СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ ОПТИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ СОДЕРЖИМОГО МУТНЫХ СРЕД Российский патент 2014 года по МПК G01N21/47 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к способу и устройству для проведения оптических исследований содержимого мутных сред.

Уровень техники изобретения

В контексте настоящей заявки термин “мутная среда” следует понимать как означающий вещество, состоящее из материала, имеющего высокий коэффициент рассеяния света, такой, как, например, интралипидный раствор или биологическая ткань. Термин “свет” должен пониматься, как означающий неионизирующее электромагнитное излучение, в частности, с длинами волн в диапазоне между 400 нм и 1400 нм.

В прошлые десятилетия оптика мутных сред, таких как биологическая ткань, стала областью широких исследований и нашла клинические применения, например, при контроле (например, импульсный оксиметр), в косметике (например, удаление капиллярной гемангиомы) и при лечении рака (например, фотодинамическая терапия). Известны несколько технологий получения оптических изображений мутных сред (в частности, для получения изображения биологической ткани), например, оптическая когерентная томография, конфокальная микроскопия; двухфотонная микроскопия и диффузная оптическая томография. При получении диффузного оптического изображения возможны измерения геометрии, включающей множество положений источника и детектора, позволяющие получать трехмерные томографические изображения, или, например, геометрия с ограниченным числом источников и детекторов (таких, как ручной зонд) для обеспечения простой карты объекта, с помощью которой должны отображаться или считываться только один или более конкретных параметров. При таких применениях обычно используется видимый свет, свет в области NIR (ближняя инфракрасная область) и/или IR (инфракрасный) свет и этот свет может обеспечиваться, например, как непрерывный, в форме импульсов или в форме волн плотности фотонов. Кроме того, в технике известны несколько различных технологий, использующих монохроматический свет, многоволновый свет или свет со сплошным спектром. Дополнительно могут использоваться собственная флюоресценция ткани или флюоресценция флуоресцентного контрастного вещества. Все эти применения предпочтительны в той или иной форме, исходя из спектральных признаков, свойственных ткани, как будет объяснено со ссылкой на фиг.1.

Спектры поглощения основных хромофоров, присутствующих, например, в ткани молочной железы, показаны на фиг.1. На фиг.1 соответствующие поглощения основных хромофоров показаны как функция длины волны и можно видеть, что свойства поглощения таких основных хромофоров, как гемоглобин, оксигемоглобин, вода, и липид значительно различаются в зависимости от длины волны падающего света. Дополнительно можно видеть, что спектры этих составляющих не обладают признаками с узкой оптической шириной полосы, а скорее показывают только признаки, обладающие весьма значительной шириной полосы.

Спектроскопия ткани позволяет использовать различные спектральные характеристики таким образом, что хромофоры ткани и, следовательно, состав ткани могут быть идентифицированы и, если желательно, визуализированы и/или проанализированы. Перспективные примеры, опирающиеся на оптическую спектроскопию in vivo рассеянного света, исходящего из ткани, содержат получение изображение рака молочной железы (например, с помощью диффузной оптической томографии), получение изображения флюоресценции (например, используя свойственную организму флуоресценцию или флуоресцентные контрастные вещества) и контроль диабета. Однако, внутренняя проблема, возникающая при спектроскопии в мутных средах, таких как ткань, состоит в том, что из-за относительно большого объема естественного рассеяния света в ткани, свет, выходящий из мутной среды, подвергаемой исследованию, оказывается сильно ослабленным и, что даже более важно, имеет диффузный характер. Свет, когда он является диффузным, не может эффективно коллимироваться и, следовательно, получение оптического спектра света, исходящего из такой мутной среды, является неэффективным. Эта неэффективность представляет проблему, которая должна быть решена, чтобы улучшить применимость оптики для исследования ткани. Причина такой неэффективности будет описана далее.

Чтобы понять неэффективность сбора, возникающую при оптическом исследовании мутных сред, необходимо более подробное рассмотрение оптических характеристик. Геометрический фактор (“etendue”) G, который также называют способностью принимать свет, пропускной способностью, способностью захватывать свет или собирающей способностью, является свойством оптической системы, которое характеризует, насколько “рассеянный” свет попадает на площадь и находится внутри угла. Геометрический фактор может быть определен несколькими эквивалентными способами. С точки зрения источника, это площадь А источника, умноженная на пространственный угол Ω, противолежащий входному зрачку системы если смотреть от источника, то есть, G=AΩ. Этот результат произведения представлен на фиг.2. С точки зрения системы, геометрический фактор является площадью входного зрачка, умноженной на пространственный угол, противолежащий источнику, если смотреть со стороны зрачка. Однако, эти определения применимы к бесконечно малым “элементам” площади и пространственного угла и должны суммироваться как по источнику, так и по диафрагме. Идеальная оптическая система должна создавать изображение с тем же самым геометрическим фактором, что и источник. Другими словами, в идеальной оптической системе геометрический фактор сохраняется; в неидеальных реальных системах, однако, геометрический фактор обычно ухудшается (то есть, до более высоких значений). Геометрический фактор связан с инвариантом Лагранжа и оптическим инвариантом.

