放大多重吸收光谱的制作方法

1.本发明通常涉及用于光学薄样品的多重光谱系统。本文中描述的方法可用于测量一般光学薄样品的光谱特性，特别是生物样品的光谱特性。
2.相关申请
3.本公开与多通道成像光谱有关；us 8,345,254于2013年1月1日由本发明人发表，以下称为mpis专利。
4.本公开与高效多路复用有关；us10,585,044于2020年3月10日由本发明人发表，以下称为hems专利。
5.本公开与多维分光谱有关；美国临时专利us 63/059,298于2020年7月31日由本发明人发表，以下称为mds专利，现在于2021年7月28日作为pct申请pct/ca2021/051057提交。
6.上述每个引用的专利申请文件的公开可以参考以获取更多详细信息。


背景技术：

7.本发明涉及一般光学薄样品的光谱测量，特别是生物样品的光谱测量。可以使用光谱方法检测和鉴定细菌和病毒等生物制剂的属、种或菌株水平。然而，现有方法需要相对较大的微克量级样品量，以提供足够质量的光谱来鉴定生物制剂。通常通过将分离物培养到所需质量来制备样品，通常需要24-72小时。传统方法由于无法处理存在多种物质的样品而受到进一步限制。这些缺点在上述引用的mpis专利中得到了部分克服。mpis专利描述了一种多通道排列，该排列通过固定放大保留空间信息。在上面引用的mpis布置中，探头辐射的准直光束被引导到多个样品位置，并且每个光束的振幅由探测器测量。空间信息通过线性变形恢复。由于多路通过，光学放大可以测量单个细菌或病毒的光谱，从而消除了培养步骤的需要。空间信息使同一样品中不同物种的光谱能够被分离和单独识别。hems专利描述了一种用于测量光谱通量的多重方法，其中所有光谱通量沿多个路径调制，并且沿每个路径的通量被测量。信噪比(snr)得到改善，因为测量了所有通量，并消除了光谱带之间的串联相关性。


技术实现要素：

8.本发明可以提供以下一个或多个特征：
9.本公开的第一个目的是通过减少来自相邻样品位置的信号之间的相关性，进一步提高上述mpis设置的信噪比(snr)。
10.本公开的第二个目的是提供一种包括放大在内的放大成像方法。
11.本公开的第三个目的是提供一种具有可变扩增的扩增成像方法。
12.根据本发明，提供了一种分析光学薄样品是否存在目标材料的方法，包括：
13.定位可能包含目标材料的光学薄样品；
14.该样品包括多个样品位置，每个样品位置包含未知的样品材料，已知的样品材料或无样品；
15.从光束源传播一束探头电磁辐射，使光束中的光线沿着多个不同的光线路径定向；
16.使用光学元件引导每条光线，使得每条光线路径在多个不同的相交位置与样品相交多次；
17.在多个相交位置中的每一个位置，引起光线与样品材料相交以引起光线修饰；
18.在与样品位置相交后，将引导每个光线路径与一个检测表面相交，其中检测表面被划分为多个检测空间区域；
19.分别测量在每个探测空间区域接收到的光线，其中测量包含有关样品材料在每个相交位置沿光线路径相交的信息；以及
20.分析测量结果，以提供有关每个相交位置的样品材料至少一种特性的信息；
21.其中，进行分析以跟踪从探头光束源的位置到检测表面上的所述检测空间区域的探头辐射路径，以便识别相交位置，从而提供有关所述目标材料在每个相交位置存在的信息。
22.因此，该分析解决了在探测器表面点测量的振幅与识别的相交位置的振幅变化相关联的逆问题。
23.该逆问题可以通过将采样点振幅建模为探测器点振幅与待确定系数的线性组合来解决，其中第一组试验系数由光线追踪模拟生成并迭代变化以最小化光线追踪模拟与测量的探测器点振幅之间的差异。该解决方案使用探测器点幅度建模作为采样点幅度变化的线性组合。本文中的术语“光线”是几何光学领域中使用的数学抽象，用于描述具有公共坡印亭矢量的光子或光子包。为了简单起见，在描述本发明的关键概念时，使用几何光学术语来描述本发明。几何光学近似在大多数实际情况下是有效的，其中光学元件的尺寸远大于所使用的电磁辐射波长。几何光学描述不受限制，因为本文中指定的构想可以以直接的方式修改以使用物理光学描述来考虑衍射效应。
24.逆问题可以通过神经网络来解决，该神经网络经过训练以模型化样品区域和探测器输出之间的关系。
25.逆问题可以通过定义一组样品区域和一组探测器区域来解决，并将落在各自区域内的所有光线装箱在一起，从而产生一组线性方程，可以求解以提供逆变换。
26.优选至少一个样品位置具有不同于相应的一个检测位置的形状。
27.优选至少一个样品位置由至少一条曲线线条定义。
28.优选至少一个样品位置由用户选择来定义。
29.在一个实施例中，光线追踪用于产生穿过每个样品位置的不同序列的光线。
30.在一个实施例中，可以根据样品位置的特性动态调整样品位置处的光线通量或交叉次数。
31.在一个实施例中，至少一条光线穿过伪随机序列的样品位置。
32.在一个实施例中，多个光束穿过不同序列的样品位置，使得在任何两个序列中至少有一个不同的位置。
33.在一个实施例中，光学布局动态变化以提供不同序列的样品位置交叉。
34.在一个实施例中，动态光学布局提供空间编码器。
35.在一个实施例中，至少一个光束源还包括空间调制器。
36.优选光线由光学元件引导，以便以多个不同的入射角与至少一个样品位置相交。
37.在一个实施方案中，至少一个样品位置是不连续的或包括多个不同的斑点。
38.在一个实施例中，光学元件被动态对齐，使得从光学元件表面反射的探测器上的激光束的位置对应于阈值内的所需位置。
39.在一个实施方案中，光线穿过样品位置的次数是变化的，以提供可变的扩增。
40.在一个实施例中，光学元件具有多个不同的配置，其中光学元件的每个配置具有相应的一组光线路径。
41.在一个实施例中，光线追踪由光线追踪模型执行，其中探头光束被建模为一组光线，这些光线在统计上反映探头辐射束的特性，并且每条光线在辐射源输出端口上都有一个原点位置，并且每条光线通过光学系统传播到与探测器表面的交点以及存储与样品材料或光学元件的每个交叉点。
42.在一个实施例中，光线追踪是通过麦克斯韦方程组对能量流动进行建模来进行的，并且每个光线在某个位置的方向对应于该位置的坡印亭矢量的方向。
43.在一个实施例中，样品材料被定位在反射平面表面上，并且多个反射表面被布置在样品材料的平面上方，以反射至少一束入射到其上的探头辐射，并与样品材料相交多次。
44.在一个实施例中，样品材料被定位在透明基板上并且多个反射表面布置在样品材料的平面上方和下方，反射至少一束入射到其上的探头辐射并与样品材料相交多次。
