JP2006510897A - 光分析システム - Google Patents

Abstract

光分析システム（１）は、光信号の主要成分の振幅を決定するよう構成される。光分析システム（１）は、第一のスペクトル重み関数によって重み付けされた光信号を検出する第一の検出器（５）および第二のスペクトル重み関数によって重み付けされた光信号を検出する第二の検出器（６）を有する。改良された信号対雑音比のために、光分析システム（１）はさらに、光信号をスペクトル的に分散する分散素子（２）およびスペクトル的に分散された光信号を受光し、光信号のうち、第一のスペクトル重み関数によって重み付けされた第一部分を第一の検出器（５）に分配し、光信号のうち、第二のスペクトル重み関数によって重み付けされた第二部分を第二の検出器（６）に分配する分配素子（４）を有する。分光分析システム（３０）および血液分析システム（４０）はそれぞれ、本発明による光分析システム（１）を有する。

Description

本発明は、光信号の主要成分の振幅を決定し、第一のスペクトル重み関数によって重み付けされた光信号を検出する第一の検出器および第二のスペクトル重み関数によって重み付けされた光信号を検出する第二の検出器を有する光分析システムに関する。

本発明はまた、そのような光分析システムを有する分光分析システムに関する。

本発明はまた、そのような光分析システムを有する血液分析システムに関する。

冒頭の段落に記載した光分析システムの実施例は、米国特許６１９８５３１号に開示されている。

公知の光分析システムは、例えば、サンプル中で、どの成分がどのような濃度で構成されているかを分析するのに適した分光分析システムの一部である。光がサンプルと相互作用すると、成分とそれらの濃度に関する情報が運ばれることは既知である。その根本的な自然現象は、光学分光技術において利用され、例えばレーザー、ランプあるいは発光ダイオードなどの光源の光が、サンプルへ向けられ、情報を運ぶ光信号を生成する。

例えば、光がサンプルによって吸収される。代替的にまたはそれに加えて、既知の波長の光がサンプルと相互作用し、その結果、例えばラマン・プロセスによって、異なる波長で光を生成する。伝送された、かつ／または生成された光はそこで、スペクトルとも呼ばれる光信号を構成する。波長の関数としての光信号の相対強度はそこで、サンプルに含まれる化合物および濃度を示す。

光信号は、サンプルに含まれる化合物を識別し、それらの濃度を決定できるように分析されなければならない。公知の光分析システムにおいては、光信号は光学フィルターを有する専用ハードウェアによって分析される。この光学フィルターは、波長による透過性を有し、それはすなわち、波長による透過性によって与えられるスペクトル重み関数によって、光信号を重み付けするよう設計されている。スペクトル重み関数は、重み付けされた光信号の総強度、すなわちフィルターによって伝送された光が、ある特定の化合物の濃度に直接比例するよう選ばれる。この強度は、例えばフォトダイオードなどの検出器によって、都合よく検出される。すべての化合物のために、特有のスペクトル重み関数のある専用光学フィルターが用いられる。その光学フィルターは、例えば所望の重み関数を構成する透過性を有する干渉フィルターでもよい。

この分析方法をうまく実行するためには、スペクトル重み関数の理解が不可欠である。それらは、例えば、Ｎが整数である既知の濃度である、Ｎ個の純化合物のＮ個のスペクトルを有するセットの主要成分分析を行うことで得られる。各スペクトルは、Ｍがまた整数である異なるＭ個の波長の、対応する光信号の強度を有する。一般的に、ＭはＮよりも充分大きい。対応するＭ個の波長でＭ個の強度を含む各スペクトルは、Ｍ個の成分がこれらの強度であるＭ次元ベクトルを構成する。これらのベクトルは、主要成分分析の中心であって、この技術においてもよく知られている特異値分解（ＳＶＤ）として知られる線形代数によって決まる。

