CN102144919B - 生物体信息检测器、生物体信息测定装置 - Google Patents

生物体信息检测器、生物体信息测定装置 Download PDF

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Abstract

生物体信息检测器、生物体信息测定装置以及生物体信息检测器中的反射部的设计方法。本发明的课题是降低在接触部件的接触面侧的直接反射光带来的影响。作为解决手段，生物体信息检测器包含发光部(14)；受光部(16)；反射部(18)；保护部(19)，其保护发光部(14)，具有接触部件(19-2)，该接触部件具备与被检查体接触的接触面并且接触部件由对于发光部(14)发出的光的波长透明的材料构成；和基板(11)，以抑制从发光部(14)发出的光在保护部(19)中的接触部件(19-2)的接触面侧一次反射后入射到受光部(16)的受光区域。

Description

生物体信息检测器、生物体信息测定装置
技术领域
本发明涉及生物体信息检测器、生物体信息测定装置以及生物体信息检测器中的反射部的设计方法等。
背景技术
生物体信息测定装置对例如人的脉搏数、血液中的氧饱和度、体温、心率数等生物体信息进行测定，生物体信息测定装置的一例是测定脉搏数的脉搏计。另外，脉搏计等生物体信息测定装置可被装入计时器、移动电话、寻呼机、个人计算机等电子设备中，或可与电子设备组合。生物体信息测定装置具有检测生物体信息的生物体信息检测器，生物体信息检测器包含：向被检查体(用户)的被检测部位(手指或手臂等)发光的发光部、和接收来自被检测部位的具有生物体信息的光的受光部。
在专利文献1中公开了同轴状地配置有发光元件和受光元件的反射型光传感器。专利文献1所记载的反射型光传感器被设计为：在检测对象(人的手指)与透过从发光元件出射的光的窗相隔规定距离的位置处，受光元件的检测灵敏度最大。在专利文献1的(0032)段落中公开了，为了设定检测灵敏度的峰值位置，可使发光元件的照射角变化这一点、可使基板的大小变化这一点和可使反射面的曲率或者焦点变化这一点。
【专利文献1】
日本特开2004﹣337605号公报
从发光元件出射的光经由透光部件(相当于专利文献1的窗部)照射到被检查体的被检测部位。从发光元件发出的光的一部分在透光部件的表面(以及其附近)反射。该反射光是直接在透光部件的表面(以及其附近)反射后的反射光(即直接反射光)，直接反射光是不具有生物体信息的无效光(噪声光)。当直接反射光(无效光)入射到受光元件的受光区域时，从受光元件输出的生物体信息的检测信号的S/N(Signal to NoiseRatio：信噪比)降低。为了提高生物体信息测定装置的测定灵敏度，重要的是设计聚光光学系统(反射部)，使得能够抑制直接反射光(无效光)入射到受光元件的受光区域。如专利文献1那样，例如，仅仅调整反射面的焦距，无法避免在透光部件(窗部)的表面侧反射的反射光(直接反射光)所带来的影响(即，从受光元件输出的检测信号的S/N降低等)。
发明内容
根据本发明的至少一个方式，在检测生物体信息时可减轻直接反射光的影响。
(1)本发明的生物体信息检测器的一形态是包含：发光部；受光部，其接收从上述发光部发出的光在被检查体的被检测部位反射后的具有生物体信息的光；反射部，其使上述具有生物体信息的光反射；保护部，其保护上述发光部，具有接触部件，上述接触部件具备与上述被检测部位接触的接触面，并且上述接触部件由对于上述发光部发出的光的波长透明的材料构成；以及基板，其配置在上述反射部与上述保护部之间，并且在上述保护部侧的第1面上配置上述发光部，在作为上述反射部侧的与上述第1面对置的第2面上配置上述受光部，且由对于上述发光部发出的光的波长透明的材料构成，抑制从上述发光部发出的光在上述接触部件的上述接触面侧一次反射后的一次反射光入射到上述受光部。
在本形态中，抑制从发光部发出的光中的、在保护部的接触部件的接触面侧(作为透光部件的接触部件的接触面以及接触面的附近(还包含接触面与被检测部位的界面、皮肤表面及皮肤的内侧))一次反射后的一次反射光(直接反射光)入射到受光部。
因为抑制一次反射光(直接反射光：无效光)入射到受光部，所以可抑制从受光部输出的检测信号的S/N降低。
(2)在本发明的生物体信息检测器的另一形态中，抑制从上述发光部发出的光在上述接触部件的上述接触面侧二次反射后的二次反射光入射到上述受光部。
在本形态中，抑制在从发光部发出的光中的、在保护部的接触部件的接触面侧(作为光透过部件的接触部件的接触面以及其附近)二次反射后的二次反射光入射到受光部。
因为抑制二次反射光(直接反射光：无效光)入射到受光部的受光区域，所以能够抑制从受光部输出的检测信号的S/N降低。
(3)在本发明的生物体信息检测器的另一形态中，上述反射部具有由球面的一部分构成的反射面，平面视图中的上述反射部的外周圆的直径被设定为规定值，而且在作为上述反射面的焦距范围中，具有：上述一次反射光在上述反射面反射后入射到上述受光部的一次反射入射光相对于总受光量的比率比第1阈值高的第1焦距范围；第2焦距范围；和上述二次反射光在上述反射面反射后入射到上述受光部的二次反射入射光相对于总受光量的比率比第2阈值高的第3焦距范围的情况下，上述反射面的焦距设定在位于上述第1焦距范围与上述第3焦距范围之间的上述第2焦距范围中。
反射部具有反射面，反射面由作为二次曲面的球面的一部分构成。平面视图中的反射面的外周形状是圆，该圆(即反射面的外周圆)的直径(反射面的口径)被设定为规定值。
这里例如，当反射面的焦距以逐渐变大的方式变化时，首先出现：在接触部件的接触面侧一次反射后的一次反射光进而在反射面反射后入射到受光部的光(一次反射入射光)占受光部中的总受光量的比率比规定阈值(第1阈值)高的焦距范围。将该焦距范围设为第1焦距范围。
当使反射面的焦距进一步增大时，接着出现直接反射光(一次反射光以及二次反射光)几乎不到达受光部的焦距范围。将该焦距范围设为第2焦距范围。
当使反射面的焦距进一步增大时，出现在接触部件的接触面侧二次反射后的二次反射光进而在反射面反射后入射到受光部的受光区域的光(二次反射入射光)占受光部中的总受光量的比率比规定阈值(第2阈值)高的焦距范围。将该焦距范围设为第3焦距范围。此外，第1阈值的值与第2阈值的值可以是相同的，也可以是不同的。
根据这样的知识，在本形态中，反射部所具有的反射面的焦距设定在位于第1焦距范围与第3焦距范围之间的第2焦距范围中。当反射面的焦距确定时，构成反射面的球面的曲率半径被确定(曲率半径是焦距的2倍)。由此，可唯一地确定球面。另外，反射面的口径是已知的。这意味着唯一地确定例如以xy平面切割球面的位置。由此，确定由球面的一部分构成的反射面的3维形状(以及高度)。
根据本形态，抑制一次反射光(直接反射光：无效光)以及二次反射光(直接反射光：无效光)入射到受光部的情况。由此，能够减轻在接触部件的接触面侧的反射光的影响(从受光部输出的检测信号的S/N降低等)。
(4)在本发明的生物体信息检测器的另一形态中，当设上述反射部的外周圆的直径为φ，设构成上述反射面的上述球面的曲率半径为r，设对应于上述曲率半径r以及上述反射部的外周圆的直径φ确定的、表示光轴与上述反射面交叉的点和上述第2面之间的距离的上述反射面的高度为h，设上述反射面的高度h与上述反射面的曲率半径r之差为Δh时，下式成立：
【式1】
r = { Δ h 2 + ( φ / 2 ) 2 } .
