专利名称：光学分析系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于确定光信号的主分量幅值的光学分析系统，所说光学分析系统包括用于通过光谱加权函数加权光信号的一个多变量光学元件(MOE)和用于检测加权的光信号的一个检测器。
本发明还涉及包括这样一种光学分析系统的血液分析系统。
本发明还涉及用于确定光信号的主分量幅值的方法，所说方法包括如下步骤通过具有光谱加权函数的多变量光学元件加权光信号，和通过检测器检测加权的光信号。
背景技术：
US-B1-6198531公开了一种在本文第一段中描述的光学分析系统的实施方案。
已知的光学分析系统是光谱分析系统的一部分，例如适合于分析在样品中包含多大浓度的哪种化合物。众所周知，与样品发生相互作用的光携带有关化合物和它们的浓度的信息。在光谱技术中利用了这种基础物理过程，其中将光源(如激光器、灯、或者发光二极管)的光引向样品，以便产生携带这种信息的光信号。
例如，光可被样品吸收。按照另一种方式，或者说还有一种方式，已知波长的光可以与样品相互作用，由于例如拉曼过程，产生不同波长的光。发射的和/或产生的光组成一个光信号，该光信号还可以称之为光谱。作为波长函数的光信号的相对强度表示样品中包括的化合物和它们的浓度。
为了识别样品中包括的化合物并且确定它们的浓度，必须分析光信号。在已知的光学分析系统中，通过包括光学滤波器的专用硬件来分析光信号。这种光学滤波器的透射率取决于波长，即，对于光学滤波器进行设计，以便能够通过光谱加权函数来加权光信号，所说的光谱加权函数是通过随波长而定的透射率给出的。对于光谱加权函数进行选择，以使加权的光信号的总强度，即透过滤波器的光的总强度，正比于特定化合物的浓度。这样一种光学滤波器还称之为多变量光学元件(MOE)。按照常规，这个强度可以由检测器检测，例如用发光二极管。对于每一种化合物，都要使用具有特征光谱加权函数的专用光学滤波器。光学滤波器例如可以是干涉滤波器，它的透射率构成期望的光谱加权函数。
为了成功地实施这个分析方案，重要的是要知道与感兴趣的化合物对应的光谱加权函数。光谱加权函数是通过对于已知浓度的N种纯化合物的一组N个或大于N个光谱进行主分量分析获得的，其中N是整数。每个光谱包括对应的M个不同波长的光信号的强度，这里M也是整数。在一般情况下，M远大于N。包含在相应M个波长的M个强度的每个光谱构成了一个M维的矢量，矢量的M个分量就是这些强度。矢量经受称之为奇异值分解(SVD)的线性代数处理，这是主分量分析的核心，也是本领域中完全可以理解的。
作为奇异值分解(SVD)的结果，获得一组N个本征矢量zn，其中n是小于N+1的正整数。本征矢量zn是原始的N个光谱的线性组合，通常称之为主分量矢量或回归矢量。通常，主分量矢量是相互正交的，并且规定为|zn|＝1的归一化矢量。如果使用主分量矢量zn，则可以通过归一化主分量矢量乘以适当的标量乘数的组合来描述包括未知浓度的化合物在内的样品的光信号x1z1+x2z2+.....+xnzn可以认为标量乘数xn(n是小于N+1的正整数)是指定的光信号中主分量矢量zn的幅值。通过将光信号看作是M维波长空间中的一个矢量，并且通过计算这个矢量与主分量矢量zn的直积，可以确定每一个乘数xn。结果得到沿归一化本征矢量zn方向的光信号的幅值xn。幅值xn对应于第N种化合物的浓度。
在已知的光学分析系统中，代表光信号的矢量和主分量矢量之间的直积的计算是在光学分析系统的硬件中借助于光学滤波器实现的。光学滤波器具有透射性，使得光学滤波器能按照主分量矢量的分量加权光信号，即，主分量矢量构成了光谱加权函数。可以通过检测器来检测经过滤波的光信号，检测器所产生的信号幅值正比于主分量矢量的幅值，因此正比于对应的化合物的浓度。
按照物理上的含义，每个主分量矢量都是一个构成的“光谱”，它的形状在光信号的波长范围内。与实际的光谱相比，主分量矢量可以包括处于第一光谱范围内的正的部分和处于第二光谱范围内的负的部分。在这种情况下，对于与第一光谱范围对应的波长主分量矢量具有正的分量，对于与第二光谱范围对应的波长具有负的分量。
已知的光学分析系统的缺点是它需要一个相当大的空间。当光学分析系统用于只可得到很小空间的应用场合的时候，例如在空中、医院的急救室、或者便携式设备中，这尤其不利。

发明内容
本发明的一个目的是提供本说明书的第一段中描述的一种光学分析系统，它可以在一个相当小的空间中实施。
按照本发明，为了实现这个目的，多变量光学元件反射光信号，借此可通过光谱加权函数来加权光信号。因为多变量光学元件是按照反射方式操作的，而不像已知的光学分析系统那样按照透射方式操作，因此多变量光学元件可以在一个比较紧凑的空间中实施。
按照本发明，光信号不限于其波长为人眼可见的那些光信号。所说的光信号可以包括处于紫外(UV)和/或红外(IR)光谱中的光谱分量。在这里，红外光谱范围包括近红外(NIR)和远红外(FIR)(其频率大于1T赫兹)和所有的中间波长。
按照本发明，主分量不限于纯主分量。在这里，纯主分量指的是对于某种化合物的在数学上严格的本征矢量。主分量还可以包括来自其它化合物的一些微小的贡献，这些微小的贡献可能来源于确定主分量期间产生的缺陷。主分量还可以对应于已知浓度的几种化合物的混合物。主分量还可以关联一种或多种特定的被分析物，在这里的术语“关联”可以包括基本上完全关联或者部分关联。主分量可以与除了这一种或多种特定的被分析物以外的被分析物不关联，在这里的术语“不关联”可以包括基本上没有关联或者部分关联，其条件在于，后一种情况下，该部分关联小于与一种或多种特定的被分析物的部分关联。光谱加权函数和/或主分量还可以称之为回归矢量。
通过主分量分析、或者通过任何其它的数学正交化过程、任何多变量分析方法，例如偏最小二乘法(PLS)、类算法、或中性网络，可以获得光谱加权函数。
主分量可以与被分析物的电子的、振动的、和/或电子振动跃迁相关。另外的分量可能与除被分析物以外的物质的电子的、振动的、和/或电子振动跃迁相关。主分量可能与被分析物的拉曼光谱有关。另外的分量可能与携带被分析物的物质和/或被分析物本身的荧光光谱有关，或者与检测体积和检测器(如人的皮肤组织或光学元件)之间的物质的荧光光谱有关。
多变量光学元件可以具有可以调节的光谱加权函数。
在一个实施例中，光学分析系统还包括一个色散元件，例如光栅或棱镜，用于使光信号发生光谱色散，对于多变量光学元件进行安排，使其可以接收经过色散的光信号。在这样一种光学分析系统中，多变量光学元件的不同区域接收光信号的不同光谱部分。例如，一个区域接收例如蓝色光谱部分，另一个区域可以接收红色光谱部分。一个光谱部分可以定义为一个波长范围。
