成份分析的制作方法

专利名称：成份分析的制作方法
总体而言，分析装置，例如光谱分析装置，用于研究一个待检查目标的成份。具体而言，采用一种分析方法的分析装置，例如一种基于靶物质与入射电磁辐射，诸如可见光、红外或紫外辐射相互作用的光谱分解方法。
本发明涉及一种分析装置，具体地说，涉及一种光谱分析装置，该装置包括-一个激发系统，用于发射一个激发光束，以在一个激发周期中激发一个靶区域，以及-一个监视系统，用于发射一个监视光束，以在一个监视周期中将一个靶区域成像从美国专利US6069690可以获知这样的一个分析装置。
已知的分析装置涉及一个双模式集成激光成像和光谱分析系统，用于观察和分析一个工件，例如一块半导体晶片上的缺陷。这种已知的分析装置拥有两种操作模式，即一种扫描成像模式和一种停止扫描光谱分析模式。在扫描成像模式期间，以一个激光束的形式发射监视光束，并对靶区域加以成像。在停止扫描模式中，将激光束从成像分离出来用于激发，并可进行光谱分析。
本发明的一个目的是提供一种分析装置，与已知的分析装置相比，该分析装置提供了对包括待检查目标中的一个靶的更可靠的分析。
这一目的是通过一个根据本发明的分析装置得以实现的，其中激发周期和监视周期基本上是重叠的。
在激发周期和监视周期的重叠期间，对靶区域的激发和对靶区域的监视同时和/或交替发生。因为随激发对靶区域加以成像，所以形成了一个既可显示靶区域也可显示激发区域的成像。根据这一成像，可以把激发光束十分精确地描准于靶区域。因此，激发光束几乎只在靶区域中生成散射辐射，或至少把靶区域包括在由激发光束所激发的区域中。探测来自靶区域的散射辐射，并根据散射辐射导出靶区域的成份。
具体地说，这一分析装置对来自靶区域的散射辐射进行光谱分析，以确定材料的成份。对于激发光束来说，可以使用各种类型的电磁辐射，特别是紫外辐射、可见光或红外辐射。由于激发，激发光束与激发区域中的物质的交互的不同的物理机制可能生成散射辐射。散射辐射包括弹性散射辐射，非弹性散射辐射或其它类型的发射，例如荧光或磷光现象或由多光子激发所产生的散射或由激发光束所产生的非线性散射。例如，因为单或多光子激发可能由激发所生成的喇曼散射或荧光。
具体地说，把根据本发明的光谱分析装置用于在自然条件下研究一个待检查病人的毛细管中的血液成份是有利的。在这一应用中，靶区域是毛细管，毛细管通常位于皮肤表面之下大约50～150μm处。监视系统对这一毛细管加以成像，并且把激发光束精确地导向毛细管。例如，把近红外线辐射用于对喇曼散射的激发。对喇曼散射辐射进行光谱分析。就在自然条件下所获得的人血的喇曼光谱而言，似乎使用本发明的光谱分析装置所获得的在自然条件下的喇曼光谱拥有大约相同的质量、光谱分辨率和信噪比。
对靶区域的监视，可按多种方式进行，较佳的做法是使用监视光束照亮靶区域及其边界，并利用从靶区域所反射的监视光束成像靶区域及其边界。通过镜面或漫散射以及通过背散射所反射的监视光束可以从靶区域及其边界返回。作为一种选择，在待检查目标对于监视光束呈一定程度透明状态的情况下，可以把已通过靶区域加以传输监视光束用于成像靶区域。可以把已穿过靶区域的激发光束成像到靶区域的成像上，以在靶区域的成像中显示所激发的区域。将参照附属权利要求中所限定的实施方案，对本发明的这些方面和其它方面更详细地加以阐述。
较佳的做法是根据本发明的分析装置包括一个光束组合单元，该光束组合单元把监视光束和激发光束导向靶区域。光束组合还分隔所反射的监视光束和至少一部分从散射辐射所反射的激发光束。因此，一方面散射辐射和具有至少一部分所反射的激发光束的所反射的监视光束可以分别加以探测。根据所探测的散射辐射，可获得与在靶区域处的局部成份相关的信息。例如，局部成份涉及一个小区域中的分子成份。把所反射的监视光束用于成像靶区域。也可以在靶区域的成像中成像所反射的激发光束。然后，靶区域的成像显示实际的靶以及相对于靶所进行的激发的位置。根据这一成像，很容易把激发光束精确导向靶。
在本发明的一个分析装置的实例中。较佳的做法是令光束组合单元把散射辐射基本上反射到探测系统。可以根据散射辐射的类型采用用探测系统的几个实例。可以把一个喇曼光谱分析仪用于探测非弹性散射辐射，特别是诸如喇曼散射辐射的散射辐射。为了探测荧光散射辐射，要使用一个荧光光谱分析仪。本质上，较佳的做法是令光束组合单元传输所反射的激发光束，并把所反射的激发光束从靶区域至少部分地传输到一个纳入在监视系统中的一个成像系统，以形成显示靶区域和激发区域的成像。在本发明的分析装置的另一个实例中，光束组合单元至少部分地反射从靶区域所反射的激发光束，并最好基本上反射所反射的监视光束，以形成显示靶区域和激发区域的成像。在这一实例中，由于激发光束，较佳的做法是基本上把散射辐射传输到探测系统。在本发明的分析装置的一些实例中，如权利要求3和4中具体加以限定的，可以在空间上把散射辐射与所反射的监视光束和所反射的激发光束加以隔离。
