라 분리 장치의 상부 위로 상향으로 이동된다. 상기 2개의 경로(22, 24)는, 입자가 챔버(23, 25) 중 하나 또는 다른 챔버로 이동하는 것을 보장하는 가이드 플레이트(26)에 의해 분리된다.
상기 분리 장치(21)를 제어하기 위해, 일반적으로 도면부호 28로 표기된 측정 시스템이 제공되며, 이런 시스템은 입자가 디스크의 엣지에서 덕트의 단부로부터 디스크의 단부로부터 상기 분리 장치를 향해 이동함에 따라, 상기 입자의 선택된 파라미터 또는 파라미터들을 측정하는 데 사용된다. 상기 측정 시스템은, 예를 들어 도 3에 도시된 분광계일 수 있다.
전형적인 예에 있어서, 입자의 분석은 질병으로 인한 시드의 악화의 존재와 관련되어 있으며, 이는 종종 예를 들어 상기 시스템을 사용하여 광학적으로 검출될 수 있고, 또한 여기에 참조 인용된 본 발명자의 종래 미국 특허 8227719에 개시되어 있다.
각각의 분리 장치(21)는 각각의 검출 장치(28)와 관련되어 있으며, 이는 관련의 검출 장치에 의해 측정된 파라미터에 응답하여 입자의 파라미터를 측정하도록 작동 가능한 복수의 검출 구성요소를 포함할 수 있으며, 상기 각각의 또는 분리 장치는 경로(22) 또는 경로(24)를 선택하도록 작동된다.
필요하다면 측정될 파라미터에 따라, 상기 경로의 개수는 2개 이상의 경로를 포함하도록 수정될 수 있음을 인식해야 한다. 증가된 경로 개수의 이러한 선택은, 초기 분리의 하류에 위치된 후속 분리 장치(21)를 제공함으로써 실시될 수 있다. 이러한 방식으로, 경로들 중 하나 또는 둘 모두는 측정 장치(28)로부터 데이터를 수신하는 제어 시스템(29)에 의해 제어되는 모든 분리 장치와 함께 2개 또는 그 이상의 보조 경로로 분할될 수 있다.
따라서 디스크(11)는 공급 도관과 대면하는 전면(8)을 가지며, 상기 덕트(14)는 디스크의 반경방향 평면에 놓여 상기 축선으로부터 디스크(11)의 주위(17)까지 외향으로 연장된다.
도시된 바와 같이, 상기 덕트(14)는 공급 도관(10)을 향해 대면하는 개방면을 구비한 채널을 형성한다. 그러나 덕트는 개방구(15) 및 배출 단부(16)만 개방된 상태에서 상면에서 폐쇄될 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 상기 덕트(14)는 외단부(16)가 내단부(15)에 대해 각도 지연되도록 굴곡된다. 이는 D로 도시된 바와 같이 반시계 방향으로의 회전 방향에 대해 각도 지연되는 각 덕트의 측면, 및 각도 전진된 반대측 측면을 형성한다. 덕트의 이러한 곡률은, 입자가 양 측벽에 대한 과도한 압력 없이 덕트를 따르도록, 실질적으로 코리올리 및 원심력을 따르도록 배치된다. 그러나 덕트의 형상은 상기 코리올리 힘이 덕트(14)의 하류 측에 대해 입자를 구동하는 경향을 갖도록 배치된다. 입자 상의 힘(F)이 입자를 덕트(14)의 바닥(9)을 향해 구동하는 경사 벽에 대하여 입자를 가압하도록, 측벽(7)이 경사진다. 이는 덕트(14)의 바닥을 향해 모든 입자를 가져오는 역할을 수행하므로, 입자는 덕트(14)의 바닥면의 반경방향 평면에서 디스크로부터 나온다.
도 1에 가장 잘 도시된 바와 같이, 덕트(14)는 축선에 인접한 내단부(15)에서 바로 옆에 나란히 있으며, 또한 외단부(16)를 향해 간격이 증가한다. 내단부(15) 상에서는, 덕트가 바로 옆에 나란히 있으므로, 덕트의 최대 개수는 개구(15)의 최대 개수에 의해 제공된다. 상기 개수의 덕트는 도시되지 않은 배열로 증가될 수 있으며, 여기서 상기 덕트는 각각의 덕트가 그 길이를 따라 하나 또는 그 이상의 분기부로 분할되도록 분기부를 포함한다.
도시되지 않은 다른 구성에 있어서, 상기 덕트는 내단부에서 덕트 개구의 수를 증가시키도록 내단부(15)에서 서로의 상부에 적층될 수 있다. 즉, 예를 들어 3개의 덕트 링이 서로 적층되었다면, 총 덕트 수는 3배 증가될 수 있다. 그 후, 상기 덕트는 공통 평면에서 3개의 덕트 링을 수용하기 위해 공간이 외부 엣지에서 이용 가능해질 때, 하향으로 이동하는 최상단 덕트에 의해 상기 외단부에서 공통의 반경방향 평면에 배치된다. 이러한 방식으로 덕트의 외단부(16)는 디스크의 주위(17)에 나란히 직접 배치될 수 있다.
도 2의 실시예에 있어서, 검출 장치(28) 및 분리 장치(21)는 모두 디스크의 주위(17)를 지나 위치된다. 이런 방식으로, 입자는 주변 엣지(17)를 빠져 나가며, 또한 덕트의 외단부로부터 분리 장치의 어레이를 통과함에 따라 안내되지 않는다. 상기 입자는 디스크(11)의 각속도 및 외단부(16)에서의 덕트(14)의 방향에 의해 결정된 궤적을 따라 이동한다. 관련된 검출 장치(28)는 그 궤적에서 입자 상에 작용하도록 분리 장치(21)에 대해 위치된다. 즉, 상기 궤적은 외주(17)와 분리 장치(21) 사이의 자유 공간에 배치되므로, 덕트의 배출 단부(16)를 빠져 나가는 입자는 그 방출 위치에 따라 상기 검출 장치들(28) 중 하나를 지나 이동하며, 상기 검출 장치로부터 입자는 그 관련의 검출 장치(28)에 의해 실시된 분석에 따라 분리하도록 동작하는 관련의 분리 장치(21)로 이동한다. 따라서 상기 궤적이 일정하고 또한 검출된 입자가 필수적인 분리 장치로 이동되는 것을 보장할 필요가 있다.
도 3에 도시된 바와 같은 일 실시예에 있어서, 본 발명은 예를 들어 도 1 및 2의 샘플로부터 반사에 의해 수신된 광을 분석하기 위해 분산 분광계에서 검출 수단으로서 사용된다. 전자기 방사선 또는 이 경우 분석될 광은 입구 어퍼처(aperture)(30)를 통해 수집 및 지향된다. 일반적으로, 그러나 필수적이지는 않은, 시준 비임(32)은 오목 미러(31)과 같이 본 기술분야의 숙련자에게 잘 알려진 방법을 사용하여 포커싱 광학에 의해 생성된다. 상기 시준 비임은 각도 발산을 제한하기 위해 하나 또는 그 이상의 정지부(33)를 통과하며, 또한 비임 경로에서 파장 의존형 각도 편차를 초래하는 하나 또는 그 이상의 분산 요소의 어레이 상에 입사된다. 상기 분산 요소는 굴절 또는 회절일 수 있다. 도시된 실시예에서는, 분산 요소가 프리즘(34)을 포함한다. 상기 각도 편차 범위는 측정될 최소 파장 및 최대 파장에 의해 특정된 2개 또는 그 이상의 파장 범위(35, 36, 37)로 분할된다. 이하의 논의에서, 이들 파장 범위는 '대역(band)'으로 지칭된다. 본 기술분야의 숙련자라면 상기 밴드의 최소 폭이 선행의 광학 구성요소의 분해능에 의해 결정된다는 것을 인식할 것이다. 상기 밴드 폭은 반드시 동일할 필요는 없다. 바람직한 실시예에 있어서, 투과율은, 넓은 스펙트럼 범위에 대해 일반적으로 80%보다 우수하고 또한 스펙트럼 앨리어싱(aliasing)이 없기 때문에, 분산을 위해 저 굴절률 프리즘(34)을 사용함으로써 처리량이 최대화된다.
