CN107148241A - 用于检测从物体反射的光的装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本公开的示例涉及用于检测从物体反射的光的装置和方法。该装置包括：包括衍射结构的导光元件，其被配置为将入射光导向物体；以及光学传感元件，其被配置为检测从所述物体反射的光。
Description
技术领域
本公开的示例涉及用于检测从物体反射的光的装置和方法。不影响前述，一些示例涉及用于检测从用户的身体(例如，皮肤)反射的光以用于确定生物/生理测量的装置和方法，诸如在光学上获得器官对光电容积脉搏波描记法(PPG)的容积测量以确定用户的心率。
背景技术
诸如用户的心率的生物/生理测量可使用光学PPG传感器从组织中测量。由来自用户的心脏的每个心动周期的压力脉冲引起的容积变化可通过脉搏血氧仪检测，该脉搏血氧仪检测在用户的皮肤内的光吸收的变化。皮肤例如被发光二极管(LED)照射，并例如用光电检测器测量所反射的光量。
传统的光学传感器系统并不总是最佳的。例如来自LED的光通常被发射在广阔的面积上并且在周围散射，这可减少从物体反射并能够被光电检测器检测到的光量。为了补偿这种问题，可能需要更亮的光源和/或更大的功率，以便检测足够的反射光量以能够从中确定生理/生物测量，诸如心率测量。
本说明书中任何在先公开的文献或背景的列表或论述不应必然被视为确认该文件或背景是现有技术的一部分或者是公知常识。本公开的一个或多个方面/示例可以或可以不解决背景技术问题中的一个或多个。
发明内容
根据本公开的至少一些但不一定全部的示例，提供了一种装置，其包括：包括衍射结构的导光元件，其被配置为将入射光导向物体；以及光学传感元件，其被配置为检测从所述物体反射的光。
该装置可进一步包括光源。导光元件可被配置为向光源提供保护窗/盖。导光元件可进一步被配置为向光学传感元件提供保护窗/盖。
可替换地，可提供光源作为第一模块，可提供光学传感元件作为第二单独模块。导光元件可被配置为向第一模块提供保护窗/盖，可提供另一个导光元件，其被配置为向第二模块提供保护窗/盖。
该装置可作为诸如可穿戴设备的设备的一部分提供，该设备被配置为至少部分地围绕用户的附肢，诸如用户的手腕。该设备可进一步被配置以用于以下中的至少一个：无线通信、移动电话、接收用户输入、提供用户输出、便携式使用和可穿戴使用。
根据本公开的至少一些但不一定全部的示例，提供了一种方法，其包括：使用包括衍射结构的导光元件以将入射光导向物体；以及检测从所述物体反射的光。
根据本公开的至少一些但不一定全部的示例，提供了一种装置，其包括被配置为执行上述方法的装置。
根据本公开的至少一些但不一定全部的示例，该装置可被配置用作传感器，以用于确定以下中的一个或多个：生物测量、生理测量、光电容积脉搏波描记测量、容积测量、血氧饱和度测量、心血管测量或心率测量。
本公开的示例以及随附的权利要求可以以任何对本领域技术人员是显而易见的方式适当地组合。
附图说明
为了更好地理解本公开的各种示例，这些示例有利于理解本发明的详细描述和某些实施例，现在仅以示例的方式参照附图，其中：
图1示意性地示出了根据本公开的装置的示例；
图2示意性地示出了根据本公开的装置的另一个示例；
图3示意性地示出了根据本公开的装置的再一个示例；
图4示意性地示出了根据本公开的装置的再一个示例；以及
图5示意性地示出了根据本公开的方法的流程图。
具体实施方式
附图示意性地示出了装置100，其包括：
包括衍射结构302的导光元件101，其被配置为将入射光102导向物体103；以及
光学传感元件105，其被配置为检测从所述物体103反射的光。
衍射结构可以例如是衍射光学元件、衍射光栅、周期性结构/图案或一系列衍射线/狭缝/凹槽。
本公开的某些示例寻求提供一种装置以用于将光重定向/聚焦到物体，诸如用户的身体的区域，以便增加可从物体反射并被光学传感元件检测到的光量。增加所检测的反射光量可改进反射光的测量的信噪比。这可提供以下优势：较低的亮度/光通量光源可用于入射光，例如，人们能够使用比原本可能需要的亮度/功率更低的光源。这相应地可使装置的功耗降低。
