CN101010575B

CN101010575B - 光学分析系统的自动校准

Info

Publication number: CN101010575B
Application number: CN2005800287195A
Authority: CN
Inventors: F·J·P·舒尔曼斯; M·C·范比克; M·范德沃特
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2004-08-26
Filing date: 2005-07-29
Publication date: 2010-04-14
Anticipated expiration: 2025-07-29
Also published as: WO2006021903A9; EP1784625A1; EP1784625B1; DE602005017797D1; ATE449317T1; JP2008510982A; WO2006021903A1; US20080094623A1; CN101010575A

Abstract

本发明提供一种基于多元的分光镜系统的自动校准，该基于多元的分光镜系统优选被制作为基于多元的分光计。分光镜系统基于多元光学元件，该多元光学元件提供入射光学信号的光谱加权。光谱加权是基于光谱分量的空间分离以及随后利用空间光调制器进行的空间滤光来进行的。分光镜系统的校准是基于空间光调制器的专用校准段，该空间光调制器的位置对应于入射光学信号的特征的校准或参考波长。优选地，所述校准与参考波长由光源产生的激发辐射的波长给出，所述光源用于在感兴趣体积区中引发散射过程。

Description

光学分析系统的自动校准

技术领域

本发明涉及光学分光学领域。

背景技术

分光镜技术广泛用于确定物质的组成。通过对光学信号(即分光镜的光学信号)进行光谱分析，可以精确地确定物质的特定化合物的浓度。该特定物质的浓度通常由光学信号的主要成分的幅值给出。

现有技术中用于确定光学信号主要成分的幅值的光学分析系统是公知的。公知的光学分析系统通常是分光镜分析系统的一部分，其适用于例如分析样本中包含哪些浓度的哪些化合物。公知的是与样本相互作用的光携带走有关化合物及其浓度的信息。在光学分光镜技术中利用了隐含的物理过程，在所述光学分光镜技术中，光源(如激光器、灯或光发射二极管)的光被引导到用于产生携带该信息的光学信号的样本中。

例如，光可以被样本吸收。可选地或另外地，公知波长的光可以与样本相互作用，从而因例如拉曼过程而产生不同波长的光。然后，被透射的光和/或所产生的光形成光学信号，其也可以被称为光谱。那么，作为波长函数的光学信号的相对强度表示样本中包含的化合物及其浓度。

为了确认样本中包含的化合物以及确定其浓度，必须分析所述光学信号。在公知的光学分析系统中，所述光学信号用包含光学滤光器的专用硬件进行分析。该光学滤光器具有取决于波长的透射，即其被设计成由光谱加权函数去加权光学信号，该光谱加权函数由波长相关的透射给出。选择光谱加权函数以使得加权光学信号的总强度，即滤光器所透射的光的总强度正比于特定化合物的浓度。这种光学滤光器也被表示为多元光学元件(MOE)。然后这个强度可以由检测器(如光电二极管)方便地检测。对于每种化合物，使用具有特征光谱加权函数的专用光学滤光器。光学滤光器可以是例如具有构成想要的加权函数的透射的干涉滤光器。

对于该分析方案的成功实施，必要的是知道光谱加权函数。它们可以例如通过对一个包含公知浓度的N种纯化合物的N个光谱的集合进行主要成分分析来获得，其中N为整数。每个光谱包含M个不同波长的相应光学信号强度，其中M也是整数。通常，M比N大得多。包含相应的M个波长的M个强度的每个光谱形成一个M维向量，其M个成分是这些强度。这些向量经受被称为奇异值分解(SVD)的线性几何处理，该奇异值分解(SVD)是主要成分分析的核心且其在本领域中是公知的。

作为SVD的结果，得到具有N个特征向量z_n的集合，其中n为小于N+1的正整数。特征向量z_n是原始的N个光谱的线性组合且通常被称为主要成分或主要成分向量。通常，主要成分相互正交且被确定为|z_n|＝1的标准化向量。通过使用主要成分z_n，包含未知浓度的化合物的样本的光学信号可以由标准化主要成分乘以适当的标量乘数的组合来描述：

x₁z₁+x₂z₂+...+x_nz_n，

标量乘数x_n可以被认为是给定光学信号中的主要成分z_n的幅值，其中n为小于N+1的正整数。每个乘数x_n可以通过将光学信号作为M维波长空间的向量并计算该向量与主要成分向量z_n的直积来确定。