可以调节这些区域中每个区域的反射率，以获得光谱加权函数。这与在现有技术中即在干涉滤波器中设计已知的多变量光学元件的光谱反射率相比，可能会更加精确并且复杂性更小。在已知的多变量光学元件中，所有的光谱部分都入射到多变量光学元件的相同区域上。这是相当复杂的，并且难以获得所有光谱部分的所需反射率。
多变量光学元件可以包括用于接收经过色散的光信号的光谱部分的一个区域，这个区域的反射率与光谱加权函数相关。可以调节整个区域的反射率，以便可以按照光谱加权函数来加权入射在这个区域上的光谱分量。按照光谱加权函数，对应于不同光谱分量的不同的区域可以具有不同的反射率。整个区域的反射率可以是不变的，这就允许用相当简单的方式来调节所说的反射率，例如通过控制构成这个区域的表面上的具有反射性金属涂层的厚度。整个区域或仅一部分区域的反射率是可调的。这个区域可以包括多个部分，每个部分都有各自的可调节的反射率。下面给出具有可调反射率的多变量光学元件的实施例。
按照另一种方式或者附加地，多变量光学元件可以包括用于接收经过色散的光信号的光谱部分的一个区域，将这个区域的一部分安排成能够将入射到其上的经过色散的光信号反射到检测器，将这个区域的另一部分安排成能够阻止入射到其上的经过色散的光信号反射到所说的检测器。在这种情况下，所说的区域包括两个部分，一个部分向检测器反射在这个部分上入射的光谱部分，另一个部分阻止向检测器反射在这后一部分上入射的光谱部分。后一部分可以被吸收或反射到其他地方，例如束流收集器(beam dump)。通过一个附加的检测器可以至少部分地检测这个后一部分，例如用于校准光谱系统中光源的发射强度或波长。在各部分上入射的光谱部分的相对强度以及将光信号反射到检测器部分的反射率确定了各光谱部分中光信号的加权。
这样一种多变量光学元件具有相当高的对比度这一优点，因为入射在这部分上的仅相当小量的光可能没有到达检测器而入射在另一部份上的相当小量的光仍然到达检测器。主要由反射表面的光学质量决定这些不希望的过程。以相当低的成本就能很好地控制这些表面的质量。进而，反射率对于光的偏振态是相当不灵敏的。
术语“安排”可能意味着，例如通过形成一种结构化反射表面，如参照附图11A和11B所表示和描述的，就可以永久性地安排这个部分和其它部分，但不限于这种情况。还意味着，所说的区域包括一个可倾斜的反射表面。根据这个可倾斜的反射表面的位置，在其上入射的光谱部分可以反射到检测器上，或者反射到其它的地方因而不能检测到它，例如反射到束流收集器。以此方式，通过可倾斜的反射表面的位置，就可以至少部分地调节光谱加权函数。在一个倾斜位置可以确定方向，以致于可以将入射在其上面的光谱分量反射到检测器。在另一个倾斜位置可以确定方向，以致于可以使入射在其上面的光谱分量反射离开检测器。
当可倾斜的反射表面是相当小的可倾斜元件的一部分的时候，可倾斜的表面的切换时间可能是相当短的，即向检测器引导反射光或者引导反射光离开检测器所需的时间是相当短的。反射表面的尺寸例如是10微米×10微米，并且到相邻反射表面(如果存在的话)的距离是14微米。切换时间可以为20微秒数量级。
所说的区域可以包括不止一个可倾斜表面，每个表面可以单独倾斜。以此方式，通过取向对应数目的可倾斜表面就可以调节反射到检测器的光谱部分的相对数量，以使它们能将入射在其上面的光谱分量向检测器反射。可倾斜表面的数目越大，调节光谱加权函数的精度越高。
可以通过一个单元对于光信号的某个光谱部分进行光谱加权。这个单元可以在两个位置之间进行切换，在一个位置入射在其上的光谱分量反射到检测器，在另一位置入射在其上的光谱分量反射到其它地方。然后，通过该单元处在一个位置的时间相对于该单元处在另一个位置的时间之比，来确定所说的光谱加权。换言之，通过这个单元的占空比来确定这个光谱部分的幅值。检测器可以包括一个积分器，以便在可以是这个时间加上另一个时间之和的一定时间周期上积分所说的信号。
多变量光学元件可以包括两个或多个区域，每个区域都安排成可以接收光信号的一个对应的光谱部分，并且每个区域都包括至少一个可倾斜的反射表面。由此，可在两个对应的波长范围内调节光谱加权函数。反射率相对来说可以与波长无关，正如对于单层或多层的例如金属、半导体、和/或电介质表面所知的那样。然后，通过调节一个部分和另一个部分的表面面积，相对来说就会很容易地调节这个区域的反射率。不需要考虑由于消色差引起的反射率随波长的变化。
多变量光学元件可能包括各个可倾斜的反射表面的一个阵列。可倾斜的反射表面可以是可倾斜元件的一个部分。通过在这个元件和面对该元件的电极之间施加一个静电电位差，就可以引起每个元件的倾斜。这样一个阵列可以是数字式反射镜设备(DMD)，例如在文章“Emerging Digital Micromirror Device”(出射的数字式微型反射镜设备(DMD))(作者是D.Dudley，W.M.Duncan，J.Slaughter，SPIE会议录4985，第14-25页，(2003))中所描述的。
所说的区域可以包括一个反射式液晶(LC)单元。这样一个单元包括一个液晶分子层，通过施加电场使液晶分子至少部分地取向。这层至少部分取向的液晶分子具有各向异性折射率，例如沿寻常轴的寻常折射率和沿非常轴的非常折射率，在这里，寻常折射率不同于非常折射率。当偏振方向不同于寻常方向或非常方向的光穿过这一层时，光的偏振态发生变化。在反射式液晶单元中，液晶分子层定位在反射表面的前方，因此将穿过这一层的光反射回来，再次穿过这一层。在光穿过液晶分子层之前，可以通过一个起偏器来调节光的偏振态。光在两次穿过液晶分子层以后再通过一个检偏器，从而可以测量光的偏振态的变化。起偏器可以用作检偏器。
通过调节液晶分子的取向，可以调节通过检测器检测到的在液晶单元上入射的光谱部分的数量。换句话说，通过向液晶单元施加电压并且因此使液晶分子取向，就可以至少部分地调节光谱加权函数。
反射式液晶单元在本领域中是众所周知的，并且可以以相当低的价格获得。它们不需要移动部件就可以实现可调节的反射。液晶分子的取向过程可以相当慢，例如几个毫秒的量级。
这个区域可以包括多于一个的反射式液晶单元，每个反射式液晶单元可以逐个地调节。反射到检测器的光谱部分的量值可通过调节所加的电压进行调节。按照另一种方式，反射到检测器的光谱部分的相对量值可以通过提供对应数目的反射式液晶单元来调节，反射式液晶单元的电压可以使这个数目的反射式液晶单元能够向检测器反射在其上面入射的光谱分量，并且其余的单元的电压使反射式液晶单元基本上不能向检测器反射在其上面入射的光谱分量。在这样一种方案中，可以使用数字式电压控制而不使用模拟式电压控制，这样将减小所需的电子设备的成本。反射式液晶单元的数目越大，可以调节光谱加权函数的精度越高。