ＳＶＤの結果、ｎがＮ＋１よりも小さい正の整数である、Ｎ固有ベクトルｚ_ｎのセットが得られる。固有ベクトルｚ_ｎは、最初のＮスペクトルの一次結合であり、主要成分または主要成分ベクトルとしばしば言われる。一般的に、主要成分は、互いに直交しており、｜Ｚｎ｜＝１と正規化されたベクトルとして決定される。主要成分ｚ_ｎを用いることによって、未知の濃度の成分を有するサンプルの光信号を、適切なスカラ乗法に掛けられた、正規化された主要成分と組み合わせて表してもよい：
ｘ_１ｚ_１＋ｘ_２ｚ_２＋．．．＋ｘ_ｎｚ_ｎ
ｎがＮ＋１よりも小さい正の整数のスカラ乗法ｘ_ｎは、与えられた光信号中の主要成分ｚ_ｎの振幅として判断し得る。各乗数ｘ_ｎは、Ｍ次元波長空間中のベクトルとして光信号を扱い、このベクトルの直積を主要成分ベクトルｚ_ｎと計算することによって決定される。これが正規化された固有ベクトルｚ_ｎの方向においての光信号の振幅ｘ_ｎをもたらす。振幅ｘ_ｎはＮ化合物の濃度に対応する。

公知の光分析システムにおいて、光信号を表すベクトルおよび主要成分を表す固有ベクトルの直積の計算は、光学フィルターを用いた光分析システムのハードウェアにおいて実行される。光学フィルターは、主要成分を表す固有ベクトルの成分によって光信号を重み付けするための透過性を有し、すなわち主要成分ベクトルは、スペクトル重み関数を構成する。フィルターを通過した光信号は、主要成分の振幅と比例した振幅の信号、それゆえ対応する化合物の濃度と比例した振幅の信号を生成する検出器によって検出される。

物理学上、各主要成分は、光信号中の波長域における形で構成された“スペクトル”である。実際のスペクトルとは対照的に、主要成分は、第一のスペクトル範囲内の正の部分および第二のスペクトル範囲内の負の部分とを有してもよい。この場合、この主要成分を表すベクトルは、第一のスペクトル範囲に対応する波長の正の成分および第二のスペクトル範囲に対応する波長の負の成分とを有する。
米国特許６１９８５３１号明細書

公知の光分析システムの実施例は、主要成分が正の部分およびと負の部分を有する場合、光信号を表すベクトルおよび主要成分を表す固有ベクトルの直積の計算を、ハードウェアにおいて実行するよう設計される。この目的を達成するために、光信号の一部は、主要成分の正の部分に対応する第一のスペクトル重み関数によって光信号を重み付けする第一のフィルターに向けられ、さらなる光信号の一部は、主要成分の負の部分に対応する第二のスペクトル重み関数によって光信号を重み付けする第二のフィルターに向けられる。第一および第二のフィルターによって伝送された光は、第一および第二の検出器にそれぞれ検出される。第二の検出器の信号はここで、第一の検出器の信号から差し引かれ、結果として濃度に対応する振幅の信号になる。

他の実施例において、公知の光分析システムは、対応する第一および第二の主要成分の振幅を測定することによって、第一および第二の化合物の濃度を決定することができる。この目的を達成するために、光信号の一部は、第一の主要成分に対応する第一のスペクトル重み関数によって光信号を重み付けする第一のフィルターに向けられ、さらなる光信号の一部は、第二の主要成分に対応する第二のスペクトル重み関数によって光信号を重み付けする第二のフィルターに向けられる。第一および第二のフィルターによって伝送された光は、第一および第二の検出器にそれぞれ検出される。第一および第二の検出器の信号は、第一および第二の主要成分の振幅にそれぞれ対応する。

公知の光分析システムの欠点は、信号対雑音比が比較的に低いことである。

本発明の目的は、冒頭の段落に記載した性質の、比較的高い信号対雑音比の信号を提供できる光分析システムを提供することである。

本発明は、独立項によって定義付けられる。従属項は、有利な実施例を定義する。

本発明によると、光分析システムはさらに、光信号をスペクトル的に分散するための分散素子を有し、スペクトル的に分散された光信号を受光し、光信号のうち、第一のスペクトル重み関数によって重み付けされた第一部分を、第一の検出器へ分配し、光信号のうち、第二のスペクトル重み関数によって重み付けされた第二部分を、第二の検出器へ分配するための分配素子を有することに目的が見出される。

