CN107530000A - 用于ppg信号优化和环境光缓解的动态可配置光阑 - Google Patents
用于ppg信号优化和环境光缓解的动态可配置光阑 Download PDFInfo
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Abstract
本申请涉及一种电子设备和用于测量用户生理信号的方法，该电子设备具有可动态重新配置的光阑，以应对不同的皮肤类型、使用条件和环境条件。该设备可以包括一个或多个光发射器、一个或多个光传感器，以及可以在一个或多个位置改变其光学性质的材料，以调节一个或多个光发射器以及一个或多个光传感器之间的光路和有效分隔距离或一个或多个可动态重新配置的光阑的尺寸、位置或形状。在一些示例中，该材料可以是液晶材料、MEMS快门层或光导，其能够形成一个或多个可动态重新配置的光阑。在一些示例中，光发射器或光传感器或两者都可以是逐个可寻址的光学部件的阵列。
Description
相关申请的交叉引用
本专利申请要求提交于2015年4月27日的美国临时专利申请62/153,445的权益，该美国临时申请以引用的方式全文并入本文以用于所有目的。
技术领域
本申请总体上涉及测量光电容积描记(PPG)信号的设备，更具体而言，涉及用于优化PPG信号和环境光缓解的动态可配置光阑。
背景技术
可以由PPG系统测量光电容积描记(PPG)信号以导出对应的生理信号(例如，脉搏率)。在基本形式中，PPG系统可以采用通过光阑向用户组织中发光的光源或光发射器。此外，可以包括光探测器以通过光阑接收从组织反射并离开的光。然而，由于影响反射光信号的用户皮肤类型、使用条件和环境条件的变化，对用户生理信号的确定可能会出错。
对于给定的光发射器和光反射器，PPG信号可以随着光发射器和光反射器之间分隔距离增大而减小。另一方面，随着光发射器和光反射器之间分隔距离的增大，灌注指数可能增大。因此，光发射器和光传感器之间更短的分隔距离能够有利于高的PPG信号强度，而更长的分隔距离能够有利于高灌注指数值(例如，运动性能)。此外，光发射器和/或光探测器光阑的尺寸可能导致PPG信号强度不够和/或过多环境光入侵，这可能向信号中引入噪声并可能使信号饱和。不够大的PPG信号强度和过多环境光入侵两者均可能导致错误的测量。此外，光阑的位置或形状(或两者)可能不会导致可能负面影响测量的用户皮肤变化。尽管可以才用特定架构，例如多个路径长度的架构以缓解这些问题，但一旦制造了设备，就不能调节路径长度和光阑尺寸、位置或形状。为了应对不同的皮肤类型、使用条件和环境条件，可能需要具有动态可配置光阑的设备。
发明内容
本申请涉及一种电子设备，该电子设备具有可动态重新配置的光阑，以应对不同的皮肤类型、使用条件和环境条件。可以利用一个或多个光发射器以及一个或多个光传感器测量用户的生理信号。该设备可以包括可以在一个或多个位置改变其光学性质的材料，以调节一个或多个光发射器以及一个或多个光传感器之间的光路和有效分隔距离或一个或多个可动态重新配置的光阑的尺寸、位置或形状。在一些示例中，该材料可以是液晶材料、MEMS快门层或光导，其能够形成可动态重新配置的光阑。在一些示例中，光发射器或光传感器或两者都可以是可逐个寻址的光学部件的阵列，其中选择或寻址活动光学部件可以改变向用户皮肤发射的光和从用户皮肤、脉管和/或血液反射并由光传感器接收的光的性质。在一些示例中，该设备可以包括具有不同发射或感测波长的多个光发射器或多个光传感器。
本申请还涉及用于测量用户生理信号的方法。在一些示例中，光发射器和光传感器之间更长的间隔距离可以用于PPG信号测量，而更短的间隔距离可以用于灌注指数测量。在一些示例中，可以调节光阑尺寸以应对被引入信号的噪声量，例如环境光入侵量。在一些示例中，可以调节光阑的位置或形状以应对用户皮肤的变化。本公开的示例包括优化可动态重新配置的光阑的性质的方法。这些方法可以包括比较三种(或更多种)配置的信号值以及选择具有最高(或最低)信号值的配置。这些方法还可以包括在具有最高(或最低)信号值的方向上递增地调节光阑的性质。
附图说明
图1A-图1C示出了可在其中实施本公开的示例的系统。
图2A示出了根据本公开的示例的示例性电子设备的顶视图，其包括用于测量PPG信号的光传感器和光发射器。
图2B示出了根据本公开的示例的示例性电子设备的截面图，其包括用于测量PPG信号的光传感器和光发射器。
图2C示出了根据本公开的示例由PPG系统中的光传感器探测的信号。
图3A示出了根据本公开的示例的示例性电子设备的顶视图，其包括用于测量PPG信号的具有增大光阑尺寸的光传感器和光发射器。
图3B示出了根据本公开的示例的示例性电子设备的截面图，其包括用于测量PPG信号的具有增大光阑尺寸的光传感器和光发射器。
图3C示出了根据本公开的示例，PPG信号和由示例性设备中具有增大光阑尺寸的光传感器探测到的信号。
图4A-图4B示出了根据本公开的示例，针对光发射器和光传感器之间的分隔距离与PPG信号和灌注指数的示例性关系。
图5A示出了根据本公开的示例用于测量PPG信号的具有多个光路的示例性设备的顶视图。
图5B示出了根据本公开的示例用于测量PPG信号的具有多个光路的示例性设备的截面图。
图5C示出了根据本公开的示例的示例性设备中，示例性路径长度、相对PPG信号值和相对灌注指数值的表格。
图6A-图6B示出了根据本公开的示例，能够动态调节光发射器和光传感器之间路径长度的示例性电子设备的顶视图。
图6C示出了根据本公开的示例，针对具有不同分隔距离的两个光阑与对应PPG信号和灌注指数的示例性关系。
图6D-图6E示出了根据本公开的示例，能够动态调节光阑尺寸的示例性电子设备的顶视图。
图6F示出了根据本公开的示例，针对具有不同分隔距离的增大尺寸的两个光阑与对应PPG信号和灌注指数的示例性关系。
图6G-图6H示出了根据本公开的示例，能够动态调节光阑数目的示例性电子设备的顶视图。