在本形态中，规定构成反射面的球面的曲率半径r。即，在设反射面的口径为φ，设对应于构成反射面的球面的曲率半径r与口径φ确定的反射面的高度为h，将反射面的高度h与反射面的曲率半径r之差设为Δh时，曲率半径r用上述式(1)来表示。
在反射面的口径φ已知时，例如，当反射部的焦距df变化时，构成反射面的球面的曲率半径r变化，当曲率半径r变化时，反射面的高度h与曲率半径r之差Δh变化。构成反射面的球面的焦距df与差Δh具有一对一的对应关系，当焦距df增大时，差Δh也增大。当反射部的焦距df固定时，差Δh固定，根据勾股定理，上述式(1)成立。由此，当反射面的优选焦距确定时，根据上述式(1)，可唯一地确定反射面的曲率半径r，由此，构成反射面的球面确定。另外，因为反射面的口径是已知的，所以可唯一地确定反射面的3维形状和高度。
由此，根据本形态，可获得被设计为(例如，最优设计为)能够减轻在接触部件的接触面侧的反射光的影响(从受光部输出的检测信号的S/N降低等)、具有反射面的反射部。
(5)在本发明的生物体信息检测器的另一形态中，上述反射部具有由抛物面的一部分构成的反射面，在将相互垂直的x轴、y轴、z轴中的上述z轴设为光轴时，上述抛物面是以上述z轴作为旋转轴的旋转抛物面，而且在将上述z轴与上述旋转抛物面交叉的点设为原点，设与上述原点相接的球面的曲率半径为r的情况下，关于上述旋转抛物面，下式成立：
【式2】
z＝(1/2r)·(x2+y2)
另外，将平面视图中的上述反射部的外周圆的直径被设定为规定值，而且在作为上述反射面的焦距范围中，具有：上述一次反射光在上述反射面反射后入射到上述受光部的一次反射入射光相对于总受光量的比率比第1阈值高的第1焦距范围；第2焦距范围；和上述二次反射光在上述反射面反射后入射到上述受光部的二次反射入射光相对于总受光量的比率比第2阈值高的第3焦距范围的情况下，上述反射面的焦距设定在位于上述第1焦距范围与上述第3焦距范围之间的上述第2焦距范围中。
在本形态中，作为构成反射部的反射面的二次曲面使用抛物面。作为抛物面可使用旋转抛物面。旋转抛物面是在规定了3维空间的将相互垂直的x轴、y轴、z轴中的z轴作为光轴时通过使抛物线以作为对称轴的z轴为旋转轴进行旋转而获得的二次曲面(即，由x、y、z的3元2次方程式表示的曲面)。在以z轴与旋转抛物面交叉的点为原点(面原点)、设与原点相接的球面的曲率半径为r时，旋转抛物面可由上述式(2)来表示。
在反射面的口径φ已知时，例如，反射面的焦距df和构成反射面的抛物面的与上述原点相接的球面的曲率半径r处于一对一的对应关系。由此，如果优选的焦距df确定，则与上述原点相接的球面的曲率半径r确定，利用上述式(2)来唯一地确定旋转抛物面的形状。另外，因为反射面的口径是已知的，所以以xy平面切割旋转抛物面的切割位置确定。由此，唯一地确定由抛物面构成的反射面的3维形状和高度。
另外，在采用由旋转抛物面的一部分构成的反射面的情况下，也与采用由上述的球面的一部分构成的反射面的情况相同，当焦距df逐渐增大时，首先出现第1焦距范围，接着出现第2焦距范围，接着出现第3焦距范围。在本形态中，反射部所具有的反射面的焦距被设定在位于第1焦距范围与第3焦距范围之间的第2焦距范围中。如上所述，当反射面的焦距确定时，唯一地确定反射面的3维形状和高度。由此，根据本形态，例如，可获得具有最优化的反射面的反射部。由此，根据本形态，可获得能够降低在接触部件的接触面侧的反射光的影响(从受光部输出的检测信号的S/N降低等)的例如具有最优化的反射面的反射部。
(6)本发明的生物体信息测定装置的一形态包含：上述任意一项所述的生物体信息检测器、以及生物体信息测定部，其根据从上述受光部输出的检测信号来测定上述生物体信息。
上述任一形态的生物体信息检测器被设计为能够降低在接触部件的接触面侧的反射光的影响(从受光部输出的检测信号的S/N降低等)。由此，具有该生物体信息检测器的生物体信息测定装置可高精度地测定生物体信息。作为生物体信息测定装置的具体例，例如可列举出脉搏计、脉搏描记器、测定动脉血氧饱和度(SpO2)的脉动血氧计。
(7)在本发明的生物体信息测定装置的另一形态中，上述生物体信息是脉搏数。在本形态中，生物体信息测定装置是脉搏计。作为生物体信息源的血管位于被检测部位(手指、手臂、手腕等)中的皮下组织的内部。从设置在脉搏计上的发光部出射的光到达血管后反射，并且在血管中吸收其一部分。由于脉搏的影响，血管中的吸收率发生变化，所以在血管反射的反射光(在被检测部位反射的反射光)的光量与脉搏相应地变化。由此，在血管反射的反射光包含作为生物体信息的脉搏数信息。由此，根据从受光部输出的生物体信息的检测信号(包含与脉搏对应的脉动成分)来测定脉搏数。
生物体信息测定装置可具有用于能将生物体信息检测器例如安装在被检查体的手腕(手臂)上的腕带，由此来实现例如手腕脉搏计(手腕脉搏描记器)。当采用手腕脉搏计时，可时序地取得例如在用户进行慢跑等运动时的脉搏信息。所取得的脉搏信息可广泛用于用户的体质改善等。但是，还预料到由于用户运动使手腕脉搏计的位置偏移或者受外部光影响的情况，导致检测精度(测定精度)降低的原因很多。因此，为了保证高精度的测定，针对在接触部件(透光部件)的表面附近反射的反射光所引起的S/N降低也实施充分的对策，优选即使少量也要提高S/N。这点如上所述，因为将上述任一形态的生物体信息检测器设计为可减轻在接触部件的接触面侧的反射光的影响(从受光部输出的检测信号的S/N降低等)，所以本形态的脉搏计可进行高精度且高灵敏度的脉搏检测，并且还能够充分地应用到手腕脉搏描记器。
(8)生物体信息检测器中的反射部的设计方法的一形态的特征是，上述生物体信息检测器包含：发光部；受光部，其接收从上述发光部发出的光在被检查体的被检测部位反射后的具有生物体信息的光；反射部，其反射上述具有生物体信息的光，并且具有由球面的一部分或旋转抛物面的一部分构成的反射面，平面视图中的上述反射面的外周圆的直径被设定为规定值；保护部，其保护上述发光部，具有接触部件，上述接触部件具备与上述被检测部位接触的接触面，并且上述接触部件由对于上述发光部发出的光的波长透明的材料构成；以及基板，其配置在上述反射部与上述保护部之间，并且在上述保护部侧的第1面上配置上述发光部，在作为上述反射部侧的与上述第1面对置的第2面上配置上述受光部，且由对于上述发光部发出的光的波长透明的材料构成，使上述反射面的焦距变化，并求出在上述接触部件的上述接触面侧一次反射后的一次反射光在上述反射面反射并入射到上述受光部的受光区域的一次反射入射光相对于总受光量的比率比第1阈值高的第1焦距范围，使上述反射面的焦距变化，并求出在上述接触部件的上述接触面侧二次反射后的二次反射光在上述反射面反射并入射到上述受光部的受光区域的二次反射入射光相对于总受光量的比率比第2阈值高的第3焦距范围，在上述第1焦距范围与上述第3焦距范围之间的第2焦距范围中，设定上述反射面的焦距。
在本形态中示出生物体信息检测器中的反射部的优选设计方法。生物体情报检测器具有反射部。反射部具有反射面，反射面由二次曲面的一部分构成。在本形态中，反射面由球面的一部分或旋转抛物面的一部分构成。平面视图中的反射面的外周形状是圆的。例如，在将规定3维空间的相互垂直的x轴、y轴、z轴中的z轴作为光轴时，在以xy平面切割球面时的切剖面的外周形状是圆，该圆的直径(反射面的口径)被设定为规定值。
并且，使反射面的焦距变化，并调查在接触部件(透光部件)的接触面侧(接触面以及接触面附近)反射并入射到受光部的与直接反射光对应的入射光占受光部的总受光量的比率的情况。
例如，当反射面的焦距以逐渐变大的方式变化时，首先出现在接触部件的接触面侧一次反射后的一次反射光进而在反射面反射后入射到受光部的光(一次反射入射光)占受光部中的总受光量的比率比规定阈值(第1阈值)高的焦距范围。将该焦距范围作为第1焦距范围。
当反射面的焦距进一步增大时，接着出现直接反射光(一次反射光以及二次反射光)几乎不到达受光部的焦距范围。将该焦距范围设为第2焦距范围。
当反射面的焦距进一步增大时，出现在接触部件的接触面侧二次反射后的二次反射光进而在反射面反射后入射到受光部的光(二次反射入射光)占受光部中的总受光量的比率比规定阈值(第2阈值)高的焦距范围。将该焦距范围设为第3焦距范围。
并且，将反射部所具有的反射面的焦距设定在位于第1焦距范围与第3焦距范围之间的第2焦距范围中。当反射面的焦距确定时，唯一地确定反射面的3维形状与高度。
根据本形态，可高效地设计能抑制一次反射光(直接反射光：无效光)以及二次反射光(直接反射光：无效光)入射到受光部的、具有优异反射特性的反射面(即反射部)。
附图说明
图1的(A)、图1的(B)是用于说明生物体信息检测器结构的一例和反射部的优选设计的图。
