CN1926415A - 采用多元光学元件的光学分析系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于测定光信号主成分幅度的光分析系统。该主成分表示经历光谱分析的特定组成物或物质中不同组成物的浓度。光信号经历由加权函数规定的波长选择加权和波长选择空间分离。该光信号优选的分别相应于加权函数的正和负谱带被分离为两部分。该分离分别检测光信号的分离部分而不具有明显强度损失，因此提供被测定主成分的改善的信噪比。光信号的分离和加权通过两多元光学元件被实现。
Description
本发明涉及光谱学领域。
光谱技术被广泛用于确定物质的组成。通过光谱地分析光学信号，即光谱光学信号，物质中特定组合物的浓度可被精确测定。特定物质的浓度被代表性的由光信号主分量的幅度给出。
US6 198,531B1公开了一种光学分析系统的实施例，其用于测定主分量光信号幅度。已知的光学分析系统是光谱分析系统的一部分，该光谱分析系统适用于，例如，分析何种组合物以何种浓度被包含于样品中。众所周知，与样品相互作用的光束携带组合物及其浓度的信息。其内在的物理过程被在光谱技术中利用其中来自光源，例如，激光，灯或发光二极管的光束被导向样品用于产生携带这一信息的光信号。
例如，光可被样品吸收。可替代地或另外，一已知波长的光可与样品相互作用并因此由于，例如，拉曼过程，产生一不同波长的光。该被透射和/或被产生的光组成光信号，其可被称为光谱。作为波长函数的光信号的相对强度可表示包含在样品中的组合物及其浓度。
为了识别包含在样品中的组合物及测定其浓度，需要分析光信号。在已知的光分析系统中，光信号被通过包括光学滤波器的专用硬件分析。光学滤波器具有有赖于波长的透过率，即，其被设计为通过被波长相关透射率给出的光谱加权函数来加权光信号。光谱加权函数被选择以使得被加权的光信号，即，由滤波器透过的光的总强度，被直接与特定组合物的浓度成比例。这样的光学滤波器也被称为多元光学元件(MOE)。该强度能够被通过一检测器例如，光电二极管容易的检测到。对于每一组合物一具有特定光谱加权函数的专用光学滤波器被使用。光学滤波器可为，例如，具有包含所希望加权函数的透过率的干涉滤波器。
为了成功实现这一分析方案重要的是要知道光谱加权函数。它们可被，例如通过分析一设定包含N种已知浓度纯组合物的N种光谱的主分量获得，其中N是整数。每一光谱包含在M种不同波长相应光信号的强度，其中M也是整数。典型的，M比N大得多。在相应M个波长含有M个强度的每一光谱组成一M维矢量，其M分量是这些强度。这些矢量被代入一被称为奇异值分解(SVD)的线性代数过程，其是主成分分析的核心并被本领域人员熟知。
作为SVD的结果，一系列N本征矢量Zn被获得，n是小于N+1的正整数。本征矢量Zn是初始N光谱的线性组合并通常被称为主成分或主成分矢量。典型的，主成分相互正交并被通过|Zn|＝1确定为归一化矢量。利用主成分Zn，包含未知浓度组合度的样品的光信号可被通过组合归一化主成分乘以适当的标量因子表示：
X1Z1+X2Z2+XnZn，
标量因子Xn，n是小于N+1的正整数，可被看作在一给定光信号中主成分Zn的幅度。每一因子Xn被通过将光信号作为在M维波长空间的矢量处理和计算该矢量与主成分矢量Zn的直接乘积而测定。
结果得到光信号在归一化本征矢量Zn方向的幅度Xn。该幅度Xn相应于N组合物的浓度。
在已知的光学分析系统中，代表光信号的矢量和代表主成分的本征矢量之间直接乘积的计算是在光分析系统的硬件中通过光学滤波器执行的。光学滤波器具有透过率从而根据代表主成分的本征矢量的成分加权光信号，即，主成分矢量组成光谱加权函数。被滤波的光信号可通过检测器被检测，其产生一具有与主成分幅度及相应组合物浓度成比例的幅度的信号。
在物理意义上，每一主成分是一个被构造的在光信号波长区域具有一形态的“光谱”。相对于真正的光谱，主成分可包含一在第一光谱范围的正部分和在第二光谱范围的负部分。这样代表该主成分的矢量具有对于相应于第一光谱范围的波长的正组份和对于相应于第二光谱范围的波长的负组份。
在一实施例中已知光学分析系统被设计以在硬件中执行代表光信号的矢量和代表主成分的本征矢量之间直接乘积的计算，如果其中主成分包含正部分和负部分。以此为目的，一部分光信号被导向第一滤波器，该第一滤波器通过相应于主成分正部分的第一光谱加权函数加权光信号，并且光信号的另一部分被导向第二滤波器，该第二滤波器通过相应于主成分负部分的第二光谱加权函数加权光信号。被第一滤波器和第二滤波器透过的光束被分别由第一检测器和第二检测器所检测。第二检测器的信号被从第一检测器的信号中减去，得到一具有相应于浓度的幅度的信号。