В системе для оптического исследования мутных сред, в которых рассеянный свет должен подаваться в спектрометр, геометрический фактор (или собирающая способность) спектрометра является, по существу, гораздо меньшим, чем у диффузного источника (который по своей природе имеет геометрический фактор, близкий к максимально возможному). Обычный спектрометр основан на узком размере щели или малом размере диафрагмы, чтобы получить достаточную пространственную разрешающую способность на своем детекторе, так как пространственная разрешающая способность в дальнейшем переводится в спектральную разрешающую способность. Так как спектроскопия рассеянного света, например, исходящего из мутных сред, образованных биологической тканью, является, по существу, неэффективной из-за рассогласования геометрического фактора, описанного выше, это всерьез ставит под угрозу порог обнаружения и время выборки. Было найдено, что с этой проблемой геометрического фактора едва ли можно справиться на стороне детектора. Использование детектора с большим геометрическим фактором могло бы быть предпочтительным с точки зрения рассогласования геометрического фактора. Однако, в обычных конструкциях это невозможно по причине требуемой спектральной разрешающей способности.

В принципе, в таких устройствах было бы предпочтительно в качестве детектора использовать трубку фотоэлектронного умножителя (PMT), так как она очень чувствительна (внутреннее усиление) и имеет быструю реакцию (большая ширина полосы) в сочетании с большой площадью (большой геометрический фактор). Однако, с использованием трубки фотоэлектронного умножителя (PMT) возникают некоторые проблемы, такие как ограниченный динамический диапазон и уязвимость к избыточной выдержке. Дополнительно, чувствительность PMT значительно падает в ближней инфракрасной области (NIR) оптического спектра.

В отношении исследования живой биологической ткани существуют дополнительные ограничения. От источника белого света с большой мощностью и яркостью требуется удовлетворять максимально возможным требованиям в отношении качества измерения. Если проблемой является время измерения, то требуется яркий источник. Чрезвычайно яркие источники белого света стали доступны на основе супернепрерывной генерации, используя интенсивные световые фемтосекундные импульсы, распространяющиеся через перфорированное волокно. Однако, для биологической ткани существует так называемая максимально допустимое облучение (MPE). Для субсекундной экспозиции в ближнем ИК-диапазоне при малом размере пятна она может составлять порядке одного Ватта.

Недавно был изобретен новый тип спектрометра, “матричный спектрометр”, основанный на получении изображений с кодированной апертурой. Это использует технологию под названием комбинированная мультиплексная спектроскопия (MMS), использующую апертуру большой площади с кодируемой маской, чтобы увеличить пропускание света на порядок величины при той же самой спектральной разрешающей способности. Патент США 7301625 B2 представляет спектрометр с кодируемой апертурой для получения спектральных характеристик диффузных источников. Щель, используемая в обычных спектрометрах, заменяется пространственным фильтром или маской. Предложено использование множества различных масок.

Патентная заявка США 2005/0185179 А1 раскрывает устройство спектрометра на основе преобразования Фурье, использующее устройства многоэлементной микроэлектромеханической системы (MEMS) или дифракционной микроэлектромеханической системы (D-MEMS). Источник полихроматического света сначала дифрагируется или преломляется с помощью дисперсного компонента. Диспергированный пучок пересекается мультиэлементным устройством MEMS. Устройство MEMS кодирует его каждый спектральный компонент с помощью различной, изменяющейся во времени модуляции через соответствующий элемент MEMS. Световое излучение объединяется в единый пучок и расщепляется. Свет зонда направляется в образец и проходящий или отраженный свет обнаруживается фотодетектором.

Патент США 6,031,609 раскрывает спектрометр на основе преобразования Фурье, использующий многоэлементный жидкокристаллический дисплей.

WO 02/27285 А1 раскрывает систему обработки пространственно-спектральной информации, имеющей источник излучения, устройство дисперсии длины волны и цифровую микрозеркальную матрицу. Спектральные компоненты от образца диспергируются в пространстве и раздельно модулируются.

DE 19533102 A1 раскрывает устройство для исследования ткани с помощью света. Устройство содержит множество источников света, свет которых используется для освещения ткани.

Сущность изобретения

Задачей настоящего изобретения является повышение эффективности использования света при спектроскопическом исследовании содержимого мутных сред и улучшение, таким образом, порога обнаружения и/или времени выборки.

Эта задача решается способом оптического исследования содержимого мутных сред в соответствии с п.1 формулы изобретения. Поскольку множество полос длин волн модулированы по отдельности и после этого обратно объединяются, становится возможной спектроскопия на мутных средах, используя детекторы с большой площадью и/или большими углами приема. Это повышает эффективность и позволяет снизить пороги обнаружения и/или использовать более короткие времена выборки. Так как в качестве входного сигнала используется широкополосный свет, для обеспечения света при освещении мутной среды может использоваться относительно дешевый источник белого света. Таким образом, может быть достигнуто общее снижение затрат.

В соответствии с одним вариантом изобретения, по меньшей мере, две полосы длин волн имеют разную ширину по отношению к длине волны.