此外，使用具有衍射结构的导光元件以及至少部分地使用衍射以重定向光可使得导光结构的一个或多个表面能够避免用户可注意的突起或凹陷，这些突起或凹陷原本可能需要，例如在那儿有用于聚光的凸/凹透镜。本公开的示例可提供具有衍射结构的导光元件，该衍射结构被集成到导光元件的表面，其中该衍射结构具有微米级或纳米级的突起。这小于其中使用可能具有毫米级的凹突起的透镜的实例。有利地，这可减小导光结构的尺寸和厚度。此外，这可减少在导光结构的宏观/大型形状上的限制(诸如减少或避免在导光元件中需要用户可注意/可感觉的突起/凹陷，这可能会导致用户的不适，特别是当导光元件被长时间压在用户的身体的一部分时)。此外，导光结构可用于形成在光学传感元件上的保护盖/层/窗和/或形成装置的壳体的外部部分，诸如壳体中可通过入射光和反射光的窗。
本公开的某些特定非限制性示例可用于确定以下中的一个或多个：生物测量、生理测量、光电容积脉搏波描记测量、容积测量、血氧饱和度测量、心血管测量或心率测量。有利地，这样的示例可通过增加从用户组织反射的光的检测效率来实现改进的例如心率信号的测量。改进的检测/测量效率可意味着可获得更准确的读数和/或消耗更少的功率。当装置作为便携式/可穿戴设备提供时，这可导致更长的使用时间和更长的电池寿命。此外，当穿戴该设备时改进的用户舒适度可意味着用户可更长时间地穿戴该设备，从而实现在更长时间上的测量。
现在参照附图描述根据本公开的装置的示例。在附图中使用相似的附图标记指定相似的特征。为了清楚起见，在所有附图中不一定显示所有的附图标记。
图1示意性地示出了根据本公开的装置100。装置100包括导光元件101，例如光导，以及光学传感元件105，例如光传感器、光电检测器或光电二极管。
导光元件包括衍射结构(图1中未示出)，并被配置为将入射光束102导向物体103，如用户的身体104的区域103。入射光102被导光元件向物体/区域103衍射以及重定向/聚焦，如重定向衍射光106所示。重定向衍射光106在用户的身体的区域103内被反射，例如通过诸如用户皮肤内的血管和毛细血管的组织，反射光107被光学传感元件105检测。光学传感元件、光源和导光元件可在基板上提供，尤其是例如印刷线路板或柔性印刷电路板(未示出)。
装置100可在模块中提供。这里使用的“模块”是指不包括由终端制造商或用户添加的某些部件/组件的单元或装置。
本公开的某些特定非限制性示例可用于提供光电容积脉搏波描记(PPG)传感器，以用于获得在区域内(特别是在用户的皮肤的区域内)的用户的组织/血管/毛细血管的容积测量。
图2示出了另一个装置200，其中光源202，诸如发光二极管(LED)，用于产生入射光102，其通过导光元件101及其衍射结构201导向，以改变路径以向特定区域重定向。这种导向光，如箭头106所示，然后可从该区域反射，如箭头107所示，并且被光学传感元件105检测。光学传感元件可被封装在保护层205内，该保护层205本身可以包括它自己的导光元件(其同样可以包括衍射结构-未示出)以将反射光向着光学传感元件105重定向/聚焦。导光元件101本身可形成光源202的保护层/窗。
每个导光元件101和205可主要通过衍射来指引光或也可被配置以通过折射来导光。
该装置可被提供为分离的第一和第二模块，其中导光元件101和光源202被提供为第一模块206，光学传感元件105及其保护层/导光元件205被提供为第二模块207。例如，导光元件101和光源202可在基板208上提供，基板208与在其上提供光学传感元件105及其保护层/导光元件205的基板209分离。导光元件101和光源202可容纳在壳体部210中，壳体部210具有侧壁和底部/基底部分，并与容纳有光学传感元件105及其保护层/导光元件205的壳体部211分离。