该结果得到标准化特征向量z_n方向上的光学信号的幅值x_n。该幅值x_n对应于N个化合物的浓度。

在公知的光学分析系统中，表示光学信号的向量与表示主要成分的特征向量之间的直积的计算用利用光学滤光器的光学分析系统的硬件来实施。该光学滤光器具有一透过率使得其根据表示主要成分的特征向量的成分来加权光学信号，即主要成分向量构成光谱加权函数。经过滤波的光学信号可以由检测器来检测，该检测器产生具有与主要成分的幅值成比例从而与相应化合物的浓度成比例的幅值的信号。

尤其，当光学分析系统专用于确定物质的单个化合物的浓度(如血液中的葡萄糖浓度)时，有利的是利用相应的光学滤光器，其被设计用于该特定化合物的光谱加权函数。该专用光学滤光器可以以经济高效的方式来实现，因为它们不必提供可重构的透射或吸收特性。因此可以基于低成本的MOE来实施专用于确定特定化合物的浓度的光学分析系统，该MOE可以基于色散光学元件(如提供空间透射图案的棱镜或光栅和相应的光学滤光器)来实现。

这里，从携带表示样本组成的光谱成分的样本所接收到的光学信号入射到色散光学元件上。利用色散光学元件，进入的光学信号被空间分解成各种光谱成分。因此，色散光学元件用于空间分离入射的光学信号的光谱成分。优选地，演化光谱沿由色散光学元件所指定的方向扩展。例如，光谱可以沿第一方向(如水平方向)扩展。

使用插到光谱的光学路径中的专用空间透射掩模，可以减弱甚或完全阻止演化光谱的专用光谱成分。因此，空间透射掩模必须提供以不同透射特性为特征的多个区域。当光谱在水平方向扩展时，空间透射掩模的这些区域必须被水平对准，从而提供垂直方向上的均匀透射。

另外，通过在垂直方向上均匀扩展光谱，可以将空间透射掩模分成在垂直方向上对准的两个或更多的部分。那么，每个部分可以具有使得用两种或更多种不同方式同时处理光谱的不同的透射图案的特征。

因此，当被垂直分成两部分时，空间透射掩模的上部分可以有效地用作第一光谱加权函数而空间透射掩模的下部分可以提供第二光谱加权函数。通过分开检测这两个被不同处理的光谱，可以分开检测主要成分的正和负部分，从而考虑到有效且足够数量的信息，以便确定与专用化合物的浓度对应的幅值。例如，通过使光谱加权函数的正部分和负部分相减，可以精确地得出表示化合物浓度的信号。

与色散光学元件结合的专用空间透射掩模的使用有效地提供光学分析系统的低成本的实现方式。然而，因为所接收到的光学信号的光谱成分被在空间上扩展，所以空间透射掩模必须被适当地对齐，以提供光学信号的专用光谱成分的精确的光谱衰减。演化光谱和空间透射掩模的相对定位是非常关键的，且光谱或透射掩模的微小偏移可能严重影响光谱分析的结果。因此，对于基于光学信号的多元光学分析，需要精确且可靠的校准机制。

发明内容

本发明目的在于提供对光学分析系统的校准而无需使用专用于校准的光源。相对照地，本发明的目的在于提供基于分光镜的光学信号的校准。

本发明提供一种用于确定光学信号的主要成分的分光镜系统，所述光学信号包括来自感兴趣体积区的返回辐射。该分光镜系统包括用于产生激发辐射的光源。该激发辐射适于被传送到感兴趣体积区中。该分光镜系统还包括物镜，其用于会聚来自感兴趣体积区的返回辐射。因此其用于会聚作为例如散射的辐射的从感兴趣体积区返回的光学信号。该分光镜系统还包括：色散光学元件，其用于在第一方向上空间分离返回辐射的光谱成分；以及空间光处理装置，其用于调制返回辐射的光谱成分。该空间光处理装置在第一位置还具有参考段，该参考段对于激发辐射至少部分透明，即该参考段对于与被传送到感兴趣体积区中的激发辐射具有基本上相同波长的辐射至少部分透明。该分光镜系统还包括至少第一检测器，用于检测经空间光处理装置的参考段透射的辐射。最后，该分光镜系统还包括控制单元，其适于基于由所述至少第一检测器检测的辐射来校准分光镜系统。