图6I示出了根据本公开的示例，光阑面积与PPG信号和灌注指数之间的示例性关系。
图7示出了根据本公开的示例，能够通过液晶层动态调节一个或多个光阑尺寸、一个或多个路径长度以及一个或多个光阑形状的电子设备的部分堆叠的截面图。
图8示出了根据本公开的示例，能够通过微机电系统(MEMS)层动态调节一个或多个光阑尺寸、一个或多个路径长度以及一个或多个光阑形状的电子设备的部分堆叠的截面图。
图9示出了根据本公开的示例，能够通过多个可逐个寻址的光学部件动态调节一个或多个光阑尺寸、一个或多个路径长度以及一个或多个光阑形状的电子设备的部分堆叠的截面图。
图10A示出了根据本公开的示例，能够通过光导动态调节一个或多个光阑尺寸、一个或多个路径长度以及一个或多个光阑形状的电子设备的部分堆叠的截面图。
图10B示出了根据本公开的示例，能够通过与光发射器和光传感器位于同一层的光导动态调节一个或多个光阑尺寸、一个或多个路径长度以及一个或多个光阑形状的电子设备的部分堆叠的截面图。
图11A-图11C示出了根据本公开的示例，动态调节一个或多个光阑尺寸、一个或多个路径长度、一个或多个光阑形状或电子设备中组合的过程的示范性流程图。
图12示出了根据本公开的示例，包括光发射器和光传感器，用于测量与用户生理状态相关联的信号的计算系统的示范性方框图。
图13示出了根据本公开的示例，电子设备连接到主机的示例性配置。
具体实施方式
在以下对示例的描述中将引用附图，在附图中以例示的方式示出了可被实施的特定示例。应当理解，在不脱离各个示例的范围的情况下，可使用其他示例并且可作出结构性变更。阐述了众多具体细节，以便提供对其中描述或提到的一个或多个方面和/或特征的透彻理解。然而，对于本领域的技术人员显而易见的是，本文所述或援引的一个或多个方面和/或特征可以在不具有这些具体细节中的一些或全部的情况下实施。在其他实例中，未详细描述公知的工艺步骤和/或结构，以免使本文中描述或提到的一些方面和/或特征模糊不清。
可以由PPG系统测量光电容积描记(PPG)信号以导出对应的生理信号(例如，脉搏率)。这样的PPG系统可以被设计成对用户组织的改变敏感，这种改变可能因为用户脉管中血液或血氧量或容积的波动。在基本形式中，PPG系统可以采用通过光阑向用户组织中发光的光源或光发射器，以及光传感器，以通过另一个光阑接收反射和/或散射并离开组织的光。PPG信号是利用组织中血液容积的容积改变调制的反射和/或散射光的幅度。然而，在一些示例中，反射和/或散射光的一些可能丢失，导致光传感器测量的PPG信号具有低信号强度。此外，PPG信号可能由于人为噪声而被噪声畸变。人为噪声可能来自例如用户的运动或环境光入侵，它们可能通过向信号中引入噪声而使信号饱和或劣化。结果，可能难以精确确定用户的生理状态。
本公开涉及具有可动态重新配置的光阑的电子设备，以应对不同的皮肤类型、使用条件(例如，久坐、主动运动等)以及环境条件(例如，室内、室外等)。可以利用一个或多个光发射器以及一个或多个光传感器测量用户的生理信号。该设备可以包括可以在一个或多个位置改变其光学性质的材料，以调节一个或多个光发射器以及一个或多个光传感器之间的光路和有效分隔距离或一个或多个可动态重新配置的光阑的尺寸、位置或形状。在一些示例中，该材料可以是液晶材料、MEMS快门层或光导，其能够形成一个或多个可动态重新配置的光阑。在一些示例中，光发射器或光传感器或两者都可以是可逐个寻址的光学部件的阵列，其中选择活动光学部件可以改变向用户皮肤发射的光和从用户皮肤、脉管和/或血液反射的光的性质。在一些示例中，该设备可以包括具有不同发射或感测波长的多个光发射器或多个光传感器。
本公开还涉及用于测量用户生理信号的方法。在一些示例中，光发射器和光传感器之间更长的间隔距离可以用于PPG信号测量，而更短的间隔距离可以用于灌注指数测量。在一些示例中，可以调节光阑尺寸以应对被引入信号的噪声量，例如环境光入侵量。在一些示例中，可以调节光阑的位置或形状以应对用户皮肤的差异。本公开的示例可以包括优化可动态重新配置的光阑的性质的方法。这些方法可以包括比较三种(或更多种)配置的信号值以及选择具有最高(或最低)信号值的配置。这些方法还可以包括朝向具有最高(或最低)信号值的方向和/或尺寸递增地调节光阑的性质。
这一部分中描述了根据本公开的设备和方法的代表性应用。提供这些示例仅是为了添加上下文并有助于理解所述示例。因此，对于本领域的技术人员而言将显而易见的是，可在没有具体细节中的一些或全部的情况下实践所述示例。其他应用也是可能的，使得以下示例不应被视为是限制性的。
图1A-图1C示出了可在其中实施本公开的示例的系统。图1A示出了可以包括触摸屏124的示例性移动电话136。图1B示出了可以包括触摸屏126的示例性媒体播放器140。图1C示出了可以包括触摸屏128并能够使用带子146附接到用户的示例性可穿戴设备144。图1A-图1C的系统可以利用将要公开的用于检测PPG信号的可重新配置的光阑和方法。
图2A示出了根据本公开的示例的示例性电子设备的顶视图，图2B示出了截面图，其包括用于测量PPG信号的光传感器和光发射器。图2A的顶视图可以被看做例如图1C的可穿戴设备144的下侧。光传感器204可以接近设备200表面上的光发射器206。此外，另一个光传感器214可以位于设备200表面上的光发射器216处或与之配对。可以定位设备100，使得光传感器204和214以及光发射器206和216接近用户的皮肤220。例如，在其他可能性中，设备200可以被拿在用户手中或绑到用户手腕上。
光发射器206可以产生离开光阑201的光222和224。可以向用户皮肤220引导光222并入射在其上。光222的一部分可以被皮肤220、脉管和/或血液吸收，光的一部分(即，光223)可以被反射回来，由光传感器204检测。光224也可以入射到皮肤220上，光224的一部分可以被皮肤220、脉管和/或血液吸收，光的一部分(即，光225)可以向着设备200被反射回来。然而，光225可能入射在后晶体218上并可能不会达到光传感器204。类似地，环境光226可以入射在皮肤220上。环境光(即，光227)的一部分可以向着设备200反射回来，光227可以被后晶体218吸收。
