用于低成本耐用光谱仪的相关干涉测量方法、设备及系统

摘要

本申请涉及用于低成本耐用光谱仪的相关干涉测量方法、设备及系统，描述了一种探测样本光谱特性的相关干涉测量光谱学设备，其包括：电磁辐射源，用于以光子激发样本；探测器，适于探测光子到达探测器的到达时间并进一步适于探测不同光子到达时间之间的延迟。该设备还可进一步包括适于分析探测器上光子到达之间延迟的自相关器。该设备也可与其他光谱探测和表征系统一起使用，例如喇曼光谱仪和衰减全反射光谱仪。此外，也提供了包含该相关干涉测量光谱学设备的方法、系统以及套件。

说明书

交叉引用

本申请要求2009年1月21日递交的美国临时专利申请No.61/146,166的权 利，并通过引用将其包含于本申请。

技术领域

光波长电磁相关度的测量既可以通过电学方式、也可以通过光学方式测量 高速探测器光子到达之间的延迟来完成。这一研究领域被称为相关干涉测量学， 也即本申请披露的主题。

背景技术

用于光谱仪中的干涉仪，是在制造时要求高精度的仪器。必须以比波长小 得多的精确度装配并维持。虽然这样的公差在如今的光学结构中很常见，但制 作满足这么小公差的仪器是非常昂贵的，特别是如果在保持这一精确度的同时 还必须移动一个或多个部件时，比如扫描式迈克尔逊或法布里—珀罗干涉仪。 在迈克尔逊干涉仪(或其它双光束干涉仪)中，通过在干涉仪一支上扫描一移 动镜以改变光子之间的延迟。在相关干涉仪中，两个相关的光子之间的延迟通 过非常快速的电子装置来直接测量。

其它与相关干涉仪光谱仪和干涉测量光谱仪有关的概念大致都被如下美国 专利和公开文献所披露：6,504,614，Messerschmidt等人的具有较低校准灵敏度 的干涉仪光谱仪；7,324,210，De Groof的用于薄膜厚度和表面测量的扫描干涉 测量；7,321,431，De Groof的用于薄膜结构信息的低相关度干涉测量信号分析 方法和系统；7,315,382，De Groof的用于椭圆测量、反射测量以及散射测量、 包括薄膜表征的干涉测量方法；7,304,745，Towers等人的用于多频干涉测量的 相位测量方法和装置；7,280,224，Hill等人的干涉测量系统以及使用该干涉测量 系统的方法；7,280,223，Hill等人的干涉测量系统以及使用该干涉测量系统的方 法；7,251,041，Hill的干涉测量的空间滤波；7,139,081，De Groof等人的用于椭 圆测量、反射测量以及散射测量、包括薄膜结构表征的干涉测量方法； US2007/0103694，Kato的干涉测量系统；US2001/0042831，Wood等人的光子 探测器；US2007/0041011，Hayden等人的快速时间相关多元光子探测器和方法； US2004/0178348，Wainer等人的像素级光子探测器。

克服干涉仪复杂性的一种方式是使精密部件成固定状态或成为整体。如果 可以这样，那么具有这类部件的仪器将更耐用。例如，为了实现该目的，法布 里—珀罗干涉仪有时具有新的扫描机制。一种扫描或调谐途径是改变干涉仪腔 内材料的折射率。这需使用液晶材料、并改变腔内气体压强一起来实现。另一 种克服困境的途径则是完全消除光学器件的使用。随着具有足够相干性的光波 相互作用，相关现象常规地发生。实际上并不需要特殊的光学仪器来探测这些 影响。在任何干涉光谱仪中，必须测量或改变两个光子路径之间的延迟。表1 列出了可以测量的参数以及如何使用或应用这些测量值。

表1

在这样的背景下，存在对下述相关干涉测量光谱仪系统的需求：该系统在 通过干涉处理来获取光谱时无需所有精确光学元件。

发明内容

本发明的一个方面在于用于探测样本光谱特性的相关干涉测量光谱设备。 该设备包含用于以光子激发样本的电磁辐射源；适于在探测器上探测光子的到 达时间并进一步适于探测不同光子到达时间之间的延迟的探测器。此外，该设 备还可进一步包括适于分析探测器上光子到达之间延迟的自相关器。例如，光 子到达时间的分析可以利用混频(aliasing)的方法测量和分析。另外，相关干 涉测量光谱设备可以与其他光谱方法一起使用，例如喇曼光谱仪、衰减全反射 光谱仪，和/或近临界反射光谱仪。可选择地，相关干涉测量光谱仪可以与源加 倍(source doubling)干涉仪(例如洛埃镜结构)一起使用，其中相关光谱仪用 于测量光子之间的延迟。

此处还提供了用于确定样本光谱特性的方法。方法包括以下步骤：从电磁 辐射源发射电磁辐射；用电磁辐射源照射样本，其中来自电磁辐射源的光子与 样本相互作用；在探测器上探测光子的到达时间，其中这些光子激发样本。此 外，该方法还可以进一步包括分析激发样本的光子的到达时间的的步骤。

本发明的另一方面在于探测样本光谱特性的系统，该系统包括用于以光子 激发样本的电磁辐射源；以及适于在探测器上探测光子的到达时间并进一步适 于探测不同光子到达时间之间的延迟的探测器。

用于探测样本光谱特性的套件也被提供。该套件例如包括：用于发射电磁 辐射的电磁辐射源；适于探测光子到达时间并进一步适于探测光子到达之间延 迟的探测器。另外，该套件还可进一步包括用于分析光子到达之间延迟的自相 关器。