与空间光处理装置结合的色散光学元件代表多元光学元件(MOE)。通常空间光处理装置包含用于选择地阻止或减弱光学信号的各种光谱成分的空间透射图案。用这种方式可以有效地获得光谱加权函数，该光谱加权函数进而允许确定感兴趣体积区内专用化合物的浓度。空间光处理装置相对于色散光学元件所提供的光学信号的色散光谱的位置是相当关键的且对MOE所提供的光谱滤光有重要的影响。

另外，不仅空间上色散的光谱与空间透射掩模的相对位置而且可能取决于温度的光源的光发射特性也可能对光学分析系统的校准产生关键的影响。

空间光处理装置的参考段用作校准光学分析系统的有效装置。优选地，基于经空间光处理装置的参考段透射且由所述至少第一检测器检测的辐射来进行校准。尤其，由所述至少第一检测器检测的光强度的幅值对是否精确校准了分光镜系统给出充分的指示。在所检测到的光强度的幅值指示出校准不精确的情况下，控制单元用于以多种不同方式校准分光镜系统，直到经空间光处理装置的参考段透射的光强度指示精确校准(即光学分析系统的光学路径精确对准)为止。

根据本发明的优选实施例，参考段包含狭缝孔径且第一位置基本上对应于激发辐射的波长。因此，参考段被实施作为在与激发辐射的波长对应的空间光处理装置上的一个位置处的狭缝孔径。用这种方式激发辐射用作校准光学分析系统的参考。通常，激发辐射具有窄谱带的特征，该窄谱带在聚焦到感兴趣目标区上时适于引起各种散射过程。例如，激发辐射的波长可以在红外(IR)或近红外(NIR)光谱范围内。当被聚焦到感兴趣目标区上时，可以发生多个弹性或非弹性型散射过程。

因此，从感兴趣目标区发出的返回辐射可以包含非弹性的以及弹性的散射成分。例如，返回辐射的后向散射的非弹性成分可以已经经历拉曼散射过程，而返回辐射的弹性散射成分可以起源于瑞利散射，使得后向散射成分的波长相对于入射激发辐射基本上不受影响。在通常的分光镜方案中，仅仅较小部分的返回辐射经受了非弹性散射过程，如Stokes或Anti-Stokes散射过程。因此，仅仅较小部分的返回辐射相对于激发辐射频移。因此，返回辐射的光谱必然具有在激发辐射的波长处存在有峰值的特征。

本发明有效地利用了返回辐射的光谱中激发辐射峰值的存在。因此，该固有存在的激发辐射峰值有效地提供光谱中的参考线。

通过检测经空间光处理装置的参考段透射的光的强度以及将所检测到的光强度与为一个精确校准的光学分析系统检测到的相应强度进行对比，可以得到关于该光学分析系统的精确或不精确校准的可靠信息。可选地，当没有得到精确校准的分光镜系统的参考强度值时，控制单元可以用多种不同方式校准分光镜系统直到经空间光处理装置的参考段透射的光强度达到例如最大值。

用这种方式，可以有效地利用光学信号的光谱中固有存在的激发辐射，以用于校准光学分析系统。因此，在光学分析系统中不必使用外部的或另外的校准光源。通过用激发辐射有效地代替这种校准光源，本质上防止了校准光源的潜在不对准导致分光镜系统的结果的重大失真。

根据本发明的另一优选实施例，控制单元适于沿第一方向平移空间光处理装置。用这种方式，可以有效地补偿可能被实施为固定的空间光透射图案或可重构的空间光调制器(SLM)的空间光处理装置的不对准。优选地，空间光处理装置被安装在可以由控制单元进行控制的伺服驱动平移台上。

根据本发明的另一优选实施例，控制单元适于控制光源，以便修改激发辐射的波长。用这种方式，控制单元可以调节产生激发辐射的光源的波长。通常，该光源被实施为在NIR范围内发射的激光器光源。由于改变外部条件，例如改变温度，所发射的激发辐射波长可能发生显著的漂移或偏移。这对于由激发辐射在感兴趣体积区内所引起的散射过程可能有重大的影响。在这种情况下，返回辐射的光谱可能相应地被移位和/或分光镜处理的效率可能下降。

另外，经空间光处理装置的参考段透射的强度可以不再与分光镜系统被正确校准时可能测量到的预期的最大强度对应。因此，响应于检测经参考段透射的强度的下降，控制单元可以逐步修改激光光源的校准以补偿例如激发光源的基于温度的偏移。