图2是示出生物体信息检测器结构的具体例的图。
图3是示出涂敷有透光膜的基板的平面外观图。
图4的(A)以及图4的(B)是示出发光部所发出的光的强度特性的一例和受光部的感光度特性的一例的图。
图5是示出具有透光膜的基板中的光的透过特性的一例的图。
图6的(A)以及图6的(B)是用于说明与具有采用球面的一部分的反射面的反射部的设计相关的参数和设计方法的例子的图。
图7是示出生物体信息检测器中的主要结构的尺寸例的图。
图8的(A)以及图8的(B)是用于说明在df=1.18mm(Δh=0.4mm)的情况下的直接反射光的举动的图。
图9是用于说明在df=1.278mm(Δh=1.3mm)的情况下的直接反射光的举动的图。
图10是用于说明在df=1.556mm(Δh=2.2mm)的情况下的直接反射光的举动的图。
图11是示出在口径φ=4.4mm、t=0.4mm、δ=0.53mm的条件下当使焦距df逐渐增大时入射到受光部(光电二极管)的直接反射光的光量比率(%)的变化图。
图12是示出在口径φ=4.4mm、t=0.4mm、δ=0.53mm的条件下当使焦距df逐渐增大时入射到受光部(光电二极管)的具有脉搏信息的有效光比率(S/N)的变化图。
图13是在口径φ=4.4mm、t=0.4mm、δ=0.53mm的条件下当使Δh逐渐增大时入射到受光部(光电二极管)的直接反射光的光量比率(%)的变化图。
图14是示出在口径φ=4.4mm、t=0.4mm、δ=0.53mm的条件下当使Δh逐渐增大时入射到受光部(光电二极管)的具有脉搏信息的有效光比率(S/N)的变化图。
图15是示出在口径φ=3.6mm、t=0.4mm、δ=0.53mm的条件下当使焦距df逐渐增大时入射到受光部(光电二极管)的直接反射光的光量比率(%)的变化图。
图16是示出在口径φ=4.4mm、t=0.3mm、δ=0.3mm的条件下当使焦距df逐渐增大时入射到受光部(光电二极管)的直接反射光的光量比率(%)的变化图。
图17的(A)以及图17的(B)是用于说明由抛物面的一部分构成的反射面(抛物面镜)的图。
图18是用于说明在口径φ=4.4mm、接触部件19﹣2的厚度t=0.4mm、间隔部件19﹣1的高度(间隙)δ=0.53mm这样的条件下当设焦距df=0.7mm时直接反射光的举动的图。
图19是用于说明在口径φ=4.4mm、接触部件19﹣2的厚度t=0.4mm、间隔部件19﹣1的高度(间隙)δ=0.53mm这样的条件下当设焦距df=1.0mm时直接反射光的举动的图。
图20是用于说明在口径φ=4.4mm、接触部件19﹣2的厚度t=0.4mm、间隔部件19﹣1的高度(间隙)δ=0.53mm这样的条件下当设焦距df=1.3mm时直接反射光的举动的图。
图21是示出在口径φ=4.4mm、t=0.4mm、δ=0.53mm的条件下当使焦距df逐渐增大时入射到受光部(光电二极管)的直接反射光的光量比率(%)的变化图。
图22是示出包含生物体信息检测器的生物体信息测定装置的一例(手腕脉搏计)的外观例的图。
图23是示出生物体信息测定装置的内部结构的一例的图。
标号说明
1被检测部位(手臂或手腕等)；2被检查体(例如人体)；11基板；
11﹣1、11﹣2透光膜(例如透光性抗蚀膜)；14发光部；14A第1发光面；
14B第2发光面；16受光部；18反射部(第2反射部)；18﹣1反射面(反射拱顶的内壁面)；19保护壳体(保护部)；19﹣1间隔部件；19﹣2接触部件(透光部件)；20反射镜(第1反射部)；61、63、65接合线；62﹣1、62﹣2、62﹣3布线；
150腕带；161控制电路；162放大电路；163、167A/D变换电路；164脉搏数计算电路；165显示部；166加速度检测部；168数字信号处理电路；200生物体信息检测器；202生物体信息测定部；
SA接触面(接触部件的表面、透光部件的表面、肌肤表面或透光部件与肌肤的界面)；BV生物体信息源(例如血管)；f焦点；df焦距；p构成反射面的作为二次曲面的球面中心；r球面的曲率半径；h反射部的高度；Δh曲率半径r与反射部的高度h之差；m原点(面原点)；φ口径(平面视图中的反射面的外周形状即圆的直径)；δ间隔部件的高度(间隙)；t接触部件(透光部件)的厚度；R1从发光部出射的第1光；
R2第2光；R3第3光；R1’反射光(有效光)；R2’作为直接反射光(无效光)的一次反射光；R3’作为直接反射光(无效光)的二次反射光
具体实施方式
以下，对本实施方式进行说明。此外，以下说明的本实施方式并不限定权利要求范围中所记载的本发明的内容。另外，在本实施方式中所说明的全部结构并非是本发明的必须构成要件。
(第1实施方式)
首先，说明生物体信息检测器与生物体信息测定装置的结构概要、和从发光部出射的光的举动的例子等。
(生物体信息检测器的结构概要等)
图1的(A)、图1的(B)是用于说明生物体信息检测器结构的一例和反射部的优选设计的图。图1的(A)示出具有生物体信息的反射光(有效光)入射到受光部的受光区域的状况。图1的(B)示出在构成保护部的接触部件的接触面侧的反射光(直接反射光：无效光)入射到受光部的受光区域的状况。此外，图1的(A)以及图1的(B)所示的生物体信息检测器200的结构相同，在各个图中，对共用的部分标注相同的参照符号。
首先，对生物体信息检测器200的结构进行说明。生物体信息检测器200可搭载在脉搏计上，该脉搏计例如可利用腕带等佩戴到人的手腕上(不仅限于此)。生物体信息除了脉搏信息(心率信息)之外，还可以是血液中的氧饱和度、体温等。
如图1的(A)以及图1的(B)所示，生物体信息检测器具有：发光部(发光元件：LED等)14，其向被检查体(例如人体)2的被检测部位(手指、手臂、手腕等)1发出光R1；受光部(受光元件：光电二极管等)16，其接收发光部14发出的光R1经由被检测部位1的作为生物体信息源的血管BV反射后的、具有生物体信息的光R1’；反射部18，其反射具有生物体信息的光；保护部19以及透光性的基板11。
受光部16在反射部18侧具有受光区域(受光面)16﹣1。反射部18具有二次曲面的反射面(反射镜)。可在设置于发光部14与受光部16之间的光路的拱顶的内表面上设置反射面。例如，可以通过树脂对反射部18的本体进行成形，并通过对其内表面(形成于受光部16侧的二次曲面)进行镜面加工(例如，在其表面形成金属膜等)来构成反射部(反射光学系统)。
保护部19具有接触部件19﹣2和间隔部件19﹣1，该接触部件19﹣2具备与被检查体(被测定体：例如人体)接触(至少具有接触的可能性)的接触面SA。接触部件19﹣2以及间隔部件19﹣1由对于发光部14发出的光R1的波长透明的材料(例如玻璃)构成。即，接触部件19﹣2是透光部件。保护部19也是收容发光部14的收容部(收容容器或保护壳体)，具有保护发光部14的功能。
基板11配置在反射部18与保护部19之间。基板11具有2个主面。在本说明书中，有时将基板11的发光部14侧的主面称为第1面(或者背面)，有时将基板11的反射部18侧的主面称为第2面(或者正面)。在基板11的第1面(背面)上配置发光部14，在第2面(正面)上配置受光部16。发光部14和受光部16在平面视图上重叠。发光部14的与基板11相接的面和受光部16的与基板11相接的面以相距基板11的厚度的方式对置。另外，基板11由对于发光部14发出的光的波长透明的材料(例如聚酰亚胺或聚芳酯)构成。即，基板11是透光性的基板。
基板11配置在反射部18与保护部19之间，所以，即使将发光部14以及受光部16配置在基板11上，也不需要另外设置支撑基板11自身的机构，从而部件个数减少。另外，基板11由对于发光波长透明的材料构成，所以可以在从发光部14到受光部16的光路途中配置基板11。由此，不需要在光路以外的位置(例如反射部18的内部)处放置基板11。这样，能够提供可容易安装的生物体信息检测器。另外，可利用反射部18来增加入射到受光部16的光的光量，由此生物体信息检测器的检测精度(SN比)提高。此外，生物体信息源(例如血管BV)可处于接触面SA附近。
(从发光部出射的光的举动的例子)
接着，参照图1的(A)，对具有生物体信息的反射光的举动的例子进行说明。作为生物体信息源的血管BV处于被检查体(例如人体)2的被检查部位(例如手指、手臂(狭义为手腕))1的例如内部。从发光部14发出的光R1(具体地说是主光线，其表示不包含由其它部件反射的反射光的光的意思)，进入被检查部位1的内部，在表皮、真皮以及皮下组织扩散或散射，之后，光R1到达作为生物体信息源的血管BV，并由血管BV反射。另外，光R1的一部分被血管BV所吸收。血管中的光吸收率由于脉搏的影响而发生变化，所以由血管BV反射的反射光R1’的光量发生变化，因此，生物体信息(例如，脉搏数)被反映到了由血管BV反射的反射光R1’中。
