CN101010574B

CN101010574B - 用于光谱分析的校准

Info

Publication number: CN101010574B
Application number: CN2005800287176A
Authority: CN
Inventors: W·伦森
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2004-08-26
Filing date: 2005-08-23
Publication date: 2010-12-22
Anticipated expiration: 2025-08-23
Also published as: JP2008510984A; WO2006021926A1; CN101010574A; DE602005018372D1; EP1784624A1; EP1784624B1; US20080309930A1; ATE452330T1

Abstract

本发明提供一种用于确定光信号的主分量的振幅的光学分析***。该主分量表示经历光谱分析的物质的各个化合物中特殊化合物的浓度。该光信号经历波长选择加权。优选借助于空间光操纵装置与色散光学元件相结合来进行光谱加权。本发明的校准机构和方法有效地允许空间光操纵装置的精确定位。校准是基于在空间光操纵装置上的校准段与参考光源和检测器的结合。

Description

用于光谱分析的校准

发明领域

本发明涉及光谱学领域。

背景技术

光谱技术广泛地用于确定物质的组成。通过对光信号，即光谱光信号进行光谱分析，可以精确地确定物质的特殊化合物的浓度。典型的是由光信号的主分量的振幅给出特殊物质的浓度。

US6198531B1公开了一个用于确定光信号主分量的振幅的光学分析***的实施例。已知的光学分析***是光谱分析***的一部分，其适合于例如分析哪种化合物以哪种浓度包含在样品中。众所周知，与样品相互作用的光带走关于化合物及其浓度的信息。将基础的物理方法用在光谱技术中，其中将例如激光器、灯或发光二极管的光源的光引导到该样品，用以产生携带这一信息的光信号。

例如，样品可以吸收光。可选择的或者此外，已知波长的光可以与样品相互作用，由此因例如拉曼(散射)过程而产生不同波长的光。因此，透射的和/或产生的光构成光信号，该光信号也称作光谱。因此，作为波长的函数的光信号的相对强度表示样品中所包含的化合物及其浓度。

为了识别样品中所包含的化合物并且为了确定其浓度，必须对光信号进行分析。在已知的光学分析***中，由包括光学滤光器的专用硬件来分析该光信号。该光学滤光器具有取决于波长的透射，即，将该光学滤光器设计为利用光谱加权函数对光信号进行加权，该函数由依赖波长的透射来提供。选择该光谱加权函数，使加权光信号的总强度，即该滤光器透射的光的总强度与特殊化合物的浓度成正比。这种光学滤光器也表示为多变量光学元件(multivariate optical element)(MOE)。因此通过例如光电二极管的检测器能够方便地检测这一强度。对于每种化合物来说，使用具有特征光谱加权函数的专用光学滤光器。光学滤光器可以是具有构成所需加权函数的透射的干涉滤光器。

为了成功地实现这种分析方案，知道光谱加权函数是必不可少的。例如通过对包括已知浓度的N个纯化合物的N个光谱的集合进行主分量分析可以获得这些光谱加权函数，其中N是整数。每个光谱包括M个不同波长的对应光信号的强度，其中M同样是整数。通常，M远大于N。包含在对应的M个波长处的M个强度的每个光谱构成M维向量，其M个分量是这些强度。这些向量经历线性代数处理，这一过程称作奇异值分解(SVD)，这是主分量分析的核心，且其在现有技术中是公知的。

由于SVD，可获得N个特征向量z_n的集合，n是小于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，且经常被称作主分量或主分量向量。典型的是，主分量相互正交，并且被确定为|z_n|＝1的标准化向量。利用主分量z_n，通过标准化主分量与适当的标量乘数相乘的组合来描述包含未知浓度的化合物的样品的光信号：

x₁z₁+x₂z₂+...+x_nz_n

标量乘数x₁至x_n可以被认为是给定光信号中的主分量z_n的振幅，其中n是小于N+1的正整数。通过把光信号当作M维波长空间中的向量并且计算该向量与主分量向量z_n的直接乘积，能够确定每个乘数x_n。

该结果产生了在标准化特征向量z_n方向上的光信号的振幅x_n。振幅x_n对应于N个化合物的浓度。

在已知的光学分析***中，在借助于光学滤光器的光学分析***的硬件中计算代表光信号的向量与代表主分量的特征向量之间的直接乘积。光学滤光器具有透射率，使其根据代表主分量的特征向量的分量将光信号加权，即，主分量向量构成光谱加权函数。检测器能够检测已过滤的光信号，其产生一信号，该信号的振幅与主分量的振幅成比例并由此与对应的化合物的浓度成比例。

在物理意义中，每个主分量都是构造的“光谱”，其具有在光信号中的波长范围内的形状。与实际的光谱不同，主分量可包括在第一光谱范围内的正部分和在第二光谱范围内的负部分。在这种情况下，代表该主分量的向量具有与第一光谱范围相对应的波长的正分量以及与第二光谱范围相对应的波长的负分量。

在实施例中，将已知光学分析***设计为在主分量包括正部分和负部分的情况下在硬件中计算代表光信号的向量与代表主分量的特征向量之间的直接乘积。为此，将光信号的一部分指引到第一滤光器，第一滤光器利用与主分量的正部分相对应的第一光谱加权函数对光信号进行加权，将光信号的另一部分指引到第二滤光器，第二滤光器利用与主分量的负部分相对应的第二光谱加权函数对光信号进行加权。分别由第一检测器和第二检测器来检测第一滤光器和第二滤光器所透射的光。然后，从第一检测器的信号中减去第二检测器的信号，产生一信号，该信号的振幅与浓度相对应。