根据本发明的另一优选实施例，控制单元还适于转动或平移色散光学元件。用这种方式，可以补偿由色散光学元件演化的光谱与空间光处理装置的位置不匹配。优选地，色散光学元件被机械地耦合到可以由控制单元电控制的转动和/或平移台上。

根据本发明的又一优选实施例，空间光处理装置被实施为可更改的空间光处理装置。在这个实施例中，控制单元还适于更改空间光处理装置，即更改空间光处理装置的空间光透射图案。例如，空间光处理装置可能基于与正交偏振器的装置结合的液晶(LC-cell)来实现。

LC-cell优选为可电控的且提供空间上色散的光谱的处理。在这个实施例中，分光镜系统的校准通过修改空间光处理装置来实现。代替移动空间光处理装置本身，这里，空间光调制器的空间光透射图案可以沿第一方向移动，即沿通过保持空间光调制器的位置不变来空间分离返回辐射的光谱成分的方向移动。将空间光处理装置实施为空间光调制器也要求用可重构的方式实现参考段。因此，空间光调制器的可重构等同地指的是空间光透射掩模的重构，以及也指参考段的位置的修改。

因此，分光镜系统可以用多种不同的方式由控制单元来校准：或者通过平移空间光处理装置、通过修改或重构空间光处理装置、通过转动或平移色散光学元件或通过校准或调节产生激发辐射的光源。分光镜系统的校准可以基于上述校准技术中的一个或几个来进行。例如，分光镜系统的校准可以通过调节激光器光源结合空间光处理装置的平移来进行。各种校准技术可以同时或依次或以任何其它任意的次序来进行。

根据本发明的另一优选实施例，所述至少第一检测器还包括分段检测器，该分段检测器具有沿第一方向被分隔的至少两个分立的检测器段，如分割检测器。用这种方式，可以直接将空间光处理装置的不对准进行分类。无论检测器段检测到大于由另一检测段检测到的强度的被透射强度的任何时候，这给出空间光处理装置没有适当定位于光学分析系统内的明确指示。根据这两个检测器段的设置，可以确定空间光处理装置的误置的方向。这允许更快地校准光学分析系统。

根据本发明的另一优选实施例，所述至少第一检测器在第一位置处被直接集成到空间光处理装置。所述至少第一检测器或者牢固地附着在空间光处理装置的狭缝孔径之后，或者在可以以适当尺寸提供时，所述检测器本身可以代表狭缝孔径。在两种情况下，不需要另外的光学部件来透射或聚焦已经经参考段被透射到所述至少第一检测器上的光。

在另一方面，本发明提供校准分光镜系统的方法，该分光镜系统具有光源和物镜，其中所述光源用于产生激发辐射，所述物镜用于会聚来自感兴趣体积区的返回辐射。返回辐射基于由激发辐射在感兴趣体积区内引起的散射过程而产生。所述分光镜系统还具有色散光学元件和空间光处理装置，其中所述色散光学元件用于在第一方向上空间分离返回辐射的光谱成分，所述空间光处理装置用于调制返回辐射的光谱成分。该校准分光镜系统的方法包括：通过至少第一检测器来检测经空间光处理装置的参考段所透射的辐射。该参考段对于激发辐射至少部分透明且位于空间光处理装置的第一位置处。所述校准方法还包含基于由所述至少第一检测器所检测的辐射来校准分光镜系统。

根据优选实施例，分光镜系统的校准包括使经参考段透射的辐射最大化。参考段、尤其是指定空间光处理装置上的参考段的横向位置的第一位置，对应于激发辐射的光谱线的位置。因此，激发辐射的波长用作校准光学分析系统的参考。由于返回辐射以及因此而产生的经分光镜分析的光学信号内在地具有与激发辐射的波长对应的光谱成分，所以不需要另外的光源用于校准分光镜系统。用这种方式，不会出现由于校准光源的不充分定位或不充分对准而产生的错误校准。

根据本发明的另一优选实施例，分光镜系统的校准包含沿第一方向平移空间光处理装置、和/或通过控制光源来修改激发辐射的波长、和/或转动和/或平移色散光学元件，和/或重构空间光处理装置的空间透射图案。

在又一方面，本发明提供一种用于校准分光镜系统的计算机程序产品。该分光镜系统具有用于产生激发辐射的光源和用于将激发辐射传送到感兴趣体积区中的装置。该分光镜系统还具有用于会聚来自感兴趣体积区的返回辐射的物镜、用于在第一方向上空间分离返回辐射的光谱成分的色散光学元件、以及用于调制返回辐射的光谱成分的空间光处理装置。所述计算机程序产品包括计算机程序装置，该计算机程序装置适于存储至少第一检测器的第一输出信号。该第一输出信号是响应于检测经过空间光处理装置的参考段所透射的辐射而产生的。

