專利名稱：成分分析的制作方法
一般地，分析裝置(比如光譜分析裝置)用于探查要檢查的對象的成分。具體地說，該分析裝置基于對象的物質(zhì)與入射的電磁輻射比如可見光、紅外線或紫外線輻射的相互作用進行分析比如光譜分解。
本發(fā)明涉及分析裝置，具體地說涉及這樣的光譜分析裝置，包括-發(fā)射激勵束(exb)以在激勵周期中激勵目標區(qū)的激勵系統(tǒng)(exs)-發(fā)射監(jiān)測束(irb)以在監(jiān)測周期中對目標區(qū)進行成像的監(jiān)測系統(tǒng)(lso)。
這種分析裝置公開在美國專利US6 069 690中。
公知的分析裝置涉及雙模式集成激光成像和光譜分析系統(tǒng)，這種分析系統(tǒng)用于查看并分析在工件(比如半導體晶片)上的缺陷。這種公知的分析裝置具有兩個工作模式，即掃描成像模式和停止掃描光譜分析模式。在掃描成像模式中發(fā)射呈激光束形式的監(jiān)測束并對目標區(qū)進行成像。與成像不同的是，在停止掃描模式中，應用激光束進行激勵并實施光譜分析。然而，公知的分析裝置僅適合于靜止目標的分析。
本發(fā)明的一個目的是提供一種能夠精確分析在空間上移動的目標區(qū)的分析裝置。
根據(jù)本發(fā)明通過這樣的一種分析裝置實現(xiàn)上述目的，在這種分析裝置中監(jiān)測周期和激勵周期基本重疊，并且該分析裝置具有跟蹤系統(tǒng)(osc，dcu)以控制激勵系統(tǒng)以將激勵束導引到目標區(qū)上。
本發(fā)明的分析裝置具有跟蹤系統(tǒng)，該跟蹤系統(tǒng)特別地控制激勵系統(tǒng)以便如果目標區(qū)移動則仍然保持激勵束導引到目標區(qū)上。具體地說跟蹤系統(tǒng)將激勵束的聚焦保持在目標區(qū)上。因此，在目標區(qū)移動的同時繼續(xù)激勵目標區(qū)，并且通過激勵束也產(chǎn)生散射輻射。因此，在本發(fā)明的分析裝置繼續(xù)光譜分析的同時可以跟蹤運動細節(jié)。因此即使在存在有爭論的細節(jié)的可感知的運動時，仍然可以在時間上使光譜數(shù)據(jù)的采集一體化。通過積分可以提高光譜數(shù)據(jù)的信號噪聲比。本發(fā)明的分析裝置特別適合于在患者的皮膚血管中執(zhí)行體內(nèi)血液的喇曼(Raman)光譜分析?；颊叩拿}動血流或患者的肌肉運動使血管運動，并由此在由監(jiān)測束所形成的圖像中再現(xiàn)血管的運動。特別是在患者皮膚的表面下的毛細血管可產(chǎn)生可感知的運動。
可取的是，跟蹤系統(tǒng)也控制監(jiān)測系統(tǒng)，特別是跟蹤系統(tǒng)控制監(jiān)測束在目標區(qū)上的聚焦。在激勵周期和監(jiān)測周期重疊的期間中，目標區(qū)的激勵和目標區(qū)的監(jiān)測同時地和/或交替地產(chǎn)生。因為目標區(qū)與激勵區(qū)一起成像，所以形成顯示目標區(qū)和激勵區(qū)的圖像。基于這種圖像激勵束可以非常精確地命中目標區(qū)。因此，激勵束產(chǎn)生了幾乎專用于在目標區(qū)中的散射輻射，因為至少目標區(qū)包括(或部分包括)在由激勵束所激勵的區(qū)域中。檢測來自目標區(qū)的散射輻射，并從散射輻射中得出目標區(qū)的成分。因為監(jiān)測束連續(xù)地聚焦在在空間上運動的目標區(qū)上，所以即使對于運動目標(比如在皮膚的表面下的毛細血管)也可以連續(xù)地對目標區(qū)進行成像和監(jiān)測。
