CN101010615A - 用于光谱分析的对准系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种光谱系统以及光谱系统的自治调整方法和相应的计算机程序产品。通过检测反射辐射在光谱分析单元的孔径的横平面中的位置，可以产生控制信号，其允许驱动光学元件的伺服驱动平移或倾斜台。以该方式，光谱系统的横向未对准可以进行有效地检测。通常，多个不同的检测方案可以实现，其允许自治调整光谱系统以及自治消除光谱系统的未对准。

Description

用于光谱分析的对准系统

技术领域

本发明涉及光谱学领域，尤其但不限于涉及光谱分析系统中光束的对准。

背景技术

将光谱学技术用于分析目的在现有技术中是已知的。例如，WO02/057758 A1示出了光谱分析设备，用于对流过病人的毛细血管的血成分进行体内非侵入光谱分析。这里，不同的毛细血管的位置通过成像系统确定以便识别用于光谱分析的激发光束必须被引导到的所关心的区域。一般，成像以及光谱分析都使用普通的显微镜物镜，其一方面能够成像毛细血管，另一方面允许将近红外(NIR)激光束聚焦到皮肤中以激发拉曼光谱。此外，相同的显微镜物镜用于收集从拉曼过程展开的散射辐射。

特别是，通过在检测器前面使用高数值孔径物镜和小孔，拉曼光谱可以从小的共焦检测体积得到。然而，通过成像系统检测的皮肤中的毛细血管可以定位在显微镜物镜的光轴上或定位成轴外。在后者的情况下以及由于光谱分析系统的共焦检测体积相当小，因此拉曼检测体积必须被移动到选定的覆盖至少一部分毛细血管的所关心的体积中，该毛细血管一般位于病人皮肤表面下方的一定深度处。

为了得到明显的光谱信号，不仅激发光束必须被正确引导到或聚焦到选定的毛细血管，而且光谱移动的反射辐射(return radiation)必须适当地收集并且有效地提供到光谱单元例如光谱仪。

在典型的共焦布置中，激发光束的焦点以几个微米范围中的直径为特征，并且收集的反射辐射的相应焦点可以放大十倍。一般，光谱单元具有直径是几十微米的进入孔径。因此，有效的光谱分析需要限制的反射辐射和光谱系统的光谱单元的进入孔径之间基本重叠。因此，限制的反射辐射必须被精确地对准。

在共焦布置中，限制的反射辐射的直径必须相应于光谱仪的孔径的大小。因为焦点和/或孔径的尺寸在微米范围内，所以由于例如像改变温度的改变环境条件以及由于对于光谱系统的多种光学元件的任何固定或安装装置的机械缺陷，可能容易发生偏移和未对准。一般地，限制的光谱信号和光谱仪的孔径之间的任何未对准或不匹配必须通过手动调节和对准光谱系统的光路来消除。光谱系统的光路的手动对准是相当麻烦的并且不允许商业分配到终端用户。

文献US 6352502 B1公开了一种方法和设备，用于得到反馈以驱动对准和保持将光引入到体内皮肤样品的光学系统中对准的伺服系统。该方法包括利用具有激发波长并且从光源通过第一可调透镜的光照射物体中所关心的组织，以及使由所述组织发射的光谱通过第二可调透镜。通过第二可调透镜的光谱然后被收集和分析以确定与所关心的分析物有关的目标信号。该方法进一步包括由该目标信号得到校正信号以及基于该校正信号调节第一可调透镜或第二可调透镜的位置以便提高该目标信号。

US 6352502 B1中公开的方法由目标信号得到校正信号，其中目标信号通过分析收集的光谱来确定。在其中收集的光谱由于严重的未对准一点也没有进入光谱单元的极端情况下，不能得到或确定目标和/或校正信号。在这种极端情况下，US 6352502中公开的方法和设备可能不能适当地提高目标信号。此外，公开的设备使用第一和第二可调透镜，第一和第二可调透镜分别专用于向样品引导辐射和收集反射辐射。

