(57)【要約】本発明は、患者の血液のような対象物を分析する、特に分光分析装置である分析装置と、対応する分析方法とに関する。血管の内側にある共焦点検出ボリュームに狙いを定めるために、直交偏光されるスペクトル撮像（ＯＰＳＩ）が使用され、皮膚における毛細血管の位置を特定する。血管のＯＰＳ撮像に対し僅かにシフトされた撮像平面を備える撮像システム（ｉｍｇ）は、自動焦点合わせを提供することを提案している。共焦点ラマン検出平面（ｄｐ）は、これら２つの撮像平面（ｉ１，ｉ２）間に置かれる。前記撮像平面（ｉ１，ｉ２）に対する焦点外れの測定される量に基づいて、撮像システム（ｉｍｇ）の焦点合わせ、ターゲット領域を励起するための励起システム（ｅｘｓ）、及び検出システム（ｄｓｙ）は、前記共焦点検出平面（ｄｐ）が血管（Ｖ）の内部に置かれるために、既定された量と等しいように前記焦点外れの量の差が調節される。これにより、高い精度で常に自動焦点合わせすることが達成される。本発明は、動いている対象物（ｏｂｊ）のポイントを常に追尾するための光学トラッキングシステムにも関する。
2006520900.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
対象物を分析する、特に分光分析装置である、分析装置において、
−励起ビームを放出して、ターゲット領域を励起するための励起システム、
−モニタリングビームを放出するモニタリングビーム源と、前記ターゲット領域を撮像するための撮像システムとを有するモニタリングシステム、
−前記励起ビームにより生成される、前記ターゲット領域からの散乱放射を検出するための検出システム、
−所定の距離だけ離れた少なくとも２つの略平行な撮像平面上に前記撮像システムの焦点合わせをすると共に、既定の距離だけ離れて前記撮像平面に略平行且つ中間にある検出平面上に前記励起システム及び前記検出システムの焦点合わせをするための焦点合わせ手段、
−前記少なくとも２つの撮像平面に対し、前記撮像システムの前記検出平面からの焦点外れの量を決める焦点外れ検出手段、並びに
−前記撮像平面と前記検出平面との間の前記既定の距離及び決められた焦点外れの量に基づいて、前記少なくとも２つの撮像平面に対する前記決められた焦点外れの量の差が既定量に等しいように、前記撮像システム、前記励起システム及び前記検出システムの前記焦点合わせを共通に変更するように、前記焦点合わせ手段を制御する自動焦点合わせ手段
を有する分析装置。
【請求項２】
前記焦点合わせ手段は、前記検出平面から等距離だけ離れている２つの撮像平面上に前記撮像平面の焦点合わせをして、前記自動焦点合わせ手段は、各撮像平面に対する焦点外れの量が略等しいように、前記焦点合わせ手段を制御する請求項１に記載の分析装置。
【請求項３】
前記撮像システムは、各々が前記撮像平面の一方に焦点合わせをされる２台のカメラを有する請求項１に記載の分析装置。
【請求項４】
前記撮像システムは、１台のカメラと、前記少なくとも２つの撮像平面上に前記カメラの時間分解焦点合わせをする、特に前記少なくとも２つの撮像平面上に交互にカメラの焦点合わせをする焦点制御手段とを有する請求項１に記載の分析装置。
【請求項５】
前記焦点外れ検出手段は、メリット関数を使用することにより、前記焦点外れの量を決める請求項１に記載の分析装置。
【請求項６】
前記メリット関数は、特に、ゾベル勾配演算子により決められるような、前記画像又は関心のある領域における全てのピクセルにわたる輝度勾配の合計又は平均である請求項１に記載の分析装置。
【請求項７】
前記モニタリングビーム源は、異なる波長範囲の部分的なモニタリングビームを放出するための２つの光源と、前記分的なモニタリングビームを結合して前記モニタリングビームにするビーム結合ユニットとを有する請求項１に記載の分析装置。
【請求項８】
前記モニタリングビーム源は２つの別個の波長範囲の光を通すフィルタを有する単一の白色光源を有し、前記撮像システムは色感度検出のための撮像手段を有する請求項１に記載の分析装置。
【請求項９】
前記モニタリングビーム源は、狭帯域又は広帯域の光源である、５９０ｎｍより下の波長の単一の光源、フィルタ、及びモノクロの撮像システムを有する請求項１に記載の分析装置。
【請求項１０】
前記モニタリングシステムは直交偏光されるスペクトル撮像である請求項１に記載の分析装置。
【請求項１１】
対象物を分析する、特に分光分析方法である分析方法において、
−励起ビームを放出して、ターゲット領域を励起するステップ、