图2C示出了根据本公开的示例，在示例性电子设备中由光传感器检测的信号，用于确定用户的生理状态。信号250可以是光传感器204测量的低强度信号。信号250的强度可能很低，因为光阑201的尺寸、形状或位置能够遮挡反射光，例如光225的一部分，并防止光入射在光传感器，例如光传感器204的活动区域上。这样的信号可能太低，无法精确确定用户的生理状态。尽管可以通过增大从光发射器206产生的光强度来增大所检测信号250的强度，但这样的方案可能并不可行，尤其是在便携式或紧凑尺寸的电子设备中，其功耗可能由于便携性和尺寸要求而受到限制。
克服或缓解低信号强度问题的一种方式可以是放大一个或多个光阑尺寸。图3A和图3B示出了根据本公开的示例的示例性电子设备的顶视图和截面图，其包括用于测量PPG信号的具有增大光阑尺寸的光传感器和光发射器。设备300可以包括位于设备300表面上的光发射器306和316以及光传感器304和314。在一些示例中，可以相对于后晶体318的中心对称地放置光传感器304和314或光发射器306和314或两者。光发射器306和316以及光传感器304和314可以面朝用户的皮肤320。光发射器306和316可以发射光并能够检测从用户皮肤320、脉管和/或血液反射，通过光阑301的光。
光发射器306可以通过光阑301向着皮肤320发射光322和324。光322和324都可以被皮肤320、脉管和血液部分吸收。光323和325能够代表光322和324中未被皮肤320吸收，反而向设备300被反射回来的部分。光323和325都可以被光传感器304检测到以产生代表调制光的信号。
每个光阑301都能够具有大于图2A和2B的光阑201直径(或面积)的直径(或面积)。通过增大光阑尺寸，光323或325都不会被后晶体318吸收，这可能导致测量的调制光值具有增大的强度。该增大的强度能够使信号强度足以使得PPG信号的检测可实现，不像图2C中所示的信号250那样。尽管增大光阑尺寸能够有效地增大调制信号强度，但更大的光阑可能允许不希望的光通过从而被光传感器304感测到。例如，环境光326能够从用户皮肤320反射，进入光阑301并能够到达光传感器304的活动区域。环境光也可以直接进入光阑中并到达光传感器上，而不入射到用户皮肤上。随着到达光传感器304的活动区域的环境光327增多，未调制信号的强度能够增大。未调制信号强度的增大可能导致灌注指数减小以及信噪比减小。
图3C示出了根据本公开的示例，由示例性设备中用于测量PPG信号的具有增大光阑尺寸的光传感器检测的信号。信号350可以是光传感器304检测的实测总信号(即，实测调制光和未调制光，包括环境光之和)。信号360可以是精确代表用户生理状态的实际PPG信号。
设备300可以采用实际PPG信号，例如信号360，并确定用户的灌注指数。灌注指数可以是接收的调制光(ML 364)与未调制光(UML 366)之比(即，血流调制信号与静态寄生DC信号之比)并能够给出关于用户生理状态的额外信息。调制光(ML)可以是PPG信号360的峰到谷值，未调制光(UML)可以是零到平均(平均值362)值。如图3C所示，灌注指数可以等于ML364与UML 366之比。
信号350和360都可以具有由于脉动血流(即，“信号”)和寄生未调制非信号光(即，DC)而调制的幅度。然而，由于信号350包括噪声，所以信号350的未调制光UML 356可能比信号360的未调制光UML 366更高。噪声可能产生于例如运动人为噪声、环境光入侵(例如，由于光传感器304检测环境光327)或未穿透血液层的光。增加的噪声或未调制光值可能使用户生理状态的确定失真。在未调制光能够使光传感器304检测的总信号饱和的情况下，尤其可能是这种情况。例如，如图所示，信号350可以达到饱和水平355。结果，光传感器检测的调制光ML 354可能值更低(例如，截顶)，因此PPG信号可能不正确。假定未调制光UML 356可能值错误地很高(例如，饱和)，调制光ML 354可能值错误地很低(例如，截顶)，灌注指数等于ML 354与UML 356之比，则可能不正确地确定PPG信号。
增大信号强度而不增大未调制光强度的一种方法可以是减小光传感器和光发射器之间的距离，使得光行进更短距离。通常，对于给定的光发射器和光反射器对，信号强度随着光发射器和光传感器之间分隔距离增大而减小。另一方面，灌注指数一般随着光发射器和光传感器之间分隔距离增大而增大。更高的灌注指数可能与例如运动或环境光导致的人为噪声的更好拒绝相关。因此，光发射器和光传感器之间更短的分隔距离能够有利于高的PPG信号强度，而更长的分隔距离能够有利于高灌注指数。亦即，可能存在折中，使得难以针对特定用户皮肤/组织类型、使用条件和环境条件来优化分隔距离。
图4A-图4B示出了根据本公开的示例，针对光发射器和光传感器之间的分隔距离与PPG信号和灌注指数的示例性关系。光传感器404可以具有距光发射器406的间隔距离411。光传感器414可以具有距光发射器406的间隔距离413。光传感器424可以具有距光发射器406的间隔距离415。光传感器434可以具有距光发射器406的间隔距离417。光传感器444可以具有距光发射器406的间隔距离419。间隔距离411、413、415、417和419可以是不同的。在一些示例中，可以将光发射器406和光传感器404、414、424、434和444直接放在用户皮肤上，分隔距离411、413、415、417和419可以直接与光在皮肤之内行进的距离相关。如图4B所示，更短的分隔距离能够导致更低的灌注指数和更高的PPG信号，而更长的分隔距离能够导致更高的灌注指数和更低的PPG信号。