이하에 보다 상세하게 논의되는 다른 구성에 있어서, 회절 격자는 특정 파장에서 유사한 효율을 달성하도록 설계될 수 있지만, 상기 효율은 설계 파장으로부터의 거리에 따라 감소된다. 바람직하게는, 조합된 모든 대역에 대한 파장 범위는 최소 파장과 최대 파장 사이로 제한된다. 상기 파장 범위는 대역 통과 필터, 어퍼처 정지, 또는 검출기 감도로 제한될 수 있다.
분산된 비임은 미러(38) 및 오목 미러(39)에 의해 선택적으로 포커싱되며, 입사 방사선을 투과하거나 흡수하는 제1 공간 변조기(40)에 입사된다. 상기 제1 공간 변조기(40)는 대역 통과 필터로서 기능한다. 이런 실시예에 있어서, 전송된 광은 제2 공간 변조기(42)를 포함하는 제2 표면(41)을 통과한다.
N개의 측정값 각각에 대해, 측정 표면(41)에서의 공간 변조기(42)는 입사 방사선을, 투과되는 제1 세트의 파장 대역 및 반사되는 제2 세트의 파장 대역으로 분할한다. 각각의 세트에 포함된 파장 대역은 각각의 측정마다 상이하므로, N개의 고유한 조합이 있다. 공간 변조기(42)는 제1 세트의 파장 대역을 포커싱 미러(43)로 전송하고, 상기 포커싱 미러는 그 세트의 파장 대역을 제1 검출기(44) 상에 포커싱한다. 상기 공간 변조기(42)는 제2 세트의 파장 대역을 제2 검출기 상에 반사 및 포커싱하도록 굴곡된다. 2개의 별개의 방향이 도시되었지만, 본 발명의 범위 내에서는 N-1만큼 많을 수 있다. 모든 별개의 방향에 대해 합산된 EM 방사선 세기는, 공간 변조기(42)에 입사하는 EM 방사선 세기의 적어도 60%이다.
각각의 방향에서의 EM 방사선의 전체 세기는 각각의 공간 변조기 구성에 대해 검출기(44, 4b)로 측정되고, 검출기의 출력은 검출기 출력을 통계적으로 분석하여 측정될 EM 방사선의 스펙트럼 특성에 관한 정보를 얻기 위해 제어 시스템(46)으로 전송된다.
도 4는 3가지 타입의 영역(50, 51 및 52)을 구비한 공간 변조기의 대표적인 섹션을 도시하고 있다. 각각의 타입의 영역은 입사 방사선을 3개의 상이한 방향으로 지향시키는 상이한 각도로 반사 및 경사져 있다. 포커싱 요소(53)는 검출기(54, 55, 56) 상으로 방사선을 집중시킨다. 도 4a에 도시된 바와 같이, 상이한 타입의 영역은 측정 표면의 상이한 부분 상의 방사선 입사를 3개의 방향으로 지향시키도록 일렬로 배치된다. 일부 실시예에 있어서, 영역의 구성은 2차원이다.
도 5는, 고정 미러(50, 51, 52)가 예로서 도시되어 있는 3개의 위치를 갖는 많은 위치들 사이에서 전환될 수 있는 이동 가능한 미러(57)로 대체된다는 점을 제외하고는, 도 4와 유사하다. 바람직한 실시예에 있어서, 마이크로-미러 어레이가 사용된다.
도 6은 3개의 타입의 영역을 구비한 공간 변조기의 대표적인 섹션을 도시하고 있다. 각각의 타입의 영역은 입사 방사선을 3개의 상이한 방향으로 지향시키는 쐐기형 굴절 요소(58, 59, 60)를 갖는다. 포커싱 요소(53)는 검출기(54, 55, 56) 상에 방사선을 집중시킨다.
도 7은, 단일 타입의 굴절 요소(61)가 사용되었으며 또한 굴절률을 변화시켜 입사 방사선을 3개의 상이한 방향으로 지향시키도록 전기장이 인가된다는 점을 제외하고는, 도 6과 유사하다. 포커싱 요소(53)는 검출기(54, 55, 56) 상에 방사선을 집중시킨다.
도 8은 3가지 타입의 영역(62, 63 및 64)을 갖는 공간 변조기의 대표적인 섹션을 도시하고 있다. 각각의 타입의 영역은 상이한 격자 주기로 회절된다. 격자판(grating ruling)은, 공간 변조기의 평면으로부터 회절된 방사선을 상기 검출기(54, 55, 56) 상으로 지향시키기 위해, 어레이를 따른 분산 방향에 실질적으로 평행한 것이 바람직하다.
도 9a는 디스크의 평면과 직교하는 원주의 둘레에 배치된 갭(58) 및 반사기(59)의 퇴플리츠 패턴(58)을 갖는 공간 인코더 디스크(57)를 도시하고 있다. 상기 디스크는, 중심을 통과하고 또한 상기 디스크 평면과 직교하는 축선에 대해 회전한다. 반사기는 회전 축선과 평행하다. 공간 인코더 디스크는 도 3에 도시된 분광계 레이아웃에 사용될 수 있다. 상기 스펙트럼 대역은 인코더 디스크의 원주 상의 갭 및 반사 영역의 하나의 주기(48)(도 9b)와 동일한 영역에 포커싱된다. 인코더 디스크가 회전함에 따라, 반사되거나 전송되는 파장 대역 영역이 변한다. 편리하게는, 상기 반사 영역의 곡률은 반사된 파장 대역을 검출기 상에 포커싱하는 데 사용될 수 있다. 반복 패턴은 주기적 경계 조건을 제공한다. 다른 실시예에 있어서, 도 4, 5, 6, 7, 8에 도시된 패턴은 디스크의 원주의 둘레에 배치될 수 있다. 이런 배치의 주요한 이점으로는, 인코더 디스크가 회전함에 따라 스윕된 각도 범위는 반사 영역(또는 투과 영역)의 높이에 대해 일정하다는 점이다.
도 9b는 8개의 반복 의사 랜덤 패턴을 갖는 플랫 인코더 디스크를 도시하고 있다. 상기 디스크는, 중심(69)을 통과하고 또한 디스크의 평면과 직교하는 축선에 대해 회전한다. 파장은 인코더 패턴의 하나의 주기와 동일한 길이를 갖는 영역에 포커싱된다. 어두운 영역 상의 방사선 입사는 제1 검출기 상에 전송되어 포커싱되고, 밝은 영역 상의 방사선 입사는 제2 검출기에 반사되어 포커싱된다. 바람직하게는, 상기 디스크는 반사성 또는 투과성 특징에 의해 스윕된 각도 범위가 일정하도록 제조된다. 대안적으로, 직사각형 특징부에 의해 도입된 컨볼루션이 공차값보다 더 작도록 디스크 직경이 충분히 크게 제조된다. 다른 실시예에 있어서,도 4, 5, 6, 7, 8에 도시된 패턴은 디스크의 원주의 둘레에 배치될 수 있다.