45.在一个实施例中，至少一部分非准直光束的探头辐射以相同的平均入射角多次入射在同一样品地区上，并且多次与至少一个样品区域相交，并且探头光束中的振幅的空间分布在所述相交之后分析，以提供关于与样品材料相交的空间分布信息。
46.在一个实施方案中，包括在至少一个探头辐射路径中的该组样品地区至少部分地基于所测量的样品参数而改变。
47.因此，提供了一种多路复用电磁辐射与光学薄异质样品材料相交的光学设置和方法。一束探头电磁辐射，由辐射源发射，光束内的光线由光学元件沿着多个不同的光线路径引导，其中每个光线路径包括m个样品位置，其中m是大于或等于2的整数。光学元件可以在样品位置的参考系中具有多个不同的配置。也就是说，光学元件的每个配置都有一组相应的光线路径。光线路径选择为使与样品位置相交并终止于测量位置的该组光线路径在样品位置和测量振幅之间形成一组可逆的关系。不同的光线可能具有不同的m值和不同的波长，相位，偏振和振幅。样品位置可能包含未知样品材料、已知样品材料或无样品。光线路径可以由光学元件布置成多次入射到同一样品位置。在每个样品位置，光线与材料相交，并且光线的至少一种特性(波长、振幅、偏振或相位)发生变化。在与m个样品位置相交后，光线路径与检测表面相交。检测表面被划分为多个空间区域，并且用测量装置测量与每个空间区域相交的光线通量的一个或多个属性(波长、振幅、偏振或相位)。测量包含有关样品材料沿与每个测量区域相交的光线路径的相交的信息。对测量结果进行分析，以提供有关每个样品位置的至少一种样品材料特性的信息。
48.根据本发明的一个重要特征，提供了一种辐射源。辐射源在一个或多个输出端口上提供具有定义属性的探头电磁辐射的输出光束。输出光束属性包括波长的光谱分布，以及与每个波长相关的相位、偏振、振幅和方向的空间分布。电磁辐射的每个输出光束的特性可能会随时间而变化。辐射源包括产生具有上述定义属性的输出光束所需的所有光学元
件。例如，辐射源可以包括干涉仪，其调制每个输出波长的相位。例如，辐射源可以包括光学元件，其在空间或时间上分离不同的波长。例如，辐射源可以包括空间调制器，其改变输出光束中振幅的空间分布。例如，辐射源可以是激光和光束整形光学元件。辐射源例如可以是与光束整形光学元件一起的发光器件。例如，辐射源可以是黑体发射器和光束整形光学元件。辐射源可能包括限制光束中波长范围的滤光片。
49.本发明可以理解为通过光学元件对一束探头辐射进行一系列几何变换，其中几何变换引导探头辐射与样品材料相交多次。几何变换是旋转、平移、反转、反射、缩放及其任意组合。几何变换在数学上反转，以提供有关样品相交的信息。例如，探头辐射的输出光束可以是强度均匀的多色光束。输出光束在检测表面上的投影具有均匀的强度，类似于一张白纸。探头辐射束投射到样品材料上，并与样品材料相交以产生样品多次相交的图像。探头光束在样品材料上的每次投射都会产生不同的图像。探测器表面的探头光束图像经过多次与样品相交后是所有样品相交的叠加。例如，如果样品相交是吸收，则每个样品点的吸光度记录在变换后的探头光束中的相应点。
50.在样品材料位置的振幅与探测器表面位置的振幅之间的关系可以通过光线追踪模型来确定。光线选择为使得每条光线(或光线组)通过不同组的样品位置，从而携带有关唯一一组样品位置的信息。优选每条光线(或组或多条光线)的样品位置序列是样品位置的伪随机序列，如下文更详细地描述。具体而言，探头光束被建模为一组光线，这些光线在统计上反映了探头辐射束的特性。每条光线在辐射源输出端口上都有一个原点位置、方向、波长、偏振和相位。偏振矢量携带振幅信息。每条光线都通过光学系统传播到与探测器表面的交点。存储与样品材料或光学元件的每个交点。辐射的传播可以根据理想光学元件的特性进行建模。最好测量用于模拟光学元件的属性，以考虑光学材料中杂质和几何缺陷(划痕、与理想表面的变化等)的影响。有四种方法可以解决逆问题：即将探测器表面多点处测量的振幅与样品表面点处的振幅相关联。
51.第一种方法是将采样点振幅建模为探测器点振幅与待确定系数的线性组合。生成第一个试验系数集并迭代变化，以最小化光线追踪模拟与测量的探测器点振幅之间的差异。
52.其次，可以训练神经网络来模型化样品区域和探测器输出之间的关系。
53.第三种方法是定义一组采样区域和一组探测器区域，并将落在各自区域内的所有光线装箱在一起。这导致了一组线性方程，其可以求解以提供逆变换。
54.第四种方法是使用第二种或第三种方法生成近似解，然后细化由第一种方法生成的解。
55.根据本发明的一个重要特征，提供了多个可操作的重定向元件来改变探头辐射的方向。重定向元件可以选择更改探头辐射的空间属性。重定向元件可操作，以将入射在第一样品位置上的探头辐射定向到第二样品位置，其中第一和第二样品位置是路径上一系列样品位置中的连续样品位置。多个重定向元件可以排列为阵列，其中阵列中的每个连续重定向元件将辐射引导到样品位置序列中的下一个样品位置。重定向元件例如可以是单个反射表面。例如，重定向元件可以是一对反射表面。反射表面可以是内部反射表面或外部反射表面。反射表面可以是平面的，也可以是弯曲的。重定向元件可以动态配置，以便对于第一路径，将从第一样品位置接收到的辐射定向到第二样品位置，并对于第二路径，将从第一样品
位置接收到的辐射定向到第三样品位置。例如，对于第一路径，重定向元件可以将辐射从样品位置n定向到样品位置n 1，对于第二路径，可以将辐射从样品位置n定向到样品位置n 3。重定向元件可以重新配置，例如通过将镜像从第一位置平移或旋转到第二位置。重定向元件可以例如通过以电子方式将表面的光学性质从反射状态更改为发射状态来重新配置。例如，可以通过以电子方式改变材料沿路径的折射率来重新配置重定向元件，以引起折射的变化。例如，可以通过改变衍射元件的间距来重新配置重定向元件。
56.根据本发明的一个重要特征，提供了一组样品位置。每个样品位置都包括一个装置，用于至少在测量期间定位样品材料。样品位置可能包括外部反射探头辐射的表面。表面可以是平面的或弯曲的。优选反射率大于90％。更优选反射率大于99％。例如，反射表面可以是红外探头辐射的反射率大于99％的金镜。样品位置可能包括在内部反射探头辐射的表面。优选内反射是全内反射，并且来自探头辐射的瞬态波与保留在内部反射表面附近的样品材料相交。内部反射表面可以是例如由si，ge，znse，金刚石，krs-5或其他材料组成的晶体的内表面，从中可以制造atr器件。样品位置可能包括对探头辐射透明的表面。探头辐射可以通过样品材料和透明表面传输。透明表面可以是例如kbr、nacl、caf2、baf2、agcl、csi、si、ge、znse或其它光学窗口材料。透明表面例如可以是聚合物薄膜或玻璃薄板。透明表面可以是例如气体流。
