(57)【要約】この発明は、好ましくは多変量分光計として組み付けられる多変量分光システムの自動較正方法を提供する。分光システムは投射光学信号のスペクトルを測定する多変量光学要素に基づき構成される。そのスペクトルの測定は、スペクトル成分を空間的な分離し、空間光モジュレータにより空間フィルタ処理することにより実施される。分光システムは、その位置が特徴的な較正又は投射光学信号の基準周波数に対応する、空間光モジュレータの専用調節セグメントにより較正される。較正又は基準周波数は、関心体積における散乱プロセスを誘導するための光源から発生する励起放射の周波数から導き出されることが好ましい。
2008510982.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
関心体積からの戻り放射を含む光学信号の主成分を測定する分光システムであって、該分光システムは、
・関心体積に透過し得る励起光を発生させる光源、
・関心体積からの戻り放射を集光させる対物レンズ、
・第一方向にある戻り放射のスペクトル成分を空間的に分離する分散光学要素、
・戻り放射のスペクトル成分を変調させる空間光操作手段であって、第一位置に基準セグメントを有し、該基準セグメントは励起光を少なくとも部分的に透過する該空間光操作手段、
・基準セグメントを透過した放射を検出する少なくとも第一の検出器、及び、
・該第一の検出器により検出された放射に基づき光学分析システムを較正し得る制御ユニットを具えることを特徴とする分光システム。
【請求項２】
請求項１に記載の分光システムであって、前記基準セグメントはスリット開口部を具え、前記第一位置は励起光の周波数に対応している分光システム。
【請求項３】
請求項１に記載の分光システムであって、前記制御ユニットは前記第一方向に前記空間光操作手段を移動し得る分光システム。
【請求項４】
請求項１に記載の分光システムであって、前記励起光の周波数を修正するために、前記制御ユニットは前記光源を制御し得る分光システム。
【請求項５】
請求項１に記載の分光システムであって、前記制御ユニットは前記分散光学要素を回転又は移動し得る分光システム。
【請求項６】
請求項１に記載の分光システムであって、前記空間光操作手段修正可能型であり、更には前記制御ユニットが該空間光操作手段を修正することができる分光システム。
【請求項７】
請求項１に記載の分光システムであって、前記少なくとも第一の検出器は、第一方向に沿って分離された少なくとも二つの検出セグメントを有するセグメント化された検出器を具える分光システム。
【請求項８】
請求項１に記載の分光システムであって、前記少なくとも第一の検出器は前記第一位置において、前記空間光操作手段に組込まれる分光システム。
【請求項９】
関心体積に透過し得る励起光を発生させる光源、関心体積からの戻り放射を集光させる対物レンズ、第一方向の戻り放射のスペクトル成分を空間的に分離する分散光学要素、及び、戻り放射のスペクトル成分を変調させる空間光操作手段を有する分光システムを較正する方法であって、該方法は、
・少なくとも第一の検出器により、励起光を少なくとも部分的に透過し、かつ該空間光操作手段の第一位置に位置する空間光操作手段の基準セグメントを透過する放射を検出するステップと、
・該少なくとも第一の光検出器により検出された放射に基づき分光システムを較正するステップとを含むことを特徴とする方法。
【請求項１０】
請求項９に記載の方法であって、分光システムの較正が、基準セグメントを透過する放射を最大値とすることを含む方法。
【請求項１１】
請求項９に記載の方法であって、分光システムの較正が、
・前記空間光操作手段を前記第一方向に移動するステップ、並びに／又は、
・前記光源を制御することにより前記励起光の周波数を修正するステップ、並びに／又は、
・前記分散光学要素を回転及び／若しくは移動するステップ、並びに／又は、
・該空間光操作手段の空間透過パターンを再構成するステップを更に含む方法。
【請求項１２】
関心体積に透過し得る励起光を発生させる光源、関心体積からの戻り放射を集光させる対物レンズ、第一方向にある戻り放射のスペクトル成分を空間的に分離する分散光学要素、及び、戻り放射のスペクトル成分を変調させる空間光操作手段を有する分光システムを較正するコンピュータプログラム製品であって、該コンピュータプログラム製品は、
（ａ）該空間光操作手段の基準セグメントを透過した放射を検出することに応答して発生する、少なくとも第一の検出器の第一出力信号を保存すること、
（ｂ）該空間光操作手段の位置を第一方向に沿って修正した後に、並びに／又は、励起光の周波数を修正した後に、並びに／又は、分散光学要素の開始位置及び／若しく配置を修正した後に、並びに／又は、空間光操作手段の空間透過パターンを再構成した後に、該少なくとも第一の検出器の第二出力信号を保存すること、
（ｃ）該少なくとも第一の検出器の該第一出力信号及び第二出力信号を比較すること、
（ｄ）該少なくとも第一の検出器により検出される該出力信号が放射の最大値を示すまで、（ａ）〜（ｃ）のステップを繰り返す、
ことができるコンピュータプログラム手段を具えるコンピュータプログラム製品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は光学分光学の分野に関する。
【背景技術】