導引激勵束和/或監(jiān)測束包括這些束的空間方位的控制和這些束聚焦的位置的控制。正如參考詳細實施例所解釋，不同的光學設置都適合于執(zhí)行這種控制。
更為可取的是，通過跟蹤系統(tǒng)監(jiān)測束和激勵束可被控制導引到目標區(qū)上。在這種優(yōu)選實施例中，在目標區(qū)運動并且同時通過激勵束激勵目標區(qū)的同時保持將監(jiān)測束導引到正在成像的目標區(qū)上。
在本發(fā)明的分析裝置的優(yōu)選裝置中，運動檢測系統(tǒng)確定目標區(qū)的運動并產(chǎn)生表示該運動的誤差信號。將誤差信號施加到跟蹤系統(tǒng)并基于該誤差信號該跟蹤系統(tǒng)控制激勵系統(tǒng)和/或監(jiān)測系統(tǒng)。
運動檢測系統(tǒng)有不同的實施例。例如，將運動檢測系統(tǒng)設置成接收目標區(qū)的一系列連續(xù)圖像。這些圖像優(yōu)選包括目標區(qū)的一些環(huán)境。通常通過監(jiān)測系統(tǒng)提供圖像，該監(jiān)測系統(tǒng)通過監(jiān)測束對目標區(qū)進行成像。從連續(xù)的圖像中運動檢測系統(tǒng)得出目標的運動。最后應用圖像處理算法，這種算法從它在連續(xù)圖像中的不同于在圖像中的環(huán)境的亮度和/或它的形狀自動地檢測目標區(qū)。
在另一實例中運動檢測系統(tǒng)接收由激勵束所產(chǎn)生的散射輻射。在許多應用中，特別是比如毛細血管的喇曼光譜，散射輻射的強度或譜線形狀相對于它的周圍環(huán)境與目標區(qū)根本不同。具體地說，在目標區(qū)中從血管中預先選擇的波數(shù)區(qū)中的喇曼散射與來自下一血管的皮膚組織的喇曼散射相比顯著不同。在該分析裝置的本實施例中，運動檢測系統(tǒng)從(特別是喇曼)散射輻射的強度中得出誤差信號。特別是，設置運動檢測系統(tǒng)以將散射輻射的強度與參考值進行連續(xù)比較以獲得誤差信號。然后將誤差信號用作到跟蹤系統(tǒng)的反饋以控制激勵束和/或監(jiān)測束以保持誤差信號電平的恒定值或?qū)⒄`差信號的信號電平保持在預定界限內(nèi)，因此將散射輻射的強度保持在穩(wěn)定的電平，這種穩(wěn)定電平特別使激勵束仍然保持導引到目標區(qū)上。
在進一步的優(yōu)選實施例中本發(fā)明的分析裝置提供一種深度設置系統(tǒng)以控制監(jiān)測束的聚焦深度和/或激勵束。正如相對于詳細實施例所解釋，可運用不同的光學裝置以控制這些束的聚焦深度。在優(yōu)選的實施例中設定深度設置系統(tǒng)以改變監(jiān)測束在目標區(qū)上的入射角度。結果，在由監(jiān)測系統(tǒng)所形成的圖像中在監(jiān)測束的焦點上的對象是靜止的，而在監(jiān)測束的焦點之外的對象的任何圖像由于視差的緣故受到視在運動的影響。在對目標進行成像時，基于各種方位的成像測定它的深度并觀察它的視在運動。然后在目標區(qū)的深度上精確地對激勵束進行聚焦。在本發(fā)明的分析裝置應用到患者皮膚的的皮膚表面下的血管的喇曼光譜中，控制監(jiān)測和/或激勵束的焦點深度特別有利。