Предпочтительно, множество полос длин волн модулируются таким образом, что, по меньшей мере, две полосы длин волн, являющиеся соседними в широкополосном свете, не являются соседними в отношении процесса демодуляции в демодуляторе. В этом случае, влияния перекрестных помех могут быть надежно подавлены. Например, две полосы длин волн (каналы), которые непосредственно соседствуют в отношении их диапазонов длин волн, модулируются таким образом, что в отношении их схемы модуляции кодирование каналов посредством модуляции выполняется таким образом, что компоновка детектор/демодулятор “видит” каналы в положениях, которые не являются соседствующими друг с другом. В результате, обнаруженные сигналы, соответствующие различным каналам, могут надежно различаться.

Предпочтительно, различные полосы длин волн из множества полос длин волн модулируются таким образом, что, по меньшей мере, для двух соседних полос длин волн интенсивность, обнаруживаемая детектором, имеет один и тот же порядок. В этом случае, перекрестные помехи, которые могут создаваться, если непосредственно соседствующие каналы обладают большими разностями в интенсивности, могут надежно предотвращаться. В соответствии с вариантом, множество модулированных полос длин волн обнаруживаются и анализируются до того, как освещается мутная среда; и результат передается обратно на этап модуляции множества полос частот. Таким образом, спектр коллимированного пучка спектрально кодированного света может регулироваться в зависимости от результата анализа. Распределение и интенсивность каналов могут регулироваться, управляя ими, например, таким образом, чтобы коллимированный пучок удовлетворял требованиям к максимально допустимому экспонированию (MPE).

Предпочтительно, демодулятор обеспечивает обратную связь с этапом модуляции множества полос длин волн. В этом случае, спектр коллимированного пучка спектрально кодированного света может регулироваться в зависимости от информации, получаемой после того, как луч прошел мутную среду. Таким образом, конкретные спектральные признаки мутной среды могут быть надежно разложены по составляющим, соответственно регулируя процесс модуляции. Дополнительно, основываясь на этой информации, влияния перекрестных помех, вызванных модуляционным процессом, могут быть уменьшены.

Дополнительно задача решается устройством для оптического исследования содержимого мутных сред, соответствующего п.7 формулы изобретения. Поскольку множество полос длин волн модулируются отдельно и после этого обратно объединяются, возможна спектроскопия на мутных средах, использующая детекторы в большой площадью и/или с большими углами приема. Это повышает эффективность и позволяет иметь более низкие пороги обнаружения и/или более короткие времена выборки. Так как для освещения используется широкополосный свет, то для освещения мутной среды может использоваться относительно дешевый источник белого света. Таким образом, может достигаться общее снижение затрат.

Предпочтительно, обеспечивается блок анализа, предназначенный анализировать множество модулированных полос длин волн перед тем, как свет поступает в предусмотренный объем измерения, который позволяет иметь обратную связь с пространственным модулятором света. В этом случае, пучок спектрально кодированного широкополосного света может быть проанализирован до того, как он попадает в мутную среду. Таким образом, распределение и интенсивность в различных полосах длин волн могут адаптироваться, чтобы учесть, например, максимально допустимое экспонирование (MPE).

Если демодулятор обеспечивает обратную связь с пространственным модулятором света, модуляция света, выполняемая в пространственном модуляторе света, может регулироваться в зависимости от полученного сигнала после того, как свет прошел через мутную среду. Таким образом, модуляция может регулироваться, так чтобы оптические признаки мутной среды могли быть надежно разложены на составляющие.

Если детектором является трубка фотоэлектронного умножителя, высокая чувствительность (внутреннее усиление), быстрая реакция (большая ширина полосы) и большая площадь (высокий геометрический фактор) - все это может быть реализовано. Если используется комбинация трубки фотоэлектронного умножителя с контуром обратной связи, избыточная выдержка трубки фотоэлектронного умножителя может быть надежно предотвращена и проникающее излучение может адаптироваться к динамическому диапазону трубки фотоэлектронного умножителя.

Если пространственный модулятор света содержит микрозеркальное устройство или жидкокристаллическое устройство, то динамические регулировки модуляции легко могут быть произведены, в частности, в комбинации с контуром обратной связи.

Если широкополосный источник света адаптируется для излучения поляризованного света, эффективность может быть дополнительно улучшена (в частности, в комбинации с поляризационным расщепителем пучка), так как, в мутную среду может быть направлено больше света по сравнению с реализацией, использующей неполяризованный свет и обычный расщепитель пучка.

Предпочтительно, устройство является медицинским устройством для оптических исследований.

Краткое описание фигур чертежей

Дополнительные признаки и преимущества настоящего изобретения вытекают из подробного описания вариантов осуществления со ссылкой на прилагаемые чертежи.

Фиг.1 - схематичное представление спектров поглощения для различных хромофоров.

Фиг.2 - схема для объяснения геометрического фактора.

Фиг.3 - схематичное представление примера построения.

Фиг.4 - схематичное представление первого варианта осуществления.

Фиг.5 - схематичное представление второго варианта осуществления.

