专利名称：光滤波器中峰值补偿的方法和设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及光谱和成像的系统和方法以及光谱调制补偿的方法和设备。
背景技术：
光谱成像组合数字成像和分子光谱技术，它可以包括喇曼散射，荧光，光致发光，紫外，可见和红外吸收光谱技术。在应用于材料的化学分析时，光谱成像通常称之为化学成像。用于光谱(即，化学)成像的设备通常包括图像收集光学元件，焦平面阵列成像检测器和成像光谱仪。
一般地说，样本尺寸确定图像收集光学元件的选取。例如，为了分析亚微米至毫米空间尺度的样本，通常采用显微镜。对于在毫米至米尺度范围内的较大物体，微距摄像镜头是合适的。对于相对难接近的环境内样本，可以采用柔性光纤镜或刚性管道镜。对于非常大尺度的物体，例如，行星物体，望远镜是合适的图像收集光学元件。
为了检测各种光学系统形成的图像，通常采用二维成像焦平面阵列(FPA)检测器。FPA检测器的选取是受描述相关样本采用的光谱技术所确定。例如，在可见光波长荧光和喇曼光谱成像系统中，通常采用FPA型的硅(Si)电荷耦合器件(CCD)检测器，而在近红外光谱成像系统中，通常采用铟镓砷(InGaAs)FPA检测器。
人们已设计用于光谱成像系统的各种成像光谱仪。这些例子包括，但不限于，光栅光谱仪，滤光盘，Sagnac干涉仪，Michelson干涉仪和可调谐滤波器，例如，声光可调谐滤波器(AOTF)和液晶可调谐滤波器(LCTF)。
包括AOTF和AOTF在内的各种成像光谱仪是偏振敏感的，它传输一种线偏振光和阻挡正交的线偏振光。因此，理论效率是50％。由于在偏振光学元件中存在散射损耗，不良光谱仪动作，吸收损耗等原因，可以降低实际的效率。30％峰值透射率或更小的实际效率是更典型的。以前的光谱成像仪器接受与偏振敏感成像光谱仪相关的光损耗。
成像光谱仪的效率也是背景光造成的系统固有噪声，室温和散射光波长的函数。例如，LCTF有与波长有关的传输调制，它影响利用弱喇曼散射仪测量锐喇曼波带的准确性和效率。利用某些LCTF装置的实验表明，由成像装置材料和结构引起的复杂相互作用产生空间和光谱调制传输通过成像装置的光。这种调制产生明显的非均匀背景信号并阻挡真实的信号。另一个例子是温度。我们发现，室温可以造成被收集散射光子波长的带通位移，从而阻挡喇曼信号或导致喇曼信号的不准确性。在有弱喇曼散射的材料或有低浓度被研究材料的样本中，这种效应是特别显著的。因为在均匀背景下检测喇曼振动的能力对于识别小信号电平是重要的，背景噪声可以严重影响光谱检测。
发明内容
按照一个实施例，本发明涉及一种用于校正光子的被确定的波长的方法，包括确定从样本散射的光子波长，该样本曝光在照射光子下并传输通过可调谐滤波器；和校正所述一个光子的被确定的波长作为可调谐滤波器温度的函数和作为可调谐滤波器带通设定值的函数。一种用于实现本发明实施例的系统，包括光子检测装置，用于确定从样本散射的光子波长，该样本曝光在照射光子下并传输通过可调谐滤波器；和处理器，编程用于校正所述一个光子的被确定的波长作为可调谐滤波器的温度的函数和作为可调谐滤波器的带通设定值的函数。光子检测装置可以是电荷耦合器件，而液晶滤波器可以用作可调谐滤波器。
在另一个实施例中，本发明涉及一种用于校正光子的被确定的波长的方法，包括当样本曝光在照射光子下时，在可调谐滤波器中接收该样本散射的光子，并传输所述散射光子中的有预定波带内的波长的那些光子；对于一个传输的散射光子，在光子检测装置中确定该一个光子的波长；和校正所述一个光子的被确定的波长作为可调谐滤波器的温度的函数和作为可调谐滤波器的带通设定值的函数。一种用于实现本发明实施例的系统，包括可调谐滤波器，当样本曝光在照射光子下时，接收该样本散射的光子，并传输所述散射光子中的有预定波带内的波长的那些光子；光子检测装置，用于确定一个所述传输的散射光子的波长；和处理器，编程用于校正所述一个光子的被确定的波长作为可调谐滤波器的温度的函数和作为可调谐滤波器的带通设定值的函数。处理器可以用第一组指令编程以确定偏移量，和以第二组指令编程用添加该偏移量到光子的被确定的波长。
