CN106175740A - 具有高长宽比光电检测器元件的心率传感器 - Google Patents

具有高长宽比光电检测器元件的心率传感器 Download PDF

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Abstract

本申请案涉及一种具有高长宽比光电检测器元件的心率传感器。本文中讨论了包含高长宽比光电检测器元件的心率传感器。与并入有例如正方形光电检测器元件的心率传感器相比，此类高长宽比光电检测器元件为并入有此类光电检测器元件的心率传感器提供了改善的信号强度对功耗性能。

Description

具有高长宽比光电检测器元件的心率传感器
技术领域
本发明涉及一种心率传感器。更特定地说，本发明涉及一种具有光电检测器元件的心率传感器。
背景技术
心率可使用各种不同传感器中的任一者(包含(例如)基于电极的传感器(例如EKG传感器)及光学传感器(例如光体积描记(PPG)传感器))来测量。PPG传感器通常包含放置在人的皮肤附近的光源及光电检测器。光源及光电检测器通常经布置使得来自光源的光无法直接到达光电检测器。然而，当PPG传感器放置在人的皮肤附近时，来自光源的光可扩散到人的肉体中且接着从人的肉体往回发射使得光电检测器可检测到光。从人的肉体发射的此光的量可以依据心率变化而改变，这是因为存在于肉体中的血液的量依据心率变化而改变，且从人的肉体发射的光的量继而又依据所存在的血液的量的变化而改变。
本申请案的受让人Fitbit公司制作可穿戴式健康监测装置，其中的一些(例如，ChargeHRTM及SurgeTM)并有PPG传感器，所述PPG传感器包含近似分隔开8mm的两个高亮度的绿色发光二极管(LED)以及位于LED中间的2mm正方形光电检测器元件。制作可穿戴式健身监测装置的各种其它公司利用类似架构。例如，与Motorola Moto 360TM一样，Basis PeakTM并有两个绿色LED，其中正方形光电检测器元件位于所述两个绿色LED中间。
图1描绘并有PPG传感器的现有技术的腕带型可穿戴式健康监测器100的简化表示。在此实例中，可穿戴式健康监测器100包含附接有两个条带102的外壳104；条带102可用于以与手表几乎相同的方式(实际上，许多此类装置还可并有计时功能性)将外壳104紧固到人的前臂。在此实例中，PPG传感器包含两个光源108，其中光电检测器元件112在外壳104的背面128上插入在两个光源108中间；在此实例中，光电检测器元件112具有具备正方形长宽比的光敏区域。当可穿戴式健康监测器100被人以类似于腕表的方式穿戴时，背面128可被抵着人的皮肤按压，从而允许光源108照明人的皮肤。光电检测器元件112可接着测量接着从人的皮肤往回发出的所述光的量。外壳104内的控制逻辑(未描绘)可接着基于由光电检测器元件112测量的光量的波动计算人的心率。
发明内容
本说明书中描述的标的物的一或多个实施方案的细节在附图及以下描述中陈述。其它特征、方面及优点将根据所述描述、图式及权利要求书而将变得显而易见。注意，以下图式的相对尺寸不一定按比例绘制，除非具体指示为按比例绘制的图式。
在一些实施方案中，可提供一种具有光源及一或多个离散光电检测器元件的设备。每一光电检测器元件可具有具备第一长度的第一边缘，且还可具有沿垂直于第一边缘的方向的第一宽度。所述设备还可包含控制逻辑，其可与光源及每一光电检测器元件以通信方式连接，且经配置以使光源发光、从一或多个光电检测器元件获得一或多个经测量光强度测量且至少部分基于一或多个光强度测量确定心率测量。在此类实施方案中，每一光电检测器的第一长度与第一宽度的比可大致上介于2:1到5:1之间。
在一些此类实施方案中，每一光电检测器元件的第一边缘可垂直于或横向于从光源的中心向外辐射的轴。
在所述设备的一些实施方案中，光源可包含多个发光装置。
在一些此类实施方案中，多个发光装置可包含主要发射不同波长的光的至少两个发光装置。在一些进一步或替代性的此类实施方案中，可存在以某种图案布置的多个光电检测器元件，且多个发光装置可聚集在光电检测器元件的图案的中心点处。在一些此类实施方案中，所述图案中的每一光电检测器元件可与光源的中心等距及/或在所述图案内均匀地分隔开。
在所述设备的一些实施方案中，每一光电检测器元件的第一长度与第一宽度的比可大致上介于2:1到3.5:1之间。在所述设备的一些其它实施方案中，每一光电检测器元件的第一长度与第一宽度的比可大致上介于3.5:1到5:1之间。
在所述设备的一些实施方案中，每一光电检测器元件可具有介于1mm与5mm之间的第一长度及介于0.5mm与2mm之间的第一宽度，其中第一长度与第一宽度的比大致上介于2:1到5:1之间，且每一此光电检测器元件可经定位使得光电检测器元件最靠近光源的边缘与光源相距介于1mm与4mm之间的距离。
在所述设备的一些实施方案中，可存在包含绕光源等距分隔开的三个或四个光电检测器元件的光电检测器元件的图案。
在所述设备的一些实施方案中，所述设备还可包含具有背面的外壳，所述背面包含光可从其中穿过进入设备的一或多个透明窗口区。在此类实施方案中，每一光电检测器元件经定位使得光电检测器元件与一或多个透明窗口区中的对应者重叠，且外壳可经配置使得当所述设备被人穿戴时背面邻近于穿戴所述设备的所述人的皮肤。
在所述设备的一些此类实施方案中，背面可包含薄窗口，且窗口区可为由光电检测器元件界定的窗口的子区。在一些其它或额外的此类实施方案中，每一光电检测器元件可沿法向于光电检测器元件的方向与对应的透明窗口区偏离对应间隙，且间隙可无光学光导。
在所述设备的一些实施方案中，每一光电检测器元件除第一边缘之外还具有与第一边缘相对的拱形第二边缘。当沿垂直于第一边缘的方向测量时，拱形第二边缘可具有与第一边缘相距的最大距离，其等于第一宽度。
在一些实施方案中，可提供一种包含第一光源及第二光源以及插入在第一光源与第二光源之间的光电检测器元件的设备。所述设备还可包含控制逻辑，其与第一及第二光源及光电检测器元件以通信方式连接且经配置以使第一光源及第二光源发光、从光电检测器元件获得经测量光强度测量且至少部分基于光强度测量确定心率测量。在此类实施方案中，光电检测器元件可为矩形形状、具有具备第一长度的第一边缘，且具有垂直于第一边缘的具有第二长度的第二边缘。此外，在此类实施方案中，第一长度与第二长度的比可大致上介于2:1到5:1之间。
在一些此类实施方案中，每一光电检测器元件的第一边缘可垂直于或横向于横跨在第一光源的中心与第二光源的中心之间的轴。
在一些其它或额外的此类实施方案中，所述设备可包含具有背面的外壳，所述背面包含与光电检测器元件重叠的透明窗口区及各自与第一光源及第二光源中的不同者相关联且允许来自相关联的光源的光穿过背面的两个进一步窗口区。在此类实施方案中，第一光源及第二光源可为所述设备中经配置以将光发射穿过背面的唯一光源，且外壳可经配置使得当所述设备被人穿戴时背面邻近于穿戴所述设备的所述人的皮肤。
在所述设备的一些实施方案中，光电检测器元件可与第一光源及第二光源等距。
