Настоящее изобретение относится к устройству и способу анализа вещества. Их можно использовать, например, для анализа тканей, жидкостей животных или человека, в частности жидкостей организма и в одном варианте осуществления для измерения глюкозы или содержания сахара в крови.
Известные способы анализа вещества, в частности измерения уровня сахара в крови, описаны, например, в следующих публикациях:
1. Guo. et al.: «Noninvasive glucose detection in human skin using wavelength modulated differential laser photothermal radiometry», Biomedical Optics Express, Vol, 3, 2012, no. 11.
2. Uemura. et al.: "Non-invasive blood glucose measurement by Fourier transform infrared spectroscopic analysis through the mucous membrane of the lip: application of a chalcogenide optical fiber system", Front Med Biol Eng. 1999; 9(2): 137-153.
3. Farahi et al.: "Pump probe photothermal spectroscopy using quantum cascade lasers", J. Phys. D. Appl. Phys. 45 (2012) und
4. M. Fujinami. et al.: "Highly sensitive detection of molecules at the liquid/liquid interface using total internal reflection-optical beam deflection based on photothermal spectroscopy", Rev. Sci. Instrum., Vol. 74, Number 1 (2003).
5. von Lilienfeld-Toal, H. Weidenmüller, M. Xhelaj, A. Mäntele, W. A Novel Approach to Non- Invasive Glucose Measurement by Mid-Infrared Spectroscopy: The Combination of Quantum Cascade Lasers (QCL) and Photoacoustic Detection Vibrational Spectroscopy, 38:209-215, 2005.
6. Pleitez, M. von Lilienfeld-Toal, H. Mäntele W. Infrared spectroscopic analysis of human interstitial fluid in vitro and in vivo using FT-IR spectroscopy and pulsed quantum cascade lasers (QCL): Establishing a new approach to non invasive glucose measurement Spectrochimica Acta. Part A, Molecular and biomolecular spectroscopy, 85:61-65, 2012.
7. Pleitez, M. et al. In Vivo Noninvasive Monitoring of Glucose Concentration in Human Epidermis by Mid-Infrared Pulsed Photoacoustic Spectroscopy Analytical Chemistry, 85:1013-1020, 2013.
8. Pleitez, M. Lieblein, T. Bauer, A. Hertzberg, O. von Lilienfeld-Toal, H. Mäntele, W. Windowless ultrasound photoacoustic cell for in vivo mid-IR spectroscopy of human epidermis: Low interference by changes of air pressure, temperature, and humidity caused by skin contact opens the possibility for a non-invasive monitoring of glucose in the interstitial fluid Review of Scientific Instruments 84, 2013.
9. M. A. Pleitez Rafael, O. Hertzberg, A. Bauer, M. Seeger, T. Lieblein, H. von Lilienfeld-Toal, and W. Mäntele. Photothermal deflectometry enhanced by total internal reflection enables non- invasive glucose monitoring in human epidermis. The Analyst, ноябрь 2014.
Задача заключается в том, чтобы предложить устройство и способ, с помощью которых вещество, в частности ткань животного или человека, или компонент, или составная часть ткани или жидкости, могут быть проанализированы особенно простым, точным и рентабельным образом. Один аспект изобретения также заключается в достижении небольшого общего размера устройства.
Кроме того, сделана ссылка на патент Германии DE 102014108424 B3.
Указанная задача решается, помимо прочего, с помощью устройства с признаками пункта 1 формулы изобретения. Усовершенствования устройства приведены в зависимых пунктах. Кроме того, изобретение относится к способу согласно независимому пункту формулы изобретения на способ с соответствующими усовершенствованиями согласно зависимому пункту(-ам).
Настоящая заявка, помимо непосредственно и явно указанных при подаче в формуле изобретения и в примерах осуществления объектов также относится и к дополнительным аспектам, которые перечислены в конце настоящего описания. Эти аспекты могут быть объединены индивидуально или по группам с признаками пунктов формулы изобретения, предоставленных при подаче. Эти аспекты также представляют собой независимые изобретения, рассматриваемые по отдельности или в сочетании друг с другом или с объектами формулы изобретения настоящей заявки. Заявитель оставляет за собой право позднее сделать эти изобретения объектами формулы изобретения. Это может быть сделано в рамках настоящей заявки или в рамках последующих выделенных заявок, продолжающих заявок („continuation applications“ в США), частично продолжающих заявок („continuation-in-part applications“ в США) или последующих заявок, испрашивающих приоритет настоящей заявки.
В контексте последующих вариантов осуществления под термином «свет» или «лазерный свет» понимаются электромагнитные волны или электромагнитное излучение в видимом диапазоне, в ближнем, среднем и дальнем инфракрасном диапазоне и в УФ-диапазоне.
Далее в первую очередь будут раскрываться объекты формулы изобретения, перечисленные при подаче заявки.
Задача решается с помощью признаков изобретения по пункту 1 формулы изобретения с помощью устройства для анализа вещества, содержащего:
- измерительный элемент, который имеет измерительную поверхность и может связываться, по меньшей мере, частично с веществом в области измерительной поверхности для осуществления измерения, в частности, может связываться непосредственно или посредством среды, в частности жидкости, или непосредственно, или также посредством среды может быть приведен в контакт,
- источник возбуждающего луча, который выполнен с возможностью генерировать свет или возбуждающий луч с разными длинами волн, в частности, лазерное устройство, в частности, с квантово-каскадным лазером (ККЛ), настраиваемым ККЛ и/или с лазерным массивом, предпочтительно, массивом ККЛ, для генерации одного или более возбуждающих лучей с различными длинами волн, предпочтительно в инфракрасной или средней инфракрасной области спектра, который направлен на вещество, когда измерительный элемент в области измерительной поверхности связан и/или находится в контакте с веществом, и
- детекторное устройство, которое, по меньшей мере, частично интегрировано в измерительный элемент или связано с ним, и включает в себя следующее:
источник детекторного света, предпочтительно когерентного детекторного света, а также
подключенную или выполненную с возможностью подключения к упомянутому источнику детекторного света первую световодную структуру, которая направляет детекторный свет и показатель преломления которой по меньшей мере на участках зависит от температуры и/или давления, причем первая световодная структура содержит, по меньшей мере, один участок, на котором интенсивность света зависит от фазового сдвига детекторного света в по меньшей мере части первой световодной структуры вследствие изменения температуры или давления.
В этом контексте фазовый сдвиг детекторного света следует понимать как фазовый сдвиг относительно фазового положения детекторного света до или без изменения температуры или давления. Таким образом, из изменения интенсивности света можно определить фазовый сдвиг детекторного света и, исходя из этого, изменение показателя преломления. По изменению показателя преломления, например, может быть определена интенсивность волны тепла и/или волны давления, из которой, в свою очередь, в предпочтительных вариантах осуществления, может быть определена величина поглощения, и на основании которой может быть определена концентрация вещества, подлежащего обнаружению. Помимо видимого света, термин «детекторный свет» также может означать инфракрасный или ультрафиолетовый свет или другой тип электромагнитных волн, которые могут направляться через световодную структуру.
С помощью возбуждающего луча/лучей энергия излучается в вещество, и в зависимости от длины волны излучаемого света и субстанций, присутствующих в анализируемом веществе, а также их резонансных колебаний или частот поглощения, возбуждающие лучи поглощаются в веществе в большей или меньшей степени, причем тепловая энергия высвобождается в форме молекулярных колебаний. В отношении настраиваемого по длине волны источника света, кроме выполнения в виде настраиваемого лазера или лазерного массива, он может быть выполнен в виде источника излучения другого типа, например широкополосного источника света, из которого отдельные длины волн могут при желании выделяться с помощью фильтров. Также возможно, например, использовать один или несколько светодиодов, излучающих в инфракрасном диапазоне, излучение которых может быть выбрано в узком диапазоне в желаемых диапазонах длин волн. При этом также может происходить модуляция в источнике света или на пути света.
Процесс нагрева следует в отношении своей интенсивности модуляции возбуждающего луча и генерирует волну тепла и/или давления, которая распространяется в анализируемом веществе, помимо прочего, к измерительной поверхности и далее распространяется в измерительном элементе и в детекторном устройстве влияет на первую световодную структуру. Измерительный элемент связан с веществом в области измерительной поверхности, так что волна тепла и/или давления может передаваться от вещества к измерительному элементу. Связывание может осуществляться непосредственно через физический контакт между веществом и измерительным элементом, но, например, также и с промежуточным введением подходящей твердой или текучей, газообразной или жидкой среды. Таким образом, связывание также может иметь место, например, при излучении волны акустического давления от вещества к измерительному элементу, при необходимости, также на некотором расстоянии через газовую среду. Посредством подходящего выбора среды между веществом и измерительным элементом может быть обеспечено согласование импеданса для наилучшего ввода в измерительный элемент.
Возбуждающий луч предпочтительно излучается в вещество в области, которая либо прилегает к измерительной поверхности, либо связана с ней каким-либо иным образом. Возбуждающий луч также может быть направлен в вещество непосредственно рядом с областью измерительной поверхности, которая связана с исследуемым веществом или находится в контакте. Возбуждающий луч, кроме того, может быть направлен через объем, через выемку или отверстие в измерительном элементе или, в частности, также, по меньшей мере, на участках, через материал измерительного элемента, или также через внешнюю границу измерительного элемента в непосредственной близости от измерительного элемента. Если в измерительном элементе предусмотрена выемка/отверстие для возбуждающего луча, она может проходить полностью через измерительный элемент или быть выполнена в виде глухого отверстия, и в этом случае материал измерительного элемента или покрытие из другого материала, например с толщиной от 0,05 мм до 0,5 мм, в частности, толщиной от 0,1 мм до 0,3 мм, могут быть использованы в области измерительной поверхности.
За счет воздействия на первую световодную структуру посредством волны тепла и/или давления показатель преломления изменяется, по меньшей мере, на участках первой световодной структуры, что вызывается фазовый сдвиг детекторного света и приводит к измеряемому изменению интенсивность света, по меньшей мере, на участке первой световодной структуры.
Для обнаружения таких фазовых сдвигов, доступны, например, интерферометрические способы и устройства.
Соответственно, изобретение также относится к использованию интерферометрического способа измерения или интерферометрического измерительного устройства для количественного измерения повышения температуры в материале при прохождении волны тепла и/или давления.
Измерительный элемент может быть образован несущим телом, на котором могут быть закреплены или размещены источник детекторного света и первая световодная структура. Источник детекторного света может быть либо расположен непосредственно перед точкой входа первой световодной структуры, либо может быть соединен с ней с помощью световода. Источник детекторного света также может быть интегрирован непосредственно в световодную структуру в виде интегрированного полупроводникового элемента, например, на той же подложке, что и световодная структура. Световод может быть выполнен в виде волоконно-оптического световода или интегрированного световода. Измерительный элемент может, например, также представлять собой или содержать подложку, на которой могут быть расположены интегрированные световоды. Материал измерительного элемента может быть выполнен прозрачным или непрозрачным для возбуждающего света. Измерительная поверхность может быть определена как внешняя граничная поверхность измерительного элемента, которая может быть связана или приведена в контакт с исследуемым веществом, при этом волна тепла и/или давления может передаваться от вещества через измерительную поверхность к измерительному элементу.
При компоновке измерительного элемента можно предусмотреть, чтобы первая световодная структура была расположена по отношению к измерительной поверхности таким образом, чтобы на нее влияли волны давления или тепла, которые можно отнести к поглощению возбуждающего света, когда измерительный элемент в области измерительной поверхности связан с веществом/находится в контакте с ним.
Например, может быть предусмотрено, что по меньшей мере участок проекции первой световодной структуры в направлении нормалей к измерительной поверхности перекрывает эту измерительную поверхность.
В более общем виде также может быть предусмотрено, что по меньшей мере участок первой световодной структуры от измерительной поверхности, в частности исходя от области измерительной поверхности, в которой ее проходит возбуждающий луч, в прямом направлении является доступным для волны.
Предпочтительно, если по меньшей мере один участок световодной структуры, в частности интерферометрический элемент, а также, в частности, по меньшей мере одно плечо интерферометра световодной структуры, лежит внутри воображаемого конуса, ось которого перпендикулярна измерительной поверхности, и вершина которого лежит в точке, в которой возбуждающий луч проходит через измерительную поверхность, и который имеет угол раскрытия не более 90°, предпочтительно не более 60° и особенно предпочтительно не более 20°. Угол раскрытия означает удвоенный угол между осью конуса и образующей линией воображаемого конуса.
Кроме того, может быть предусмотрено, что по меньшей мере участок первой световодной структуры удален на расстояние менее 2 мм, предпочтительно менее 1 мм, более предпочтительно менее 0,5 мм от измерительной поверхности.
Следует обеспечить то, чтобы первая световодная структура была расположена по отношению к измерительной поверхности таким образом, чтобы тепловые и/или температурные волны, которые вызываются поглощением возбуждающего света в веществе, когда измерительный элемент находится в контакте с веществом в области измерительной поверхности, приводят к измеряемому фазовому сдвигу детекторного света, по меньшей мере, в части первой световодной структуры.
Измерительная поверхность может быть реализована как плоская поверхность, но также может иметь вогнутую поверхность или часть поверхности, на которой помещенное тело или объект может быть хорошо отцентрирован или расположен. Тогда измерительная поверхность может иметь, например, форму частично цилиндрического канала или форму чашки, в частности форму сферического сегмента, радиус кривизны которого составляет, например, от 0,5 см до 3 см, в частности от 0,5 см до 1,5. см. Если измерительная поверхность не является полностью плоской, то под нормалью к поверхности для измерительной поверхности понимается нормаль к поверхности в центре вогнутой выемки на измерительной поверхности или нормаль к плоской поверхности тела, помещенного на измерительную поверхность. Нормалью к поверхности также может являться нормаль к плоской поверхности, которая, перекрывая вогнутую выемку измерительной поверхности, образует ее продолжение.
Измерительный элемент также может иметь покрытие в области измерительной поверхности из материала, который проводит тепловую волну и/или волну давления по возможности без потерь. Этот материал может быть, например, гелеобразным или твердым, а также может быть прозрачным для возбуждающего луча или иметь углубление в области, в которой возбуждающий луч проникает в измерительную поверхность. Покрытие может быть, например, достаточно тонким с толщиной, которая составляет менее 1 мм или менее 0,5 мм, или он может быть достаточно толстым, толщиной, которая больше, чем 0,5 мм, в частности более 1 мм, в частности, больше, чем 2 мм.
Упомянутые выше криволинейные формы наружной поверхности могут быть образованы подложкой измерительного элемента с нанесенным равномерно толстым покрытием, или подложка может иметь плоскую поверхность, причем криволинейная поверхность реализуется посредством профиля толщины покрытия.
Первая световодная структура может быть расположена на стороне измерительного элемента, противоположной измерительной поверхности, или на поверхности измерительного элемента, обращенной к измерительной поверхности. В этом случае измерительный элемент может образовывать подложку, на стороне которой, противоположной измерительной поверхности, или непосредственно под измерительной поверхностью, нанесены световоды, например, посредством технологии эпитаксиального осаждения из паровой фазы.
Первая световодная структура также может быть расположена внутри измерительного элемента или подложки и окружена со всех сторон материалом измерительного элемента/подложки, чтобы обеспечить, например, хорошую подачу и хороший отвод тепла или волн давления. В этом случае первая световодная структура может быть «заключена» внутри подложки известным способом производства, то есть она покрыта со всех сторон другим материалом, который, в частности, имеет другой показатель преломления, чем световод первой световодной структуры. Если световод сам по себе выполнен из кремния, он может быть, например, покрыт оксидом кремния. Подложка/измерительный элемент также может состоять полностью или частично из кремния. Также возможно выполнение интегрированных световодов из пластика, например из полиэтилена или из оптически прозрачного кристаллического материала. Первая световодная структура может быть, например, расположена параллельно измерительной поверхности и/или расположена в плоскости, параллельной измерительной поверхности. В принципе, интегрированные световоды могут быть выполнены в виде так называемых полосовых или щелевых световодов, то есть в виде полос материала, по которым направляются световые волны, или в виде проходных пространств (щелей) подходящей формы между полностью отражающими границами, образованными из определенного материала границ.
В случае устройства описанного типа может быть предусмотрено устройство модуляции для модуляции интенсивности возбуждающего луча.
Устройство модуляции может управлять интенсивностью возбуждающего луча путем механической блокировки (механический прерыватель) или с помощью регулируемой диафрагмы или устройства с отклоняющим зеркалом, или тела/слоя с регулируемым пропусканием. Кроме того, модуляция также может быть достигнута непосредственно путем управления источником возбуждающего света/источником лазерного света или с помощью диафрагмы или электронного управления интенсивностью, которая полностью или частично блокирует или отклоняет возбуждающий луч на его пути от источника возбуждающего света/лазерного устройства к исследуемому веществу. Это также можно реализовать с помощью интерферометрического устройства или электронного управляемого пьезокристалла, или жидкого кристалла, или другого устройства с электронным управлением, которое изменяет прозрачность или отражательную способность по отношению к лучу возбуждающего света. Такое устройство может быть выполнено как неотъемлемая часть лазерного устройства или как функциональный элемент, который функционально интегрирован в измерительный элемент/подложку. Это возможно, потому что, при образовании подложки могут быть сформированы трехмерные функциональные структуры интегрированной оптики и электроники с использованием одного или нескольких слоев. Структуры МЭМС (микроэлектромеханические структуры) таким образом также могут быть интегрированы в подложку, например, для создания управляемого отклоняющего зеркала для модуляции света.
Одним из возможных аспектов представленного здесь способа является фокусировка измерения ответного сигнала на выбранных участках глубины ниже (интервалы расстояния от) поверхности материала. Переменная d имеет наибольшее влияние на диапазон глубин, измеряемых данным способом. Она определяется как d = √ (D / (π * f)), где D - коэффициент температуропроводности образца (здесь, например, кожа), f - частота модуляции возбуждающего луча. Дополнительные сведения о температуропроводности кожи можно найти в следующих публикациях:
- U. Werner, K. Giese, B. Sennhenn, K. Plamann, and K. Kölmel, “Measurement of the thermal diffusivity of human epidermis by studying thermal wave propagation,” Phys. Med. Biol. 37(1), 21-35 (1992).
