專利名稱：光學(xué)分析系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于確定光信號的主分量幅值的光學(xué)分析系統(tǒng)，所說光學(xué)分析系統(tǒng)包括用于通過光譜加權(quán)函數(shù)加權(quán)光信號的一個多變量光學(xué)元件(MOE)和用于檢測加權(quán)的光信號的一個檢測器。
本發(fā)明還涉及包括這樣一種光學(xué)分析系統(tǒng)的血液分析系統(tǒng)。
本發(fā)明還涉及用于確定光信號的主分量幅值的方法，所說方法包括如下步驟通過具有光譜加權(quán)函數(shù)的多變量光學(xué)元件加權(quán)光信號，和通過檢測器檢測加權(quán)的光信號。
背景技術(shù)：
US-B1-6198531公開了一種在本文第一段中描述的光學(xué)分析系統(tǒng)的實施方案。
已知的光學(xué)分析系統(tǒng)是光譜分析系統(tǒng)的一部分，例如適合于分析在樣品中包含多大濃度的哪種化合物。眾所周知，與樣品發(fā)生相互作用的光攜帶有關(guān)化合物和它們的濃度的信息。在光譜技術(shù)中利用了這種基礎(chǔ)物理過程，其中將光源(如激光器、燈、或者發(fā)光二極管)的光引向樣品，以便產(chǎn)生攜帶這種信息的光信號。
例如，光可被樣品吸收。按照另一種方式，或者說還有一種方式，已知波長的光可以與樣品相互作用，由于例如拉曼過程，產(chǎn)生不同波長的光。發(fā)射的和/或產(chǎn)生的光組成一個光信號，該光信號還可以稱之為光譜。作為波長函數(shù)的光信號的相對強度表示樣品中包括的化合物和它們的濃度。
為了識別樣品中包括的化合物并且確定它們的濃度，必須分析光信號。在已知的光學(xué)分析系統(tǒng)中，通過包括光學(xué)濾波器的專用硬件來分析光信號。這種光學(xué)濾波器的透射率取決于波長，即，對于光學(xué)濾波器進行設(shè)計，以便能夠通過光譜加權(quán)函數(shù)來加權(quán)光信號，所說的光譜加權(quán)函數(shù)是通過隨波長而定的透射率給出的。對于光譜加權(quán)函數(shù)進行選擇，以使加權(quán)的光信號的總強度，即透過濾波器的光的總強度，正比于特定化合物的濃度。這樣一種光學(xué)濾波器還稱之為多變量光學(xué)元件(MOE)。按照常規(guī)，這個強度可以由檢測器檢測，例如用發(fā)光二極管。對于每一種化合物，都要使用具有特征光譜加權(quán)函數(shù)的專用光學(xué)濾波器。光學(xué)濾波器例如可以是干涉濾波器，它的透射率構(gòu)成期望的光譜加權(quán)函數(shù)。
為了成功地實施這個分析方案，重要的是要知道與感興趣的化合物對應(yīng)的光譜加權(quán)函數(shù)。光譜加權(quán)函數(shù)是通過對于已知濃度的N種純化合物的一組N個或大于N個光譜進行主分量分析獲得的，其中N是整數(shù)。每個光譜包括對應(yīng)的M個不同波長的光信號的強度，這里M也是整數(shù)。在一般情況下，M遠大于N。包含在相應(yīng)M個波長的M個強度的每個光譜構(gòu)成了一個M維的矢量，矢量的M個分量就是這些強度。矢量經(jīng)受稱之為奇異值分解(SVD)的線性代數(shù)處理，這是主分量分析的核心，也是本領(lǐng)域中完全可以理解的。
作為奇異值分解(SVD)的結(jié)果，獲得一組N個本征矢量zn，其中n是小于N+1的正整數(shù)。本征矢量zn是原始的N個光譜的線性組合，通常稱之為主分量矢量或回歸矢量。通常，主分量矢量是相互正交的，并且規(guī)定為|zn|＝1的歸一化矢量。如果使用主分量矢量zn，則可以通過歸一化主分量矢量乘以適當(dāng)?shù)臉?biāo)量乘數(shù)的組合來描述包括未知濃度的化合物在內(nèi)的樣品的光信號x1z1+x2z2+.....+xnzn可以認為標(biāo)量乘數(shù)xn(n是小于N+1的正整數(shù))是指定的光信號中主分量矢量zn的幅值。通過將光信號看作是M維波長空間中的一個矢量，并且通過計算這個矢量與主分量矢量zn的直積，可以確定每一個乘數(shù)xn。結(jié)果得到沿歸一化本征矢量zn方向的光信號的幅值xn。幅值xn對應(yīng)于第N種化合物的濃度。
在已知的光學(xué)分析系統(tǒng)中，代表光信號的矢量和主分量矢量之間的直積的計算是在光學(xué)分析系統(tǒng)的硬件中借助于光學(xué)濾波器實現(xiàn)的。光學(xué)濾波器具有透射性，使得光學(xué)濾波器能按照主分量矢量的分量加權(quán)光信號，即，主分量矢量構(gòu)成了光譜加權(quán)函數(shù)?？梢酝ㄟ^檢測器來檢測經(jīng)過濾波的光信號，檢測器所產(chǎn)生的信號幅值正比于主分量矢量的幅值，因此正比于對應(yīng)的化合物的濃度。
按照物理上的含義，每個主分量矢量都是一個構(gòu)成的“光譜”，它的形狀在光信號的波長范圍內(nèi)。與實際的光譜相比，主分量矢量可以包括處于第一光譜范圍內(nèi)的正的部分和處于第二光譜范圍內(nèi)的負的部分。在這種情況下，對于與第一光譜范圍對應(yīng)的波長主分量矢量具有正的分量，對于與第二光譜范圍對應(yīng)的波長具有負的分量。
已知的光學(xué)分析系統(tǒng)的缺點是它需要一個相當(dāng)大的空間。當(dāng)光學(xué)分析系統(tǒng)用于只可得到很小空間的應(yīng)用場合的時候，例如在空中、醫(yī)院的急救室、或者便攜式設(shè)備中，這尤其不利。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個目的是提供本說明書的第一段中描述的一種光學(xué)分析系統(tǒng)，它可以在一個相當(dāng)小的空間中實施。
按照本發(fā)明，為了實現(xiàn)這個目的，多變量光學(xué)元件反射光信號，借此可通過光譜加權(quán)函數(shù)來加權(quán)光信號。因為多變量光學(xué)元件是按照反射方式操作的，而不像已知的光學(xué)分析系統(tǒng)那樣按照透射方式操作，因此多變量光學(xué)元件可以在一個比較緊湊的空間中實施。
按照本發(fā)明，光信號不限于其波長為人眼可見的那些光信號。所說的光信號可以包括處于紫外(UV)和/或紅外(IR)光譜中的光譜分量。在這里，紅外光譜范圍包括近紅外(NIR)和遠紅外(FIR)(其頻率大于1T赫茲)和所有的中間波長。
按照本發(fā)明，主分量不限于純主分量。在這里，純主分量指的是對于某種化合物的在數(shù)學(xué)上嚴格的本征矢量。主分量還可以包括來自其它化合物的一些微小的貢獻，這些微小的貢獻可能來源于確定主分量期間產(chǎn)生的缺陷。主分量還可以對應(yīng)于已知濃度的幾種化合物的混合物。主分量還可以關(guān)聯(lián)一種或多種特定的被分析物，在這里的術(shù)語“關(guān)聯(lián)”可以包括基本上完全關(guān)聯(lián)或者部分關(guān)聯(lián)。主分量可以與除了這一種或多種特定的被分析物以外的被分析物不關(guān)聯(lián)，在這里的術(shù)語“不關(guān)聯(lián)”可以包括基本上沒有關(guān)聯(lián)或者部分關(guān)聯(lián)，其條件在于，后一種情況下，該部分關(guān)聯(lián)小于與一種或多種特定的被分析物的部分關(guān)聯(lián)。光譜加權(quán)函數(shù)和/或主分量還可以稱之為回歸矢量。
通過主分量分析、或者通過任何其它的數(shù)學(xué)正交化過程、任何多變量分析方法，例如偏最小二乘法(PLS)、類算法、或中性網(wǎng)絡(luò)，可以獲得光譜加權(quán)函數(shù)。
主分量可以與被分析物的電子的、振動的、和/或電子振動躍遷相關(guān)。另外的分量可能與除被分析物以外的物質(zhì)的電子的、振動的、和/或電子振動躍遷相關(guān)。主分量可能與被分析物的拉曼光譜有關(guān)。另外的分量可能與攜帶被分析物的物質(zhì)和/或被分析物本身的熒光光譜有關(guān)，或者與檢測體積和檢測器(如人的皮膚組織或光學(xué)元件)之間的物質(zhì)的熒光光譜有關(guān)。
多變量光學(xué)元件可以具有可以調(diào)節(jié)的光譜加權(quán)函數(shù)。