−モニタリングビームを放出して、撮像システムにより前記ターゲット領域を撮像するステップ、
−前記励起ビームにより生成される、前記ターゲット領域からの散乱放射を検出するステップ、
−所定の距離だけ離れた少なくとも２つの略平行な撮像平面上に前記撮像システムの焦点合わせをするステップ、
−既定の距離だけ離れて前記撮像平面に略平行且つ中間にある検出平面上に前記励起システム及び前記検出システムの焦点合わせをするステップ、
−前記少なくとも２つの撮像平面に対し、前記撮像システムの前記検出平面からの焦点外れの量を決めるステップ、並びに
−前記撮像平面と前記検出平面との間の前記既定の距離及び決められた焦点外れの量に基づいて、前記少なくとも２つの撮像平面に対する前記決められた焦点外れの量の差が既定量に等しいように、前記撮像システム、励起システム及び検出システムの前記焦点合わせを共通に変更するように、前記焦点合わせ手段を制御するステップ
を有する分析方法。
【請求項１２】
動いている対象物のポイントを常に追尾するための光学トラッキングシステムにおいて、
−前記追尾されるポイント上に焦点合わせをするターゲットシステム、
−モニタリングビームを放出するモニタリングビーム源と、前記ターゲット領域を撮像するための撮像システムとを有するモニタリングシステム、
−所定の距離だけ離れた少なくとも２つの略平行な撮像平面上に前記撮像システムの焦点合わせをすると共に、既定の距離だけ離れて前記撮像平面に略平行且つ中間にある検出平面上にターゲットシステムの焦点合わせをするための焦点合わせ手段、
−前記少なくとも２つの撮像平面に対し、前記撮像システムの前記検出平面からの焦点外れの量を決めるための焦点外れ検出手段、並びに
−前記撮像平面と前記検出平面との間の前記既定の距離及び決められた焦点外れの量に基づいて、前記少なくとも２つの撮像平面に対する前記決められた焦点外れの量の差が既定の量に等しいように、前記撮像システム及びターゲットシステムの前記焦点合わせを共通に変更するように、前記焦点合わせ手段を制御する自動焦点合わせ手段
を有する光学トラッキングシステム。
【請求項１３】
前記ターゲットシステムは、前記対象物の前記追尾されるポイントに焦点合わせをする、光ビームを放出する光ビーム発生手段、特にレーザビームを放出するレーザを有する請求項１２に記載の光学トラッキングシステム。
【請求項１４】
レーザ手術、レーザ切断、レーザ接合、レーザシェービング、光線力学療法、放射線治療、リモートセンシング並びに照準合わせ及び追尾の分野に用いる請求項１２に記載の光学トラッキングシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、患者の血液のような対象物を分析する、特に分光分析装置である分析装置と、対応する分析方法とに関する。その上、本発明は、動いている対象物のポイントを常に追尾する光学トラッキングシステムに関する。
【０００２】
一般に、分光分析装置のような分析装置は、検査すべき対象物の構成を調査する、例えば生体内の血液にある様々な分析対象物(analytes)の濃度を測定するのに用いられる。特に、分析装置は、例えば可視光、赤外線又は紫外線放射のような入射電磁放射と、対象物の物質との相互作用に基づいた分析、例えば分光分解を用いる。
【背景技術】
【０００３】
励起システム及びモニタリングシステムを有する分光分析装置は、ここで参照として含まれるWO02/057759号から既知である。この励起システムは励起ビームを放出し、励起期間中、ターゲット領域を励起する。モニタリングシステムは、モニタリングビームを放出し、モニタリング期間中、ターゲット領域を撮像する。この励起期間とモニタリング期間とは殆ど重複している。故に、このターゲット領域は前記励起と一緒に撮像され、ターゲット領域及び励起エリアの両方を表示する画像が形成される。この画像に基づいて、励起ビームはとても正確にターゲット領域に向けられることができる。
【０００４】
局部的な構成を同時に撮像し、スペクトル分析するWO02/057759 A2から知られる分析方法は、共焦点ビデオ撮像するための及びラマン励起用の別々のレーザにより行われるか、又は撮像及びラマン分析を合成するための単一のレーザを用いることにより行われるかである。WO 02/057759 A2にも記載された直交偏光されるスペクトル撮像（ＯＰＳＩ）は、人間の皮膚における毛細血管を視覚化するのにも用いられる、器官の表面に近い血管を視覚化する簡単、安価且つ強い方法である。皮膚の表面に近い毛細血管は約１０μｍの直径を有する。共焦点を検出するために、集められたラマン信号のソースは、三次元で５×５×５μｍ3よりも小さなサイズのスポットの内側にうまく閉じ込められる。これは、毛細血管に焦点を置いた場合、皮膚組織からの背景信号を持たない、血液からのラマン信号を集めることを可能にする。このスポット位置は、皮膚の表面より下にある血管の深さだけでなく血管のラテラル方向の位置も１μｍ又はそれよりもよい分解能であることが知られている場合、可能である。
