成份分析的製作方法

2023-12-06 13:33:46

專利名稱：成份分析的製作方法
總體而言，分析裝置，例如光譜分析裝置，用於研究一個待檢查目標的成份。具體而言，採用一種分析方法的分析裝置，例如一種基於靶物質與入射電磁輻射，諸如可見光、紅外或紫外輻射相互作用的光譜分解方法。
本發明涉及一種分析裝置，具體地說，涉及一種光譜分析裝置，該裝置包括-一個激發系統，用於發射一個激發光束，以在一個激發周期中激發一個靶區域，以及-一個監視系統，用於發射一個監視光束，以在一個監視周期中將一個靶區域成像從美國專利US6069690可以獲知這樣的一個分析裝置。
已知的分析裝置涉及一個雙模式集成雷射成像和光譜分析系統，用於觀察和分析一個工件，例如一塊半導體晶片上的缺陷。這種已知的分析裝置擁有兩種操作模式，即一種掃描成像模式和一種停止掃描光譜分析模式。在掃描成像模式期間，以一個雷射束的形式發射監視光束，並對靶區域加以成像。在停止掃描模式中，將雷射束從成像分離出來用於激發，並可進行光譜分析。
本發明的一個目的是提供一種分析裝置，與已知的分析裝置相比，該分析裝置提供了對包括待檢查目標中的一個靶的更可靠的分析。
這一目的是通過一個根據本發明的分析裝置得以實現的，其中激發周期和監視周期基本上是重疊的。
在激發周期和監視周期的重疊期間，對靶區域的激發和對靶區域的監視同時和/或交替發生。因為隨激發對靶區域加以成像，所以形成了一個既可顯示靶區域也可顯示激發區域的成像。根據這一成像，可以把激發光束十分精確地描準於靶區域。因此，激發光束幾乎只在靶區域中生成散射輻射，或至少把靶區域包括在由激發光束所激發的區域中。探測來自靶區域的散射輻射，並根據散射輻射導出靶區域的成份。
具體地說，這一分析裝置對來自靶區域的散射輻射進行光譜分析，以確定材料的成份。對於激發光束來說，可以使用各種類型的電磁輻射，特別是紫外輻射、可見光或紅外輻射。由於激發，激發光束與激發區域中的物質的交互的不同的物理機制可能生成散射輻射。散射輻射包括彈性散射輻射，非彈性散射輻射或其它類型的發射，例如螢光或磷光現象或由多光子激發所產生的散射或由激發光束所產生的非線性散射。例如，因為單或多光子激發可能由激發所生成的喇曼散射或螢光。
具體地說，把根據本發明的光譜分析裝置用於在自然條件下研究一個待檢查病人的毛細管中的血液成份是有利的。在這一應用中，靶區域是毛細管，毛細管通常位於皮膚表面之下大約50～150μm處。監視系統對這一毛細管加以成像，並且把激發光束精確地導向毛細管。例如，把近紅外線輻射用於對喇曼散射的激發。對喇曼散射輻射進行光譜分析。就在自然條件下所獲得的人血的喇曼光譜而言，似乎使用本發明的光譜分析裝置所獲得的在自然條件下的喇曼光譜擁有大約相同的質量、光譜解析度和信噪比。
對靶區域的監視，可按多種方式進行，較佳的做法是使用監視光束照亮靶區域及其邊界，並利用從靶區域所反射的監視光束成像靶區域及其邊界。通過鏡面或漫散射以及通過背散射所反射的監視光束可以從靶區域及其邊界返回。作為一種選擇，在待檢查目標對於監視光束呈一定程度透明狀態的情況下，可以把已通過靶區域加以傳輸監視光束用於成像靶區域。可以把已穿過靶區域的激發光束成像到靶區域的成像上，以在靶區域的成像中顯示所激發的區域。將參照附屬權利要求中所限定的實施方案，對本發明的這些方面和其它方面更詳細地加以闡述。
較佳的做法是根據本發明的分析裝置包括一個光束組合單元，該光束組合單元把監視光束和激發光束導向靶區域。光束組合還分隔所反射的監視光束和至少一部分從散射輻射所反射的激發光束。因此，一方面散射輻射和具有至少一部分所反射的激發光束的所反射的監視光束可以分別加以探測。根據所探測的散射輻射，可獲得與在靶區域處的局部成份相關的信息。例如，局部成份涉及一個小區域中的分子成份。把所反射的監視光束用於成像靶區域。也可以在靶區域的成像中成像所反射的激發光束。然後，靶區域的成像顯示實際的靶以及相對於靶所進行的激發的位置。根據這一成像，很容易把激發光束精確導向靶。
在本發明的一個分析裝置的實例中。較佳的做法是令光束組合單元把散射輻射基本上反射到探測系統。可以根據散射輻射的類型採用用探測系統的幾個實例。可以把一個喇曼光譜分析儀用於探測非彈性散射輻射，特別是諸如喇曼散射輻射的散射輻射。為了探測螢光散射輻射，要使用一個螢光光譜分析儀。本質上，較佳的做法是令光束組合單元傳輸所反射的激發光束，並把所反射的激發光束從靶區域至少部分地傳輸到一個納入在監視系統中的一個成像系統，以形成顯示靶區域和激發區域的成像。在本發明的分析裝置的另一個實例中，光束組合單元至少部分地反射從靶區域所反射的激發光束，並最好基本上反射所反射的監視光束，以形成顯示靶區域和激發區域的成像。在這一實例中，由於激發光束，較佳的做法是基本上把散射輻射傳輸到探測系統。在本發明的分析裝置的一些實例中，如權利要求3和4中具體加以限定的，可以在空間上把散射輻射與所反射的監視光束和所反射的激發光束加以隔離。