57.根据本发明的一个重要特征，提供了一种控制装置，可用于接收每个路径的振幅测量值并分析该测量值以提供关于至少在一个样品位置的样品材料特性的信息。该特性例如可以是吸光度。例如，该特性可能是散射。例如，该特性可能是散发。样品材料的特性可以使用测量的振幅、理论上计算的振幅(从已知特性)或其任意组合来计算。
58.根据本发明的重要任选特征，其可与上述或以下任何特征独立使用，提供一种平移装置，以在样品位置阵列和至少一个重定向元件之间产生相对运动。例如，一列重定向元件可以相对于一列样品位置被移动到离散位置，其中每个离散位置选择不同的路径。平移装置可以包括位置测量装置。平移装置还可以与控制装置链接并由控制装置控制。
59.根据本发明的重要任选特征，其可与上述或以下任何特征独立使用，控制装置还可以通过配置一个或多个光学元件以选择至少两个不同的路径，其中每个路径包括一列不同的样品位置。例如，控制装置可能产生逻辑信号，使电机将镜子从选择第一路径的第一角度旋转到选择第二路径的第二角度。
60.根据本发明的重要任选特征，其可与上述或以下任何特征独立使用，提供了一种光学对准装置，其可以测量沿路径的表面的至少一个配置参数。光学对准装置可以包括辐射源、测量装置和与控制装置集成的逻辑。例如，光学对准装置可以通过将激光束引导到所述表面上并测量反射光束在参考平面上的位置来确定镜面的法线。将测量的法线与所选路径所需的法线进行比较，并且可以调整镜子配置，直到测量的配置和所需配置之间的差异小于阈值。
61.在可与任何前一或后实施方案结合使用的重要实施方案中，将样品材料定位在反射平面表面上，并且多个反射表面布置在样品材料的平面上方，以反射入射到其上的至少一束探头辐射，并与样品材料相交多次。例如反射平面可以是金属第一表面镜。反射金属表面可以是例如银、铝、金、铜、镍或铂。
62.在可与任何先前或后续实施方案结合使用的重要实施方案中，将样品材料定位在
透明基板上并且多个反射表面布置在样品材料的平面上方和下方，反射入射到其上的至少一束探头辐射并与样品材料相交多次。透明基板可以是例如玻璃、晶体、聚合物薄膜或气流。
63.在可与任何前一或后实施方案结合使用的重要实施方案中，将样品材料定位在内部反射元件的样品刻面上，并且内部反射元件的刻面被布置成将至少一束探头辐射入射到样品刻面上，并且多次与靠近样品刻面的样品材料相交。例如，探头辐射束可以是波长在2.5微米至25微米之间的中红外辐射。例如，内部反射元件可以由高折射率材料组成，例如si，ge，znse和atmir5 csi或agcl。可以使用其他材料。
64.在可与任何前一或后一个实施例结合使用的重要实施方案中，至少一部分非准直光束的探头辐射以相同的平均入射角多次入射在同一样品地区上，与至少一个样品区域相交多次，并且分析所述相交后探头光束中振幅的空间分布，以提供关于与样品材料相交的空间分布的信息。
65.在可与任何前一或后各实施例结合使用的重要实施方案中，探头辐射的至少一部分准直光束以不同的入射角多次入射在同一样品地区，并且在分析所述相交后探头光束中振幅的空间分布，以提供关于与样品材料相交的空间分布的信息。
66.在可与任何前一或后一实施例结合使用的重要实施方案中，至少一部分非准直光束的探头辐射以不同的入射角入射在同一样品地区多次，并且在分析所述相交后探头光束中振幅的空间分布，以提供关于与样品材料相交的空间分布的信息。
67.在可与任何前一或后一个实施例结合使用的重要实施例中，探头辐射的一列m个光束沿着不同的路径入射到从一组n个样品地区中选择的不同子组的样品地区上，并分析每个相交的探头辐射束中的空间分布幅度，以提供有关每个样品区域中与样品材料相交的空间分布的信息，其中，序列中的每个路径入射到小于n个样品地区的不同子组上，并且其中序列中至少一条路径入射在每个样品地区上，并且其中m等于或大于n。优选在每条路径中包含的一组样品地区基于伪随机序列的循环排列。在一些实施方案中，路径序列中的至少一条路径是多次入射到同一样品地区。
68.在可以与任何前一或后一实施例结合使用的重要实施例中，多个探头辐射束同时入射到一组n个样品地区上，其中每个探头辐射束入射到小于n个样品地区的不同子组上，并且每个样品地区包括在至少一个探头辐射束的路径中。在一些实施方案中，至少一个探头辐射束从不同方向或不同入射角入射到同一样品地区。光学配置至少改变n次，导致每个探头辐射束与至少n个不同序列的样品地区相交。在与样品材料相交后，对多个同时探头辐射束中的每个探头辐射束进行对应于至少n个不同光学配置的一序列至少n个空间振幅测量，并分析空间振幅以提供有关样品相交的空间分布的信息。
69.在可与任何前一或后一实施例结合使用的重要实施方案中，包括在至少一个探头辐射路径中的该组样品地区至少部分地基于所测样品参数而改变。例如，使用第一组探头辐射路径近似与样品材料相交的空间分布，并选择第二组探头辐射路径以提高第一组近似的信噪比。例如，可以选择第二组探头辐射路径以增加强吸收样品区域的总辐射通量，从而改进光子计数统计。例如，可以选择第二组探头辐射路径以降低弱吸收样品区域的总辐射通量，从而减小检测装置所需的动态范围，从而允许对微弱信号进行更大的放大。
70.在可与任何前一或后继实施例结合使用的重要实施例中，沿至少一条光线路径定
向的探头辐射振幅至少部分地基于测量的样品参数而改变。例如，沿第一光线路径的样品相交后测量的振幅可能与沿一组第二光线路径的样品相交后测量的振幅有很大不同。控制装置可以产生信号，导致以低探测器放大和大动态范围对光线路径幅度进行第一组测量。然后，控制装置选择与平均光线路径振幅相差超过阈值的测量光线路径振幅，并生成信号，使探头辐射源改变沿所选光线路径定向的探头辐射的初始振幅，从而使沿所选路径测量的探头辐射振幅更接近平均值。沿选定路径测量的振幅可以在随后的数值计算中缩放，以考虑初始振幅的变化。探头辐射振幅的这种再平衡允许调整探测器装置的放大，以将探测器的动态范围映射到测量振幅的较小范围内，从而允许测量不同光线路径之间的较小振幅差异。例如，探头辐射源可以包括一个集成的空间调制器，该调制器在时间上沿选定的光线路径定向或不定向辐射。探头辐射沿光线路径定向的时间分数决定了沿该光线路径的探头辐射的平均初始振幅。在另一示例中，响应于一个电信号，空间调制器可以调制在某一位置发射的探头辐射的分数。
71.在可与任何先前或后续实施方案结合使用的重要实施方案中，探头辐射束在与样品区域的相交之间至少聚焦一次。