在另一实施例中，已知的光学分析系统能够通过测量相应于第一主成分和第二主成分的幅度测定第一组合物和第二组合物的浓度。以此为目的，一部分光信号被导向第一滤波器，该第一滤波器通过相应于第一主成分的第一光谱加权函数加权光信号，并且另一部分光信号被导向第二滤波器，该第二滤波器通过相应于第二主成分的第二光谱加权函数加权光信号。被第一滤波器和第二滤波器透过的光被分别由第一检测器和第二检测器所检测。第一检测器和第二检测器的信号分别相应于第一主成分和第二主成分的幅度。
已知光学分析系统的一个缺点是信噪比相对低。
本发明因此致力于提供一种上述类型的光学分析系统，其能够提供具有相对高信噪比的信号。
本发明提供一种用于确定光信号主成分的幅度的光学分析系统。该光学分析系统包含第一多元光学元件，第二多元光学元件，第一和第二检测器。第一多元光学元件适于将光信号波长选择分离为第一部分和第二部分。第二多元光学元件适于在光谱加权函数的基础上将光信号波长选择加权。特别是，加权光信号指的是加权光信号的第一部分和第二部分。分别地，该第一检测器适于检测光信号的被加权的第一部分并且第二检测器适于检测光信号的被加权的第二部分。
本发明基于理解了已知光分析系统信噪比相对较低是因为光信号的一重要部分不能被任何检测器检测到，却被例如第一光学滤波器或第二光学滤波器阻挡。例如，由第一光学滤波器接收的光信号包含所有信息，但是第一滤波器只透过相应于第一加权函数的部分光信号，而相应于第二加权函数的部分光信号被该滤波器截止。被第一光学滤波器和第二光学滤波器截止的光不能被检测到，这减小了信噪比。
优选的，光信号的第一部分和第二部分被通过第一多元光学元件空间上分离。第一部分和第二部分涉及光信号的不同光谱范围。优选的，光信号第一部分涉及主成分正部分并且光信号第二部分涉及主成分负部分。第一和第二部分不限制于一单一光谱范围。此外，光信号每一部分可涉及多种特定光谱范围或谱带。例如，第一光信号可涉及一850-870nm和900-920nm的组合光谱范围。通过选择性分离光信号的第一和第二部分和通过相应的检测器检测第一和第二部分，信噪比能够被相对于现有技术提高。
理论上，为了滤波光信号中适当部分，不需施加光学滤波器于检测器。除了光信号波长选择分离为第一和第二部分，第二多元光学元件在光谱加权函数基础上施加一光信号波长选择加权。应用波长选择加权可在光信号被第一多元光学元件波长选择分离之前或之后施加于光信号。这样，应用波长选择加权可被执行于光信号或光信号的第一和第二部分。波长选择分离和加权可被以任意顺序执行。光信号首先入射于第一MOE或第二MOE，此后其可各自分别入射于第二和第一MOE。被施加于光信号的第一和第二MOE的效果的次序可通常是任意的。
加权可出现在分离发生之前并且反之亦然。而且，第一和第二多元光学元件能够以这样方式被组合，使得光信号的波长选择分离和波长选择加权被以组合的方式执行。然而，通过空间地分离光信号为第一和第二部分并且通过选择性地检测光信号被加权的第一和第二部分，信噪比能够相对于现有采用光学滤波器的解决方案被提升。
根据本发明的更一优选实施例，光分析系统进一步包含色散光学元件以光谱分散光信号。第一和第二多元光学元件被设置以接收色散光学信号。该色散元件能够通过例如光栅或棱镜来实现用于色散分离光信号。通过这种方式光信号的各种光谱组成能够被空间的分离。通过将第一和/或第二多元光学元件实施作为空间光调制器，光信号波长选择调制能够被有效实现。调制典型地指的是光信号或光信号第一和/或第二部分的偏振和/或幅度或强度调制。
光谱色散光信号被第一和第二多元光学元件接收，即，第一和第二多元光学元件的不同部分接收光信号或者部分光信号的不同波长间隔或带宽。对于独立波长第一多元光学元件适于将光信号第一部分导向第一检测器和将光信号第二部分导向第二检测器。相应的，第二多元光学元件，例如，第二多元光学元件的选择部分，被采用以分别地加权光信号不同波长成分。这样代替了如已知光学分析系统中第一光学滤波器和第二光学滤波器所做的部分截止光信号，光信号的不同部分被导向不同检测器。因而大量光信号被检测到，并产生改善的信噪比。
根据本发明，光信号不限于具有人眼可见波长的光信号。光信号可包含在紫外(UV)和/或红外(IR)的光谱成分。这里，红外光谱范围可包含近红外(NIR)和远红外(FIR)其具有1THz以上的频率，以及所有中间波长。