本発明は、公知の光分析システムにおいては、光信号のかなりの部分がどの検出器にも検出されず、例えば第一または第二の光学フィルターによって阻まれてしまうため、信号対雑音比が比較的に低いという見識に基づく。例として、第一の光学フィルターにより受光された光信号は、すべての情報を含んでいるが、第一のフィルターが、第一の重み関数に対応する光信号の部分しか伝送せず、それ故に第二の重み関数に対応する光信号の部分はフィルターによって阻まれてしまう。第一および第二の光学フィルターによって阻まれた光は検出されず、結果として信号対雑音比が減じられる。

本発明によると、この信号対雑音比の減少は、部分的に回避される。そのために、光分析システムは、例えば格子またはプリズムのような、光信号をスペクトル的に分散するための、分散素子を有する。スペクトル的に分散された光信号は、分配素子によって受光され、すなわち分配素子の異なる部分が光信号の異なる波長を受ける。個々の波長のために、分配素子は、光信号のうち、第一のスペクトル重み関数によって重み付けされた第一部分を、第一の検出器へ分配し、光信号のうち、第二のスペクトル重み関数によって重み付けされた第二部分を、第二の検出器へ分配するよう構成されている。従って、公知の光分析システムのように第一および第二の光学フィルターによって光信号が部分的に阻止されるのではなく、光信号の異なる部分が、異なる検出器へ向けられる。結果として、より多くの分量の光信号が検出され、改良された信号対雑音比をもたらす。

本発明によると、光信号は、人の目に可視である波長を有する光信号に制限されない。光信号は、紫外線（ＵＶ）かつ／または赤外線（ＩＲ）スペクトル範囲内のスペクトル要素を有してもよい。従って、ＩＲスペクトル範囲は、近赤外線（ＮＩＲ）および１ＴＨ_ｚ以上の周波数を有する遠赤外線（ＦＩＲ）を有してもよく、すべての中間的波長にもあてはまる。

本発明によると、主要成分は、純主要成分に制限されない。ここでの純主要成分とは、ある特定の化合物の数学的に正確な固有ベクトルのことを指す。主要成分はまた、主要成分の決定においての不完全部分から生じる他の化合物からの軽微な貢献を有してもよい。主要成分はまた、既知の濃度のいくつもの化合物に対応してもよい。

一実施例において、主要成分は、第一のスペクトル範囲内の正の部分および第二のスペクトル範囲内の負の部分から成り、光信号のうち、第一のスペクトル重み関数によって重み付けされた第一部分は、正の部分に対応し、光信号のうち、第二のスペクトル重み関数によって重み付けされた第二部分は負の部分に対応し、第一および第二の検出器は、第一の検出器によって生成された信号から、第二の検出器によって生成された信号を差し引くよう構成されたシグナル・プロセッサに結合されている。本実施例において、正の部分と負の部分を持つ主要成分を有する光信号は、改良された信号対雑音比で分析できる。一般的に、第一のスペクトル範囲は、第二のスペクトル範囲と別である。

他の実施例において、主要成分は、第一の主要成分および第二の主要成分から成り、光信号のうち、第一のスペクトル重み関数によって重み付けされた第一部分は、第一の主要成分に対応し、光信号のうち、第二のスペクトル重み関数によって重み付けされた第二部分は第二の主要成分に対応する。この光分析システムは、それぞれが対応する主要成分を含む２つ以上の化合物を有するサンプルを分析するのに特に適している。それは、２つ以上の化合物の濃度に、改良された信号対雑音比を提供する。

さらなる他の実施例において、主要成分は、第一の主要成分および第二の主要成分を有し、第一の主要成分かつ／または第二の主要成分は、第一のスペクトル範囲内に正の部分、第二のスペクトル範囲内に負の部分を有する。

もし分配素子が、スペクトル的に分散された光信号を受光するための表面を有すれば有利であり、その表面は、表面素子の第一組および表面素子の第二組から成り、第一組の表面素子は、スペクトル的に分散された光信号を第一の検出器へ分配し、第二組の表面素子は、スペクトル的に分散された光信号を第二の検出器へ分配するよう構成される。本実施例において、各表面素子は、その位置や表面積に基づいて、スペクトル的に分散された光信号のある一定部分を受光する。第一の重み関数はここで、第一組の表面素子の位置および表面積によって決定され、第二の重み関数も、第二組の表面素子の位置および表面積によって決定される。その表面によって受光されたスペクトル的に分散された光信号は、その表面によって反射かつ／または回折されてもよい。代替的に、それは伝送あるいは屈折かつ／または回折されてもよい。

