CN106483072A - 光学传感器和操作光学传感器的方法 - Google Patents

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Abstract

提供一种光学传感器和操作该光学传感器和方法。该光学传感器包括:光源,被配置为发射光;以及路径调节器,被配置为调节光的传播路径以在第一时间反射光,并允许光在第二时间穿过该路径调节器。该光学传感器进一步包括光接收器,被配置为接收反射光当中的参考光,并在穿过该路径调节器的光当中接收与目标材料相关的测量光。

Description

光学传感器和操作光学传感器的方法
对相关申请的交叉引用
本申请要求于2015年8月28日向韩国特许厅提交的韩国专利申请No.10-2015-0121828的权益,通过引用将其公开的内容整体合并于此。
技术领域
符合示范性实施例的装置和方法涉及光学传感器和操作该光学传感器的方法。
背景技术
随着医学的发展和平均寿命的延长,保健日益受到关注。而且,医疗设备也备受关注,不仅扩展到医院或健康检查组织中使用的各种医疗设备,还扩展到公共组织中提供的中小型医疗设备、以及个人可以拥有或携带的小型医疗设备和保健装置。
侵入式测量方法已经结合医疗设备被广泛使用以执行各种医疗测试。例如,可以通过采样对象的血液并测量和分析采样的血液来执行侵入式测量方法。通过测量血液中物质的浓度,可以获得相对于该物质的健康状态。然而,在侵入式测量方法中,采血会痛,而且不方便地使用与血液的物质反应的试剂和颜色碘量法用于血液分析。
目前,通过非侵入式方法检测生物信息的方法正在开发中。然而,非侵入式方法与侵入式方法相比具有高错误概率。
发明内容
示范性实施例可以解决至少上述问题和/或缺点以及上面未描述的其他缺点。
一个或多个示范性实施例提供便携式光学传感器和操作该便携式光学传感器的方法。
根据示范性实施例的一个方面,提供一种光学传感器,包括:光源,被配置为发射光;以及路径调节器,被配置为调节光的传播路径以在第一时间反射光,并允许光在第二时间穿过该路径调节器。该光学传感器进一步包括光接收器,被配置为接收反射光当中的参考光,并在穿过该路径调节器的光当中接收与目标材料相关的测量光。
反射光和穿过该路径调节器的光中的每一个可以在发射的光当中。
测量光可以是穿过该路径调节器的光当中的被该目标材料反射的光。
测量光可以是穿过该路径调节器的光当中的穿过该目标材料的光。
测量光可以是从基于穿过该路径调节器的光耦合到该目标材料的标记物发射的光。
从该标记物发射的光的中心波长可以不同于从该光源发射的光的中心波长。
该光学传感器可以进一步包括处理器,被配置为基于参考光和测量光获得该目标材料的信息。
该处理器可以进一步被配置为基于参考光归一化测量光,并基于归一化的测量光获得该目标材料的信息。
归一化的测量光可以是测量光的强度与参考光的强度的比率。
第一时间和第二时间可以不同。
该光接收器可以进一步被配置为交替地接收参考光和测量光。
该路径调节器可以进一步被配置为基于电信号调节该路径调节器的反射率和透射率当中的至少一个。
该路径调节器可以进一步被配置为响应于第一电信号,将该路径调节器的反射率调节为大于该路径调节器的透射率,而且响应于不同于第一电信号的第二电信号,将该路径调节器的反射率调节为小于该路径调节器的透射率。
该路径调节器可以包括:第一电极;第二电极,与第一电极隔开;以及反应部分,被配置为基于施加在第一电极与第二电极之间的电信号,反射发射的光,并允许发射的光穿过该反应部分。
该反应部分可以包括以下当中的至少一个:聚合物分散液晶、扭曲向列液晶、垂直排列液晶、电控双折射液晶、电致变色器件、包括反射板和透明材料的反射颗粒、以及极性液体和非极性液体,该极性液体被配置为基于电湿润现象移动。
该路径调节器可以进一步被配置为反射入射到该路径调节器上的发射的光的一部分,而且允许入射光的另一部分穿过该路径调节器。
该光接收器可以包括:第一光接收器,被配置为接收参考光;以及第二光接收器,被配置为接收测量光。
该目标材料可以是对象的皮肤或血液中包含的材料。
该路径调节器可以包括:反射板,被配置为绕铰链转动;以及致动器,被配置为基于电信号,旋转该反射板以反射发射的光,并允许发射的光穿过该路径调节器。
根据另一示范性实施例的一个方面,提供一种操作包括路径调节器的光学传感器的方法,该方法包括:使用该路径调节器,调节光的传播路径以在第一时间反射光,并允许光在第二时间穿过该路径调节器。该方法进一步包括:接收反射光当中的参考光;以及在穿过该路径调节器的光当中接收与目标材料相关的测量光。
该方法可以进一步包括向该路径调节器发射光。
反射光和穿过该路径调节器的光中的每一个可以在发射的光当中。
测量光可以是穿过该路径调节器的光当中的从该目标材料反射的光。
该方法可以进一步包括基于参考光和测量光获得该目标材料的信息。
所述获得可以包括:基于参考光归一化测量光;以及基于归一化的测量光获得该目标材料的信息。
