CN105895641B - 光学传感模组、光学传感配件与光学传感装置 - Google Patents

光学传感模组、光学传感配件与光学传感装置 Download PDF

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    • A61B2562/227—Sensors with electrical connectors

Abstract

本发明涉及一种光学传感模组、光学传感配件、光学感测装置及其相关应用。光学传感模组包括一基板；一光源，设置于基板上；一第一封装体，形成于光源上；一光电探测器，设置于基板上；一第二封装体，形成于光电探测器上；以及一间隔体，与基板连接，且设置于光源与光电探测器之间；其中，第一封装体与第二封装体的至少其一具有多个折射率层级。光学传感配件包括前述光学传感模组、通信模组及外壳。光学传感装置包括前述光学传感模组、微处理器、存储器、电源供应器及外壳。藉由前述光学传感模组的间隔体与封装体上的折射率层级提高光源的出光效率及光电传感器的收光效率，减少因杂散光与串扰所致的低讯杂比。

Description

光学传感模组、光学传感配件与光学传感装置
技术领域
本发明涉及一种光学传感模组、光学传感配件、光学传感装置及其相关应用。
背景技术
反射式光学传感模组基本原理是，由光源发射光线，投射至待测物，由光电探测器接收并量测反射回来的光量，计算并将其转换为电讯号。大致而言，入射至待测物上的光线可以被物体反射(reflect)、折射(refract)、吸收(absorb)或散射(scatter)。只要有部分的反射光、折射光及散射光被光学传感模组的光电探测器接收，即可将之相应转换为讯号并用于量测。
在计算讯杂比(Signal Noise Ratio,SNR)时，上述与反射光及散射光相应的讯号被定义为讯杂比的讯号部分。由于一部分发射光线可能会被待测物吸收，或未能被光传感器检测到，讯号亦会因此减损。而讯杂比的杂讯主要来自：由光源发射后的光线未被待测物反射就直接被光电传感器检测到，以及光电传感器所检测到的环境光。
综上所述，会导致光学传感模组的讯杂比不佳。
发明内容
鉴于以上内容，有必要提供一种讯杂比较佳之光学传感模组。进一步，提供一种具有前述光学传感模组之光学传感配件与光学传感装置。
一种光学传感模组，包括一基板；一光源，设置于所述基板上；一第一封装体，形成于所述光源上；一光电探测器，设置于所述基板上；一第二封装体，形成于所述光电探测器上；以及一间隔体，与所述基板连接，且设置于所述光源与所述光电探测器之间；其中，所述第一封装体与所述第二封装体的至少其一具有多个折射率层级。
进一步，一种前述之光学传感模组，所述具有多个折射率层级的所述第一封装体与所述第二封装体的至少其一包括位于相对所述基板近端的第一折射率层级,以及位于相对所述基板远端的第二折射率层级,且所述第一折射率层级的折射率大于所述第二折射率层级的折射率。
进一步，一种前述之光学传感模组，所述多个折射率层级包括二个相邻的折射率层级，且所述二个相邻的折射率层级间还包括一微结构。
进一步，一种前述之光学传感模组，所述多个折射率层级包括二个相邻的折射率层级，且所述二个相邻的折射率层级间还包括一曲面透镜。
进一步，一种前述之光学传感模组，所述多个折射率层级包括二个相邻的折射率层级，且所述二个相邻的折射率层级的顶面还包括一微结构。
进一步，一种前述之光学传感模组，所述多个折射率层级包括二个相邻的折射率层级，且所述二个相邻的折射率层级的顶面还包括一曲面透镜。
进一步，一种前述之光学传感模组，还包括一封装壁,其与所述基板连结,且围绕所述光源、所述间隔体及所述光电探测器。
进一步，一种前述之光学传感模组，还包括设置于所述封装壁上的一顶盖。
进一步，一种前述之光学传感模组，所述顶盖还包括一曲面透镜。
进一步，一种前述之光学传感模组，所述顶盖还包括一微结构。
进一步，一种前述之光学传感模组，所述顶盖覆有一防刮薄膜、一抗反射薄膜或一滤波薄膜。
进一步，一种前述之光学传感模组，还包括至少一个模拟信号前端芯片、一微控制器、一运算放大器或一光源驱动器。
一种光学传感配件,其特征在于，包括至少一个前述的光学传感模组；一通信模组，与所述至少一个光学传感模组电性连结；以及一外壳，容置所述至少一个光学传感模组及所述通信模组。
一种光学传感装置,包括至少一个所述的光学传感模组；一微处理器，与所述至少一个光学传感模组电性连结；一存储器，与所述至少一个光学传感模组及所述微处理器电性连结；一电源供应器，与所述至少一个光学传感模组及所述存储器电性连结；以及一外壳，容置所述至少一个光学传感模组、所述微处理器、所述存储器以及所述电源供应器。
相较现有技术，上述光学传感模组的间隔体与封装体上的折射率层级可提高光源的出光效率及光电传感器的收光效率，减少因杂散光与串扰所致的低讯杂比。
附图说明
本技术的实施现以实施例的方式结合附图进行描述。
图1A及1B为本发明第一及第二实施例所提供的光学传感器的横剖示意图。
图2A-2C分别为本发明一实施例所提供的光学传感器的顶视图、横剖示意图、及横剖面斜向视图。
图3A-3C分别为本发明一实施例所提供的光学传感器的顶视图、横剖示意图、及横剖面斜向视图。
图4A-4C分别为本发明一实施例所提供的光学传感器的顶视图、横剖示意图、及横剖面斜向视图。
图5A-5C分别为本发明一实施例所提供的光学传感器的顶视图、横剖示意图、及横剖面斜向视图。
图6A-6C分别为本发明一实施例所提供的光学传感器与对象物体表面的顶视图、横剖示意图、及横剖面斜向视图。
图7A-7C为包括有应用于对象物体表面的顶盖的光学传感器的结构示意图。
图8A为包括有应用于对象物体表面的顶盖的光学传感器的横剖示意图。
图8B为图8A中双面薄膜顶盖的局部放大示意图。
图9A为具有薄膜覆层的封装体的横剖示意图。
图9B为图9A中第一薄膜覆层封装体的局部放大示意图。
图9C为图9A中第二薄膜覆层封装体的局部放大示意图。
图10A为包括有顶盖及薄膜覆层封装体的光学传感器的横剖示意图。
图10B为图10A中第一薄膜覆层封装体的局部放大示意图。
图10C为图10A中第二薄膜覆层封装体的局部放大示意图。
图11A为包括有双面薄膜顶盖及薄膜覆层封装体的光学传感器的横剖示意图。
图11B为图11A中双面薄膜顶盖的局部放大图。
图11C为图11A中第一薄膜覆层封装体的局部放大示意图。
图11D为图11A中第二薄膜覆层封装体的局部放大示意图。
图12A-12C分别为本发明一实施例所提供的光学传感模组的顶视图、横剖示意图、及横剖面斜向视图。
图13A-13C分别为本发明一实施例所提供的光学传感模组的顶视图、横剖示意图、及横剖面斜向视图。
图14A-14C分别为本发明一实施例所提供的光学传感模组的顶视图、横剖示意图、及横剖面斜向视图。
图15A-15C分别为本发明一实施例所提供的光学传感模组的顶视图、横剖示意图、及横剖面斜向视图。
图16A为本发明一实施例的光学传感器的横剖示意图。
图16B为图16A的其中一封装体的横剖示意图。
图16C-16E为图16B中封装体内不同位置的折射率随该位置与基板之间距离变化的函数关系图，其中横轴表示与基板之间的距离纵轴表示折射率。
图17A-17C分别为本发明一实施例所提供的光学传感模组的顶视图、横剖示意图、及横剖面斜向视图。
图18A-18C分别为本发明一实施例所提供的光学传感模组的顶视图、横剖示意图、及横剖面斜向视图。
图19A-19C分别为本发明一实施例所提供的光学传感模组的顶视图、横剖示意图、及横剖面斜向视图。
图20A-20C分别为本发明一实施例所提供的光学传感模组的顶视图、横剖示意图、及横剖面斜向视图。
图21A-21C分别为本发明一实施例所提供的光学传感模组的顶视图、横剖示意图、及横剖面斜向视图。
图22A-22C分别为本发明一实施例所提供的光学传感模组的顶视图、横剖示意图、及横剖面斜向视图。
图23A-23C分别为本发明一实施例所提供的光学传感模组的顶视图、横剖示意图、及横剖面斜向视图。
图24A-24C分别为本发明一实施例所提供的光学传感模组的顶视图、横剖示意图、及横剖面斜向视图。
图25A-25C分别为本发明一实施例所提供的光学传感模组的顶视图、横剖示意图、及横剖面斜向视图。
图26A-26C分别为本发明一实施例所提供的光学传感模组的顶视图、横剖示意图、及横剖面斜向视图。
图27A-27C分别为本发明一实施例所提供的光学传感模组的顶视图、横剖示意图、及横剖面斜向视图。
图28A-28C分别为本发明一实施例所提供的光学传感模组的顶视图、横剖示意图、及横剖面斜向视图。
图29A-29C分别为本发明一实施例所提供的光学传感模组的顶视图、横剖示意图、及横剖面斜向视图。
图30A-30C分别为本发明一实施例所提供的光学传感模组的顶视图、横剖示意图、及横剖面斜向视图。
图31A-31C分别为本发明一实施例所提供的光学传感模组的顶视图、横剖示意图、及横剖面斜向视图。
图32A-32C分别为本发明一实施例所提供的光学传感模组的顶视图、横剖示意图、及横剖面斜向视图。
图33A-33C分别为本发明一实施例所提供的光学传感模组的顶视图、横剖示意图、及横剖面斜向视图。
图34A-34C分别为本发明一实施例所提供的光学传感模组的顶视图、横剖示意图、及横剖面斜向视图。
图35A-35C分别为本发明一实施例所提供的光学传感模组的顶视图、横剖示意图、及横剖面斜向视图。
图36A-36C分别为本发明一实施例所提供的光学传感模组的顶视图、横剖示意图、及横剖面斜向视图。
图37A-37C分别为本发明一实施例所提供的光学传感模组的顶视图、横剖示意图、及横剖面斜向视图。
图38A-38C分别为本发明一实施例所提供的光学传感模组的顶视图、横剖示意图、及横剖面斜向视图。
图39A为包括有双面薄膜顶盖及用于接触对像物体表面的薄膜覆层封装体的光学传感器的横剖示意图。
图39B为图39A中双面薄膜顶盖的局部放大示意图。
图40A为包括有应用于对象物体表面的薄膜覆层封装体的光学传感模组的横剖示意图。
图40B为图40A中第一薄膜覆层封装体的局部放大图。
图40C为图40A中第二薄膜覆层封装体的局部放大图。
图41A为包括有双面薄膜顶盖及应用于对象物体表面的薄膜覆层封装体的光学传感器的横剖示意图。
图41B为图41A中第一薄膜覆层封装体的局部放大示意图。
图41C为图41A中第二薄膜覆层封装体的局部放大示意图。
图42A为包括有双面薄膜顶盖及应用于对象物体表面的薄膜覆层封装体的光学传感器的横剖示意图。
图42B为图42A中双面薄膜顶盖的局部放大示意图。
图42C为图42A中第一薄膜覆层封装体的局部放大示意图。
图42D为图42A中第二薄膜覆层封装体的局部放大示意图。
图43A-43C分别为本发明一实施例所提供的光学传感模组的顶视图、横剖示意图、及横剖面斜向视图。
图44A-44C分别为本发明一实施例所提供的光学传感模组的顶视图、横剖示意图、及横剖面斜向视图。
图45A-45C分别为本发明一实施例所提供的光学传感模组的顶视图、横剖示意图、及横剖面斜向视图。
图46A-46B分别为本发明一实施例所提供的光学传感模组的顶视图及横剖示意图。
图47A-47B分别为本发明一实施例所提供的可应用于对象物体表面的光学传感模组的顶视图及横剖示意图。
图48A-48B分别为本发明一实施例所提供的包括有可应用于对象物体表面的顶盖的光学传感模组的顶视图及横剖示意图。
图49A-49C分别为本发明一实施例所提供的包括有顶盖的光学传感模组的顶视图、横剖示意图及横剖面斜向视图。
图50A-50C分别为本发明一实施例所提供的包括有顶盖的光学传感模组的顶视图、横剖示意图及横剖面斜向视图。
图51A-51C分别为本发明一实施例所提供的包括有顶盖的光学传感模组的顶视图、横剖示意图及横剖面斜向视图。
图52A-52C分别为本发明一实施例所提供的包括有顶盖的光学传感模组的顶视图、横剖示意图及横剖面斜向视图。
图53A-53C分别为本发明一实施例所提供的包括有顶盖的光学传感模组的顶视图、横剖示意图及横剖面斜向视图。
图54A-54C分别为本发明一实施例所提供的包括有顶盖的光学传感模组的顶视图、横剖示意图及横剖面斜向视图。
图55A-55C分别为本发明一实施例所提供的包括有模拟信号前端芯片的光学传感模组的顶视图、横剖示意图及横剖面斜向视图。
图56A-56B分别为本发明一实施例所提供的包括有模拟信号前端芯片的光学传感模组的顶视图及斜向视图。
图57A-57B分别为本发明一实施例所提供的包括有模拟信号前端芯片及微控制器的光学传感模组的顶视图及斜向视图。
图58A-58B分别为本发明一实施例所提供的包括有模拟信号前端芯片及微控制器的光学传感模组的顶视图及斜向视图。
图59A-59B分别为本发明一实施例所提供的包括有多个模拟信号前端芯片及微控制器的光学传感模组的顶视图及斜向视图。
图60A-60B分别为本发明一实施例所提供的包括有运算放大器、光源驱动器及微控制器的光学传感模组的顶视图及斜向视图。
图61A-61C分别为本发明一实施例所提供的包括有模拟信号前端芯片的光学传感模组的顶视图、横剖示意图及横剖面斜向视图。
图62A-62C分别为本发明一实施例所提供的光学传感模组的顶视图、横剖示意图及横剖面斜向视图。
图62D为图62C中的光学传感模组从接触面所在一侧看过来的侧视图。
图63A-63C分别为本发明一实施例所提供的光学传感模组的顶视图、横剖示意图及横剖面斜向视图。
图63D为图63C中的光学传感模组从接触面所在一侧看过来的侧视图。
图64A-64C分别为本发明一实施例所提供的光学传感模组的顶视图、横剖示意图及横剖面斜向视图。
图65A-65C分别为本发明一实施例所提供的光学传感模组的顶视图、横剖示意图及横剖面斜向视图。
图65D为图65C中的光学传感模组从接触面所在一侧看过来的侧视图。
图66A-66C分别为本发明一实施例所提供的光学传感模组的顶视图、横剖示意图及横剖面斜向视图。
图67A-67C分别为本发明一实施例所提供的光学传感模组的顶视图、横剖示意图及横剖面斜向视图。
图68A-68C分别为本发明一实施例所提供的光学传感模组的顶视图、横剖示意图及横剖面斜向视图。
图68D为图68C中的光学传感模组从接触面所在一侧看过来的侧视图。
图69A-69C分别为本发明一实施例所提供的光学传感模组的顶视图、横剖示意图及横剖面斜向视图。
图70A-70B分别为本发明一实施例所提供的光学传感模组的顶视图及横剖示意图。
图71A-71B分别为本发明一实施例所提供的光学传感模组的顶视图及横剖示意图。
图72A-72B分别为本发明一实施例所提供的光学传感模组的顶视图及横剖示意图。
图73A-73B分别为本发明一实施例所提供的光学传感模组的顶视图及横剖示意图。
图74A-74B分别为本发明一实施例所提供的光学传感模组的顶视图及横剖示意图。