在另一个实施例中，本发明涉及一种用于校正光子的被确定的波长的方法，该方法包括以下步骤当样本曝光在照射光子下时，在可调谐滤波器中接收该样本散射的光子，并阻塞散射光子中的有不在预定波带内的波长的那些光子；对于没有被可调谐滤波器阻塞的散射光子，在光子检测装置中确定该光子的波长；和校正该光子的被确定的波长作为可调谐滤波器的温度的函数和作为可调谐滤波器的带通设定值的函数。一种用于实现本发明实施例的系统，包括可调谐滤波器，当样本曝光在照射光子下时，接收该样本散射的光子，并阻塞散射光子中的有不在预定波带内的波长的那些光子；光子检测装置，用于确定没有被所述可调谐滤波器阻塞的一个散射光子的波长；和处理器，编程用于校正该光子的被确定的波长作为可调谐滤波器的温度的函数和作为可调谐滤波器的带通设定值的函数。
在另一个实施例中，本发明涉及一种用于确定从样本散射的光子的校正波长，包括在照射光子下曝光样本；在可调谐滤波器中接收该样本散射的光子；在光子检测装置中检测一个在预定波带内的散射光子；确定被检测光子的波长；和改变确定的波长作为可调谐滤波器的温度的函数和作为可调谐滤波器的带通设定值的函数，从而确定被检测光子的校正波长。一种用于实现本发明实施例的系统，包括在照射光子下曝光的样本；可调谐滤波器，用于接收该样本散射的光子；光子检测装置，用于检测在预定波带内的一个散射光子；处理器，编程用于确定被检测光子的波长并改变确定的波长作为可调谐滤波器的温度的函数和作为可调谐滤波器的带通设定值的函数，从而确定被检测光子的校正波长。
图1是常规喇曼成像系统的示意图； 图2表示温度校正LCTF带通偏移的效应； 图3表示在实验过程中的温度变化； 图4表示图3中归一化室温与LCTF温度的比较； 图5表示温度对中心带通滤波器的影响； 图6表示重新定标与温度变化造成位移比较有很小的效应。
图7表示测量的峰值位置变化作为温度的函数； 图8表示带通位移与温度变化的关系； 图9表示在有校正和没有校正情况下通过LCTF装置收集的光谱； 图10表示图9中所示部分光谱的闭合；和 图11表示利用色散光谱仪并通过LCTF从乳腺癌病例中得到的单细胞色散光谱。
具体实施例方式与常规的方法比较，此处公开的实施例能够更准确地检测光谱成像中得到的清晰图像。应用有某些生物医学样本的喇曼光谱术是温度敏感的，该样本包括细胞，组织，细菌，病毒和其他的生物实体。此处公开的实施例能够检测这种样本，与此同时考虑到温度对LCTF的影响。
实际上，所有的光谱成像滤波器，例如，AOTF，LCTF，AOF，取决于光通过一个或多个光学装置的光学性质和传输，为的是产生理想的滤波效应。这些滤波器有复杂的内部配置，它影响光通过该装置的传输。我们发现，滤波器性能是与温度十分有关的。虽然成像滤波器设计成尽可能减小这种象差，但是，剩余的效应仍然存在，它限制这些滤波器应用于敏感的设备。
图1是常规喇曼成像系统的示意图。参照图1，样本25放置在物镜24视场范围内的载物片上。光源21(即，激光器)给样本25提供照明，其中通过相对位置的分束器22和反射镜23。反射镜23还放置成接收和重新引导样本的图像，其形式是从样本25发出的散射光子到反射镜27。分束器22可以包括50/50分束器，介质干涉仪，二向色分束器或全息光滤波器。任选地，在分束器22与反射镜27之间可以放置激光带阻滤波器26以去除激光，而传输被引导通过分束器22的其他波长光束。激光带阻滤波器26可以包括介质干涉滤波器，全息光滤波器或波纹(rugate)光滤波器。然后，散射光子被引导到可调谐滤波器28并通过透镜30到达焦平面阵列(FPA)装置31。FPA可以包括硅电荷耦合器件(CCD)检测器，电荷注入器件(CID)检测器或红外FPA。进入可调谐滤波器29(例如，LCTF)的光被处理通过该滤波器。利用某些LCTF的实验表明，滤波器处理过的光谱图像是温度敏感的。