도 10은 23개 채널 및 3개의 샘플링 모델에서 RMS 노이즈에 대한 컨볼루션 효과의 수치 시뮬레이션을 도시하고 있다. 상기 RMS 검출기 노이즈는 100이지만, 그러나 각각의 채널에서의 RMS 노이즈는 멀티플렉싱 이점으로 인해 적다. 제로 컨볼루션에서의 상부 곡선(Hadamard-1)은, 입사 방사선의 절반을 측정하는 하나의 검출기에 의해 종래 기술의 표준 아다마르 기술(Hadamard technique)에 대응한다. 제로 컨볼루션에서는, 각각의 공간 마스크 영역이 정렬되어, 파장 대역 영역에 대응한다. 컨벌루션 계산을 위해, 상기 공간 마스크는 정속으로 이동하며, 또한 각각의 공간 영역의 중심은 각각의 샘플 적분 주기의 중간 지점에서 각각의 파형 대역의 중심과 정렬된다. 스캔 속도(scan rate)(전체 스펙트럼에 대한)는 속도에 비례한다. 높은 컨볼루션 팩터는 높은 스캔 속도에 대응한다. 상기 컨벌루션 인덱스는 중앙 파장 대역 전후의 각각의 파장 대역으로부터 마스크 영역에 의해 수신된 방사선의 분율을 나타낸다. 0.25의 최대값은 마스크 영역에 의해 지향된 방사선의 1/4 이 선행 파장 대역에서 발생하고, 1/2 이 중심 파장 대역에서 발생하며, ¼이 이후의 파장 대역에서 발생한다는 것을 의미한다. 컨볼루션의 적용에 의해, 인코딩 패턴은 2진(binary)이 아니며 또한 직교하지 않는다. 다중 최소 제곱 알고리즘을 사용하여 최종 식의 시스템을 풀 수 있다. 멀티플렉스 이점은 컨볼루션 증가에 따라 감소되며, 컨볼루션 팩터 0.19 근처에서 완전히 사라진다. 중간 곡선(Hadamard-2)은 기본 인코딩의 보완(compliment)이 제2 검출기로 측정된다는 점을 제외하고는, 베이스와 동일한 아다마르 인코딩을 사용한다. 제2 곡선은 0.01의 표준 편차로 상부 곡선에 대해 0.65의 일정한 비율이다. 단독으로 측정된 세기의 증가로 인해, sqrt(2)(0.71)의 요소가 예상된다. 0.06의 추가 개선은 상보 마스크로 인한 것이다. 하부 곡선(3-유전)은 유전자 알고리즘으로 식별된 3개의 검출기 인코딩이다. 유전자 알고리즘의 시작 지점은 23개의 각 트리플렛(triplet)에 대해 무작위로 선택된 하나의 위치에 2진의 1을 위치시키고, 그리고 이 코드에 의해 생성된 RMS 노이즈의 시뮬레이션에 의해 계산함으로써 생성되었다. 100,000개의 무작위 조합이 테스트되었으며, 최상의 조합이 유전자 알고리즘으로 추가로 개선되었다. 상기 유전자 알고리즘은 23개의 채널 중 하나를 무작위로 선택하여 돌연변이시키고 그 후 트리플렛에 있는 2진수를 상이한 위치로 무작위로 교체한다. 변화가 RMS 오류를 감소시켰다면, 상기 변화는 다음 돌연변이의 기초로서 유지된다. 그렇지 않다면 본래의 순서가 유지된다. 하부 곡선에 사용된 시컨스는 다음과 같다.
S1 = {0, 0, 1, 0, 1, 1, 0, 0, 1, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 1, 1, 1};
S2 = {0, 1, 0, 1, 0, 0, 1, 1, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 1, 0, 1, 0, 0, 0, 0, 0, 0};
S3 = {1, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 1, 0, 1, 0, 0, 1, 0, 1, 1, 1, 0, 0, 0};
0에 가까운 컨볼루션에 대해, 3중 검출기 케이스에 대한 RMS 노이즈는 종래의 표준 아다마르 케이스의 0.60이며, 이중 아다마르 케이스의 0.91이다. 두 경우 모두 표준 편차는 0.01이며, 3중 코드 이점이 통계적 인공물(statistical artifact)이 아닌 것을 확인한다. 그러나 3중 코드는 아다마르 기반 변형보다 컨볼루션에 대해 더 강력하며, 또한 컨볼루션 팩터가 증가함에 따라 상대적으로 우수하게 수행한다. 상기 RMS 노이즈는 컨볼루션 팩터 0.22에서 표준 아다마르의 0.51 및 이중 아다마르의 0.80이며, 이는 상기 3중 코드가 RMS 노이즈의 감소와 더 높은 스캔 속도 모두를 허용한다는 것을 의미한다. 제로 컨볼루션 케이스는 1000회의 실험으로 테스트되었다. H1, H2 및 S3의 경우 총 신호 강도는 약 25V 였고, RMS 오류는 각각 1.56V, 1.02V 및 0.55V였다. H1과 H2 사이의 비율은 sqrt(2)의 예상값에 가깝다. 실험에서는 3개의 검출기 케이스(L3)가 수치 시뮬레이션에서 예측한 것보다 RMS 노이즈를 감소시켰다. L1과 각각의 멀티플렉싱 케이스 사이의 내적을 계산함으로써, 선형 어레이 결과(L1)와 각각 매칭되는 정도가 평가되었다. L1을 갖는 H1, H2 및 S3의 내적은 각각 0.971, 0.981, 및 0.988이었다. 검출기의 개수가 하나로부터 3개로 증가함에 따라, 선형 어레이 스펙트럼과 멀티플렉싱 결과 사이의 매칭이 향상된다.
도 11은, 상기 계산이 23채널인 경우보다 실제 더 큰 적용을 갖는 127채널에 대해 수행된다는 점을 제외하고는, 도 10과 유사하다. 전체 순위는 동일하며, 상대 성능의 비율은 비슷하다. 3-채널 3중 케이스는, 단일 아다마르 케이스의 RMS 노이즈 0.65 및 이중 아다마르 케이스의 0.93을 갖는다. 두 경우 모두 표준 편차가 0.01이어서, 트리플렛 코드 이점이 통계적 아티팩트가 아님을 확인한다. 23채널의 경우와는 달리, 컨볼루션 팩터의 함수로서 성능 비율의 경향은 없다.