在另一个实施例中，通过测量相对应的第一主分量和第二主分量的振幅，已知的光学分析***能够确定第一化合物和第二化合物的浓度。为此，将光信号的一部分指引到第一滤光器，第一滤光器利用与第一主分量相对应的第一光谱加权函数对光信号进行加权，将光信号的另一部分指引到第二滤光器，第二滤光器利用与第二主分量相对应的第二光谱加权函数对光信号进行加权。分别由第一检测器和第二检测器来检测第一滤光器和第二滤光器所透射的光。第一检测器的信号和第二检测器的信号分别对应于第一和第二光谱加权函数。

特别是，当光学分析***专用于确定物质的单一化合物的浓度时，例如确定血液中的葡萄糖浓度时，利用为这一特殊化合物的光谱加权函数而设计的相对应的光学滤光器是有利的。因为这种专用的光学滤光器不是必须提供显著的透射或吸收性质，因此能够以成本经济的方式来实现。因此，专用于确定特殊化合物浓度的光学分析***能够以低成本的MOE来实现，其能够以色散光学元件为基础来实现，色散光学元件如棱镜或光栅以及对应的提供空间透射图案的光学滤光器。

本文中，从携带表示样品组成的光谱分量的样品接收到的光信号入射在色散光学元件上。借助色散光学元件，将输入的光信号在空间上分解成各个光谱分量。因此，色散光学元件用来从空间上分开入射光信号的光谱分量。优选的是，展开的光谱沿着色散光学元件所规定的方向展开。例如，光谱可沿第一方向展开，例如水平地展开。

利用***到光谱的光路中的专用空间透射掩模，可以将展开的光谱的专用光谱分量衰减或者甚至将其完全阻挡。因此，空间透射掩模必须提供以不同透射性质为特点的许多区域。当光谱在水平方向上展开时，这些区域是空间透射掩模，它们必须水平地对准，由此在垂直方向上提供均匀的透射。

另外，通过使光谱沿垂直方向均匀地扩展，可以将空间透射掩模分成沿垂直方向对准的两个部分。因此每个部分的特点在于不同的空间透射图案，允许同时以两种不同的方式来操纵该光谱。

因此，空间透射掩模的上部有效地用作第一光谱加权函数，而空间透射掩模的下部可提供第二光谱加权函数。通过分别检测这两个不同***纵的光谱，可以分别检测主分量的正部分和负部分，由此允许有效且充分的数据处理，以便确定与专用化合物的浓度相对应的振幅。例如，通过彼此减去光谱加权函数的正部分和负部分，可以精确地得到表示化合物浓度的信号。

使用专用空间透射掩模与色散光学元件结合有效地实现光学分析***的低成本。因此，以不可重新配置的制作图案的中性密度滤光器来实现空间透射掩模提供了一种用于分析单一专用化合物的有效且低成本的方案。

在这样实现的仪器中，仅仅空间透射掩模的制作图案的结构规定了专用的光谱加权函数的正部分和负部分。因此，仅仅空间透射掩模的透射图案特定于特殊化合物的分析。光学分析***的这些低成本仪器主要限制于单一化合物的浓度测定。此外，在这些色散光谱布置中，在展开光谱和空间透射掩模之间的相对定位相当关键。因此，空间透射掩模的微小位移已经可以严重地影响所获得的结果。

发明内容

因此，本发明旨在提供一种用于利用多变量光学元件的光学分析***的校准机构以及一种校准方法。

本发明提供一种用于确定光信号的主分量的光学分析***。该光学分析***包括色散光学元件、空间光操纵装置、位于该空间光操纵部件上的第一位置的至少第一校准段、至少第一检测器和用于改变该空间光操纵装置相对于该色散光学元件的定向的相对位置的装置。该空间光操纵装置的相对位置的改变或者指的是该空间光操纵装置的移动，或者指的是该色散光学元件的定向或位置的改变。该色散光学元件用来使光信号的光谱分量优选在第一方向上空间地分开。例如，该色散光学元件可以借助于光栅或棱镜来实现。

因此通常是呈光束形态的入射光信号在或者透射几何形状或者反射几何形状中空间地展开。这样，借助于空间光操纵装置能够选择性地操纵该光信号的各个光谱分量。典型的是，该空间光操纵装置以空间透射掩模来实现，如以各个可变透射区域为特征的中性滤光器。典型的是，这些可变透射区域沿着第一方向排列，以便衰减或阻挡该光信号的特定光谱分量。

典型的是，该空间光操纵装置以单个中性密度滤光器或者多个中性密度滤光器的组合来实现，这些中性滤光器特别为获得光谱加权函数的负部分和/或正部分而设计。由于空间光操纵装置的位置对于所获得的结果的可靠性是很关键的，因此本发明的光学分析***利用由该光信号本身所提供的参考光信号或者借助于附加的参考光源所提供的参考光信号。例如，以特定波长为特征的光信号的特殊光谱分量可以用作该参考光信号。这优选在光源以具有大量特征光谱分量的宽频带光源来实现时是适用的，所述特征光谱分量例如气体放电灯的光谱线。

根据本发明的另一个实施例，光学分析***进一步包括用于产生参考光信号的参考光源。按照这种方式，由特定参考光源来提供参考光信号。原则上，这一参考光源可由已知其强度和光谱分布的任何类型的光源来实现。此外，为了使空间光操纵装置适当地对准，该空间光操纵装置具有位于该空间光操纵装置上的第一位置的至少第一校准段。该校准段对于参考光信号或者该参考光信号的特殊光谱分量至少部分是透明的。进一步使至少第一检测器适合于检测该参考光信号的至少一部分，该信号由该空间光操纵装置上的至少第一校准段透射。

