专利名称：：漫散射介质的照明的制作方法
技术领域：
：本发明总体上涉及漫散射样本的照明(illumination)。具体来说，木发明涉及减小来自样本内的入射光的损耗，从而使该样本内的入射光的强度增大的技术。本发明例如可以被应用于光谱学，来增大要检测的光谱特征的强度。
背景技术：
：多种分析应用均涉及对漫散射介质的光谱分析。例子包括探测活组织，以确定如在WO2006/61565中讨论的诸如骨成分的组织参数、胸部组织，或血糖成分。在生产后期测试中，并且在筛除伪造品时，可以利用制药片剂(pharmaceuticaltablet)的光谱分析在生产线上确定结晶状态或纯度。其它应用包括对多种粉状样本、不透明流体、半透明材料等的实验室分析。拉曼光谱(其中，入射光通过介质内的非弹性散射而按波长频移)因其高度化学专一性而被频繁用于这种应用，尽管还广泛使用了红外吸收和发射光谱。然而，拉曼散射的横截面特别小，并且对于所关注的光谱特征来说，获得足够高的信噪比面临挑战，尤其是在实验室外的、可能使用了灵敏度不高的设备的应用中。在许多实践应用中，必须对入射光强度进行限制，例如来避免破坏活组织，并且曝光时间也可能是受限的，例如，在生产线上，或者在必须按合理短的时长对病人进行测量的情况下。当然，在各种类型的红外和其它光谱技术的情况下，这些和类似的约束也是起作用的。从而，通常希望使利用特定强度或功率的入射光而获得的光谱信号最大化，同时使曝光时间最小化。在其它应用中，出于其它原因，可能希望增加保留在散射样本内的入射光，例如增大由光触发的化学反应的速率，或者增大从引入光的区域中的样本逃逸的入射光量。
发明内容本发明力求解决相关现有技术的上述和其它问题。各种光谱技术和其它应用需要将入射光束引导至样本中。在一些应中，还希望收集反向散射出样本的体积(volume)或来自样本表面的光，例如以检测所收集光中的光谱特征。典型地讲，漫散射样本的表面处或体积内的入射光的强度，进而反向散射出样本的入射光的强度非常靠近施加入射光的点。本发明提供了一种通过以传递滤光片(deliveryfilter)覆盖样本的某个区域，并通过该滤光片将入射光束(如激光光束或其它大致单色的光束)引导至该样本而利用该光束增大漫散射样本的照明的方法。该滤光片具有使得在按比入射光束更宽的入射角范围从样本反向漫散射至该滤光片的、入射光波长处的光被优先地反射回样本的特性。有效的是，该滤光片充当单向镜(unidirectionalmirror)，防止入射波长光的损耗，尤其是在入射光束施加至样本的、强度最大的临界点处。一些光学滤光片类型，如多层介质滤光片具有透射和反射特性，其随着入射角的增大进行波长频移，通常是向更短波长频移。因此，例如可以通过利用具有透射区的多层介质滤光片来设置传递滤光片，该透弒区匹配光束入射角处入射光的波长，但在其它入射角处远离入射光进行波长频移。这样，校准或半校准到较小入射角范围的入射光束就穿过滤光片到达样本中，而按比原始光束的入射角范围显著更宽的角范围返回的大部分漫反射光朝着样本反射回来，并且仅一小部分远离该样本穿过滤光片。示例性传递滤光片是具有与入射光波长相匹配的带通区的窄带通滤光片，以使正入射的入射光束透过，但逐渐反射更大入射角的相同波长的光。可以利用具有恰好位于正入射的入射波长上方的反射或低透射区的陷波滤光片或短波长透射边缘滤光片来实现相同的效果，但其按更大的入射角频移来覆盖入射波长。因此，根据一个特定方面，本发明提供了一种将入射光束引导至漫散射样本的方法，该方法包括以下步骤邻近样本来放置传递滤光片，或者利用该滤光片覆盖样本的某一区域，该传递滤光片具有使得所述入射光的反射取决于所述入射光在该滤光片处的入射角的特性；以及引导所述入射光的光束以光束入射角(其可以优选为接近正入射)通过该传递滤光片，并且到达样本，使得从样本朝向该传递滤光片反向漫散射的入射光被该滤光片优先地反射回该样本。根据另一方面，本发明提供了一种具有透射边缘的传递滤光片，该透射边缘位于大致正入射的入射光波长的一侧，例如，偏离垂直线小于10°，由此，准许入射光束通过，并且该透射边缘按更浅的入射角位于入射光波长的另一侧，例如，大于30°，由此，使从样本涌现的漫散射光方向反射。本发明还提供了相应的装置。例如，传递滤光片可以被视为光学窗口，或者外壳(enclosure)或盖子，或者可以是用于具有其他光学分量的样本的更大范围的光学外壳或盖子。因而，本发明的一个方面提供了一种用于增大漫散射样本内的入射光强度的光学盖子，其包括传递滤光片，通过该传递滤光片，可以利用所述滤光片以光束入射角将所述入射光的光束引导至样本中，该传递滤光片具有使得所述入射光的反射随着(at)入射角远离入射光束角而增加的特性，以使漫散射出样本的入射光被传递滤光片优先地反射回样本中。传递滤光片优选地邻近样本放置，从而使返回到样本的入射光最大化，并使滤光片边缘附近的反向散射光的泄漏(escape)最小化。例如，如果滤光片的直径为"d"，则其可以优选地放置在相对样本一个直径距离d内，并且更优选为一半直径d/2内，或者还更优选为大约d/10的距离内。在实践中，可能优选的是，尽可能靠近地放置滤光片，从而例如接触样本。典型地讲，滤光片可以并行或近似并行于下面的样本表面。可以通过经由传递滤光片的反向透射来收集光，例如按照下面详细讨论的那样，利用具有覆盖了所关注光谱特征的透射区的滤光片来收集。另选的是，可以使用分离收集滤光片，其具有优选地排除了针对宽范围入射角的入射光波长的适当透射区。本发明可以被用于多种应用，如提供环绕要通过光谱分析来测试的制药片剂或其它对象的光学外壳，或者提供针对组织样本、或者针对人或动物对象的一部分的、借以引导入射光束的窗口。