도 12는 검출기 개수의 함수로서 127채널 시스템에 대한 RMS 노이즈의 의존성을 도시하고 있다. 상부 4개의 곡선은 간단한 퇴플리츠 패턴(일부 문헌에서는 블록 대칭)을 사용하고 있다. 퇴플리츠 패턴의 주요한 이점은, 제작이 용이하여 비용 절감이 가능하다는 점이다. 퇴플리츠 패턴은 검출기당 하나의 연속 블록을 갖는다. 상부 곡선은 RMS 에, 2개의 검출기를 위한 컨볼루션에 대한 의존성을 제공하다. 블록 크기는 63 및 64 채널이다. 컨볼루션이 0.02 미만이라는 점을 제외하고는, SNR 성능은 선형 어레이(RMS = 100)보다 나쁘지만, 그러나 127이 아닌 2개의 검출기만 사용되며, 이는 상당한 비용 절감이다. 제2 곡선은 23, 41, 및 63 채널의 블록을 갖는 3개의 검출기 퇴플리츠 형상을 나타내고 있다. 제로 컨볼루션에서의 RMS 노이즈는, 검출기가 124개 적은 선형 어레이에 대한 RMS 노이즈의 2/3이며, 또한 컨볼루션 팩터(convolution factor) 0.11까지 우수하다. 제3 곡선은 29, 31, 33 및 34의 블록 길이를 갖는 4개의 검출기에 대한 퇴플리츠 패턴의 RMS 성능을 나타내고 있다. 제4 검출기의 추가는 모든 컨볼루션 팩터에 대한 RMS 노이즈를 추가로 감소시킨다. 상기 제4 곡선은 퇴플리츠 형상을 갖는 5개의 검출기 케이스를 나타내고 있다. 블록 길이는 17, 19, 23, 31 및 37이다. 상기 RMS 노이즈는 제로 컨볼루션에서 122개의 더 적은 검출기를 사용하는 선형 어레이의 1/2보다 작다. 성능은 0.16의 컨볼루션 팩터까지 선형 어레이보다 우수하다. 하부 곡선은 아다마르 패턴을 사용하는 2개의 검출기 시스템의 성능을 제공한다. 상기 아다마르 패턴의 성능은, 모든 퇴플리츠 패턴의 성능보다 훨씬 우수하지만, 그러나 작동 중에는 제조 및 정렬 시 복잡성이 커진다.
도 13은, 적분 시간의 영향이 노이즈 계산에 반영된다는 점을 제외하고는, 도 10과 동일한 데이터에 기초하고 있다. 도 10에서, 컨벌루션 팩터는 마스크 영역의 중심과 파장 대역 영역의 중심 사이의 오정렬의 측정으로서 생각될 수 있다. 정속으로 이동하는 마스크에 대해, 듀티 사이클은 수치 상으로는 컨볼루션 팩터의 4배이다. 적분 시간의 영향을 수정하기 위해, 컨볼루션으로 인한 RMS 노이즈에 D-1/2 를 곱한 값이며, 여기서 상기 D는 듀티 사이클이다. 적분 시간과 컨벌루션 간의 최상의 균형은, 마스크가 정속으로 움직이는 경우 0.5 듀티 사이클에 가까운 넓은 영역에 있다. 마스크 및 파장 대역 영역 중심이 정렬에 가까울 때 마스크 속도를 감소시키고, 또한 정렬이 열악할 때 마스크 속도를 높이면, 전체 노이즈를 감소시킬 수 있다. 일부 실시예에 있어서, 이는 간단한 고조파 운동을 겪는 발진기로 달성될 수 있다.
도 14는 속도에 비해 샘플링 속도를 증가시키는 효과를 나타내고 있다. 기본 샘플링 속도는 H1으로 표시되며, 또한 23개의 파장에 대응하는 23개 컬럼을 갖는 Z 행렬 Z1과 연결된다. 샘플링 속도를 두 배로 늘리면 유효 대역 폭이 절반으로 줄어들어, 46개의 대역이 있다. Z 행렬 Z2의 컬럼의 수는 46으로 2배가 된다. Z1으로부터 Z2를 만들기 위해, Z1의 각 요소가 복제되고, 복제본이 원본에 인접하게 배치된다. Z2는 단일 행렬이지만, 그러나 모션(Z2)으로 인한 컨볼루션은 비 단일로 되어, 듀티 사이클의 일부 값에 대해 저 노이즈 솔루션을 허용한다. 본래 샘플링 속도의 최대 10배에 대한 고조파가 표시된다. 각각의 고조파에 대해 120 근방의 RMS 노이즈를 발생시키는 솔루션이 적어도 하나 있다. 광학 분광계의 경우, 이런 결과는 공간 변조기를 변경하지 않고서도 SNR 에서 적어도 20% 페널티로 샘플링 해상도를 시스템의 광학 해상도까지 증가시킬 수 있음을 의미한다.
도 15는 본 발명에 따라 일반적으로 70으로 표시된 멀티플렉싱된 비행 시간 질량 분석기를 도시하고 있다. 명확성을 위해 도면이 단순화되었지만, 많은 구성 요소가 브로크 디자인(Brock design)과 유사하다. 이온은 71에 도입되고, 72에 스키밍되어, 73에 가속되고, 이전과 같이 시준(도시되지 않음)된다. 이들 단계는 본 발명의 일부가 아니다. 본 기술분야의 숙련자에게 알려진 임의의 적절한 수단이 사용될 수 있다. 이온 비임은 프로세서(76)에 의해 제어되는 전압원(75)에 연결된 브래드베리-닐슨 셔터(Bradbury-Nielsen shutter)(74)에 선택적으로 입사되며, 이는 측정 시컨스의 시간적 엣지를 설정하는 데 사용될 수 있다. 이런 기능은 전술한 분산 분광계에서의 원치 않는 파장을 차단하는 예비-마스크(pre-mask)와 유사하다. 데이터 수집 중에는, 모든 이온이 통과할 수 있도록 셔터가 개방된다. 그 후, 이온 비임은 제어기로부터 수신된 신호에 따라 하나 또는 그 이상의 편향기 플레이트(77) 세트에 인가된 전압에 의해 이산 각도(discrete angle)로 편향되며, 이는 데이터 획득을 동기화시킨다. 이런 실시예에 있어서, 편향기 플레이트는 시간 변조기를 형성한다. 이는 상기 도 7의 광학 실시예에 전압을 인가함으로써 굴절률을 변화시키는 것과 유사하다. 도면에는 3개의 이산 경로(81, 82 및 83)가 도시되어 있지만, 그러나 경로의 수는 2보다 크고 측정 개수보다 작은 정수일 수 있다. 상기 이온 비임은, RMS 노이즈를 최소화하도록 설계되고 또한 검출기(54, 55 및 56)에 의해 검출되는 다중-상태 의사 랜덤 시컨스에 따라 이산 경로(81, 82, 83) 사이를 전환한다. 유한 전압으로 인해, 편향기 플레이트의 슬루율(slew rate)로 인해, 상기 이온 비임은 개별 경로들 사이의 중간 경로를 개략적으로 따른다. 이는 광학 케이스에서의 컨볼루션과 유사하다. 마스크(78)는 이들 중간 경로를 선택적으로 차단한다. 선택적인 브래드버리-닐슨 셔터(74)는, 상기 이온 비임을 정지로 간단히 전환하기 위해, 편향기 플레이트(77) 상의 전압 상태 사이의 전이 중 활성화될 수 있다. 보다 바람직하게는, 상기 이산 경로는 임의의 두 경로 사이의 전이가 제3 경로를 가로지르지 않도록 배치된다. 바람직한 실시예에 있어서, 상기 검출기는 규칙적인 다각형으로 배치된다. 불연속 경로로 지향된 이온은, 전계 프리 영역(field free zone)을 통해 이동하여, 질량에 의해 확산되며, 그리고 검출기에 의해 수신된다. 검출기 신호는 증폭되고, 집적되고, 디지털화되어, 프로세서(76)로 전송된다. 상기 프로세서는 데이터 벡터에 H 매트릭스를 곱함으로써 전하 대 질량 분포를 계산한다[식(3)]. 본 기술분야의 숙련자라면 이온 이동도 분광계가 동일한 방식으로 수정될 수 있고 또한 본 발명으로부터 동일한 이점을 실현할 수 있음을 인식할 것이다.