本发明的一方面在于相关干涉测量光谱设备。该设备包括：至少一个用于 以光子激发样本的电磁辐射源；适于在一个或多个探测器上探测光子的到达时 间并进一步适于探测不同光子到达时间之间的延迟的一个或多个探测器。另外， 还可以提供适于分析光子到达之间延迟的自相关器。此外，光子之间的相关性 可以通过混频器测量。另外，喇曼光谱设备，衰减全反射光谱设备，和/或近临 界反射光谱设备可以与干涉测量光谱设备一起使用。在一些结构中，系统时钟 适于(并且被构建为)将时间与来自源的电磁辐射的发射关联起来。该系统时 钟可适于(并且被构建为)将时间与来自样本的电磁辐射的探测关联起来。电 源也被提供。在一些结构中，通讯器适于并且被构建为从下列项中至少一项传 送测量值：一个或多个探测器、自相关器，计算机处理单元、延迟链路、存储 器。设备的一个或多个部件可以被构建在外壳内，其中一个或多个部件可以是 可移除的(比如电源)。

另一方面在于用于确定样本光谱特性的方法。该方法包括以下步骤：从电 磁辐射源发射电磁辐射；用电磁辐射源照射样本，其中来自电磁辐射源的光子 与样本相互作用；在探测器上探测光子的到达时间，其中这些光子激发样本。 此外，该方法还可以进一步包括分析激发样本的光子的到达时间的的步骤。

在又一方面，提供适于(并且被构建为)探测样本光谱特性的系统。该系 统包括：用于以光子激发样本的电磁辐射源；适于在探测器上探测光子的到达 时间并进一步适于探测不同光子到达时间之间的延迟的一个探测器。另外，还 可以提供适于分析光子到达之间延迟的自相关器。此外，光子之间的相关性可 以通过混频器测量。另外，喇曼光谱设备，衰减全反射光谱设备，和/或近临界 反射光谱设备可以与干涉测量光谱设备一起使用。在一些结构中，系统时钟适 于(并且被构建为)将时间与来自源的电磁辐射的发射关联起来。该系统时钟 可适于(并且被构建为)将时间与来自样本的电磁辐射的探测关联起来。电源 也被提供。在一些结构中，通讯器适于(并且被构建为)从下列项中至少一项 传送测量值：一个或多个探测器、自相关器，计算机处理单元、延迟链路、存 储器。设备的一个或多个部件可以被构建在外壳内，其中一个或多个部件可移 除(比如电源)。

在其它方面，提供用于探测样本光谱特性的套件。套件包括：发射电磁辐 射的电磁辐射源，适于探测光子到达并进一步适于探测光子到达之间的延迟的 探测器。附加套件组件包括适于分析光子到达之间延迟的自相关器。

其它方面包括一个或多个网络装置。该网络装置包含：存储器；处理器； 通讯器；显示器；以及相关干涉测量光谱设备，该相关干涉测量光谱设备包括 至少一个用于以光子激发样本的电磁辐射源和适于在一个或多个探测器上探测 光子的到达时间并一步适于探测不同光子到达时间之间的延迟的一个或多个探 测器。

在一些方面提供通讯系统。该通讯系统包含：用于探测样本光谱特性的系 统，其包含包括至少一个用于以光子激发样本的电磁辐射源和适于在一个或多 个探测器上探测光子的到达时间及进一步适于探测不同光子到达时间之间的延 迟的一个或多个探测器的相关干涉测量光谱设备；服务器计算机系统；允许通 过网络从探测样本光谱特性的系统传送测量值的服务器计算机系统上的测量模 块；以及下列项中的至少一者：连接至至少一个用于测量样本特性的系统、用 以创建关于样本测量值的消息并通过API集成网络向具有预定接收用户名的接 收者传输该消息的API引擎，连接至至少一个用于测量样本特性的系统、用以 创建关于测量值的SMS消息并通过网络向具有预定样本测量接收电话号码的接 收设备传输该SMS消息的SMS引擎，以及连接至至少一个用于测量样本特性 的系统、用以创建关于测量值的电子邮件消息并通过网络向具有预定接收电子 邮件地址的接收电子邮件传输该电子邮件消息的电子邮件引擎。还可在服务器 计算机系统上提供用于在测量样本服务器数据库特性的系统上存储样本测量值 的存储模块。此外，至少一个测量样本特性的系统通过移动电话网络和因特网 中的至少一个与服务器计算机系统可连接，样本测量接收电子设备上的浏览器 用于在服务器计算机系统上重获(retrieve)界面。另外，在探测样本数据库特性的 系统中可保存多个电子邮件地址，且少于全部的电子邮件地址可从计算机系统 中单独选取，这些电子邮件消息被传输至具有至少一个选取的电子邮件地址的 至少一个样本测量接收电子邮件。在一些例子中，至少一个测量样本特性的系 统通过因特网与服务器计算机系统可连接，样本测量接收电子设备上的浏览器 用于在服务器计算机系统上重获界面。例如，系统与医疗保健提供者通讯，在 探测光谱特性数据库的系统中保存多个用户名，且少于全部的用户名可从计算 机系统中单独选取，该消息通过API被传输至至少一个样本测量接受用户名。 样本测量接收电子设备也可通过因特网与服务器计算机设备连接，样本测量接 收电子设备上的浏览器用于在服务器计算机系统上重获界面。样本测量接收电 子设备也可通过蜂窝电话网络与服务器计算机设备连接，例如该电子设备是移 动设备。另外，系统可以包括服务器计算机系统上的界面，该界面通过在样本 测量接收移动设备上的应用程序而重获。在一些情形下，SMS样本测量值可通 过在样本测量移动设备上的消息应用程序而接收。接收多个SMS测量值用于测 量时，通过各个样本测量接收移动设备上的各个消息应用程序来接收每一测量 值。至少一个SMS引擎可构建成通过蜂窝电话SMS网络自样本测量接收移动 设备接收SMS响应、并在服务器计算机系统上存储SMS响应。另外，样本测 量接收电话号码ID可与SMS样本测量值一起传输至SMS引擎，并被服务器计 算机系统用来关联该SMS样本测量值和SMS响应。此外，服务器计算机系统 通过蜂窝电话网络可连接、以从样本测量接收移动设备接收响应。该SMS样本 测量值也可包括在样本测量接收移动设备上可选的URL、以从样本测量接收移 动设备向服务器计算机系统响应，服务器计算机系统利用该URL关联该响应和 该SMS样本测量值。在至少一些结构中，该通讯系统可进一步包含：存在于样 本测量接收移动设备上的可下载应用程序，该可下载应用程序通过蜂窝电话网 络向服务器计算机系统传输该响应和样本测量接收电话号码ID，该服务器计算 机系统利用该样本测量接收电话号码ID关联该响应与SMS样本测量值。在一 些结构中，系统可以包括：可以通过非蜂窝电话SMS网络的网络将样本测量值 传输至样本测量接收用户计算机系统的传输模块，与通过移动电话SMS网络和 /或存在于样本测量接收主机上的可下载应用程序发送的样本测量值并行，该可 下载应用程序通过蜂窝电话网络向服务器计算机系统传输响应和样本测量接收 电话号码ID，该服务器计算机系统利用样本测量接收电话号码ID关联响应和 SMS样本测量值。