72.在可与任何前一或后继实施例结合使用的重要实施方案中，探头辐射的路径从探头光束源的位置追踪到检测表面上的位置，并且被追踪路径中的每个样品位置都与检测表面处的探头辐射的幅度有关。即检测表面上位置处的振幅与探头辐射路径中包含的样品区域的相交总和有关。对从探头辐射源到检测表面的所有路径的代表性样品重复该过程。在一些实施方案中，与样品材料的相交沿每个探头辐射路径与试验参数进行建模，并且试验参数迭代变化，以最小化检测表面测量和计算振幅之间的差异。在一些实施例中，样品地区被划分为多个样品区域，检测表面被划分为多个检测区域，并且样品区域通过一组线性方程与检测区域相关，这组线性方程被求解以提供与样品材料相交的空间分布相关的信息。例如，检测区域可以表示为多行矩阵，样品区域可以表示为多列矩阵。将每个探头辐射路径的振幅(在探头光束源处)添加到与样品区域对应的每列中，其中样品区域通过对应于检测区域的行中与探头辐射路径相交。所得矩阵方程可以通过上述引用的mpis专利中所述的求逆或上述引用的hems专利中所述的最小二乘法求解。在一些实施方案中，样品区域通过训练具有校准数据的神经网络与检测表面区域相关：即在已知样品区域处的一组已知样品相交。
73.在可与任何前一或后实施方案组合使用的重要实施方案中，样品材料是生物材料，其中生物材料可以是真核细胞、原核细胞、病毒颗粒、细菌、组织、生物聚合物溶液或其任意组合。
74.在可与任何前一或后一实施例结合使用的重要实施方案中，样品材料是气体。
75.本发明的方法和系统的实现涉及手动、自动或它们的组合来执行或完成选定的任务或步骤。而且，根据本发明方法和系统的优选实施例的实际仪器和设备，几个选定的步骤可以通过硬件或软件在任何固件的任何操作系统上或其组合来实现。例如，作为硬件，本发明的选定步骤可以实现为芯片或电路。作为软件，本发明的选定步骤可以实现为由计算机使用任何合适的操作系统执行的多个软件指令。无论如何，本发明的方法和系统的选定步骤可以被描述为由数据处理器执行，例如用于执行多个指令的计算平台。
附图说明
76.图1a显示了上述引用的mpis专利的现有技术采样几何形状。
77.图1b显示了图1a探头光束在辐射源处的横截面积。
78.图1c显示了图1a样品地区的横截面图。
79.图1d显示了图1a的布置示意图。
80.图1e显示了图1a探头光束在探测器处的横截面积。
81.图2a示出了根据本发明的样品几何形状。
82.图2b显示了图2a探头光束在辐射源处的横截面积。
83.图2c显示了图2a样品地区的横截面图。
84.图2d是图2a在单个探头光束下的布置示意图。
85.图2e显示了图2a的探头光束在探测器处的横截面积。
86.图3示出了根据本发明的布置的样品地区中的样品区域的示意图。
87.图4示出了本发明的布置示意图。
88.图5a示出了本发明的多路复用布置的示意图。
89.图5b示出了图5a中布置的横截面图。
90.图6a示出了穿过样品地区的多次通过的光束路径的第一横截面图。
91.图6b示出了通过样品地区的多次通过的光束路径的第二横截面图。
92.图6c显示了通过样品地区的多次通过的光束路径的第三横截面图。
93.图7示出了根据本发明的用于测量一系列样品地区的光谱的布置的俯视图。
具体实施方式
94.本公开的实施例参照附图进行详细描述。可以省略本领域已知的结构或方法的详细描述，以避免模糊本公开的主题。此外，在对本公开的以下描述中，提供了在以下描述中发现的各种具体定义，以给出对本公开的一般理解，并且对于本领域技术人员来说显而易见的是，本公开可以在没有这些定义的情况下实现。
95.图1a示出了上述引用的mpis专利的样品几何形状，通常标示在10处。样品区域11位于单位球体12的中心。探头辐射16的准直光束穿过恒纬度线13a，并以14处指示的恒定入射角θ入射到样品区域11上。探头光束16在xy平面上的投影与x轴成σ角，如15所示。探头光束16由平行(或近平行)光线束21组成，分布在光束的横截面积16a上，如图1b所示。选择光线束21以对应于探测器区域。如图1c所示，样品区域11与光线束21相交，并包含具有吸收材料22的区域。探头辐射可以在样品区域11反射或透射。如图所示，探头辐射束16被反射为探头辐射束17。在16a处指示的探头光束16的横截面积和在17a处指示的探头光束17的横截面积相等或几乎相等。在单位球面12、16a和17a上对着相等或几乎相等的立体角。在第一路径中，探头光束17被反射光学元件(未示出)重定向到如18所示，以沿样品区域11的方向形成探头光束19。由于入射角是恒定的，探头光束19位于恒纬度线上13a上。如图所示，探头光束19通过样品区域11传输，并且在20处指示的传输光束入射在恒定纬度线13b上。恒纬度线13a和13b分别沿z轴位移cos(θ)和
–
cos(θ)。在20a处显示的探头光束20的横截面积等于或几乎等于在16a处显示的探头光束16的横截面积。在第二路径中，探头光束17被重定向到第二样品区域11b，其通过恒定的平移矢量与样品区域11相关。第二个和每个连续的样品区域
具有与样品区域11讨论的相同类型的单位球体12。
96.如图1d最佳地所示，光束路径可以沿坐标t进行参数化。辐射源24产生首次入射到样品区域11上的准直光束16。由样品区域11反射或透射的光束上的几何变换如25所示。在反射的情况下，变换可以包括如图1a所示的光束段17和18。几何变换由光学元件执行，例如可以是一个或多个镜子或一个或多个晶体面上的全内反射。应该注意的是，几何变换是相对于固定的参考系(例如样品区域)进行的。在探头光束的参考系中，任何两条光线之间的位移是不变的。因此，对样品区域11应用一系列几何变换会产生相同的结果。几何变换25后探头光束19第二次入射到样品区域11上。从样品区域接收一系列相交光束，对探头光束执行几何变换并将探头光束引导到样品区域的过程重复多次。第n个几何变换显示在26处，它将探头光束27引导到样品区域11上。相交的光束在28处被光学元件转换，并入射到探测器29上。
97.如图1e所示，探测器29处的探头光束是样品位置11处吸收的空间模式(如图1c所示)与一系列几何变换的叠加。在探测器29处指示的模式23仅显示旋转操作的效果。一般而言，探测器29处的图案包括旋转、镜面反射、反转和平移的影响。在上面引用的mpis专利中，每个探测器区域通过几何变换映射到一组样品子区域，并求解矩阵方程以“展开”几何变换，从而得到样品平面图像，如图1c所示。总吸收乘以样品通过n的次数，从而提高弱吸收样品材料的信噪比。在反射率的情况下，探头光束必须与恒定纬度线13a或恒定纬度线13b相交，但不能同时相交，对于样品区域11的每个样品至少两次。因此，最大样品通过次数为π弧度除以立体角光束宽度。在透射率的情况下，对于样品区域11的每个样品通过，探头光束必须与恒定纬度线13a相交一次，与恒定纬度线13b相交一次。因此，最大样品通过次数为2*π弧度除以立体角光束宽度。