图2表示温度校正LCTF带通偏移的效应。具体地说，图2表示在实验室测试过程的自然起伏的几个温度下，根据LCTF基喇曼成像硅晶片的内插光谱。从图2中可以看出，若按照本发明的原理触发温度校正，则带通没有随温度发生很大的位移。然而，若关断温度校正，则带通可以随温度有很大的位移。在两小时研究的过程中，记录22.00至24.36℃的环境温度变化。从图2中可以看出，LCTF装置是温度敏感的。制造商实施的定标过程没有解决这个问题。考虑到滤波器装置的温度敏感性，此处公开一种用于改进喇曼成像测量结果的方法和系统。
图3表示在实验过程中的实验室温度和两个LCTF装置的温度。从图3中可以看出，两个LCTF的温度几乎相差3度。温度差的原因可能是不良的内部温度传感器或装置过热。LCTF在实验过程中的温度起伏大于室温的变化。温度的相对变化是与LCTF的加热一致，或由于电阻散热或由于滤波器的实际光吸收。图4表示图3中归一化室温与LCTF温度的比较。图4更精确地反映由于温度产生的变化百分比。
图3和图4中所示的温度起伏对滤波器的实际中心带通有很大的影响。这可以利用LCTF取出从醋氨酚样本反射的激光光斑图像中得到说明。图5表示温度对中心带通滤波器的影响，即，图5表示在LCTF滤波器的各种温度下观察到的激光谱线。
虽然看来重新定标过程应当校正在LCTF上观察到的温度影响，但是实验的结果并不是如此。图6表示重新定标与温度变化造成的位移比较有很小的效应。在每个温度下拍摄图像，运行重新定标过程和立刻获得另一个图像。虽然重新定标过程可以对带通中心改变几度，但是它远远小于LCTF内温度传感器报告的总体温度变化造成的变化性。参照图6，可以看出激光谱线出现的位移约为16至30个波数。这种变化性可以解释喇曼位移的原因，并说明仅仅装置的重新定标不能准确地反映这个问题。
图7表示测量的峰值位置变化作为温度的函数。除了激光谱线以外，这个实验中的数据包括来自乙酰氨酚(acetaminophen)样本的CH峰值。这说明该位移在滤波器的整个自由光谱范围内不是相同的。这个实验和其他的实验说明，带通偏移量(理想带通与实际带通之间的差值)是温度和波长的函数。
在各次测量之间没有重新定标LCTF的条件下进行其他的实验。图8所示的结果指出，重新定标对带通位移与LCTF温度之间的相关有很小的效应。在图8中，菱形数据点代表没有定标得到的数据，而正方形数据点代表在各次测量之间定标LCTF得到的数据。这些测量结果说明，虽然LCTF装置的温度变化可能是线性的，但是它们之间关系的变化随不同的波长而不同。
按照本发明的一个实施例，一种用于限定误差偏移量的方法确定为温度和波长(或带通波长)的函数。因此，为了描述LCTF装置的特性，可以在不同温度下和不同波长的装置中进行几次测量，可以建立限定装置偏移量的基线作为波长和温度的函数。一旦建立这个基线，通过测量装置温度和带通波长，处理器编程可以计算装置的偏移量。在一个实施例中，利用普通的软件语言，例如，C++，可以在存储器媒体上记录指令。
利用放置在LCTF装置中或附近的传感器，可以给处理器直接报告装置的温度。操作员可以传输带通波长到处理器。然后，该处理器从数据库中寻找偏移量参数并计算偏移量。一旦确定装置偏移量，操作员可以键入理想的带通波长，而处理器利用偏移量引导LCTF到实际的带通波长。