在一個實施例中，光學(xué)分析系統(tǒng)還包括一個色散元件，例如光柵或棱鏡，用于使光信號發(fā)生光譜色散，對于多變量光學(xué)元件進行安排，使其可以接收經(jīng)過色散的光信號。在這樣一種光學(xué)分析系統(tǒng)中，多變量光學(xué)元件的不同區(qū)域接收光信號的不同光譜部分。例如，一個區(qū)域接收例如藍色光譜部分，另一個區(qū)域可以接收紅色光譜部分。一個光譜部分可以定義為一個波長范圍。
可以調(diào)節(jié)這些區(qū)域中每個區(qū)域的反射率，以獲得光譜加權(quán)函數(shù)。這與在現(xiàn)有技術(shù)中即在干涉濾波器中設(shè)計已知的多變量光學(xué)元件的光譜反射率相比，可能會更加精確并且復(fù)雜性更小。在已知的多變量光學(xué)元件中，所有的光譜部分都入射到多變量光學(xué)元件的相同區(qū)域上。這是相當(dāng)復(fù)雜的，并且難以獲得所有光譜部分的所需反射率。
多變量光學(xué)元件可以包括用于接收經(jīng)過色散的光信號的光譜部分的一個區(qū)域，這個區(qū)域的反射率與光譜加權(quán)函數(shù)相關(guān)?？梢哉{(diào)節(jié)整個區(qū)域的反射率，以便可以按照光譜加權(quán)函數(shù)來加權(quán)入射在這個區(qū)域上的光譜分量。按照光譜加權(quán)函數(shù)，對應(yīng)于不同光譜分量的不同的區(qū)域可以具有不同的反射率。整個區(qū)域的反射率可以是不變的，這就允許用相當(dāng)簡單的方式來調(diào)節(jié)所說的反射率，例如通過控制構(gòu)成這個區(qū)域的表面上的具有反射性金屬涂層的厚度。整個區(qū)域或僅一部分區(qū)域的反射率是可調(diào)的。這個區(qū)域可以包括多個部分，每個部分都有各自的可調(diào)節(jié)的反射率。下面給出具有可調(diào)反射率的多變量光學(xué)元件的實施例。
按照另一種方式或者附加地，多變量光學(xué)元件可以包括用于接收經(jīng)過色散的光信號的光譜部分的一個區(qū)域，將這個區(qū)域的一部分安排成能夠?qū)⑷肷涞狡渖系慕?jīng)過色散的光信號反射到檢測器，將這個區(qū)域的另一部分安排成能夠阻止入射到其上的經(jīng)過色散的光信號反射到所說的檢測器。在這種情況下，所說的區(qū)域包括兩個部分，一個部分向檢測器反射在這個部分上入射的光譜部分，另一個部分阻止向檢測器反射在這后一部分上入射的光譜部分。后一部分可以被吸收或反射到其他地方，例如束流收集器(beam dump)。通過一個附加的檢測器可以至少部分地檢測這個后一部分，例如用于校準(zhǔn)光譜系統(tǒng)中光源的發(fā)射強度或波長。在各部分上入射的光譜部分的相對強度以及將光信號反射到檢測器部分的反射率確定了各光譜部分中光信號的加權(quán)。
這樣一種多變量光學(xué)元件具有相當(dāng)高的對比度這一優(yōu)點，因為入射在這部分上的僅相當(dāng)小量的光可能沒有到達檢測器而入射在另一部份上的相當(dāng)小量的光仍然到達檢測器。主要由反射表面的光學(xué)質(zhì)量決定這些不希望的過程。以相當(dāng)?shù)偷某杀揪湍芎芎玫乜刂七@些表面的質(zhì)量。進而，反射率對于光的偏振態(tài)是相當(dāng)不靈敏的。
術(shù)語“安排”可能意味著，例如通過形成一種結(jié)構(gòu)化反射表面，如參照附圖11A和11B所表示和描述的，就可以永久性地安排這個部分和其它部分，但不限于這種情況。還意味著，所說的區(qū)域包括一個可傾斜的反射表面。根據(jù)這個可傾斜的反射表面的位置，在其上入射的光譜部分可以反射到檢測器上，或者反射到其它的地方因而不能檢測到它，例如反射到束流收集器。以此方式，通過可傾斜的反射表面的位置，就可以至少部分地調(diào)節(jié)光譜加權(quán)函數(shù)。在一個傾斜位置可以確定方向，以致于可以將入射在其上面的光譜分量反射到檢測器。在另一個傾斜位置可以確定方向，以致于可以使入射在其上面的光譜分量反射離開檢測器。
當(dāng)可傾斜的反射表面是相當(dāng)小的可傾斜元件的一部分的時候，可傾斜的表面的切換時間可能是相當(dāng)短的，即向檢測器引導(dǎo)反射光或者引導(dǎo)反射光離開檢測器所需的時間是相當(dāng)短的。反射表面的尺寸例如是10微米×10微米，并且到相鄰反射表面(如果存在的話)的距離是14微米。切換時間可以為20微秒數(shù)量級。
所說的區(qū)域可以包括不止一個可傾斜表面，每個表面可以單獨傾斜。以此方式，通過取向?qū)?yīng)數(shù)目的可傾斜表面就可以調(diào)節(jié)反射到檢測器的光譜部分的相對數(shù)量，以使它們能將入射在其上面的光譜分量向檢測器反射?？蓛A斜表面的數(shù)目越大，調(diào)節(jié)光譜加權(quán)函數(shù)的精度越高。
可以通過一個單元對于光信號的某個光譜部分進行光譜加權(quán)。這個單元可以在兩個位置之間進行切換，在一個位置入射在其上的光譜分量反射到檢測器，在另一位置入射在其上的光譜分量反射到其它地方。然后，通過該單元處在一個位置的時間相對于該單元處在另一個位置的時間之比，來確定所說的光譜加權(quán)。換言之，通過這個單元的占空比來確定這個光譜部分的幅值。檢測器可以包括一個積分器，以便在可以是這個時間加上另一個時間之和的一定時間周期上積分所說的信號。
多變量光學(xué)元件可以包括兩個或多個區(qū)域，每個區(qū)域都安排成可以接收光信號的一個對應(yīng)的光譜部分，并且每個區(qū)域都包括至少一個可傾斜的反射表面。由此，可在兩個對應(yīng)的波長范圍內(nèi)調(diào)節(jié)光譜加權(quán)函數(shù)。反射率相對來說可以與波長無關(guān)，正如對于單層或多層的例如金屬、半導(dǎo)體、和/或電介質(zhì)表面所知的那樣。然后，通過調(diào)節(jié)一個部分和另一個部分的表面面積，相對來說就會很容易地調(diào)節(jié)這個區(qū)域的反射率。不需要考慮由于消色差引起的反射率隨波長的變化。
多變量光學(xué)元件可能包括各個可傾斜的反射表面的一個陣列。可傾斜的反射表面可以是可傾斜元件的一個部分。通過在這個元件和面對該元件的電極之間施加一個靜電電位差，就可以引起每個元件的傾斜。這樣一個陣列可以是數(shù)字式反射鏡設(shè)備(DMD)，例如在文章“Emerging Digital Micromirror Device”(出射的數(shù)字式微型反射鏡設(shè)備(DMD))(作者是D.Dudley，W.M.Duncan，J.Slaughter，SPIE會議錄4985，第14-25頁，(2003))中所描述的。
所說的區(qū)域可以包括一個反射式液晶(LC)單元。這樣一個單元包括一個液晶分子層，通過施加電場使液晶分子至少部分地取向。這層至少部分取向的液晶分子具有各向異性折射率，例如沿尋常軸的尋常折射率和沿非常軸的非常折射率，在這里，尋常折射率不同于非常折射率。當(dāng)偏振方向不同于尋常方向或非常方向的光穿過這一層時，光的偏振態(tài)發(fā)生變化。在反射式液晶單元中，液晶分子層定位在反射表面的前方，因此將穿過這一層的光反射回來，再次穿過這一層。在光穿過液晶分子層之前，可以通過一個起偏器來調(diào)節(jié)光的偏振態(tài)。光在兩次穿過液晶分子層以后再通過一個檢偏器，從而可以測量光的偏振態(tài)的變化。起偏器可以用作檢偏器。
通過調(diào)節(jié)液晶分子的取向，可以調(diào)節(jié)通過檢測器檢測到的在液晶單元上入射的光譜部分的數(shù)量。換句話說，通過向液晶單元施加電壓并且因此使液晶分子取向，就可以至少部分地調(diào)節(jié)光譜加權(quán)函數(shù)。
反射式液晶單元在本領(lǐng)域中是眾所周知的，并且可以以相當(dāng)?shù)偷膬r格獲得。它們不需要移動部件就可以實現(xiàn)可調(diào)節(jié)的反射。液晶分子的取向過程可以相當(dāng)慢，例如幾個毫秒的量級。
這個區(qū)域可以包括多于一個的反射式液晶單元，每個反射式液晶單元可以逐個地調(diào)節(jié)。反射到檢測器的光譜部分的量值可通過調(diào)節(jié)所加的電壓進行調(diào)節(jié)。按照另一種方式，反射到檢測器的光譜部分的相對量值可以通過提供對應(yīng)數(shù)目的反射式液晶單元來調(diào)節(jié)，反射式液晶單元的電壓可以使這個數(shù)目的反射式液晶單元能夠向檢測器反射在其上面入射的光譜分量，并且其余的單元的電壓使反射式液晶單元基本上不能向檢測器反射在其上面入射的光譜分量。在這樣一種方案中，可以使用數(shù)字式電壓控制而不使用模擬式電壓控制，這樣將減小所需的電子設(shè)備的成本。反射式液晶單元的數(shù)目越大，可以調(diào)節(jié)光譜加權(quán)函數(shù)的精度越高。
