用于目标成像或分析的编码光的制作方法

本文档整体涉及但不限于使用编码光的系统、设备和方法，诸如用于目标成像或分析，诸如用于光谱法，诸如用于腕戴式脉搏血氧测定，例如使用led，以及许多其他应用，或者诸如移动目标的应用，例如用于半导体或其他检查。

背景技术：

1、光学表征或测量的一般问题是测量照明光或电磁(“em”)辐射(这些术语将互换使用)在与目标物体相互作用后的特性变化。目标物体可以通过其空间或时间特性的变化来表征，这些特性本身是电磁辐射的波长或频率的函数。目标物体对外部辐射的响应可以由散射、透射或反射的电磁辐射的强度(“i”)来表示。物体对于物体上不同位置处的不同辐射波长λ1,λ2,…等具有不同的光谱响应，并且这些响应可以随着时间t而变化。因此，物体通常可以通过响应来表征：

2、可以使用光电探测器(诸如在相机或光谱仪中)来探测来自目标物体的强度响应i[...]。

3、用于测量血氧饱和度的指尖佩戴脉搏血氧计就是光谱学应用的一个示例。来自发光二极管(led)的不同波长的光被传递到患者或其他受试者的指尖的一侧。受试者指尖另一侧的光探测器可用于探测穿过受试者指尖的这些不同波长的光。所得信息可用于确定受试者血氧饱和度水平的指示。但是要在患者身体的其他部位(例如，指尖以外的部位，因为指尖具有独特的生理优势)再现这种光谱血氧饱和度结果可能比较困难。当应用于身体其他部位时，在指尖起作用的技术可能会因其他生理考虑因素而变得复杂。对于许多其他分子和材料以及包括多光谱成像在内的许多其他应用，还需要以紧凑且节能的方式进行多光谱测量。

4、机器视觉的一个示例性应用是用于检查，例如半导体晶片检查。待检查的半导体晶片被放置在移动台或传送带上。由于多种原因，为半导体晶片上的移动目标集成电路芯片提供准确的彩色图像可能具有挑战性。

5、摘要/概述

6、在一种对目标物体或场景进行光谱或成像分析的方法中，照明光照射到待分析的目标物体上，并且执行光谱或成像或其他分析的任务主要在接收侧执行，即，依赖于照明光与目标物体相互作用之后来自该目标物体或场景的响应信号。在与目标物体或场景发生这种相互作用之后，可用于处理和分析的响应光的量(例如，来自散射、反射、吸收、荧光、偏振或透射的响应光)通常相当有限，有时甚至极其有限，使得这种接收侧光谱光信号调节和对应的转换电信号分析具有挑战性。

7、与过度依赖接收侧色散光学器件并且要求对来自目标物体的非常有限量的响应光进行接收侧信号处理的方法相比，本发明人已经认识到，使用编码光源(cls)将照明光提供到目标物体上可以有助于降低对于来自目标物体的响应光信号的接收侧光学器件、转换和信号处理的要求。cls照明可以调制编码多个不同的调制函数(诸如对应于不同的波长或不同的波长组或子组的光谱段)，这些调制函数可以组合成目标物体或场景上的照明光束，从而使这些多个不同的调制函数可以同时传递到目标物体或场景，并且类似地，可以在接收侧从目标物体或场景同时解码，诸如通过将编码信息和/或对应的定时信息从系统的发射侧提供给系统的接收侧以执行解码。本文使用的术语“光谱段”指的是一个或多个波长的不同组或子组，该光谱段可以是连续的或不连续的(例如，在光谱段之间具有介入波长的区域)，旨在允许术语“波长”与这些波长组的光谱段可互换地指代。

8、因此，本发明的方法可以提供能够同时获得与多个编码和解码的光谱段相对应的光谱或光谱成像信息的光谱或成像技术。这种并行光谱或光谱成像方法可以与扫描波长系统方法形成对比，在扫描波长系统中，每个波长(或光谱段)按顺序呈现，诸如通过可调谐激光器或扫描单色仪，并且类似地按顺序获得和分析所得的输出。除此之外，这种扫描方法还需要更长的时间来执行光谱分析或光谱成像。使用本发明的方法还可以获得其他益处。

9、例如，在典型的光谱仪中，每个光谱段都分配有其自己的光电探测器或成像器。因此，光电探测器或成像器接收到的光子非常少。在这种情况下，探测来自目标物体或场景的光学响应信号的能力受到读出电子器件的噪声的限制。响应光子的稀缺可以通过增加来自光电探测器或成像器的输出信号的信号处理的积分时间来缓解，这将允许收集更多光子，主动冷却并降低光电探测器或成像传感器的温度以减少热噪声，从而最大限度地提高照明光强度，并且不会因照明光强而导致目标物体样本或场景发生变化。