归一化的测量光可以是测量光与参考光的比率。
附图说明
通过结合附图描述示范性实施例,上述和/或其他方面将变得更加明显,其中:
图1是根据示范性实施例的光学传感器的框图;
图2是接收参考光的图1的光学传感器的框图;
图3是接收测量光的图1的光学传感器的框图;
图4是根据示范性实施例的路径调节器的图;
图5A是处于参考模式的图4的路径调节器的图;
图5B是处于测量模式的图4的路径调节器的图;
图6是根据示范性实施例的光学传感器中包括的路径调节器反射的反射颗粒的图;
图7A是根据示范性实施例的当图6的反射颗粒穿过时处于参考模式的路径调节器的图;
图7B是根据示范性实施例的当图6的反射颗粒穿过时处于测量模式的图7A的路径调节器的图;
图8是根据示范性实施例的基于电湿润现象操作的路径调节器的图;
图9A是处于参考模式的图8的路径调节器的图;
图9B是处于测量模式的图8的路径调节器的图;
图10A和10B是根据示范性实施例的通过机械运动调节光的传播路径的路径调节器的图;
图11是根据示范性实施例的通过分光调节光的传播路径的路径调节器的图;
图12和13是根据示范性实施例的各自包括多个光接收器的光学传感器的框图;
图14是根据另一示范性实施例的光学传感器的框图;
图15是示出根据示范性实施例的通过使用一次接收的参考光获得的吸光率的结果的曲线图;
图16是示出根据示范性实施例的通过使用相继接收的参考光和测量光获得的吸光率的结果的曲线图;
图17是根据另一示范性实施例的光学传感器的框图;以及
图18是根据示范性实施例的操作光学传感器的方法的流程图。
具体实施方式
下面参照附图详细描述示范性实施例。
以下说明书中,类似的附图引用数字用于类似的元件,即便在不同的附图中也是如此。说明书中定义的诸如详细构造和元件的事物是提供用于帮助全面理解示范性实施例。然而,显然无需这些具体定义的事物也可以实践示范性实施例。而且,将不详细描述公知功能或构造,因为它们将以不必要的细节模糊说明书。
不难理解,这里使用的术语“包括”和/或“包含”规定所述特征或组件的存在,但不排除存在或添加一个或多个其他特征或组件。此外,说明书中描述的诸如“单元”、“…器”和“模块”的术语是指用于执行至少一个功能或操作的元件,而且可以以硬件、软件、或硬件和软件的组合实现。
当以非侵入式方法检测生物信息时,可以使用光谱仪。光谱仪可以用于向对象发送一波长范围的信号以检测其生物信息,接着检测反射信号的波长或信号的峰。例如,当检测到一波长时,可以认为对象中包含与该波长匹配的成分。此外,可以使用该波长的峰值来估计所匹配的成分的量。
例如,在将现有的大型光谱仪改变为小型光谱仪的过程中,由于光谱仪内部产生热量而使用参考光光谱仪执行测量光的校准。因为根据示范性实施例的光学传感器使用单个设备测量参考光和测量光,可以方便地校准测量光。
根据示范性实施例的光学传感器可以是便携装置,例如,可穿戴设备。光学传感器可以通过具有通信功能和数据处理功能的腕表型设备、手镯型设备、指环型设备、和发带型设备当中的任何一种来配置,或者可以是以上所列设备的组合。
另外,光学传感器可以包括单个机壳或多个机壳。当光学传感器包括多个机壳时,多个构成元件可以通过有线或无线方式彼此相连。例如,将要戴在用户的手腕上的光学传感器可以被划分为接收与目标材料相关的光的第一装置、以及通过处理接收的光来获得关于目标材料的信息的第二装置。光学传感器可以被包括在执行其他功能的装置中,例如,光学传感器可以是移动终端的部分结构。
图1是根据示范性实施例的光学传感器100a的框图。参照图1,光学传感器100a包括:光源110;路径调节器120,其调整光的传播路径;以及光接收器130,其在从路径调节器120反射的光当中接收用于作为基准的参考光,并在穿过路径调节器120的光当中接收与(图3的)目标材料11对应的测量光。
光源110和光接收器130可以在与相对于路径调节器120的对象10的不同的区域中提供。在示范性实施例中,对象10可以位于第一空间,而光源110和光接收器130可以位于相对于路径调节器120的第二空间。
光源110可以以预定频率发射闪烁光。光源110可以包括诸如发光二极管(LED)或激光二极管(LD)的半导体发光器件、以及诸如卤素灯或氙灯的气体放电灯。此外,光源110可以是具有大发光面积且能够发射均匀的光的面光源,以使得可以向对象10的区域发射光。例如,可以使用背光作为光源110。
从光源110发射的光可以根据对象10和目标材料11的类型改变。例如,当对象10是人且目标材料11是对象10的皮肤中的材料时,光源110可以发射红光或基于近红外线的波长的光,例如,中心波长为大约700微米至大约1000微米。上述波长范围是示例,光源110可以根据目标材料11发射具有不同波长的光。