98.图2a示出了本发明的样品几何形状，通常标示在30处。样品区域11位于单位球体12的中心。探头辐射可以从单位球面12上的任何位置入射到样品区域11上：也就是说，光束32在32t和32p下分别显示的球面坐标角θ和没有限制。在上面引用的mpis专利(图1a)中，θ是固定的，可以是任何角度。为了进行比较，图1a的固定纬度在图2a中显示为13a和13b。16、17、18、19和20处指示的准直光束(图1a)在本发明的保护范围内，但为了避免复杂性，图2a中不重复。
99.如图2a所示，探头辐射束31和35分别以不同的入射角31t和35t入射到样品区域11上。探头辐射束31和35在单元球面12上对着立体角31a和35a。在一些适用于一般测量扫描的实施例中，立体角31a和35a是相等的。在一些适于增强来自样品区域11的选定子区域的信号的实施例中，立体角31a和35a可以不同。如在31b处所示，探头辐射束可以是会聚的：即探头光束31在31b处的横截面积小于其在31a处的横截面积。
100.探头光束31与样品区域11中的材料相交，并作为探头光束32传输，其在单元球面12上对着立体角32a。立体角31a和32a仅在准直光束或会聚到单位球心点的会聚光束的特殊情况下相等。这些特殊情况对应于放大倍数1。通常，立体角31a和32a可能不同。本发明的这一重要特征允许样品区域的放大倍数变化。光学元件33，例如可以是凹面镜、透镜或晶体刻面，将探头光束32重定向并重新聚焦到第二样品区域11c，作为探头光束34。在一些实施方案中，样品区域11c通过非恒定平移向量与样品区域11相关：即样品区域之间的位移可以变化。样品区域之间的间隔可以是伪随机的，其方式类似于上面引用的hems专利中讨论的
调制区域。也就是说，探头光束通过与样品区域的伪随机序列相交进行调制。在其他实施方案中，样品区域之间的间隔是恒定的。
101.在另一种布置中，探头光束32由光学元件33引导至光学元件45，作为探头光束37，光学元件45将探头光束37重新定向到样品区域11，作为探头光束39。因此，探头光束段31、32、37和39形成单个探头光束，其与样品区域11相交两次。该模式可以重复多次以得到n次样品通路。对于每个样品通路，探头光束都面对一个入口立体角和一个出口立体角。对于传输情况，入口和出口立体角之和小于或等于单位球体4π球面度的立体角。这与上面引用的mpis案例形成鲜明对比，其中入口和出口立体角的总和是恒定纬度下窄环立体角的两倍。由于可以使用更大的立体角，因此可以进行更多的样品通路。对于反射情况，入口和出口立体角的总和小于或等于半球2π球面度的立体角。这与上面引用的mpis案例形成鲜明对比，其中入口和出口立体角的总和与恒定纬度下窄环的立体角形成对比。由于可以使用更大的立体角，因此可以进行更多的样品通路。
102.图2b示出了探头光束35在单位球面35a处的横截面图。探头光束由原点42通过位移44a从光束中心43位移的光线组成。每条光线都遵循探头光束横截面中每个点的坡印亭矢量。在样品尺寸大于探头辐射波长的实施例中，可以通过几何光学方法对光线进行建模。在一些具体实施方式中，可以使用包括衍射效应的物理光学方法对光线进行建模。在样品尺寸相似或小于探头辐射波长的实施例中，可以通过求解麦克斯韦方程组来对光线进行建模。例如，这可以通过在适当精细的网格上的线性方程组来完成。
103.图2c显示了探头光束35与样品地区11相交处的横截面图。由于光线会聚，横截面积较小。如图所示，光线42通过位移44b从光束中心43位移，其位移小于位移44a。样品材料22吸收一部分入射能量通量。在几何模型中，与样品材料22相交的光线遭受固定的吸光度。在更严格的物理模型中，靠近样品材料22的光线存在吸收(吸收横截面)的概率，该概率随偏振和与每个吸收分子中心的距离而变化。
104.图2d示出了本发明的单通道布置的示意图。辐射源24产生可能收敛的探头辐射束，如第一次入射到样品地区11上的35所示。在38处共同指示的光学元件将透射探头光束32重新定向到段37中，并且段37重新聚焦以形成探头光束39。探头光束39第二次入射到样品地区11上。在与样品地区相交后接收探头光束，重新定向光束，以及任选地例如使用聚焦镜重新塑造光束的过程，被执行多次，直到最终探头光束41被引导入射到样品地区以第n次相交。相交辐射由光学元件28收集并定向到探测器29上。
105.图2e示出了与样品区域多次相交后探测器29上的辐射图示意图。如图2c所示，探测器29相对于样品地区11缩放，以说明通过会聚探头光束使本发明的这种布置成为可能的放大特征。分析辐射图43以提供关于样品地区11中吸收材料分布的信息。通过一系列几何变换，探测器表面每个点的辐射幅度与样品地区中相交材料的分布有关，除了少数特殊情况外，这些几何变换都是不可交换的。
106.探测器表面细分为一组探测器区域。例如，探测器区域可以对应固定像素。例如，探测器区域可以对应于探测器表面的一部分，该探测器表面与其他探测器区域分开测量。探测器设备可以是例如上述hems专利中的布置。
107.图3示意性地绘示了样品区，光束区域和样品区域之间的关系。两个样品地区通常表示为50。通常，可以有两个以上的样品地区，如图4所示。辐射源24产生带有边缘光线45和
46以及样品光线70的辐射束47。样品光线70与样品地区11在样品区域54相交于点61，其中光线70与位于(几何光学)或靠近(物理光学)点61的样品材料相交。光线70被反射或传输，作为光线71，其由光学元件59重定向为在入射点62的光线72，在入射点62可能发生与样品材料的进一步相交。光线72被反射或传输，作为光线73，由光学元件59重定向为在入射点63的光线74，在入射点63可能发生与样品材料的进一步相交。光线74被反射或传输，作为光线75，由光学元件59重定向为在入射点64的光线76，在入射点64可能发生与样品材料的进一步相交。光线76被反射或传输，作为光线77，由光学元件59重定向为在入射点65的光线78，在入射点65可能发生与样品材料的进一步相交。光线78被反射或传输，作为光线79，由光学元件59重定向为在入射点66的光线80，在入射点66可能发生与样品材料的进一步相交。光线80被反射或透射，作为光线81，由光学元件59重定向为入射到探测器29上的光线82。因此，光线段70r由光线段70、71、72、73、74、75、76、77、78、79、80、81和82组成。符号t代表本公开范围共同的光线70r的所有段。光线70r在点61、62、63、64、65和66处与样品材料相交，因此总相交平均是单个点相交的六倍。对于吸收，在本例中，吸光度被放大六倍因子。在一些实施方案中，扩增因子大于6。在上面引用的mpis专利中，样品区域由探测器区域隐含定义。在本发明中，样品交互点可以分配给任何用户选择的样品区域。通过探测器区域选择样品区域是本发明的一个特例。