【０００２】
分光技術は物質の組成を特定するために、広範に使用されてきた。光学信号、すなわち分光光学信号を分光分析することにより、物質内の特定の化合物の濃度を正確に測定することができる。特定の物質の濃度は、光学信号の主成分の振幅として、一般に得られる。
【０００３】
光学信号の主成分の振幅を測定する光学分析システムは従来技術として周知である。周知の分光分析システムは、例えば試料中においてどのような化合物がどのような濃度にあるかを分析し得るような分光分析システムである。試料と相互作用した光が、試料内に含まれる成分及びその濃度についての情報を含んでいることは周知のことである。それらの情報を有する光学信号を発生させるために、レーザ、ランプ、発光ダイオードなどを光源とする光を試料に投射するように、技術の基礎を成す物理的なプロセスは、光学分光技術に利用される。
【０００４】
例えば、光は試料に吸光されてしまう場合がある。また、公知の周波数帯域の光は試料に作用し、ラマンプロセスなどにより周波数帯域の異なる光を発生させる。透過した光及び／又は発生した光は、スペクトルである光学信号を構成する。周波数の関数である光学信号の相対強度は、試料中の化合物の組成及びその濃度を示す。
【０００５】
試料中の化合物の組成を同定し、その濃度を測定するためには、光学信号を分析する必要がある。従来技術の光学分析システムでは、光学フィルタを具える専用のハードウェアにより光学信号を分析してきた。この光学フィルタは、周波数に依存して透過を行い、すなわち、周波数に依存した透過により得られる分光の重み関数により光学信号を測定するように設計されている。スペクトルの重み関数は測定された光学信号の全強度、すなわち、フィルタにより透過された光により選択され、特定の化合物の濃度に直接的に比例している。また、かかる光学フィルタは、多変量光学要素（ＭＯＥ）として示される。光の強度は、光ダイオードなどの検出器により容易に検出することができる。全ての化合物について、固有のスペクトルの重み関数を有することを特徴とする専用の光学フィルタが使用される。その光学フィルタは、所望の重み関数を導き出す透過率を有する干渉フィルタなどとすることができる。
【０００６】
この分析スキームの構成の成功と実現のためには、スペクトルの重み関数を知ることが必須となる。かかるスペクトルの重み関数は、Ｎは整数としたとき、既知の濃度のＮ純粋化合物のＮスペクトルの一連の主成分分析などにより得られる。夫々のスペクトルは、Ｍを整数としたとき、Ｍ周波数異なる光学信号の強度を具える。一般に、ＭはＮよりも相当に大きな数値となる。Ｍ周波数に対応したＭ強度を有する夫々のスペクトルはＭ次元のベクトルを構成し、Ｍ化合物はそれらの強度に相当する。これらのベクトルは、主成分分析の核を成し、この技術分野において深く理解されている、特異値分解（ＳＶＤ）として知られる線形代数的プロセスにより処理される。
【０００７】
ＳＶＤの結果、ｎをＮ＋1よりも小さな自然数としたとき、Ｎスペクトルの一連の固有ベクトルＺｎが導き出される。その固有ベクトルＺｎはＮスペクトルの線形コンビネーションであり、しばしば主成分又は主成分ベクトルと称される。一般に、主成分は相互に直交しており、│Ｚｎ│＝１として標準化されたベクトルとして測定される。濃度がわからない化合物を含む試料の光学信号は、主成分Ｚｎを利用して、標準化された主成分に適切なスカラー乗数をかけあわせることにより、すなわちｘ1ｚ1＋ｘ２ｚ２＋・・・＋ｘｎｚｎにより説明することができる。ｎがＮ＋１よりも小さな自然数であるスカラー乗数ｘｎは、光学信号における主成分ｚｎの振幅とみなされる。夫々の乗数ｘｎは、Ｍ次元の周波数空間の光学信号をベクトルとして処理すること、及び主成分のベクトルをｚｎとしたときのベクトルの直積を計算することにより測定することができる。
【０００８】
その結果、標準化した固有ベクトルｚｎの方向に光学信号の振幅ｘｎが導き出される。その振幅ｘｎは、Ｎ化合物の濃度に対応している。
【０００９】
従来技術の光学分析システムにおいて、光学信号を表すベクトルと主成分を表す固有ベクトル間の直積の計算は、光学フィルタを用いて光学分析システムのハードウェアにより行われる。その光学フィルタは、主成分を表す固有ベクトルの成分に従う光学信号を測定する透過率を有しているので、主成分ベクトルはスペクトルの重み関数を構成することとなる。フィルタ処理された光学信号は、検出器により検出することができ、主成分の振幅、すなわち対応する化合物の濃度に比例した振幅の信号を発生させる。
【００１０】
とりわけ、光学分析システムを、血液中のグルコース濃度などの物質中の単一化合物の濃度を測定するために使用する場合には、その特定の化合物のスペクトルの重み関数に対応して設計された光学フィルタを使用することが好ましい。かかる専用光学フィルタは、透過率又は吸光度の特性を再構成する必要が無いことから、コスト効率を高くしつつも実現することができる。特定の化合物の濃度を測定するための光学分析システムは、プリズム又は格子などの分散光学要素、及びそれに対応する空間透過パターンを提供する光学フィルタにより組み付けることができる低コストＭＯＥに基づいて組み付けることができる。
【００１１】
