從運動物體獲得光譜信息的制作方法
【專利摘要】一種光學裝置包括夾在第一和第二起偏器之間的波片，布置所述波片以接收從相對于光學裝置運動的物體或物體圖像發射的光。探測器陣列包括一個或多個探測器元件，并經光學耦合以從第二起偏器接收光。探測器陣列的每個探測器元件都提供根據從第二起偏器接收的光強度變化的輸出電信號。光強度是物體或物體圖像和光學裝置的相對運動的函數并包含關于物體物點的光譜信息。
【專利說明】
從運動物體獲得光譜信息
技術領域
[0001 ]本公開總體上涉及用于光譜成像的裝置、系統和方法。
【背景技術】
[0002] 光譜成像，包括高光譜成像，可以提供來自物體的一個或多個點的光譜信息。高光 譜成像可以組合空間成像及光譜。對于物體的每個坐標位置，高光譜成像器針對大量的，例 如超過10個或超過100個光譜帶獲得光強。高光譜圖像中的每個位置于是包含了光在其對 應物體位置處的光譜。高光譜圖像數據可用于表征具有精確度和細節的物體特征。光譜成 像可應用于包括農學、天文學和生物醫學成像的很多領域中。

【發明內容】

[0003] 本文描述的一些實施例涉及一種光學裝置，所述光學裝置包括布置成接收從沿某 軌跡移動的物體發出的光的第一起偏器。第一起偏器使發自物體的光沿第一偏振方向偏 振。布置波片以從第一起偏器接收光，波片的光學延遲性作為沿軌跡方向的位置的函數而 變化，在與第一偏振方向成第一角度，例如大約45度，具有慢軸。布置第二起偏器以從波片 接收光。第二起偏器使從波片接收的光沿第二偏振方向偏振，其中第二偏振方向可以大約 平行于或大約垂直于第一偏振方向。布置包括一個或多個探測元件的探測器，以從第二起 偏器接收光。響應于從第二起偏器接收的光強度的變化，每個探測元件產生輸出電信號。布 置所述探測器和所述波片，使得在每個探測器元件和所述波片的至少一個特定延遲之間存 在固定對應關系。
[0004] -些實施例涉及一種包括耦合到光學裝置的電輸出的光學裝置和處理器電路的 系統。所述光學裝置包括第一起偏器，所述第一起偏器被配置以從相對于光學裝置沿軌跡 移動的物體或物體圖像接收光。第一起偏器使光沿第一偏振方向偏振。對波片進行光學耦 合以從第一起偏器接收光。波片的光學延遲作為沿軌跡的位置的函數而變化，波片的慢軸 與第一偏振方向成第一角度。對第二起偏器進行光學耦合以從波片接收光。第二起偏器使 從波片接收的光沿可以大約平行或大約垂直于第一偏振方向的第二偏振方向偏振。對包括 多個探測器元件的探測器陣列進行光學耦合以從第二起偏器接收光。探測器陣列的每個探 測器元件都提供根據從第二起偏器接收的光的強度隨時間改變的輸出電信號。光的強度是 物體或物體圖像與光學裝置的相對運動的函數。處理器電路處理探測器元件的輸出電信 號，并基于輸出電信號確定關于物體的波長信息。
[0005] -些實施例涉及一種從發光物體獲得位置和光譜信息的方法。所述方法包括相對 于波片移動物體或物體的圖像。對于物體或物體圖像的一個或多個點(這里稱為物點/物體 圖像點），在物體或物體圖像相對于波片移動時，從發射光獲得位置依從性偏振圖的同時， 同時探測關于物體的位置信息。從記錄自物點/物體圖像點的位置依從性偏振干涉圖確定 對應于給定物點/物體圖像點的光譜信息。
【附圖說明】
[0006] 圖1A是根據一些實施例的成像系統的方框圖；
[0007] 圖1B是根據一些實施例，被配置為從物體獲得光譜信息的系統的方框圖；
[0008] 圖2示出了根據一些實施例，探測器輸出到頻域信號的轉換；
[0009] 圖3示出了根據一些實施例，包括空間濾波器的光學裝置；
[0010] 圖4繪示了根據一些實施例，包括偏振分束器和多個探測器的光學裝置；
[0011 ]圖5是流程圖，示出了根據一些實施例的方法；
[0012] 圖6是包括具有多個探測器的探測器陣列的成像系統的方框圖；
[0013] 圖7A是包括光譜編碼器和導致物體圖像跨越光譜編碼器移動的光學部件的成像 系統的方框圖；
[0014] 圖7B示出了包括光譜編碼器和被配置成導致物體和光譜編碼器之間相對移動的 移動裝置的成像系統的方框圖；
[0015]圖8A示出了包括第一和第二半部的沃拉斯頓棱鏡；
[0016]圖8B示出了包括粘合到光學各向同性材料基板的第一和第二半部的沃拉斯頓棱 鏡；
[0017] 圖9A示出了包括沿光譜編碼器成像軸布置的棱鏡半部和雙折射材料附加層的沃 拉斯頓棱鏡；
[0018] 圖9B示出了包括具有沿光譜編碼器成像軸布置的雙折射材料附加層的棱鏡半部 的沃拉斯頓棱鏡；
[0019] 圖10A到10C是由第一和第二膜制成的波片的視圖，其中每個膜都具有雙折射梯 度；
[0020] 圖10D示出了包括插入于起偏器之間的圖10A到10C所示波片的光譜編碼器；以及
[0021] 圖11示出了具有以某一角度傾斜以補償沃拉斯頓棱鏡條紋局部化的探測器的光 譜編碼器。
[0022] 附圖未必成比例。附圖中使用的類似附圖標記是指類似部件。不過，將要理解，使 用附圖標記指代給定圖中的部件并不意在限制另一幅圖中以相同附圖標記標記的部件。
【具體實施方式】
[0023]本文描述的實施例涉及用于對從微觀到宏觀物體的尺寸范圍的的物體進行光譜 成像的裝置、系統和方法。例如，一些實施例涉及針對小物體，例如，活細胞或其他小顆粒獲 得光譜信息。其他實施例涉及對更大物體進行光譜成像，更大物體例如是地球或地外的地 理特征。本文論述的方法涉及一種光學裝置(也稱為光譜編碼器），所述光學裝置被配置成， 在一個或多個物體相對于光譜編碼器運動的同時，從物體(或從多個物體)獲得光譜信息。 本文論述的一些方法涉及一種光譜編碼器，所述光譜編碼器被配置成獲得相對于光譜編碼 器運動的物體或物體的圖像的單個或多個空間維度的光譜圖像。可以利用物體或物體圖像 和光學裝置之間的相對運動，在高光譜分辨率下獲得光譜信息，而不減小光通量或光譜帶 寬，以產生取決于位置的偏振，如下文更詳細所述。
[0024]在如下所述的實施例中，光譜編碼器將來自發自物體或物體圖像的光的光信號轉 換成電信號，其中電信號在電信號中對來自物體或物體圖像的超過一個點的光譜信息進行 編碼。在一些實施例中，物體本身可以相對于光譜編碼器移動。在一些實施例中，物體的圖 像可以相對于光譜編碼器移動。例如，物體自身可以相對于光譜編碼器是不動的，而可移動 鏡片被移動，導致物體圖像相對于光譜編碼器移動。在一些實施例中，可移動的鏡片可以包 括可移動鏡片的一維或二維陣列。光譜編碼器產生的電信號可以由本文稱為處理器的電路 處理，以提取光譜信息。光譜信息的提取可能涉及，例如，通過在一個或多個預定感興趣頻 率處執行電信號的完整傅里葉變換或電信號的部分傅里葉變換，將對應于物點/物體圖像 點的電信號從時域變換到頻域。
[0025]圖1A示出了包括光學裝置193(光譜編碼器）的系統，所述光學裝置被配置成提供 電信號195,電信號195包括關于物體191的光譜信息。通常，物體191的尺寸可以從微觀或宏 觀范圍。微觀物體可以被光譜編碼器成像為單個物點/物體圖像點。宏觀物體可以被成像為 多個物點/物體圖像點。物體191自身或物體的圖像相對于光譜編碼器193移動。箭頭181指 出了物體191和光譜編碼器193之間的相對運動。光105從物體191發出。例如，發出的光105 可以是或包括散射光、反射光、熒光、磷光、化學發光、生物發光等等。由光譜編碼器193接收 (直接或例如，由可移動鏡片重新指向之后)從物體191發出的至少一些光105。