对象10可以是人或动物。然而,示范性实施例不限于此。对象10可以是对象10的一部分。例如,对象10可以是生物源,诸如包括血液、组织间液、唾液、眼球液、脑脊液、汗液、尿液、乳汁、腹水、粘液、滑液、腹膜液、阴道液、羊水的生理性液体。然而,示范性实施例不限于此。对象10可以是用于水质量管理或土壤管理的环境样本,而且样本的类型不受限制。
目标材料11可以包括在对象10中,而且可以是具有光学特性的材料。目标材料11可以是对象10中包括的材料,而且可以是当对象10中包括的材料与荧光材料组合时获得的材料。例如,目标材料11可以是高灵敏度C反应蛋白(hsCRP)、MicroCRP、HbA1c、微白蛋白、前列腺特异抗原(PSA)、甲胎蛋白(AFP)、心肌肌钙蛋白I(cTnI)、葡萄糖、C反应蛋白(CRP)等,而且目标材料11的类型不受限制。
目标材料11可以相对于根据分子键结构、分子形状、势能面(PES)、原子质量、或振动耦合的波长的光具有不同的吸光率、透射率、和反射率。因此,可以通过识别穿过或被目标材料11反射的光的特性得到关于目标材料11的信息。
光源110可以向路径调节器120发射或照射光。照射到路径调节器120的光可以穿过或被路径调节器120反射。
路径调节器120可以调节光的传播路径。路径调节器120可以根据电信号调节光的反射率和透射率当中的至少一个。例如,路径调节器120可以在输入第一电信号时将反射率调节为大于透射率,而且可以在输入不同于第一电信号的第二电信号时将反射率调节为小于透射率。在另一示例中,路径调节器120可以在输入第一电信号时反射入射光,并在输入第二电信号时透射入射光。路径调节器120可以像调光窗(switchable window)一样操作。调光窗可以根据输入电信号而反射或透射入射光。例如,调光窗可以由具有可调的反射特性或透射特性的材料形成。在另一示例中,调光窗的反射特性或透射特性可以机械地可调,例如,通过使用百叶板。
路径调节器120可以包括彼此隔开的第一和第二电极411和412、以及根据电信号反射光或使光穿过的反应部分420。如图4所示。反应部分420可以包括以下当中的至少一个:聚合物分散液晶(PDLC)、扭曲向列(TN)液晶、垂直排列(VA)液晶、电控双折射(ECB)液晶、电致变色器件、包括反射板的反射颗粒、以及根据电湿润现象移动的极性液体。稍后将描述路径调节器120的详细结构。
光接收器130可以接收从路径调节器120反射的光当中的参考光,并接收穿过路径调节器120的光当中的测量光。光接收器130可以包括耗尽层光电二极管、雪崩光电二极管、和光电倍增管。另外,光接收器130可以通过CMOS图像传感器或CCD图像传感器实现。光接收器130可以包括多个光接收器,而且可以在每个光接收器中进一步包括与预定波长对应的光学滤波器。
参考光是用作用于获得关于目标材料11的信息的基准的光,而且可以是从光源110发射的光当中的从路径调节器120反射的光。
图2是接收参考光的图1的光学传感器100a的框图。例如,当第一电信号(例如,电压V1)被施加到路径调节器120时,路径调节器120反射入射光Ls。从路径调节器120反射的光成为参考光Lr。路径调节器120的反射率可以为50%。然而,示范性实施例不限于此。即便当路径调节器120的反射率等于或小于50%时,光接收器130也可以接收从路径调节器120反射的光。当光学传感器100a接收参考光时,路径调节器120的状态可以被称为参考模式。
测量光可以是与目标材料11相关的光,而且可以是从目标材料11反射的光、穿过目标材料11的光、或从与目标材料11耦合的标记物发射的光。例如,测量光可以是从光源发射的光当中穿过路径调节器120并接着从目标材料11反射的光。替代地,测量光可以是从光源110发射的光当中穿过路径调节器120并接着穿过目标材料11的光。替代地,测量光可以是从通过从光源110发射的光与目标材料11耦合的标记物发射的光。标记物可以是荧光材料,而且从标记物发射的光和从光源110发射的光可以具有不同的中心波长。测量光可以穿过路径调节器120,然后被光接收器130接收。
图3是接收测量光的图1的光学传感器100a的框图。例如,当第二电信号(例如,电压V2)被施加到路径调节器120时,路径调节器120使入射光Ls穿过。路径调节器120的透射率可以为50%。然而,示范性实施例不限于此。
穿过路径调节器120的光可以被输入到对象10中,而且输入到对象10中的光可以从对象10中的目标材料11反射。从目标材料11反射的光可以是测量光Lm。虽然在图中为了便于说明,将从目标材料11反射的光示出为测量光Lm,但示范性实施例不限于此。当光学传感器100a接收测量光时,路径调节器120的状态可以被称为测量模式。
此外,当路径调节器120的透射率或反射率不是100%时,光接收器130可以通过区分光接收时间来接收参考光Lr和测量光Lm。例如,光接收器130可以在第一时间或在第一时段期间接收参考光Lr,并在第二时间或在第二时段期间接收测量光Lm。第一时段和第二时段中的每一个的至少一部分时段可以彼此不重叠,或者第一时间可以不同于第二时间。通过区分光接收时间,当接收参考光Lr时可以减少根据测量光Lm的噪声,而且当接收测量光Lm时可以减少根据参考光Lr的噪声。虽然光接收器130可以在接收参考光Lr之后接收测量光Lm,但示范性实施例不限于此。光接收器130也可以在接收测量光Lm之后接收参考光Lr
