专利名称：成分分析的制作方法
一般地，分析装置(比如光谱分析装置)用于探查要检查的对象的成分。具体地说，该分析装置基于对象的物质与入射的电磁辐射比如可见光、红外线或紫外线辐射的相互作用进行分析比如光谱分解。
本发明涉及分析装置，具体地说涉及这样的光谱分析装置，包括-发射激励束(exb)以在激励周期中激励目标区的激励系统(exs)-发射监测束(irb)以在监测周期中对目标区进行成像的监测系统(lso)。
这种分析装置公开在美国专利US6 069 690中。
公知的分析装置涉及双模式集成激光成像和光谱分析系统，这种分析系统用于查看并分析在工件(比如半导体晶片)上的缺陷。这种公知的分析装置具有两个工作模式，即扫描成像模式和停止扫描光谱分析模式。在扫描成像模式中发射呈激光束形式的监测束并对目标区进行成像。与成像不同的是，在停止扫描模式中，应用激光束进行激励并实施光谱分析。然而，公知的分析装置仅适合于静止目标的分析。
本发明的一个目的是提供一种能够精确分析在空间上移动的目标区的分析装置。
根据本发明通过这样的一种分析装置实现上述目的，在这种分析装置中监测周期和激励周期基本重叠，并且该分析装置具有跟踪系统(osc，dcu)以控制激励系统以将激励束导引到目标区上。
本发明的分析装置具有跟踪系统，该跟踪系统特别地控制激励系统以便如果目标区移动则仍然保持激励束导引到目标区上。具体地说跟踪系统将激励束的聚焦保持在目标区上。因此，在目标区移动的同时继续激励目标区，并且通过激励束也产生散射辐射。因此，在本发明的分析装置继续光谱分析的同时可以跟踪运动细节。因此即使在存在有争论的细节的可感知的运动时，仍然可以在时间上使光谱数据的采集一体化。通过积分可以提高光谱数据的信号噪声比。本发明的分析装置特别适合于在患者的皮肤血管中执行体内血液的喇曼(Raman)光谱分析。患者的脉动血流或患者的肌肉运动使血管运动，并由此在由监测束所形成的图像中再现血管的运动。特别是在患者皮肤的表面下的毛细血管可产生可感知的运动。
可取的是，跟踪系统也控制监测系统，特别是跟踪系统控制监测束在目标区上的聚焦。在激励周期和监测周期重叠的期间中，目标区的激励和目标区的监测同时地和/或交替地产生。因为目标区与激励区一起成像，所以形成显示目标区和激励区的图像。基于这种图像激励束可以非常精确地命中目标区。因此，激励束产生了几乎专用于在目标区中的散射辐射，因为至少目标区包括(或部分包括)在由激励束所激励的区域中。检测来自目标区的散射辐射，并从散射辐射中得出目标区的成分。因为监测束连续地聚焦在在空间上运动的目标区上，所以即使对于运动目标(比如在皮肤的表面下的毛细血管)也可以连续地对目标区进行成像和监测。
导引激励束和/或监测束包括这些束的空间方位的控制和这些束聚焦的位置的控制。正如参考详细实施例所解释，不同的光学设置都适合于执行这种控制。
更为可取的是，通过跟踪系统监测束和激励束可被控制导引到目标区上。在这种优选实施例中，在目标区运动并且同时通过激励束激励目标区的同时保持将监测束导引到正在成像的目标区上。
在本发明的分析装置的优选装置中，运动检测系统确定目标区的运动并产生表示该运动的误差信号。将误差信号施加到跟踪系统并基于该误差信号该跟踪系统控制激励系统和/或监测系统。
运动检测系统有不同的实施例。例如，将运动检测系统设置成接收目标区的一系列连续图像。这些图像优选包括目标区的一些环境。通常通过监测系统提供图像，该监测系统通过监测束对目标区进行成像。从连续的图像中运动检测系统得出目标的运动。最后应用图像处理算法，这种算法从它在连续图像中的不同于在图像中的环境的亮度和/或它的形状自动地检测目标区。
在另一实例中运动检测系统接收由激励束所产生的散射辐射。在许多应用中，特别是比如毛细血管的喇曼光谱，散射辐射的强度或谱线形状相对于它的周围环境与目标区根本不同。具体地说，在目标区中从血管中预先选择的波数区中的喇曼散射与来自下一血管的皮肤组织的喇曼散射相比显著不同。在该分析装置的本实施例中，运动检测系统从(特别是喇曼)散射辐射的强度中得出误差信号。特别是，设置运动检测系统以将散射辐射的强度与参考值进行连续比较以获得误差信号。然后将误差信号用作到跟踪系统的反馈以控制激励束和/或监测束以保持误差信号电平的恒定值或将误差信号的信号电平保持在预定界限内，因此将散射辐射的强度保持在稳定的电平，这种稳定电平特别使激励束仍然保持导引到目标区上。