108.如11和11c所示，光束47将与多个样品地区相交并相交。光束47在样品地区11c上的示例投影称为光束区域在48和49处表示。通常，一个样品地区可以有两个以上的光束投影。光束投影包括公共区域51，其中样品材料可能与光束47相交两次。一般而言，光束47可以与样品材料相交两次以上。在mpis专利(图1)中，有一个光束投射到几乎所有的样品地区。在本发明中，可以有多个光束单独投射到一部分样品地区，但集体地投射到基本上所有样品地区。通常，对于光束与样品地区的每个交点，光束与样品地区内的单独光束地区相交。在每个交点处，光束地区可以包括全部或部分样品地区。
109.每个样品地区都细分为一组用户定义的样品区域。例如，样品区域可以具有由光学系统的空间分辨率定义的大小。在一些实施例中，样品地区细分为规则晶格上的样品区域。这在图3中示出，其中样品区域52对应于光学系统的空间分辨率并且布置在规则网格53上。如54所示，样品区域可以大于空间分辨率。允许任何小于样品地区的样品区域。例如，第一样品区域可以占据99％的样品地区，第二样品区域可以占据1％的样品地区。本例中的第一个样品区域可以是基板材料，第二个样品区域可以是样品材料。样品区域54被布置在样品地区11内的规则网格55a上，该网格在逻辑上延伸到样品地区11c内的规则网格55b。即跨越样品地区的一组样品区域。在其他实施例中，样品区域可以不规则形状的，如不规则形状的样品区域56所示。不规则形状的样品区域可以通过样品材料22的形状定义，如57所示。样品区域可以是不连续的，由两个或多个非连接区域组成，如58a和58b所示。例如，在58a和58b处示出的不连续样品区域可以对应于由一类样品材料占据的区域，其空间边界遵循样品材料的轮廓。样品材料例如可以是隔间或一组相同的非连接隔间。用户定义的样品区域具有三个优点。首先，用户定义的样品区域可能与比规则网格定义的区域更大的辐射通量相交，并且较大的辐射通量导致信噪比的改善。其次，可以选择用户定义的样品区域边界以最小化光谱干扰，从而提高测量的特异性。第三，用户选择的样品区域的数量可能小于规则网格中的样品区域的数量。这降低了逆问题的复杂性(将探测器振幅与样品区域相交相关
联，如下文公式1所述)以及求解逆问题所需的计算资源。
110.在探测器29的每个探测器区域测量的振幅是每个采样点的材料特性的函数，该采样点与从辐射源传播到该探测器区域的光线相交。理论上，
111.ai()＝ak()∫∫f(uj,vj,)gk(uj,vj,)du
j dvj(1)
112.其中ai()是波长的第i个探测器区域的振幅，ak()是每个波长在辐射源处的每条光线的振幅，uj和vj是第j个样品区域的空间坐标。f(uj,vj,)表示样品吸光度作为空间和波长的函数，gk(uj,vj,)是与每个波长的每条光线相关的辐射幅度的空间分布。gk(uj,vj,)可以直接在校准步骤中测量，例如通过测量具有已知(最好是空间不变特性)的样品材料的响应，例如镜子。gk(uj,vj,)也可以以不同程度的复杂程度进行建模，从几何光学光线追踪到物理光学，再到完整的麦克斯韦方程组模型。
113.本发明的最终目的是确定f(uj,vj,)。可以采取三种主要方法。首先，方程1可以近似为一个矩阵方程，f(uj,vj,)可以通过求解一个线性方程组来确定。其次，f(uj,vj,)可以用神经网络算法确定。第三，f(uj,vj,)可以通过一个迭代算法确定，其中样品材料的近似空间分布(以及相应的f(uj,vj,)被建模)计算该模型的结果ai()，并通过迭代调整f(uj,vj,)最小化模型和测量的ai( )值之间的平方差。如果起始近似接近最终解，则第二种方法效果最佳。起始近似可以例如由矩阵方程的解或神经网络算法提供。
114.如果gk(uj,vj,)在样品地区或至少一个样品地区上近似恒定，则公式1可以简化为矩阵方程
115.d＝ms(2)
116.其中s是样品子区域振幅的向量，d是探测器振幅的向量，m是描述每个样品子区域对每个探测器子区域接收的振幅的贡献的系数矩阵。例如，对于到达探测器子区域的每条光线，该光线的振幅将添加到表示光线通过的每个样品子区域的列中。矩阵方程可以通过求逆(s＝m-1
d)或最小二乘法求解。
117.图4示出了根据本发明的具有多个探头光束的布置示意图。在91处指示的列中有m个标记为b1到bm的辐射源，其中m是一个大于1且小于样品区域n的整数。每个辐射源都与控制90通信，如92所示。每个辐射源都与一组三维光线路径ti相关联，如93所示，其中索引i表示辐射源，粗体文本表示ti是一个矩阵，其中辐射束中的每个光线路径是一行，每列表示沿光线路径的坐标。与样品地区的交互次数以及由此每个矩阵ti中包含的坐标数量各不相同。如93所示，存在ni样品地区相交，其中i是辐射源的指数。一条光线路径可能会从不同方向多次穿过同一样品区域。每条路径包括一组不同的样品区域，编号从1到ni。每个样品区域都包含在至少一条光线路径中。不同的光线路径可以包括相同的样品区域，前提是第一路径中至少有一个样品区域未包含在第二路径中。每个路径可能包含不同数量的样品区域。在特殊情况下，每个路径中包含的样品区域的总和等于样品区域的数量，该排列类似于上述引用的hems专利中的排列，不同之处在于每个样品区域的振幅通过与样品材料的相交而改变而不是守恒。在更一般的情况下，所有光线路径中包含的样品区域之和大于样品区域n的数量。
118.虽然原则上光束中的光线路径数量接近光子的数量，但在实践中，可以使用较少数量的光线路径进行数值模拟。例如，数值模拟的光线路径数可能在10，000到1,000,000的范围内。控制90可用于在光束源上改变每个光束的形状，振幅和光谱内容。例如，输出光束
可以成形为补偿样品地区的入射角。在这种情况下，圆柱透镜或镜子可以将光束成形为椭圆横截面，使得样品地区上的投影是圆形的。例如，波束振幅可以进行时间调制。时间调制例如可以用干涉仪执行，其中相位调制用于编码波长。时间调制可以包括波长的时间序列。在这些情况下，时间调制均匀地应用于光束横截面。其中，探头光束可以进行空间调制，其通过集成到探头光束源的空间调制器或紧接在探头光束源之后的空间调制器进行空间调制。在一些实施方案中，用聚焦光学器件将空间图案放大小于1倍，以在样品位置产生缩放的空间调制探头光束。例如，此功能可用于选择性地照亮样品区域以进行校准。