- A. M. Stoll, Heat Transfer in Biotechnology, Vol 4 of Advances in Heat Transfer, J. P. Hartnett and T. Irvin, eds. (New York, Academic, 1967), стр. 117.
Следует отметить, что один и тот же термин «ответный сигнал» используется в настоящем раскрытии в нескольких значениях. С одной стороны, он может обозначать физический отклик на возбуждение возбуждающим лучом, например звуковую волну, нагрев и подобное. С другой стороны, он также может обозначать оптический или электрический сигнал, который отражает этот физический отклик, например, интенсивность детекторного света (в качестве примера оптического сигнала), или измеренное значение интенсивности, которое относится к электрическим сигналам. Для простоты и согласованности всегда используется один и тот же термин «ответный сигнал», при этом из контекста без дополнительных объяснений понятно, является ли это физическим откликом (например, волной давления или температурной волной), физическим следствием этого физического отклика (например, фазовый сдвиг детекторного света) или связанным с ним измеряемым сигналом (например, интенсивность детекторного света, измеряемой с помощью фотодатчика).
Чтобы исключить ответные сигналы от самых верхних слоев вещества с целью улучшения качества измерения, в одном варианте осуществления могут использоваться изменения измеренных значений по сравнению с предыдущими измерениями, если измеренные значения в самых верхних слоях изменяются меньше или медленнее по сравнению с другими, более глубокими слоями. Это может относиться, в одном варианте осуществления, к измерениям на коже человека, где самые верхние слои кожи практически не подвергаются обмену с нижними слоями, и поэтому физиологические параметры практически не изменяемы. Для исключения сигналов от самых верхних слоев кожи может использоваться производная по времени измеренных значений ответных сигналов. Таким образом, измерение или, по меньшей мере, оценка может быть ограничена или сфокусирована на интерстициальной жидкости в коже.
Для этой цели измерение может включать в себя регистрацию ответных сигналов для спектров, которые определяются несколько раз с разными частотами модуляции источника возбуждающего света, причем результаты для разных частот модуляции связывают друг с другом, например, путем формирования разности или формирования частного измеренных значений ответных сигналов для одинаковых длин волн и разных частот модуляции. Для проведения такого измерения также должно быть предусмотрено устройство с соответствующим устройством управления для возбуждающего луча и устройством оценки для спектров ответных сигналов.
Также может быть предусмотрено измерительное устройство для прямого или косвенного определения интенсивности света в первой световодной структуре, в частности, на участке, в котором интенсивность света зависит от фазового сдвига детекторного света, по меньшей мере, в части первой световодной структуры вследствие изменения температуры или давления. Измерительное устройство может непосредственно измерять интенсивность света в первой световодной структуре или интенсивность компонента детекторного света, исходящего в точке соединения. Измерительное устройство может содержать встроенный в подложку светочувствительный полупроводниковый элемент, такой как, например, фотодиод. Таким образом, можно напрямую измерить интенсивность света. Способы косвенного измерения могут быть предоставлены, например, путем измерения других параметров, таких как температура или напряженность поля, на первой световодной структуре.
Кроме того, может быть предусмотрено, что детекторное устройство имеет интерферометрическое устройство, в частности интерферометр и/или резонансный элемент световода, в частности резонансное кольцо или резонансная пластина.
В качестве интерферометрического устройства может быть использован интерферометр, в частности интерферометр Маха-Цендера, в котором детекторный свет разделяется светоделителем на два частичных луча, которые проходят через два отдельных плеча интерферометра. Оба плеча интерферометра в разной степени подвергаются воздействию волны температуры и/или давления, при этом измерительное плечо в большей степени подвержено влиянию волны температуры и/или давления, чем опорное плечо, или влияние волны температуры и/или давления по отношению к изменению показателя преломление измерительного плеча сильнее, чем у опорного плеча. В оптимальном случае опорное плечо совсем не подвержено влиянию волны температуры и/или давления, в то время как измерительное плечо в полной мере подвержено воздействию.
Кроме прямого измерения интенсивности света в вариантах, описанных выше, интенсивность детекторного света также может быть измерена косвенно с помощью другого параметра, такого как температура или напряженность поля, при условии, что измеряемый параметр зависит от интенсивности света.
Чтобы гарантировать, что измерительное плечо более подвержено воздействию волны температуры и/или давления, может быть предусмотрено, например, что по меньшей мере участок выступа измерительного плеча первой световодной структуры в направление нормали к измерительной поверхности перекрывается с этой измерительной поверхностью.
Кроме того, для высокой эффективности измерения может быть предусмотрено, что, по меньшей мере, участок измерительного плеча первой световодной структуры удален от измерительной поверхности на менее 2 мм, предпочтительно менее 1 мм, более предпочтительно менее 0,5 мм. Опорное плечо может находиться дальше от измерительной поверхности, чем измерительное плечо, как более подробно описано в другом месте настоящей заявки.
Следует также обеспечить то, что измерительное плечо первой световодной структуры расположено по отношению к измерительной поверхности таким образом, что волны тепла и/или температуры, которые вызваны поглощением возбуждающего света в веществе, когда измерительный элемент в области измерительной поверхности находится в контакте с веществом, приводят к измеряемому фазовому сдвигу детекторного света, по меньшей мере, в части измерительного плеча первой световодной структуры. Измерительное плечо и/или опорное плечо интерферометра могут быть предпочтительно ориентированы параллельно измерительной поверхности и/или проходить в плоскости, параллельной измерительной поверхности.
Свет от обоих плеч снова объединяется после прохождения через упомянутые плечи, и в зависимости от фазового сдвига детекторного света в плече, которое больше подвержено воздействию, два взаимно сдвинутых по фазе частичных луча детекторного света по меньшей мере частично гасятся. Измеренная интенсивность света в этом случае минимальна, если только фазовый сдвиг не превышает 180 градусов и, в крайнем случае, не проходит несколько полных циклов по 360 градусов каждый (2 Pi). В этом случае, в ходе развития повышения температуры и/или давления, переходы через нуль при фазовом гашении двух частичных лучей также могут быть подсчитаны для определения абсолютного фазового сдвига. Однако, во многих случаях фазовый сдвиг не превышает 180 градусов вследствие низких обнаруживаемых эффектов температуры и/или давления. Затем можно настроить рабочую точку интерферометра так, чтобы возникающие изменения интенсивности света монотонно воспроизводили изменения давления/температуры.
Нижеследующие меры могут гарантировать, что измерительное плечо более подвержено воздействию волны температуры и/или давления, чем опорное плечо, или что влияние волны температуры и/или давления в отношении изменения показателя преломления будет сильнее для измерительного плеча, чем для опорного плеча:
Измерительное плечо с или без встроенного в него или связанного с ним резонансного кольца находится в механическом контакте с подложкой. Световод измерительного плеча может быть соединен с подложкой с геометрическим замыканием и/или неразъемным образом и/или с силовым замыканием. Его также можно прижать к подложке или соединить с ней зажимными средствами.
Если интерферометрическое устройство содержит только одно или несколько резонансных колец или других резонансных элементов световода, они также могут находиться в механическом контакте с подложкой. Световод(-ы) резонансного кольца(ец) или резонансных элементов также может быть соединен с подложкой с геометрическим замыканием и/или неразъемным образом и/или с силовым замыканием. Их также можно прижать к подложке или соединить с ней зажимными средствами.
Интерферометр или одно или оба его измерительных плеча, так же как один или несколько резонансных колец или другие резонансные элементы, могут быть интегрированы в подложку посредством технологического производственного процесса и, например, изготавливаться заодно с ней в едином производственном процессе.
Уменьшенное влияние волны температуры и/или волны давления на опорное плечо или уменьшенное влияние на показатель преломления световода(ов) или оптический путь света в опорном плече может быть реализовано, среди прочего, за счет того, что по меньшей мере часть световода или весь световод опорного плеча состоит из волоконно-оптического световода, и в этом случае волоконно-оптический световод выполнен участками или на большей части своей длины или полностью за пределами подложки, в частности на удалении от нее. Волоконно-оптический световод может также проходить вне материала подложки, например, в выемке в подложке, без соединения с материалом подложки.
Также, по меньшей мере, часть опорного плеча может проходить отдельно от измерительного плеча через вторую подложку, на второй подложке, или в или на части подложки, которая является по меньшей мере участками, отделенной или экранированной или удаленной на расстояние от подложки.
В этом случае опорное плечо, или вторая подложка, или частичная подложка, могут быть отделены от подложки по меньшей мере на участках воздушным зазором или барьером. В качестве барьера рассматриваются вещества, которые мягче или менее жесткие, чем материал подложки и состоят, например, из пластика, эластомера, органического материала, ткани, бумаги или пены.
В любом случае, например, по меньшей мере, 10%, в частности по меньшей мере 20%, более предпочтительно по меньшей мере 30% оптической длины опорного плеча могут быть расположены в области той же подложки, что и измерительное плечо, или дополнительной подложки, которая находится на расстоянии по меньшей мере 2 мм от измерительного плеча, в частности, по меньшей мере, 5 мм, далее, в частности, по меньшей мере 8 мм. При этом, эта область опорного плеча может быть, предпочтительно, сильнее удаленной от измерительной поверхности, чем измерительное плечо. Указанная часть опорного плеча может, предпочтительно, лежать в области, который не достигается волной тепла и/или давления, или, по меньшей мере, испытывает меньшее влияние, чем область, в котором находится измерительное плечо.
Если измерительное плечо и опорное плечо, по меньшей мере, частично состоят из различающихся материалов, может быть предусмотрен светоделитель для разделения детекторного света на измерительное плечо и опорное плечо. Этот светоделитель может быть встроен в подложку или предоставлен отдельно от нее. Светоделитель может быть выполнен таким образом, что он распределяет детекторный свет на интегрированный световод и волоконно-оптический световод, или на два интегрированных световода, или на два волоконно-оптических световода.
Вне зависимости от расположения и расстояния между измерительным плечом и опорным плечом, измерительное плечо и опорное плечо могут по меньшей мере частично или полностью состоять из различных материалов, причем материал опорного плеча выбирается так, что его показатель преломления при воздействии волны тепла и/или давления испытает меньшее влияние, чем показатель преломления материала измерительного плеча. Это может быть достигнуто, например, путем выбора различных основных материалов для измерительного плеча и опорного плеча или путем легирования одного и того же основного материала по-разному в измерительном и опорном плечах. Также может быть предусмотрено, что детекторный свет по меньшей мере, по части длины опорного плеча проходит через жидкость, в частности газ, например воздух или азот, или прозрачную жидкость.
Если в качестве детекторного устройства используется резонансное кольцо или другой резонансный элемент световода, то они могут быть расположены в плоскости, параллельной измерительной поверхности. Таким образом, все участки резонансного кольца максимально равномерно подвергаются воздействию волны температуры и/или давления, падающей от измерительной поверхности на резонансное кольцо. Если в качестве детекторного устройства используется резонансное кольцо или другой резонансный элемент, либо исключительно, либо в сочетании с интерферометром, вместо единственного резонансного кольца или резонансного элемента можно использовать множество резонансных колец или резонансных элементов, оптически соединенных последовательно или параллельно, чтобы по желанию сформировать частотную характеристику. Одна или несколько рабочих точек могут быть установлены с помощью регулирования температуры или путем установки механического давления на резонансные кольца/резонансные элементы. Установка рабочей точки может осуществляться таким образом, чтобы обеспечивалась максимальная чувствительность к температуре или давлению или максимальный диапазон измерения с монотонной зависимостью между температурой или давлением и интенсивностью света в резонансном кольце/резонансном элементе.
Устройство для анализа вещества может содержать устройство оценки, которое оценивает изменение интенсивности детекторного света, регистрируемую детекторным устройством, и на основании этого определяет величину поглощения как функцию длин волн возбуждающего луча, кроме того, благодаря модуляции возбуждающего луча, интенсивность детекторного света может быть зарегистрирована с учетом и без влияния измеряемой волны тепла и/или давления, и может быть оценена ее разность или поведение или другая зависимая характеристика между этими значениями.
Устройство оценки, в частности, если в качестве интерферометрического элемента предусмотрен резонансный элемент световода или интерферометр с двумя измерительными плечами с измерительными участками, которые расположены и ориентированы относительно измерительной поверхности таким образом, что волна тепла и/или давления достигает их друг за другом, может быть настроено таким образом, что определяется изменение интенсивности детекторного света, т.е. изменение рассогласования резонансного элемента путем изменения показателя преломления, или изменение фазового сдвига в двух измерительных участках/измерительных плечах интерферометра при прохождении волны тепла и/или давления, или одного или нескольких волновых фронтов.
В частности, при использовании интерферометра с несколькими измерительными участками, если оба они подвергаются воздействию волны тепла и/или волны, фазовые сдвиги могут компенсировать друг друга, так что не может наблюдаться никакого изменения интенсивности детекторного света. Однако, если измерительные плечи/измерительные участки расположены/ориентированы таким образом, что они достигаются волной друг за другом, то в результате получается профиль интенсивности детекторного света, который отражает различное и смещенное во времени воздействие волны на различные измерительные участки и, таким образом, обеспечивается возможность оценки, поскольку предоставлены временные интервалы, когда волна действует по-разному на различные измерительные участки.
В случае резонансных элементов световода возникает временной профиль изменения интенсивности детекторного света, который отражает амплитуду проходящей волны.
В случае модулированного возбуждающего луча и соответствующих ему проходящих волнах тепла и/или давления для оценки может быть использован подходящий параметр, например амплитуда периодического изменения интенсивности детекторного света.
Кроме того, может быть предусмотрено, что световодная структура, в частности интерферометрическое устройство первой световодной структуры, имеет по меньшей мере один стекловолоконный световод, который жестко соединен с измерительным элементом, по меньшей мере, на участках.
Стекловолоконный световод доступен по низкой цене и, благодаря своей гибкости, может быть легко адаптирован к существующим потребностям. Однако, он должен контактировать с измерительным элементом, чтобы на него влияла волна давления и/или тепла. Для этого световод может быть приклеен к подложке/измерительному элементу или соединен с ним с геометрическим или силовым замыканием. Например, стекловолоконный световод может быть закреплен в зажимном устройстве подложки.
Также может быть предусмотрено, что световод первой световодной структуры, в частности интерферометрическое устройство первой световодной структуры, встроен в подложку измерительного элемента или соединяется с подложкой, при этом первая световодная структура, в частности, имеет, по меньшей мере, один кремниевый световод, который соединен с изолирующей подложкой или встроен в изолирующую подложку, причем, в частности, кремниевый световод, по меньшей мере, частично покрыт диэлектриком, в частности, оксидом кремния, например, SiO2.
В этом случае первая световодная структура может быть построена на подложке с использованием известных средств встроенной оптики, причем области с разными показателями преломления могут быть получены, например, путем селективного легирования материала подложки или путем формирования оксидных слоев или других слоев из продуктов реакций. Такие интегрированные световодные структуры могут быть предусмотрены внутри или на кремниевой пластине. Световодная структура также может быть сформирована в полимерном корпусе. Кроме того, можно использовать интегрированные световоды, например, полученные с использованием комбинаций материалов GeO2-SiO2/SiO2, GaAsInP/InP. Ti: LiNbO3.
Кроме того, может быть предусмотрено, что возбуждающий луч проходит в материал измерительного элемента, в частности, в области измерительной поверхности измерительного элемента или в области, прилегающей к измерительной поверхности, или области, непосредственно прилегающей к измерительной поверхности, причем измерительный элемент или область, через которую проходит возбуждающий луч, является прозрачной для возбуждающего луча.
Должна быть обеспечена прозрачность измерительного элемента и, в частности, также покрытия измерительного элемента, в диапазоне длин волн возбуждающего луча или возбуждающего света. Прозрачность также не может быть задана полной, так что допускается некоторое поглощение возбуждающего луча. Слой измерительного элемента, через который проходит возбуждающий луч, может быть выполнен как можно более тонким, например, менее 1 мм, например, только в виде тонкого слоя в области измерительной поверхности.
Также может быть предусмотрено, что возбуждающий луч направляется внутри измерительного элемента или на измерительный элемент через вторую световодную структуру. Вторая световодная структура выполняется таким образом, чтобы она могла направлять свет или излучение в диапазоне длин волн возбуждающего луча с минимально возможными потерями. Возбуждающий луч вводится в световод второй световодной структуры, отводится из него в области измерительной поверхности и направляется на исследуемое вещество. При этом, в положении ввода и/или вывода может быть предусмотрен формирующий луч оптический элемент, в частности фокусирующий или коллимирующий элемент, который является отдельным от световодной структуры или интегрирован в нее. Первая и вторая световодные структуры могут быть предусмотрены отдельно и на некотором расстоянии друг от друга. Однако, вследствие линейности волнового уравнения они также могут перекрываться без взаимодействия, так что в световодной структуре(ах) присутствуют области, через которые проходят как возбуждающий луч, так и детекторный свет. В крайнем случае, первая и вторая световодная структура могут быть идентичными и иметь необходимые точки входа и выхода для возбуждающего света и для детекторного света. Также предполагается, что воздействие изменения давления и/или температуры в световодной структуре на возбуждающий свет обнаруживается и учитывается при оценке. Лазерное устройство для генерации возбуждающего луча может быть интегрировано в измерительный элемент, и по меньшей мере один или несколько или все электронные элементы лазерного устройства могут быть размещены на подложке измерительного элемента, в частности, на той же подложке, которая также несет интегрированные оптические элементы. Электрические элементы лазерного устройства и интегрированные оптические элементы могут быть изготовлены или размещены на одной или нескольких взаимосвязанных подложках в общем производственном процессе и/или в нескольких последовательных производственных процессах. Это приводит к чрезвычайно компактной конструкции. Такое интегрированное расположение может быть предусмотрено как в случае, когда имеется вторая световодная структура для направления возбуждающего луча, так и в случае, когда возбуждающий луч направляется через выемку в измерительном элементе на исследуемое вещество.