多变量光学元件可以包括两个或多个区域，每个区域都安排成可以接收光信号的对应的光谱部分，并且每个区域都包括至少一个反射式液晶单元。以此方式，可以在两个对应的波长范围内调节光谱加权函数。对于液晶分子，各向异性折射率可能强烈地依赖于光波长。当调节电压时将要考虑到这个效应，这可能使这种多变量光学元件的控制复杂化。
多变量光学元件可包括单独可控的反射式液晶单元的一个阵列。所说的液晶单元可以是硅上液晶(LCoS)单元。多变量光学元件可以包括LCoS单元的一个阵列，例如在US-5486485中所描述的，以及在文章“具有反射式LCD板的高分辨率和高亮度LCD投影仪”(High resolution and bright LCD projector with reflective LCDpanels)(作者为F.Sato，Y.Yagi，K.Hanihara，SID国际讨论会，波士顿(美国)(1997)，技术论文汇编XXVIII997)、“用于高分辨率显示器的单晶硅”(Single crystal silicon for high resolution displays)(作者P.M.Alt，第17次国际显示研讨会，多伦多(加拿大)(1997)M-19)、和“单板反射式LCD投影仪”(作者J.A.Shimizu，SPIE会议录3634(1999)197)。
所说的区域可以包括一个反射式电润湿单元。这样的一个单元包括一种吸收性液体，吸收性液体用于吸收入射光。吸收性液体包括在一个单元内，该单元包括一个表面，这个表面可由吸收性液体润湿。它还包括一个电极，用于在电极和吸收性液体之间施加电压。通过施加这样一个电压，可以改变所说表面的润湿性质。以此方式，可以移动吸收性液体，以使吸收性液体基本上覆盖这个表面，或者使反射性表面大体上没有吸收性液体。所说的单元还包括一个反射表面，这个反射表面可以是由吸收性液体润湿的表面，或者可以位于入射光路径中这个表面的下游。当反射性表面与吸收性液体基本上脱离的时候，光被反射，而当反射性表面基本上由吸收性液体覆盖的时候，光被吸收。换言之，通过向电润湿单元施加电压并因而定位吸收性液体，可以至少部分地调节光谱加权函数。
反射式电润湿单元本身在本领域中是公知的，例如参见文献“基于电润湿的视频速度电子纸”(Video-speed electronic paper based oneletro-wetting)(R.A.Hayes，B.J.Feenstra，自然425，第383-385页(2003))。它们不需要移动部件就可以实现可调节的反射。吸收性液体的移动可能比液晶分子的取向更快些。
所说的区域可以包括不止一个反射式电润湿单元，每一个电润湿单元都可以单独地调节。通过调节所加的电压可以调节反射到检测器上的光谱分量的量值。按照另一种方式，通过为对应数目的反射式电润湿单元提供电压，使润湿单元可以向检测器反射入射在其上的光谱分量，其余电润湿单元的电压应使其基本上不能向检测器反射入射在其上的光谱分量，可调节反射到检测器上的光谱部分的相对量。在这样的方案中，可以使用数字式电压控制而不是模拟式电压控制，这将减小所需的电子设备的成本。当在光谱分析期间没有切换单元的时候，以下所述成立在一定的光谱范围内发光的反射式电润湿单元的数目越大，在这个光谱范围内光谱加权函数可调节的精度越高。当在光谱分析期间切换单元的时候，通过占空比可以确定光信号的反射光谱部分的幅值。然后，通过单元切换的精度来确定所说的精度。
多变量光学元件可以包括两个或多个区域，每个区域都安排成可以接收光信号的一个对应的光谱部分，并且每个区域都包括至少一个反射式电润湿单元。以此方式，可以在两个对应的波长范围内调节光谱加权函数。对于电润湿单元领域中已知的吸收性液体，吸收可能相当弱地取决于光的波长。通过调节该部分和另外的部分的表面面积，就能相当容易地调节这个区域的反射率。不需要考虑由于消色差引起的反射率随波长的变化。
多变量光学元件可以包括单独可控的反射式电润湿单元的一个阵列，例如在文章“基于电润湿单元的视频速度电子纸”(Video-speedelectronic paper based on eletro-wetting)(作者R.A.Hayes，B.J.Feenstra，自然425，第383-385页(2003))中所描述的那样。
在一个实施例中，光学分析系统具有用于检测由第一光谱加权函数加权的光信号的第一检测器，和用于检测由第二光谱加权函数加权的光信号的第二检测器，多变量光学元件安排成能够向第一检测器反射由第一光谱加权函数加权的经过色散的光信号的第一部分，并且能够向第二检测器反射由第二光谱加权函数加权的光信号的第二部分。
按照本发明的这一方面，光学分析系统还包括用于光谱色散光信号的一个色散元件和用于接收经过光谱色散的光信号的分配元件，所说的分配元件还用于向第一检测器分配由第一光谱加权函数加权的光信号的第一部分并且向第二检测器分配由第二光谱加权函数加权的光信号的第二部分。分配元件可以是反射式多变量光学元件。
与已知的光学分析系统相比，本发明的这一方面具有一个特殊的优点。在已知的光学分析系统中，光信号的一部分引向第一滤波器，第一滤波器通过第一光谱加权函数加权光信号，光信号的另一部分引向第二滤波器，第二滤波器通过第二光谱加权函数加权光信号。在已知的光学分析系统中，信噪比相对较低，因为光信号的相当大的部分不能被任何检测器检测到，而是被例如第一光学滤波器或者被第二滤波器阻挡。例如，由第一光学滤波器接收的光信号包括了所有的信息，但是第一光学滤波器只能透射与第一加权函数对应的光信号部分，而与第二加权函数对应的光信号部分则由所说滤波器阻挡。被第一光学滤波器阻挡的以及被第二光学滤波器阻挡的光是不能检测到的，这将减小信噪比。
按照本发明的这一方面，可以至少部分地避免信噪比的这种减小。为此，光学分析系统包括一个色散元件，例如光栅或棱镜，用于光谱色散光信号。经过光谱色散的光信号由一个分配元件接收，即，分配元件的不同部分接收不同波长的光信号。对于各个波长，将分配元件安排成可以向第一检测器分配按照第一光谱加权函数加权的光信号的第一部分，并且向第二检测器分配按照第二光谱加权函数加权的光信号的第二部分。于是，与已知的光学分析系统的第一光学滤波器和第二光学滤波器所作的那样阻挡光信号的情况不同，光信号的不同部分被引向不同的检测器。结果，可检测到较大数量的光信号，从而改进了信噪比。
在一个实施例中，主分量包括在第一光谱范围内的一个正的部分和在第二光谱范围内的一个负的部分，由第一光谱加权函数加权的光信号的第一部分对应于正的部分，由第二光谱加权函数加权的光信号的第二部分对应于负的部分，第一检测器和第二检测器耦合到一个信号处理器，信号处理器用于从第一检测器产生的信号中减去第二检测器产生的信号。在这个实施例中，可以以改进的信噪比对于包括具有一个正的部分和一个负的部分的主分量的光信号进行分析。在一般情况下，第一光谱范围与第二光谱范围无关。