[0026] 發出的光105通過第一起偏器131，第一起偏器131使光沿第一偏振方向偏振。已經 沿第一偏振方向偏振的光被波片140接收，波片140例如是夾在第一起偏器131和第二起偏 器132之間的多（高)階波片。波片140的光學延遲性作為沿物體或物體圖像191(本文統稱為 "物體/物體對象"）和光譜編碼器193之間相對運動方向181的位置的函數而變化。在一些配 置中，延遲性作為沿物體/物體圖像191和光譜編碼器193之間相對運動181軌跡的位置的函 數而單調或線性變化。
[0027] 圖1A中所示的第二起偏器132代表一個或多個第二起偏器。例如，可以在平行或垂 直取向中布置第一和第二起偏器131、132的偏振軸。在一些實施方式中，第一和第二起偏器 131、132是交叉起偏器，第一起偏器131具有從第二起偏器132的偏振軸大約成90度的偏振 軸。波片140的慢軸，相對于第一和第二起偏器131、132的偏振軸，形成第一角度，例如，大約 45度。
[0028] 物體/物體圖像191相對于波片140的取決于位置的光學延遲性的移動針對物體上 的每個點并針對從物點/物體圖像點發出的光的每個波長生成偏振的時間依從性變化。光 的變化偏振被第二起偏器轉換成光的變化強度，對于給定物體/物體圖像位置的所有波長 處的強度加在一起形成時間依從性干涉圖。在一些實施例中，探測器190可以為單個探測元 件，所述探測元件被配置成探測從物體/物體圖像的單個點發出的光。在一些實施例中，探 測器190可以包括多個探測器元件，它們被配置成探測從跨過物體/物體圖像的多個物點/ 物體圖像點發出的光。例如，多元件探測器的多個探測元件可以布置成一維或二維探測器 陣列。
[0029] 探測器190的位置相對于波片140固定，使得在探測器190的每個探測元件和波片 140的一個或多個特定延遲之間具有固定的對應關系。探測器190的每個探測元件都從第二 起偏器接收光，并在探測器190的輸出195處將光的時變強度變換成時變的輸出電信號，例 如，時變電壓。探測器190的每個探測元件探測到的光強度是物體/物體圖像191的點和光學 裝置193之間相對位置的函數。對于發自物體/物體圖像191的窄頻帶光，光強度的時間變化 可能是振蕩的，振蕩周期取決于窄頻帶光的中心波長。在這里，振蕩表示在光強度中清晰可 見多個振蕩N，窄頻帶光表示光的中心波長除以光譜帶寬大約為N或更大。曲線圖161示出了 與相對于光學裝置193沿軌跡181移動，同時在窄頻帶波長中發光的物體/物體圖像的點相 關聯的，探測器190的一個探測元件的時變輸出信號的范例。輸出信號195包括關于從物體/ 物體圖像191的每個物點發出的光的光譜的信息。可以由電子線路，例如，處理器197分析輸 出信號195以提取從物體/物體圖像191的每個點發出的光的光譜。
[0030] 可以編程處理器197以利用探測元件和波片位置延遲性之間的預定對應關系，確 定來自物體/物體圖像每個點的光的光譜。在包括具有多個元件的探測器的實施例中，在探 測元件和與特定延遲相關聯的波片140上的點之間可能有一一對應關系，例如，如果將成像 光學系統置于波片140和探測器190之間。在一些實施例中，探測元件之一對應于波片上的 多個延遲(多個位置）。
[0031] 在一些實施例中，可以由波片和探測器陣列的固定位置設置波片的延遲性和探測 元件之間的對應關系。在一些實施例中，可以沿光譜編碼器的主要光軸在任何位置設置微 鏡陣列，以提供與從固定位置獲得的對應關系不同的探測元件和波片延遲性之間的對應關 系。例如，在一個實施例中，首先由第一成像光學部件將發自物點/物體圖像點的光成像到 波片上，由包括微鏡陣列的第二成像光學部件將來自波片的光成像到多元件探測器上，從 而由微鏡陣列建立探測元件和波片延遲性之間的對應關系。
[0032] 有若干種用于本文所述光譜編碼器的應用。特別讓人感興趣的是在流式細胞計量 術中使用光譜編碼器。圖1B到5示出了在諸如流式血細胞計數器的應用中部署的光譜編碼 器，其中，光譜編碼器被配置成觀測相對于光譜編碼器沿軌跡移動的小或微觀物體。這些方 法可以采用單元件探測器(也稱為單像素探測器)將物體觀測為單個物點/物體圖像點，或 者可以采用多像素探測器，在這種情況下，可以觀測到多個小的或微觀顆粒。在使用多元件 探測器(也稱為多像素探測器）的流動血細胞計數器中，光譜編碼器可以被配置成解析例如 流動血細胞計數器的流動通道中的小型交疊顆粒。結合圖1B到5描述的技術適用于采用單 像素或多像素探測器的光譜編碼器。多像素光譜編碼器可以被配置成從宏觀物體獲得光譜 信息，其中物體被光譜編碼器觀測成多個物點/物體圖像點。
[0033] 圖1B示出了包括光學裝置103(這里也稱為光譜編碼器）的系統，光學裝置103被配 置成提供電信號，電信號包括關于運動物體特性的信息。圖1B示出了沿流動路徑110在軌跡 111中移動的一個或多個運動物體101。在一些實施方式中，流動路徑可以設置于形成流動 通道113的通道壁112之間，流動通道113的通道壁112將物體的運動約束到軌跡111。盡管在 圖1B中未示出，但在一些實施例中，流體運動裝置，例如，包括一個或多個栗和/或一個或多 個閥，可以耦合到通道壁112之間流動通道中的流體，其中流體運動裝置被配置成導致物體 101沿軌跡111移動。光105從每一物體101發出。任選地，光學裝置103可以包括配置成提供 與物體101相互作用的輸入光的光源102。響應于輸入光，物體發出光。例如，發出的光105可 以是或包括散射光、反射光、熒光、磷光、化學發光、生物發光等等。
[0034] 在包括流動通道壁的實施例中，壁中的至少一個可以對于輸入光光學透明，壁中 的至少一個可以對于發出的光105光學透明。光學裝置103包括一個或多個第一起偏器，在 本范例中由起偏器131代表。配置第一起偏器131以接收從物體101發出的光105。任選地，可 以在物體和第一起偏器131之間布置透鏡120,使得透鏡120例如在波片140的表面之間一半 距離處聚焦發射光105。或者，物體的軌跡111可以使物體101充分接近波片140,從而不需要 透鏡。在包括透鏡的實施例中，可以配置透鏡以在色彩上被校正，使得所有頻率的光基本都 聚焦在波片140表面之間的一半處。
[0035] 發出的光105通過第一起偏器131，第一起偏器131使光沿第一偏振方向偏振。已經 沿第一偏振方向偏振的光被波片140接收，波片140例如是夾在第一起偏器131和第二起偏 器13 2之間的多(高)階波片。波片140的光學延遲性作為沿物體101的軌跡方向111的位置的 函數而變化。在一些配置中，延遲性作為沿物體1 〇 1的軌跡方向111的位置的函數而單調或 線性變化。在一些配置中，波片可以是沃拉斯頓棱鏡或其他光學延遲裝置，其定位成，使得 在物體大致位于探測器視場中心時，在光通過波片傳播之后，光的兩種偏振之間的光學延 遲大約為零。這樣確保了記錄的干涉圖基本以其零階條紋為中心。