通过检测由至少第一校准段透射的一部分参考光信号并且已知参考光源的初始强度，可以精确地确定是否将空间光操纵装置正确地安装到光学分析***中。根据该至少第一检测器提供的输出信号，通过利用移动装置可以使空间光操纵装置沿着至少第一方向，即沿着光信号的光谱分解的方向移动。

优选的是，使参考光源和用于检测一部分参考光信号的至少第一检测器按照边界明确的方式彼此排列。将空间光操纵装置***到参考光源和第一检测器之间的光路中。按照仅仅当空间光操纵装置相对于色散光学元件产生的空间光谱分布处于正确位置时将预定义部分的参考光信号透射到至少第一检测器的这种方式，来使至少第一校准段位于空间光操纵装置上。

当例如光信号的光谱沿水平方向展开时，第一校准段位于空间光操纵装置上的边界明确的水平位置。当不适当地提供到光学分析***的光路中时，由空间光操纵装置吸收或阻挡可感知的量的参考光信号。因此，至少第一检测器仅仅检测不适合部分的参考光信号，其表示将空间光操纵装置不适当地安装在光学分析***中。

空间光操纵装置的精确定位对于光学分析***的可靠操作是极其相关的。因此，校准机构必须提供空间光操纵装置相对于光信号的光谱分量的光谱分布的精确定位。通过向光学分析***提供这种校准机构，可以实现许多不同化合物的特定的空间光操纵装置，并使其与光学分析***一起使用。按照这种方式，光学分析***决不限于确定样品的单个专用化合物的浓度。

此外，通过用以不同空间透射图案为特征并因此以特定用于第二化合物的另一个空间透射掩模来代替特定用于第一化合物的空间透射掩模，可以任意地适应该光学分析***，以便产生特定用于各种各样的不同化合物的输出。通过认识模块化概念，其中将不同化合物的特定的空间透射掩模提供到光学分析***中作为模块，可以商业上分别地分配光学分析***和各个化合物的特定的空间光操纵装置。因此最终用户可以任意地配置该光学分析***以便选择将要被分析的特殊化合物。这表示必须将例如以空间透射掩模形式的空间光操纵装置***到光学分析***中并且从该光学分析***中移开空间光操纵装置。各个空间透射掩模的这种互换性特别需要充分地校准本发明所提供的光学分析***。

向每个可互换的光操纵装置提供至少第一校准段并利用专用的参考光信号和参考信号检测器，可以精确地检测并校正空间光操纵装置的不适当的定位，即校准不匹配。

根据本发明的另一个优选实施例，也借助于色散光学元件将参考光信号的光谱分量空间地分开。另外，至少第一校准段以沿着第二方向的狭缝来实现。该第二方向基本上与色散光学元件所产生的光谱的空间发散所限定的第一方向垂直。优选的是，参考光信号与入射光信号共同传播。

按照这种方式，借助于同一个色散光学元件使光信号以及参考信号空间地色散。因此，产生两个不同的光谱，其中一个表示光信号的光谱分量，而另一个表示参考光信号的光谱分量。由于参考光信号具有已知的光谱分布并且由于参考光信号的强度或者参考光信号的特殊光谱分量的强度是已知的，因此通过测量参考光信号的这一特殊光谱分量的透射强度可以有效地控制空间光操纵装置的精确定位。

因此，至少第一校准段具有在空间光操纵装置上沿第一方向的专用位置。当安装到光学分析***中时，至少第一校准段的这一位置对应于参考光信号的特殊光谱分量的位置。典型的是，至少第一校准段对于参考光信号的这一特殊光谱分量是高度透明的。因此，空间光操纵装置的校准段有效地透射参考光信号的特殊光谱分量，并且借助于至少第一检测器能够充分地检测所述特殊光谱分量。利用参考光源的已知强度和光谱组成，可以计算参考光信号的特殊光谱分量的强度，并将其与相对应的测得的光谱分量相比较，因此测量空间光操纵装置的精确定位。

可选择的是，代替使用参考光源的已知强度和光谱组成，可以改变空间光操纵装置的相对位置，以便使参考光源的光谱分量的透射强度最大。

例如，当光信号的光谱和参考光信号的光谱沿水平方向展开时，必须使空间光操纵装置沿水平方向精确地定位。在这种配置中，优选使至少第一校准段实现为在空间光操纵装置上独特水平位置的垂直狭缝。因此，狭缝宽度应该对应于参考光信号的特殊光谱分量的光谱宽度，或者其可以对应于光学分析***的光谱分辨率。例如，通过借助于以惰性气体为基础的气体放电灯实现参考光源，所述惰性气体如氖，狭缝的宽度优选应该对应于氖光谱的特殊线的光谱宽度。已知这一特殊氖线的强度并且通过测量由校准段所透射的部分，可以充分地推断出校准段是否透射整个或者仅仅一部分特殊透射线。在校准段部分地阻挡这一特殊透射线的情况下，空间光操纵装置没有被适当地安装在光学分析***中，因此需要将其水平地移动。

通过接连地水平移动空间光操纵装置并同时监控透射的氖线的强度，可以测量透射强度的最大值。因此，与透射的氖线的最大强度相对应的空间光操纵装置的水平位置表示空间光操纵装置的精确水平位置。

由于色散光学元件所产生的光谱在该光谱进一步传播时强烈地发散，因此必须总是将空间光操纵装置***到光路中与该色散光学元件相隔规定距离处。空间光操纵装置的纵向位移严重地影响整个光学分析***的可靠性，因为空间透射图案的水平宽度将不再对应于展开光谱的水平宽度。