通过引用结合

本说明书中提到的所有出版物、专利和专利申请都通过引用的方式被包含 在内，每个独立的出版物、专利或专利申请被明确地并且独立地指明以通过引 用的方式被包含在内。

附图说明

本发明的新颖特征都详细地阐明在所附权利要求书中。参照阐明利用了本 发明原理的示意性实施例的以下详细的说明、和附图，可更好地理解这些特征 以及本发明的优点，在附图中：

图1A是具有单发射器和单探测器的相关干涉测量光谱设备的侧视图；

图1B是如图1A所示相关干涉测量光谱设备的俯视图；

图2A是具有单发射器和双探测器的相关干涉测量光谱设备的侧视图；

图2B是如图2A所示相关干涉测量光谱设备的俯视图；

图3是使用光谱设备的方法的流程图；

图4A是表示实现动态模块化、可扩展(scalable)系统的逻辑设备的代表实施 例的块状图；图4B是表示适合用于动态数据分析和建模的系统中的典型部件协 作的块状图。

具体实施方式

低成本，耐用的相关干涉测量光谱系统和装置具有广泛的应用。例如，干 涉测量光谱仪可以用于：非侵入式医学测量，包括通过荧光、光声、近红外、 喇曼、太赫兹波，或中红外光谱仪进行葡萄糖测量和其他体内分析物水平的测 量；对组织中医疗关注分析物的定量测量；利用化学官能团成像对诸如心脏瓣 膜以及吻合支的身体器官造影；以及利用光谱仪对血气参数的非侵入式测量。 此外，相关干涉测量光谱系统和装置还可以进一步与接近临界角的衰减全反射 (ATR)技术一起使用。本发明还可进一步应用于需要低成本、耐用和可抛弃式传 感器的工业处理测量。相关干涉测量光谱系统和装置可以用于个体识别的组织 光学特性的测量，例如生物测量应用。当需要以低成本以及耐用方式产生光谱 测量时，本说明书描述的设备、系统、方法和套件将相关干涉测量与光学光谱 测量结合。

I.光谱设备

在图1A中示出相关干涉光谱设备100的侧视图，在图1B中示出其俯视图。 在相关光谱设备100中，来自电磁(EM)辐射源的辐射源自EM发射器102向 样本150引入。来自EM发射器102的电磁辐射可以是，比如说，激光或发光 二极管(LEDs)，或者其他合适的电磁辐射源(例如，LumiLEDS LXHL-FH3C， 可以从Philips Lumileds，San Jose，California获得)。电磁辐射出的光子进入样 本150，并且与构成样本的分子相互作用。从EM发射器102射出的光子106 通过样本并且被转化为包含有关于被光子通过的样本的吸收信息。如果光子在 空间上和时间上的距离小于相干间距，随着这些光子迁徙通过并离开样本，这 些光子也将彼此发生作用。这一相互作用会导致包含频率(波长)信息的条纹。 光子到达间的延迟可以被直接测量，或通过对从辐射得到的电子信号进行检查 来测量。

EM发射器产生的多个光子106(每个光子路径都表示为单独的线条)在被 EM探测器104探测之前通过样本150。可被由多个探测器组成的系统探测的相 关干涉光谱系统也可以被使用。一个或多个探测器104彼此临近设置，或可选 地，探测器可以相对于辐射源以不同距离设置。如图1A-B所示，可以使用单探 测器。当使用单探测器104时，随着增加不同的延迟线110，通过寻找(look for) 波动信号的自相关量来测量延迟。本领域技术人员可以理解，当设备工作时或 者在其它时候(比如在预配置阶段)，延迟线可以被电子地开关或交换。本发明 预期，Mandel使用的一条或多条延迟线110被稳态电路代替以测量自相关性。 此外，如图1A-B所示，本发明的相关干涉测量光谱系统中没有光学器件或移动 部分。正如前面强调的，虽然图1A-B仅示出了一个探测器，但也可以在设计中 使用一个以上的探测器。在一些结构中，探测器还可进一步与自相关器120相 连，自相关器120分析从探测器104接收的光子之间的延迟。