在本發明的分析裝置的又一實例中，如權利要求5～8中特別加以限定的，可以在時間上把散射輻射與所反射的監視光束和所反射的激發光束加以隔離。同樣的空間間隙由這些光束交替地共享，其中，按分隔的時隙分別把散射輻射傳送到探測系統，把所反射的監視光束傳送到成像系統。在本發明的分析裝置的一個優選實施方案中，對各種光束、散射輻射、所反射的監視光束以及所反射的激發光束所穿過的空間間隙的交替共享得以實現，因為這些相應的光束的部分的傳輸與部分的反射交替進行。在一個簡單的方式中，反射和傳輸的交替是通過移動反射器/傳輸單元加以實現的，這一反射器/傳輸單元擁有被相對各個光束移動的反射和傳輸部分。較佳的做法是使用一個可旋轉的反射器/傳輸單元，這一可旋轉的反射器/傳輸單元把反射和傳輸部分旋轉進和旋轉出各種光束。
本發明的分析裝置的另一個優選實施方案還使用了共享空間間隙的另一個變體。在這一實施方案中，光束組合單元的反射器/傳輸單元擁有一個反射部分，較佳的做法是令這一反射部分為反射器/傳輸單元中心處的一小部分，該部分把激發光束導向激發區域。對於所反射的監視光束來說，這一反射部分基本上是不透明的。反射器/傳輸單元擁有一個傳輸部分，較佳的做法是令這一傳輸部分為一個圍繞反射部分的大的區域，傳輸部分把所反射的監視光束傳輸到成像系統。把激發光束聚焦到反射部分，並把其反射於，較佳的做法是令其收斂於一個平行的激發光束，並聚焦到靶區域上。通過反射部分把部分(所反射的)監視光束加以攔截，因為對於(所反射的)監視光束來說，它是不透明的。反射部分導致成像系統在成像中形成一個低亮度點。例如，在反射器/傳輸單元上對監視光束進行掃描，以致於所反射的監視光束在反射器/傳輸單元上也得以掃描。於是，由成像系統所形成的成像將包括一個相應於不透明的反射部分的低強度點，它表明了把激發光束導向了何處。這一成像還顯示靶區域，以致於可以很容易地使靶區域與所激發的區域相對應。
在本發明的分析裝置的一個變體中，通過傳輸部分激發光束和散射輻射基本上得以傳輸。例如，作為反射器/傳輸單元，最好是作為反射器/傳輸單元中心處的一個小開口，形成這一傳輸部分。對於監視光束和所反射的監視光束來說，反射部分基本上是可反射的。例如，作為圍繞小開口的周邊區域形成反射部分，其中小開口作為傳輸部分。作為成像中的一個低亮度點對這一開口加以成像，並標記激發光束所到達的激發區域。
利用依賴於濾波器和反射器的波長獲得反射和傳輸特性。將參照詳細的實施方案和參照附圖更詳細地討論這些反射器和濾波器。特別是，由於散射輻射，例如喇曼散射輻射或多光子螢光，擁有不同於監視光束和激發光束的波長的波長，所以要實現對各光束的分隔。
在一個進一步的實施方案中，監視光束和激發光束是從一個單一輻射源導出的。較佳的做法是使用一個紅外的或光雷射器生成輸出光束，然後由一個光束分離器，例如一個分隔三稜鏡或一個半透明的鏡子把這一輸出光束分離成監視光束和激發光束。這一較佳實施方案擁有一個相當簡單的和較為便宜的配置，這一配置僅使用了一個單一的輻射源。
較佳的做法是令分析裝置包括一個監視系統，該監視系統包括一個共焦的光成像系統，例如共焦的視頻顯微鏡。使用一個共焦雷射掃描視頻顯微鏡可獲得特別好的結果。這一共焦的光學器件把監視光束聚焦到靶區域上的一個聚焦平面上，並把這一聚焦平面成像到成像系統上，特別是成像到一個成像拾取設備上。監視系統的這一共焦的光學器件實現了把一個待檢查目標的一個區域大部分，甚至幾乎全部地成像到把監視光束聚焦的地方。因此，通過改變對監視光束的聚焦，可以選擇被成像的區域，待檢查目標的相鄰的部分不能或幾乎不能干擾成像。根據本發明，接收散射輻射的探測系統共焦地與共焦視頻顯微鏡相關聯。這一共焦探測實現了到達探測器的散射輻射大部分，或僅實質部分源於激發光束的焦點。較佳的做法是把一個探測針孔配置在探測器的前方，並把散射輻射聚焦在這一探測針孔上，與此同時，把激發光束聚焦在靶區域上。具體地說，可以把一個光纖入口用作探測針孔。因此，根據本發明的分析裝置的這一優選實施方案可把監視光束和激發光束聚焦在靶區域上，並形成監視光束的聚焦平面的一個成像，以及僅實質地探測來自激發光束的聚焦平面上的散射輻射。由於激發光束和監視光束的聚焦平面是一致的，所以可根據由所反射的監視光束所形成的成像中的被監視的靶區域，在探測系統處接收散射輻射。
