CN111982279A - 照明样品的光学照明装置、照明和分析样品的光学分析装置及其运行方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于照明样品（4）的光学照明装置（1），包括：激光光源（2）；偏转镜（3），其能由激光光源（2）来照射且能绕着至少一个轴旋转；光学聚焦元件（FE），其布置在激光光源（2）与偏转镜（3）之间；载体（5），其具有波长转换层（6），其布置为使得激光能由偏转镜（3）偏转到波长转换层（6）上，其中载体（5）对于激光（L）和/或对于由波长转换层（6）予以波长转换的光（LK）能透过，其中激光能由激光光源（2）通过光学聚焦元件（FE）经由偏转镜（3）聚焦到波长转换层（6）上；和投影光学系统（7），借助其，予以波长转换的光（LK）能在样品（4）上被集束在投影光学系统（7）的聚焦点。

Description

照明样品的光学照明装置、照明和分析样品的光学分析装置 及其运行方法

技术领域

本发明涉及一种用于照明样品的光学照明装置、一种用于照明和分析样品的光学分析装置以及一种用于运行光学分析装置的方法。

背景技术

高光谱成像法和这样的装置通常使用二维图像传感装置（例如在应用传感器矩阵的情况下）以及用于对样品进行成像的光学成像组件，其中该样品利用环境光或者利用确定波长的光来照明。借助于传感器前面的带通滤波器可以产生对被样品反射的光的光谱分解，其中可以使用窄带滤波器作为滤波器矩阵。多个相同的图像例如可以借助于微透镜在传感器上产生，这些微透镜利用以所规定的尺寸的滤波器分别来光谱分离。也可以在整个传感器上产生一个图像，其中在传感器的每个像素前面都可以布置光谱滤波器，该光谱滤波器可以在相应的探测通道（光谱通道）中探测待成像的图像的每个点。替选地，一个图像可以在整个传感器上被成像并且在一个区域可以放置可调滤波器，使得该图像依次以不同的光谱通道来拍摄。通常可以使用线性可变滤波器（LVF），其中接着在该线性可变滤波器与该传感器之间可以放置微透镜装置（阵列），以便产生所属的小图像（多个）的光谱通道。布置并且提供这样的传感器矩阵尤其可能在近红外和红外波长范围内由于所需的材料（例如InGaAs）而非常昂贵，尤其是与用于可见光波长的硅相比非常昂贵。应该用激光来照明的转换材料与微透镜的组合目前仍处在研发中，例如用来实现激光头灯。

在EP 1882917 A1中描述了一种用微机械手段来制造的双频带法布里-珀罗滤波器，该双频带法布里-珀罗滤波器在红外测量技术中被用作可调带通滤波器。

发明内容

本发明提供了一种根据权利要求1所述的用于照明样品的光学照明装置、一种根据权利要求8所述的用于照明和分析样品的光学分析装置以及一种根据权利要求12所述的用于运行光学分析装置的方法。

优选的扩展方案是从属权利要求的主题。

本发明的优点

本发明所基于的思路在于：说明一种用于照明样品的光学照明装置、一种用于照明和分析样品的光学分析装置和一种用于运行光学分析装置的方法，其中高光谱成像和与之相关联的样品分析被改善并且可以用作对已知的实施方案的成本低廉的替选方案，尤其是用于近红外领域。有利地，照明装置以及分析装置适合于集成到微型光谱仪中。在应用激光的情况下，可以使用高光功率并且实现在样品上的待分析区域的高分辨率。

按照本发明，用于照明样品的光学照明装置包括：激光光源；偏转镜，该偏转镜能通过该激光光源来照射并且能绕着至少一个轴旋转；光学聚焦元件，该光学聚焦元件布置在该激光光源与该偏转镜之间；载体，该载体具有波长转换层，该波长转换层布置为使得激光能由该偏转镜偏转到该波长转换层上，其中该载体对于激光来说和/或对于由该波长转换层予以波长转换的光来说能透过，其中激光能由该激光光源通过该光学聚焦元件经由该偏转镜聚焦到该波长转换层上；和投影光学系统，借助于该投影光学系统，所述予以波长转换的光能在样品上被集束在该投影光学系统的聚焦点。