根据本发明，主成分不限于纯主成分。这里，纯主成分指的是数学逼近特定组合物的本征矢量。主成分可包含其他组合物的次要贡献其可由确定主成分期间的不完全性造成。主成分可相应于几种已知浓度组合物的混合。
主成分的一个实施例包括在第一光谱范围的正部分和第二光谱范围的负部分，光信号第一部分被相应于正部分的第一光谱加权函数加权，光信号第二部分被相应于负部分的第二光谱加权函数加权，第一检测器和第二检测器耦合于信号处理器，该信号处理器设置为从第一检测器产生的信号中减去第二检测器产生的信号。在该实施例中，包含具有正部分和负部分的主成分的光信号以改善的信噪比被分析。典型地，第一光谱范围不属于第二光谱范围。
根据本发明的更优选实施例，第一多元光学元件包含接收色散光学信号光谱部分的第一区域。该第一区域适于改变色散光学信号的偏振。在该实施例中，第一多元光学元件被实施作为用于空间选择调制色散光学信号偏振状态的空间光学调制器。因此，第一多元光学元件的第一区域接收在不同位置光信号的不同波长。该第一区域进一步适于以不同方式改变第一区域中不同位置的色散光学信号的偏振。以这种方式，色散光学信号的不同波长被施加不同的偏振改变。依赖于第一多元光学元件的间隔尺寸和光信号的色散，因此被第一区域接收的光谱部分的光谱范围，被接收光信号的特定光谱范围可被施加偏振改变。
色散光学信号因此被施加波长选择偏振改变。特别是与偏振敏感元件，例如偏振分束器，相结合，不同光谱范围的空间分离能够以少量强度损失被有效实现。以这种方式，涉及主成分正和负部分的第一和第二光谱范围可被有效的空间分离以被各自的检测器分别检测。
根据本发明的进一优选实施例，第二多元光学元件包含用于接收色散光学信号的第二区域。该第二区域具有涉及光谱加权函数的透过或反射性。优选的，第二多元光学元件被实现为以反射或透射模式工作的空间调制器。与第一多元光学元件相似，同样第二多元光学可提供通过第二区域的不同透射或反射性质。以这种方式，光信号的特定光谱部分能够被施加幅度和/或强度调制。以这种方式光信号的特定光谱成分能够被有效的施加波长选择加权。
根据本发明的更一优选实施例，用于改变色散光信号偏振的多元光学元件的第一区域可配置为产生色散光信号的可配置偏振改变。以这种方式，第一多元光学元件被用作可配置偏振调制器。这样的可配置偏振调制器允许改变光信号第一和第二部分的光谱范围。
根据本发明的进一优选实施例，第二多元光学元件的第二区域的透射和/或反射是可配置的。以这种方式，第二多元光学元件可被普遍适于多个不同光谱加权函数。特别是，当第一和第二多元光学元件被实施作为可配置元件时，光分析系统可被普遍适于任意加权函数。以这种方式，第一多元光学元件适于分离加权函数的正和负部分并且第二加权函数适于以加权函数的特定方式成比例或加权所接收光信号的幅度和/或强度。
配制第一和/或第二MOE特别有利于针对光信号的不同主成分调节光分析系统。以这种方式，不仅光信号的单一主成分的单一幅度可被获得，此外整个多种主成分的多种幅度能够允许测定样品不同物质的各种浓度。
根据本发明的进一优选实施例，第一和/或第二多元光学元件包括至少一个可配置的透射或反射液晶单元。依赖于液晶单元的实施，整个光学分析系统可被以透射或反射形态操作。液晶单元提供一单元元件阵列使得可通过施加一适当电压而被分别控制。优选的，液晶单元适于作为空间偏振调制器，即单一单元元件提供一入射光信号偏振状态的改变。偏振改变的程度被施加于每一单元元件的电压的幅度控制。
在液晶单元的基础上实施第一多元光学元件可通过结合偏振光分束器利用液晶单元而有效实现。假设入射色散光信号是线偏振的，液晶单元可改变色散光学信号的特定光谱范围的偏振状态90度。因此，该特定光谱范围在传播时通过偏振光分束器可被从光信号分离。
在第二多元光学元件中实施透射或反射液晶单元可通过在交叉偏振器之间配置液晶单元被有效实现。交叉偏振器和液晶单元的配置适于作为空间幅度调制器，其适于衰减光信号以印记多种灰度值。依赖于施加电压，不同单元元件提供不同透射值。结合这样一空间幅度调制器与色散元件，光信号的特定光谱范围能够被有效加权。
根据本发明的进一优选实施例，第一多元光学元件包含一二向色性元件，其适于空间分离光信号的第一和第二部分。代替了使用色散光学元件和空间光调制器结合，该实施例提供一更直观方式以空间分离光信号的各种光谱范围和带宽。二向色性元件优选实施为二向色性镜是不可配置的，并且需要根据每一指定主成分正和负部分的加权函数而设计。主成分的正和负部分典型地涉及光信号的第一和第二部分。它们不被限定于特定光谱间隔。此外，光信号的每一部分涉及光信号的各种光谱结合或光谱范围和各自的组合。