在本发明的分析装置的又一实例中，如权利要求5～8中特别加以限定的，可以在时间上把散射辐射与所反射的监视光束和所反射的激发光束加以隔离。同样的空间间隙由这些光束交替地共享，其中，按分隔的时隙分别把散射辐射传送到探测系统，把所反射的监视光束传送到成像系统。在本发明的分析装置的一个优选实施方案中，对各种光束、散射辐射、所反射的监视光束以及所反射的激发光束所穿过的空间间隙的交替共享得以实现，因为这些相应的光束的部分的传输与部分的反射交替进行。在一个简单的方式中，反射和传输的交替是通过移动反射器/传输单元加以实现的，这一反射器/传输单元拥有被相对各个光束移动的反射和传输部分。较佳的做法是使用一个可旋转的反射器/传输单元，这一可旋转的反射器/传输单元把反射和传输部分旋转进和旋转出各种光束。
本发明的分析装置的另一个优选实施方案还使用了共享空间间隙的另一个变体。在这一实施方案中，光束组合单元的反射器/传输单元拥有一个反射部分，较佳的做法是令这一反射部分为反射器/传输单元中心处的一小部分，该部分把激发光束导向激发区域。对于所反射的监视光束来说，这一反射部分基本上是不透明的。反射器/传输单元拥有一个传输部分，较佳的做法是令这一传输部分为一个围绕反射部分的大的区域，传输部分把所反射的监视光束传输到成像系统。把激发光束聚焦到反射部分，并把其反射于，较佳的做法是令其收敛于一个平行的激发光束，并聚焦到靶区域上。通过反射部分把部分(所反射的)监视光束加以拦截，因为对于(所反射的)监视光束来说，它是不透明的。反射部分导致成像系统在成像中形成一个低亮度点。例如，在反射器/传输单元上对监视光束进行扫描，以致于所反射的监视光束在反射器/传输单元上也得以扫描。于是，由成像系统所形成的成像将包括一个相应于不透明的反射部分的低强度点，它表明了把激发光束导向了何处。这一成像还显示靶区域，以致于可以很容易地使靶区域与所激发的区域相对应。
在本发明的分析装置的一个变体中，通过传输部分激发光束和散射辐射基本上得以传输。例如，作为反射器/传输单元，最好是作为反射器/传输单元中心处的一个小开口，形成这一传输部分。对于监视光束和所反射的监视光束来说，反射部分基本上是可反射的。例如，作为围绕小开口的周边区域形成反射部分，其中小开口作为传输部分。作为成像中的一个低亮度点对这一开口加以成像，并标记激发光束所到达的激发区域。
利用依赖于滤波器和反射器的波长获得反射和传输特性。将参照详细的实施方案和参照附图更详细地讨论这些反射器和滤波器。特别是，由于散射辐射，例如喇曼散射辐射或多光子荧光，拥有不同于监视光束和激发光束的波长的波长，所以要实现对各光束的分隔。
在一个进一步的实施方案中，监视光束和激发光束是从一个单一辐射源导出的。较佳的做法是使用一个红外的或光激光器生成输出光束，然后由一个光束分离器，例如一个分隔三棱镜或一个半透明的镜子把这一输出光束分离成监视光束和激发光束。这一较佳实施方案拥有一个相当简单的和较为便宜的配置，这一配置仅使用了一个单一的辐射源。
较佳的做法是令分析装置包括一个监视系统，该监视系统包括一个共焦的光成像系统，例如共焦的视频显微镜。使用一个共焦激光扫描视频显微镜可获得特别好的结果。这一共焦的光学器件把监视光束聚焦到靶区域上的一个聚焦平面上，并把这一聚焦平面成像到成像系统上，特别是成像到一个成像拾取设备上。监视系统的这一共焦的光学器件实现了把一个待检查目标的一个区域大部分，甚至几乎全部地成像到把监视光束聚焦的地方。因此，通过改变对监视光束的聚焦，可以选择被成像的区域，待检查目标的相邻的部分不能或几乎不能干扰成像。根据本发明，接收散射辐射的探测系统共焦地与共焦视频显微镜相关联。这一共焦探测实现了到达探测器的散射辐射大部分，或仅实质部分源于激发光束的焦点。较佳的做法是把一个探测针孔配置在探测器的前方，并把散射辐射聚焦在这一探测针孔上，与此同时，把激发光束聚焦在靶区域上。具体地说，可以把一个光纤入口用作探测针孔。因此，根据本发明的分析装置的这一优选实施方案可把监视光束和激发光束聚焦在靶区域上，并形成监视光束的聚焦平面的一个成像，以及仅实质地探测来自激发光束的聚焦平面上的散射辐射。由于激发光束和监视光束的聚焦平面是一致的，所以可根据由所反射的监视光束所形成的成像中的被监视的靶区域，在探测系统处接收散射辐射。