Также может быть предусмотрено, что возбуждающий луч проходит через непрерывную выемку измерительного элемента между лазерным устройством и анализируемым веществом, причем выемка заканчивается, в частности, на некотором расстоянии перед измерительной поверхностью или проходит через измерительную поверхность или расположена в области, которая непосредственно примыкает к измерительной поверхности и/или граничит с ней.
В этом случае возбуждающий луч распространяется в выемке и в некоторых случаях выходит из выемки на стороне измерительного элемента, обращенной к анализируемому веществу, не проходя через материал измерительного элемента. В области измерительной поверхности также может оставаться тонкий слой измерительного элемента, так что выемка не проходит насквозь и заканчивается на некотором расстоянии перед измерительной поверхностью. При этом важно, чтобы объем вещества, в которое излучается возбуждающий луч, примыкал к измерительной поверхности и контактировал с ней или был связан с ней каким-либо другим подходящим образом, чтобы генерируемая волна температуры и/или тепла, по меньшей мере, частично затрагивала измерительную поверхность и направлялась через нее в измерительный элемент или к детекторному устройству.
Непрерывная или в значительной степени непрерывная выемка в измерительном элементе может образовывать прямой канал, но она также может образовывать канал с изгибами или перегибами, и в этом случае возбуждающий луч может быть направлен через канал с помощью отклоняющих или отражающих элементов. Выемка может продолжаться через покрытие на измерительном элементе, но она также может заканчиваться в покрытии, так что возбуждающий луч проходит через покрытие.
Если возбуждающий луч проходит, по меньшей мере, через определенный слой измерительного элемента, то если материал измерительного элемента, по меньшей мере, частично поглощает возбуждающий луч, возбуждающий луч уже может вызвать повышение температуры измерительного элемента, что, однако, может быть точно просчитано. Периодическая работа источника возбуждающего света приводит к возникновению тепловых волн в измерительном элементе, которые в некоторых случаях достигают детекторного устройства и могут быть детектированы им. Это влияние можно вычислить и вычесть из полезного сигнала.
Также может быть предусмотрено, что возбуждающий луч направляется непосредственно по внешней границе измерительного элемента на анализируемое вещество и проникает в вещество на продолжении измерительной поверхности рядом с измерительным элементом. Затем первая световодная структура детекторного устройства, например интерферометр, может быть предусмотрена в измерительном элементе непосредственно рядом с областью, в которой возбуждающий луч проникает в воображаемое продолжение измерительной поверхности, так что в этом месте волна тепла и/или давления, выходящая из вещества, по меньшей мере, частично входит в измерительный элемент и достигает первую световодную структуру.
Другой вариант осуществления может предусматривать, что измерительный элемент выполнен в виде плоского тела, в частности, в виде плоскопараллельного тела в форме пластины, в частности, толщина измерительного элемента в направлении, перпендикулярном измерительной поверхности, составляет менее 50% наименьшей протяженности измерительного элемента в направлении, проходящем в измерительной поверхности, в частности, менее 25%, далее, в частности менее чем 10%.
Такая конструкция может быть результатом использования плоской подложки, например пластины, для интегрированной оптики. Необходимая толщина измерительного элемента тогда ограничивается пространством, которое требуется для детекторного устройства.
В другом варианте осуществления может быть предусмотрено, что измерительный элемент имеет или несет зеркальное устройство для отражения возбуждающего луча, испускаемого лазерным устройством, на измерительную поверхность.
Это особенно важно, чтобы лазерное устройство было ориентировано таким образом, что возбуждающий луч в лазерном устройстве не генерируется перпендикулярно измерительной поверхности, например, если лазерное устройство для экономии пространства должно быть установлено рядом с измерительным элементом или под углом.
Также может быть предусмотрено, что возбуждающий луч был направлен в измерительном элементе параллельно измерительной поверхности или под углом к ней менее 30 градусов, в частности, менее 20 градусов, а также, в частности, менее 10 градусов или менее 5 градусов, и чтобы возбуждающий луч отклонялся или направлялся в направлении измерительной поверхности, причем возбуждающий луч проходит, в частности, через измерительную поверхность или через воображаемое продолжение измерительной поверхности в области непрерывной выемки в измерительном элементе.
В этом случае лазерное устройство для генерации возбуждающего луча может быть расположено особенно компактно и ориентировано таким образом, чтобы оно генерировало или выпускало возбуждающий луч параллельно измерительной поверхности или под одним из вышеупомянутых плоских углов относительно измерительной поверхности.
Кроме того, может быть предусмотрено, что в измерительном элементе, если смотреть со стороны измерительной поверхности, позади и/или рядом с детекторным устройством, в частности примыкая к нему или находясь с ним в тепловом контакте, расположен по меньшей мере один охладитель в виде твердого тела или материала, причем удельная теплоемкость и/или удельная теплопроводность упомянутого тела или материал охладителя, больше, чем удельная теплоемкость и/или удельная теплопроводность материала детекторного устройства и/или световодной структуры и/или подложки световодной структуры и/или других материалов, из которых состоит измерительный элемент.
В принципе, может быть выгодно предусмотреть охладитель внутри или на измерительном элементе, чтобы как можно быстрее отводить тепло, которое вводится в детекторное устройство тепловой волной, так что даже при высоких частотах модуляции возбуждающего луча возникает равновесие тепловой энергии или температурное равновесие, что позволяет осуществлять измерения периодически-кратковременно излучаемых количеств тепла или обусловленных ими изменений температур, без того, чтобы измерения были искажены предыдущими изменениями температуры.
В некоторых приложениях, в частности, в интерферометрических приложениях, в частности, в интерферометре Маха-Цендера, также выгодно подвергать одно измерительное плечо воздействию изменений температуры или волн давления и защищать другое плечо, опорное плечо, от изменений температуры или волн давления. Для этой цели также может быть полезно отдалить опорное плечо от измерительного плеча и/или обеспечить барьер, который, по меньшей мере, частично предотвращает влияние волны тепла и/или давления на часть детекторного устройства, в частности опорный плечо интерферометра. Такой барьер может, например, состоять из материала, который имеет более низкую теплопроводность, чем материал измерительного элемента или подложки измерительного элемента. Для механической развязки от волны давления материал также может быть более гибким или эластичным или более легко деформируемым, чем материал измерительного элемента или подложки измерительного элемента. Барьер также может быть образован, например, с помощью газового зазора, который может быть введен в подложку, например, путем травления или обработки с удалением материала, а также с помощью процесса аддитивного производства.
Для отдаления опорного плеча интерферометра Маха-Цендера от измерительного плеча также может быть предусмотрено, что измерительное плечо и опорное плечо расположены в разных плоскостях подложки, причем плоскость, в которой находится опорное плечо, расположена на большем расстоянии от измерительной поверхности, чем плоскость, в которой расположено измерительное плечо.
Изменение температуры и/или давления также может быть детектировано резонансным кольцом световода, в котором детекторный свет распространяется в резонансе при подходящих условиях. В случае изменения условий температуры и/или давления резонанс расстраивается за счет изменения показателя преломления, и происходит частичное гашение или гашение. Такое резонансное кольцо имеет чувствительность, которая в идеальном случае значительно выше, чем у интерферометра Маха-Цендера. Такое резонансное кольцо также может быть встроено в плечо, предпочтительно в измерительное плечо интерферометра Маха-Цендера.
В одном варианте осуществления изобретения также может быть предусмотрено, что световодная структура детекторного устройства имеет по меньшей мере два измерительных участка, которые расположены, в частности, в разных плечах интерферометра и в которых показатель преломления изменяется в зависимости от давления и/или изменения температуры, в частности, волны давления и/или тепла, таким образом, что происходит фазовый сдвиг проходящего через измерительные участки детекторного света и, как следствие, изменение интенсивности детекторного света происходит на следующем участке в зависимости от изменений давления и/или температуры, причем оба измерительных участка расположены в измерительном элементе таким образом, что через них один за другим во времени, в частности, в смещенных во времени временных промежутках или с интервалом времени, проходит волна давления и/или тепловая волна, которая от измерительной поверхности, в частности от области измерительной поверхности, в которой через нее проходит возбуждающий луч, распространяется в измерительном элементе.
Волна давления и/или тепла, которая распространяется через измерительный элемент, начиная от области измерительной поверхности, в которую проникает возбуждающий луч, затем сначала достигает первого из измерительных участков и временно изменяет показатель преломления в нем во время ее прохождения. Во временном интервале, в течение которого действует этот измененный показатель преломления, генерируется первый фазовый сдвиг по отношению к детекторному свету, который проходит через второй измерительный участок (детекторный свет проходит через оба измерительных участка параллельно). Этот фазовый сдвиг может быть обнаружен путем измерения интенсивности детекторного света, как описано выше. Затем волна достигает второго измерительного участка и проявляет там свое действие, изменяя в нем показатель преломления в течение некоторого промежутка времени. Если два временных интервала перекрываются, фазовые сдвиги для временного диапазона перекрытия, по меньшей мере, частично нейтрализуются. Затем, если фазовый сдвиг происходит только во втором измерительном участке, эффект изменения интенсивности детекторного света возникает снова. Этот ход во времени может быть записан устройством оценки, и по нему может быть определено изменение показателя преломления в первой измерительном участке и во втором измерительном участке. Определенному изменению показателя преломления можно поставить в соответствие изменение температуры и/или давления, которое представляет собой меру силы поглощения возбуждающего луча в анализируемом веществе. Вышеупомянутые измерительные участки с их продольными осями световода предпочтительно проходят поперечно, в частности, перпендикулярно направлению распространения волны давления и/или температуры в измерительном элементе, и далее, в частности, один за другим, если смотреть со стороны измерительной поверхности, в которую проникает возбуждающий луч.
Также предпочтительно предусмотрено устройство оценки, которое по изменению интенсивности детекторного света в световодной структуре определяет величину изменения фазового сдвига детекторного света в измерительном участке и, исходя из этого, изменение показателя преломления. По этому изменению показателя преломления может быть определено изменение давления и/или температуры в измерительных участках, а также величина поглощения возбуждающего луча в анализируемом веществе.
Изобретение также относится к датчику, который может использоваться, например, в устройстве описанного выше типа, с измерительным элементом, который имеет измерительную поверхность и в области измерительной поверхности для измерения температурной волны и/или волны давления, по меньшей мере, частично связан с веществом, в частности, приведен в контакт,
и с детекторным устройством, которое, по меньшей мере, частично интегрировано в измерительный элемент или соединено с ним и которое включает следующее:
источник когерентного детекторного света, а также
первую световодную структуру, которая может быть связана или связана с источником детекторного света и которая направляет детекторный свет, причем показатель преломления упомянутой первой световодной структуры, по меньшей мере, на участках, зависит от температуры и/или давления,
по меньшей мере, один участок, на котором интенсивность света зависит от фазового сдвига детекторного света по меньшей мере в части первой световодной структуры вследствие изменения температуры или давления, причем первая световодная структура содержит интерферометрическое устройство, в частности, интерферометр и/или резонансное кольцо световода или другой резонансный элемент световода, а также
измерительное устройство для определения интенсивности света в интерферометрическом устройстве или на нем.
Все упомянутые в настоящей заявке признаки выполнения датчика температуры заявленного устройства анализа также могут быть использованы для реализации датчика, отдельного от устройства анализа, для других целей, в частности, для всех описанных компоновок, конфигураций, выбора материалов, вариантов выполнения и придания формы выстроенному оптическому резонансному кольцу или измерительному плечу и опорному плечу интерферометра.
С помощью этого датчика можно измерять изменения температуры или также волны давления, которые можно регистрировать с помощью изменений показателя преломления. В дополнение к целям, объясненным выше, датчик, таким образом, может также использоваться, например, для измерения вибрации, например, сейсмических измерений или измерения механических импульсов. Вследствие короткого времени отклика датчик подходит для измерений, в которых другие датчики, такие как МЭМС датчики, не могут использоваться из-за их инерционности.
В дополнение к устройству описанного выше типа, настоящее изобретение также относится к способу управления таким устройством, в котором модулированный возбуждающий луч, в частности, через измерительный элемент, направляют на вещество, которое необходимо проанализировать, при этом посредством детекторного устройства определяют профиль интенсивности света или периодическое изменение интенсивности света, причем его регистрируют для множества длин волн возбуждающего луча путем измерения изменения интенсивности света в первой световодной структуре или путем измерения интенсивности света из первой световодной структуры, и из зарегистрированных данных получают спектр поглощения анализируемого вещества.
В способе также может быть предусмотрено, что измерение проводят для разных частот модуляции возбуждающего луча, причем определяют скорректированный спектр поглощения из комбинации полученных спектров поглощения. Таким образом, можно определить глубинный профиль концентрации анализируемого вещества в исследуемом веществе или уменьшить или устранить отрицательные эффекты от определенных диапазонов глубин с помощью математической привязки.
В принципе, изобретение также включает способ анализа вещества, в частности, с использованием устройства описанного выше типа, при этом в способе
- по меньшей мере, один электромагнитный возбуждающий луч с модуляцией интенсивности с по меньшей мере одной длиной волны возбуждения генерируется с помощью передающего возбуждающего устройства, передающее возбуждающее устройство излучает по меньшей мере один электромагнитный возбуждающий луч в объем вещества, который находится ниже поверхности вещества,
- ответный сигнал в виде интенсивности света в первой световодной структуре обнаруживается детекторным устройством, и
- вещество анализируется на основе детектированного ответного сигнала, причем ответные сигналы, в частности временные кривые ответных сигналов, определяются для разных длин волн возбуждающего луча, а информация о профиле глубины ниже поверхности вещества, подлежащего анализу, определяется характером затухания ответных реакции после окончания фазы модуляции, в которой возбуждающий луч имеет высокую интенсивность, причем происходит поглощение возбуждающего луча и генерируется волна тепла и/или давления.
Также может быть предусмотрено, что
- множество кривых ответного сигнала определяют друг за другом с использованием разных частот модуляции передающего возбуждающего устройства, и
- множество кривых ответного сигнала с разными частотами модуляции связаны друг с другом, и при этом
- в частности, из них получают информацию, относящуюся к глубинной области под поверхностью материала.
С помощью детекторного устройства, особенно в случае обнаружения изменения давления, может быть детектирован ответный сигнал в виде звуковой волны, который генерируется при поглощении возбуждающего луча в анализируемом веществе и с известной скоростью (в тканях человека прибл. 1500 м/с) распространяется до измерительной поверхности и детекторной области. С помощью устройства оценки, которое подключено к устройству модуляции для возбуждающего луча, благодаря хорошему временному разрешению измерения можно измерить фазовый сдвиг между модуляцией возбуждающего луча и ответным сигналом, и, таким образом, глубину ткани, в которой имело место поглощение. Поскольку сигналы часто представляют собой суперпозицию различных ответных сигналов от разных слоев ткани, интерпретация сигналов может происходить путем создания модели с множеством точек поглощения, распределенных на разной глубине вещества, и присвоения им значениями величины поглощения, а также времени достижения поверхности материала, при этом величины поглощения соотнесены с временной кривой ответного сигнала, при этом кривая ответного сигнала может быть восстановлена. Исходя из этого, можно определить величину поглощения и, таким образом, локальные концентрации компонентов, которые должны быть обнаружены в веществе.
Альтернативно или дополнительно, различные измерения могут выполняться с разными частотами модуляции, а ответные сигналы могут быть связаны с разными частотами модуляции, в частности, для извлечения и устранения сигналов из верхних слоев ткани, поскольку они особенно подвержены ошибкам из-за загрязнения и мертвых клетки кожи.
Вышеупомянутое устройство также можно выгодно комбинировать
- по меньшей мере, с одним дополнительным детекторным устройством, которое расположено рядом с измерительной поверхностью и/или непосредственно примыкает к ней, причем дополнительное детекторное устройство имеет контактное устройство, по меньшей мере, с 2 электродами для детектирования пьезоэлектрических сигналов, которые находятся напротив друг друга на разных сторонах детекторной области. В этом случае в детекторной области размещается материал, который изменяет свое электрическое сопротивление или генерирует электрический сигнал в зависимости от изменений температуры и/или давления, в частности, из-за пьезоэлектрического эффекта.
С помощью этого дополнительного детекторного устройства, например, в качестве альтернативы можно измерить температуру или давление, причем это измерение используется в качестве опорного измерения для температуры окружающей среды или давления окружающей среды, а также для измерения волны тепла и/или температурной волны, излучаемой веществом, подлежащим анализу, чтобы связать измеренные значения, полученные с помощью детекторного устройства, с измеренными значениями дополнительного детекторного устройства.
Далее изобретение раскрывается на основе фигур чертежей и последующего подробного описания.
Показано:
Фиг.1 - схематично вид сбоку измерительного элемента с лазерным устройством и детекторным устройством.
Фиг.2 - вид сбоку измерительного элемента,
Фиг.3 - вид сбоку еще одного измерительного элемента.
Фиг.4 - вид сверху первой световодной структуры на измерительном элементе.
Фиг.5 - вид сверху другого варианта реализации первой световодной структуры на измерительном элементе.
Фиг.6 - поперечное сечение подложки с интегрированными световодами.
Фиг.6a-6i - различные варианты осуществления одной или нескольких подложек с интерферометрическим устройством, причем штриховка измерительного элемента изображена на некоторых изображениях и опущена в других представлениях для ясности.
Фиг.6k - вариант осуществления с интерферометрическим устройством, в котором временной профиль фазового сдвига/изменения показателя преломления может быть записан как функция прохождения различных измерительных участков волной давления и/или тепла.
Фиг.6l - временной профиль фазового сдвига детекторного света в измерительных участках во время прохождения волны давления и/или тепла.