代表性地，相关干涉测量光谱仪需要高速探测器。探测器速度越高，自由 光谱范围越宽。用于测量的自由光谱范围可以由下式给出：

Δν＝1/2δτ                     (1)

由于相关干涉仪光谱仪要求快速，常规的光倍增管已不能满足充当探测器 的要求，因为光倍增管不能区分少于δτ～10-8s的时间。任何自相关函数都典型 地以大于此的间隔进行采样。例如，当系统工作在近红外区域2000nm时，采用 工作在100MHz的光倍增管，自由光谱范围(FSR)为10^-4nm。为了获得100nm 的FSR，探测器的工作必须快6个数量级，即100THz。探测光子的高速探测器 包括硅光倍增器(SiPM)，超导单光子探测器或其它任何合适的光子探测器。

在一些情况下，设备，系统和方法利用混频的优点。混频指的是当连续时 间信号具有大于采样速率一半的频率时发生的失真。混频可以导致信号的高频 部分被误读为低频部分。因此，如果探测器速度不够高，就等同于在干涉仪中 的时域欠采样。光谱信息仍然存在，但已经被混频为低频(错误的频率)。

相关干涉测量典型地并不提取任何有关光子之间相干相位的信息，它仅仅 提取关于相关系数的信息。因此如果进行一些假设，可以仅从测量值中发现光 谱分布。这是Michelson在通过假设光谱线对称而从可见性得到光谱线轮廓时面 临的同样的情形。定量光谱仪的最低要求是两个波长中至少一个在吸收带附近。 相关干涉测量仪满足这一基本要求，即使是具有非常有限的自由光谱范围的相 关干涉测量仪。自由光谱范围的两端比率可被测量出来或曲线下的面积可被计 算出来。这与导致吸收带的物质的浓度成正比。设备可构建成被包含于一合适 的外壳170中。在另一结构中，组件可配置为使这些组件充当外壳的功能。在 另外的一些结构中，部件可模组化，从而一个或多个部件可以置于与包含一个 或多个其它部件的第二外壳通讯的外壳内。

另外，该设备可具有适于并且构建为对设备以及设备的附属组件的运行进 行控制的中央处理器(CPU)160，提供用户可读数据的即时视觉反馈的一个或 多个显示器164(比如液晶显示器(LCD))，可以使结果以声音方式提供的音频 性能(比如扬声器)162，一个或多个存储设备180(比如对运行进行控制的只 读存储器和存储数据以使多个数据结果储存于设备的读写存储器)，可重获数据 的数据端口182(比如PCMCIA端口或USB端口)，可将数据无线传输至中央 系统的无线数据传输性能，允许用户激活设备的一个或多个开/关按钮168，允 许与例如扬声器或显示器交互的控制按钮166。

当设备是对该设备采集的测量值进行监视的系统(比如将在下面更详细讨 论的通讯网络)的一部分时，则提供一系统时钟184，其将日期/时间标志与从 一个或多个探测器(104)收集来的数据关联起来。

设备通过任一合适的电源190供电，该电源包括，例如可移除的电池或可 接入AC或DC电源的插头。

此外，组件可以被包含在，例如，适于并构建为对样本执行诊断测试的诊 断设备或系统中。合适的设备包括，例如，非侵入式葡萄糖测量设备，工业生 物柴油产品反应器以及发酵生物反应器。

本发明的设备，系统以及方法也可以与喇曼光谱装置、近临界反射光谱设 备、和/或衰减全反射(ATR)设备一起使用。

合适的近临界反射光谱设备包括PCT公开号为WO 2009/137122 A2，发明 名称为“Methods，Devices and Kits for Peri-critical Refkectance Spectroscopy”，公开 日为2009年11月12日(Messerschmidt)的文献中所披露的那些设备。

近临界反射光谱设备或系统适于提供可以被引入样本中的电磁辐射的发射 源。在接触样本之前，可以通过例如干涉仪来对电磁辐射进行调制。也可以通 过透镜将经调制的辐射聚焦到反射表面(诸如反射镜)上，随后该反射表面将光反 射到ATR棱镜中。此外，在一些情况下，也可以调整反射镜以将电磁辐射以包 含目标临界角的角度范围引入到样本中。换言之，电磁辐射以小于临界角的角 度引入，并且以一些增量来扫描以经过临界角到达比临界角更大的角度。可以 调整反射镜以改变电磁波进入样本的角度。可选择地，可以将电磁辐射直接引 入ATR棱镜。进入ATR棱镜之后，电磁辐射与样本相接触。随后电磁辐射离 开棱镜，并且由探测器探测并由数据处理系统处理。

使用本说明书描述的系统和装置获得的临界角信息是另一维度的信息，是 目前利用现有技术不能获得的。因此，样本的完整图将会是在接近并且之后实 际上稍微越过临界角的角度处、反射光强度关于入射角的映射及波长的完整图。 因为渗透深度对于临界角附近的入射角非常敏感，所以数个毫度(数个微弧度) 的角分辨率是必要的。此外，处理器可以与设备一同使用来分析临界角数据。 一旦例如通过扫描样本产生样本的角图，就可以确定每个波长的临界角的实际 角度。之后可以画出在恒定有效深度处、每个波长上的光谱。