在一些实施方案中，可提供一种包含光源及一或多个光电检测器的设备，每一光电检测器具有光敏区域。在此类实施方案中，光电检测器的光敏区域的至少90％是由沿第一轴的第一尺寸及沿垂直于第一轴的第二轴的第二尺寸界定。在此类实施方案中，所述设备还可包含控制逻辑，其与光源及每一光电检测器以通信方式连接且经配置以使光源发光、从一或多个光电检测器获得一或多个经测量光强度测量且至少部分基于一或多个光强度测量确定心率测量。在此类实施方案中，第一尺寸与第二尺寸的比可大致上介于2:1到5:1之间。
在所述设备的一些实施方案中，光源可包含多个发光装置。在一些此类实施方案中，多个发光装置可包含主要发射不同波长的光的至少两个发光装置。在一些进一步或替代性的此类实施方案中，可存在以某种图案布置的多个光电检测器元件，且多个发光装置可聚集在光电检测器元件的图案的中心点处。在一些此类实施方案中，所述图案中的每一光电检测器元件可与光源的中心等距及/或在所述图案内均匀地分隔开。
在所述设备的一些实施方案中，每一光电检测器元件的第一长度与第一宽度的比可大致上介于2:1到3.5:1之间。在所述设备的一些其它实施方案中，每一光电检测器元件的第一长度与第一宽度的比可大致上介于3.5:1到5:1之间。
在所述设备的一些实施方案中，每一光电检测器元件可具有介于1mm与5mm之间的第一长度及介于0.5mm与2mm之间的第一宽度，其中第一长度与第一宽度的比大致上介于2:1到5:1之间，且每一此光电检测器元件可经定位使得光电检测器元件最靠近光源的边缘与光源相距介于1mm与4mm之间的距离。
在所述设备的一些实施方案中，可存在包含绕光源等距分隔开的三个或四个光电检测器元件的光电检测器元件的图案。
在所述设备的一些实施方案中，所述设备还可包含具有背面的外壳，所述背面包含光可从其中穿过进入设备的一或多个透明窗口区。在此类实施方案中，每一光电检测器元件经定位使得光电检测器元件与一或多个透明窗口区中的对应者重叠，且外壳可经配置使得当所述设备被人穿戴时背面邻近于穿戴所述设备的所述人的皮肤。
在所述设备的一些此类实施方案中，背面可包含薄窗口，且窗口区可为由光电检测器元件界定的窗口的子区。在一些其它或额外的此类实施方案中，每一光电检测器元件可沿法向于光电检测器元件的方向与对应的透明窗口区偏离对应间隙，且间隙可无光学光导。
在一些实施方案中，可提供一种包含光源及至少一个光电检测器元件的设备。所述设备还可包含控制逻辑，其与光源及每一光电检测器元件以通信方式连接，且经配置以使光源发光、从至少一个光电检测器元件获得至少一个经测量光强度测量且至少部分基于至少一个光强度测量确定心率测量。在此类实施方案中，至少一个光电检测器元件可对向于光源的中心处的大致上至少的角度，其中ri是从光源的中心到光电检测器元件的距离的测量，光电检测器元件的至少80％覆盖以光源的中心为中心且由ri及ro界定的环状区，且ro比ri大不超过2毫米。
在一些此类实施方案中，光源的中心处由至少一个光电检测器元件对向的角度可大致上至多为
在一些实施方案中，可提供一种包含经配置以主要发射具有500nm到600nm范围中的波长的光的光源以及具有中心开口的光电检测器元件的设备。所述设备还可包含控制逻辑，其与光源及光电检测器元件以通信方式连接，且经配置以使光源发光、从光电检测器元件获得经测量光强度测量且至少部分基于光强度测量确定心率测量。在此类实施方案中，光源可经定位以使将光发射穿过光电检测器元件的中心开口，且光电检测器元件可具有a)由第一边界界定的外围及b)界定中心开口的第二边界。
在一些此类实施方案中，第一边界及第二边界可形成环，第一边界可与第二边界径向地偏离第一距离，且第二边界的周长与第一距离的比可介于9.5:1到11.5:1之间。
在一些其它或额外的此类实施方案中，第一边界及第二边界可形成环，第一边界可具有介于3mm到5.5mm之间的直径，且第二边界可具有介于1mm到2.5mm之间的直径。
在所述设备的一些实施方案中，第二边界可为各自具有第二长度的N侧的规则多边形，且对于第二边界的N侧中的每一者，第一边界可沿源于光源的中心处且穿过第二边界的所述侧的中点的参考轴与第二边界的所述侧偏离第一距离。在此类实施方案中，对于N侧中的每一者，第二长度与第一距离的比可介于2:1到5:1之间。
在所述设备的一些实施方案中，每一光电检测器元件具有介于1mm与5mm之间的第一长度及介于0.5mm与2mm之间的第一宽度，其中第一长度与第一宽度的比大致上介于2:1到5:1之间，且经定位使得最靠近光源的光电检测器元件的边缘与光源相距介于1mm与4mm之间的距离。
在所述设备的一些实施方案中，光电检测器元件的图案包含绕光源等距分隔开的三个光电检测器元件。
在所述设备的一些实施方案中，光电检测器元件的图案包含绕光源等距分隔开的四个光电检测器元件。
在所述设备的一些实施方案中，所述设备进一步包括具有背面的外壳，所述背面包含光可从其中穿过进入设备的一或多个透明窗口区，其中：每一光电检测器元件经定位使得光电检测器元件与一或多个透明窗口区中的对应者重叠，且外壳经配置使得当所述设备被人穿戴时背面邻近于穿戴所述设备的所述人的皮肤。
在所述设备的一些实施方案中，背面包含薄窗口，且窗口区是由光电检测器元件界定的窗口的子区。
在所述设备的一些实施方案中，每一光电检测器元件沿法向于光电检测器元件的方向与对应的透明窗口区偏离对应间隙，且间隙无光学光导。
在所述设备的一些实施方案中，每一光电检测器元件除第一边缘之外还具有与第一边缘相对的拱形第二边缘，其中当沿垂直于第一边缘的方向测量时，拱形第二边缘具有与第一边缘相距的最大距离，其等于第一宽度。
在所述设备的一些实施方案中，所述设备包括：第一光源；第二光源；插入在第一光源与第二光源之间的光电检测器元件；及控制逻辑，所述控制逻辑与第一光源、第二光源及光电检测器元件以通信方式连接且经配置以：使第一光源及第二光源发光、从光电检测器元件获得经测量光强度测量且至少部分基于光强度测量确定心率测量，其中：光电检测器元件是矩形形状、具有具备第一长度的第一边缘，且具有垂直于第一边缘的具有第二长度的第二边缘，第一长度与第二长度的比大致上介于2:1到5:1之间。
在所述设备的一些实施方案中，每一光电检测器元件的第一边缘垂直于横跨在第一光源的中心与第二光源的中心之间的轴。
在所述设备的一些实施方案中，每一光电检测器元件的第一边缘横向于横跨在第一光源的中心与第二光源的中心之间的轴。
在所述设备的一些实施方案中，所述设备进一步包括具有背面的外壳，所述背面包含与光电检测器元件重叠的透明窗口区及各自与第一光源及第二光源中的不同者相关联且允许来自相关联的光源的光穿过背面的两个进一步窗口区，其中：第一光源及第二光源是所述设备中经配置以将光发射穿过背面的唯一光源，且外壳经配置使得当所述设备被人穿戴时背面邻近于穿戴所述设备的所述人的皮肤。
在所述设备的一些实施方案中，光电检测器元件与第一光源及第二光源等距。
在所述设备的一些实施方案中，所述设备包括：光源；一或多个光电检测器，每一光电检测器具有光敏区域，其中光敏区域的至少90％是由沿第一轴的第一尺寸及沿垂直于第一轴的第二轴的第二尺寸界定；及控制逻辑，所述控制逻辑与光源及每一光电检测器以通信方式连接且经配置以：使光源发光、从一或多个光电检测器获得一或多个经测量光强度测量且至少部分基于一或多个光强度测量确定心率测量，其中对于每一光电检测器：第一尺寸与第二尺寸的比大致上介于2:1到5:1之间。
在所述设备的一些实施方案中，光源包含多个发光装置。
在所述设备的一些实施方案中，多个发光装置包含主要发射不同波长的光的至少两个发光装置。