Фиг.6 - схематичное представление третьего варианта осуществления.

Пример построения

Пример построения будет теперь описан сначала со ссылкой на фиг.3. Показанное устройство для проведения исследований внутри мутных сред образовано устройством для спектроскопии с пространственной модуляцией света. Устройство содержит источник 1 света, излучающий коллимированный пучок 2 широкополосного света, разделитель 3 полосы, пространственный модулятор 4 света, блок 6 повторного объединения света, объем 7 измерения для помещения в него мутной среды 8, детектор 9 и демодулятор 10.

Источник 1 света выбирается таким образом, что излучается белый свет с большой мощностью и яркостью, то есть, пучок 2 содержит непрерывную широкую полосу длин волн, охватывающую множество длин волн, предпочтительно в видимом диапазоне, инфракрасном диапазоне и/или в ближнем ИК диапазоне (NIR). Источник 1 света может быть импульсным. Например, источник 1 света является чрезвычайно ярким источником белого света, основанным на супернепрерывной генерации. Например, это достигается при использовании интенсивных фемтосекундных световых импульсов, распространяющихся через дырчатое волокно. Однако, также возможно использовать довольно простую лампу, излучающую белый свет.

Коллимированный пучок 2 широкополосного света направляется к разделителю 3 полосы. Разделитель полосы выполнен с возможностью пространственного разделения на множество полос (2a, 2b, …, 2n) длин волн, содержащихся в пучке 2 широкополосного света. Например, разделитель 3 полосы может быть образован решеткой, выполненной с возможностью пространственного расщепления на различные полосы длин волн, содержащиеся в пучке 2 широкополосного света. Следует заметить, что от различных полос длин волн не требуется иметь ни одну и ту же ширину полосы длин волн относительно диапазона длин волн, ни один и тот же интервал по длинам волн в отношении друг друга (разнос длин волны).

Пространственно разделенные полосы (2a, …, 2n) длин волн направляются к пространственному модулятору 4 (SLM) света для пространственной модуляции разделенных полос длин волн таким способом, что каждая из полос (2a, …, 2n) длин волн получает свою конкретную модуляцию. В примере пространственный модулятор 4 света является модулятором, работающим на пропускание. Пространственный модулятор 4 света содержит входную линзу 41, блок 42 модуляции света, выходную линзу 43 и источник 5 модуляции. Входная линза 41 делает параллельными соответствующие пучки с отдельными полосами длин волн. Блок 42 модуляции света соединяется с источником 5 модуляции, который управляет работой блока 42 модуляции света. Блок 42 модуляции света может быть реализован механически, например, в форме специализированного диска типа диска Нипкова, обтюратора или тому подобного. Предпочтительно, блок 42 модуляции света образуется микрозеркальным устройством или жидкокристаллическим устройством.

Могут применяться различные способы модуляции света, известные в технике. Например, может применяться мультиплексирование с частотным разделением или мультиплексирование с временным разделением или то и другое. Схема модуляции, согласно которой выполняется модуляция полос длин волн (каналов), определяется блоком 42 модуляции света совместно с источником 5 модуляции.

Независимо модулированные полосы (2a, 2b, …, 2n) длин волн повторно объединяются в коллимированный пучок 11 спектрально кодированного широкополосного света с помощью блока 6 повторного объединения, который может, например, быть образован другой решеткой.

Коллимированный пучок 11 спектрально кодированного широкополосного света используется для освещения мутной среды 8, подвергаемой исследованию, которая помещена в объем 7 измерения. Благодаря мутному характеру мутной среды 8, которая может быть образована, например, живой биологической тканью, такой как женская человеческая грудь, в ответ на освещение из мутной среды излучается рассеянный свет.

Рассеянный свет, излучаемый из облученной мутной среды 8, обнаруживается детектором 9. Детектор 9 формируется фотодетектором с большим геометрическим фактором и обладает большой площадью и/или углом приема. Соответствующими детекторами с большой площадью и высоким NA являются фотодиоды, матрицы APD (матрицы лавинных фотодиодов) и трубки фотоэлектронных умножителей (PMT).

Сигнал, обнаруженный детектором 9, декодируется/демодулируется демодулятором 10, чтобы восстановить спектроскопическую информацию, содержащуюся в рассеянном свете, выходящем из мутной среды 8. Следовательно, получается оптический спектр конкретной ткани, несущий отпечаток мутной средой 8 на выходящем свете. Этот полученный оптический спектр затем выводится демодулятором 10 в качестве выходного сигнала 12.

Следует заметить, что в примере разделитель 3 полосы, блок 6 повторного объединения света, линзы и блок 42 модуляции света компонуются в так называемую конфигурацию 4-f.