本發(fā)明也涉及對象的光譜非侵入式分析方法。在權利要求9中定義了根據(jù)本發(fā)明的方法。這種方法特別有利于體內(nèi)血液的光譜非侵入式分析。
參考在從屬權利要求中定義的實施例進一步詳細描述本發(fā)明的這些和其它方面，其中參考在此所描述的實施例以及參考附圖闡述本發(fā)明這些和其它方面。
附

圖1所示為根據(jù)本發(fā)明的分析系統(tǒng)的示意圖，附圖2所示為附圖1的分析系統(tǒng)的跟蹤系統(tǒng)的優(yōu)選實施例的詳細示意圖，附圖3所示為附圖1的分析系統(tǒng)的跟蹤系統(tǒng)的另一優(yōu)選實施例的詳細示意圖，附圖4所示為附圖1的分析系統(tǒng)的跟蹤系統(tǒng)的另一優(yōu)選實施例的詳細示意圖，附圖5所示為附圖1的分析系統(tǒng)的跟蹤系統(tǒng)的另一優(yōu)選實施例的詳細示意圖，附圖1所示為根據(jù)本發(fā)明的分析系統(tǒng)的示意圖。分析系統(tǒng)包括并入了光源(ls)的監(jiān)測系統(tǒng)，該監(jiān)測系統(tǒng)具有光學成像系統(tǒng)(lso)以形成要檢查的對象(obj)的光學圖像。光學成像系統(tǒng)(lso)形成了共焦視頻顯微鏡。在本實例中對象是要檢查的患者的前臂的一片皮膚。分析系統(tǒng)例如也包括用于通過多光子或非線性光學處理在對象(obj)中所產(chǎn)生的光線的光譜分析的多光子非線性或彈性或非彈性的散射光學檢測系統(tǒng)(ods)。在附圖1中所示的實例具體利用以喇曼光譜儀形式的非彈性喇曼散射檢測系統(tǒng)(dsy)。術語“光”不僅包括可見光而且還包括紫外輻射和紅外線特別是近紅外線輻射。
光學成像系統(tǒng)(lso)的光源的光源(ls)由834納米AlGaAs半導體激光器形成，這種半導體激光器在要檢查的對象(即皮膚)上的輸出功率達15毫瓦。通過在出口焦點上的光學成像系統(tǒng)將834納米半導體激光器的紅外監(jiān)測束(irb)聚焦在焦點平面上或?qū)ο?obj)上。光學成像系統(tǒng)包括偏振分束器(pbs)、旋轉反射多面棱鏡(pgn)、透鏡(11，12)、掃描鏡(smm)和顯微鏡物鏡(mo)。通過旋轉該多面棱鏡(pgn)并移動掃描鏡，聚焦的監(jiān)測束(irb)在焦點平面上移動。半導體激光器的射出面(ls)位于入口焦點上。半導體激光器也能夠照亮在入口焦點上的入口針孔。光學成像系統(tǒng)通過偏振分束器(pbs)將從焦點平面上反射的光作為反射束傳導到雪崩二極管(apd)。此外，在顯微鏡物鏡(mo)的前面設置1/4λ-波片以使反射束的偏振垂直于監(jiān)測束的偏振。偏振分束器(pbs)因此從監(jiān)測束中分離反射束。光學顯示單元利用雪崩二極管的輸出信號以形成在要檢查的對象中或之上的焦點平面的圖像(img)，所說的圖像顯示在監(jiān)測器上。在實際中光學顯示單元是一種工作站，借助于工作站的處理器通過從雪崩二極管的輸出信號中得到的電子視頻信號實現(xiàn)這種圖像。這種圖像用于監(jiān)測光譜分析，特別是激勵目標區(qū)以使激勵區(qū)落在目標區(qū)上并從目標區(qū)中接收散射輻射。