Фиг.6m показывает путь возбуждающего луча мимо внешней граничной поверхности измерительного элемента в вещество и положение интерферометрического устройства.
Фиг.6n - измерительный элемент с акустическим соединительным элементом для связи с анализируемым веществом.
Фиг.7 - поперечное сечение дополнительной подложки с интегрированными световодами.
Фиг.8 - поперечное сечение подложки с приклеенными световодами.
Фиг.9 - вид в разрезе подложки со сквозным отверстием для возбуждающего луча.
Фиг.10 - вид в разрезе подложки с дополнительным сквозным отверстием для возбуждающего луча.
Фиг.11 - вид в разрезе подложки со второй световодной структурой для возбуждающего луча.
Фиг.12 - вид в разрезе подложки с дополнительной реализацией второй световодной структуры для возбуждающего луча.
Фиг. 13 - схематический вид устройства для анализа вещества с устройством обработки результатов измерений и устройствами вывода сигналов.
Фиг.14-16 - конструкция с подложкой, к которой подсоединены источник возбуждающего света и источник детекторного света, а также детектор, и в которую может быть вставлена дополнительная подложка со встроенными оптическими элементами,
Фиг.17 - поперечное сечение измерительного элемента с первой интегрированной линзой и пальцем, расположенной на измерительной поверхности.
Фиг.18 - поперечное сечение измерительного элемента со второй интегрированной линзой.
Фиг.19 - поперечное сечение измерительного элемента с третьей интегрированной линзой.
Фиг.20 - поперечное сечение измерительного элемента с первой интегрированной линзой и возбуждающим лучом.
Фиг.21 - поперечное сечение измерительного элемента со второй интегрированной линзой и возбуждающим лучом.
Фиг.22 - поперечное сечение измерительного элемента с третьей интегрированной линзой и возбуждающим лучом, а также
Фиг.23, 24, 25 - несколько устройств с измерительным элементом и источником возбуждающего света в виде источника лазерного света или источника возбуждающего луча, в частности, лазерного устройства, при этом возбуждающий свет направляется через измерительный элемент к измерительной поверхности с помощью световода, который встроен в подложку измерительного элемента.
На фиг.1 показан вид в разрезе измерительного элемента 1, внутренняя конструкция которого на этом чертеже подробно не представлена. Первая световодная структура 6, в которую когерентный детекторный свет излучается источником 5 детекторного света, схематично показана внутри измерительного элемента 1. Измерительное устройство 7 используется для определения интенсивности света в первой световодной структуре 6, которая зависит от давления или температуры, действующих на световодную структуру 6.
Источник 5 детекторного света может быть выполнен в виде лазера или лазерного диода и может быть размещен или закреплен на измерительном элементе 1. Источник 5 детекторного света также может быть соединен с первой световодной структурой 6 гибким образом с помощью световода из стекловолокна. Кроме того, источник 5 детекторного света может быть интегрирован в качестве полупроводникового элемента в подложку (здесь не показана) внутри измерительного элемента 1 и соединен там с первой световодной структурой.
Измерительное устройство 7 также может быть соединено с первой световодной структурой 6 непосредственно с помощью соединителя или подключено к нему с помощью интегрированного световода или гибкого стекловолоконного световода (здесь не показан). Однако, измерительное устройство 7 также может быть интегрировано в измерительный элемент и выполнено на подложке измерительного элемента 1 в качестве полупроводникового элемента. Измерительное устройство 7 может быть выполнено, например, в виде светочувствительного полупроводникового элемента, например, в виде фотодиода.
В дополнение к упомянутым компонентам может быть также предусмотрено устройство измерения температуры для измерения абсолютной температуры измерительного элемента 1, чтобы принимать во внимание при оценке измерений среднюю температуру, измеренную за более длительные интервалы времени, например, одну десятую секунды, полсекунды, один или несколько секунд, в зависимости от постоянной времени других датчиков. Таким образом, например, может быть скорректирована температурная зависимость фотодиода или другого полупроводникового светочувствительного элемента. Это может быть полезно, например, при оценке интенсивности света, измеренной измерительным устройством 7, которую можно улучшить с помощью температурной коррекции. В качестве альтернативы этому может быть также предусмотрено устройство 29 стабилизации температуры, которое содержит нагревательный или охлаждающий элемент и которое поддерживает постоянную температуру измерительного элемента 1. Эта температура может, например, соответствовать средней температуре окружающей среды, которая может быть установлена, например, на уровне 20 °C, но она также может соответствовать средней температуре тела пациента, телесную ткань или телесную жидкость которого необходимо измерить, и которая, поэтому, например, может соответствовать температуре около 37°C или 30° (открытая поверхность кожи).
На фиг.1 показано лазерное устройство 4, которое может быть выполнено как квантово-каскадный лазер или как лазерный массив. Квантово-каскадный лазер может быть выполнен таким образом, чтобы его можно было, по меньшей мере, частично настраивать по длине волны, в частности, в инфракрасном диапазоне, а также, в частности, в среднем инфракрасном диапазоне. Если лазерное устройство 4 выполнено в виде лазерного массива, то отдельные лазерные элементы массива можно настраивать, регулировать или фиксировать на определенные длины волн. Длины волн отдельных лазерных элементов могут быть установлены, например, таким образом, чтобы они соответствовали длинам волн максимумов поглощения вещества, которое должно быть обнаружено в анализируемом веществе, то есть, например, на максимумы поглощения глюкозы. Для измерения уровня сахара в крови, упомянутого в качестве примера, длина волны возбуждающих лучей может быть предпочтительно выбрана так, чтобы возбуждающие лучи в значительной степени поглощались глюкозой или сахаром крови. Для измерения глюкозы или сахара в крови особенно подходят следующие длины волн инфракрасного излучения, релевантные для глюкозы, (длины волн в вакууме) и могут быть установлены индивидуально или группами одновременно или по очереди в качестве фиксированных длин волн для измерения ответных сигналов: 8,1 мкм, 8,3 мкм, 8,5 мкм, 8,8 мкм, 9,2 мкм, 9,4 мкм и 9,7 мкм. Кроме того, можно использовать глюкоза-толерантные длины волн, которые не поглощаются глюкозой, чтобы определить другие присутствующие вещества и исключить их влияние на измерение.
Поскольку другие, например, биологические или химические вещества также могут быть обнаружены и проанализированы с помощью устройства, в этом случае также возможно учитывать максимумы поглощения веществ, которые должны быть обнаружены. Количество передающих элементов в лазерном массиве может быть, например, от 10 до 20 или от 10 до 30 элементов, а также более 30 передающих элементов.
Лазерное устройство 4, которое также можно назвать устройством генерации возбуждающего луча или устройством передачи возбуждающего луча, имеет устройство 8 модуляции, которое генерирует модулированный лазерный луч. В этом случае устройство 8 модуляции может быть размещено, например, в системе управления лазерным устройством 4. Частота модуляции может, например, составлять от 100 Гц до нескольких мегагерц или даже нескольких сотен мегагерц. При этом важно, чтобы первая световодная структура 6 имела подходящее время ответа и могла реагировать на модулированные по интенсивности волны давления или тепловые волны, которые приходят в соответствии с частотой модуляции. Это тот случай, когда используются интерферометрические детекторные устройства, более подробно описанные ниже.
Свет от лазерного устройства 4 выходит в виде возбуждающего луча 10 через измерительную поверхность 2, которая показана как нижняя наружная поверхность измерительного элемента 1, в область, обозначенную D, и в которой анализируемое вещество 3 вступает в контакт с измерительной поверхностью 2. После поглощения луча 10 возбуждающего света веществом 3, волна 21 температуры и/или давления проходит от вещества к измерительному элементу 1 и достигает первой световодной структуры 6. Изменение температуры и/или давления вызывает в ней изменение интенсивности детекторного света, которое обнаруживается измерительным устройством 7 и передается на устройство 23 обработки. Устройство 23 обработки может иметь синхронный усилитель, который усиливает сигналы синхронно с модуляцией возбуждающего луча 10.
Необязательно, измерительный элемент 1 в области измерительной поверхности 2 может быть снабжен покрытием 22, на которое может быть непосредственно нанесено анализируемое вещество 3. Это может быть полезно для защиты материала подложки, предусмотренной в измерительном элементе 1, или для обеспечения механической и/или тепловой связи вещества 3 с первой световодной структурой 6. Материал покрытия 22 должен быть выполнен таким образом, чтобы он хорошо проводил волны давления и тепла. Кроме того, он может быть выбран прозрачным для возбуждающего луча 10. Слой 22 покрытия, в принципе, также может быть предусмотрен между первой световодной структурой 6 и анализируемым веществом, например, предусмотрен на поверхности первой световодной структуры 6, также может служить для обеспечения прямого взаимодействия излучения в первой световодной структуре 6 или по меньшей мере предотвратить взаимодействие затухающей части этого излучения за пределами фактической световодной структуры 6 с веществом, нанесенным на измерительной поверхности 2, поскольку такой контакт может иметь обратное воздействие на излучение в первой световодной структуре 6.
Также может быть предусмотрена акустическая связь измерительного элемента с анализируемым веществом, при которой измерительный элемент воспринимает волны, генерируемые в веществе, посредством среды, размещенной между ним и веществом. Среда может быть реализована в виде текучей среды, то есть газообразной или жидкой, так что между измерительным элементом и веществом может быть предусмотрено расстояние, например, в виде полости или выемки в измерительном элементе. Затем отверстие полости можно прижать к веществу, чтобы волна могла проходить через упомянутую полость в измерительный элемент. Стенка полости, то есть внешняя поверхность измерительного элемента, может быть покрыта материалом, который обеспечивает хорошую акустическую связь, то есть согласование импеданса. Такая акустическая связь показана и объяснена более подробно ниже со ссылкой на фиг.6n.
На фиг.2 на виде сбоку показано, что измерительный элемент 1 может иметь желобок 24, который покрыт покрытием 22. Желобок 24 предназначен для прилегания измерительной поверхности 2 в этой области к анализируемому веществу 3. Это дает пользователю возможность ориентироваться. Кроме того, когда часть тела, например кончик пальца, прикладывается к измерительной поверхности 2, этот желобок обеспечивает механическую стабилизацию.
В качестве альтернативного варианта осуществления, показанного на фиг.3, желобок 24 образован исключительно областью, в которой покрытие 22 уменьшено по толщине. Таким образом, например, подложка 1а, предусмотренная внутри измерительного элемента 1, может использоваться как ровное, плоскопараллельное тело без механической обработки.
На фиг.4 показан вид сверху подложки 1a, которая может быть частью измерительного элемента 1. Подложка 1а выполнена в виде ровного плоскопараллельного тела, например, из кремния, в частности в виде пластины, которая может быть тоньше 1 мм. Однако, в качестве подложки также может быть предусмотрена многослойная структура (сэндвич-структура), которая имеет множество слоев пластины или более толстую пластину с одним или несколькими выемками, в частности, протравленными областями. Световодная структура 6 в виде интерферометра нанесена на подложку 1а или внутри нее. Это можно реализовать, например, сначала покрывая кремниевую пластину слоем оксида кремния и нанесения на него кремниевого световода. Они, в свою очередь, могут быть покрыты слоем оксида кремния.
Подложка 1а затем может быть покрыта целиком с одной или обеих сторон защитным или функциональным слоем, который, например, также может состоять из кремния, или также из полимера или стекла.
Показанный интерферометр 12 выполнен в виде интерферометра Маха-Цендера и имеет измерительное плечо 12а и опорное плечо 12b. Детекторный свет, генерируемый источником 5 детекторного света, направляется через входной световод 6a первой световодной структуры 6 к светоделителю 6c, где свет разделяется на два частичных световых луча через измерительное и опорные плечи 12a, 12b. Опорное плечо 12b может иметь минимальное расстояние, по меньшей мере, 1 мм или, по меньшей мере, 2 мм или, по меньшей мере, 5 мм или, по меньшей мере 8 мм от измерительного плеча 12а для того, чтобы в максимальной степени исключить или уменьшить влияние на опорное плечо 12b входящей волны температуры и/или волны давления. Измерительный элемент 1 затем позиционируется относительно луча 10 возбуждающего света таким образом, чтобы волна температуры и/или давления, излучаемая анализируемым веществом, преимущественно достигала измерительного плеча 12а интерферометра и там влияла на показатель преломления световода.
Оба плеча интерферометра могут, например, лежать в плоскости, параллельной поверхности измерения, но также и в плоскости, ориентированной перпендикулярно поверхности измерения.
В результате достигается фазовый сдвиг световых лучей, проходящих в разных плечах интерферометра, который, когда световые лучи соединяются во втором соединителе 6d, в зависимости от положения фазы, приводит к гашению или частичному гашению детекторного света. Затем интенсивность детекторного света регистрируется измерительным устройством 7 в выходном световоде 6b первой световодной структуры 6 или на его конце или в точке выхода. Детекторный свет может включать, например, длины волн в видимом диапазоне или также в инфракрасном диапазоне.
В качестве альтернативы, вместо интерферометра может использоваться световодный резонансный элемент, например резонансное кольцо или пластинчатый резонатор, с входным элементом для детекторного света и выходным элементом в качестве датчика изменений давления и/или температуры.
На фиг.5 в качестве варианта интерферометрического блока показан интерферометр, совмещенный с резонансным кольцом 13 световода. Это реализовано за счет того, что измерительное плечо интерферометра соединено с резонансным кольцом 13 в двух точках 13а, 13b соединения. За счет интеграции резонансного кольца 13 в плечо интерферометра может быть достигнута значительно более высокая температурная чувствительность устройства.
На фиг.6 показано поперечное сечение измерительного элемента 1 с подложкой 1a. Первый световод 15 первой световодной структуры расположен на подложке 1а. Первый световод 15 может быть интегрирован в подложку 1а. За световодом 15, если смотреть со стороны измерительной поверхности 2, предусмотрен охладитель 20 в виде тела, которое проходит над световодом 15 параллельно последнему и заделано, например залито, в материале измерительного элемента. Охладитель 20 также может располагаться непосредственно на световоде 15. Материал охладителя 20 имеет более высокую удельную теплопроводность и/или более высокую удельную теплоемкость, чем материал световода 15, и/или чем материал подложки 1a и/или чем материал, которым покрыта подложка 1a.
Первый световод 15 представляет собой, например, измерительное плечо интерферометра. Соответствующее опорное плечо выполнено в виде второго световода 16 и интегрировано в другой подложке 1b, которая либо может быть изготовлена совместно с подложкой 1а или связана и залита с ней в общем измерительном элементе 1. Между измерительной поверхностью 2, в частности, между подложкой 1a, и вторым световодом 16 расположен тепловой барьер 30, который проходит по меньшей мере на участках, параллельно второму световоду 16, между ним и измерительной поверхностью, и который защищает от воздействия волны давления и/или температуры, которая проходит через измерительную поверхность 2. В качестве альтернативы или в дополнение к тепловому барьеру 30 световод 16 может быть экранирован от области измерительной поверхности 2 газовым зазором. Такой газовый зазор может быть введен в подложку 1a, например, путем травления или какого-либо другого процесса с удалением материала, или он может быть выполнен в заливочном материале, которым залита подложка 1a для образования измерительного элемента 1. Тепловой барьер 30 также может быть выполнен в форме тела в качестве барьера против волны давления и для этой цели иметь более высокую пластичность или эластичность, чем у материала измерительного элемента 1, который непосредственно окружает световод 16. Во многих случаях и из-за небольшого размера интерферометрических элементов целесообразно реализовать тепловой барьер с помощью протравленных канавок в подложке, например, в подложке 1a или подложке 1b. Тепловой барьер имеет, например, проводимость для волн давления или тепловых волн, которая значительно ниже, чем у заливочного материала измерительного элемента или подложки 1a, 1b.
На фигурах 6a-6g показаны различные варианты осуществления интерферометрического устройства, в котором измерительное плечо и опорное плечо выполнены таким образом, чтобы влияние волны температуры и/или давления на опорное плечо в отношении изменения показателя преломления было меньше, чем влияние на измерительное плечо. В некоторых случаях это достигается за счет того, что опорное плечо расположено на большем расстоянии от измерительной поверхности 2, чем измерительное плечо. В некоторых случаях между опорным плечом и измерительной поверхностью 2 имеется препятствие или барьер. В других случаях опорное плечо отдалено от подложки или разнесено с ней, в то время как измерительное плечо соединено с подложкой теплопроводным способом и/или жестким механическим соединением.
На фиг. 6а показано измерительное плечо в виде световода 15а и опорное плечо в виде световода 16а. Светоделитель или разветвитель обозначается как 35, в то время как соединитель, в котором пучки измерительного плеча и опорного плеча сведены вместе снова, обозначается как 36. Опорное плечо проходит в центральной области измерительного элемента 1 от измерительного плеча по длине L на расстоянии D. Опорное плечо расположено на стороне измерительного плеча, обращенной от измерительной поверхности 2, и, таким образом, дальше от измерительной поверхности 2 на величину D, чем измерительное плечо.
На фиг. 6b показано измерительное плечо в виде световода 15b и опорное плечо в виде световода 16b. Здесь также, как и на следующих фигурах, светоделитель, который распределяет детекторный свет на измерительное плечо 15b и опорное плечо 16b, обозначен позицией 35, а соединитель обозначен позицией 36. Каждый разветвитель и соединитель могут быть выполнены как отдельный оптический элемент или как элемент, интегрированный в подложку измерительного элемента 1.
Опорное плечо 16b проходит в центральной области измерительного элемента 1 от измерительного плеча 15b на расстоянии, по меньшей мере, на величину D.
Между измерительным плечом и опорным плечом также может быть предусмотрен барьер, не показанный здесь, который защищает опорное плечо от тепловых волны и или волн давления.