在所述设备的一些实施方案中，一或多个光电检测器包含以某种图案布置的多个光电检测器，且多个发光装置聚集在光电检测器元件的图案的中心点处。
在所述设备的一些实施方案中，每一光电检测器的第一尺寸与第二尺寸的比大致上介于2:1到3.5:1之间。
在所述设备的一些实施方案中，每一光电检测器的第一尺寸与第二尺寸的比大致上介于3.5:1到5:1之间。
在所述设备的一些实施方案中，一或多个光电检测器包含以某种图案布置的多个光电检测器，且所述图案中的每一光电检测器的光敏区域的中心与光源的中心等距。
在所述设备的一些实施方案中，所述图案中的光电检测器均匀地分隔开。
在所述设备的一些实施方案中，与每一光电检测器相关联的第一尺寸介于3mm与5mm之间且与每一光电检测器相关联的第二尺寸介于1mm与2mm之间，与此一致的是，第一尺寸与第二尺寸的比介于2:1到5:1之间，且每一光电检测器经定位使得最靠近光源的光电检测器的光敏区域的边缘与光源的中心相距介于1mm与4mm之间的距离。
在所述设备的一些实施方案中，光电检测器的图案包含绕光源等距分隔开的三个光电检测器。
在所述设备的一些实施方案中，光电检测器的图案包含绕光源等距分隔开的四个光电检测器。
在所述设备的一些实施方案中，所述设备进一步包括：具有背面的外壳，所述背面包含一或多个薄的透明窗口区，其中：每一光电检测器经定位使得所述光电检测器的光敏区域与透明窗口区中的对应者重叠，且外壳经配置使得当所述设备被人穿戴时背面邻近于穿戴所述设备的所述人的皮肤。
在所述设备的一些实施方案中，背面包含薄窗口，且窗口区是由一或多个光电检测器的光敏区域界定的窗口的子区。
在所述设备的一些实施方案中，每一光电检测器的光敏区域沿法向于光电检测器的方向与对应的透明窗口区偏离对应间隙，且间隙无光学光导。
在所述设备的一些实施方案中，所述设备包括：光源；至少一个光电检测器元件；及控制逻辑，所述控制逻辑与光源及每一光电检测器元件以通信方式连接，且经配置以：使光源发光、从至少一个光电检测器元件获得至少一个经测量光强度测量且至少部分基于至少一个光强度测量确定心率测量，其中：至少一个光电检测器元件对向于光源的中心处的大致上至少的角度，其中：ri是从光源的中心到光电检测器元件的距离的测量，光电检测器元件的至少80％覆盖以光源的中心为中心且由ri及ro界定的环状区，且ro比ri大不超过2毫米。
在所述设备的一些实施方案中，光源的中心处由至少一个光电检测器元件对向的角度大致上至多为
这些及其它实施方案参考图式及以下详述加以进一步详述。
附图说明
本文揭示的各个实施方案是通过实例方式但并非通过限制方式在附图的图式中加以说明，其中相同的参考数字是指类似元件。
图1描绘并有PPG传感器的现有技术的腕带型可穿戴式健康监测器的简化表示。
图2描绘根据实例实施方案的并有使用非正方形光电检测器元件的PPG传感器的腕带型可穿戴式健康监测器的简化表示。
图3是根据实例实施方案的用于从人的肉体获得心率信息的实例PPG传感器的经发射光强度及经检测光强度的理论绘制图。
图4描绘根据实例实施方案的从人的接近手腕的手臂上的尺寸为近似4.5mm宽乘以5mm高的矩形区发出的光的经测量AC功率强度的灰度绘制图。
图5描绘根据实例实施方案的图4的相同光强度图像映射，但是所述图式增加了高长宽比光电检测器元件的轮廓。
图6描绘根据实例实施方案的由于照射到16mm乘以16mm皮肤区的中心处的皮肤中的光而从所述区发出的光的AC强度或功率的模拟。
图7描绘根据实例实施方案的可测量AC光功率依据关于图6中所示的模拟的光电检测器占据面积长宽比变化的绘制图。
图8描绘根据实例实施方案的可测量AC光功率依据关于图6中所示的模拟的光电检测器占据面积长宽比变化的绘制图，但是光电检测器最靠近光源的中心的边缘与光源中心偏离2.6mm而非1.65mm。
图9描绘根据实例实施方案的呈直线的高长宽比(“HAR”)光电检测器元件的图。
图10描绘根据实例实施方案的大体上为矩形但拥有一些非矩形方面的HAR光电检测器元件的图。
图11描绘根据实例实施方案的除沿第一边缘的矩形切口之外类似于图10的HAR光电检测器元件的HAR光电检测器元件的图。
图12描绘根据实例实施方案的除作用区域大体上为矩形而又具有从矩形区域向外突出的“半岛”之外类似于图9的HAR光电检测器元件的HAR光电检测器元件的图。
图13描绘根据实例实施方案的为拱形形状的HAR光电检测器元件的图。
图14到17描绘根据若干实例实施方案的具有多个HAR光电检测器元件的实施方案的若干实例。
图18描绘根据实例实施方案的如图15中所示但光源中使用多个发光装置的PPG传感器光电检测器布局的实例。
图19描绘根据实例实施方案的实例光源及周围环形区。
图20描绘根据实例实施方案的从任意内半径ri之外发出的光强度的分数的绘制图，所述内半径ri落在具有内半径ri及如被指示为沿x轴的环宽的环形区的边界内。
图21描绘光源、HAR光电检测器及各种参考注释。
图22到24描绘根据各个实例实施方案的各种PPG传感器的简化表示的横截面。
图25描绘根据实例实施方案的中间具有光源的环形光电检测器元件的实例。
图26描绘根据实例实施方案的中间具有光源的多边形光电检测器元件的实例。
图27描绘根据实例实施方案的PPG传感器的高层次框图。
具体实施方式
本发明涉及PPG传感器，且更特定地说涉及经设计与可穿戴式生物特征监测装置(在本文又称为“生物特征跟踪装置”、“生物特征跟踪模块”、“可穿戴式健康监测器”等)一起使用的PPG传感器。本发明者确定在PPG传感器中使用非正方形光电检测器元件与通常利用正方形光电检测器元件的传统PPG设计相比可提供显著的性能提高。本发明者还确定如果需要可获得此性能提高，同时仍然维持本质上与传统PPG设计中的正方形光电检测器元件相同的功耗。
图2描绘了根据由本发明者实现且下文讨论的概念的实例实施方案的并入有使用非正方形光电检测器元件的PPG传感器的腕带型可穿戴式健康监测器200的简化表示。在此实例中，可穿戴式健康监测器200共享与现有技术的可穿戴式健康监测器100所共有的许多组件，其包含控制逻辑、外壳104及条带102、背面128及两个光源108。然而，可穿戴式健康监测器200是以代替光电检测器元件112的具有非正方形作用区域的光电检测器元件212为特征。
如上文所讨论，PPG传感器通过将光照射到人的皮肤中而操作。此光扩散通过人的肉体，且此光的一部分接着从紧邻光被引入到肉体中之处的人的皮肤往回发射；从人的肉体往回发射的光的量随着与光源相距的距离增加而衰减。当将明亮的笔灯或其它集中式光源抵着皮肤固定时可看见此效果；其中光源接触皮肤的区域周围的肉体将由于扩散光而变成红色或橙色。虽然对于人眼不可感知，但是从人的皮肤中发出的此光的量将与人的心率同步波动。当人的心脏跳动时，人的血管随着心脏脉动施加压力于人的血液上而与心脏同步膨胀及收缩，这继而又导致人的血管中的循环压力增加。当血管膨胀时，其允许更多血液流入血管中，这导致人的肉体的给定区中存在的血液的量随着人的心率的节奏波动。这继而又导致来自光源且从肉体往回发出的光的量波动。心率接着可通过经由上述扩散机构测量从人体中发出的光的量来确定。此经测量光可具有两个分量-保持恒定的分量(即，通常从皮肤发出且与心率无关的光)及随着心率波动的分量。保持恒定的光在本文可称为“DC”，因为其可被认为在一些方面类似于直流电(因为其随时间保持相对恒定)。波动的光在本文可称为“AC”，因为其可被认为类似于交流电(因为其随时间相对规则地波动)。典型的心率可能在从每分钟搏动50次(BPM)到200bpm的范围中，且光的AC分量可具有映射到心率频率的频率。