另外，共焦视频显微镜还可以沿正交于聚焦平面的方向调整聚焦平面的位置。因此，可以对靶区域的深度加以调整。在聚焦平面移入目标的深层期间，探测系统与共焦光成像系统之间的共焦关系实现了由探测器所接收的散射辐射起源于靶区域。在分析待被检查人或动物的皮肤表面之下的一个毛细管中的分析血液时，这一优选实施方案是特别有利的。
在根据本发明的一个分析装置的又一个进一步的优选实施方案中，在监视系统中使用了一个正交极化光谱成像配置。在这一实施方案中，使用了一个在光谱上相当窄的极化的监视光束。通过在相对于监视光束的极化方向的正交极化方向上的一个分析器成像所反射的监视光束。因此，基本上仅放大了的漫射极化辐射到达了成像系统，以实现一个基本上均匀的本底。然后，把待检查目标中的位置，特别是在基本上吸收光谱较窄的监视光束的靶区域中的位置作为成像中的低亮度加以成像。监视系统还成像在同一成像中的所反射的激发光束，以致于能够很容易地把靶区域与激发区域关联起来。从W.Groner等人写的、发表于Nature Medicine 5(1999)1209-1113上的论文‘Orthogonal polarisationspectral imaginga new method forstudy of microcirculation’可获知实际用于研究血管结构的形态的正交极化光谱成像技术。
对于监视系统来说，其它合适的选择是，例如一个光相干断层摄影术(OCT)配置、一个光多普勒断层摄影术(ODT)配置、一个光声成像(PAI)配置、或一个多光子显微术(MPM)配置。特别是OCT、ODT、以及PAI配置对于监视血管或位于皮肤表面之下较深的，直至几微米处的其它靶区域来说，给出了好的结果。与共焦成像相接合的MPM配置提供了一个高的分辨率，其中提交了3～5um的良好可视的细节。MPM配置还适合于成像最深达0.25mm处的细节。
在一个进一步的优选实施方案中，在光束组合单元中包含了一个声光调制器。在这一声光调制器中，生成了一个声波，这一声波导致各光束的衍射。既可以使用一个驻声波也可以使用一个行声波。把一个行声波与一个扫描监视光束结合起来使用。具体地说，第0级衍射的激发光束和第1级衍射的监视光束到达靶区域。把第1级反射的监视光束和第1级衍射的散射辐射以及第1级反射的激发光束传送到成像系统中。把第0级衍射的散射辐射传送到探测系统。
在本发明的分析装置的一个进一步的优选实施方案中，相对靶区域的纵轴横向扫描激发光束。对于检查那些最长的尺寸在纵轴上的细长靶区域来说，这一优选实施方案是特别有利的。当激发光束跨越细长的靶区域扫描时，至少部分地接收来自靶区域的散射辐射的可能性大大加强。
本发明的一个进一步的目的是提供一种专门用于对自然条件下的血液的成份进行光谱非侵入分析的方法。应该加以注意的是，尽管在过去的几十年里为了实现这一目标人们已进行了无数次的尝试，但在满足自然条件下血液光谱的信噪比方面，这些尝试并未获得成功。特别是，对于非侵入葡萄糖监视来说，L.Heinemann等人在‘Technology & Therapeutics(2000，卷2，第211～220页)’中指出“尽管20多年的努力研究，以及无数出版物和令人鼓舞的成果不断推出，但直至目前仍未开发出可靠的系统”。在M.Stucker等人的论文“Capillary blood cell velocity in humanskincapillaries located perpendicularly to the skin surfacemeasuredby a new laster Doppler anemometer”(发表在Microvascular Research 52(1006)188中)中仅描述了对血液细胞的速度的成功测量，而不是对血液的成份的测量。从美国专利US5615673中可以实质获知把喇曼谱用于血液和组织的方法。然而，这一已知的方法探测来自组织上的毛细血管的散射辐射，以及很大程度上来自皮肤表面和毛细血管之间的组织的散射辐射，因此所探测的喇曼光谱不能满足自然条件下血液光谱的信噪比(在国际申请WO92/15008中，公开了一种利用喇曼谱研究组织的方法)。美国专利US 5372135提到了根据不同的光吸收谱对血液所进行的分析。在MarkS.Borchert等人发表于Technology & Therapeutics(1999，第1卷，第2号)的论文“A Noninvasive Glucose MonitorPreliminaryResults inRabbits”中，讨论了把喇曼谱用于兔子眼睛的问题。