对于近临界反射光谱装置，电源被提供为适于并被构造为将电力提供给用 于发射电磁辐射或光的源，以适于将光束输送给干涉仪，该干涉仪通过诸如反 射的手段将光束分离为两个或更多的光束，并随后将光线带至一起而产生干涉。 合适的电源包括但不限于电池。如本领域技术人员将会理解的，该系统可以被 容纳在适当设计的壳体中，或者这些组件可被构造为使这些组件具有壳体功能。 所得到的光束之后穿过透镜，并随后与反射镜相接触。反射镜反射所得到的光 束使之通过棱镜，并且朝向样本。反射的第二光束返回经过棱镜，并在此处由 多元件探测器接收。探测器可以适于并且构造为对像素的入射角进行分解以获 得毫度或者更高程度的分辨率。之后使用合适的数据处理装置或计算机来分析 分解的像素。分析例如可以包括将数据与资料库相比较以确定所探测的信号相 对于已知样本的变化。此外，系统可以包括显示器(诸如液晶显示器(LCD))，该 显示器适于向用户提供反射光强度关于波长及入射角的映射的完整图。如本领 域技术人员将会理解的，可以提供使得系统能够将信息发送到打印机或网络的 连通性。连通性例如可以是无线地经由互联网，以及经由合适的连接端口。

近临界反射光谱设备或系统可以被建立为使用反射镜(诸如具有0.001度的 分辨率的倾斜/平移反射镜)通过光束向样本引入电磁辐射。光束可以在穿过空 间滤波器之后被输送到样本。光束穿过滤波器可以引起光束发散，典型地为 0.001度。在穿过滤波器之后，发散光束与使得光束偏转通过近临界反射(PR)晶 体进入样本的倾斜平移反射镜相接触。合适的样本例如可以具有直径低达 1-10mm的面积。在光束与其相接触之后，所得到的光束被反射。所得到的光束 之后可以返回穿过PR晶体，以与第二反射/平移反射镜相接触，该反射镜使得 所得到的光束透射通过透镜并进入小面积单元件碲镉汞(MCT)探测器。

合适的喇曼光谱学装置包括PCT专利申请号为PCT/US 2010/21528，发明 名称为“RAMAN SPECTROSCOPY USING MULTIPLE DISCRETE LIGHT  SOURCES”，申请日为2010年1月20日，要求2009年1月21日提交的美国 临时专利申请61/146,195的优先权的文献中所披露的那些装置。如果该设备用 在喇曼光谱学系统中，可使用硅探测器。硅探测器速度快，成本较低。而且， 当与喇曼光谱系统一起使用时，因为可以注意基频振动而不是谐波，本发明的 装置更加能够仅使用一小段范围的波长就获得良好的定量测量。

喇曼光谱设备包括，例如，使用多个离散光源作为用于喇曼光谱仪的光源。 激发光源是多个离散光源。代表性地，该多个离散光源发射在十至几百纳米的 范围的电磁辐射。借由干涉仪，例如迈克耳逊干涉仪，光被调制成一系列特定 波长的余弦波。可选择地，光源可以被自调制。设备由一个或多个合适的电源 供电。如果需要，电源可以是可移除的。合适的电源包括但不限于电池。

一个或多个透镜随后高效地将电磁辐射聚焦在样本上。当电磁辐射与样本 相互作用时，由于样本的特性，电磁辐射随后被散射。散射的辐射被会聚透镜 会聚。会聚的辐射之后通过一窄带通(NBP)滤波器。NBP滤波器的波长被选择， 从而其滤掉输入辐射带通内的辐射。在通过NBP滤波器之后，到达探测器的电 磁辐射具有相同的窄波长并且包含由迈克耳逊干涉仪或光源自调制给予的调制 频率。到达探测器的每一电磁辐射源的喇曼光强可通过对到达探测器的信号做 傅里叶变换而重新获得。

虽然可以使用任何波长范围的电磁辐射，但代表性地使用在光谱中绿光区 域或红光区域的波长。在生物学应用中红光波长通常被认为是理想的，有两个 原因。第一，红光在被称作“治疗窗口”的光谱范围内，该范围可以良好地通过 人体组织。该治疗窗口通常被认为600至900纳米。窄带通滤波器放置在探测 器之前。该带通恰超过这些光源中任一者的发射范围。对于斯托克斯—喇曼情 形，窄带通探测器滤波器处在光源范围的较长波长(较低能量)一侧。

多个调制离散光源代表性地为离散窄带宽激光光源的集合。源集合的带宽 将决定测量的分析范围，因此使用足够数量的离散源来测量系统中所有重要的 光谱特征。

回到相关干涉测量光谱设备的结构中，如图2A-B所示使用两个探测器104， 104’的情形，光子之间的延迟以与经典干涉测量中同样的方式产生。基于探测器 与发射器的距离及光子穿过样本150的路径，被相应的探测器104，104’探测到 的每一组光子106，106’在不同的时间被探测到。为了避免附图模糊，图1A中 所示的附加组件(存储器，按钮，音频等)在图2A中未重复给出。

II.确定样本光谱特性的方法

如图3所示，方法300预期用于确定样本的光谱特性。方法包括从上述电 磁辐射源发射电磁辐射(310)，并且照射样本(320)。来自电磁源的光子与样 本相互作用(330)。光子继续通过样本，直至光子被探测器探测到(340)。随 着光子通过样本并且与样本相互作用，光子的特征被改变。探测器探测到探测 器上光子的到达时间(350)，并且分析从光子进入样本到离开样本时间上的差 异。