发明内容

因此，本发明的目的在于提供由光谱系统的光学装置收集的反射辐射的改进对准。

本发明提供一种光谱系统，用于确定所关心的体积中物质的属性。本发明的光谱系统包括用于将激发辐射聚焦到所关心的体积中以及从所关心的体积中收集反射辐射的光学装置。光谱系统进一步包括用于将至少一部分反射辐射引导到光谱系统的光谱单元的孔径中的对准装置和用于检测横平面中反射辐射的横向位置的空间光检测器。一般，该横平面包括光谱单元的孔径。此外，光谱系统包括控制单元，控制单元适合于响应空间光检测器的输出信号的处理来控制对准装置。

用于聚焦激发辐射以及收集反射辐射的光学装置一般用作实现共焦光学装置的装置，即激发辐射被聚焦到所关心的体积中以及从所关心的体积中发出的反射辐射被收集并聚焦到光谱单元的孔径中。光学装置优选使用显微镜物镜以及多个分束器和反射镜。优选地，由例如近红外(NIR)激光器产生的激发辐射以及收集的反射辐射沿相同的光路但是沿相反的传播方向传播。同样，相对于激发辐射光谱移动的反射辐射的部分一般通过使用二向色元件被滤波和/或空间分离，该二向色元件的特征是对于激发辐射和反射辐射的频率移动部分有不同的透射和/或反射属性，该频率移动部分例如表示位于所关心的体积中的物质的拉曼光谱。

用于将至少一部分反射辐射引导到光谱单元的孔径中的对准装置可以基于伺服驱动对准装置来实现。以该方式，光谱系统中的光束对准不再必须基于多种可调光学元件的手动调节来进行。这允许更高的精确度以及基于电控制回路改变对准。伺服驱动对准可以涉及光谱系统的任何光学元件，例如光谱系统的显微镜物镜、二向色元件、任何反射镜、透镜或分束器。此外，对准可以涉及沿任何方向的横向移动或任意旋转，即光学元件的定向的改变。

空间光检测器用于在反射辐射的横向位置不与光谱单元的孔径位置匹配时提供反馈信号。因此，空间光检测器优选实现为二维检测阵列，其允许确定横平面中反射辐射的横向位置。该横平面优选限定为光谱单元的孔径。例如，光谱单元的孔径可以通过柔性光纤实现。因此，光谱单元的孔径不需要必须与光谱单元的正面一致。

空间光检测器优选围绕光谱单元的孔径进行设计。空间光检测器原则上可以以许多不同的方式实现，例如分离检测器、象限检测器、具有多个像素或甚至作为多光纤检测器布置的检测器阵列。当实现为分离检测器时，检测器基本上特征为例如水平或垂直布置的两个检测器段。每当一部分反射辐射通过任一检测器段检测时，这清楚地表示出光谱系统没有对准。使用例如具有两个水平排列的检测器段的分离检测器，第一检测器段的光强的检测清楚地表示水平未对准。取决于是否左或右检测器段检测非零光强，固有地得到与孔径的左侧或右侧未对准的信息。使用以四个检测段为特征的象限检测器甚至允许充分确定光谱系统的垂直和水平未对准。

控制单元最终适合于处理由空间光检测器产生的输出信号。以该方式，未对准的类型可以精确地确定，对准装置可以通过控制单元适当地控制以便消除对准不匹配。优选地，对准装置、空间光检测器和控制单元形成自动用于减小光谱系统中任何对准不匹配的控制回路。取决于空间光检测器的颗粒度，不仅未对准的类型而且未对准的幅度都可以精确地确定。例如，当空间光检测器的颗粒度相当低比如具有象限检测器的情况时，检测反射辐射的横向位置、空间光检测器的输出信号的处理和操纵对准装置的控制回路必须重复进行以便连续减小未对准。在另一情况下，当空间光检测器以足够高颗粒度为特征时，该颗粒度允许精确确定未对准的幅度，可以在单个步骤中充分操纵对准装置以便消除未对准。

根据本发明的另一优选实施例，对准装置和光学装置适合于将反射辐射限制到横平面中的横向圆周。该横向圆周基本上具有与光谱单元的孔径相同的尺寸。以该方式，共焦光学装置可以有效地实现，其允许沿光轴精确选择所关心的体积的位置。优选地，这种共焦布置很好地适合于焦点的纵向移动，因此适合于激发辐射的焦点的精确纵向定位。对准装置和光学装置甚至很好地适合于改变在光谱单元的孔径的横平面中反射辐射的横向圆周。以该方式，反射辐射的横向圆周可以有效地调节到光谱单元的孔径。