下面参照附图，仅通过示例的方式，对本发明的实施方式进行描述，图中图1示意性地例示了入射光束14通过传递滤光片30对样本10的照明，以及对用于光谱分析的散射光的收集；图2a和2b示出了两个示例性传递滤光片的透射特性；图3示出了窄带通介质过滤器在不同入射角下的透射特征的波长，作为与正入射下透射窗口的波长的比率；图4例示了更完整的光学外壳，放大了图1的光学外壳而包括了镜表面54和收集滤光片50;图5示出了示例性收集滤光片的透射特性；图6示出了其中入射光传递和收集使用同一滤光片的排布结构；图7a和7b示出了两个示例性组合传递/收集滤光片的透射特性；图8例示了通过在样本的同一侧上以两个分离间距来入射光束和收集光而对该样本进行照明；图9a和9b以俯视图的方式例示了设置在样本的同--侧上的传递和收集滤光片的另选构造；图10a到10d例示了用于将本发明应用至弯曲样本表面的排布结构；图lla例示了在为展示本发明而使用的数学模型中所用样本的几何结构；图lib到llf例示了图lla的样本周围的传递滤光片212、收集滤光片214以及反射表面216的排布结构；图12a和12b、13a、13b、14a以及14b示出了根据该数学模型中使用的滤光片和反射表面的各种构造以及相关增强因数而计算出的从图lla的样本涌现的拉曼散射光子的强度；图15例示了应用至图lla的模型样本的中央传递滤光片和周围环状收集区的几何结构；图16a和16b示出了利用图15的几何结构和相关增强因数而计算出的强度；图17示意性地示出了为展示本发明而使用的实验室光学排布结构；图18a和18b示出了利用图17的装置而测量出的拉曼光谱；而图19例示了具体实施本发明的光学传递装置。具体实施例方式参照图1，其示意性地示出了利用光谱学来确定漫散射或不透明样本10的特性的装置。尽管可以使用诸如红外吸收或荧光光谱的其它技术，但在这个具体实施例中，使用了透射拉曼光谱。激光器12形成激光入射光束(探测光束)14，该光束经传递光学装置16被朝向样本10引导。该光束进入样本，在该样本内散射之后，一些光子被收集光学装置18收集到。通过诸如光谱仪的检测器20来检测所收集光的一个或更多个光谱分量，并且通常可以将检测结果传递至计算机或其它分析仪装置22，进行数据存储和/或解释。具体来说，可以检测并分析在漫散射样本内无弹性地拉曼散射到不同波长的光子。对于许多应用来说，尤其是在散射横截面较小的拉曼光谱中，希望得到高探测光束强度以增大要检测的光谱分量的强度。然而，这可能导致样本受损。因此，一个另选方法是使用长曝光时间，尽管这出于其它原因而可能不切实际，例如，进行测量的可用时间可能较少，如在生产线上。改进收集的光谱信号的另一种选择是，使用更高横截面积的探测光束。在图1的实施例中，后一种选择已经与向样本传递宽直径光朿的传递光学装置一起使用，以增大总光束功率而不会过度增大光束强度。传递滤光片30靠近样本放置，甚至可以与样本接触，从而形成或部分地形成样本的至少部分光学外壳31或样本上方的光学盖子，并且探测光束通过该传递滤光片被引导至样本中。该滤光片具有允许探测光束穿过滤光片并进入样本中的透射特性，但其趋于阻挡从样本反向散射的探测光返回。相反，散射出样本的相当大的部分(例如，至少50%)的探测光被传递滤光片反射回样本中，由此，增大了样本内探测光的强度，从而增大了收集光中的要被检测的光谱分量的强度。优选的是，这种效果的实现仅伴随着因其最初穿过滤光片而导致的光束功率的最小縮减。传递滤光片的期望特性可以通过具有透射和/或反射特性的滤光片来提供，该透射和/或反射特性根据滤光片处的光的入射角而按波长频移，并且图2a示出了这种滤光片的示例特性。按正入射抵达滤光片处的光子的透射特性用实曲线40示出，其限定了一近似高斯透射窗口。在这个实施例中，该透射窗口的中央与探测激光42的波长一致，尽管严格上讲这不是必需的。对于更高的入射角来说，该透射窗口向更小波长移动，例如，如针对90度入射角的虚曲线44所示。从该图可以看出，对于更高的入射角，反向散射出样本并按比远离法线(normal)几度更大的入射角返回至传递滤光片的探测光将逐渐增加地反射回样本中，而非通过传递滤光片而透射出样本。利用图2b的短波长透射边缘滤光片可实现相同效果，伴随着边缘波长被匹配成在滤光片处按光束入射角透射探测光束波长的光，而反射更大入射角的相同探测光束波长的光。图2a的透射窗口常规上可以被称作探测光(或入射光)透射特征，其向远离探测波长的更短波长频移，从而增大入射角。针对该透射窗口的长波长侧的低透射区可以类似地被称作入射光反射特征。在图2b中，该透射特征通过透射窗口的长波长端来提供，而反射特征通过恰好超出边缘的低透射区来提供。传递滤光片的期望特征还可以根据位于入射光波长频带一侧的、靠近正入射并且位于入射光波长的大于入射角阈值(可以是10°、20°或取决于入射光波段的幅度、所使用滤光片的类型等的远离垂直线的其它角)的另一侧的透射边缘41特性来表达。为了使所述机制有效，必需使用校准或至少半校准的探测光束，从而在滤光片处具有比随后朝传递滤光片反向散射出样本的光束光子的平均入射角显著更小的平均入射角。典型地讲，在当前描述的实施例中，该光束光子应当具有小于大约IO度的平均入射角。要通过图1的排布结构检测并分析的、斯托克司(Stokes)频移的拉曼散射光谱特征的典型波长范围在图2a和2b中被示为虚线框46。可以看出，该滤光片特性具有阻挡拉曼散射光子并且优选地反射回样本中，随后由收集光学装置进行收集的附加益处。具有适当特性的传递滤光片可以通过多层介质滤光片(或者被称为薄膜干涉滤光片)来提供，具体来说是这种类型的窄带通滤光片。适当滤光片例如由Semrock公司制造，其信息可以在http:〃www.semrock.com上得到。可以使用catalogueMaxLine(RTM)Laser-Lin窄带通滤光片或短波长边缘通过滤光片。