[0036] 圖1B中所示的第二起偏器132代表一個或多個第二起偏器。可以在平行或垂直取 向中布置第一和第二起偏器131、132的偏振軸。在一些實施方式中，第一和第二起偏器131、 132是交叉起偏器，第一起偏器131具有從第二起偏器132的偏振軸成大約90度的偏振軸。波 片140的慢軸相對于第一和第二起偏器131、132的偏振軸，形成第一角度，例如，大約45度。
[0037] 物體相對于波片140取決于位置的光學延遲的移動生成了所發出光偏振的時間依 從性變化，所述變化取決于光的光譜。光的變化偏振被第二起偏器132轉換成變化的強度。 探測器150,例如單像素探測器，在探測器的輸出151處將光的時變強度轉換成時變輸出電 信號，例如，時變電壓。對于窄頻帶光而言，光強度的時間變化可能是振蕩的，振蕩周期取決 于頻帶的中心波長。曲線圖160示出了與沿軌跡111移動，同時在窄波長帶中發射光的一個 物體相關聯的探測器的時變輸出信號的范例。輸出信號包括關于物體101的信息，諸如從物 體發出的光的光譜。
[0038] 任選地，光學裝置103包括一個或多個光學濾波器145。例如，在各實施例中，可以 在物體101和探測器150之間的光路中的任何地方布置光學濾光器，例如，如圖1B所示的第 二起偏器132和探測器150之間。光學濾波器145能夠用于將入射在探測器150上的光的帶寬 限制到感興趣的帶寬范圍，這樣簡化了信號處理。在一些情況下，限制探測器接收的光帶寬 允許從物體運動產生的光學干涉圖完全恢復光譜信息，即使在低于尼奎斯特極限下對干涉 圖產生的電信號進行采樣也如此(對于最短的探測波長，每個干涉條紋兩個樣本）。
[0039]圖1B中所示的系統包括處理器180,耦合所述處理器以從探測器150接收輸出電信 號。處理器180包括諸如執行編程指令的計算處理器的電路，被配置成處理輸出信號以提取 關于物體101的光譜信息。注意，物體或其圖像的尺寸相對于波片140的延遲的位置變化可 以很小，使得在由探測器150的單個像素或元件探測時，由物體/物體圖像的每個點產生的 光干涉條紋基本是同相的。例如，如果在物體/物體圖像橫越延遲作為沿軌跡方向111的位 置的函數而線性增大的波片時要記錄N個干涉條紋，物體/物體圖像101沿軌跡方向111的尺 寸可以大約為波片140沿軌跡方向111的長度的1 /2N，或更小，以解析干涉條紋。
[0040]可以通過例如傅里葉變換或其他時間到頻域變換來處理探測器的輸出，以確定從 物體發出的光的光譜。如圖2所示，變換的輸出信號170可以包括低頻成分170a和高頻成分 170b。低頻成分170a與信號160的包絡相關聯，高頻成分170b對應于所發出光的光譜。
[0041]在一個范例中，波片是具有楔角α的沃拉斯頓棱鏡，其中楔角被定義為棱鏡上與光 譜編碼器的主要光軸正交的前面和棱鏡的兩半部膠合在一起的內面之間的角度。棱鏡的慢 軸可以相對于起偏器的偏振軸取向在大約45度。棱鏡的楔方向被定義為在平行于棱鏡前面 的平面中，棱鏡的兩半部的厚度折中最快所沿的方向。優選將棱鏡的楔方向與物體的軌跡 對準，并將慢軸對準在楔方向成45度處。如果在波長λ處期望的光譜分辨率為λ/Ν，那么在物 體橫越視場時，必須要記錄Ν個條紋。如果物體或物體圖像的行進距離沿具有雙折射Δη的 沃拉斯頓棱鏡的楔方向為L，那么沃拉斯頓棱鏡的楔角應當是α~ηλ/2L △ η。最大光譜帶寬 受到探測器信號采樣率的限制，采樣率必須足夠快以記錄觀測到的條紋。光譜帶寬還受到 物體尺寸的限制。如果物體直徑為d，那么探測器可以記錄的最大條紋數量大約為L/2d，因 此最小可探測波長為X~4ad Δ η。
[0042]根據本文所述的方法，使用物體的運動對至少一個單像素探測器的時變信號中的 光譜信息編碼。利用這些方法，可以使用具有單一輸出的一個單像素探測器獲得發出光的 光譜，不存在如像常規光譜技術中發生的那樣，隨著光譜分辨率提高，光通量明顯損失。在 一些實施方式中，組合兩個或更多單像素探測器的輸出以提高組合信號的信噪比。
[0043]圖3示出了在其些方面中類似于圖1Β的光學裝置103的光學裝置305。光學裝置305 包括夾在第一和第二起偏器131、132之間的波片140。沿軌跡111行進的運動物體101發出的 光105通過第一起偏器131，第一起偏器使光沿第一偏振方向偏振。第一起偏器起偏的光被 光學延遲作為沿軌跡方向111位置的函數而變化的波片140接收。
[0044] 在每個波長處，波片140引入的發射光中兩種偏振之間的光學延遲生成了取決于 波長的變化偏振。光的變化偏振被第二起偏器132轉換成變化的光強。來自第二起偏器的光 落到探測器150上。在一些配置中，光被可選的光學濾波器145濾波，該光學濾波器145布置 于第二起偏器132和探測器150之間的光路中。
[0045] 光學裝置305還包括空間掩模320,空間掩模320包括一定數量，例如3、4、5或更多 個對發出的光透明的掩模特征，與3、4、5或更多個光學不透明掩模特征交替。從物體發出的 光105的一部分可以被成像在空間掩模320上。空間掩模320與物體101發出的光105交互作 用，這種交互生成了入射在探測器150上的時變光。要認識到，物體101沿軌跡移動可以在探 測器150的輸出152處提供時間復用信號。探測器150的輸出152處的時間復用信號包括對應 于來自第二起偏器132的變化光強的第一時間復用部分，以及對應于發射光105和空間掩模 320之間交互導致的時變光的第二時間復用部分。要認識到，可以任選地布置光學裝置305， 使得輸出信號152的第一部分對應于來自空間掩模320的時變光，第二部分對應于第二起偏 器132輸出處的變化強度。可以處理對來自第二起偏器的強度變化光做出響應的信號的第 一時間部分，以提取關于物體的第一信息，例如，從物體發出的光的光譜。可以處理對發射 光與空間掩模的交互導致的時變光做出響應的信號的第二部分，以提取關于物體的第二信 息，例如物體的速度和/或尺寸。第二信息可以用于向第一信息施加校正，例如，使用物體的 速度信息校準光譜的波長標度。
[0046] 根據一些實施方式，可以分析輸出信號而不將信號152時間解復用成第一和第二 部分。在已知物體101發出的光105的光學帶寬不超過特定范圍，從而在探測器處探測的干 涉圖條紋也位于特定帶寬之內時，可能發生這種情形。如果是這種情況，那么可以向空間掩 模上對發出光的一部分成像，可以與波片相鄰放置空間掩模，如圖所示，例如，發出光的一 半落在空間掩模上，而同時發出光的另一半如圖所示落在第一起偏器上。空間掩模導致的 強度變化落在起偏器/波片/起偏器結構產生的干涉圖條紋的頻率范圍之外。于是，可以向 同一探測器150上組合落在起偏器/波片/起偏器結構上的光和落在空間掩模上的光。可以 在軟件中分離輸出信號152中對起偏器/波片/起偏器結構做出響應的輸出電信號成分以及 對空間掩模調制的光做出響應的信號分量。這種分離是可能的，因為來自起偏器/波片/起 偏器結構的光落在基本與來自空間掩模的空間調制光基本正交的頻率范圍中。
