CN105982654B - 一种用于心率及血压监测仪的光学传感装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于心率及血压监测仪的光学传感装置，包括发光器件、光学透镜、光电接收管以及遮光黑框，其中，光学透镜包括位于发光器件上方的聚光窗口和位于光电接收管上方的透光窗口；遮光黑框位于发光器件上方，并设置于聚光窗口和透光窗口之间；聚光窗口采用菲涅尔结构，其至少包括一个透射面以及一个或以上齿状的反射面组成。由于采用斜轴的菲涅尔透镜，其可以实现比较薄的厚度就达到聚光和转折光路的目的，其将LED光线集中起来并以倾斜的方向汇聚到皮肤上的被测点位置，经过被测点里面的血管反射后，再透过透明窗口被光电接收管接收，从而产生脉搏和血液信号。该光学传感装置具有信号强、噪音低、灵敏度高、准确、可靠性好等特点。

Description

一种用于心率及血压监测仪的光学传感装置

技术领域

本发明涉及光学传感装置的技术领域，特别涉及一种用于心率及血压监测仪的光学传感装置。

背景技术

随着现代都市生活压力的增大、烟酒、暴饮暴食、肥胖症、失眠、焦虑等问题，人们心脏的压力也越来越大，而人类的心率携带着心脏和身体健康状态的大量信息，心率失常正面临着年轻化的趋势，若不重视自己的身体健康，后果将不堪设想。所谓的心率失常是指引起心脏在身体间泵血的脉搏的正常序列的变化，由于异常的心率可能仅偶发地出现，因此往往需要长时间连续不停地监测才可以发现心率异常的问题，一个快速准确而且智能的心率及血压监测仪成为了必要。

公开号为CN102046085B的专利文献提出了一种光学传感器装置和使用光学传感器装置的方法，其提出了一种对身体内的导管(即血管)和在导管中传送的流体的特征进行感测的装置和方法。其包括可植入的传感器组件，包括多个发射器和用于生成多个信号的多个检测器，所述发射器和所述检测器面向导管的一侧，所述多个发射器被配置成发射在如下频率上的红外光束：该频率被选择为当红外光束撞击在所述导管上时该红外光束从血红蛋白反射；每个检测器可操作地与发射器配对。

另外，公开号为CN103547211A的专利也提出了一种光学传感器装置，其包括以规定频率闪烁第发出2个波长的光并将其照射到生物体的发光器、以及接收生物发出的光的光接收器。以及所对应的信号处理的电路和方法。

上述专利文献所述的这些现有的光学传感器，其基本特征都是由光发射器、光接收器、以及信号处理电路组成。光发射器发出的光，都没有经过会聚和对准就直接打在被测物体上。被测物体反射的光再经过传感器接收，最后进行信号处理。这样的传感器结构有几个问题：1、由于光发射器件的发光角度比较大，特别是尺寸较小的贴片式的光发射器一般其光束角为120度的郎伯形分布，其只有很小的一部分光会打到所需要的探测位置，并被血管反射后再被光接收器接收。而大部分的光都被照射到不需要的地方而浪费掉，因此产生的信号强度比较弱。2、由于光发射器件的发光角度比较大，有些大角度的光线在穿过光发射器和光接收器前面的透明玻璃窗口时，由于透明玻璃窗口的导光作用，这部分光线有机会在窗口内部来回的反射和折射，然后被光接收器所接收，从而产生杂光，生成噪音。现有技术的这些传感器，由于其信号弱，噪音高，导致了探测灵敏度低，可靠性差，探测信号不准确等共同存在的技术问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种用于心率及血压监测仪的光学传感装置。该传感装置模组可以被集成到腕表或者智能穿戴设备中，其可以透过皮肤24小时不停地监测心率脉搏。其由发光器件(例如LED发光二极管)、光学透镜、光电接收管、遮光黑框以及外壳组成。使用本发明中公开的光学传感装置的心率及血压监测仪，其光学透镜为斜轴的菲涅尔透镜结构，其同时起到聚光、以及发射和接收窗口的作用，具有信号强、噪音低、灵敏度高、准确、可靠性好等特点。

