(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
励起ビームを放射して励起期間中ターゲット領域を励起する励起システムと、
監視ビームを放射して監視期間中前記ターゲット領域を画像化する監視システムと、
を有する分光分析装置であって、
前記監視期間と前記励起期間は実質的に重複し、
当該分光分析装置はさらに、
前記励起ビームを前記ターゲット領域に導くよう前記励起システムを制御するトラッキングシステムと、
前記ターゲット領域の動きを表すエラー信号を生成する動き検出システムと、
を有し、
前記動き検出システムは、前記トラッキングシステムに接続され、前記エラー信号に基づき前記励起システムを制御し、前記監視ビームを介し前記ターゲット領域の連続する画像系列を受信し、該連続する画像系列から前記エラー信号を導出するよう構成される分光分析装置。
【請求項２】
請求項１記載の分光分析装置であって、前記トラッキングシステムは、さらに、前記監視システムを制御して、前記ターゲット領域に前記監視ビームを向けることを特徴とする分光分析装置。
【請求項３】
請求項２記載の分光分析装置であって、
当該分光分析装置はさらに、前記ターゲット領域の動きを表すエラー信号を生成する動き検出システムを備え、該動き検出システムは前記監視システムを制御するよう前記トラッキングシステムに接続されていることを特徴とする分光分析装置。
【請求項４】
請求項３記載の分光分析装置であって、前記動き検出システムは、前記励起ビームにより生成された散乱放射を受け取り、該散乱放射から前記エラー信号を導出することを特徴とする分光分析装置。
【請求項５】
請求項１記載の分光分析装置であって、
当該分光分析装置はさらに、前記励起ビーム及び／あるいは監視ビームの焦点深さを制御する深さ設定システムを備えることを特徴とする分光分析装置。
【請求項６】
請求項５記載の分光分析装置であって、前記深さ設定システムは、前記ターゲット領域への前記監視ビームの入射角の変化を制御するよう構成されることを特徴とする分光分析装置。
【請求項７】
監視期間中ターゲット領域を画像化するステップと、
前記監視期間と実質的に重複した励起期間中前記ターゲット領域を励起ビームにより励起するステップと、
前記励起期間と前記監視期間が重複する期間において、前記励起ビームを前記ターゲット領域に向けるよう励起システムを制御するステップと、
前記ターゲット領域の動きを表すエラー信号を生成するステップと、
前記エラー信号に基づき前記励起システムを制御するステップと、
監視ビームを介し前記ターゲット領域の連続する画像系列を受信し、該連続する画像系列から前記エラー信号を導出するステップと、
を有する分析装置の作動方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
一般に、考察対象のオブジェクトの組成を調べるために、分光分析装置のような分析装置が利用される。特に、可視光、赤外線あるいは紫外線のような入射電磁放射とオブジェクトの物質との相互作用に基づき、分析装置は分光分解のような分析を行う。
【０００２】
本発明は、分析装置に関し、特に、分光分析装置に関するものである。該分光分析装置は、励起ビーム（exb）を放射し、励起期間の間ターゲット領域を励起する励起システムと、監視ビーム（irb）を放射し、監視期間の間前記ターゲット領域を画像化する監視システムからなる。
【０００３】
このような分析装置は米国特許第6,069,690号において開示されている。
【０００４】
この既知の分析装置は、レーザ画像化システムと分光分析システムを統合したデュアルモードに関するものであり、半導体ウエハーのような工作物の不具合を観察及び分析するために利用される。この既知の分析装置は、２つの動作モード、すなわち、走査画像化モードと停止走査分光分析モードを備える。走査画像化モードでは、レーザビームとしての監視ビームが放射され、ターゲット領域が画像化される。停止走査モードでは、画像化とは別に励起のためにレーザービームが使用され、分光分析が実行される。しかしながら、この既知の分析装置は静止したオブジェクトのみの分析に適用される。
【０００５】
本発明の課題は、空間的に移動するターゲット領域の正確な分析を可能とする分析装置を提供することにある。
【０００６】
この課題を解決するため、本発明による分析装置は、監視期間と励起期間が実質的に重複し、励起ビームをターゲット領域に向けるよう制御可能なトラッキングシステム（osc, dcu）を備えるよう構成される。
【０００７】