美国专利5553616公开了一个利用喇曼的散射强度的人工神经网络甄别器确定葡萄糖浓度，例如在一个食指的皮肤中的葡萄糖浓度的分析方法。在这一已知的分析中，不能获得满意的自然条件下的血液光谱的信噪比。特别是，这似乎是因为缺乏对原始材料的精确的探测。而且，根据眼睛部位所测量的葡萄糖血液水平的真实表示似乎也是不可靠的。因此，这些已知的分析方法不能够提供一个足够高的信噪比。特别是在R.W.Waynant等人所写的‘Overview of non-invastiveglucose measurement using optical techniques to maintainglucose control in diabetes mellitus’的综述性论文(1998年4月发表在Leos Newsletter第12卷，第2号上)中评论到‘由于显著的化学和物理干扰，当前的设备缺乏规范’。
本发明满足了长期以来人们苦苦以求的在自然条件下对人或动物血液进行精确分析的需求。根据本发明的方法，如权利要求15中所限定的，可以实现本发明的这一进一步的目的。权利要求15中所限定的方法特别适合于自然条件下获得对人血液中葡萄糖含量的精确测量。较佳的做法是令激发光束为红外激光光束，令散射辐射为喇曼散射的红外辐射。
根据本发明的分析装置，如权利要求1～13中的任意一项权利要求所限定的，特别能够执行权利要求15中所限定的方法。
将参照以下所描述的实施方案，并参照附图，对本发明的这些和其它方面详细加以阐述，在这些附图中

图1表示的是根据本发明的一个分析系统；图2是在根据本发明的一个分析系统中所使用的以光耦合系统形式的光束组合单元的较详细的示意图；图3和4描述的是以光滤波器的形式表示的光耦合系统的可选方案的示意性表示；图5描述的是光束组合单元的一个简单的实施方案；图6描述的是光束组合单元的一个更简单的实施方案；图7和8示意性地说明了用于根据本发明的分析装置的一个进一步的光束组合单元；图9a和9b描述的是可用于光束组合单元的反射器/传输单元的一些进一步的实例；图10描述的是光束组合单元的另一个简单的实例；图11描述的是并入图10的光束组合单元中的反射器/传输单元的一个断面图；图12描述的是包括一个声光调制器的光束组合单元的另一个实例；图13示意性地说明了根据本发明的包括一个光分离系统的分析装置的实施方案；图14示意性地说明了根据本发明的分析装置的一个进一步的实施方案，其中监视系统是一个正交极化光谱成像配置；图15示意性地说明了根据本发明的分析装置的一个进一步的实施方案，其中激发光束基本上相对其纵向轴横向扫描靶区域；以及图16示意性地说明了根据本发明的分析系统的一个第二个实施方案；图1表示的是根据本发明的一个分析系统。这一分析系统包括一个并入了一个光源(ls)的监视系统，光源(ls)具有用于形成待检查目标(obj)的一个光成像的光成像系统(los)。光成像系统(los)形成一个共焦的视频显微镜。在这一实例中，目标是待检查病人前臂的一片皮肤。这一分析系统还包括一个多光子、非线性、或弹性或非弹性的散射光探测系统(ods)，用于通过一个多光子或非线性光学过程对在目标(obj)中所生成的光进行光谱分析。具体地说，图1中所示的实例利用了一个以一个谱设备形式的非弹性喇曼散射探测系统(dsy)。术语光不仅包括可见光，而且还包括紫外辐射和红外辐射，特别是近红外线辐射。
具有光成像系统(los)的光源是由一个834nm的AlGaAs半导体激光器形成的，这一半导体激光器在待检查目标(即皮肤)上的输出功率的数值为15mW。由出口焦点中的光成像系统把834nm的半导体激光器的红外监视光束(irb)聚焦在目标(obj)中或目标上的聚焦平面中。光成像系统包括一个极化光束分离器(pbs)、一个旋转反射多棱体(pgn)、透镜(11，12)、一个扫描镜(sm)、以及一个显微目标(mo)。通过旋转多棱体(pgn)和位移扫描镜(sm)，跨越聚焦平面移动聚焦监视光束(irb)。半导体激光器(ls)的出口面位于入口焦点。半导体激光器也能够照亮入口焦点中的入口针孔。光成像系统把从聚焦平面所反射的光作为一个返回光束，经由一个极化光束分离器(pbs)，传导到雪崩光二极管(adp)。另外，把显微目标前进1/4λ-板，以致于返回光束的极化垂直于监视光束的极化。因而，极化光束分离器(pbs)把返回光束与监视光束相隔离。一个光显示单元利用雪崩光二极管形成待检查目标中或目标上的聚焦平面的成像(img)，并在一个监视器上显示该成像。