所述计算机程序装置还适于在沿第一方向修改空间光处理装置的位置之后，和/或在修改激发辐射的波长之后，和/或在修改色散光学元件的方向和/或位置之后，和/或在重构空间光处理装置的空间透射图案之后，存储所述至少第一检测器的第二输出信号。

所述计算机程序装置还适于比较所述至少第一检测器的第一和第二输出信号，以及重复校准分光镜系统直到所述检测器的输出信号表示例如被透射的辐射的最大值。

另外要注意的是，权利要求书中的任何参考标记都不被认为是对本发明的保护范围的限定。

附图说明

下面参考附图详细描述本发明的下列优选实施例。

图1是血液分析系统的实施例的示意图，

图2a和2b是从皮肤中的血液和从包括溶液中的一种被分析物的样本中产生的光学信号的光谱，

图3是在多元光学元件中执行的光谱加权函数，

图4示意性图示说明了光学分析系统的方框图，

图5示意性图示说明了可能的检测器结构的方框图，

图6显示了空间光调制掩模及相应的检测器的透视图，

图7显示了校准光学分析系统的流程图。

具体实施方式

在图1所示的实施例中，示意性图示了分光镜系统。分光镜系统具有光学分析系统20，该光学分析系统20用于确定光学信号的主要成分的幅值。该分光镜系统还具有光源1，该光源1提供光，用于照亮包含具有一定浓度从而产生主要成分的物质的样本2。该主要成分的幅值与所述物质的浓度有关。光源1是激光器，如气体激光器、染料激光器、和/或固态激光器(如半导体或二极管激光器)。

光学分析系统20是血液分析系统22的一部分。血液分析系统22还包括计算元件19，用于确定主要成分的幅值，从而用于确定化合物的组成。样本2包含具有血管的皮肤。所述物质可以是下列分析物中的一个或多个：葡萄糖、乳酸盐、胆固醇、带氧血红素、和/或不带氧血红素、糖化血红蛋白(HbAlc)、红细胞比积(Hematocrit)、胆固醇(总的，HDL，LDL)，甘油三酸酯、尿素、清蛋白、肌氨酸酐、氧处理物、pH、重碳酸盐和许多其他物质。这些物质的浓度用光学分光术以非入侵方式确定。为了这个目的，由光源1所提供的光被发送到分束器3，该分束器3将光源所提供的光反射向皮肤中的血管。所述光可以用物镜12聚焦到血管上。所述光可以通过使用国际专利申请WO02/057759中所描述的成像和分析系统聚焦到血管中。

通过光源1所提供的光与血管中的血液相互作用，由于拉曼散射和荧光而产生光学信号。因此所产生的光学信号可以由物镜12会聚然后传送到分色镜(dichroic mirror)3。所述光学信号具有与光源1所提供的光不同的波长。分色镜被构造使得其传输至少光学信号的一部分。

图2A中显示了用这种方式产生的光学信号的光谱100。光谱包括相对宽的荧光背景(FBG)102和相对窄的拉曼谱带(RB)104，106，108。图2A的x轴表示关于光源1激发以波数(wave numbers)表示的785nm的波长移位，图2A的y轴表示任意单位的强度。x轴对应于零强度。拉曼谱带的波长和强度，即，位置和高度，表示图2B中对于被溶解的、浓度为80mMol的分析物葡萄糖水溶液的例子中所显示的分析物类型。图2B的实线110表示葡萄糖和水的光谱，图2B的虚线112表示葡萄糖水溶液的光谱以及没有葡萄糖时水的光谱的差别。具有这些谱带的光谱的幅值表示分析物的浓度。

因为血液包含许多化合物，每一种化合物具有一定的光谱，该光谱可以和图2B的光谱一样复杂，光学信号的光谱分析是相对复杂的。该光学信号被传送到根据本发明的分光镜系统20，其中光学信号由MOE分析，MOE通过加权函数(例如由图3中示意性显示的)加权该光学信号。图3的加权函数是为血液中的葡萄糖设计的。它包含正部分P和负部分N。在这个例子中正部分P和负部分N每一个都包含一个以上的谱带。