图75A-75B分别为本发明一实施例所提供的包括有顶盖的光学传感模组的顶视图及横剖示意图。
图76A-76B分别为本发明一实施例所提供的包括有顶盖的光学传感模组的顶视图及横剖示意图。
图77A-77B分别为本发明一实施例所提供的包括有顶盖的光学传感模组的顶视图及横剖示意图。
图78A为本发明一实施例所提供的包括有双面薄膜顶盖的光学传感模组的横剖示意图。
图78B为图78A中双面薄膜顶盖的局部放大示意图。
图79A为本发明一实施例所提供的包括有顶盖及薄膜覆层封装体的光学传感模组的横剖示意图。
图79B为图79A中第一薄膜封装体的局部放大示意图。
图79C为图79A中第二薄膜封装体的局部放大示意图。
图80A-80D为本发明一实施例所提供的光学传感配件或光学传感装置的外壳的结构示意图，其中图80A是手持设备的外壳实施例，图80B及80C是可穿戴设备的环形外壳实施例，图80D是可穿戴设备的贴片状外壳实施例。
图81A为本发明一实施例所提供的光学传感配件连接至计算装置上的功能模组示意图。
图81B及81C为本发明一实施例所提供的光学传感配件连接至计算装置上的结构示意图。
图82A为本发明一实施例所提供的无线光学传感配件连接至计算装置上的功能模组示意图。
图82B为本发明一实施例所提供的无线光学传感配件连接至计算装置上的结构示意图。
图83A为本发明一实施例所提供的光学传感装置的功能模组图。
图83B及83C分别为本发明一实施例所提供的包括有光学传感模组及可穿戴外壳的从两个不同视角的结构示意图。
图84A为本发明一实施例所提供的光学传感装置连接至一光学传感配件的结构示意图。
图84B为本发明一实施例所提供的光学传感装置连接至另一传感装置的结构示意图。
图85A为本发明一实施例所提供的无线光传感配件连接至无线光传感装置的功能模组图。
图85B为本发明一实施例所提供的无线光传感配件连接至无线光传感装置的结构示意图。
图86A及86B分别为本发明一实施例所提供的使用光传感装置实现多点测量的两个不同应用场景示意图。
图87A及87B分别为本发明一实施例所提供的具有一双向光学传感模组的光学传感装置的结构示意图，该双向光学传感模组包括朝向光学传感装置的两个不同表面露出的两个接触面。
图87C为本发明一实施例所提供的具有双向光学传感模组的光学传感装置的局部剖视图。
图87D为图87C的局部放大示意图，图中所示为光学传感装置的双向光学传感模组包括朝向不同方向的两个接触面。
图88为本发明一实施例所提供的多点测量配件的功能模组图。
图89为本发明一实施例所提供的多点测量装置的功能模组图。
图90为本发明一实施例所提供的多点测量系统的功能模组图。
主要元件符号说明
如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。
具体实施方式
为了简明清楚地进行说明，在恰当的地方，相同的标号在不同图式中被重复地用于标示对应的或相类似的组件。此外，为了提供对此处所描述实施例全面深入的理解，说明书中会提及许多特定的细节。然而，本领域技术人员可以理解的是此处所记载的实施例也可以不按照这些特定细节进行操作。在其他的一些情况下，为了不使正在被描述的技术特征混淆不清，一些方法、流程及组件并未被详细地描述。图式并不一定需要与实物的尺寸等同。为了更好地说明细节及技术特征，图式中特定部分的展示比例可能会被放大。说明书中的描述不应被认为是对此处所描述的实施例范围的限定。
现对适用于全文的几个定义描述如下。
词语“连接”，不管是直接地还是通过中间组件间接地，都不一定限制于物理性的连接。所述连接可以是物体被永久性地连接或可拆卸地连接。词语“外部”指的是超出对象物体最外侧范围以外的区域。词语“内部”指的是至少一部分区域被部分地包含在对象物体所形成的边界内。词语“大致”定义为所描述的对象基本上符合特定的尺寸、形状或其他类似的特点，而不需要完全精确地一致。比如，大致呈圆柱形的意思是所描述的物体近似于圆柱体，但可以与真正的圆柱体有一个或多个不同之处。词语“包括”的意思是“包括，但不限于”，特指开放式的包含关系或者是某个组合、群组、系列等集合概念中的要素。
反射式光学传感模组被制造来用于发射光线并检测由对象物体表面所反射回来的光线，所接收到的反射光线被按比例地转换成电信号，比如电压、电流或以上两者的组合。如图1A及1B所示，所述光学传感模组10包括光源110、覆盖所述光源110的第一封装体111、光电探测器120、覆盖所述光电探测器120的第二封装体121及间隔体130。上述光源110、光电探测器120、第一封装体11、第二封装体121及间隔体130中的每一个都设置在基板140上。所述光学传感模组10可以制造成单一的紧密封装体，可以根据不同的设计需求采用将光源110及光电探测器120分别独立封装或设置在一个或多个印刷电路板(PrintedCircuit Board,PCB)上的方式。每个组件的较佳实施例如下所述。所述基板140用于安装组件并提供组件之间的机械或电学连接。其次，所述基板140为光学传感模组10的组件提供机械支撑及与其他外部电子组件与光学传感模组10的互相连接。另外，所述光学传感模组10的第一封装体111及第二封装体121也形成在所述基板140上。在实际使用时，所述基板140可以是PCB、金属芯PCB(Metal core PCB,MCPCB)、陶瓷PCB、或者直接覆铜基板(DirectBonded Copper Substrate,DBC)。
光电换能器可以将电信号与光信号进行互相转换。所述光源110将电能转换为具有特定光谱分布的波长组合，比如光谱的紫外、可见及红外部分。所述光源110可电连接至内嵌在基板140中的印刷电路以接收来自微控制器的触发信号及工作电压。所述微控制器可以是光源驱动器或门控电源。在实际使用中，所述光学传感模组10可采用一个或多个发光二极管(Light Emitting Diode,LED)、有机发光二极管(Organic Light EmittingDiode,OLED)、激光二极管(Laser Diode,LD)等类似组件作为所述光源110。比如，所述光学传感模组10的光源110可以包括一个或多个LED，每一个LED用于发出具有特定光谱分布的波长组合。可以理解的是，所述光源110可以根据不同的应用场合同步或异步地发出具有不同光谱分布的波长组合光线。
所述光电探测器120被安装在所述基板140上以检测并将特定光谱的发射能量转换为电流或电压。所述光电探测器120至少对所述光源110的一部分对应波长有光谱响应。所述光电探测器120可与基板140中内嵌的印刷电路电连接以将光电流传输至微控制器，比如：运算放大器或模拟信号前端芯片。在实际应用中，所述光电传感模组10可采用光电二极管、光电场效应管、光敏电阻、光电倍增管、氧化金属半导体(Metal Oxide Semiconductor,MOS)等类似组件作为光电探测器120。所述光电探测器120可以检测到由光源110发出的波长具有特定光谱分布的光或者波长由发射自光源110的光偏移而得到的光。因此，所述光电探测器120将所检测到的光转换为电信号。所述光电探测器120也可以检测到波长光谱与光源的波长光谱不同的光线。比如，由对象物体表面在接收到光源110所发出光线后发出的荧光也可以被所述光电探测器120所检测。此外，在所述光源110无法发出红外光线的例子中，所述光电探测器120也能检测到来自对象物体表面的红外光线。所述光电探测器120可以包括单个或多个光电二极管以扩展光谱响应范围或者独立地量测具有不同波长的接收光。
所述间隔体130被安装在基板140上并形成于所述光源110与光电探测器120之间以阻挡杂散光由光源110直接射到光电探测器120上。另外，所述间隔体130可由非透明材料制成，可反射和/或吸收由光源110发出的波长具有特定光谱分布的光。再者，所述光学传感模组10可包括封装壁131以阻隔外界环境噪音。如图1A及图1B所示，所述光学传感模组10的封装壁131可设置成围绕所述光源110及光电探测器120。所述封装壁131可在一顶盖150运用在光学传感模组10时进一步提供机械支撑。在其他实施例中，所述封装壁131的一部分可以位于光源110及光电探测器120之间以起到间隔体130的功能。根据对挡光能力的不同需求，所述间隔体130及封装壁131可由类似的或不同的材料制成。同样地，所述间隔体130及封装壁131可形成为一整体或多个不同独立的部件。
所述封装体密封地封装光电组件以延长所述光电组件的使用年限并通过逐渐过渡光电组件与外界环境之间的高折射率差以提高出光效率。所述封装体应为，至少部分为，透明的，从而可以充当光传播的介质。在实际使用中，所述封装体的材料的折射率可低于光电组件而高于外界环境，比如：空气、水、或胶体。所述材料可选自硅化合物，或者选自透明的聚合物，可包括聚二甲硅氧烷(Polydimethylsiloxane,PDMS)、聚碳酸酯(Polycarbonate,PC)、或聚甲基丙烯酸甲酯(Polymethyl Methacrylate,PMMA)。
本案技术的主要特征之一在于覆盖光源110的封装体111及覆盖光电探测器120的封装体121的结构与配置。所述封装体111、121可以为单层结构或者超过一层的多层结构。当封装体为由一种材料制成的单层结构时，所述封装体可用一种折射率实现光电组件与外界环境之间的过渡。高折射率的光电组件与低折射率的外界环境之间的折射率差导致较差的光导出率及光接收率。所述封装体大致拥有一个介于高折射率的光电组件与低折射率的外界环境中间的折射率，从而光出射及光接收效率可以得到稍微改善。
多层结构的封装体可由多个具有不同折射率的物理层结构构成也可以是具有非均匀折射率，比如梯度折射率，的单一整体结构。在一实施例中，所述封装体可以采用将具有不同折射率的多个层级堆叠可制成。在另一实施例中，由一种材料制成的封装体在生产过程中被置于外部电场内以在封装体内部形成没有物理边界的多个折射率层级。在一实施例中，当所述封装体为多层结构时，每一层的折射率可由接近中心的部分向远离中心的部分减少。为了容易理解，所述多层结构封装体，包括物理层级或非均匀折射率的单一整体，的图式可采用分割线和不同的剖面线进行描绘。在所要求保护的范围以内，所述图式并不限于具有多个物理层次的多层结构封装体。通过逐渐过渡在所述光源110与外界环境之间较大的折射率差可减少出射光线的全反射，从而提高出光效率。至于结构的风格，表现为多种不同方式的层叠，可根据特定的需求进行设计。
所述封装体的表面上形成有特定的结构，特别是对于多层结构，任意两层的交界面上也可以形成有特定的结构。所述特定结构可以是微结构或光学导向性组件。所述特定结构的具体实施方式将在下文进行描述。所述封装体的构形可以在形状、等高线、倾斜度或以上之组合的方面进行改变。所述封装体的构形可以是微结构或光导向性组件。所述微结构可以是菲涅尔透镜或衍射光学组件，而所述光学导向性组件可以是倾斜平面或曲面透镜。所述构形可设置在封装体内相邻层级的任意交界面上或者封装体的表面上。所述封装体的表面由中间面、顶面及侧面所定义。所述封装体的中间面为大致朝向所述间隔体130的轮廓。所述封装体的顶面为大致平行于基板140所在的平面。比如，第一封装体111的顶面上设置有第一微结构112，而第二封装体121上设置有第二微结构122。此外，用于改善光接收效率的所述第二封装体121可在结构与构形方面相对于第一封装体有不同的设计。
所述封装体的表面或者任意两层级的交界面上可设置有微结构。比如，所述第一封装体111位于顶部的层级的顶面上设置有如图1A所示的微结构。因为当光线穿过封装体的微结构时会朝预定方向会聚，所以设有微结构的封装体可以加强信号强度。所述微结构可以为折射微结构或衍射微结构。折射微结构遵循折射定律，被设计成可引导光线朝向对象物体表面，从而使得大部分的反射光可以到达光电探测器120。例如，菲涅尔透镜微结构实际上将标准透镜的连续表面划分为一组厚度显着减少的表面。衍射微结构重新分配了在投射面上的正在传播的光波能量。比如，衍射光学组件微结构可被设计为实现特定的光分布图像。所述折射微结构或衍射微结构能够用来将来自光源110的光线朝预设方向聚集，从而提高有效信号。
所述光学传感模组10为紧凑封装模组，包括光源110、光电探测器120、封装体、间隔体130及基板140。本案技术的主要目的之一为通过增强出光效率，导引光传播路径，或者减少杂散光来提高光学传感模组10的性能。所述光学传感模组可以示例为安装在作为基板140的印刷电路板上的一个LED及一个硅光电二极管的简单组合。LED及硅光电二极管中的每一个均独立地由环氧树脂密封包装。在一个用于测量生物组织氧合的实施例中，需要采用红外或红色光波长。因此，一个红光LED及一个红外光LED可被安装在同一个光学传感模组10上。在其他实施例中，单个LED用来发射光谱上红色区域及红外区域的光。在下文描述的实施例中，以一个光源110及一个光电探测器120为例。而在本发明保护范围内的其他实施情况中，光源110及光电探测器120的数量及排布都可以进行改变。
如图1A所示，图中展现的是所述光学传感模组10的一般结构的横剖面。所述光传感模组10包括光源110、光电探测器120及设置在所述光源110及光电探测器120之间的间隔体130。所述光源110、光电探测器120、第一封装体111、第二封装体121及间隔体130中的每一个都设置在一基板140上。所述第一封装体111覆盖光源110。所述第二封装体121覆盖光电探测器120。所述第一封装体111、第二封装体121及间隔体130之间分别具有一预定距离。在图1B中，所述第一封装体111的中间面310可包括一与基板140之间成倾斜角度315的倾斜面。在一实施例中，当所述间隔体130为0.6厘米高而且所述第一封装体111与间隔体130的高度差不多一样时，所述倾斜角度315为40度。
在一实施例中，如图2A-5C所示，所述光源110为两个密封在第一封装体111内的独立的LED。所述光电探测器120可以是密封在第二封装体121内的光电二极管。另外，所述间隔体130位于所述LED与光电二极管之间。所述光学传感模组10可包括延伸环绕所述封装体的封装壁131以减少外界环境杂散光的影响。所述第一封装体111及第二封装体121的表面上均设置有特定的结构以增强信噪比。为了方便说明，所述中间面310为朝向位于光源110与光电探测器120之间的间隔体130的表面。所述侧面为朝向相反一侧的表面。所述顶面为与基板140所在平面大致平行的表面。所述第一封装体111的中间面130可包括一倾斜面或一曲面透镜或以上两者的组合。所述倾斜面在封装体表面与基板所在平面之间形成一倾斜角度315。所述倾斜角度315的范围可以为大致20度至90度。因此，由光源110所发出的光线更少能照射到间隔体130上以避免光线直接从光源110泄露至光电探测器120。