本发明的目的通过下述技术方案实现：

一种用于心率及血压监测仪的光学传感装置，包括发光器件1、光学透镜2、光电接收管3以及遮光黑框4，其中，光学透镜2包括位于发光器件1上方的聚光窗口2a和位于光电接收管3以及聚光窗口2a上方的透光窗口2b；遮光黑框4位于发光器件1上方，并设置于聚光窗口2a和透光窗口2b之间；所述聚光窗口2a为菲涅尔结构，其至少包括一个透射面、以及一个或以上齿状的反射面组成。

优选的，所述聚光窗口2a的光轴为倾斜设置。

优选的，所述透光窗口2b为平面结构。

优选的，所述遮光黑框4与所述光学透镜2采用双料注塑一体成型的结构。

优选的，所述遮光黑框4采用黑色吸光的PMMA树脂或采用其他能实现不透光的塑胶材质，以及能实现不透光的金属材料及各种合成材料。

优选的，所述遮光黑框4为直条形、圆形、弧形或锯齿形。

优选的，所述聚光窗口2a的透射面及齿状全反射面为直条形。

优选的，所述发光器件1为LED发光二极管或者激光发射管。

优选的，所述聚光窗口2a为直纹型的菲涅尔结构透镜，包括第一透射面21、第二透射面22、第一全反射面23、第三透射面24和第二全反射面25，

其中第一透射面21为倾斜的折射曲面，其中心轴线OP与垂直于所述发光器件1中心点O的光轴OZ成α角，所述α角在15度～50度之间；

同时第一透射面21、第一全反射面23、第二全反射面25的焦点均与所述发光器件1中心点O重合，并且第一透射面21、第一全反射面23、第二全反射面25的中心轴线相互平行。

优选的，所述α角为28.29度。

优选的，所述聚光窗口2a为直纹型的菲涅尔结构透镜，该聚光窗口2a靠近所述发光器件1一侧为菲涅面，包括至少一个透射面、以及一个以上的齿状全反射面；其远离所述发光器件1一侧为齿状全反射面。

优选的，所述聚光窗口2a为透明的PMMA树脂，所述透光窗口2b为透明的PMMA树脂，以上二者采用一体注塑成形，并且连接处没有间隙。

优选的，所述聚光窗口2a为直纹型的菲涅尔结构透镜，该聚光窗口2a靠近所述发光器件1一侧为倾斜的平面；其远离所述发光器件1一侧为倾斜的菲涅尔面，包括至少一个透射面、以及一个或以上齿状全反射面。

优选的，所述透光窗口2b为透明的PMMA树脂，其与聚光窗口2a采用双料注塑的方法作一体注塑成形，并且二者之间存在一个空气间隙。

优选的，所述聚光窗口2a为回转型的菲涅尔结构透镜，所述遮光黑框4为圆弧形，所述聚光窗口2a的透射面及齿状全反射面为圆形。

本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：

本发明公开的光学传感装置由于采用斜轴的菲涅尔透镜，其可以实现比较薄的厚度就达到聚光和转折光路的目的，其将发光器件发出的光线收集起来并以倾斜的方向汇聚到皮肤上的被测点位置，经过被测点里面的血管反射后，再透过透明窗口被光电接收管接收，从而产生脉搏和血液信号。该光学传感装置具有信号强、噪音低、灵敏度高、准确、可靠性好等特点。