[0047] 在一些實施例中，可以可選地由偏振分束器替代第一和第二起偏器的每個。在一 些實施例中，可以使用兩個(或更多）單像素探測器探測具有不同偏振的光。圖4示出了一種 光學裝置405，所述光學裝置包括偏振分束器406，取代了圖3中所示的第二起偏器。第一起 偏器131使發自物體101的光105沿第一偏振方向偏振。偏振分束器406將來自波片140的光 分成沿第二偏振方向偏振的光411和沿第三偏振方向偏振的光412。例如，可以選擇偏振分 束器406的偏振軸之一以平行于第一起偏器131的偏振方向。布置探測器150以探測沿這個 第二方向偏振的光411。布置探測器420以探測沿第三偏振方向偏振的光412,第三偏振方向 垂直于第二偏振方向。可以分別在偏振分束器406和探測器150之間的光路中和/或在偏振 分束器406和探測器420之間的光路中設置可選部件145、410。在一些實施例中，可選部件 145、410包括對光411和412進行光學濾波的光學濾波器。在一些實施例中，部件145和/或部 件410可以是或包括空間掩模。部件145、410可以額外包括將物體或物體圖像發出的光向空 間濾波器上成像的光學系統。探測器150、420的輸出153、421都被耦合到處理器400。處理器 400可以被配置成分析輸出以提高光學裝置的光學處理量和信噪比。
[0048]在部件145和/或410包括空間掩模的實施例中，處理器400能夠基于空間掩模導致 的電信號的時間變化，提取關于物體的額外信息，例如物體速度和/或尺寸。發射光與空間 掩模的交互作用在探測器150、420的輸出電信號153、421中產生頻率分量，可以將其與偏振 中的時間依從性變化導致的變化光強帶來的頻率分量區分開。
[0049] 圖5是操作本文所述的光探測器和處理器的方法的流程圖。光發源510自一個或多 個沿軌跡移動的物體。使發射的光沿第一偏振方向偏振520。由具有沿物體軌跡可變的延遲 性的波片生成530光的變化偏振。將變化的偏振變換540成時變的光強。響應于時變的光強 產生550時變電信號。時變電信號包括關于物體一個或多個特性的信息。例如，可以在物體 發出的光的熒光光譜中編碼信息。分析560時變電信號以提取關于物體發射的光的光譜的 信息。
[0050] 在一些實施方式中，例如在流式細胞計量術中，能夠在較寬光學帶寬范圍內，在各 個通道中探測光的能力是有用的。傳統上，這是利用光學帶通濾波器以定義由硬件固定的 各個熒光通道來實現的。另一種技術使用棱鏡對光進行散射，使用光電倍增管陣列探測散 射光。其他技術依賴于利用被線性可變濾波器解析成通道的發射光的空間調制，沿濾波器 的每個位置發射不同的光波段。這些技術的障礙包括由于硬件限制、昂貴的探測器陣列和/ 或損失光譜分辨率和/或光處理量導致的不靈活性。可以采用本文描述的方法緩解這些因 素。
[0051] 本文描述的方法實現了以高光譜分辨率探測發自一個或多個運動物體的光。這些 方法與具有少到一個像素且在光學處理量和光譜分辨率之間沒有折中的探測器一起工作， 所述折中會影響光譜的常規形式。這些方法涉及使用物體的運動產生干涉圖，以及利用具 有少到一個像素的探測器將干涉圖轉換成電信號。在一些實施方式中，僅使用一個探測器， 在一些情況下，使用多像素探測器。例如，在電信號的頻域中，在電信號中編碼發出光的光 譜信息。如果在頻域中編碼，可以利用諸如傅里葉變換的時域到頻域變換，從探測器的輸出 信號提取光譜信息。像在其他形式的傅里葉光譜學中那樣，同時記錄所有波長的光，從而在 光譜分辨率和光學處理量之間沒有折中。
[0052]在各實施例中，例如，圖1B-5中所示和所述的光學裝置和/或處理器可以實現于流 動血細胞計數器中，可以配置這種流動血細胞計數器以分析物體和/或結合到樣本中存在 的物體的被分析物。在這些實施例中，處理器可以具有利用一個或多個處理通道處理電信 號的能力，其中每個處理通道對應于流動血細胞計數器的特定熒光通道。處理通道可以是 電氣硬件通道和/或可以是可重配置軟件通道。例如，在一些實施方式中，對從在流動血細 胞計數器的流動通道中運動的物體發出的光進行探測，轉換成電信號，并采樣和存儲。可以 通過使電信號通過一個或多個模擬和/或數字電子濾波器來從每個處理通道提取信息。例 如，每個處理通道可以對應于電信號的頻譜切片(頻率范圍）。在一些實施方式中，可以編程 處理器以基于電信號的預期和/或觀測光譜成分，自動確定要使用的處理通道，例如，對于 光信號最優的通道編號和/或頻率范圍。在一些實施例中，處理器可以為通道濾波器確定最 優濾波器系數和/或配置。可以在操作流動血細胞計數器之前和/或期間，例如，人工或自動 地修改通道濾波器。
[0053]在一些實施例中，可以配置處理器以利用群集算法確定最優數量的處理通道和/ 或處理通道的最優頻率范圍。根據一些實施方式，為了確定最優通道，處理器分析電信號并 識別基于光譜信息分成群集的不同物體群體的組。然后使用這些分群的組確定處理器通道 的最優數量和/或頻率范圍。在一些實施方式中，可以在操作期間人工或自動修改電子濾波 器。在一些實施方式中，處理器通道可以由其他處理器通道的組合構成。
[0054] 如前所述，在一些實施方式中，可以使用超過一個探測器，其中每個探測器探測發 射光的不同偏振。可以存儲、組合和/或使用來自每個探測器的電信號和/或這些信號的時 域到頻域變換，以分析從一個或多個物體發射的光的光譜。例如，如果同一探測器探測到正 交偏振的光信號，相反偏振的光信號往往會相互抵消，因為在一種偏振測量的干涉圖與在 正交偏振測量的干涉圖具有相反相位。利用兩個探測器，可以在組合之前處理來自每個探 測器的信號，使得信號同相，從而是相加而非相消的。例如，可以在組合之前，反轉來自探測 器之一的時變信號的相位，或者可以將來自兩個探測器的信號都從時域變換到頻域。兩個 信號組合能夠相對于單個信號提高光學裝置的光學處理量，對應地，增大了組合信號的信 噪比。在一些情形下，使用偏振分束器替代第一和第二起偏器的每一個。在這些情形下，在 第一偏振分束器之后必須要放置兩個波片或沃拉斯頓棱鏡，因此對于離開第一偏振分束器 的每種偏振都有一個波片。應當對每個波片或沃拉斯頓棱鏡進行取向，使得慢軸相對于分 束器的偏振軸大約成45度。波片或沃拉斯特棱鏡的楔軸，即，與光學延遲性變化所沿的波片 或沃拉斯特棱鏡的厚度方向相交的方向，應當大致與物體軌跡平行。然后在每個波片之后 放置偏振分束器和一對探測器，偏振方向平行于第一偏振分束器的偏振方向之一。于是，總 共有三個偏振分束器和四個探測器，每個探測器被布置成探測由第二或第三偏振分束器產 生的兩個偏振光束之一。通過探測光的所有偏振組合，這種具有四個探測器的配置的光學 處理量是單像素探測器配置的四倍。在一些實施例中，向一個探測器上組合一種相位的兩 個干涉圖，在另一個探測器上組合相反相位的兩個干涉圖，因此總共僅需要兩個探測器。
[0055]在一些實施例中，處理器可以首先基于電信號的特性探測并觸發流動路徑中物體 的存在，所述電信號的特性例如是，電信號的幅度是否在閾值以上。可以選擇信號的被觸發 部分，可能包括觸發前和觸發后的樣本，進一步進行處理，例如變換到頻域。在電信號的頻 率分量中編碼與每個被探測物體相關聯的光譜信息。在與不同類型的物體發出的光的光譜 相關聯的頻率分量不同時，處理器能夠基于電信號的變換區分不同類型的物體。
[0056]在一些實施例中，分析可以僅包括變換電信號的特定頻率范圍或部分，而不是在 寬的頻率范圍內進行完整變換。在這些實施例中，可以將光學濾波器放在探測器前方，或者 處理器可以使用軟件和/或硬件數字和/或模擬濾波器，以在進行時域到頻域變換之前消除 或減少信號中不是感興趣的頻率分量。或者，處理器可以使用軟件和/或硬件數字和/或模 擬濾波器作為直接挑選電信號中的感興趣頻率分量的手段，在一些情況下避免了進一步變 換。