10、相比之下，在本发明的技术中，对于所有光谱段，来自目标物体或场景的所有响应光都会同时(并行)到达光电探测器或其他成像传感器。这意味着光电探测器或成像传感器接收到的光子总数可能比上述典型方法大很多倍。这足以克服光电探测器或成像传感器的接收器噪声，使得响应信号探测仅受到不可避免的散粒噪声的限制。此外，由于光学照明信号可以针对不同的光谱段同时进行调制，并且针对不同的光谱段同时解调和连续测量，这样就可以避免由于长积分时间而可能出现的暗电流、1/f噪声和漂移的一些实际问题。这反过来又可以减少照明光强度或积分时间，或允许使用无需主动冷却的低成本光电探测器或成像传感器。因此，不同光谱段的cls照明编码和不同光谱段的对应解码可有助于提供巨大的实际优势，并且可以对弱信号进行实用的采集和分析。

11、本发明人已经认识到，目标物体的光学表征或测量的现有方法可能具有局限性，包括需要校准，这可能是繁琐或困难的。例如，在一种方法中，方程1的响应i[…]可以表示物体的反射率、透射率或散射属性中的一者或多者，诸如对于不同的偏振状态p。诸如相机或其他成像设备、光谱仪或其他设备中的光电探测器或其他响应光换能器或响应光探测器可以用于测量同一物体的一个或多个方面，诸如从相同或不同的视点。在一种方法中，成像设备可以将物体上的位置映射到光传感器的像素或类似位置上，从而仅测量从目标物体到光传感器上的二维投影。因此，相机或其他成像设备测量目标物体上的对向角度，其中成像系统位于坐标系的原点：

12、obj≡i[θx,θy,t,λ1,λ2,…,p] 方程2

13、在使用相机的方法中，目标物体的绝对距离可能是未知的，并且仅将其表观角度大小投射到相机镜头的焦平面上。根据上下文，该术语可与{θx,θy}互换使用，强度i为来自目标物体的透射、反射或散射光。在一个示例中，可以诸如使用飞行时间(tof)或通过三角测量来测量到物体的距离。

14、表1中列出了可用于测量i或i的近似表示的不同类型光学器件的一些例示性示例。

15、表1：测量物体属性的各种方法。

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17、

18、表1的上述例示性示例列表是相当笼统的。在一些情况下，测量目标物体对照明光的不同偏振状态的响应可能是有利的。在另一种方法中，热成像相机可以捕获从温暖物体发出的黑体辐射的灰度图片，这种发出的辐射在7微米与12微米之间的波长范围内，类似于黑白相机对可见光的操作方式。在另一种方法中，可以实现双色热相机，诸如通过使相机的光探测器的一些像素响应于一组光波长而另一组像素响应于不同的光波长。这些不同的像素组可以彼此穿插，类似于用于普通可见光的rgb相机中的穿插像素。

19、一般来说，相机可以通过具有对一组光波长敏感的像素阵列来提供一维或二维信息。通过“扫描”另一个维度，一维相机可以转换为二维成像器。

20、光谱仪可以提供入射光的光谱，即，光谱仪可以将入射光分解成不同的波长分量或“段”，并且可以提供与这些波长段中每个波长段中的光的能量成比例的光信号。入射光可以用于照射被测目标物体，并且照射光与目标物体的相互作用可以从被测目标物体的区域产生散射、反射或透射的光。

21、在仅对物体的真实反射率或透射率感兴趣的方法中，可以“划分出”照明光的光谱变化。这可以通过仅用照明来校准光谱仪来实现，诸如使用“白卡”和“黑卡”代替目标物体，以在没有目标的情况下校准源-传感器组合的暗响应和白响应。这样的校准过程可能相当麻烦并且可能需要重复校准，诸如在每次测量之前、或在几次测量之后、或每隔几天等。

22、在使用传感器(诸如上文提到的那些传感器)的方法中，照明电磁辐射源首先照射到物体上，然后收集散射、反射或透射的光。对于方程(1)的强度函数的自变量中的每个参数，可以分配像素探测器或其他光探测器。例如，在具有二维像素阵列的灰度相机中，每个像素表示在投射到目标物体上的角度为(θx,θy)的一组光波长上聚集的光。在rgb相机中，每个像素还可以设置有光学滤波器，该光学滤波器可对特定组波长的光做出响应。因此，确定目标物体特征的任务落在光接收器上—无论是相机还是光谱仪。

23、在这种方法中，照明光照射在待分析的目标物体上，并且在照明光已经与物体相互作用之后执行光谱分析或其他分析任务。在与目标物体发生这种相互作用之后，可用于处理和分析的响应光的量(例如，来自散射、反射、吸收、荧光、偏振或透射的响应光)通常是有限的，使得这种接收侧光谱光信号调节和对应的转换电信号分析具有挑战性。