개선 사항:
1. 전체 이온 비임은 한번에 하나의 검출기를 향해 지향되어, 실질적으로 검출 및 분석될 전체 세기를 유지한다. 세기는 전체의 60%보다 크고, 바람직하게는 전체의 90%보다 크다. 종래 기술은 2개의 검출기 사이에 상보 비임을 분할하고, 상보 채널에서의 전체 세기는 편향되지 않은 채널에서의 세기보다 작다.
2. 중간 경로를 차단하는 마스크를 포함하면, 스트레이 이온(stray ion)을 감소시킨다. 종래 기술이 SNR의 이론적[sqrt(2)] 개선보다는 44% 개선을 달성한 주요 이유로서 스트레이 이온이 인용되었다.
3. 모든 데이터 채널은 종래 기술의 방법에서처럼 개별적으로가 아니라 MLS에 의해 함께 분석된다.
4. 종래 기술에서처럼 2개를 초과하여 검출기의 수를 증가시키면, 더 나은 SNR로 이어지는 멀티플렉싱 이점을 증가시킨다.
도 16은 형광 붕괴(fluorescence decay) 측정을 위한 개략도를 도시하고 있다. 샘플(92)은 형광 방출(93)을 통해 붕괴되는 여기 상태를 생성하기 위해, 광원(90)으로부터 전자기 방사선(91)의 펄스로 조사된다. 형광 방출은 검출기(95)에 의해 T 기간 동안 수신되며, 이는 수신된 광자 플럭스에 비례하는 전기 신호(94)를 생성한다. 상기 검출기는 광자 플럭스에 비례하는 신호를 생성하기 위해 증폭기(도시되지 않음)를 포함할 수 있다. 전기적 신호는 길이 T/N의 N 간격으로 게이트(96)에 의해 시간적으로 인코딩된다. 각각의 간격으로, 게이트는 전기 신호를 상기 검출기로부터 4개의 적분 회로(101, 102, 103 및 104) 중 하나로 지향시킨다. 각각의 측정 사이클의 말기에, 적분 회로는 아날로그-디지털 변환기(111)에 의해 판독되며, 디지털화된 결과가 프로세서(112, 113, 114)로 전송된다. 또 다른 구성(도시되지 않음)에서는, 적분기(101, 102, 103, 104)에서의 적분 신호가 개략적으로 유지되어, 단일 아날로그-디지털 변환기에 신호 아날로그로 순차적으로 지향된다. 상기 샘플은 시작 상태로 이완되는 것이 허용되며, N개의 별개의 인코딩 패턴에 대해 측정 사이클이 반복된다. 프로세서(115)는 식(3)으로 시간 의존적 형광을 계산한다.
도 7은 본 발명을 사용하여 액체를 측정하기 위한 플로우 셀(flow cell)의 개략도를 도시하고 있다. 이런 예에서는, 적외선 비임(120)이 (당업계에서는 ATR로 알려진) 고 굴절률 결정(121) 상에 좌측으로부터 입사되고, 우측으로부터 나오기 전에 상기 결정 내에서 여러 내부 전반사(total internal reflection)(122)를 겪는다. 상기 결정(123)의 상면은 측정될 유동 액체를 함유하는 채널(124)의 하면의 일부를 형성한다. 결정/액체 계면에서의 각각의 내부 전반사에서, 소산파(evanescent wave)가 액체를 투과하여, 액체에서의 진동 및 유리화 전이(librational transition)에 대응하는 파장이 부분적으로 흡수된다. 우측으로부터 나오는 수정된 적외선 비임은 어퍼처(도시되지 않음)를 통해 포커싱되어, 투과 격자(126)를 통해 적외선을 지향시키는 포커싱 미러(125)에 의해 시준된다. 회절된 적외선(127)은 상이한 파장 대역 세트를 3개의 검출기(54, 55, 56)로 지향시킨다. 상기 공간 변조기는 일련의 구성을 통해 N개의 상이한 파장 대약 세트를 각각 투영하며, 검출기 판독값은 프로세서(도시되지 않음)로 전송되며, 상기 프로세서는 식(3)을 통해 액체의 N 스펙트럼 영역으로 적외선 스펙트럼을 계산하고 스펙트럼을 분석하여, 액체의 조성물을 결정한다.
2016년 1월 28일 공개된 PCT 공보 2016/0011548(Prystupa)과 관련된 또 다른 실시예에 있어서, 육류 조각은 음향 변환기에 의해 시간 의존형 패턴으로 진동하도록 구성되어, 표면의 변형이 간섭계(interferometry)에 의해 측정된다. 특히, 의사-단색성 광원은 시준되어, 비임 분할기에 의해 2개의 부분으로 분할된다. 하나의 부분은 검출면을 향하며, 다른 부분이 상기 육류 샘플에 입사되고, 그 후 검출면을 향해 지향된다. 상기 검출면에서는, 부품이 광 경로 차이에 따라 간섭 패턴을 형성한다. 임의의 지점에서의 광 경로 차이는, 음향 여자에 의해 변조된다. 본 발명의 구성은 간섭 패턴에서의 시간 의존적 변화를 측정하기 위해 상기 검출면에 배치되며, 그 변화는 통계적으로 분석되어 상기 육류의 구조에 대한 정보를 제공한다.
다른 실시예에 있어서, 본 발명은 퓨리에 변환 분광계에 의해 생성된 간섭 패턴을 측정하는 데 사용될 수 있다. 주어진 파장에 대한 간섭 무늬(interference fringe)는 간섭 비임이 동일선 상에 있다면 균등한 간격으로 이격되며, 상기 간섭 비임이 동일선 상에 있지 않다면 불균등하게 이격된다. 공선 케이스(collinear case)는 수학적으로 간단하지만, 그러나 허용 가능한 전자기 방사선의 단지 절반만 사용한다. 계산의 복잡성이 증가함에도 불구하고 여기에서의 상기 공선 케이스가 바람직한데, 그 이유는 상기 허용 가능한 전자기 방사선의 절반 이상을 사용함으로써 SNR이 개선되기 때문이다. 1989년 1월 10일 클라크(Clarke)에 허여된 US 4797923호에는 부분파 분석을 이용하는 고해상도 FTIR 분광계를 개시하고 있다. 본 발명은 클라크에 의해 기재된 고해상도 간섭 패턴을 측정하는 데 적합한 방법이다.