Таким образом, в примере каждая из множества заданных полос длин волн (каналов) коллимированного источника белого света, которая может иметь различную ширину и/или интервал, может быть кодирована в частотной и временной областях, используя разделитель 3 полосы и пространственный модулятор 4 света (SLM). Полосы длин волн повторно объединяются в единый коллимированный пучок 11 блоком 6 повторного объединения света. Коллимированный и кодированный пучок 11 с возможно произвольно большой оптической шириной полосы (белый свет) используется для освещения мутной среды 8, которая может быть образована, например, биологической тканью. В соответствии с примером, рассеянный свет, исходящий из мутной среды 8, обнаруживается фотодетектором с высоким геометрическим фактором (обладающим большой площадью и/или углом приема), сопровождаемым демодулятором таким образом, что получается оптический спектр с высокой чувствительностью при детектировании. Таким образом, спектрально кодированный свет предпочтительно объединяется со спектроскопией рассеянного света и детекторами с большой площадью и высоким NA, такими как фотодиоды, матрицы лавинных фотодиодов или трубки фотоэлектрических умножителей. Принятые сигналы декодируются/демодулируются, чтобы восстановить спектроскопическую информацию и, следовательно, получить оптический спектр для конкретной среды как отпечаток мутной среды на свете, выходящем из мутной среды.

В принципе, на стороне источника (то есть, на пути прохождения света до попадания в мутную среду 8) перекрестные помехи будут вызваны наложением спектров и посторонним светом в пространственном модуляторе 4 света, а также электрической связью и перекрестной модуляцией в пространственном модуляторе 4 света и в сопутствующих электронных устройствах запуска. Дополнительно, на стороне детектора демодуляция может вызвать дополнительные перекрестные помехи между спектральными каналами. Предпочтительно, воздействие перекрестных помех может быть минимизировано, выравнивая соседние каналы (которые, вероятно, должны вызывать наибольшую часть перекрестных помех) на детекторе. В первом варианте осуществления это может быть достигнуто соответствующим выбором каналов в отношении ширины полосы и центрального положения, основываясь, например, на эталонных измерениях или на ожидаемых результатах. Модуляция, применяемая к конкретной полосе длин волн (каналу) в пространственном модуляторе 4 света, может затем быть выбрана, чтобы достигнуть желаемого результата. Дополнительно, основываясь на такой входной информации, каналы (то есть, конкретные полосы длин волн), которые не обладают эффективным вкладом в результат измерения, могут быть исключены в пространственном модуляторе 4 света. Последнее предпочтительно для общего облучения ткани светом в применениях к биологической ткани, такой как мутная среда 8, так как оптическая мощность в остальных каналах может быть увеличена без превышения предела MPE (максимально допустимого экспонирования).

Дополнительно возможно, чтобы работа пространственного модулятора 4 света сопровождалась работой весьма сложной схемы модуляции, в которой соседние каналы (полосы длин волн) не являются соседними в передаваемой радиочастотной области на стороне обнаружения. В этом случае, релевантные каналы модулируются независимо, таким образом, что для демодулятора 10, демодулирующего сигнал, соответствующий обнаруженному рассеянному свету, эти релевантные каналы не расположены по соседству друг с другом.

Порядок и/или распределение полос длин волн могут быть изменены в промежутках между измерениями и объединенные результаты различных измерений могут быть рассмотрены, чтобы распознать и подавить влияния перекрестной помехи. Например, априорно известный признак в спектре может замаскировать другой, более тонкий, но важный признак в одной конфигурации, но не в другой конфигурации порядка и/или распределения каналов. Таким образом, если порядок и/или распределение полос длин волн изменяются, может быть получено разрешение по составляющим для более тонкого признака. Поскольку, как можно видеть на фиг.1, спектральные признаки в биологической ткани не демонстрируют признаков, меньших, чем несколько нанометров в оптической ширине полосы, эти результаты могут быть достигнуты с перекрестными помехами и количеством каналов, которые оба поддерживаются в разумных пределах.

Приведенный пример позволяет проводить спектроскопию на средах, обладающих высоким рассеиванием, используя детекторы с большой площадью и/или большим углом приема. Это повышает эффективность и позволяет иметь более низкие пороги обнаружения и/или более короткие времена выборки. Пример дополнительно позволяет использовать довольно дешевый источник белого света и относительно обычный спектрометр на входном торце (то есть, до того, как свет будет направлен в мутную среду) вместо дорогого источника света (такого, как например, многомодовые лазеры) и дорогого спектрометра, как в случае предшествующего уровня техники. Предшествующий уровень техники требует таких дорогостоящих компонент, поскольку в известной реализации много света теряется из-за малой площади приема и/или узкого угла приема спектрометра, который расположен на пути прохождения света после мутной среды. Таким образом, в соответствии с примером может быть достигнуто общее сокращение затрат.

Первый вариант осуществления изобретения

Первый вариант осуществления теперь будет описан со ссылкой на фиг.4. Первый вариант осуществления, по существу, соответствует приведенному выше примеру, но содержит дополнительные признаки, которые и будут описаны. Поэтому идентичные компоненты обозначены идентичными ссылочными позициями и их описание будет опущено.

Первый вариант осуществления отличается от приведенного выше примера тем, что расщепитель 20 пучка вводится в путь прохождения света после блока 42 модуляции света. Этот расщепитель пучка выводит часть каждой модулированной полосы длин волн из их множества и направляет ее через линзу 21 к блоку 22 анализа света. Блок 22 анализа света анализирует распределение света во множестве модулированных полос длин волн и выходит результирующий сигнал в качестве выходного сигнала 23. Блок 22 анализа света может быть образован, например, спектрометром.