24、例如，为了确定目标物体的真实响应(例如，在反射、透射或散射模式下)，可能需要多个步骤。用户可能需要执行“暗”校准，诸如测量信号处理电子器件中的内部泄漏。然后，可能会要求用户进行“白卡”校准。据推测，白卡校准对所有颜色的反射都是相同的。因此，白卡校准允许测量光源光谱与接收侧色散光学系统的传递函数的乘积(例如，使用白卡代替目标物体)。经过暗校准和白卡校准后，即可测量目标物体的响应特性。前两个步骤(例如，暗校准和白卡校准)将需要循环执行，诸如定期执行，以确保准确性—并且可能在每次测量目标物体的响应特性之前执行。这可能相当麻烦。

25、此外，可能没有简单的方法来提供特定于波长的校准。在这种方法中，光源可能需要携带特定于波长的校准源。这种特定于波长的校准源可能是昂贵的并且大多是微弱的，诸如相对于所使用的实际照明光功率而言。因此，提供“在线”波长特定校准实际上可能很困难。光谱仪可以具有内部特定于波长的校准，但是这种校准可能需要停止对目标物体的响应的测量，并且将特定于波长的校准源放置在系统的输入处—诸如以所需的方式使得在这种校准期间，光必须以与实际响应光从目标物体到达的方式类似的方式到达接收光学器件和光电探测器。

26、与过度依赖色散光学器件并且要求对来自目标物体的响应光进行信号处理的方法相比，本发明人已经认识到，使用编码光源(cls)将照明光提供到目标物体上可以有助于降低对于来自目标物体的响应光信号的接收侧光学器件、转换和信号处理的要求。

27、例如，本发明的技术可包括一种方法，该方法可包括特定形式的主动照明和感测，诸如其中可以使用目标物体上的编码主动照明光来执行对目标物体的一个或多个属性的直接测量。在接收侧，可以根据从目标物体接收到的响应光来对编码信息进行解码。因此，该方法可有助于缓解对其他接收侧组件的需求，诸如接收侧光学器件、换能器或信号处理电路约束，这些约束使用可从与目标物体的相互作用获得的更有限的响应光进行操作。

28、在一个示例中，本cls方法可以使用普通光源来实现，诸如灯泡、led或激光器，以用于生成用于照亮目标物体的光。由光源生成的光可被划分为几个或多个光分量，诸如对应于几个或多个空间段或光谱段(例如，不限于仅使用3个光谱段，诸如rgb，还允许使用更多的光谱段，诸如数十个、数百个、数千个段等)。可以对各种划分光分量进行调制或编码，诸如使用与光源生成的光的划分光分量的各个段相对应的不同的指定时变数学编码函数。在编码之后，细分的编码的划分光分量然后可以被重新组合，以便将光源重新合成为编码光源(cls)。cls可用于照明目标物体或场景，诸如经由照明光束将各种调制编码的光谱段光分量同时传递到目标物体或场景。可以探测和测量来自引导向目标物体或场景上的编码重新组合照明光的所得的反射、透射或散射(响应光)，诸如可以包括使用一个或多个光电探测器，其可以基于特定波长区域或感兴趣的其他特性来布置或以其他方式配置。使用具有匹配或超过由用于提供cls的时间编码所产生的任何要求的时间带宽的光电探测器和相关联的信号处理组件可以将重构算法或技术应用于响应光，诸如恢复关于与cls的对应编码函数相关联的一个或多个属性或特性(例如，波长)特别相关联的目标物体或场景的属性的信息。例如，对于光谱编码的cls，可以使用单个光电探测器(或多个光电探测器)来测量目标物体或场景的光谱，而不需要使用作用于由照明光与目标物体或场景相互作用产生的响应光的任何色散光学器件。这种重构可以并行或同时应用，诸如可以包括使用多个光电探测器，这些光电探测器的位置、定位或取向可以彼此不同，诸如相对于目标物体或场景。此外，经由cls对照明光进行编码并对响应光进行解码的方法可以与光源的进一步更高频率调制完全兼容，诸如使用系统来恢复mhz至ghz范围内的响应光的频率响应。这可允许同时获得来自目标物体或场景的复杂响应(例如，幅度与高频)，并且如果需要，这可以通过探测和测量来自单个光电探测器或来自多个探测器的光来获得。因此，本发明的方法可以提供光谱技术，该光谱技术可以同时提供与多个编码和解码的光谱段相对应的光谱信息。这种并行光谱方法可以与扫描波长系统形成对比，在扫描波长系统中，每个波长(或光谱段)按顺序呈现，诸如通过可调谐激光器或扫描单色仪，并且类似地按顺序获得和分析所得的光谱输出。除此之外，这种扫描方法还需要更长的时间来执行光谱分析。使用本发明的方法还可以获得其他益处。