另外,光接收器130可以包括多个子光接收器。例如,光接收器130可以包括第一光接收器和第二光接收器。第一光接收器可以接收参考光,第二光接收器可以接收测量光。第一光接收器和第二光接收器可以独立地接收参考光和测量光。然而,因为测量光和参考光的光传播路径的长度彼此不同,在测量光与参考光之间可以产生光接收时间的差异。
根据示范性实施例的光学传感器100a不但可以接收测量光,而且可以接收参考光,以获得关于目标材料11的信息。
由于光学传感器被小型化,光学传感器可以暴露于各种环境改变。例如,当用户试图通过使用光学传感器测量关于身体中的血糖的信息时,诸如温度或湿度的环境可以根据测量地点为室内或户外而变化,而且可以根据测量时间是上午还是下午而产生环境差异。
同样,由于光学传感器被小型化,光源和光接收器可以位于彼此相对靠近。因此,光接收器可以受到光源产生的热量的影响。
根据示范性实施例的光学传感器100a可以通过减少根据环境改变的噪声来提高检测结果的准确度。根据示范性实施例的光学传感器100a不但可以接收测量光,而且可以接收反映环境的参考光,而且可以通过使用参考光和测量光来获得关于目标材料的信息。
图4是根据示范性实施例的路径调节器400a的图。图5A是处于参考模式的图4的路径调节器400a的图。图5B是处于测量模式的图4的路径调节器400a的图。
如图4所示,路径调节器400a包括彼此隔开的第一和第二电极411和412、以及位于第一和第二电极411和412之间且具有可调的透射率或反射率的反应部分420。
第一和第二电极411和412可以由透明导电材料形成。例如,第一和第二电极411和412可以包括诸如氧化铟锡(ITO)或氧化铟锌(IZO)的金属氧化物、诸如Au或Ag分散薄膜的金属纳米颗粒、诸如碳纳米管(CNT)或石墨烯的碳纳米结构、或者诸如聚(3,4-乙撑二氧噻吩)(PEDOT)、聚吡咯(PPy)、或聚(3-己烷基噻吩)(P3HT)的导电聚合物。
反应部分420包括聚合物分散液晶(PDLC)510,其具有电可调的对光的透射率和反射率。PDLC 510在没有特征性地施加电场的状态下,由于聚合物和液晶之间的介电常数的差异而散射入射光。PDLC 510在特征性地施加电场的状态下,随着聚合物和根据电场定向的液晶之间的介电常数的差异减小而变成透明并穿透光。于是,通过调节施加到第一和第二电极411和412的电压的量,可以调节反应部分420的透射率或反射率。
例如,如图5A所示,当在第一和第二电极411和412之间不施加电压时,照射在反应部分420上的光由于聚合物和液晶之间的介电常数的差异而被散射,从而增加反射率。反之,如图5B所示,当在第一和第二电极411和412之间施加电压时,在反应部分420中形成电场。由于液晶根据电场定向,聚合物和液晶之间的介电常数的差异减小,因而反应部分420变成透明。结果,反应部分420的透射率可以增加。
反应部分420不但可以包括PDLC 510,而且可以包括扭曲向列(TN)液晶、垂直排列(VA)液晶、或电控双折射(ECB)液晶。因为上述液晶与聚合物分散液晶类似地操作,所以可以调节反应部分420的透射率或反射率。
此外,反应部分420可以包括电致变色器件和电解质。电致变色器件是通过电子或空穴改变其颜色的材料。换句话说,当电致变色器件与电解质混合并向其施加电场时,随着电子或空穴与变色材料结合,可以发生颜色显现或消失的现象。通过使用上述现象,可以根据施加到第一和第二电极411和412的电信号调节透射率和反射率当中的至少一个。
替代地,反应部分420可以包括图6、7A、和7B的多个反射颗粒520,其各自包括用于反射光的反射板521以及被充电的透明材料522和523。在根据电信号旋转反射颗粒520的同时,可以调节透射率或反射率。
图6是根据示范性实施例的光学传感器中包括的路径调节器反射的反射颗粒520的图。图7A是根据示范性实施例的当图6的反射颗粒520穿过时处于参考模式的路径调节器400b的图。图7B是当图6的反射颗粒520穿过时处于测量模式的图7A的路径调节器400b的图。
如图6所示,反射颗粒520通过用于反射光的反射板521以及被充电的透明材料522和523来配置。反射板521可以由反射入射光的材料形成,而透明材料522和523可以由使入射光穿透的材料形成。透明材料522和523可以包括相对于反射板521被充电为相反极性的第一和第二透明材料。第一和第二透明材料522和523可以为半球形,而反射板521可以为薄圆碟形,而且可以插入在第一和第二透明材料522和523之间。