目前从Semrock公司可获的适当带通滤光片在接近325nm到1064nm的对应带通范围上具有大约1.2nm到4.0nm的带通宽度。多层介质滤光片的光谱频移作为入射角的函数可以根据下面的公式导出;i=20>^(sin@/"e#)2在这个公式中，；vo是正入射下滤光片的光谱特征的波长，而入是针对光子入射角0的特征的新波长，neff是有效折射率，它是滤光片介质/环境折射率(例如，空气)的折射率。该公式本身暗示了仅可能蓝移，因为平方根项总是小于或等于1。图3例示了A/Xo对于入射角的依赖性。该标绘图假定折射率为恒定值，设为1.45，其对应于800nm下熔融石英的折射率。环境介质假定为空气。根据上述公式，可以估计出，偏离碰撞光子的正入射而倾斜10度导致带通滤光片的中心波长频移达大约6nm。这足够远离针对典型窄带通滤光片的激光波长，从而导致这个角或更高角下从样本涌现的光子的反射而非透射。基于简单的几何学考虑，假定所有光子都在10度半角锥内碰撞滤光片，并且那些更大角下的光子被反射，于是仅大约1.5%的从样本各向同性涌现的光子会透射过滤光片，而剩余98.5%的光子将反射回样本中。这个计算反映了介质或类似滤光片中的吸收损耗非常低，使得透射部分T和反射部分R的相互关系为T+R-1。可以获得这样的滤光片，其匹配探测光束14的特定波长，在这种情况下，探测光束可以被引导按正入射或接近正入射通过传递滤光片。这样，反射从样本散射出的光的立体入射角就被最大化。然而，如果正入射下滤光片的中心透射波长小于探测光束波长，则该光束可以按非正入射在传递滤光片处被引导，以获得更好的波长匹配。这将趋于增大发生探测光透射的立体角，并且降低传递滤光片将散射光返回至样本的效率。图2a中示出了窄带通滤光片的特性。然而，可以使用具有其它特性的滤光片，诸如具有被放置成仅透射低入射角探测光的陡峭长波长边缘的光谱更宽的带通滤光片、按和图2b中所示相同的方式使用的短波长透射边缘滤光片，或具有类似效果的任何其它滤光片。在图1中，传递滤光片被例示为环绕样本的局部或完整光学外壳的局部或一部分。传递滤光片与样本的接近度很重要。为了有效，散射出样本的显著比例的探测光应当通过传递滤光片反射回到样本中。因为在上面给出的实施例中，反射量取决于入射角，所以该传递滤光片应当优选地不会比传递滤光片的直径或样本的尺寸(以更小的为准)进一步远离样本，并且更优选地，不会比这个距离的十分之一进一步远离。典型地讲，直达几mm的距离，例如小于5mm，可能是恰当的。图4例示了环绕图1的样本10设置的进一步放大的光学外壳。尽管未例示，但传递了激光束，并且按照与图1几乎一样的方式收集并分析光。主要差别在于，将更多光学部件靠近样本10添加至外壳31中，以便进一步增大该样本内探测光的强度，并且降低要检测并分析的那些光谱分量的损耗。在样本与收集光学装置之间设置了光学收集滤光片50。这个滤光片被选择成阻挡从样本涌现的朝向收集光学装置18的大部分探测光，并且优选地至少将这个探测光的相当一部分反射回到样本中。该滤光片还被选择成允许更长波长的散射光(具体来说，通过拉曼散射发生了斯托克司频移的光子)通过。图5中例示了收集滤光片的适当透射特性。应当看出，透射曲线在探测波长42与关注光谱波长46之间存在陡峭边缘，使得滤光片将探测光反射回到样本中，但允许拉曼散射光子通过。如果使用了具有随着入射角增大而向更小波长频移的特性的滤光片，则设计约束可能导致显著量的探测光以更高入射角穿过滤光片。收集光学装置中的另一滤光片(如窄频带陷波滤光片)可以被用于消除收集光中存在的原始波长的任何剩余光子。长波通过介电多层边缘滤光片可以被用作这种收集滤光片，例如，当前由Semrock公司制造的catalogueRazorEdge(RTM)滤光片。这种滤光片可获得从红外到紫外的波长范围的边缘，典型为100nm到1000nm的通带宽度，以及大约100cm"与500cm"之间的边缘跃迁宽度。当然，如果需要，可使用具有特别选定特性的滤光片。为了使将探测光子返回到样本中有效，在图5中特征化的收集滤光片的边缘必须处于比探测波长42明显更长的波长下，以准许该滤光片反射以很宽的角度范围(例如，探测波长上方1000cm"到2000cm"的区域中)抵达的探测光子。在实践中，对于要在将探测光子返回到样本中有效的收集滤光片来说，这可能限制了对于至少比探测波长更长的波长可检测的拉曼光谱特征的范围。图4所示的光学外壳31在光学上包括或连同环绕样本的一个或更多个光学反射镜表面54。不需要这些表面透射探测光或要收集的光，因而，应当使用在很宽的入射角范围上至少在探测波长和在要检测的光谱分量的波长处反射的部件。为了使腔效应最大化，传递和收集滤光片的尺寸可以被设计成，仅覆盖进行探测光传递和光收集所需的面积，而通过高反射反射表面来提供基本上所有的剩余外壳。借助图6-9b例示了利用本发明的一些另选实施方式和构造。在图6中，激光束14被传递至样本10的一部分或一个表面，并且从样本10的同一部分或同一表面收集光。为此，使用组合传递/收集滤光片52来向样本透射探测光束并且透射要通过检测器20和分析器22分析的光。组合16滤光片52按照和图1和3的实施例中的传递滤光片相同的方式接近或靠近样本放置，从而至少形成样本的光学外壳31的一部分。该外壳还可以呈现为针对样本的各个部分的反射或反射表面54，并且还可以包括分离收集滤光片。组合滤光片52具有允许想要进行检测和分析的光谱特征透射，同时将光的具有探测光束的波长的显著部分反射回样本中的特性。图7a和7b中呈现了适当滤光片的透射特性。图7a的滤光片组合了与探测波长42一致的窄透射窗口60(图中示为近似高斯形状)和低通边缘透射窗口62。在图7b中，陷波滤光片的反射特征阻挡了位于探测波长42与拉曼光谱特征区域46之间的区域中的波长。