다른 양태에 있어서, 본 발명은 음향학, 분광법, 자기 공명, 및 결정학(crystallography)을 포함한 많은 분야에서 사용되는 펌프-프로브(pump-probe) 실험에서 신호-노이즈 비율 및 시간적 해상도를 개선하는 데 적용될 수 있다. 예시적인 예로는, 여기에 참조 인용된 Nature Methods 11(11) 2014 에서 요케(Yorke)에 의해 기재된 광자-제한 x-선 회절 실험을 고려하고 있다. 상기 요케 실험에서는, x-선이 시간적으로 변조되고, 회절 패턴이 검출기의 어레이에 의해 기록된다. 전자 밀도의 시간적 진화는 아다마르 역전(식 2)에 의해 계산된다. 상기 요케 실험에서의 듀티 사이클은 50%이지만, 도 16에 도시된 바와 같이 본 발명의 방법을 적용함으로써 100%로 상승한다. 본 발명에서는, 사용 가능한 최대 광자 수를 생성하기 위해 x-선 비임이 실험의 전체 기간 중 켜지고 있다 각각의 검출기로부터의 광-전류는, 각각의 적분 회로가 시간적으로 변조된 광-전류의 플럭스를 수신하도록, 상기 실험의 각각의 시간 간격 동안 게이트에 의해 회로를 적분하는 m(m> = 2) 중 하나로 지향된다. 상기 게이트는 식(3)에서 Z 매트릭스에 의해 지정된 데이터 수집 시컨스를 기능적으로 구현한다. 각각의 시컨스의 길이는 측정될 시간 간격의 수(n)와 동일하다. 각각의 적분 회로는 인코딩 시컨스의 길이에 대해 광전자를 수집하고, 그 후 각각의 적분 회로에 대한 총 전하는 정상적으로는 아날로그-디지털 변환(ADC) 회로에 의해 처리되어, 상기 총 전하에 비례하는 값을 생성한다. 상기 값은 식(3)의 y 데이터 벡터의 적절한 m 위치에 입력된다. 샘플은 시작 상태로 이완되는 것이 허용되며, Z 행렬의 각각의 m 행 세트마다 측정 사이클이 n회 반복되어, 데이터 벡터 y의 모든 mn 값을 생성한다. 각각의 검출기에 대한 시간 시컨스는 의사 랜덤 또는 아다마르인 것이 바람직하다. 그 후, 각각의 시간 단계에서의 전자 밀도가 그 시간 단계에서의 회절 패턴으로부터 계산될 수 있다.
본 발명은 하나 또는 그 이상의 독립 파라미터의 함수로서, 종속 파라미터를 측정하는 방법이며, 여기서 종속 파라미터는 입자 플럭스의 측정 가능한 특성이고 독립 파라미터는 공간적 및 시간적 파라미터이다. 예시적인 목적으로, 일반적인 독립 파라미터는 x로 지정되며, f(x)로 지정된 종속 변수는 x의 변함에 따라 변한다. 예를 들어, x는 카메라의 초점면 상의 위치일 수 있고, f(x)는 상기 위치 x에 수신된 조명의 세기이다. 대부분의 경우에서는, 여러 종속 파라미터가 측정되고, 그 후 서로 연관된다. 예를 들어, 프리즘 상에 입사된 광은 측정 표면 상의 상이한 위치(x)에서 상이한 파장[f(x)]으로 확산된다. 빛의 세기 또한 동일한 위치에서 측정되며, 측정은 스펙트럼을 파장의 함수로서의 세기로서 제공하도록 연관된다. 이런 문서의 목적 상, 독립 파라미터의 맥락에서 종속 파라미터에 대한 임의의 기준은, 기저로 하고 있는 연관된 공간적 또는 시간적 파라미터에 대한 기준으로서 해석되어야 한다. 즉, 상기 예에서 파장에 대한 기준은 파장이 연관되는 공간적 파라미터에 대한 기준으로서 해석되어야 한다. 상기 입자는 아 원자(sub-atomic) 입자, 양성자, 중성자, 전자, 양전자, 광자, 원자, 이온, 및 분자를 포함하지만, 그러나 이에 제한되지 않는 임의의 타입일 수 있다. 측정 가능한 특성은 질량, 에너지, 전하, 스핀(spin), 주파수, 파장, 분극, 전기 쌍극자 모멘트, 자기 쌍극자 모멘트, 모멘텀, 압력, 및 속도를 포함하지만, 그러나 이에 제한되지 않는 임의의 타입일 수 있다.
상기 독립 파라미터는 파라미터 x의 시작값 및 종료값으로 특정된 일련의 범위로 분할된다. 각 범위에는 고유의 레이블이 할당된다. 범위 내에서 x 의 평균값으로 범위를 레이블하는 것이 편리한 경우가 종종 있지만, 그러나 이는 필요하지 않으며, 다른 레이블링 체계가 사용될 수 있다. 예를 들어, 일련의 범위는 그 대신에 일련의 정수 색인(integer indice)에 의해 특정될 수 있다. 본 명세서에서 빈(bin)이라는 용어는 범위를 지칭한다.
본 발명은 N 세트의 스칼라 파라미터를 생성하기 위해 적어도 N개의 상이한 측정 세트를 형성함으로써 N 범위에서 종속 파라미터의 값을 측정하는 방법에 관한 것이다. P가 2보다 크거나 같은 세트에는 P 측정값이 있다. 세트에서의 각각의 측정은 0으로부터 1 까지 범위의 값을 갖는 가중 함수(weight function)[wij(x)]와 연관되며, 여기서 인덱스 i는 M값을 갖고, 인덱스 j는 P값을 가지며, M은 N보다 크거나 같다. 각각의 j 값에 대해 하나씩 측정하는 P 논리 검출기가 있다. 각각의 측정은 측정될 종속 파라미터 f(x)에 wij(x)를 곱하고, 범위에 포함된 모든 x 값에 대해 적분하여 스칼라 gij 세트를 생성하도록 이루어진다. 가중 함수[wij(x)]는, 위치 x에서 입사 입자 플럭스의 분율을 기재하는 공간 및/또는 시간 변조기의 물리적 전달 함수가, 측정 i 동안 검출기 j에 대한 경로 상으로 지향된다. 공간 변조기는, 예를 들어 미러의 어레이로 구성될 수 있으며, 각각의 미러는 상이한 범위의 독립 파라미터 x에 대응한다. 상기 전달 함수는 주로 미러의 반사율에 의해 결정된다. 기술적으로 달성할 수 있는 가장 높은 광대역 반사율이 약 0.97이므로, 이런 경우에는 상기 전달 함수가 0.97이다. 본 발명의 정의된 특징은 x의 각각의 범위에 걸친 가중 함수의 총합이 0.60보다 커야 하고, 각각의 범위에서 입사하는 입자 플럭스의 60% 이상이 P 검출기 중 하나에 대한 경로 상으로 지향된다는 것이 요구사항이다.
도 18은 하나의 측정 계산을 개략적으로 나타내고 있다. (A)에 도시된 가중 함수는 (B)의 플럭스 세기(종속 파라미터)가 곱해지며, 결과 조각(C)이 합산되어, 상기 측정에 대한 적분된 플럭스 세기를 제공한다. 가중 함수(18A)는 각각의 검출기에 대한 각각의 측정마다 상이하다. 종래 기술에서는, (A)에 도시된 바와 같이, 단일 검출기에 대해 평균하여 입사 플럭스의 약 50%를 통과시키는 하나의 가중 함수가 있다.