如图2A所示，所述光源110密封在第一封装体111内，而所述第一封装体111的顶面上形成有微结构112。再者，所述光电探测器120密封在第二封装体121内，而所述第二封装体121的顶面上形成有微结构122。在横剖结构示意图2B中及横剖结构的斜向视角图2C中，所述第一封装体111及第二封装体121均被分别构造成单层梯形结构。所述第一封装体111及第二封装体121各自的中间面与侧面之间形成一角度。可以理解的是，所述第二封装体121的形状及材料可以与所述第一封装体111的形状及材料不同，以满足不同特定应用下对光接收效率的要求。
如图3A所示，所述光源110密封在第一封装体111内，而所述第一封装体111的顶面上形成有微结构112。再者，所述光电探测器120密封在第二封装体121内，而所述第二封装体121的顶面上形成有微结构122。在横剖结构示意图3B中及横剖结构的斜向视角图3C中，所述第一封装体111及第二封装体121均被分别构造成单层梯形结构。所述第一封装体111及第二封装体121各自的中间面与侧面之间形成一特定倾斜角度315。此外，所述第一封装体111的中间面310的倾斜角度更大，以使得由中间面310出射的光大部分可以通过中间面310的顶部射出。在至少一个实施例中，所述第二封装体121的形状及材料可以与所述第一封装体111的形状及材料不同。倾斜面或曲面透镜的倾斜角度可以大于或小于所述第二封装体121的中间面的倾斜角度。
如图4A所示，所述光源110密封在第一封装体111内，而所述第一封装体111的顶面上形成有微结构112。再者，所述光电探测器120密封在第二封装体121内，而所述第二封装体121的顶面上形成有微结构122。在横剖结构示意图4B中及横剖结构的斜向视角图4C中，所述第一封装体111及第二封装体121均被分别构造成单层梯形结构。所述第一封装体111及第二封装体121各自的中间面与侧面之间形成一角度。
如图5A所示，所述光源110密封在第一封装体111内，而所述第一封装体111的顶面上形成有微结构112。再者，所述光电探测器120密封在第二封装体121内，而所述第二封装体121的顶面上形成有微结构122。在横剖结构示意图5B中及横剖结构的斜向视角图5C中，所述第一封装体111及第二封装体121均被分别构造成具有弯曲中间面的单层梯形结构。所述第一封装体111及第二封装体121的侧面具有一倾斜角度。特别地，所述第一封装体111及第二封装体121的中间面为弯曲中间面，从而使得从中间面射出的光朝向中间面的顶部增强而且更多的反射光由第二封装体121中间面的顶部接收。在至少一个实施例中，所述第二封装体121的形状及材料可以与所述第一封装体111的形状及材料不同。第一封装体111的中间面的倾斜角度可以与第二封装体121的中间面的倾斜角度不同。此外，当第二封装体121的中间面为曲面透镜时，所述光学传感模组的第一封装体111的中间面上可以有一倾斜平面。
如图6A所示的实施例中，所述光学传感模组10可以通过封装体的顶面与对象物体表面190接触的方式直接应用于对象物体表面190上。所述对象物体表面190可以是生物组织的表面，比如：皮肤或粘膜。在图6A及6C中，所述对象物体表面190尽可能多地与封装体的顶面接触以达到更好的信噪比。在横剖面图6B中，所述对象物体表面190直接与封装体的顶面接触。
在一实施例中，如图7A-11D所示，所述光源110可包括两个密封在第一封装体111内的LED，而所述光电探测器120可以是密封在第二封装体121内的光电二极管。所述封装体的顶面均被设置成微结构。所述光学传感模组10进一步包括一设置在第一封装体111及第二封装体121上的顶盖150。在实际应用中，所述顶盖150可以设置在封装体与对象物体表面190之间。所述顶盖150作为对象物体表面190，比如：生物组织表面或皮肤表面，与光学传感模组10之间的接触界面可增加光学传感模组10的使用年限及检测的一致性。所述顶盖150提供了一个与对象物体表面之间的接触表面使得光传播路径避开了水或灰尘。所述顶盖150可以集成为光学传感模组的一部分或者可以是光学传感装置的外壳的一部分。如图7A及7C所示，所述光学传感模组10可以进一步包括在第一封装体111及第二封装体121上的顶盖150。另外，如图7B所示，所述顶盖150与封装体的顶面之间可以有微小的间隙以减少光线从顶盖150处泄露。
在一如图8A所示的实施例中，所述光学传感模组10包括顶盖150。另外，所述顶盖150的内表面及外表面上可覆上薄膜151。所述薄膜151可以是抗反射薄膜，比如：折射率匹配膜或干涉薄膜，或者防刮薄膜，比如：聚对苯二甲酸乙二醇酯或硬硅覆层。如图8B所示，所述顶盖150的外表面上被覆盖了一层防刮薄膜151，顶盖150的内表面上被覆盖了一层抗反射薄膜151。在至少一实施例中，顶盖150的两个表面上均可以覆盖相同类型的薄膜151或者其中一个表面上没有覆盖薄膜。可以理解的是，所述顶盖150可覆有一滤光薄膜以滤除不需要波段内的光线。
在一实施例中，所述光学传感模组10可以包括覆盖所述封装体的薄膜160。所述光学传感模组10的信噪比可以借助薄膜技术进一步提高。所述薄膜160可以是抗反射膜或者滤光薄膜。所述抗反射膜可以是指数匹配膜，比如：瑞利薄膜，或者干涉薄膜以通过减少在封装体与外界环境的交界面上的菲涅尔反射而提高出光效率。所述滤光薄膜可以是长波通滤波薄膜、短波通滤波薄膜或带通滤波薄膜以缩窄出射光线的半峰宽(Full Width atHalf Maximum,FWHM)或者滤除不需要波长段的噪音。所述光学传感模组10可以进一步包括覆盖在第一封装体和/或第二封装体121上的薄膜160。
如图9A所示，所述第一封装体111及第二封装体121上均覆有薄膜160。在图9B的实施例中，所述第一封装体111上的薄膜160为抗反射膜。在图9C的实施例中，所述第二封装体121上的薄膜为带通滤波膜。所述抗反射膜提高了光出射效率。所述带通滤波膜减少噪音。在至少一个实施例中，所述第一封装体111的薄膜160为带通滤波膜，所述第二封装体121的薄膜为抗反射膜，从而使得发射光线的半峰宽具有一个较窄的截止波长，而所述光电二极管在一特定的波长范围内检测经过滤波后的信号。在荧光检测的实施例中，长波通滤波薄膜可应用于第二封装体121上以获取较精确的荧光信号，避免激发光线。同样地，所述光学传感模组10可包括如图10A中的顶盖150。如图10B及10C，所述薄膜160覆盖第一封装体111及第二封装体121。此外，如图11A所示，所述光学传感模组10可进一步包括覆有薄膜151的顶盖150及覆盖在封装体上的薄膜160。如图11B所示，所述顶盖150外表面上的薄膜151可以是抗反射膜，而所述顶盖150内表面上的薄膜151可以是抗反射膜。如图11C所示，所述第一封装体111上的薄膜160可以为抗反射膜。如图11D所示，所述第二封装体121上的薄膜160可以为带通滤波薄膜。
如图12A-15C所示，所述光学传感模组10内的光源110及光电探测器120可被排布成二维图案以减少信噪比。一般来说，所述光源110可以是一系列被封装在中央区域的具有不同波长的多个发光体。所述光电探测器120可以是围绕所述光源110的单一整体或者是多个环绕中心光源110分布的多个光电探测器120。如图12A所示，位于中心的光源110被第一封装体111所覆盖。每一个光电探测器120被第二封装体121所覆盖。如横剖示意图12B及横剖面的斜向视图12C所示，所述光电探测器120位于光源110的一侧。所述非透光的间隔体130将光电探测器120与光源110分隔开来。此外，所述第一封装体110的顶面上形成有微结构112。所述微结构112可以引导出射光朝外射出，从而使得更多的反射光线可以抵达周围的光电探测器120。同样地，所述第二封装体121的顶面也形成有微结构122以提高光接收效率。所述第二封装体121的微结构122与所述第一封装体11的微结构112具有不同的设计以提高信噪比。在至少一个实施例中，所述封装体的构造，比如微结构、覆盖封装体的表面薄膜160及图7A-11D中所提及的顶盖150可以应用于图12A-15C中所描述的二维图案的光学传感模组10中。
在一实施例中，如图13A所示，所述光源110为封装在第一封装体111内的两个独立的LED，而所述光电探测器120可以是封装在第二封装体121内的单一圆环形光电二极管。此外，一圆环形的间隔体130设置在所述光电二极管与LED之间以减少从光源110至光电探测器120的直接光泄露。第二圆环形间隔体130环绕第二封装体121设置以减少外界环境的杂散光。
如图13A所示，所述光学传感模组10可以为环绕中心光源110的单一环形光电二极管。所述中心光源110可包括发射不同波长光线的两个LED。这两个LED均被第一封装体111所覆盖。所述光电探测器120可以是单个环绕所述中心光源110的圆环形硅光电二极管。所述圆环形的光电二极管被圆环形的第二封装体121所覆盖。所述第一封装体111的顶面上设置有第一微结构112。所述第一微结构112可以是同心环形图案。此外，所述第二封装体121的顶面上设置有第二微结构122。所述第二微结构122可以是同心环形图案。在横剖示意图13B及横剖面的斜向视图13C，所述第一封装体111及第二封装体121分别被独立地构造成具有较窄的顶部的梯形封装体。所述第一封装体及第二封装体的排布可以是反射式对称图案，比如线条形、椭圆形、六边形、或者多边形。由于光电探测器120位于光源110的旁边，所有其他图案都可在一定程度上起到提高信噪比的作用。在至少一个实施例中，所述第二封装体121在构造、微结构、材料等方面均可不同于第一封装体111，以满足特定应用中对光接收效率的不同需求。比如，所述第二封装体121为顶部具有微结构的多层级构造。
如图14A所示，在一实施例中，所述光源110为密封在第一封装体111内的两个独立的LED。所述光电探测器120可以为一组相互分离的光电二极管，分别密封在第二封装体121内。另外，一间隔体130围绕所述LED设置以减少直接串扰。每一个光电二极管可围绕配置第二封装体121以减少直接串扰及外界环境光的影响。
如图14A所示，所述光学传感模组10可示例为多个环绕中心光源110的多个光电二极管。所述中心光源110可包括两个发射不同波长的LED，所述LED被第一封装体111所覆盖。所述光电探测器120可为一组围绕中心光源110设置的方形光电二极管。每个光电二极管被所述第二封装他121所覆盖。同样地，六边形的间隔体130围绕LED设置以减少直接的光泄露。光电二极管可包括围绕第二封装体121的周边封装墙131以减少外界环境光的影响。在横剖结构示意图14B及其斜向视图14C中，所述第一封装体111及第二封装体121均被独立构造成具有较窄顶部的梯形封装体。所述第一封装体111的顶面为设置有微结构112。在本实施例中，所述微结构112为同心圆图案。此外，所述第二封装体121的顶面上设置有微结构122。在本实施例中，所述微结构122为同心圆图案。虽然图中所示的光电探测器120的形状为六边形，然其形状还可以包括其他多边形图案，比如三角形、五边形、或者八边形。由于光电探测器120设置在光源110旁边，所有这些其他的图案形状都可在一定程度上起到提高信噪比的作用。在至少一个实施例中，所述第二封装体121在构造、微结构、材料等方面均可不同于第一封装体111，以满足特定应用中对光接收效率的不同需求。
如图15A所示，所述光学传感模组10可示例为多个环绕中心光源110的多个光电二极管。所述中心光源110可包括两个发射不同波长的LED，所述LED被第一封装体111所覆盖。所述光电探测器120可为一组围绕中心光源110设置的方形光电二极管。每个光电二极管被所述第二封装体121所覆盖。再者，方形的间隔体130围绕光源110设置。所述光电探测器120可包括围绕第二封装体121的周边封装墙131以减少外界环境光的影响。在横剖结构示意图15B及其斜向视图15C中，所述第一封装体111及第二封装体121均被独立构造成具有较窄顶部的梯形封装体。所述第一封装体111的顶面为设置有微结构112。在本实施例中，所述微结构112为同心圆图案。此外，所述第二封装体121的顶面上设置有微结构122。在本实施例中，所述微结构122为同心圆图案。在本发明所公开的范围内，所述光电传感模组10的排布图案可以为其他多边形图案，比如三角形、五边形、或者八边形。由于光电探测器120设置在光源110旁边，所有这些其他的图案形状都可在一定程度上起到提高信噪比的作用。在至少一个实施例中，所述第二封装体121在构造、微结构、材料等方面均可不同于第一封装体111。
在本发明申请的实施例中，所述光学传感模组10可采用具有多个折射率层级的封装体111来覆盖光源110以提高光出射率或采用具有多个折射率层级的封装体111来覆盖光电探测器120以提高反射光的接收效率。因为出射光由光源110向外逐层通过封装体111时所发生的全内反射被减少，所以所述光学传感模组10的信号得到加强。例如，所述形成在基板140上覆盖光源110的第一封装体111包括多个折射率层级。多个折射率层级可通过堆叠多个具有不同折射率的物理层级而构成或者可以是具有梯度折射率的单一整体。所述第一封装体111中每一层级的折射率由底层向顶层逐层较少。如图16A中所示，第一封装体111包括多个层级，图示为两个层级，其中每个层级由可让光源110的出射光通过的材料所形成。例如，第一封装体111中直接覆盖光源110的底层的折射率n1大于与底层的顶部相邻的第一封装体11中顶层的折射率n2。相较于现有的只有一个折射率层的覆盖光源110的封装体，所述第一封装体111相邻层减少的折射率逐渐过渡了光源110与外界环境之间巨大的折射率差值。一般而言，光电换能器的折射率大于3，而外界空气的折射率大概为1。第一封装体111中相邻层交界面处的临界角θc，通过公式θc＝arc sin(n2/n1)算得，相较于裸露的光源110或仅有单一层级封装体覆盖的光源110明显地减少。同样地，在第一封装体111的顶层与环绕光学传感模组10的外界介质之间的交界面上的临界角被扩大。光源110的出射光在依次经过折射率递减的第一封装体111的多个层级时发生全内反射的数量会变少。因此，通过利用多折射率层级的第一封装体111提高光出射率，所述光传感模组10的信号得以增强。类似地，具有多个折射率层级的第二封装体121也可形成在光电探测器120上以提高来自光源110的信号光线及对象物体表面的反射光线的光接收率。