按照该光学照明装置的一个优选的实施方式，该光学照明装置包括外壳，其中激光光源、偏转镜、载体和投影光学系统都布置在该外壳中和/或被围在该外壳中。

按照该光学照明装置的一个优选的实施方式，激光光源包括边缘发射器或垂直腔发射器。

按照该光学照明装置的一个优选的实施方式，偏转镜能绕着两个彼此不同取向的轴运动，使得能用激光来扫描波长转换层的平面，而且由此投影光学系统的聚焦点能在样品上运动。

按照该光学照明装置的一个优选的实施方式，激光能通过波长转换层被转换到近红外或红外波长范围。

按照该光学照明装置的一个优选的实施方式，激光光源和偏转镜以模块化结构方式安装在电路板上。

按照该光学照明装置的一个优选的实施方式，该光学照明装置包括控制装置和/或传感装置，借助于该控制装置和/或该传感装置能调整和识别偏转镜的至少一个偏转角。

按照本发明，用于照明和分析样品的光学分析装置包括：按照本发明的光学照明装置，利用该光学照明装置，能用确定波长的光来照射样品；光谱仪装置，利用该光谱仪装置能接收被该样品反射的光并且对其进行光谱分析。

通过在样品的表面上的位置方面能改变的聚焦点，可以对在该样品的表面上的确定区域进行扫描并且通过光谱分析从在该区域被反射或透射的光中获得信息。根据图像点的位置和偏转镜的取向以及可能也根据该偏转镜的位置，可以反推出聚焦点在样品上的位置。

该分析装置可以以微型化结构方式来实施和/或被集成在光学构件中，其中微型化可以被理解为尺寸与火柴盒的大小类似并且更小。

按照该光学分析装置的一个优选的实施方式中，光谱仪装置和照明装置布置在同一外壳中而且探测光学系统被围在该外壳中，借助于该探测光学系统能将被反射的光偏转到光谱仪装置上。

按照该光学分析装置的一个优选的实施方式，光谱仪装置包括法布里-珀罗干涉仪。

按照该光学分析装置的一个优选的实施方式，该光学分析装置包括控制装置，该控制装置被设立为：

使偏转镜运动，使得予以波长转换的光在投影光学系统的聚焦点扫描样品的确定区域；而且使光谱仪装置运行为使得产生以下光的相应的用所述予以波长转换的光照射的点的光谱，该光被该点反射；而且

根据对偏转镜的被调整用于对该点进行照射的至少一个偏转角的知识，能辨识该点在样品上的位置并且根据多个点的光谱能产生该样品的确定区域的高光谱图像。

按照本发明，在用于运行用来照明和分析样品的光学分析装置的方法中，提供按照本发明的光学分析装置；用激光光源的激光对偏转镜进行照射；使偏转镜绕着至少一个轴运动并且由此使相对于该轴的法线的至少一个偏转角发生变化；对波长转换层进行照射并且使投影光学系统的聚焦点在样品的确定区域内运动；而且通过光谱仪装置来接收被该确定区域反射的光并且探测在该样品上的被相应照射的点的光谱。

按照该方法的一个优选的实施方式，在探测到光谱之后，使用关于该点在该样品上的位置的知识来创建该确定区域的高光谱图像。

按照该方法的一个优选的实施方式，通过偏转镜的相应的偏转角来确定关于该点的位置的知识。

按照该方法的一个优选的实施方式，该确定区域包括面积或轨迹。

按照该方法的一个优选的实施方式，激光光源随时间被调制，而且将光谱仪装置的输出信号与相关信号进行混合并且通过相关方法来考虑被反射的光的背景光成分。

该方法的特点也可在于已经结合干涉仪装置所提到的特征及其优点而且反之亦然。

本发明的实施方式的其它特征和优点从随后参考附图的描述中得到。

附图说明

随后，本发明依据在附图的示意图中说明的实施例进一步予以阐述。

其中：

图1示出了按照本发明的实施例的光学分析装置的示意性侧视图；而

图2示出了按照本发明的实施例的用于制造干涉仪装置的方法的方法步骤的框图。

在所述附图中，相同的附图标记表示相同或功能相同的要素。

具体实施方式

图1示出了按照本发明的实施例的光学分析装置的示意性侧视图。

用于照明和分析样品4的光学分析装置10包括：按照本发明的光学照明装置1，利用该光学照明装置，能用确定波长的光来照射样品4；光谱仪装置20，利用该光谱仪装置能接收被样品4反射的光LR并且对其进行光谱分析。

用于照明样品4的光学照明装置1包括：激光光源2；偏转镜3，该偏转镜能由激光光源2来照射并且能绕着至少一个轴旋转；光学聚焦元件FE，该光学聚焦元件布置在激光光源2与偏转镜3之间；载体5，该载体具有波长转换层6，该波长转换层布置为使得激光能由偏转镜3偏转到波长转换层6上，其中载体5对于激光L来说和/或对于由波长转换层6予以波长转换的光LK来说能透过，其中激光能由激光光源2通过光学聚焦元件FE经由偏转镜3聚焦到波长转换层6上；和投影光学系统7，借助于该投影光学系统，予以波长转换的光LK能在样品4上被集束在投影光学系统7的聚焦点FP。