本実施例の利点は、分配素子が比較的簡単に製造可能なことであり、例えばエッチングかつ／または研磨された表面素子を設けたガラス基板などの透明な基板を使用することができる。代替的に、その基板は、適切に成形加工された型を用いて製造することもできる。透明な基板のさらなる利点は、光信号の損失が比較的低いことにある。

他の実施例において、分配素子は、屈折率の傾斜を有するサブアレイの第一組および屈折率の傾斜を有するサブアレイの第二組を形成するよう構成された液晶セルのアレイを有し、第一組のサブアレイは、スペクトル的に分散された光信号を第一の検出器へ分配し、第二組のサブアレイは、スペクトル的に分散された光信号を第二の検出器へ分配するよう構成される。

セルの屈折率は、液晶アレイのセルに電圧を印加することにより制御される。屈折率の傾斜のあるセルのサブアレイは、隣接したセルに異なる電圧を印加することによって作られる。傾斜は、電圧を調節することによって調整できる。スペクトル的に分散された光信号は、サブアレイの屈折率の傾斜によって屈折される。第一組のサブアレイは、光信号を第一の検出器へ屈折し、第二組のサブアレイは、光信号を第二の検出器へ屈折する。本実施例において、上述の実施例と同様に、各サブアレイは、その位置に基づいてスペクトル的に分散された光信号のある一定のスペクトル部分を受ける。第一の重み関数はそこで、第一組のサブアレイの位置および表面積によって決定され、第二の重み関数は、第二組のサブアレイの位置および表面積によって決定される。

本実施例の利点は、第一および第二のスペクトル重み関数は、液晶アレイのセルに印加する電圧を調節することによって、比較的簡単に調整できることである。これは、異なる主要成分を有する光信号を分析するのに、同じ分配素子を使用できるため、特に有益である。

もし分散素子が、分散平面において光信号を分散し、その光分析システムがさらに、分散された光を集束するための集束部材を有し、その集束部材が、分散平面において第一の焦点距離および分散平面に対し垂直な平面において第二の焦点距離を有し、第一の焦点距離が、第二の焦点距離と異なる場合に有益である。本実施例において、スペクトル的に分散された光信号は、分配素子に集束され、光信号の異なるスペクトル成分が、分配素子の異なる部分によって受けられるようにする。こうすれば、異なる波長を、異なる検出器へ選択的に分配することが可能になる。もし集束部材が、分散平面内で分散された光信号を、分配素子に集束するよう構成されると有益である。

本実施例において、もし光分析システムが、光信号の第一部分を、第一の検出器に集束するさらなる集束部材を有すれば、また有益である。これは、効率的に第一部分を検出するための、比較的小さな検出領域を有する第一の検出器の使用を可能にする。

さらに小さな検出領域を有する検出器を使用する場合の効率的な検出のために、もし光分析システムが、光信号の第一部分が、第一の検出器に集束される前に、スペクトル的に再集束するためのさらなる分散素子を有すれば有益である。分配素子によって分配された光信号の第一部分は、原則としてまだスペクトル的に分散されており、従って、第一部分を小さな検出領域に集束する可能性を制限する。さらなる分散素子を使用することによって、光信号の第一部分は、スペクトル的に再集束され、より小さな領域に集束することを可能にする。それゆえに、この焦点に設けられたより小さい第一の検出器を使用することができる。代替的に、共焦の検出方法を実行するために、この焦点にピンホールまたは開口を設置してもよい。

本発明による光分析システム、分光分析システムおよび血液分析システムの、前述のおよび他の態様を、図面を参照しながらさらに説明する。

図面は実際の比率では描かれていない。一般に、一致する構成要素は、同様の符号により表示される。

光信号の主要成分の振幅を決定する光分析システム１は、図１Ａおよび１Ｂに示されており、光信号をスペクトル的に分散するための分散素子２を有する。分散素子２は、光信号を分散平面内でスペクトル的に分散する回折格子である。分散平面中のビーム路は図１Ａに示されており、分散平面に対し垂直な平面におけるビーム路は、図１Ｂに示されている。回折格子の代わりに、他の分散素子、例えばプリズムなどが用いられてもよい。