在一些示例中，导光元件/保护层101可直接形成在光源202上。在一些示例中，导光元件/保护层101可与光源202相邻地提供。在一些示例中，导光元件/保护层101可与光源202相邻，以使得导光元件/保护层101与光源202接触。在一些示例中，在导光元件/保护层101与光源202之间可没有间隙或没有气隙(图2中未示出，但在图4中示出)。类似地，导光元件/保护层205可直接形成在光学传感元件105上。在一些示例中，导光元件/保护层205可与光学传感元件105相邻地提供。在一些示例中，导光元件/保护层205可与光学传感元件105相邻，以使得导光元件/保护层205与光学传感元件105接触。在一些示例中，在导光元件/保护层205与光学传感元件105之间可没有间隙或没有气隙(图2中未示出，但在图4中示出)。在一些示例中，一个或多个透光材料可被插入在导光元件与光源/光学传感元件之间以填充任何气隙。在其他示例中，可在各部件之间提供气隙。
图3示出了根据本公开的另一个示例装置300，其中，光学传感元件105和光源202共享光源202的导光元件301，以使得导光元件形成光源202和光学传感元件105中的每个的保护窗/盖。
装置300包括壳体结构303，其具有侧壁和在其上提供光源202和光学传感元件105的底座/基底部分。隔离壁305在光源202和光学传感元件105之间提供，用于阻挡直接从光源202到检测器105而没有例如通过不在导光元件301的内表面上反射来穿过导光元件301的任何光的路径。可替换地，或者除了提供这种光学阻碍隔离壁之外，还可以在导光元件的下表面/内表面提供抗反射涂层以防止光从内表面反射。
光源202发射的光入射到导光元件301，以便被导向/重定向到区域103。导光元件301包括衍射结构302。衍射结构可在导光元件的表面(例如，如图所示的下/内表面，或者上/外表面)提供并且可与其集成一体。抗反射涂层可在导光元件的上侧/外表面提供。
导光元件可由透明材料形成，例如，具有高透明度的光学级塑料、玻璃或蓝宝石玻璃。导光元件可形成光源和/或传感器的保护窗。衍射结构302可被集成到保护窗上。衍射结构可通过任何合适的方式在表面上提供，例如在表面是塑料的情况下，所需的图案可以以模制、铸造、压花、激光、蚀刻等方式复制。在表面包括诸如玻璃或蓝宝石的其他材料的情况下，例如可使用蚀刻、激光或铸造技术。
衍射结构被配置为辅助将光束102重定向/聚焦在特定方向106上，以使得大部分光被导向用户的身体内的特定区域103或特定焦点。衍射结构可以包括衍射光学元件、周期性衍射结构和/或衍射线、狭缝或凹槽中的一个或多个。衍射结构的周期和/或形状和尺寸可用于辅助将光导向/聚焦到特定区域，以集中能够在该区域接收的光量106，从而最大化被该区域反射并被光电检测器105检测到的光量107。
衍射结构302可在导光元件的一个或多个主表面的至少一部分上提供，例如在导光元件的内表面或外表面的至少一部分上。衍射结构可有助于减少不希望的表面反射和反向散射。
导光元件301可被配置为在光学传感元件上延伸，从而在光学传感元件上提供保护层/窗。这种包括衍射结构的保护层/窗可以是曲线形的或可弯曲的，例如以便符合装置所附着的用户的身体部分(例如手腕)的形状。导光元件301可被配置为将反射光107导向/聚焦到光学传感元件105上。覆盖光学传感元件的导光元件的内表面或外表面还可提供衍射结构(未示出)，以便将反射光107聚焦到光学传感元件105上。
来自诸如LED的光源的入射光可以是可见光，如绿色、蓝色、红色光，或可以包括来自电磁光谱的其他不可见部分的光，例如红外光。
图4示出了包括多个光源202、202'和光学传感器105的另一个装置400。该装置还包括多个衍射结构302和302'，其被适当地布置并被配置为寻求最大化从各个光源导向用户的身体104的特定区域103的光量，以使得该光可以从该区域反射并且被光学传感器105检测。例如，衍射元件302从在光学传感元件105的左侧的光源202接收入射光。衍射元件302被配置为朝向右侧(如用向右方向的箭头所示)重定向/增加光量以在光学传感器105/光电二极管区域上进行反射，并且减少在左侧方向(如用带叉的向左方向的箭头所示)上的光量。类似地，对另一个衍射元件302'提供相反的配置。