根据本发明的另一优选实施例，空间光操纵装置进一步包括在空间光操纵装置上第二位置处的至少第二校准段。该第二校准段对于参考光信号的第二光谱分量是至少部分透射的。按照这种方式，不仅可以充分地检测参考光信号的单一光谱分量，而且可以充分地检测参考光信号的第二光谱分量。优选的是，借助于第二检测器来检测由空间光操纵装置的第二校准段所透射的参考光信号的该第二光谱分量。因此，可以同时检测参考光信号的第一和第二光谱分量。

仅仅在参考光信号的这两个测得的光谱分量对应于预定值的情况下，空间光操纵装置才位于精确的位置。在参考光信号的两个测得的光谱分量中仅仅一个对应于预定义值的情况下，空间光操纵装置位于相对于色散光学元件一定距离的不精确的位置。因此，入射在空间光操纵装置的光谱与空间光操纵装置的空间光透射图案不匹配，在这两个检测到的参考信号与预定义的强度值不匹配的情况下，必须使空间光操纵装置横向地移动。

根据本发明的另一优选实施例，参考光信号在参考平面内传播，光信号在光谱平面内传播。参考平面与光谱平面基本上是平行的。优选沿着第二方向使这两个平面分开，该第二方向基本上与光谱的发散所限定的第一方向垂直。假定光信号与参考光信号的光谱分量沿水平方向分开，那么参考平面与光谱平面相对于彼此垂直地移动。

因此，光信号和参考信号以平行的方式在垂直移动的传播平面内传播。因此，校准段的特征在于空间光操纵装置上的不同垂直位置作为代表光谱加权函数的正部分或负部分的空间光透射图案。另外，相对于专用于光谱分析的检测器垂直地移动用于检测透射参考光信号的强度的至少第一检测器。按照这种方式，光信号和参考信号的光谱不发生干涉。按照这种方式，可以有效地保证，专用于校准光学分析***的至少第一检测器仅仅检测从参考光源发射的光学辐射。

优选的是，用于检测透射参考光信号的强度的至少第一检测器以基于低成本的半导体的光电二极管来实现。通常，其不是必须提供任何空间分辨率。

根据本发明的另一优选实施例，至少第一检测器以分段检测器来实现，例如采用***检测器(split detector)的形式。该分段或***检测器具有沿第一方向分开的至少两个检测器段。在该实施例中，至少第一检测器以沿着第一方向排列的***光电二极管(split photodiode)来实现。例如水平地排列***光电二极管的两个段，并且特征在于基本的空间分辨率。优选的是，***光电二极管与某种类型的成像装置结合来实现，从而在空间光操纵装置精确地定位时参考光信号的透射光谱分量相等地入射在两个检测器段上。

空间光操纵装置沿水平方向的任何未对准都可能导致在***检测器上透射光谱分量的相对应的空间水平移动。因此，参考光信号的透射光谱分量不均匀地分布在***检测器上。那么，***检测器的第一和第二段所检测的强度之差表示空间光操纵装置的水平位置不匹配的方向。按照这种方式，不仅可以确定空间光操纵装置的不精确的水平定位，而且可以有效地判定未对准的方向。

根据本发明的另一优选实施例，至少第一检测器以***检测器来实现，该***检测器具有沿第二方向分开的至少两个检测器段。关于上述实施例，这里，***检测器在横向平面内旋转90°。另外，至少第一校准段以相对于第二方向倾斜的狭缝来实现。假定例如由色散光学元件提供的光谱沿水平方向发散，那么至少第一狭缝相对于垂直方向倾斜，***检测器的特征在于上段和下段。借助于该实施例，能够在相对较大的范围内确定空间光操纵装置的位置不匹配的量。例如，假定狭缝的垂直定向，该狭缝的宽度精确对应于光谱参考线的宽度，当不匹配小于该狭缝的宽度时，仅能检测光操纵装置的水平位移。对于较大的不匹配，至少第一检测器不能检测到相当大的强度。

通过使校准段即狭缝相对于垂直方向倾斜，借助至少第一检测器可以有效地检测较大的光谱范围。另外，使用以垂直对准的检测器段为特点的***检测器，可以有效地确定空间光操纵装置的水平位置不匹配的量。

根据本发明的另一优选实施例，进一步使至少第一检测器适合于检测光信号的至少一部分已调制的光谱分量。另外，该光学分析***进一步包括用于使空间光操纵装置沿第二方向移动的装置。在该实施例中，用光信号本身来有效地代替参考光信号。因此，光信号的专用光谱分量有效地用作参考光信号。相应地，用产生光信号的光源来有效地实现参考光源，如光谱激发光源。

例如，当光学分析***专用于提供拉曼移位光谱光信号的光谱分析时，可以将弹性散射光的特殊光谱分量用作参考光信号。由于在该实施例中，参考平面和光谱平面不可避免地重叠，因此顺序地进行校准和光谱分析是合理的。假定例如光谱的水平发散，空间光操纵装置可包括校准部分以及正和负回归的两个垂直相邻的光透射图案。那么通过将空间光操纵装置的校准部分垂直地移动到光路中可实现空间光操纵装置的水平校准。通过将校准部分移动到光路中，借助于将光操纵装置水平地移动到精确位置能够进行充分的校准。之后，可以垂直地移动空间光操纵装置，以便将空间光操纵装置的加权部分移动到光路中。

根据本发明的另一优选实施例，光学分析***进一步包括控制装置，其用于分析至少第一检测器的输出并用于响应于至少第一检测器的输出信号而使空间光操纵装置沿第一和/或第二方向移动。优选的是，用于移动空间光操纵装置的装置以一种可电学控制的致动设备来实现。此外，该控制装置可以以电学控制回路来实现，该回路可包括用于将至少一个检测器输出与预定义值进行比较的数字信号处理装置。