光分析システムはさらに、分散された光信号を集束するための集束部材３を有する。集束部材３は、図１Ａの分散平面において第一の焦点距離を有し、図１Ｂに示す分散平面に対し垂直な平面において第二の焦点距離を有する。本実施例において、集束部材３は円筒形のレンズであり、分散平面内の分散光信号を集束するが、分散平面に対し垂直な平面では集束しない。第一の焦点距離Ｆ_１は、無限大である第二の焦点距離Ｆ_２とは異なる。代替的実施例においては、集束部材３は非球面レンズであり、２つの有限な焦点距離Ｆ_１およびＦ_２を有してもよい。さらに別な実施例として、集束部材は非球面鏡であっても可能である。

集束部材３は、分散平面内の分散された光信号を、分配素子４上に集束するよう構成される。分散平面では、異なる波長の光線が、分配素子４の異なる部分に集束される。図１Ａおよび図１Ｂでは、２つの異なる波長の光線は、それぞれ例えば点線と２点鎖線により示される。

分配素子４は、スペクトル的に分散された光信号を受け、光信号のうち、第一のスペクトル重み関数によって重み付けされた第一部分を、第一の検出器５に分配し、光信号のうち、第二のスペクトル重み関数によって重み付けされた第二部分を、第二の検出器６に分配する。分配素子４の実施例は、図３および４に示され、以下に説明する。第一の検出器５および第二の検出器６は光を検出するのに適するものならいかなるタイプのものでもよい。そのタイプは、例えば２つの離れたフォトダイオードまたはスプリット検出器などがある。

図１Ａおよび１Ｂに示される実施例において、光信号は、第一のスペクトル範囲内の正の部分と、第二のスペクトル範囲内の負の部分とを有する主要成分から成る。第一のスペクトル範囲の波長λ_１のある特定の光線および第二のスペクトル範囲の波長λ_２のある特定の光線とは、それぞれ点線と２点鎖線により示される。光信号のうち、第一のスペクトル重み関数によって重み付けされた第一部分は、正の部分に対応し、第一の検出器５によって検出される。光信号のうち、第二のスペクトル重み関数によって重み付けされた第二部分は、負の部分に対応し、第二の検出器６によって検出される。第一の検出器５および第二の検出器６は、第一の検出器５によって生成された信号から、第二の検出器６によって生成された信号を差し引くよう構成されたシグナル・プロセッサ７に結合される。

他の実施例においては、主要成分は、第一の主要成分および第二の主要成分を有しており、光信号のうち、第一のスペクトル重み関数によって重み付けされた第一部分は第一の主要成分に対応し、一方で光信号のうち、第二のスペクトル重み関数によって重み付けされた第二部分は第二の主要成分に対応する。第一のスペクトル重み関数および第二のスペクトル重み関数が重なり合わないときに、図１Ａおよび１Ｂに示す光分析システムを利用できる。しかし、第一のスペクトル重み関数および第二のスペクトル重み関数が、少なくとも一部重なり合うときに、ある一定の波長は、第一の検出器５によって部分的に検出され、第二の検出器６によっても部分的に検出されなければならない。分散平面におけるビーム路は、本実施例において、図１Ａにあるものと同様であってよい。分散平面に対し垂直な面におけるビーム路は図２に示される。点線で描写された波長は、第一の検出器５および第二の検出器６によって部分的に検出される。同様のことが、２点鎖線によって描写された波長についても成り立つ。すべての波長において、２つの検出器５、６によって検出される相対量は、２つのスペクトル重み関数によって決定される。以下に説明するように、分配素子４は、光信号をそれに応じて２つの検出器５、６に分配するよう設計されている。