所述光传感模组10的大体结构如横剖结构示意图16A所示。所述光学传感模组10包括LED、硅光电二极管及位于LED与光电探测器120之间的间隔体130，以上所述组件都安装在基板140上。第一封装体111覆盖所述光源110。第二封装体121覆盖所述光电探测器120。在具体实施例中，所述封装体的结构及布置根据需要可以进行改动。例如，第一封装体111的顶面上设置有微结构112，而第二封装体121上也可以设置微结构122。所述第一封装体111被构造成多个折射率层级的结构，图16A中所示为双层级结构，三层或三层以上的层级结构也是可以实现的。任意两个层级之间的交界面上都可以进行构形，比如微结构112或光学导向性组件113。类似地，所述第二封装体121也可以构造成多层级及设置表面微结构122或者在任意两个层级之间的交界面上的其他构形，比如曲面透镜。此外，为了提高光接收效率的第二封装体121在结构及布置上可拥有与第一封装体111不同的设计。
图16B-16E为多折射率层级的封装体中不同位置的折射率随该位置与基板之间距离变化的函数关系图。在图16B中，连接xo与x1之间的虚线表示测量折射率的位置。其中，x0表示封装体中最接近中心的其中一个位置，x1表示封装体中最接近外部的其中一个位置。图16C-16E表示了折射率随测量位置与基板之间距离变化的函数。在图16C所示的一个实施例中，所述多折射率层级封装体的折射率呈连续的梯度变化。在图16D的实施例中，所述多折射率层级封装体具有分段的不连续的折射率变化。在图16E的实施例中，所述多折射率层级封装体包括多个折射率呈梯度变化的物理层级。此外，呈梯度变化的折射率可以为随测量位置与基板间距的线性或非线性变化。所述随测量位置与基板之间距离变化的折射率函数可以是单调减少的。另外，非单调变化的折射率随测量位置与基板间距函数也是可以的。
在一实施例中，如图17A-19C所示，所述光源110为密封在第一封装体111内的两个独立的LED，而光电探测器120可以是密封在第二封装体121内的光电二极管。所述第一封装体111和/或第二封装体121可被构造为多折射率层级。所述第一封装体111或第二封装体121的顶面可以形成有微结构112。
如图17A所示，第一封装体111的顶层的顶面上形成有微结构112。所述微结构112示例为一组朝向光电二极管的同心弧形凹槽，而所述光电二极管被密封在没有微结构的第二封装体内。在横剖结构示意图17B及其斜向视图17C中，所述第一封装体111及第二封装体121分别独立构造成巴别塔式的多层级堆叠，所述第一封装体111的远离被封装对象的顶部尺寸比靠近被封装对象的中心部更窄。同样地，所述多折射率层级的折射率按照从最靠近被封装对象的底层朝向远离被封装对象的顶层减少的方式进行排布。
如图18A所示，所述第一封装体111最上面层级的顶面上设置有微结构112。所述微结构112示例为一组朝向光电二极管的同心弧形凹槽，所述光电二极管被密封在没有微结构的第二封装体121内。在横剖面结构示意图18B及其斜向视图18C中，所述第一封装体111及第二封装体121分别独立地被构造成具有多个折射率层级的煎饼堆叠式结构，所述煎饼堆叠式结构使得该多层封装体的外围侧面紧贴间隔体130及封装墙131。所述多折射率层级的不同折射率按照从底层至高层逐渐减少的方式进行排布。
如图19A所示，所述第一封装体111最上面层级的顶面上设置有微结构112。所述微结构112示例为一组朝向光电二极管的同心弧形凹槽，所述光电二极管被密封在没有微结构的第二封装体121内。在横剖面结构示意图19B及其斜向视图19C中，所述第一封装体111及第二封装体121分别独立地被构造成具有多个折射率层级的杯子层叠式结构，所述杯子层叠式结构使得该多层封装体的较高层环抱住紧邻的较低层。所述多折射率层级的不同折射率按照从底层至高层逐渐减少的方式进行排布。
可以理解的是，所述第二封装体121可被构造成单一整体，即单一层级，或者以不同层叠方式形成的多层级堆。所述第二封装体121的结构及材料可不同于第一封装体的结构及材料以满足对特定应用的光接收效率的需求。
在一实施例中，如图20A-22C所示，所述光源110为封装在第一封装体111内的两个独立的LED，所述光电探测器120可以是封装在第二封装体121内的光电二极管。所述第一封装体111被构造成多折射率层级。所述第一封装体111的顶面上设置有微结构112。同样地，所述第二封装体121被构造成多折射率层级，所述第二封装体121的顶面上设置有微结构122。
如图20A所示，所述第一封装体111的顶面上设置有微结构112。所述微结构112示例为一组朝向光电二极管的同心弧形凹槽。此外，所述第二封装体121的顶面上设置有微结构122。所述微结构122示例为一组同心圆。在横剖面结构示意图20B及其斜向视图20C中，所述第一封装体111及第二封装体121分别独立地被构造成具有多个折射率层级的巴别塔式结构，而且所述多折射率层级的不同折射率按照从底层至高层逐渐减少的方式进行排布。可以理解的是，所述第二封装体121可被构造成单一整体，即单一层级，或者以不同层叠方式形成的多层级堆。所述第二封装体121的结构及材料可不同于第一封装体的结构及材料以满足对特定应用的光接收效率的需求。
如图21A所示，所述第一封装体111最上面层级的顶面上设置有微结构112。所述微结构112示例为一组朝向光电二极管的同心弧形凹槽。此外，所述第二封装体121的顶面上设置有微结构122，所述微结构122示例为一组同心圆。在横剖面结构示意图21B及其斜向视图21C中，所述第一封装体111及第二封装体121分别独立地被构造成具有多个折射率层级的煎饼堆叠式结构，所述煎饼堆叠式结构使得该多层封装体的外围侧面紧贴封装墙131，而且所述多折射率层级的不同折射率按照从底层至高层逐渐减少的方式进行排布。
如图22A所示，所述第一封装体111最上面层级的顶面上设置有微结构112。所述微结构112示例为一组朝向光电二极管的同心弧形凹槽。此外，所述第二封装体121的顶面上设置有微结构122，所述微结构122示例为一组同心圆。在横剖面结构示意图22B及其斜向视图22C中，所述第一封装体111及第二封装体121分别独立地被构造成具有多个折射率层级的杯子层叠式结构，而且所述多折射率层级的不同折射率按照从底层至高层逐渐减少的方式进行排布。
在一实施例中，如图23A-25C所示，所述光源110为密封在第一封装体111内的两个独立的LED，而光电探测器120可以是密封在第二封装体121内的光电二极管。所述第一封装体111被构造为多折射率层级，而且所述第一封装体111的任意两个相邻层级的交界面上设置有微结构112。同样地，所述第二封装体121的任意两相邻层级的交界面上可设置有微结构122。
如图23A所示，所述第一封装体111上任意两个相邻层级的交界面上设置有微结构112，而且所述微结构112示例为一组朝向光电二极管的同心弧形凹槽。此外，所述第二封装体121的任意两个相邻层级的交界面上设置有微结构122，而且所述微结构122示例为一组同心圆。在横剖面结构示意图23B及其斜向视图23C中，所述第一封装体111及第二封装体121分别独立构造成巴别塔式的多折射率层级。同样地，所述多折射率层级的折射率按照从最靠近被封装对象的底层朝向远离被封装对象的顶层减少的方式进行排布。
如图24A所示，所述第一封装体111上任意两个相邻层级的交界面上设置有微结构112，而且所述微结构112示例为一组朝向光电二极管的同心弧形凹槽。此外，所述第二封装体121的任意两个相邻层级的交界面上设置有微结构122，而且所述微结构122示例为一组同心圆。在横剖面结构示意图24B及其斜向视图24C中，所述第一封装体111及第二封装体121分别独立构造成煎饼堆叠式结构。
如图25A所示，所述第一封装体111上任意两个相邻层级的交界面上设置有微结构112，而且所述微结构112示例为一组朝向光电二极管的同心弧形凹槽。此外，所述第二封装体121的任意两个相邻层级的交界面上设置有微结构122，而且所述微结构122示例为一组同心圆。在横剖面结构示意图25B及其斜向视图25C中，所述第一封装体111及第二封装体121分别独立构造成杯子堆叠式结构。同样地，所述多折射率层级的不同折射率按照从底层至高层逐渐减少的方式进行排布。
在一实施例中，如图26A-28C所示，所述光源110为封装在第一封装体111内的两个独立的LED，所述光电探测器120可以是封装在第二封装体121内的光电二极管。所述第一封装体111被构造成多折射率层级，并且所述第一封装体111任意两个相邻层级的多个交界面上设置有微结构112。
如图26A所示，所述第一封装体111具有多个微结构112，该多个微结构112形成在最顶层级的顶面上及内部相邻层级的交界面上。所述微结构112示例为一组朝向光电探测器120的同心弧形凹槽，而所述第二封装体121可被构造成没有微结构的多折射率层级。在横剖面结构示意图26B及其斜向视图26C中，所述第一封装体111及第二封装体121分别独立构造成巴别塔式的多折射率层级结构。同样地，所述多折射率层级的不同折射率按照从底层至高层逐渐减少的方式进行排布。可以理解的是，所述第二封装体121也可在顶面和/或层级之间的交界面上形成微结构。
如图27A所示，所述第一封装体111具有多个微结构112，该多个微结构112形成在最顶层级的顶面上及内部相邻层级的交界面上。所述微结构112示例为一组朝向光电探测器120的同心弧形凹槽，而所述第二封装体121可被构造成没有微结构的多折射率层级。在横剖面结构示意图27B及其斜向视图27C中，所述第一封装体111及第二封装体121分别独立构造成煎饼堆叠式结构的多层级堆，所述煎饼堆叠式结构使得该多层封装体的外围侧面紧贴封装墙131。同样地，所述多折射率层级的不同折射率按照从底层至高层逐渐减少的方式进行排布。
如图28A所示，所述第一封装体111具有多个微结构112，该多个微结构112形成在最顶层级的顶面上及内部相邻层级的交界面上。所述微结构112示例为一组朝向光电探测器120的同心弧形凹槽，而所述第二封装体121可被构造成没有微结构的多折射率层级。在横剖面结构示意图28B及其斜向视图28C中，所述第一封装体111及第二封装体121分别独立构造成杯子层叠式结构的多层级堆，所述杯子层叠式结构使得该多层封装体的较高层环抱住紧邻的较低层。同样地，所述多折射率层级的不同折射率按照从底层至高层逐渐减少的方式进行排布。
在一实施例中，所述光源110为封装在第一封装体111内的两个独立的LED，所述光电探测器120可以是封装在第二封装体121内的光电二极管。所述第一封装体111被构造成多折射率层级，其中在至少一任意两相邻层级的交界面上形成有微结构112。同样地，所述第二封装体121被构造成多折射率层级，其中在至少一任意两相邻层级的交界面上形成有微结构122。
如图29A所示，所述第一封装体111具有多个微结构112，该多个微结构112形成在最顶层级的顶面上及内部相邻层级的交界面上。所述微结构112示例为一组朝向光电探测器120的同心弧形凹槽。另外，光电二极管被密封在第二封装体121内，所述第二封装体121的顶面及内部相邻层级的交界面上形成有微结构122。每一处微结构122示例为一组同心圆。在横剖面结构示意图29B及其斜向视图29C中，所述第一封装体111及第二封装体121分别独立构造成巴别塔式的多层级堆叠。同样地，所述多折射率层级的不同折射率按照从底层至高层逐渐减少的方式进行排布。
如图30A所示，所述第一封装体111具有多个微结构112，该多个微结构112形成在最顶层级的顶面上及内部相邻层级的交界面上。所述微结构112示例为一组朝向光电探测器120的同心弧形凹槽。另外，光电二极管被密封在第二封装体121内，所述第二封装体121的顶面及内部相邻层级的交界面上形成有微结构122。每一处微结构122示例为一组同心圆。在横剖面结构示意图30B及其斜向视图30C中，所述第一封装体111及第二封装体121分别独立构造成具有多折射率层级的煎饼堆叠式结构。
如图31A所示，所述第一封装体111具有多个微结构112，该多个微结构112形成在最顶层级的顶面上及内部相邻层级的交界面上。所述微结构112示例为一组朝向光电探测器120的同心弧形凹槽。另外，光电二极管被密封在第二封装体121内，所述第二封装体121的顶面及内部相邻层级的交界面上形成有微结构122。每一处微结构122示例为一组同心圆。在横剖面结构示意图31B及其斜向视图31C中，所述第一封装体111及第二封装体121分别独立构造成具有多折射率层级的杯子堆叠式结构。
光学导向性组件为具有与相邻物体不同折射率的几何光学组件。当入射光以一非垂直入射的入射角度穿过折射界面时会发生光的折射现象。所述折射界面可以是一平面或曲面，所述入射角度及平面的弯曲度被设计成满足折射要求。在一实施例中，所述光学导向性组件可以是用于引导光路的曲面透镜，以使得信噪比得到进一步的改善。所述曲面透镜可以用在具有多折射率层级的封装体内的任意相邻层级的交界面上或者用于封装体的顶面上。所述曲面透镜的形状可以是抛物面、球面、或者多边形平面。
如图32A所示，所述第一封装体111具有形成在最顶层级的顶面上的微结构112。此外，所述具有多折射率层级的第一封装体111的一交界面处可设置为曲面透镜113。所述微结构112示例为一组朝向光电二极管的同心弧形凹槽。所述曲面透镜113示例为朝向光源110凹陷的抛物面，而光电二极管被密封在没有微结构的第二封装体121内。在横剖面结构示意图32B及其斜向视图32C中，所述第一封装体111被构造成具有多折射率层级的杯子堆叠式结构。所述第二封装体121被构造成具有多折射率层级的巴别塔式结构。同样地，所述多层级结构的折射率按照从中心层向外层逐渐减少的方式进行排布。
如图33A所示，所述第一封装体111具有形成在最顶层级的顶面上的微结构112。此外，所述具有多折射率层级的第一封装体111的一交界面处可设置为曲面透镜113。所述微结构112示例为一组朝向光电二极管的同心弧形凹槽。所述曲面透镜113示例为朝向光源110凹陷的抛物面，而光电二极管被密封在没有微结构的第二封装体121内。在横剖面结构示意图33B及其斜向视图33C中，所述第一封装体111被构造成具有多折射率层级的杯子堆叠式结构。所述第二封装体121被构造成具有多折射率层级的煎饼堆叠式结构。同样地，所述多层级结构的折射率按照从中心层向外层逐渐减少的方式进行排布。
如图34A所示，所述第一封装体111具有形成在最顶层级的顶面上的微结构112。此外，所述具有多折射率层级的第一封装体111的一交界面处可设置为曲面透镜113。所述微结构112示例为一组朝向光电二极管的同心弧形凹槽。所述曲面透镜113示例为朝向光源110凹陷的抛物面，而光电二极管被密封在没有微结构的第二封装体121内。在横剖面结构示意图34B及其斜向视图34C中，所述第一封装体111及第二封装体121均被构造成具有多折射率层级的杯子堆叠式结构。同样地，所述多层级结构的折射率按照从中心层向外层逐渐减少的方式进行排布。