根据本发明的另一优选实施例，光谱单元的孔径包括光纤的孔径。该光纤进一步适合于将反射辐射耦合到光谱单元中。由于光纤一般提供大的柔性以及提供光学辐射的几乎无损耗传输，因此光谱单元甚至可以安装在远程位置。特别是，通过使用光纤作为光谱单元的孔径，光谱单元不再必须保持在光谱系统中的固定位置。

此外，通过用光纤将反射辐射耦合到光谱单元中，光谱单元可以实现为光谱系统的外部模块。因此，光谱单元可以由多个各种光谱系统共享和/或可以定位在某一远程位置。使用这种光纤唯一重要的在于反射辐射有效地耦合到光纤的孔径中。没有耦合到光纤的孔径中的反射辐射的任一部分应当通过空间光检测器检测，并因此可以用作消除对准不匹配的控制单元的控制信号的基础。

根据本发明的又一优选实施例，对准装置进一步适合于在垂直于反射辐射的传播方向的平面中移动光谱单元的孔径位置。在该实施例中，对准装置不仅用于对准光谱系统的光学元件，例如透镜、反射镜、二向色元件、分束器或物镜，而且允许移动光谱单元的孔径或移动整个光谱单元本身。此外，在本实施例中，移动可以涉及在横平面中即在垂直于反射辐射的传播方向的平面中的平移。例如，光谱单元可以安装在充分允许在横平面中的平移的二维平移台上。同样，光纤和/或某一种类的光收集装置例如透镜可以沿反射辐射的传播方向相应地平移。以该方式，反射辐射的光路长度可以充分改变。

根据本发明的又一优选实施例，空间光检测器进一步适合于确定反射辐射的横向圆周的尺寸。以该方式，不仅反射辐射的横向未对准可以确定，而且限制的反射辐射的圆周相对于光谱仪孔径尺寸的不匹配可以确定。例如，当反射辐射的横向圆周大于光谱单元的孔径时，光谱系统不再位于准确的共焦布置中。这甚至可以当空间光检测器基于分离检测器实现时被检测。如果分离检测器的光敏部分都检测基本光强，将清楚表示出反射辐射的横向圆周充分地超过光谱单元的孔径。然而，为精确确定反射辐射的圆周的横向尺寸，优选实现具有高空间横向分辨率的阵列检测器。以该方式，也可以精确确定反射辐射的横向圆周的绝对尺寸。

根据本发明的又一优选实施例，对准装置进一步适合于改变光学装置和光谱单元的孔径之间的光路长度。因此，反射辐射的光路可以通过对准装置延伸或缩短。当反射辐射的横向圆周不匹配光谱单元的孔径时，光路长度的改变优选地是必要的。因此，圆周的不匹配清楚表示出光路长度必须被调节。光路长度的调节可以通过允许平移光谱单元的伺服驱动平移台、光学装置和/或光谱系统的物镜来充分实现。另外，代替移动整个光谱单元，用于将反射辐射耦合到光谱单元中的光纤和/或聚焦透镜也可以相应平移。

根据本发明的又一优选实施例，对准装置包括用于倾斜和平移光谱系统的光学元件的压电机械元件。这允许高精确度和高性能操纵反射镜、平移台、透镜、分束器和光谱系统的光学装置的其它光学元件。压电机械元件可以基于压电陶瓷致动器实现，该致动器通常提供比磁性致动器更高的力以及非常高的加速度。以该方式，压电机械元件允许光谱系统的快速和精确未对准校正。

根据本发明的又一优选实施例，光谱单元的孔径实现到空间光检测器中。空间光检测器可以包括多个不同的检测器类型，例如分离检测器、象限检测器、检测器阵列或围绕用作光谱单元孔径的中心光纤布置的多光纤的布置。优选地，光谱单元的孔径在中心包含到空间光检测器中。以该方式，对横平面的任一侧的偏移可以有效地被检测。通过结合光谱单元的孔径和空间光检测器，固有地保证了限制的反射辐射在光谱单元的孔径的横平面中被检测。