在另一个实施例中，主分量包括第一主分量和第二主分量，由第一光谱加权函数加权的光信号的第一部分对应于第一主分量，由第二光谱加权函数加权的光信号的第二部分对应于第二主分量。这个光学分析系统特别适合于分析包括两个或多个主分量的光信号。它可以以改进的信噪比提供两个或多个主分量的相应幅值。
在另一个实施例中，主分量包括第一主分量和第二主分量，第一主分量和/或第二主分量包括在第一光谱范围内的正的部分和在第二光谱范围内的负的部分。
有益的是，分配元件具有一个表面，用于接收经过光谱色散的光信号，所说的表面包括第一组表面元件和第二组表面元件，第一组表面元件用于向第一检测器分配经过光谱色散的光信号，并且第二组表面元件用于向第二检测器分配经过光谱色散的光信号。在这个实施例中，每个表面元件根据它的位置和它的表面面积接收经过光谱色散的光信号的一定的部分。从而，通过第一组表面元件的位置和表面面积来确定第一加权函数，并且通过第二组表面元件的位置和表面面积来确定第二加权函数。这个表面接收的经过光谱色散的光信号可以通过该表面反射和/或衍射。按照另一种方式，还可以透射和折射和/或衍射这种光信号。
这个实施例的优点是分配元件的制造相当容易，例如使用一个透明的基板(如玻璃基板)，并且通过蚀刻和/或抛光为所说的基板提供表面元件。按照另一种方式，可以使用适当形状的模具制造所说的基板。透明基板的一个附加的优点是光信号的损失相对较低。
有益的是，如果将色散元件安排成可以在一个色散平面内色散光信号，光学分析系统还包括一个聚焦元件，用于聚焦经过色散的光信号，聚焦元件在色散平面内具有第一焦距并且在垂直于色散平面的一个平面内具有第二焦距，第一焦距可以与第二焦距不同，将聚焦元件安排成可以将在色散平面中经过色散的光信号聚焦在分配元件上。在这个实施例中，在分配元件上聚焦经过光谱色散的光信号，以使光信号的不同光谱分量可以由分配元件的不同的、相互完全分开的部分接收。从而，可以向不同的检测器有选择地分配不同的波长。
在这个实施例中，如果光学分析系统还包括另一个聚焦元件，用于在第一检测器上聚焦光信号的第一部分，则更加有益。这就允许人们使用检测区域具有相当小面积的第一检测器有效地检测第一部分。
为了使用具有甚至于更小检测面积的检测器进行有效的检测，有益的作法是，光学分析系统还包括另一个色散元件，用于在第一检测器上聚焦第一部分之前光谱组合光信号的第一部分。由分配元件分配的光信号的第一部分从原理上看仍旧是光谱色散的，它限制了将第一部分聚焦到小检测区域的可能性。通过使用另一个色散元件，使光信号的第一部分经过光谱组合，因此可以将其聚焦到较小的区域。因此，可以使用设置在这个焦点的较小的第一检测器。按照另一种方式，在这个焦点上可以设置一个针孔或孔径以实现共焦点检测方案。
多变量光学元件可以包括通过第一个部分加权函数加权光信号的第一多变量光学元件，第一多变量光学元件与第二多变量光学元件串联，第二多变量光学元件通过第二个部分加权函数加权已通过第一个部分加权函数加权的光信号。通过串联组合两个单独的多变量光学元件，可以调节光信号的幅值，这种调节与分别向第一检测器和第二检测器分配加权的光信号无关。例如，第一多变量光学元件可以调节一个或多个光谱范围内光信号的幅值，即，可以通过第一个部分加权函数加权光信号。第二多变量光学元件可以接收通过第一个部分加权函数加权的光信号，并且以通过第二个部分加权函数确定的相对比例将其分配给第一检测器和第二检测器。这时，第一光谱加权函数和第二光谱加权函数是第一个部分加权函数和第二个部分加权函数的相应部分的乘积。以此方式，可以实现由第一光谱加权函数和由第二光谱加权函数对于光信号的同时加权，即使当使用可调节的多变量光学元件和/或当第一光谱加权函数和第二光谱加权函数部分重叠的时候亦是如此。还可能出现的情况是，在特定的光谱范围内，由第一光谱加权函数加权的光信号的幅值以及由第二光谱加权函数加权的光信号的幅值能小于整个光信号的幅值。
按照另一种方式，第一多变量光学元件和第二多变量光学元件可以互换，即，第一多变量光学元件按照第一个部分加权函数向第一检测器和第二检测器分配光信号。随后，第二多变量光学元件按照第二个部分加权函数加权所获得的光信号部分。
包括两个串联的多变量光学元件的这种多变量光学元件是有效的并且具有高的信噪比，因此提高了灵敏度并且减小了确定主分量的幅值所需的时间。当光学分析系统具有用于检测分别由第一光谱加权函数加权的和由第二光谱加权函数加权的光信号的两个检测器时，尤其可获得这个优点。按照本发明，对于反射式多变量光学元件获得了这个优点，但本发明不限于这种类型的多变量光学元件。对于按照透射式操作而不是按照反射式操作的其它多变量光学元件，也可以获得这个优点。第一多变量光学元件和第二多变量光学元件可以具有不同的工作原理，例如一个是反射式另一个是透射式，它们可以具有不同的动态范围和/或不同的光谱分辨率。第一个部分加权函数和/或第二个部分加权函数可以是固定的或者是可调节的。可以使用单个设备的不同部分作为第一多变量光学元件和第二多变量光学元件。
光学分析系统还可包括一个光源，用于提供光以照明一个样品，样品包括有一定浓度的一种物质，因此可产生主分量。从而主分量的幅值与物质的浓度有关。这种关系可以是在幅值和浓度之间的线性关系。这样一种光学分析系统可以是一种光谱分析系统。
按照本发明的光学分析系统可以是用于分析包含血的样品的血液分析系统的一部分。样品可以是体内血，即仍旧包含在人或动物的体内的血，或者可以是体外血，即从人或动物体身上抽取的血。被分析物可以包括从例如以下所述中选择出来的一种或多种元素葡萄糖、乳酸、糖血红蛋白(HbAlc)、血红蛋白、血球比率、胆固醇(总的、HDL、LDL)、甘油三酯、尿素、白蛋白、肌酸、氧合作用、酸度、碳酸氢盐、以及许多其它的元素。主分量可以包括一种或多种元素的拉曼光谱。另外的分量可以包括介质的荧光光谱，在介质中溶解或包含一种或多种元素。介质可以包括水、人或动物的皮肤组织、光路中的光学元件、和/或浸渍介质。


下面进一步说明并且参照附图描述按照本发明的光学分析系统、血液分析系统、和分析光信号的方法的这些方面和其它方面，其中图1是血液分析系统的一个实施例的示意图；图2A和2B是从皮肤中的血液产生的光信号以及从溶液中包含一种被分析物的样品中产生的光信号的光谱；图3是在多变量光学元件中实施的光谱加权函数；图4是光学分析系统的一个实施例的示意图；图5A和5B是图4的光谱滤波器分别在xz平面和yz平面的示意图；图6A和6B是光学分析系统分别在xz平面和yz平面的另一个实施例的示意图；图7是光学分析系统的另一个实施例的示意图；图8A和8B是光学分析系统分别在xz平面和yz平面的另一个实施例的示意图；图9A和9B是光学分析系统分别在xz平面和yz平面的另一个实施例的示意图；图10A、10B和10C是光学分析系统分别在xy平面、yz平面、xz平面的另一个实施例的示意图；图11A和11B是光学分析系统分别在xz平面、yz平面的另一个