如图35A所示，光电二极管被密封在具有微结构122的第二封装体121内，所述微结构122形成在最上面层级的顶面上。所述微结构122示例为一组同心圆。在横剖面结构示意图35B及其斜向视图35C中，所述第二封装体121为构造成具有多个折射率层级的巴别塔式结构。
如图36A所示，光电二极管被密封在具有微结构122的第二封装体121内，所述微结构122形成在最上面层级的顶面上。所述微结构122示例为一组同心圆。在横剖面结构示意图36B及其斜向视图36C中，所述第二封装体121为构造成具有多个折射率层级的煎饼堆叠式结构。
如图37A所示，光电二极管被密封在具有微结构122的第二封装体121内，所述微结构122形成在最上面层级的顶面上。所述微结构122示例为一组同心圆。在横剖面结构示意图37B及其斜向视图37C中，所述第二封装体121为构造成具有多个折射率层级的杯子层叠式结构。
在一如图38A所示的实施例中，光电二极管被密封在具有微结构122的第二封装体121内，所述微结构122形成在最上面层级的顶面上。进一步地，两个曲面透镜124形成在所述第二封装体121内。在横剖面结构示意图38B及其斜向视图38C中，所述第一封装体111被构造成具有多个折射率层级的杯子层叠式结构。所述第二封装体121为构造成呈巴别塔式结构的多个层级堆，其中所述曲面透镜124示例为朝向光电二极管凹陷的抛物面。
在一实施例中，所述光学传感模组10可进一步包括设置在第一封装体111或第二封装体121顶端的顶盖150。所述顶盖150作为与对象物体表面，比如生物组织表面或皮肤表面，之间的接触界面以延长所述光电传感模组10的使用年限以及增加测量的一致性。如图39A所示，所述光学传感模组10也可包括在第一封装体111及第二封装体121前的顶盖150。所述顶盖150设置于封装体与对象物体表面190之间。在轻柔的按压之下，所述顶盖150可增加与对象物体表面190的接触面积以获得更好的光学反射及散射。所述顶盖150可与光学传感模组10的一部分集成为一体或者可以是光学传感装置外壳的一部分。
此外，所述顶盖150的内表面或外表面上可以覆有薄膜151。所述薄膜151可以是抗反射薄膜或防刮薄膜。如图39B所示，所述顶盖150外表面上的薄膜151示例为防刮薄膜，比如：聚对苯二甲酸乙二醇酯或硬硅覆层，其中一内表面上的薄膜151示例为抗反射薄膜。
所述光学传感模组10也可以包括覆盖所述封装体的薄膜151。所述光学传感模组10的信噪比可以借助薄膜技术进一步提高。所述薄膜160可以是抗反射膜或者滤光薄膜。所述抗反射膜可以是指数匹配膜，比如：瑞利薄膜，或者干涉薄膜以通过减少在不同折射率的交界面上的菲涅尔反射而提高出光效率。所述滤光薄膜可以是长波通滤波薄膜、短波通滤波薄膜或带通滤波薄膜以缩窄出射光线的半峰宽(Full Width at Half Maximum,FWHM)或者滤除不需要波长段的噪音。除此之外，所述防刮薄膜可用于避免因刮痕而导致的信号损失。
如图40A所示，第一封装体111及第二封装体121的表面上都覆有薄膜160。所述第一封装体111上的薄膜160示例为图40B中的抗反射膜。所述第二封装体121上的薄膜160实例为图40C中的带通滤波薄膜。所述抗反射薄膜提高了光出射效率。所述带通滤波薄膜减少噪音。可以理解的是，所述第一封装体111上的薄膜160示例为带通滤波薄膜。所述第二封装体121上的薄膜160示例为抗反射薄膜，从而出射光的半峰宽具有一个较窄的截止波长，而所述光电二极管在一特定的波长范围内检测经过滤波后的信号。在荧光检测的实施例中，长波通滤波薄膜可应用于第二封装体121上以获取较精确的荧光信号，避免激发光线。同样地，所述光学传感模组10可进一步包括设置在第一封装体111及第二封装体121前的顶盖150。如图41A-41C所示，所述光学传感模组10进一步包括顶盖150及覆盖封装体的薄膜160。
进一步的，如图42A所示，所述光学传感模组10可进一步包括覆有薄膜151的顶盖150及覆盖封装体的薄膜160。如图42B所示，所述顶盖150外表面上的薄膜151示例为防刮薄膜，比如：聚对苯二甲酸乙二醇酯或硬硅覆层。所述顶盖150内表面上的薄膜151示例为抗反射薄膜。如图42C所示，所述第一封装体111的薄膜示例为抗反射薄膜。如图42D所示，所述第二封装体121的薄膜示例为带通滤波薄膜。
所述光学传感模组10可包括在第一封装体111的中间面上或在第二封装体121的中间面310上的光学导向性组件。所述光学导向性组件可包括倾斜平面、曲面透镜或以上两者的组合。所述倾斜平面在封装体表面与基板平面之间形成一倾斜角度315。所述倾斜角度315的范围可以为大致20度至90度。此外，所述曲面透镜可用于与倾斜平面相结合。在一实施例中，当所述间隔体130的高度为0.4毫米时，所述曲面透镜的曲率半径可为0.6毫米，所述倾斜角度315大致为40度。因此，来自光源110的出射光更多地在光源110与光电探测器120之间的间隔体130的上方会聚，更少地被间隔体130阻挡。
如图43A所示，所述第一封装体111的中间面310被用作光学导向性组件113。所述光学导向性组件113示例为倾斜平面。所述光电探测器120被密封在具有大角度倾斜平面的第二封装体121内。在横剖面结构示意图43B及其斜向视图43C中，所述第一封装体111及第二封装体121被独立构造成梯形结构。所述第一封装体111的中间面310的光学导向性组件113的倾斜角度小于第二封装体121的中间面310上的光学导向性组件123的倾斜角度。
如图44A所示，所述第一封装体111的中间面310应用表面被用作光学导向性组件113。所述光学导向性组件113示例为倾斜平面。此外，所述光电探测器120被密封在用倾斜平面作为光学导向性组件123的第二封装体121内。在横剖面结构示意图44B及其斜向视图44C中，所述第一封装体111及第二封装体121被独立构造成梯形结构。所述第一封装体111及第二封装体121包括具有倾斜角度的倾斜平面以分别提高出光效率及光接收效率。所述光学导向性组件113的倾斜角度可不同于所述光学导向性组件123的倾斜角度。
如图45A-45C所示，所述第一封装体111的中间面310被用作光学导向性组件113。所述光学导向性组件113示例为弯曲面。此外，所述光电探测器120被密封具有光学导向性组件123的第二封装体121内。所述光学导向性组件123示例为弯曲面。在横剖面结构示意图45B及其斜向视图45C中，所述第一封装体111及第二封装体121均分别在中间面310上配置弯曲面。可以理解的是，所述第二封装体121的光学导向性组件可不同于所述第一封装体111的光学导向性组件。例如，第一封装体111可包括在中间面310上的弯曲面，而所述第二封装体121则包括倾斜平面。
图46A-图48B中所示为使用具有光学导向性组件的光学传感模组10来测量从对象物体表面190发射回来的光线的情景，然本说明书中所描述的其他光学传感模组也适用于此情景。所述对象物体表面190可以为生物组织的表面，比如：皮肤或粘膜。所述光学传感模组10可适用于不同的工作条件，比如粗糙物体表面及光传感模组10与对象物体表面之间的相对运动。在图46A及图46B中，所述光学传感模组10的顶面可以与对象物体表面190直接接触。在图47A及图47B中，所述光学传感模组10的顶部与对象物体表面190之间具有一限定间距但所述光学传感模组10还是可以获取足够有效的信号。在图48A及图48B中，顶盖150可直接贴附在对象物体表面190上，所述光学传感模组10与顶盖150之间保持一限定间距。所述顶盖150可以是光学传感模组10的一部分或与光学传感配件或光学传感装置的外壳集成为一体。所述顶盖150的材料可以选自有机玻璃，比如：PMMA或PC，或者非有机玻璃，比如：硅酸盐玻璃或者硅酮化合物。此外，顶盖150的内表面或外表面上可覆有薄膜。所述薄膜可以是抗反射薄膜，比如：折射率匹配膜或干涉薄膜，或者防刮薄膜，比如：聚对苯二甲酸乙二醇酯或硬硅覆层。进一步地，所述光学传感模组10还可以包括覆盖封装体的薄膜。所述光学传感模组10的信噪比可以借助薄膜技术进一步提高。所述薄膜可以是抗反射薄膜或滤波薄膜。所述抗反射膜可以是指数匹配膜，比如：瑞利薄膜，或者干涉薄膜以通过减少在封装体与外界环境的交界面上的菲涅尔反射而提高出光效率。所述滤光薄膜可以是长波通滤波薄膜、短波通滤波薄膜或带通滤波薄膜以缩窄出射光线的半峰宽(Full Width at HalfMaximum,FWHM)或者滤除不需要波长段的噪音。
在图49A-49C中，所述顶盖150的内表面上设置有微结构。在图49A中，所述顶盖150包括两个光学透明窗口152。每一个窗口位于第一封装体111或第二封装体121的前方。在图49B及图49C中，所述顶盖150包括设置在光学透明窗口内表面上的两处微结构。
在图50A-图50C中，所述顶盖150在自身表面上设置有曲面透镜。在图50A中，所述顶盖150包括两个半圆形光学透明窗口152。每一个窗口位于第一封装体111或第二封装体121的前方。在图50B及图50C中，所述顶盖150包括设置在光学透明窗口152表面上的两处平凸透镜。
在图51A-51C中，所述顶盖150在外表面上设置有曲面透镜，在内表面上设置有微结构。在图51A中，所述顶盖150包括两个半圆形光学透明窗口152。每一个窗口位于第一封装体111或第二封装体121的前方。在图51B及图51C中，每一个光学透明窗口上有两处平凸透镜。
在图52A-52C中，所述顶盖150在表面上设置有曲面透镜。在图52A中，所述顶盖150包括两个半圆形光学透明窗口。每一个窗口位于第一封装体111或第二封装体121的前方。在图52B及图52C中，与光源110对应的光学透明窗口处设置有平凸透镜，与光电探测器120对应的光学透明窗口处设置有平凹透镜。
在图53A-53C中，所述顶盖150在外表面上设置有曲面透镜，在内表面上设置有微结构。在图53A中，所述顶盖150包括两个光学透明窗口。每一个窗口位于第一封装体111或第二封装体121的前方。在图53B及图53C中，与光源110对应的光学透明窗口152处设置有平凸透镜，与光电探测器120对应的光学透明窗口152处设置有平凹透镜。所述平凸透镜及平凹透镜均进一步包括设置在顶盖150内表面上的微结构。
在图54A-54C中，所述顶盖150在表面上设置有曲面透镜。在图54A中，所述顶盖150包括两个光学透明窗口152。每一个窗口位于第一封装体111或第二封装体121的前方。在图54B及图54C中，每一个光学透明窗口包括曲面透镜。
光学传感模组10可进一步包括微控制器、模拟信号前端芯片、运算放大器、光源驱动器或以上之组合。所述微控制器是一用于触发光源110发射光线或处理由光电探测器所接收到的信号的集成电路芯片。所述模拟信号前端芯片用于接收用于接收并处理来自光电探测器的模拟信号。所述微处理器及模拟信号前端芯片可包括模拟信号转换为数字信号的功能。所述运算放大器用于接收并处理来自光电探测器的模拟信号。所述运算放大器可放大至少一部分的信号以实现信号增强、滤波或噪音消减。所述光源驱动器用于控制电流通过光源，比如LED或激光二极管。所述模拟信号前端芯片、微控制器、运算放大器、光源驱动器、光源及光电探测器可通过基板上的印刷电路进行连接。
在图55A-图55C中，所述光学传感模组包括位于封装体与基板之间的模拟信号前端芯片，以接收来自光电探测器120的信号。所述模拟信号前端芯片可以被集成为基板140的一部分并与光电探测器120电连接。在图56A及图56B中，所述光学传感模组10包括位于封装体旁边，并由封装壁隔离开来的模拟信号前端芯片。
在图57A及图57B中，所述光学传感模组10包括两个光源110、光电探测器120、间隔体130、封装壁131、微控制器142及设置在封装体旁边并由所述封装壁131隔离开的模拟信号前端芯片141。所述微控制器142及模拟信号前端芯片141可相互电连接并与光电探测器120电连接。
在图58A及图58B中，所述光学传感模组10包括一光源110、四个光电探测器120、一间隔体130、一微控制器142及一个模拟信号前端芯片141。所述微控制器芯片142及模拟信号前端141被独立设置于两个第二封装体121之间并在所述间隔体130的旁边。所述模拟信号前端芯片141可与所述光电探测器120电连接。所述微控制器142与所述模拟信号前端芯片141电连接以接收由模拟信号前端芯片141处理后的来自于光电探测器120的信号。在图59A及59B中，所述光学传感模组10包括一光源110、四个光电探测器120、一间隔体130、封装壁131、微处理器142及三个模拟信号前端芯片141。所述微处理器142及三个模拟信号前端芯片141被独立设置于两个第二封装体121之间并在所述间隔体130的旁边。
在图60A及图60B中，所述光学传感模组10包括一光源110、四个光电探测器120、一间隔体130、一封装壁131、一微控制器142、一运算放大器143及一光源驱动器144。所述微控制器芯片142、运算放大器143及光源驱动器144被独立设置于两个第二封装体121之间并在所述间隔体130的旁边。所述光源驱动器144连接至所述光源110以控制发光频率、发光持续时间或发光强度。所述运算放大器可电连接至所述光电探测器120以增强光电流。所述微控制器142与所述运算放大器143以接收由运算放大器143处理过的信号。
所述光学传感模组10可以是一多方向光学传感模组。在一些实施例中，所述多方向光学传感模组为双向光学传感模组5。所述双向光学传感模组5被制造来发射光线并检测来自两个方向的反射光线，并将所接收的发射光线按照比例转换为电流。所述双向光学传感模组5包括光源110、位于光源110上的第一封装体110、两个光电探测器120，以上组件被安装在基板140上。每一个光电探测器120被一第二封装体121覆盖。所述两侧的第二封装体121均被所述第一封装体111覆盖。所述双向光学传感模组5可被制造成单个紧密包装。通过使用两个光电探测器120，所述双向光学传感模组5可以在不同应用场景中检测来自人体不同部位的光线。可以理解的是，所述双向光学传感模组5可采用分开独立的光源110及光电探测器120。所述光源110及光电探测器120根据不同的设计需求分别独立封装并安装在一个或多个印刷电路板上。此外，所述光源110可包括LED阵列或多个LED，而光电探测器120可包括光电二极管阵列或多个光电二极管。