在这里和本申请的其余部分，聚焦部件与其它光学元件之间的距离被定义为沿聚焦元件的主平面与其它光学元件的主平面之间的光轴的距离。图1中所示的计算单元19被设置成计算正信号与负信号之间的差值。该差值正比于光学信号的主要成分的幅值。主要成分的幅值与物质即分析物的浓度有关。幅值与浓度之间的关系可以是线性相关。

图4以更详细的方式示意性图示说明了血液分析系统22和光学分析系统20的方框图。这里，光学分析系统20被显示为血液分析系统22的整体的一部分。然而，本发明绝不限于血液分析而是可以通用于各种分光镜操作领域。在图示说明的实施例中，光学分析系统20具有色散光学元件30、透镜32、空间光透射掩模34、以及两个检测器40、42。该两个检测器40、42的输出被耦合到控制单元60中，该控制单元60进而适于处理光学分析系统20内的光束路径以及校准或调节光源1。

该光源1优选为在近红外光谱范围工作的激光器光源。该光源产生激发辐射50的光束，该激发辐射50的光束被引导向分束器3。分束器3以及物镜12的设置用于将激发辐射50聚焦到生物样本2的目标4的体积中。在感兴趣体积区中，激发辐射通常引起多种散射过程。尤其是像Stoke或Anti-Stoke散射过程的非弹性散射过程导致产生拉曼光谱，该拉曼光谱允许进行光谱分析以便确定目标4的体积区的组成。通常，拉曼光谱的一部分被后向散射然后相对于激发辐射50以反向传播方式重新进入物镜12。然后所会聚的返回辐射被透射经过分束器3而入射到色散光学元件30上。

色散光学元件30可以由例如透射或反射光栅、棱镜或提供入射光束的光谱成分的空间分离的任何其它色散元件。色散元件30提供水平方向上的入射返回辐射的光谱成分的空间分离，如图4中所示。透镜32把返回辐射的各种光谱成分52，54聚焦到空间光透射掩模34上的不同位置。取决于空间光透射掩模34的光透射图案，返回辐射的各种光谱成分选择被减弱甚或被阻止。用这种方式，可以有效地实现如多元光学分析所要求的光谱加权函数。

对于精确可靠地确定目标4体积的特定化合物的浓度，演化光谱(evolving spectrum)与空间光透射掩模34之间的相对位置是高度相关的。光谱位置与透射掩模34的水平对准之间的稍微不匹配可能导致返回辐射的光学和光谱分析的结果不充分。

透射掩模34包含用作参考段的处在第一位置的狭缝36，当适当对准时，参考段36的位置对应于返回辐射的光谱成分52的位置。该光谱成分52用作光谱的参考线。优选地，参考线由激发辐射50的波长确定。通常，光谱不仅包含来自非弹性散射过程的光谱成分而且包含来自弹性散射过程的光谱成分，在弹性散射过程中，光学辐射的波长基本上不受影响。另外，弹性散射辐射甚至可以代表返回辐射的主要部分。因此，狭缝36对于激发辐射的波长来说是高透射的。因此，经狭缝36被透射的辐射由检测器40检测，该检测器40适于产生被馈送到控制单元60的校准信号。

透射掩模34的狭缝38位于不同于狭缝36的不同的水平位置。因此，其用于减弱和/或透射具有不同于激发辐射50的波长特征的返回辐射的光谱成分。通常，透射掩模34包含位于透射掩模34上的不同水平位置的多个狭缝38。狭缝36、38可以用作狭缝孔径。另外，它们可以与中性密度的滤光器结合以用于选择地将返回辐射的不同光谱成分减弱到不同程度。

透射掩模34可以实施为提供单个空间透射图案的固定的透射掩模。在这种情况下，光学分析专用于确定感兴趣体积区4中单个特定化合物的浓度。通过用其它专用于对一个不同化合物进行多元光学分析的另一个化合物特定的透射掩模来代替透射掩模34，可以对感兴趣体积区4中的各种化合物或分析物进行研究和光谱分析。

可选地，透射掩模34可以被实施成一个可重构的透射掩模。这可以例如通过基于结合正交偏振器装置的液晶单元实施透射掩模34来实现。

检测器42用于检测经透射掩模34已透射的辐射。优选地，某种聚焦装置被设置在透射掩模34与检测器42之间以将多种被透射的光谱成分会聚到检测器42上。因此，检测器42响应于检测多种被透射的光谱成分产生输出信号。因此，检测器42的输出信号直接表示可以用计算元件19来计算的特定化合物的浓度。