図３に示される実施例において、分配素子４は、スペクトル的に分散された光信号を受光するための表面１０を有する透明のガラス基板である。表面１０は、第一組の表面素子１１および第二組の表面素子１２を有する。第一組の表面素子１１は、スペクトル的に分散された光信号を第一の検出器５に分配するよう構成されており、対応する光線は点線によって示される。第二組の表面素子１２は、スペクトル的に分散された光信号を第二の検出器６に分配するよう配置されており、対応する光線は２点鎖線によって示される。図３の実施例において、第一組の表面素子１１は、互いに実質的に平行であり、互いに実質的にまた平行である第二組の表面素子１２から見ると傾いている。これは、分配素子４が、焦点部材３の焦点面に実質的に位置している場合に有利である。しかし、それは本発明によると不可欠ではない。ここには示されない代替的実施例においては、分配素子は、凹面かつ／または凸面の表面を有し、表面素子が統合される。本実施例では、分配素子が、焦点部材３あるいはさらなる焦点部材８に統合されてもよい。

図３では、分配素子４は、分散平面に対し平行な面の断面図に示される。図３の右上部分に拡大されて示されている分配素子４の一部は、光信号の第一の波長範囲を受ける。第一組の表面素子１１および第二組の表面素子１２は、スペクトル的に分散された光信号の伝播方向に対し垂直な投影において、同様の表面積を有するため、第一の波長範囲においての光信号の５０％は、第一の検出器５に、もう５０％は第二の検出器６にそれぞれ分配される。

図３の右下部分に拡大されている分配素子４の一部は、光信号の第二の波長範囲を受ける。スペクトル的に分散された光信号の伝播方向に対し垂直な投影においての表面素子１１および１２の表面積のゆえに、第二の波長範囲においての光信号の５０％は、第一の検出器５に、２５％は第二の検出器６にそれぞれ分配される。分配素子４の表面１０はさらに、第三組の表面素子１３を有し、第二のスペクトル要素の波長の光信号の２５％を、第三の検出器またはそれが吸収されるビームダンプへと向けてもよい。本実施例において、表面素子１３は互いに平行であるが、代替的に、光信号を第一の検出器５または第二の検出器６へ分配しなければ、他のいかなる方向付けを有してもよい。表面素子１３は、場合によって、主要成分ベクトルの正常化状態を満たすのに有益である。本実施例において、第一のスペクトル重み関数および第二のスペクトル重み関数は、表面素子１１および表面素子１２の位置および表面積によって決定される。

図面には示されていない別の実施例において、分配素子４は、図３に示されるものと類似しているが、スペクトル的に分散された光信号は、図３にあるように屈折されないが、反射される。

図３に示されるガラス基板は、光学的厚さｄ、すなわち屈折率ｎを幾何学的厚さｔに掛けたｄ＝ｔｎが、位置の関数であるゆえに、スペクトル的に分散された光信号を屈折させる光学素子である。この光学的厚さｄの実質的に同様の形態が、図４に示される代替的実施例においても得ることができる。ガラス基板の代わりに、分配素子４は、屈折率ｎと実質的に同様の形態をもたらすよう構成された液晶素子のアレイ２０を有する。この目的を達成するために、実質的に平行な屈折率の傾斜を有する第一組のサブアレイ２１および実質的に平行な屈折率の傾きを有する第二組のサブアレイ２２が形成される。第一組の屈折率の傾斜は、第二組の屈折率の傾斜から見て、傾けられている。表面素子１１および１２のある表面１０を有する分配素子と同様に、屈折率の傾きは互いに平行であることは不可欠ではない。各コラムＣの屈折率ｎは、図４右上方面に示されるように、電圧Ｖをコラムのセルに印加することに制御される。第一組のサブアレイ２１は、スペクトラル的に分散された光信号を第一の検出器５に分配するために構成され、対応する光線は、点線によって描写される。第二組のサブアレイ２２は、スペクトラル的に分散された光信号を第二の検出器６に分配するために構成され、対応する光線は、１点鎖線によって描写されている。本実施例において、第一組および第二組のサブアレイ２１、２２の位置および表面積がそれぞれ、第一のスペクトル重み関数および第二のスペクトル重み関数を決定する。

図１Ａ、１Ｂおよび２に示される実施例において、光分析システム１はさらに、光信号の第一部分を第一の検出器５に集束するための、さらなる焦点部材８を有する。図１Ａ、１Ｂおよび２に示される実施例において、さらなる焦点部材８はレンズである。代替的に、またはそれに加えて、焦点鏡を用いることも可能である。