所述封装体的结构突出了分光、第一封装体111的出光设计及第二封装体121的收集光线设计的特点。所述第一封装体111及第二封装体121具有过渡光电组件与外界环境的折射率。此处有两个第二封装体121分别设置在两侧的光源110上。更具体地，所述第一封装体111具有预设的形状以将来自光源110的光线分为两束不同方向的光线并引导该两束光线至待测的对象物体表面。所述第一封装体111密封住光源110并覆盖所述两个密封光电探测器120的第二封装体121。所述第一封装体111可通过折射率差异或预设的弯曲度以利用发射光的全内反射，或者所述第一封装体111可被第一膜层180覆盖以引导出射光线。每一个第二封装体121可形成预定的形状以收集由对象物体发射回来的光线。比如，所述第二封装体121大致呈棱柱形或四分之一球形。进一步地，所述两个第二封装体121可被设计为对称或非对称，同时所述第一封装体111可以为针对特定需求的不同形状。例如，所述第一封装体111的顶面可以是两个在光源110上方相互交叉的倾斜面或者可以是在光源110上方的两个曲面。所覆的层级可设置在封装体的不同表面处以阻挡由光源110直接至光电探测器120的杂散光，或引导光线至对象物体以及收集来自对象物体的光线。所覆的层级可以是金属或反射材料，比如：银或富含氧化钛的化合物，所制成的薄膜。
如图61B所示的实施例，第一封装体111上的接触面191是出射光的开口，第二封装体121上的接触面191是反射光的开口，所述接触面191还用于贴附对象物体，而侧面为横剖结构图中所示的表面及对侧表面。所述封装体至少一部分的接触面上可形成微结构。例如，第一封装体111包括形成在第一封装体111接触面上的微结构112。具有微结构的第一封装体111可增强信号，因为当光通过第一封装体111上的微结构112时，来自光源110的光线被会聚至朝向光电探测器120的预设方向上。
一堵由不透明材料制成，用于阻挡杂散光的间隔体可被设置在封装体的侧面处以通过反射和/或吸收来阻挡由光源射出的具有特定波长光谱的光线，从而减少噪声。
所述双向光学传感模组5为一紧密封装模组，其包括光源110、光电探测器120、第一封装体111、两个第二封装体121及基板140。本技术的主要目的是为了通过封装体的特定形状能够两个方向的反射光信号。这些形状通过增加出光效率、引导光路及减少杂散光也改善了所述双向光学传感模组5的功能。不超出说明书记载范围的其他改动及更多的应用将在下面的实施例中进行描述。安装在作为基板140的印刷电路板上的单个LED及两个硅光电二极管的简单组合可被作为示例。所述LED及硅光电二极管均被独立地采用环氧树脂进行气密封装。在测量生物组织含氧量的实施例中，需要采用波长落在红外或红色区域的光线。因此，一个红色LED及一个红外LED可被安装在同一个双向光学传感模组5上。在本说明书记载范围内的另一实施例中，光源110与光电探测器120的数量及排布可以被改动。
图61A至图69C所示为双向光学传感模组5的一般构造。所述双向光学传感模组5包括两个LED及两个硅光电二极管。所述LED及硅光电二极管均安装在基板140上。所述第一封装体111覆盖所述光源110。所述第二封装体121覆盖所述光电二极管120。在本实施例中，封装体在结构及配置上进行改动。比如，第一封装体111的结构可以为梯形或圆柱形。此外，所述第一封装体111的接触面上设置有第一微结构112，而所述第二封装体121可形成有第二微结构122。
在本发明的实施例中，如图61A至图68D所示，一第二膜层181设置在第二封装体121的顶面上以减少直接由光源110至光电探测器的光泄露并减少环境杂散光的影响。在图61A至图65D中，第一膜层180被设置在第一封装体111的顶面上以限制漏光并增强从接触面出射的光线。第一封装体111及第二封装体121的表面均具有特定形状以增强信噪比。例如，在图61B中，所述第一封装体的顶面上可形成环绕光源110顶部的两个相交的倾斜面111a、111b并形成如图61A所示的相交线111c。在所述示例中，每一倾斜平面大致平行于同一侧第二封装体121的表面所在平面。在一些示例中，所述倾斜面111a、111b可有非对称的形状或尺寸，也可以为圆柱形表面。为了方便展示，所述第一膜层180被设置在第一封装体111的顶面上，而第二膜层181被设置在第二封装体121的顶面上。进一步地，所述第一封装体111具有折射率n1，所述第二封装体121具有折射率n2，其中n1可不同于n2。
所述第一封装体111及两个第二封装体121的表面平面具有预定的倾斜角度或弯曲度。因此，更多的来自LED的发射光线可以射出而更多反射光线可被收集到光电二极管从而增强了有效信号的强度。
如图61A的顶视图中所示，基板140被两条直线划分为三个区域，包括一个围绕LED的长方形区域及位于LED两侧围绕两个光电二极管的两个长方形区域。在图61B的横剖结构示意图及其斜向视图61C中，所述两个第二封装体121示例为三角棱镜形状，水平地分别设置在两个长方形区域以密封两个光电二极管。此外，所述第一封装体111示例为两个并列的梯形棱镜，水平地设置在两个第二封装体121上以密封LED。再者，所述第一封装体111上有第一膜层180。第二封装体121上有第二膜层181。两个第二封装体121被一起成型或其顶面分别被第二膜层181覆盖。所述第一封装体111被形成于所述两个第二封装体121的顶部并在其顶面上覆盖有所述第一膜层180。
如图62A-62B所示，两个第二封装体121示例为三角棱镜形状，对称地分别设置在两个长方形区域以密封两个光电二极管。此外，第一封装体111示例为两个并列的梯形棱镜，相对设置在两个第二封装体121上以密封LED。第一封装体111与第二封装体121上的微结构可以相同或不同(举例而言，可以是如图62C与图62D所示的菲涅尔透镜或绕射光学组件，以增强光出射率及接收率)。举例而言,第一微结构可以是一组同心弧形且其弧形之间距较第二微结构之间距宽。
在图63A的顶视图及图63B的横剖结构示意图中，所述两个第二封装体121示例为三角棱镜形状，水平地分别设置在两个长方形区域以密封两个光电二极管。此外，所述第一封装体111示例为两个非对称的并列梯形棱镜，水平地设置在两个第二封装体121上以密封LED。可以理解的是，所述第二封装体121的构造，比如顶面的夹角，和材料，比如折射率，以及膜层181都可以互不相同。在图63B中，光源110与接触面之间的距离d1短于光源110与相反侧接触面之间的距离d2。第一封装体111顶面的两个倾斜角θ1及θ2可以不同。例如，非对称的第二封装体121对应着非对称的第一封装体111。再者，第一封装体111及第二封装体121的接触面可以形成有不同的微结构，比如如图63C及图63D中所示的衍射光学组件微结构或菲涅尔图案，以增强光出射率及接收率。
如图64A的顶视图所示，在本实施例中，所述基板140也可由两个曲线以不同方式划分为三个区域。所述两个长方形区域可被两个围绕两个光电二极管的半圆形所取代。基板140的其他区域围绕LED。在图64B的横剖结构示意图及其斜向视图64C中，所述两个第二封装体121被示例为四分之一球形，分别设置在两个半圆形区域以密封两个光电二极管。此外，所述第一封装体111被示例为并列的两个梯形棱镜形状，并水平地设置在所述两个第二封装体121上以密封LED。再者，所述第一封装体111上设置有第一膜层180。所述第二封装体121上设置有第二膜层181。所述两个第二封装体121也可被构造成四分之一球体形状、部分抛物面体等类似形状，并在其顶面上覆盖第二膜层181。所述第一封装体111被形成于所述两个第二封装体121的顶部并在顶面上覆盖有第一膜层180。
如图65A的顶视图所示，在本实施例中，所述基板140也可由两个曲线以不同方式划分为三个区域。所述两个长方形区域可被两个围绕两个光电二极管的半圆形所取代。基板140的其他区域围绕LED。在图65B的横剖结构示意图中，所述两个第二封装体121被示例为四分之一球形，分别设置在两个半圆形区域以密封两个光电二极管。可以理解的是，第一封装体111及第二封装体121的接触面可以形成有不同的微结构，比如如图65C及图65D中所示的衍射光学组件微结构或菲涅尔图案，以增强光出射率及接收率。
在本说明书的实施例中，如图66A至图68D所示，第一封装体111被形成为并列的圆柱体形状以增强出光效率。所述第一封装体111的顶面上可形成有位于光源110上的两个相交的曲面。所述第一封装体111的曲面设计遵循在临界角θc＝arcsin(n1/n0)处发生的全反射定律，其中所述第一封装体111的折射率n1大于光学传感模组周遭，比如空气，的折射率n0。进一步的，所述第一封装体111及第二封装体121可具有不同的折射率n1及n2。因此，第一封装体111与其中一个第二封装体121的交界面处遵循临界角θc＝arcsin(n1/n0)的全反射定律，可以减少从光源110直接到光电探测器120的光泄露。
所述第一封装体111及第二封装体121外表面的构造具有多种变型。比如，所述两个第二封装体121的每一个顶面可以是一个在顶面与基板140之间具有预定角度的倾斜面。在一示例中，所述两个第二封装体121的每一个顶面可以是朝向同侧光电探测器120凹陷的曲面。因此，更多的发射光线可从LED出射，更多的反射光可被收集至光电二极管以增强有效信号的强度。
如顶视图66A所示，基板140被两条直线划分为三个区域，包括一个围绕LED的长方形区域及位于LED两侧围绕两个光电二极管的两个长方形区域。在图66B的横剖结构示意图及其斜向视图66C中，所述两个第二封装体121示例为三角棱镜形状，水平地分别设置在两个长方形区域以密封两个光电二极管。此外，所述第一封装体111示例为如本实施例所示的两个并列的四分之一圆柱体形状，水平地设置在两个第二封装体121上以密封LED。再者，所述第一封装体111上有第一膜层180。第二封装体121上有第二膜层181。两个第二封装体121被一起成型或其顶面分别被第二膜层181覆盖。然后，所述第一封装体111也可以被构造成两个第二封装体121顶部的两个弯曲表面。
如图67A的顶视图所示，所述基板140也可由两个曲线以不同方式划分为三个区域。所述两个长方形区域可被如本实施例所示的两个围绕两个光电二极管的半圆形所取代。基板140的其他区域围绕LED。在图67B的横剖结构示意图及其斜向视图67C中，所述两个第二封装体121被示例为三角棱镜，分别水平地设置在两个长方形区域以密封两个光电二极管。此外，所述第一封装体111被示例为并列的两个如本实施例所示的四分之一圆柱体，并水平地设置在所述两个第二封装体121上以密封LED。再者，所述第一封装体111上设置有第一膜层180。所述第二封装体121上设置有第二膜层181。所述两个第二封装体121也可被构造成四分之一球体形状、部分抛物面体等类似形状，并在其顶面上覆盖第二膜层181。然后，所述第一封装体111也可以被构造成两个第二封装体121顶部的两个弯曲表面。
如图68A的顶视图所示，所述基板140也可由两个曲线以不同方式划分为三个区域。所述两个长方形区域可被如本实施例所示的两个围绕两个光电二极管的半圆形所取代。基板140的其他区域围绕LED。在图75B的横剖结构示意图，所述两个第二封装体121被示例为三角棱镜，分别水平地设置在两个长方形区域以密封两个光电二极管。可以理解的是所述第一封装体111及第二封装体121上可形成有不同的微结构，比如如图68C及图68D中所示的衍射光学组件微结构或菲涅尔图案，以增强光出射率及接收率。再者，所述第二封装体121的顶面上设置有第二膜层181或由不透明封装材料制成的挡墙，以增强信噪比。
在一示例中，如图69A所示，第一封装体111及第二封装体121可具有不同的折射率，所述第二封装体121的折射率n2大于所述第一封装体111的折射率n1，根据菲涅尔定律以减少直接从光源110至光电探测器120的光泄露以及外界杂散光。所述第一封装体111及第二封装体121的表面均具有预设的表面构造以增强信噪比。在本实施例中，所述第一封装体111被形成并列的圆柱体形状以增强出光率。所述第一封装体111的曲率设计遵循在临界角θc＝arcsin(n1/n0)处发生的全反射定律，其中所述第一封装体111的折射率n1大于光学传感模组10周遭，比如空气，的折射率n0。
所述第一封装体111及第二封装体121表面所在的平面具有一预设的倾斜角度或弯曲度，并覆有第二膜层181。因此，更多的从LED发射的光线可以射出，而更多的反射光线而被收集至光电二极管以增强有效信号的强度。
如图69A的顶视图所示，在本实施例中，所述基板140也可由两个曲线以不同方式划分为三个区域。所述两个长方形区域可被两个围绕两个光电二极管的半圆形所取代。基板140的其他区域围绕LED。在图69B的横剖结构示意图及其斜向视图69C中，所述两个第二封装体121均被示例为三角棱柱形，分别水平地设置在两个长方形区域以密封两个光电二极管。此外，所述第一封装体111被示例为如实施例所示的两个并列的四分之一圆柱体形状，且水平地设置在所述两个第二封装体121上以密封LED。再者，所述第一封装体111上设置有第一膜层180。所述第二封装体121上设置有第二膜层181。所述两个第二封装体121也可被构造成四分之一球体形状、部分抛物面体等类似形状，所述第一封装体111也可以被构造成在两个第二封装体121顶部的两个曲面。
可以理解的是，所述两个第二封装体121及第二膜层180的构造，比如顶面的夹角，以及材料，比如折射率，可以互不相同。在更多的特定应用情景中，所述第二封装体121可以是非对称的，对应的第一封装体111也是非对称的。进一步地，所述第一封装体111及第二封装体121的侧面上可形成有不同的微结构以增强光出射率及接收率。
所述光学传感模组10可以是双传感器模组6。所述双传感器模组6被制造来检测反射光线及电信号。所述双传感器模组6包括光源110、覆盖光源110的第一封装体111、光电探测器120、覆盖光电探测器120的第二封装体121、封装壁131、探测器电路板175、以及至少一电极170。
所述电极170可为一换能器或用于检测与对象物体接触的外部电路。所述电极170为连接外部电路与双传感器模组6内部的探测器电路板175的导电材料。所述电极170的材料通常为金属或其具有良好导电率的合金，比如铜或金。而且，单个电极170可用作由两片具有不同塞贝克系数的合金，比如镍铝合金及镍铬合金，所制成的热电偶。所述电极170具有与对象物体表面，比如生物组织或皮肤表面，相适配的接触面。
所述基板140的一部分可用作探测器电路板175。所述探测器电路板175用于与所述至少一电极170电连接以提供用于进一步信号传输的电性针脚。所述探测器电路板175可包括逻辑电路或运算放大电路以帮助电极获取电学特征量，比如电流、电导率、阻抗、或者电势差。所述探测器电路板175可以被集成在设有光电元器件的基板140上或是一独立的连接至基板140的印刷电路板。在如图73B及图74B的示例中，所述基板140具有用于与光源110连接的第一部分以及用作探测器电路板175与电极170电连接的第二部分。