具体实施例方式
在图1所示的实施例中，用于确定光信号的主分量的幅值的光学分析系统20包括光源1，用于提供照明样品2的光，样品2包括具有一定浓度的物质并且因此能够产生主分量。主分量的幅值与物质的浓度相关联。光源1是一个激光器，例如气体激光器、染料激光器、和/或固体激光器，例如半导体激光器或二极管激光器。
光学分析系统20是血液分析系统40的部分。样品2包括带有血管的皮肤。物质可以是以下所述的被分析物中的一种或多种葡萄糖、乳酸、胆固醇、氧血红蛋白、脱氧血红蛋白和/或糖血红蛋白(HbAlc)、血球比率、胆固醇(总的、HDL、LDL)、甘油三酯、尿素、白蛋白、肌酸、氧合作用、酸度、碳酸氢盐、以及许多其它的被分析物。这些物质的浓度是使用光谱法用非侵入方式确定的。为此，将光源1提供的光发送到一个分色镜3，分色镜3向皮肤种的血管反射由光源提供的光。使用一个物镜12将所说的光聚焦在血管上。使用在国际专利出版物WO 02/057759中描述的成像和分析系统，就可将光聚焦在血管内。
通过光源1提供的光与血管中的血液的相互作用，由于拉曼散射和荧光效应，将产生一个光信号。通过物镜12收集这样产生的光信号，并且将其发送到分色镜3。光信号具有与光源1提供的光不同的波长。所构成的分色镜至少能透射一部分光信号。
在图2A中表示出以此方式产生的光信号的光谱。这个光谱包括一个相当宽的荧光本底FBG和相当窄的拉曼带RB。图2A的x轴表示相对于由光源1激发的785nm的波长移动，用波数表示；图2A的y轴表示任意单位的强度。x轴对应于0强度。拉曼带的波长和强度，即位置和高度，表示在图2B的例子中所示的被分析物的类型，被分析物葡萄糖溶解在水中，其浓度为80毫摩尔(mMol)。图2B中的实线表示葡萄糖和水这两者的光谱，图2B中的虚线表示在水中的葡萄糖的光谱和没有葡萄糖的水的光谱之间的差。具有这种拉曼带的光谱的幅值代表被分析物的浓度。
因为血液包括许多化合物，每一种化合物都具有一定的光谱，它们可能是很复杂的，如图2B所示，所以光信号的光谱分析是相当复杂的。按照本发明，将光信号发送到光学分析系统20，在这里通过多变量光学元件分析光信号，多变量光学元件通过图3示意出的加权函数加权光信号。将图3中的加权函数设计成用于血液中的葡萄糖。这个加权函数包括一个正的部分P和一个负的部分N。在此例中，正的部分P和负的部分N都包括不止一个光谱带。
在图4中表示的光学分析系统的这个实施例中，通过分束器22分裂来自样品2的光(即要进行分析的光信号)，并将其发送到图5A中详细描述的光谱滤波器4、5。将光谱滤波器4、5安排成可以检测分别由光谱加权函数的正的部分和负的部分加权的光信号。在光谱滤波器4、5中，将光信号引向一个色散元件6，色散元件在这里是一个光栅。光栅可以部分地按镜面方式反射光信号，如标号7所示的。色散元件6至少部分地衍射所说的光信号。由于衍射，光信号发生光谱色散，不同的光谱分量以不同的角度离开光栅。为了说明的目的，这种情况由光线8和8`表示的两个不同的波长进行描述。
通过聚焦元件9聚焦经过色散的光信号，聚焦到多变量光学元件10上，聚焦元件9是一个透镜，但还可以是一个聚焦反射镜，多变量光学元件10是一个DMD。它包括可倾斜元件的一个阵列，每个可倾斜元件都具有一个可倾斜的反射表面。从色散元件6到聚焦元件9的距离等于从聚焦元件9到多变量光学元件10的距离，这两个距离对应于聚焦元件9的焦距。
在这里以及在本申请的其余部分中，将聚焦元件和另一个光学元件之间的距离定义为聚焦元件的主平面和另外的光学元件的主平面之间沿光轴的距离。当聚焦元件具有两个主平面的时候，就像对于厚透镜的情况那样，使用距另一个光学元件最近的主平面。当在聚焦元件和另一个光学元件之间的部分空间包括一种折射率不等于1的介质的时候，使用光学距离，即几何距离乘以折射率。
在数字式反射镜设备(DMD)的不同区域上沿x方向聚焦经过色散的光信号的不同的光谱分量部分，如光线8、8`所示的两个特定的波长。数字式反射镜设备的方向应使它可以反射光信号，使所说光信号离开xz平面并且进入正的或者负的y方向，即，数字式反射镜设备的每个可倾斜元件都可以围绕平行于x轴的一个轴倾斜。这个区域的一个部分(即这些元件的一个部分)安排成可以将入射到其上的经过色散的光信号反射到检测器11。相应的可倾斜的反射表面的方向应使对应的反射指向检测器11。这个区域的另一部分安排成可以阻止入射到其上的经过色散的光信号被反射到检测器11。相应的可倾斜的反射表面的方向应使对应的反射指向一个束流收集器。这种情况示意地表示在图5B中。通过聚焦元件9再一次聚焦所说的反射，随后通过检测器11检测通过这些元件反射的光信号，检测器11在这里是一个光电二极管。按照另一种方式，还可以使用任何其它的适合于根据加权光信号的强度提供电信号的检测器。检测器定位在与光栅相同的z位置，但在高于或低于光栅的位置，即不同的y位置。这是一种远心设计。
在图5B的实施例中，多变量光学元件10是一个数字式反射镜设备，几乎整个表面都由可倾斜的反射表面组成。按照另一种方式，这个表面的一部分或者甚至于整个表面都可由反射表面形成，这个反射表面是固定的，不是可倾斜的。下面参照附图11A和11B给出这种情况的一个例子。
在图4、5A、5B的实施例中，多变量光学元件具有两个功能收集(dumps)应该由另外的光谱滤波器测量的经过色散的光信号的那些部分，并引入应该由这个光谱滤波器测量的经过色散的光信号的这些部分的适当的幅值，即对于每个波长的灰度。幅值调节通过在信号路径和收集路径之间快速重复的可倾斜反射表面来实现，与例如用在投影设备或显示器中的基于数字式反射镜设备的光阀类似。
安排一个如图1所示的计算元件19，以计算正和负信号之间的差。这个差值与光信号的主分量的幅值成比例。主分量的幅值与物质的浓度即被分析物的浓度有关。幅值和浓度之间的关系可以是线性关系。
当主分量只包括正的分量或只包括负的分量的时候，只使用一个光谱滤波器、一个多变量光学元件和一个检测器。
图4、5A、5B的实施例的优点是对准光束路径相当简单。在这个实施例中，在光谱滤波器4、5中由于通过分束器22第一次分束光信号使部分光信号丢失。例如，光信号中与加权函数的正的部分对应的那些部分在用于测量由加权函数的负的部分加权的光信号的光谱滤波器中被收集。对于与加权函数的负的部分对应的、并且在用于测量由加权函数的正的部分加权的光信号的光谱滤波器中被收集的光信号，情况也是这样。在这个实施例中，使用两个光栅6和两个多变量光学元件10。然而，使用一个同样的色散元件6和/或一个同样的多变量光学元件10的两个分开的光学路径也是实际可行的，例如参见图8A和8B。