实际上，光显示单元是一台工作站，并通过使用工作站的处理器从雪崩光二极管(adp)的输出信号导出一个电子视频信号实现这一成像。把这一成像用于监视镜象检察，特别是用于激发靶区域，以致于激发区域落入到靶区域上，并接收来自靶区域的散射辐射。喇曼谱设备(exs)包括一个激发系统(exs)，在这一情况下，激发系统(exs)是作为一个Ar-离子/Ti-蓝宝石激光器加以构造的，它能够以850nm红外光束(exb)的形式产生激发光束。使用Ar-离子激光器对Ti-蓝宝石激光器进行激光泵浦。使用一个光滤波器(of)对Ar-离子激光器的光加以抑制。一个透镜系统把激发光束传导到光耦合单元(oc)，光耦合单元把激发光束沿监视光束(irb)加以传导，此后，显微目标把其聚焦到监视光束的焦点的区域处的聚焦平面中。光耦合单元(oc)形成光束组合单元。光耦合单元把激发光束沿显微目标的光主轴加以传导，即沿与监视光束的同样的光路径加以传导。通过光耦合单元(oc)把喇曼散射器反射到一条光纤(fbr)的入口。通过显微目标(mo)和光纤入口(fbr-i)前面的一个透镜(13)，把喇曼散射红外光聚焦到探测针孔中的光纤入口上。光纤入口本身作为一个探测针孔。光成像系统建立了入口焦点(其中提交了半导体激光器)、待检查目标(obj)的细节区域处的出口焦点、以及光纤入口(fbr-i)中的探测焦点之间的共焦关系。使用一个CCD探测器(CCD)把光纤(fbr)连接于一个光谱分析仪(spm)的一个输入端。把具有CCD探测器(CCD)的光谱分析仪并入到探测器系统中，它针对小于大约1050nm的波长记录喇曼光谱。具有CCD探测器的光谱分析仪的输出信号代表喇曼散射红外光的喇曼光谱。在实践中，这一喇曼光谱出现在730nm以上或860nm以上的波长范围中，取决于激发波长。把CCD探测器的信号输出连接于一个光谱显示单元(spd)，例如一台工作站，这一工作站在一个监视器上显示所记录的喇曼光谱(spct)。
实际上，光显示单元和光谱显示单元的功能可通过同一台工作站加以执行，例如，可以把监视器的显示屏幕的独立的部分(窗口)用于同时显示光成像和喇曼光谱。图2是在根据本发明的分析系统中所使用的光耦合系统的一个较详细的示意图；光耦合单元(oc)包括一个部分反射板(gp2)和一个校正板(gp1)。例如这些部分反射和校正板为1.5mm厚的玻璃板，把这些玻璃板相对监视光束和激发光束的平面横向(较佳的做法是垂直于该平面)，并且互相垂直地加以配置。在显微目标(mo)的侧面，玻璃板(gp2)具有一个光过滤涂层，光过滤涂层呈一个氧化表面涂层的形式，对于720～740nm和860～1050nm波长范围来说，这一光过滤涂层具有一个0.80的反射率。这一玻璃板(gp2)作为一个可光选择的滤波器，以光束分离器的形式，光束分离器把喇曼散射光与监视光束分隔开来。玻璃板(gp2)实际传输监视光束的红外光，而且没有衰减，但由于折射监视光束会被稍微地位移。校正板(gp1)再次把监视光束向后位移，以致于可把返回的监视光束精确地聚焦于雪崩光二极管(adp)上。也可以由光耦合器(oc)把从目标部分地反射的激发光束一定程度地加以传输，并可以把所反射的激发光束用于指示目标上激发光束入射位置处的光成像(img)中的点(spt)。
把一个抗反射层(ar)提供在校正板的两侧。抗反射层拥有一个对于834nm来说不到0.015的反射率，以致于几乎不会对监视光束加以反射。
使用一个拥有传输和反射特性(对于两个极化方向)的过滤涂层，如表1中所列的，可获得非常好的结果。表1列出了对于待讨论的各波长范围的合适的传输和反射系数。
这样的一个光过滤涂层可以很好地朝靶区域反射激发光束。监视光束几乎不衰减，而且可以把散射辐射有效地耦合输出到探测系统上。
表2描述了针对两个波长的抗反射涂层的合适的反射率。
图3和4是以光滤波器的形式表示的光耦合系统的可选方案的示意性表示。光滤波器包括两个板gp1和gp2(gp1是一个光束位置位移校正板，板gp2是一个低通滤波器F)。较佳的做法是令gp2的另一个板侧和gp1的两个板侧涂有抗反涂层(AR)。对于入射的光束通过两个过滤器板(1，2)传输监视光束(irb)，其中，对于p和s两个极化取向，T＞90％。在板2pg处反射喇曼激发光束(exb)，例如，其中R～85％。关于返回光束由F把大部分弹性散射喇曼激发光束朝喇曼光谱分析仪和探测器加以反射，把这一光束的一小部分朝监视系统的共焦视频显微镜传输，以在成像中提供一个可视的点。把非弹性散射喇曼光(λR＞λ2)在F处(较佳的做法是令R＝100％)朝探测系统反射。可以把板gp1和gp2互换，其中激发光束的进入位置位于板1上，如图4中所示。可以对滤波器这样地加以配置可把共焦的视频显微镜的入口与喇曼激发光束互换。现在，滤波器F是一个高通过滤器(gp1是一个光束位置位移校正板，板gp2是一个高通过滤器F)。gp2的另一板侧和板gp1的两侧可以涂有抗反射涂层的(AR)。