根据本发明的又一优选实施例，光谱系统进一步包括滤波器元件，其适合于至少部分吸收或反射具有基本上与激发辐射相同波长的反射辐射光谱成分。该滤波器元件优选安装在光谱单元的孔径前面。它也可以安装在空间光检测器的前面。然而，通过将滤波器元件仅局部安装在光谱单元的孔径前面，可以有效的保证反射辐射的明显部分被阻碍进入光谱单元。这种滤波是必要的，因为反射辐射一般包括光谱移动辐射成分以及相对于激发辐射保持光谱未移动的辐射成分。

优选地，对于光谱目的，例如拉曼光谱，仅反射辐射的光谱移动部分，因此非弹性散射的辐射提供足够的对于定位在所关心的体积中物质的成分的信息。特征在于与激发辐射为相同波长的弹性散射辐射不可避免的存在，并且可能降低整个光谱系统的信噪比(SNR)。一般，弹性散射辐射的部分比非弹性散射增加频率移动反射辐射的部分大得多。通过仅在光谱单元的孔径前面选择性地安装滤波器元件，以围绕光谱单元孔径布置的空间光检测器为基础进行的未对准检测以弹性以及非弹性散射的反射辐射为基础进行。以该方式，几乎反射辐射的全部强度可以有效地用于对准校正。

在另一方面，本发明提供一种调整光谱系统的方法。光谱系统适合于确定所关心的体积中物质的属性，以及光谱系统具有用于将激发辐射聚焦到所关心的体积中以及用于收集从所关心的体积中发出的反射辐射的光学装置。调整光谱系统的本发明方法包括通过空间光检测器检测横平面中反射辐射的横向位置的步骤。优选地，横平面包括光谱单元的孔径。在检测该横向位置以后，该方法进一步包括对准装置的控制，该对准装置用于如果反射辐射的横向位置不与光谱单元的孔径中心重叠则将至少一部分反射辐射引导到光谱单元的孔径中。

在优选实施例中，该方法包括：将反射辐射限制到横平面中的横向圆周，响应检测没有与光谱单元的孔径中心重叠的限制的反射辐射的横向位置而移动光谱单元的孔径位置。以该方式，限制的反射辐射的位置和光谱单元的孔径的横向不匹配可以有效地进行消除。

该方法进一步包括通过空间光检测器确定反射辐射的横向圆周的尺寸，以及，如果横向尺寸不匹配光谱单元的孔径尺寸，改变光学装置和光谱单元的孔径之间的光路长度。以该方式，本发明方法提供光谱系统的普遍未对准校正，该光谱系统解决光束的横向位置不匹配以及解决反射光束的横向圆周的不匹配。

在另一方面，本发明提供一种用于调整光谱系统的计算机程序产品。光谱系统适合于确定所关心的体积中物质的属性并且具有光学装置，该光学装置用于将激发辐射聚焦到所关心的体积中以及用于收集来自所关心的体积的反射辐射。计算机程序产品包括计算机程序部件，其适合于基于由空间光检测器提供的输出信号来确定反射辐射在横平面中的横向位置。横平面包括光谱单元的孔径。因此，横平面由光谱单元的孔径沿光谱系统的光轴的位置来确定。计算机程序产品进一步包括程序手段，其适合于控制光谱系统的对准装置，用于如果反射辐射的横向位置不与光谱单元的孔径中心重叠则将反射辐射的至少一部分引导到光谱单元的孔径。

此外，计算机程序产品可以进一步适合于确定反射辐射的圆周的横向尺寸以及适当地改变光学装置和光谱单元的孔径之间的光路长度。

以该方式，本发明提供一种光谱系统及其自治调整方法。信号通过确定用作控制信号的反射辐射的横向位置和/或尺寸而产生。因此，控制单元与对准装置和计算机程序产品组合形成提供光谱系统的自治调整的控制回路。

此外，应当注意，权利要求中的任何附图标记不构成为限制本发明的范围。

附图说明

在下面，将参考附图详细描述本发明的优选实施例，在附图中：

图1示意性示出了光谱系统的框图；

图2示出了实现为象限检测器的光谱单元的正面；

图3示出了实现为检测器阵列的光谱单元的正面；

图4示意性示出了基于多光纤的空间光检测器的实现方案；

图5示意性描绘了具有陷波滤波器的检测器的侧视图；

图6示意性示出了在未对准结构中的光谱系统的框图；

图7示意性示出了在空间光检测器的正面上的未对准反射辐射；以及

图8示出了用于进行光谱系统的未对准校正的流程图。

具体实施方式

图1示意性示出了光谱系统100的框图。光谱系统100具有光谱单元102、成像单元104、物镜106和分束器112。光谱单元102具有优选在NIR范围中发射的激光源116、光谱仪118、二向色镜114以及透镜120。光谱系统100的所示结构决不限制到所示实施例。例如，激光源116可以实现为单独的模块并且不是必须为光谱单元102的内部元件。