一般来说，经检测光的AC分量(在本文可称为“AC光学功率”或更一般地简称为“光强度”)的量值可远小于DC分量，这是因为扩散到人的皮肤中且接着被发出的大量光仍然将会发出，而与归因于心跳而存在的血液的量的变化无关。然而，主要关注AC分量，因为其指示心率。
图3是根据实例实施方案的从人的肉体获得心率信息的实例PPG传感器的经发射光强度及经检测光强度的理论绘制图。应了解，图3不一定按比例绘制且不描绘实际数据；其仅仅旨在辅助读者理解经检测光信号的AC分量及DC分量之间的差异。在图3中，水平轴指示时间，且垂直轴指示光强度。如可知，光在此实例中是以恒定值350发射到人的肉体中。接着由光电检测器元件测量从人的皮肤发出的光；此经测量光强度被描绘为数据迹线348。数据迹线348可被分割为不随时间波动的DC分量346及随时间波动的AC分量344。
如上所述，常规的PPG传感器可包含位于光源附近(或在许多情况中，位于两个或两个以上光源附近)的正方形光电检测器元件。本发明者确定此布置在依据潜在功耗变化的信号收集方面是低效的。例如，光电检测器通常包括单个光敏横向区域(例如，平行于光电检测器裸片顶面、提供指示在任何给定时刻入射在光敏单元上的光的总量的输出信号的区域)。此光电检测器所消耗的功率量与光电检测器的光敏区域的大小直接相关。本发明者确定，对于正方形光电检测器元件，极大百分比的光电检测器元件可位于其中与其中定位光电检测器元件的其它部分的位置相比发出极低量的AC光的位置中。此效果关于如下文陈述的一些图进行更详细地讨论。
图4描绘了根据实例实施方案的从人的接近手腕的手臂上的尺寸为近似4.5mm宽乘以5mm高的矩形区发出的光的经测量AC功率强度的灰度绘制图。光源408位于X＝0mm及Y＝0mm处且将光照射到人的臂中；往回发出的光的强度被反映在图像中的阴影中(最大及最小光强度归因于使用黑白墨水的限制表现为类似的-应了解，光强度在图像的左侧处是最大的且接着在图像的右边缘处下降到最低强度)。图4中使用的光源是1.9mm直径的绿色波长LED，但是其产生的照明光束集中在小于直径1.9mm的区域中。图4是基于针对受试人获取的实际图像数据；因而，其包含导致所检测的光强度不对称的各种缺陷，例如头发。此实例中使用的光源发射主要在515mm到545mm范围中的光，即，主要是绿光。
矩形区已被划分为十二个矩形格子；每一格子中的数目指示总格子区域内可归属于所述特定格子的总AC光强度的分数(又称为“功率分数”)。因此，左下角中的格子得到从总共十二个格子发射的总AC光强度或功率的20％，而紧靠在所述格子右侧的格子在所述区内只得到总AC光强度或功率的9％。
图4还描绘了与光源中心间隔近似2.5mm的典型正方形光电检测器元件的占据面积442。如本文所使用，术语“光电检测器元件”、“作用区域”、“作用区”、“光敏区域”及“占据面积”(关于光电检测器)全部是指光电检测器的相同部分，即，可实际上检测入射在光电检测器上的光的光电检测器的区域。应了解，光电检测器还可包含在作用区域外侧的其它组件，例如与光电检测器元件交互以提供功率或产生信号输出的互连件、电路、专用集成电路(ASIC)等。这些其它组件并未被视为光电检测器元件的部分。因此，带有2mm乘以2mm正方形光电检测器元件的光电检测器(其具有位于光电检测器元件的一个边缘附近的1mm乘以2mm的ASIC)可能具有3mm乘以2mm的总大小(其将为矩形)，但是所述光电检测器的光电检测器元件将并非为矩形，因为ASIC并非光电检测器元件的部分。还应了解，本文对“正方形”光电检测器的引用是指具有正方形光电检测器元件的光电检测器，而与整个光电检测器所具有的长宽比无关。类似地，本文对“矩形”或“非正方形”光电检测器的引用应被理解为分别指代具有矩形或非正方形光电检测器元件的光电检测器，而与光电检测器是否整体具有正方形形状无关。
归因于正方形光电检测器元件的长宽比及定位，一半以上的作用区域只能够测量来自最右侧的六个格子的光，其只表示总格子区域中的可用AC功率的14％。正方形光电检测器元件将甚至不会收集来自所述最右侧六个格子的所有可用光，因为其只与所述最右侧六个格子中的一者完全重叠-只有从最右侧六个格子中的剩余五个格子中发出的光的部分将可由正方形光电检测器元件收集。如所示，正方形光电检测器元件可只能够测量跨全部十二个格子发射的可用光强度的约20％。
即使正方形光电检测器元件被移位到左侧使得最靠近光源的边缘位于与光源中心相距近似1.85mm之处，正方形光电检测器元件的近似40％将仍然只能够测量来自最右侧六个格子的光。在此情况中，正方形光电检测器元件可收集12个格子中可用的AC光学功率的大概50％。
本发明者确定可通过偏离常规PPG传感器的光电检测器元件中使用的典型正方形(或近似正方形)长宽比来实现显著的性能提高。更具体地说，本发明者确定与具有相同作用区域的正方形光电检测器相比，使用高长宽比光电检测器元件可提供可由光电检测器测量的AC光的量的显著提高而不会引起显著的功耗惩罚。如本文所使用，术语“高长宽比”(或“HAR”)光电检测器是指非正方形光电检测器，其中在本文可称为“所关注的作用区域”的光电检测器元件作用区域的至少90％沿第一轴的最大第一尺寸的大小是光电检测器元件沿垂直于或正交于第一轴的第二轴的最大第二尺寸的至少两倍；第二轴平行于从与光电检测器一起使用以形成PPG传感器的光源的中心发出的光线，且第一轴垂直于所述光线。最大第一尺寸可被认为是均平行于从光源的中心发出的光线且穿过在垂直于光线的方向上最远离光线的所关注的作用区域的相对端的两条线之间的距离。最大第二尺寸对应地可被认为是均垂直于从光源的中心发出的光线且穿过最远离及最靠近光源的中心的所关注的作用区域的相对端的两条线之间的距离。“最大第一尺寸”在本文及权利要求书中还可被称为HAR光电检测器的“高度”或“长度”，且“最大第二尺寸”在本文及权利要求书中还可被称为HAR光电检测器的“底边”或“宽度”。
应了解，虽然本文讨论的实例是以具有垂直于从PPG传感器光源向外延伸的光线的长轴的HAR光电检测器元件为特征，但是可通过利用并非严格垂直(例如，与垂直相距±10°)的类似大小的光电检测器元件实现类似性能优势。更一般来说，本文讨论的概念可使用HAR光电检测器元件来实践，所述HAR光电检测器元件经布置使得此类HAR光电检测器元件的长轴横向于从光源的中心向外辐射的光线。
图5描绘根据实例实施方案的图4的相同光强度图像映射，但是所述图式增加了高长宽比光电检测器元件的轮廓。所示的HAR光电检测器元件轮廓具有近似2.8:1的高度与宽度长宽比，且完全与最左侧六个格子重叠，所述最左侧六个格子表示总格子区域中的可用AC功率的近似85％。因此，图5中所示的HAR光电检测器元件能够收集的光是图4中所示的正方形光电检测器元件能够收集的光的将近四倍。HAR光电检测器能够提供此类改善的光收集能力，同时仍然具有与图4的正方形光电检测器基本上相同的作用区域。例如，正方形光电检测器元件可具有近似7mm2的作用区域，且HAR光电检测器元件可具有近似7mm2的作用区域。因此，由正方形光电检测器及HAR光电检测器消耗的功率将近似相等，因为其具有相同作用区域。因此，在图5中所示的实例模拟中，HAR光电检测器与如图4中所述的传统正方形光电检测器实施方案相比在所收集的AC功率方面提供了300％的改善，同时实际上无需额外功率来得到此改善。