在图6A和6B所示的光学分析系统的实施例中，光信号不是通过分束器分开的，以便分别光谱滤波光信号的正的部分和负的部分。因此，在多变量光学元件中没有光信号是不必要地损失掉的，有效地使用了光信号。进而，可以只使用一个光栅和一个多变量光学元件。总体思路是不在光信号入射到色散元件上之前分裂光信号，而是例如在经过色散的光信号入射到多变量光学元件10之后分裂光信号。不是收集离开多变量光学元件的两个反射之一，而是通过聚焦元件9使用和收集这两个反射，与图5A和5B类似。这些反射之一包括光谱加权函数的正的部分P的光谱分量，另一个反射包括光谱加权函数的负的部分N的光谱分量。因为光信号首先要经过光谱色散，所以不同的光谱分量在多变量光学元件10上入射到不同的位置，在图6A和6B所示的例子中在不同的x位置。因此，在不损失部分光信号的情况下，就可以实现分裂成正的部分和负的部分。
在图6A和6B的实施例中，光信号的光束直径为5mm。光束首先由色散元件6光谱色散，色散元件6是一个光栅，所说的光栅对于特定的波长在色散的xz平面具有偏离光轴即偏离z轴11度的衍射角。在非色散的yz平面，色散元件不改变束位置。入射在光栅上的光信号来自样品2，并且在xz平面内传播。通过聚焦元件9将经过色散的光信号聚焦到反射式多变量光学元件10上。在图6A和6B的例中，聚焦元件9是一个透镜，它的焦距是50mm。对于一个特定的波长，表示出聚焦在多变量光学元件10的一个特定区域的一根光线。在图6A和6B中没有表示出来的另外的一些波长以离开色散元件6不同衍射角被衍射，但是相应的光线在经过以下将要描述的各次反射和折射后全都到达相同的位置，在这个例子中是在(x，z)＝(0，-120)mm。在图6A和6B中没有表示出来的其它的波长聚焦在多变量光学元件10的其它区域。根据特定的波长是包括在光谱加权函数的负的部分N中还是包括在光谱加权函数的正的部分P中，接收这个波长的多变量光学元件部分将其反射到用于正的部分P和用于负的部分N的两个折叠式反射镜23P和23N之一上。在到对应的折叠式反射镜23P或23N的路径上，通过聚焦元件9重新准直相应的光线。折叠式反射镜23P和23N的位置在(y，z)＝(+/-22mm，-15mm)，并且在yz平面中旋转6度。折叠式反射镜23P和23N引导入射在其上的光，使其经过聚焦元件9到达多变量光学元件10的另外的区域。在图6A和6B的例子中，这些另一些区域分别在正的和负的y值，而首次反射光信号的多变量光学元件10的区域是在y＝0。代替同样的一个多变量光学元件的3个不同的区域，使用2个或3个不同的多变量光学元件。如果使用2个或3个多变量光学元件，一个、两个、或者所有的多变量光学元件都可按照反射方式或者透射方式进行操作。在图6A和6B的例子中，单个数字式反射镜设备用作柔性的即可调节的多变量光学元件。数字式反射镜设备具有可倾斜元件，可倾斜元件具有反射表面。所说的可倾斜元件中的每一个在yz平面中都倾斜正或负12度角。换言之，在3个不同的区域照明多变量光学元件照明靠近y＝0的并且沿色散的x方向延伸的第一中心条，以便分开正的光谱部分和负的光谱部分。其次，照明在这个中心条上边的一个长条，即，在正的y值并且再一次地沿色散的x方向延伸的长条，用于引入例如正的部分所需的幅值或者灰度，并且照明在这个中心条下边的一个长条，即，在负的y值并且再一次地沿色散的x方向延伸的长条，用于引入例如负的部分所需的幅值或者灰度。
此时，多变量光学元件为每个光谱分量引入适当的幅值，即按照光谱加权函数使光信号产生光谱灰度，其产生的方式与图4、5A、5B的实施例的方式类似。对于光信号的每个光谱部分，在多变量光学元件的一个专用区域上进行幅值的这种调节。将要检测的所有的光都由聚焦元件9俘获，并且将这些光引向两个检测器，一个检测器11P用于正的部分，另一个检测器11N用于负的部分。通过在(x，y，z)＝(0，9，-120)和(0，-9，-120)mm处设置检测器11P和11N，可以独立地测量由第一光谱加权函数加权的光信号和由第二光谱加权函数加权的光信号。第一光谱加权函数和第二光谱加权函数可以对应于例如如图3所示的光谱加权函数的正的部分P和负的部分N。
图6A和6B的光学分析系统20相对于xz平面是对称的。
如图6A和6B所示，折叠式反射镜23P和23N没有定位在与色散元件6相同的y位置。以此方式，使正的部分和负的部分在空间上相互分开，从而可以使这两个部分的方向分开。对于图6A和6B的参数进行选择，以使对于所有颜色以及对于正的部分和负的部分这两个部分的光路在离开多变量光学元件10的第二次反射之后都能够避开折叠式反射镜23P、23N和色散元件6。这种设计可能需要具有足够大的俘获角的聚焦元件，以便不致于损失任何光。聚焦元件9的最终f数约为F#/1.0。准确值可能取决于反射表面的角度和/或色散元件6的色散强度。
在如图7所示的另一个实施例中，在共焦检测方案中，光信号从一个点源14进入光学分析系统20，点源14例如可以是针孔式的。从点源14开始将发散的光信号引向色散元件6，色散元件6是一个凹面光栅，凹面光栅可使经过色散的光信号在多变量光学元件上成像，所说的多变量光学元件可以是一个数字式反射镜设备。在第一步，通过以合适的占空比切换可倾斜元件将必要的灰度加到光谱上。对于每个光谱部分，向束流收集器18反射光的不期望存在的部分。向另一个聚焦元件29(它是一个凹面镜)反射具有期望光谱强度的光谱。这个凹面镜向数字式反射镜设备的另一部分重新聚焦所说的光谱。在离开数字式反射镜设备的第二次反射时，光谱分裂成第一分量和第二分量，它们可能对应于分别由光谱加权函数的正的部分P和负的部分N加权的光信号。然后，将这两个分量引向两个检测器11N、11P。通过第一凹面光栅的一个不同部分、分离光栅、或者一个或多个聚焦元件如透镜或反射镜，就可以实现这一点。
按照另一种方式或者附加地，第一分量和第二分量可以分别对应于第一主分量和第二主分量。在图7的实施例中，经过色散的光信号在多变量光学元件的沿色散元件6的色散方向沿一条直线取向的区域上聚焦两次。这将简化了对于原理的理解。在可以更加有效地使用多变量光学元件的这个实施例的一个变形中，将两个光谱作为两个平行线投影到多变量光学元件上，即，一个光谱在图7的平面的上方或下方，另一个光谱可以在这个平面内。