本发明的光谱系统100优选地设计用于位于样品110中的所关心的体积108的光谱分析。样品110可以例如是任何生物组织，例如人体或动物的皮肤组织。光谱系统100允许所关心的体积的非侵入分析。因此，激发辐射122通过物镜106和多种光学元件例如二向色镜114和分束器112聚焦到所关心的体积108中。一般，聚焦到所关心的体积108中的激发辐射122引起多个散射作用。物镜106用于将激发辐射122聚焦到所关心的体积108中以及用于收集源于所关心的体积108中的激发辐射122的散射作用的反射辐射。

一般，至少一部分反射辐射由于所关心的体积中的非弹性散射作用例如拉曼散射作用而频率移动。该频率移动部分允许光谱分析定位在所关心的体积108中的物质。一般，二向色镜114的特征在于对于反射辐射的频率移动部分的高反射率，因此有效地允许空间分离来自由于例如Rayleigh散射的弹性散射辐射的光谱相关信号。

例如，当样品110包括具有血管的人体皮肤108时，光谱系统有效地允许确定血液的分析物的浓度。这些分析物例如可以是：葡萄糖、乳酸盐、胆固醇、氧合血红蛋白和/或脱氧血红蛋白、甘油血红蛋白(glycohemoglobin)(HbAlc)、血细胞容量计(hematocrit)，、胆固醇(总和，HDL，LDL)、甘油三酸酯、尿素、白蛋白、肌酸酐(creatinin)、充氧作用、pH、碳酸氢盐和许多其它分析物。

成像系统104允许追踪和定位皮肤110表面下方的毛细血管或血管108。因此，成像系统104适合于发射以及检测产生所关心的体积108附近的所关心的区域的可见图像的成像辐射126。当例如不同的毛细血管已经通过成像系统104定位时，激发辐射122可以被精确地引导到不同的血管108中。

除了将激发辐射122引导到所关心的体积108中之外，必须充分地保证收集的反射辐射124精确地入射到光谱仪118的孔径130上。在一般结构中，激发辐射122的焦点具有在几个微米范围内的尺寸。由于光谱系统100以共焦布置操作，因此收集的反射辐射124必须充分地聚焦到光谱仪118的孔径130中。一般，透镜120对反射辐射圆周提供放大一个倍数。适当的监视或成像方法包括正交偏振光谱成像(OPSI)、共焦视频显微术(CVM)、光学相干层析X射线照相术(OCT)、共焦激光扫描显微术(CLSM)、基于多普勒效应的成像和基于超声的成像。

光谱仪118的孔径130由检测器围绕，该检测器有效地允许检测反射辐射124的未对准。一般，反射辐射124的圆周基本上与孔径130重叠。在反射辐射124优选地耦合到孔径130中的情况下，周围的检测器不能提供基本的输出。然而，当反射辐射124未精确地到达孔径130时，检测器可以检测有效的强度并且因此可以产生可以处理的适当的输出以便倾斜或平移光谱系统100的任一光学元件120、114、112、106以便消除检测的未对准。

图2示出了光谱仪118的透视图。这里，光谱仪118的正面特征在于由检测器的四个检测段132、134、136、138所围绕的孔径130。优选地，孔径130中心定位在规则布置的检测段132、...、138之间。以该方式，收集的反射辐射的任何未对准可以通过任一检测段132、...、138充分地被检测。例如，当入射的反射辐射与上右侧未对准时，则检测段132将检测明显的光强，并且相应的检测器输出固有地表示未对准的类型。在另一例子中，当检测段132和134检测基本相等的光强时，这清楚的表示反射辐射124相对于孔径130的位置水平移动到右侧。

在图2中示出的象限检测器仅是怎样实现空间光检测器的一个例子。原则上，还有一个基本实施例是可以想得到的，其中可以实现以仅两个检测段为特征的分离检测器。在这样的基本实施例中，未对准校正限制为一个横向方向，例如水平、垂直或以倾斜方式。