119.如图95所示，辐射源bi将由一组光线ti表示的辐射引导到第一组样品区域si1上。辐射与样品区域si1相交，并由光学元件ei1收集，如96所示，图2d中也表示为38。光学元件ei1直接辐射入射到第二组样品区域si2上，如97所示。入射到样品区域和光学元件上的辐射序列总共重复ni次。用于路径1、2和m的样品相交n1、n2和nm的数量可能不同。在一些实施方案中，沿每条路径的样品区域根据伪随机序列进行选择，如图7最佳地显示。在图7中，示出了伪随机序列{1，1，0，1，0，0，1}，其中位于“1”序数位置的样品区域包含在第一光线路径中，位于“0”序数位置的样品区域包含在第二光线路径中。在此示例中，n1＝4和n2＝3。如98所示，sij样品区域可任选地与控制样品区域90通信，其控制样品区域的外部声场和电磁场，如上述引用的mds专利中详细描述的那样。简而言之，控制90发送的信号导致外部场施加在样品区域，进而导致样品分子配置的周期性失真，从而引起光谱变化。在包括mds专利的排列与本公开的特征相结合的实施例中，mds专利的排列增加了可以测量的光谱特征的数量，并且本公开的特征增强了这些光谱特征的信噪比。该结合布置可用于例如测量诸如sars-cov2的病毒的多维光谱，其中本公开提高了测量的灵敏度，并且mds专利中描述的排列提高了病毒鉴定的特异性。
120.如99所示，控制90任选地与光学元件eij通信并且可用以改变所述光学元件的配置，其中索引i指定辐射源并且索引j指定一组样品区域，其中所述光学元件从该组样品区域接收辐射。在一些实施例中，光学元件具有恒定的配置。例如，光学元件可以是内部反射晶体的表面。在一些实施例中，光学元件具有通过控制90从多个配置中选择的配置。例如，镜子可以从第一位置移动到第二位置，其中第一位置将辐射引导到第一组样品区域，而第二位置将辐射引导到第二组样品位置。在一些实施例中，光学元件具有恒定的配置，并且相对于样品地区或一组样品地区从第一位置平移或旋转到第二位置。在第一个位置选择第一组样品区域，在第二个位置选择第二组样品区域。光学元件是镜子、透镜、光栅或其他的任意组合，它们的作用是改变辐射的特性，其中该特性是从方向、相位、偏振或振幅中选择的。
121.如89所示，有m个探测器编号从1到m，与控制90通信。在一些实施例中，探测器是具有多个换能器的物理阵列，其将辐射振幅转换为电信号。在一些实施例中，探测器是虚拟阵列，其中单个探测器被移动到多个位置。在一些实施例中，探测器是单个换能器。
122.图5a示出了通常指示在本发明110处的多路复用布置的示意图。该布置包括沿坐标框120给出的x方向沿行115等距分布的11个样品地区。样品地区在121、122、123、124、125、126、127、128、129、130和131处表示。如在图5b中最佳地显示，通常在140处指示，两层镜子围绕指示在样品线115的两侧的z轴136对称排列。图5a中114和116所示的第一层中的镜子有两种配置。在示出在114t处的第一配置中，镜子114通过致动器(未示出)与控制90通信，从光束134的路径中旋转出来，允许辐射束从样品线115到达镜子113，反之亦然。类似
地，镜子116可以通过与控制90通信的致动器(未示出)旋转到配置116t，允许辐射束135从样品线115到达镜子117，反之亦然。第一种配置在图5a中用虚线表示，如118所示。在图5b中在114r和116r指示的第二种配置中，镜子114和116旋转以反射朝向样品线115的入射辐射。镜子113、114r、116r和117相对于z轴的方向与z轴成相同的角度。
123.如图5a所示，第一入射辐射束111入射到样品地区121上并反射到116r型镜子并返回到下一个样品位置122。选择辐射束111的入射角使得来自沿线114或116的镜子的反射推进一个样品位置，来自沿线113或117的镜子的反射推进两个样品位置。该方案很容易延伸，通过线113和114之间或线116和117之间的反射，每个反射推进3个或更多个样品位置，如137所示。所需要的只是镜子114r和116r在两侧都是反射的。因此，通过该方案，辐射束111连续入射到样品地区121、122、124、126、127和130上。样品地区的模式是第一个代码序列11010110010。辐射束111由探测器132处测量。第二辐射束112入射到样品地区123、125、128、129和131上，并由探测器133处测量。用于第二光束112的样品区域的模式是代码序列00101001101。对于图5a中给出的示例，对于图4中给出的方案，n1＝6、n2＝5和n＝11。通过在发射和反射位置之间沿线114和116移动镜子，可以将设备配置为产生代码序列的循环排列。一个代码序列的循环排列和相关幅度测量很容易被识别为准哈达马尔情况，并且每个样品地区的吸光度是通过代码序列矩阵的求逆获得的。在测量光束111和112的情况下，每个样品地区的吸光度如上述引用的hems专利中完全详细描述的那样获得。具体来说，在给出的示例中，镜子有11个循环排列，两个探测器中的每一个都进行11次测量以产生长度为22的数据向量y。hems专利中描述的z矩阵有11列，1列用于每个样品位置，以及22行，11行用于伪随机序列的每个循环排列(光束111)，11行用于补码每个循环排列(光束112)。根据hems专利的公式3，吸光度b的载体由b＝(z
t
z)-1zt
y给出。上述方法适用于每个样品地区的样品均质的情况下。在不均质的情况下，将样品地区划分为q样品区域，光线从源到探测器进行追踪，如前所述，求解样品区域吸光度的公式1。
124.图6a、6b和6c显示了样品地区142上具有不同入射角的光束路径的横截面图。图6a、6b和6c所示的光束路径是穿过y-z平面的截面，如坐标系141处所示。入射辐射束具有方向矢量，其分量在x方向上垂直于图形。
125.在图6a中，反射表面表示为142、143a、143b、144、145a、145b和146。样品材料放置在样品地区142处。辐射沿着路径152和153或其部分按顺序在反射表面之间传播。沿x轴的路径数量是无限多的，因此仅给出一个说明性示例。请注意，对于给定示例中的每个连续步骤，x方向上的坐标都会增加。例如，辐射可以入射到样品地区142上并沿路径152反射到反射表面144。在反射表面144处，辐射被反射到反射表面143b，然后反射到反射表面144。从反射表面144反射辐射到样品地区142。在样品地区142处，辐射被反射到路径153上并入射到反射表面145a上。反射表面145a将辐射反射到样品地区142，在那里它被反射到反射表面143a。反射表面143a将辐射反射到样品地区142，其中辐射沿路径153反射到反射表面146。在反射表面146处，辐射被反射表面145b反射回反射表面146。辐射最终从反射表面146反射到样品地区142。