根据本发明的另一优选实施例，将至少第一检测器集成到空间光操纵装置中。按照这种方式，不是必须将参考光信号的透射部分聚焦到至少第一检测器。并且，不是必须将至少第一检测器独立地安装在光学分析***的装备中的特殊位置处。通过将至少第一检测器直接集成到空间光操纵装置中，使该至少第一检测器自动地位于精确的位置。

在另一方面，本发明提供光学分析***的空间光调制掩模。该光学分析***具有用于使光信号的光谱分量沿第一方向空间地分开的色散光学元件。该空间光调制掩模包括强度调制图案，该强度调制图案用于调制光信号的至少一个光谱分量和位于第一位置的至少第一校准段。该第一位置优选相对于强度调制图案沿第一方向固定。

例如，当光信号的光谱分量水平地展开时，至少第一校准段规定了在空间光操纵掩模上的固定水平位置。至少第一校准段对于参考光信号或参考光信号的至少特殊光谱分量至少部分是透明的。在已知参考光信号的至少特殊光谱分量的强度的情况下，可以将至少第一校准段有效地用于将空间光调制掩模精确地放置在光学分析***中。

根据本发明的另一优选实施例，空间光调制掩模包括提供第一强度调制图案的第一部分，提供第二强度调制图案的第二部分，以及提供至少第一校准段的第三部分。优选的是，空间光调制掩模是多变量光学元件(MOE)的一部分，并且第一和第二部分有效地提供分别与光谱加权函数的第一和第二部分相对应的光信号的各个光谱分量的光谱衰减。

在又一方面，本发明提供一种光学分析***的校准方法。该光学分析***具有用于使光信号的光谱分量沿第一方向空间地分开的色散光学元件。该校准方法包括以下步骤，将空间光调制掩模***到光学分析***中，将参考光信号应用于空间光调制掩模上，确定由空间光调制掩模的至少第一校准段所透射的参考光信号的至少第一光谱分量的一部分，以及分析参考光信号的至少第一光谱分量的已检测部分以便使空间光操纵装置沿第一方向移动。

该方法优选利用参考光信号的光谱色散以便在特定位置提供参考光信号的专用光谱分量。该特定位置仅仅当整个空间光调制掩模精确地位于光学分析***中时才与校准段的位置相匹配。因此，至少第一校准段对于参考光信号的不同光谱分量是至少部分透明的，第一检测器特别适合于确定参考光信号的透射光谱分量的强度。

光学分析***的校准方法特别适用于利用多变量光学元件的光学分析***用以确定样品中特殊化合物的浓度。空间光调制掩模是MOE的关键元件，其特定用于借助于光学分析***来进行主要分析的单一化合物。可以使各个不同的空间光调制掩模独立地分布，光学分析***允许使光学分析适用于各个化合物。

进一步要注意，权利要求中的任何附图标记都不解释为对本发明的范围的限制。

附图说明

在下文中参考附图详细地描述本发明的优选实施例，在附图中：

图1是血液分析***的实施例的示意图，

图2a和2b是由皮肤中的血液以及由包括溶液中一种分析物的样品所产生的光信号的光谱，

图3是在多变量光学元件中实现的光谱加权函数，

图4示出光学分析***的示意性顶视图，

图5示出空间光调制掩模以及对应的检测器的透视图，

图6示意性示出使用***检测器的实施例，

图7示出提供***检测器和倾斜的校准段的可选择实施例，

图8示出提供到透射掩模中的两个***检测器，

图9示出可应用到顺序校准模式的透射掩模的实施例。

具体实施方式

在图1中所示的实施例中，用于确定光信号的主分量的振幅的光学分析***20包括用于提供照射样品2的光的光源1，该样品包括具有浓度并由此产生主分量的物质。主分量的振幅与物质的浓度有关。该光源1是诸如气体激光器、染料激光器的激光器和/或诸如半导体或二极管激光器的固态激光器。特别是，当光学分析***用于在例如吸收光谱学或漫反射光谱学的范围内的应用时，光源1也可以在白炽灯的基础上来实现。

光学分析***20是血液分析***40的一部分。该血液分析***进一步包括计算元件19，该计算元件用于确定主分量的振幅，因此确定化合物的组成。样品2包括具有血管的皮肤。物质可以是下面分析物的一种或多种：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(HbAlc)、血细胞容量计(hematocrit)、胆固醇(总量、HDL、LDL)、甘油三酸酯、尿素、白蛋白、肌酸酐(creatinin)、氧合作用、pH、碳酸氢盐以及许多其他分析物。利用光谱学按照非侵入的方式来确定这些物质的浓度。为此目的，将光源1所提供的光发送到二向色镜3，该二向色镜将光源提供的光朝皮肤中的血管反射。利用物镜12可将所述光聚焦在血管上。通过利用如在国际专利申请WO 02/057759中所描述的成像和分析***将所述光聚焦在血管中。

通过光源1所提供的光与血管中的血液的相互作用，因拉曼散射和荧光而产生光信号。这样产生的光信号可以由物镜12聚集并将其发送到二向色镜3。该光信号具有与光源1所提供的光不同的波长。二向色镜构造为使其透射至少一部分该光信号。

图2A中示出了按照这种方式产生的光信号的光谱100。该光谱包括相对较宽的荧光背景(FBG)102和相对较窄的拉曼带(RB)104、106、108。图2A的x轴以波数表示相对于光源1激发的785nm的波长移动，图2A的y轴表示任意单位的强度。x轴对应于零强度。拉曼带的波长和强度，即位置和高度，表示分析物的类型，如在图2B中的以80mMol浓度溶解在水中的分析物葡萄糖的实例中所示的。图2B的实线110示出葡萄糖和水的光谱，图2B的虚线112示出水中的葡萄糖的光谱与没有葡萄糖的水的光谱之间的差别。具有这些带的光谱的振幅表示分析物的浓度。