喇曼光譜儀(ods)包括激勵系統(tǒng)(exs)，在這種情況下這種激勵系統(tǒng)被構造為產(chǎn)生850納米的紅外線光束(exb)形式的激勵束的Ar-ion/Ti-藍寶石激光器。以Ar-ion激光器光學泵浦Ti-藍寶石激光器。通過光學濾光器(of)抑制Ar-ion激光器的光。反射鏡系統(tǒng)將激勵束傳導到光學耦合單元(oc)，而光學耦合單元將激勵束沿著監(jiān)測束(irb)傳導，在這之后在監(jiān)測束的焦點區(qū)域的焦點平面上顯微鏡物鏡對它進行聚焦。
光學耦合單元(oc)具有束組合單元的作用。光學耦合單元沿著顯微鏡物鏡的主光軸傳導激勵束，即通過光學耦合單元(oc)從目標區(qū)反射到光纖(fbr)的入口。通過顯微鏡物鏡(mo)和在光纖入口(fbr-i)的前面的透鏡(13)將喇曼散射的紅外光聚焦在檢測針孔中的光纖入口中。光纖入口本身起檢測針孔的作用。光學成像系統(tǒng)在存在半導體激光(ls)的入口焦點、在要檢測的對象(obj)的細部的面積上的出口焦點和在光纖入口(fbr-i)中的檢測焦點之間建立了共焦關系。通過CDD檢測器(CCD)將光纖(fbr)連接到分光計(spm)的輸入中。具有CCD檢測器的分光計并入在檢測器系統(tǒng)(dsy)中，這個系統(tǒng)記錄波長小于約1050納米的波長的喇曼光譜。具有CCD檢測器的分光計的輸出信號表示喇曼散射的紅外光的喇曼光譜。在實際中這種喇曼光譜根據(jù)激勵波長的不同產(chǎn)生在超過730納米或超過860納米的波長范圍中。CCD檢測器的信號輸出連接到光譜顯示單元(spd)，例如在監(jiān)視器上顯示所記錄的喇曼光譜(spct)的工作站。
光學耦合單元(oc)包括部分反射板(gp2)和校正板(gp1)。這些部分反射和校正板例如是厚度為1.5毫米的玻璃板，將它們與監(jiān)測束和激勵束的平面橫向(優(yōu)選垂直地)設置，并且它們彼此也相互垂直。在顯微鏡物鏡一側，玻璃板(gp2)具有以氧化物表面涂層(ox)的形式涂敷的濾光器，該表面涂層對于720-740和860-1050納米的波長范圍具有0.80的反射率。這種玻璃板(gp2)起以分束器的形式的光學選擇性濾光器的作用，該分束器將喇曼散射光與監(jiān)測束分離開。玻璃板(gp2)幾乎透射監(jiān)測束的紅外光而不衰減它，但由于折射的緣故監(jiān)測束稍微移位了。校正板(gp1)將監(jiān)測束再次移回來，因此返回的監(jiān)測束精確地聚焦在雪崩二極管(spd)上。通過光學耦合單元(oc)從對象(obj)上部分反射的激勵束也可以在一定程度上透射，并可以使用反射的激勵束來表示在光學圖像(img)上的點(spt)，在該點上激勵束入射到對象上。
在校正板的兩側上提供抗反射層(ar)。對于834納米的波長抗反射層具有小于0.015的反射率，因此，監(jiān)測束幾乎不反射。
附圖2所示為附圖1的跟蹤系統(tǒng)的優(yōu)選實施例的細節(jié)的示意圖。跟蹤系統(tǒng)的這個實施例涉及使激勵束(exb)位移。例如通過使光纖入口(fbr-i)位移來使激勵束位移，如雙箭頭所示。也可以通過具有掃描鏡(smr)的光學掃描器(osc)的方式對激勵束(exb)進行位移。當通過光纖入口(fbr-i)的位移、光學掃描器的掃描鏡的位移或兩者位移的組合在對象(obj)上對激勵束(exb)進行掃描時，來自在對象中的目標和它的周圍環(huán)境的散射輻射的強度發(fā)生變化。