【０００５】
血管の効果的な背景照射のために、ＯＰＳＩは本質的に二次元技術である。深さの情報だけは、画像における焦点合わせ（又は焦点外れ）の量の影響により得られる。０．８よりも高い開口数（ＮＡ）を持つ対物レンズが用いられる場合、皮膚における被写界深度は０．５よりも下である。これにより、画像分析に基づく正確な焦点合わせアルゴリズムを用いて、血管の深さを知ることが可能である。
【０００６】
既知の自動焦点合わせ方法は、撮像ビーム及び共焦点励起ビームを関心のある対象物に焦点合わせをする対物レンズの軸方向の位置を走査するのに基づく一方、焦点（又は焦点外れ）の量を定量化するためには、メリット関数を測定する。最良の焦点はこのメリット関数の値を最適化することにより見つけられる。一般に、焦点位置を変更するための多くの可能性がある。例えば、対物レンズにおいて１つ又は２つのレンズが（カメラのように）動かされる又はシステムにおいて他のレンズが動かされるかである。さらに、例えばエレクトロウェッティング光学要素のような、システムにおける光学要素の形状を変化することも可能である。しかしながら、対象物が分からない場合、メリット関数の最大も分からない。従って、このメリット関数は、他の焦点位置に対する焦点の量に関する情報だけしか提供しない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、患者は、トランスバーサル(transversal)方向だけでなくラテラル(lateral)方向にも動く。これにより、共焦点検出の中心の最適な位置を常に測定及び調節することが必要とされる。撮像平面におけるトランスバーサル方向への動きは容易に検出される一方、（検出平面に垂直な）軸方向の動きを検出するのはかなり難しい。軸の動き又は焦点外れを検出する一般的な方法は、中心の最良の焦点位置の辺りで検出平面を常に動かすこと（いわゆるウォッブリング(wobbling)により行われる。これは、撮像システムにおける撮像用の対物レンズ又は他の光学要素を動かすことにより行われる。焦点が中心位置よりも前、又は後ろの方が良好である場合、この対物レンズの中心位置は変更される。既知のシステムにおいて、検出ボリュームは撮像平面に置かれる。これにより、この検出ボリュームは、最良の測定位置の周りを常に動いている。これは、共焦点検出ボリュームがわずかだけしか血管内に置かれないという欠点を持ち、皮膚のスペクトルと血液のスペクトルの混合を防ぐために、ラマン信号を取り入れるのはゲートされるべきである。これは、十分なラマン信号を集めるのに必要とされる時間を増大させ、その時間は、連続して記録する場合、既に少なくとも３０秒である。
【０００８】
他の欠点は、血流の変化により、毛細血管の形状及びサイズが常に変化するので、別の時間に取得された比較する画像が最良の焦点位置に不確定さを増してしまうことである。さらに、十分なラマン信号を集めるのにより多くの時間が必要とされる事実は、多くの暗電流(dark current)が取得される、又はより多くの読み取りノイズが加えられてしまうので、ラマンスペクトルのノイズを増す。
【０００９】
従って、本発明の目的は、撮像用の最適化された分析装置及び対応する分析方法、並びに検出ボリュームの位置を常に変更することなく、対象物の運動中でさえも、この対象物、特に血管に励起ビームの常に正確な自動焦点合わせを可能にする、対象物の分光分析を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本目的は、本発明に従い、
−励起ビームを放出して、ターゲット領域を励起するための励起システム、
−モニタリングビームを放出するモニタリングビーム源と、前記ターゲット領域を撮像するための撮像システムとを有するモニタリングシステム、
−前記励起ビームにより生成される、前記ターゲット領域からの散乱放射を検出するための検出システム、