在一个典型的实施例中，在各种温度和波长下测试LCTF装置，可以得到以下的基线参数bb＝2.7559mb＝-0.00166bm＝-0.09882mm＝0.0000732 在测试的装置中，我们发现这些参数大致是常数。利用基线参数，按照以下的关系式可以确定装置偏移量(1)偏移量＝bλ+mλT(2)mλ＝bm+mmλ(3)bλ＝bb+mbλ 在一个实施例中，处理器可以配置成提供用户接口，用于接收用户输入的上述基线参数，并利用这些参数计算偏移值。然后，处理器可以接收理想的波长，并利用该偏移值，确定装置特有或滤波器的实际带通滤波器。一旦这个信息传输到LCTF，该装置可以在理想波长下产生样本的光谱图像。
以上公开的典型实施例是利用醋氨酚在特定LCTF上实现的。图9表示这个结果。图9指出在有校正和没有校正情况下通过LCTF收集的光谱以及作为参照的色散光谱。参照图9，这些数据点指出通过LCTF得到的光谱，而实线代表色散光谱。虚线代表在没有校正情况下通过LCTF得到的光谱。在显示系统的相同视场上顺序地得到图9的数据。
图10表示部分图9中所示光谱的闭合。参照图10，虚线代表通过LCTF得到的光谱，而实线代表色散光谱。图10中所示的区域是样本的指纹区。
图11表示利用色散光谱仪并通过LCTF从乳腺癌病例中得到的单细胞色散光谱。在图10中，虚线代表利用色散光谱仪得到的单细胞色散光谱。实线代表通过LCTF的光谱。这些光谱已经是基线校正的，而LCTF光谱是在LCTF的非线性传输调制下校正的(白光校正)，但没有进行其他的处理。
此处公开的原理应用于有液晶可调谐滤波器的喇曼成像系统。基于在几个温度下测量激光谱线和乙酰氨酚样本的2931cm-1峰值，可以得到对照表以建立基线。通过调整参数bb以使激光峰值与0波数对准，可以精细调节基线参数。在精细调节之后，LCTF的基线参数是bb＝1.49bm＝-0.0068mm＝-0.0001mb＝-0.0004 为了测试基线信息，利用喇曼成像系统在硅晶片上进行一系列成像实验。每个实验是利用LCTF和摄像机在约520cm-1的激光峰值上的图像。由于成像不是关键性的，摄像机被分隔成16×16格子以便进行快速测量。每次测量包含两个图像，一个图像是接通校正装置得到的，另一个图像是关断校正装置得到的。图像是一个接一个拍摄的。在每对测量中，记录两个LCTF的温度。我们观察到，LCTF单元温度的变化仅仅是由于正常工作过程中的偏移。偏移的范围是2.4℃。其次，在一系列温度下，内插平均温度以比较有温度校正和没有温度校正的测量峰值。图2表示激励温度校正装置和没有激励温度校正装置时通过LCTF测量的硅峰值变化。参照图2，应当注意，大多数波带的中心因温度而偏移约7个波数，并至少有4个波数的恒定偏移量，从而导致4个至11个波数之间的误差，它取决于LCTF的温度。
一种用于校正光子的被确定的波长的系统可以包括光子检测装置，例如，CCD，用于确定从样本散射的光子的波长，该样本曝光在照射光子下并传输通过可调谐滤波器。可调谐滤波器可以包括LCTF。可以包括一个处理器，编程用于校正所述一个光子的被确定的波长作为可调谐滤波器的温度的函数和作为可调谐滤波器的带通设定值的函数。为了解决滤波器的温度效应，该处理器可以编程为执行第一组指令，它按照以下公式确定偏移量偏移量＝A+Bλ+CT+DλT其中A，B，C，和D都是常数，T是可调谐滤波器的温度，和λ是可调谐滤波器的带通设定值。
其次，该处理器可以执行第二组指令，用于添加偏移量到所述一个光子的被确定的波长。
按照另一个实施例中，一种用于校正光子的被确定的波长的系统可以包括LCTF，当样本曝光在照射光子下时，用于接收该样本散射的光子，并传输所述散射光子中的有预定波带内波长的那些光子；电荷耦合器件，用于确定一个所述传输的散射光子的波长；和处理器，编程用于校正所述一个光子的被确定的波长作为可调谐滤波器的温度的函数和作为可调谐滤波器的带通设定值的函数。