Блок 22 анализа света дополнительно связан с источником 5 модуляции пространственного модулятора 4 света, чтобы обеспечить подачу сигнала 24 обратной связи к источнику 5 модуляции. Источник 5 модуляции дополнительно связывается с демодулятором 10, чтобы обеспечить подачу сигнала 25 модуляции, указывающего выполняемую модуляцию. Сигнал 25 модуляции позволяет демодулятору 10 выполнять соответствующий режим демодуляции.

Таким образом, в первом варианте осуществления реализуется контур с обратной связью. Контур с обратной связью позволяет контролировать и изменять оптический спектр света, которым освещается мутная среда 8. Контур с обратной связью работает следующим образом. С помощью расщепителя 20 пучка и блока 22 анализа света определяются распределение и интенсивность света в различных модулированных полосах длин волн. Сигнал 24 обратной связи предоставляет информацию о результате, полученном блоком 22 анализа света, источнику 5 модуляции. Основываясь на этой информации, источник 5 модуляции адаптирует модуляцию к различным раздельным полосам (2a, …, 2n) длин волн. Адаптация может выполняться таким образом, что оптический спектр, с которым освещается мутная среда, становится выровненным (относительно других каналов) или становится профилированным определенным способом, который конкретно пригоден для мутной среды 8, подвергаемой исследованию.

Дополнительно, первый вариант осуществления позволяет получить преимущества, которые уже были описаны в отношении приведенного выше примера.

Второй вариант осуществления

Второй вариант осуществления будет теперь описан со ссылкой на фиг.5. Второй вариант осуществления, по существу, соответствует первому варианту осуществления, но содержит дополнительную обратную связь, как будет описано ниже. Опять, идентичные компоненты обозначены идентичными ссылочными позициями и их описание будет опущено.

Как можно видеть на фиг.5, обеспечивается дополнительный контур обратной связи со стороны обнаружения (после мутной среды) в сторону источника (до мутной среды). В соответствии с показанным примером, демодулятор 10 выводит сигнал 26 обратной связи, подаваемый на источник 5 модуляции, и, таким образом, к пространственному модулятору 4 света. При таком построении дополнительно могут быть реализованы предпочтительные признаки. Например, спектр источника, то есть, спектр спектрально кодированного широкополосного света, который используется для освещения мутной среды 8, и интенсивность различных каналов могут адаптивно изменяться на спектр, оптимальный для исследования, основываясь на информации обратной связи в сигнале 26 обратной связи. Изменения могут выполняться в зависимости от характеристик конкретной мутной среды 8 и предела MPE. Дополнительно, шум и перекрестные помехи могут быть минимизированы, адаптивно оптимизируя форму спектра и интенсивность света, используемого для облучения мутной среды 8.

Следует заметить, что второй вариант осуществления также обладает преимуществами, которые были описаны в отношении примера и первого варианта осуществления.

Третий вариант осуществления

Третий вариант осуществления будет теперь описан со ссылкой на фиг.6. Пример и первый и второй варианты осуществления, описанные выше, все содержат пространственный модулятор 4 света, работающий на пропускание. Третий вариант осуществления отличается от второго варианта осуществления, по существу, тем, что используется оптическая система с изломанной оптической осью и пространственный модулятор 4а света отражательного типа. Опять, идентичные компоненты обозначены идентичными ссылочными позициями и их описание будет опущено.

Как можно видеть на фиг.1, коллимированный пучок 2 широкополосного света от источника 1 света направляется к расщепителю 50 света, направляющему пучок к разделителю 3 полосы, который может быть, например, решеткой, как в примере и первом и втором вариантах осуществления. В этом варианте осуществления также, разделитель 3 полосы разделяет множество полос (2a, 2b, …, 2n) длин волн, содержащихся в пучке 2 широкополосного света. Пространственно разделенные полосы (2a, …, 2n) длин волн направляются к пространственному модулятору 4а света (SLM), который содержит входную линзу 41a и блок 42а модуляции света. Однако, в этом варианте осуществления блок 42а модуляции света является блоком отражательного типа, то есть, он содержит, по меньшей мере, один отражающий элемент и раздельно модулирует отдельные полосы (2a, …, 2n) длин волн, как в предыдущих вариантах осуществления. Благодаря использованию схемы отражательного типа, модулированные полосы длин волн снова направляются к входной линзе 41a, которая работает так же, как выходная линза. Модулированные полосы длин волн направляются к решетке, образующей пространственный разделитель 3 света, который в этом варианте осуществления работает также в качестве блока 6 повторного объединения света. В этом блоке 6 повторного объединения света модулированные полосы длин волн (каналы) снова объединяются в коллимированный пучок 11 спектрально кодированного широкополосного света. Этот пучок 11 проходит через расщепитель 50 света и освещает исследуемую мутную среду 8. Дополнительные признаки подобны второму варианту осуществления и, таким образом, не будут описываться повторно. В частности, между линзой 41a и блоком 42а модуляции света обеспечивается расщепитель 20 пучка для связи по свету с блоком 22 анализа света.