图4的装置400被配置以使得光导301和光源202、202'彼此相邻地提供。在一些示例中，在光导301和光源202、202'之间没有气隙。在其他示例中，可以提供气隙。例如，光导可围绕光源并直接在其上应用/形成，例如以使得区域401和401'形成光导的主要部分。可替换地，区域401和401'可以包括透光且将来自光源的光优化耦合到光导301的材料。类似地，该装置可被配置以使得在光导301和光学传感器105之间没有气隙，例如，区域402可以是光导的主要部分或者是光耦合介质/材料。
图5示意性地示出了根据本公开的示例的方法500的流程图。在框501中，使用包括衍射结构的导光元件，将入射光导向物体，例如用户的身体的区域。入射光可以至少部分地来自光源，如框504所示。
在框502中，检测从物体反射的光。在框503中，基于所检测的光确定生物/生理测量。生理测量可以不仅限于例如光电容积脉搏波描记测量、容积测量、血氧饱和度测量、心血管测量或心率测量。
应当理解，流程图的框支持执行指定的功能以及提供被配置为执行指定功能的装置。本公开的示例涉及方法和对应的装置，其中装置由提供用于执行该方法的动作的功能的各种模块或部件组成。因此，根据本公开，可以提供一种包括被配置以执行上述方法的装置的装置。
图5的流程图表示一种可能的场景。所示的框的顺序并不是绝对必需的，因此，在原则上各个框可以不按顺序执行。并不是所有的框都是必不可少的。在某些示例中，一个或多个框可以以不同的顺序或在时间上重叠、串行或并行地执行。一个或多个框可以以某些组合的方式省略或添加或改变。例如，框504可以可选择地使用，框503可省略(因为这种功能可在独立的设备中被提供，例如其中与所检测的从区域反射的衍射光量有关的信号被传送到远离该装置的控制器/处理器，以用于确定生理测量)。虽然通过导光元件重定向/聚焦入射光可以通过在导光元件的衍射结构内的衍射进行，但是，光的重定向可以不仅仅是由衍射唯一引起的，还可以是由在导光元件中发生的折射引起的，例如通过适当配置的导光元件，其可除了提供在导光元件中发生的衍射之外，还提供折射属性以将光导向/聚焦到该区域。在这方面，除了一个或多个衍射结构之外，导光结构还可以包括一个或多个折射光学微结构。
此外，虽然描述了包括衍射结构的导光元件，但在某些示例中，导光元件本身实际上是(即包括)衍射结构。这种导光元件/衍射结构可在如玻璃或塑料光学透明介质的透光介质的表面上提供。此外，可以向该装置提供附加层，如导光元件的抗反射涂层。
本装置的某些示例寻求提供入射光的光束整形，以提高发光效率并增强向特定物体/区域提供光的效率。这种提供给物体/区域的光的集中增加了可从物体/区域反射并能够被光学传感元件检测到的光量。某些示例还可寻求提供反射光的光束整形以优化反射光的收集，即提高向光学传感元件提供反射光的效率。这种提供给光学传感元件的反射光的集中增加了可被检测到的反射光量。
上述描述中被描述的特征可以通过除了明确描述的组合之外的组合来使用。
虽然已经参照某些特征描述了功能，但是，这些功能可由其他特征执行，无论其是否被描述。虽然已经参照某些示例描述了特征，但是，这些特征也可存在于其他示例中，无论其是否被描述。
应当理解，在不脱离如权利要求中所述的本发明的范围的情况下，可以对给定的示例进行修改。
本文中使用的术语“包括”具有包容而非排他的含义。也就是说，任何表述“X包括Y”表示X可以仅包括一个Y或可以包括多于一个Y。如果意图使用具有排他含义的“包括”，那么在上下文中将通过提及“仅包括一个···”或者使用“由······组成”来明确。
在本说明书中，用词“连接”、“耦合”和“通信”及其派生词意味着在操作上连接/耦合/通信。应当理解，可以存在任何数量或组合的中间组件(包括没有中间组件)。
在本说明书中，已经参考了各种示例。与示例相关的特征或功能的描述表示在该示例中存在这些特征或功能。在文本中使用的术语“示例”或“例如”或“可以”表示，无论是否被明确地陈述，这些特征或功能至少存在于所描述的示例中，无论是否被描述为示例，并且它们可以但不一定存在于一些或所有其他示例中。因此，“示例”、“例如”或“可以”是指一类示例中的特定实例。该实例的特性可以仅是该实例的特性或该类的特性或该类的子类的特性，该子类包括该类中的一些但不是全部的实例。