このとき、試料から受容した試料中の組成を示すスペクトル成分を有する光学信号は、分散光学要素に入射する。この分散光学要素により、着信される光学信号は多様なスペクトル成分に分解される。したがって、分散光学要素は、入射した光学信号のスペクトル成分を空間的に分離する役割を果たす。この展開スペクトルは、分散光学要素により特定される方向に沿って展開されることが好ましい。例えば、スペクトルは、水平方向などの第一方向に沿って展開することができる。
【００１２】
スペクトルの光路に挿入された専用の空間透過マスクを使用することにより、展開スペクトルの専用のスペクトル成分を減衰させることができる、又は、更には完全にブロックすることができる。そのことから、空間透過マスクには、異なる透過特性を有することを特徴とする多数の領域を設けなければならない。スペクトルが水平方向に展開している場合には、空間透過マスクのこれら領域は、水平に整列して、垂直方向に等しく透過しなければならない。
【００１３】
また、垂直方向に等しくスペクトルを展開させることにより、空間透過マスクを垂直方向に整列した、２つ以上のセクションに分割することができる。夫々のセクションは、異なる空間透過パターンを有することを特徴としており、２つ以上の異なる方法によりスペクトルを同時に操作することを可能とする。
【００１４】
そのことから、垂直方向に２つのセクションに分割した場合には、空間透過マスクの上部セクションは、第一スペクトルの重み関数を効果的に導き出し、空間透過マスクの下部セクションは第二スペクトルの重み関数を効果的に導き出す。別々に操作されるこれら２つのスペクトルを個別に検出することにより、主成分の正の部分及び負の部分を個別に検出することができるので、化合物の濃度を表す振幅を測定するために、有効な充分量の情報を得ることができる。例えば、スペクトル測定機能の性の部分と負の部分を差を求めることにより、化合物濃度を表す信号を正確に導き出すことができる。
【００１５】
専用の空間透過マスクを分散光学要素と共に使用することにより、光学分析システムの低価格での組み付けを効果的に提供する。しかし、受容した光学信号のスペクトル成分が空間内を展開していることから、試験に供した光学信号のスペクトル成分をスペクトルとして正確に減衰させるために、空間透過マスクを適切に整列しなければならない。展開スペクトルと空間透過マスクとの相対的な位置の決定は重要であり、スペクトル又は透過マスクのいずれについてのわずかな移動であっても、光学分析の結果に重大な影響を与える。そのことから、光学信号の多変量光学分析に基づく分光分析において、正確で信頼性の高い較正機構が必要とされている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
この発明は、光学分析システムを較正用の光源を組み付けることなく較正する方法を提供することを目的としている。また、この発明は分光光学信号に基づき較正することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
この発明は、関心体積からの戻り放射に含まれる光学信号の主成分を測定する分光システムを提供する。かかる分光システムは、励起光を発生させる光源を具える。その励起光は関心体積内に透過することができる。分光システムは、関心体積からの戻り放射を集光する対物レンズを更に具える。そのことにより、関心体積からの散乱放射などの戻り光学信号を集光することができる。分光システムは、戻り放射の分光成分を第一方向に空間的に分離する分散光学要素と、戻り放射の分光成分を変調させる空間光操作手段とを更に具える。なお、空間光操作手段は、第一位置に基準セグメントを有する。その基準セグメントは励起光を少なくとも部分的に透過することができ、すなわち、この基準セグメントは関心体積内に透過される励起光と実質的に同一の周波数を有する放射を少なくとも部分的に透過することができる。そして分光システムは、空間光操作手段の基準セグメントを透過する放射を検出する少なくとも第一の検出器を更に具える。そして、分光システムは、少なくとも第一の検出器により検出される放射に基づき分光システムを変調させることができる制御ユニットを更に具える。
【００１８】
空間光操作手段とともに分散光学要素は、多変量光学要素（ＭＯＥ）を表す。一般に、空間光操作手段は、光学信号の多様な成分を選択的にブロックしたり、減衰させたりする空間透過パターンを具える。そのことから、スペクトルの重み関数を有効に導き出し、試験に供した関心体積内の化合物の濃度を測定することができる。分散光学要素により配置される光学信号の分散スペクトルに対する空間光操作手段の位置は、ＭＯＥによるスペクトルのフィルタ処理に大きな影響を与える。
【００１９】
また、空間分散スペクトルと空間透過マスクとの相対位置のみならず、温度によって変化する光源の発光特性によっても光学分析システムに大きな影響を与える。
【００２０】
空間光操作手段の基準セグメントは、光学分析システムを較正する効果的な手段となる。また、空間光操作手段の基準セグメントを透過し、少なくとも第一の検出器により検出される放射によって較正されることが好ましい。特に、少なくとも第一の手段により検出される光強度は、分光システムが正確に較正されている否かの充分な指標となる。検出された光強度が不充分な較正を表している場合には、空間光操作手段の基準セグメントを透過する光強度が正確な較正を表示するまで、すなわち、分光分析システムの光路が正確に整列されるまで、複数の異なる方法により制御ユニットが分光システムを較正する。