在这两种方案中，均可以去除光束位移校正板，然而此时必须相对光轴位移物镜。图5描述的是光束组合单元的一个简单的实施方案。对于监视光束(λ1)、喇曼激发光束(λ2)、弹性激发散射喇曼光束(λ2s)、以及非弹性散喇曼辐射(λRaman)，BS传输大约50％，50％被反射。这一方式，所收集的λ2s和λRaman的大约50％到达了共焦视频显微镜(lso)，从而在成像中提供了一个可视的点。抗反射涂层AR是可选的。
图6描述的是光束组合单元的一个更简单的实施方案。在这一十分简单的可选方案中，可以使用两个相同的靶(分别为O1和O2)。把监视光束λ1和喇曼激发光束λ2聚焦到皮肤中的同一个点上。把部分喇曼激发光束λ2弹性地加以散射，由O1加以收集，并由共焦视频显微镜加以探测，从而在成像中提供了一个可视的点。
在深度扫描期间，应该同时移动靶。
图7和8示意性地说明了用于根据本发明的分析装置的一个进一步的光束组合单元。图7和8中所示的光束组合单元根据时隙共享方式进行操作。可以按一个涂有反射图案的旋转轮(rtw)的形式，在反射器/传输单元(R/t-u)处把监视光束(λ1)和喇曼激发光束(λ2)组合在一起。图7描述的是旋转轮(rtw)的一个侧视图，图8描述的是旋转轮的一个前视图。在旋转周期中，光束地击中一个形成反射部分的反射层(rfs)。在这些周期中，不成像靶区域，而是把激发光束λ2反射到样本上，并把弹性散射喇曼激发光束(l2s)和非弹性散射喇曼光(λRaman)反射回喇曼光谱分析仪(spm)。在旋转的其它周期中，通过反射涂层中的传输开口，例如简单的孔(apt)把λ1和λ2加以传输，从而形成传输部分，并且不生成喇曼信号。把监视光束λ1传输到样本上，再次在返回途中对其加以传输，并建造成像的一部分。在旋转期间的某些时刻，通过孔(显示为点spt1)传传输λ1和λ2某些部分，并由涂层反射这些部分。另外，在这些时刻，通过孔传输λ2s和λRaman的某些部分，并在成像中产生一个可视的点。
图9a和9b描述的是可用于光束组合单元的反射器/传输单元的一些进一步的实例。这些反射器/传输单元根据与“时隙共享”相类似的操作原理加以操作在与一个涂敷了一种较高或较低反射材料的图案的旋转轮处，把监视光束(λ1)和喇曼激发光束(λ2)组合在一起。在这一图案中，较高的反射部分形成反射部分，较低的反射部分形成传输部分。在旋转周期中，光束击中图案的较高的反射部分。针对较大的部分(例如90％)把激发光束λ2反射到样本，把弹性散射喇曼激发光束(λ2s)和非弹性散射喇曼光(lRaman)大部分(例如90％)反射回喇曼光谱分析仪上。把散射辐射λ2s和λRaman的一小部分(例如10％)加以传输，并到达共焦视频显微镜，从而在图象中产生一个可视的点。在旋转的其它周期中，把λ1和λ2大部分加以传输，并传输一个低喇曼信号。把所反射的监视光束λ1传输到样本上，并再次在返回的路径上对其加以传输，而且贡献于图象。把可选的AR涂层用于校正板的两侧或轮子的后部。在图9a和9b的实例中，可变部分是较高的-较低的反射率、比率R1/R2、以及旋转的频率。
图10描述的是光束组合单元的另一个简单的实施方案。图11描述的是并λ在图10的光束组合单元中的反射器/传输单元的沿线I-I′的一个断面图。在一个点反射器处把所喇曼激发光束和监视光束组合在一起把喇曼激发光束(λ2)聚焦在一个形成反射的部分(rfs)的小的反射点上，对其加以反射，并到达样本。在返回的路上，由同样的点把弹性散射辐射喇曼激发光束(λ2s)和喇曼光(λRaman)加以反射，并到达喇曼光谱分析仪。透镜L1对监视光束(λ1)加以聚焦。透镜L1，L2以及L3是一样的，并且被这样地加以定位它们的聚焦平面的中心是一致的。在扫描期间，在大部分时间里，通过反射-传输单元的传输部分(trs)传输监视光束(λ1)，并构造一个像。当监视光束击中反射点时，一个暗点出现在成像中，从而表明了样本中的喇曼点的位置。如果该点的反射率小于100％(例如90％)，那么λ2s和λRaman的一个相应的部分到达共焦视频显微镜，从而在成像中的较暗点的顶部(或内部)产生一个较亮的点，然后，通过接通和关闭(例如通过一个快门)λ2，可以检查与λ1的对齐。在光束处的表面处的可选的AR涂层把元素点反射器和透镜L结合在一起，可把这些AR涂层结合成一个元件。图10和11中所显示的实例提供了一个非常简单的光束组合单元。