[0057]本文描述的方法允許靈活處理電信號的整個頻率范圍或僅處理電信號中對應于 感興趣顏色(光譜范圍）的指定頻率范圍部分(頻率切片），而無需處理其他不感興趣的頻率 范圍。在一些實施例中，該處理利用了自適應濾波器，所述自適應濾波器的參數可以基于來 自用戶的一些輸入由處理器自動調節和/或半自動調節。例如，在一種情形下，處理器可以 判斷電信號中存在哪些頻率分量，并確定所使用的濾波器數量和頻率范圍。在另一種情形 下，用戶可以輸入與電信號的預期頻率范圍（或感興趣頻率范圍）相關的信息，處理器一開 始可以使用那些頻率范圍以設置濾波器，并可以自動進行調節。
[0058]處理器可以利用群集算法確定電信號中對應于感興趣光譜的頻率范圍以對物體 群的頻率或頻率范圍分組，并基于這些頻率范圍的變化確定樣本中存在的物體類型之間的 高保真度分離。在一些實施例中，群集算法可以是或包括電信號的主成分分析。例如，考慮 群集算法識別Μ個對應于Μ個光譜和電信號的Μ個主分量的Μ個不同物體類型。處理器然后能 夠通過在時域中進行Μ個主分量的每個與電信號的點積，來探測具有那些Μ個感興趣光譜的 任一個的物體類型。點積的結果包括細分的Μ維空間中的矢量，由此在該空間的一個區域中 存在所述矢量可以表示已經探測到特定類型的物體。在利用這種技術時，電信號的傅里葉 變換可能不是必需的。
[0059]在一些實施例中，處理器能夠校正由于波片和/或光學裝置的其他光學部件的物 理性質導致的誤差。例如，考慮條紋的數量取決于波長和雙折射△ η。不過，由于光色散的原 因，雙折射也取決于波長，于是需要校正因子以將電信號的頻率準確相關到物體的光譜。否 貝1J，在電信號的一個頻率處的校準(傅里葉分量)不會適用于其他頻率/傅里葉分量。例如， 可以使用已知的雙折射對波長依從性，在處理器中確定并應用這一校正因子。
[0060] 通常，波片上入射的來自物體/物體圖像點的光將被基本準直。不過，也可能需要 軟件校正來抵消作為發自物體/物體圖像點的主光線角度函數的光學延遲性中的差異。角 度改變是由物體或其圖像橫向跨越波片表面移動時移動物體的位置中的變化所導致的。
[0061] 圖6示出了一種系統，所述系統包括可用于對諸如地理景色的宏觀物體光譜成像 的光譜編碼器603。光譜編碼器還可以用于對多個小型或微觀物體，例如，多個通過血細胞 計數器流動通道移動的顆粒，進行光譜成像。
[0062]圖6示出了相對于光譜編碼器603移動的宏觀物體或物體圖像，例如，地理景色 601。可以將宏觀物體/物體圖像601分成多個區域60 la，這里稱為物點/物體圖像點。物體/ 物體圖像601和波片640之間的相對移動產生了每個物點/物體圖像點601a和波片上光學延 遲之間的時間依從關系。從每個物點/物體圖像點60 la發出光605，例如反射光、焚光、磷光、 化學發光、生物發光等。光學裝置603包括至少一個第一起偏器，在本范例中由第一起偏器 631代表。第一起偏器631被配置成接收從物體/物體圖像601發射的光605。任選地，可以在 物體/物體圖像601和第一起偏器631之間或第一起偏器和波片之間布置透鏡611或其他光 學部件，使得透鏡611將發射的光605聚焦到波片640上，例如，波片640的表面640a-l、640b-1之間的中點，如虛線605a和605b所示。在包括透鏡的實施例中，透鏡可以配置成在色彩上 校正，使得所有頻率的光基本都聚焦在波片表面之間的一半。在一些實施方式中，透鏡可以 是遠心物鏡。
[0063]光學設置(例如，調節這第一透鏡611的焦點)可能涉及確保對于物體/物體圖像沿 物體/物體圖像和光譜編碼器之間相對運動路徑的每個位置，對應于給定物點/物體圖像點 601a的光線全部成像在波片640的同一位置，從而看到相同延遲，否則干涉圖可能會失去對 比度。在這種情況下，"相同位置"表示，對于給定波長，橫貫被認為對應于"相同位置"的位 置區域的光線的相變相差不超過大約V2弧度。
[0064] 在一些實施例中，例如，可以在透鏡611或透鏡612的位置中使用編碼掩模。處理器 通過向探測器陣列獲得的信號變換中并入關于編碼掩模的編碼圖案的知識，以計算方式重 建物體的光譜圖像，包括頻譜和位置信息兩者。
[0065] 發出的光605通過第一起偏器631，第一起偏器631使光沿第一偏振方向偏振。已經 沿第一偏振方向偏振的光被波片640接收，波片640例如是夾在第一起偏器631和第二起偏 器632之間的多階波片。波片640的光學延遲作為沿物體/物體圖像601和光譜編碼器603之 間相對運動軌跡的位置的函數而變化。在一些配置中，波片640的延遲作為沿相對運動軌跡 位置的函數而單調或線性變化。圖6中所示的第二起偏器632代表一個或多個第二起偏器。 可以將第一和第二起偏器631、632的偏振軸布置成彼此相對平行或垂直的取向。在一些實 施方式中，第一和第二起偏器631、632是交叉起偏器，第一起偏器631的偏振軸與第二起偏 器632的偏振軸大約成90度。在一些實施例中，波片640的慢軸相對于第一和第二起偏器 63U632的偏振軸形成第一角度，例如，大約45度的角度。
[0066] 如圖6中所示，波片640可以包括具有第一半部640a和第二半部640b的沃拉斯頓棱 鏡，第一半部640a具有第一光軸或慢軸，第二半部具有第二光軸或慢軸，其中沃拉斯頓棱鏡 的第一和第二光軸相互正交并平行于沃拉斯頓棱鏡的進出面。諸如沃拉斯頓棱鏡半部的單 軸雙折射層的光軸或慢軸是不論其偏振如何，光都以相同速度行進的軸。在光沿著除光軸 之外的方向通過單軸雙折射層行進時，光被折射成兩個光線，每個都以彼此成直角取向的 振動方向偏振，并以不同速度行進。例如，在一些實施例中，可以將沃拉斯頓棱鏡第一半部 640a的光軸取向成平行于棱鏡半部640a的楔方向，可以將沃拉斯頓棱鏡的第二半部640b的 光軸取向成垂直于第一半部640a的光軸。在一些實施例中，第一和第二起偏器的偏振方向 可以相互正交，且第一起偏器的偏振方向相對于沃拉斯頓棱鏡的第一半部640a的光軸以45 度角取向，第二起偏器的偏振方向相對于沃拉斯頓棱鏡的第一半部640a的光軸以135度的 角度取向，如圖6中所不。在一些實施例中，沃拉斯頓棱鏡的光軸可以相對于棱鏡的楔方向 成±45°設置。
[0067]物體/物體圖像的每個物點/物體圖像點601a相對于波片640的位置依從性光學延 遲的移動生成從物點/物體圖像點發出的光的偏振的時間依從性變化。偏振的時間依從性 變化取決于所發射光的光譜。由第二起偏器632將變化的偏振轉換成變化的強度。探測器 650,例如空間解析或包括多個探測器元件650a的成像探測器，將來自每個物點/物體圖像 點60 la的光的時變強度在探測器650的輸出651處轉換成隨位置和時間變化的輸出電信號， 例如，隨位置和時間變化的電壓。本文描述的光譜編碼器被配置成同時獲得針對多個物點/ 物體圖像點的光譜和空間信息。相對于波片掃描物體/物體圖像產生針對每個物點/物體圖 像點的取決于位置的偏振干涉圖，所述干涉圖包括針對每個物點/物體圖像點的光譜信息。 從記錄自物點/物體圖像點的位置依從性偏振干涉圖確定對應于給定物點/物體圖像點的 光譜信息。