为了减轻信号强度和灌注指数之间的折中问题，可以采用具有光发射器和光传感器之间各种距离的多个光路。图5A示出了根据本公开的示例的具有多条光路，用于确定用户生理状态的示例性设备的顶视图，图5B示出了截面图。设备500可以包括位于设备500表面上的光发射器506和516以及光传感器504和514。与光发射器506相关联的光阑的边缘可以距与光传感器504相关联的光阑的边缘具有间隔距离513，与光发射器516相关联的光阑的边缘可以距与光传感器504相关联的光阑的边缘具有间隔距离511。
来自光发射器516的光522能够入射到皮肤520上并反射回来成为被光传感器504检测的光523。类似地，来自光发射器506的光524能够入射到皮肤520上并反射回来成为被光传感器504检测的光525。在一些示例中，可以将光发射器506和516以及光传感器504直接放在用户皮肤上，分隔距离511和513可以直接与光在皮肤之内行进的距离相关。分隔距离511可以比分隔距离513更短，结果，光523能够具有比光525更高的PPG信号强度。然而，由于更长的分隔距离，光525可以具有比光523更高的灌注指数。在一些示例中，光522和523能够比光524和525通过皮肤行进更短距离。光522和523行进的这一更短距离能够与更短的分隔距离511相关联。类似地，光524和524行进的这一更长距离能够与更长的分隔距离513相关联。可以将光发射器516和光传感器504用于需要高PPG信号的应用，而可以将光发射器506和光传感器504用于需要高灌注指数的应用。由于不同的分隔距离511和513，从光523和525提取的信息能够提供PPG信号和灌注指数值的各种组合，以允许该设备针对特定用户皮肤类型、使用条件和环境条件动态选择光信息。
光发射器506和516能够被对称放置，而光传感器504和514能够非对称放置。光发射器506和516以及光探测器504和514能够被布置成使得例如有四条具有四个不同分隔距离的光路。在一些示例中，分隔距离可以是与光发射器相关联的光阑边缘和与光传感器相关联的光阑边缘之间的距离。光路551可以耦接到光发射器506和光传感器514。光路553可以耦接到光发射器506和光传感器504。光路555可以耦接到光发射器516和光传感器504。光路557可以耦接到光发射器516和光传感器514。
图5C示出了根据本公开的示例，针对设备500的光路551、553、555和557的示例性路径长度、相对PPG信号电平和相对灌注指数值的表格。如图所示，相对PPG信号电平可以对更短路径而言更高，因为在光发射器和光传感器接近在一起时，可以有更少光损耗，从而光能够通过用户皮肤的更短距离行进。例如，由于更短的路径长度(光路555的路径长度可以是4.944mm，而光路557的路径长度可以是6.543mm)，光路555可以具有比PPG信号为0.31的光路557更高的1.11的PPG信号。对于需要高PPG信号电平的应用，相对于来自光路553或557的信息，设备500可能更偏好来自光路555或551的信息。然而，相对灌注指数值可能对于更长路径长度更高，因为沿皮肤中更大距离行进的光可以包括更高分数或百分比的脉动信号和更小分数或百分比的寄生信号。例如，由于更长的路径长度(光路553的路径长度可以是5.915mm，而光路551的路径长度可以是5.444mm)，光路553可以具有1.23的更高灌注指数值，而光路551可以具有1.10的更低灌注指数值。对于需要高灌注指数值的应用，相对于例如来自光路551的信息，设备500可能更偏好来自光路553的信息。尽管图5C连同示例性PPG信号电平和灌注指数值示出了针对路径长度551、553、555和557的示例性值，本公开的示例不限于这些值。
从多个光路获得的信息能够既用于需要高PPG信号强度的应用，又用于需要高灌注指数值的应用。在一些示例中，可以利用从所有光路产生信息。在一些示例中，可以利用从一些但并非所有光路产生信息。在一些示例中，可以基于应用、可用功率、用户类型和/或测量分辨率动态改变“活动”光路。
尽管可以考虑PPG信号和灌注指数之间的折中关系，调节一个或多个上文公开的示例性设备的路径长度或光阑尺寸或两者，但一旦已经制造了该设备，就不能调节路径长度和光阑尺寸。很多用户都希望有一种便携式电子设备，其能够用于多种活动(即，使用条件)并可以用于各种环境条件中。此外，皮肤类型可能在用户之间变化，因此具有固定路径长度和光阑尺寸的设备可能具有有限的能力。例如，黑素含量可能在用户之间有显著变化。黑素含量高的用户皮肤能够从光发射器吸收大量发射的光，因此更少的光能够向光传感器反射和/或散射回来。结果，仅对于例如黑素含量高的用户，可能希望有一种能够相对于灌注指数偏好高PPG信号的设备。另一方面，如果用户皮肤的黑素含量低，设备可能不需要偏好高的PPG信号。使用条件也可能改变。例如，用户可能正在高移动量活动中锻炼或参与。可能希望有一种能够牺牲高PPG信号并能够偏好高灌注指数以减少运动人为噪声的设备，但仅在用户活动的时间。此外，环境条件可能变化。例如，该设备可以位于室外在日照条件下。可能希望有一种能够应对环境光入侵并能够防止环境光使信号饱和的设备。如果用户和设备向具有低环境光水平的室内位置移动，可能希望有能够应对环境光而不影响信号电平的设备。在一些示例中，环境的温度可能导致用户皮肤表面中血液容积的改变。例如，由于更冷温度环境导致的更低血液容积可能需要额外的光功率以获得PPG信号。为了应对不同的皮肤类型、使用条件和环境条件，可能需要具有动态可配置光阑的设备。