Измерительное плечо может также иметь длину, которая больше, чем длина опорного плеча, за счет того, что измерительное плечо проходит по меньшей мере, на участках петлями и/или в форме спирали или меандра. Однако, также может быть предусмотрено, что опорное плечо, по меньшей мере, на участках проходит петлями, и/или в форме спирали или меандра. Петлевые, спиральные или выполненные в форме меандра участки измерительного плеча и/или опорного плеча могут проходить в основном в плоскости, параллельной измерительной поверхности 2, но также и в плоскости, которая проходит перпендикулярно к измерительной поверхности 2.
На фиг. 6c показано измерительное плечо в виде световода 15с и опорное плечо в виде световода 16с. Измерительное плечо проходит как световод, который залит или вклеен в выемку в подложке измерительного элемента 1 с помощью твердого материала 37. Материал 37 подходит для проведения волн тепла и/или давления с минимально возможной задержкой. Материал 37 может быть, например, смолой и/или полимером. Световод 15c может быть, например, волоконно-оптическим световодом. Световод 16c, образующий опорное плечо может проходить вдоль измерительного элемента 1 без жесткой связи и может быть выполнен в виде волоконно-оптического световода.
Фиг. 6d показывает измерительное плечо в виде световода 15d и опорное плечо в виде световода 16d. Световод 15d может быть интегрирован в подложку измерительного элемента 1 как интегрированный световод. Световод 16d может проходить по измерительному элементу 1 или в нем, внутри заделки в материале 38, причем материал 38 выполнен таким образом, что он хуже проводит волны тепла и/или давления, чем материал измерительного элемента 1 или подложки измерительного элемента 1. Материал 38 может быть выполнен, например, из силикона, обычно в виде эластомера и/или пены.
Фиг. 6e показывает измерительное плечо в виде световода 15e и опорное плечо в виде световода 16е. Оба световода 15e, 16e проходят внутри измерительного элемента 1, в частности, как световоды, интегрированные в подложку, но разделены барьерным слоем 39. Он состоит из материала, который хуже проводит тепловые волны и/или волны давления, чем материал измерительного элемента 1 или подложка измерительного элемента. Материал барьерного слоя 39 может быть выполнен, например, как силикон, обычно как эластомер и/или пена, или мягкий, например термопластичный пластик. Барьерный слой 39 также может быть выполнен в виде газового зазора, по меньшей мере, на участках.
На фиг. 6f показано измерительное плечо в виде световода 15f и опорное плечо в виде световода 16f. Измерительное плечо расположено между, например, щелевидной выемкой 40 измерительного элемента или подложкой измерительного элемента 1 и измерительной поверхностью 2. Опорное плечо расположено на стороне выемки 40, обращенной от измерительной поверхности 2. Выемка может иметь U-образную форму, например также в виде отверстия или множества отверстий. Измерительное плечо может также иметь длину, которая больше, чем длина опорного плеча, за счет того, что измерительное плечо проходит по меньшей мере, на участках петлями и/или в виде спирали или меандра формы над выемкой 40. Однако, как показано на фигуре, также может быть предусмотрено, что опорное плечо проходит, по меньшей мере, на участках в виде петель и/или в виде спирали или меандра формы.
Фиг. 6g показывает измерительное плечо в виде световода 15g и опорное плечо в виде световода 16g. Опорное плечо расположено на стороне, противоположной измерительной поверхности 2 щелевидной выемки 41, проникающей в измерительный элемент 1 перпендикулярно плоскости чертежа. Выемка 41 также может быть выполнена в виде одного или нескольких отверстий, но также может быть реализована с использованием техники, обычной при формировании подложек, например техники травления, лазерной резки или другой обработки с удалением материала. Такую подложку можно также сформировать аддитивным способом (3D-печать). Измерительное плечо может иметь длину, которая больше, чем длина опорного плеча, за счет того, что измерительное плечо проходит по меньшей мере, на участках петлями и/или в виде спирали или меандра формы. Однако, как показано на фигуре, также может быть предусмотрено, что опорное плечо проходит, по меньшей мере, на участках петлями и/или в виде спирали или меандра формы. Петли, спирали или меандры могут проходить в плоскости, параллельной измерительной поверхности 2, но также и в плоскости, перпендикулярной измерительной поверхности 2.
На фиг.6h показаны два световода 15h, 16h, между которыми с помощью резонансного элемента 17h в форме резонансного кольца световода могут проводиться световые волны.
Интенсивность световой волны, подаваемой в световод 15h и переносимой/передаваемой из световода 15h в световод 16h или через дополнительное резонансное кольцо 19h световода в световод 18h, например, измеренная как соотношение интенсивности световой волны на выходе световода 16h или 18h к интенсивности на входе световода 15h, зависит от того, насколько далеко длина волны световой волны удалена от резонансной длины волны резонансного элемента или множества резонансных элементов. Посредством волны давления и/или температуры резонансный элемент(ы) может быть расстроен путем изменения показателя преломления, так что резонансный элемент(ы) представляет/представляют эффективный датчик температуры и/или давления. Как показано на фигуре, несколько, например, по меньшей мере два, по меньшей мере три, или по меньшей мере пять таких элементов могут быть соединены последовательно для повышения чувствительности.
Подразумевается и параллельное соединение нескольких, например, по меньшей мере двух, более двух, более трех или более пяти, таких элементов 17i, 19i, как показано на фиг.6i, между входным световодом 15i и выходным световодом 16i. Это также позволяет задавать чувствительность измерения температуры и/или давления.
При использовании оптических волноводных резонансных элементов временной профиль интенсивности детекторного света может быть зафиксирован устройством оценки, и на основании этого может быть измерен временной профиль температуры или давления во время прохождения волн давления и/или тепла. Величина поглощения возбуждающего луча в анализируемом веществе может быть определена по временному профилю, который может быть периодическим при использовании модуляции, и по нему может быть определен спектр. С помощью измеренного временного профиля интенсивности детекторного света, например, можно оценить амплитуду или среднее значение отклонения интенсивности, когда модулированный возбуждающий луч включен, и интенсивность, когда возбуждающий луч выключен.
Аналогично фиг.6a, фиг.6k показывает измерительное плечо в виде световода 15a и опорное плечо в виде световода 16a. Светоделитель или разветвитель обозначается как 35, в то время как соединитель, в котором лучи от измерительного плеча и опорного плеча снова сведены вместе, обозначается как 36. Опорное плечо проходит в центральной области измерительного элемента 1 от измерительного плеча на длину L на расстоянии величиной D. Опорное плечо 16a расположено на стороне измерительного плеча 15a, обращенной от измерительной поверхности 2, и, таким образом, дальше от измерительной поверхности 2 на величину D, чем измерительное плечо. Позицией 23 обозначено устройство оценки, которое обнаруживает и оценивает интенсивность света за соединителем 36 и ставит в соответствие фазовый сдвиг детекторного света и, таким образом, интенсивность поглощения возбуждающего луча в анализируемом веществе.
Один или несколько охладителей и/или один или несколько тепловых барьеров могут быть расположены внутри измерительного элемента или может не быть ни одного из них; поэтому измерительный элемент 1 также может быть однородным и не иметь охладителей или тепловых барьеров.
Волна тепла и/или давления, которая распространяется от вещества через измерительную поверхность 2 в измерительный элемент 1, сначала попадает в первый измерительный участок (измерительное плечо 15a) интерферометра и генерирует в нем фазовый сдвиг детекторного света. Через время t, определяемое скоростью распространения волны в измерительном элементе и расстоянием D, фазовый сдвиг генерируются во второй измерительном участке/опорном плече 16 интерферометра. Если оба фазовых сдвига существуют одновременно в течение некоторого времени, фазовые сдвиги нейтрализуют друг друга и не вызывают никаких изменений в интенсивности детекторного света. В течение интервалов времени, в течение которых волна действует только в одном плече/ измерительном участке 15a, 16a, возникает опережение или задержка детекторного света в первом плече, а затем в другом плече. Временной профиль этого развития предсказуем благодаря известной скорости распространения волны в измерительном элементе. Степень изменения интенсивности детекторного света, которое обнаруживается устройством 23 оценки, позволяет определять амплитуду волны тепла и/или давления и, таким образом, величину поглощения возбуждающего света в анализируемом веществе.
На фиг.6l по вертикальной оси показан профиль I интенсивности детекторного света после прохождения через интерферометрическое устройство, отложенный в зависимости от времени по горизонтальной оси.
В момент времени t1 волна в измерительном элементе достигает измерительного плеча 15a, где она вызывает фазовый сдвиг детекторного света относительно света, который проходит через опорное плечо 16a. В результате интенсивность падает с I1 до I2. В момент времени t2, волна достигает опорного плеча 16а и также вызывает фазовый сдвиг в той же степени и том же направлении. Поскольку влияние волны на измерительное плечо продолжается, фазовые сдвиги компенсируют друг друга, так что не происходит (частичного) гашения световых компонентов из различных плеч интерферометрического устройства. Интенсивность детекторного света снова достигает значения I1 после t2. Интенсивность затем уменьшается после t3, поскольку в это время имеется только фазовый сдвиг в опорном плече 16a и после t4, то есть, после того, как волна прошла через интерферометрическое устройство полностью, снова устанавливается интенсивность I1. Амплитуда волны и, следовательно, величина поглощения возбуждающего луча в веществе может быть определена по разнице между I1 и I2.
На фиг.6m показано устройство, в котором возбуждающий луч 10 от источника 4 возбуждающего луча проникает мимо граничной поверхности измерительного элемента 1 в вещество 3 для поглощения там, что обозначено стилизованным кружком. Оттуда исходит волна тепла и/или давления, которая распространяется, помимо прочего, на измерительный элемент 1 и к интерферометрическому устройству 12.
Кроме того, показано еще одно положение источника 4 возбуждающего луча, из которого возбуждающий луч 10' излучается под углом мимо измерительного элемента 1 в вещество 3 и поглощается там под измерительным элементом 1. В этом случае еще большая часть волны достигает измерительного элемента 1 и интерферометрического устройства. Также возможно направление возбуждающего луча с помощью световода. К измерительному элементу 1 может быть прикреплен корпус (показан пунктирными линиями) из другого материала, который, например, прозрачен для возбуждающего луча 10, в частности, более прозрачен, чем материал измерительного элемента 1.
На фиг.6n показано, что измерительный элемент 1 может быть связан с анализируемым веществом в области измерительной поверхности не только посредством прямого физического контакта, но также с использованием среды, такой как промежуточный слой, выполненный из твердого материала, или жидкий слой или даже газовый слой.
На фиг.6n выемка 200 конкретно показана на измерительной поверхности 2, причем она, необязательно, также может быть окружена приподнятой кромкой 201 на измерительной поверхности 2. Чтобы создать полость, на измерительной поверхности также можно предусмотреть только одну окружающую приподнятую кромку. Если измерительную поверхность 2 поместить на анализируемое вещество, например на часть тела живого существа, между веществом и измерительным элементом образуется полость, которая образует акустический соединительный элемент. Волна давления и/или тепла может проникать в полость из вещества и попадать в измерительный элемент через газовую среду, где волна может быть детектирована интерферометрическим элементом 6. Благодаря высокой чувствительности интерферометрического способа измерения, волна также может быть эффективно детектирована акустически и измерена в отношении ее интенсивности.
Возбуждающий луч может быть направлен от источника 4 возбуждающего луча непосредственно через полость 200 к исследуемому веществу. Для этого измерительный элемент может, по меньшей мере, частично иметь выемку для возбуждающего луча, или луч может проходить через измерительный элемент с помощью световода. Возбуждающий луч также может, по меньшей мере, частично проходить через материал измерительного элемента 1.
На фиг.7 показан вариант измерительного элемента 1, в котором световоды 15, 16 интерферометрического устройства расположены на стороне подложки 1a, которая обращена к измерительной поверхности 2. С этой стороны подложка 1а покрыта покрытием 42, которое покрывает и защищает световоды 15, 16. При таком расположении по меньшей мере один из световодов 15, который представляет собой измерительное плечо интерферометрического устройства, может достигаться волной температуры и/или давления непосредственно из вещества 3. Опорное плечо 16 должно быть экранировано от воздействия волны давления и/или температуры непоказанными средствами. Опорное плечо 16 может быть, например, расположено достаточно далеко от измерительного плеча 15, чтобы на него значительно меньше влияла волна давления и/или температуры, чем на измерительное плечо.
На фиг. 8 показан вариант, в котором реализована интерферометрическая система с волоконно-оптическими световодами 15', 16', прочно соединенными с подложкой 1а. В показанном примере соединение обеспечивается клеем 14. Световоды могут проходить в канавках на измерительном элементе/подложке.
На фиг.9 показано поперечное сечение измерительного элемента 1, которое имеет непрерывную выемку 18 в форме отверстия, через которое луч 10 возбуждающего света может проходить по прямой линии в исследуемое вещество 3. Если измерительный элемент 1 снабжен покрытием 22 на его нижней стороне, как показано на фиг.1, выемка 18 может заканчиваться покрытием, если покрытие прозрачно для возбуждающего луча 10. Однако выемка 18 может также пронизывать покрытие 22 насквозь.
Например, в выемке 18 может быть предусмотрен элемент формирования луча в виде линзы или коллиматора 31. Направление возбуждающего луча, показанное на фиг.9, можно комбинировать с любым типом интерферометрического устройства, показанного на фигурах и дополнительно поясненного выше (не показано на фиг.9).
На фиг.10 показано устройство, в котором луч 10 возбуждающего света излучается в измерительный элемент 1 лазерным устройством 4 параллельно измерительной поверхности 2. В измерительном элементе 1 имеется непрерывная выемка 18', имеющая изгиб под прямым углом в направлении измерительной поверхности 2. Отражающий элемент 32, например, в форме зеркала, предусмотрен в области изменения направления. В показанном устройстве луч 10 возбуждающего света может проникать в анализируемое вещество 3 перпендикулярно через измерительную поверхность 2. Направление возбуждающего луча, показанное на фиг.10, можно комбинировать с любым типом интерферометрических устройств, показанных на фигурах и дополнительно поясненных выше (не показанных на фиг.10).
На фиг.11 показано поперечное сечение измерительного элемента 1, в котором предусмотрена вторая световодная структура 17 для направления луча 10 возбуждающего света. Она может быть выполнена в виде интегрированного световода, встроенного в подложку измерительного элемента 1. Вторая световодная структура 17 ориентирована таким образом, что луч 10 возбуждающего света направляется перпендикулярно через измерительную поверхность 2. Однако, также возможно, чтобы световод второй световодной структуры 17 был направлен на измерительную поверхность 1 под углом менее 90 °, например менее 70° или менее 50°. Лазерное устройство 4 может быть связано со второй световодной структурой 17 напрямую или с помощью элемента формирования луча, например линзы (на фиг.11 не показана), но можно также использовать гибкий волоконно-оптический световод для проведения луча 10 возбуждающего света между лазерным устройством 4 и второй световодной структурой 17. Направление возбуждающего луча, показанное на фиг.11, можно комбинировать с любым типом интерферометрического устройства, показанного на фигурах и дополнительно поясненного выше (не показано на фиг.11).
На конце интегрированного световода второй световодной структуры 17, обращенном к измерительной поверхности 2, также может быть предусмотрен элемент формирования луча, например линза (не показана на фиг. 11).
Применительно ко второй световодной структуре 17 на фиг.12 показан встроенный световод 17a сложной формы, который направляет луч 10 возбуждающего света. Луч 10 возбуждающего света вводится во встроенный световод 17a второй световодной структуры 17, например, параллельно измерительной поверхности 2 и отклоняется этим интегрированным световодом 17a в направлении, которое проходит через измерительную поверхность 2, в частности перпендикулярно или под углом менее 90°, например, менее 70° или меньше, чем 50°. В области второй световодной структуры 17 в подложку 1a интегрировано устройство 8 модуляции, которое используется для модуляции интенсивности луча возбуждающего света через устройство 23 обработки. Устройство 8 модуляции может быть реализовано, например, с помощью пьезоэлемента, размещенного во второй световодной структуре 17 или на ней, или нагревательного элемента, который модулирует прозрачность второй световодной структуры 17, или с помощью зеркального элемента МЭМС для отклонения луча 10 возбуждающего света.
Интегрированный световод 17a второй световодной структуры 17, который направляет возбуждающий луч 10, имеет участки, на которых он проходит параллельно измерительной поверхности, и участки, на которых он проходит в каком либо направлении к измерительной поверхности 2, в частности, перпендикулярно к измерительной поверхности 2. Такая конструкция световода может быть реализована проверенным образом с помощью средств интегрированной оптики в подложке 1а.
На фиг.13 схематично показана обработка данных измерений, полученных с помощью устройства для анализа вещества. В левой части фиг.13 показаны измерительный элемент 1 и лазерное устройство 4 для генерации возбуждающего луча, а также измерительное устройство 7. Измерительное устройство 7 и, в частности, также лазерное устройство 4 подключены к обрабатывающему устройству 23, которое может быть выполнено в виде микроконтроллера или микрокомпьютера и имеет по меньшей мере один процессор. В устройстве обработки данные измерения переменной интенсивности света, полученные измерительным устройством 7, объединяются с данными модулированного возбуждающего луча, т.е. поставленными в соответствие с длинами излучаемых волн и временным профилем модуляции. Символично показаны три диаграммы, на верхней из которых показаны модулированные лазерные импульсы в зависимости от времени, а на средней диаграмме показано изменение данных измерений во времени. Когда волна тепла и/или давления достигает интерферометрического элемента, например, путем включения/выключения возбуждающего луча или модуляции возбуждающего луча, он расстраивается путем изменения показателя преломления или происходит гашение или частичное гашение волновых компонентов от различных измерительных плеч интерферометра. В результате интенсивность детекторного света изменяется после прохождения через интерферометрический элемент. Помимо величины поглощения возбуждающего луча в анализируемом веществе, эта временная кривая также отражает свойства смешения сигналов, которые для каждого периода модуляция возбуждающего луча направляются к устройству в виде суперпозиции сигналов с разных глубин под поверхностью вещества, и которые вследствие различного времени прохождения генерируют определенное поведение затухания сигналов измерения после каждого лазерного импульса. Сигналы с разной глубины не должны отделяться друг от друга, но это может быть реализовано с помощью различных способов оценки, которые объясняются в другом месте в настоящем описании.