29、除其他事项外，本文档还描述了一些技术，诸如可以包括系统、设备、方法或制造品中的一者或多者，诸如可以将来自多个led中相应独立的led的不同波长或颜色的光组合在一起。本发明的技术可有助于对生物或其他目标进行更稳定的光谱测量或光谱分析，例如，即使与led相对应的基本照明光谱会发生变化。例如，基础led光谱可能会因温度、偏置电流、制造变化或老化效应而变化。

30、本发明的技术可以应用于许多应用领域中的光谱测量。虽然本文档集中于将本发明的技术应用于血氧饱和度应用中的光谱测量和分析，这在受试者指尖以外的位置(例如，在腕戴式“智能手表”型可穿戴设备中)可能是有利的，但此类技术可以应用于其他商业和研究应用。此类其他应用的一些例示性示例可以包括例如农产品中的质量测量、工业制造中的过程控制以及多色光谱或高光谱成像的许多其他示例。

31、对目标成分(例如，spo2、葡萄糖等)的基于led的光谱分析可以包括具有对应的下游准直或聚焦光学器件(诸如透镜或反射器)的各个led，以及一个或多个另外的下游光学滤波器，诸如可以通过光学滤波来适应led发光特性的变化。可以探测和分析来自目标的响应光以进行光谱分析。对响应光的分析可任选地包括对能够任选地施加到照明光上的编码光调制函数进行解码。挡板或孔可用于限制特定led提供的光。可以包括光漫射器以均匀化用于照射目标的光波长。光束组合器可用于将照明光共同定位在设备的公共出口照明位置处，以照明提供被分析目标的样本的公共入口位置。衍射或亚衍射光学元件、几何相位光学元件或超材料元件可以用在各个光学路径中，诸如帮助准直、滤波或将光引导至共享目标入射位置。

32、本发明的技术(例如，诸如包括光学波长滤波，诸如具有预滤波准直)可有助于提供来自潜在宽带光源(诸如可包括单独的led或sled)中每个光源的光谱上明确定义的照明光。本发明的技术还可有助于向样本中提供明确定义的投影光束，这可以显著减少不需要的散射，这反过来可有助于确保照明光子到达附近的光电探测器，诸如可作为响应光被探测到。本发明的技术可以包括对照明光的编码或调制，诸如使用正交编码函数，诸如本文所述或并入的，这可有助于允许同时照明。并行编码照明有助于提高snr，否则，随着不同波长数量的增加和顺序照明方案的使用，snr可能会受到影响。

33、在spo2的情况下，能够以足够高的测量重复率(诸如50hz)来测量响应信号，以便识别和补偿响应信号中的任何脉动分量，诸如由跳动的心脏的心搏叠加的脉动分量。可以计算本文所述的比率之比(ror)，由此可确定氧气水平。当存在更多不同的照明光波长时，可以使用更复杂的拟合来拟合分析物浓度的光谱。这可以针对每个波长的ac/dc比率、“dc”光谱或两者来执行。不同位置的不同光电探测器的“dc”光谱的变化可以直接测量组织样本或其他目标物体的吸收和散射系数，并且可用于监测化学和结构随时间的变化。ac/dc频谱(或比率频谱)的作用在于，它可允许测量动脉血(或任何随心脏跳动的血液)的变化，并可以跟踪血液中的一种或多种分析物。

34、上述测量可应用于一种或多种其他分析物，诸如葡萄糖或酒精。因为这些分子的光谱可能受到存在的目标分析物量的微小变化的影响，所以这些分子可以受益于提供高snr的探测技术。但良好的测量也可以受益于高光谱确定性。因此，本发明的技术可用于提供适当的照明光谱宽度(对应于特定照明波长下的照明)以保留分析物的光谱特征，诸如有助于产生高对比度以帮助减少可在多个照明波长下进行测量的测量误差。这种方法可有助于测量存在背景光谱影响和偏移时分析物的变化。本发明的技术有助于对人体进行体内测量，以及对其他样本或目标物体(诸如植物或其他介质)中的其他分子进行测量。

35、本文档还描述了如何将编码光照明与接收来自移动目标物体的响应光的焦平面阵列(fpa)光成像器结合使用，诸如用于在移动台或传送带上待检查的集成电路(ic)或半导体晶片或其他部件的机器视觉检查。照明光可以用正交函数编码，诸如rgb照明序列，或者光谱上连续或不连续颜色的组合序列。这种方法可以提供优于某些其他方法的优势，诸如二向色组合器或在相机而不是在照明侧使用二向色分光的3ccd成像系统。

36、本概述旨在概述本专利申请的主题。其并不旨在提供本发明的排他性或穷举的解释。具体实施方式旨在提供关于本专利申请的更多信息。

技术实现思路