在另一个实施例中，本发明涉及一种有可调谐滤波器的设备，用于当样本曝光在照射光子下时，接收该样本散射的光子。可调谐滤波器可以配置成阻塞有不在预定波带内的波长的某些散射光子。该设备还可以包括光子CCD，用于确定没有被所述可调谐滤波器阻塞的散射光子的波长。最后，该设备还可以包括处理器，编程用于校正所述一个光子的被确定的波长作为可调谐滤波器的温度的函数和作为可调谐滤波器的带通设定值的函数。该处理器可以耦合到用于接收指令的存储器装置。该处理器还可以与数据库通信，用于存储或检索与其运行有关的信息。
虽然本发明的描述是参照以上讨论和说明的具体典型实施例。但是应当注意，本发明的原理不局限于以上所描述的内容，并可以包含这些内容的任何置换和改动。
权利要求
1.一种用于校正光子的被确定的波长的方法，该方法包括以下步骤确定从样本散射的光子的波长，该样本曝光在照射光子下并传输通过可调谐滤波器；和校正所述一个光子的被确定的波长作为可调谐滤波器的温度的函数和作为可调谐滤波器的带通设定值的函数。
2.按照权利要求1的方法，其中校正被确定的波长的步骤包括以下步骤按照以下公式确定偏移量偏移量＝A+Bλ+CT+DλT其中A，B，C，和D都是常数，T是可调谐滤波器的温度，和λ是可调谐滤波器的带通设定值；和添加该偏移量到所述一个光子的被确定的波长。
3.一种用于校正光子的被确定的波长的方法，该方法包括以下步骤当样本曝光在照射光子下时，在可调谐滤波器中接收该样本散射的光子，并传输所述散射光子中的有预定波带内的波长的那些光子；对于所述传输的散射光子之一，确定在光子检测装置中的所述一个光子的波长；和校正所述一个光子的被确定的波长作为可调谐滤波器温度的函数和作为可调谐滤波器带通设定值的函数。
4.按照权利要求3的方法，其中校正被确定的波长的步骤包括以下步骤按照以下公式确定偏移量偏移量＝A+Bλ+CT+DλT其中A，B，C，和D都是常数，T是可调谐滤波器的温度，和λ是可调谐滤波器的带通设定值；和添加该偏移量到所述一个光子的被确定的波长。
5.一种用于校正光子的被确定的波长的方法，该方法包括以下步骤当样本曝光在照射光子下时，在可调谐滤波器中接收该样本散射的光子，并阻塞所述散射光子中的有不在预定波带内的波长的那些光子；对于一个没有被可调谐滤波器阻塞的所述散射光子，确定在光子检测装置中的所述一个光子的波长；和校正所述一个光子的被确定的波长作为可调谐滤波器的温度的函数和作为可调谐滤波器的带通设定值的函数。
6.按照权利要求5方法，其中校正被确定的波长的步骤包括以下步骤按照以下公式确定偏移量偏移量＝A+Bλ+CT+DλT其中A，B，C，和D都是常数，T是可调谐滤波器的温度，和λ是可调谐滤波器的带通设定值；和添加该偏移量到所述一个光子的被确定的波长。
7.一种用于确定从样本散射的光子的校正波长的方法，该方法包括以下步骤在照射光子下曝光样本；在可调谐滤波器中接收该样本散射的光子；在光子检测装置中检测一个在预定波带内的散射光子；确定被检测光子的波长；和改变确定的波长作为可调谐滤波器的温度的函数和作为可调谐滤波器的带通设定值的函数，从而确定被检测光子的校正波长。
8.按照权利要求7的方法，其中改变被确定的波长的步骤包括以下步骤按照以下公式确定偏移量偏移量＝A+Bλ+CT+DλT其中A，B，C，和D都是常数，T是可调谐滤波器的温度，和λ是可调谐滤波器的带通设定值；和添加该偏移量到所述一个光子的被确定的波长。
9.一种用于校正光子的被确定的波长的系统，包括光子检测装置，用于确定从样本散射的光子的波长，该样本曝光在照射光子下并传输通过可调谐滤波器；和处理器，被编程用于校正所述一个光子的被确定的波长作为可调谐滤波器的温度的函数和作为可调谐滤波器的带通设定值的函数。