如图7A和7B所示,路径调节器400b包括环绕反应部分420的第一至第四电极411、412、413、和414。第一和第二电极411和412彼此面对面,反应部分420插入在其之间,而且第三和第四电极413和414彼此面对面,反应部分420插入在其之间。第一和第二电极411和412可以被布置为靠近第三和第四电极413和414。在反应部分420中提供反射颗粒520。可以利用具有与透明材料522和523相同的折射率的材料填充反应部分420中的空间。
当例如电压的电信号被施加到第一和第二电极411和412时,如图7A所示,反射颗粒520的反射板521可以平行于第一和第二电极411和412的表面排列。因此,入射到图7A的路径调节器400b上的光被反射板521反射。
当例如电压的电信号被施加到三和第四电极413和414时,反射颗粒520旋转,而且如图7B所示,反射颗粒520的反射板521可以平行于三和第四电极413和414的表面排列。因此,入射到图7B的路径调节器400b上的光穿过透明材料522和523。
另外,反应部分420可以包括根据电湿润现象移动的极性液体。电湿润现象表示当向覆盖有绝缘材料的电极上的极性液体施加电压时极性液体的接触角改变。
图8是根据示范性实施例的基于电湿润现象操作的路径调节器400c的图。图9A是处于参考模式的图8的路径调节器400c的图。图9B是处于测量模式的图8的路径调节器400c的图。
如图8所示,路径调节器400c包括:彼此隔开的第一和第二电极411和412;以及包括具有不同的折射率且不相互混合的第一和第二流体530和540的反应部分410。第二电极413覆盖有疏水绝缘层430。
第一流体530和第二流体540当中的任何一个可以有极性,而另一个可以无极性。例如,第一流体530可以是不透射光的不透光流体,例如,液态金属或极性液体。第二流体540可以是不与第一流体530混合的透光流体。例如,可以采用气体或非极性液体作为第二流体540。
参照图9A,当例如电压的电信号被施加到第一和第二电极411和412时,在疏水绝缘层430的表面上介电常数增加,第一流体530的液滴在第二电极412上铺开。因为第一流体530由不透光材料形成,入射到路径调节器400c上的光可以被反射。
反之,当停止向第一和第二电极411和412施加例如电压的电信号时,如图9B所示,第一流体530在疏水绝缘层430上收缩。因此,入射到路径调节器400c上的光可以穿过透光的第二流体540。
路径调节器400a、400b、和400c可以通过液体、分子、或颗粒的排列来调节透射率或反射率。然而,示范性实施例不限于此。
路径调节器400d可以通过机械运动调节透射率或反射率。
图10A和10B是根据示范性实施例的通过机械运动调节光的传播路径的路径调节器400d的图。
如图10A和10B所示,路径调节器400d包括能够绕铰链612转动的反射板610、以及旋转反射板610的致动器620。反射板610可以是具有高反射率的金属膜。致动器620可以包括螺旋管,其根据电信号产生电磁力。如图10A所示,当不向致动器620施加电信号时,反射板610被置于第一位置。当反射板610置于第一位置时,入射到路径调节器400d的光穿过路径调节器400d。
反之当向致动器620施加电信号时,如图10B所示,反射板610被电磁力移动到第二位置。当反射板610置于第二位置时,入射到路径调节器400d的光从路径调节器400d反射。
上述路径调节器400a、400b、400c、和400d根据电信号调节透射率和反射率当中的至少一个。因为路径调节器400a、400b、400c、和400d的结构是示例,所以示范性实施例不限于此,而且可以使用能够调节透射率和折射率当中的至少一个的任何设备作为根据示范性实施例的光学传感器的路径调节器。
路径调节器400e可以分开入射光的传播路径而不调整反射率或透射率。
图11是根据示范性实施例的通过分光调节光的传播路径的路径调节器400e的图。如图11所示,路径调节器400e可以反射入射光的一部分,而且可以让光的另一部分穿过。路径调节器400e可以是半透光板。然而,示范性实施例不限于此。上述路径调节器当中的至少一个可以根据施加的电信号而透射光的一部分或反射光的另一部分。
参照图1至3,根据示范性实施例的光学传感器的光接收器130可以包括多个光接收器。
图12和13是根据示范性实施例的各自包括多个光接收器132和134的光学传感器100b和100c的框图。参照图12,当测量光Lm是穿过目标材料11的光时,光学传感器100b包括接收从路径调节器120反射的光当中的参考光Lr的第一光接收器132、以及接收穿过目标材料11的光当中的测量光Lm的第二光接收器134。因为,参考光Lr和测量光Lm的传播路径的长度彼此不同,第一光接收器132和第二光接收器134的光接收时间可以彼此不同。