由检测器40所产生的校准信号被提供给控制单元60，该控制单元60进而适合于控制透射掩模34的水平位置，移位或转动色散光学元件30或调节光源1。当检测器40检测的光强度不对应于对于光学分析系统的精确校准所期望的强度的任何时候，控制单元可以连续修改光学部件30、34的位置或取向或可以调节光源1直到检测器40所检测的强度对应于期望值。另外，控制单元60可以进行透射掩模34的位置扫描以使检测器40所检测的光强度最大化。

用这种方式所会聚的返回辐射的内在的当前激发辐射成分可以被有效地用于光学分析系统20的校准。

图5显示两检测器40、42相对于空间光传输掩模34的可选设置。这里，适于检测校准信号52的检测器40被定位在透射掩模34的狭缝36正后方。用这种方式不需要另外的光学装置(如透镜)将透射的辐射定向到检测器40上。另外，通过机械地固定或机械地耦合检测器40到透射掩模34上，使检测器40跟随透射掩模34一起运动。

另外，图5还描述了用于将返回辐射54的透射的光谱成分聚焦到检测器42上以便进行多元光学分析的会聚透镜56。

图6显示透射掩模34和检测器40的透视图。透射掩模34的特征在于具有三个狭缝孔径36、38、39，狭缝孔径36、38、39用于透射返回辐射的相应光谱成分。特别地，狭缝孔径36用作透射掩模34的参考段，因而以能提供返回辐射52的激发辐射光谱成分的透射的方式而被水平定位。

检测器40被实施为分割检测器(split detector)，其具有至少两个检测段62、64。用这种方式检测器40不仅允许确定光学分析系统是否未被适当校准而且提供光谱的空间分布与透射掩模34之间位置不匹配的类型的信息。例如，当检测器40的两个检测段62、64检测到相等的透射强度时，这给出了光学分析系统被精确校准的明确指示。只要当两个检测段62、64中之一检测到的强度比另一个检测段检测到的强度大时，就直接得到透射掩模34是否必须被移位到左侧或右侧的信息。用这种方式光学分析系统的校准可以以更少的时间密集方式进行，即，对透射强度的最大值的扫描基本上必须仅沿一个方向进行。

图7图示说明利用例如光电二极管作为检测器40执行本发明的校准方法的流程图。在第一步骤700检测经参考段36被透射的辐射。在随后的步骤702，该被检测的光强度被存储为强度I_X。当控制单元中没有存储参考强度时，这允许确定被测量的强度I_X是否对应于最大强度从而表明光学分析系统被精确校准，在随后的步骤704中，修改光学分析系统的系统参数。系统参数的修改通常指空间透射掩模34的平移、色散光学元件30的平移或旋转、激光光源1的调节或校准、以及透射掩模34的空间光透射图案的重构。

这些系统参数的修改或者对应于单个系统参数的连续修改或者对应于各种系统参数的同时的或组合的修改。在步骤704中所进行的这些系统参数的修改之后或修改期间，经参考段透射的辐射在步骤706被重复检测。在步骤708存储相应的强度I_X+1。之后，在步骤710比较所检测的光强度I_X和I_X+1。与光学分析系统的稍微不同的校准配置相对应的两个光强度的比较通常指它们的绝对值的比较。

在后续检测到的强度I_X+1大于前面检测到的强度I_X的情况下，该方法继续到步骤714，在步骤714中，强度I_X由最近检测到的强度I_X+1代替。用这种方式，强度I_X基本上指暂时的最大的检测到的强度。在步骤714之后，该方法返回到步骤704，在步骤704中再次修改光学分析系统的系统参数。

在另一种情况下，即当最近检测到的强度I_X+1不大于前面检测到的强度I_X时，在步骤710之后，该方法继续到步骤712，在步骤712中取消在步骤704中所进行的最后的修改。在这种情况下，在步骤704中所进行的系统参数的修改不会引起光学分析系统的校准的改善。因此，取消所进行的修改。在步骤712中进行了该取消之后，该方法返回到步骤704，在步骤704中，另一系统参数优选受到修改。