图6描绘根据实例实施方案的由于照射到16mm乘以16mm皮肤区的中心处的皮肤中的光而在所述区内发出的光的AC强度或功率的模拟。在图6中，示出了两个光电检测器作用区域占据面积642-一个是正方形光电检测器占据面积652且一个是HAR光电检测器占据面积654。这两者均具有7.5mm2的面积(其是Fitbit Charge HRTM及SurgeTM产品中使用的正方形光电检测器的光敏区域的面积)且经定位使得最靠近光源的边缘与光源中心偏离1.65mm。图6中的点刻密度提供相对强度的指示-点刻密度越高，光强度就越高(中心区并未被点刻，因为此区域实际上是光从其中穿过而被引入到皮肤中的区加上某个缓冲区，且其不适用于获得光强度测量)。如可知，HAR光电检测器占据面积654与较高密度的点刻/光强度区重叠的比例远高于正方形光电检测器占据面积652与较高密度的点刻/光强度区重叠的比例。
图7描绘根据实例实施方案的可测量AC光功率依据关于图6中所示的模拟的光电检测器占据面积长宽比变化的绘制图。垂直轴表示可由光电检测器测量的AC光功率，且水平轴表示光电检测器的长宽比；垂直轴已经正规化使得1:1长宽比光电检测器提供值为1的可测量AC光功率。如可知，通过利用HAR光电检测器(例如具有2:1或3:1的长宽比的光电检测器)，可由HAR光电检测器测量的AC光的量与正方形光电检测器相比可增加多达20％。此是低于上文关于图5讨论的性能增加的性能增加，但是就PPG传感器的功耗效率来说仍然是显著的。在模型化案例中，具有介于3:1与4:1之间的长宽比的HAR光电检测器在此方面提供最高性能。如本文所使用，关于范围的术语“介于……之间”是用来指示包含范围的上限及下限的范围。因此，在以上实例中，3:1及4:1的长宽比将包含在“介于3:1与4:1之间”的范围中。此惯例在本文及权利要求书中使用。可关于使用“到”来描述暗示范围进行相同观察，例如“3:1到4:1的比”将意指“介于3:1到4:1之间”且3:1及4:1将包含在此范围中。
图8描绘根据实例实施方案的可测量AC光功率依据关于图6中所示的模拟的光电检测器占据面积长宽比变化的绘制图，但是光电检测器最靠近光源的中心的边缘与光源中心偏离2.6mm而非1.65mm。垂直轴表示可由光电检测器测量的AC光功率，且水平轴表示光电检测器的长宽比；垂直轴已经正规化使得1:1长宽比光电检测器提供值为1的可测量AC光功率。如可知，当使用与光源的间隔进一步增加的HAR光电检测器时可观察到类似性能增加，但是性能增加稍微更加明显，例如对于具有3:1到5:1的长宽比的HAR光电检测器来说性能增加多达～27％。
鉴于上文，在一些实施方案中，PPG传感器可利用具有介于2:1与5:1之间的长宽比的一或多个HAR光电检测器元件。在一些实施方案中，PPG传感器可利用具有介于2:1与7:2之间的长宽比的一或多个HAR光电检测器元件，且在一些其它实施方案中，PPG传感器可利用具有介于7:2与5:1之间的长宽比的一或多个HAR光电检测器元件。应了解，HAR光电检测器元件可具有大致上落在本文讨论的长宽比之间的比例，在此点之前及之后，(例如)HAR光电检测器元件还可具有将满足此类长宽比的尺寸的±0.1mm内的尺寸，或具有此类长宽比的±0.1mm内的长宽比，例如，对于2:1到5:1长宽比范围，具有1.8:1或5.5:1的长宽比的HAR光电检测器元件可被视为具有大致上在介于2:1与5:1之间的长宽比之间的长宽比。
当根据如下文更详细地讨论的一或多个指导原则布置及调整大小时，HAR光电检测器可增加有效性。
如先前提及，HAR光电检测器的作用或光敏区域的至少90％沿第一轴的最大第一尺寸的大小可为作用或光敏区域沿垂直于或正交于第一轴的第二轴的最大第二尺寸的至少两倍；第二轴平行于从与光电检测器一起使用以形成PPG传感器的光源的中心发出的光线，且第一轴垂直于所述光线。此概念在下文参考若干图式进行更详细讨论。
图9描绘根据实例实施方案的呈直线的HAR光电检测器元件912的图。如可知，HAR光电检测器元件912的作用区域是矩形的且具有沿垂直于从光源908的中心发出的光线956的轴的第一尺寸986及沿平行于光线956的轴的第二尺寸988；第一尺寸986及第二尺寸988因此彼此正交。在此情况中，HAR光电检测器元件912具有其中作用区域总体上具有比第二尺寸988大三倍的第一尺寸986的形状因数，即，HAR光电检测器元件912的作用或光敏区域的100％具有大小为最大第二尺寸的至少两倍(在此情况中，三倍)的最大第一尺寸。
在此特定实例中，HAR光电检测器元件912是矩形元件，其在制造良率方面是最有效形状，因为此类光电检测器元件可通过仅仅以与制造正方形光电检测器元件几乎相同方式(仅仅具有不同切割间距)以矩形方格切割具有用于光电检测器元件的必需半导体元件的半导体晶片而制成。
如本文所述的HAR光电检测器还可呈除简单矩形之外的HAR形状。下文更详细地讨论此类替代光电检测器元件的若干实例。
图10描绘根据实例实施方案的大体上为矩形但拥有一些非矩形方面的HAR光电检测器元件1012的图。HAR光电检测器元件1012可具有最靠近光源1008的第一边缘及与第一边缘相对的拱形第二边缘。如果考虑HAR光电检测器元件1012的整个作用区域，那么应明白，HAR光电检测器元件1012具有具备最大第一尺寸1090及最大第二尺寸1092的作用区域，这与HAR光电检测器元件912相同。因此，经描绘HAR光电检测器元件1012还将被视为具有3:1的长宽比。
图11描绘根据实例实施方案的类似于图10的HAR光电检测器元件但具有沿第一边缘的矩形切口的HAR光电检测器元件1112的图。虽然此光电检测器元件的作用区域不同于图9及10的光电检测器元件，但是HAR光电检测器元件1112的作用区域仍然具有比作用区域的最大第二尺寸1192大三倍的最大第一尺寸1190。
图12描绘根据实例实施方案的类似于图9的HAR光电检测器元件的HAR光电检测器元件1212的图，但HAR光电检测器元件1212的作用区域大体上为矩形而又具有从矩形区域向外突出的“半岛状物”。在此情况中，如果考虑光电检测器的作用区域的100％，那么最大第一尺寸1290及最大第二尺寸1292'将在技术上相同，这将导致1:1的长宽比。然而，如果省略半岛的作用区域，那么光电检测器元件1212的作用区域(例如，所关注的作用区域1294)的剩余90％(由对角线交叉影线指示)具有比最大第二尺寸1292大三倍的最大第一尺寸1290。因此，此光电检测器元件1212在本文所述的条件下可被视为HAR光电检测器元件。
图13描绘根据实例实施方案的为拱形形状的HAR光电检测器元件1312的图。在此情况中，HAR光电检测器元件1312具有具备比最大第二尺寸也大三倍的最大第一尺寸的作用区域。