多變量光學(xué)元件可以包括兩個或多個區(qū)域，每個區(qū)域都安排成可以接收光信號的對應(yīng)的光譜部分，并且每個區(qū)域都包括至少一個反射式液晶單元。以此方式，可以在兩個對應(yīng)的波長范圍內(nèi)調(diào)節(jié)光譜加權(quán)函數(shù)。對于液晶分子，各向異性折射率可能強烈地依賴于光波長。當(dāng)調(diào)節(jié)電壓時將要考慮到這個效應(yīng)，這可能使這種多變量光學(xué)元件的控制復(fù)雜化。
多變量光學(xué)元件可包括單獨可控的反射式液晶單元的一個陣列。所說的液晶單元可以是硅上液晶(LCoS)單元。多變量光學(xué)元件可以包括LCoS單元的一個陣列，例如在US-5486485中所描述的，以及在文章“具有反射式LCD板的高分辨率和高亮度LCD投影儀”(High resolution and bright LCD projector with reflective LCDpanels)(作者為F.Sato，Y.Yagi，K.Hanihara，SID國際討論會，波士頓(美國)(1997)，技術(shù)論文匯編XXVIII997)、“用于高分辨率顯示器的單晶硅”(Single crystal silicon for high resolution displays)(作者P.M.Alt，第17次國際顯示研討會，多倫多(加拿大)(1997)M-19)、和“單板反射式LCD投影儀”(作者J.A.Shimizu，SPIE會議錄3634(1999)197)。
所說的區(qū)域可以包括一個反射式電潤濕單元。這樣的一個單元包括一種吸收性液體，吸收性液體用于吸收入射光。吸收性液體包括在一個單元內(nèi)，該單元包括一個表面，這個表面可由吸收性液體潤濕。它還包括一個電極，用于在電極和吸收性液體之間施加電壓。通過施加這樣一個電壓，可以改變所說表面的潤濕性質(zhì)。以此方式，可以移動吸收性液體，以使吸收性液體基本上覆蓋這個表面，或者使反射性表面大體上沒有吸收性液體。所說的單元還包括一個反射表面，這個反射表面可以是由吸收性液體潤濕的表面，或者可以位于入射光路徑中這個表面的下游。當(dāng)反射性表面與吸收性液體基本上脫離的時候，光被反射，而當(dāng)反射性表面基本上由吸收性液體覆蓋的時候，光被吸收。換言之，通過向電潤濕單元施加電壓并因而定位吸收性液體，可以至少部分地調(diào)節(jié)光譜加權(quán)函數(shù)。
反射式電潤濕單元本身在本領(lǐng)域中是公知的，例如參見文獻“基于電潤濕的視頻速度電子紙”(Video-speed electronic paper based oneletro-wetting)(R.A.Hayes，B.J.Feenstra，自然425，第383-385頁(2003))。它們不需要移動部件就可以實現(xiàn)可調(diào)節(jié)的反射。吸收性液體的移動可能比液晶分子的取向更快些。
所說的區(qū)域可以包括不止一個反射式電潤濕單元，每一個電潤濕單元都可以單獨地調(diào)節(jié)。通過調(diào)節(jié)所加的電壓可以調(diào)節(jié)反射到檢測器上的光譜分量的量值。按照另一種方式，通過為對應(yīng)數(shù)目的反射式電潤濕單元提供電壓，使?jié)櫇駟卧梢韵驒z測器反射入射在其上的光譜分量，其余電潤濕單元的電壓應(yīng)使其基本上不能向檢測器反射入射在其上的光譜分量，可調(diào)節(jié)反射到檢測器上的光譜部分的相對量。在這樣的方案中，可以使用數(shù)字式電壓控制而不是模擬式電壓控制，這將減小所需的電子設(shè)備的成本。當(dāng)在光譜分析期間沒有切換單元的時候，以下所述成立在一定的光譜范圍內(nèi)發(fā)光的反射式電潤濕單元的數(shù)目越大，在這個光譜范圍內(nèi)光譜加權(quán)函數(shù)可調(diào)節(jié)的精度越高。當(dāng)在光譜分析期間切換單元的時候，通過占空比可以確定光信號的反射光譜部分的幅值。然后，通過單元切換的精度來確定所說的精度。
多變量光學(xué)元件可以包括兩個或多個區(qū)域，每個區(qū)域都安排成可以接收光信號的一個對應(yīng)的光譜部分，并且每個區(qū)域都包括至少一個反射式電潤濕單元。以此方式，可以在兩個對應(yīng)的波長范圍內(nèi)調(diào)節(jié)光譜加權(quán)函數(shù)。對于電潤濕單元領(lǐng)域中已知的吸收性液體，吸收可能相當(dāng)弱地取決于光的波長。通過調(diào)節(jié)該部分和另外的部分的表面面積，就能相當(dāng)容易地調(diào)節(jié)這個區(qū)域的反射率。不需要考慮由于消色差引起的反射率隨波長的變化。
多變量光學(xué)元件可以包括單獨可控的反射式電潤濕單元的一個陣列，例如在文章“基于電潤濕單元的視頻速度電子紙”(Video-speedelectronic paper based on eletro-wetting)(作者R.A.Hayes，B.J.Feenstra，自然425，第383-385頁(2003))中所描述的那樣。
在一個實施例中，光學(xué)分析系統(tǒng)具有用于檢測由第一光譜加權(quán)函數(shù)加權(quán)的光信號的第一檢測器，和用于檢測由第二光譜加權(quán)函數(shù)加權(quán)的光信號的第二檢測器，多變量光學(xué)元件安排成能夠向第一檢測器反射由第一光譜加權(quán)函數(shù)加權(quán)的經(jīng)過色散的光信號的第一部分，并且能夠向第二檢測器反射由第二光譜加權(quán)函數(shù)加權(quán)的光信號的第二部分。
按照本發(fā)明的這一方面，光學(xué)分析系統(tǒng)還包括用于光譜色散光信號的一個色散元件和用于接收經(jīng)過光譜色散的光信號的分配元件，所說的分配元件還用于向第一檢測器分配由第一光譜加權(quán)函數(shù)加權(quán)的光信號的第一部分并且向第二檢測器分配由第二光譜加權(quán)函數(shù)加權(quán)的光信號的第二部分。分配元件可以是反射式多變量光學(xué)元件。
與已知的光學(xué)分析系統(tǒng)相比，本發(fā)明的這一方面具有一個特殊的優(yōu)點。在已知的光學(xué)分析系統(tǒng)中，光信號的一部分引向第一濾波器，第一濾波器通過第一光譜加權(quán)函數(shù)加權(quán)光信號，光信號的另一部分引向第二濾波器，第二濾波器通過第二光譜加權(quán)函數(shù)加權(quán)光信號。在已知的光學(xué)分析系統(tǒng)中，信噪比相對較低，因為光信號的相當(dāng)大的部分不能被任何檢測器檢測到，而是被例如第一光學(xué)濾波器或者被第二濾波器阻擋。例如，由第一光學(xué)濾波器接收的光信號包括了所有的信息，但是第一光學(xué)濾波器只能透射與第一加權(quán)函數(shù)對應(yīng)的光信號部分，而與第二加權(quán)函數(shù)對應(yīng)的光信號部分則由所說濾波器阻擋。被第一光學(xué)濾波器阻擋的以及被第二光學(xué)濾波器阻擋的光是不能檢測到的，這將減小信噪比。
按照本發(fā)明的這一方面，可以至少部分地避免信噪比的這種減小。為此，光學(xué)分析系統(tǒng)包括一個色散元件，例如光柵或棱鏡，用于光譜色散光信號。經(jīng)過光譜色散的光信號由一個分配元件接收，即，分配元件的不同部分接收不同波長的光信號。對于各個波長，將分配元件安排成可以向第一檢測器分配按照第一光譜加權(quán)函數(shù)加權(quán)的光信號的第一部分，并且向第二檢測器分配按照第二光譜加權(quán)函數(shù)加權(quán)的光信號的第二部分。于是，與已知的光學(xué)分析系統(tǒng)的第一光學(xué)濾波器和第二光學(xué)濾波器所作的那樣阻擋光信號的情況不同，光信號的不同部分被引向不同的檢測器。結(jié)果，可檢測到較大數(shù)量的光信號，從而改進了信噪比。
在一個實施例中，主分量包括在第一光譜范圍內(nèi)的一個正的部分和在第二光譜范圍內(nèi)的一個負的部分，由第一光譜加權(quán)函數(shù)加權(quán)的光信號的第一部分對應(yīng)于正的部分，由第二光譜加權(quán)函數(shù)加權(quán)的光信號的第二部分對應(yīng)于負的部分，第一檢測器和第二檢測器耦合到一個信號處理器，信號處理器用于從第一檢測器產(chǎn)生的信號中減去第二檢測器產(chǎn)生的信號。在這個實施例中，可以以改進的信噪比對于包括具有一個正的部分和一個負的部分的主分量的光信號進行分析。在一般情況下，第一光譜范圍與第二光譜范圍無關(guān)。