此外,如图13所示,路径调节器120反射入射光的一部分并让入射光的另一部分穿过。光学传感器100c包括接收从路径调节器120反射的光当中的参考光Lr的第一光接收器132、以及接收通过目标材料11的光(即,穿过路径调节器120、从目标材料11反射、并再次穿过路径调节器120的光)当中的测量光Lm的第二光接收器134。虽然图13中从目标材料11反射的光被称为测量光Lm,但示范性实施例不限于此,而且穿过目标材料11的光可以是测量光。
光学传感器可以使用参考光和测量光来归一化测量光。光学传感器可以使用归一化的测量光获得关于目标材料的信息。例如,归一化可以表示通过定期地或根据用户的请求不定期地测量参考光来补偿光学传感器上的诸如温度的影响。
图14是根据另一示范性实施例的光学传感器100d的框图。如图14所示,光学传感器100d可以进一步包括处理器140,用于通过使用参考光和测量光获得关于目标材料11的信息。
处理器140可以归一化测量光以获得关于目标材料11的信息。如上所述,可以根据环境的改变(例如,温度和湿度的改变)、以及光源110和光接收器130的性能的改变而在光学传感器100d中产生噪声。为了减少噪声,根据示范性实施例的光学传感器100d可以归一化测量光,因而可以提高检测结果的可靠性。
例如,处理器140可以利用测量光的强度和参考光的强度的比率获得归一化的测量光,如下面等式1所示。
I'=I1/I0 [等式1]
等式1中,“I0”表示参考光的强度,“I1”表示测量光的强度,而“I”表示归一化的测量光的强度。如等式1所示,归一化的测量光中的噪声减少。例如,即便当光源110的发光强度降低时,不仅测量光的强度降低,参考光的强度也降低,因而归一化的测量光可以维持恒定。归一化测量光的方法不限于等式1。例如,归一化方法可以根据路径调节器120的透射率或反射率变化。
为了归一化测量光,处理器140可以使用在与接收测量光的时间接近的时间接收的参考光。例如,接收刚好在接收测量光之前接收的参考光、或刚好在接收测量光之后接收的参考光。
处理器140可以使用归一化的测量光获得关于目标材料的信息,例如,目标材料的类型或目标材料的浓度的改变。为了获得关于目标材料的信息,处理器140可以使用包括与光信息匹配的关于目标材料的信息的数据库。例如,处理器140可以使用参考光和测量光产生吸光率数据,而且吸光率数据可以示出根据时间的吸光率中的改变。此外,可以使用先前存储的关于吸光率的信息确定目标材料的浓度。在示例中,可以以校准曲线的形式存储关于吸光率的信息和目标材料的浓度。
接着,下面描述使用归一化的测量光获得关于目标材料的信息的实验的结果。
<示范性实施例1>
通过使用PDLC作为路径调节器的反应部分、以及反射99%的光的Spectralon(Labsphere公司)来验证路径调节器的效果。当不向路径调节器施加电压时,光学传感器接收参考光。当向路径调节器施加电压时,光学传感器接收测量光。光学传感器通过使用一次接收的参考光来计算数次接收的测量光的吸光率。
处理器使用下面等式2所示的吸光率。
A=–log(I1/I0) [等式2]
等式2中,“A”表示目标材料的吸光率,而“I0”表示入射光的强度,可以从参考光获得。“I1”表示反射光的强度,可以从测量光获得。
图15是示出根据示范性实施例的通过使用一次接收的参考光获得的吸光率的结果的曲线图。如图15所示,当使用一个参考光计算吸光率时,即便当使用相同的目标材料时,也证实偏移根据光接收时间或光的波长而增加。
图16是示出根据示范性实施例的通过使用相继接收的参考光和测量光获得的吸光率的结果的曲线图。
通过使用每次接收的参考光和测量光获得吸光率。使用每次接收的参考光和测量光表示使用通过将测量光除以在邻近时间接收的参考光获得的值,即,归一化的测量光。结果,如图16所示,可以证实偏移减少而不管光接收时间或光的波长如何。
光学传感器可以除包括上述构成元件之外的各种构成元件。
图17是根据另一示范性实施例的光学传感器100e的框图。如图17所示,光学传感器100e进一步包括显示器150、存储器160、用户接口(UI)170、和控制器180。
显示器150可以显示光学传感器100e处理的信息。例如,显示器150可以显示用于显示关于使用光获得关于目标材料的信息的UI或图像用户界面(GUI)。另外,显示器150可以向用户提供光学传感器100e的协议。
显示器150可以包括以下当中的至少一个:液晶显示器、薄膜晶体管液晶显示器、有机发光二极管、柔性显示器、和3D显示器。根据光学传感器100e的示范性实施例可以存在两个或更多个显示器。
显示器150可以以具有触摸垫的相互层结构形成触摸屏以接收用户的输入。当显示器150和形成相互层结构的触摸垫被配置为触摸屏时,可以使用显示器150作为输入设备而不只是输出设备。在示范性实施例中,被配置为触摸屏的显示器150可以随着在预定区域中检测到用户的触摸输入而自动启动目标材料的测量。
存储器160可以存储在光学传感器100e的操作期间产生的数据。根据示范性实施例的存储器160是存储介质。存储器160可以包括以下任何一种:硬盘驱动器(HDD)、只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、闪速存储器、和存储卡。