−所定の距離だけ離れた少なくとも２つの略平行な撮像平面上に前記撮像システムの焦点合わせをすると共に、既定の距離だけ離れて前記撮像平面に略平行且つ中間にある検出平面上に前記検出システム及び前記励起システムの焦点合わせをするための焦点合わせ手段、
−前記少なくとも２つの撮像平面に対し、前記撮像システムの前記検出平面からの焦点外れの量を決める焦点外れ検出手段、並びに
−前記撮像平面と前記検出平面との間の前記既定の距離及び決められた焦点外れの量に基づいて、前記少なくとも２つの撮像平面に対する前記決められた焦点外れの量の差が既定量に等しいように、前記撮像システム、前記励起システム及び前記検出システムの前記焦点合わせを共通に変更するように、前記焦点合わせ手段を制御する自動焦点合わせ手段
を有する請求項１に記載の分析装置により達成される。
【００１１】
本目的はさらに、請求項１０に記載の対応する分析方法によっても解決される。本発明の好ましい実施例は、従属する請求項において定められる。
【００１２】
本発明は、異なる撮像平面（焦点合わせをする平面）において関心のある対象物（例えば血管）の少なくとも２つの画像を得る、すなわち、撮像システムの撮像平面が軸方向（モニタリングビームの方向）において僅かに隔てられているという考察に基づいている。共焦点ラマン検出の中心、すなわちターゲット領域（血管）を励起するための励起システムにより放出される励起ビームと、検出システムとが焦点合わせされる検出平面は、これら２つの撮像平面の中間に置かれ、これにより、撮像平面と検出平面との間の距離が既定され、分かる。撮像システム、すなわち撮像平面において取得される少なくとも２つの画像の焦点外れの量は、焦点外れ検出手段によりメリット関数を用いて決められる。関心のある対象物（例えば血管）のサイズ及び形状が分からないので、メリット関数は、焦点外れの相対的な量しか提供しない。この（相対的な）量は、次に焦点合わせ手段の制御に使用され、少なくとも２つの撮像平面に対する焦点外れの決められた量の間の差がこれら少なくとも２つの撮像平面に対する既定の量に等しいように、検出平面及び撮像平面の位置を共通に調節する。この情報に関しては、ラマン共焦点検出ボリュームは、関心のある対象物（例えば血管）の内部に常に正確に置かれることができる。
【００１３】
他の既知の自動焦点合わせ技術と比較すると、本発明は、測定中に対象物が動いても、この共焦点検出ボリュームが常に関心のある対象物の中心に置かれるという利点を提供する。好ましい実施例によれば、動いている要素は必要とされず、高い開口数を持つ単一の顕微鏡対物レンズが焦点合わせ手段として用いられることができる。検出平面が中心の最良の焦点位置の周りを常に動いている必要はない。
【００１４】
好ましい実施例によれば、正確には、検出平面の異なる側部に、好ましくは等距離だけ離れて置かれている２つの画像が取得される。焦点合わせ手段の制御は、各撮像平面に対する焦点外れの量が最終的には一定のオフセットと略等しいように適応する。これにより、各撮像平面に対し画像がどの程度焦点合わせされているかを、メリット関数により調査され、焦点合わせ手段は、各撮像平面に対する焦点外れの量が略等しくなるように適応する。分析中、患者が動く場合、この動きは、前記焦点合わせ手段が常に自動的に再調節されるように常に検出される。
【００１５】
他の好ましい実施例によれば、撮像システムは、例えばＣＣＤカメラ又はＣＭＯＳカメラのような２つのカメラを有し、これらカメラの各々は、撮像平面の一方に焦点合わせされている。両方のカメラは同時に関心のある対象物の画像を撮る。これにより、１つだけの顕微鏡対物レンズは、励起ビーム及び２つのカメラは共に個々の撮像平面又は検出平面それぞれに焦点合わせするのに必要とされる。代わりに、１つだけのカメラが使用され、この実施例において、焦点制御手段は、少なくとも２つの撮像平面上にカメラの時間分解焦点合わせをする、すなわち関心のある対象物の少なくとも２つの画像が後続して取得されるように適合し、これら少なくとも２つの撮像平面間において常に（交互に）変化する。１つのカメラの実施例において、カメラを少なくとも２つの撮像平面に時間分解焦点合わせをする、特にカメラを少なくとも２つの撮像平面に交互に焦点合わせをするための制御手段が供給される。これら焦点制御手段は、これにより、撮像システムの光路だけに置かれ、ラマンシステムの光路には置かれない。
【００１６】