在图8A和8B的实施例中，通过一个衍射元件6(可以是光栅或棱镜)使光信号光谱色散。反射式多变量光学元件可以是例如像素化的元件，如液晶单元的阵列或反射性电润湿单元的阵列。首先，通过使用例如50/50分束器(未示出)，使入射的光信号分离为两个光束。由光谱加权函数的正的部分P加权的光束以及由光谱加权函数的负的部分N加权的光束平行地传播，并且在不同的y位置但相同的x和z位置入射到衍射元件6上。在衍射元件上，使所说的光进行光谱色散，即，光信号的不同光谱部分衍射不同的角度。通过两个聚焦元件9N、9P(如透镜)来收集色散的光信号，每一个聚焦元件用于每一个入射光束。从光栅到对应的透镜9N、9P的距离和从对应透镜9N、9P到多变量光学元件10的距离是相等的，并且对应于透镜的焦距(远心设计)。其结果是，对于所有的光谱部分，会聚的光锥垂直地入射到在xz平面中的多变量光学元件10上。在反射式多变量光学元件10上的不同x位置接收不同的光谱部分，不同的光谱部分对于两个特定的波长用标号8和8`表示之。将多变量光学元件10安排成可以以一个反射系数反射入射的经过色散的光信号，所说的反射系数随x位置的变化而变。这就引入可构成光谱加权函数的适当的灰度。
在反射离开多变量光学元件10以后，通过聚焦元件9P、9N收集所说的光，并且将所说的光引向两个检测器，一个检测器11P用于检测通过与光谱加权函数的正的部分P对应的第一光谱加权函数加权的光信号，另一个检测器11N用于检测通过与光谱加权函数的负的部分N对应的第二光谱加权函数加权的光信号。两个透镜9P、9N的光轴是平行的，但在y方向有位移，因此，离开多变量光学元件10反射的光可以与衍射元件6空间分离。
当多变量光学元件10的反射率是偏振相关的时候，即例如像包括反射式液晶单元的多变量光学元件的情况那样，多变量光学元件10的效率通常受到限制，因为多变量光学元件10只对具有特定偏振态的光才能工作。在图9A和9B中所示的实施例中，使用一个有效的光学分析系统20，光学分析系统20包括具有反射式液晶单元的阵列的一个多变量光学元件10。在光信号进入光谱仪之前，将所说的光信号分离成4个光束，其中的2个光束是s偏振的，另2个光束则是p偏振的。然后，例如通过一个半波长板或者通过倾斜反射镜的一个序列，将p偏振的光束转换成s偏振的光束。这4个光束入射到色散元件6上。
在这个实施例中，多变量光学元件10是反射式液晶单元的一个阵列，每个反射式液晶单元都包括3个元件透过s偏振光的偏振片、液晶分子层、和反射表面。根据加到对应的液晶单元上的电压引发的液晶分子的取向，偏振片吸收由反射表面反射的部分光。以此方式，对于经过光谱色散的光信号进行加权。
通过使用例如常规的50/50分束器(未示出)首先将入射的光信号分离成两个光束。由实线表示的这两个光束之一通过对应于光谱加权函数的正的部分P的第一光谱加权函数来加权，由虚线表示的这两个光束中的另一个通过对应于光谱加权函数的负的部分N的第二光谱加权函数来加权。这两个光束平行传播。
将这两个光束中的每一个分离成具有不同偏振态的两个光束，例如一个是s偏振，另一个是p偏振。由粗线表示的一个光束具有可透过偏振片的偏振方向，在这个例子中是s偏振。在色散元件6之前这个光束的偏振不改变。由细线表示的另一个光束具有被偏振片吸收的偏振方向，即，在此例中是p偏振。例如通过一个半波长板，可使这个光束的偏振在色散元件6之前旋转90度。偏振改变的光束在y方向不平行于偏振保持不变的光束。
4个最终的光束在不同的y位置但相同的x和z位置入射到衍射元件6上，衍射元件6是一个光栅。在衍射元件6上光发生光谱色散。通过两个聚焦元件来收集经过光谱色散的光，一个聚焦元件9P用于通过对应于光谱加权函数的正的部分P的第一光谱加权函数加权的光信号，一个聚焦元件9N用于通过对应于光谱加权函数的负的部分N的第二光谱加权函数加权的光信号。从光栅到对应的透镜的距离和从对应的透镜到多变量光学元件的距离这两者是相等的，并且与对应透镜的焦距相当(远心设计)。
其结果是，对于光信号的所有的光谱部分，向多变量光学元件10会聚的光锥垂直入射到多变量光学元件10上。在多变量光学元件10的不同x位置接收不同的光谱部分。对于作为反射式像素化元件的多变量光学元件10进行安排，使其可以按照随x位置的变化而变的反射系数来反射入射的经过色散的光信号，由此可按照光谱加权函数引入所需的光谱加权。在反射离开多变量光学元件10之后，再一次地通过聚焦元件9P、9N收集所说的光，并且将所说的光引向4个检测器一个检测器11PP用于检测通过可以对应于光谱加权函数的正的部分P的第一光谱加权函数加权的光信号的p偏振部分；一个检测器11PS用于检测通过可以对应于光谱加权函数的正的部分P的第一光谱加权函数加权的光信号的s偏振部分；一个检测器11NP用于检测通过可以对应于光谱加权函数的负的部分N的第二光谱加权函数加权的光信号的p偏振部分；一个检测器11NS用于检测通过可以对应于光谱加权函数的负的部分N的第二光谱加权函数加权的光信号的s偏振部分。
两个聚焦元件9P、9N的光轴是平行的，但在y方向有位移，因此离开多变量光学元件10的反射光与衍射元件6空间分离。
在图10A、10B、10C所示的另一个实施例中，多变量光学元件10包括液晶单元的一个阵列。与以上参照附图4、5A、5B、8A、8B、9A、9B描述的实施例相比，在这个实施例中，入射的光信号在色散元件6之前不是分成用于正的部分和负的部分的两个光束。在这个实施例中使用的液晶单元与以上参照附图9A、9B描述的相似，但不包含偏振器。其结果是，除了在液晶分子层中的不期望的损耗以外，几乎所有的入射光都受到了反射，然而由于各向异性折射率，可能使光的偏振方向发生变化，通过在液晶单元上施加电压可以调节所说的各向异性折射率。在图10A中，只表示出一个入射光束，它只有s偏振光。入射光可能是非偏振的或者是部分偏振的，例如线偏振或圆偏振。在这些情况下，可将入射光束分解成具有s偏振和p偏振的两个光束，这与以上参照附图9A、9B描述的实施例类似。为清楚起见，在图10A、10B、10C中只画出了单个光束。
在图10A中，入射光是光信号中具有s偏振的部分，这一部分平行于z轴方向。入射光入射在色散元件6上，在该处光信号进行光谱色散，即，不同的光谱部分在不同角度色散。通过聚焦元件9至少部分地收集经过色散的光信号，聚焦元件9是一个透镜，并且经过色散的光信号聚焦在多变量光学元件10上，多变量光学元件10是反射式液晶单元的一个阵列。从光栅到透镜的距离与从透镜到液晶单元的距离是相等的，并且对应于透镜的焦距(远心设计)。其结果是，对于光信号的所有的光谱部分，朝向多变量光学元件10传播的会聚光锥垂直地入射在xz平面的多变量光学元件10上。多变量光学元件10的不同x位置对应于光信号的不同光谱部分。
在聚焦元件9和多变量光学元件10之间设置一个偏振式分束器(PBS)15。入射的s偏振光透过偏振分束器(PBS)15。液晶单元的阵列不包含任何偏振滤波器，因此，可以反射几乎所有的入射在它上面的光。光的偏振方向改变的大小取决于液晶单元上的电压。偏振旋转的大小由对应光谱范围内光谱加权函数的绝对值确定。从液晶单元反射的光引向偏振分束器15。在偏振式分束器15上入射的光的p分量被偏振分束器15反射，并通过另一个聚焦元件17聚焦在束流收集器18上。入射在偏振分束器15上的光的s分量透过偏振分束器15，并且入射在折叠式反射镜23上。从折叠式反射镜23到透镜的距离不等于透镜的焦距。通过折叠式反射镜23反射的光通过聚焦元件9聚焦在多变量光学元件10上。因为折叠式反射镜23相对于入射光的方向相差一个很小的角度，所以由折叠式反射镜23反射的光在不同的z位置到达多变量光学元件10。还有，与第一次反射的x位置相比，在液晶单元(6)上的光的x位置相对于光轴发生了映像(reflected)。