由血管BV反射的反射光R1’被皮下组织、真皮以及表皮扩散或散射，但在图1的(A)的例子中，反射光R1’穿过基板11，在反射部18进一步被反射而直接入射到受光部16的受光区域(受光面)16﹣1。这里，“直接入射”这样的表达用作在例如不经过复杂的反射过程而入射、例如经过最小限度次数的反射而入射(即，经过简单的路径入射)的意思。从受光部16输出的生物体信息的检测信号包含与脉搏对应的脉动成分。由此，可根据检测信号来测定脉搏数。
接着，参照图1的(B)来说明在构成保护部19的接触部件19﹣2的接触面SA侧(接触面SA以及接触面SA的附近(还包括接触面与被检测部位的界面、皮肤表面及皮肤内侧))的反射光(无效光)的举动的例子。在图1的(B)中，从发光部14发出的主光线R2在接触部件19﹣2的接触面SA侧的位置(例如，接触面SA上的地点)N1一次反射。一次反射后的反射光(一次反射光)R2’穿过基板11在反射部18进一步反射而入射到受光部16的受光区域16﹣1。
另外，从发光部14发出的主光线R3在接触部件19﹣2的接触面SA侧的位置(例如，接触面SA上的地点)N2以及N3进行二次反射，二次反射后的反射光(二次反射光)R3’穿过基板11在反射部18进一步反射而入射到受光部16的受光区域16﹣1。
一次反射光R2’和二次反射光R3’是从发光部14出射的光在作为透光部件的接触部件19﹣2表面(或其附近)直接反射的反射光(即直接反射光)，直接反射光是不具有生物体信息的无效光(噪声光)。当不具有生物体信息的无效光入射到受光部16的受光区域16﹣1时，从受光部16输出的生物体信息的检测信号的S/N(信号与噪声之比)降低。为了提高生物体信息检测器的检测精度(提高生物体信息测定装置的测定精度)，设计作为聚光光学系统的反射部18使得能够抑制直接反射光(无效光)入射到受光部16的受光区域16﹣1很重要。
(生物体信息检测器结构的具体例以及生物体信息测定装置的结构例)
图2是示出生物体信息检测器结构的具体例的图。在图2的上侧示出生物体信息检测器的剖面构造例，下侧示出平面视图中的各部的位置关系。在图2中，对与图1共同的部分标注相同的参照标记(此情况在以下的附图中也同样)。
如图2所示，反射部18的口径是φ。反射部18的反射面18﹣1由二次曲面(这里为球面)的一部分构成(例如，使用大致半球状面)。如果忽视基板等进行考虑，则大致半球状面的底部开口。该开口部的平面视图形状(即，平面视图中的反射面的外周形状)如图2的下侧所示为圆的，该直径(即口径)是φ。
另外，保护部19中的间隔部件19﹣1的高度(或者，可称为基板11和接触部件19﹣2的与接触面SA对置的面之间的间隙)是δ，接触部件19﹣2的厚度是t。
如图2下侧所示，发光部14和受光部16在平面视图上是重叠的。另外，发光部14、受光部16、反射部18各自的平面视图中的外周形状构成同心圆(中心是s)。
另外，基板11是作为透光部件的光学部件，同时也是用于形成电路的布线基板。基板11例如是印刷布线基板。如图2上侧所示，在基板11的第2面(正面)上形成用于受光部16的布线62﹣1，在基板11的第1面(背面)上形成用于发光部14的布线62﹣2、62﹣3。布线62﹣1和受光部16用接合线61连接。布线62﹣2和发光部14用接合线63连接。布线62﹣3和发光部14用接合线65连接。
在印刷布线基板上，为了防止印制布线的剥离，优选使第1面(背面)以及第2面(正面)为某程度的粗糙面。但是，当基板11的第1面以及第2面为粗糙面时，产生光散射增加这样的不良状况。因此，在图2的例子中，在基板11的光通过区域(还可以称为除了形成有布线等的遮光区域以外的区域)中的第1面(背面)以及第2面(正面)上分别形成透光膜11﹣1以及11﹣2。透光膜11﹣1以及11﹣2例如是透光性的保护膜。通过在基板11的光通过区域上形成透光膜11﹣1、11﹣2，使得基板11的背面以及正面中的粗糙面平坦化，而且与空气的折射率差变小。由此，可抑制光在基板11(广义上包含11﹣1、11﹣2)的正面以及背面上散射。另外，因为基板11与空气的折射率差变小，所以能够减小光在基板11上折射的程度。例如，如果将基板11的厚度设定得较薄，则还可以视为光在基板11中几乎不折射地直线前进。这有助于容易模拟光的举动，以及容易进行生物体信息检测器200的光学系统的设计。
另外，在图2的例子中设置有反射镜20。此外，在将反射镜20称为第1反射部的情况下，可将具有由二次曲面构成的反射面18﹣1的反射部18称为第2反射部。
反射镜20例如具有抑制从发光部14出射的光的扩散、提高光的指向性并减少向被检测部位1以外出射的无效光的效果。另外，发光部14具有第1发光面14A和第2发光面(侧面)14B，从第2发光面14B也出射光。设置在反射镜20周围的突起部(内壁面具有倾斜面或曲面即反射面)具有反射从发光部14的侧面(第2发光面14B)出射的光(该反射光是光R4)、使光R4朝向被检测部位1的效果。
另外，反射镜20具有某程度的宽度。由此，还具有防止在保护部19中的接触部件19﹣2的接触面SA附近反射的一部分直接反射光(无效光)侵入反射部18侧的效果。例如从斜下方入射的直接反射光在反射镜20的端部等反射，由此防止直接反射光侵入反射部18侧。另外，反射镜20反射直接反射光的一部分使其朝向被检测部位1，因此，还具有将无效光转换为有效光这样的效果。
这样，由于实现本发明的反射光学系统的良好反射特性而取得的S/N改善的效果，再加上反射镜20所带来的S/N改善效果，从而进一步提高了生物体信息检出器200的检测精度。
图3是示出涂敷有透光膜的基板的平面外观图。图3示出基板11的第2面(正面：受光部16侧的面)的平面外观。在基板11的第1面上的光通过区域(遮光部以外的区域)形成透光膜11﹣1。此外，在基板11的第2面(发光部14侧的面)上的光通过区域(遮光部以外的区域)中形成透光膜11﹣2。
图4的(A)以及图4的(B)是示出发光部所发出的光的强度特性的一例和受光部的感光度特性的一例的图。在图4的(A)所示的发光强度的特性例中，具有520nm波长的光的强度显示最大值，利用该强度将具有其它波长的光的强度归一化。另外，发光部14所发出的光的波长范围是470nm～600nm。此外，发光部14例如由LED构成。LED所发出光的波长例如在425nm～625nm的范围内可具有强度的最大值(广义上为峰值)，从发光部14发出例如绿光。
图4的(B)示出受光部的感光度特性的一例。作为受光部16例如可使用GaAsP光电二极管及Si光电二极管。其中，GaAsP光电二极管所接收光的波长在例如550nm～650nm范围内具有感光度的最大值(广义上为峰值)。生物体(水及血红蛋白)因为容易透过700nm～1100nm范围内所包含的红外线，所以由GaAsP光电二极管构成的受光部16与例如由Si光电二极管构成的受光部16相比，能够减少由外部光引起的噪声成分。
图4的(B)所示的感光度特性是使用GaAsP光电二极管作为受光部16时的感光度特性。在图4的(B)的例子中，具有565nm波长的光的感光度显示最大值，利用该感光度对具有其它波长的光的感光度进行归一化。受光部16所接收的光的波长的感光度的最大值进入图4的(A)所示的发光部14所发出光的波长范围，另一方面没有进入被称为生物体窗的700nm～1100nm的范围(即，生物体中容易通过的波段)。在图4的(B)的例子中，700nm～1100nm范围内所包含的红外线的感光度被设定在相对感光度0.3(=30%)以下。受光部16所接收光的波长感光度的最大值(例如，565nm)优选与作为生物体窗的下限的700nm相比，接近发光部14所发出的光的波长强度的最大值(520nm)。
图5是示出通过涂敷有透光膜的基板的光的透过特性的一例图。通过采用透过基板11之前的光强度和透过基板11之后的光强度计算透过率，来获得图5所示的光的透过特性。
在图5的例子中，在作为生物体窗的下限的700nm以下的波长区域，具有525nm波长的光的透过率显示最大值。另外，在作为生物体窗的下限的700nm以下的波长区域内，通过透光膜11﹣1以及11﹣2的至少一方的光的透过率最大的波长进入例如图4的(A)所示的发光部14所发出光的强度最大的波长的±10%以内的范围。优选，透光膜11﹣1(11﹣2)有选择地透过发光部14所发出的光(例如，图1的(A)所示的光R1经由血管BV反射后的有效反射光R1’)。
(关于具有采用球面的一部分的反射面的反射部的设计)
接着，参照图6～图16来说明具有采用球面的一部分的反射面的反射部的设计。图6的(A)以及图6的(B)是用于说明与具有采用球面的一部分的反射面的反射部的设计相关的参数和设计方法的例子的图。