[0068]在一些實施例中，通過在每個時間點對對應于物點/物體圖像點位置的探測器陣 列的位置采樣，將位置依從性偏振干涉圖轉換成時變電信號。亦即，探測器650的隨位置和 時間變化的輸出電信號651為每個探測器元件位置提供了時變的電輸出。由一個物點/物體 圖像點產生的位置依從性偏振干涉圖在不同時間橫貫不同的探測器元件。在光從物點/物 體圖像點發射并通過光譜編碼器入射到這些相繼的探測器元件上時，通過將從一個物點/ 物體圖像點產生的時間上相繼的探測器元件信號縫合在一起，可以將一個物點/物體圖像 點產生的隨位置和時間變化的電信號變換成時變電信號。下文通過數學方式解釋這一過 程。例如，可以通過時域到頻域變換，處理時變的電信號，以提取針對物點/物體圖像點的光 譜信息。
[0069]假設已知光譜編碼器和物體/物體圖像之間的相對運動，這種相對運動導致位置X (t)處的給定物點/物體圖像點601a橫越多元件空間解析探測器。探測器在像空間X的給定 點和時間上的給定點t處的響應為I(X，t)。如果f是將物體成像到探測器上的函數，那么X = f(X(t))。如果給定物點/物體圖像點在時間te(〇，T)中橫越探測器，那么該物點/物體圖像 點的干涉圖S可以由5(〇 = 1(以奴〇)，〇4^(0，1')給出。像空間乂中的每個點，因此時間上 的每個點t都對應于已知的延遲「=8〇)=8(汽奴〇))。利用這一信息，可以通過例如由處 理器或光譜編碼器附接到的其他主機系統計算，獲得作為延遲函數的干涉圖S( Γ ) = 1(8< (r r ))))。相對于延遲執行傅里葉變換獲得從給定物點/物體圖像點記錄的 光的光譜。
[0070] 從物體/物體圖像的多個物點/物體圖像點獲得的空間和光譜信息可以由處理器 布置成數據集，所述數據集例如包括具有軸χ(-個空間維度，沿著軌跡方向）和λ(波長）的 高光譜數據正方形，或者具有軸X、y(兩個空間維度，一個沿軌跡方向，一個橫穿軌跡方向） 和λ(波長）的高光譜數據立方體。曲線圖660示出了在窄波長頻帶之內發光的同時，與相對 于光譜編碼器603運動的物體/物體圖像601的一個物點/物體圖像點601a相關聯的探測器 650的時變輸出信號的范例。輸出電信號651包括從物點/物體圖像點601a發出的光的光譜。 探測器沿軌跡方向必須包括與物點/物體圖像點至少一樣多的元件650a，以分辨探測器650 沿軌跡方向的瞬時視場。例如，對于流式細胞光度術而言，如果預計有N個顆粒發射將同時 到達探測器的光，探測器應當沿顆粒被成像在探測器上的軌跡方向具有至少N個分辨元件， 從而可以消除顆粒信號的歧義。
[0071] 可選地，光譜編碼器603可以包括第二透鏡612,例如，布置于第二起偏器632和探 測器650之間或波片和第二起偏器之間。透鏡612被配置成將來自波片的光605b成像到探測 器650上，如虛線605b所示。
[0072] 可選地，光譜編碼器603包括圖6中未示出的一個或多個光學濾波器。例如，在各實 施例中，可以在物體/物體圖像601和探測器650之間，例如第二起偏器632和探測器650之間 的光路中的任何地方布置光學濾波器。光學濾波器可以用于將入射在探測器650上的光帶 寬限制到感興趣的帶寬范圍，這簡化了信號處理。在一些情況下，即使在尼奎斯特極限（每 個干涉條紋兩個樣本）以下對干涉圖產生的電信號進行采樣，限制由探測器接收的光帶寬 也允許從物體運動產生的光學干涉圖完全恢復光譜信息。
[0073] 如前所述，在一個范例中，波片是包括兩個棱鏡半部的沃拉斯頓棱鏡。沃拉斯頓棱 鏡的每半部都具有楔角α，其中楔角被定義為通常布置成垂直于光譜編碼器主要光軸的棱 鏡半部的正面和棱鏡的兩半結合在一起處的內面之間的角度。沃拉斯頓棱鏡的慢軸可以相 對于起偏器的軸成大約45度取向。棱鏡的楔方向被定義為在平行于棱鏡正面的平面中，棱 鏡的兩半部的厚度最快折衷所沿的方向。優選將棱鏡的楔方向與物體/物體圖像601和光譜 編碼器603之間的相對運動軌跡方向對準，并在與楔方向成±45°處對準棱鏡的慢軸。如果 在波長λ處期望的光譜分辨率為λ/Ν，那么在物點/物體圖像點601a橫越光譜編碼器的視場 時，必須要記錄N個條紋。如果物點/物體圖像點沿沃拉斯頓棱鏡的楔方向的行進距離為L， 并且如果棱鏡材料具有雙折射A n，那么沃拉斯頓棱鏡的楔角應當是a~nA/2L △ η。最大光 譜帶寬受到探測器信號采樣率的限制，采樣率必須足夠快以記錄觀測到的條紋。光譜帶寬 還受到探測器像素沿軌跡方向尺寸的限制。如果探測器像素沿軌跡方向的尺寸為d，那么沿 軌跡方向尺寸為D的探測器可以記錄的最大條紋數量大約為D/2d。因此，重要的是，對應于 要記錄的最大可能條紋數量的這個數字D/2d大于在要探測的最小波長處預計的最大數量。 本文描述的光譜編碼器包括生成位置依從性偏振干涉儀的起偏器-波片-起偏器夾層結構。 第一起偏器對入射光進行偏振;波片在兩個正交偏振部件之間誘發取決于物體沿軌跡的位 置的延遲（因此，誘發波長依從性相移）；第二起偏器將所得的波長依從性偏振態變成波長 依從性強度。由于光在沿軌跡的不同點處從物體/物體圖像的物點/物體圖像點發出，所以 光會經受不同的延遲，從而產生可以經傅里葉變換以提供光譜的干涉圖。
[0074] 可以耦合處理器（圖6中未示出，但圖1A中示出）以從探測器650的每個探測器元件 650a接收輸出電信號651。在一些實施例中，可以親合探測器650的每個探測器兀件650a以 向處理器提供獨立的并行輸出信號。或者，來自多個探測器元件650a的輸出信號651可以被 復用。處理器處理探測器輸出信號以提取關于物體/物體圖像601的信息。可以由處理器解 析由物體601運動產生并由探測器650探測的光干涉條紋。可以組合探測器元件的輸出以形 成對應于單個物點/物體圖像點的時變干涉圖。例如，可以通過傅里葉變換或其他變換，處 理這種時變的干涉圖，以確定從物點/物體圖像點發出的光的光譜。
[0075]如前所述，本文公開的方法依賴于物體/物體圖像和光譜編碼器之間的相對運動。 圖7A示出了一種包括光譜編碼器703和光學部件721的系統，光學部件例如是可移動鏡片或 導致物體701的圖像702跨過光譜編碼器703移動的其他裝置。在這種情形下，物體701自身 可以相對于光譜編碼器703是不動的。光譜編碼器703被配置成確定從物體/物體圖像701發 出并被光學部件721重定向到光譜編碼器703的光705的光譜信息。
[0076]圖7B示出了另一種包括光譜編碼器703和底盤、交通工具（例如汽車或飛機)或配 置成導致物體701和光譜編碼器703之間相對移動的其他運動機構722的系統。圖7B的實施 例將移動裝置722表示為飛機。光譜編碼器703被配置成基于如本文所述的物體/物體圖像 701和光譜編碼器703之間的相對運動，確定從物體/物體圖像701發出的光705的光譜信息。