附图说明

图1是现有技术中公开的一种光学传感器装置的结构示意图；

图2是本发明中一种用于心率及血压监测仪的光学传感装置的示意图；

图3是实施例一公开的一种用于心率及血压监测仪的光学传感装置的剖面图；

图4A是实施例一公开的光学传感装置中光学透镜的正视图；

图4B是实施例一公开的光学传感装置中光学透镜的等轴剖视图；

图4C是实施例一公开的光学传感装置中光学透镜的俯视图；

图4D是实施例一公开的光学传感装置中光学透镜的侧视图；

图4E是实施例一公开的光学传感装置中光学透镜的底视图；

图5是实施例一公开的一种用于心率及血压监测仪的光学传感装置的设计原理图；

图6是实施例一公开的一种用于心率及血压监测仪的光学传感装置的配光原理图；

图7是实施例一公开的一种用于心率及血压监测仪的光学传感装置的光线追踪图；

图8A是实施例一公开的一种用于心率及血压监测仪的光学传感装置的光电接收管表面的光斑分布形状的计算机模拟图；

图8B是实施例一公开的一种用于心率及血压监测仪的光学传感装置的光电接收管表面的照度数据的计算机模拟图；

图9A是实施例二公开的光学传感装置中光学透镜的正视图；

图9B是实施例二公开的光学传感装置中光学透镜的等轴剖视图；

图9C是实施例二公开的光学传感装置中光学透镜的俯视图；

图9D是实施例二公开的光学传感装置中光学透镜的侧视图；

图9E是实施例二公开的光学传感装置中光学透镜的底视图；

图10是实施例二公开的光学传感装置的三维模型透射图；

图11是实施例三公开的一种用于心率及血压监测仪的光学传感装置的设计原理图；

图12是本实施四公开的一种用于心率及血压监测仪的光学传感装置的设计原理图；

其中，1-发光器件，2-光学透镜，21-第一透射面，22-第二透射面，23-第一全反射面，24-第三透射面，25-第二全反射面，2a-聚光窗口，2b-透光窗口，3-光电接收管，4-遮光黑框，5-外壳，6-PCB印刷电路板。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例一

本实施例公开了一种用于心率及血压监测仪的光学传感装置，其具体实施方式的剖面图如图3所示。从图3中可知，本光学传感装置由发光器件1(本发明的各个实施例中发光器件1可以采用LED发光二极管或激光发射管)、光学透镜2、光电接收管3、遮光黑框4、外壳5、以及PCB(印刷电路板)6组成。其中，光学透镜2包括聚光窗口2a和透光窗口2b，聚光窗口2a位于发光器件1的上方，透光窗口2b位于光电接收管3上方。

其中，光学透镜2的三维视图如图4所示。图4A-图4E所示，其右下方靠近发光器件1的部分是一个直纹的、斜轴的菲涅尔透镜，用作聚光窗口2a，其包括第一透射面21、第二透射面22、第一全反射面23、第三透射面24和第二全反射面25。其左侧靠近光电接收管3的部分是一个平片结构，用作透光窗口2b。所述的光学透镜2，其材料为透明的光学塑料，其为透明的PMMA树脂或者PC树脂。遮光黑框4，其采用黑色吸光的PMMA树脂或采用其他能实现不透光的塑胶材质，以及能实现不透光的金属材料及各种合成材料，并采用双料注塑成型的方法与光学透镜2作一体注塑成型。遮光黑框可以设计成直条形、圆形、弧形或锯齿形，在本实施例中设计成直条形。

图5为本实施例公开的一种用于心率及血压监测仪的光学传感装置的设计原理图。从发光器件1的发光面中心O点发出的光线，经过光学透镜2的聚光窗口2a之后，光线被会聚和准直，准直后的光线倾斜入射到位于发光器件1与光电接收管3之间的皮肤里面的血管上，被血管反射的光线再经过光学透镜2左侧的透光窗口2b，最后被光电接收管3接收。由于血管中的血液随着心率有规则的脉动，其反射光也会产生脉冲式的信号，通过监测血管中反射光的脉冲式信号，就可以得到心率及血压的监测结果。