然而，通过实施第一多元光学元件作为二向色性元件，光分析系统能够以不复杂和低成本的方式被实现。这特别有利于，当光分析系统被专用于包含儿种具有大的光谱区别的组合物的特定物质的光谱分析。以这种方式，二向色性元件的透射和反射性质可适用于设计物质的光谱及其相应加权函数。
根据本发明的进一优选实施例，光分析系统进一步包含偏振转换元件。由于对于本发明的多个实施例入射光信号是线偏振是特别有利的，偏振转换元件适于转换任意偏振的光信号为线偏振光信号。优选的，偏振转换元件通过利用偏振光分束器和延迟波片，优选为半波片被实施。任意偏振光原理上可由s-和p-偏振光叠加表示。理想的，偏振光分束器分离s-和p-偏振光使得它们从偏振光分束器以不同角出射。因此，两个演变的光为s-或p-偏振光。使用半波片以旋转这些光束之一的偏振方向，两具有同样偏振方向的光束可被有效产生。此外，这些光束可被结合至线偏振的单一光束。以这种方式，线偏振光可被有效产生而不需施加吸收一定量强度的线偏振器。
根据本发明的进一优选实施例，光分析系统进一步包含一提供照明样品的光的光源，该样品包含具有一浓度的物质并从而产生主成分。主成分的幅度涉及物质的浓度。
本发明的另一方面提供一血液分析系统其包含上述的光分析系统。这里被光照明的样品包含血液。
本发明的另一方面提供一种测定光信号中主成分幅度的方法。该方法包括分离光信号为第一和第二部分，加权光信号和测定光信号被加权的第一和第二部分的步骤。
进一步，需被注意的是权利要求中的附图标记并不用于限制本发明的范围。
本发明的下述实施例将通过参考附图被更详细表述：
图1是血液分析系统的一个实施例的示意图，
图2a和2b是皮肤中血液和包含溶液中分析物的样品产生的光信号的光谱，
图3是在MOE中实施的光谱加权函数，
图4是光分析系统的一个实施例的示意图，
图5是偏振转换元件的示意图，
图6是本发明另一实施例的示意图，
图7是光分析系统的一替代实施例的示意图，
图8是光分析系统的另一实施例的示意图，
图9a，9b和9c是光分析系统的另一实施例分别在x-y平面，y-z平面，x-z平面的示意图。
如图1中所示的实施例用于测定光信号主成分幅度的光分析系统20，包含一光源1，其用于提供照明样品2的光，样品2包含具有一浓度的物质并因此产生主成分。主成分的幅度涉及物质的浓度。光源1为激光器，例如气体激光器，染料激光器，和/或固体激光器如半导体或二极管激光器。
光分析系统20是血液分析系统40的一部分。血液分析系统进一步包含用于测定主成分幅度的计算元件19，从而测定组合物的组成。样品2包含具有血管的皮肤。该物质可为下述一个或多个分析物：葡萄糖，乳酸盐，胆固醇，氧血色素和/或脱氧血色素，甘油血色素(HbAlc)，分血器，胆固醇(全，HDL，LDL)，甘油三酸酯，尿素，清蛋白，肌氨酸酐，氧化，pH，重碳酸盐和许多其他分析物。这些物质的浓度通过光谱以非入侵方式被测定。以此为目的，光源1提供的光被送入将光源提供的光反射至皮肤血管的二向色镜3。该光可被物镜12聚焦至血管。该光可通过如国际专利WO02/057759所述的成像和分析系统聚焦至血管。
通过光源1提供的光与血管中的血液相互作用，一光信号由于拉曼散射和荧光被产生。该这样被产生的光信号可由物镜12收集并送至二向色镜3。该光信号具有与光源1提供的光不同的波长。该二向色镜被构造以使得透过至少一部分光信号。
以该方式产生的光信号的光谱如图2A所示。该光谱包含一相对宽的荧光背景(FBG)和相对窄的拉曼带(RB)。图2A的x轴代表有关由光源1激发的785nm在波数中的波长位移，图2A的y轴代表任意单位强度。该x轴对应零强度。拉曼带的波长和强度，即位置和高度，指示分析物类型，如图2B中实施例所示的对于被以80mMol浓度溶于水中的分析物葡萄糖。图2B中的实线代表葡萄糖和水的光谱，图2B中的虚线代表葡萄糖在水中的光谱和不含葡萄糖的水的光谱之间的区别。这些带的光谱的幅度代表分析物的浓度。
因为血液包含多种组合物，每一个组合物具有特定光谱其可如图2B中一样复杂，光信号光谱分析也相对复杂。光信号被送入根据本发明的光分析系统20，在其中光信号被通过以如图3中示意的加权函数加权光信号的MOE分析。图3中的加权函数被设计用于血液中的葡萄糖。它包含正部分P和负部分N。在该实例中正部分P和负部分N每一个包含多于一个光谱带。