在进一步的优选实施例中本发明的分析装置提供一种深度设置系统以控制监测束的聚焦深度和/或激励束。正如相对于详细实施例所解释，可运用不同的光学装置以控制这些束的聚焦深度。在优选的实施例中设定深度设置系统以改变监测束在目标区上的入射角度。结果，在由监测系统所形成的图像中在监测束的焦点上的对象是静止的，而在监测束的焦点之外的对象的任何图像由于视差的缘故受到视在运动的影响。在对目标进行成像时，基于各种方位的成像测定它的深度并观察它的视在运动。然后在目标区的深度上精确地对激励束进行聚焦。在本发明的分析装置应用到患者皮肤的的皮肤表面下的血管的喇曼光谱中，控制监测和/或激励束的焦点深度特别有利。
本发明也涉及对象的光谱非侵入式分析方法。在权利要求9中定义了根据本发明的方法。这种方法特别有利于体内血液的光谱非侵入式分析。
参考在从属权利要求中定义的实施例进一步详细描述本发明的这些和其它方面，其中参考在此所描述的实施例以及参考附图阐述本发明这些和其它方面。
附
图1所示为根据本发明的分析系统的示意图，附图2所示为附图1的分析系统的跟踪系统的优选实施例的详细示意图，附图3所示为附图1的分析系统的跟踪系统的另一优选实施例的详细示意图，附图4所示为附图1的分析系统的跟踪系统的另一优选实施例的详细示意图，附图5所示为附图1的分析系统的跟踪系统的另一优选实施例的详细示意图，附图1所示为根据本发明的分析系统的示意图。分析系统包括并入了光源(ls)的监测系统，该监测系统具有光学成像系统(lso)以形成要检查的对象(obj)的光学图像。光学成像系统(lso)形成了共焦视频显微镜。在本实例中对象是要检查的患者的前臂的一片皮肤。分析系统例如也包括用于通过多光子或非线性光学处理在对象(obj)中所产生的光线的光谱分析的多光子非线性或弹性或非弹性的散射光学检测系统(ods)。在附图1中所示的实例具体利用以喇曼光谱仪形式的非弹性喇曼散射检测系统(dsy)。术语“光”不仅包括可见光而且还包括紫外辐射和红外线特别是近红外线辐射。
光学成像系统(lso)的光源的光源(ls)由834纳米AlGaAs半导体激光器形成，这种半导体激光器在要检查的对象(即皮肤)上的输出功率达15毫瓦。通过在出口焦点上的光学成像系统将834纳米半导体激光器的红外监测束(irb)聚焦在焦点平面上或对象(obj)上。光学成像系统包括偏振分束器(pbs)、旋转反射多面棱镜(pgn)、透镜(11，12)、扫描镜(smm)和显微镜物镜(mo)。通过旋转该多面棱镜(pgn)并移动扫描镜，聚焦的监测束(irb)在焦点平面上移动。半导体激光器的射出面(ls)位于入口焦点上。半导体激光器也能够照亮在入口焦点上的入口针孔。光学成像系统通过偏振分束器(pbs)将从焦点平面上反射的光作为反射束传导到雪崩二极管(apd)。此外，在显微镜物镜(mo)的前面设置1/4λ-波片以使反射束的偏振垂直于监测束的偏振。偏振分束器(pbs)因此从监测束中分离反射束。光学显示单元利用雪崩二极管的输出信号以形成在要检查的对象中或之上的焦点平面的图像(img)，所说的图像显示在监测器上。在实际中光学显示单元是一种工作站，借助于工作站的处理器通过从雪崩二极管的输出信号中得到的电子视频信号实现这种图像。这种图像用于监测光谱分析，特别是激励目标区以使激励区落在目标区上并从目标区中接收散射辐射。
喇曼光谱仪(ods)包括激励系统(exs)，在这种情况下这种激励系统被构造为产生850纳米的红外线光束(exb)形式的激励束的Ar-ion/Ti-蓝宝石激光器。以Ar-ion激光器光学泵浦Ti-蓝宝石激光器。通过光学滤光器(of)抑制Ar-ion激光器的光。反射镜系统将激励束传导到光学耦合单元(oc)，而光学耦合单元将激励束沿着监测束(irb)传导，在这之后在监测束的焦点区域的焦点平面上显微镜物镜对它进行聚焦。