图6A-图6B示出了根据本公开的示例，能够动态调节光发射器和光传感器之间路径长度的示例性电子设备的顶视图。设备600可以包括光发射器606和光传感器604。设备600可以任选地包括光学隔离(未示出)以防止光发射器606和光传感器604之间的直接光学串扰。光发射器606可以是任何类型的光源，包括但不限于发光二极管(LED)、白炽灯、荧光灯、有机发光二极管(OLED)和电致发光二极管(ELD)。光传感器604可以是诸如光电二极管的任何类型的光学感测设备。在一些示例中，光发射器606和光传感器604可以是固定位置的。光阑603可以位于光发射器606上方，使得从光发射器606发射的光能够通过光阑603发射。光阑601可以位于光传感器604上方，使得进入光阑601的光能够通过其透过并入射在光传感器604的有源区域上。设备600还可以包括位于光传感器604、光发射器606或两者上方的材料630。在一些示例中，材料630可以是不透明的，光阑601和603可以是透明的。在一些示例中，材料630的光学性质可以被动态调节或可以在不同位置之间变化或者两者兼之。例如，材料630可以在一个或多个位置处(例如，光阑601和603外部的区域)遮挡光(可以是不透明的)，而在一个或多个位置(例如，光阑601和603)处透射光(可以是透明的)。尽管该图仅示出了一个光发射器和仅一个光传感器，但本公开的示例可以包括具有多个光发射器或多个光传感器或两者的设备。
可以动态地调节光传感器604和光发射器606之间的距离或路径长度。如图6A所示，材料630的性质可以改变，使得光阑601可以位于距光发射器606某一距离611处。如图6B所示，材料630的性质可以被调节，使得光阑601可以位于距光发射器606某一距离619处。在两幅图中，光发射器606和光传感器604都可以保持在相同位置。此外，光阑601和603能够保持其形状和尺寸。
在某一时刻，在光阑601和603位于距彼此更短距离611处时，可以检测到高的PPG信号，如图6A所示。在另一时刻，在光阑601和603位于距彼此更长距离619处时，可以检测到高的灌注指数，如图6B所示。在一些示例中，设备600可以基于所检测到的环境光的量改变光阑的位置。例如，如果在第一位置处通过光阑检测到的环境光的量超过阈值，该设备可以将光阑重新定位到与第一位置不同的第二位置，其中环境光值可以在第二位置少于阈值。在一些示例中，第二位置可以距环境光源比第一位置更远。通过材料630的光学性质改变而动态调节光阑601和603相对于彼此的位置，可以实现高的PPG信号和高的灌注指数两者，如图6C中所示。
除了调节路径长度之外，还可以调节光阑的尺寸。图6D-图6E示出了根据本公开的示例，能够动态调节光阑尺寸的示例性电子设备的顶视图。设备600可以包括光发射器606和位于光发射器606上方的光阑603，使得从光发射器606发射的光能够通过光阑603发射。设备600还可以包括光传感器604和位于光传感器604上方的光阑605，使得进入光阑605的光能够通过其透过并入射在光传感器604的有源区域上。在一些示例中，可以通过材料630的光学性质的一个或多个动态改变来形成光阑603和605。在一些示例中，材料630可以在与光阑603和605相同的位置处是透明的。在一些示例中，材料630可以在位于光阑603和605外部的一个或多个区域中是不透明的。
如图6D所示，可以通过定位光阑603和605具有间隔距离613而确定PPG信号或灌注指数或两者。可以重新定位光阑605，使得光阑603和605之间的间隔距离改变为间隔距离617，如图6E中所示。在一些示例中，间隔距离613可以比间隔距离617更小。通过这种方式，可以在光阑603和605定位成分开更短距离613时测量到高的PPG信号，并可以在光阑603和605定位成分开更长距离617时，测量到高的灌注指数。设备600可以利用相同的光学部件，可获得精确的PPG信号和精确的灌注指数两者，如图6F所示。
设备600可以具有更少的光学部件，用于多次路径长度测量。与图5A的需要四个不同的光学部件(例如，光传感器504和514，以及光发射器506和516)产生四个不同路径长度(例如，与路径551、553、555和557相关联的长度)的设备500相比，设备600可以仅需要两个光学部件(例如，光传感器604和光发射器606)以产生四个不同的路径长度(例如，距离611、613、617和619)。更少的光学部件可能不仅实现更低成本和更紧凑的设备，而且可以增强光学感测能力。可以增强光学感测能力是因为光学部件的尺寸可以不受约束或“拥挤”，光学串扰的可能性可以更低。设备600还可以包括光学隔离602以防止光发射器606和光传感器604之间的直接光学串扰。
不仅可以动态调节一个或多个路径长度或间隔距离，而且可以动态调节一个或多个光阑尺寸。例如，光阑601(图6A-图6B中所示)可以具有与光阑605(图6D-图6E所示)不同的尺寸或面积。在一些示例中，光阑605可以具有面积A2，大于光阑601的面积A1。在一些示例中，设备600可以对光阑的尺寸或面积做出两次或多次调节。例如，设备600可以具有面积为大于A1和A2两者的A3的光阑609，如图6G所示。
该设备可以出于任意数量的原因改变一个或多个光阑的尺寸。例如，如果该设备判定希望或需要更高强度的调制光，该设备可以增大一个或多个光阑尺寸。在一些示例中，该设备可以判定环境光正在使信号饱和，因此设备可以减小一个或多个光阑尺寸。图6I示出了根据本公开的示例的曲线图，其示出了光阑面积对信号强度和环境光入侵的影响。随着光阑面积的增大，信号强度增大。然而，更高信号强度的折中可能是更高的环境光入侵，这可能会使检测的信号失真。由于相对于环境光入侵的信号强度可能根据很多因素而改变，例如用户的皮肤类型、使用条件和环境条件，所以具有一个或多个固定光阑面积的设备可能会限制PPG信号和灌注指数的精确度。
在一些示例中，该设备可以基于校准流程习惯调节光阑尺寸，该校准流程习惯针对用户的皮肤类型或该设备附着到、保持于或触摸的用户皮肤上的位置而被调节。在一些示例中，该设备可以基于期望测量或应用的类型调节光阑尺寸。
在一些示例中，可以动态调节光阑的数量，如图6G-图6H中所示。如图6G所示，设备600可以包括一个光阑609。光阑609可以允许从光发射器606发射的光通过其透射到达用户的皮肤(未示出)，同一光阑609可以允许从用户皮肤反射和/或散射的光通过其透射以被光传感器604检测到。在一些示例中，光阑609的尺寸可以使得光发射器609和光传感器604两者的有源区域暴露于用户的皮肤。