另外，共焦視頻顯微鏡還可以沿正交於聚焦平面的方向調整聚焦平面的位置。因此，可以對靶區域的深度加以調整。在聚焦平面移入目標的深層期間，探測系統與共焦光成像系統之間的共焦關係實現了由探測器所接收的散射輻射起源於靶區域。在分析待被檢查人或動物的皮膚表面之下的一個毛細管中的分析血液時，這一優選實施方案是特別有利的。
在根據本發明的一個分析裝置的又一個進一步的優選實施方案中，在監視系統中使用了一個正交極化光譜成像配置。在這一實施方案中，使用了一個在光譜上相當窄的極化的監視光束。通過在相對於監視光束的極化方向的正交極化方向上的一個分析器成像所反射的監視光束。因此，基本上僅放大了的漫射極化輻射到達了成像系統，以實現一個基本上均勻的本底。然後，把待檢查目標中的位置，特別是在基本上吸收光譜較窄的監視光束的靶區域中的位置作為成像中的低亮度加以成像。監視系統還成像在同一成像中的所反射的激發光束，以致於能夠很容易地把靶區域與激發區域關聯起來。從W.Groner等人寫的、發表於Nature Medicine 5(1999)1209-1113上的論文『Orthogonal polarisationspectral imaginga new method forstudy of microcirculation』可獲知實際用於研究血管結構的形態的正交極化光譜成像技術。
對於監視系統來說，其它合適的選擇是，例如一個光相干斷層攝影術(OCT)配置、一個光都卜勒斷層攝影術(ODT)配置、一個光聲成像(PAI)配置、或一個多光子顯微術(MPM)配置。特別是OCT、ODT、以及PAI配置對於監視血管或位於皮膚表面之下較深的，直至幾微米處的其它靶區域來說，給出了好的結果。與共焦成像相接合的MPM配置提供了一個高的解析度，其中提交了3～5um的良好可視的細節。MPM配置還適合於成像最深達0.25mm處的細節。
在一個進一步的優選實施方案中，在光束組合單元中包含了一個聲光調製器。在這一聲光調製器中，生成了一個聲波，這一聲波導致各光束的衍射。既可以使用一個駐聲波也可以使用一個行聲波。把一個行聲波與一個掃描監視光束結合起來使用。具體地說，第0級衍射的激發光束和第1級衍射的監視光束到達靶區域。把第1級反射的監視光束和第1級衍射的散射輻射以及第1級反射的激發光束傳送到成像系統中。把第0級衍射的散射輻射傳送到探測系統。
在本發明的分析裝置的一個進一步的優選實施方案中，相對靶區域的縱軸橫向掃描激發光束。對於檢查那些最長的尺寸在縱軸上的細長靶區域來說，這一優選實施方案是特別有利的。當激發光束跨越細長的靶區域掃描時，至少部分地接收來自靶區域的散射輻射的可能性大大加強。
本發明的一個進一步的目的是提供一種專門用於對自然條件下的血液的成份進行光譜非侵入分析的方法。應該加以注意的是，儘管在過去的幾十年裡為了實現這一目標人們已進行了無數次的嘗試，但在滿足自然條件下血液光譜的信噪比方面，這些嘗試並未獲得成功。特別是，對於非侵入葡萄糖監視來說，L.Heinemann等人在『Technology Therapeutics(2000，卷2，第211～220頁)』中指出「儘管20多年的努力研究，以及無數出版物和令人鼓舞的成果不斷推出，但直至目前仍未開發出可靠的系統」。在M.Stucker等人的論文「Capillary blood cell velocity in humanskincapillaries located perpendicularly to the skin surfacemeasuredby a new laster Doppler anemometer」(發表在Microvascular Research 52(1006)188中)中僅描述了對血液細胞的速度的成功測量，而不是對血液的成份的測量。從美國專利US5615673中可以實質獲知把喇曼譜用於血液和組織的方法。然而，這一已知的方法探測來自組織上的毛細血管的散射輻射，以及很大程度上來自皮膚表面和毛細血管之間的組織的散射輻射，因此所探測的喇曼光譜不能滿足自然條件下血液光譜的信噪比(在國際申請WO92/15008中，公開了一種利用喇曼譜研究組織的方法)。美國專利US 5372135提到了根據不同的光吸收譜對血液所進行的分析。在MarkS.Borchert等人發表於Technology Therapeutics(1999，第1卷，第2號)的論文「A Noninvasive Glucose MonitorPreliminaryResults inRabbits」中，討論了把喇曼譜用於兔子眼睛的問題。