在另一個實施例中，主分量包括第一主分量和第二主分量，由第一光譜加權(quán)函數(shù)加權(quán)的光信號的第一部分對應(yīng)于第一主分量，由第二光譜加權(quán)函數(shù)加權(quán)的光信號的第二部分對應(yīng)于第二主分量。這個光學(xué)分析系統(tǒng)特別適合于分析包括兩個或多個主分量的光信號。它可以以改進的信噪比提供兩個或多個主分量的相應(yīng)幅值。
在另一個實施例中，主分量包括第一主分量和第二主分量，第一主分量和/或第二主分量包括在第一光譜范圍內(nèi)的正的部分和在第二光譜范圍內(nèi)的負的部分。
有益的是，分配元件具有一個表面，用于接收經(jīng)過光譜色散的光信號，所說的表面包括第一組表面元件和第二組表面元件，第一組表面元件用于向第一檢測器分配經(jīng)過光譜色散的光信號，并且第二組表面元件用于向第二檢測器分配經(jīng)過光譜色散的光信號。在這個實施例中，每個表面元件根據(jù)它的位置和它的表面面積接收經(jīng)過光譜色散的光信號的一定的部分。從而，通過第一組表面元件的位置和表面面積來確定第一加權(quán)函數(shù)，并且通過第二組表面元件的位置和表面面積來確定第二加權(quán)函數(shù)。這個表面接收的經(jīng)過光譜色散的光信號可以通過該表面反射和/或衍射。按照另一種方式，還可以透射和折射和/或衍射這種光信號。
這個實施例的優(yōu)點是分配元件的制造相當(dāng)容易，例如使用一個透明的基板(如玻璃基板)，并且通過蝕刻和/或拋光為所說的基板提供表面元件。按照另一種方式，可以使用適當(dāng)形狀的模具制造所說的基板。透明基板的一個附加的優(yōu)點是光信號的損失相對較低。
有益的是，如果將色散元件安排成可以在一個色散平面內(nèi)色散光信號，光學(xué)分析系統(tǒng)還包括一個聚焦元件，用于聚焦經(jīng)過色散的光信號，聚焦元件在色散平面內(nèi)具有第一焦距并且在垂直于色散平面的一個平面內(nèi)具有第二焦距，第一焦距可以與第二焦距不同，將聚焦元件安排成可以將在色散平面中經(jīng)過色散的光信號聚焦在分配元件上。在這個實施例中，在分配元件上聚焦經(jīng)過光譜色散的光信號，以使光信號的不同光譜分量可以由分配元件的不同的、相互完全分開的部分接收。從而，可以向不同的檢測器有選擇地分配不同的波長。
在這個實施例中，如果光學(xué)分析系統(tǒng)還包括另一個聚焦元件，用于在第一檢測器上聚焦光信號的第一部分，則更加有益。這就允許人們使用檢測區(qū)域具有相當(dāng)小面積的第一檢測器有效地檢測第一部分。
為了使用具有甚至于更小檢測面積的檢測器進行有效的檢測，有益的作法是，光學(xué)分析系統(tǒng)還包括另一個色散元件，用于在第一檢測器上聚焦第一部分之前光譜組合光信號的第一部分。由分配元件分配的光信號的第一部分從原理上看仍舊是光譜色散的，它限制了將第一部分聚焦到小檢測區(qū)域的可能性。通過使用另一個色散元件，使光信號的第一部分經(jīng)過光譜組合，因此可以將其聚焦到較小的區(qū)域。因此，可以使用設(shè)置在這個焦點的較小的第一檢測器。按照另一種方式，在這個焦點上可以設(shè)置一個針孔或孔徑以實現(xiàn)共焦點檢測方案。
多變量光學(xué)元件可以包括通過第一個部分加權(quán)函數(shù)加權(quán)光信號的第一多變量光學(xué)元件，第一多變量光學(xué)元件與第二多變量光學(xué)元件串聯(lián)，第二多變量光學(xué)元件通過第二個部分加權(quán)函數(shù)加權(quán)已通過第一個部分加權(quán)函數(shù)加權(quán)的光信號。通過串聯(lián)組合兩個單獨的多變量光學(xué)元件，可以調(diào)節(jié)光信號的幅值，這種調(diào)節(jié)與分別向第一檢測器和第二檢測器分配加權(quán)的光信號無關(guān)。例如，第一多變量光學(xué)元件可以調(diào)節(jié)一個或多個光譜范圍內(nèi)光信號的幅值，即，可以通過第一個部分加權(quán)函數(shù)加權(quán)光信號。第二多變量光學(xué)元件可以接收通過第一個部分加權(quán)函數(shù)加權(quán)的光信號，并且以通過第二個部分加權(quán)函數(shù)確定的相對比例將其分配給第一檢測器和第二檢測器。這時，第一光譜加權(quán)函數(shù)和第二光譜加權(quán)函數(shù)是第一個部分加權(quán)函數(shù)和第二個部分加權(quán)函數(shù)的相應(yīng)部分的乘積。以此方式，可以實現(xiàn)由第一光譜加權(quán)函數(shù)和由第二光譜加權(quán)函數(shù)對于光信號的同時加權(quán)，即使當(dāng)使用可調(diào)節(jié)的多變量光學(xué)元件和/或當(dāng)?shù)谝还庾V加權(quán)函數(shù)和第二光譜加權(quán)函數(shù)部分重疊的時候亦是如此。還可能出現(xiàn)的情況是，在特定的光譜范圍內(nèi)，由第一光譜加權(quán)函數(shù)加權(quán)的光信號的幅值以及由第二光譜加權(quán)函數(shù)加權(quán)的光信號的幅值能小于整個光信號的幅值。
按照另一種方式，第一多變量光學(xué)元件和第二多變量光學(xué)元件可以互換，即，第一多變量光學(xué)元件按照第一個部分加權(quán)函數(shù)向第一檢測器和第二檢測器分配光信號。隨后，第二多變量光學(xué)元件按照第二個部分加權(quán)函數(shù)加權(quán)所獲得的光信號部分。
包括兩個串聯(lián)的多變量光學(xué)元件的這種多變量光學(xué)元件是有效的并且具有高的信噪比，因此提高了靈敏度并且減小了確定主分量的幅值所需的時間。當(dāng)光學(xué)分析系統(tǒng)具有用于檢測分別由第一光譜加權(quán)函數(shù)加權(quán)的和由第二光譜加權(quán)函數(shù)加權(quán)的光信號的兩個檢測器時，尤其可獲得這個優(yōu)點。按照本發(fā)明，對于反射式多變量光學(xué)元件獲得了這個優(yōu)點，但本發(fā)明不限于這種類型的多變量光學(xué)元件。對于按照透射式操作而不是按照反射式操作的其它多變量光學(xué)元件，也可以獲得這個優(yōu)點。第一多變量光學(xué)元件和第二多變量光學(xué)元件可以具有不同的工作原理，例如一個是反射式另一個是透射式，它們可以具有不同的動態(tài)范圍和/或不同的光譜分辨率。第一個部分加權(quán)函數(shù)和/或第二個部分加權(quán)函數(shù)可以是固定的或者是可調(diào)節(jié)的。可以使用單個設(shè)備的不同部分作為第一多變量光學(xué)元件和第二多變量光學(xué)元件。
光學(xué)分析系統(tǒng)還可包括一個光源，用于提供光以照明一個樣品，樣品包括有一定濃度的一種物質(zhì)，因此可產(chǎn)生主分量。從而主分量的幅值與物質(zhì)的濃度有關(guān)。這種關(guān)系可以是在幅值和濃度之間的線性關(guān)系。這樣一種光學(xué)分析系統(tǒng)可以是一種光譜分析系統(tǒng)。
按照本發(fā)明的光學(xué)分析系統(tǒng)可以是用于分析包含血的樣品的血液分析系統(tǒng)的一部分。樣品可以是體內(nèi)血，即仍舊包含在人或動物的體內(nèi)的血，或者可以是體外血，即從人或動物體身上抽取的血。被分析物可以包括從例如以下所述中選擇出來的一種或多種元素葡萄糖、乳酸、糖血紅蛋白(HbAlc)、血紅蛋白、血球比率、膽固醇(總的、HDL、LDL)、甘油三酯、尿素、白蛋白、肌酸、氧合作用、酸度、碳酸氫鹽、以及許多其它的元素。主分量可以包括一種或多種元素的拉曼光譜。另外的分量可以包括介質(zhì)的熒光光譜，在介質(zhì)中溶解或包含一種或多種元素。介質(zhì)可以包括水、人或動物的皮膚組織、光路中的光學(xué)元件、和/或浸漬介質(zhì)。