在波长转换层6上，激光光源2的激光可以部分地聚焦，即还可包括图像点BP方面的肉眼可见的伸展，或者正好处在光学聚焦元件FE的焦点。而来自波长转换层6的每个点的光可以有利地正好被集束在样品4上的聚焦点FP。图像点BP例如可包括小于100μm的直径并且因此可以有利地用作集光率低的非常小的且宽带的光源。

该光学照明装置1可包括外壳8，其中激光光源2、偏转镜3、载体5和投影光学系统7都可布置在外壳8中和/或被围在该外壳中。

分析装置10可以布置在与照明装置1相同的外壳8中并且探测光学系统11（比如光电二极管）可以被围在外壳8中，借助于该探测光学系统能使被反射的光LR偏转到光谱仪装置20上。然而，分析装置10也可包括在空间上不同的区域的多个组件，例如样品可以布置在照明装置与光谱仪装置之间，以便可以测量被该样品透射的光（未示出）。

在样品表面上（或者在部分地进入到样品的材料中之后）被反射（散射）或透射的光可以在吸收确定的对于在样品中的物质来说表征性的吸收波长（化学结构的表征性的吸收）之后具有光谱标志。

该光可以通过光谱仪装置来探测并且吸收波长被探测（识别），据此，如果所获得的光谱图像（吸收光谱）可以针对该样品的表面的每个点或者只是在局部利用已知的吸收光谱、例如利用化学计量分析以及数据库的比较来予以分析，则可以获得关于样品成分的信息。如果在确定区域内的局部点（聚焦点）利用波长已知的光对样品进行扫描并且使该点在确定面积内运动并且在此分析被该点反射或透射的光，则在将所获得的信息与在该样品上的相应的点相关联的情况下可以产生该样品的高光谱图像。

光谱仪装置20可以包括单点光谱仪、比如法布里-帕罗干涉仪（FPI）。被样品4反射到光谱仪装置20中的光可以由单个光电二极管来探测，该光谱仪装置包括光电二极管11，该光电二极管可以布置在FPI的下游。对被样品4反射的光的探测可以利用偏转镜的运动来调准和同步，有利地通过控制装置SE来调准和同步，由此随后可以依次创建样品4的二维光谱地图。还可能的是：将样品4的常规图像（比如成像摄像机照片）与该光谱地图叠加并且将进一步分析与图像识别算法相结合。有利地，光谱仪装置20、比如光谱仪装置20的物镜光学系统的视野（Field of view，FOV）至少大得包括并且能够拍摄聚焦点FP的整个并且所希望的一维或二维运动范围。聚焦点的运动可以沿着在样品上的轨迹或面积进行。通过在样品的表面上的位置方面能改变的聚焦点，可以对在该样品的表面上的确定区域进行扫描并且通过光谱分析从在该区域中被反射或透射的光中获得信息。根据图像点BP的位置和偏转镜的取向以及可能也根据该偏转镜的位置，可以反推出聚焦点FP在样品上的位置。此外，根据对偏转镜的姿态、即该偏转镜相对于其运动轴之一的法线的角度以及到样品或光谱仪装置上的入射角的知识，可以推断出聚焦点FP在样品4上的位置。因此，可以随着运动来进行逐点扫描。如果沿着轨迹进行扫描，则该轨迹可包括不同的形状。二维扫描（比如在偏转镜沿第二维度/角度运动或者整个分析装置运动的情况下）也可以逐行地并且逐点地进行。该轨迹也可对应于圆形。由此，可能会沿着圆形轨迹来检测部分的抽样样品、比如样品不均匀性，而且可以省去整面的扫描。这可以明显减少分析的时间。光谱仪装置可以设计为显微光谱仪。例如，该显微光谱仪可以在家用电器中使用，比如也用于牛奶分析，或者在其它领域使用。

波长转换层6例如可以通过荧光来产生光并且包括至少一种磷光物质，该磷光物质可以通过激光能激发出宽带发射。

激光光源2可包括边缘发射器或垂直腔发射器（VCSEL）。有利地，激光光源2可针对波长转换层6的材料的特别高效的转换波长来设计。

偏转镜3可以绕着两个彼此不同取向的轴运动，使得能用激光L扫描波长转换层6的平面，而且由此投影光学系统7的聚焦点FP能在样品4上运动。因此，可以遍历样品的二维区域。经过波长转换层6的激光L可以转换到近红外或红外波长范围，有利地通过波长转换层6能转换到近红外或红外波长范围。此外，波长转换层6也可包括多个层和/或转换板。聚焦点FP可以是与图像点BP的共轭点。