【００２１】
この発明に従う好ましい実施形態において、基準セグメントはスリット開口部を具え、その第一位置は励起光の周波数に実質的に対応している。そのことから、基準セグメントは、励起光の周波数に対応する空間光検出手段上の位置にスリット開口部として組み付けられる。このとき、励起光は分光分析システムを較正するための基準となる。一般に、励起光は、関心体積内に集束すると多様な散乱プロセスを誘導することができる狭いスペクトル帯域にあることを特徴としている。例えば、励起光は赤外光（ＩＲ）又は近赤外光（ＮＩＲ）のスペクトル範囲とすることもできる。それら励起光を関心体積内に集束させると、弾性的又は非弾性的な種類の複数の散乱プロセスが発生する。
【００２２】
そのことから、関心体積から発光される戻り放射は、弾性的及び非弾性的な散乱成分を具える。例えば、戻り放射の後方散乱した非弾性的な成分はラマン散乱プロセスにさらされ、戻り放射の弾性的な散乱要素は、投射励起光から実質的に影響されない後方散乱の周波数を除くレーリー散乱により生じる。一般的な分光のシナリオでは、戻り放射の少量の部分が、ストローク又はアンチストローク散乱プロセスなどの非弾性的な散乱プロセスにさらされることとなる。そのことから、戻り放射の少量部分のみが励起光に対して周波数がシフトすることとなる。したがって、戻り放射のスペクトルは、励起光の周波数においてピークを有することを不可避的に特徴とする。
【００２３】
この発明は、戻り放射中のスペクトルにおける励起光のピークを有効に利用する。そのことから、内在する励起光のピークは、スペクトル中の基準線を有効に提供する。
【００２４】
空間光操作手段の基準セグメントを透過した光の強度を検出して、検出された光強度を正確に較正された光学分析システムにおける対応する強度と比較することにより、光学分析システムの正確な又は不正確な較正に関する信頼性の高い情報が得られる。或いは、正確に較正された分光システムの基準強度の値がわからない場合に、制御ユニットは、空間光操作手段の基準セグメントを透過する光強度が、例えば最大値に達するまで、分光システムを較正する。
【００２５】
この方法により、光学信号のスペクトルに内在する励起光は、光学分析システムの較正に有効に利用される。そのことから、光学分析システムには、いかなる外付けの又は付加的な較正用光源についても組み付ける必要がなくなる。かかる較正用光源を励起光へと有効に交換することにより、較正用光源がミスアライメントによって分光システムの測定結果を劇的に改ざんしてしまうことを本質的に防止する。
【００２６】
この発明に従う更に好ましい実施形態において、制御ユニットは空間光操作手段を第一方向に沿って移動させることができる。そのことから、固定された空間光透過パターン又は再構築可能な空間光モジュレータ（ＳＬＭ）として組み付けられる空間光操作手段のミスアライメントを効果的に補償することができる。また、空間光操作手段は、制御ユニットにより制御し得るサーボ駆動移動ステージ上に取り付けられることが好ましい。
【００２７】
この発明に従う更に好ましい実施形態において、制御ユニットは光源を制御して励起光の周波数を修正することができる。そのことから、制御ユニットは励起光を発生させる光源の周波数を調整することができる。一般に、光源はＮＩＲ波長を発光するレーザ光源として組み付けられる。温度変化などの外部環境の変化により、発光された励起光の周波数は著しくドリフト又はオフセットすることとなる。このことにより、関心体積内の励起光により誘導される散乱プロセスの結果が大きく変更されることとなる。このとき、戻り放射のスペクトルは対応してシフトする及び／又は分光プロセスの効率が低下する。
【００２８】
また、空間光操作手段の基準セグメントを透過する光の強度は、分光システムを正確に較正した際に測定される期待最大強度とはならない。したがって、基準セグメントに透過される強度の低下の検出に応答して、制御ユニットは、温度に基づいた励起光の光源などの補償をするために、レーザ光源の較正を段階的に修正する。
【００２９】
この発明に従う更に好ましい実施形態において、制御ユニットは、分散光学要素を回転又は移動し得る。このことから、分散光学要素及び空間光操作手段から展開されるスペクトル位置の不一致を補償することができる。その分散光学要素は、制御ユニットにより電気的に制御される回転及び／又は移動ステージと機械的に連結することが好ましい。
【００３０】
この発明に従う更に好ましい実施形態において、空間光操作手段は、修正可能な空間光操作手段として組み付けられる。この実施形態において、制御ユニットは、空間光操作手段を更に修正することができる、すなわち空間光操作手段の空間光透過パターンを修正することができる。例えば、空間光操作手段を交差ポラライザと共に液晶（ＬＣセル）によって組み付けることができる。
【００３１】
ＬＣセルは電気的に制御可能であることが好ましく、空間的に分散したスペクトルの操作を可能とする。この実施形態において、分光システムの較正は、空間光操作手段を修正することにより実現される。この実施形態においては、空間光操作手段そのものをシフトする代わりに、空間光モジュレータの位置を一定にすることにより、空間光モジュレータの空間光透過パターンを、第一方向、すなわち戻り放射のスペクトル成分の空間分離方向に沿ってシフトすることができる。空間光操作手段を空間光モジュレータとして取り付けるには、再構成可能に基準セグメントを実現することを更に必要とする。そのことから、空間光モジュレータの再構成は、空間光透過マスクの再構成及び基準セグメントの位置の修正と同等である。