正如本领域技术人员所理解的，获得或选择样本，产生波长，将波长与样 本相互作用，并且探测来自样本的波长光子的到达时间这些步骤可在第一地点 执行(例如与对病人的监视相结合)，而分析来自样本的光子到达时间的步骤可 在第一地点或第二地点(例如，设备在该地点与中央系统相连)执行。可应用 这一方法的样本包括，但不限于，皮肤、血液(及其成分)以及人体组织，还 有工业生产方法(诸如生物柴油生产以及发酵反应)。

III.光谱设备和通讯网络

正如本领域技术人员所理解的，使用上述讨论过的一个或多个光谱设备的 模块化及可扩展的系统可由一个控制器和多于一个光谱设备组成。

控制器通过通讯媒介与每个光谱设备通讯。通讯媒介可以是有线点对点或 多点结构。有线通讯媒介可以举例为以太网，USB，以及RS-232。可替代地， 通讯媒介可以为包括射频(RF)和光的无线媒介。光谱设备可以具有一个或多 个用于流体处理设备的狭槽。联网的设备在一些情况下非常有用。例如可以为 保健提供者(比如医生)提供血液葡萄糖监视结果的网络设备有助于糖尿病患 者对饮食、药物治疗以及胰岛素使用的遵从情况的背景分析，当导致临床上开 始出现趋向不乐观的方向的情况时，该背景分析可触发医疗保健提供者较早的 干预。另外，可以产生向监视病人葡萄糖水平的病人或保健提供者提供的、响 应于样本测量值的自动消息。在一些例子中，可通过系统对针对积极行为(比 如表明病人一切正常的文本消息或电子邮件)或消极行为(比如表明糖量开始 上升的文本消息或电子邮件)产生自动消息。其他自动消息也可以是提供管理 血糖的要点和小贴士的电子邮件或文本消息。网络通讯系统因此可以以低成本 实现健康监视和早期干预，为医疗保健从业者减少负担。

为了进一步理解通讯网络中多光谱设备的网络结构，图4A表示了代表示例 性的逻辑设备的块状图，可以通过该设备来访问浏览器以控制和/或与上述光谱 设备通讯。计算机系统(或数字设备)400，可以理解为适于并且构造为从媒介 414和/或网络端口406读取命令的逻辑装置，其与服务器410相连，并且具有 固定媒介416。计算机系统400也可以与互联网或内联网相连。该系统包括中央 处理单元(CPU)402，盘驱动器404，可选的输入设备(例如键盘418和/或鼠 标420)以及可选的监视器408。可以通过例如媒介409来实现与本地或远程位 置的服务器410的数据通讯。通讯媒介409可以包括任意适合的传送和/或接收 数据的方式。例如，通讯媒介可以为网络连接，无线连接，或因特网连接。与 一个或多个光谱设备(为了说明，一起作为460示出)的使用、操作和功能相 关的数据都可以通过这样的网络或连接传送是可以预想的。计算机系统可以适 于与用户(用户包括医疗保健提供者，医师，实验室技师，护士，护理师，病 人以及可能对系统产生的信息进行访问其他任何人或实体)和/或用户使用的设 备通讯。计算机系统适于与因特网上的其它计算机通讯，或者通过服务器与计 算机通讯。此外，系统被构造为激活一个或多个与网络相关联的设备(比如诊 断设备和/或光谱设备)并且与设备和/或系统完成的测试结果或情形通讯。

正如本领域技术人员所知，因特网是计算机网络中世界范围内的网络。如 今，因特网是公用和自持的网络，可被大量的的用户使用。因特网使用一组称 作TCP/IP的通讯协议(即传送控制协议/因特网协议)来连接主机。因特网具有 被认为是因特网主干网的通讯基础设施。接入因特网主干网很大一部分入口被 因特网服务供应商(ISP)所控制，他们将入口转售给公司和个人。

因特网协议(IP)使得数据可以从一个设备(例如电话，个人数字助理 (PDA)，计算机等)被发送至网络中的另一设备。如今IP有很多版本，包括例 如IPv4，IPv6等。其它的IP无疑也是可用的并且将在未来继续可用，在不脱离 本发明的范围内，在适于并且构造为使用一个或多个光谱设备或与一个或多个 光谱设备通讯的通讯网络中，可以使用这些版本中的任一个。网络上的每个主 机设备都具有至少一个IP地址，这作为它们自己唯一的标识符并且作为无连接 协议(connectionless protocol)。通讯过程中，端点之间的连接并不连续。当用户 发送或接收数据或消息，数据或消息就被分成称作数据包(packet)的多个部分。 每个数据包被当做一个独立的数据单元并且被路由到终端——但不一定通过同 一路径。

开放系统互联(OSI)模型被建立来实现因特网或其它网络上多点之间标准 化的传送。OSI模型将网络上两点之间的通讯过程分成7个堆叠的层，每一层 都加入自己的一组功能。每个设备对消息进行处理，使得在传送端通过每一层 形成向下的流，在接收端通过每一层形成向上的流。通常，提供7个功能层的 程序设计和/或硬件将设备操作系统，应用软件，TCP/IP和/或其它传输和网络协 议，和其他软件和硬件结合起来。