激光光源1和偏转镜3还可以以模块化结构方式来安装在电路板9或各一个电路板9上。该电路板可以是带印制导线（flexlead）的PCB板（printed circuit board）。载体5可包括玻璃板。玻璃板或载体可包括滤波器，或者滤波器可以施加或布置在该玻璃板上，有利地，该滤波器只能使被转换的光透过。替代在载体上的滤波器，投影光学系统7的透镜也可包括滤波器、比如相对应地进行滤波的材料。因此，在样品4上吸收之后，被转换的光可以在反射到光谱仪模块中的情况下包含所搜寻的物质的表征性吸收光谱。

与此相关地，图1示出了在外壳8的底部上的电路板9的第一区域和在外壳8的侧壁上的电路板9的第二区域。电路板的这两个区域可以与接触线彼此连接。在图1的示例中，激光光源2可以布置在外壳8的侧壁上的电路板9的第二区域上并且以确定的高度布置在外壳8的底部上方，而且可以辐射到腔体K1中，该腔体可包括激光光源2、偏转镜3和载体5。偏转镜3可以以基座3a布置在电路板9的第一区域上，有利地能旋转。图1仅仅示出了旋转一个角度的旋转可能性，然而旋转多个角度的旋转运动也是可以的。

该基座3a也可包括控制装置SE和/或传感装置SN，借助于该控制装置和/或该传感装置可以调整和识别偏转镜的至少一个偏转角。在图1中，光谱仪装置20象征性地示出为外壳8的区域。光学聚焦元件FE可布置在激光光源2上，有利地布置在激光光源2的辐射区域并且使激光光源2的光L形成锥体（波束成形、聚焦），该锥体的照明点、例如焦点能被偏转到波长转换层6的表面上。波长转换层6可以在载体5上布置在朝向偏转镜3和/或（在有第二波长转换层的情况下）背离偏转镜3的侧上。

光学聚焦元件FE可包括透镜或衍射元件（DOE）。

激光光源2可以随（关于）时间被调制，而且光谱仪装置20（对探测器）的输出信号可以与相关信号混合（比如在控制装置或分析装置中存储/产生的相关信号）并且通过相关方法来考虑被反射的光LR的背景光成分。该调制可以在Hz、kHz或MHz范围内进行。接着，光电探测器可以通过相关方法、例如锁定（Lock-in）来读取。以这种方式，不是来自激光光源2的外来光可以有效地被抑制，换言之从对光谱信息的创建中被排除。在这种情况下，光谱仪装置的视野（field of view）可对应于样品4的整个图像区域、即整个待拍摄的区域、有利地整个样品4。通过利用相关方法的分析，有利地，可以产生经改善的信噪比、有利地样品的整个图像的经改善的信噪比。

如果使激光光束经由偏转镜3只沿一个维度偏转，则通过整个照明装置1和/或整个光学分析装置10沿另一维度、比如（在样品4的相同平面内）垂直于偏转镜3的偏转方向（扫帚式扫描（Pushbroom-scanning））的运动可以获得来自第二维度的信息。

图2示出了用于制造按照本发明的实施例的干涉仪装置的方法的方法步骤的框图。

在用于运行用来照明和分析样品的光学分析装置的方法中，提供S1按照本发明的光学分析装置；用激光光源的激光对偏转镜进行照射S2；使偏转镜绕着至少一个轴运动S3并且由此使相对于该轴的法线的至少一个偏转角发生变化；对波长转换层进行照射S4并且使投影光学系统的聚焦点在样品的确定区域内运动；而且通过光谱仪装置来接收S5被该确定区域反射的光并且探测S6在该样品上的被相应照射的点的光谱。

尽管本发明在上文完全依据优选的实施例予以描述，但是本发明并不限于此，而是能以各种各样的方式和方法来修改。

Claims (16)

1.一种用于照明样品（4）的光学照明装置（1），所述光学照明装置包括：

- 激光光源（2）；

- 偏转镜（3），所述偏转镜能由所述激光光源（2）来照射并且能绕着至少一个轴旋转；

- 光学聚焦元件（FE），所述光学聚焦元件布置在所述激光光源（2）与所述偏转镜（3）之间；

- 载体（5），所述载体具有波长转换层（6），所述波长转换层布置为使得激光能由所述偏转镜（3）偏转到所述波长转换层（6）上，其中所述载体（5）对于所述激光（L）来说和/或对于由所述波长转换层（6）予以波长转换的光（LK）来说能透过，其中激光能由所述激光光源（2）通过所述光学聚焦元件（FE）经由所述偏转镜（3）聚焦到所述波长转换层（6）上；和