由于血液包括许多化合物，每种化合物都具有与图2B一样复杂的某一光谱，因此光信号的光谱分析相对复杂。将光信号发送到根据本发明的由MOE来分析光信号的光学分析***20，该MOE通过例如图3中示意性示出的加权函数对该光信号进行加权。图3的加权函数为血液中的葡萄糖而设计。其包括正部分P和负部分N。在该实例中，正部分P和负部分N的每一个都包括多于一个光谱带。

这里以及在该申请的其余部分中，将聚焦构件和另一个光学元件之间的距离规定为在聚焦构件的主平面和另一个光学元件的主平面之间沿着光轴的间距。

图1中所示的计算元件19设置为计算正信号和负信号之差。该差值与光信号的主分量的振幅成比例。主分量的振幅与物质的浓度有关，即与分析物的浓度有关。振幅与浓度之间的关系可以是线性相关。

图4示意性地示出光学分析***20的顶视图。光学分析***20适合于接收入射光束18并且适合于将电子输出提供给计算元件19。光学分析***20具有用作色散光学元件的光栅22、透射掩模26、聚焦元件28和检测器30。本质上，光栅22与透射掩模26结合用作多变量光学元件(MOE)。

按照这种方式，入射光束18的专用光谱分量可以被过滤并且被任意地衰减。通过将光谱上改变的光束18聚焦到检测器30上，可以精确地确定物质的特殊化合物的浓度。透射掩模26的透射图案与特别用于由光学分析***20分析的每个化合物的光谱加权函数相对应。典型的是，借助于基于半导体的光电二极管来实现该检测器30。

本发明有效地允许在没有特别进行入射光束18的全面光谱分析的情况下来确定化合物的浓度。因此，通过有效地利用MOE，可以用低成本的光电二极管检测器30来代替用于记录光束18的完整光谱24的相当昂贵的电荷耦合器件(CCD)。借助于检测器30检测到的强度表示由透射掩模26实现的正和/或负回归函数。通过分别检测光谱回归函数的正和负部分，可以精确地确定化合物的浓度。因此，将检测器30与计算元件19耦合以便提供必要的信号处理。

光学分析***20进一步具有光源32，其充当产生光束46的参考光源。该光源在原则上能够安装在光学分析***20中的任何地方，只要其发射光束46入射在透射掩模的平面内。优选的是，将光源32定位为使光学参考信号46按照与入射光束18几乎一样的方式传播。优选的是，参考光束46也入射在光栅22上并且变为光谱沿x方向分布。光学分析***20进一步具有与校准单元42耦合的检测器34，其依次控制适合于使透射掩模26沿x方向移动的致动器44。

优选的是，透射掩模26的特征在于众多的狭缝36、38、39，这些狭缝用于至少部分地透射参考光谱46或光束18的光谱24的专用光谱分量。这里，狭缝36用作校准段，并适合于透射参考光束46的特殊光谱分量。当借助于光栅22也使参考光束46在光谱上分散时，这一特殊光谱分量入射在透射掩模26上的独特垂直位置，即沿着x方向的位置。当该特殊光谱参考分量的位置又与狭缝36的位置匹配时，透射掩模26完全透射该光谱参考分量并且能够借助于检测器34对该光谱参考分量进行检测。然后将检测到的光谱分量变换为能够透射到校准单元42的电信号。

已知参考源32的光谱分布和相对应的参考光信号46的各个光谱分量的强度的情况下，能够精确地确定可借助于检测器34检测的最大强度。特殊光谱分量的估计强度值与测量值相比较可靠地表示出是否使透射掩模26沿x方向精确地定位。如果该特殊光谱分量的透射强度的测量值偏离预期的最大值，那么校准单元42可以调用垂直扫描，即沿透射掩模26的x方向的扫描。通过同时记录相对应的强度值，能够确定与透射光强度的最大值相对应的透射掩模26的精确位置。

也可以在不知道参考光源的光谱分布和光谱强度的情况下确定透射通过透射掩模26的狭缝孔径36的最大强度。垂直扫描，即在透射掩模26的位置的x方向上的扫描允许重新得到使透射通过狭缝孔径36的强度最大的位置。因此，最大透射强度的位置指的是透射掩模相对于色散光学元件的定向的精确相对位置。

按照这种方式，许多不同化合物的特定透射掩模能够普遍地与光学分析***20相结合，由此允许各个化合物的精确浓度确定。通过向各个校准掩模26中的每一个提供校准段，可以保证任何透射掩模26的精确定位。

参考光源32可以通过例如气体放电灯、发光二极管(LED)、激光光源或提供至少特殊光谱分量的边界明确的强度的某一其他光源来实现。

图5示出透射掩模26和各个检测器34、31、30的排列的透射图。在该图中，沿水平方向(x)示出了入射光束的光谱分布24。各个检测器30、31、34以及透射掩模26的各个段29、27、25垂直地排列，例如沿y方向排列。剩余的z方向规定了光信号的传播方向。

透射掩模26的特征在于两个透射部分27、29，其中每一个都以各个狭缝38、39为特征，这些狭缝对于相对应的光束18的光谱24的光谱分量是至少部分透射的。因此，狭缝38、39的水平位置规定了光谱24的光谱分量的波长。两个透射部分29、27的特征在于用于选择性地衰减光谱的特殊光谱分量的各个透射段38、39。透射段27、29的剩余部分基本上保持不透明的。优选的是，狭缝38、39的水平位置与图2a中所示的化合物的特定拉曼带104、106、108的水平位置相对应。按照这种方式，透射掩模26仅仅透射化合物的特定光谱带，并且被相对应的检测器30、31连续地进行检测。