美國專利5553616公開了一個利用喇曼的散射強度的人工神經網絡甄別器確定葡萄糖濃度，例如在一個食指的皮膚中的葡萄糖濃度的分析方法。在這一已知的分析中，不能獲得滿意的自然條件下的血液光譜的信噪比。特別是，這似乎是因為缺乏對原始材料的精確的探測。而且，根據眼睛部位所測量的葡萄糖血液水平的真實表示似乎也是不可靠的。因此，這些已知的分析方法不能夠提供一個足夠高的信噪比。特別是在R.W.Waynant等人所寫的『Overview of non-invastiveglucose measurement using optical techniques to maintainglucose control in diabetes mellitus』的綜述性論文(1998年4月發表在Leos Newsletter第12卷，第2號上)中評論到『由於顯著的化學和物理幹擾，當前的設備缺乏規範』。
本發明滿足了長期以來人們苦苦以求的在自然條件下對人或動物血液進行精確分析的需求。根據本發明的方法，如權利要求15中所限定的，可以實現本發明的這一進一步的目的。權利要求15中所限定的方法特別適合於自然條件下獲得對人血液中葡萄糖含量的精確測量。較佳的做法是令激發光束為紅外雷射光束，令散射輻射為喇曼散射的紅外輻射。
根據本發明的分析裝置，如權利要求1～13中的任意一項權利要求所限定的，特別能夠執行權利要求15中所限定的方法。
將參照以下所描述的實施方案，並參照附圖，對本發明的這些和其它方面詳細加以闡述，在這些附圖中

圖1表示的是根據本發明的一個分析系統；圖2是在根據本發明的一個分析系統中所使用的以光耦合系統形式的光束組合單元的較詳細的示意圖；圖3和4描述的是以光濾波器的形式表示的光耦合系統的可選方案的示意性表示；圖5描述的是光束組合單元的一個簡單的實施方案；圖6描述的是光束組合單元的一個更簡單的實施方案；圖7和8示意性地說明了用於根據本發明的分析裝置的一個進一步的光束組合單元；圖9a和9b描述的是可用於光束組合單元的反射器/傳輸單元的一些進一步的實例；圖10描述的是光束組合單元的另一個簡單的實例；圖11描述的是併入圖10的光束組合單元中的反射器/傳輸單元的一個斷面圖；圖12描述的是包括一個聲光調製器的光束組合單元的另一個實例；圖13示意性地說明了根據本發明的包括一個光分離系統的分析裝置的實施方案；圖14示意性地說明了根據本發明的分析裝置的一個進一步的實施方案，其中監視系統是一個正交極化光譜成像配置；圖15示意性地說明了根據本發明的分析裝置的一個進一步的實施方案，其中激發光束基本上相對其縱向軸橫向掃描靶區域；以及圖16示意性地說明了根據本發明的分析系統的一個第二個實施方案；圖1表示的是根據本發明的一個分析系統。這一分析系統包括一個併入了一個光源(ls)的監視系統，光源(ls)具有用於形成待檢查目標(obj)的一個光成像的光成像系統(los)。光成像系統(los)形成一個共焦的視頻顯微鏡。在這一實例中，目標是待檢查病人前臂的一片皮膚。這一分析系統還包括一個多光子、非線性、或彈性或非彈性的散射光探測系統(ods)，用於通過一個多光子或非線性光學過程對在目標(obj)中所生成的光進行光譜分析。具體地說，圖1中所示的實例利用了一個以一個譜設備形式的非彈性喇曼散射探測系統(dsy)。術語光不僅包括可見光，而且還包括紫外輻射和紅外輻射，特別是近紅外線輻射。
具有光成像系統(los)的光源是由一個834nm的AlGaAs半導體雷射器形成的，這一半導體雷射器在待檢查目標(即皮膚)上的輸出功率的數值為15mW。由出口焦點中的光成像系統把834nm的半導體雷射器的紅外監視光束(irb)聚焦在目標(obj)中或目標上的聚焦平面中。光成像系統包括一個極化光束分離器(pbs)、一個旋轉反射多稜體(pgn)、透鏡(11，12)、一個掃描鏡(sm)、以及一個顯微目標(mo)。通過旋轉多稜體(pgn)和位移掃描鏡(sm)，跨越聚焦平面移動聚焦監視光束(irb)。半導體雷射器(ls)的出口面位於入口焦點。半導體雷射器也能夠照亮入口焦點中的入口針孔。光成像系統把從聚焦平面所反射的光作為一個返回光束，經由一個極化光束分離器(pbs)，傳導到雪崩光二極體(adp)。另外，把顯微目標前進1/4λ-板，以致於返回光束的極化垂直於監視光束的極化。因而，極化光束分離器(pbs)把返回光束與監視光束相隔離。一個光顯示單元利用雪崩光二極體形成待檢查目標中或目標上的聚焦平面的成像(img)，並在一個監視器上顯示該成像。