图12说明了包括一个声光调制器的光束组合单元的另一个实例。通过一个声光调制器把监视光束(λ1)和喇曼激发光束(λ2)组合在一起。第0阶衍射的λ2光束到达样本，从而产生弹性的和非弹性的(喇曼)散射的光(分别为λ2s和λRaman)。第0阶衍射λ2，和λRaman光束到达喇曼探测器。把一小部分λ2s和λRaman光束衍射到共焦视频显微镜的方向，从而在成像中提供一个可视的点。对穿过AOM的声波的频率这样地加以选择可以使第1阶衍射的λ1光束(稍微不同的波长λ1′的)平行于第0阶衍射的λ2光束。从样本返回，-1阶衍射的λ1′光束(又为波长λ1)沿着与最初的λ1光束的路径相同的路径传播，并到达共焦视频显微镜。
图13示意性地说明了根据本发明的包括一个光分离系统的分析装置的实施方案。在(λ1)处一个激光器形成辐射源，这一辐射源用于共焦成像，并同时用于喇曼激发。由一个(例如20-80％)光束分隔器(BS1)所形成的光分离系统(SEP)把光束分离成两个部分。一部分用于共焦成像，另一部分用于喇曼激发。极化光束分离器(pbs)使监视光束线性地极化。折射θ-Φ镜把共焦视频显微镜中的扫描光束路径在X-Y平面中折射，以形成像。把透镜L1和L2用于光束扩展，把L2用于把θ-Φ镜的中心部分成像到显微目标的入瞳。按这一方式，θ-Φ镜的所反射的激光总是在同样的位置进入靶，而不管θ-Φ镜的实际的θ-Φ位置。四分之一波板(1/4λ)把线性极化的监视(λ1)光束变换为圆极化光。在高通过滤器HPF处把喇曼激发光束加以反射，并通过镜M1和M2和反射光束分离器(BS2)把其导向靶。然而，在返回路径上，相对于入射光束的极化取向，把从目标所反射的光再次变换成线性极化光，并把其取向位移90°。然后由极化光束分离器PBS把通过反射光束分离器BS2所传输的光(部分为监视光束，部分为弹性散射喇曼光)向APD探测器折射，以形成像和成像中喇曼点。把来自目标的弹性的和非弹性散射喇曼光在BS2处加以反射。通过高通过滤器HPF传输非弹性散射喇曼光(λR)，并将其导向喇曼方向路径。光束分离器BS2可由点反射器加以更换。如图7和图8中所示。
图14示意性地说明了根据本发明的分析装置的一个进一步的实施方案，其中监视系统是一个正交极化光谱成像配置。这一实施方案通过OPSI和喇曼光谱组合对成像。对于正交极化光谱成像(OPSI)来说，按一个特定的波长带，使用一个光源。为了达到这一目的，通过一个带通滤波器(λ-Ftr)过滤一个自光源，由极化器(P)对光进行线性极化。然后，通然后通过物镜(Obj)把光聚焦在目标中。通过一个在正交极化取向处的分析器探测所反射的光，这意味着仅对去极化的光进行探测，极化的光源于深藏在混浊的目标(组织)中的多(漫散射的)散射光。这些光子的背散射产生了一种“背光照射”，它给出了在CCD探测器(关于CCD，参见图1)处的成像中的和谐的亮度。通过对相应于(部分地)浅目标(例如皮肤中的毛细血管)中的吸收的波长(λ-Ftr)的适当的选择，在一个亮的本底上这些目标相对呈暗色(通过吸收)。使用一个滤波器或其它光束组合单元，可以以与在共焦成像中的所使用的类似的方式，把喇曼激发光束耦合在OPSI成像中。OPSI的好处特别体现在其紧凑性和较低的价格方面。
图15示意性地说明了根据本发明的分析装置的一个进一步的实施方案，其中激发光束基本上相对其纵向轴横地向扫描靶区域。通过分离θ和Φ镜，在X-Y平面中折射共焦视频显微镜中的扫描监视光束路径，以形成像。现在把喇曼激发光束从Φ镜加以偏射，以在成像中产生一条线。在成像(lexc)中显示这一细长的激发区域，并相对于目标(例如一条毛细血管)中的靶区域横向地扩展。其好处在于对成像中的感兴趣的区域中的目标的移动不十分敏感。经由一个低通过滤器LPF，传输所反射的监视光束和部分喇曼激发光束，以在探测器上形成像。非弹性散射喇曼光是LPF滤波器所反射的，并经由狭缝加以探测，以在CCD探测器上形成一条线，其中CCD探测器包含沿一维的空间信息，以及沿其它维的光谱信息。
图16示意性地说明了根据本发明的分析系统的一个第二个实施方案。图16中所显示的实施方案利用了一个呈一个多光子荧光设备形式的多光子或非线性光探测系统。一个二色光束分离器(dbs)传输一个由待检查目标中的激发光束所生成的多光子荧光。这样的一个分光光束分离器(dbs)分隔不同波长的光即不同颜色的光。这一分析系统还包括一个折叠镜(fm)，这一折叠镜被配置在双折射光束分离器之后。在图16中所显示的位置中，把多光子光荧光导通于一个光探测器(2pd)。把光探测器连接于一台工作站(spd)。工作站(spd)的处理器从光探测器的输出信号导出一个电子视频信号。当使用CCD探测器时，可把输出信号本身用作电子视频信号。这一电子视频信号代表了显示在监视上的多光子荧光成像。也可以把折叠镜从光路径中去除，以致于可以把多光子荧光传输到光谱分析仪(SPM)，以便记录多光子荧光光谱。