下面進一步說明并且參照附圖描述按照本發(fā)明的光學(xué)分析系統(tǒng)、血液分析系統(tǒng)、和分析光信號的方法的這些方面和其它方面，其中圖1是血液分析系統(tǒng)的一個實施例的示意圖；圖2A和2B是從皮膚中的血液產(chǎn)生的光信號以及從溶液中包含一種被分析物的樣品中產(chǎn)生的光信號的光譜；圖3是在多變量光學(xué)元件中實施的光譜加權(quán)函數(shù)；圖4是光學(xué)分析系統(tǒng)的一個實施例的示意圖；圖5A和5B是圖4的光譜濾波器分別在xz平面和yz平面的示意圖；圖6A和6B是光學(xué)分析系統(tǒng)分別在xz平面和yz平面的另一個實施例的示意圖；圖7是光學(xué)分析系統(tǒng)的另一個實施例的示意圖；圖8A和8B是光學(xué)分析系統(tǒng)分別在xz平面和yz平面的另一個實施例的示意圖；圖9A和9B是光學(xué)分析系統(tǒng)分別在xz平面和yz平面的另一個實施例的示意圖；圖10A、10B和10C是光學(xué)分析系統(tǒng)分別在xy平面、yz平面、xz平面的另一個實施例的示意圖；圖11A和11B是光學(xué)分析系統(tǒng)分別在xz平面、yz平面的另一個
具體實施例方式
在圖1所示的實施例中，用于確定光信號的主分量的幅值的光學(xué)分析系統(tǒng)20包括光源1，用于提供照明樣品2的光，樣品2包括具有一定濃度的物質(zhì)并且因此能夠產(chǎn)生主分量。主分量的幅值與物質(zhì)的濃度相關(guān)聯(lián)。光源1是一個激光器，例如氣體激光器、染料激光器、和/或固體激光器，例如半導(dǎo)體激光器或二極管激光器。
光學(xué)分析系統(tǒng)20是血液分析系統(tǒng)40的部分。樣品2包括帶有血管的皮膚。物質(zhì)可以是以下所述的被分析物中的一種或多種葡萄糖、乳酸、膽固醇、氧血紅蛋白、脫氧血紅蛋白和/或糖血紅蛋白(HbAlc)、血球比率、膽固醇(總的、HDL、LDL)、甘油三酯、尿素、白蛋白、肌酸、氧合作用、酸度、碳酸氫鹽、以及許多其它的被分析物。這些物質(zhì)的濃度是使用光譜法用非侵入方式確定的。為此，將光源1提供的光發(fā)送到一個分色鏡3，分色鏡3向皮膚種的血管反射由光源提供的光。使用一個物鏡12將所說的光聚焦在血管上。使用在國際專利出版物WO 02/057759中描述的成像和分析系統(tǒng)，就可將光聚焦在血管內(nèi)。
通過光源1提供的光與血管中的血液的相互作用，由于拉曼散射和熒光效應(yīng)，將產(chǎn)生一個光信號。通過物鏡12收集這樣產(chǎn)生的光信號，并且將其發(fā)送到分色鏡3。光信號具有與光源1提供的光不同的波長。所構(gòu)成的分色鏡至少能透射一部分光信號。
在圖2A中表示出以此方式產(chǎn)生的光信號的光譜。這個光譜包括一個相當(dāng)寬的熒光本底FBG和相當(dāng)窄的拉曼帶RB。圖2A的x軸表示相對于由光源1激發(fā)的785nm的波長移動，用波數(shù)表示；圖2A的y軸表示任意單位的強度。x軸對應(yīng)于0強度。拉曼帶的波長和強度，即位置和高度，表示在圖2B的例子中所示的被分析物的類型，被分析物葡萄糖溶解在水中，其濃度為80毫摩爾(mMol)。圖2B中的實線表示葡萄糖和水這兩者的光譜，圖2B中的虛線表示在水中的葡萄糖的光譜和沒有葡萄糖的水的光譜之間的差。具有這種拉曼帶的光譜的幅值代表被分析物的濃度。
因為血液包括許多化合物，每一種化合物都具有一定的光譜，它們可能是很復(fù)雜的，如圖2B所示，所以光信號的光譜分析是相當(dāng)復(fù)雜的。按照本發(fā)明，將光信號發(fā)送到光學(xué)分析系統(tǒng)20，在這里通過多變量光學(xué)元件分析光信號，多變量光學(xué)元件通過圖3示意出的加權(quán)函數(shù)加權(quán)光信號。將圖3中的加權(quán)函數(shù)設(shè)計成用于血液中的葡萄糖。這個加權(quán)函數(shù)包括一個正的部分P和一個負的部分N。在此例中，正的部分P和負的部分N都包括不止一個光譜帶。
在圖4中表示的光學(xué)分析系統(tǒng)的這個實施例中，通過分束器22分裂來自樣品2的光(即要進行分析的光信號)，并將其發(fā)送到圖5A中詳細描述的光譜濾波器4、5。將光譜濾波器4、5安排成可以檢測分別由光譜加權(quán)函數(shù)的正的部分和負的部分加權(quán)的光信號。在光譜濾波器4、5中，將光信號引向一個色散元件6，色散元件在這里是一個光柵。光柵可以部分地按鏡面方式反射光信號，如標(biāo)號7所示的。色散元件6至少部分地衍射所說的光信號。由于衍射，光信號發(fā)生光譜色散，不同的光譜分量以不同的角度離開光柵。為了說明的目的，這種情況由光線8和8`表示的兩個不同的波長進行描述。
通過聚焦元件9聚焦經(jīng)過色散的光信號，聚焦到多變量光學(xué)元件10上，聚焦元件9是一個透鏡，但還可以是一個聚焦反射鏡，多變量光學(xué)元件10是一個DMD。它包括可傾斜元件的一個陣列，每個可傾斜元件都具有一個可傾斜的反射表面。從色散元件6到聚焦元件9的距離等于從聚焦元件9到多變量光學(xué)元件10的距離，這兩個距離對應(yīng)于聚焦元件9的焦距。
在這里以及在本申請的其余部分中，將聚焦元件和另一個光學(xué)元件之間的距離定義為聚焦元件的主平面和另外的光學(xué)元件的主平面之間沿光軸的距離。當(dāng)聚焦元件具有兩個主平面的時候，就像對于厚透鏡的情況那樣，使用距另一個光學(xué)元件最近的主平面。當(dāng)在聚焦元件和另一個光學(xué)元件之間的部分空間包括一種折射率不等于1的介質(zhì)的時候，使用光學(xué)距離，即幾何距離乘以折射率。
在數(shù)字式反射鏡設(shè)備(DMD)的不同區(qū)域上沿x方向聚焦經(jīng)過色散的光信號的不同的光譜分量部分，如光線8、8`所示的兩個特定的波長。數(shù)字式反射鏡設(shè)備的方向應(yīng)使它可以反射光信號，使所說光信號離開xz平面并且進入正的或者負的y方向，即，數(shù)字式反射鏡設(shè)備的每個可傾斜元件都可以圍繞平行于x軸的一個軸傾斜。這個區(qū)域的一個部分(即這些元件的一個部分)安排成可以將入射到其上的經(jīng)過色散的光信號反射到檢測器11。相應(yīng)的可傾斜的反射表面的方向應(yīng)使對應(yīng)的反射指向檢測器11。這個區(qū)域的另一部分安排成可以阻止入射到其上的經(jīng)過色散的光信號被反射到檢測器11。相應(yīng)的可傾斜的反射表面的方向應(yīng)使對應(yīng)的反射指向一個束流收集器。這種情況示意地表示在圖5B中。通過聚焦元件9再一次聚焦所說的反射，隨后通過檢測器11檢測通過這些元件反射的光信號，檢測器11在這里是一個光電二極管。按照另一種方式，還可以使用任何其它的適合于根據(jù)加權(quán)光信號的強度提供電信號的檢測器。檢測器定位在與光柵相同的z位置，但在高于或低于光柵的位置，即不同的y位置。這是一種遠心設(shè)計。
在圖5B的實施例中，多變量光學(xué)元件10是一個數(shù)字式反射鏡設(shè)備，幾乎整個表面都由可傾斜的反射表面組成。按照另一種方式，這個表面的一部分或者甚至于整個表面都可由反射表面形成，這個反射表面是固定的，不是可傾斜的。下面參照附圖11A和11B給出這種情況的一個例子。
在圖4、5A、5B的實施例中，多變量光學(xué)元件具有兩個功能收集(dumps)應(yīng)該由另外的光譜濾波器測量的經(jīng)過色散的光信號的那些部分，并引入應(yīng)該由這個光譜濾波器測量的經(jīng)過色散的光信號的這些部分的適當(dāng)?shù)姆?，即對于每個波長的灰度。幅值調(diào)節(jié)通過在信號路徑和收集路徑之間快速重復(fù)的可傾斜反射表面來實現(xiàn)，與例如用在投影設(shè)備或顯示器中的基于數(shù)字式反射鏡設(shè)備的光閥類似。
安排一個如圖1所示的計算元件19，以計算正和負信號之間的差。這個差值與光信號的主分量的幅值成比例。主分量的幅值與物質(zhì)的濃度即被分析物的濃度有關(guān)。幅值和濃度之間的關(guān)系可以是線性關(guān)系。
當(dāng)主分量只包括正的分量或只包括負的分量的時候，只使用一個光譜濾波器、一個多變量光學(xué)元件和一個檢測器。
圖4、5A、5B的實施例的優(yōu)點是對準(zhǔn)光束路徑相當(dāng)簡單。在這個實施例中，在光譜濾波器4、5中由于通過分束器22第一次分束光信號使部分光信號丟失。例如，光信號中與加權(quán)函數(shù)的正的部分對應(yīng)的那些部分在用于測量由加權(quán)函數(shù)的負的部分加權(quán)的光信號的光譜濾波器中被收集。對于與加權(quán)函數(shù)的負的部分對應(yīng)的、并且在用于測量由加權(quán)函數(shù)的正的部分加權(quán)的光信號的光譜濾波器中被收集的光信號，情況也是這樣。在這個實施例中，使用兩個光柵6和兩個多變量光學(xué)元件10。然而，使用一個同樣的色散元件6和/或一個同樣的多變量光學(xué)元件10的兩個分開的光學(xué)路徑也是實際可行的，例如參見圖8A和8B。