10.按照权利要求9的系统，其中光子检测装置是电荷耦合器件。
11.按照权利要求9的系统，其中可调谐滤波器是液晶可调谐滤波器。
12.按照权利要求9的系统，其中处理器程序包括第一组指令，用于按照以下公式确定偏移量偏移量＝A+Bλ+CT+DλT其中A，B，C，和D都是常数，T是可调谐滤波器的温度，和λ是可调谐滤波器的带通设定值；和第二组指令，用于添加该偏移量到所述一个光子的被确定的波长。
13.一种用于校正光子的被确定的波长的系统，包括可调谐滤波器，当样本曝光在照射光子下时，接收该样本散射的光子，并传输所述散射光子中的有预定波带内的波长的那些光子；光子检测装置，用于确定一个所述传输的散射光子的波长；和处理器，被编程用于校正所述一个光子的被确定的波长作为可调谐滤波器的温度的函数和作为可调谐滤波器的带通设定值的函数。
14.按照权利要求13的系统，其中光子检测装置是电荷耦合器件。
15.按照权利要求13的系统，其中可调谐滤波器是液晶可调谐滤波器。
16.按照权利要求13的系统，其中处理器程序包括第一组指令，用于按照以下公式确定偏移量偏移量＝A+Bλ+CT+DλT其中A，B，C，和D都是常数，T是可调谐滤波器的温度，和λ是可调谐滤波器的带通设定值；和第二组指令，用于添加该偏移量到所述一个光子的被确定的波长。
17.一种用于校正光子的被确定的波长的系统，包括可调谐滤波器，用于当样本曝光在照射光子下时，接收该样本散射的光子，并阻塞所述散射光子中的有不在预定波带内的波长的那些光子；光子检测装置，用于确定没有被所述可调谐滤波器阻塞的一个所述散射光子的波长；和处理器，被编程用于校正所述一个光子的被确定的波长作为可调谐滤波器的温度的函数和作为可调谐滤波器的带通设定值的函数。
18.按照权利要求17的系统，其中光子检测装置是电荷耦合器件。
19.按照权利要求17的系统，其中可调谐滤波器是液晶可调谐滤波器。
20.按照权利要求17的系统，其中处理器程序包括第一组指令，用于按照以下公式确定偏移量偏移量＝A+Bλ+CT+DλT其中A，B，C，和D都是常数，T是可调谐滤波器的温度，和λ是可调谐滤波器的带通设定值；和第二组指令，用于添加该偏移量到所述一个光子的被确定的波长。
21.一种用于确定从样本散射的光子的校正波长的系统，包括样本，曝光在照射光子下；可调谐滤波器，用于接收该样本散射的光子；光子检测装置，用于检测一个在预定波带内的散射光子；处理器，被编程用于确定被检测光子的波长和改变确定的波长作为可调谐滤波器的温度的函数和作为可调谐滤波器的带通设定值的函数，从而确定被检测光子的校正波长。
22.按照权利要求21的系统，其中光子检测装置是电荷耦合器件。
23.按照权利要求21的系统，其中可调谐滤波器是液晶可调谐滤波器。
24.按照权利要求21的系统，其中处理器程序包括第一组指令，用于按照以下公式确定偏移量偏移量＝A+Bλ+CT+DλT其中A，B，C，和D都是常数，T是可调谐滤波器的温度，和λ是可调谐滤波器的带通设定值；和第二组指令，用于添加该偏移量到所述一个光子的被确定的波长。
全文摘要
在一个实施例中，本发明涉及一种用于确定被样本散射的光子校正波长的方法和系统。该方法包括以下步骤确定从样本散射的光子波长，该样本曝光在照射光子下并传输通过可调谐滤波器；和校正该光子的被确定的波长作为可调谐滤波器温度的函数和作为可调谐滤波器带通设定值的函数。校正被确定的波长的步骤还可以包括确定偏移量，和添加该偏移量到光子的被确定的波长。
文档编号G01N21/65GK1977152SQ200580021773
公开日2007年6月6日 申请日期2005年5月6日 优先权日2004年6月30日
发明者约翰·S.·麦尔, 杰森·H·尼斯, 肖纳·斯图尔特 申请人:凯米映像公司