도 19는 본 발명의 실시예에 대한 개략적인 이상적인 가중 함수를, 각각의 측정 사이클을 위한 3개의 검출기로의 입력에 대응하는 3개의 가중 함수(A), (B), 및 (C)로 도시하고 있다. 가중 함수의 총합은 독립 파라미터 x의 모든 영역에 대해 1이다. 물리적인 경우에, 가중 함수의 총합은 0.6보다 크고, 바람직하게는 0.9보다 크다. 공간 독립 파라미터의 경우, 도 19의 가중 함수는 도 4에 도시된 바와 같은 반사면 세트에 의해, 또는 도 5에 도시된 바와 같은 이동 가능한 미러에 의해, 또는 도 6에 도시된 바와 같은 반사 쐐기에 의해, 또는 도 7에 도시된 바와 같이 전기장에 의해 쐐기의 굴절 인덱스의 변화에 의해, 또는 도 8에 도시된 바와 같이 한 세트의 회전면에 의해, 또는 도 9a 및 9b에 도시된 바와 같이 회전 디스크 상의 퇴플리츠 패턴에 의해 물리적으로 구현된 수 있다. 도 16은 시간 독립 파라미터에 의해 도 19의 가중 함수를 구현하는 방법을 도시하고 있다. 도 16에서는, 광자의 펄스가 굴절 및 산란으로 고통을 받는 샘플을 통과한다. 상이한 파장을 갖는 광자는 상이한 시간에 샘플로부터 나오고, 또한 광자 플럭스 세기를 전압 파형으로 변환하는 광 검출기에 의해 등록된다. 상기 전압 파형은 가중 함수에 따라 적분 회로로 지향된다(이런 예에서 나타나는 적분기 중 하나에 대해서는 0). 적분된 전압은 아날로그-디지털 변환기에 의해 스칼라 값으로 변환된다. 상기 광원은 N 번 펄싱된다. 각 펄스마다 다른 가중 함수 세트가 사용된다.
각각의 측정 세트에 대해, 도 19의 가중 함수 (A), (B), 및 (C)는 도 18b에 도시된 바와 같이 종속 파라미터와 곱해져서, 도 18c에 개략적으로 도시된 바와 같이 3개의 개별 총합을 생성한다. 도 19의 예에서는 적어도 3N 스칼라 적분 세기의 값을 생성하기 위해, 적어도 N 세트의 측정 (A), (B), 및 (C)가 수행된다. 이런 예에서의 가중 함수가 각각의 영역에 대해 일정한 이산값(discrete value)을 갖기 때문에, 상기 적분은 총합으로 감소되고, 식(3)에 주어진 선형 대수 솔루션이 적용될 수 있다. 대안적으로, 적분 방정식의 시스템은 본 발명의 범위 내에서 반복적인 방법에 의해 해결될 수 있다. 식(3)과 관련하여, 3N 가중 함수는 Z 행렬의 행을 각각 나타낸다. 독립 파라미터의 각각의 범위는 Z 행렬의 하나의 열에 해당하며, 각각의 행의 요소는 가중 함수의 상수값이다. 상기 3N 측정 스칼라 값은 해당 측정에 대한 가중 함수의 행에 대응하는 관측 벡터(y)의 행에 로딩된다.
도 20은 가중 함수가 각각의 영역에 대해 일정하지 않은 일반적인 경우를 개략적으로 도시하고 있다. 도 20a는 각각의 측정 중 독립 파라미터에 대해 정속으로 이동하는 공간 변조기에 대한 가중 함수의 일반적인 형상을 도시하고 있다. 전술한 바와 같이, 각각의 범위에 대한 정적 가중 함수값을, 각각의 측정 사이클 중 그 범위로부터 상기 검출기에 의해 수신된 입자 플럭스의 시간 가중 평균 세기로 대체함으로써, 상대 운동의 효과가 설명될 수 있다. 도 20b는 가중 함수가 독립 파라미터 x의 전체 범위에 대해 0과 1 사이의 값을 취하는 일반적인 경우를 도시하고 있다. 본 발명의 측정 프로토콜은 반복적인 방법에 의해 해결될 수 있는 적분 방정식 시스템으로 나타난다. 측정 영역을, 상기 가중 함수가 거의 일정하고 또한 식(3)의 방법을 적용할 수 있는 작은 범위로 분할함으로써, 대략적인 솔루션이 얻어질 수도 있다.
여기에서 검출기라는 용어는, 유한의 측정 기간에 대해 적분된 입사 입자 플럭스와 관련된 응답을 생성하는 임의의 장치를 지칭한다. 검출기는 적분 장치일 수 있으며, 검출기는 적분 장치와 연결된 변환기일 수 있다. 논리 검출기라는 용어는 변조기에 의해 동일한 경로를 따라 지향된 입자 플럭스를 측정하는, 단일의 물리적 검출기 또는 다수의 물리 검출기를 지칭할 수 있다.
Claims (39)
- 독립 변수의 간격 내에서 입사 방사선의 하나 이상의 변수를 측정하기위한 방법으로서, 상기 하나 이상의 변수는 상기 독립 변수에 의존하여 변경하는, 상기 방법에 있어서,
측정될 입사 방사선을 수집하는 단계;
공간 변조기 또는 시간 변조기를 사용하여 각각의 간격에서 절반 이상의 입사 방사선을 적어도 2 개의 개별 경로 중 하나로 지향시키는 단계로서, 상기 변조기는 시컨스의 각 부재가 간격 내에서 입사 방사선의 상이한 조합을 각 경로로 지향하도록 일련의 구성을 겪는, 지향 단계;
여기서, 모든 개별 경로에 대한 방사선 세기의 합은 전체 입사 방사선의 적어도 60 % 이고;
복수의 검출기 출력을 제공하기 위해 각각의 변조기 구성을 위한 검출기로 각각의 경로에서 방사선의 전체 세기를 측정하는 단계; 및
측정될 방사선의 종속 변수에 관한 정보를 얻기 위해 검출기 출력을 통계적으로 분석하는 단계를 포함하는, 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 변조기는 일련의 M 구성을 순환하며, 각 구성에서 방사선이 변조기에 입사되는 위치 및 시간에 따라 입사 방사선을 N 부분으로 분할하고, 입사 방사선의 각 부분의 적어도 50%를 P 고유 경로 중 하나로 지향시키며, 여기서 P는 2보다 크거나 같고 N보다 작으며, M은 N보다 크거나 같고, 변조기 구성 시컨스는 각각의 부분의 적어도 50%가 상이한 경로로 향하는 적어도 2 개의 구성을 포함하는, 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 방사선은 소스 위치, 파장, 위상 또는 편광에 의해 공간적으로 분리되고, 측정 표면으로 특성화될 N > 2의 상이한 영역으로 지향되고, 변조기는 상기 측정 표면에 배치된 공간 변조기인, 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 방사선은 상기 시컨스에 따라 변조되는 게이트 변조기를 사용하여 N > 2 부분으로 일시적으로 분할되는, 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 변조기의 구성 시컨스는, 구성 시컨스 Z의 매트릭스 표현이 ZTZ가 비-단일 특성을 갖도록 선택되고; 여기서 Z는 MP 행과 N 열을 가지며, Z의 각 행은 하나의 검출기에서의 측정을 나타내고, Z의 각 열은 독립 파라미터의 하나의 범위를 나타내고, Z의 요소는 상기 행에 대한 각 범위로부터의 입자 플럭스의 분율을 나타내는, 방법. - 제 5 항에 있어서,
Z의 적어도 하나의 요소는 정수가 아닌, 방법. - 제 5 항에 있어서,
컨볼루션의 적용에 의해, 인코딩 패턴은 2진(binary)도 아니고 직교하지도 않는, 방법. - 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 방사선은 소스 위치, 파장, 위상 또는 편광의 세트로부터 선택된 독립 특성에 의해 공간적으로 분리되고, 측정 표면으로 특성화될 N > 2의 상이한 영역으로 지향되며, 상기 변조기는 상기 측정 표면에 배치된 공간 변조기인, 방법. - 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 방사선은, 독립 특성이 시간인, 상기 독립 특성에 의해 상이한 경로상에서 분리되고, 상기 방사선은 게이트 변조기를 사용하여 시간적으로 분리되는, 방법. - 제 9 항에 있어서,
상기 변조기의 상이한 구성의 수는 상기 독립 특성의 분할 수보다 크거나 같은, 방법. - 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 변조기 구성 시컨스는, 분할 내의 방사선의 적어도 50%가 상이한 경로로 지향되는, 각 분할에 대한 적어도 2 개의 구성을 포함하는, 방법. - 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