異なる波長領域がカメラの異なる色領域（Ｒ，Ｇ又はＢ）と重複する場合、使用されるカメラは、標準のカラーＣＣＤカメラとすることができる。異なるピクセルに対し特別に設計された色感受性を備えるＣＣＤカメラを使用することも可能であり、すなわちダイクロイックミラー及び２つの単色カメラを使用することも可能である。ＣＣＤカメラの代わりに、ＣＭＯＳセンサ（及びフォトダイオードアレイ又は他のアプリケーション用の走査装置）を含む他の撮像装置も用いられることができる。単色のＯＰＳＩに対し、モノクロカメラが使用されることができる。
【００１７】
撮像システムの焦点外れの（相対的な）量は、好ましくはメリット関数を用いて決められる。このようなメリット関数の例は、画像全体又は関心のある領域におけるピクセル輝度の標準偏差である。このシステムが焦点合わせされる場合、シャープな輝度の遷移が無くなり、標準偏差が減少する。他の実施例は、画像全体又は関心のある領域におけるピクセル輝度の勾配の合計又は平均である。前記システムが焦点合わせされる場合、シャープな輝度の遷移が無くなり、勾配が減少する。（よく知られた）ゾベル勾配演算子は、例えばその勾配を計算することができるが、他の勾配演算子も可能である。
【００１８】
普通の自動焦点合わせ方法もメリット関数を使用する。しかしながら、本発明による異なる深さでの画像を取得する方法が有利である。上述したように、対象物が正確に分からない場合、絶対的な意味で焦点外れの量を定量化することは不可能である。既知の自動焦点合わせ方法において、このシステムの多くの設定に対し、焦点合わせの量が計算され、最良の焦点位置は、最大のメリット値を持つ位置に対応する。ここで、少なくとも２つの撮像平面における焦点合わせの量を測定することを提案する。しかし、絶対値が決められ、数値が求められるのではなく、単に相対的な値、例えば撮像平面に対する量の差が決められ、数値が求められる。
【００１９】
モニタリングビーム源に対し異なる実施例も可能である。このモニタリングビームを放出するための単一のレーザ、すなわち単一の白色光源を１つだけしか使用しないことも十分可能である。さらに、適切なフィルタが、生成した白色光ビームを、異なる色を持つ２つ以上のモニタリングビームに分割するのに用いられることもできる。好ましい実施例によれば、２つの別個の光源、特に発光ダイオード（ＬＥＤ）は、異なる波長エリアにおける部分的なモニタリングビーム放出するのに用いられ、これらビームはビーム結合ユニットにより、ターゲット領域を撮像するためのモニタリングビームに結合される。
【００２０】
このモニタリングシステムが上述した及びWO 02/057759 A1に記載されたように、直交偏光するスペクトル撮像に適していることが好ましい。
【００２１】
本発明は、上述した分析装置において使用されるだけではなく、動いている対象物のポイントを常に追尾する光学トラッキングシステムにも関する。この光学トラッキングシステムは、請求項１２に記載の追尾されるポイントに焦点合わせをするターゲットシステム、モニタリングシステム、焦点合わせ手段、焦点外れ手段及び自動焦点合わせ手段を有する。本発明は、撮像システムが動いているターゲットにおける特定の位置において、例えばレーザビームの焦点又は分光システムの検出ボリュームのようなポイントを常に三次元で位置特定し、追尾するのに使用されるどのシステムにも用いられる。実施例は、（生物医学的な）レーザ手術、レーザ切断、レーザ接合、レーザシェービング、光線力学療法、リモートセンシング及び軍事応用における照準合わせ及び追尾を含む。上述した分析装置は、上記光学トラッキングシステムを含むことに関する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
本発明は、図を参照してより詳細に説明される。
【００２３】
図１は、本発明による分析システムの第１の実施例の図表示である。この分析システムは、検査すべき対象物（ｏｂｊ）の光学画像を形成するための光学モニタリングシステム（ｌｓｏ）を含む。本実施例において、この対象物（ｏｂｊ）は、検査すべき患者の前腕の皮膚の一部である。この分析システムは、多光子又は非線形の光学処理により、前記対象物（ｏｂｊ）内に生じる光の分光分析のための多光子、非線形又は弾性若しくは非弾性散乱の光学検出システム（ｏｄｓ）も含む。図１に示される実施例は特に、ラマン分光装置の形態の非弾性ラマン散乱の検出システム（ｄｓｙ）を利用している。光学という用語は、可視光だけでなく、超音波放射及び赤外線、特に近赤外放射も含んでいる。
【００２４】