图6H示出了根据本公开的示例的示例性电子设备的顶视图，其包括多个光阑和多个光学部件。设备600可以包括光发射器606和616、光传感器604和614以及材料630。材料630可以被配置以多个光阑631、633和635。光阑631可以与光发射器616和光传感器614两者相关联或耦接。光阑633可以与光发射器606相关联，光阑635可以与光传感器604相关联。光阑633可以位于距光阑635分隔距离623处。从光发射器616发射并离开光阑631的光可以位于距进入光阑631并被光传感器614检测到的光分隔距离621处。在一些示例中，距离621和623可以不同。在一些示例中，距离621和623可以不同。在一些示例中，光传感器604和614可以是分配到两个或更多区段中的单个探测器。
在一些示例中，光传感器604和615可以是单个大探测器，例如图6G所示的光传感器604。在第一时间段中，可以重新配置材料630，从而允许光通过第一光阑(例如，光阑631)透射，而防止光通过第二光阑(例如，光阑635)透射。通过发射其反射被光阑631捕获的光，光发射器606或光发射器616或两者都可以是“活动的”。在第二时间段中，可以重新配置材料630，从而允许光通过第二光阑(例如，光阑635)透射，而防止光通过第一光阑(例如，光阑631)透射。针对第二时间段的“活动”光发射器可以与第一时间段相同或可以不同，其中“活动”光发射器的反射被光阑635捕获。
在光发射器606和光传感器604之间可以存在光路，在光发射器616和光传感器614之间可以存在另一光路。可以定位路径，从而人为测量用户皮肤的不同面积。例如，该设备可以配置以两条具有相同分隔距离但不同位置的光路。一条光路可以与用户皮肤上具有与另一光路不同的皮肤色素沉着或黑色含量的区域相关联。设备600可以利用来自两条光路的测量结果提取出皮肤色素沉着或黑素含量可能对PPG信号具有的效果。
在一些示例中，可以改变一个或多个光阑的形状。在一些示例中，设备600中光阑的形状可以不同。例如，光阑635的形状可以是椭圆，而光阑633的形状可以是圆形。该设备可以基于用户皮肤在例如光反射的那些位置的变化而调节每个光阑的形状。
在一些示例中，光发射器606和616可以是不同的光源。示例性光源可以包括，但不限于发光二极管(LED)、白炽灯和荧光灯。在一些示例中，光发射器606和616可以具有不同的发射波长。例如，光发射器616可以是绿光LED，光发射器606可以是红外(IR)LED。用户的血液能够从绿色光源有效吸收比IR源更多的光。于是，可以使用耦接到光发射器616，具有更短分隔距离621的光路测量例如用户久坐时的PPG信号。IR光源可以通过用户皮肤有效行进比其他光源更远的距离，因此可以使用位于距关联光传感器604更长距离623处的光发射器606。在一些示例中，光发射器606和616可以具有不同的发射强度。
图7示出了根据本公开的示例，能够通过液晶层动态调节一个或多个光阑尺寸、一个或多个路径长度以及一个或多个光阑形状的电子设备的部分堆叠的截面图。叠层700可以包括光学部件层761、液晶层760和窗口762。光学部件层761可以包括光发射器706和光传感器704，其中光发射器706和光传感器704两者的有源区域都可以面向用户的皮肤720。在一些示例中，光发射器706和光传感器704可以位于不同的层上。在一些示例中，光学部件层761可以包括后晶体718。窗口762可以是至少部分透明的任何材料或衬底。
液晶层760可以包括液晶材料和透明电极。液晶层可以包括来自任何类型的液晶技术的部件，包括，但不限于面内开关(IPS)、边缘场开关(FFS)或扭转向列(TN)。液晶层760还可以包括与液晶材料相邻的薄膜晶体管(TFT)层。在向液晶材料施加电场时，液晶材料的各个区段可以可变地允许光通过。可以基于透明电极之间的电压差产生电场。例如，可以向液晶层760中位于基本接近光阑701和703处的区段施加电压差。基本接近光阑703施加电压差可以允许从光发射器706发射的光722通过光阑703(即，液晶层760的透明区段)和通过窗口762向用户皮肤720行进。用户皮肤720、脉管和/或血液能够吸收一部分光，另一部分光可以反射回来成为光723。光723可以向着光传感器704透射通过窗口762和光阑701(即，液晶层760的透明的另一或同一区段)。通过控制光是否可以通过各个区段的每个透射，可以动态改变光阑701和703的尺寸、数量、位置和形状。
图8示出了根据本公开的示例，能够通过微机电系统(MEMS)层动态调节一个或多个光阑尺寸、一个或多个路径长度以及一个或多个光阑形状的电子设备的部分堆叠的截面图。叠层800可以包括光学部件层861、MEMS层860和窗口862。光学部件层861可以包括光发射器806和光传感器804，其中光发射器806和光传感器804两者的有源区域都可以面向用户的皮肤820。
MEMS层860可以包括多个MEMS快门863。每个MEMS快门863都能够根据快门的位置允许或防止光通过。可以通过两条线控制每个MEMS快门863的位置，其中第一条线可以是附接到每个快门的导电线。源(未示出)可以向第一条线提供内容，其可以变得被电吸引到第二条线，使得快门的位置物理移动。由于每个MEMS快门都可以耦接到不同的源，所以每个MESM快门都可以被逐个控制，使得一个或多个MEMS快门的位置能够允许光通过，从而形成光阑805和807，而其他MEMS快门的位置可以遮挡光。利用光阑805，可以改变从光发射器806发射，指向用户皮肤820，作为光822的光的位置和量。类似地，可以改变已经从用户皮肤820、脉管和/或血液反射并通过光阑807到达光传感器804的光823的位置和量。结果，可以改变光阑805和807的尺寸、形状和位置。可以使用MEMS快门的逐个控制调节设备800以在任何给定时间符合用户的特定需求、使用条件和环境条件。