在圖6A和6B所示的光學(xué)分析系統(tǒng)的實施例中，光信號不是通過分束器分開的，以便分別光譜濾波光信號的正的部分和負的部分。因此，在多變量光學(xué)元件中沒有光信號是不必要地損失掉的，有效地使用了光信號。進而，可以只使用一個光柵和一個多變量光學(xué)元件?？傮w思路是不在光信號入射到色散元件上之前分裂光信號，而是例如在經(jīng)過色散的光信號入射到多變量光學(xué)元件10之后分裂光信號。不是收集離開多變量光學(xué)元件的兩個反射之一，而是通過聚焦元件9使用和收集這兩個反射，與圖5A和5B類似。這些反射之一包括光譜加權(quán)函數(shù)的正的部分P的光譜分量，另一個反射包括光譜加權(quán)函數(shù)的負的部分N的光譜分量。因為光信號首先要經(jīng)過光譜色散，所以不同的光譜分量在多變量光學(xué)元件10上入射到不同的位置，在圖6A和6B所示的例子中在不同的x位置。因此，在不損失部分光信號的情況下，就可以實現(xiàn)分裂成正的部分和負的部分。
在圖6A和6B的實施例中，光信號的光束直徑為5mm。光束首先由色散元件6光譜色散，色散元件6是一個光柵，所說的光柵對于特定的波長在色散的xz平面具有偏離光軸即偏離z軸11度的衍射角。在非色散的yz平面，色散元件不改變束位置。入射在光柵上的光信號來自樣品2，并且在xz平面內(nèi)傳播。通過聚焦元件9將經(jīng)過色散的光信號聚焦到反射式多變量光學(xué)元件10上。在圖6A和6B的例中，聚焦元件9是一個透鏡，它的焦距是50mm。對于一個特定的波長，表示出聚焦在多變量光學(xué)元件10的一個特定區(qū)域的一根光線。在圖6A和6B中沒有表示出來的另外的一些波長以離開色散元件6不同衍射角被衍射，但是相應(yīng)的光線在經(jīng)過以下將要描述的各次反射和折射后全都到達相同的位置，在這個例子中是在(x，z)＝(0，-120)mm。在圖6A和6B中沒有表示出來的其它的波長聚焦在多變量光學(xué)元件10的其它區(qū)域。根據(jù)特定的波長是包括在光譜加權(quán)函數(shù)的負的部分N中還是包括在光譜加權(quán)函數(shù)的正的部分P中，接收這個波長的多變量光學(xué)元件部分將其反射到用于正的部分P和用于負的部分N的兩個折疊式反射鏡23P和23N之一上。在到對應(yīng)的折疊式反射鏡23P或23N的路徑上，通過聚焦元件9重新準(zhǔn)直相應(yīng)的光線。折疊式反射鏡23P和23N的位置在(y，z)＝(+/-22mm，-15mm)，并且在yz平面中旋轉(zhuǎn)6度。折疊式反射鏡23P和23N引導(dǎo)入射在其上的光，使其經(jīng)過聚焦元件9到達多變量光學(xué)元件10的另外的區(qū)域。在圖6A和6B的例子中，這些另一些區(qū)域分別在正的和負的y值，而首次反射光信號的多變量光學(xué)元件10的區(qū)域是在y＝0。代替同樣的一個多變量光學(xué)元件的3個不同的區(qū)域，使用2個或3個不同的多變量光學(xué)元件。如果使用2個或3個多變量光學(xué)元件，一個、兩個、或者所有的多變量光學(xué)元件都可按照反射方式或者透射方式進行操作。在圖6A和6B的例子中，單個數(shù)字式反射鏡設(shè)備用作柔性的即可調(diào)節(jié)的多變量光學(xué)元件。數(shù)字式反射鏡設(shè)備具有可傾斜元件，可傾斜元件具有反射表面。所說的可傾斜元件中的每一個在yz平面中都傾斜正或負12度角。換言之，在3個不同的區(qū)域照明多變量光學(xué)元件照明靠近y＝0的并且沿色散的x方向延伸的第一中心條，以便分開正的光譜部分和負的光譜部分。其次，照明在這個中心條上邊的一個長條，即，在正的y值并且再一次地沿色散的x方向延伸的長條，用于引入例如正的部分所需的幅值或者灰度，并且照明在這個中心條下邊的一個長條，即，在負的y值并且再一次地沿色散的x方向延伸的長條，用于引入例如負的部分所需的幅值或者灰度。
此時，多變量光學(xué)元件為每個光譜分量引入適當(dāng)?shù)姆?，即按照光譜加權(quán)函數(shù)使光信號產(chǎn)生光譜灰度，其產(chǎn)生的方式與圖4、5A、5B的實施例的方式類似。對于光信號的每個光譜部分，在多變量光學(xué)元件的一個專用區(qū)域上進行幅值的這種調(diào)節(jié)。將要檢測的所有的光都由聚焦元件9俘獲，并且將這些光引向兩個檢測器，一個檢測器11P用于正的部分，另一個檢測器11N用于負的部分。通過在(x，y，z)＝(0，9，-120)和(0，-9，-120)mm處設(shè)置檢測器11P和11N，可以獨立地測量由第一光譜加權(quán)函數(shù)加權(quán)的光信號和由第二光譜加權(quán)函數(shù)加權(quán)的光信號。第一光譜加權(quán)函數(shù)和第二光譜加權(quán)函數(shù)可以對應(yīng)于例如如圖3所示的光譜加權(quán)函數(shù)的正的部分P和負的部分N。
圖6A和6B的光學(xué)分析系統(tǒng)20相對于xz平面是對稱的。
如圖6A和6B所示，折疊式反射鏡23P和23N沒有定位在與色散元件6相同的y位置。以此方式，使正的部分和負的部分在空間上相互分開，從而可以使這兩個部分的方向分開。對于圖6A和6B的參數(shù)進行選擇，以使對于所有顏色以及對于正的部分和負的部分這兩個部分的光路在離開多變量光學(xué)元件10的第二次反射之后都能夠避開折疊式反射鏡23P、23N和色散元件6。這種設(shè)計可能需要具有足夠大的俘獲角的聚焦元件，以便不致于損失任何光。聚焦元件9的最終f數(shù)約為F#/1.0。準(zhǔn)確值可能取決于反射表面的角度和/或色散元件6的色散強度。
在如圖7所示的另一個實施例中，在共焦檢測方案中，光信號從一個點源14進入光學(xué)分析系統(tǒng)20，點源14例如可以是針孔式的。從點源14開始將發(fā)散的光信號引向色散元件6，色散元件6是一個凹面光柵，凹面光柵可使經(jīng)過色散的光信號在多變量光學(xué)元件上成像，所說的多變量光學(xué)元件可以是一個數(shù)字式反射鏡設(shè)備。在第一步，通過以合適的占空比切換可傾斜元件將必要的灰度加到光譜上。對于每個光譜部分，向束流收集器18反射光的不期望存在的部分。向另一個聚焦元件29(它是一個凹面鏡)反射具有期望光譜強度的光譜。這個凹面鏡向數(shù)字式反射鏡設(shè)備的另一部分重新聚焦所說的光譜。在離開數(shù)字式反射鏡設(shè)備的第二次反射時，光譜分裂成第一分量和第二分量，它們可能對應(yīng)于分別由光譜加權(quán)函數(shù)的正的部分P和負的部分N加權(quán)的光信號。然后，將這兩個分量引向兩個檢測器11N、11P。通過第一凹面光柵的一個不同部分、分離光柵、或者一個或多個聚焦元件如透鏡或反射鏡，就可以實現(xiàn)這一點。
按照另一種方式或者附加地，第一分量和第二分量可以分別對應(yīng)于第一主分量和第二主分量。在圖7的實施例中，經(jīng)過色散的光信號在多變量光學(xué)元件的沿色散元件6的色散方向沿一條直線取向的區(qū)域上聚焦兩次。這將簡化了對于原理的理解。在可以更加有效地使用多變量光學(xué)元件的這個實施例的一個變形中，將兩個光譜作為兩個平行線投影到多變量光學(xué)元件上，即，一個光譜在圖7的平面的上方或下方，另一個光譜可以在這個平面內(nèi)。