- 投影光学系统（7），借助于所述投影光学系统，所述予以波长转换的光（LK）能在所述样品（4）上被集束在所述投影光学系统（7）的聚焦点（FP）。

2.根据权利要求1所述的光学照明装置（1），所述光学照明装置包括外壳（8），其中所述激光光源（2）、所述偏转镜（3）、所述载体（5）和所述投影光学系统（7）都布置在所述外壳（8）中和/或被围在所述外壳中。

3.根据权利要求1或2所述的光学照明装置（1），其中所述激光光源（2）包括边缘发射器或垂直腔发射器（VCSEL）。

4.根据权利要求1至3之一所述的光学照明装置（1），其中所述偏转镜（3）能绕着两个彼此不同取向的轴运动，使得能用所述激光（L）来扫描所述波长转换层（6）的平面，而且由此所述投影光学系统（7）的聚焦点（FP）能在所述样品（4）上运动。

5.根据权利要求1至4之一所述的光学照明装置（1），其中所述激光（L）能通过所述波长转换层（6）被转换到近红外或红外波长范围。

6.根据权利要求1至5之一所述的光学照明装置（1），其中所述激光光源（1）和所述偏转镜（3）以模块化结构方式来安装在电路板（9）上。

7.根据权利要求1至6之一所述的光学照明装置（1），所述光学照明装置包括控制装置（SE）和/或传感装置（SN），借助于所述控制装置和/或所述传感装置能调整和识别所述偏转镜的至少一个偏转角。

8.一种用于照明和分析样品（4）的光学分析装置（10），所述光学分析装置包括：

- 根据权利要求1至7之一所述的光学照明装置（1），利用所述光学照明装置，能用确定波长的光来照射所述样品（4）；

- 光谱仪装置（20），利用所述光谱仪装置能接收被所述样品（4）反射的光（LR）并且对所述光进行光谱分析。

9.根据回引权利要求2的权利要求8所述的光学分析装置（10），其中所述光谱仪装置（20）和所述照明装置（1）布置在同一外壳（8）中而且探测光学系统（11）被围在所述外壳（8）中，借助于所述探测光学系统能将被反射的光（LR）偏转到所述光谱仪装置（20）上。

10.根据权利要求8或9所述的光学分析装置（10），其中所述光谱仪装置（20）包括法布里-帕罗干涉仪（FPI）。

11. 根据权利要求8至10之一所述的光学分析装置（10），所述光学分析装置包括控制装置（SE），所述控制装置被设立为：

使所述偏转镜（3）运动，使得所述予以波长转换的光（LK）在所述投影光学系统（7）的聚焦点扫描所述样品（4）的确定区域；而且使所述光谱仪装置（20）运行为使得产生以下光（LR）的相应的用所述予以波长转换的光（LK）照射的点（P）的光谱，其中所述光（LR）被所述点反射；而且

根据对所述偏转镜（3）的被调整用于对所述点进行照射的至少一个偏转角的知识，能辨识所述点（P）在所述样品（4）上的位置并且根据多个点的光谱能产生所述样品（4）的确定区域的高光谱图像。

12.一种用于运行用来照明和分析样品（4）的光学分析装置（10）的方法，所述方法包括如下步骤：

- 提供（S1）根据权利要求8至11之一所述的光学分析装置（10）；

- 利用所述激光光源（1）的激光来对所述偏转镜（3）进行照射（S2）；

- 使所述偏转镜（3）绕着至少一个轴运动（S3）并且由此使相对于所述轴的法线的至少一个偏转角发生变化；

- 对所述波长转换层（6）进行照射（S4）并且使所述投影光学系统（7）的聚焦点在所述样品（4）的确定区域内运动；而且

- 通过所述光谱仪装置（20）来接收（S5）被所述确定区域反射的光（LR）并且探测（S6）在所述样品（4）上的被相应照射的点（P）的光谱。

13.根据权利要求12所述的方法，其中在探测（S5）到所述光谱之后，使用关于所述点（P）在所述样品（4）上的位置的知识来创建所述确定区域的高光谱图像。

14.根据权利要求13所述的方法，其中通过所述偏转镜的相应的偏转角来确定关于所述点（P）的位置的知识。

15.根据权利要求12至14之一所述的方法，其中所述确定区域包括面积或轨迹。

16.根据权利要求12至15之一所述的方法，其中所述激光光源（1）随时间被调制，而且将所述光谱仪装置（20）的输出信号与相关信号进行混合并且通过相关方法来考虑被反射的光（LR）的背景光成分。

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