代表性地，当消息从用户传输或向用户传输，则使用高四层，而当消息通 过设备(例如IP主机设备)，则使用低三层。IP主机是网络中可以传送或接收 IP数据包的任意设备，比如服务器，路由器或工作站。去往其它主机的消息并 不通过上层，而直接被转发到其它主机。OSI模型的层具体如下：在第7层(即 应用层)中可以例如识别通讯伙伴，识别服务质量，考虑用户权限和隐私，识 别数据语法的限制等等。第6层(即表示层)可以将输入数据和输出数据从一 个表示格式转化为另一表示格式。第5层(即会话层)建立、协调、终止各个 应用之间的会话、交换和对话。第4层(即传输层)管理端对端控制和错误检 查等。第3层(即网络层)处理路由选择和转发等。第2层(即数据链路层) 为物理层提供同步，进行比特填充以及提供传送协议的知识和管理等等。电气 和电子工程师协会(IEEE)将数据链路层又细分为两个子层，控制传送到物理 层或从物理层传送的数据的MAC(介质访问控制)层以及与网络层进行接口并 且翻译命令和执行错误恢复的LLC(逻辑链路控制)层。第1层(即物理层) 在物理级别上通过网络传递比特流。IEEE将物理层细分为PLCP(物理层汇聚 过程)子层和PMD(物理介质依赖)子层。

无线网络可以包含在多种移动设备中，比如蜂窝电话和无线电话，PC(个 人电脑)，膝上型电脑，可佩戴电脑，无绳电话，寻呼机，头戴式耳机，打印机， PDA等等，并适用于在包含一个或多个光谱设备的系统或通讯网络中使用。例 如，移动设备可以包括数字系统来确保语音和/或数据的无线快速传输。典型的 移动设备包括下述元件中一些或全部：收发器(例如发送器和接收器，包括具 有集成传送器、接收器以及其它功能(如果需要的话)的单片收发器)；天线； 处理器；显示器；一个或多个音频换能器(例如作为用于音频通信的设备的话 筒或扩音器)；电磁数据存储器(比如ROM，RAM，数字数据存储器等，比如 在提供数据处理的设备中)；存储器；闪存；和/或完整的芯片组或集成电路；接 口(比如通用串行总线(USB))；编码解码器(CODEC)；通用异步收发传输 器(UART)；相变存储器(PCM)等)。在不脱离本发明范围的情况下，其它 元件也可以被提供。

无线局域网(WLAN)(移动用户可在其中通过无线连接而连接到本地局域 网)可以被用于一个或多个光谱设备之间的无线通信。无线通信可以包括通过 电磁波传播的通信方式，例如光、红外、无线电以及微波。目前存在有多种无 线局域网标准，比如蓝牙IEEE802.11，以及陈旧的HomeRF。

用于举例，使用蓝牙产品来提供移动计算机、移动电话，便携手持式设备， 个人数字助理(PDA)以及其它移动设备之间的连接以及与互联网的连通性。 蓝牙是一个计算和电信产业规范，详细规定了如何容易地实现移动设备之间的 互相联系以及用短距离无线实现移动设备与非移动设备互相联系。蓝牙为解决 终端用户的问题制定了数字无线协议，该问题是从需要从一个设备到另一个设 备保持数据的同步和连续的各种各样的移动设备扩展出来的，因此允许不同的 经销商的设备仪器无缝合作。

IEEE标准IEEE802.11为无线局域网和设备规定了技术。采用802.11，同每 一个基站支持数个设备即可完成无线网络连接。在一些例子中，设备可以预先 安装有无线硬件，用户也可以安装硬件，比如卡，该硬件可以包括天线。例如， 不论该设备是否是访问接入点(AP)、移动基站(STA)，桥，个人电脑内存卡国际 联合会(PCMCIA)卡(或PC卡)或其他设备，802.11中使用的设备通常包括 三个重要的元件：无线电收发器；天线；以及对网络中各点之间的数据包流量 进行控制的MAC(介质访问控制)层。

另外，多接口设备(MID)可以被用于一些无线网络。多接口设备可以包 括两个独立的网络接口，比如蓝牙接口以及802.11接口，因此允许MID参与到 两个分开的网络中，同时与蓝牙设备进行接口。MID可以拥有IP地址和与IP 地址相关的通用(common)IP(网络)名。

无线网络设备可以包括但不限于蓝牙设备，WiMAX(全球微波互联接入)， 多接口设备(MID)，802.11x设备(IEEE802.11设备，包括802.11a，802.11b， 802.11g设备)，HomeRF设备(家用射频)，Wi-Fi(无线保真)设备，GPRS(通 用分组无线服务)设备，3G蜂窝设备，2.5G蜂窝设备，GSM(全球移动通信 系统)设备，EDGE(增强型数据速率GSM演进技术)设备，TDMA型(时分 多址)设备，或CDMA(码分多址)设备，包括CDMA2000。每个网络设备都 可以包括各种类型的地址，包括但不限于IP地址，蓝牙设备地址，蓝牙通用名 称，蓝牙IP地址，蓝牙IP通用名称以及802.11 IP地址，802.11 IP通用名称或 者IEEEMAC地址。

无线网络也可以包括移动IP(互联网协议)系统，PCS系统以及其它移动 网络系统中的方法以及协议。关于移动IP，其包括由互联网工程任务组(IETE) 制定的标准通信协议。有了移动IP，移动设备用户在保持被分配的IP地址的同 时可以移动接入网络。参照(RFC)3344.NB注解的要求：RFC是互联网工程 任务组(IETF)的正式文档。移动IP增强了互联网协议(IP)并且增加了在连接 其本地网外部时将互联网连接至移动设备的机制。移动IP为每个移动节点在本 地网指定本地地址以及在网络中及子网中表示设备目前位置的转交地址(CoA)。 当一个设备被移动到不同的网络，它将接受新的转交地址。本地网络的移动代 理可以用转交地址与每个本地地址相关联。每次使用控制报文协议(ICMP)改 变转交地址，移动节点可以发送给本地代理一个捆绑更新。