實際上，光顯示單元是一臺工作站，並通過使用工作站的處理器從雪崩光二極體(adp)的輸出信號導出一個電子視頻信號實現這一成像。把這一成像用於監視鏡象檢察，特別是用於激發靶區域，以致於激發區域落入到靶區域上，並接收來自靶區域的散射輻射。喇曼譜設備(exs)包括一個激發系統(exs)，在這一情況下，激發系統(exs)是作為一個Ar-離子/Ti-藍寶石雷射器加以構造的，它能夠以850nm紅外光束(exb)的形式產生激發光束。使用Ar-離子雷射器對Ti-藍寶石雷射器進行雷射泵浦。使用一個光濾波器(of)對Ar-離子雷射器的光加以抑制。一個透鏡系統把激發光束傳導到光耦合單元(oc)，光耦合單元把激發光束沿監視光束(irb)加以傳導，此後，顯微目標把其聚焦到監視光束的焦點的區域處的聚焦平面中。光耦合單元(oc)形成光束組合單元。光耦合單元把激發光束沿顯微目標的光主軸加以傳導，即沿與監視光束的同樣的光路徑加以傳導。通過光耦合單元(oc)把喇曼散射器反射到一條光纖(fbr)的入口。通過顯微目標(mo)和光纖入口(fbr-i)前面的一個透鏡(13)，把喇曼散射紅外光聚焦到探測針孔中的光纖入口上。光纖入口本身作為一個探測針孔。光成像系統建立了入口焦點(其中提交了半導體雷射器)、待檢查目標(obj)的細節區域處的出口焦點、以及光纖入口(fbr-i)中的探測焦點之間的共焦關係。使用一個CCD探測器(CCD)把光纖(fbr)連接於一個光譜分析儀(spm)的一個輸入端。把具有CCD探測器(CCD)的光譜分析儀併入到探測器系統中，它針對小於大約1050nm的波長記錄喇曼光譜。具有CCD探測器的光譜分析儀的輸出信號代表喇曼散射紅外光的喇曼光譜。在實踐中，這一喇曼光譜出現在730nm以上或860nm以上的波長範圍中，取決於激發波長。把CCD探測器的信號輸出連接於一個光譜顯示單元(spd)，例如一臺工作站，這一工作站在一個監視器上顯示所記錄的喇曼光譜(spct)。
實際上，光顯示單元和光譜顯示單元的功能可通過同一臺工作站加以執行，例如，可以把監視器的顯示屏幕的獨立的部分(窗口)用於同時顯示光成像和喇曼光譜。圖2是在根據本發明的分析系統中所使用的光耦合系統的一個較詳細的示意圖；光耦合單元(oc)包括一個部分反射板(gp2)和一個校正板(gp1)。例如這些部分反射和校正板為1.5mm厚的玻璃板，把這些玻璃板相對監視光束和激發光束的平面橫向(較佳的做法是垂直於該平面)，並且互相垂直地加以配置。在顯微目標(mo)的側面，玻璃板(gp2)具有一個光過濾塗層，光過濾塗層呈一個氧化表面塗層的形式，對於720～740nm和860～1050nm波長範圍來說，這一光過濾塗層具有一個0.80的反射率。這一玻璃板(gp2)作為一個可光選擇的濾波器，以光束分離器的形式，光束分離器把喇曼散射光與監視光束分隔開來。玻璃板(gp2)實際傳輸監視光束的紅外光，而且沒有衰減，但由於折射監視光束會被稍微地位移。校正板(gp1)再次把監視光束向後位移，以致於可把返回的監視光束精確地聚焦於雪崩光二極體(adp)上。也可以由光耦合器(oc)把從目標部分地反射的激發光束一定程度地加以傳輸，並可以把所反射的激發光束用於指示目標上激發光束入射位置處的光成像(img)中的點(spt)。
把一個抗反射層(ar)提供在校正板的兩側。抗反射層擁有一個對於834nm來說不到0.015的反射率，以致於幾乎不會對監視光束加以反射。
使用一個擁有傳輸和反射特性(對於兩個極化方向)的過濾塗層，如表1中所列的，可獲得非常好的結果。表1列出了對於待討論的各波長範圍的合適的傳輸和反射係數。
這樣的一個光過濾塗層可以很好地朝靶區域反射激發光束。監視光束幾乎不衰減，而且可以把散射輻射有效地耦合輸出到探測系統上。
表2描述了針對兩個波長的抗反射塗層的合適的反射率。
圖3和4是以光濾波器的形式表示的光耦合系統的可選方案的示意性表示。光濾波器包括兩個板gp1和gp2(gp1是一個光束位置位移校正板，板gp2是一個低通濾波器F)。較佳的做法是令gp2的另一個板側和gp1的兩個板側塗有抗反塗層(AR)。對於入射的光束通過兩個過濾器板(1，2)傳輸監視光束(irb)，其中，對於p和s兩個極化取向，T＞90％。在板2pg處反射喇曼激發光束(exb)，例如，其中R～85％。關於返回光束由F把大部分彈性散射喇曼激發光束朝喇曼光譜分析儀和探測器加以反射，把這一光束的一小部分朝監視系統的共焦視頻顯微鏡傳輸，以在成像中提供一個可視的點。把非彈性散射喇曼光(λR＞λ2)在F處(較佳的做法是令R＝100％)朝探測系統反射。可以把板gp1和gp2互換，其中激發光束的進入位置位於板1上，如圖4中所示。可以對濾波器這樣地加以配置可把共焦的視頻顯微鏡的入口與喇曼激發光束互換。現在，濾波器F是一個高通過濾器(gp1是一個光束位置位移校正板，板gp2是一個高通過濾器F)。gp2的另一板側和板gp1的兩側可以塗有抗反射塗層的(AR)。