光学耦合单元(oc)具有束组合单元的作用。光学耦合单元沿着显微镜物镜的主光轴传导激励束，即通过光学耦合单元(oc)从目标区反射到光纤(fbr)的入口。通过显微镜物镜(mo)和在光纤入口(fbr-i)的前面的透镜(13)将喇曼散射的红外光聚焦在检测针孔中的光纤入口中。光纤入口本身起检测针孔的作用。光学成像系统在存在半导体激光(ls)的入口焦点、在要检测的对象(obj)的细部的面积上的出口焦点和在光纤入口(fbr-i)中的检测焦点之间建立了共焦关系。通过CDD检测器(CCD)将光纤(fbr)连接到分光计(spm)的输入中。具有CCD检测器的分光计并入在检测器系统(dsy)中，这个系统记录波长小于约1050纳米的波长的喇曼光谱。具有CCD检测器的分光计的输出信号表示喇曼散射的红外光的喇曼光谱。在实际中这种喇曼光谱根据激励波长的不同产生在超过730纳米或超过860纳米的波长范围中。CCD检测器的信号输出连接到光谱显示单元(spd)，例如在监视器上显示所记录的喇曼光谱(spct)的工作站。
光学耦合单元(oc)包括部分反射板(gp2)和校正板(gp1)。这些部分反射和校正板例如是厚度为1.5毫米的玻璃板，将它们与监测束和激励束的平面横向(优选垂直地)设置，并且它们彼此也相互垂直。在显微镜物镜一侧，玻璃板(gp2)具有以氧化物表面涂层(ox)的形式涂敷的滤光器，该表面涂层对于720-740和860-1050纳米的波长范围具有0.80的反射率。这种玻璃板(gp2)起以分束器的形式的光学选择性滤光器的作用，该分束器将喇曼散射光与监测束分离开。玻璃板(gp2)几乎透射监测束的红外光而不衰减它，但由于折射的缘故监测束稍微移位了。校正板(gp1)将监测束再次移回来，因此返回的监测束精确地聚焦在雪崩二极管(spd)上。通过光学耦合单元(oc)从对象(obj)上部分反射的激励束也可以在一定程度上透射，并可以使用反射的激励束来表示在光学图像(img)上的点(spt)，在该点上激励束入射到对象上。
在校正板的两侧上提供抗反射层(ar)。对于834纳米的波长抗反射层具有小于0.015的反射率，因此，监测束几乎不反射。
附图2所示为附图1的跟踪系统的优选实施例的细节的示意图。跟踪系统的这个实施例涉及使激励束(exb)位移。例如通过使光纤入口(fbr-i)位移来使激励束位移，如双箭头所示。也可以通过具有扫描镜(smr)的光学扫描器(osc)的方式对激励束(exb)进行位移。当通过光纤入口(fbr-i)的位移、光学扫描器的扫描镜的位移或两者位移的组合在对象(obj)上对激励束(exb)进行扫描时，来自在对象中的目标和它的周围环境的散射辐射的强度发生变化。通过光纤(fbr)将来自对象的散射辐射输送给检测系统(dsy)。检测系统具有比较器单元(cmp)，该比较单元将所检测的散射辐射的强度与参考值进行比较以产生表示在对象中的目标的运动的误差信号。将误差信号(ers)输送给控制光纤入口(fbr-i)的位移的光纤位移控制单元(dcu)。此外，将误差信号(ers)输送给光纤扫描器(osc)以控制扫描镜(smr)的位移。此外，可以应用误差信号来控制显微镜物镜(mo)的设置以设定激励束(exb)的焦点深度。最后显微镜物镜具有深度设定单元，该深度设定单元基于误差信号控制显微镜物镜相对于对象的位置。
附图3所示为附图1的分析系统的跟踪系统的另一优选实施例的详细示意图。在附图3所示的实施例中跟踪系统涉及包括透镜15和16的所谓的4f光学系统。在本实施例中光学扫描系统(osc)的扫描镜(smr)在透镜16上扫描，而透镜15产生在对象上扫描的平行束。相对于激励束(exb)的光学轴稍微不对称地放置扫描镜(smr)。在本实施例中需要更小地使光纤入口位移。甚至可以免除光纤入口位移并且光学扫描系统本身也可以在对象上移动激励束。
在附图3和4所示的实施例中，跟踪系统由具有位移控制单元(dcu)的光学扫描器(osc)形成，在运动的同时该位移控制单元起将激励束导引到目标区的作用。在检测系统中包括的比较器(cmp)起运动检测系统的作用。