这里以及本申请的其余部分聚焦构件和另一光学元件间的距离被定义为聚焦构件主平面和另一光学元件主平面间沿光轴距离。
如图1所示的计算元件19被设置以计算正和负信号间的差。该差成比例于光信号主成分的幅度。主成分的幅度涉及物质，即分析物，的浓度。幅度和浓度间的关系可为线性相关。
图4中图示了光分析系统实施例的示意图。该光分析系统包含色散元件106，透镜108，118，两液晶单元112，116，四个偏振器110，114，122，124，一偏振光分束器120和两分离的检测器126，128。具有表示物质组成的光谱的光信号100被入射至色散光学元件106。该色散光学元件106可被实施为光栅，或任何其他色散光学元件，如棱镜。
色散光学元件106提供光信号100的光谱分散。例如，如图4所示的两个不同光谱成分102和104。该两光谱成分102，104被色散元件106以不同角度反射。为了简化仅仅光谱成分102，104的两个代表线被分别由实线和虚线表示。该两光谱成分102，104传播通过将光谱成分聚焦至液晶单元112的透镜108。
液晶单元112被夹在两个交叉偏振器110，114之间。当光谱成分入射至第一液晶单元112之前需要传播通过偏振器110。因此，两光谱成分102，104被通过偏振器110线偏振。
在该实施例中液晶单元112适于作为提供光信号100的波长选择加权的第二多元光学元件的一个组件。可以看到两光谱成分102，104被聚焦至液晶单元112的不同位置。在这些位置相应液晶单元元件提供光谱成分102，104偏振状态的改变以分别衰减和加权两不同光谱成分102，104。
通过随后的相对于偏振器110旋转90度的偏振器114，光谱成分102，104偏振状态的改变变换为相应强度改变。该强度改变典型的相应于通过光谱加权函数所得的特定光谱成分的加权。因此用于波长选择加权光信号100的第二多元光学元件可被通过色散光学元件106，液晶单元112和两交叉偏振器110，114有效实现。
在波长选择加权之后两光谱成分102，104入射至液晶单元116。该液晶单元116是用于波长选择分离光信号100的第一多元光学元件的基本组件。该液晶单元116优选适于选择性切换光谱成分102，104的偏振状态。例如，光谱成分102成为S偏振而光谱成分104成为P偏振。两分离光谱成分102，104传播通过透镜118并入射至偏振光分束器120。例如，偏振光分束器120适于反射S偏振光至检测器126和透过P偏振光至检测器128。以这种方式通过液晶单元116成为S偏振的光谱成分102被检测器126完全检测并且通过液晶单元116成为P偏振的光谱成分104被完全透过偏振光分束器并随后被检测器128检测。
此外图示的偏振器124和122是适于阻止两光谱成分串扰和补偿偏振光分束器120的缺陷的光学偏振器。因此，偏振器124被设置为透过S偏振光而偏振器122被设置为透过P偏振光。以这种方式，用于波长选择分离光信号为第一部分和第二部分的第一多元光学元件被通过液晶单元116，色散光学元件106和偏振光分束器120有效实现。
图4已图示了本发明较复杂的实施例，其中第一多元光学元件和第二多元光学元件以组合方式被实施。这说明多元光学元件都包含多个光学组件其结合提供两个多元光学元件的功能。例如，色散光学元件106是用于两个多元光学元件的光学组件。
特别是为了分别检测光信号100的不同光谱成分由于利用液晶单元结合偏振光分束器来实施第一多元光学元件，几乎没有光强损失。参考图3中所示的加权函数，液晶单元116适于切换所接收的S偏振态或P偏振态的色散光信号的正和负部分。以这种方式检测器126，128只检测相应于加权函数正或负部分的S偏振或P偏振光。相似的，结合两交叉偏振器110，114的液晶单元112适于根据加权函数值加权所接收的色散光信号。
如图4中所示的实施例多元光学元件都被实施为可配置的多元光学元件。以这种方式光分析系统可被普遍适用于各种加权函数使得测定样品中不同物质的浓度。对于每一物质两液晶单元112，116可被以相应于各自加权函数的方式配置。
由于光信号100典型的具有较低强度，利用偏振器110可减少提供的强度。因此用偏振转换元件150代替偏振器110是有利的。
图5中图示了一种偏振转换元件150，其包括偏振光分束器130，棱镜132和半波片134。典型的，由例如拉曼效应产生的分光镜的光信号100具有混合偏振状态其通过符号136表示。然而混合偏振状态总能被S偏振和P偏振态的叠加表示。光信号100传播通过偏振光分束器130，例如P偏振光142透过，而S偏振光146被反射。