【００３２】
したがって、分光システムは制御ユニットを用いて、空間光操作手段を移動すること、空間光操作手段を修正又は再構成すること、分散光学要素を回転又は移動すること、及び、励起光を発生させる光源を較正又は調整することなどの多数の異なる方法により較正することができる。分光システムは、上記した一つの又は複数の較正技術に基づいて較正することができる。例えば、分光システムは、空間光操作手段を移動させて、レーザ光源を調整することで較正することができる。多様な較正技術は、同時に実施したり、連続して実施したり、又は任意に実施したりすることができる。
【００３３】
この発明に従う更に好ましい実施形態において、少なくとも第一の検出器は、スプリット検出器などの、第一方向に沿って少なくとも２つに分割される別々の検出セグメントを有するセグメント化された検出セグメントを更に具える。この方法により、空間光操作手段のミスアライメントを直接分類することができる。検出器セグメントにおいて、一方の検出セグメントにおいて検出された透過強度がその他の検出セグメントにおけるそれよりも大きくなることは、空間光操作手段が光学分析システム内で適切に配置されていないことを明示している。２つの検出器セグメントの配置に応じて、空間光操作手段の配置が失敗している方向を測定することができる。このことは、光学分析システムの早期較正を可能とする。
【００３４】
この発明に従う更に好ましい実施形態において、少なくとも第一の検出器は第一位置において空間光操作手段内に直接内蔵されている。その少なくとも第一の検出器は、空間光操作手段のスリット開口部の背面に堅固に取り付けられる、又は適切な寸法のものが利用できる場合には検出器そのものがスリット開口部となる。双方の場合において、基準セグメントを透過した光を少なくとも一つの第一検出器上に透過する又は集束させるためには、更なる光学部品は必要とされない。
【００３５】
また、この発明は、励起光を発生させる光源及び関心体積からの戻り放射を集光する対物レンズを有する分光システムを較正する方法を提供する。戻り放射は、関心体積内における励起光の散乱プロセスにより発生する。分光システムは、第一方向にある戻り放射のスペクトル成分を空間的に分離するための分散光学要素、及び、戻り放射のスペクトル成分を変調させる空間光操作手段を更に有する。分光システムを較正する方法は、光操作手段の基準セグメントを透過した放射を少なくとも第一の検出器を用いて検出する方法を具える。その基準セグメントは、少なくとも部分的に励起光を透過し、空間光操作手段上の第一位置に配置されている。かかる較正方法は、少なくとも第一の検出器により検出された放射に基づいて分光システムを較正するステップを更に具える。
【００３６】
更に、この発明に従う好ましい実施形態において、分光システムの較正は、基準セグメントを透過する放射を最大放射とするステップを更に具える。基準セグメント及び特には空間光操作手段上の基準セグメントの側方位置を特定する第一位置は、励起光のスペクトル線の位置に対応している。そのことから、励起光の周波数は、光学分析システムの較正の基準となる。戻り放射及び分光分析に供される分光シグナルが、励起光の周波数のスペクトル成分を本質的に有していることから、分光システムを較正する付加的な光源は必要とされない。この方法により、光源の較正が不適切な配置又は不適切な整列となるような誤った較正となることはない。
【００３７】
この発明に従う更に好ましい実施形態において、分光システムの較正は、第一方法に沿って空間光操作手段を移動すること、或いは／並びに光源を制御することにより励起光の周波数を修正すること、或いは／並びに分散光学要素を回転及び／又は移動すること、或いは／並びに空間光操作手段の空間透過パターンを再構成することを具える。
【００３８】
その他の側面から見ると、この発明は、光学分析システムを較正するコンピュータプログラム製品を提供する。分光システムは励起光を発生させる光源、及び関心体積内に励起光を透過する手段を有している。分光システムは戻り放射を集光する対物レンズ、第一方向にある戻り放射のスペクトル成分を空間的に分離する分散光学要素、及び戻り放射のスペクトル成分を変調させる空間光操作手段を更に有する。コンピュータプログラム製品は、少なくとも第一の検出器の第一出力信号を保存することができるコンピュータプログラム手段を更に具える。第一出力信号は、空間光操作手段の基準セグメントを透過した放射を検出することに応答して発生する。
【００３９】
また、コンピュータプログラム手段は、第一方向に沿った空間光操作手段の位置の修正をした後、及び／又は、励起光放射の周波数を修正した後、及び／又は、分散光学要素の開始位置及び／又は配置の修正をした後、及び／又は、空間光操作手段の空間透過パターンの再構成をした後に、少なくとも第一の検出器の第二出力信号を更に保存することができる。
【００４０】