在图6的(A)的例子中，为了规定3维空间，示出了相互垂直的x轴、y轴，z轴，将z轴设为光轴(主光学轴)。将z轴与反射部18的反射面交叉的点设为原点(面原点)m。
反射部18的反射面的口径是φ。反射部18的反射面由作为二次曲面的球面的一部分构成。在图6的(A)的例子中，反射面由作为球面的一部分的大致半球状面构成。
另外，设反射部18的焦点(即包含反射面的聚光镜的焦点)为f。当与光轴(Z轴)平行的光线LG入射到反射部18时，该光经由反射部18反射后会聚到焦点f上。原点m与焦点f的距离是焦距df。
焦距df的2倍相当于反射面的曲率半径r。即，焦距df是r/2。另外，在图6的(A)中，点p是构成反射部18中的反射面的球面的中心点。
另外，设反射部18的反射面的高度为h。高度h由从基板11的第2面(反射部18侧的面)到原点(面原点)m之间的距离来确定。即，反射面的高度h表示光轴(Z轴)和反射面交叉的点m(面原点m)、与基板11的第2面(即位于基板11的反射面侧的主面，基板11的正面)之间的距离。反射面的高度h对应于反射面的曲率半径r以及口径φ而唯一地确定。另外，设反射面的高度h与反射面的曲率半径r之差为Δh。差Δh(有时简单记载为Δh)根据从基板11的第2面到构成反射面的球面的中心点p之间的距离来确定。
另外，如上所述，保护部19中的间隔部件19﹣1的高度(基板11和与接触部件19﹣2的接触面SA对置的面之间的间隙)是δ，接触部件19﹣2的厚度是t。
这里，假定将反射部18的口径φ、间隔部件19﹣1的高度(基板11和接触部材19﹣2的与接触面SA对置的面之间的间隙)δ和接触部件19﹣2的厚度t分别固定为规定值、并使Δh或反射部18的焦距df变化的情况。图6的(B)是示出在此情况下反射面(构成反射面的球面)的曲率半径r和反射部18的反射面形状怎样变化的图。
在图6的(B)中，Δh(反射面的高度h与反射面的曲率半径r之差)被设定为Δh1、Δh2和Δh3。与其对应，反射面的曲率半径r变化为r1、r2、r3。即，在Δh1时曲率半径为r1，在Δh2时曲率半径为r2，在Δh3时曲率半径为r3。
反射部18(反射聚光镜)的焦距df是曲率半径r的1/2，所以如果曲率半径r变化，则焦距df也与曲率半径r对应地发生变化。在曲率半径为r1时焦距是df1，此时的反射部18的焦点f是f1。在曲率半径为r2时焦距是df2，此时的反射部18的焦点f是f2。在曲率半径为r3时焦距是df3，此时的反射部18的焦点f是f3。
另外，当曲率半径r变化时，由球面构成的反射面的形状也与曲率半径r的变化对应地发生变化。即，因为口径φ是一定的，所以在图6的(B)中，规定口径的a点、b点的位置是固定的，由此，如果曲率半径r变化，则由球面构成的反射面的高度h也与该变化对应地发生变化。在图6的(B)中，曲率半径r为r1时的反射面的形状是18a。曲率半径r为r2时的反射面的形状是18b。曲率半径r为r3时的反射面的形状是18c。这样，可通过使Δh变化，来使反射面的三维形状以及高度发生变化。
在以上的说明中，虽然使Δh变化而使反射面的三维形状和高度变化，但也可以通过使焦距df变化来使反射面的形状发生变化。即，在反射面的口径φ是固定值(已知)时，例如，当使反射部18(反射光学系统)的焦距df变化时，反射面(构成反射面的球面)的曲率半径r变化，当曲率半径r变化时，反射面的高度h与曲率半径r之差Δh变化。反射面的焦距df、和反射面的高度h与曲率半径r之差Δh具有一对一的对应关系，当焦距df增大时，Δh也增大。当反射部18的焦距df确定时，Δh确定。
构成反射面的球面的曲率半径(即，反射面的曲率半径)r可由下述式(3)表示(参照用图6的(A)的粗线箭头表示的直角三角形)。
【式3】
r = { Δ h 2 + ( φ / 2 ) 2 } . . . . ( 3 )
例如，关注图6的(B)左下侧所示的、施加斜线的直角三角形。根据勾股定理可知曲率半径r3由下述式(4)表示。
【式4】
r 3 = { Δ h 3 2 + ( φ / 2 ) 2 } . . . . ( 4 )
由此，当例如反射面的优选焦距确定时，可利用上述式(3)，来唯一地确定反射面的曲率半径r，从而，确定构成反射面的球面。另外，因为反射面的口径φ(平面视图中的反射面的外周圆的直径)是固定(已知)的，所以唯一地确定反射面的高度h。即，如果口径φ确定，与其对应，球面的切割位置(以xy平面来剖切球面的位置)确定，由此唯一地确定反射面的3维形状和高度。
可采用以上说明的反射光学系统的设计方法来设计反射部18，使得能够减少图1的(B)所示的一次反射光及二次反射光(都是无效的直接反射光)。
(使焦距df或差Δh变化时的反射光的举动模拟)
以下，采用图7～图16，对使焦距df或差Δh变化时的反射光的举动的模拟结果等进行说明。图7是示出生物体信息检测器中的主要结构的尺寸例的图(其中，以下的尺寸例是一例)。如图7所示，将口径φ设定为4.4mm，将保护部19的间隔部件19﹣1的高度(或者间隙)δ设定为0.53mm，将接触部件19﹣2的厚度(玻璃的厚度)t设定为0.4mm。
另外，如图7所示，受光部16的厚度ta例如是0.28mm，反射镜20的底部的厚度tb例如是0.08mm，发光部14的厚度tc例如是0.08mm，反射镜20的最大高度td例如是0.2mm。
另外，基板11(包含作为透光膜的透光性保护膜11﹣1、11﹣2)的实际厚度te例如是0.07mm左右。但是，因为基板11充分薄、且如上所述，利用透光性保护膜来确保平坦性，还缩小了与空气的折射率差，所以在反射光的举动模拟时，忽略基板11的厚度te(即，作为te=0处理)。另外，反射部18的反射面如上所述，由作为二次曲面的球面的一部分构成。
另外，构成保护部19的玻璃的折射率例如是1.52。构成基板11的聚酰亚胺的折射率例如是1.7。作为透明基板用的材料还可以使用聚芳酯(折射率1.61))。
以下，在如图7所示的生物体信息检测器200中，考察使反射面(球面镜)的焦距df(或者反射面的高度与反射面的曲率半径之差Δh)变化时(其它参数是固定)的直接反射光(无效光或者无效反射光)的举动和具有生物体信息的光(有效光或者有效反射光)的举动。
图8的(A)以及图8的(B)是用于说明df=1.118mm(Δh=0.4mm)时的直接反射光(无效光)的举动的图。如图8的(B)所示，反射部18的反射面为大致半球状面。此外，在图8的(A)中，反射部18的反射面18﹣1和间隔部件19﹣1不是剖面形状而是被描述为具有空间深度的形状(这点在以后的附图中也是同样的)。
在图8的(A)中，从发光部14发出的光(不包含由反射镜等其它部件反射的光)在保护部19中的接触部件19﹣2的接触面SA侧(接触面SA或者其附近)反射的直接反射光(无效光)的轨跡用实线箭头来表示。
从图8的(A)可知，从发光部14发出的光在接触部件19﹣2的接触面SA侧一次反射后的一次反射光入射到受光部16的受光区域(受光面)16﹣1的概率较高。即，呈现一次反射入射光(一次反射光在反射面反射后入射到受光部16时的入射光)的光量占受光部16中的总受光量的比率变高的倾向。
例如，一次反射光A1在接触部件19﹣2的接触面SA侧的点N1进行一次反射。该一次反射光穿过基板11，进一步在反射部18反射，直接(即，不进行复杂的反射及散射等)到达受光部16的受光区域16﹣1。另外，一次反射光A2在接触部件19﹣2的接触面SA侧的点N2进行一次反射。该一次反射光穿过基板11，进一步在反射部18反射，直接到达(入射到)受光部16的受光区域16﹣1。另外，一次反射光A3在接触部材19﹣2的接触面SA侧的点N3一次反射。该一次反射光通过穿板11，进一步在反射部18反射，直接到达(入射到)受光部16的受光区域16﹣1。
另一方面，如先前采用图1的(A)说明的那样，来自被检测部位BV的反射光(具有生物体情报的有效反射光)R1’入射到受光部16的受光区域(受光面)16﹣1。
接着，参照图9。图9是用于说明df=1.278mm(Δh=1.3mm)时的直接反射光的举动的图。在图9的例子中，从发光部14发出的光在保护部19中的接触部件19﹣2的接触面SA侧(接触面SA或其附近)反射的直接反射光(无效光)的轨跡用实线箭头来表示。
从图9可知，从发光部14发出的光在接触部件19﹣2的接触面SA侧一次反射后的一次反射光几乎不会入射到受光部16的受光区域(受光面)16﹣1。另外，从发光部14发出的光在接触部件19﹣2的接触面SA侧二次反射后的二次反射光也几乎不会入射到受光部16的受光区域(受光面)16﹣1。
即，呈现如下倾向：直接反射光(包含一次反射光以及二次反射光等)在反射面反射后入射到受光部16的情况下的入射光(直接反射入射光)的光量占受光部16中的总受光量的比率得到显著抑制。