S和P偏振组件146，142的不同的相互正交的偏振态由分别表示偏振方向的符号138，140表示。被反射的S偏振光146被棱镜132反射并最终传播通过半波片134。当被正确设置时，半波片134准确旋转S偏振光146的偏振面90度以成为P偏振光144。以这种方式，偏振转换元件150有效产生具有相同偏振方向的两分离光束142，144。此外，两被产生的光束142，144可被在进入光学分析系统之前结合作为光信号100。利用这样一种偏振转换元件150，图4中所示的偏振器110可废除。以这种方式光信号的衰减被减小至最低，以致于提高了被检测光谱成分102，104的信噪比。
图6中图示了本发明的另一实施例。这里第一多元光学元件被实施为二向色镜160。光信号100入射至适于作为第一多元光学元件的二向色镜160。该二向色镜被特别设计为透过和反射相应于如图3所示的光谱加权函数正和负部分的光谱带。例如，光谱成分103相应于正光谱带和光谱成分105相应于光信号100负光谱带的被反射。在该实例中正部分和负部分103，105相应于多于仅一个光谱带。以这种方式第一多元光学元件被专有地通过二向色镜160实施。其有效提供相应于光谱加权函数正和负部分的光信号100的谱带的空间分离。需注意的是以这种方式正和负谱带的空间分离可被实施而不会显著损失能量。
分离为正和负谱带后，各自谱带被分别由检测器126和128检测。检测前，每一光谱成分103，105被波长选择幅度调制。该波长选择幅度调制典型的由第二MOE执行，其分别实施为波长选择滤光器162和波长选择二向色镜164。该光谱成分103传播通过具有如透射图166所示的特定透过性的滤光器162。以这种方式选择波长λ1和λ2可被选择性衰减，同时其余光谱被有效抑制。以相似方式波长选择镜164提供光谱成分105的波长选择反射。被镜164反射的光被通过检测器128检测。与作为波长选择滤波器162的透过曲线166相似，波长选择镜164提供一用于只反射光谱成分105的特定波长λ3和λ4的反射曲线168。
该实施例中第一MOE被实施为二向色镜并且两个提供有效加权空间分离光谱成分103和105的第二MOE被分别实施为波长选择光学透射或反射组件162，164。以这种方式本发明的光学分析系统可被实施为具有限定数量光学组件，其专用于测定不同主成分幅度。因此波长选择组件160，162，164被典型的根据不同应用而特定设计从而是不可配置的。相对于图4中的实施例，图6中的实施例代表一种更不复杂和低成本的实现光分析系统的过程。尽管如图6中所示的方式利用了波长选择透射和/或反射，谱带(λ1，λ2，λ3，λ4)相关部分不是必须被衰减或截止。优选的，仅与测定主成分幅度无关的部分光谱被有效放弃。
图7所示的是图6的代替实施例，其中图6中的第二MOE164被包含光栅170，滤波器172和两个聚焦元件108，118的设置代替。这里，第一MOE与图6中所示的相似的通过二向色镜160被实施。并且，相应于光谱加权函数正和负部分的谱带103，105被分别各自通过检测器126和128检测。代替了如图6中所示的利用波长选择镜164，图7中的实施例利用光栅170空间分离光谱成分105的不同光谱成分102，104。与图4中所示的相似两光谱成分102，104仅是光谱负部分的多个光谱成分的代表。它们通过实线和虚线被表示。通过透镜108，两光谱成分102，104被入射到滤波器172的不同位置。
滤波器172提供一特定空间透过曲线174。该空间方向x表示172附近垂直方向。由于不同光谱成分102，104入射于滤波器172上不同位置x，这些光谱成分被由滤波器172的透过曲线174选择的衰减。以这种方式，用于实现光信号波长选择加权的第二MOE被通过光栅170和具有空间可变透过曲线的滤波器172实现。该滤波器172可被实施为特定设计的透过掩模。可替代的，滤波器172可通过夹在交叉偏振器中的液晶被实施。在后面较复杂的实施例中，滤波器172可为可配置的。
图8图示了本发明一替代实施例的示意图。图8中的实施例与图4中的实施例具有一定的相似性，除了第一和第二MOE的有效顺序可被互换。在图8的实施例中，光信号100入射至色散光学元件106，其以不同反射角反射光信号100的不同光谱成分102，104。在传输通过透镜108后，两光谱成分102，104入射至液晶单元116。这里，假设光谱成分102，104是被通过例如图5中所示的偏振转换元件150线偏振的。此外偏振器110可被插入液晶单元116之前。