在圖8A和8B的實施例中，通過一個衍射元件6(可以是光柵或棱鏡)使光信號光譜色散。反射式多變量光學(xué)元件可以是例如像素化的元件，如液晶單元的陣列或反射性電潤濕單元的陣列。首先，通過使用例如50/50分束器(未示出)，使入射的光信號分離為兩個光束。由光譜加權(quán)函數(shù)的正的部分P加權(quán)的光束以及由光譜加權(quán)函數(shù)的負的部分N加權(quán)的光束平行地傳播，并且在不同的y位置但相同的x和z位置入射到衍射元件6上。在衍射元件上，使所說的光進行光譜色散，即，光信號的不同光譜部分衍射不同的角度。通過兩個聚焦元件9N、9P(如透鏡)來收集色散的光信號，每一個聚焦元件用于每一個入射光束。從光柵到對應(yīng)的透鏡9N、9P的距離和從對應(yīng)透鏡9N、9P到多變量光學(xué)元件10的距離是相等的，并且對應(yīng)于透鏡的焦距(遠心設(shè)計)。其結(jié)果是，對于所有的光譜部分，會聚的光錐垂直地入射到在xz平面中的多變量光學(xué)元件10上。在反射式多變量光學(xué)元件10上的不同x位置接收不同的光譜部分，不同的光譜部分對于兩個特定的波長用標(biāo)號8和8`表示之。將多變量光學(xué)元件10安排成可以以一個反射系數(shù)反射入射的經(jīng)過色散的光信號，所說的反射系數(shù)隨x位置的變化而變。這就引入可構(gòu)成光譜加權(quán)函數(shù)的適當(dāng)?shù)幕叶取?br> 在反射離開多變量光學(xué)元件10以后，通過聚焦元件9P、9N收集所說的光，并且將所說的光引向兩個檢測器，一個檢測器11P用于檢測通過與光譜加權(quán)函數(shù)的正的部分P對應(yīng)的第一光譜加權(quán)函數(shù)加權(quán)的光信號，另一個檢測器11N用于檢測通過與光譜加權(quán)函數(shù)的負的部分N對應(yīng)的第二光譜加權(quán)函數(shù)加權(quán)的光信號。兩個透鏡9P、9N的光軸是平行的，但在y方向有位移，因此，離開多變量光學(xué)元件10反射的光可以與衍射元件6空間分離。
當(dāng)多變量光學(xué)元件10的反射率是偏振相關(guān)的時候，即例如像包括反射式液晶單元的多變量光學(xué)元件的情況那樣，多變量光學(xué)元件10的效率通常受到限制，因為多變量光學(xué)元件10只對具有特定偏振態(tài)的光才能工作。在圖9A和9B中所示的實施例中，使用一個有效的光學(xué)分析系統(tǒng)20，光學(xué)分析系統(tǒng)20包括具有反射式液晶單元的陣列的一個多變量光學(xué)元件10。在光信號進入光譜儀之前，將所說的光信號分離成4個光束，其中的2個光束是s偏振的，另2個光束則是p偏振的。然后，例如通過一個半波長板或者通過傾斜反射鏡的一個序列，將p偏振的光束轉(zhuǎn)換成s偏振的光束。這4個光束入射到色散元件6上。
在這個實施例中，多變量光學(xué)元件10是反射式液晶單元的一個陣列，每個反射式液晶單元都包括3個元件透過s偏振光的偏振片、液晶分子層、和反射表面。根據(jù)加到對應(yīng)的液晶單元上的電壓引發(fā)的液晶分子的取向，偏振片吸收由反射表面反射的部分光。以此方式，對于經(jīng)過光譜色散的光信號進行加權(quán)。
通過使用例如常規(guī)的50/50分束器(未示出)首先將入射的光信號分離成兩個光束。由實線表示的這兩個光束之一通過對應(yīng)于光譜加權(quán)函數(shù)的正的部分P的第一光譜加權(quán)函數(shù)來加權(quán)，由虛線表示的這兩個光束中的另一個通過對應(yīng)于光譜加權(quán)函數(shù)的負的部分N的第二光譜加權(quán)函數(shù)來加權(quán)。這兩個光束平行傳播。
將這兩個光束中的每一個分離成具有不同偏振態(tài)的兩個光束，例如一個是s偏振，另一個是p偏振。由粗線表示的一個光束具有可透過偏振片的偏振方向，在這個例子中是s偏振。在色散元件6之前這個光束的偏振不改變。由細線表示的另一個光束具有被偏振片吸收的偏振方向，即，在此例中是p偏振。例如通過一個半波長板，可使這個光束的偏振在色散元件6之前旋轉(zhuǎn)90度。偏振改變的光束在y方向不平行于偏振保持不變的光束。
4個最終的光束在不同的y位置但相同的x和z位置入射到衍射元件6上，衍射元件6是一個光柵。在衍射元件6上光發(fā)生光譜色散。通過兩個聚焦元件來收集經(jīng)過光譜色散的光，一個聚焦元件9P用于通過對應(yīng)于光譜加權(quán)函數(shù)的正的部分P的第一光譜加權(quán)函數(shù)加權(quán)的光信號，一個聚焦元件9N用于通過對應(yīng)于光譜加權(quán)函數(shù)的負的部分N的第二光譜加權(quán)函數(shù)加權(quán)的光信號。從光柵到對應(yīng)的透鏡的距離和從對應(yīng)的透鏡到多變量光學(xué)元件的距離這兩者是相等的，并且與對應(yīng)透鏡的焦距相當(dāng)(遠心設(shè)計)。
其結(jié)果是，對于光信號的所有的光譜部分，向多變量光學(xué)元件10會聚的光錐垂直入射到多變量光學(xué)元件10上。在多變量光學(xué)元件10的不同x位置接收不同的光譜部分。對于作為反射式像素化元件的多變量光學(xué)元件10進行安排，使其可以按照隨x位置的變化而變的反射系數(shù)來反射入射的經(jīng)過色散的光信號，由此可按照光譜加權(quán)函數(shù)引入所需的光譜加權(quán)。在反射離開多變量光學(xué)元件10之后，再一次地通過聚焦元件9P、9N收集所說的光，并且將所說的光引向4個檢測器一個檢測器11PP用于檢測通過可以對應(yīng)于光譜加權(quán)函數(shù)的正的部分P的第一光譜加權(quán)函數(shù)加權(quán)的光信號的p偏振部分；一個檢測器11PS用于檢測通過可以對應(yīng)于光譜加權(quán)函數(shù)的正的部分P的第一光譜加權(quán)函數(shù)加權(quán)的光信號的s偏振部分；一個檢測器11NP用于檢測通過可以對應(yīng)于光譜加權(quán)函數(shù)的負的部分N的第二光譜加權(quán)函數(shù)加權(quán)的光信號的p偏振部分；一個檢測器11NS用于檢測通過可以對應(yīng)于光譜加權(quán)函數(shù)的負的部分N的第二光譜加權(quán)函數(shù)加權(quán)的光信號的s偏振部分。
兩個聚焦元件9P、9N的光軸是平行的，但在y方向有位移，因此離開多變量光學(xué)元件10的反射光與衍射元件6空間分離。
在圖10A、10B、10C所示的另一個實施例中，多變量光學(xué)元件10包括液晶單元的一個陣列。與以上參照附圖4、5A、5B、8A、8B、9A、9B描述的實施例相比，在這個實施例中，入射的光信號在色散元件6之前不是分成用于正的部分和負的部分的兩個光束。在這個實施例中使用的液晶單元與以上參照附圖9A、9B描述的相似，但不包含偏振器。其結(jié)果是，除了在液晶分子層中的不期望的損耗以外，幾乎所有的入射光都受到了反射，然而由于各向異性折射率，可能使光的偏振方向發(fā)生變化，通過在液晶單元上施加電壓可以調(diào)節(jié)所說的各向異性折射率。在圖10A中，只表示出一個入射光束，它只有s偏振光。入射光可能是非偏振的或者是部分偏振的，例如線偏振或圓偏振。在這些情況下，可將入射光束分解成具有s偏振和p偏振的兩個光束，這與以上參照附圖9A、9B描述的實施例類似。為清楚起見，在圖10A、10B、10C中只畫出了單個光束。
在圖10A中，入射光是光信號中具有s偏振的部分，這一部分平行于z軸方向。入射光入射在色散元件6上，在該處光信號進行光譜色散，即，不同的光譜部分在不同角度色散。通過聚焦元件9至少部分地收集經(jīng)過色散的光信號，聚焦元件9是一個透鏡，并且經(jīng)過色散的光信號聚焦在多變量光學(xué)元件10上，多變量光學(xué)元件10是反射式液晶單元的一個陣列。從光柵到透鏡的距離與從透鏡到液晶單元的距離是相等的，并且對應(yīng)于透鏡的焦距(遠心設(shè)計)。其結(jié)果是，對于光信號的所有的光譜部分，朝向多變量光學(xué)元件10傳播的會聚光錐垂直地入射在xz平面的多變量光學(xué)元件10上。多變量光學(xué)元件10的不同x位置對應(yīng)于光信號的不同光譜部分。
在聚焦元件9和多變量光學(xué)元件10之間設(shè)置一個偏振式分束器(PBS)15。入射的s偏振光透過偏振分束器(PBS)15。液晶單元的陣列不包含任何偏振濾波器，因此，可以反射幾乎所有的入射在它上面的光。光的偏振方向改變的大小取決于液晶單元上的電壓。偏振旋轉(zhuǎn)的大小由對應(yīng)光譜范圍內(nèi)光譜加權(quán)函數(shù)的絕對值確定。從液晶單元反射的光引向偏振分束器15。在偏振式分束器15上入射的光的p分量被偏振分束器15反射，并通過另一個聚焦元件17聚焦在束流收集器18上。入射在偏振分束器15上的光的s分量透過偏振分束器15，并且入射在折疊式反射鏡23上。從折疊式反射鏡23到透鏡的距離不等于透鏡的焦距。通過折疊式反射鏡23反射的光通過聚焦元件9聚焦在多變量光學(xué)元件10上。因為折疊式反射鏡23相對于入射光的方向相差一個很小的角度，所以由折疊式反射鏡23反射的光在不同的z位置到達多變量光學(xué)元件10。還有，與第一次反射的x位置相比，在液晶單元(6)上的光的x位置相對于光軸發(fā)生了映像(reflected)。