图9示出了根据本公开的示例，能够通过多个可逐个寻址的光学部件动态调节一个或多个光阑尺寸、一个或多个路径长度以及一个或多个光阑形状的电子设备的部分堆叠的截面图。叠层900可以包括光学部件层961和窗口962。光学部件层961可以包括光发射器906的阵列和光传感器904的阵列。在一些示例中，光学部件层961可以包括单个光发射器或单个光传感器。任一个或两个阵列可以包括多个可逐个寻址的光发射器或光传感器。可以通过逐个寻址适当的光学部件来确定从光发射器906的阵列发射的光的尺寸、位置和形状以及由光传感器904的阵列检测到的光的尺寸、形状和位置。此外，逐个寻址适当的光学部件还可以确定给定光路的光发射器和光传感器之间的分隔距离。
例如，可以通过增加被寻址(即，打开)光发射器906的阵列中数量来增大从光发射器906的阵列发射的光922的尺寸。为了改变位置或路径长度或两者，该设备可以改变要寻址哪个传感器或光发射器(或两者)。例如，可以通过寻址光发射器905和光传感器907来选择路径911。可以通过寻址光发射器905和光传感器909来选择与911不同的路径919。在一些示例中，叠层900可以包括光传感器的阵列，但可以仅采用一个光传感器。在一些示例中，叠层900可以包括光发射器的阵列，但可以仅采用一个光发射器。
在一些示例中，光发射器阵列可以包括多个个体光发射器。在一些示例中，光传感器阵列可以包括多个个体光传感器。在一些示例中，光发射器906的阵列中包括的光发射器可以具有不同的发射性质，例如波长和强度。在一些示例中，光传感器904的阵列中包括的光传感器可以具有不同的感测性质，例如波长和强度。在一些示例中，光发射器和光传感器之一或两者都可以具有宽带感测或发射能力。在一些示例中，光发射器或光探测器或两者都可以耦接到一个或多个光学滤波器。例如，至少一个光发射器可以是宽带源。光发射器阵列中包括的光发射器的一些可以耦接到绿色光学滤波器，光发射器阵列中包括的其他光发射器可以耦接到红外光学滤波器。在一些示例中，光发射器或光探测器或两者可以耦接到选择性允许或遮挡光透过的可调节漫射层、光阑层、窗口、掩模或滤波器。
图10A示出了根据本公开的示例，能够通过光导动态调节一个或多个光阑尺寸、一个或多个路径长度以及一个或多个光阑形状的电子设备的部分堆叠的截面图。叠层1000可以包括光学部件层1061、光导1060、可重新配置层1064和窗口1062。光学部件层1061可以包括一个或多个光发射器，例如光发射器1006以及一个或多个光传感器，例如光传感器1004，从而使有源区域指向用户的皮肤1020。光发射器1006和光传感器1004两者均可以耦接到光导1060。
光导1060可以是配置为从一个位置向另一个位置传输光的部件。如图所示，来自光发射器1006的光可以入射到光导1060的顶表面1063，可以退出光导1060的底表面1065，可以进入位于可重新配置层1064上的光阑1009，可以通过窗口1062透射，并可以进入用户皮肤1020成为光1022。一部分光可以反射回来成为光1023，可以通过窗口1062透射，可以进入位于可重新配置层1064上的光阑，并可以进入位于光导1060底表面1065上的位置1012的光导1060。由于全内反射的缘故，入射到光导1060每个表面的光可以反射回来并通过其行进。在一些示例中，可以(例如，通过使用例如液晶层、MEMS快门等控制进入光导1060的进入光阑)重新配置进入光导的反射光，从而控制通过皮肤的光学距离。光导1060可以向光传感器1004传输反射光。尽管光发射器1006可以位于距光传感器1004距离1018处，但可以基于离开设备的光(例如，光1022)和进入设备的光(例如，光1023)的距离确定PPG信号和灌注指数。由于光1022在光阑1009处离开设备，光1023在光阑1010处进入设备，所以分隔距离1017可以代表通过皮肤的光学距离。
在与光离开和进入设备的位置不同的位置定位一个或多个光学部件可以实现更灵活地放置光学部件。继而，更灵活地放置光学部件可以实现更薄、更轻的便携式电子设备。图10B中示出了示例性配置。例如，从光发射器1006产生的光1022可以通过位于可重新配置层1064上的光阑1009透射，可以通过窗口1062透射，并可以入射在用户的皮肤1020上。光传感器1004可以是边缘感测部件。反射光1023能够通过窗口1062透射，能够通过位于可重新配置层1064上的光阑1010透射，并能够进入位置1012处的光导1060。光导1060可以被配置为允许反射光通过光导行进并向着光传感器1004的有源区域离开光导的边缘。在一些示例中，可以(例如，通过使用例如液晶层、MEMS快门等控制进入光导1060的进入光阑)重新配置进入光导的反射光，从而控制通过皮肤的光学距离。光导1060可以向光传感器1004传输反射光。尽管光发射器1006可以位于距光传感器1004距离1019处，但可以基于离开设备的光(例如，光1022)和进入设备的光(例如，光1023)的距离确定PPG信号和灌注指数。由于光1022通过光阑1009离开设备，光1023通过光阑1010进入设备，所以分隔距离1017可以代表通过皮肤的光学距离。利用这种配置，光导1060、光发射器1006和光传感器1004可以位于同一层上，在叠层1000中消除了至少一个额外层，由此使得设备更薄。在一些示例中，光导1060可以是波导、一个或多个透镜或一个或多个反射器。
尽管本公开的示例例示了使用液晶层、MEMS快门、可逐个寻址的光学部件或光导进行动态调节，但本领域的技术人员会理解，可以使用任何可调节的窗口或滤波器。本公开的示例可以包括一个或多个可移动光阑、光瞳或窗口。此外，本公开的示例可以包括调节通过一个或多个光阑透射光的百分比。