本発明による分析装置は、ターゲット領域が移動するとき、励起ビームをターゲット領域に向けるため、励起システムを制御するトラッキングシステムを備える。特に、トラッキングシステムは、励起ビームをターゲット領域にフォーカスし続ける。ターゲット領域が移動し、励起ビームにより散乱放射が生成されている間、ターゲット領域の励起は継続される。本発明による分析装置は、分光分析の継続中に、移動するオブジェクトの詳細を追跡することができる。したがって、重要な詳細に関して感知可能な動きが起こったとしても、分光データの取得がリアルタイムで統合される。したがって、分光データの信号対雑音比はこの統合によって増加する。本発明による分析装置は、患者の皮膚における血管内の血液の生体内ラマン分光分析を実行するのに特に適している。患者の脈動する血流や筋肉の動きにより血管の動きが生じ、これにより、監視ビームにより形成される画像において、その画像の血管部分が動く。特に、患者の皮膚の表面化の毛細血管の感知可能な動きが生じうる。
【０００８】
好適には、トラッキングシステムはまた、監視システムを制御し、特に、トラッキングシステムはターゲット領域における監視ビームの焦点を制御する。励起期間と監視期間の重複期間で、ターゲット領域の励起及び監視が同時に及び/または交互に実行される。ターゲット領域は励起と共に画像化されるので、ターゲット領域と励起領域を表示する画像が形成される。この画像をもとに、励起ビームを高い精度でターゲット領域に向けることができる。この結果、励起ビームは、少なくともターゲット領域が励起ビームにより励起される領域に含まれるか、あるいは部分的に含まれるように、ほぼターゲット領域のみに散乱放射が生成される。ターゲット領域からの散乱放射が検出され、ターゲット領域の組成が散乱放射から導出される。監視ビームが空間的に移動するターゲット領域に継続的にフォーカスされるので、ターゲット領域の画像化とその監視が皮膚下の毛細血管のような移動するターゲットに対しても継続可能である。
【０００９】
励起ビーム及び/または監視ビームの方向付けは、ビームの空間的向きの制御とビームがフォーカスされる位置の制御に関係する。詳細な実施例を参照することにより詳述されるように、様々な光学的アレンジがそのような制御の実行に適している。
【００１０】
より好適には、監視ビームと励起ビームの両方が、ターゲット領域に向けられるようトラッキングシステムにより制御されることである。この好適な実施例では、ターゲット領域の移動中、監視ビームが画像化対象であるターゲット領域に維持される一方、ターゲット領域は励起ビームにより励起される。
【００１１】
本発明による分析装置の好適な実施例では、動き検出システムが、ターゲット領域の動きを決定し、動きを表すエラー信号を生成する。このエラー信号がトラッキングシステムに印加され、これをもとに、トラッキングシステムは励起システム及び/または監視システムを制御する。
【００１２】
動き検出システムには様々な実施例がある。例えば、動き検出システムはターゲット領域の連続画像系列を受信するよう構成されている。これらの画像には、ターゲット領域の周囲が含まれていることが好ましい。これらの画像は、監視ビームによりターゲット領域を画像化する監視システムにより供給される。連続画像から、動き検出システムはターゲットの動きを導出する。これを実行するため、連続する画像の中のその周囲とは異なる画像におけるある特定の形状及び/あるいは輝度に基づきターゲット領域を自動検出する画像処理アルゴリズムが利用される。
【００１３】
他の実施例による動き検出システムは、励起ビームにより生成された散乱放射を受け取る。例えば、毛細血管のラマン分光分析のような多くの適用事例において、散乱放射の強度あるいはスペクトル形状は、その周囲と比較して、ターゲット領域とは実質的に異なっている。特に、ターゲット領域の血管からのあらかじめ選ばれた波数領域におけるラマン散乱は、この血管に隣接する皮膚組織からのラマン散乱に比較して、かなり異なっている。本実施例による分析装置では、動き検出システムは、（特に、ラマン）散乱放射の強度からエラー信号を導出する。特に、動き検出システムは、エラー信号を得るために、基準値に対する散乱放射の強度を連続的に比較するよう構成されている。その後、エラー信号は、トラッキングシステムが励起ビーム及び/または監視ビームを制御できるようフィードバックとして利用される。これにより、エラー信号レベルを一定値に維持したり、あるいは所定の範囲に維持することが可能となり、励起ビームをターゲット領域に維持することが可能な安定レベルに散乱放射の強度を保つことが可能となる。
【００１４】