Предпочтительно, в этом варианте осуществления источник света, генерирующий линейно поляризованный пучок, поляризующей светоделитель 50 и четвертьволновая пластинка 60 используются для достижения эффективного расщепления входного пучка 2 и (повторно объединенного) выходного пучка. Выходной пучок будет линейно поляризован с ортогональной ориентацией относительно входного пучка. Используя поляризационный расщепитель пучка и поляризованный свет, в мутную среду можно посылать больше света по сравнению с компоновкой, использующей обычный расщепитель пучка и неполяризованный свет. Кроме того, отсутствует обратная связь со входом. Заметим, что четвертьволновая пластинка 60 может быть установлена до или после решетки или перед пространственным модулятором света (как указано позицией 60' на фиг.6). Она даже может быть неотъемлемой частью пространственного модулятора света. Каждая из этих позиций может использоваться и выбор других позиций зависит от поляризационных свойств других оптических компонент на пути прохождения света.

Третий вариант осуществления, по существу, позволяет получить те же самые преимущества, что и пример и первый и второй варианты осуществления. В частности, контуры с обратной связью, описанные со ссылкой на первый и второй варианты осуществления, здесь также реализуются. Однако, благодаря компоновке оптической системы с изломанной оптической осью, достигается экономия пространства.

Следует заметить, что компоновка оптической системы с изломанной оптической осью, описанная со ссылкой на четвертый вариант осуществления как альтернатива третьему варианту осуществления, не ограничивается только этим. Как должны понимать специалисты в данной области техники, компоновка оптической системы с изломанной оптической осью, использующая пространственный модулятор света отражательного типа, может также использоваться в первом и втором вариантах осуществления. Дополнительно, поляризованный свет (использующий источник света, излучающий поляризованный свет, четвертьволновую пластину и поляризационный расщепитель пучка), предпочтительно может использоваться во всех вариантах осуществления, которые используют путь прохождения света с изломанной оптической осью. Теперь будет приведен пример описания системы, содержащей конфигурацию 4-f. Например, сначала определяется размер Δx пикселя пространственного модулятора света (например, Δx=15 мкм для типичного быстрого DMD с полосой пропускания 20 кГц). Затем определяется интервал Δλ длин волн одиночного канала, который будет пропускать такой пиксель (например, Δλ=3 нм). Затем определяется количество каналов N или максимальный диапазон длин волн (например, N=100). Размер пространственного модулятора света и числовая апертура линзы следуют из этих значений. Требуемые свойства для решеток (разделитель по полосам и блок обратного объединения света) определяются только после того, как будут определены другие технические требования. Затем должны быть оценены потери в системе и должен быть выбран источник с соответствующим диапазоном длин волн и выходной интенсивностью. Например, 5 мВт/нм, одномодовое волокно, яркий источник от супернепрерывного лазера Fianium с диапазоном длин волн между 650 и 950 нм (с центральной длиной волны 800 нм) представляются наиболее соответствующими.

В определенных случаях должно быть предпочтительно использовать фотоэлектронный умножитель, соединяющий в себе большую фоточувствительную площадь (например, несколько квадратных сантиметров) с большой шириной полосы (например, несколько сотен МГц), в качестве детектора, так как это должно позволить использование волн плотности фотонов (PDW) в комбинации с технологией, описанной в этом описании.

Со ссылкой на пример и варианты осуществления следует заметить, что могут быть применены как мультиплексирование с частотным разделением (например, несколько по-разному синусоидально модулированных источников) так и/или мультиплексирование с временным разделением. Дополнительно может применяться технология широкополосного радиоспектра.

Возможно использовать формирование оптического спектра по форме, чтобы оптимизировать спектральные признаки или максимально допустимое облучение (MPE) мутной среды 8 или то и другое, что особенно представляет интерес в медицинских применениях на биологической ткани. Например, положение и ширина полос длин волн могут быть выбраны таким образом, что чувствительность к конкретным спектральным признакам хромофоров (сравните с фиг.1) увеличивается. В этом контексте следует заметить, что различные полосы (2a, …, 2n) длин волн могут иметь совершенно разную ширину или расстояние по центру.

Так как отдельные полосы длин волн модулированы независимо, спектральные признаки, которые соседствуют в оптическом спектре, не должны выбираться так, чтобы быть соседствующими в спектре модуляции. Предпочтительно, это может использоваться, чтобы бороться с возникновением перекрестных помех.

Раскрытие примеров и вариантов осуществления может объединяться с MMS (многомодальная мультиплексная спектроскопия), чтобы, например, улучшить переходные помехи между полосами длин волн.

Если пространственный модулятор 4 света является микрозеркальным устройством или жидкокристаллическим устройством, то возможны динамические регулировки в комбинации с контуром с обратной связью. Использование контура с обратной связью позволяет управлять динамическим диапазоном системы таким образом, чтобы она оптимизировалась и фотоэлектронный умножитель (PMT) мог использоваться в качестве детектора. Контур с обратной связью может обеспечивать надежное предотвращение избыточной выдержки для PMT. Как следствие, комбинация использования PMT вместе с контуром с обратной связью, чтобы управлять интенсивностью света, позволяет получить высокочувствительную систему с большой шириной полосы и большим геометрическим фактором.