更に、コンピュータプログラム手段は、少なくとも第一の検出器における第一出力信号及び第二出力信号を比較して、検出器の出力信号が、例えば最大透過放射を示すまで、分光システムを繰返し較正することが更に可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４１】
以下、この発明の好ましい実施形態を、図面を参照しつつ、詳細に説明する。
【００４２】
図１には、この発明の実施形態の分光システムの概略図を示す。分光システムは、光学信号の主成分の振幅を測定する光学分光システム２０を有している。分光システムは、主成分を構成する特定の濃度の化合物を含んだ試料２を照射する光を出射する光源１を更に有している。物質の濃度に応じて主成分の振幅が変更する。光源１は、例えば、ガスレーザ、色素レーザ及び／又は半導体レーザ若しくはダイオードレーザなどの固体レーザである。
【００４３】
その光学分光システム２０は血液分析システム２２の一部をなしている。また、血液分析システム２２は、主成分の振幅を測定して、化合物の組成を判定するコンピュータ要素１９を更に具えている。試料２には血管を含む皮膚を用いる。分析対象の物質は、グルコース、乳酸塩、コレステロール、オキシヘモグロビン、デオキシヘモグロビン、グリコヘモグロビン（ＨｂＡ１ｃ）、ヘマトクリット値、トリグリセリド、尿素、アルブミン、クレアチン、酸化値、ｐＨ、重炭酸塩などのいずれか一つの物質又は複数の物質である。これらの物質の濃度は、光学分光分析により非侵襲的に測定することができる。そして、光源１からの光は、ビームスプリッタ３に供給され、その光源からの光を皮膚下の血管へと反射される。その光は対物レンズ１２を用いて血管に集束される。国際公開第０２／０５７７５９号パンフレットに記載されているようなイメージングシステム及び分析システムを用いて、光は血管に集束される。
【００４４】
光源１により供給される光が血管内の血液と相互作用することで、ラマン散乱して発光することにより光学信号が発生する。このように発生した光学信号は対物レンズ１２により集光され、ダイクロイックミラー３へと送光される。光学信号は光源１から供給される光とは異なる周波数を有する。ダイクロイックミラーは、光学信号の少なくとも一部を透過するように構成されている。
【００４５】
その方法により発生した光学信号のスペクトル１００を図２Ａに示す。そのスペクトルは相当に広幅の発光バックグラウンド（ＦＢＧ）１０２及び相当に狭幅のラマン帯域（ＲＢ）１０４、１０６、１０８を具える。図２ＡのＸ軸は、光源１からの励起光の７８５ｎｍの周波数に対する周波数シフトを波数で表しており、図２ＡのＹ軸は、任意のユニット強度を表している。Ｘ軸は、ゼロ強度に相当する。ラマン帯域における周波数及びその強度、すなわち図中の位置及び高さは、図２Ｂに８０ｍＭ水溶液の濃度で水に溶解したグルコースに例示するように、分析対象物の種類を表す。図２Ｂの実線１１０は、グルコース及び水のスペクトルを示し、点線１１２はグルコース及び水のスペクトルとグルコースを含まない水のスペクトルとの差を表している。これらの帯域にあるスペクトルの振幅は、分析対象物の濃度を表す。
【００４６】
血液は、図２Ｂに示すような複雑な固有スペクトルを有する物質を多数含んでいることから、光学信号のスペクトル分析は相当に複雑なものとなる。光学信号はこの発明に従う分光システム２０に送られ、例えば図３に示す光学信号の重み関数を測定するＭＯＥにより光学信号は分析される。図３の重み関数は血液中のグルコース濃度を示す。かかる関数は正の領域Ｐと負の領域Ｎを有する。その正の領域Ｐと負の領域Ｎは夫々に一つ以上のスペクトル帯域を具える。
【００４７】
この明細書内において、収束部材とその他の光学要素との間の距離は、集束部材の主平面とその他の光学要素の主平面との間の光軸に沿った距離として規定される。
【００４８】
図１に示すコンピュータ要素１９は正の信号と負の信号の差を算出するために設けられている。この差は、光学信号の主成分の振幅に比例している。主成分の振幅は物質すなわち分析対象物の濃度に応じて異なる。振幅と濃度の関係性は線形に依存している。
【００４９】
図４は、血液分析システム２２及び光学分析システム２０をより詳細に示すものである。図中において、光学分析システム２０は、血液分析システム２２の一部として示されている。しかし、血液分析のみに制限されるものではなく、その他の多様な分光操作領域に対し実施することができるものである。図示された実施形態において、光学分析システム２０は、分散光学要素３０、レンズ３２、空間光透過マスク３４、及び二つの検出器４０、４２を具えている。その二つの検出器４０、４２の出力は制御ユニット６０に送られ、そして、制御ユニットは光学ビームの光路を操作し、光源１を較正又は調整することができる。
【００５０】
光源１としては近赤外光のスペクトル帯域にて操作されるレーザ光源が取り付けられる。光源は、ビームスプリッタ３に向かって投射する励起光５０を発生させる。ビームスプリッタ３及び対物レンズ１２を配設することにより、生物試料２の関心体積４内に励起光５０を集束させることができる。関心体積４内において、励起光は一般に多様な散乱プロセスを誘導する。特に、ストーク又はアンチストーク散乱プロセスなどの非弾性的な散乱プロセスは、関心体積４の成分を測定する分光分析に供するラマン分光を発生させる。一般に、ラマンスペクトルの一部は後方散乱し、励起光５０が送られる方向に対して反対の伝播方向へと送光され、再度対物レンズ１２内に投射される。集光された戻り放射はビームスプリッタ３を透過し、分散光学要素３０に投射される。