在这两种情况下，如上面已经描述的，随着入射角的增加，滤光片特性向更短波长频移，并且虚曲线示出了80度角的透射。可以看出，在所有角下，区域46中的斯托克司频移拉曼光谱特征都透射过滤光片从而被收集和分析。以远离正入射的角散射出样本并到达组合滤光片的探测波长光在很大程度上被反射回样本中。可以利用已知的薄膜干涉滤光片技术来构造具有与图7a和7b所示特性类似的适当特性的滤光片。也可以使用其它类型的滤光片构造和具有其它特性的滤光片，来实现组合传递/收集滤光片。还可以将这种滤光片仅用作传递滤光片，尽管拉曼频移光通过该滤光片会有不希望的损耗。尽管图1和4例示了在样本的相对侧传递和收集光的透射几何结构，并且图6例示了在同一或靠近隔开的区域中发生传递和收集的反射几何结构，但是也可以使用许多其它几何结构。图8中使用了单个组合传递/收集滤光片52。传递光学装置16引导探测激光束14穿过滤光片的第一区域而进入样本中，并且一个或更多个分离收集光学装置18收集透射过该滤光片的与第一区域间隔开的一个或更多个另外区域的光。如WO2006/061566中所述，可以将这种几何结构用于根据受控深度分布图来确定不透明样本的光谱特性。利用单个收集光学装置，分析器可以被设置成，如果预先知道根据深度来针对光谱特性进行选择，则拒绝表面光谱特征，而在利用多个收集光学装置时，可以利用与根据从传递区域起的收集距离的来自不同深度的希望贡献有关的假定来执行根据不同深度解巻积光谱特性。在图8的几何结构的变型中，在样本与收集光学装置之间使用了诸如结合图5讨论过的滤光片的一个或更多个专用收集滤光片。在图9a中，中央传递滤光片(d)被环形的同心收集滤光片(c)所包围。在图9b中，中央收集滤光片(c)被环形的同心传递滤光片(d)所包围。这种排布结构的收集和传递光学装置常规上可以包括例如在WO2006/061566中讨论的光纤束。很明显，可以使用多种其它几何结构。例如，可以省略传递滤光片或者收集滤光片，并且可以将各种连续和分段形状用于所述区域。适于用作所述传递滤光片的光学部件，尤其是介电多层滤光片很容易从市场上以平坦部件的形式买到。如上所述，希望将滤光片靠近样本的表面放置，以使滤光片对散射的入射光朝样本方向反射最大化。很明显，如果样本的位于传递滤光片的区域中的表面严重弯曲而非平坦，则可能降低本发明的效果。图10a到10d例示了其中可能减轻弯曲样本表面的其它负面影响的方式。图10a以横截面示出了具有弯曲表面的漫散射样本104。这种样本的一个例子可能是制药胶囊或片剂。如前面的图中所示，激光器100形成经传递光学装置106被朝向样本104引导的入射激光束102。图10a中未示出收集光学装置、检测器以及分析部件，但若需要当然可以给出。入射光束通过传递滤光片108而进入样本104，该传递滤光片本身是弯曲的，从而至少近似地匹配下面的样本104的表面。传递滤光片具有如上所述的光学特性，包括优先允许入射光束以靠近垂直该滤光片的角穿过，同时将以宽范围的角(例如，从垂直方向起超出大约10°)从样本涌现的具有相同波长的漫散射光反射回样本的特性。为了提供入射光束通过弯曲传递滤光片的最佳透射，传递光学装置106适于形成这样的光束，g卩，入射角靠近滤光片的表面的法线。对于凸状样本表面和传递滤光片来说，这可以通过恰当的凹透镜或适当形状的镜来实现。因为弯曲介电滤光片与平坦滤光片相比很可能较昂贵并且更难于获18取或制造，所以本发明希望适于用在弯曲样本表面上，同时仍利用平坦滤光片。在图10b中，这通过在样本表面与平坦传递滤光片112之间设置漫散射间隔体部件110来实现。该间隔体部件110例如可以包括诸如包含各向同性散射中心(如微米级尺寸化颗粒)的硅聚合物的弹性体。该间隔体部件110可以是刚性的或半刚性的，并且被整形成符合样本04的下面(underlying)曲率。另选的是，根据接近于样本的不严格形状或者诸如平坦表面的不同形状，该间隔体部件可以足够柔韧，从而符合样本104。利用可弹性变形的间隔体部件的优点在于，其可以严密地符合所抵靠的样本表面。这种排布结构的优点在于，因为仅需要校准入射光束，所以传递光学装置114不需要提供适当会聚或发散的光束。图10b的所述排布结构的变型是在间隔体部件110中包括各向异性散射特性，偏向于样本到滤光片散射方向。这例如可以通过包括混合有漫散射球状微米级尺寸颗粒的、在此方向延伸的光纤部件(如硅石光纤)来实现。图10c示出了利用外围反射导光表面116的用于使平坦传递滤光片112适应于弯曲样本104的另一排布结构。样本104的耍被传递滤光片112覆盖的表面为凸状，并且所得的滤光片与样本之间的间隙设置有外围反射导光表面，从而防止或减少从由此封闭的样本表面涌现的漫散射光的逃逸，并且将该光引导至传递滤光片，供反射回样本104。通常来讲，外围反射导光表面近似地垂直于传递滤光片，并且环绕滤光片与样本的要覆盖弯曲表面之间的空间的圆周而延伸。这种外围反射导光体(guide)在提供改进的接合方面是有利的，且不会变形，或适于包括平坦表面在内的许多样本表面曲率。图10d例示了对图10b和10c的方式进行组合的排布结构，且为所述间隔体部件100设置了环绕其外围的所述反射导光表面116。数字模型在Matousek,R等人的AppliedSpectroscopy59，1485(2005)中描述的数字模型被用于展示上述光学外壳31的效果。简要地说，在弹性散射探测光束光子和非弹性散射(例如，拉曼散射)在三维空间中以随机漫游状方式传播而通过模型化介质时对它们进行单独跟踪(follow)。进行了简化假定，即，在每一步长(step)中，光子沿直线传播距离t,此后其方向在下一个散射事件中被完全随机化。这从通常朝前方强烈偏置的单独散射事件的观点来看，稍微过于简单化。然而，对于如这里关注的大量散射事件来说，这种简化随着恰当选定的随机化长度而无可非议。