本发明所涉及的用于心率及血压监测仪的光学传感装置，其具体实施例一中的光学透镜2的聚光窗口2a为一斜轴的菲涅尔透镜，其第一透射面21、第二透射面22、第一全反射面23、第三透射面24和第二全反射面25对单根光线的配光原理如图6所示。图中，OZ为经过发光器件1发光面中心O点、并垂直于芯片发光面的光轴。第一透射面21为倾斜的折射曲面，其中心轴线OP与光轴OZ成α角，α角在15度～50度之间，这里优选该倾斜角为28.29度。第一透射面21的焦点位于发光器件1发光面中心O点的位置，从O点发出的、沿着OP方向的光线，其输出光线QR与光轴OZ成一夹角θ1，这里称之为出射角，θ1在30度至60度之间，这里优选该出射角θ1为45°。由于O点为倾斜曲面第一透射面21的焦点，所有从O点发出的入射到第一透射面21的光线，其出射光线都平行于QR，其出射角都为θ1。

同样，第一全反射面23的焦点位置也位于发光器件1发光面中心O点，其中心轴线也与OP平行。任一从发光器件1发光面中心O点发出的光线Oa经过倾斜的第二透射面22入射后，被第一全反射面23反射，反射后的光线bS，其出射光线ST与光轴OZ的夹角为θ2，θ2＝θ1，即ST平行于QR。

同样，第二全反射面25的焦点位置也位于发光器件1发光面中心O点，其中心轴线也与OP平行。任一从发光器件1发光面中心O点发出的光线Ob经过倾斜的第三透射面24入射后，被第二全反射面25反射，反射后的光线dU，其出射光线UV与光轴OZ的夹角为θ3，θ3＝θ1，即UV平行于QR。

即所有经过斜轴菲涅尔聚光窗口2a折射和反射的光线，其出射角θ1＝θ2＝θ3，其位于30度至60度之间。本具体实施方案优选这些出射角皆为45度。实际情况，θ1和θ2及θ3可以允许稍微有些差别，5～10度的误差对光电接收管3接收的效果影响不大。

本实施例中所涉及的用于心率及血压监测仪的光学传感装置的计算机模拟及光度分析如下：

在计算机模拟中，规定发光器件1为假光通量为28Lumen的绿光LED，其峰值波长为518nm。图7为该光学传感装置的光线追迹(隐藏了外壳5)。图中右下方的小方块为绿光LED发光二极管，其上方为斜轴的直纹菲涅尔透镜的聚光窗口2a，最上方的位置为虚拟的血管，左下方的较大方块为光电接收管3。可以看从LED发出的光线经过斜轴菲涅尔透镜的聚光窗口2a之后，光线会聚并往左侧倾斜照射到上方的虚拟血管。经过上方的虚拟血管的漫反射之后，光线通过透镜左侧的透光窗口2b入射到光电接收管3上。

图8A以及图8B是本实施例中公开的一种用于心率及血压监测仪的光学传感装置的光电接收管表面的光斑分布形状以及照度数据的计算机模拟图。

图8A中显示的为光斑照度分布图，图8B中曲线分别为等高线图上沿着水平方向的照度分布曲线，其单位为Lux(勒克斯)。如果不计算人体表皮的吸收，并假设血管的反射特性为反射率为100％的漫反射。可以看出光电接收管3上接收到的光能量非常集中，达到10的5次方Lux，因此探测的信号非常强，即使大大地减弱LED的电流都可以探测到血管反射光的信号。另外由于倾斜菲涅尔透镜的聚光窗口2a周围采用了遮光黑框4的设计，可以有效地挡住杂散光，避免杂光通过透明窗口2b的导光直接进入到光电接收管3产生噪音信号，从而干扰探测结果。