前記モニタリングシステム（ｌｓｏ）は、モニタリングビーム（ｉｒｂ）を発するためのモニタリングビーム源（ｌｓ）と、例えば患者の前腕（ｏｂｊ）の上方の真皮（Ｄ）内にある血管（Ｖ）のようなターゲット領域を撮像するための撮像システム（ｉｍｇ）とを有する。本実施例におけるモニタリングビーム源（ｌｓ）は、白色光源（ｌａｓ）、レンズ（ｌ１）及び５６０−５７０ｎｍの波長範囲の光を生成するための干渉フィルタ（図示せず）を有する。さらに、このモニタリングビーム（ｉｒｂ）を偏光させるための偏光子（ｐ）が設けられる。このモニタリングビーム源（ｌｓ）は、これにより、直交偏光されるスペクトル撮像（ＯＰＳＩ）に適応する。
【００２５】
ＯＰＳＩにおいて、偏光した光は、偏光ビームスプリッタ（ｐｂｓ）を介し、顕微鏡対物レンズ（ｍｏ）により皮膚（ｏｂｊ）に投射される。この光の一部は、表面から直接反射する（鏡面反射）。他の部分は、皮膚内に浸透する。ここで光は、吸収される前又は皮膚の表面から再放出される前に１回以上散乱する（拡散反射）。これら散乱する事象の何れかにおいて、入射する光の偏光がわずかに変化する。直接反射される又は皮膚に僅かだけ浸透する光は、再放出される前に数回だけ散乱し、その光の最初の偏光を殆ど保持するだろう。他方、皮膚により深く浸透する光は、多数の散乱事象を経験し、表面に向けて再放出される前に完全に偏光解消(depolarized)される。
【００２６】
第１の偏光子（ｐ）の向きに対し正確に直交に配向される第２の偏光子又は分析器（Ａ）を介して対象物（ｏｂｊ）を見る場合、皮膚の表面又は上層部分から反射される光は、大部分は抑えられているのに対し、皮膚に深く浸透した光は殆ど検出される。結果として、この画像は、後方照射されたように見える。５９０ｎｍより下の波長が血液により強く吸収されるので、血管はＯＰＳＩ画像では暗く見える。
【００２７】
一般的に、画像は、モノクロのＣＣＤカメラを用いて得られる。血管は、サイズ、形状及び血球の動きを用いて他の吸収構造物とは分離される。本実施例に使用される撮像システム（ｉｍｇ）は、前記対象物（ｏｂｊ）から偏光ビームスプリッタ（ｐｂｓ）を介して反射され、偏光されたモニタリングビーム（ｉｒｂ）の光に対し直交する偏光を持つ光だけを通過可能にする上述した分析器（ａ）を有する。前記光はさらに、レンズ（ｌ２）により焦点合わせされ、２つのＣＣＤカメラ（ＣＣＤ１、ＣＣＤ２）で受信するためにビームスプリッタ（ｂｓ）により分割される。これら２つのカメラは、以下に詳細に説明されるような、自動焦点合わせに使用される、対象物（ｏｂｊ）内にある２つの異なる撮像平面上に焦点合わせされる。
【００２８】
ラマン分光装置（ｏｄｓ）は、励起ビームを放出するための励起システム（ｅｘｓ）と、ターゲット領域からラマン散乱した信号を検出するための検出システム（ｄｓｙ）とを有する。この励起システム(ｅｘｓ)は、７８５ｎｍの赤外線ビーム（ｅｘｂ）の形式の励起ビームを生じさせるダイオードレーザとして構成されこともできる。無論、他のレーザも同様に励起システムとして使用されることができる。ミラーのシステム及び例えばファイバーが前記励起ビーム（ｅｘｂ）をモニタリングビーム（ｉｒｂ）に沿って、これら両方のビームを対象物（ｏｂｊ）上において焦点合わせをするための顕微鏡対物レンズ（ｍｏ）に伝えるためのダイクロイックミラー(dichroic mirror)（ｆ１）に励起ビーム（ｅｘｂ）を伝える。
【００２９】
このダイクロイックミラー（ｆ１）はさらに、散乱したラマン信号から戻りの（モニタリング）ビームを分離する。反射したモニタリングビームが撮像システム（ｉｍｇ）に送信される一方、前記対象物から弾性及び非弾性散乱したラマン光は、ダイクロイックミラー（ｆ１）において反射され、励磁ビームの光路に沿って戻される。非弾性散乱したラマン光は、次いで適切なフィルタ（ｆ２）により反射され、検出システム（ｄｓｙ）内のラマン検出路に沿ってＣＣＤ検出器を備える分光計の入力部に向けられる。ＣＣＤ検出器を備える分光計は、約１０５０ｎｍよりも小さい波長に対するラマンスペクトルを記録する検出システム（ｄｓｙ）に実装される。ＣＣＤ検出器を備える分光計の出力信号は、ラマン散乱した赤外線光のラマンスペクトルを表す。実際に、このラマンスペクトルは、励起波長に依存して、８００ｎｍを超える波長範囲で起こる。ＣＣＤ検出器の信号出力部は、スペクトル表示ユニット、例えばモニタ上に記録されたラマンスペクトル（ｓｐｃt）を表示するワークステーションに接続される。さらに、計算ユニット（例えばワークステーション）もラマンスペクトルを分析し、１つ以上の分析対象物の濃度を計算するために設けられる。
【００３０】