在本说明书中，涉及“一个/该”[特征、元件、组件、装置···]将被解释为“至少一个”[特征、元件、组件、装置···]，除非另外被明确地陈述。
以上描述描述了本公开的一些示例。然而本领域技术人员应当意识到提供与上文所述的此种结构和特征的具体示例等效的功能的可能的替代结构和方法特征，为了简洁起见已从上述说明中省略。尽管如此，以上描述应被理解为隐含包括涉及提供等效的功能的此种替代结构和方法特征，除非在以上本公开的示例的描述中明确排除的此种替代结构或方法特征。
尽管在前述说明书中努力提请注意被认为是特别重要的本公开的示例的这些特征，应当理解，申请人要求保护上述涉及的和/或在附图中示出的任何专利的特征或特征的组合，无论是否特别强调。
Claims (17)
1.一种装置，包括：
包括衍射结构的导光元件，其被配置为将入射光导向物体；以及
光学传感元件，其被配置为检测从所述物体反射的光。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述衍射结构被集成到所述导光元件的表面。
3.根据前述权利要求中任一项所述的装置，进一步包括光源，用于产生所述入射光的至少一部分。
4.根据权利要求3所述的装置，其中，所述导光元件被配置为覆盖所述光源。
5.根据权利要求3或4所述的装置，其中，所述导光元件被配置为形成所述光源的保护层。
6.根据权利要求3至5中任一项所述的装置，其中，所述导光元件被配置为形成所述装置的壳体的外部部分。
7.根据权利要求3或6所述的装置，其中，所述装置被配置以使得在所述导光元件与所述光源之间没有气隙。
8.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，所述导光元件进一步被配置为以下中的至少一个或多个：
覆盖所述光学传感元件；
将从所述物体反射的光导向所述光学传感元件；
形成所述光学传感元件的保护层；以及
形成所述装置的壳体的外部部分。
9.根据权利要求1至7中任一项所述的装置，进一步包括第二导光元件，其中所述第二导光元件被配置为以下中的至少一个或多个：
覆盖所述光学传感元件；
将从所述物体反射的光导向所述光学传感元件；
形成所述光学传感元件的保护层；以及
形成所述装置的壳体的外部部分。
10.根据权利要求8或9所述的装置，其中，所述装置被配置以使得在所述导光元件与所述光学传感元件之间没有气隙。
11.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，所述物体包括用户的身体的区域。
12.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，所述装置包括以下中的一个或多个：
支撑结构，其被配置为至少部分地围绕用户的附肢；以及
附着机构，其被配置为将所述装置附着到用户的身体。
13.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中所述装置被配置用于确定以下中的一个或多个：
生物测量、生理测量、光电容积脉搏波描记测量、容积测量、血氧饱和度测量、心血管测量、或心率测量。
14.一种模块或设备，包括权利要求1至13中任一项所述的装置。
15.一种方法，包括：至少部分地引起导致以下的动作：
使用包括衍射结构的导光元件以将入射光导向物体；以及
检测从所述物体反射的光。
16.根据权利要求15所述的方法，进一步包括：至少部分地使用光源以生成所述入射光。
17.根据权利要求16所述的方法，进一步包括：确定以下中的一个或多个：
生物测量、生理测量、光电容积脉搏波描记测量、容积测量、血氧饱和度测量、心血管测量、或心率测量。
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