为了清楚起见，图9到13中所示的光电检测器元件的所有实例均可被分类为HAR光电检测器元件，因为此类光电检测器元件中的每一者的作用或光敏区域的至少90％具有沿第一轴的最大第一尺寸，其中第一轴垂直于从PPG传感器的光源的中心发出的光线，所述最大第一尺寸的大小是作用或光敏区域沿垂直于或正交于第一轴的第二轴的最大第二尺寸的至少两倍。当然，存在可被视为HAR光电检测器元件的其它形状及实例的光电检测器元件，这与以上讨论是相称的。
一般来说，虽然只需要一个光源及一个光电检测器元件来构造PPG传感器，但是包含多个光源或发光装置及/或多个光电检测器元件可提供增加的灵敏度，但是以增加功耗为代价。
如果使用多个发光装置，那么例如其可如图1及2中所示般彼此分隔开或可紧密地分组。在一些实施方案中，所有此类光源均可为相同类型的光源。然而，在一些其它实施方案中，不同类型的光源可用于一些或所有光源。例如，可希望利用主要发射绿色光谱中的光的LED以用于检测心率的目的，因为从人的皮肤往回发射的光的波动在绿色光谱中可能更加明显。同时，光体积描记技术还可用来测量除心率之外的其它生理参数，例如血氧水平。在此类情形中，可希望利用主要发射红色或红外线光谱中的光的LED以用于此类目的。因此，可希望包含各自能够发射不同波长的光的单独发光装置；每一发光装置可用来为不同类型的光体积描记测量供应光。在一些实施方案中，这些发光装置或光源可分布在整个PPG传感器面中-例如，图2的左侧上的光源108可为绿色波长LED，且图2的右侧上的光源108可为红色或红外线波长LED。在一些其它实施方案中，发光装置可紧密地集群在一起(例如，彼此相隔一毫米或两毫米或更小)；在此类实施方案中，经集群发光装置可被视为具有中心点的单个光源，所述中心点(例如)与当集群中的所有发光装置同时发光时发光装置的集群的光强度分布的质心相关联，或与集群中的所有发光装置的平均位置相关联。对于具有单个发光装置的光源，光源的中心被理解为对应于通常与所述发光装置的光强度分布的质心(例如，通常是LED的中心)相关联的点。应了解，如本文所使用的术语“发光装置”是指单个离散发光装置(例如单个LED或激光二极管)，且如本文所使用的术语“光源”是指通常被视为单元的一或多个发光装置，所述一或多个发光装置(例如)足够紧靠在一起使得当发光装置的群组中的发光装置全部同时发光且观察者与发光装置相距近似2英尺到3英尺时观察者将不能辨认所述群组中的发光装置之间的间隙(这假设发光装置发射观察者可见的光谱中的光；对于发射不可见光谱中的光(例如，红外线)的发光装置，此评估可基于当此类发光装置替代地发射可见光时此类发光装置之间的间隙是否将在2英尺到3英尺的距离处可见)。
以例如图1中所示的实例的正方形光电检测器元件为特征的常规PPG传感器可利用包围光电检测器元件的两个光源以使得可缓解图4中显而易见的照明强度的下降-在此布置中，沿图4的经描绘区域的左边缘的光强度可沿经描绘区域的右边缘成镜像，导致邻近于正方形光电检测器中间的较低强度的光的谷部分，但是正方形光电检测器的左边缘及右边缘可看到增加的光强度。然而，这要求对两个而非一个LED供电，从而实际上将可归属于光源的功耗加倍。
本发明者确定在一些情况中，利用HAR光电检测器元件可提出比包含多个光源的常规方法更具功率效率的用于实现增加的传感器性能的技术，这是因为HAR光电检测器元件及单个光源可实现可相当于或优于具有多个光源的正方形光电检测器的性能的性能-从而避免使用额外的光源(且避免其将引起的额外功耗)。
本发明者还确定在一些情况中可通过将多个HAR光电检测器布置在围绕光源的阵列或图案中来得到PPG传感器性能的进一步增加。因为相同光源可向多个HAR光电检测器提供光，所以在此类实施方案中与只具有一个光电检测器元件的实施方案相比存在很少或不存在可归属于光源的额外功耗。此类HAR光电检测器元件的使用还可增加PPG传感器的信号对环境噪声比。
图14到16描绘若干根据实例实施方案的具有多个HAR光电检测器的实施方案的若干实例。在图14中，示出了两个HAR光电检测器元件1412，其中光源1408插入所述两个HAR光电检测器元件1412中间。在图15中，示出了以光源1508为中心的圆形阵列中的三个HAR光电检测器元件1512。类似地，在图16中，四个HAR光电检测器元件1612布置在围绕光源1608的圆形阵列中。此类图案或阵列中的HAR光电检测器元件无需等距间隔，如图14、15及16中的实施方案所示一样。例如，三个元件的阵列可通过从图16中所示的阵列移除光电检测器元件1612中的一者而形成。此图案或阵列内的光电检测器元件也无需全部具有相同大小及形状。例如，图16中的上部及下部光电检测器元件1612可能具有5:1的长宽比，且图16中的左侧及右侧HAR光电检测器元件1612可能具有3:1的长宽比(其是所描绘的实际长宽比)。图17描绘光电检测器元件的另一实例布置。在图17中，上部及下部HAR光电检测器元件1612 16可具有2:1的长宽比，且左侧及右侧HAR光电检测器元件1612可具有3:1的长宽比；在一些此类实施方案中，较短的光电检测器元件(例如，所描绘的实例中2:1长宽比的光电检测器元件1712)可经定位使得其较短边缘的中点大体上沿跨越较长光电检测器元件(例如，所描绘的实例中3:1长宽比的光电检测器元件1712)的短边缘的线定位。在涉及多个HAR光电检测器元件的一些PPG实施方案中，HAR光电检测器元件可占据具有1mm的环宽的光源周围的环状区的50％以上。
图18描绘根据实例实施方案的如图15中所示但光源中使用多个发光装置的PPG传感器光电检测器布局的实例。如本文先前讨论，PPG传感器可利用一或多个光源，其中的每一者可包含一或多个发光装置。如可知，光源1808包含两个发光装置1810，其可为(例如)表面安装LED，一个主要发射绿色波长光且另一个主要发射红色波长光。两个发光装置1810可界定位于它们中间的中心点1866，且可被组合地视为形成光源1808。应了解，发光装置1810可单独操作且在实际使用期间无法同时通电。因此，当发光装置1810开启时光电检测器元件1812的阵列可不表现为以任一发光装置1810的中心为中心，但尽管如此，光电检测器元件1812的阵列可被视为以光源1808中心。
本发明者进一步确定在至少一些实施方案中，HAR光电检测器元件可调整大小使得其宽度或HAR光电检测器元件的作用区域的至少90％的第二最大尺寸介于近似0.5mm与1mm之间；在这些实施方案的一些实施方案中可存在与此范围的一定偏离，例如其中此尺寸在0.45mm与1.1mm之间的范围中的HAR光电检测器元件。
一般来说，从人的皮肤发出的来自于PPG光源的光的光强度以轴向对称方式随着与光源的中心相距的距离增加而下降(这假设单个光源PPG传感器)。因此，光源可由各自与不同的平均光强度对应的多个同心、环状区包围。本发明者分析此类环状区的特性且确定与特定环状区的内半径无关，在环状区的内半径之外的可用的经发出光的可用功率或强度的近似80％发生在内半径的1mm内。因此，具有近似1mm的环宽的特定环状区将得到在所述环状区的内半径之外可用的光强度/功率的近似80％。为了清楚起见，环状区的“环宽”(w)等于环状区的外半径(ro)减去环状区的内半径(ri)。此在图19中加以说明，图19示出了根据实例实施方案的光源1908及周围环状区1958；指示环状区1958的内半径ri、外半径ro及环宽。图20描绘根据实例实施方案的从任意内半径ri之外发出的光强度的分数的绘制图，所述内半径ri落在具有内半径ri及如沿x轴指示的环形宽度的环形区的边界内。如可知，可用光强度的近似80％落在内半径ri之外及1mm的内半径ri之内。