传播距离t(光子方向被随机化的传播距离)可以粗略地近似为散射介质的传输长度(transportlength)lt，其被定义为光子在显著偏离它们的原始传播方向之前必须在样本内行进的平均距离。如图11a所示，该模型考虑样本200为半径6mm的短圆柱体形状的均匀不透明介质。将第一空气介质界面202定位在z-0的顶部圆形农而处，其中，z是垂直于该界面平面的笛卡尔坐标。其他样本/空气界面按位置z=d存在于样本的相对圆形表面204处，并且在样本的圆柱侧壁206上，其中d是样本厚度。在多次仿真(simulation)之间改变样本厚度d，以0.5mm步长从0.5mm变到6mm。本模型假定所有探测光子都首先位于等于传输长度It的深度处，并且环绕坐标系统x、y的原点对称地分布。入射光的探测光束208的半径为F3mm，该光束具有均匀的强度，并且具有平坦的、"顶帽(top-hat)"强度分布，并且所有光子都具有相等的在光束横截面内的任何点处入射到样本中的概率。在Mathematica5.0(WolframResearch)中写入数值代码。100000个光子被分离地传播，每一个都跨过400mm(2000步长)的总距离，其在拉曼光谱中符合所观察的迁移次数。如果在这个传播距离内没朽从介质检测到或者丢失，则假定光子被介质本身吸收，这可能是存在极弱吸收(每40cmOD1)的情况。导致探测光子转变成拉曼光子的光密度被设置成每1000mm1个。尽管这个值高于真实转换的值，但其仅影响拉曼光子的绝对数量，而在研究时段中并不明显影响所关注的空间相关性，并且通过上下改变这个值来进行校验。所用步长为t-0.2mm。这分别对应于各向异性为0.9和0.95的直径为10和20(im的粉状颗粒尺寸。重复计算10次，对在这些重复运行中检测到的拉曼光子进行求和。本模型假定两个不同的收集几何结构。在第一种几何机构中，随着探测光束进入，在顶部样本表面处从样本表面上的同一区域210收集光(反向散射几何结构)。在第二种几何结构中，从环绕探测光束的投影轴中心化的叠合(congruent)区域211、从样本的相对表面收集光(透射几何结构)。本模型计算首先针对假定没有滤光片或可反射部件的透射和反向散射几何结构两者来执行。接着，利用如图llb-llf所示的特定光学外壳部件来执行透射几何结构计算。在图lib中，通过从上方透射所有探测光子而从下方反射95%探测和拉曼光子的带通滤光片来提供传递滤光片212。该传递滤光片靠近样本的上表面202放置，覆盖了整个表面。在图llc中，通过透射所有拉曼光子并将95%激光光子反射回不透明介质中的边缘滤光器来提供收集滤光片214。该收集滤光片放置在样本的下表面204处，并且上表面处不存在传递滤光片。在图lld中，设置了传递滤光片212，并且样本的侧壁206被100%反射性外壳216包围，以将探测波长和拉曼散射光子都返回到样本中，但没有使用收集滤光片。在图lie中，存在传递滤光片212和收集滤光片214，在图lle中，存在包括侧壁反射反射部件的全部三个组件。图12a和13a中示出了针对图llb-llf的各种透射几何结构的蒙特卡罗(MonteCarlo)仿真的结果，其中，纵坐标表示在收集区域210或21处收集到的拉曼散射光子的计数，而橫坐标表示样本的不同厚度。在图12a中，曲线220是根据未使用光学外壳部件的透射几何结构而获得的。曲线222是根据使用了同样没有外壳部件的反向散射几何结构而获得的。对于裸4mm厚样本(这是制药片剂的典型厚度)来说，反向散射几何结构中的信号比透射模式的信号大约高3倍。反向散射模式的信号随着样本厚度的增大而单调上升，这是先前通过实验观察到的行为。对于透射几何结构来说，信号强度最初因可用于将光子变换成拉曼光子的光子路径较大而随着片剂厚度在增大，但超出大约3mm时该信号开始减弱，归因于增大的侧向光子传输的影响导致更多光子错过了收集孔径。排布结构一起使用的透射几何结构而获得的，且探测光束通过传递滤光片212而进入样本中。对于4mm厚的样本来说，本模型利用大约9.4的因数来预测在相对面收集到的透射拉曼信号的增强作用(enhancements有趣的是，对于未包围的样本来说，这个信号级别甚至显著超出了反向散射拉曼信号的信号级别。在图12b中，将有和没有传递滤光片(224、222)的透射几何结构曲线的比率标绘为"增强因数"224'，其位于跨过lmm以上的大部分厚度范围的大约8与IO之间。在图13a中，曲线220仍然表示在没有光学外壳部件的透射几何结构中收集到的拉曼散射光子。曲线230是根据增加了收集滤光片214但没有传递滤光片212(如图llc所示)的几何结构而获得的。如图13b屮的对应增强因数曲线230'所示，收集滤光片本身引起大约两倍的检测拉曼光子。如所希望的那样，与单独使用传递滤光片相比，这是非常弱的效应，因为在不存在任何外壳部件时最大光子损耗位于探测光束的输入点处。示出图12a的传递滤光片曲线224是为了比较，并且利用如图lld所示的附加镜侧壁镜部件而实现的检测拉曼强度的适度增大被示为曲线234(并且被示为图13b中的增强因数曲线234')。对于直径减小或厚度增加的样本对象200来说，侧壁镜外壳将提供更大的增强效果。曲线238针对的是图lie的构造，其中使用了传递和收集滤光片，但没有反射侧壁部件。图13b中标绘了增强因数238'，对于最小0.5mm厚的样本来说，该增强因数238'大约为27.5，在4mm处持续降落至大约14.6，而对于仅6mm厚的传递滤光片来说，下降至大约10，仍高于曲线224'。最后，曲线242例示了图llf的排布结构的情况，其中，传递滤光片、收集滤光片以及侧壁镜部件这三个全部都被使用，并且随着样本厚度增加，增强因数242'比曲线238'降落得更慢，在6mm厚度处下降至大约12的因数。