所述双传感器模组6是一集成化传感器模组，包括光学传感部及电学传感部，使得单个所述双传感器模组6可具有多功能。所述双传感器模组6具有众多优点，比如体积最小化及实时双信号获取。所述双传感器模组6内的单个电极170可被单独用作热电偶。所述双传感器模组6内的单个电极170可与另一个双传感器模组6或者一个独立电极联合，以形成一对功能性电极。在图70A中，所述双传感器模组6包括光源110、覆盖光源110的第一封装体111、光电探测器120、覆盖光电探测器120的第二封装体121、封装壁131、基板140、以及设置在光源110与光电探测器120之间的电极170。在图70B中，所述光源110、光电探测器120及电极170设置在同一基板140上。
如图71A所示，所述双传感器模组6包括光源110、覆盖光源110的第一封装体111、光电探测器120、覆盖光电探测器120的第二封装体121、封装壁131、探测器电路板175、以及电极170。所述封装壁131设置在光源110与光电探测器120之间，两个电极设置在探测器电路板175的相对边界上。所述封装壁131用于减少直接从光源110到光电探测器120的光泄露并可向两侧延伸进一步阻挡外界环境光。在图71B中，所述光源110、光电探测器120及电极170设置在同一探测器电路板175上。
如图72A所示，所述双传感器模组6包括光源110、覆盖光源110的第一封装体111、光电探测器120、覆盖光电探测器120的第二封装体121、封装壁131、探测器电路板175、以及电极170。其中一电极170设置在光源110与光电探测器120之间，另一电极170设置在探测器电路板175的边界处。所述封装壁131用于阻挡外界环境光并隔离所述两个电极。所述封装壁131为电绝缘，所以两个电极170能够检测电势差。在图72B中，所述光源110、光电探测器120及电极170设置在同一探测器电路板175上。可以理解的是，所述电极170可以设置在探测器电路板175的另外一侧。例如，其中一电极170被设置在光源110与光电探测器120之间，而另一电极170被设置在探测器电路板175的光源110所在一侧的边界处。例如，所述双传感器模组可包括设置在光源110与光电探测器120之间的封装壁131，所述电极170可以被设置成与封装壁131垂直。
如图73A至图74B所示，所述基板140可由第一部分及第二部分组成。所述基板140的第一部分上可设置光源110及光电探测器120。而基板140的第二部分可以是与电极170电连接的探测器电路板175。所述光源110及光电探测器120设置在基板140上。所述探测器电路板175可与基板140机械连接，或者也可以与基板140内的电路电性连接以更好地实现光学量测与电学量测的同步性。
在图73A中，所述探测器电路板175大于基板140，基板及电极170设置在所述探测器电路板175上。所述封装壁131设置在光源110与光电探测器120之间以减少光泄露并可以延伸以环绕基板140的边界从而进一步阻挡外界环境光。在图73B中，每一电极170与所述探测器电路板175电连接。所述电极170通过基板140相互之间隔离开来。在图74A中，两个电极170设置在所述探测器电路板175上并相隔一限定的距离，由此可在应用在对象物体表面时与外部电路之间具有较小的阻抗。在图74B中，每一电极170与所述探测器电路板175电连接。
在图75A至图79B中，所述双传感器模组6可进一步包括顶盖150。在实际应用中，所述顶盖150在不阻挡电极170与对象物体表面接触的前提下可被设置于封装体与对象物体表面之间。所述顶盖150被用作与对象物体表面，比如生物组织表面或皮肤表面，之间的接触面，以增加所述双传感器模组6的使用年限及检测的一致性。
在如图75A所示的实施例中，所述双传感器模组6包括跨越光源110及光电探测器120设置的顶盖150。至少一部分电极170向外露出。所述顶盖150可被电极170所分开或者是中间设有狭槽以露出电极170的单独一整块。在图75B中，所述顶盖150可与封装壁131机械连接以提供机械支撑。
在图76A中，所述顶盖150可跨越光源110及光电探测器120设置。所述两个电极170的至少一部分向外露出。在图76B中，封装壁131设置在光源110与光电探测器120之间向顶盖150提供机械支撑。所述封装壁131可延伸而环绕探测器电路板175的边界以阻挡外界光，从而更好地向顶盖提供机械支撑。
在图77A中，所述顶盖150可跨越光源110及光电探测器120设置。所述两个电极170的至少一部分向外露出。所述顶盖150可以是单独一整块，并在中间设有狭槽以露出光源110与光电探测器120之间的电极170。所述顶盖150可以是具有两个狭槽的单独一整块，每个狭槽为一电极170设置。在图77B中，封装壁131被设置为向顶盖150提供机械支撑。所述封装壁131可延伸而环绕探测器电路板175的边界以阻挡外界光并为顶盖150提供更好的机械支撑。所述封装壁131可被电极170所分隔开或者可被制造成环绕探测器电路板175边界的连续墙体。
另外，所述顶盖的外表面或内表面上可覆有薄膜151。所述薄膜151可以是抗反射薄膜，比如：折射率匹配膜或干涉薄膜，或者防刮薄膜，比如：聚对苯二甲酸乙二醇酯或硬硅覆层。如图78A所示，所述顶盖150的内表面及外表面均被覆上薄膜151。在图78B的放大图中，所述顶盖150的外表面上覆盖有防刮薄膜，所述顶盖150的内表面上覆盖有抗反射薄膜。可以理解的是，所述两处表面上可被覆上同一种薄膜或者顶盖150的其中一表面上没有薄膜。
在如图79A至图79C的一示例中，所述双传感器模组6可进一步包括覆盖所述封装体的薄膜160。所述光学传感模组10的信噪比可以借助薄膜技术进一步提高。所述薄膜160可以是抗反射膜或者滤光薄膜。所述抗反射膜可以是指数匹配膜，比如：瑞利薄膜，或者干涉薄膜以通过减少在封装体与外界环境的交界面上的菲涅尔反射而提高出光效率。所述滤光薄膜可以是长波通滤波薄膜、短波通滤波薄膜或带通滤波薄膜以缩窄出射光线的半峰宽(Full Width at Half Maximum,FWHM)或者滤除不需要波长段的杂信。
如图79A所示，所述第一封装体111及第二封装体121的表面上均覆有薄膜160。所述第一封装体111的薄膜160示例为图79B的抗反射膜。所述第二封装体121的薄膜160示例为图79C的带通滤波薄膜。所述抗反射薄膜提高光出射率。所述带通滤波薄膜减少噪音。可以理解的是，所述第一封装体111的薄膜160可以是抗反射薄膜，从而使得出射光的半峰宽具有较窄的截止波长，所述光电二极管可接收到更多排除了非必要反射的信号光线。在荧光检测的实施例中，长波通滤波薄膜可应用于第二封装体121上以获取较精确的荧光信号，避免激发光线。
整体的集成化更有利于光学信号与电学信号的获取以及从所获取信号中计算出有意义的信息。双传感装置18能够实时获取光学信号及电学信号并计算出有用的生理学参数。首先，两个电极之间的电势差可通过并联至对象物体的电路进行测量。例如，通过量测以适当排列设于人体上的电极之间电势差可按照时序获取心电图信号。同样地，与所接触的对象物体之间的电阻抗可通过连接至对象物体表面190的一系列连接点测得。例如，生物组织的脂肪含量或水合状态可由所量测的阻抗进一步计算而得到。此外，所述电极也可以作为热电偶去量测对象物体的温度。例如，人体表面温度可被量测作为体内温度的参考值。例如，脉冲波的速度可以从脉冲相位差计算而得，而某些疾病的状体可由生物电阻抗的相位角推断而得。
一般而言，光学传感装置或光学传感配件是一个或多个所述光学传感模组10与其他电子模组在外壳中的集成。其他的电子模组用于辅助所述光学传感模组10传输、数字化、处理、或者存储光学信号并将所述光学信号与其他附属信息相结合。同时，所述外壳使得所有电子模组免受外部损坏并提供移动使用时的人机交互界面。整体的集成化更有利于光学信号与电学信号的获取以及从所获取信号中计算出有意义的信息。尤其是，在光学窗口的范围内，入射光可进入生物组织的一定深度，从而生物组织表面下的信息可从反射光获得。通过研究特定波长的光谱，人们可以进一步获取计算出来的生化或生理参数。对于正在活体内的、取自活体的、或者在体外的生物样本的光学特性分析可通过光学传感装置的操作而得以实现。因此，光学信号更容易通过光学传感装置的当前技术获得并加以应用。
在特定目的的应用场景中，所述光学传感装置或光学传感配件至少包括一个光学传感模组及一外壳。所述光学传感模组可以是在本说明书中定义过的单个光学传感模组、多方向光学传感模组、或者双传感器模组。其他电子模组可以是微处理器20、通信模组60、电源供应器50、存储器40、全球定位系统(Gobal Position System,GPS)接收器模组70、或者其他类型的传感器。一可穿戴的外壳用于承载所述光学传感装置并附着于人体上以备移动使用。
所述微处理器20可以是基于ARM(Acron RISC Machine)架构或者是8086x处理器，大部分适用于移动设备，能够处理大量数据并具有节能的优点。微处理器20可具有模拟输入引脚以允许处理模拟信号。
输入界面模组31包括键盘、鼠标、或者通常计算机中的麦克风、或者触控屏、麦克风、或者移动设备中的摄像头。输出界面模组可以通过视频或音频格式输出信息。视频输出模组36可以是微投影器、液晶显示器、发光二极管显示器、有机发光二极管显示器、或电子纸显示器。所述音频输出模组37可以是蜂鸣器、扩音器、或者压电警报器。
所述存储器40存储由光学传感装置的微处理器20所分配的数字信息。所述存储器40可以作为系统的缓存器以处理大量的输入数据，或者可以作为存储器以保存后续输出至其他计算器或云端服务器的结构化信息。所述存储器40可以是可擦写或不可擦写的。所述可擦写存储器示例为大多数移动设备中的随机存取存储器(Random Access Memory,RAM)。所述不可擦写存储器示例为闪存(Flash Memroy)。
所述电源供应器提供光学传感装置运作所需的电力。所述电源供应器可以是变压器、或者连接至直流电源的电力传输线路。初级和次级电源供应器组都可以是用于光学传感装置的电源。在至少一示例中，所述初级和次级电源供应器组可通过锂电源供应器技术进行供电。在其他示例中，所述初级和次级电源供应器组利用技术以满足所需要的放电效率、生命周期及充电能力。
所述通信模组60在光学传感装置与外部设备之间传输电信号，电信号可以是控制信号或数据信号。所述通信模组60可以是有线通信模组61或无线通信模组66。所述有线通信模组61可以一系列接口，比如：单总线(One Wire)、通用串行总线(Universal SerialBus,USB)、两线式串行总线(Intel-Integrated Circuit,I2C)、或者串行外设接口(SerialPeripheral Interface,SPI)。所述无线通信模组66可以是无线区域网(WirelessFidelity,Wi-Fi)、标准蓝牙(Standard Bluetooth)、低功耗蓝牙(Bluetooth LowEnergy)、或者移动通信网络，例如：全球移动通信系统(Gobal System for MobileCommunication,GSM)、第三代移动通讯(Third Generation,3G)、或者第四代移动通讯(Fourth Generation,4G)。在一示例中，所述模拟信号前端被集成为蓝牙模组的一部分，以使得模拟信号可以被传输。
所述GPS接收器模组70用于获取地理信息并帮助记录光学信号收集的地点。通过时序记录，所述GPS信息提供用户位移及速度的动态轨迹。
其他传感器将热学、电学、或者生物势能信号转换为电信号被整合进光学传感装置中以提供更多环境或生理学信息。例如，电子温度计82可以检测外界环境或人体的温度，加速度计81检测人体运动，心电图仪检测心脏电活动。此外，生物组织的电学特性，比如：阻抗或者导电率，可指示一些生理学信息，比如：体脂指数或湿度。
所述外壳提供合适的容器以装配光学传感模组及电子模组并提供适配的与外部设备通信的连接界面，也可以保证对特定身体区域的测量一致性以及辅助使用者正确使用光学传感装置。所示外壳示例为手持设备或可穿戴设备的壳体。如图80A，手持设备壳体91的结构紧凑、轻便、且具有移动应用的鲁棒性。可穿戴设备的壳体包括人体附着部及模组承载部。所述人体附着部可以为圆环形配件96以通过环抱住人体部位而附着于人体，比如图80B的腕带、头带、踝带、项链、腰带、图80C的手表等类似物件。同样地，所述身体附着部可以是通过生物兼容性胶体连接至人体的贴片状配件97，示例为胶带、图80D的贴片、胶片等类似物件。进一步地，所述身体附着部可以是挂件状，可示例为耳塞、耳上配件、或者眼镜框。如图87D所示的范例中，外壳可包括透明的开口153，以向反射式光学传感模组、光学传感模组、多方向光学传感模组5、或者双传感器模组提供光学路径。所述透明开口153可包括顶盖150，顶盖150的表面上可设置微结构、弯曲透镜、或者薄膜、或者以上所述的任意组合。
在本说明书所揭示的内容中，光学传感配件11或者光学传感装置12可包括光学传感模组10、多方向光学传感模组5、双传感器模组6、或者以上所述之组合。为了便于描述，写为光学传感配件11或光学传感装置12包括但不限于光学传感模组10。所述光学传感配件11包括通信模组模组60以向计算设备传输所获取的信号进行下一步信号处理。光学传感装置12包括处理器以管理所获取的光学信号。光学传感装置12的实施例如下所述。
本说明中的光学传感配件11用于将来自一个或多个光学传感模组10的光学信号传输至计算设备。所述光学传感配件11包括至少一个光学传感模组10、通信模组60、及外壳。光学信号被所述光学传感模组10获取，之后信号通过通信模组60，如图81A所示，被传输至独立的计算设备。所述计算设备9可以是光学传感装置12或者是移动设备，比如智能手机。如图81A至图81C所示，光学传感配件11将电学信号传输至计算设备。在一示例中，所述光学传感配件11包括光学传感模组10、串行电线接头、以及有线贴片探头式样的可穿戴外壳。通过与外部计算设备的连接，如图81B所示，所述光学传感配件接收来自计算设备的电源支持及控制信号并通过串行电线传输转换后的信号至计算设备。此外，有线贴片探头可包括如图81C所示的多方向光学传感模组10。在如图82A所示的无线光学传感配件中，电源供应器50为射频传输信号提供必需的电源。所述计算设备能够启动光学传感配件11的运作并管理所接收到的信号。如图82B所示，多个无线光学传感配件11可被连接并整合至计算设备。
同样地，本实施例的光学传感装置12用于管理内部光学传感模组10或外部传感设备8所获取的光学信号。所述内部光学传感模组10电连接至所述微处理器20，而外部传感设备通过通信模组60进行连接。所述光学传感装置12包括光学传感模组10、微处理器20、电源供应器50、存储器40、以及外壳。