另一方面，如先前采用图1的(A)说明的那样，来自被检测部位BV的反射光(具有生物体情报的有效反射光)R1’到达(入射到)受光部16的受光区域(受光面)16﹣1。
接着，参照图10。图10是用于说明df=1.556mm(Δh=2.2mm)时直接反射光的举动的图。在图10的例子中，从发光部14发出的光在保护部19中的接触部件19﹣2的接触面SA侧(接触面SA或者其附近)反射的直接反射光(无效光)的轨跡用实线箭头表示。
由图10可知，从发光部14发出的光在接触部件19﹣2的接触面SA侧二次反射后的二次反射光入射到受光部16的受光区域(受光面)16﹣1的概率高。
即，呈现如下倾向：作为直接反射光(无效光)的二次反射光在反射面反射后入射到受光部16时的入射光(二次反射入射光)的光量占受光部16中的总受光量的比率变高。
例如，二次反射光A4在接触部件19﹣2的接触面SA侧的点N4以及N5二次反射。该二次反射光穿过基板11，在反射部18进一步反射后直接地到达(入射到)受光部16的受光区域16﹣1。另外，二次反射光A5在接触部件19﹣2的接触面SA侧的点N6以及N7二次反射，该二次反射光穿过基板11，在反射部18进一步反射，直接到达(入射到)受光部16的受光区域16﹣1。另外，二次反射光A6在接触部件19﹣2的接触面SA侧的点N8以及N9二次反射。该二次反射光穿过基板11，在反射部18进一步反射，直接到达(入射到)受光部16的受光区域16﹣1。
另一方面，如先前采用图1的(A)说明的那样，来自被检测部位BV的反射光(具有生物体情报的有效反射光)R1’入射到受光部16的受光区域(受光面)16﹣1。
图11示出反复模拟这样的直接反射光的举动，并调查反射面的焦距变化与入射到受光部的直接反射光(无效光)的光量比率的相关关系的结果。图11是示出在口径φ=4.4mm、t=0.4mm、δ=0.53mm的条件下使焦距df逐渐增大时入射到受光部(光电二极管)的直接反射光(无效光)的光量占受光部16中的总受光量的比率(%)的变化图。
在图11中，当反射面的焦距df逐渐增大时，首先出现如下这样的焦距范围FA(即，焦距df是1.1～1.2的范围)，该焦距范围FA中，在保护部19中的接触部件19﹣2的接触面SA侧一次反射并在反射面进一步反射后直接入射到受光部的受光区域的光线占受光部16的受光区域16﹣1中的受光量的比率比作为规定阈值的第1阈值(≒0%)高。将该焦距范围FA作为第1焦距范围。第1焦距范围是与一次反射对应的焦距范围。
当反射面的焦距df进一步增大时，接着出现一次反射光几乎不到达受光部16的受光区域的焦距范围FB(即，焦距df是1.2～1.41的范围)。将该焦距范围FB作为第2焦距范围。第2焦距范围是抑制了直接反射光向受光部16入射的焦距范围。
当反射面的焦距df进一步增大时，接着出现如下的焦距范围FC(即焦距df是1.41～1.7的范围)，该焦距范围FC中，在保护部19中的接触部件19﹣2的接触面SA侧二次反射并在反射面进一步反射后直接入射到受光部16的受光区域16﹣1的光线占受光部16的受光区域中的受光量的比率比作为规定阈值的第2阈值(≒0%)高。将该焦距范围FC作为第3焦距范围。第3焦距范围是与二次反射对应的焦距范围。
接着，说明除了无效光之外还包含具有生物体信息的有效光(有效反射光：图1的(A)所示的光R1’)的反射光的举动。通过调查从受光部16输出的生物体信息的检测信号(脉搏信息的检测信号等)的S/N的变化来明确包含无效光和有效光的反射光的举动。另外，从图11可知无效光(无效反射光)举动的倾向。
由此，可通过比较从受光部16输出的检测信号的S/N的变化倾向与图11所示的无效光(无效反射光)的举动倾向，来掌握具有生物体信息的有效光(有效反射光)的举动倾向。例如，在显著抑制到达受光部16的受光区域16﹣1的无效光的光量(即，噪声N)的焦距领域中，如果出现检测信号的S/N增大的焦距区域，则在该焦距区域中有效光的光量(即S)增大。
图12是示出在口径φ=4.4mm、t=0.4mm、δ=0.53mm的条件下使焦距df逐渐增大时的脉搏信号相对于脉搏信息的检测信号(包含具有脉搏信息的脉搏信号以及噪声的全部信号)的比率变化(%)的一例的图。
由图12可知，检测信号的S/N在焦距df是1.28附近显示峰值。与该峰值对应的焦距df(=1.28)处于在图11中所示的第2焦距范围FB(焦距df是1.2～1.41的范围)内。
另外可知，在图11中示出的第1焦距范围FA(焦距df是1.1～1.2的范围)和第3焦距范围FC(焦距df是1.41～1.7的范围)各自中的检测信号的S/N，总的来说比第2焦距范围FB(焦距df是1.2～1.41的范围)中的检测信号的S/N低。
如先前所说明的那样，第2焦距范围FB是显著抑制了直接反射光(无效光)的焦距范围。由此，在第2焦距范围FB中比其它焦距范围(FA、FC)中的检测信号的S/N高的情况表示在第2焦距范围FB中，有效光(有效反射光)的比率比其它焦距范围(第1焦距范围FA、第3焦距范围FC)高(即，有效光更多地入射到受光部16的受光区域16﹣1)。
即，在第2焦距范围FB(焦距df是1.2～1.41的范围)中，获得抑制直接反射光(无效光)向受光部16的受光区域16﹣1入射的效果，并且获得具有作为生物体信息的脉搏信息的有效光(有效反射光：图1的(A)的光R1’)增加这样的效果。因此，通过将反射部18的反射面18﹣1的焦距df设定在焦距范围FB内，可提高作为生物体信息的脉搏的检测信号的S/N。即能够改善检测信号的S/N，由此，可进行更高精度的检测。尤其是，可通过将反射部18的反射面18﹣1的焦距df设定为与检测信号的S/N的峰值附近对应的焦距，来使检测精度最高。
在以上的例子中，将焦距df作为参数对反射部的光学特性进行了分析，但在将Δh用作参数的情况下，也能够获得同样的结果。
图13是示出在口径φ=4.4mm、t=0.4mm、δ=0.53mm的条件下使Δh逐渐增大时入射到受光部(光电二极管)的直接反射光(无效光)的光量比率(%)的变化的图。如先前所说明的那样，焦距df、和反射面的高度h与曲率半径r之差Δh具有一对一的对应关系，如果一方增大则另一方也增大。在图13的例子中，将Δh作为参数(变量)来调查直接反射光的光量比率(%)的变化。
在图13中，也存在与一次反射对应的Δh范围QA(Δh是0.1～1.0的范围，在此范围中比率为1%以上：第1Δh范围)、抑制了直接反射光向受光部入射的Δh范围QB(Δh是1.0～1.6的范围，在此范围中比率为1%以下：第2Δh范围)和与二次反射对应的Δh范围QC(Δh是1.6～2.8的范围，在此范围中比率为1%以上：第3Δh范围)。在图13的例子中，作为规定阈值的第1阈值以及第2阈值都为1%。
图14是示出在口径φ=4.4mm、t=0.4mm、δ=0.53mm的条件下使Δh逐渐增大时脉搏信号相对于脉搏信息的检测信号(包含具有脉搏信息的脉搏信号以及噪声的全部信号)的比率变化(%)的其它例的图。由图14可知，从受光部16输出的检测信号的S/N在Δh是1.28附近显示峰值。与该峰值对应的Δh(=1.28)处于图13所示的抑制了直接反射光向受光部入射的Δh范围QB(Δh是1.0～1.6的范围：第2Δh范围)内。
另外可知，与图13所示的一次反射对应的Δh范围QA(Δh是0.1～1.0的范围：第1Δh范围)和与二次反射对应的Δh范围QC(Δh是1.6～2.8的范围：第3Δh范围)各自中的检测信号的S/N，总的来说比第2Δh范围QB中的检测信号的S/N低。即，在第2Δh范围QB(Δh是1.0～1.6的范围)内，获得抑制直接反射光向受光部16的受光区域16﹣1入射的效果，并且获得具有脉搏信息的有效光的入射光量增大的效果，由此可知，脉搏信息的检测信号的S/N比其它Δh范围(第1Δh范围QA、第3Δh范围QC)高(即，改善检测信号的S/N)。
因此，可通过将Δh设定在第2Δh范围QB内，来提高作为生物体信息的脉搏的检测信号的S/N。即，可改善检测信号的S/N，由此，能够进行更高精度的检测。尤其，可通过将Δh设定为与检测信号的S/N的峰值附近对应的值，来使检测精度最高。
图15以及图16示出变更作为前提的尺寸条件的一部分进行了同样模拟时的结果。
即，图15是示出在口径φ=3.6mm、t=0.4mm、δ=0.53mm的条件下使焦距df逐渐增大时入射到受光部(光电二极管)的直接反射光的光量比率(%)的变化的图。在图15的例子中，将开口径φ从4.4mm(前面揭示的例子)变更为3.6mm。
另外可知，在图15的例子中也存在第1焦距范围FA’(焦距df是0.9～0.99的范围)、第2焦距范围FB’(焦距df是0.99～1.22的范围)和第3焦距范围FC’(焦距df是1.22～1.49的范围)。