図５Ａおよび５Ｂに示される実施例において、光分析システム１はさらに、光信号のうち第一部分を、第一の検出器５に集束する前に、スペクトル的に再結合するさらなる分散素子９を有する。本実施例において、光信号は、光分析システム１へ、点光源１４から入射し、それは例えば共焦検出方法におけるピンホールなどでもよい。光分析システム１は、光信号を平行にするレンズ１５を有し、図１Ａ、１Ｂおよび２に示される光分析システム１と同様に、回折格子である分散素子２および円筒形のレンズである焦点部材３を有する。集束部材３は、分散された光信号を、分配素子４上に集束するよう構成される。本実施例において、図３に示される分配素子４が、分散された光信号を、再平行化のために反射させ、集束部材３へと戻すよう構成される。再度平行化された光信号はそこで依然としてスペクトル的に分散されており、比較的小さなスポット・サイズに集束する可能性を制限する。光信号を空間的に再結合するために、光信号は、さらなる分散素子９へ送られるが、本実施例において分散素子９は、分散素子２であり、すなわち分散素子２およびさらなる分散素子９は一つの回折格子に統合されている。第一の重み関数によって重み付けされ、スペクトル的に再結合された光信号および第二の重み関数によって重み付けされ、スペクトル的に再結合された光信号は、レンズ１５によって、第一の検出器５および第二の検出器６に集束される。

図面には示されていない他の実施例において、分配素子４は、スペクトル的に分散された光信号を伝送し、屈折し、さらなる分散素子９は、第一のスペクトル重み関数によって重み付けされた光信号を第一の検出器５に集束する前に、スペクトル的に再結合するよう構成される。

図６に示される血液分析システム４０は、分光分析システム３０を有する。分光分析システム３０は、サンプル３２を照射するための光源３１を有する。光源３１は、例えば発光ダイオード、ランプまたはレーザーでもよい。本実施例において、サンプル３２は、手の１本の指の中の１本の血管である。血管は、ダイオードによって照射され、振幅のある主要成分を有する光信号を生成する。この光信号は、例えばブドウ糖、乳酸塩、コレステロール、酸素ヘモグロビンかつ／またはデゾキシヘモグロビンなどの明確な血液化合物を示す、明確な要素を有する、例えばラマン信号でもよい。各化合物は、対応する主要成分を有する。これらの化合物の濃度を分析するために、分光分析システム３０は、上述のような、光信号の主要成分の振幅を決定するための光分析システム１を有する。

化合物の濃度を決定するために、第一の検出器５および第二の検出器６によって生成された信号は、血液分析システム４０のシグナル・プロセッサ４１によってさらに処理される。シグナル・プロセッサ４１は、主要成分の振幅および対応する化合物の濃度を含むメモリを有する。主要成分の振幅から得られた濃度は、ディスプレイ素子４２によって表示される。

要約すると、光分析システム１は、光信号の主要成分の振幅を決定するよう構成される。光分析システム１は、第一のスペクトル重み関数によって重み付けされた光信号を検出する第一の検出器５および第二のスペクトル重み関数によって重み付けされた光信号を検出する第二の検出器６を有する。改良された信号対雑音比のために、光分析システム１はさらに、光信号をスペクトル的に分散する分散素子２およびスペクトル的に分散された光信号を受光し、光信号のうち、第一のスペクトル重み関数によって重み付けされた第一部分を第一の検出器５に分配し、光信号のうち、第二のスペクトル重み関数によって重み付けされた第二部分を第二の検出器６に分配する分配素子４を有する。分光分析システム３０および血液分析システム４０はそれぞれ、本発明による光分析システム１を有する。

上述の実施例は、本発明を制限するのではなく、例証するものであり、当業者は、添付の請求項の適用範囲から逸脱することなく、多くの代替的実施例を設計することができることをここに記す。請求項において、括弧内のいかなる符号は請求項を制限するものと解釈されるべきではない。「有する」という言葉は、その請求項の記載以外の他の素子やステップを排除しない。素子という言葉も、その素子の複数形の存在を排除しない。