用户接口170可以从用户接收用于操作光学传感器100e的输入,或者可以输出光学传感器100e获得的目标材料的类型或浓度改变。用户接口170可以包括按钮、键盘、开关、表盘、或触摸界面以使得用户可以直接操作光学传感器100e。用户接口170可以包括用于显示图像的显示器而且可以通过触摸屏实现。在另一示范性实施例中,用户接口170可以包括用于连接人接口设备(HID)的I/O端口。用户接口170可以包括用于输入/输出图像的I/O端口。
控制器180可以控制光学传感器100e的整体操作。例如,为了获得关于目标材料的信息,控制器180可以操作光源110、路径调节器120、光接收器130、和处理器140。例如,控制器180可以向路径调节器120提供电信号以调节透射率或反射率。控制器180可以控制路径调节器120以使得反射率大于透射率,而且可以控制光源110和光接收器130以接收参考光。控制器180可以控制路径调节器120以使得透射率大于反射率,而且可以控制光源110和光接收器130以接收测量光。
控制器180可以控制光源110、路径调节器120、和光接收器130以交替地接收参考光和测量光。然而,示范性实施例不限于此。控制器180可以控制光学传感器100e的构成元件一次接收参考光,并以预定时间间隔数次接收测量光。替代地,控制器180可以控制光学传感器100e的构成元件周期性地接收参考光,并仅在存在用户的命令时接收测量光。
此外,在获得归一化的测量光时,处理器140可以使用在与接收的测量光接近的时间接收的参考光。然而,示范性实施例不限于此。可以使用已经接收的参考光的平均值。替代地,可以通过使用接收的测量光的平均值和接收的参考光的平均值获得归一化的测量光。可以通过使用归一化的测量光获得关于目标材料11的信息。
如上所述,可以通过多个装置实现光学传感器100e。例如,可以通过包括光源110、路径调节器120、和用于接收参考光和测量光的光接收器130的第一装置、以及使用接收的参考光和测量光获得关于目标材料的信息并提供获得的关于目标材料11的信息的第二装置实现光学传感器100e。第一装置和第二装置可以通过有线或无线方式彼此连接。例如,第一装置和第二装置可以执行诸如蓝牙或WiFi的短距离通信,或者可以通过移动通信网络通信。
第一装置可以是用户可穿戴的可穿戴设备。例如,第一装置可以是在用户的手腕上可拆卸的腕型设备。第二装置可以是移动电话机、智能电话机、桌面计算机、膝上计算机、平板PC、电子书终端、数字广播终端、个人数字助理(PDA)、互联网协议电视机(IPTV)、数字电视机(DTV)、或健康管理服务器,但示范性实施例不限于此。
图18是根据示范性实施例的操作光学传感器的方法的流程图。参照图18,在操作S1810,光源110发射光。光源110可以以预定频率发射闪烁光。此外,光源110可以是具有大发光面积且能够发射均匀的光的面光源,以使得可以向对象10的区域发射光。从光源110发射的光可以根据对象或目标材料的类型改变。例如,当对象是人且目标材料是对象的皮肤中的材料时,光源可以发射红光或基于近红外线的波长的光,例如,中心波长为大约700微米至大约1000微米。
在操作S1820,光接收器130接收参考光。参考光可以是从路径调节器120反射的光当中的作为基准的光。例如,当路径调节器120处于反射模式时,光接收器130可以接收参考光。
在操作S1830,光接收器130接收测量光。测量光可以是穿过路径调节器120的光当中的与目标材料11相关的光。测量光可以是从目标材料11反射的光、穿过目标材料11的光、或从与目标材料11耦合的标记物发射的光。当路径调节器120处于透射模式时,光接收器130可以接收测量光。
接收参考光的时间可以不同于接收测量光的时间。光接收器130可以一对一交替地接收参考光和测量光,或者一对多或多对一交替地接收参考光和测量光。替代地,可以以预定时间间隔接收参考光,而且可以仅根据用户的命令接收测量光。此外,光接收器130可以被划分为用于接收参考光的第一光接收器和用于接收测量光的第二光接收器。
在操作S1840,处理器140使用参考光和测量光获得关于目标材料的信息。处理器140可以使用参考光归一化测量光,并使用归一化的测量光获得关于目标材料的信息。通过使用归一化的测量光,光学传感器可以在获得关于目标材料的信息时具有高可靠性。
因为根据示范性实施例的光学传感器包括用于调节光的传播路径的路径调节器,可以频繁地接收参考光和测量光。根据示范性实施例的光学传感器可以使用参考光和测量光检测关于目标材料的信息。
此外,示范性实施例还可以通过例如计算机可读介质的媒介上的计算机可读代码和/或指令实现,以控制至少一个处理元件实现任何上述示范性实施例。该媒介可以对应于可以担当存储器和/或执行计算机可读代码的传输的任何介质或媒体。