优选的，为了选择性改变两光谱成分102，104的偏振状态，液晶单元116是可配置的。例如，光谱成分102成为P偏振且光谱成分104成为S偏振。两相互正交偏振的光谱成分102，104传播通过透镜118并入射至偏振光分束器120。该偏振光分束器120透过P偏振光谱成分102并反射S偏振光谱成分104。该P偏振和S偏振光谱成分被分别各自通过检测器128，126检测。以这种方式，第一MOE借助光栅106、液晶单元116和偏振光分束器120被实施。该P和S偏振光谱成分102，104相应于如图3中所示的加权函数的正和负谱带。
空间分离相应于光谱加权函数正和负部分的光谱成分102，104之后，波长选择加权需借助第二MOE针对两成分102，104中的每一个被实施。理论上，第二MOE的实施可通过类似于参考图4，6，7的任一实施例被实现。因此，第二MOE可被实现为波长选择滤波器162，波长选择镜164，或通过利用提供类似空间滤波器172的或包含液晶单元112和一对如图4所示的交叉偏振器110，114的空间光调制器的空间透过图的光学元件。
在图8中用于光谱成分102的波长选择加权的第二MOE被实施为液晶单元112和随后的偏振器122。该用于光谱成分104的波长选择加权的第二MOE被实施为滤波器172，其提供如图7所示的透过图174。以这种方式，相应于光谱加权函数正和负部分的光谱成分102，104都分别通过两分离第二MOE被加权。因此，图8中实施例中的该两第二MOE被实施为结合色散光学元件106的空间光调制器。
在图9A，9B，9C中所示的另一实施例中，第一和第二MOE的功能由一单一MOE10合并。该MOE10包含一LC单元阵列。此外，在该实施例中入射光信号在色散元件6之前没有被分为对应正和负部分的两束。被用于该实施例的LC单元相似于前面所述的但不包含偏振器。其结果实质上，除了不期望的在LC分子层上的损耗，入射光被反射，而光的偏振方向可由于折射率各向异性被改变，其可通过施加通过LC单元的电压被调整。如图9A仅只具有P偏振的一入射光束被示出。该入射光可为非偏振或部分偏振例如线或圆偏振。在这些情况下相似于前述实施例入射光可分解为具有P偏振和S偏振的两束。为了清楚图9A，9B，9C中只示出单一光束。
在图9A中入射光是光信号P偏振的部分，其平行于Z轴方向。入射光入射至色散元件6其中光信号被光谱分散，即不同光谱部分被不同角度散射。被散射的光信号至少部分被为棱镜的聚焦组件9收集，并且被聚焦至为反射LC单元阵列的MOE10。从光栅到棱镜和从棱镜到LC单元的距离相等并相应于透镜焦距(远心设计)。结果为对于光信号的所有光谱部分，传播向MOE10的会聚光束在X-Z平面正入射在MOE10。MOE10上的不同Y位置8，8’相应于光信号的不同光谱部分。
在聚焦元件9和MOE10之间一偏振光分束器(PBS)15被放置。入射，例如P偏振，光被PBS15透过。LC单元阵列包含非偏振滤波器并且，因此，反射基本上全部入射光。光的偏振方向由依赖通过LC单元的电压的量被改变。该偏振旋转量通过各自光谱范围中的光谱加权函数绝对值被测定。被从LC单元反射的光被导向PBS15。入射向PBS15的S成分光被PBS15反射并通过一聚焦元件17聚焦在束流收集器18。入射向PBS15的P成分光被PBS15透过并射向折叠式反射镜23。以这种方式，通过空间改变色散光信号的偏振和选择性将非S偏振成分导向束流收集器18，光信号的波长选择加权被有效实施。因此，通过在MOE10的第一反射和随后的偏振敏感空间分离，被透过的P偏振的波长选择灰度值可有效出现。因此，第二MOE被通过MOE10的第一反射有效实施。
从折叠式反射镜23到透镜的距离不等于透镜的焦距。被折叠式反射镜23反射的光被重复由聚焦元件9聚焦至MOE10。由于折叠式反射镜23相应于入射光方向具有一轻微角度，被折叠式反射镜23反射的光以不同的Z位置到达MOE10。同样LC单元10上的光的Y位置对照第一反射的Y位置相对于光轴被反射。在不同的Z位置入射色散光信号的偏振被重复改变。优选的，入射光谱成分变为由加权函数或回归矢量的负和正部分规定的S或P偏振。
具有波长相应于回归矢量的正值的光，偏振不被LC单元改变。该S偏振光被PBS第四次透过并通过透镜9聚焦在监测器11S。具有波长相应于回归矢量的负值的光，偏振被通过LC单元旋转90度。该S偏振光被PBS反射并被透镜17聚焦在检测器11P。以这种方式，在MOE10的第二反射提供光信号分离为正和负部分并因此代表第一MOE的功能。