本発明による分析装置のさらなる好適な実施例においては、監視ビーム及び/あるいは励起ビームの焦点深さ（focus depth）を制御する深さ設定システムが備えられる。詳細な実施例で詳述されるように、これらのビームの焦点深さを制御するため、様々な光学的アレンジが利用されうる。好適な実施例による深さ設定システムは、監視ビームのターゲット領域への入射角を可変にするよう構成される。このとき、監視ビームの焦点におけるオブジェクトは監視システムにより形成される画像において静止している一方、監視ビームの焦点の外部にあるオブジェクトの画像は視差により仮視運動を受ける。ターゲットが画像化されるとき、その深さは様々な向きからの画像化に基づき決定され、仮視運動が観察される。その後、励起ビームが正確にターゲット領域の深さでフォーカスされる。監視ビーム及び/または励起ビームの焦点深さの制御は、本発明の分析装置の患者の皮膚の表面下の血管のラマン分光分析への適用に特に好適である。
【００１５】
本発明はまた、オブジェクトの分光不侵入分析方法に関する。本発明によるこの方法は請求項９に記載されている。この方法は、生体内血液の分光不侵入分析に特に好適である。
【００１６】
本発明の他の特徴は、従属クレームに記載される実施例を参照することによりさらに詳述される。
【００１７】
本発明の他の特徴は、以下で説明される実施例及び添付された図面を参照することにより明らかにされる。
【００１８】
図１は、本発明による分析システムの概略図である。本発明による分析システムは、考察対象であるオブジェクト（obj）の光学画像を形成する光学画像システム（lso）に光源（ls）を組み込んだ監視システムを備える。光学画像システム（lso）は共焦点映像顕微鏡（confocal video microscope）を形成する。本実施例では、オブジェクトは考察対象の患者の前腕皮膚の一部である。分析システムはまた、多光子（multi-photon）あるいは非線形光学処理によりオブジェクト（obj）内に生成された光の分光分析のため、例えば、多光子、非線形、弾性あるいは非弾性散乱光学検出システムを備えていてもよい。図１に示される例は、ラマン分光装置の形態での、非弾性ラマン散乱検出システム（dsy）を利用している。光学という用語は、可視光だけでなく、紫外線及び赤外線、特に、近赤外線をも含むものである。
【００１９】
光学画像システム（lso）の光源（ls）は、考察対象のオブジェクト、すなわち、皮膚への出力電力が15 mWである834 nmAlGaAs半導体レーザにより形成される。834 nm半導体レーザの赤外線監視ビーム(irb)は、出射焦点（exit focus）における光学画像システムにより、オブジェクト（obj）内あるいはオブジェクト上の焦点平面（focal plane）においてフォーカスされる。光学画像システムは、偏光ビームスプリッタ（pbs）、回転反射ポリゴン（pgn）、レンズ（11, 12）、走査ミラー（smm）及び顕微鏡対物レンズ（mo）からなる。フォーカスされた監視ビーム（irb）はポリゴン（pgn）を回転させ、走査ミラーを移動させることにより焦点平面上をシフトさせることができる。半導体レーザ（ls）の出射面は入射焦点（entrance focus）にある。半導体レーザはまた入射焦点における入射孔（entrance pinhole）を照射することができる。光学画像システムは、焦点平面から反射された光を戻りビームとして偏光ビームスプリッタ（pbs）を介してアバランシェフォトダイオード（apd）に導く。さらに、顕微鏡対物レンズ（mo）は、戻りビームの偏光が監視ビームの偏光に直交するよう1/4λプレートにより先行される。これにより、偏光ビームスプリッタ（pbs）は戻りビームと監視ビームを分離することができる。光学表示ユニットは、アバランシェフォトダイオードの出力信号を使って、考察対象のオブジェクト内あるいはオブジェクト上の焦点平面のモニタに表示される画像（img）を形成する。実際、光学表示ユニットはワークステーションであり、画像はワークステーションのプロセッサによりアバランシェフォトダイオードの出力信号から電子映像信号を導出することにより実現される。この画像は分光解析を監視するために使用され、特に、励起領域がターゲット領域に入り、ターゲット領域から散乱放射を受け取るようなターゲット領域を励起するために利用される。
【００２０】