通過光纖(fbr)將來自對象的散射輻射輸送給檢測系統(tǒng)(dsy)。檢測系統(tǒng)具有比較器單元(cmp)，該比較單元將所檢測的散射輻射的強度與參考值進行比較以產(chǎn)生表示在對象中的目標的運動的誤差信號。將誤差信號(ers)輸送給控制光纖入口(fbr-i)的位移的光纖位移控制單元(dcu)。此外，將誤差信號(ers)輸送給光纖掃描器(osc)以控制掃描鏡(smr)的位移。此外，可以應用誤差信號來控制顯微鏡物鏡(mo)的設置以設定激勵束(exb)的焦點深度。最后顯微鏡物鏡具有深度設定單元，該深度設定單元基于誤差信號控制顯微鏡物鏡相對于對象的位置。
附圖3所示為附圖1的分析系統(tǒng)的跟蹤系統(tǒng)的另一優(yōu)選實施例的詳細示意圖。在附圖3所示的實施例中跟蹤系統(tǒng)涉及包括透鏡15和16的所謂的4f光學系統(tǒng)。在本實施例中光學掃描系統(tǒng)(osc)的掃描鏡(smr)在透鏡16上掃描，而透鏡15產(chǎn)生在對象上掃描的平行束。相對于激勵束(exb)的光學軸稍微不對稱地放置掃描鏡(smr)。在本實施例中需要更小地使光纖入口位移。甚至可以免除光纖入口位移并且光學掃描系統(tǒng)本身也可以在對象上移動激勵束。
在附圖3和4所示的實施例中，跟蹤系統(tǒng)由具有位移控制單元(dcu)的光學掃描器(osc)形成，在運動的同時該位移控制單元起將激勵束導引到目標區(qū)的作用。在檢測系統(tǒng)中包括的比較器(cmp)起運動檢測系統(tǒng)的作用。
附圖4所示為附圖1的分析系統(tǒng)的跟蹤系統(tǒng)的另一優(yōu)選實施例的詳細示意圖。附圖3的實施例與附圖2的實施例十分類似，但光學掃描器(osc)放置在顯微鏡物鏡(mo)的附近。在本實施例中，激勵束獨立于相對于對象(obj)的激勵束的位移入射在光學耦合器(oc)的相同的位置上。因此，允許進一步優(yōu)化光學耦合單元(oc)，特別是它的濾光功能，主要是因為不需要考慮激勵束(exb)在光學耦合單元上的入射的角度和位置的變化。
附圖5所示為附圖1的分析系統(tǒng)的跟蹤系統(tǒng)的另一優(yōu)選實施例的詳細示意圖。附圖5的跟蹤系統(tǒng)包括具有一對棱鏡的旋轉束移動器(rbd)，該棱鏡相對于顯微鏡物鏡的光軸橫向地移動監(jiān)測束(irb)。該對棱鏡可以繞垂直于棱鏡對的射出面或入口的軸線旋轉。監(jiān)測束的橫向位移隨棱鏡旋轉而變化。因此，在對象(obj)上掃描監(jiān)測束(irb)，并且處于監(jiān)測束的焦點之外的對象部分受到變化的視差的影響，而監(jiān)測束聚焦的對象部分在由返回的監(jiān)測束所形成的目標區(qū)的圖像(img)中靜止地成像。因此，通過調(diào)整顯微鏡物鏡(mo)的位置可以容易地控制焦點深度以在旋轉束移動器掃描監(jiān)測束時靜止對目標區(qū)進行成像。在附圖5所示的實施例中，跟蹤系統(tǒng)由具有位移單元(dsu)的光學掃描器(osc)形成以控制激勵束，而通過旋轉束移動器將監(jiān)測束導引到目標上。在本實施例中，旋轉束移動器也用于還包括比較器(cmp)的運動檢測系統(tǒng)。