図１Ａは光分析システムの１つの実施例の分散平面中のビーム路の概略図である。 図１Ｂは光分析システムの１つの実施例の分散平面に対し垂直な平面におけるビーム路の概略図である。 図２は光分析システムの他の実施例の分散平面に対し垂直な平面におけるビーム路の概略図である。 図３は分配素子の１つの実施例の断面図である。 図４は分配素子の他の実施例の断面図である。 図５Ａは光分析システムの他の実施例の分散平面中のビーム路の概略図である。 図５Ｂは光分析システムの他の実施例の分散平面に対し垂直な平面におけるビーム路の概略図である。分散平面に対し垂直な平面におけるビーム路は、簡単にするために広げられている。 図６は光分析システムを含む分光分析システムを有する血液分析システムの概略図である。

Claims (10)

1. 光信号の主要成分の振幅を決定する光分析システムであって：
   第一のスペクトル重み関数によって重み付けされた光信号を検出する第一の検出器と、
   第二のスペクトル重み関数によって重み付けされた光信号を検出する第二の検出器と、
   光信号をスペクトル的に分散する分散素子と、
   前記のスペクトル的に分散された光信号を受光し、光信号のうち、第一のスペクトル重み関数によって重み付けされた第一部分を第一の検出器へ分配し、光信号のうち、第二のスペクトル重み関数によって重み付けされた第二部分を第二の検出器へ分配するための分配素子と、
   を有する光分析システム。
2. 前記主要成分は、第一のスペクトル範囲内の正の部分と、第二のスペクトル範囲内の負の部分とを有し、
   前記光信号のうち、第一のスペクトル重み関数によって重み付けされた第一部分は、前記正の部分に対応し、前記光信号のうち、第二のスペクトル重み関数によって重み付けされた第二部分は、前記負の部分に対応し、
   前記第一の検出器および前記第二の検出器は、シグナル・プロセッサに結合され、該シグナル・プロセッサは、前記第一の検出器によって生成された信号から前記第二の検出器によって生成された信号を差し引くよう構成されている、ことを特徴とする請求項１記載の光分析システム。
3. 前記主要成分は、第一の主要成分および第二の主要成分を有し、
   前記光信号のうち、第一のスペクトル重み関数によって重み付けされた第一部分は、前記第一の主要成分に対応し、光信号のうち、第二のスペクトル重み関数によって重み付けされた第二部分は、前記第二の主要成分に対応する、ことを特徴とする請求項１記載の光分析システム。
4. 前記分配素子は、前記スペクトル的に分散された光信号を受光するためのひとつの表面を有し、
   前記表面は、第一組の表面素子および第二組の表面素子を有し、
   前記第一組の表面素子は、前記スペクトル的に分散された光信号を、前記第一の検出器へ分配するよう配置され、
   前記第二組の表面素子は、前記スペクトル的に分散された光信号を、前記第二の検出器へ分配するよう構成されている、ことを特徴とする請求項１記載の光分析システム。
5. 前記分配素子は、屈折率の傾斜を有する第一組のサブアレイおよび屈折率の傾斜を有する第二組のサブアレイを形成するよう構成された液晶素子のアレイ有し、
   前記第一のサブアレイは、前記スペクトル的に分散された光信号を、前記第一の検出器へ分配し、前記第二組のサブアレイは、前記スペクトル的に分散された光信号を、前記第二の検出器へ分配するよう構成されている、ことを特徴とする請求項１記載の光分析システム。
6. 前記分散素子は、光信号を分散平面内で分散するよう構成され、
   前記光分析システムは、分散された光信号を集束するための集束部材をさらに有し、
   前記集束部材は、分散平面において第一の焦点距離および分散平面に対し垂直な平面において第二の焦点距離を有し、
   前記第一の焦点距離は、前記第二の焦点距離とは異なる、ことを特徴とする請求項１記載の光分析システム。
7. 前記光信号の第一部分を前記第一の検出器に集束するためのさらなる焦点部材をさらに有する、ことを特徴とする請求項６記載の光分析システム。
8. 前記光信号の第一部分を、前記第一の検出器に集束する前に、スペクトル的に再結合するさらなる分散素子を有する、ことを特徴とする請求項７記載の光分析システム。
9. 分光分析システムであって：
   サンプルに照射し、ある振幅の主要成分を有する光信号を生成するための光源と、
   請求項１記載の光信号の主要成分の振幅を決定する光分析システムと、
   を有する分光分析システム。
10. 請求項９記載の分光分析システムを有する血液分析システム。

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