【００５１】
分散光学要素３０は、投射光ビームのスペクトル成分を空間的に分離する、透過又は反射格子、プリズム又はその他の分散要素などとして取り付けることができる。図４に示すように、分散要素３０は水平方向に投射された戻り放射のスペクトル成分を空間的に分離する。レンズ３２は、戻り放射の多様なスペクトル成分５２、５４を空間光透過マスク３４の異なる位置に集束する。空間光透過マスク３４の光透過パターンに応じて、戻り放射の多様なスペクトル成分は選択的に減衰又はブロックされる。このことにより、多変量光学分析に必要なスペクトルの重み関数を効果的に求めることができる。
【００５２】
関心体積４の特定の化合物の濃度に関する正確で信頼性の高い測定には、展開スペクトルと空間光透過マスク３４との相対位置とが高い相関性を示す必要がある。スペクトルの位置と透過マスク３４の水平配列の位置とのわずかな不一致が、戻り放射の光学分析及びスペクトル分析について不充分な結果へと導くこととなる。
【００５３】
透過マスクは、第一位置に基準セグメントとなるスリット３６を具えている。適切に整列した場合には、基準セグメント３６の位置は、戻り放射のスペクトル成分５２の位置に対応する。このスペクトル成分５２は、スペクトルの基準線となる。かかる基準線は、励起光５０の周波数により決定されることが好ましい。一般に、スペクトルは、非弾性的な散乱プロセスによるスペクトル成分だけではなく、散乱プロセスにより影響されない光学放射の周波数から出る弾性的な散乱プロセスによるスペクトル成分をも具えている。更に、弾性的な散乱放射は励起光の主要な部分を表している。したがって、スロット３６は励起光の周波数に対し、高い透過性を有する。そのことから、スリット３６を透過する放射は、制御ユニットに送り込まれる較正信号を発生し得る検出器４０により検出される。
【００５４】
透過マスク３４のスリット３８は、スリット３６とは異なる平行位置に配置されている。そのことから、励起光５０とは異なる周波数であることを特徴とする戻り放射のスペクトル成分が減衰する及び／又は透過する。一般に、透過マスク３４は、透過マスク３４上の異なる平行位置に多数のスリット３８を具えている。そのスリット３７、３８はスリット開口部として取り付けることができる。また、戻り放射の異なるスペクトル成分を多様な程度に選択的に減衰するために減光フィルタを使用することができる。
【００５５】
透過マスク３４は単一の空間透過パターンを提供する固定透過マスクとして組み付けることができる。このとき、関心体積４内の単一の特定の化合物の濃度を測定するための光学分析がなされる。関心体積４内の多様な化合物又は分析対象物については、透過マスク３４を、異なる化合物を多変量光学分析できる他の化合物に特異的な透過マスクへと交換することにより調査して、スペクトル分析することができる。
【００５６】
また、透過マスク３４は再構成可能な透過マスクとして組み付けられる。このことは、交差ポラライザ構成と液晶セルに基づき、透過マスク３４を組み付けることで実現される。
【００５７】
検出器４２は透過マスク３４を透過した放射を検出する。検出器４２上に多数の透過スペクトル成分を集光するために、いくつかの集束手段が透過マスク３４と検出器４２との間に配置されることが好ましい。したがって、検出器４２は、多数の透過されたスペクトル成分を検出することに応答して、出力信号を発生させる。そのことから、検出器４２の出力信号は、コンピュータ要素１９により算出することができる特定の化合物の濃度を直接的に表している。
【００５８】
検出器４０により発生する較正信号は、制御ユニット６０に送られ、そのことにより、透過マスク３４の平行位置を操作して、分散光学要素３０をシフト又は回転する、或いは光源を調整することができる。検出器４０により検出された光の強度が、光学分析システムの正確な較正に必要な強度に対応していない場合には、制御ユニットは光学要素３０、３４の配置又は開始位置を連続的に修正すること、又は検出器４０により検出される強度が必要な数値に達するまで光源１を調整することが可能である。また、制御ユニット６０は透過マスク３４の位置の走査して、検出器４０により検出された光強度を最大とすることができる。
【００５９】
このことにより、集光された戻り放射に内在される励起光成分は、光学分析システム２０の較正に有効に利用することができる。
【００６０】
図５は空間光透過マスク３４に対する二つの検出器４０、４２のその他の構成を示す。このとき、調整信号５２を検出することができる検出器４０はスリット３６の背面に直接位置している。このことから、透過された放射を検出器上に方向付けるためには、レンズなどのいかなる付加的な光学手段も必要しない。また、検出器４０を透過マスク３４に機械的に固定する又は機械的に接続することにより、検出器４０は透過マスク３４のいかなる移動をも追跡調査することができる。
【００６１】
更に、図５は、多変量光学分析のために、戻り放射５４の透過したスペクトル成分を検出器４２上に集束する集光レンズ５６を示す。
【００６２】