综上，对于较厚的样本来说，唯一最有益的外壳部件是传递滤光片。对于较薄的样本来说，利用收集滤光片的额外益处非常显著，但随着到达样本的远侧的探测光子的比例减少，该附加益处随着样本厚度的增大而减小。图14a中示出了针对反向散射几何结构的蒙特卡罗仿真的结果。图12a中已经示出了表示没有使用光学外壳部件的、从样本的上表面涌现出的拉曼光子的计数的曲线222。曲线248针对的是相同的反向散射几何结构，不过在样本的顶表面放置了组合传递/收集滤光片。因此，这个排布结构除了滤光片被限定为允许所有拉曼散射光子退出，同时将95%的探测光子返回到样本中之外，其余部分都和图lla相同。图7a和7b示出了可用于实现这个或类似性能的滤光片特性。对于4mm厚的样本来说，曲线222的裸样本结果上的增强因数大约为5.6，如图14b的增强因数曲线248'所示。在上面图5的讨论中提到了在阻挡大部分散射探测光子的同时利用具有使拉曼散射光子通过的边缘特性的滤光片的折衷方案。实质上，边缘必须足够远得超出探测波长，从而反射以较浅角入射的散射探测光子，而不会阻挡期望的拉曼波长光子。已经针对830nm的探测波长和位于(针对正入射)探测波长与拉曼波长之间的边缘特性的、具有图3的频率依赖性的介电滤光片，计算了4mm厚样本的增强因数。对于超过探测波长的位于1000cm"、2000cm"以及3000cm"中的每一处的边缘来说，该增强因数被计算为1.8、2.8以及4.3。在另一个蒙特卡罗实验中，使用了图15的样本排布结构。圆柱样本206和图lla的样本相同。传递滤光片260靠近上表面放置，但仅覆盖以直径1mm的探测光束淀积区262为中心的直径为4mm的中央圆形界面区。传递滤光片260的特征在于将可能会逃逸的95%的探测和拉曼散射光子反射回样本中。在以探测光束淀积区262为中心的内径为6mm外径为8mm的环形收集区264中，对从样本的上表面涌现的拉曼散射光子进行计数。在图16a中，将针对多种厚度的样本200的通过环形收集区264涌现的拉曼光子的计数表示为曲线266。将针对相应实验但省略了传递滤光片260的计数表示为曲线268。在图16b中，这些曲线的比率被示为增强因数，表示了针对多种样本厚度利用传递滤光片的益处(曲线270)。对于4mm厚样本来说，增强因数为6.7。图15的构造与已经结合图9a讨论的构造类似。在针对图15的构造的一个另选例中，环形传递滤光片和淀积区可以包围中央收集区。例如在WO2006/061566中讨论了此处描述的传递和收集滤光片部件可以应用到的多种其它传递和收集几何结构，此处通过引用并入其内容。还利用了图17示意性例示的装置在实验室进行实验来展示本发明。针对工作在827nm的拉曼光谱，利用衰减115mW的温度稳态二极管激光器300来生成探测光束304(microLaserSystems公司，L4830S陽115陽TE)。通过利用两个830nm带通滤光片302(Semrock)从该光束的光谱中去除所有残留的放大自发发射分量，来对该光束进行光谱净化。它们稍微倾斜，以便优化对于827nm激光波长的吞吐量。通过直径12.8mm厚度3.8mm的标准扑热息痛片剂来提供样本306，按探测光束在穿过相邻传递滤光片之后垂直入射在该片剂的圆形面的中央处的方式来布置该片剂。样本处的激光功率为50mW，激光光斑直径为4mm。光束在样本处水平偏振。利用焦距60mm直径50mm的透镜310从样本的相对侧收集拉曼光。散射光被校准并且穿过直径50mm的全息陷波滤光片312(830nm，KaiserOpticalSystems公司)以抑制光的弹性散射分量。该滤光片也稍微倾斜以优化827nm处的抑制。与第一透镜相同的第二透镜被用于将样本收集区按1:1的倍率成像到由22个活动光纤所制成的光纤探针320的前面上。各个光纤都由纤心直径220pm的硅、直径240Mm的掺杂硅覆层以及直径265pm的聚酰亚胺涂层制成。光纤数值孔径为0.37。该光纤束由CeramOptecIndustries公司定制而成。光纤束长度大约为2m并且在输出端部处，这些光纤被排列成垂直取向的直线形状并且放置在KaiserOpticalTechnologiesHolospec1.8iNIR光谱仪322的输入像平面中。通过垂直地将整个芯片装箱，利用NIR反向照明深度损耗TE冷却的CCD摄像机324(AndorTechnology,DU420A-BR-DD，1024x256像素)来收集拉曼光谱。针对检测系统灵敏度在光谱范围上的变化来说，不需要校正光谱。放置在样本上的激光光束淀积区上的传递滤光片308是以830nm为中心、带宽32nm、直径25mm的Semrock介电带通滤光片'(LL01-830-25，MaxLineLaser-lineFilter)。通过向样本306处的入射光束引入小倾斜来补偿激光波长(827nm)与滤光片波长之间的微小失配。尽管这种失配在一定程度上降低了传递滤光片部件的效率，但拉曼光仍表现出显著的增强。图18a中在与激光频率不同的波长范围上标绘了来自利用上述排布结构的CCD摄像机324的原始光子计数数据。下曲线350表示省略了传递滤光片308的实验，而上曲线352表示传递滤光片放在适当位置的情况，在每一种情况下，都曝光相同时间10秒钟。图18b中示出了相同的数据，但曲线350的垂直比例放大了6.5倍的因数。可以看出，通过额外使用跨越整个光谱范围的传递滤光片实现了大约6.5的均衡增强因数。实验增强作用要小于针对相应数值蒙特卡罗实验而得到的9.4的值，但这可以容易地解释模型化样本与真实样本之间散射长度的差异，以及激光波长与传递滤光片波长之间的微小失配。尽管如此，增强因数仍然非常高。重要的是，增强作用在随后靠近片剂重新安装传递滤光片时表现出了良好的再现性，在滤光片被放在适当位置时观察不到临时波动。