在该实施例中LC单元不包含偏振器。因此，所有光被反射并且只有光的偏振方向可被改变。
入射光不再聚焦组件9的光轴上，因此入射和返回的光不重叠并且可使用折叠式反射镜23。优选的入射至聚焦组件的入射光是离轴于聚焦组件9的光轴的并基本上垂直于色散元件6的色散方向以允许相对小的透镜直径。
从色散元件6到聚焦组件9的距离和从聚焦组件9到MOE10的距离都等于聚焦组件9的焦距(远心设计)。结果为对于所有光谱成分，会聚光束在X-Z平面正入射MOE10。
从聚焦组件9到检测器11S的距离可等于聚焦组件9的焦距。在这种情况下，检测器11S可具有相对小的面积。
从MOE10到聚焦组件17的距离和聚焦组件17到束流收集器18和或到检测器11P的距离可各自等于聚焦组件9的焦距(远心设计)。
从折叠式反射镜23到聚焦组件9的主平面的距离可不同于聚焦组件9的焦距(非远心设计)。以这种方式，检测器11S可具有与色散元件6不同位置。
附图标记表
1 光源
2 样品
3 二向色镜
6 色散光学元件
9 聚焦元件
8 MOE上位置
8’ MOE上位置
10 MOE
11S 检测器
11P 检测器
12 物镜
15 偏振光分束器
17 聚焦组件
18 束流收集器
19 计算元件
20 光分析系统
23 折叠式反射镜
40 血液分析系统
100 光信号
102 光谱成分
103 光谱成分
104 光谱成分
105 光谱成分
106 色散光学元件
108 透镜
110 偏振器
112 液晶单元
114 偏振器
116 液晶单元
118 透镜
120 偏振光分束器
122 偏振器
124 偏振器
126 检测器
128 检测器
130 偏振光分束器
132 棱镜
134 偏振器
136 偏振方向
138 偏振方向
140 偏振方向
142 P偏振光
144 P偏振光
146 S偏振光
150 偏振转换元件
160 二向色镜
162 滤光器
164 镜
166 透过图
168 反射图
170 色散光学元件
172 滤波器
174 透过图
Claims (12)
1、一种用于测定光信号(100)的主成分幅度的光分析系统(20)，该光分析系统包括：
一用于将光信号波长选择分离为第一部分和第二部分的第一多元光学元件，
一用于基于光谱加权函数波长选择加权光信号的第二多元光学元件，
一用于检测光信号被加权的第一和第二部分的第一(126)和第二(128)检测器。
2、如权利要求1所述的光分析系统(20)，进一步包含一光谱色散光信号的色散光学元件(6，106)，第一和第二多元光学元件被设置以接收被色散的光信号。
3、如权利要求2所述的光分析系统(20)，其中第一多元光学元件包含用于接收被色散光信号的一光谱部分的第一区域，该第一区域适于改变被色散光信号的偏振。
4、如权利要求2所述的光分析系统(20)，其中第二多元光学元件包含用于接收被色散光信号的一光谱部分的第二区域，该第二区域关于光谱加权函数具有透射或反射。
5、如权利要求3所述的光分析系统(20)，其中用于改变被色散光信号的偏振的多元光学元件的第一区域是可配置的以产生被色散光信号的可配置的偏振改变。
6、如权利要求4所述的光分析系统(20)，其中第二多元光学元件的第二区域的透射和/或反射是可配置的。
7、如权利要求1所述的光分析系统(20)，其中第一和/或第二多元光学元件包含至少一个可配置的透射或反射液晶单元(10；112，116)。
8、如权利要求1所述的光分析系统(20)，其中第一多元光学元件包含适于空间分离光信号(100)的第一和第二部分的二向色元件(160)。
9、如权利要求1所述的光分析系统(20)，进一步包含一偏振转换元件(150)。
10、如权利要求1所述的光分析系统(20)，进一步包含一提供照明包含具有一浓度的物质并因此产生主成分的样品(2)的光的光源，该主成分的幅度与物质的浓度有关。
11、一种血液分析系统(40)，包含如权利要求11所述的光分析系统(20)，该样品包含血液。
12、一种测定光信号(100)主成分幅度的方法，该方法包括步骤：
通过一波长选择多元光学元件分离光信号为第一部分和第二部分，
通过第二多元光学元件在光谱加权函数基础上加权光信号，
检测光信号被加权的第一和第二部分。
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