ラマン分光装置（ods）は、この場合、850 nm赤外線ビーム（exb）で励起ビームを生成するArイオン/Tiサファイアレーザとして構成される励起システム（exs）を備える。Tiサファイアレーザは、Arイオンレーザにより光学的に活性化される。Arイオンレーザ光は、光学フィルタ（of）により抑制される。ミラーシステムにより、励起ビームは光学カップリングユニット（oc）に導かれ、光学カップリングユニットにより、励起ビームは監視ビーム（irb）に沿って導かれる。その後、顕微鏡対物レンズにより、励起ビームは監視ビームの焦点領域における焦点平面上にフォーカスされる。
【００２１】
光学カップリングユニット（oc）はビームコンビネーションユニットとして機能する。光学カップリングユニットにより、顕微鏡対物レンズの光主軸、すなわち、監視ビームと同一光路に沿って、励起ビームは導かれる。ターゲット領域からのラマン散乱放射は、光学カップリングユニット（oc）によりファイバ（fbr）の入口へ反射される。ラマン散乱赤外光は、ファイバエントランス（fiber entrance）（fbr-i）の前の顕微鏡対物レンズ（mo）とレンズ（13）により検出孔のファイバ入口にフォーカスされる。ファイバエントランスはそれ自身検出孔として機能する。半導体レーザのある入射焦点、考察対象オブジェクト（obj）の詳細領域における出射焦点、及びファイバエントランス（fbr-i）の検出孔との共焦点関係が、光学画像システムによって確立される。ファイバ（fbr）はCCD検出器（CCD）を備える分光計（spm）の入力に接続される。CCD検出器を備えた分光計は、約1050 nm以下の波長に対するラマン分光を記録する検出システム（dsy）に組み込まれる。CCD検出器を備える分光計の出力信号は、ラマン散乱赤外光のラマン分光を表す。実際、このラマン分光は、励起波長に依存して730 nmあるいは860 nm以上の波長領域で生じる。CCD検出器の信号出力は、例えば、モニタに記録されたラマン分光（spct）を表示するワークステーションのような分光表示ユニット（spd）に接続される。
【００２２】
光学カップリングユニット（oc）は、部分反射プレート（gp2）及び補正プレート（gp1）を備える。この部分反射プレート及び補正プレートは、例えば、厚さ1.5 mmのガラス板からなり、このガラス板が、監視ビーム及び励起ビームの平面に（好ましくは、垂直に）水平方向にそして互いに垂直に配置されている。顕微鏡対物レンズ側のガラスプレート（gp2）には、720〜740 nm及び860〜1050 nmの波長領域に対して0.80の反射率の酸化表面コーティング（ox）された光学フィルタコーティングがなされている。ガラスプレート（gp2）は、ラマン散乱光と監視ビームとを分離するビームスプリッタの形態による光学選択フィルタとして機能する。ガラスプレート（gp2）は、実質的に減衰なく監視ビームの赤外光を送信するが、監視ビームは屈折により若干シフトする。補正プレート（gp1）は、監視ビームを補正シフトし、補正された監視ビームはアバランシェフォトダイオード（apd）に正確にフォーカスされる。オブジェクト（obj）から部分的に反射された励起ビームはまた、光学カップリングユニット（oc）によりある程度まで送信され、反射された励起ビームはそれがオブジェクトに入射した光学画像（img）のスポット（spt）を示すのに利用されうる。
【００２３】
反射防止層（ar）が補正プレートの両側に備えられる。この反射防止層は、監視ビームがほとんど反射されないように、834 nmに対し0.015以下の反射率を有する。
【００２４】
図２は、図１に示された分析システムのトラッキングシステムの好適な実施例の詳細を示した概略図である。本実施例によるトラッキングシステムは、励起ビーム（exb）の移動に関する。励起ビームは、例えば、双方向の矢印により示されるように、ファイバエントランス（fbr-i）を動かすことによりシフトされる。励起ビーム（exb）は走査ミラー（smr）を備えた光スキャナ（osc）を介してシフトされてもよい。ファイバエントランス（fbr-i）の移動、光学スキャナの走査ミラーの移動、あるいはそれらの組み合わせたものの移動によって、励起ビーム（exb）がオブジェクト（obj）上を走査するとき、オブジェクトにおけるターゲット及びその周囲からの散乱放射強度は変化する。オブジェクトからの散乱放射は、ファイバ（fbr）を介して検出システム（dsy）に供給される。検出システムには、検出された散乱放射強度を基準信号と比較することにより、オブジェクト内のターゲットの動きを表すエラー信号を生成する比較ユニット（cmp）が備えられる。エラー信号（ers）は、ファイバエントランス（fbr-i）の移動を制御するファイバ移動制御ユニット（dcu）に印加される。さらに、エラー信号（ers）は、光学スキャナ（osc）に印加され、走査ミラー（smr）の移動を制御する。また、エラー信号は、励起ビーム（exb）の焦点深さを設定するための顕微鏡対物レンズ（mo）の設定を制御するために利用される。このとき、顕微鏡対物レンズには、エラー信号に基づいて、オブジェクトに関して顕微鏡対物レンズの位置を制御する深さ設定ユニットが備えられる。