而且，增强作用在测得的拉曼光谱上是均匀的，这在涉及其中光谱模式充当标识多个单独分量的手段的复杂分析以及确定相关浓度的应用中可能是重要的。尽管利用其中需要样本的拉曼光谱的实施方式对本发明进行了总体上的例示，但本发明可以更一般地应用于其中需要将入射光保留在散射介质内的任何情况。例如，在一些实施方式中，不需要对散射光进行收集或分析。图19例示了用于将利用激光器382生成的光传递到人类或动物患者384中的光学头380，例如，来触发涉及引入到患者体内的物质的化学反应，如在各种光动力疗法中所已知的。结合校准仪388'靠近患者的表面来使用传递滤光片386,优先地保留了引入到患者体内的光，从而允许使用极低的激光功率。特定应用是在诸如光热癌症疗法的光-热疗法(其中将电磁辐射传递至包含吸收体的组织)。在最近的研究中，将近红外辐射传递至包含恰当形成的纳米级颗粒的组织中，例如，参见Gobinetal.，NanoLett.，7(7),1929-1934,2007。本发明提供了一种通过将辐射(典型为激光辐射)通过如在此描述的传递滤光片引导至组织中来执行光热疗法的改进方法，由此增大组织内的辐射强度，而不需要增加入射光束的功率。其它应用包括NIR吸收或荧光X线体层照相术和光谱学。漫散射样本例如可以被限定为这样的样本，即，在该样本内，相关入射光的光子的散射事件之间的典型路径长度远小于样本的尺寸，例如，至少10倍，并且更优选为比样本的特性尺寸(如，沿入射光束的轴的厚度)至少小几百倍，使得入射光束的引导结构非常快速地损耗。在不脱离后附权利要求书所限定的本发明的范围的情况下，可以对上述实施方式进行多种改变和修改。权利要求1、一种将入射光的光束引导至漫散射样本中的方法，该方法包括以下步骤邻近该样本来放置传递滤光片，该传递滤光片具有使得所述入射光的反射取决于所述光在该滤光片处的入射角的特性；以及引导所述入射光的光束以入射光束角通过该传递滤光片，并且到达该样本，使得反向漫散射出该样本并抵达该传递滤光片的入射光优先被该滤光片反射回该样本。2、根据权利要求1所述的方法，其中，所述入射光具有预定波长，并且所述传递滤光片适于在具有所述预定波长的光以较浅的入射角入射时更强烈地对其进行反射。3、根据权利要求1或2所述方法，其中，所述传递滤光片对所述入射光的反射在比所述光束角更高的入射角处增加。4、根据权利要求l、2或3所述的方法，其中，所述滤光片特性具有在入射光束角处与入射光的波长一致，但对于增大的入射角向更短波长频移的入射光透射特征。5、根据权利要求l、2或3所述的方法，其中，所述滤光片特件-A有在入射光束角处比入射光束的波长更长，而在较高入射角下向更短波长频移以覆盖光束波长的入射光反射特征。6、根据权利要求1到5中的任一项所述的方法，其中，对所述传递滤光片处的光束进行校准或半校准。7、根据权利要求1到6中的任一项所述的方法，其中，所述传递滤光片是多层介电滤光片。8、根据权利要求1到6中的任一项所述的方法，其中，所述传递滤光片是全息滤光片。9、根据权利要求1到8中的任一项所述的方法，其中，所述传递滤光片与所述样本隔开了小于所述样本处的入射光束的直径的距离。10、根据权利要求1到9中的任一项所述的方法，其中，所述传递滤光片与所述样本隔开了小于所述传递滤光片的直径的距离。11、根据权利要求1到10中的任一项所述的方法，其中，所述传递滤光片与所述样本隔开了小于所述样本的直径的距离。12、根据任一前述权利要求所述的方法，其中，所述传递滤光片被弯曲从而变得符合被所述滤光片覆盖的所述样本的弯曲表面。13、根据权利要求1到11中的任一项所述的方法，该方法还包括以下步骤在所述样本的要覆盖的表面与所述传递滤光片之间设置漫散射间隔体部件。14、根据权利要求13所述的方法，其中，所述间隔体部件可变形，从而适应所述样本的弯曲表面。15、根据权利要求13或14所述的方法，其中，所述间隔体部件具有各向异性散射特性。16、根据任一前述权利要求所述的方法，该方法还包括以下步骤设置围绕所述传递滤光片与所述样本的被覆盖表面之间的空间的外围反射导光体，从而保留漫散射光，否则它们就会在被覆盖区域的边缘逃逸。17、根据权利要求1到16中的任一项所述的方法，该方法还包括以下步骤收集散射出所述样本的光，并分析所述光以检测所述收集光的一个或更多个光谱特征。18、根据权利要求17所述的方法，其中，所述一个或更多个光谱特征是拉曼散射特征。19、根据权利要求17或18所述的方法，其中，所收集的光是在从所述样本散射开并通过所述传递滤光片之后被收集的。20、根据权利要求17或18所述的方法，其中，所收集的光是在从所述样本散射开并通过与所述传递滤光片分离开的收集滤光片之后被收集的。21、一种用于增强漫散射样本内的入射光强度的光学外壳，该光学外壳包括传递滤光片，通过所述传递滤光片将所述入射光的光束以与相对于所述滤光片入射的光束角弓I导至所述样本，所述传递滤光片具有使得所述入射光的反射随着入射角远离所述入射光束角而增加的特性，使得从所述样本漫散射的入射光优先被所述传递滤光片反射回所述样本中。22、根据权利要求21所述的光学外壳，其中，所述传递滤光片的所述特性使得所述入射光的反射按增加的入射角增加。23、根据权利要求21或22所述的光学外壳，其中，所述传递滤光片的所述特性包括针对较高的入射角向比所述入射光更短的波长频移的透射区。24、根据权利要求21到23中的任一项所述的光学外壳，其屮，所传递滤光片具有较短的波长透射边缘特征，所述边缘特征的波长随有入射角的增大而向较短的波长频移，使得入射光以所述入射光束角透射，而在较高入射角的范围内显著地反射。25、根据权利要求21到23中的任一项所述的光学外壳，其中，所述传递滤光片是带通滤光片，该带通滤光片具有与入射光的所述光束的波长和光束入射角相匹配的带通波长区。