实施例二

本实施例公开了一种用于心率及压监测仪的光学传感装置，其具体实施例二的剖面图与实施例一基本类似，具体如实施例一中的图3所示。设计原理也一样，具体如实施例一中的图5所示。唯一不同的地方是其光学透镜2的聚光窗口2a为一个斜轴的、绕着轴线OP回转的菲涅尔透镜。本实施例二中公开了一种用于心率及压监测仪的光学传感装置由发光器件1、光学透镜2、光电接收管3、遮光黑框4、外壳5、以及PCB(印刷电路板)6组成。所述的光学透镜2包括聚光窗口2a和透光窗口2b，其3维视图如图9A-图9E所示。其三维模型透视图(隐藏了外壳5)如图10所示，其右下方靠近发光器件1的部分是一个回转的、斜轴的菲涅尔透镜构成的聚光窗口2a，其也由一个透射面和两个齿状全反射面组成。其左下方靠近光电接收管3的部分是一个平片，用作接收的透光窗口2b。所述的光学透镜2，其材料为透明的光学塑料，其为透明的PMMA树脂或者PC树脂。所述的遮光黑框4，其为圆弧形的黑色吸光的PC树脂，其采用双料注塑成型的方法与光学透镜2作一体注塑成型。

实施例三

本实施例公开了一种用于心率及压监测仪的光学传感装置，其具体实施方式的设计原理如图11所示，其由发光器件1、光学透镜2、光电接收管3、遮光黑框4、外壳5、以及PCB(印刷电路板)6组成。所述的光学透镜2包括聚光窗口2a和透光窗口2b。

从图11中显示可知，聚光窗口2a为直纹型的菲涅尔结构透镜，该聚光窗口2a靠近发光器件1一侧为倾斜的平面；其远离发光器件1一侧为倾斜的菲涅尔面，包括至少一个透射面、以及一个或以上齿状全反射面。该聚光窗口2a的材料为透明的光学PMMA树脂。该聚光窗口2a的作用是，其下方的菲涅尔面先将发光器件1发出的光收集并进行准直，准直后的光线沿着平行于光轴的方向射向上方，入射到齿状全反射面上，经过齿状全反射面反射后，光线朝一个方向偏折，再透过上方的透光窗口2b，入射到皮肤被测点里面的血管上，血管的反射光再透过透光窗口2b，最后入射到光电接收管3上进行信号处理。其中，透光窗口2b的材料为透明的PMMA，其与聚光窗口2a采用双料注塑的方法作一体注塑成形，并且二者之间存在一个空气间隙，该空气间隙可以设置为倾斜的形式。

实施例四

本实施例公开了一种用于心率及压监测仪的光学传感装置，其具体实施方式的设计原理如图12所示，其由发光器件1、光学透镜2、光电接收管3、遮光黑框4、外壳5、以及PCB(印刷电路板)6组成。所述的光学透镜2包括聚光窗口2a和透光窗口2b。

从图12中显示可知，聚光窗口2a为直纹型的菲涅尔结构透镜，该聚光窗口2a靠近发光器件1一侧为倾斜的平面；其远离发光器件1一侧为倾斜的菲涅尔面，包括至少一个透射面、以及一个或以上齿状全反射面。聚光窗口2a的材料为透明的光学PMMA树脂。该聚光窗口2a的作用是，其下方的靠近发光器件1一侧为倾斜的平面先将发光器件发出的光收集，但没有起到会聚的作用，收集的光线斜入射到聚光窗口2a上方的菲涅尔面上，经过菲涅尔面的准直和偏折，再透过上方的透光窗口2b，入射到皮肤被测点里面的血管上，血管的反射光再透过透光窗口2b，最后入射到光电接收管3上进行信号处理。

透光窗口2b的材料为透明的PMMA树脂，聚光窗口2a和透光窗口2b采用双料注塑的方法作一体注塑成形，并且二者之间存在一个空气间隙，该空气间隙可以设置为倾斜的形式。

以上各实施例中公开的用于心率及血压监测仪的光学传感装置由于采用斜轴的菲涅尔透镜，可以实现比较薄的厚度就达到聚光和转折光路的目的，其将LED光线集中起来并以倾斜的方向汇聚到皮肤上的被测点位置，经过被测点里面的血管反射后，再透过透明窗口被光电接收管接收，从而产生脉搏和血液信号，达到了信号强、噪音低、灵敏度高、准确、靠性好等特点的光电传感效果。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (14)