Третья и самая нижняя диаграмма показывает спектральное представление, в котором измеренные интенсивности света нанесены в зависимости от длин волн облучения или волновых чисел луча возбуждающего света соответственно в нескольких спектрах.
Из этих данных, например, могут быть получены физиологические показатели пациента, которые получают путем измерения концентрации определенных веществ в тканях тела или в жидкости тела. Примером этого является измерение уровня сахара в крови, при котором измеряют концентрацию глюкозы в определенной части тела. Согласно фиг.13, измеренные значения или предварительно обработанные значения с помощью устройства 25 связи можно согласовывать с удаленным компьютером или распределенной компьютерной системой (облаком). Например, опорные значения для интерпретации измеренных значений можно импортировать из облака или с удаленного компьютера. Опорные значения могут зависеть от личности пациента и от данных, которые индивидуально сохраняются и могут быть восстановлены для него. С этой целью либо личность пациента должна быть введена в устройство 23 обработки, либо она должна быть определена посредством отдельных измерений, например, с помощью датчика отпечатков пальцев, который может быть интегрирован в измерительное устройство.
В облаке также может быть выполнено сравнение с измеренными значениями других пациентов или сравнение с предыдущими измеренными значениями у того же пациента, при этом условия окружающей среды, такие как температура, давление воздуха или влажность в месте нахождения пациента, также могут быть учтены. Датчики для определения этих значений могут быть интегрированы в оборудование/устройство для анализа вещества согласно изобретению.
В результате обработки устройство 23 обработки посредством первого устройства 26 вывода может выводить информацию о тенденции, например, в три или пять этапов, в форме информации, такой как оптимальная, хорошая, разумная, еще хорошая, тревожная, или в форме цветов или символов. В дополнительном устройстве 27 вывода, которое позволяет отображать конкретное значение, измеренные значения могут выводиться на экран или на цифровой дисплей. Кроме того, измеренные значения или тенденции измеренных значений могут выдаваться в программный модуль 28, который, например, также может работать в отдельном мобильном устройстве обработки данных, таком как мобильный телефон. В этом устройстве оцененные результаты измерения затем могут использоваться, например, для составления рецепта еды, которую нужно принять, или для выбора доступной еды и количества еды. Также может быть дана рекомендация по употреблению определенных продуктов с указанием количества. Это может быть связано, например, с подготовительной рекомендацией по приготовлению пищи, которая может быть вызвана из базы данных и, в частности, также передана в электронной форме. Эти рекомендацию по приготовлению пищи также может быть передана на автомат для приготовления пищи.
В одном варианте осуществления устройство вывода/дисплей 27 или сигнальное устройство, параллельное ему, может обеспечивать предложение дозы инсулина в зависимости от дополнительных параметров пациента (например, поправочного коэффициента инсулина) или автоматическую передачу сигнала на дозирующее устройство в виде инсулиновой помпы.
Устройство 23 обработки также может быть интегрировано в корпус 33 устройства, но оно также может быть выполнено отдельно, например, в мобильном компьютере или мобильном радиоустройстве. В этом случае между компонентами, расположенными в корпусе 33, в частности измерительным устройством 7 и устройством 23 обработки данных, должен быть предусмотрен интерфейс связи, например, посредством радиостандарта. Корпус 33 может быть выполнен в виде переносного корпуса, например, также в виде корпуса, который можно носить на запястье человека как наручные часы (носимые). В другом варианте осуществления лазерное устройство также может быть расположено вне корпуса и может быть подключено для измерения. Связь может быть реализована, например, с помощью волоконно-оптического световода и/или так, что возбуждающий луч лазерного устройства для измерения подходящим образом ориентирован путем приложения лазерного устройства к опорной поверхности корпуса относительно измерительного элемента.
На фиг.14 показан вид сверху подложки 100, которая несет источник 4 возбуждающего света, например, в виде лазерного устройства, в частности, лазерной массива. Кроме того, подложка 100 несет источник 5 детекторного света и измерительное устройство 7, например, в виде чувствительного к излучению полупроводникового компонента для измерения интенсивности детекторного света. Каждый из элементов 4, 5 или 7 также может быть полностью или частично интегрирован в полупроводниковую структуру подложки 100 или может быть получен из нее с помощью микромеханической технологии производства и, например, легирования. Подложка имеет световоды 101, 102, 103, которые либо полностью либо частично интегрированы в подложку, либо прикреплены к ней как волоконно-оптические световоды, например, в V-образных канавках, которые позиционируют световоды с достаточной точностью. Световод 101 направляет возбуждающий луч/возбуждающее излучение, тогда как световоды 102, 103 направляют детекторный свет/детекторное излучение.
Как можно видеть, в частности, на фиг.15, подложка 100 имеет микромеханически точно подогнанную выемку 105, в которую может быть вставлена дополнительная подложка 1а таким образом, чтобы один или несколько световодов 101, 102, 103 находились непосредственно впереди. соответствующих соединительных световодов (не показаны) дополнительной подложки, так что направляемое излучение может быть введено непосредственно в световод дополнительной подложки 1a и может быть снова отведено от них к световоду измерительного устройства/детектора 7. Для этого также могут быть предусмотрены соединительные элементы, которые увеличивают эффективность соединения. Подложка 1a затем имеет, например, как показано на фиг.16 и сопоставимой фиг.12, интегрированный световод, который направляет возбуждающий свет на измерительную поверхность. Кроме того, подложка 1а имеет встроенный интерферометрический элемент с интегрированными соединительными световодами. Измерительная поверхность может лежать на одной из двух сторон подложек 100, 1а. Если измерительная поверхность находится на нижней стороне на фиг.15, в подложке 100 может быть выполнено окно 106 как непрерывная выемка внутри выемки 105.
На фиг.17, как и на фиг.18-22, показано поперечное сечение подложки 1а, в которую встроена первая световодная структура 6 как часть детекторного устройства. Для большей ясности штриховка участков среза опущена. Измерительная поверхность 2 находится на фигурах в верхней части подложки 1а. В качестве иллюстрации человеческий палец 107 показан на фиг.17, а также на фиг.20, в качестве примерного объекта измерения, вещество которого должно быть проанализировано. Палец помещается для анализа на измерительную поверхность 2.
На фиг.17-22 показаны подложки, материал которых является проницаемым или, по меньшей мере, частично проницаемым для возбуждающего луча 10 в инфракрасном диапазоне или в обычном диапазоне длин волн возбуждающего луча. Это касается, например, кремниевой подложки для инфракрасного диапазона. Таким образом, возбуждающий луч может быть направлен через материал подложки или, по меньшей мере, через слой с ограниченной толщиной на измерительной поверхность и через нее в вещество, которое необходимо измерить. В таком случае нет необходимости обеспечивать сквозное отверстие в подложке для возбуждающего луча 10. Возбуждающий луч может быть направлен мимо первой световодной структуры 6 или через нее. Часть пути, по которому возбуждающий луч проходит в измерительном элементе, также может лежать в выемке/полости. Для этого в измерительном элементе может быть предусмотрена выемка, по меньшей мере, на участках. Например, тонкий слой подложки может оставаться в области измерительной поверхности. Однако, на участках измерительного элемента также может быть предусмотрена вставка из материала в виде световода, изготовленного из материала, который более проницаем для возбуждающего луча, чем материал подложки.
На фиг.17-22 и 23-25 показаны различные конструкции для направления возбуждающего луча. Детекторное устройство опущено для ясности. Конечно, все описанные конструкции детекторного устройства могут быть реализованы в сочетании с конструкциями для направления возбуждающего луча, показанными на фиг.17-25.
На стороне измерительного элемента или подложки 1a, противоположной измерительной поверхности 2, в подложку интегрирована линза 108, 108', 108'', в частности, сформированная материалом подложки и, например, с помощью способа со снятием материала, в частности, путем травления, выполнена из материала подложки.
Три примера возможных форм линз показаны на фиг.17-22, при этом первая линза показана на фиг.17 и 20, вторая линза - на фиг.18 и 21, а третья линза - на фиг.19 и 22.
Первая линза 108 соответствует нормально преломляющей выпуклой рефракционной собирающей линзе, вторая линза 108' соответствует собирающей линзе (рефрактивной) в разрезе Френеля (киноформная линза), а третья линза соответствует дифракционной линзе, которая фокусирует возбуждающий луч 10 посредством дифракции на концентрической решетчатой структуре.
Оптические оси линз могут быть соответственно перпендикулярны измерительной поверхности 2, так что источник возбуждающего света может излучать непосредственно через подложку 1а. Однако, оптические оси также могут быть наклонены по отношению к нормали к измерительной поверхности 2, чтобы обеспечить возможность компактного размещения источника возбуждающего света под наклоном к подложке.
На фиг.20, 21, 22 показаны формы линз 108, 108', 108'' на подложке 1a с возбуждающими лучами 10 и сфокусированными на анализируемом веществе пучками 10a лучей.
На фиг.17-22 интерферометрические элементы предусмотрены рядом с измерительной поверхностью в подложке, но эти фигуры в основном показывают направление возбуждающего луча 10.
На фиг.23 измерительный элемент 1 со слоем 1' датчика показан в поперечном сечении, в котором возбуждающий луч 10 направляется от лазерного устройства 3 в световод 126, который проходит через измерительный элемент 1 до слоя 1'. Световод 126 также может проходить через слой 1' к измерительной поверхности 2, но также может быть предусмотрено, что либо в слое 1' выполнено углубление для возбуждающего луча 10, либо возбуждающий луч проходит через материал слоя 1'. Определенная толщина слоя подложки, которая в показанном примерном варианте осуществления образует измерительный элемент 1, также может оставаться перед измерительной поверхностью или перед слоем 1', и по ней может проходить возбуждающий луч 10. В области измерительной поверхности 2, например, непосредственно рядом с измерительной поверхностью 2 и/или внутри слоя 1', может быть предусмотрена линза 140 для фокусировки возбуждающего луча 10 на точку в исследуемом веществе. Световод 126 проходит прямо от лазерного устройства 4 к измерительной поверхности 2 и проходит через детекторное устройство в виде интерферометрического элемента (подробно не показан) в слое 1' или в подложке 1. Световод также может, например, если лазерное устройство 4' расположено сбоку рядом с измерительным элементом, частично или полностью проходить по поверхности и вдоль поверхности измерительного элемента 1 (см. фиг. 25). На фиг.23 световод 127 проходит от лазерного устройства 4' сначала на первой части своей длины у или на поверхности измерительного элемента, чтобы затем проходить на второй части своей длины, как световод 126, через измерительный элемент. Возбуждающий луч может быть отражен в области изменения направления световода, например, от зеркала, или световод может быть изогнут. Такой световод 126, 127 может быть интегрирован в материал измерительного элемента 1 в производственном процессе (например, с помощью технологии SOI кремний на изоляторе) или в качестве волоконно-оптического световода, соединенного с ним, например, путем склеивания, или световод можно интегрировать по части его длины и на одной другой части его длины в виде волоконно-оптического световода.
Как можно видеть в двух различных вариантах конструкции световода на фиг.24, также может быть предусмотрен изогнутый световод 133, 134, который проводит возбуждающий луч 10 из положения на измерительном элементе 1, в котором находится лазерное устройство, к измерительной поверхности 2 приводит. Поскольку направление световода 133, 134 может быть реализовано относительно свободно, можно поддерживать минимальное расстояние между областью, через которую проходит возбуждающий луч, и детекторной областью. Возбуждающий луч 10 может также попадать на измерительную поверхность 2 под углом к измерительной поверхности 2, например, под углом от 0 до 60 градусов, в частности от 0 до 45 градусов к нормали к поверхности измерительной поверхности 2, и проходить через нее.
Из-за малой глубины проникновения в анализируемое вещество область вещества, в которой возбуждающий луч 10 взаимодействует с ним, находится, несмотря на наклонное направление облучения, непосредственно под детекторным устройством, которое может быть реализовано, например, в виде интерферометрического элемента. Изогнутые световоды 133, 134 могут, например, быть проложены, по меньшей мере, на участках в виде волоконно-оптических световодов в отверстии или аналогичной выемке в измерительном элементе 1 и приклеены или залиты там.
Как показано на фиг.25, световод 135, 136, 137, 138 также может быть предусмотрен для направления возбуждающего луча 10, который, например, проходит в нескольких направлениях и/или в двух или трех взаимно перпендикулярных направлениях на одной или два или три примыкающих друг к другу различных поверхностях измерительного корпуса 1. Такой световод 135, 136, 137, 138 может быть интегрирован в соответствующий измерительный элемент, например, подобно световодам, показанным на фиг.23 и 24. Это особенно легко реализовать на поверхности измерительного элемента посредством технологии SOI или, в зависимости от материала измерительного элемента 1, в соответствующей технологии твердотельного производства. Для этого в кремниевую подложку может быть введен световод, который покрыт слоями оксида кремния или другими слоями, и отделен от подложки. Для этого в подложке можно сначала протравить или напылить подходящую выемку, чтобы затем соответствующим образом нанести материал покрытия и световода. В этом случае покрытие световода может, например, заканчиваться заподлицо с поверхностью измерительного элемента, так что световод не выступает за измерительный элемент 1. Проведение световода 135, 136, 137, 138 вдоль поверхностей измерительного элемента предотвращает взаимодействие возбуждающего луча с детекторным устройством. Последний световод 138 затем заканчивается в области, в которой возбуждающий луч 10 должен войти в анализируемое вещество 3. Там на конце световода 138 может быть предусмотрен элемент, который направляет возбуждающий луч в вещество 3, например зеркало.
Применительно к участку фиг.25, показанному кружком 142 в правом нижнем углу на фиг.25, показано, что световод 138 также может быть расположен в показанной пунктиром канавке измерительного элемента 1, которая проходит под углом к измерительной поверхности 2, таким образом, что продольная ось световода ориентирована параллельно днищу 141 канавки через измерительную поверхность 2 на вещество 3, которое должно быть проанализировано.
Настоящая заявка на патент относится (как уже упоминалось), в дополнение к описанным выше объектам формулы изобретения и примерным вариантам осуществления, также к следующим аспектам. Эти аспекты или некоторые их признаки могут быть объединены индивидуально или по группам с признаками формулы изобретения. Аспекты также представляют собой независимые изобретения, рассматриваемые по отдельности или в сочетании друг с другом или с объектом формулы изобретения. Заявитель оставляет за собой право сделать эти изобретения предметом формулы изобретения позднее. Это может быть осуществлено в контексте настоящей заявки, а также последующих выделенных заявок или последующих заявок с испрашиванием приоритета настоящей заявки.
Аспекты настоящего изобретения:
1) Способ анализа вещества в теле, включающий:
- излучение возбуждающего света (возбуждающего луча) с одной или несколькими конкретными длинами волн возбуждения через первую область поверхности тела,
- модуляцию интенсивности луча возбуждающего света с одной или несколькими частотами, в частности одна за другой, с помощью механического, электрического или оптического прерывателя, в частности, путем электронного управления источником возбуждающего света, устройством регулировки резонатора возбуждающего лазера, служащего в качестве источника возбуждения света, или подвижного зеркального устройства, регулируемого дифракционного устройства, устройства со шторками или зеркального устройства, которое соединено с двигателем, таким как шаговый двигатель, или с МЭМС, или слоем на пути луча, который может контролироваться в отношении пропускания или отражения, а также детектирование ответного сигнала с временным разрешением,
- с помощью детекторного устройства, расположенного снаружи тела, причем ответный сигнал возникает из-за эффекта зависящего от длины волны поглощения луча возбуждающего света луча в теле и излучения волны температуры и/или тепловой волны на детекторное устройство.
Детекторное устройство может, например, содержать оптическую среду/измерительный элемент с детекторной областью, которая, в частности, примыкает или непосредственно примыкает к измерительной поверхности (которая соответствует граничной поверхности измерительного элемента, находящейся в контакте с веществом, подлежащим измерению), и которая в случае изменений давления или температуры вследствие изменения ее показателя преломления влияет на луч детекторного света, который проходит через измерительный элемент. В частности, на интенсивность детекторного света могут влиять изменения давления и/или температуры.
Детектор/детекторное устройство может, например, иметь световод, интегрированный на подложке, в частности, с использованием технологии «кремний на изоляторе». Кремний, например, используется в качестве световода. Также возможно использование SiN, причем световод, по меньшей мере, частично покрыт оксидом кремния, показатель преломления которого отличается от показателя преломления Si или SiN.
В одном варианте осуществления модуляция может происходить посредством интерференции или влияния на фазу или поляризацию излучения от передающего возбуждающего устройства, в частности, если оно содержит лазерное световое устройство. Модуляция также может быть реализована путем управления активно работающим пьезоэлементом, который является частью или компонентом измерительного элемента и у которого свойства пропускания или отражения или отражательная способность могут контролироваться с помощью регулятора напряжения на пьезоэлементе. Ответные сигналы могут быть, например, интенсивностями или углами отклонения отраженного измерительного луча или сигналами напряжения от детектора, работающего с пьезоэффектом.
2) Способ согласно аспекту 1, отличающийся тем, что возбуждающий свет/возбуждающий луч генерируется несколькими излучателями или несколькими совместными излучателями, в частности, в виде лазерного массива, которые излучают свет с разными длинами волн одновременно или один за другим, или в импульсных комбинациях, также поочередно.
3) Способ согласно любому из аспектов 1 или 2, включающий этапы:
- установление контакта между оптической средой/измерительным элементом и поверхностью тела, так что по меньшей мере одна область поверхности измерительного элемента (например, измерительная поверхность) находится в контакте с первой областью поверхность тела;
- излучение светового возбуждающего луча с длиной волны возбуждения в объем, лежащий в веществе ниже первого участка поверхности, в частности, через участок поверхности оптической среды, который находится в контакте с первым участком поверхности вещества,
- измерение температуры или изменения температуры и/или изменения давления в первой зоне поверхности измерительного элемента оптическим способом,
- анализ вещества на основе обнаруженного повышения температуры в зависимости от длины волны луча возбуждающего света. Этот процесс может быть выполнен в одном измерении для разных частот модуляции, а результаты для разных частот модуляции могут быть объединены друг с другом.