在附圖2至5的實施例中，光學系統(tǒng)(lso)可以設置為正交偏振的光譜成像(OPSI)設置而不是共焦結構。這種OPSI設置并不要求校正板(gp1)，因為使用CCD傳感器可以正確地被定位。
權利要求
1.一種分析裝置，特別是光譜分析裝置，包括-發(fā)射激勵束(exb)以在激勵周期中激勵目標區(qū)的激勵系統(tǒng)(exs)-發(fā)射監(jiān)測束(irb)以在監(jiān)測周期中對目標區(qū)進行成像的監(jiān)測系統(tǒng)(lso)，其中-監(jiān)測周期和激勵周期基本重疊，以及-該分析裝置配備有跟蹤系統(tǒng)(osc，dcu)以控制激勵系統(tǒng)以將激勵束導引到目標區(qū)上。
2.如權利要求1所述的分析裝置，其中跟蹤系統(tǒng)也控制監(jiān)測系統(tǒng)以將監(jiān)測束導引到目標區(qū)上。
3.如權利要求1所述的分析裝置，其中-該分析裝置具有運動檢測系統(tǒng)以產(chǎn)生表示目標區(qū)的運動的誤差信號，和-該運動檢測系統(tǒng)耦合到跟蹤系統(tǒng)以基于誤差信號控制激勵系統(tǒng)。
4.如權利要求2所述的分析裝置，其中-該分析裝置具有運動檢測系統(tǒng)(cmp)以產(chǎn)生表示目標區(qū)的運動的誤差信號(ers)，和-該運動檢測系統(tǒng)(cmp)耦合到跟蹤系統(tǒng)(osc，dcu)以控制監(jiān)測系統(tǒng)(lso)。
5.如權利要求4所述的分析裝置，其中該運動檢測系統(tǒng)被設置成-接收目標區(qū)的一系列的連續(xù)圖像，和-從一系列的連續(xù)圖像中得出誤差信號。
6.如權利要求4所述的分析裝置，其中該運動檢測系統(tǒng)被設置成-接收由激勵束所產(chǎn)生的散射輻射，和-從該散射輻射中得出誤差信號。
7.如權利要求1所述的分析裝置，包括深度設置系統(tǒng)以控制激勵束和/或監(jiān)測束的焦點深度。
8.如權利要求7所述的分析裝置，其中該深度設置系統(tǒng)被設置成控制監(jiān)測束在目標區(qū)上的入射角度的變化。
9.一種對象的成分的光譜非侵入式分析的方法，包括如下的步驟-在監(jiān)測周期中對目標區(qū)進行成像-在激勵周期中以激勵束激勵目標區(qū)-監(jiān)測周期和激勵周期基本重疊，以及-控制激勵系統(tǒng)以在激勵周期和監(jiān)測周期的重疊的周期中將激勵束導引到目標區(qū)上。
全文摘要
一種分析裝置具體地說是光譜分析裝置包括發(fā)射激勵束(exb)以在激勵周期中激勵目標區(qū)的激勵系統(tǒng)(exs)。提供監(jiān)測系統(tǒng)(lso)發(fā)射監(jiān)測束(irb)以在監(jiān)測周期中對目標區(qū)進行成像。監(jiān)測周期和激勵周期基本重疊以便在激勵的過程中保持監(jiān)測目標區(qū)。該分析裝置具有跟蹤系統(tǒng)(osc，dcu)以控制激勵系統(tǒng)以將激勵束導引到目標區(qū)上。
文檔編號A61B5/00GK1455861SQ02800113
公開日2003年11月12日 申請日期2002年1月16日 優(yōu)先權日2001年1月18日
發(fā)明者G·W·盧卡森, R·F·M·亨德里克斯, M·德沃爾特, G·J·普佩爾斯 申請人:皇家菲利浦電子有限公司