附图4所示为附图1的分析系统的跟踪系统的另一优选实施例的详细示意图。附图3的实施例与附图2的实施例十分类似，但光学扫描器(osc)放置在显微镜物镜(mo)的附近。在本实施例中，激励束独立于相对于对象(obj)的激励束的位移入射在光学耦合器(oc)的相同的位置上。因此，允许进一步优化光学耦合单元(oc)，特别是它的滤光功能，主要是因为不需要考虑激励束(exb)在光学耦合单元上的入射的角度和位置的变化。
附图5所示为附图1的分析系统的跟踪系统的另一优选实施例的详细示意图。附图5的跟踪系统包括具有一对棱镜的旋转束移动器(rbd)，该棱镜相对于显微镜物镜的光轴横向地移动监测束(irb)。该对棱镜可以绕垂直于棱镜对的射出面或入口的轴线旋转。监测束的横向位移随棱镜旋转而变化。因此，在对象(obj)上扫描监测束(irb)，并且处于监测束的焦点之外的对象部分受到变化的视差的影响，而监测束聚焦的对象部分在由返回的监测束所形成的目标区的图像(img)中静止地成像。因此，通过调整显微镜物镜(mo)的位置可以容易地控制焦点深度以在旋转束移动器扫描监测束时静止对目标区进行成像。在附图5所示的实施例中，跟踪系统由具有位移单元(dsu)的光学扫描器(osc)形成以控制激励束，而通过旋转束移动器将监测束导引到目标上。在本实施例中，旋转束移动器也用于还包括比较器(cmp)的运动检测系统。
在附图2至5的实施例中，光学系统(lso)可以设置为正交偏振的光谱成像(OPSI)设置而不是共焦结构。这种OPSI设置并不要求校正板(gp1)，因为使用CCD传感器可以正确地被定位。
权利要求
1.一种分析装置，特别是光谱分析装置，包括-发射激励束(exb)以在激励周期中激励目标区的激励系统(exs)-发射监测束(irb)以在监测周期中对目标区进行成像的监测系统(lso)，其中-监测周期和激励周期基本重叠，以及-该分析装置配备有跟踪系统(osc，dcu)以控制激励系统以将激励束导引到目标区上。
2.如权利要求1所述的分析装置，其中跟踪系统也控制监测系统以将监测束导引到目标区上。
3.如权利要求1所述的分析装置，其中-该分析装置具有运动检测系统以产生表示目标区的运动的误差信号，和-该运动检测系统耦合到跟踪系统以基于误差信号控制激励系统。
4.如权利要求2所述的分析装置，其中-该分析装置具有运动检测系统(cmp)以产生表示目标区的运动的误差信号(ers)，和-该运动检测系统(cmp)耦合到跟踪系统(osc，dcu)以控制监测系统(lso)。
5.如权利要求4所述的分析装置，其中该运动检测系统被设置成-接收目标区的一系列的连续图像，和-从一系列的连续图像中得出误差信号。
6.如权利要求4所述的分析装置，其中该运动检测系统被设置成-接收由激励束所产生的散射辐射，和-从该散射辐射中得出误差信号。
7.如权利要求1所述的分析装置，包括深度设置系统以控制激励束和/或监测束的焦点深度。
8.如权利要求7所述的分析装置，其中该深度设置系统被设置成控制监测束在目标区上的入射角度的变化。
9.一种对象的成分的光谱非侵入式分析的方法，包括如下的步骤-在监测周期中对目标区进行成像-在激励周期中以激励束激励目标区-监测周期和激励周期基本重叠，以及-控制激励系统以在激励周期和监测周期的重叠的周期中将激励束导引到目标区上。
全文摘要
一种分析装置具体地说是光谱分析装置包括发射激励束(exb)以在激励周期中激励目标区的激励系统(exs)。提供监测系统(lso)发射监测束(irb)以在监测周期中对目标区进行成像。监测周期和激励周期基本重叠以便在激励的过程中保持监测目标区。该分析装置具有跟踪系统(osc，dcu)以控制激励系统以将激励束导引到目标区上。
文档编号A61B5/00GK1455861SQ02800113
公开日2003年11月12日 申请日期2002年1月16日 优先权日2001年1月18日
发明者G·W·卢卡森, R·F·M·亨德里克斯, M·德沃尔特, G·J·普佩尔斯 申请人:皇家菲利浦电子有限公司