此外，由四个检测段132、...、138实现的象限检测器不是必须需要覆盖光谱仪118的整个正面。例如，空间光检测器可以仅覆盖围绕光谱仪118的孔径130的横向部分。此外，由于孔径130也可以基于光纤实现，因此检测段132、...、138不是必须需要装到光谱仪118的外壳。如果光谱仪118的孔径130实现为光纤，则空间光检测器以及因此四个检测段132、...、138必须围绕着提供反射辐射的传输到光谱仪118的光纤的孔径进行布置。

图3示出了检测器的可替换实施例。在本实施例中，检测器实现为阵列检测器，该阵列检测器的特征在于多个规则布置的像素140、142...。同样在此，孔径130优选地在中心定位并且包含在检测器阵列中。以与图2的实施例已经描述的相同方式，阵列检测器决不是必须覆盖光谱仪118的整个正表面，并且阵列检测器也不是必须是光谱仪118的外壳的整体部分。当阵列检测器以大数量的检测器像素140、142即提供高颗粒度为特征时，不仅收集的反射辐射的横向位置而且反射辐射的光束的圆周可以充分地确定。由于反射辐射的光束的圆周尺寸也表示未对准的幅度，因此也可以相对于反射辐射的光束的圆周中的偏移分析检测器输出。

图4示出了包括六个未对准光纤150、152、154、156、158和160的光检测器的可替换实施例。这六个未对准光纤150、...、160围绕用作光谱仪118的孔径的中心光纤130规则布置。这里，未对准光纤150、...、160具有与图2的象限检测器的检测段132、...、138或图3所示的阵列检测器的检测像素140、142相同的功能。因此，任何横向位置不匹配以及反射辐射的收集光束的尺寸不匹配可以通过未对准光纤150、...、160进行检测并且允许足够的未对准补偿。此外，每个未对准光纤的末端耦合到相应的用于确定未对准的类型和/或幅度的未对准检测器。可替换地，未对准光纤可以耦合到光谱仪，其允许光谱分析所述未对准辐射。这也给出允许调整和/或对准光谱系统的控制信号。

图5示意性示出了图2的象限检测器结合用作光谱仪118的孔径的光纤130的截面图。光纤130的近端结合到象限检测器，示意性地示出了象限检测器的检测段132、134。在光纤的远端，光纤130与光谱仪118连接。光纤130有效地对光谱仪118提供收集的反射辐射的传输，该光谱仪甚至可以定位在远程位置。以该方式，整个光谱系统的柔性可以很大地提高。此外，陷波滤波器162安装在光纤130的孔径前面。优选地，陷波滤波器162用于吸收或反射反射辐射的弹性散射辐射以及透射非弹性散射辐射、反射辐射的相对于激发辐射122光谱移动的部分。

在孔径130的前面直接使用这种陷波滤波器，原则上二向色镜114可以用常规分束器替换。以该方式，弹性以及非弹性散射辐射的主要部分指向孔径130以及光谱仪118。一般，反射辐射的弹性散射部分的特征在于比非弹性散射部分更大的强度。通过向光谱仪118引导非弹性散射以及弹性散射辐射，弹性散射部分可以有效地用于本发明的未对准补偿。

直接在孔径130的前面实现光谱选择陷波滤波器162而不覆盖光检测器的任何检测段132、134，反射辐射的主要部分可以有效地用于对准目的。以该方式，检测段132、134仅必须提供对于检测反射辐射的弹性散射部分足够的有限灵敏度。

图6示意性说明了具有未对准校正光学装置的光谱系统100的框图。光轴172示意性示出了从所关心的体积108中发出的反射辐射投影在光谱仪118的正面附近的情况。例如，光路172从所关心的体积108的中心部分发出但基本上入射到检测段134，而不是孔径130。该未对准导致通过由控制单元128进一步处理和分类的检测段134检测明显的光强。

控制单元128又适合于适当地操纵光谱系统100的光学元件120、114、112、106以便消除检测的未对准。如箭头174、176、184和178所示，可以通过由控制单元128控制的电驱动伺服装置平移和/或倾斜光学元件。例如，通过逆时针轻微倾斜二向色镜114，光路172可以精确地射到光谱仪118的孔径130。可替换地，当安装在平移台上时，两个反射镜或分束器112、114可以同时平移以便在光谱仪118的附近水平移动光路172。