另外，图16是示出在口径φ=4.4mm、t=0.3mm、δ=0.3mm的条件下使焦距df逐渐增大时入射到受光部(光电二极管)的直接反射光的光量比率(%)的变化的图。在图16的例子中，接触部件19﹣2的厚度t从0.4mm(前面揭示的例子)变更为0.3mm，且间隔部件19﹣1的高度(间隙)δ从0.53mm(前面揭示的例)变更为0.3mm。
在图16的例子中也存在第1焦距范围FA”(焦距df是1.1～1.14的范围)、第2焦距范围FB”(焦距df是1.14～1.28的范围)和第3焦距范围FC”(焦距df是1.28～1.62的范围)。
这样，在变更了口径φ、接触部件19﹣2的厚度t、间隔部件19﹣1的高度(间隙)δ中任意一个的情况下，在第1焦距范围与第3焦距范围之间都会出现第2焦距范围。因此可知，对这样的直接反射光的举动给与最大影响的主要参数是焦距df(或者Δh)。因此，在用于实现反射部18的优选反射特性的设计中，将焦距df(或者Δh)作为设计参数利用是有效的。
在基于这样的知识的情况下，优选在处于第1焦距范围FA(FA’、FA”)与第3焦距范围FC(FC’、FC”)之间的第2焦距范围FB(FB’、FB”)中设定反射部18所具有的反射面的焦距df。
如上所述，当反射面的焦距df确定时，构成反射面的球面的曲率半径确定。由此，球面唯一地确定。另外，因为反射面的口径已知，所以以xy平面切割球面的位置唯一地确定，由此，确定由球面的一部分构成的反射面的高度h。从而，唯一地确定反射部18具有的反射面的3维形状以及高度。
通过这样的设计方法来调整反射部18的反射特性，由此能够抑制一次反射光(无效光)以及二次反射光(无效光)入射到受光部16的受光区域16﹣1的情况且增加具有生物体信息的有效反射光入射到受光部16的受光区域16﹣1的概率。从而，能够抑制在接触部件19﹣2的接触面SA侧的反射光(直接反射光)所造成的不良影响(从受光部16输出的检测信号的S/N降低等)。
(第2实施方式)
在本实施方式中，反射部的反射面由作为二次曲面的抛物面的一部分构成。在前面揭示的实施方式中，反射部的反射面利用作为二次曲面的球面来构成，但也可以利用非球面(即抛物面)来构成反射面。
作为抛物面可使用旋转抛物面。旋转抛物面是将规定3维空间的相互垂直的x轴、y轴、z轴中的z轴作为光轴时使抛物线以对称轴即z轴为旋转轴进行旋转而获得的二次曲面(利用x、y、z的3元2次方程式表示的曲面)。
图17的(A)以及图17的(B)是用于对由抛物面的一部分构成的反射面(抛物面镜)进行说明的图。如图17的(B)所示，在将规定3维空间的相互垂直的x轴、y轴、z轴中的z轴作为光轴(主光学轴)时，构成反射面的抛物面可以是以z轴为旋转轴的旋转抛物面。将z轴与旋转抛物面交叉的点设为原点(面原点)m。
另外，如图17的(A)所示，在将与原点m相接的球面CQ的曲率半径设为r时，关于旋转抛物面，下式(5)成立。
【式5】
z＝(1/2r)·(x2+y2)····(5)
另外，平面视图中的反射面18﹣1的外周形状与前面揭示的实施方式同样为圆，该圆的直径(即反射面的口径)φ被设定为规定值。当反射面的口径φ已知时，例如，反射面的焦距df和构成反射面的抛物面中的与上述原点m相接的球面CQ的曲率半径r处于一对一的对应关系。由此，如果优选的焦距df确定，则与上述原点m相接的球面的曲率半径r确定，利用上述式(5)可唯一地确定旋转抛物面。另外，因为反射面的口径φ是已知的，所以，可确定基于xy平面的旋转抛物面的切割位置，唯一地确定反射面的高度h。由此，可唯一地确定反射面的3维形状(和高度)。
接着，参照图18～图20，考察使反射面(抛物面镜)18﹣1的焦距df变化时(其它参数是固定的)的直接反射光(无效光)的举动。
图18是用于说明在口径φ=4.4mm、接触部件19﹣2的厚度t=0.4mm、间隔部件19﹣1的高度(间隙)δ=0.53mm这样的条件下设焦距df=0.7mm时的直接反射光的举动的图。图18所示的反射部18的反射面18﹣1由旋转抛物面的一部分构成。此外在图18中，反射部18的反射面不是剖面形状，而被描述为具有空间深度的形状(这点在以后的附图中也同样)。
在图18中，从发光部14发出的光(这里不包含由反射镜等其它部件反射后的光)在保护部19中的接触部件19﹣2的接触面SA侧(接触面SA或其附近)反射的直接反射光(无效光)的轨跡用实线箭头来表示。
由图18可知，从发光部14发出的光在接触部件19﹣2的接触面SA侧一次反射后的一次反射光入射到受光部16的受光区域(受光面)16﹣1的概率较高。即，呈现一次反射入射光的光量占受光部16的总受光量的比率高的倾向。
图19是用于说明在口径φ=4.4mm、接触部件19﹣2的厚度t=0.4mm、间隔部件19﹣1的高度(间隙)δ=0.53mm这样的条件下设焦距df=1.0mm时的直接反射光的举动的图。
如图19可知，从发光部14发出的光在接触部件19﹣2的接触面SA侧一次反射后的一次反射光几乎不入射到受光部16的受光区域(受光面)16﹣1。另外，从发光部14发出的光在接触部件19﹣2的接触面SA侧二次反射后的二次反射光几乎不入射到受光部16的受光区域(受光面)16﹣1。另一方面，与先前说明的图1的(A)的例子相同，来自被检测部位的反射光(具有生物体信息的有效反射光)入射到受光部16的受光区域(受光面)16﹣1。
图20是用于说明在口径φ=4.4mm、接触部件19﹣2的厚度t=0.4mm、间隔部件19﹣1的高度(间隙)δ=0.53mm这样的条件下设焦距df=1.3mm时的直接反射光的举动的图。
由图20可知，从发光部14发出的光在接触部件19﹣2的接触面SA侧进行了二次反射后的二次反射光入射到受光部16的受光区域(受光面)16﹣1的概率高。即，呈现二次反射入射光的光量占受光部16的总受光量的比率高的倾向。
图21示出反复模拟这样的直接反射光的举动来调查反射面的焦距变化和入射到受光部16的直接反射光的光量的比率的相关关系的结果。图21是示出在口径φ=4.4mm、t=0.4mm、δ=0.53mm的条件下使焦距df逐渐增大时入射到受光部(光电二极管)的直接反射光的光量的比率(%)的变化的图。
在图21中，当反射面的焦距df逐渐变大时，与采用由上述球面的一部分构成的反射面的例子相同，首先，出现第1焦距范围FA(焦距df是0.55mm～1.0mm的范围)。接着，出现第2焦距范围FB(焦距df是1.0mm～1.15mm的范围)。
在该焦距范围FB中，入射到受光部的直接反射光的光量比率被抑制为1%以下(用于判断本例中的反射光的光量高低的规定阈值即第1阈值以及第2阈值是1%)。另外，焦距df是1.1附近，直接反射光的比率几乎为零。
当进一步增大反射面的焦距df时，接着出现第3焦距范围FC(焦距df是1.15mm～1.55mm)。
在基于这样的知识的情况下，优选在位于第1焦距范围FA与第3焦距范围FC之间的第2焦距范围FB中设定反射部18所具有的反射面(抛物面镜)的焦距。由此，抑制由直接反射光(无效光)引起的从受光部16输出的检测信号的S/N降低，结果提高检测精度。另外，因为焦距df是1.1附近且直接反射光的比率几乎为零，所以最好将焦距固定在1.1的附近。
另外，虽未图示，但通过调查检测信号的S/N变化，可确定在第2焦距范围FB中，具有生物体信息的有效光(有效反射光)的受光光量增加。
因此，通过将焦距df设定在第2焦距范围内，可提高作为生物体信息的脉搏的检测信号的S/N。即，能够改善检测信号的S/N，能够进行更高精度的检测。尤其，可通过将焦距df设定在与检测信号的S/N的峰值附近对应的值(1.1)附近，使检测精度最高。
如上所述，当反射面的焦距df确定时，唯一地确定反射面的3维形状和高度。由此，可通过采用上述的设计方法，来获得能降低直接反射光的影响的具有良好的反射特性的反射部18。
(第3实施方式)
在本实施方式中，说明包含生物体信息检测器的生物体信息测定装置。图22是示出包含生物体信息检测器的生物体信息测定装置的一例(手腕脉搏计)的外观例的图。生物体信息测定装置300还包含用于可将生物体信息检测器200安装在被检查体(人体)2的被检测部位1即手臂(狭义上为手腕)上的腕带150。
在图22的例子中，生物体信息是脉搏数，在生物体信息测定装置300所具备的显示部165中示出作为测定结果的脉搏数“72”。另外，生物体信息测定装置300兼作手表。在生物体信息测定装置300所具备的显示部165中显示时刻(例如，上午8时15分)。
此外，虽未图示，但在兼作手表型的生物体信息测定装置300的背盖设置开口部，在开口部上露出先前说明的保护部(保护壳体)19。