计算机可读代码可以以多种方式在媒介上记录和/或传送,该媒介的示例包括诸如磁存储介质(例如,ROM、软盘、硬盘等)和光记录介质(例如,光盘只读存储器(CD-ROM)或数字多功能盘(DVD))的记录介质、以及诸如互联网传输媒体的传输媒体。因而,该媒介可以具有适合用于存储或承载信号或信息的结构,诸如承载根据一个或多个示范性实施例的比特流的设备。该媒介还可以在分布式网络上,以使得计算机可读代码在该媒介上存储和/或传送并以分布的方式运行。另外,处理元件可以包括处理器或计算机处理器,而且处理元件可以分布和/或包含在单个设备中。
前述示范性实施例是示例,不应当被解读为限制。本教导可以容易地应用于其他类型的装置。而且,示范性实施例的描述意在是例示性的,而非用于限制权利要求的范围,许多替代、修改、和变体对本领域技术人员是显然的。

Claims (26)

1.一种光学传感器,包括:
光源,被配置为发射光;
路径调节器,被配置为调节光的传播路径以在第一时间反射光,并允许光在第二时间穿过该路径调节器;以及
光接收器,被配置为:
接收反射光当中的参考光;以及
在穿过该路径调节器的光当中接收与目标材料相关的测量光。
2.如权利要求1所述的光学传感器,其中反射光和穿过该路径调节器的光中的每一个在发射的光当中。
3.如权利要求1所述的光学传感器,其中测量光是穿过该路径调节器的光当中的被该目标材料反射的光。
4.如权利要求1所述的光学传感器,其中测量光是穿过该路径调节器的光当中的穿过该目标材料的光。
5.如权利要求1所述的光学传感器,其中测量光是从基于穿过该路径调节器的光而耦合到该目标材料的标记物发射的光。
6.如权利要求5所述的光学传感器,其中从该标记物发射的光的中心波长不同于从该光源发射的光的中心波长。
7.如权利要求1所述的光学传感器,进一步包括处理器,被配置为基于参考光和测量光获得该目标材料的信息。
8.如权利要求7所述的光学传感器,其中该处理器进一步被配置为:
基于参考光归一化测量光;以及
基于归一化的测量光获得该目标材料的信息。
9.如权利要求8所述的光学传感器,其中归一化的测量光是测量光的强度与参考光的强度的比率。
10.如权利要求1所述的光学传感器,其中第一时间和第二时间不同。
11.如权利要求10所述的光学传感器,其中该光接收器进一步被配置为交替地接收参考光和测量光。
12.如权利要求1所述的光学传感器,其中该路径调节器进一步被配置为基于电信号调节该路径调节器的反射率和透射率当中的至少一个。
13.如权利要求12所述的光学传感器,其中该路径调节器进一步被配置为:
响应于第一电信号,将该路径调节器的反射率调节为大于该路径调节器的透射率;以及
响应于不同于第一电信号的第二电信号,将该路径调节器的反射率调节为小于该路径调节器的透射率
14.如权利要求1所述的光学传感器,其中该路径调节器包括:
第一电极;
第二电极,与第一电极隔开;以及
反应部分,被配置为基于施加在第一电极与第二电极之间的电信号,反射发射的光,并允许发射的光穿过该反应部分。
15.如权利要求14所述的光学传感器,其中该反应部分包括以下当中的至少一个:聚合物分散液晶、扭曲向列液晶、垂直排列液晶、电控双折射液晶、电致变色器件、包括反射板和透明材料的反射颗粒、以及极性液体和非极性液体,该极性液体被配置为基于电湿润现象移动。
16.如权利要求1所述的光学传感器,其中该路径调节器进一步被配置为反射入射到该路径调节器上的发射的光的一部分,而且允许入射光的另一部分穿过该路径调节器。
17.如权利要求1所述的光学传感器,其中该光接收器包括:
第一光接收器,被配置为接收参考光;以及
第二光接收器,被配置为接收测量光。
18.如权利要求1所述的光学传感器,其中该目标材料是对象的皮肤或血液中包含的材料。
19.如权利要求1所述的光学传感器,其中该路径调节器包括:
反射板,被配置为绕铰链转动;以及
致动器,被配置为基于电信号,旋转该反射板以反射发射的光,并允许发射的光穿过该路径调节器。
20.一种操作包括路径调节器的光学传感器的方法,该方法包括:
使用该路径调节器,调节光的传播路径以在第一时间反射光,并允许光在第二时间穿过该路径调节器;
接收反射光当中的参考光;以及
在穿过该路径调节器的光当中接收与目标材料相关的测量光。
21.如权利要求20所述的方法,进一步包括向该路径调节器发射光。
22.如权利要求21所述的方法,其中反射光和穿过该路径调节器的光中的每一个在发射的光当中。
23.如权利要求20所述的方法,其中测量光是穿过该路径调节器的光当中的从该目标材料反射的光。
24.如权利要求20所述的方法,进一步包括基于参考光和测量光获得该目标材料的信息。
25.如权利要求24所述的方法,其中所述获得包括:
基于参考光归一化测量光;以及
基于归一化的测量光获得该目标材料的信息。
26.如权利要求25所述的方法,其中归一化的测量光是测量光与参考光的比率。
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