對于波長與回歸矢量的正值對應(yīng)的光，偏振不由液晶單元改變。這個s偏振的光第4次透過偏振分束器，并且由透鏡(4)聚焦在檢測器(3)上。對于波長與回歸矢量的負值對應(yīng)的光，偏振由液晶單元旋轉(zhuǎn)90度。這個p偏振的光由偏振式分束器反射，并且由透鏡(7)聚焦在檢測器(9)上。
在這個實施例中，液晶單元不包含偏振器。因此，反射所有的光，并且只可改變光的偏振方向。
入射光不在聚焦元件9的光軸上，因此入射光和返回的光不會疊加，因而可以使用折疊式反射鏡23。優(yōu)選地，在聚焦元件上入射的入射光對于聚焦元件9的光軸來說是離軸的，并且大體上垂直于色散元件6的色散方向，從而允許使用相當(dāng)小的透鏡直徑。
從色散元件6到聚焦元件9的距離和從聚焦元件9到多變量光學(xué)元件10的距離這兩者都可等于聚焦元件9的焦距(遠心設(shè)計)。其結(jié)果是，對于所有的光譜分量，會聚的光錐垂直地入射在xz平面中的多變量光學(xué)元件10上。
從聚焦元件9到檢測器11S的距離可以等于聚焦元件9的焦距。在這種情況下，檢測器11S可具有相當(dāng)小的面積。
從多變量光學(xué)元件10到聚焦元件17的距離和從聚焦元件17到束流收集器18和/或檢測器11P的距離分別等于聚焦元件9的焦距(遠心設(shè)計)。
從折疊式反射鏡23到聚焦元件9的主平面的距離可以不同于聚焦元件9的焦距(非遠心設(shè)計)。以此方式，檢測器11S可以有與色散元件6不同的位置。
在圖11A、11B中所示的實施例中，光學(xué)分析系統(tǒng)1包括另一個色散元件9，用于在第一檢測器5上聚焦光信號的第一部分之前對于光信號的第一部分進行光譜組合。在這個實施例中，光信號從點源14進入光學(xué)分析系統(tǒng)1，點源14在共焦檢測方案中例如是一個針孔。光學(xué)分析系統(tǒng)1包括透鏡15，用于準(zhǔn)直光信號；色散元件2，它是一個光柵；和聚焦元件3，它是一個圓柱形透鏡。將聚焦元件3安排成可以將經(jīng)過色散的光信號聚焦在分配元件4上。在這個實施例中，對于如圖12所示的分配元件14進行安排，使其可以朝聚焦元件3向后反射經(jīng)過色散的光信號，以便重新準(zhǔn)直。然后，還要對經(jīng)過重新準(zhǔn)直的光信號實現(xiàn)光譜色散，這就限制了將光信號聚焦成一個相當(dāng)小的光點大小的可能性。為了對于光信號進行光譜組合，要將光信號發(fā)送到另一個色散元件9，另一個色散元件9在這個實施例中是色散元件3，即，色散元件3和另一個色散元件9集成在一個光柵內(nèi)。通過透鏡15將通過第一光譜加權(quán)函數(shù)加權(quán)的并且經(jīng)過光譜組合的光信號以及通過第二光譜加權(quán)函數(shù)加權(quán)的并且經(jīng)過光譜組合的光信號聚焦在第一檢測器5和第二檢測器6上。
要說明的是，在實施例中提供的光學(xué)設(shè)計不是唯一可能的設(shè)計。除了參數(shù)的微小變化之外，其它的方案，尤其是對于在不同方向的反射和不同的檢測器位置的方案，都是可以想像出來的。
權(quán)利要求
1.一種用于確定光信號的主分量的幅值的光學(xué)分析系統(tǒng)(20)，所說光學(xué)分析系統(tǒng)包括一個多變量光學(xué)元件(10)，用于反射光信號并由此通過光譜加權(quán)函數(shù)加權(quán)所說的光信號；和一個檢測器(11)，用于檢測加權(quán)的光信號。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)分析系統(tǒng)(20)，還包括一個色散元件(6)，用于對光信號進行光譜色散，將所說多變量光學(xué)元件安排成可以接收經(jīng)過色散的光信號。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的光學(xué)分析系統(tǒng)(20)，其中多變量光學(xué)元件(10)包括一個用于接收經(jīng)過色散的光信號的一個光譜部分的區(qū)域，這個區(qū)域的反射率與光譜加權(quán)函數(shù)相關(guān)。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的光學(xué)分析系統(tǒng)(20)，其中多變量光學(xué)元件(10)包括一個用于接收經(jīng)過色散的光信號的一個光譜部分的區(qū)域，這個區(qū)域的一個部分安排成可以向檢測器反射在其上入射的經(jīng)過色散的光信號，這個區(qū)域的另一個部分安排成可以阻止在其上入射的經(jīng)過色散的光信號向檢測器反射。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的光學(xué)分析系統(tǒng)(20)，其中所述這個區(qū)域的一個部分包括可傾斜的反射表面。
6.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的光學(xué)分析系統(tǒng)(20)，其中這個區(qū)域包括一個反射式液晶單元。
7.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的光學(xué)分析系統(tǒng)(20)，其中這個區(qū)域包括一個反射式電潤濕單元。
8.根據(jù)權(quán)利要求2所述的光學(xué)分析系統(tǒng)(20)，其中所說的檢測器包括用于檢測由第一光譜加權(quán)函數(shù)加權(quán)的光信號的第一檢測器(11P)，和用于檢測由第二光譜加權(quán)函數(shù)加權(quán)的光信號的第二檢測器(11N)，將多變量光學(xué)元件(10)安排成可以向第一檢測器(11P)反射由第一光譜加權(quán)函數(shù)加權(quán)的經(jīng)過色散的光信號的第一部分，并且可以向第二檢測器(11N)反射由第二光譜加權(quán)函數(shù)加權(quán)的光信號的第二部分。
9.根據(jù)權(quán)利要求1或8所述的光學(xué)分析系統(tǒng)(20)，其中多變量光學(xué)元件(10)包括通過第一個部分加權(quán)函數(shù)加權(quán)光信號的第一多變量光學(xué)元件和用于通過第二個部分加權(quán)函數(shù)加權(quán)由第一個部分加權(quán)函數(shù)加權(quán)過的光信號的第二多變量光學(xué)元件。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)分析系統(tǒng)(20)，還包括一個光源(1)，用于提供照明樣品(2)的光，樣品(2)包括具有一定濃度的物質(zhì)并且因此能產(chǎn)生主分量，主分量的幅值與物質(zhì)的濃度有關(guān)。
11.一種血液分析系統(tǒng)(40)，包括根據(jù)權(quán)利要求10所述的一個光學(xué)分析系統(tǒng)(20)，所說的樣品包括血液。
12.一種確定光信號的主分量的幅值的方法，所說的方法包括如下步驟通過一個多變量光學(xué)元件(10)反射光信號，所說的多變量光學(xué)元件(10)具有與光譜加權(quán)函數(shù)對應(yīng)的光譜反射率；和檢測由多變量光學(xué)元件(10)反射的光信號。
全文摘要
一種用于確定光信號的主分量的幅值的光學(xué)分析系統(tǒng)(20)，所說光學(xué)分析系統(tǒng)包括一個多變量光學(xué)元件(10)，用于反射光信號并由此通過光譜加權(quán)函數(shù)加權(quán)所說的光信號；和一個檢測器(9、9P、9N)，用于檢測加權(quán)的光信號。光學(xué)分析系統(tǒng)(20)還包括一個色散元件(6)，用于對光信號進行光譜色散，將所說多變量光學(xué)元件安排成可以接收經(jīng)過色散的光信號。血液分析系統(tǒng)(40)包括一個按照本發(fā)明的光學(xué)分析系統(tǒng)(20)。
文檔編號G01N21/27GK1729388SQ200380106841
公開日2006年2月1日 申請日期2003年12月19日 優(yōu)先權(quán)日2002年12月19日
發(fā)明者F·J·P·舒爾曼斯, M·C·范貝克, L·P·貝克, W·H·J·倫森, B·H·W·亨德里克斯, R·F·M·亨德里克斯, T·斯蒂芬 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司