此外，也可以移动透镜120，如平移方向178和184所表示。通过沿平移方向178表示的方向平移透镜120以及沿箭头174、176表示的倾斜方向倾斜反射镜或分束器112、114，优选地可以充分地改变反射在光谱仪118的正面的横向位置。以该方式，光路可以在横平面中移动以便提供孔径130和反射辐射的足够的重叠。优选地，通过扫描透镜120的位置以及同时监视透射通过孔径的光强，可以确定透镜的最佳位置，其相应于透射通过孔径130的最大强度。此外，沿光路172改变透镜120的位置，即沿方向184平移透镜120，有效地用于改变在光谱单元118的正面上的反射辐射的圆周。因此，透镜120沿光路172的移动有效地提供与改变光路172的长度类似的效果。以该方式，光谱检测体积的三维调整或定位可以有效地实现。光谱单元118正面上的反射辐射的圆周的改变相应于多个焦平面180和182之间的光谱检测体积108的移动。

此外，通过沿平移方向184垂直移动物镜106，光谱系统100内光路的长度可以任意地改变。这例如允许反射辐射的圆周的改变。以该方式，光谱系统100的共焦布置可以适合于各个焦平面180、182。

图7重复示出了已经在图3中示出的阵列检测器的实施例。此外，在图7中，未对准限制的反射辐射光束示为检测器点186。如从图7看出，检测器点186明显大于孔径130。此外，检测器点186相对于光谱仪118的孔径130横向移动。当检测器阵列提供足够数量的检测器像素140、142时，检测器点186的横向位置以及其圆周可以通过检测器精确地确定。在知道尺寸和横向位置偏移以后，控制单元128可以充分计算用于平移和倾斜光谱系统100的多个光学元件120、114、112、106的相应控制信号，以便消除检测器点186的圆周和位置的偏移。

图8说明了消除光谱系统100的未对准的流程图。在第一步骤800中，反射辐射光束的横向位置通过图2-5中所示的所实现的检测器的任一个进行检测。取决于检测器的实现，在随后的步骤802中，也可以确定反射辐射光束的横向圆周。此外，不仅反射辐射的空间强度分布而且其光谱成分可以被分析以便基于反射辐射的不同光谱成分控制是否进行对准。圆周的确定优选地可以通过使用提供足够数量的检测像素140、142的阵列检测器来实现。在确定反射辐射光束的横向位置和/或圆周以后，检测器输出在步骤804中被处理以便计算各个光学元件的所需平移或倾斜。可替换地，在该计算之前，可以对入射到光谱单元118的孔径130的反射辐射进行光谱分析，其允许控制反射辐射是否在预定光谱范围内。例如，当光谱系统严重未对准时，反射辐射可能仅包括与预定的光谱分析无关的光谱成分。以该方式，将在步骤804中进行的计算可以跳过并且能产生输出，例如表示光谱系统需要手动维护。

然而，在反射辐射的特征在于所需光谱成分的情况下，在步骤804中处理了反射辐射的横向位置和圆周以后，电信号的相应调整序列在步骤806中产生。这些电信号或电信号的序列允许适当地平移或倾斜光谱系统的光学元件，优选通过伺服驱动或压电驱动致动器平移或倾斜光谱系统的光学元件。因此，在最后的步骤808中，压电驱动致动器或允许改变反射辐射的光路的几个元件适当地被操纵。

取决于检测器的类型，当检测器不仅表示未对准的类型而且表示未对准的幅度时，光谱系统的整个调整可以在单个步骤中进行。此外，当适当地校准时，例如几个微米的位置不匹配可以通过倾斜反射镜或分束器112，114补偿几个角秒。