分析装置全般及びそれら装置の機能の詳細に関しては、上述したWO 02/057759A1において参照されている。
【００３１】
２つのカメラ（ＣＣＤ１，ＣＣＤ２）は、撮像システム（ｉｍｇ）に設けら、血管（Ｖ）内における共焦点ラマンシステム（ｏｄｓ）を常に自動焦点合わせすることを達成する。これは、血液の分析中に、患者がトランスバーサル方向（ｘ，ｙ）だけでなくラテラル方向（ｚ）にも動くので必要とされる。これにより、共焦点検出の中心の最適な位置を常に測定及び調整することが必要とされる。トランスバーサル方向の動きは、撮像システムにより容易に検出されることが可能である一方、軸方向の動きを検出するのはかなり難しい。本発明によれば、これら２つのカメラ（ＣＣＤ１、ＣＣＤ２）は、これにより血管（Ｖ）のＯＰＳ画像を撮るが、しかしながら、これら２つのカメラの撮像平面は、軸方向（ｚ）に僅かに離れている。これは図２に詳細に示されている。第１のカメラ（ＣＣＤ１）は、ラマン励起システム及び検出システム（ｅｘｓ，ｄｓｙ）がその面上に焦点合わせをする検出平面（ｄｐ）より上にあり、且つ平行な第１の撮像平面（ｉ１）上に焦点合わせをするのに対し、第２のカメラ（ＣＣＤ２）は、前記検出平面（ｄｐ）より下にあり、且つ平行な第２の撮像平面（ｉ２）上に焦点合わせをする。これら２つの撮像平面（ｉ１，ｉ２）間の距離（ｄ）は、前記対物レンズ（ｍｏ）の被写界深度くらいであるか、又は僅かに大きい、特に０．５から２０μｍの範囲である。好ましくは、検出平面（ｄｐ）から撮像平面（ｉ１，ｉ２）への距離（ｄ１，ｄ２）は、同じであり、固定されている。
【００３２】
別々の撮像平面（ｉ１，ｉ２）上に焦点合わせをする２つのカメラ（ＣＣＤ１、ＣＣＤ２）により取得される２つの画像から、両方のカメラに対するメリット関数を用いて、焦点外れ検出手段（ｄｄｍ）により焦点を外れた量が測定される。焦点を外れた量の決められた差、及び撮像平面（ｉ１，ｉ２）と検出平面（ｄｐ）との間の既知の距離（ｄ１，ｄ２）に基づいて、顕微鏡対物レンズ（ｍｏ）の位置は、両方のカメラ（ＣＣＤ１、ＣＣＤ２）により、同じ量の焦点の外れ又は（有利な場合は）一定のオフセットを用いて、血管（Ｖ）が撮像されるように自動焦点合わせ手段（ａｆｍ）により調節される。この情報を用いて、ラマン共焦点検出ボリュームは、血管（Ｖ）の中において常に且つ正確に置かれることができる。
【００３３】
メリット関数は、これにより画像から単数を計算するのに用いられる。メリット関数の形式に依存して、この数は、ある画像に対して最大又は最小である。自動焦点合わせに対するメリット関数は、最もシャープな画像において極値を持つように好ましくは選択される。しかしながら、このメリット関数の極値は、それぞれの対象物に対し異なっている。従って、対象物が正確に分からない場合、１回の測定からその画像が適切に焦点合わせをされたかを知ることができない。前記システムの別の設定に対するメリット関数の結果を比較することによってのみ、最適な焦点合わせとなる設定を決めることができる。簡単には、対象物が正確に分からない場合、メリット関数は、相対的である及び絶対ではないという意味しか持たないと言える。メリット関数の幾つかの例は、画像全体又は関心のある領域におけるピクセル輝度の標準偏差、及びこの画像全体又は関心のある領域におけるピクセル輝度の勾配の合計である。ゾベル(sobel)勾配演算子は、例えば勾配を計算することができる。他の勾配演算子でも可能である。
【００３４】
本実施例によれば、最良の焦点位置の付近において、メリット関数の値はこの最良の焦点位置より上及び下に対称的に変化する。これにより、２つの位置においてメリット関数が計算され、その結果が同じである場合、最適な焦点位置がこれら位置の間に正確に位置特定されなければならない。メリット値１（Ｍ１：図３参照）がメリット値２（Ｍ２）に比べ大きい場合、撮像平面１（ｉ１）は、撮像平面２（ｉ２）に比べより血管に近くになければならず、中心の焦点平面は上にシフトされなければならない。これにより、焦点位置がＭ１及びＭ２の相対値からどの方向にシフトされるべきかを常に分かっている。メリット関数の典型的な形状が図３に描かれている。本実施例では、Ｍ１がＭ２に比べて大きい又は小さいかをただ検出している。その結果に依存して、検出平面（ｄｐ）は、固定量（例えば１μｍ）だけ上に又は下に動く。これは最もシンプルな実施例である。さらに有利な実施例において、焦点外れの差から、ステップのサイズを決めることも可能である。
【００３５】