각각의 경로는 복수의 검출기를 가지며, 각각의 검출기는 상이한 에너지 범위 내에서 경로를 따라 진행하는 방사선을 측정하는, 방법. - 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
각각의 경로는 복수의 검출기를 가지며 하나의 경로상의 각각의 검출기는 상이한 원래 영역으로부터의 방사선을 측정하는, 방법. - 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
측정될 방사선은, 분산 분광계; 푸리에 변환 분광계; 이미징 분광계; 간섭 패턴; 회절계; 라만 산란으로부터; 그레인 커널, 비행 시간 질량 분광계, 형광 디케이, 유체 흐름을 측정하기 위한 플로우 셀, 분석중인 입자로부터 반사된 광, 진동 활성화된 고체 물질로부터 반사된 방사선에 의해 생성된 간섭 패턴, 및 기준 표면으로부터 반사된 방사선 중 하나로부터의 것인, 방법. - 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 공간 변조기는 굴절, 반사, 회절 중 하나인, 방법. - 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
각각의 경로상의 검출기는 아날로그 전압을 생성하고, 상기 아날로그 전압은 디지털 형태로의 변환 이전에 감산된 기본 전압 레벨을 갖는, 방법. - 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 변조기는 적어도 두 개의 개별 영역을 갖는 베이스 마스크의 순환 순열을 생성하는, 방법. - 제 17 항에 있어서,
각 측정 영역에 대해 각각의 개별 방향으로 지향하는 방사선의 분율은, 마스크 영역이 방사선을 그 방향으로 지향하는 시간 계량 기하 분율로서 계산되는, 방법. - 제 17 항에 있어서,
상기 변조기는 상기 베이스 마스크의 순환 순열을 생성하고, 마스크 특성의 적어도 일부는 측정 기간 동안 상기 마스크의 움직임에 의해 결정되는, 방법. - 제 17 항에 있어서,
상기 변조기의 적어도 하나의 요소는 적어도 두 개의 다른 구성을 갖는, 방법. - 제 17 항에 있어서,
상기 변조기는 동적 토플리츠 마스크를 포함하고, 해상도는 샘플링 속도를 변경함으로써 변화되는, 방법. - 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
각각의 검출기 출력은 검출기 출력의 합으로 정규화되는, 방법. - 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
측정될 방사선의 특성은 다변량 최소 제곱 분석에 의해 수득되는, 방법. - 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
측정될 방사선의 정보는 원시 검출기 출력 또는 정규화된 검출기 출력의 다변량 통계 분석에 의해 수득되는 것인, 방법. - 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
측정될 방사선의 정보는 원시 검출기 출력 또는 정규화된 검출기 출력의 상관 분석에 의해 획득되는 것인, 방법. - 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
N 영역을 갖는 방사선 패턴은 스펙트럼에서 더 적은 수 m 개의 잠재 변수를 찾기 위해 통계 분석에 의해 분석되고; m 개의 측정을 수행하고, 통계 분석을 사용하여 각 잠재 변수의 값을 추론하는, 방법. - 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
모든 검출기에 대해 합산된 방사선의 총 세기는 공간 변조기 구성 중 적어도 일부에 대해 변하고; 각각의 변조기 구성에서, 원시 세기 값이 각각의 검출기에서 생성되고; 여기서 변조기 구성에 대한 총 세기는 C = SUM(검출기 세기 di)이며, 데이터 벡터는 di'= di/C 값으로 로드되어, 이러한 정규화는 세기의 변화를 보상하는, 방법. - 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
대역통과 필터는 분석 시스템을 위한 경계 조건을 설정하기 위해 측정 시스템을 통해 전파되는 파장의 범위를 제한하는, 방법. - 제 28 항에 있어서,
상기 대역통과 필터는 특정 분석물의 측정에 그 스펙트럼 대역의 중요성에 비례하여 상이한 스펙트럼 대역의 전송을 가중함으로써 특정 분석물의 측정 시스템의 측정을 위한 기구 감도를 최적화하는데 사용되는, 방법. - 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 방사선의 세기는 복수의 샘플 각각에 대해 변하고, 각각의 시간 샘플에서, 원시 세기 값이 제 1 검출기 A 및 제 2 검출기 B에서 생성되며, 여기서 시간 단계에서의 총 세기는 C = A+B이고, 여기서 데이터 벡터는 값 a' = A/C 및 b'=B/C로 로드되어, 이러한 정규화는 세기의 변화를 보상하는, 방법. - 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 입사 방사선을 N 개의 패킷으로 분할하는 단계를 포함하고, 각 패킷은 제 1 특성의 상이한 값을 갖는 방사선을 포함하며; 시간적 또는 공간적 변조기를 사용하여 상기 패킷을 시간적 또는 공간적으로 분리하고, 입사 방사선 패킷의 적어도 N 개의 상이한 조합을 적어도 2 개의 개별 경로로 보내도록 변조 시퀀스를 사용하여 변조기를 변화시키고; 각 측정에서 각각의 검출기에 의해 수신된 전체 세기에 대한 각 대역의 시간 가중 기여도를 추정하는 단계, 및 시간 가중 기여도를 명시적으로 모델링하기 위해 Z 매트릭스의 계수를 설정하는 단계를 포함하는, 방법. - 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 공간 변조기 및 관련 광학계 및 검출기는 측정될 방사선 소스에 대해 상대 운동하고, 상기 상대 운동은 원하는 변조를 생성하는, 방법. - 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 변조기는 일련의 M 구성을 순환하며, 각 구성에서 방사선이 변조기에 입사되는 위치에 따라 입사 방사선을 N 부분으로 분할하고, 입사 방사선의 각 부분의 적어도 50%를 P 고유 경로 중 하나로 지향시키며, 여기서 P는 2보다 크거나 같고 N보다 작으며, M은 N보다 크거나 같고, 변조기 구성 시컨스는 각각의 부분의 적어도 50%가 상이한 경로로 향하는 적어도 2 개의 구성을 포함하는, 방법. - 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 변조기는 일련의 M 구성을 순환하며, 각 구성에서 방사선이 변조기에 입사되는 시간에 따라 입사 방사선을 N 부분으로 분할하고, 입사 방사선의 각 부분의 적어도 50%를 P 고유 경로 중 하나로 지향시키며, 여기서 P는 2보다 크거나 같고 N보다 작으며, M은 N보다 크거나 같고, 변조기 구성 시컨스는 각각의 부분의 적어도 50%가 상이한 경로로 향하는 적어도 2 개의 구성을 포함하는, 방법. - 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 변조기는 유니티(unity) 패킹 분율을 제공하는 영역들 사이의 갭(gap) 없이 배치되는, 방법. - 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 공간 변조기는 각 측정 기간 동안 고정 구성으로 유지되는, 방법. - 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 공간 변조기는 측정될 공간 가변 입자 플럭스에 대해 상대 운동 상태에 있고, 각각의 영역으로부터의 상기 입자 플럭스는 하나의 측정 사이클 동안 각각의 검출기에 대한 변조기 영역의 상대적 시간 가중된 기하학적 단면에 따라 상이한 검출기로 보내지는, 방법.
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