26、根据权利要求21到23中的任一项所述的光学外壳，其中，所述传递滤光片是具有阻挡波长区的陷波滤光片，所述阻挡区波长被匹配成阻挡处于比入射光的所述光束的入射角更大的光束角范围内的入射光。27、根据权利要求21到26中的任一项所述的光学外壳，其中，所述传递滤光片邻近所述样本。28、根据权利要求27所述的光学外壳，其中，所述传递滤光片与所述样本隔开小于所述样本的直径的距离。29、根据权利要求21到28中的任一项所述的光学外壳，其屮，所述传递滤光片被弯曲从而符合要被所述滤光片覆盖的弯曲样本表面。30、根据权利要求21到28中的任一项所述的光学外壳，该光学外壳还包括设置在所述传递滤光片与所述样本的弯曲表面之间的漫散射间隔体部件。31、根据权利要求30所述的光学外壳，其中，所述间隔体部件可变形从而适于所述样本的弯曲表面。32、根据权利要求30或31所述的光学外壳，其中，所述间隔体部件具有各向异性散射特性。33、根据权利要求21到32中的任一项所述的光学外壳，该光学外壳还包括包围所述传递滤光片与所述样本的要覆盖表面之间的空间的外围反射导光体，从而保留漫散射光，否则它们就会在所述样本与所述滤光片之间损耗。34、根据权利要求21到33中的任一项所述的光学外壳，该光学外壳被设置成，使得所述传递滤光片将从所述样本散射出来并到达所述滤光片的入射光的至少50%朝向所述样本反射回去。35、根据权利要求21到34中的任一项所述的光学外壳，其屮，所述传递滤光片是介电多层滤光片或全息滤光片。36、根据权利要求21到35中的任一项所述的光学外壳，该光？外壳还包括收集滤光片，该收集滤光片将散射出所述样本的入射光朝所述样本反射回去，而透射具有与所述入射光不同的波长的光谱特征。37、根据权利要求36所述的光学外壳，其中，要检测的光谱特征是向比所述漫散射样本的入射光更长的波长作斯托克司频移的拉曼光谱特征。38、根据权利要求36或37所述的光学外壳，其中，所述收集滤光片包括长波长带通滤光片，该长波长带通滤光片具有位于所述入射光的波长与要检测的光谱特征之间的边缘。39、根据权利要求21到35中的任一项所述的光学外壳，其中，所述传递滤光片的特性还包括被匹配成透射要检测的光谱特征的透射特征。40、根据权利要求21到39中的任一项所述的光学外壳，该光学外壳还包括跨越所述样本的没有被所述传递滤光片覆盖的部分而设置的--个或更多个镜表面，以将散射出所述样本的光反射回所述样本中。41、一种用于检测漫散射样本的光谱特征的装置，该装置包括根据权利要求16到40中的任一项所述的光学外壳；适于形成所述入射光光束的入射光源；被设置用于引导所述入射光光束通过所述传递滤光片到达所述样本的传递光学装置；被设置用于收集从所述样本散射的光的收集光学装置；被设置用于检测所收集的光的一个或更多个光谱特性的检测器。42、一种用于检测来自漫散射样本的一个或更多个光谱特征的装置，该装置包括传递滤光片，所述传递滤光片被设置成允许入射光光束以入射的入射光束角经过而到达所述样本，其特征在于，所述传递滤光片是多层介电滤光片，所述多层介电滤光片具有在所述入射角处与入射光束的波长一致，但在较高的入射角处向较短的波长频移的透射特性，使得所述滤光片优先将从所述样本漫散射出的入射光朝所述样本反射回去。43、根据权利要求42所述的装置，该装置被设置成，使得从所述样本反向散射而到达所述传递滤光片的入射光的至少50%被朝向所述样本反射回去。44、根据权利要求42或43所述的装置，其中，所述传递滤光片放置在相距所述样本小于所述滤光片的直径的距离内。45、根据权利要求42到44中的任一项所述的装置，其中，所述入射光束具有光束直径，并且所述传递滤光片放置在距离所述样本小于所述入射光束直径的距离内。46、根据权利要求42到45中的任一项所述的装置，其中，所述传递滤光片被设置成覆盖所述样本的某一区域。47、一种对漫散射样本进行照明的方法，该方法包括以下步骤利用传递滤光片覆盖所述样本的某一区域；以及引导具有预定波长的校准光的光束通过所述传递滤光片而进入所述样本中，其中，所述传递滤光片适于优先将漫散射出样本的所述区域的A有所述预定波长的光朝向所述样本反射回去。48、根据权利要求47所述的方法，其中，所述传递滤光片具有在较浅的入射角处向较短波长频移的透射特性和/或反射特性。49、根据权利要求47或48所述的方法，其中，所述传递滤光片特性具有在第一入射角范围内与所述预定波长一致，而在第二入射角范围内远离所述预定波长地进行频移的透射区。50、根据权利要求47、48或49所述的方法，其中，所述传递滤光片特性具有在大致正入射角处与所述预定波长一致的透射区。51、一种收集来自以入射波长的光进行照明的漫散射样本的光谱发生了改变的光的方法，该方法包括以下步骤利用收集滤光片覆盖所述样本的某一区域；以及通过所述收集滤光片来收集所述光谱发生了改变的光，其中，所述收集滤光片适于将漫散射出样本的所述区域的具有所述入射波长的光反射回所述样本，并且优先允许所述光谱发生了改变的光通过。全文摘要本发明提供了一种增大漫散射样本中的探测光的照明强度而不需要增大探测光束的功率的技术。一般来说，使用光学滤光片，其准许校准的探测光光束穿过样本，但其使以较宽范围的角涌现的绝大部分反向散射的探测光朝向样本反射回来。在特定实施方式中，将校准激光光束通过覆盖了样本的某一部分的多层介电滤光片而传递至样本。该滤光片在正入射方向对于激光是透射性的，但在反向散射光的较浅入射特性角处是反射性的。文档编号G01N21/65GK101657716SQ200880012206公开日2010年2月24日申请日期2008年3月14日优先权日2007年3月15日发明者帕维尔·马陶谢克申请人:科学技术设备委员会