此外，本发明可以基于控制回路实现，该控制回路持续地测量反射辐射的横向偏移以及自动产生用于倾斜和/或平移光谱系统的光学元件的压电驱动致动器的相应控制信号。

附图标记列表

100  光谱系统

102  光谱单元

104  成像单元

106  物镜

108  所关心的体积

110  样品

112  分束器

114  二向色镜

116  激光器

118  光谱仪

120  透镜

122  激发光束

124  反射辐射

126  成像辐射

128  控制单元

130  孔径

132  检测段

134  检测段

136  检测段

138  检测段

140  检测像素

142  检测像素

150  未对准光纤

152  未对准光纤

154  未对准光纤

156  未对准光纤

158  未对准光纤

160  未对准光纤

162  陷波滤波器

172  光路

174  倾斜方向

176  倾斜方向

178  平移方向

180  焦平面

182  焦平面

184  平移方向

186  检测器点

Claims (12)

1.一种用于确定所关心的体积(108)中物质的属性的光谱系统(100)，该光谱系统包括：

用于将激发辐射(122)聚焦到所关心的体积中以及从所关心的体积中收集反射辐射的光学装置；

用于将至少一部分反射辐射引导到光谱单元(118)的孔径(130)中的对准装置；

用于检测横平面中反射辐射的横向位置的空间光检测器，该横平面包括光谱单元的孔径；

适合于响应空间光检测器的输出信号的处理控制对准装置的控制单元(128)。

2.根据权利要求1的光谱系统(100)，其中对准装置和光学装置适合于将反射辐射限制到横平面中的横向圆周，该横向圆周具有基本上与光谱单元(118)的孔径(130)相同的尺寸。

3.根据权利要求1的光谱系统(100)，其中光谱单元(118)的孔径(130)包括光纤的孔径，该光纤适于将反射辐射耦合到光谱单元。

4.根据权利要求1的光谱系统(100)，其中对准装置进一步适合于在垂直于反射辐射(124)的传播方向的面中移动光谱单元(118)的孔径(130)的位置。

5.根据权利要求2的光谱系统(100)，其中空间光检测器进一步适合于确定反射辐射(124)的横向圆周的尺寸。

6.根据权利要求1的光谱系统(100)，其中对准装置进一步适合于改变光学装置和光谱单元(118)的孔径(130)之间的光路长度。

7.根据权利要求1的光谱系统(100)，其中对准装置包括用于倾斜和/或平移光谱系统的光学元件(106、112、114、120)的压电机械元件。

8.根据权利要求1的光谱系统(100)，其中光谱单元(118)的孔径(130)实现到空间光检测器中，该空间光检测器包括象限检测器或检测器阵列或围绕用作光谱单元的孔径的中心光纤布置的多光纤结构。

9.根据权利要求1的光谱系统(100)，进一步包括滤波器元件(162)，其适合于至少部分吸收具有基本上与激发辐射(122)相同波长的反射辐射(124)的光谱成分，该滤波器元件适合于安装在光谱单元(118)的孔径(130)的前面。

10.一种调整光谱系统(100)的方法，该光谱系统适合于确定所关心的体积(108)中物质的属性，以及该光谱系统具有用于将激发辐射(122)聚焦到所关心的体积中以及收集来自所关心的体积的反射辐射的光学装置，调整光谱系统的本方法包括以下步骤：

通过空间光检测器检测横平面中反射辐射的横向位置，该横平面包括光谱单元(118)的孔径(130)，

控制对准装置，用于如果反射辐射的横向位置不与光谱单元的孔径中心重叠则将至少一部分反射辐射引导到光谱单元的孔径中。

11.根据权利要求11的方法，进一步包括以下步骤：

将反射辐射限制到横平面中的横向圆周，

响应检测没有与光谱单元的孔径中心重叠的限制的反射辐射的横向位置而移动光谱单元(118)的孔径(130)的位置，

通过空间光检测器确定反射辐射的横向圆周的尺寸，

如果横向尺寸不匹配孔径尺寸，改变光学装置和光谱单元的孔径之间的光路长度。

12.一种用于调整光谱系统(100)的计算机程序产品，该光谱系统适合于确定所关心的体积(108)中物质的属性并且具有用于将激发辐射(122)聚焦到所关心的体积中以及收集来自所关心的体积的反射辐射的光学装置，该计算机程序产品包括适合于下述操作的程序部件：

基于由空间光检测器提供的输出信号来确定反射辐射在横平面中的横向位置，该横平面包括光谱单元(118)的孔径(130)，

控制对准装置，用于如果反射辐射的横向位置或圆周不与光谱单元的孔径中心重叠，则将反射辐射的至少一部分引导到光谱单元的孔径中。

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