这里，两个不同配置的透射部分27、29用来提供光谱加权函数的正和负部分。因此，必须借助于检测器31独立地检测通过透射部分27透射的光，并且必须借助于检测器30专门地检测通过透射部分29透射的光。

优选的是，将如透镜或透镜***的适当光束导向装置***在透射掩模26和大量检测器30、31、34之间以便将光谱调制的光谱24聚焦到检测器30、31的检测区域33。

透射掩模26的上部25用作校准部分。因此，校准部分25具有以垂直狭缝来实现的第一和第二校准段36、37。将参考光源32得到的参考光信号46集中到校准部分25上。优选的是，也将该参考光信号沿水平的x方向在光谱上分解，从而借助于两个狭缝36、37透射参考光谱的特性线。两个狭缝36、37的水平位置非常适合于参考光源32的光谱组成。

借助于第一检测器34的第一检测区域50来检测由狭缝36透射的参考光信号的一部分48，并且借助于第二检测器35的第二检测区域52独立地检测通过狭缝37透射的参考光信号的一部分。可选择的是，可以借助于提供第一和第二检测区域50、52的公共检测器或检测器阵列来实现检测器34和35。假定透射掩模26精确地定位，借助于狭缝36完全地透射参考光信号的第一光谱分量，并由狭缝37完全地透射参考光信号的第二光谱分量。然后借助于检测器34、35独立地检测这两个完全透射的光谱分量，并且测得强度几乎与能够测量的最大强度匹配。

如果由检测器34、35测量的两个强度中的任一个清楚地偏离预期的最大强度，那么这清楚地表示出透射掩模26没有适当地对准且光学分析***没有精确地校准。在这种情况下，校准部分25部分地阻挡参考光信号的至少两个特性光谱分量。例如，参考光信号的特定光谱分量的水平位置没有完全地与狭缝36的水平位置匹配。

假定检测器34测量的强度在最大预期强度附近并且假定由检测器35测量的强度明显偏离预期的最大强度，那么这表示光谱分析***20经受某一普遍的校准问题。这种情况例如可能在透射掩模26相对于z方向移动时出现。由于光谱24在沿z方向传播时在x方向上展开，因此光谱24的总展开可能不再对应于由透射部分27、29规定的透射图案的水平宽度。

图6示意性地示出两个检测器34、35以狭缝检测器来实现的方案，每个检测器的特征在于水平分开的***检测器段57、58。在图中省略了附加的光成形或光导向装置。但是，当透射掩模26水平地移动时，由狭缝36透射的参考光信号的光谱分量将通常不在中心位置撞击***检测器34。因此，***检测器段的左边57或右边58可以接收更大或更小部分的光谱分量强度。通过将借助于***检测器段57、58获得的两个不同强度信号进行比较，可以确定是否必须将透射掩模移动到右边或移动到左边以便与精确位置匹配。

图7示出利用***检测器54、56的类似实施例，所述***检测器以沿着垂直方向排列的***检测器段57、58为特征。与图6中的实施例相比较，这两个***检测器54、56旋转了90°。另外，透射掩模26的校准段25的狭缝36、37相对于垂直方向倾斜。在该实施例中，可以检测到与透射掩模26的精确水平位置的甚至很大的偏移，以便将透射掩模适当地移动到左边或者移动到右边。这里，不仅狭缝36、37的水平宽度此外还有狭缝36、37的倾斜角规定了借助于狭缝36、37透射的光谱范围。

例如，通过利用特征仅在于几个专用特性光谱线的氖灯，光谱线入射在***检测器54、57上的垂直位置直接表示出透射掩模26的水平位置的不匹配。典型的是，当两个***检测器段57、58相等地检测到参考光源的专用光谱线时，明确表示出透射掩模26适当地安装在光学分析***中。图8示出可选择的实施例，其中两个***检测器54、56直接提供到透射掩模26的校准部分25中。按照这种方式，不必再由校准部分25来透射这些参考分量，并且能够省去如图5所示用于将透射分量适当地引导到检测器34、35上的附加聚焦布置。优选的是，通过利用***检测器54、56将检测器集成到透射掩模26的校准部分中，这些***检测器也提供潜在的位置不匹配的方向。但是，也能够相应地实现普通的光电二极管，如34、35。

图9示出透射掩模26的可选择实施例，其中校准部分25的特征在于两个垂直对准的狭缝36、37，同时特征在于不同的垂直位置，即y位置。这种类型的透射掩模26优选能够用于顺序校准模式。这里，光学分析***20进一步需要如箭头所示垂直移动整个透射掩模26的装置。透射掩模26的该实施例优选在参考光源的功能完全由光束18本身来提供时是可适用的。在这种情况下，光束18提供已知强度或已知强度比的至少第一和第二特殊光谱分量。因此，由透射掩模26的垂直对准的部分所规定的校准平面和光谱平面现在基本上重叠。

优选的是，将如图9中所示的透射掩模26仅仅部分地***光栅22所产生的光谱24中。将透射掩模26***到光路中从而使光谱仅仅照射狭缝37。按照这种方式，对与狭缝37的水平位置相对应的参考光谱分量的强度进行分析。此后，向上移动透射掩模26，从而使光谱24仅仅照射狭缝36。因此，能够分析第二参考光谱分量。通过分析两个参考光谱分量的检测到的强度，可以确定透射掩模26的精确位置。优选的是，在确定正确位置之后，可以适当地移动透射掩模26以便正确地校准该光学分析***。