【００２５】
図３は、図１に示された分析システムのトラッキングシステムの他の好適な実施例の詳細を示した概略図である。図３に示された実施例において、トラッキングシステムは、レンズ１５及び１６からなるいわゆる4f-光学システムを備える。本実施例では、光学走査システム（osc）の走査ミラー（smr）はレンズ１６上で走査され、レンズ１５によりオブジェクト上を走査する平行ビームが生成される。走査ミラー（smr）は励起ビーム（exb）の光軸に関してやや非対称に配置される。本実施例では、ファイバエントランスを移動する必要性はあまりない。ファイバエントランスの移動はなくてもよいし、光学走査システムそれ自身がオブジェクトに対し励起ビームをシフトさせてもよい。
【００２６】
図３及び図４に示される実施例において、トラッキングシステムは、動きが生じている間に、ターゲット領域に励起ビームを向ける移動制御ユニット（dcu）を備えた光学スキャナ（osc）により構成される。検出システムに含まれる比較器（cmp）は、動き検出システムとして機能する。
【００２７】
図４は、図１に示された分析システムのトラッキングシステムの他の実施例の詳細を示した概略図である。図４に示された実施例は、図２に示されたものとほぼ同様の動作を行うが、光学スキャナ（osc）が顕微鏡対物レンズ（mo）に隣接して配置されている。本実施例では、オブジェクト（obj）に関する励起ビームのシフトとは独立に、励起ビームが光学カプラ（oc）の同一位置に入射する。したがって、光学カップリングユニット（oc）、特にそのフィルタリング機能のさらなる最適化が可能となる。なぜなら、励起ビーム（exb）の光学カップリングユニットでの入射角及び入射位置の変動を考慮する必要がないからである。
【００２８】
図５は、図１に示された分析システムのトラッキングシステムの他の実施例の詳細を示した概略図である。図５に示されたトラッキングシステムは、顕微鏡対物レンズの光軸に関して水平方向に監視ビーム（irb）を移動する１組のプリズムからなる回転ビームシフト装置（rbd）を備える。この１組のプリズムは、その入射面あるいは出射面に垂直な軸に関して回転可能である。プリズムの対が回転するとき、監視ビームの水平方向の移動が変化する。この結果、監視ビーム(irb)がオブジェクト（obj）上を走査すると、監視ビームがフォーカスされるオブジェクト部分が戻り監視ビームにより形成されるターゲット領域の画像（img）おいて静止画像化されるのに対し、監視ビームのフォーカス外のオブジェクト部分は視差変動を受ける。これにより、回転ビームシフト装置が監視ビームを走査するとき、ターゲット領域が静止して画像化されるよう顕微鏡対物レンズ（mo）の位置を調整することにより焦点深さは容易に制御される。図５に示した実施例では、トラッキングシステムは、励起ビームを制御するシフトユニット（dsu）を備えた光学スキャナ（osc）により構成され、監視ビームは回転ビームシフト装置によりターゲット上に向けられる。本実施例では、回転ビームシフト装置がまた、比較器（cmp）を備える動き検出システムにおいて使用される。
【００２９】
図２〜図５に示された実施例では、光学システム（lso）は、共焦点配置の代わりに、直交偏光分光画像化（OPSI）セットアップとして構成されてもよい。そのようなOPSIセットアップは、適切に配置されうるCCDセンサが利用されるとき、補正プレート（gp1）を必要としない。
【図面の簡単な説明】
【図１】  図１は、本発明による分析システムの概略図である。
【図２】  図２は、図１に示された分析システムのトラッキングシステムの好適な実施例の詳細を示す概略図である。
【図３】  図３は、図１に示された分析システムのトラッキングシステムの他の好適な実施例の詳細を示す概略図である。
【図４】  図４は、図１に示された分析システムのトラッキングシステムの他の好適な実施例の詳細を示す概略図である。
【図５】  図５は、図１に示された分析システムのトラッキングシステムの他の好適な実施例の詳細を示す概略図である。
【図１】
0004202136.tif 000002
【図２】
0004202136.tif 000003
【図３】
0004202136.tif 000004
【図４】
0004202136.tif 000005
【図５】
0004202136.tif 000006