对于波长与回归矢量的正值对应的光，偏振不由液晶单元改变。这个s偏振的光第4次透过偏振分束器，并且由透镜(4)聚焦在检测器(3)上。对于波长与回归矢量的负值对应的光，偏振由液晶单元旋转90度。这个p偏振的光由偏振式分束器反射，并且由透镜(7)聚焦在检测器(9)上。
在这个实施例中，液晶单元不包含偏振器。因此，反射所有的光，并且只可改变光的偏振方向。
入射光不在聚焦元件9的光轴上，因此入射光和返回的光不会叠加，因而可以使用折叠式反射镜23。优选地，在聚焦元件上入射的入射光对于聚焦元件9的光轴来说是离轴的，并且大体上垂直于色散元件6的色散方向，从而允许使用相当小的透镜直径。
从色散元件6到聚焦元件9的距离和从聚焦元件9到多变量光学元件10的距离这两者都可等于聚焦元件9的焦距(远心设计)。其结果是，对于所有的光谱分量，会聚的光锥垂直地入射在xz平面中的多变量光学元件10上。
从聚焦元件9到检测器11S的距离可以等于聚焦元件9的焦距。在这种情况下，检测器11S可具有相当小的面积。
从多变量光学元件10到聚焦元件17的距离和从聚焦元件17到束流收集器18和/或检测器11P的距离分别等于聚焦元件9的焦距(远心设计)。
从折叠式反射镜23到聚焦元件9的主平面的距离可以不同于聚焦元件9的焦距(非远心设计)。以此方式，检测器11S可以有与色散元件6不同的位置。
在图11A、11B中所示的实施例中，光学分析系统1包括另一个色散元件9，用于在第一检测器5上聚焦光信号的第一部分之前对于光信号的第一部分进行光谱组合。在这个实施例中，光信号从点源14进入光学分析系统1，点源14在共焦检测方案中例如是一个针孔。光学分析系统1包括透镜15，用于准直光信号；色散元件2，它是一个光栅；和聚焦元件3，它是一个圆柱形透镜。将聚焦元件3安排成可以将经过色散的光信号聚焦在分配元件4上。在这个实施例中，对于如图12所示的分配元件14进行安排，使其可以朝聚焦元件3向后反射经过色散的光信号，以便重新准直。然后，还要对经过重新准直的光信号实现光谱色散，这就限制了将光信号聚焦成一个相当小的光点大小的可能性。为了对于光信号进行光谱组合，要将光信号发送到另一个色散元件9，另一个色散元件9在这个实施例中是色散元件3，即，色散元件3和另一个色散元件9集成在一个光栅内。通过透镜15将通过第一光谱加权函数加权的并且经过光谱组合的光信号以及通过第二光谱加权函数加权的并且经过光谱组合的光信号聚焦在第一检测器5和第二检测器6上。
要说明的是，在实施例中提供的光学设计不是唯一可能的设计。除了参数的微小变化之外，其它的方案，尤其是对于在不同方向的反射和不同的检测器位置的方案，都是可以想像出来的。
权利要求
1.一种用于确定光信号的主分量的幅值的光学分析系统(20)，所说光学分析系统包括一个多变量光学元件(10)，用于反射光信号并由此通过光谱加权函数加权所说的光信号；和一个检测器(11)，用于检测加权的光信号。
2.根据权利要求1所述的光学分析系统(20)，还包括一个色散元件(6)，用于对光信号进行光谱色散，将所说多变量光学元件安排成可以接收经过色散的光信号。
3.根据权利要求2所述的光学分析系统(20)，其中多变量光学元件(10)包括一个用于接收经过色散的光信号的一个光谱部分的区域，这个区域的反射率与光谱加权函数相关。
4.根据权利要求2所述的光学分析系统(20)，其中多变量光学元件(10)包括一个用于接收经过色散的光信号的一个光谱部分的区域，这个区域的一个部分安排成可以向检测器反射在其上入射的经过色散的光信号，这个区域的另一个部分安排成可以阻止在其上入射的经过色散的光信号向检测器反射。
5.根据权利要求4所述的光学分析系统(20)，其中所述这个区域的一个部分包括可倾斜的反射表面。
6.根据权利要求3或4所述的光学分析系统(20)，其中这个区域包括一个反射式液晶单元。
7.根据权利要求3或4所述的光学分析系统(20)，其中这个区域包括一个反射式电润湿单元。
8.根据权利要求2所述的光学分析系统(20)，其中所说的检测器包括用于检测由第一光谱加权函数加权的光信号的第一检测器(11P)，和用于检测由第二光谱加权函数加权的光信号的第二检测器(11N)，将多变量光学元件(10)安排成可以向第一检测器(11P)反射由第一光谱加权函数加权的经过色散的光信号的第一部分，并且可以向第二检测器(11N)反射由第二光谱加权函数加权的光信号的第二部分。
9.根据权利要求1或8所述的光学分析系统(20)，其中多变量光学元件(10)包括通过第一个部分加权函数加权光信号的第一多变量光学元件和用于通过第二个部分加权函数加权由第一个部分加权函数加权过的光信号的第二多变量光学元件。
10.根据权利要求1所述的光学分析系统(20)，还包括一个光源(1)，用于提供照明样品(2)的光，样品(2)包括具有一定浓度的物质并且因此能产生主分量，主分量的幅值与物质的浓度有关。
11.一种血液分析系统(40)，包括根据权利要求10所述的一个光学分析系统(20)，所说的样品包括血液。
12.一种确定光信号的主分量的幅值的方法，所说的方法包括如下步骤通过一个多变量光学元件(10)反射光信号，所说的多变量光学元件(10)具有与光谱加权函数对应的光谱反射率；和检测由多变量光学元件(10)反射的光信号。
全文摘要
一种用于确定光信号的主分量的幅值的光学分析系统(20)，所说光学分析系统包括一个多变量光学元件(10)，用于反射光信号并由此通过光谱加权函数加权所说的光信号；和一个检测器(9、9P、9N)，用于检测加权的光信号。光学分析系统(20)还包括一个色散元件(6)，用于对光信号进行光谱色散，将所说多变量光学元件安排成可以接收经过色散的光信号。血液分析系统(40)包括一个按照本发明的光学分析系统(20)。
文档编号G01N21/27GK1729388SQ200380106841
公开日2006年2月1日 申请日期2003年12月19日 优先权日2002年12月19日
发明者F·J·P·舒尔曼斯, M·C·范贝克, L·P·贝克, W·H·J·伦森, B·H·W·亨德里克斯, R·F·M·亨德里克斯, T·斯蒂芬 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司