[0077]在一些實施方式中，可以利用高數值孔徑透鏡增強本文所述的包括光譜編碼器的 成像系統的緊湊性，以將從物體/物體圖像發出的光成像到波片上。波片的每個點的延遲取 決于入射光在該點處在波片上的角度。在由高數值孔徑成像系統中的一個探測器元件探測 的光線中，入射光的角度會變化;因此，在被該探測器元件探測的光線上，延遲也會變化，從 而導致所記錄的時變干涉圖中調制深度或對比度損失。在一些實施方式中，可能希望減小 波片延遲對聚焦到一個探測器元件上的光線角度變化的靈敏度。有幾種方式可以降低這種 角度靈敏度。考慮沃拉斯頓棱鏡的情況，在將沃拉斯頓棱鏡用作波片時，沃拉斯頓棱鏡的延 遲作為沿其楔構件的位置的函數而變化。圖8A示出了包括第一和第二半部801a、801b的沃 拉斯頓棱鏡801。第一半部801a的光軸沿X方向取向；第二半部801b的光軸沿y方向取向；光 譜編碼器801的成像軸890沿z軸取向。由于棱鏡半部801a、801b的楔形形狀，以及基于輸入 光相對于z軸的角度Θ的固有依從性，棱鏡801沿X軸具有位置依從性延遲。僅有棱鏡半部 801a、801b的楔形部分對位置依從性延遲有貢獻。如虛線898、899所示，棱鏡801的每一半部 801a、801b都由長方體801a-l、801b-l和三角形楔801a-2、801b-2構成。棱鏡801的位置依從 性僅僅是由于每半部801a、801b中的三角形楔801a-2、801b-2,而角相關可以是由于包括矩 形部分801a-l、801b-l的整個棱鏡801。
[0078]在一些實施方式中，可以通過減薄棱鏡半部，例如，通過去除或減小圖8A和8B中所 示的矩形部分801a-l、801b-l，來減小光譜編碼器中使用的沃拉斯頓棱鏡的角相關。在一些 實施例中，減薄棱鏡半部，使得僅保留制造楔需要的那么多材料。圖8B示出了包括第一和第 二半部802a、802b的沃拉斯頓棱鏡802,所述第一和第二半部不包括基本矩形部分。在各實 施例中，棱鏡半部最薄部分的厚度ti(參見圖8A)可以小于該棱鏡半部最厚部分厚度t2的 90%，小于其75%，小于其50%或小于其25%。在一些實施方式中，tjPt 2的差異可以在微米 量級，例如，Ιμπι和500μπι之間。為了便于處理這樣的薄棱鏡，可能需要將兩半部802a、802b之 一或兩者都粘合到光學各向同性材料的襯底803,如圖8B所示。
[0079] 在一些實施方式中，可以利用靠近沃拉斯頓棱鏡一側或兩側設置的雙折射材料的 一個或多個附加層補償一些角相關性，來減小沃拉斯頓棱鏡的角靈敏度，如圖9A和9B所示。 可以在圖8A和8B所述方法之外作為補充或替代，采用結合圖9A和9B所示和所述的技術。
[0080] 圖9A示出了一種沃拉斯頓棱鏡900，所述沃拉斯頓棱鏡包括半棱鏡901、902以及沿 光譜編碼器的成像軸999布置的雙折射材料附加層903。在本范例中，沃拉斯頓棱鏡900的第 一半部901的光軸沿X軸取向；沃拉斯頓棱鏡900的第二半部902的光軸沿y軸取向；第三層 903的光軸沿光譜編碼器的成像軸999(圖9A中的z軸)取向。雙折射材料附加層903可以與沃 拉斯頓半棱鏡901、902由相同材料制成。在一些實施例中，第三層903可以具有基本恒定的 厚度，所述厚度在由虛線998表示的其中點處基本等于沃拉斯頓棱鏡半部901、902中的一 個。第三層903的厚度可以基本等于沃拉斯頓棱鏡半部901、902之一的平均厚度。
[0081 ] 第三層903補償沃拉斯頓棱鏡900的一些角依從性。可以通過針對相對于z軸形成 角度Θ的XZ-平面中，在光軸沿X軸的情況下通過單軸雙折射介質行進的光線，考慮非常光線 (在X方向上偏振）的折射率的角相關來看出這一點。非常光線的折射率由
給出，其中ndPn。是雙折射介質的非常和正常折射率。如果光線然 后在光軸沿同一厚度的Z軸的情況下通過介質行進，非常光線的折射率由
^給出，那么非常光線看到的平均折射率是
而非僅僅γ Θ (Θ)。在θ = 〇附近，從而將角依從性減小到原始角依從性的
倍，在使用雙折射 介質方解石時，其效果是大約原始角依從性的28%。
[0082]圖9Β示出了用于減小沃拉斯頓棱鏡角靈敏度的另一種技術。圖9Β示出沃拉斯頓棱 鏡，其包括棱鏡半部901、902,沿著光譜編碼器的成像軸999設置雙折射材料的附加層911、 912。布置附加層911、912以補償沃拉斯頓棱鏡900的一些角依從性。每層911、912都具有基 本恒定且基本等于一個棱鏡半部901、902平均厚度的厚度。在沃拉斯頓棱鏡半部的中點處 (這是光譜編碼器的中點），每個棱鏡半部901、902的厚度和每個附加層911、912的厚度可以 基本相等。在本范例中，光譜編碼器的成像軸999沿ζ軸取向，沃拉斯頓棱鏡900的第一半部 901的光軸沿X軸取向；沃拉斯頓棱鏡900的第二半部902的光軸沿y軸取向。層911的雙折射 與沃拉斯頓半棱鏡901大小相等，符號相反，其光軸沿X軸取向。層912的雙折射與沃拉斯頓 棱鏡半部902大小相等，符號相反，其光軸沿y軸取向。在這種布置中，由層911補償沃拉斯頓 棱鏡的第一半部901帶來的角靈敏度，由層912補償由沃拉斯頓棱鏡的第二半部902帶來的 角靈敏度。僅在所有層厚度相等的棱鏡中點處完美消除了角靈敏度。
[0083] -些配置可能受益于考慮沃拉斯頓半棱鏡的光軸相對于楔方向的取向。在一些情 況下，可能有利的是，讓沃拉斯頓棱鏡的一半的晶體方向平行于楔方向，而讓沃拉斯特棱鏡 的另一半方向垂直于楔方向，如圖6中所示。在其他實施方式中，可能有利的是，讓兩個沃拉 斯頓棱鏡半部的晶體方向都與楔方向成45度(不過彼此是垂直的）。
[0084] 在一些實施方式中，波片可以由一個或多個軸向取向的雙折射層制成，例如，由諸 如雙軸取向的聚對苯二甲酸乙二醇酯(boPET)的聚合物或聚酯膜或可以制造成具有雙折射 梯度的其他軸向取向膜制成。在這些實施方式中，相對于對延遲的位置依從性有貢獻的雙 折射材料量，減少了對延遲的角依從性有貢獻的多余雙折射材料的量。例如，如圖10A到10C 所示，波片可以包括兩個膜，每個膜都具有雙折射梯度。可以通過例如拉伸膜來獲得膜中的 指定雙折射梯度。圖10A示出了由第一和第二膜1001、1002制成的波片1000的截面圖，其中 每個膜1001、1002都具有雙折射梯度。圖10B是沿軸1099的正面視圖，示出了第一層1001的 很多點處的雙折射，圖10C是沿軸1099的正面視圖，示出了在第二層1002的很多點處的雙折 射，其中箭頭1091和1092指出了雙折射的大小，慢軸與更長箭頭對準代表更大的雙折射。將 兩個層1001、1002粘合在一起，層1001、1002之一的慢軸基本垂直于1002、1001中另一層的 慢軸取向，如圖10B和10C中所示。因此，兩個層1001、1002生成了波片，其中可以將零延遲點 調節到波片的中間。零延遲點是指沿相同幾何路徑行進的兩個偏振正交光線在它們通過波 片時經過相同光程長度的點。
[0085] 圖10D示出了光譜編碼器，所述光譜編碼器包括由兩個層1001U002制成的波片 1000,波片1000夾在相對于物體/物體圖像1011設置的起偏器131、132之間。在與基于方解 石或其他晶體的波片比較時，圖10D中所示的光譜編碼器可以不太昂貴與/和更容易制造。 在一些實施例中，波片可以是或者包括單層雙折射材料，被形成為沿物體/物體圖像的軌跡 方向具有恒定雙折射梯度，具有零延遲點。