Изобретение относится к области оптических исследований содержимого мутных сред. Способ содержит этапы, на которых обеспечивают широкополосный свет, пространственно выделяют множество полос длин волн, содержащихся в широкополосном свете, отдельно модулируют множество полос длин волн, повторно объединяют множество модулированных полос длин волн в пучок спектрально кодированного широкополосного света. Освещают мутную среду пучком спектрально кодированного широкополосного света, обнаруживают свет, исходящий из мутной среды, с помощью детектора и демодулируют обнаруженный свет с помощью демодулятора для обеспечения спектроскопической информации. Изобретение позволяет повысить эффективность использования света. 2 н. и 10 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Способ для оптического исследования содержимого мутных сред, содержащий этапы, на которых:
обеспечивают широкополосный свет (2);
пространственно разделяют множество полос (2а, 2b, 2n) длин волн, содержащихся в широкополосном свете;
отдельно модулируют множество полос (2а, 2b, 2n) длин волн;
повторно объединяют множество модулированных полос длин волн в пучок (11) спектрально кодированного широкополосного света;
освещают мутную среду (8) пучком (11) спектрально кодированного широкополосного света; и
обнаруживают свет, исходящий из мутной среды (8), с помощью детектора (9) и демодулируют обнаруженный свет с помощью демодулятора (10), чтобы предоставить спектроскопическую информацию; отличающийся тем, что
обеспечивается обратная связь с этапом модуляции множества полос (2 а, 2b, 2n) длин волн, при этом множество полос (2а, 2b, 2n) длин волн модулируется таким образом, что, по меньшей мере, две полосы длин волн, являющиеся соседними в широкополосном свете (2), не являются соседними в отношении процесса демодуляции в демодуляторе (10).

2. Способ по п.1, в котором, по меньшей мере, две полосы длин волн из множества полос (2а, 2b, 2n) длин волн имеют разную ширину относительно длины волны.

3. Способ по п.1 или 2, в котором различные полосы длин волн из множества полос (2а, 2b, 2n) длин волн модулируются таким образом, что, по меньшей мере, для двух соседних полос длин волн интенсивность, обнаруженная детектором (9), имеет один и тот же порядок величины.

4. Способ по п.1 или 2, в котором множество модулированных полос длин волн обнаруживаются и анализируются до того, как освещается мутная среда (8), и результат возвращается на этап модуляции множества полос (2а, 2b, 2n) длин волн.

5. Способ по п.1 или 2, в котором демодулятор (10) обеспечивает обратную связь с этапом модуляции множества полос (2а, 2b, 2n) длин волн.

6. Устройство для оптического исследования содержимого мутных сред, содержащее:
широкополосный источник света (1), излучающий пучок широкополосного света (2),
разделитель (3) полосы, пространственно выделяющий множество полос (2а, 2b, 2n) длин волн, содержащихся в широкополосном свете;
пространственный модулятор (4, 4а) света, раздельно модулирующий множество полос (2а, 2b, 2n) длин волн;
блок (6) повторного объединения, повторно объединяющий множество модулированных полос длин волн в пучок (11) спектрально кодированного широкополосного света;
объем (7) измерения для помещения в него мутной среды (8) для освещения пучком (11) спектрально кодированного широкополосного света;
детектор (9), обнаруживающий свет, исходящий из объема (7) измерения; и
демодулятор (10), демодулирующий обнаруженный свет, чтобы предоставить спектроскопическую информацию; отличающееся наличием контура обратной связи, обеспечивающего сигнал (24, 26) обратной связи, подаваемый на пространственный модулятор (4, 4а) света, при этом множество полос (2а, 2b, 2n) длин волн модулируется таким образом, что, по меньшей мере, две полосы длин волн, являющиеся соседними в широкополосном свете (2), не являются соседними в отношении процесса демодуляции в демодуляторе (10).

7. Устройство по п.6, в котором обеспечивается блок (22) анализа для анализа множества модулированных полос длин волн перед их вхождением в объем (7) измерения, который обеспечивает обратную связь с пространственным модулятором (4, 4а) света.

8. Устройство по любому из пп.6 или 7, в котором демодулятор (10) обеспечивает обратную связь с пространственным модулятором (4, 4а) света.

9. Устройство по любому из пп.6 или 7, в котором детектором (9) является трубка фотоэлектронного умножителя.

10. Устройство по любому из пп.6 или 7, в котором пространственный модулятор (4, 4а) света содержит микрозеркальное устройство или жидкокристаллическое устройство, или диск Нипкова, или обтюратор.

11. Устройство по любому из пп.6 или 7, в котором широкополосный источник (1) света выполнен с возможностью излучения поляризованного света.

12. Устройство по любому из пп.6 или 7, в котором устройство является медицинским устройством для оптических исследований.