权利要求
1.一种分析装置，尤其是一种光谱分析装置，包括-一个激发系统，用于发射一个激发光束，以在一个激发周期中激发一个靶区域，以及-一个监视系统，用于发射一个监视光束，以在一个监视周期中对靶区域成像，并且其中--激发周期和监视周期基本上重叠。
2.如权利要求1中所要求的一个分析装置，包括-一个光束组合单元，以-把激发光束和监视光束导向靶区域，并从由激发光束所产生的靶区域的散射辐射，将来自靶区域或穿过靶区域的被反射或被传输的监视光束和来自靶区域或穿过靶区域的至少一部分被反射或传输的激发光束分离。
3.如权利要求2中所要求的一个分析装置，其中-光束组合单元-至少部分地反射散射辐射，以及-至少部分地传输所反射的监视光束和所反射的激发光束。
4.如权利要求2中所要求的一个分析装置，其中-光束组合单元-至少部分地传输散射辐射，以及-至少部分地反射所反射的监视光束和所反射的激发光束。
5.如权利要求3或4中所要求的一个分析装置，其中光束组合单元的部分传输与/或部分反射是这样获得的光束组合单元交替地进行部分传输和部分反射。
6.如权利要求1中所要求的一个分析装置，其中光束组合单元具有一个反射器/传输单元，该单元拥有-一个反射部分，对于激发光束这一部分是至少部分地可反射的，而且对于监视光束来说，基本上是不透明的，以及-一个传输部分，至少部分地，特别是主要地用于监视光束和所反射的监视光束的传输。
7.如权利要求1中所要求的一个分析装置，其中光束组合单元具有一个反射器/传输单元，该单元拥有-一个传输部分，基本上用于激发光束和散射辐射的传输。-一个反射部分，基本上用于监视光束的反射。
8.如权利要求6或7中所要求的一个分析装置，其中反射器/传输单元是可移动或可旋转的，以便交替地把反射部分放置在激发光束中和把传输部分放在监视光束中(反之亦然)。
9.如前面的权利要求中的任何一项权利要求所要求的一个分析装置，包括-一个辐射源，用于发射一个输出光束，以及-一个光分离系统，用于分隔来自输出光束的监视光束和激发光束。
10.如权利要求1中所要求的一个分析装置，包括-一个探测系统，用于探测来自激发光束所产生的靶区域的散射辐射，其中-监视系统包括一个共焦视频显微镜，以及-探测系统拥有一个与共焦视频显微镜的共焦关系。
11.如权利要求1中所要求的一个分析装置，其中监视系统是由正交极化光谱成像配置、光相干的断层摄影术配置、光多普勒断层摄影术配置、光声成像配置、多光子显微镜配置所构成一组中的一个。
12.如权利要求1中所要求的一个分析装置，其中光束组合单元包括一个声光调制器。
13.如权利要求1中所要求的一个分析装置，其中对激发系统加以配置，以相对于靶区域的纵向轴基本上横向地扫描激发光束。
14.一种用于分析一个待检查目标的成份的方法，具体地说是一种光谱分析方法，该方法包括下列步骤-发射一个激发光束，以在激发周期中激发一个靶区域-发射一个监视光束，以在监视周期中对靶区域成像，以及其中-激发周期和监视周期基本上重叠。
15.一种用于血液的成份光谱非侵入分析的方法，该方法包括下列步骤-对一个靶区域成像，具体地说，在一个监视周期中共焦地、基本上与一个血管相一致地成像这一靶区域-在一个激发周期中使用激发光束激发靶区域-激发周期和监视周期基本上重叠，具体地说与成像靶区域共焦地探测来自激发光束所产生的靶区域的散射辐射。
全文摘要
一种分析装置，具体地说是一种光谱分析装置，包括一个激发系统和一个监视系统。激发系统发射一个激发光束，以在一个激发周期中激发一个靶区域。监视系统发射一个监视光束，以在一个监视周期中成像靶区域。激发周期和监视周期基本上重叠。因此，可以所激发把靶区域加以成像，形成一个既可显示靶区域也可显示激发区域的成像。根据这一成像，可以把激发光束精确地瞄准于靶区域。
文档编号A61B5/145GK1455862SQ02800115
公开日2003年11月12日 申请日期2002年1月11日 优先权日2001年1月18日
发明者G·W·卢卡森, G·J·普佩尔斯, P·J·卡斯佩尔斯, M·范德沃特, E·伦德林克, M·B·范德马克, R·F·M·亨德里克斯, J·S·科亨 申请人:皇家菲利浦电子有限公司