本发明者确定，鉴于此1mm区域内的经发出光强度的高集中度，调整HAR光电检测器的大小以便具有近似1mm宽度或更小宽度或使得上文引用的第二尺寸为近似1mm或更小在一些实施方案中可提供PPG传感器中的增强的性能。
在一些实施方案中，HAR光电检测器元件可经调整大小及布置以满足某些几何约束。例如，在一些实施方案中，HAR光电检测器元件的大小可受如下文关于图21进一步描述的某些几何关系约束。图21描绘光源、HAR光电检测器及各种参考注释。在图21中，HAR光电检测器元件2112被示为经定位与光源2108相距距离ri。具有内半径ri及外半径ro的环状区2158可以光源2108为中心。一般来说，在此类实施方案中对于环状区2158来说，ri与ro之间的差可小于或等于2mm。除上文所述的ri与ro之间的关系之外，如所示，HAR光电检测器元件2112可对向于光源中心处的角度θ。在此类情况中，HAR光电检测器可调整大小使得a)环状区2158与HAR光电检测器元件2112之间存在至少80％的重叠(重叠在图21中是由对角线交叉影线指示；在此实例中，HAR光电检测器2112的近似86％与环状区2158重叠)，且b)角度θ是至少：
2 · arctan ( 1 r i ) r a d i a n s
在一些进一步实施方案中，HAR光电检测器2112可经进一步调整大小使得角度θ不大于：
2 · arctan ( 2.5 r i ) r a d i a n s
图22到24描绘根据各个实例实施方案的各种PPG传感器的简化表示的横截面。图22到24中的每一者中的类似组件是由具有共同的最后两个数字的数字指示符指示，且可只关于图22描述一次；然而，此描述也可适用于图23及24中的对应元件。
在图22中，衬底2272支撑位于光源2208的任一侧上的两个HAR光电检测器元件2212。窗口2278偏离衬底2272。在此实施方案中，窗口2278是由半透明或透明材料(例如透明丙烯酸)制成，其中模内标签2276嵌入于其内。模内标签2276可为黑色的或以其它方式呈现为对光不透明以防止光(除通过窗口区2226之外)通过窗口2278进入或离开PPG传感器。在其它实施方案中，可使用例如施加于窗口2278的喷漆或丝网印刷掩模的其它掩蔽技术。与使用哪种技术无关，模内标签2276或掩蔽均可防止来自其它光源(例如，环境光)的杂散光到达HAR光电检测器元件2212并影响由PPG传感器获得的心率信号。当获得心率测量以允许来自光源2208的光照射通过其相关联的窗口区2226且进入人的皮肤中时，可抵着人的皮肤固定窗口2278(例如通过用条带固定在适当位置中)，其中光接着扩散到周围肉体中并接着从人的皮肤往回发射且通过与HAR光电检测器元件2212相关联的相应窗口区2226进入HAR光电检测器元件2212。
为了减小来自光源2208的光在未首先通过人的皮肤扩散的情况下到达HAR光电检测器元件2212中的任一者的可能性，光源2208可通过壁2274与PPG传感器内的HAR光电检测器元件2212分离，壁2274可延伸到窗口2278或可未到达窗口2278。在一些实施方案中，粘附性间隙填充物(例如，黑色硅胶)可用来将壁2274与窗口2278之间的任何间隙桥接。在一些实施方案中，间隙2280可存在于窗口2278与HAR光电检测器元件2212之间，但是在其它实施方案中，此间隙可被消除且HAR光电检测器元件2212可邻接窗口2278。壁2274可防止来自光源2208的光通过遵循完全在PPG传感器的外壳内的路径到达HAR光电检测器元件2212。如可知，光从其中穿过到达HAR光电检测器元件2212的窗口区2226各自与其相应的HAR光电检测器元件2212重叠。在经描绘实例中，窗口区2226与其相应的HAR光电检测器元件2212彼此共同延伸，但是在其它实施方案中，窗口区2226可小于或大于其相应的HAR光电检测器元件2212，例如以适应组装公差失配。
图23描绘除窗口2378不包含任何掩蔽(例如，呈模内标签(例如模内标签2276)的形式)之外类似于图22的PPG传感器的PPG传感器实施方案。在图23中，壁2374还延伸到更靠近窗口2378。在图23中，窗口2378在整个经描述跨度内光学透明。
图24描绘除连续窗口2278及2328已用离散窗口2478替换之外类似于图22及23的PPG传感器实施方案的PPG传感器实施方案。在此实施方案中，每一窗口2478可具有其自身的与光源2408或HAR光电检测器元件2412中的不同者重叠的窗口区2426。在此类实施方案中，窗口2478可经胶合或以其它方式固定在可供应壁2474的框架内的适当位置中。替代地，窗口2478可通过使用透明可流动材料(例如环氧树脂)填充由壁2474及其它周围结构形成的凹口且接着允许可流动材料固化并硬化而形成。在此类实施方案中，间隙2480可不存在，因为可流动材料可囊封HAR光电检测器元件2412。
与提供窗口区2226、2326或2426的特定方式无关，窗口区与HAR光电检测器元件重叠使得经由窗口区进入PPG传感器的光与涉及迫使光以平行于窗口的方向行进(如可使用各种类型的透明光导进行)的路线相比通常采用到HAR光电检测器元件的直接路线。如本文关于PPG传感器所使用的短语“光学光导”是指特定类型的光学结构，所述光学结构将通过表面进入表面的第一区内的光改向或传送使得大多数所述光以大体上横向于表面的方向传送到与沿表面偏离第一区的表面的第二区重叠的区域。如本文所使用的术语，光学光导不与其它光学结构(例如，可放置在HAR光电检测器元件上方以提高收集效率的微透镜阵列或透镜、可使穿过窗口的光稍微折射但不以显著方式沿横向于表面的方向将光传送或改向的光学窗口、可仅仅将某些波长的光滤波的光学滤波器等)混淆。在本文讨论的PPG传感器的一些实施方案中，无需光学光导，因为HAR光电检测器元件通常与窗户区重叠。
以上概念已主要关于发射绿光(例如，500nm到550nm的范围中的波长)的光源进行讨论，但是预期本文讨论的光电检测器元件概念可利用主要发射500nm到600nm范围中的光(包含黄色光以及某种明亮的橙色光)的光源得到类似性能。发射绿色光谱中的光的光源尤其非常适于用于测量心率的光体积描记技术。相比之下，例如用于测量血氧水平的技术的其它光体积描记技术在使用明显不同波长(例如，在红色波长(例如，660nm)或红外线光谱中)的光的情况下可能是最有效的。本文讨论的长宽比及尺寸值是基于绿色/黄色光谱而定制且不适合在其它光谱(例如红色或红外线光谱)中使用。
虽然本文讨论的概念被认为可适用于各种不同大小的光电检测器，但是概念尤其可适用于用于可穿戴式健康监测装置的PPG实施方案。一般来说，通常经设计成作为手链或腕带穿戴的此类装置具有小的外壳，所述外壳具有与人的皮肤接触的有限区域。因此，在此类实施方案中，PPG传感器的光源及光电检测器元件可如何布置及调整大小存在实际上限。一般来说，此类实施方案的光源及光电检测器元件可经布置使得光电检测器元件经定位使得最靠近光源的边缘经定位成与光源的中心或边缘相距1mm到4mm之间。然而，应了解，本文讨论的实施方案可在实现与光源中心相距更近或更远间距(例如，比1mm更靠近或比4mm离的更远的间距)的产品中使用。