此后，向上移动透射掩模26，从而使透射部分27对光谱24有效地应用光谱加权。该光谱加权例如可以与光谱加权函数的正部分相对应。随后，接连向上移动该透射掩模，并且相对于透射部分29进行光谱24的光谱加权。例如，将光谱加权函数的负部分应用于该光谱。

因此，通过使透射掩模26顺序移动通过光谱分解的光信号18的传播平面提供了光学分析***的顺序校准以及光谱回归函数的正和负部分的顺序记录。利用这种实施例无疑是比使用在图5至图8中所说明的实施例有点更时间密集。但是，通过顺序地移动透射掩模26，原则上可以将光学输入信号18的专用光谱分量用作参考信号。按照这种方式，本发明的校准机构甚至能够在没有专用参考光源32的情况下实现。

此外，当光学分析***以两个独立的检测器来实现时，这两个独立的检测器适合于同时获得由透射部分27、29所规定的正和负光谱加权函数，这两个检测器也用于同时检测透过两个参考狭缝36、37的参考光信号。利用这两个检测器，在相同的检测器用于确定光谱加权函数的正和负部分之前，能够在单一步骤中进行以参考光信号的两个光谱分量为基础的校准。

原则上，本发明提供利用不可重新配置的多变量光学元件来校准光学分析***的有效方式。特别是，通过取代化合物的特定透射掩模26能够确定样品的各个化合物的浓度。优选的是，这些化合物的特定空间光调制器26能够独立地分布，并且允许光学分析***普遍适用于各种化合物。因为对于获得的结果的精度来说透射掩模26的精确定位是相当严格的，因此本发明的校准机构用于检测位置不匹配并用于将位置不匹配分类，以及有效地补偿不适当的定位。

附图标记列表

1 光源

2 样品

3 二向色镜

12 物镜

18 光束

19 计算元件

20 光学分析***

22 光栅

24 光谱

25 校准部分

26 透射掩模

27 透射部分

28 聚焦元件

29 透射部分

30 检测器

31 检测器

32 光源

33 检测区域

34 检测器

36 狭缝

38 狭缝

37 狭缝

39 狭缝

40 血液分析***

42 校准单元

44 致动器

46 光束

48 光束

50 检测区域

52 检测区域

54 ***检测器

56 ***检测器

57 ***检测器段

58 ***检测器段

100 光谱

102 宽荧光背景

104 拉曼带

106 拉曼带

108 拉曼带

110 组合光谱

112 葡萄糖光谱

Claims

1.一种用于确定光信号(18)的主分量的光学分析***(20)，该光学分析***包括：

-色散光学元件(22)，用于使该光信号的光谱分量沿第一方向空间地分开，

-空间光操纵装置(26)，用于调制该光信号的光谱分量，

-位于该空间光操纵装置上的第一位置的至少第一校准段(36、37)，该校准段对于参考光信号至少是部分透明的，其中该至少第一校准段被实现为狭缝，并且该狭缝沿着第一方向的宽度对应于参考光信号的特殊光谱分量的光谱宽度，

-至少第一检测器(34，35)，其用于检测透射通过该至少第一校准段的至少一部分参考光信号，

-用于响应于该至少第一检测器的输出信号而相对于该色散光学元件的定向来改变空间光操纵装置的相对位置的装置。

2.根据权利要求1的光学分析***(20)，进一步包括用于产生参考光信号的参考光源(32)。

3.根据权利要求1的光学分析***(20)，其中借助于色散光学元件(22)空间地分开该参考光信号的光谱分量，并且其中至少第一校准段(36，37)以沿着第二方向的狭缝来实现，该第二方向基本上垂直于第一方向。

4.根据权利要求1的光学分析***(20)，其中该参考光信号在参考平面内传播，该光信号在光谱平面内传播，该参考平面和该光谱平面基本上平行并且沿着第二方向分开。

5.根据权利要求1的光学分析***(20)，其中至少第一检测器以分段检测器(54，56)来实现，该分段检测器具有沿第一方向分开的至少两个检测器段(57，58)。

6.根据权利要求4的光学分析***(20)，其中至少第一检测器以分段检测器(54，56)来实现，该分段检测器具有沿第二方向分开的至少两个检测器段(57，58)，并且其中至少第一校准段以相对于第二方向倾斜的狭缝来实现。

7.根据权利要求1的光学分析***(20)，其中至少第一检测器(34，35)集成到该空间光操纵装置中。

8.根据权利要求1的光学分析***(20)，其中该至少第一检测器(34，35)进一步适合于检测该光信号的至少一部分光谱分量，该光学分析***进一步包括用于使该空间光操纵装置沿第二方向移动的装置。

9.根据权利要求1的光学分析***(20)，进一步包括控制装置(42)，该控制装置用于分析至少第一检测器的输出并用于响应于该至少第一检测器(34，35)的输出信号而使该空间光操纵装置(26)沿着第一和/或第二方向移动。

10.一种光学分析***(20)的校准方法，该光学分析***具有色散光学元件(22)，该色散光学元件用于使光信号(18)的光谱分量在第一方向上空间地分开，该校准方法包括以下步骤：

-将空间光调制掩模(26)***到该光学分析***中，该空间光调制掩模具有至少第一校准段(36，37)，其中该至少第一校准段被实现为狭缝，并且该狭缝沿着第一方向的宽度对应于参考光信号的特殊光谱分量的光谱宽度，

-将参考光信号应用于该空间光调制掩模，

-借助于至少第一检测器(34，35)确定由该至少第一校准段透射的参考光信号的至少第一光谱分量的一部分，

-分析该参考光信号的至少第一光谱分量的检测部分以便使该空间光操纵装置沿第一方向移动。