如图83A至83C所示，光学传感装置12用于接收、处理、存储、以及传输光学信号。在至少一示例中，所述光学传感装置12包括光学传感模组10、ARM内核的微处理器、闪存、以及锂电源供应器。所述光学传感模组10可接收并将生物组织的光学信号转换为电学信号，将信号传输至微处理器20。如图83A所示的光学传感装置12的一般架构，其他的电子模组可以集成至所述光学传感装置12。光学信号由所述光学传感模组10获取。之后，电学信号可以被直接传输至光学传感装置12并由所述光学传感装置12进行处理。所述光学传感装置12包括图83B及图83C所示的光学传感手表式样的电子模组。所述获取的光学信号被转换为电学信号，所述电学信号由微处理器20进行处理后输出为生理参数，并存储在存储器内。例如，生物组织的红外及红光吸收率被所述光学传感模组10所检测，被转换为电学信号，被处理成生理学参数，比如含氧量，并被存储在闪存内。在图83B中，光学传感手表包括一设于表面上的透明开口153以及设于透明开口153内的光学传感模组10。在图83C中，所述光学传感手表包括设于壳体背面的其他透明开口153以及设于所述透明开口153内的其他光学模组10。
所述光学传感装置12可包括光学传感模组10、ARM内核的微处理器、闪存、锂电源供应器、输入界面模组31、视频输出模组36、以及音频输出模组37。所述输入界面模组31可被示例为触控屏幕模组。使用者可通过触控屏幕输入请求以使得光学传感装置12发出控制信号给光学传感模组去获取光学信号。所获取的信号由微处理器20进行处理并以生理信息的形式存储在光学传感装置12的存储器40中。使用者也可以通过触控屏幕输入请求使所存储的生理信息显示在显示器上。此外，输出模组，比如蜂鸣器，可作为故障提醒器或紧急警报信号。
进一步地，所述光学传感装置12可以包括通信模组。所述光学传感装置12能够在光学传感装置12与其他外部设备之间整合信息。如图83A所示，所述光学传感装置12包括微处理器20、通信模组60、存储器40、以及电源供应器50。所述通信模组60示例为用于与外部设备通信的蓝牙模组。所述光学传感装置12可发出控制信号以控制外部设备或者接收外部设备所获取的信号。例如，外部设备可以为图84A的光学传感配件11从而使得光学传感配件11所获取的光学信号可以与其他健康信息相整合。同样地，所述外部设备可以为如图84B中的其他传感配件装置8，使得光学传感装置12可适用于更多应用场景。
所述可穿戴的光学传感装置12也可连接其他光学传感装置12以传输生理信息进行进一步的信息管理。在至少一示例中，其他计算设备可以是手持光学传感装置12或智能移动设备，比如苹果手机、安卓手机、平板手机、或平板电脑，从而使得光学传感装置12可具有更低的功耗、更低硬件要求、以及更好的兼容性。
在图85A中所示的一个例子，光学传感装置12连接到其他光学传感装置12。其中一个光学传感装置具有基本的电子模块，包括光学传感模组10，微处理器20，和无线通信模组66，以与其他具有更多功能的电子模块的光学传感装置连接。在图85B中，其中一个光学传感装置为可穿戴光学感测手表，而其他光学感测装置为光学感测智能手机。
因所述可穿戴光学传感装置改善了测量的准确度，而且在当前技术的帮助下使用者可以便利地记录自身的生理条件，所以多点测量变得实用。因反射式光学传感模组10的不俗表现，对人体多个部位的测量可获得额外有用的生理信息。此处，以血氧含量为例解释应用，而获取自人体多个部位的其他光学信号也可以有其他应用。获取自人体多个部位的生理参数表现出该生理参数在人体多个部位之间的区域性差异。例如，前额的血氧含量可不同于手腕的血氧含量。同样地，相位差表现了任意两个人体部位之间生理参数的传播情况。例如，脉冲波的速度可以由脉冲相位差计算得出。再者，连续的多个人体部位监视可提供生理信息在时间维度及空间维度上的分布情况。图86A及图86B的示例展示了光学传感装置12。图86A中的光学传感装置12可用于测量前额及手腕，图86B中的光学传感装置12可用于测量手腕及对侧手的手指。多点光学测量也可以通过如图81C所示的具有多个探头的光学传感配件11来进行。另外，多点光学测量可通过多个光学传感配件11的集成来实现。
在一示例中，所述光学传感装置12包括双向光学传感模组5。所述光学传感装置12可以是如图87A至图87D所示的可穿戴手表。在图87A中，所述光学传感装置12的外壳可包括一个形成于圆环形外壳内侧的开口，以及在图87B中所示，形成于圆环形外壳外侧的另一开口。所述开口用于露出所述双向光学传感模组5的接触面，以使得从光源110出射的光线可被朝向不同方向的光电探测器120所收集。在图87C中所展示的是所述双向光学传感模组5的侧向结构示意图。所述双向光学传感模组5包括朝向外壳外侧的一个接触面以及朝向外壳内侧的另一个接触面。在图87D中，一放大图展示了位于可穿戴外壳内的双向光学传感模组5。所述双向光学传感模组5设于外壳的透明开口153处。所述透明开口153可进一步包括顶盖150，所述顶盖150可被设置有微结构、弯曲透镜、或在顶盖150表面上的薄膜、或者以上所述的组合。
所述光学传感装置12可包括光学传感模组10、ARM内核的微处理器、闪存、锂电源供应器、以及进一步包括其他传感模组，比如GPS接收器模组70，从而其他的关联信息可与生理信息一起存储及处理。例如，体温可通过电子温度计82获取、或者心电图通过心电探针获取。所述光学传感装置12可同时存储血氧饱和度水平及心电图信息并随血压进一步计算出脉搏传导时间。进一步地，运动信息可通过加速度计81获取以判断出运动状态并适用于体育医疗。通过集成化的GPS接收器模组70，所述光学传感装置12可以按时间顺序伴随相关地理位置及运动状态一并记录下使用者的生理信息，包括体温、心电图、血氧饱和度、以及血压。例如，由GPS接收器70获取的地理信息可与生理信息一并存储用于地理医学应用。
随着当前技术的发展，个人健康信息管理可为使用者在多种不同应用中带来巨大的收益。例如，所述光学传感装置12可进一步包括通信模组60用于连接互联网并将信息传输至云端服务器实现大数据的收集和分析。此外，所述光学传感装置12可在传感到异常的生理状况时向使用者或其他周遭的人发出警报。在紧急情况下，所述光学传感装置12可打电话或发出即时信息以通知相关当局，比如医院或应急部门，来请求立即行动。在当前技术下，所述光学传感装置12可以借助详实的信息实现床旁护理诊断服务。个人化的、便携式的、长期的、连续的健康监视可望实现。
一般而言，多点感测装置是多个光学传感模组与其他电子模组在外壳内的集成化。其他电子模组用于辅助所述光学传感模组10传输、数字化、处理、或者存储光学信号并将所述光学信号与其他附属信息相结合。同时，所述外壳使得所有电子模组免受外部损坏并提供移动使用时的人机交互界面。整体的集成化更有利于光学信号与电学信号的获取以及从所获取信号中计算出有意义的信息。尤其是，在光学窗口的范围内，入射光可进入生物组织的一定深度，从而生物组织表面下的信息可从反射光获得。通过研究特定波长的光谱，人们可以进一步获取计算出来的生化或生理参数。对于正在活体内的、取自活体的、或者在体外的生物样本的光学特性分析可通过光学传感装置的操作而得以实现。因此，光学信号更容易通过光学传感装置的当前技术获得并加以应用。
所述多点测量可通过多点测量配件15、多点测量装置16、或者多点测量系统17来进行。所述多点测量配件15、多点测量装置16、或者多点测量系统17包括至少两个反射式光学传感模组109。所述反射式光学传感模组109用于发射光线并测量从对象物体表面反射回来的反射光线。所述反射式光学传感模组109可以为光学传感模组10、多方向光学传感模组5、或者双传感器模组6。所述反射式光学传感模组109也可以是一个包括至少一个光源110及光电探测器120的传感模组。
在本说明内容中，所述多点测量配件15、多点测量装置16、及多点测量系统17的示例如图88至图90所示。
多点测量配件15用于将来自多个反射式光学传感模组的光学信息传输至计算设备。多点测量配件15具有通信模组60以使得所获取的信号可传输至计算设备进行下一步的信号处理。所述多点测量配件15包括复数个反射式光学传感模组、通信模组60、以及外壳。所述光学信息首先会由所述反射式光学传感模组转换电学信号。接下来，如图88所示，所述电学信号通过通信模组60被传输至独立的计算设备。所述多点测量配件15将电学信号从多个反射式光学传感模组通过通信模组60传输至计算设备。在至少一个示例中，所述多点测量配件15包括三个反射式光学传感模组、串行电线接头、以及有线贴片探头式样的可穿戴外壳。通过与外部计算设备9的连接，所述多点测量配件15接收来自计算设备的电源支持及控制信号并通过串行电线传输转换后的信号至计算设备。在无线通信模组66的示例中，电源供应器50为射频传输信号提供必需的电源。所述耦合进来的外部计算设备能够启动所述多点测量配件15的运作并管理所获取的光学信号。所述多点测量配件15可具有较小的体积，适于移动使用。大多数所收集的生理信息被传输至移动设备进行下一步的处理。
同样地，本说明内容所记载的多点测量装置16用于管理由内部的光学传感模组或外部传感设备所获取的光学信号。两个反射式光学传感模组109电连接至微处理器20，而外部传感设备通过通信模组60进行连接。所述多点测量装置装置16包括至少两个反射式光学传感模组109、微处理器20、电源供应器50、存储器40、以及外壳。整体架构如图89所示，其他电子模组可以集成到所述多点测量装置16内。所述光学信号通过所述反射式光学传感模组获得。接下来，所述电学信号可以直接传输至微处理器20进行处理。
所述反射式光学传感模组可接收及将生物组织的光学信号转换至电学信号，再传输信号至微处理器20。所述多点测量装置16包括多个电子模组，展示为图87A至图87D中的多点光学传感手表。所获取的光学信号经过微处理器20处理后输出为生理参数，再存储在存储器40中。例如，生物组织的红外及红光吸收率被所述光学传感模组10所检测，被转换为电学信号，被处理成生理学参数，比如含氧量，并被存储在闪存内。
在图90中，所述光学传感系统17可包括具有第一反射式光学传感模组109的多点测量配件装置以及具有第二反射式光学传感模组109的多点测量装置。所述多点测量配件包括第一反射式光学传感模组109、第一通信模组60、以及第一外壳。所述多点测量装置包括第二反射式光学传感模组109、微处理器20、电源供应器50、存储器40、第二通信模组60、以及第二外壳。所述通信模组60可以是无线通信模组66，比如与光学传感系统17通信的蓝牙模组。蓝牙模组在所述光学传感系统17的内部进行通信。所述多点测量装置可发出控制信号来控制或接收由多点测量配件所获取的信号。
因所述可穿戴光学传感装置改善了测量的准确度，而且在当前技术的帮助下使用者可以便利地记录自身的生理条件，所以多点测量变得实用。因反射式光学传感模组10的不俗表现，对人体多个部位的测量可获得额外有用的生理信息。此处，以血氧含量为例解释应用，而获取自人体多个部位的其他光学信号也可以有其他应用。首先，获取自人体多个部位的生理参数表现出该生理参数在人体多个部位之间的区域性差异。例如，前额的血氧含量可不同于手腕的血氧含量。其次，相位差表现了任意两个人体部位之间生理参数的传播情况。例如，脉冲波的速度可以由脉冲相位差计算得出。再者，连续的多个人体部位监视可提供生理信息在时间维度及空间维度上的分布情况。
以上所描述及展示的实施例仅为一示例。许多细节，比如：其他特征，通常可在现有技术中获取。因此，许多这样的细节不会在此描述也不再进行展示。虽然本发明技术的许多特征及优点在之前的描述中与本说明书揭露的结构及功能上的细节一并提出。然而，此处的说明揭露也仅做示例之用，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (14)

1.一种光学传感模组，其特征在于，包括：
一基板；
一光源，设置于所述基板上；
一第一封装体，设置于所述基板上并覆盖所述光源；
一光电探测器，设置于所述基板上；
一第二封装体，设置于所述基板上并覆盖所述光电探测器；以及
一间隔体，与所述基板连接，且设置于所述光源与所述光电探测器之间；其中，所述第一封装体与所述第二封装体的至少其一具有多个折射率层级。
2.根据权利要求1所述的光学传感模组，其特征在于，所述具有多个折射率层级的所述第一封装体与所述第二封装体的至少其一包括位于相对所述基板近端的第一折射率层级,以及位于相对所述基板远端的第二折射率层级,且所述第一折射率层级的折射率大于所述第二折射率层级的折射率。
3.根据权利要求1所述的光学传感模组，其特征在于,所述多个折射率层级包括二个相邻的折射率层级，且所述二个相邻的折射率层级间还包括一微结构。
4.根据权利要求1所述的光学传感模组，其特征在于,所述多个折射率层级包括二个相邻的折射率层级，且所述二个相邻的折射率层级间还包括一曲面透镜。
5.根据权利要求1所述的光学传感模组，其特征在于,所述多个折射率层级包括二个相邻的折射率层级，且所述二个相邻的折射率层级的顶面还包括一微结构。
6.根据权利要求1所述的光学传感模组，其特征在于,所述多个折射率层级包括二个相邻的折射率层级，且所述二个相邻的折射率层级的顶面还包括一曲面透镜。
7.根据权利要求1所述的光学传感模组，还包括一封装壁,其与所述基板连结,且围绕所述光源、所述间隔体及所述光电探测器。
8.根据权利要求1所述的光学传感模组，还包括一顶盖。
9.根据权利要求8所述的光学传感模组，其特征在于,所述顶盖还包括一曲面透镜。
10.根据权利要求8所述的光学传感模组，其特征在于,所述顶盖还包括一微结构。
11.根据权利要求8所述的光学传感模组，其特征在于,所述顶盖覆有一防刮薄膜、一抗反射薄膜或一滤波薄膜。
12.根据权利要求1所述的光学传感模组，其特征在于，还包括至少一个模拟信号前端芯片、一微控制器、一运算放大器或一光源驱动器。
13.一种光学传感配件，其特征在于，包括：
至少一个根据权利要求1所述的光学传感模组；
一通信模组，与所述至少一个光学传感模组电性连结；以及
一外壳，容置所述至少一个光学传感模组及所述通信模组。
14.一种光学传感装置，其特征在于，包括：
至少一个根据权利要求1所述的光学传感模组；
一微处理器，与所述至少一个光学传感模组电性连结；
一存储器，与所述至少一个光学传感模组及所述微处理器电性连结；
一电源供应器，与所述至少一个光学传感模组及所述存储器电性连结；以及
一外壳，容置所述至少一个光学传感模组、所述微处理器、所述存储器以及所述电源供应器。
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