在一些实施方案中，可在PPG中使用的HAR光电检测器元件可经定位使得最靠近PPG传感器的光源的边缘与光源的中心偏离1mm与4mm之间且可调整大小使得其具有大致上介于1mm与5mm之间的最大第一尺寸及大致上介于0.05mm与2mm之间的最大第二尺寸，同时符合最大第一尺寸与最大第二尺寸的长宽比(大致上介于2:1到5:1之间)。
虽然光电检测器元件可经定位使得其最靠近边缘与光源的中心相距4mm以上，但是这样做可证实为适得其反，因为可需要较高强度的光源来确保足够多的光跨越增加的距离而扩散以在光电检测器处获得足够强的信号。因为较高强度的光源将通常消耗额外功率，此折衷在可穿戴式健康监测器背景中可为非所需的。
除本文讨论的HAR光电检测器之外，可通过使用通常环绕光源且在光源的中间具有中心开口以供光源照射穿过的非HAR及非正方形光电检测器元件实现相对于用于心率测量的基于正方形光电检测器的PPG的性能增加。一般来说，此类光电检测器元件可具有由第一边界界定的外围及第一边界内界定中心开口的第二边界。图25及26描绘此类PPG传感器的两个实例实施方案。
图25描绘根据实例实施方案的在中间具有光源2508的环状光电检测器元件2512的实例。环状光电检测器元件2512可具有由第一边界2532界定的外围及由第二边界2534界定的中心开口；第一边界2532及第二边界2534可沿环状区域的半径彼此偏离第一距离2584。光源2508可为主要发射500nm与550nm之间或500nm与600nm之间的波长中的光的绿色波长光源。此光电检测器元件2512可调整大小使得第二边界2534的周长与第一距离2584的比介于9.5:1与11.5:1之间。在一些实施方案中，环状光电检测器元件2512可调整大小使得第一边界具有介于3mm到5.5mm之间的直径，且第二边界具有介于1mm到2.5mm之间的直径。此类参数被认为当与绿色波长光一起使用时提供良好的聚光性能以用于心率测量目的。
图26描绘根据实例实施例的中间具有光源2608的多边形光电检测器元件2612的实例。如同环状光电检测器元件2512，多边形光电检测器元件2612可具有由第一边界2632界定的外围及由第二边界2634界定的中心开口。然而，在此情况中，第一边界2632及第二边界2634两者本质上均为多边形，例如，六边形。其它多边形形状可用于其它实施方案，例如三角形形状、正方形形状、五边形形状、七边形形状、八边形形状等，即，N边形。第一边界2632及第二边界2634的边缘可沿垂直于边缘的轴彼此偏离第一距离2684。在此类实施方案中，形成第二边界2634的多边形的每一边可具有第二长度2682，且第二长度2682与第一距离2684的比可介于2:1到5:1之间。这些参数被认为当与绿色波长光一起使用时提供良好的聚光性能以用于心率测量目的。
应了解，本文中对“控制逻辑”的引用是指可用于提供某些功能性(例如控制PPG的光源何时开启或关闭、控制照明光源的强度、收集来自一或多个光电检测器的数据及分析从一或多个光电检测器收集的至少所述数据以确定人的心率的测量)的硬件及/或软件。控制逻辑可包含(例如)一或多个处理器及存储用于控制一或多个处理器以提供此功能性的计算机可执行指令的存储器。控制逻辑还可包含可提供此功能性的方面而无需存储在存储器中的计算机可执行指令的各种电路元件。在一些实施方案中，控制逻辑可至少部分由专用集成电路(ASIC)提供。
图27描绘根据实例实施方案的PPG传感器的高层次框图。在图27中，示出控制逻辑2706，其包含操作性地彼此耦合的处理器2768及存储器2770。控制逻辑操作性地与光源2708及光电检测器元件2712耦合。控制逻辑2706可因此导致光源2708在所需时间发光，且可从光电检测器元件2712接收指示经检测光的量的信号。
本文描述且说明了许多发明。虽然已描述并说明了本发明的某些实施方案、特征、属性及优点，但是应了解，本发明的许多其它以及不同的及/或类似的实施方案、特征、属性及优点根据描述及说明变得显而易见。因而，本发明的以上实施方案仅仅是示范性的。本发明的以上实施方案不旨在为详尽的或将本发明限于所揭示的精确形式、技术、材料及/或配置。在本发明的背景下，许多修改及变型是可行的。应了解，在不脱离本发明的范围的情况下可利用其它实施方案且可作出操作改变。因而，本发明的范围不单单限于以上描述，因为以上实施方案的描述是为了说明及描述的目的而呈现。
特定地说，应了解，上文关于与光源分隔开的单个光电检测器元件讨论的实施方案中的任一者也可使用布置在光源周围的多个光电检测器元件来实施，如关于本文讨论的各种其它实施方案来讨论。
此外，应了解，除非关于特定背景、关于数值数量或其它可定量关系(例如，垂直度或平行度)另有限定，否则本文的术语“大致上”的使用应被理解为指示±10％的量。因此，例如，大致上彼此垂直的线可彼此成介于81°与99°之间的角度。在进一步实例中，大致上介于1mm与3mm之间的尺寸例如可在从0.9mm到3.3mm的范围中。在另一实例中，大致上在1.1弧度的范围中的角度可介于0.9弧度与1.21弧度之间。
重要的是，本发明不限于任何单个方面或实施方案，也不限于此类方面及/或实施方案的任何组合及/或排列。此外，本发明的方面及/或其实施方案中的每一者可单独或结合本发明的其它方面及/或实施方案中的一或多者来采用。为了简明起见，本文将不会单独讨论及/或说明许多所述排列及组合。

Claims (10)

1.一种设备，其包括：
光源；
一或多个离散光电检测器元件，每一光电检测器元件具有：
具有第一长度的第一边缘，及
沿垂直于所述第一边缘的方向的第一宽度；及
控制逻辑，所述控制逻辑与所述光源及每一光电检测器元件以通信方式连接，且经配置以：
使所述光源发光，
从所述一或多个光电检测器元件获得一或多个经测量光强度测量，及
至少部分基于所述一或多个光强度测量确定心率测量，
其中：
每一光电检测器的所述第一长度与所述第一宽度的比大致上介于2:1到5:1之间。
2.根据权利要求1所述的设备，其中：
每一光电检测器元件的所述第一边缘垂直于从所述光源的中心向外辐射的轴。
3.根据权利要求1所述的设备，其中：
每一光电检测器元件的所述第一边缘横向于从所述光源的中心向外辐射的轴。
4.根据权利要求1到3中任一权利要求所述的设备，其中：
所述光源包含多个发光装置。
5.根据权利要求4所述的设备，其中：
所述多个发光装置包含主要发射不同波长的光的至少两个发光装置。
6.根据权利要求4所述的设备，其中：
存在以某种图案布置的多个光电检测器元件，且
所述多个发光装置聚集在光电检测器元件的所述图案的中心点处。
7.根据权利要求6所述的设备，其中：
所述图案中的每一光电检测器元件与所述光源的所述中心等距。
8.根据权利要求1到3中任一权利要求所述的设备，其中每一光电检测器元件的所述第一长度与所述第一宽度的所述比大致上介于2:1到3.5:1之间。
9.根据权利要求1到3中任一权利要求所述的设备，其中每一光电检测器元件的所述第一长度与所述第一宽度的所述比大致上介于3.5:1到5:1之间。
10.根据权利要求7所述的设备，其中所述光电检测器元件在所述图案内均匀地分隔开。
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