126.在图6b中，反射表面标示在142、147a、147b和148处。沿x轴的路径数量是无限多的，因此仅给出一个说明性示例。入射到样品地区142上的辐射在路径154上反射到反射表面148。辐射从反射表面148反射到反射表面147b，然后反射回反射表面148，从那里反射到
样品地区142。从样品地区142反射的辐射被反射到反射表面147a，并从反射表面147a反射回样品地区142。
127.在图6c中，反射表面表示为142、149a、149b、150、151a、151b和152。与图6a一样，沿x轴可能有无限数量的路径，示例路径的描述类似于图6a给出的示例。在图6a的描述中，将反射表面143a、143b、145a、145b、144和146分别替换为反射表面149a、149b、151a、151b、150和152。将路径152和153分别替换为路径155和156。
128.对于每个图，辐射束独立地沿x轴以不同的位移入射到样品区域142上，如图5a所示。图6a、6b和6c中的图案可以组合在一起，使得光束以不同的入射角多次入射在同一样品地区。例如，根据图6a中的图案，辐射束可以沿x轴入射到一系列样品地区上。在图6a序列的末尾，光学元件反射辐射束，根据图6b中的图案以相反的方向横向x轴，其中图6b中的图案以相反顺序入射在同一样品地区序列上。在图6b序列的末尾，光学元件反射辐射束，根据图6c中的图案以相反方向横向x轴，其中图6b中的图案入射在同一样品地区序列上。在此说明性示例中，在每个样品地区样品的相交增加了3倍。通过添加入射角与所示不同的反射元件对，可以轻松扩展本文中的概念。
129.图7示出了用于测量通常指示在160处的一系列样品地区的光谱的布置的俯视图。样品地区163的有序序列在可移动平台162上，该平台在图中从左向右移动，如在反射表面161上的164所示。在一些实施例(未示出)中，可移动平台162与反射表面161是一体的。垂直位移的反射表面放置在反射表面161的任一侧，如图5b或图6a、6b和6c所示。样品地区163包含样品材料163s。样品材料163s可以是例如含有细胞、细菌、病毒、生物体液、生物聚合物或其任意组合的生物样品。第一探头辐射束166从源165发射。第一探头光束166可任选地由调制器165m调制，其中调制器165m整合到源165。探头光束166在被探测器173接收和分析之前，由反射表面167、168、169、170、171和172依次反射。第二探头辐射束175从源174发射。第二探头波束175可任选地由调制器174m调制，其中调制器174m整合到源174。探头光束175在被探测器181接收和分析之前，由反射表面176、177、178、179和180依次反射。每次辐射束166穿过反射表面161时，则探头辐射束166要么与样品地区相交并被样品地区反射(如果所述样品地区覆盖反射表面161)，要么被反射表面161反射。每次辐射束175穿过反射表面161时，则探头辐射束175要么与样品地区相交并被样品地区反射(如果所述样品地区覆盖反射表面161)，要么被反射表面161反射。在这两种情况下，样品相交和表面反射的模式形成1(样品相交)和0(表面反射)的编码序列。反射表面167、168、169、170、171和172的布置使得通过一个样品地区的长度平移可移动平台162给出第一编码序列的循环排列。反射表面176、177、178、179和180被布置成使得通过一个样品地区的长度平移可移动平台162给出第二编码序列的循环排列。第二个编码序列是对第一个编码序列的补码。在所示示例中，代码序列的长度为7。可以使用其它优选较长的伪随机码序列。此排列中的最小代码序列长度为3。
130.图7的排列可以通过控制90重新配置以改变代码序列。对于光学元件172，每个反射表面可以如图详细所示重新定向。光学元件172具有两个反射表面172a和172b，并且由与控制装置90通信的致动器(未示出)绕轴172x旋转。反射表面172a和172b之间的夹角是固定的。校准光束源182在与控制90通信时产生入射在反射表面172b上的校准光束183。反射校准光束184由与控制装置90通信的位置敏感的探测器185进行测量。反射表面172b的角位移
通过控制90进行调整，直到校准光束184的角位移对应于代码配置所需的反射表面172a角位移。反射表面172a的角位移以恒定角度与测量的反射表面172b的角位移相关。如图所示，反射表面172a和172b是平行的，但该方法适用于任何已知的恒定角度。在一些具体实施方式中，反射表面可以是相同的表面。校准光束源182可以例如是激光器。反射表面172a的角度校准可以动态调整以补偿例如由振动引起的错位。或者，反射表面172a可以对齐以获得所需的配置，然后锁定到位。
131.为了测量每个样品地区的光谱，测量代码序列中可移动平台的每个位置的光谱。也就是说，光谱在两个探测器上测量，平台推进一个样品地区的长度。重复该过程，直到每个探测器的测量次数等于代码序列的长度。如此测量的光谱是每个样品地区的光谱的组合。每个样品地区的光谱是通过上面引用的hems专利中描述的方法获得的。相同的通用方法可以应用于经过修改的样品地区内的样品区域。通常，来自不同样品地区的一组样品区域沿光线路径或一组近似光线路径形成封闭组。修改是指分配给每个探测器区域的样品区域通过光线追踪进行选择。
132.虽然本发明的布置通过对来自不同样品位置的吸收求和来减小测量的光学振幅的动态范围，但某些光线路径可能仅包括低吸收样品区域。在这种情况下，使用空间调制器沿这种低吸收光线路径减小探头辐射幅度可能是有利的，以限制检测装置处幅度的动态范围。或者，沿与含有强吸收样品材料的样品区域的相交的光线路径增加探头辐射幅度可能是有利的。控制90可以通过向调制器165m和174m发送适当的控制信号来调整沿每个光线路径的探头辐射的初始振幅。
133.每个样品地区光谱的信噪比比率取决于测量的光路幅度的位分辨率，或者等效于可测量的最小幅度差。在操作中，图7的布置可以使用探测器放大因子首次测量样品地区的光谱，该因子包括所有可能的测量光路振幅。控制90分析第一组测量的光线路径振幅，并选择测量振幅与平均光路振幅相差超过阈值的光路。控制90产生信号并将其发送到调制器165m和174m，导致调制器165m和174m沿所选光线路径调整探头辐射的初始振幅，其中调整使得所选光线路径的测量振幅更接近于所有光线路径测量的平均振幅。控制90然后将探测器173和181的动态范围映射到(现在更小的)预期光线路径振幅范围上。控制90接下来导致进行第二组测量，产生第二组具有改进信噪比的样品区域光谱。