在這兩種方案中，均可以去除光束位移校正板，然而此時必須相對光軸位移物鏡。圖5描述的是光束組合單元的一個簡單的實施方案。對於監視光束(λ1)、喇曼激發光束(λ2)、彈性激發散射喇曼光束(λ2s)、以及非彈性散喇曼輻射(λRaman)，BS傳輸大約50％，50％被反射。這一方式，所收集的λ2s和λRaman的大約50％到達了共焦視頻顯微鏡(lso)，從而在成像中提供了一個可視的點。抗反射塗層AR是可選的。
圖6描述的是光束組合單元的一個更簡單的實施方案。在這一十分簡單的可選方案中，可以使用兩個相同的靶(分別為O1和O2)。把監視光束λ1和喇曼激發光束λ2聚焦到皮膚中的同一個點上。把部分喇曼激發光束λ2彈性地加以散射，由O1加以收集，並由共焦視頻顯微鏡加以探測，從而在成像中提供了一個可視的點。
在深度掃描期間，應該同時移動靶。
圖7和8示意性地說明了用於根據本發明的分析裝置的一個進一步的光束組合單元。圖7和8中所示的光束組合單元根據時隙共享方式進行操作。可以按一個塗有反射圖案的旋轉輪(rtw)的形式，在反射器/傳輸單元(R/t-u)處把監視光束(λ1)和喇曼激發光束(λ2)組合在一起。圖7描述的是旋轉輪(rtw)的一個側視圖，圖8描述的是旋轉輪的一個前視圖。在旋轉周期中，光束地擊中一個形成反射部分的反射層(rfs)。在這些周期中，不成像靶區域，而是把激發光束λ2反射到樣本上，並把彈性散射喇曼激發光束(l2s)和非彈性散射喇曼光(λRaman)反射回喇曼光譜分析儀(spm)。在旋轉的其它周期中，通過反射塗層中的傳輸開口，例如簡單的孔(apt)把λ1和λ2加以傳輸，從而形成傳輸部分，並且不生成喇曼信號。把監視光束λ1傳輸到樣本上，再次在返回途中對其加以傳輸，並建造成像的一部分。在旋轉期間的某些時刻，通過孔(顯示為點spt1)傳傳輸λ1和λ2某些部分，並由塗層反射這些部分。另外，在這些時刻，通過孔傳輸λ2s和λRaman的某些部分，並在成像中產生一個可視的點。
圖9a和9b描述的是可用於光束組合單元的反射器/傳輸單元的一些進一步的實例。這些反射器/傳輸單元根據與「時隙共享」相類似的操作原理加以操作在與一個塗敷了一種較高或較低反射材料的圖案的旋轉輪處，把監視光束(λ1)和喇曼激發光束(λ2)組合在一起。在這一圖案中，較高的反射部分形成反射部分，較低的反射部分形成傳輸部分。在旋轉周期中，光束擊中圖案的較高的反射部分。針對較大的部分(例如90％)把激發光束λ2反射到樣本，把彈性散射喇曼激發光束(λ2s)和非彈性散射喇曼光(lRaman)大部分(例如90％)反射回喇曼光譜分析儀上。把散射輻射λ2s和λRaman的一小部分(例如10％)加以傳輸，併到達共焦視頻顯微鏡，從而在圖象中產生一個可視的點。在旋轉的其它周期中，把λ1和λ2大部分加以傳輸，並傳輸一個低喇曼信號。把所反射的監視光束λ1傳輸到樣本上，並再次在返回的路徑上對其加以傳輸，而且貢獻於圖象。把可選的AR塗層用於校正板的兩側或輪子的後部。在圖9a和9b的實例中，可變部分是較高的-較低的反射率、比率R1/R2、以及旋轉的頻率。
圖10描述的是光束組合單元的另一個簡單的實施方案。圖11描述的是並λ在圖10的光束組合單元中的反射器/傳輸單元的沿線I-I′的一個斷面圖。在一個點反射器處把所喇曼激發光束和監視光束組合在一起把喇曼激發光束(λ2)聚焦在一個形成反射的部分(rfs)的小的反射點上，對其加以反射，併到達樣本。在返回的路上，由同樣的點把彈性散射輻射喇曼激發光束(λ2s)和喇曼光(λRaman)加以反射，併到達喇曼光譜分析儀。透鏡L1對監視光束(λ1)加以聚焦。透鏡L1，L2以及L3是一樣的，並且被這樣地加以定位它們的聚焦平面的中心是一致的。在掃描期間，在大部分時間裡，通過反射-傳輸單元的傳輸部分(trs)傳輸監視光束(λ1)，並構造一個像。當監視光束擊中反射點時，一個暗點出現在成像中，從而表明了樣本中的喇曼點的位置。如果該點的反射率小於100％(例如90％)，那麼λ2s和λRaman的一個相應的部分到達共焦視頻顯微鏡，從而在成像中的較暗點的頂部(或內部)產生一個較亮的點，然後，通過接通和關閉(例如通過一個快門)λ2，可以檢查與λ1的對齊。在光束處的表面處的可選的AR塗層把元素點反射器和透鏡L結合在一起，可把這些AR塗層結合成一個元件。圖10和11中所顯示的實例提供了一個非常簡單的光束組合單元。