4) Способ согласно любому из аспектов 1-3, отличающийся тем, что луч детекторного света генерируется тем же источником света, который генерирует луч возбуждающего света.
5) Способ согласно аспекту 1 или любому из предыдущих или последующих, отличающийся тем, что световой возбуждающий луч представляет собой модулированный по интенсивности, в частности, импульсный световой возбуждающий луч, в частности, в инфракрасном спектральном диапазоне, в частности, частота модуляции находится между 1 Гц и 10 кГц, предпочтительно в пределах от 10 Гц и 3000 Гц.
6) Способ в соответствии с аспектом 1 или одним из предшествующих или последующих, отличающийся тем, что свет светового возбуждающего луча(ей) генерируется интегрированным устройством с несколькими отдельными лазерами, в частности, лазерным массивом, одновременно или один за другим, или частично одновременно и частично один за другим.
7) Способ согласно аспекту 1 или любому из предыдущих или последующих, отличающийся тем, что распределение интенсивности ответных сигналов определяют из ответных сигналов, полученных при различных частотах модуляции светового возбуждающего луча, в зависимости от глубины ниже поверхности, на которой возникают ответные сигналы.
8) Способ согласно аспекту 1 или любому из предшествующих или последующих, отличающихся тем, что по фазовому положению ответных сигналов, то есть определенной кривой температуры и/или давления в анализируемом веществе, измеренной по кривой интенсивности детекторного света в отношении фазы модулированного светового возбуждающего луча при одной или разных частотах модуляции светового возбуждающего луча, определяют распределение интенсивности ответных сигналов как функцию глубины ниже поверхности, на которой возникают ответные сигналы.
9) Способ согласно аспекту 7 или 8, отличающийся тем, что для определения распределения интенсивности ответных сигналов в зависимости от глубины под поверхностью результаты измерений с различными частотами модуляции взвешивают и связывают друг с другом.
10) Способ согласно аспекту 7, 8 или 9, отличающийся тем, что из определенного распределения интенсивности по глубине под поверхностью тела определяют плотность вещества для вещества, поглощающего световой возбуждающий луч в определенных диапазонах длин волн на определенной глубине или в диапазоне глубин.
11) Способ согласно аспекту 1 или любому из предыдущих или последующих, отличающийся тем, что непосредственно до или после или во время детектирования ответного сигнала (сигналов) проводят по меньшей мере одно биометрическое измерение на теле в первой области поверхности, в которой осуществляется анализ вещества, или в непосредственной близости к ней, в частности, измерение отпечатка пальца, и тело, в частности, человек, идентифицируются и, в частности, детектированию ответных сигналов ставятся в соответствие опорные значения (значения калибровки), связанные с идентификацией человека.
Биометрическое измерение может также включать измерение спектра ответных сигналов при прохождении через спектр возбуждающего светового луча. Оценивая спектр, можно определить профиль веществ, присутствующих в организме, и их количество или соотношение плотности, что может позволить идентифицировать человека.
12) Устройство для анализа вещества,
с устройством для излучения одного или нескольких световых возбуждающих лучей, каждый со своей длиной волны возбуждения, в объем, лежащий в веществе ниже первой области его поверхности, с устройством для модуляции светового возбуждающего луча, которое образовано с помощью устройства модуляции источника излучения, в частности, его управления, устройства интерференция, модулирующего устройства фазы или поляризации и/или, по меньшей мере, одного управляемого зеркала расположенного на пути луча, и/или слоя, расположенного на пути луча, который является регулируемым с точки зрения его прозрачности, а также с детекторным устройством для детектирования зависимого от времени ответного сигнала в зависимости от длины волны возбуждения света и модуляции интенсивности возбуждающего света, и с устройством для анализа вещества на основе детектированных ответных сигналов.
13) Устройство согласно аспекту 16 с устройством для определения ответных сигналов отдельно для различных частот модуляции интенсивности и/или с устройством для определения ответных сигналов в зависимости от положения фазы соответствующего ответного сигнала относительно фазы модуляции светового возбуждающего луча, в частности, в зависимости от частоты модуляции светового возбуждающего луча.
14) Устройство для анализа вещества согласно аспекту 12 или 13, с измерительным элементом для установления контакта поверхности (например, так называемой измерительной поверхности) с первым участком поверхности вещества, и с
устройством для излучения светового возбуждающего луча с одной или несколькими длинами волн возбуждения в объем, лежащий в веществе ниже первого участка поверхности, в частности, через участок поверхности измерительного элемента (измерительная поверхность), который находится в контакте с поверхностью вещества, а также
с устройством измерения ответных сигналов в виде изменений температуры и/или давления в области внутри измерительного элемента в непосредственной близости от измерительной поверхности (с помощью детекторного устройства), которая контактирует с первой областью поверхности материала, при помощи оптического способа, который основан на детекторном луче, а также
с устройством для анализа вещества на основе детектированных ответных сигналов в виде изменений температуры/изменения давления в зависимости от длины волны возбуждающего светового пучка и интенсивностей модуляция светового возбуждающего луча, в частности частоты модуляции светового возбуждающего луча.
15) Устройство согласно аспекту 18, отличающееся тем, что источник возбуждающего света и/или источник детекторного света механически жестко соединены непосредственно с измерительным элементом.
Источник возбуждающего света и/или источник детекторного света может, соответственно, быть соединен непосредственно со световодом первой или второй световодной структуры, который предусмотрен внутри, у или на измерительном элементе и может быть интегрирован в него. Источник возбуждающего света и/или источник детекторного света также могут быть соединены с первой или второй световодной структурой вышеупомянутого типа посредством соответствующего волоконно-оптического световода.
16) Устройство в соответствии с аспектом 18, 19 или 20, отличающееся тем, что измерительный элемент непосредственно содержит оптику для формирования луча и/или что оптика для формирования луча интегрирована в измерительный элемент.
17) Устройство согласно любому из аспектов с 12 по 16, отличающееся тем, что устройство имеет носимый корпус, который может быть прикреплен к телу человека, причем устройство для излучения одного или нескольких световых возбуждающих лучей и детекторное устройство для определения зависимого от времени ответного сигнала расположены и настроены таким образом, что вещество, подлежащий анализу, во время работы, когда устройство носится на теле, находится на стороне корпуса, обращенной от тела, в частности, что измерительная поверхность измерительного элемента находится на стороне, противоположной телу.
18) Устройство по любому из аспектов с 12 по 16, отличающееся тем, что устройство имеет носимый корпус, который может быть прикреплен к телу человека, и что корпус устройства имеет окно, прозрачное для светового возбуждающего луча, на своей стороне, которая, при предполагаемом положении ношения, обращена от тела.
Окно можно расположить прямо перед измерительным корпусом. Окно может быть просто отверстием в корпусе, при этом поверхность окна образована измерительной поверхностью или измерительной поверхностью, лежащей в отверстии. Измерительная поверхность также может находиться за слоем, закрывающим оконный проем, который соединен с измерительной поверхностью таким образом, что волны температуры и/или давления передаются извне на измерительную поверхность.
19) Устройство для анализа вещества с передающим возбуждающим устройством для генерации, по меньшей мере, одного электромагнитного возбуждающего луча, в частности, светового возбуждающего луча, по меньшей мере, с одной длиной волны возбуждения, с детекторным устройством для детектирования ответного сигнала и устройством для анализа вещества на основании детектированного ответного сигнала.
20) Устройство согласно любому из предшествующих аспектов с 12 по 19, отличающееся тем, что передающее возбуждающее устройство содержит опрашивающий лазер (лазер на кристалле) или светодиод, например светодиод NIR (ближний инфракрасный).
21) Устройство согласно любому из предшествующих аспектов с 12 по 20, отличающееся тем, что передающее возбуждающее устройство содержит лазерный зонд, который имеет меньший диаметр луча, чем дополнительный лазер накачки, который образует лазер для генерации возбуждающего луча.
22) Устройство в соответствии с одним из предыдущих аспектов с 12 по 21, отличающееся тем, что устройство разработано для длительного ношении человеком на теле в одном варианте осуществления с помощью удерживающего устройства, соединенного с корпусом, такого как ремень, лента или цепь, или застежки и/или детекторное устройство имеет детекторную область, которая также может быть использована в качестве области отображения информации, например, измеренных значений, времени и/или текстовой информации.
Детекторная область может быть идентична измерительной поверхности или образовывать ее продолжение/расширение.
23) Устройство в соответствии с предыдущим аспектом 22, отличающееся тем, что устройство имеет отслаивающуюся пленку в области детекторной области/измерительной поверхности, предпочтительно рядом с детекторной областью/измерительной поверхностью, для предварительной обработки поверхности вещества и обеспечения чистой поверхности и/или в одном из вариантов осуществления в случае измерения глюкозы специально для очистки кожи.
24) Устройство согласно любому из предшествующих аспектов с 12 по 23, отличающееся тем, что детекторное устройство настроено для считывания и распознавания отпечатков пальцев, для запроса определенных значений/калибровок человека и/или что оно имеет устройство для распознавания положения пальца, предпочтительно для обнаружения и определения нежелательного перемещения во время измерения.
25) Устройство согласно любому из предшествующих аспектов с 12 по 24, отличающееся тем, что детекторное устройство имеет дисплей результатов, который предпочтительно имеет цветовую кодировку как аналоговый дисплей, в одном варианте осуществления, включает отображение ошибки (например: «100 мг/дл плюс/минус 5 мг/дл») акустически и/или посредством отображения результатов измеренных значений с большим шагом, чем позволяет точность измерения устройства (например, с помощью разноцветного светофорного отображения). В результате, например, о небольших колебаниях, которые могут сбить с толку пользователя, не сообщается.
26) Устройство по любому из предшествующих аспектов с 12 по 25, отличающееся тем, что устройство
имеет интерфейсы данных для обмена измеренными данными и для получения данных калибровки или идентификации или других данных с других устройств или облачных систем, например проводные или беспроводные интерфейсы (инфракрасный, световой или радиоинтерфейсы),
при этом устройство предпочтительно настроено так, что передача данных может быть зашифрована, в частности зашифрована с помощью отпечатка пальца или других биометрических данных пользователя.
27) Устройство в соответствии с одним из предшествующих аспектов с 12 по 26, отличающееся тем, что устройство настроено таким образом, что с его помощью вырабатывается рекомендация по вводу дозы инсулина человеку или потреблению вещества/продуктов питания, вместе с количеством, которое необходимо потреблять, (например, поправочный коэффициент инсулина), и/или о том, что вес тела, жир тела также могут быть измерены и/или вводиться вручную или передаваться от других устройств упомянутому к устройству.
28) Устройство согласно любому из предшествующих аспектов с 12 по 27, отличающееся тем, что устройство для повышения точности измерения настроено для определения дополнительных параметров, в одном варианте осуществления посредством датчиков для определения температуры кожи, диффузивности/проводимости/влажности кожи, или для измерения поляризации света (исключение воды/пота на поверхности пальца).
Вода и пот на поверхности кожи человека, которые могут влиять на измерение уровня глюкозы, могут быть обнаружены с помощью тестового возбуждения возбуждающим излучением от устройства передачи возбуждения с водоспецифичными полосами при 1640 см-1 (6,1 мкм) и 690 см-1 (15 мкм) и могут быть приняты во внимание при последующей оценке измерения. В качестве альтернативы, электрическая проводимость вещества может быть измерена поблизости или непосредственно в точке измерения с использованием нескольких электродов для определения влажности. Затем может быть выведено сообщение об ошибке и инструкции по сушке, или присутствие влаги может быть учтено при последующей оценке измерения.
29) Устройство согласно любому из предшествующих аспектов с 12 по 28, отличающееся тем, что устройство имеет крышку или блокирующее устройство на пути луча лазера накачки и/или измерительного луча. Это может обеспечить обязательную безопасность глаз живых существ.
30) Устройство согласно любому из предшествующих аспектов с 12 по 29, отличающееся тем, что устройство имеет сменную детекторную область/измерительную поверхность.
31) Устройство согласно любому из предшествующих аспектов с 12 по 30, отличающееся тем, что устройство в качестве измерительного элемента имеет частично гофрированный или с параллельными канавками или распределенными углублениями или возвышениями или шероховатый кристалл в качестве измерительного элемента, который для образца (например, пальца) обеспечивает лучшую юстировку. Точка измерения, на которой помещается анализируемая поверхность материала, предпочтительно должна быть без рифления и гладкой.
32) Устройство по любому из предшествующих аспектов с 12 по 31, отличающееся тем, что устройство измеряет не только в одной точке, но по сетке. Это можно обеспечить либо смещением лазера накачки, либо лазерного зонда, либо детекторного блока относительно поверхности кожи испытуемого, либо с помощью переменного отклонения возбуждающего луча между двумя измерениями.
Кроме того, следует также указать следующие аспекты изобретения:
33) Устройство для анализа вещества, в частности также по любому из пп.12-32, с
передающим возбуждающим устройством /лазерным устройством для генерации, по меньшей мере, одного электромагнитного возбуждения луча, в частности светового возбуждающего луча, по меньшей мере, с одной длиной волны возбуждения,
детекторным устройством для детектирования ответного сигнала, и
устройством для анализа вещества на основе детектированного ответного сигнала.
Зависящий от времени ответный сигнал может заключаться в повышении температуры или давления в измерительном элементе, а также в любой измеряемой величине, которая обнаруживает это, например, в изменении интенсивности детекторного света, проходящего через материал с показателем преломления, зависящим от температуры или давления.
34) Способ анализа вещества, в котором
с помощью передающего возбуждающего устройства /лазерного устройства, по меньшей мере, один электромагнитный возбуждающий луч с одной или несколькими длинами волн возбуждения генерируется по меньшей мере частично одновременной или последовательной работой нескольких лазерных излучателей источника лазерного света и излучается в вещество,
ответный сигнал детектируется детекторным устройством, и
вещество анализируется на основании детектированного ответного сигнала.
35) Способ согласно аспекту 34, отличающийся тем, что при последовательном использовании различных частот модуляции передающего возбуждающего устройства определяют ответные сигналы, в частности временные кривые ответного сигнала, причем несколько кривых ответного сигнала, которые связаны с разными частотами модуляции, комбинируют друг с другом, и из этого получают информацию, специфичную для области глубины под поверхностью вещества.
36) Способ согласно аспекту 35,
характеризуется тем, что
кривые ответного сигнала на разных частотах модуляции определяют соответственно для разных длин волн возбуждающего луча, и, в частности, из них соответственно получают информацию, специфичную для области глубины под поверхностью материала.
37) Способ согласно аспекту 36,
характеризуется тем, что
при одновременном использовании нескольких частот модуляции возбуждающего луча детектированный ответный сигнал разделяется в соответствии с его частотами с помощью способа анализа, предпочтительно преобразования Фурье, и
отфильтровывается, измеряется и анализируется только один частичный сигнал, который соответствует обрабатываемой частоте.
Таким образом, множество сигналов на разных частотах модуляции можно анализировать один за другим, и результаты для разных частот модуляции могут быть связаны друг с другом, чтобы получить информацию о глубине для сигналов или исключить сигналы, поступающие с поверхности ткани.
38) Способ согласно любому из предшествующих аспектов с 34 по 37, в котором
В зависимости от концентрации субстанции, определенной в веществе, активируется дозирующее устройство для дозирования субстанции в вещество, в частности в тело пациента, и/или выводится акустический и/или оптический сигнал, и/или сигнал выводится на устройство обработки с помощью радиоканала и/или что один или более продуктов или комбинаций продуктов присвоенных измеряемой концентрации вещества с помощью базы данных и выводятся в качестве информации о питательной ценности, в частности, рекомендации по питанию.
В дополнение к такой рекомендации или в сочетании с ней также может выводиться указание количества продукта или сочетаний продуктов. Под комбинациями пищевых продуктов также следует понимать приготовленные порции пищи.
Все характеристики и меры возбуждающего луча, его оптическое ведение и модуляция, которые перечислены в аспектах, связанных с любым способом измерения, в частности, в связи с измерительным световым лучом и обнаружением его отклонения, а также характеристики для механической конструкции и управления, особенности корпуса и связи с внешними устройствами, базами данными и подключенными устройствами, также используются в способе обнаружения, как указано в формуле изобретения настоящей заявки, т.е. с использованием интерферометрического эффекта для детектирования в качестве ответного сигнала исходящей в измерительный элемент из вещества волны давления и/или тепловой волны.
В принципе, значения, определенные для фазового сдвига ответного сигнала относительно периодической модуляции возбуждающего луча, могут использоваться для профилирования по глубине. (Фазы нагрева/охлаждения поверхности вещества следует оценивать более точно с учетом их протекания).
К описанному устройству может быть подсоединен запас липких полосок для удаления омертвевших слоев кожи, чтобы обеспечить максимально возможное отсутствие помех на теле человека, а также пластыри или другим формы введения связывающей среды, в частности геля или термопасты, которые можно регулярно наносить на оптическую среду. Оптическая среда может быть заменена при подходящем креплении и регулировке других частей.
Сбор данных (DAQ) и синхронный усилитель при оценке могут быть объединены в одном устройстве, и оценка может быть оцифрована как единое целое. Синхронный усилитель подключен к детекторному устройству и выбирает сигналы, которые имеют фазовое соотнесение с модуляцией возбуждающего луча. Для этого синхронный усилитель подключается, например, к устройству управления для лазерного устройства, которое генерирует возбуждающий луч, и/или к устройству модуляции возбуждающего луча.
Измерение также можно проводить посредством устройства на поверхности вещества, которая перемещается относительно него, так что в процессе измерения сетки источник возбуждающего света и/или источник света измерения перемещается или перемещается по сетке по коже во время измерения, что может привести к компенсации или устранению неровности кожи.