图23是示出生物体信息测定装置的内部结构的一例的图。生物体信息测定装置300包含图1等所示的生物体信息检测器200、和根据在生物体信息检测器的受光部16中生成的受光信号来测定生物体信息的生物体信息测定部202。此外，在图23中，省略承担作为计时器的功能的部分。生物体信息检测器200可具有发光部14、受光部16和发光部14的控制电路161。生物体信息检测器200还可以具有受光部16的受光信号的放大电路162。生物体信息检测器200还可以具有加速度检测部166。
生物体信息测定部202可具有对受光部16的受光信号进行A/D变换的A/D变换电路163和计算脉搏数的脉搏数计算电路164。生物体信息测定部300还可以具有显示脉搏数的显示部165。
如上所述，生物体信息检测器200可具有加速度检测部166，在此情况下，生物体信息测定部202还可具有：对加速度检测部166的检测信号进行A/D变换的A/D变换电路167、和对数字信号进行处理的数字信号处理电路168。图23所示的生物体信息测定装置300的结构仅是一例，不限于此结构。
脉搏数计算电路164例如可以是装入有生物体信息检测器200的电子设备的MPU(Micro Processing Unit：微处理单元)。另外，控制电路161对发光部14进行驱动。控制电路161例如是恒流电路，将给定的电压(例如，6V)经由保护电阻提供给发光部14，将流向发光部14的电流保持为给定的值(例如，2mA)。此外，控制电路161为了降低消耗电流，可间歇地(例如，以128Hz)驱动发光部14。控制电路161例如形成在母板(未图示)上，控制电路161与发光部14的布线例如形成在基板11上。
图23所示的放大电路162可以从在受光部16中生成的受光信号(电流)中去除直流成分，仅提取交流成分，放大该交流成分，生成交流信号。另外，放大电路162例如利用高通滤波器来去除给定频率以下的直流成分，例如利用运算放大器对交流成分进行缓冲。此外，受光信号包含脉动成分以及体动成分。放大电路162或控制电路161可将用于以例如反偏压使受光部16动作的电源电压提供给受光部16。在间歇地驱动发光部14的情况下，也间歇地供给受光部16的电源，另外还间歇地放大交流成分。放大电路162例如形成在母板(未图示)上，放大电路162与受光部16的布线例如形成在基板11上。另外，放大电路162可具有利用高通滤波器的前级来放大受光信号的放大器。在放大电路162具有放大器的情况下，放大器例如可形成在基板11的端部。
A/D变换电路163将在放大电路162中生成的交流信号变换为数字信号(第1数字信号)。另外，加速度检测部166例如检测3轴(X轴、Y轴以及Z轴)的重力加速度，生成加速度信号。根据身体(手臂)的动作，生物体信息测定装置的动作反映在加速度信号中。A/D变换电路167将在加速度检测部166中生成的加速度信号变换为数字信号(第2数字信号)。
数字信号处理电路168采用第2数字信号来除去或降低第1数字信号的体动成分。数字信号处理电路168例如可由FIR滤波器等自适应滤波器构成。数字信号处理电路168将第1数字信号以及第2数字信号输入至自适应滤波器，生成去除或降低了噪声的滤波器输出信号。
脉搏数计算电路164例如通过高速傅里叶变换(广义上为离散傅里叶变换)对滤波器输出信号进行频率分析。脉搏数计算电路164根据频率分析的结果来确定表示脉动成分的频率，并计算脉搏数。
当采用图22所示的手腕脉搏计时，能够在时序地取得例如用户进行慢跑等运动时的脉搏信息。取得的脉搏信息可广泛用于用户的体质改善等。但是，预料到手腕脉搏计的位置由于用户运动而偏移或者受外部光影响，导致检测精度(测定精度)降低的原因很多。因此，为了确保高精度的测定，优选对在接触部件(透光部件)的表面附近反射的反射光所引起的S/N降低也实施充分的对策。这点如上所述，在生物体信息检测器200中，充分采用针对直接反射光(无效光)的对策。由此，能够实现可高精度测定的新型手腕脉搏计。
(第4实施方式)
在本实施方式中，对作为生物体信息测定装置300的其它例的脉动血氧计进行说明。搭载在脉动血氧计上的生物体信息检测器(生物体探头)可采用与前面揭示的实施方式相同的结构(例如图1的(A)和图2所示的结构)来实现。
这里，根据图1的结构进行说明。脉动血氧计中的生物体信息检出器200由发光部14和受光部16构成。发光部14例如发出红光和红外光，这些光在被检测部位1(指尖、手臂、手腕等)反射后的反射光在受光部16进行测定。红光和红外光的吸光度根据血液中的血红蛋白是否与氧结合而不同。由此，可利用受光部16对反射光进行测定并分析，由此来测定动脉血氧饱和度(SpO2)。
此外例如，可利用具有搏动的成分是基于动脉血的成分的情况来区别全部反射光中所包含的经由动脉等反射后的成分和经由静脉或软组织反射后的成分。另外，还可以根据具有搏动的脉搏成分对脉搏数一并进行计数。
作为脉动血氧计用的生物体信息测定部的结构，可直接利用图23所示的脉搏计用的生物体信息测定部202的结构。其中，图23所示的脉搏计算电路164可被置换为采用脉搏计算电路以及FFT等的动脉血氧饱和度分析电路164。
以上，对本发明的优选实施方式进行了说明，但对于本领域技术人员来说能够容易地理解本发明可进行多种变形。因此，这样的变形例全部包含在本发明的范围内。例如，在说明书或附图中至少一次与更广义或同义的不同用语共同记载的用语无论在说明书或附图的任何位置都可以置换为该不同用语。

Claims (7)

1.一种生物体信息检测器，其包含：
发光部；
受光部，其接收从上述发光部发出的光在被检查体的被检测部位反射后的具有生物体信息的光；
反射部，其对上述具有生物体信息的光进行反射；
保护部，其保护上述发光部，具有接触部件，上述接触部件具备与上述被检测部位接触的接触面，并且上述接触部件由对于上述发光部发出的光的波长透明的材料构成；以及
基板，其配置在上述反射部与上述保护部之间，并且在上述保护部侧的第1面上配置上述发光部，在作为上述反射部侧的与上述第1面对置的第2面上配置上述受光部，所述基板由对于上述发光部发出的光的波长透明的材料构成，
所述生物体信息检测器抑制从上述发光部发出的光在上述接触部件的上述接触面侧一次反射后的一次反射光入射到上述受光部。
2.根据权利要求1所述的生物体信息检测器，其特征在于，
抑制从上述发光部发出的光在上述接触部件的上述接触面侧二次反射后的二次反射光入射到上述受光部。
3.根据权利要求2所述的生物体信息检测器，其特征在于，
上述反射部具有由球面的一部分构成的反射面，平面视图中的上述反射部的外周圆的直径被设定为规定值，
而且在作为上述反射面的焦距范围，具有上述一次反射光在上述反射面反射后入射到上述受光部的一次反射入射光相对于总受光量的比率比第1阈值高的第1焦距范围；第2焦距范围；和上述二次反射光在上述反射面反射后入射到上述受光部的二次反射入射光相对于总受光量的比率比第2阈值高的第3焦距范围的情况下，上述反射面的焦距设定在位于上述第1焦距范围与上述第3焦距范围之间的上述第2焦距范围中。
4.根据权利要求3所述的生物体信息检测器，其特征在于，
当设上述反射部的外周圆的直径为φ，设构成上述反射面的上述球面的曲率半径为r，设对应于上述曲率半径r和上述反射部的外周圆的直径φ确定的、表示光轴与上述反射面交叉的点和上述第2面之间的距离的上述反射面的高度为h，设上述反射面的高度h与上述反射面的曲率半径r之差为Δh时，下式成立：
r = { Δ h 2 + ( φ / 2 ) 2 } .
5.根据权利要求2所述的生物体信息检测器，其特征在于，
上述反射部具有由抛物面的一部分构成的反射面，
在将相互垂直的x轴、y轴、z轴中的上述z轴设为光轴时，上述抛物面是以上述z轴作为旋转轴的旋转抛物面，而且在将上述z轴与上述旋转抛物面交叉的点设为原点，设与上述原点相接的球面的曲率半径为r的情况下，关于上述旋转抛物面，下式成立：
z＝(1/2r)·(x2+y2)，
另外，平面视图中的上述反射部的外周圆的直径被设定为规定值，
而且在作为上述反射面的焦距范围，具有上述一次反射光在上述反射面反射后入射到上述受光部的一次反射入射光相对于总受光量的比率比第1阈值高的第1焦距范围；第2焦距范围；和上述二次反射光在上述反射面反射后入射到上述受光部的二次反射入射光相对于总受光量的比率比第2阈值高的第3焦距范围的情况下，上述反射面的焦距设定在位于上述第1焦距范围与上述第3焦距范围之间的上述第2焦距范围中。
6.一种生物体信息测定装置，其特征在于，包含：
权利要求1～权利要求5中任意一项所述的生物体信息检测器；以及
生物体信息测定部，其根据从上述受光部输出的检测信号来测定上述生物体信息。
7.根据权利要求6所述的生物体信息测定装置，其特征在于，
上述生物体信息是脉搏数。
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