在基本IP路由选择(例如外部移动IP)中，路由机制依赖于假设每个网络 节点总是具有一连续互联网接入点，并且每个节点的IP地址识别其连接的网络 连接。节点包括连接点，其可以包括重新分配端点或数据传送端点，其可以被 识别、处理和/或与其它节点通信。例如互联网路由器可着眼于识别设备网络的 IP地址前缀或诸如此类。之后，在网络级，路由器可着眼于识别特殊子网的一 组比特。之后，在子网级，路由器可着眼于识别特殊设备的一组比特。典型的 移动IP通信中，如果用户将一个移动设备与因特网断开并且试图在一个新的子 网上重新连接它，那么这个设备就必须用新的IP地址，合适的网络掩模以及缺 省路由器来重构。否则，路由器协议将不能恰当地投递数据包。

如上所述，计算系统400可以被用作包含一个或多个设备460的计算机网 络的一部分，该设备460可以是诸如光谱设备。一般来讲，对于计算环境的描 述也适用于配置于网络环境中的服务器计算机和客户计算机。图4B是表示典型 的网络计算环境400的示意图，服务器与用户计算机通过通讯网络450通信。 如图4B所示，服务器410可以通过通讯网络450(其可以是有线或无线局域网、 广域网、内联网、外联网、端对端网络、虚拟私人网络、互联网或其它通信网 络中的一个或组合)与诸如平板电脑402、移动电话404、电话406、个人电脑 402’以及个人数字助理408的若干个客户计算环境连接。在通信网络450是互联 网的网络环境中，例如服务器410可以是专用的计算环境服务器，可以通过一 系列已知的协议，比如超文本传输协议(HTTP)、文件传输协议(FTP)、简单 对象访问(SOAP)或无线应用通讯协议(WAP)，从用户计算环境和向用户计 算环境处理和交流数据。在不脱离本发明的范围内，也可以使用其它无线协议， 包括例如无线标记语言(WML)，电信沟通无界限i模式(DoCoMoi-mode，例 如在日本使用)以及XTHML Basic。此外，网络计算环境400可以利用各种数 据安全协议，比如加密套接字协议层(SSL)或pretty good privacy(PGP)。每 个用户计算环境都可以配备操作系统438来访问服务器计算环境400，该操作系 统可支持一个或多个计算应用，比如网页浏览或其它图形用户界面(未示出) 或移动台式环境(未示出)。

在操作中，用户(未示出)可以与客户计算环境中运行的计算应用进行交 互来获得想要的数据和/或计算应用程序。数据和/或计算应用程序可以被存储在 服务器计算环境400上并且在典型通讯网络450上通过用户计算环境与协作用 户通信。参与用户可以要求方位整个或部分存放在服务器计算环境400上的特 殊数据和应用程序。这些数据可以在用户计算环境和服务器计算环境之间通讯 以处理和存储。服务器计算环境400可以主宰计算应用程序，进程和生成、授 权、加密以及通信数据和应用程序的小型程序，也可以与其他服务器计算环境 (未示出)、第三方服务供应商(未示出)、网络附加存储(NAS)以及存储区域 网(SAN)合作来完成应用程序/数据交易。

IV.套件

把需要使用光谱设备来测试样本的所有设备、工具、组件、材料以及附件 打包在套件中可以提高设备的可使用性和便利性。套件可以被构建为例如包括： 发射电磁辐射的电磁辐射源，以及适于对光子的到达进行探测并进一步适于对 不同光子的到达之间的延迟进行探测的探测器；适于对光子的到达之间的延迟 进行分析的自相关器；和/或一个或多个滤波器。传感器可以是可丢弃的或重复 使用的。附加组件可以包括，例如，测量时用于清洗表面的酒精棉、测量时为 提高电磁辐射的发射而应用于表面的准备材料，等等。

V.示例

实施例1 人体组织内的葡萄糖水平探测

本发明的设备、系统、方法以及套件可以例如被用于探测人体组织的葡萄 糖水平。病人的皮肤表面被置于系统中，并随后用电磁辐射束进行照射。该束 被皮肤反射离开并且携带着一些相关度，这些相关度代表了指示用户血糖水平 的吸收和波长。探测器处的信号与通过延迟线之后的同一信号一起被输入到决 定两信号路径之间相关度的自相关器。随后，相关度的强度作为延迟时间的函 数，产生可以通过傅里叶变换而与光谱有关的时间序列。之后，可以用化学计 量学方法解释该光谱，从而确定皮肤组织样本中的葡萄糖水平。

当例如在实验室环境中探测样本、并且光谱设备是通讯网络的一部分时， 伴随病人鉴别信息的结果随后可以通过网络而通过电子方式传递到病人和/或医 疗保健提供者。当病人在家用环境中探测样本时，结果可以被发送至病人的医 疗保健提供者或其它组织(例如，糖尿病护理监视器，家庭护理提供者，等)。

参考文献

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W.H.Steel，Interferometry，Cambridge University Press，1967.p.54.

虽然本申请中已经示出了并且描述了本发明的优选实施例，但是很明显对 于本领域技术人员来说这些实施例仅是通过示例的方式提供。本领域技术人员 可以在不违背本发明的情况下进行各种变化、改变和替换。应当理解，可以采 用这里描述的本发明的实施例的各种替换方式来实施本发明。所附的权利要求 书旨在限定了本发明的范围，从而覆盖了在这些权利要求及其等同含义范围内 的方法和结构。