圖12說明了包括一個聲光調製器的光束組合單元的另一個實例。通過一個聲光調製器把監視光束(λ1)和喇曼激發光束(λ2)組合在一起。第0階衍射的λ2光束到達樣本，從而產生彈性的和非彈性的(喇曼)散射的光(分別為λ2s和λRaman)。第0階衍射λ2，和λRaman光束到達喇曼探測器。把一小部分λ2s和λRaman光束衍射到共焦視頻顯微鏡的方向，從而在成像中提供一個可視的點。對穿過AOM的聲波的頻率這樣地加以選擇可以使第1階衍射的λ1光束(稍微不同的波長λ1′的)平行於第0階衍射的λ2光束。從樣本返回，-1階衍射的λ1′光束(又為波長λ1)沿著與最初的λ1光束的路徑相同的路徑傳播，併到達共焦視頻顯微鏡。
圖13示意性地說明了根據本發明的包括一個光分離系統的分析裝置的實施方案。在(λ1)處一個雷射器形成輻射源，這一輻射源用於共焦成像，並同時用於喇曼激發。由一個(例如20-80％)光束分隔器(BS1)所形成的光分離系統(SEP)把光束分離成兩個部分。一部分用於共焦成像，另一部分用於喇曼激發。極化光束分離器(pbs)使監視光束線性地極化。折射θ-Φ鏡把共焦視頻顯微鏡中的掃描光束路徑在X-Y平面中折射，以形成像。把透鏡L1和L2用於光束擴展，把L2用於把θ-Φ鏡的中心部分成像到顯微目標的入瞳。按這一方式，θ-Φ鏡的所反射的雷射總是在同樣的位置進入靶，而不管θ-Φ鏡的實際的θ-Φ位置。四分之一波板(1/4λ)把線性極化的監視(λ1)光束變換為圓極化光。在高通過濾器HPF處把喇曼激發光束加以反射，並通過鏡M1和M2和反射光束分離器(BS2)把其導向靶。然而，在返迴路徑上，相對於入射光束的極化取向，把從目標所反射的光再次變換成線性極化光，並把其取向位移90°。然後由極化光束分離器PBS把通過反射光束分離器BS2所傳輸的光(部分為監視光束，部分為彈性散射喇曼光)向APD探測器折射，以形成像和成像中喇曼點。把來自目標的彈性的和非彈性散射喇曼光在BS2處加以反射。通過高通過濾器HPF傳輸非彈性散射喇曼光(λR)，並將其導向喇曼方向路徑。光束分離器BS2可由點反射器加以更換。如圖7和圖8中所示。
圖14示意性地說明了根據本發明的分析裝置的一個進一步的實施方案，其中監視系統是一個正交極化光譜成像配置。這一實施方案通過OPSI和喇曼光譜組合對成像。對於正交極化光譜成像(OPSI)來說，按一個特定的波長帶，使用一個光源。為了達到這一目的，通過一個帶通濾波器(λ-Ftr)過濾一個自光源，由極化器(P)對光進行線性極化。然後，通然後通過物鏡(Obj)把光聚焦在目標中。通過一個在正交極化取向處的分析器探測所反射的光，這意味著僅對去極化的光進行探測，極化的光源於深藏在混濁的目標(組織)中的多(漫散射的)散射光。這些光子的背散射產生了一種「背光照射」，它給出了在CCD探測器(關於CCD，參見圖1)處的成像中的和諧的亮度。通過對相應於(部分地)淺目標(例如皮膚中的毛細血管)中的吸收的波長(λ-Ftr)的適當的選擇，在一個亮的本底上這些目標相對呈暗色(通過吸收)。使用一個濾波器或其它光束組合單元，可以以與在共焦成像中的所使用的類似的方式，把喇曼激發光束耦合在OPSI成像中。OPSI的好處特別體現在其緊湊性和較低的價格方面。
圖15示意性地說明了根據本發明的分析裝置的一個進一步的實施方案，其中激發光束基本上相對其縱向軸橫地向掃描靶區域。通過分離θ和Φ鏡，在X-Y平面中折射共焦視頻顯微鏡中的掃描監視光束路徑，以形成像。現在把喇曼激發光束從Φ鏡加以偏射，以在成像中產生一條線。在成像(lexc)中顯示這一細長的激發區域，並相對於目標(例如一條毛細血管)中的靶區域橫向地擴展。其好處在於對成像中的感興趣的區域中的目標的移動不十分敏感。經由一個低通過濾器LPF，傳輸所反射的監視光束和部分喇曼激發光束，以在探測器上形成像。非彈性散射喇曼光是LPF濾波器所反射的，並經由狹縫加以探測，以在CCD探測器上形成一條線，其中CCD探測器包含沿一維的空間信息，以及沿其它維的光譜信息。
圖16示意性地說明了根據本發明的分析系統的一個第二個實施方案。圖16中所顯示的實施方案利用了一個呈一個多光子螢光設備形式的多光子或非線性光探測系統。一個二色光束分離器(dbs)傳輸一個由待檢查目標中的激發光束所生成的多光子螢光。這樣的一個分光光束分離器(dbs)分隔不同波長的光即不同顏色的光。這一分析系統還包括一個摺疊鏡(fm)，這一摺疊鏡被配置在雙折射光束分離器之後。在圖16中所顯示的位置中，把多光子光螢光導通於一個光探測器(2pd)。把光探測器連接於一臺工作站(spd)。工作站(spd)的處理器從光探測器的輸出信號導出一個電子視頻信號。當使用CCD探測器時，可把輸出信號本身用作電子視頻信號。這一電子視頻信號代表了顯示在監視上的多光子螢光成像。也可以把摺疊鏡從光路徑中去除，以致於可以把多光子螢光傳輸到光譜分析儀(SPM)，以便記錄多光子螢光光譜。