Дополнительный вариант осуществления и пояснение изобретения согласно формуле изобретения показаны в следующем раскрытии. Детали этого раскрытия также могут быть объединены с вариантами воплощения поданной формулы изобретения. Это раскрытие также представляет собой по меньшей мере одно независимое изобретение в сочетании с вышеуказанными аспектами или предметом формулы изобретения. Заявитель оставляет за собой право сделать это изобретение или изобретения предметом формулы изобретения позднее. Это может быть сделано в контексте настоящей заявки, а также в контексте последующих выделенных заявок или последующих заявок с испрашиванием приоритета настоящей заявки.
Следующая концепция неинвазивного измерения уровня сахара в крови путем определения глюкозы в коже посредством возбуждения квантово-каскадным лазером и измерения тепловой волны с помощью лучистого тепла также должна быть охвачена изобретением и может быть объединена с предметами формулы изобретения или рассмотрена независимо в выделенной заявке:
Описан способ, с помощью которого можно определить концентрацию глюкозы или другого вещества в интерстициальной жидкости (ISF) кожи. Глюкоза в ISF является репрезентативной для глюкозы в крови и быстро следует за ней при ее изменении. Способ состоит как минимум из отдельных или групп следующих стадий или общей последовательности:
1. Область кожи (в данном случае первая область поверхности вещества) облучается сфокусированным лучом квантово-каскадного лазера, который, при необходимости, отражается от зеркала или вогнутого зеркала, которое постепенно или непрерывно настраивается на определенный инфракрасный диапазон, в котором глюкоза специфически поглощает излучение. Вместо квантово-каскадного лазера также можно использовать лазерный массив с несколькими лазерами, излучающими с отдельными длинами волн. Спектральный диапазон (или отдельные длины волн, обычно 5 или более длин волн), может лежать, в частности, между приблизительно 900 и приблизительно 1300 см-1, где глюкоза имеет отпечаток поглощения, то есть типичные и характерные линии поглощения.
2. Возбуждающий луч используется непрерывно (CW-лазер) или в импульсном режиме с высокой частотой следования импульсов или модулируется. Кроме того, возбуждающий луч модулируется с низкой частотой, особенно в диапазоне частот от 10 до 1000 Гц. Низкочастотная модуляция может иметь место с различными периодическими функциями, в различных вариантах осуществления - синусоидальная, квадратная, пилообразная или аналогичная. Прямоугольная форма является наиболее предпочтительной в соответствии с характеристиками излучения ККЛ.
3. При облучении кожи, ИК-излучение проникает в кожу на глубину примерно 50-100 мкм и, в зависимости от длины волны, стимулирует определенные колебания в молекуле глюкозы. Эти возбуждения от уровня вибрации v0 до v1 возвращаются в основное состояние за очень короткое время; на этом этапе выделяется тепло.
4. В результате выделения тепла согласно (3) образуется тепловая волна, которая изотропно исходит от точки поглощения. В зависимости от термической диффузионной длины, которая определяется низкочастотной модуляцией, описанной в (2), тепловая волна периодически достигает поверхности кожи с частотой модуляции.
5. Периодическое появление тепловой волны на поверхности соответствует периодической модуляции свойства теплового излучения кожи (поверхности вещества образца). Кожу можно грубо описать как черное тело, полное излучение которого пропорционально четвертой степени температуры поверхности в соответствии с законом Стефана-Больцмана. В описанной здесь методике измерения основное внимание уделяется измерению теплопроводности.
6. С помощью детекторного устройства в соответствии с формулой изобретения настоящей заявки обнаруживается влияние волны тепла и/или давления, поступающей на детекторное устройство, на показатель преломления световодного устройства, в частности интерферометрического устройства.
7. При обработке ответных сигналов можно специально учитывать частоту модуляции, для чего ответный сигнал может обрабатываться синхронным усилителем. Анализируя положение фазы между возбуждающим сигналом и сигналом теплового излучения (ответным сигналом) с помощью устройства управления и обработки, можно получить информацию о глубине под поверхностью материала, из которой преимущественно получают ответные сигналы.
8. Информация о глубине также может быть получена путем выбора и анализа различных частот низкочастотной модуляции, как описано в разделе (2) для возбуждающего луча, и связывания результатов для разных частот модуляции (при этом результаты для разных частот модуляции также могут быть взвешены по-разному). Если необходимо, для компенсации поглощения самых верхних слоев кожи можно использовать разностные способы, формирование отношения по меньшей мере двух ответных сигналов (например, каждый для одной длины волны и этой длины волны в измеренном спектре) или другие способы определения.
9. По тепловому сигналу, измеренному в соответствии с (6-8) и зависящему от длины возбуждающей волны, в одном варианте осуществления, если должна быть обнаружена глюкоза, сначала для не относящихся к глюкозе длин волн возбуждающего луча (или с их исключением) определяется фон, затем для (или с включением) относящихся к глюкозе длин волн определяется разность с фоновым сигналом. Из этого получается концентрация глюкозы в слое кожи или слоях кожи, которая определяется выбранным положением фазы согласно (7) или различными частотами модуляции согласно (8) или их комбинацией.
Хотя изобретение было проиллюстрировано и описано более подробно с помощью предпочтительных примерных вариантов осуществления, изобретение не ограничивается раскрытыми примерами, и другие варианты могут быть выведены из него специалистом в данной области без выхода за объем притязаний настоящего изобретения.
| название | год | авторы | номер документа |
|---|---|---|---|
| СЕНСОРНОЕ УСТРОЙСТВО СО ВСТРОЕННЫМ РАСЩЕПИТЕЛЕМ ЛУЧА | 2016 |
|
RU2724458C1 |
| УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРОВЕРКИ ЛЮМИНЕСЦИРУЮЩИХ ЦЕННЫХ ДОКУМЕНТОВ | 2009 |
|
RU2428742C2 |
| УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРОВЕРКИ ЛЮМИНЕСЦИРУЮЩИХ ЦЕННЫХ ДОКУМЕНТОВ | 2012 |
|
RU2491641C1 |
| УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРОВЕРКИ ЛЮМИНЕСЦИРУЮЩИХ ЦЕННЫХ ДОКУМЕНТОВ | 2011 |
|
RU2451339C1 |
| УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ДЛЯ ПРОВЕРКИ ЦЕННЫХ ДОКУМЕНТОВ | 2005 |
|
RU2375751C2 |
| СИСТЕМА УЛЬТРАЗВУКОВОГО КОНТРОЛЯ | 2010 |
|
RU2528578C2 |
| ГИБКИЙ НЕЛИНЕЙНЫЙ ЛАЗЕРНЫЙ СКАНИРУЮЩИЙ МИКРОСКОП ДЛЯ НЕИНВАЗИВНОГО ТРЕХМЕРНОГО ДЕТЕКТИРОВАНИЯ | 2012 |
|
RU2524742C2 |
| МИКРОРЕЗОНАТОРНЫЙ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ДАТЧИК КОНЦЕНТРАЦИИ ГАЗОВ | 1998 |
|
RU2142114C1 |
| ИНТЕГРАЛЬНО-ОПТИЧЕСКОЕ ОТРАЖАТЕЛЬНОЕ ПРИЕМОПЕРЕДАЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО | 1988 |
|
RU2043002C1 |
| УСТРОЙСТВО И СПОСОБ КОНТРОЛЯ СТРУКТУРЫ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СИГНАЛОВ, РАСПРОСТРАНЯЮЩИХСЯ ВО ВЗАИМНО ПРОТИВОПОЛОЖНЫХ НАПРАВЛЕНИЯХ, ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЛОКАЛИЗАЦИИ ВОЗМУЩЕНИЙ | 1999 |
|
RU2226270C2 |
Группа изобретений относится к устройству и способу для анализа вещества и может быть использована для измерения глюкозы или содержания сахара в крови. Устройство содержит измерительный элемент, который имеет измерительную поверхность и выполнен с возможностью связываться, по меньшей мере, частично с веществом в области измерительной поверхности для осуществления измерения или выполнен с возможностью приведения в контакт с ним непосредственно или также посредством среды, также содержит детекторное устройство, которое, по меньшей мере, частично интегрировано в измерительный элемент или связано с ним. С помощью возбуждающего луча/лучей энергия излучается в вещество, и в зависимости от длины волны излучаемого света и субстанций, присутствующих в анализируемом веществе, а также их резонансных колебаний или частот поглощения, возбуждающие лучи поглощаются в веществе в большей или меньшей степени. Технический результат – упрощение определения состава анализируемой жидкости. 2 н. и 17 з.п. ф-лы, 25 ил.
1. Устройство для анализа вещества, содержащее:
- измерительный элемент (1, 1a), который имеет измерительную поверхность (2) и выполнен с возможностью связываться, по меньшей мере, частично с веществом (3) в области измерительной поверхности для осуществления измерения или выполнен с возможностью приведения в контакт с ним непосредственно или также посредством среды, причем указанная измерительная поверхность (2) реализована как плоская поверхность или содержит вогнутую поверхность или часть поверхности,
- источник возбуждающего луча, который выполнен с возможностью генерировать свет или возбуждающий луч с разными длинами волн, причем возбуждающий луч (10) направлен на вещество (3), когда измерительный элемент (1, 1a) в области измерительной поверхности (2) связан и/или находится в контакте с веществом (3),
- устройство (8) модуляции для модуляции интенсивности возбуждающего луча (10) с частотой модуляции от 1 Гц до 10 кГц,
- детекторное устройство (5, 6, 7), которое, по меньшей мере, частично интегрировано в измерительный элемент (1, 1a) или связано с ним, и включает в себя следующее:
источник (5) детекторного света, предпочтительно когерентного детекторного света (11), а также
подключенную или выполненную с возможностью подключения к упомянутому источнику детекторного света первую световодную структуру (6), которая направляет детекторный свет, и показатель преломления которой по меньшей мере на участках зависит от температуры и/или давления, причем первая световодная структура содержит, по меньшей мере, один участок (9), на котором интенсивность света зависит от фазового сдвига детекторного света в по меньшей мере одной части первой световодной структуры (6) вследствие изменения температуры или давления за счет волн давления или тепловых волн, вызванных поглощением возбуждающего луча, когда измерительный элемент (1, 1a) связан с веществом (3) в области измерительной поверхности, и
измерительное устройство (7) для прямого или косвенного определения интенсивности света на указанном участке (9) первой световодной структуры (6), на котором интенсивность света зависит от фазового сдвига детекторного света в указанной по меньшей мере одной части первой световодной структуры вследствие изменения температуры или давления,
причем упомянутый измерительный элемент (1, 1a) представляет собой или содержит подложку (1а), и причем по меньшей мере один световод (15, 16) указанной первой световодной структуры (6) интегрирован в указанную подложку (1а).
2. Устройство по п. 1, в котором по меньшей мере, участок проекции первой световодной структуры (6) в направлении нормалей к измерительной поверхности (2) перекрывается с этой измерительной поверхностью (2).
3. Устройство по п. 1 или 2, содержащее корпус (33), выполненный в виде переносного корпуса, который можно носить на запястье человека как наручные часы.
4. Устройство по п. 3, в котором источник возбуждающего луча расположен вне корпуса и выполнен с возможностью подключения для измерения с помощью волоконно-оптического световода.
5. Устройство по любому из пп. 1-4, отличающееся тем, что детекторное устройство содержит интерферометрическое устройство, в частности интерферометр (12) и/или резонансный элемент световода, в частности резонансное кольцо (13) или резонансную пластину.
6. Устройство по любому из пп. 1-5, отличающееся тем, что первая световодная структура (6), в частности интерферометрическое устройство первой световодной структуры, включает в себя по меньшей мере один стекловолоконный световод (14), который по меньшей мере участками прочно соединен с измерительным элементом (1).
7. Устройство по любому из пп. 1-6, отличающееся тем, что первая световодная структура (6) содержит, по меньшей мере, один кремниевый оптический световод, который соединен с изолирующей подложкой или встроен в изолирующую подложку, и причем, в частности, кремниевый оптический световод по меньшей мере частично покрыт изолятором, в частности SiO2.
8. Устройство по любому из пп. 1-7, отличающееся тем, что возбуждающий луч (10) проходит через материал измерительного элемента (1, 1а), в частности, в области измерительной поверхности измерительного элемента или в области, прилегающей к измерительной поверхности (2) или в области, непосредственно граничащей с измерительной поверхностью, причем измерительный элемент или область, проходимая возбуждающим лучом (10), является прозрачной для возбуждающего луча.
9. Устройство по любому из пп. 1-8, отличающееся тем, что возбуждающий луч (10) направляется внутри измерительного элемента (1, 1а) или на измерительный элемент через вторую световодную структуру (17).
10. Устройство по любому из пп. 1-9, отличающееся тем, что возбуждающий луч (10) проходит в непрерывной выемке (18) измерительного элемента между лазерным устройством (4) и веществом (3), подлежащим измерению, причем выемка заканчивается, в частности, на удалении от измерительной поверхности или проходит через измерительную поверхность (2), или расположена в области, которая непосредственно примыкает к измерительной поверхности и/или граничит с ней.
11. Устройство по любому из пп. 1-10, отличающееся тем, что измерительный элемент (1, 1а) выполнен в виде плоского корпуса, в частности, в виде плоскопараллельного тела в форме пластины, причем, в частности, толщина измерительного элемента в направлении, перпендикулярном к измерительной поверхности (2), составляет менее 50% наименьшей протяженности измерительного элемента в направлении, проходящем в измерительной поверхности, в частности, менее чем 25%, еще в частности менее чем 10%.
12. Устройство по любому из пп. 1-11, отличающееся тем, что измерительный элемент (1, 1а) имеет или несет зеркальное устройство (19) для отражения возбуждающего луча (10), испускаемого лазерным устройством (4), на измерительную поверхность (2).
13. Устройство по любому из пп. 1-12, отличающееся тем, что возбуждающий луч (10) направлен параллельно измерительной поверхности (2) или под углом менее 30 градусов, в частности, менее 20 градусов, более конкретно, менее 10 градусов или менее 5 градусов к измерительной поверхности в измерительном элементе (1, 1a), причем возбуждающий луч отклоняется или отводится в направлении измерительной поверхности, причем возбуждающий луч проходит, в частности через измерительную поверхность или через воображаемое продолжение измерительной поверхности в области непрерывной выемки (18) в измерительном элементе.
14. Устройство по любому из пп. 1-13, отличающееся тем, что в измерительном элементе (1, 1a), при рассмотрении от измерительной поверхности (2) позади и/или рядом с детекторным устройством (5, 6, 7), в частности первой световодной структурой (6), в частности, примыкая к ней и в тепловом контакте размещен по меньшей мере один охладитель (20) в виде твердого тела или материала, причем, в частности удельная теплоемкость и/или удельной теплопроводность упомянутого твердого тела или материала охладителя превышает удельную теплоемкость и/или удельную теплопроводность материала детекторного устройства (5, 6, 7) и/или первой световодной структуры и/или подложки (1а) первой световодной структуры (6) и/или других материалов, из которых состоит измерительный элемент (1, 1a), и/или предусмотрен барьер (30, 40, 41) в измерительном элементе (1, 1a), который по меньшей мере, частично предотвращает воздействие тепловой волны и/или волны давления на часть детекторного устройства, в частности, на часть первой световодной структуры (6), далее, в частности на опорное плечо интерферометра, и/или первая световодная структура (6) детекторного устройства содержит по меньшей мере два измерительных участка (15а, 16а), которые расположены, в частности, в разных плечах интерферометра, и в которых показатель преломления изменяется в зависимости от изменений давления и/или температуры, в частности, от тепловой волны и/или волны давления, так что фазовый сдвиг проходящего через измерительные участки детекторного света и, как следствие, изменение интенсивности детекторного света, происходит на следующем участке в зависимости от изменений давления и/или температуры, причем два измерительных участка расположены в измерительном элементе таким образом, что через них один за другим во времени, в частности, в смещенных во времени временных промежутках или с интервалом времени проходит волна давления и/или тепловая волна, которая распространяется в измерительном элементе от измерительной поверхности (2), в частности от области измерительной поверхности, в которой через нее проходит возбуждающий луч.
15. Устройство по любому из пп. 1-14, отличающееся тем, что указанная измерительная поверхность (2) выполнена с возможностью связываться, по меньшей мере, частично с веществом (3) в области измерительной поверхности для осуществления измерения.
16. Устройство по любому из пп. 1-15, отличающееся тем, что указанная измерительная поверхность (2) выполнена с возможностью связываться, по меньшей мере, частично с веществом (3) в области измерительной поверхности для осуществления измерения посредством среды, в частности жидкости.
17. Устройство по любому из пп. 1-16, отличающееся тем, что указанный источник возбуждающего луча является лазерным устройством (4), в частности, лазерным устройством с квантово-каскадным лазером (ККЛ), настраиваемым ККЛ и/или с лазерным массивом, предпочтительно, представляет собой массив ККЛ, для генерации одного или более возбуждающих лучей (10) с различными длинами волн, предпочтительно в инфракрасной или средней инфракрасной области спектра.
18. Способ управления устройством по любому из пп. 1-17, отличающийся тем, что модулированный возбуждающий луч (10), в частности, через измерительный элемент, направляют на вещество (3), которое необходимо проанализировать, при этом посредством детекторного устройства определяют профиль интенсивности света или периодическое изменение интенсивности света, причем его регистрируют для множества длин волн возбуждающего луча путем измерения изменения интенсивности света в первой световодной структуре или путем измерения интенсивности света из первой световодной структуры, и из зарегистрированных данных получают спектр поглощения анализируемого вещества.
19. Способ по п. 18, отличающийся тем, что измерение проводят для разных частот модуляции возбуждающего луча (10), причем определяют скорректированный спектр поглощения из комбинации полученных спектров поглощения.
| WO 2017097824 A1, 16.05.2017 | |||
| US 7446880 B2, 04.11.2008 | |||
| US 2014114187 A, 24.04.2014 | |||
| CN 1901846 A, 24.01.2007. |