[0086] 另一個要考慮的事項是通過干涉光的兩種偏振導致的條紋平面的局域化。參考圖 11，條紋平面局限于沃拉斯頓棱鏡內部(例如)兩個半部114U1142之間的界面1149附近，并 成角度β = α*(ηθ+η〇)/2ηθη。。因此，在探測器的光接收表面基本垂直于光譜編碼器的主光軸 1199時，在探測器和條紋平面之間可能有稍微的傾斜，等于上文計算的β。可以通過(例如） 傾斜探測器來適應輕微傾斜，使得沃拉斯頓棱鏡半部的界面基本平行于探測器的光接收表 面。或者，可以通過現有技術中已知的其他方式補償，例如，利用改變條紋局域化平面的沃 拉斯頓棱鏡組合。圖11示出了起偏器131、132之間的沃拉斯頓棱鏡1140。探測1190傾斜角度 β，使得探測器1190的光接收表面1191基本平行于沃拉斯頓棱鏡1140的條紋局域化平面。或 者，將探測器取向成基本垂直于光譜編碼器的主光軸1199,沃拉斯頓棱鏡可以傾斜，例如， 使得條紋局域化平面基本平行于探測器的接收表面。
[0087] 關于包括根據本文所述實施例的光譜編碼器的成像設置和/或用于高光譜成像系 統，可能有一些考慮事項。首先，必須針對色差校正成像設置和/或透鏡。如果要成像的物 體，例如地理景色，對于光譜編碼器而言顯得平坦，則是理想狀況。如果從光譜編碼器到景 色的距離相對于景色的高度變化充分大，可以實現這個目的。可以使用遠心透鏡作為將地 理景色(或其他物體)成像到波片上的初始成像元件來實現這個目的。如果物體不夠平坦， 那么相對于光譜編碼器以相同線速度運動的物點/物體圖像點具有不同的放大率，從而以 不同速度跨過波片移動。為了校正這種現象，可以例如利用輔助攝像機或LiDAR系統推斷物 點/物體圖像點的高度，并可以進行正射投影糾正。可以利用從給定物點/物體圖像點獲得 的部分干涉圖數據計算光譜信息。注意，可能不能獲得給定物點/物體圖像點的完整干涉 圖；因為更遠的物點/物體圖像點可能被更近的物點/物體圖像點弄模糊，可能必須要在傅 里葉變換之前修剪對應于更遠物點/物體圖像點的干涉圖，使得來自更近物點/物體圖像點 的遮蔽不會在計算的光譜中導致偽影。
[0088] 如果不包括將波片成像到空間解析探測器上的第二透鏡，而是(例如)直接在波片 后方放置探測器，可能有利的是在針對光譜分辨率(例如，聚焦于沃拉斯特透鏡的楔界面 處)和空間分辨率(聚焦于探測器上)優化的狀態之間抖動第一透鏡。
[0089] 如前所述，用于流式細胞光度應用中的空間解析探測器允許成像系統分離交疊的 顆粒。在本文所公開的光譜編碼器實施例中，可以利用分束器替換起偏器以保持光的全部 正交偏振。這些分束器可以是薩伐特片(并行路徑分束器），以保持系統緊湊。或者，它們可 以包括棱鏡或其他偏振分束器。
[0090] 在各實施例中，可以在光學和/或電子硬件中實現光學裝置和/或處理器的全部或 部分。在一些示范性實施例中，處理器的功能可以實現于固件、運行于微控制器或其他裝置 上的軟件或硬件、軟件和固件的任何組合中。
[0091] 已提供了對各種實施例的上述描述，用于舉例說明和描述性目的，并非限制。所公 開的實施例并不是窮舉性的，也不是要將可能的實施方式限制為所公開的實施例。根據以 上教導，很多修改和變化都是可能的。
【主權項】
1. 一種光學裝置，包括： 配置成從物體或所述物體的圖像接收光的第一起偏器，所述物體或物體圖像相對于所 述光學裝置沿一軌跡運動，所述第一起偏器被布置成使所述光沿第一偏振方向偏振； 經過光學耦合以從所述第一起偏器接收光的波片，所述波片的光學延遲作為沿所述軌 跡的位置函數而變化，所述波片的慢軸與所述第一偏振方向成第一角度；以及 經光學耦合以從所述波片接收光的第二起偏器，所述第二起偏器被配置成使從所述波 片接收的光沿第二偏振方向偏振;以及 包括一個或多個探測器元件的探測器陣列，所述探測器陣列經光學耦合以從所述第二 起偏器接收光，所述探測器陣列的每個探測器元件被配置成提供輸出電信號，所述輸出電 信號根據從所述第二起偏器接收的光強度而變化，所述光的強度是所述物體或所述物體圖 像和所述光學裝置的相對運動的函數。2. 根據權利要求1所述的裝置，還包括被配置成將來自相對于所述光學裝置運動的物 體或物體圖像的光成像到所述波片上的至少一個透鏡，以及被配置成將來自所述波片的光 成像到所述探測器陣列上的透鏡。3. 根據權利要求1所述的裝置，其中，布置所述探測器陣列和所述波片，使得在每個探 測器元件和所述波片的至少一個延遲之間存在固定對應關系。4. 根據權利要求1所述的裝置，其中，所述裝置包括如下至少一項： 設置于所述物體或所述物體圖像和所述探測器陣列之間的雙折射層，所述雙折射層具 有基本恒定的厚度和沿所述光學裝置的成像軸布置的光軸； 沃拉斯頓棱鏡，所述沃拉斯頓棱鏡形成所述波片，所述沃拉斯頓棱鏡具有第一和第二 棱鏡半部，所述第一和第二棱鏡半部的每個都具有沿所述楔的最薄部分的第一厚度tl和沿 所述楔的最厚部分的第二厚度t2，tl小于t2的75% ;以及 沃拉斯頓棱鏡，所述沃拉斯頓棱鏡形成所述波片，還包括第一層和第二層，所述第一層 的雙折射相對于所述第一沃拉斯頓棱鏡半部的雙折射基本大小相等符號相反，所述第二層 的雙折射相對于所述第二沃拉斯頓棱鏡半部的雙折射基本大小相等符號相反，其中所述第 一層和第二層的厚度基本分別等于所述沃拉斯頓棱鏡的所述第一半部和第二半部的平均 厚度。5. -種系統，包括： 光學裝置，包括： 配置成從物體或所述物體的圖像接收光的第一起偏器，所述物體或物體圖像相對于所 述光學裝置沿一軌跡運動，所述第一起偏器被布置成使所述光沿第一偏振方向偏振； 經過光學耦合以從所述第一起偏器接收光的波片，所述波片的光學延遲作為沿所述軌 跡的位置函數而變化，所述波片的慢軸與所述第一偏振方向成第一角度；以及 經光學耦合以從所述波片接收光的第二起偏器，所述第二起偏器被配置成使從所述波 片接收的光沿第二偏振方向偏振;以及 包括一個或多個探測器元件的探測器陣列，所述探測器陣列經光學耦合以從所述第二 起偏器接收光，所述探測器陣列的每個探測器元件被配置成提供輸出電信號，所述輸出電 信號根據從所述第二起偏器接收的光強度而變化，所述光的強度是所述物體或所述物體圖 像和所述光學裝置的相對運動的函數；以及 配置成處理所述探測器輸出信號并確定關于所述物體的波長信息的處理器電路。6. 根據權利要求5所述的系統，還包括被配置為相對于所述光學裝置移動所述物體或 物體圖像的移動機構。7. 根據權利要求5所述的系統，還包括界定所述物體軌跡的流動通道。8. -種方法，包括； 相對于波片移動物體或所述物體的圖像；以及 對于所述物體或所述物體的所述圖像的一個或多個物點： 同時探測位置信息；以及 獲得針對所述物體的光譜信息，包括： 在所述物體或物體圖像相對于所述波片移動時，從發射的光產生位置依從性偏振干涉 圖；以及 利用從所述物點或物體圖像點記錄的位置依從性偏振干涉圖確定對應于給定物點或 物體圖像點的光譜信息。9. 根據權利要求8所述的方法，其中，確定所述光譜信息包括:將所述位置依從性偏振 干涉圖轉換成時變的輸出電信號；以及 從所述時變輸出電信號確定所述光譜信息。10. 根據權利要求8所述的方法，還包括補償所述波片的角靈敏度。
【文檔編號】G01J3/28GK106017683SQ201510945676
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2015年12月16日
【發明人】A·黑格伊, J·馬丁尼, P·齊塞爾, D·K·比格爾森
【申請人】帕洛阿爾托研究中心公司