權利要求
1.一種分析裝置，尤其是一種光譜分析裝置，包括-一個激發系統，用於發射一個激發光束，以在一個激發周期中激發一個靶區域，以及-一個監視系統，用於發射一個監視光束，以在一個監視周期中對靶區域成像，並且其中--激發周期和監視周期基本上重疊。
2.如權利要求1中所要求的一個分析裝置，包括-一個光束組合單元，以-把激發光束和監視光束導向靶區域，並從由激發光束所產生的靶區域的散射輻射，將來自靶區域或穿過靶區域的被反射或被傳輸的監視光束和來自靶區域或穿過靶區域的至少一部分被反射或傳輸的激發光束分離。
3.如權利要求2中所要求的一個分析裝置，其中-光束組合單元-至少部分地反射散射輻射，以及-至少部分地傳輸所反射的監視光束和所反射的激發光束。
4.如權利要求2中所要求的一個分析裝置，其中-光束組合單元-至少部分地傳輸散射輻射，以及-至少部分地反射所反射的監視光束和所反射的激發光束。
5.如權利要求3或4中所要求的一個分析裝置，其中光束組合單元的部分傳輸與/或部分反射是這樣獲得的光束組合單元交替地進行部分傳輸和部分反射。
6.如權利要求1中所要求的一個分析裝置，其中光束組合單元具有一個反射器/傳輸單元，該單元擁有-一個反射部分，對於激發光束這一部分是至少部分地可反射的，而且對於監視光束來說，基本上是不透明的，以及-一個傳輸部分，至少部分地，特別是主要地用於監視光束和所反射的監視光束的傳輸。
7.如權利要求1中所要求的一個分析裝置，其中光束組合單元具有一個反射器/傳輸單元，該單元擁有-一個傳輸部分，基本上用於激發光束和散射輻射的傳輸。-一個反射部分，基本上用於監視光束的反射。
8.如權利要求6或7中所要求的一個分析裝置，其中反射器/傳輸單元是可移動或可旋轉的，以便交替地把反射部分放置在激發光束中和把傳輸部分放在監視光束中(反之亦然)。
9.如前面的權利要求中的任何一項權利要求所要求的一個分析裝置，包括-一個輻射源，用於發射一個輸出光束，以及-一個光分離系統，用於分隔來自輸出光束的監視光束和激發光束。
10.如權利要求1中所要求的一個分析裝置，包括-一個探測系統，用於探測來自激發光束所產生的靶區域的散射輻射，其中-監視系統包括一個共焦視頻顯微鏡，以及-探測系統擁有一個與共焦視頻顯微鏡的共焦關係。
11.如權利要求1中所要求的一個分析裝置，其中監視系統是由正交極化光譜成像配置、光相干的斷層攝影術配置、光都卜勒斷層攝影術配置、光聲成像配置、多光子顯微鏡配置所構成一組中的一個。
12.如權利要求1中所要求的一個分析裝置，其中光束組合單元包括一個聲光調製器。
13.如權利要求1中所要求的一個分析裝置，其中對激發系統加以配置，以相對於靶區域的縱向軸基本上橫向地掃描激發光束。
14.一種用於分析一個待檢查目標的成份的方法，具體地說是一種光譜分析方法，該方法包括下列步驟-發射一個激發光束，以在激發周期中激發一個靶區域-發射一個監視光束，以在監視周期中對靶區域成像，以及其中-激發周期和監視周期基本上重疊。
15.一種用於血液的成份光譜非侵入分析的方法，該方法包括下列步驟-對一個靶區域成像，具體地說，在一個監視周期中共焦地、基本上與一個血管相一致地成像這一靶區域-在一個激發周期中使用激發光束激發靶區域-激發周期和監視周期基本上重疊，具體地說與成像靶區域共焦地探測來自激發光束所產生的靶區域的散射輻射。
全文摘要
一種分析裝置，具體地說是一種光譜分析裝置，包括一個激發系統和一個監視系統。激發系統發射一個激發光束，以在一個激發周期中激發一個靶區域。監視系統發射一個監視光束，以在一個監視周期中成像靶區域。激發周期和監視周期基本上重疊。因此，可以所激發把靶區域加以成像，形成一個既可顯示靶區域也可顯示激發區域的成像。根據這一成像，可以把激發光束精確地瞄準於靶區域。
文檔編號A61B5/145GK1455862SQ02800115
公開日2003年11月12日 申請日期2002年1月11日 優先權日2001年1月18日
發明者G·W·盧卡森, G·J·普佩爾斯, P·J·卡斯佩爾斯, M·范德沃特, E·倫德林克, M·B·范德馬克, R·F·M·亨德裡克斯, J·S·科亨 申請人:皇家菲利浦電子有限公司