完全な画像が自動焦点合わせに用いられることができる。しかしながら、別の血管又はその一部は皮膚表面より下の異なる深さにある。それ故に、自動焦点合わせに最良なラマン測定位置の周りにある関心のある領域を使用することがより正確である。より高品質な画像での別のアプリケーションにおいて、焦点の深度の１％の精度が本発明による方法を用いて達成される。これにより、ラマン励起ビームの自動焦点合わせに対し、約１μｍの必要とされる精度が得られる。
【００３６】
本発明による分析装置の他の実施例が図４に示される。光学検出システム（ｏｄｓ）が同じである一方、撮像システム（ｉｍｇ）は異なり、この撮像システム（ｉｍｇ）において、ＣＣＤカメラ（ＣＣＤ１）を１つだけしか設けられてない。しかしながら、このカメラは異なる撮像平面におけるターゲット領域からの時間分解受信(time-resolved reception)に適している。これは、焦点制御手段（ｆｃｍ）により制御されるレンズ（ｌ２）の位置を変動させることにより、第１の撮像平面（ｉ１）と第２の撮像平面（ｉ２）との間にあるカメラ（ＣＣＤ１）の焦点を常に変化させることにより達成される。これにより、１つのカメラの場合、異なる撮像平面に対する焦点外れの量は、本実施例の場合でも最終的に、血管（Ｖ）における共焦点ラマンシステムの自動焦点合わせが達成されるように、上述したようなメリット関数を使用することにより決められることができる。
【００３７】
カメラ（ＣＣＤ１）の焦点を常に変化させるための代替方法は、カメラを動かすか又はエレクトロウェッティング(electro wetting)に基づく切り換え可能なレンズを用いることである。
【００３８】
上記において、白色光源及びフィルタを持つ単色のＯＰＳＩ実施例が記載されている。しかし、本発明は、以下のことを含む多くの異なる実施例にも適用可能である。
ａ）５９０ｎｍより下の波長の単一の光源、及びモノクロの画像モジュール（ＣＣＤカメラ、ＣＭＯＳセンサ）を持つ単色のＯＰＳＩ実施例であり、ここで光源は、フィルタを備え、狭帯域（ＬＥＤ，レーザ（ダイオード））又は広帯域（ランプ）とすることができる。
ｂ）２色／多色のＯＰＳＩ実施例（原則的に、２色以上の色が前記画像から追加の情報を抽出するのに用いられる）であり、以下のものを持つ、
ｂ１）一方は６００ｎｍより上、もう一方は５９０ｎｍより下の２つの色を備える単一の光源であり、これは白色光源の前に２つの送信領域を供えるフィルタを配置することにより、又は２つの異なる色を放出する特別な光源（例えば２つの色を持つＬＥＤ）を用いることにより行われることができ、異なる色を持つ２つ以上の光源及びビーム結合器を用いることも可能である単一の光源、
ｂ２）異なる光源の色に感応する異なるピクセルを備える、カラーカメラ又はセンサであり、これは、普通のＲＧＢ感度曲線又は（ピクセルの組毎の特別なフィルタによる）特別な曲線とすることができ、ダイクロイックミラー及び２つのモノクロ画像センサを使用することも可能であるカラーカメラ又はセンサ、
ｂ３）単一の広帯域な（白色）光源及び異なるピクセルに対する異なる波長領域に対応する特別な感度曲線を持つ１つのカラーカメラを用いる、代わりに、光学路におけるダイクロイックミラー及び特別なフィルタを備える２つのモノクロカメラが使用されることができる単一の広帯域な（白色）光源、
ｂ４）切り換え可能なスペクトルを備える単一の光源、又は交互に切り換わる別々の波長領域の光を放出する２つの光源であり、モノクロカメラはこのとき異なる色を持つ画像を交互にキャプチャするのに用いられることができる単一の光源。
【００３９】
既知の自動焦点合わせ技術と比較して、本発明による方法は、共焦点検出ボリュームが血液を分析する血管の中心に常に置かれることが可能である利点を有する。比較されるこれら画像は、好ましくは同時に測定される。さらに、動いている要素は２つのカメラの実施例には必要とされず、単一の高い開口数の対物レンズはモニタリングシステム及び光学的検出システムに使用されることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明による分析システムの第１の実施例の図表を示す。
【図２】本発明により用いられる原理を説明する。
【図３】メリット関数の用法を説明する。
【図４】本発明による分析システムの第２の実施例の図表を示す。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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