図６は透過マスク３４及び検出器４０の斜視図である。その透過マスクは、対応する戻り放射のスペクトル成分を透過する３つのスリット開口部３６、３８、３９を有することを特徴とする。特に、スリット開口部３６は透過マスク３４の基準セグメントとなるので、戻り放射５２の励起光のスペクトル成分を透過するように平行に配置される。
【００６３】
検出器４０は、少なくとも二つの検出セグメント６２、６４を有するスプリット検出器として組み付けられる。このことから、検出器４０は光学分析システムは適切に較正されているかを測定するだけでなく、スペクトルの空間的な分布と透過マスク３４との位置的な不一致に関する情報を提供する。例えば、検出器４０の二つの検出セグメント６２、６４が同等の透過強度を検出した場合には、光学分析システムが正確に較正されたかどうかの明確な表示となる。二つの検出セグメントのうち、一方の検出セグメントが他方の検出セグメントよりも大きな強度を検出した場合には、透過マスク３４を左右のいずれかにシフトする必要があるという情報が直接に得られる。このことから、少ない時間で光学分析システムを較正すること、すなわち透過強度の最大値を走査することを一方向のみに沿って行うことができる。
【００６４】
図７は、例えば光ダイオードを使用した場合の、この発明に従う較正方法を実施するフローチャートである。第一ステップ７００では、基準セグメント３６を透過した放射が検出される。次いで、この検出された光強度は、ステップ７０２において強度ＩＸとして保存される。測定された強度ＩＸが最大強度に達しており、そのことから光学分析システムが正確に較正されているかどうかを判定する基準強度が制御ユニットに保存されていない場合には、次いでステップ７０４において光学分析システムのシステムパラメータが修正される。システムパラメータの修正は、一般に空間透過マスク３４の移動、分散光学要素３０の移動又は回転、レーザ光源１の調整又は較正、及び透過マスク３４の空間光透過パターンの再構成により実施される。
【００６５】
これらシステムパラメータの修正は、単一のシステムパラメータの連続した修正又は多数のシステムパラメータの同時又は結合した修正のいずれかに対応している。ステップ７０４で実行されたそれらシステムパラメータの修正中又は修正後に、基準セグメントを透過した放射はステップ７０６において繰り返し検出される。そして、ステップ７０８において、対応する強度ＩＸ＋１を保存する。その後、ステップ７１０において、検出された光強度ＩＸ＋１及びＩＸを比較する。光学分析システムの構成におけるわずかに異なる較正の差に相当する二つの光強度の比較は、一般にそれらの絶対値の比較に相当する。
【００６６】
連続して検出された強度ＩＸ＋１が、その前に検出したＩＸよりも大きい場合には、ステップ７１４により強度ＩＸを強度ＩＸ＋１に置き換えて、この発明に従う方法が継続することとなる。この方法では、強度ＩＸは一時的に最大検出強度となる。ステップ７１４後には、この方法は７０４に戻り、再度光学分析システムのシステムパラメータを修正する。
【００６７】
検出された強度ＩＸ＋１がその前に検出された強度ＩＸよりも小さいような、その他の場合には、ステップ７０４において最終的な修正がなされずに、この方法ではステップ７１０後にステップ７１２が続きくこととなる。このとき、ステップ７０４で実施されるシステムパラメータの修正は、光学分析システムの較正の改善には結び付かない。そのことから、実施された修正はキャンセルされることとなる。ステップ７１４でキャンセルされた後に、この方法は、その他のシステムパラメータが修正の対象となるステップ７０４に戻る。
【００６８】
このとき、光学分析システムは、基準スペクトル成分の透過した強度の最大値を探すために繰返し較正される。
【００６９】
これらのことから、この発明は多変量に基づく分光計の自動較正法を提供する。得られたスペクトルの較正又は基準線として励起光を利用することにより、光学分析システムを較正するためにいかなる付加的な光源も必要としない。
【図面の簡単な説明】
【００７０】
【図１】血液分析システムの実施形態を示す概略図である。
【図２Ａ】皮膚下の血液から発生した光学信号のスペクトルを示す図である。
【図２Ｂ】皮膚下の血液から発生した光学信号のスペクトルを示す図である。
【図３】多変量光学要素として表されるスペクトルの重み関数を示す図である。
【図４】光学分析システムを概略して示すブロック図である。
【図５】検出器の一態様を概略して示すブロック図である。
【図６】空間光変調マスク及びそれに対応する検出器の斜視図である。
【図７】光学分析システムを較正するフローチャートである。
【符号の説明】
【００７１】
１  光源
２  試料
３  ビームスプリッタ
４  関心体積
１２  対物レンズ
１９  コンピュータ要素
２０  光学分析システム
２２  血液分析システム
３０  分散要素
３２  レンズ
３４  空間光透過マスク
３６  スリット
３８  スリット
４０  検出器
４２  検出器
５０  励起放射
５２  戻り放射
５４  戻り放射
５６  レンズ
６０  制御ユニット
６２  検出セグメント
６４  検出セグメント
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【国際調査報告】
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