1.一种用于心率及血压监测仪的光学传感装置，其特征在于：包括发光器件(1)、光学透镜(2)、光电接收管(3)以及遮光黑框(4)，其中，光学透镜(2)包括位于发光器件(1)上方的聚光窗口(2a)和位于光电接收管(3)上方的透光窗口(2b)；遮光黑框(4)位于发光器件(1)上方，并设置于聚光窗口(2a)和透光窗口(2b)之间；

所述聚光窗口(2a)为菲涅尔结构，其至少包括一个透射面、以及一个或以上齿状的反射面组成；

所述聚光窗口(2a)为菲涅尔结构透镜，包括第一透射面(21)、第二透射面(22)、第一全反射面(23)、第三透射面(24)和第二全反射面(25)，

其中第一透射面(21)为倾斜的折射曲面，其中心轴线OP与垂直于所述发光器件(1)中心点O的光轴OZ成α角，所述α角在15度～50度之间；

同时第一透射面(21)、第一全反射面(23)、第二全反射面(25)的焦点均与所述发光器件(1)中心点O重合，并且第一透射面(21)、第一全反射面(23)、第二全反射面(25)的中心轴线相互平行。

2.根据权利要求1所述的用于心率及血压监测仪的光学传感装置，其特征在于，所述聚光窗口(2a)的光轴为倾斜设置。

3.根据权利要求1所述的用于心率及血压监测仪的光学传感装置，其特征在于，所述透光窗口(2b)为平面结构。

4.根据权利要求1所述的用于心率及血压监测仪的光学传感装置，其特征在于，所述遮光黑框(4)采用双料注塑的方法与所述光学透镜(2)作一体注塑成型。

5.根据权利要求1所述的用于心率及血压监测仪的光学传感装置，其特征在于，所述遮光黑框(4)采用黑色吸光的PMMA树脂。

6.根据权利要求1所述的用于心率及血压监测仪的光学传感装置，其特征在于，所述遮光黑框(4)为直条形、圆形、弧形或锯齿形。

7.根据权利要求1所述的用于心率及血压监测仪的光学传感装置，其特征在于，所述发光器件(1)为LED发光二极管或激光发射管。

8.根据权利要求1所述的用于心率及血压监测仪的光学传感装置，其特征在于，所述聚光窗口(2a)的透射面及齿状反射面为直条形。

9.根据权利要求1所述的用于心率及血压监测仪的光学传感装置，其特征在于，所述α角为28.29度。

10.根据权利要求1至8任一所述的用于心率及血压监测仪的光学传感装置，其特征在于，所述聚光窗口(2a)为菲涅尔结构透镜，该聚光窗口(2a)靠近所述发光器件(1)一侧为菲涅面，包括至少一个透射面、以及一个以上的齿状全反射面；其远离所述发光器件(1)一侧为齿状全反射面。

11.根据权利要求10所述的用于心率及血压监测仪的光学传感装置，其特征在于：

所述聚光窗口(2a)为透明的PMMA树脂，所述透光窗口(2b)为透明的PMMA树脂，以上二者采用双料注塑的方法作一体注塑成形。

12.根据权利要求1至8任一所述的用于心率及血压监测仪的光学传感装置，其特征在于：

所述聚光窗口(2a)为菲涅尔结构透镜，该聚光窗口(2a)靠近所述发光器件(1)一侧为倾斜的平面；其远离所述发光器件(1)一侧为倾斜的菲涅尔面，包括至少一个透射面、以及一个或以上齿状反射面。

13.根据权利要求12所述的用于心率及血压监测仪的光学传感装置，其特征在于：

所述聚光窗口(2a)为透明的PMMA树脂，所述透光窗口(2b)为透明的PMMA树脂，以上二者采用双料注塑的方法作一体注塑成形，并且二者之间存在空气间隙。

14.根据权利要求1至7任一所述的用于心率及血压监测仪的光学传感装置，其特征在于，

所述聚光窗口(2a)为回转型的菲涅尔结构透镜，所述遮光黑框(4)为圆弧形，所述聚光窗口(2a)的透射面及齿状反射面为圆形。