用这种方式，通过查找参考光谱成分的最大透射强度，光学分析系统被重复且不断地校准。

因此，本发明提供了一种多元基分光仪的自主校准。通过使用激发辐射作为所得到的系统中的校准或参考线，对于光学分析系统的校准不需要另外的光源。

附图标记表

1 光源

2 样本

3 分束器

4 感兴趣体积区

12 物镜

19 计算元件

20 光学分析系统

22 血液分析系统

30 色散元件

32 透镜

34 空间光透射掩模

36 狭缝

38 狭缝

40 检测器

42 检测器

50 激发辐射

52 返回辐射

54 返回辐射

56 透镜

60 控制单元

62 检测段

64 检测段

Claims

1.一种分光镜系统，用于确定光学信号的主要成分，所述光学信号包括来自感兴趣体积区(4)的返回辐射，该分光镜系统包括：

-光源(1)，用于产生激发辐射，该激发辐射(50)适于被透射到感兴趣体积区中，

-物镜(12)，用于会聚来自感兴趣体积区的返回辐射，

-色散光学元件(30)，用于在第一方向上空间分离返回辐射的光谱成分，

-空间光处理装置(34)，用于调制返回辐射的光谱成分，该空间光处理装置在第一位置还具有参考段(36)，该参考段对于激发辐射至少部分透明，

-至少第一检测器(40)，用于检测经参考段透射的辐射，

-控制单元(60)，适于基于由所述至少第一检测器检测的辐射来校准光学分析系统。

2.根据权利要求1所述的分光镜系统，其中参考段(36)包括狭缝孔径，且第一位置基本上对应于激发辐射的波长。

3.根据权利要求1所述的分光镜系统，其中控制单元(60)适于沿第一方向平移空间光处理装置(34)。

4.根据权利要求1所述的分光镜系统，其中控制单元(60)适于控制光源(1)，以便修改激发辐射(50)的波长。

5.根据权利要求1所述的分光镜系统，其中控制单元(60)适于转动或平移色散光学元件(30)。

6.根据权利要求1所述的分光镜系统，其中空间光处理装置(34)是可修改的，控制单元(60)还适于修改空间光处理装置。

7.根据权利要求1所述的分光镜系统，其中所述至少第一检测器(40)包括分段检测器，该分段检测器具有沿第一方向被分隔的至少两个检测器段(62，64)。

8.根据权利要求1所述的分光镜系统，其中所述至少第一检测器(40)在第一位置处被集成到空间光处理装置(34)。

9.一种校准分光镜系统的方法，该分光镜系统具有光源(1)、物镜(12)、色散光学元件(30)和空间光处理装置(34)，其中所述光源用于产生激发辐射，该激发辐射(50)适于透射到感兴趣体积区(4)中，所述物镜(12)用于会聚来自感兴趣体积区的返回辐射，所述色散光学元件(30)用于在第一方向空间分离返回辐射的光谱成分，所述空间光处理装置(34)用于调制返回辐射的光谱成分，该校准方法包括如下步骤：

-用至少第一检测器(40)检测经空间光处理装置的参考段(36)透射的辐射，该参考段对于激发辐射至少部分透明且位于空间光处理装置的第一位置处，

-基于利用所述至少第一光检测器所检测的辐射校准分光镜系统。

10.根据权利要求9所述的方法，其中校准分光镜系统包括使经所述参考段透射的辐射最大化。

11.根据权利要求9所述的方法，其中校准分光镜系统还包括如下步骤：

-沿第一方向平移空间光处理装置，和/或

-通过控制光源来修改激发辐射的波长，和/或

-转动和/或平移色散光学元件，和/或

-重构空间光处理装置的空间透射图案。

12.一种校准分光镜系统的方法，该分光镜系统具有光源(1)、物镜(12)、色散光学元件(30)和空间光处理装置(34)，其中所述光源(1)用于产生激发辐射，该激发辐射(50)适于透射到感兴趣体积区(4)中，所述物镜(12)用于会聚来自感兴趣体积区的返回辐射，所述色散光学元件(30)用于在第一方向空间分离返回辐射的光谱成分，所述空间光处理装置(34)用于调制返回辐射的光谱成分，该校准方法包括如下步骤：

(a)存储至少第一检测器(40)的第一输出信号，该第一输出信号是响应于检测经过空间光处理装置的参考段(36)所透射的辐射而产生的；

(b)在沿第一方向修改空间光处理装置的位置之后，和/或在修改激发辐射的波长之后，和/或在修改色散光学元件的方向和/或位置之后，和/或在重构空间光处理装置的空间透射图案之后，存储所述至少第一检测器的第二输出信号，

(c)比较所述至少第一检测器的第一和第二输出信号，

(d)重复步骤(a)到(c)直到输出信号表示由所述至少第一检测器所检测的辐射的最大值。