图11A-图11C示出了根据本公开的示例，动态调节一个或多个光阑尺寸、一个或多个路径长度、一个或多个光阑形状或电子设备中组合的过程的示范性流程图。过程1100可以用作初始校准流程或用于粗略确定例如最优光阑尺寸、位置和形状。过程1100可以开始于将光阑尺寸、位置和形状设置为第一配置(步骤1102)。耦接到光传感器的处理器或控制器可以计算与第一配置相关联的第一品质因数(步骤1104)。在一些示例中，该品质因数可以是信噪比。在一些示例中，品质因数可以是调制信号强度、PPG信号值或灌注指数值。可以将光阑尺寸、位置、形状或组合改变为第二配置(步骤1106)。可以计算与第二配置相关联的第二品质因数(步骤1108)。可以将光阑尺寸、位置、形状或组合改变为第三配置(步骤1110)。可以计算与第三配置相关联的第三品质因数(步骤1112)。可以对比第一、第二和第三品质因数(步骤1114)，并可以基于该对比设置光阑尺寸、位置和形状(步骤1116)。
图11B中所示的过程1140可以用于例如在用户使用该设备时以及在校准流程之后调节光阑尺寸、位置和形状。过程1140可以开始于将光阑尺寸、位置和形状设置为预定或先前确定的配置(步骤1142)。处理器或控制器可以确定与预定或先前确定的配置相关联的品质因数(步骤1144)。处理器可以判断品质因数、使用条件、使用类型或环境条件是否改变(步骤1146)。如果未改变，光阑的配置可以保持不变。如果改变了，该过程可以检查环境光的量是否使信号饱和(步骤1148)。如果环境光水平使信号饱和，该设备可以减小光阑尺寸和/或重新定位光阑，直到一些或全部环境光被遮挡，无法到达光传感器(步骤1150)。替代地或此外，可以将光阑重新定位到环境光水平更低的位置(例如，距环境光源更远的位置)。处理器可以检查信号强度是否足够高(步骤1152)。如果信号强度不够高，该设备可以增大光阑尺寸和/或重新定位光阑，以允许更多反射光到达光传感器的有源区(步骤1154)。处理器还可以检查用户是否已变得更活动(步骤1156)。如果用户已经变得更活动，该设备可以重新定位光阑和/或改变光传感器和光发射器之间的分隔距离(步骤1158)。如果需要，处理器可以重复该过程。
图11C中所示的过程1170可以用于例如在用户使用该设备时以及在校准流程之后调节光阑尺寸、位置和形状。在一些示例中，过程1170可以用于精细调谐一个或多个光阑的性质。过程1170可以开始于将光阑性质(例如，尺寸、位置和形状等)设置为预定或先前确定的配置(步骤1172)。处理器或控制器可以确定与预定或先前确定的配置相关联的初始品质因数(步骤1174)。该设备可以改变第一方向上的光阑性质(步骤1176)。第一方向可以包括，但不限于增大光阑的尺寸、分隔距离或远离参考点的位置。可以确定与第一方向相关联的第一品质因数(步骤1178)。该处理器可以对比初始品质因数与第一品质因数以判断是否希望第一方向上的改变(步骤1180)。如果第一方向的改变导致更好的品质因数，那么可以继续向第一方向改变光阑性质。在一些示例中，更好的品质因数是初始品质因数大于第一品质因数的品质因数。在一些示例中，更好的品质因数是初始品质因数小于第一品质因数的品质因数。如果第一方向的改变不利，那么该设备可以返回到先前的光阑性质(步骤1182)。该设备可以改变第二方向上的光阑性质(步骤1184)。在一些示例中，第二方向可以与第一方向相反。处理器可以确定与第二方向相关联的第二品质因数(步骤1190)并可以将第二品质因数与先前的品质因数对比(步骤1192)。如果第二品质因数比先前的品质因数更好，那么可以继续向第二方向改变光阑性质。在一些示例中，更好的品质因数是第二品质因数大于先前品质因数的品质因数。在一些示例中，更好的品质因数是第二品质因数小于先前品质因数的品质因数。如果第二方向的改变不利，那么该设备可以返回到先前的光阑性质(步骤1194)。如果没有造成更有利品质因数的改变，那么该优化过程可以停止。
在一些示例中，处理器可以基于跟踪历史调节光阑尺寸、位置和形状。处理器能够保持用户的典型使用条件或环境条件的记录并能够基于这一记录调节光阑。尽管附图示出了用于优化一种光阑尺寸、位置、形状或组合的过程流，但本公开的示例包括针对多个光阑进行优化。本公开的示例可以包括光阑数量的优化以及对光阑是否向多个部件透射光的考虑。此外，使用术语“光阑”或“多个光阑”意在包括选择性允许光通过其透射的任何开口或材料。
尽管可以按照相继次序描述工艺步骤或方法步骤，但可以配置这样的过程和方法以任何适当次序工作。换言之，在本公开中可以描述的步骤的任何序列或次序本身并非表示需要按照该次序执行步骤。此外，尽管被描述或暗示为非同时发生(例如，因为在其他步骤之后描述一个步骤)，但可以同时执行一些步骤。此外，通过在附图中绘示过程来例示过程并非暗示例示的过程不包括其他变化和修改，不暗示例示的过程或其任何步骤是一个或多个发明必需的，不暗示例示的过程是优选的。
图12示出了根据本公开的示例，包括光发射器和光传感器，用于测量与用户生理状态相关联的信号的计算系统的示范性方框图。计算系统1200可以对应于图1A-图1C中所示计算设备的任意计算设备。计算系统1200可以包括配置为执行指令并执行与计算系统1200相关联的操作的处理器1210。例如，使用从存储器检索到的指令，处理器1210可以控制计算系统1200的部件之间输入和输出数据的接收和操控。处理器1210可以是单芯片处理器，或者可以利用多个部件实施。
在一些示例中，处理器1210与操作系统一起可以工作以执行计算机代码并产生和使用数据。计算机代码和数据可以存在于可操作性耦接到处理器1210的程序存储块1202中。程序存储块1202可以一般提供地方以保存由计算系统1200使用的数据。程序存储块1202可以是任何非暂态计算机可读存储介质，并可以存储例如与一个或多个光传感器，例如光传感器1204测量的PPG信号和灌注指数值相关的历史和/或图案数据。例如，程序存储块1202可以包括只读存储器(ROM)1218、随机存取存储器(RAM)1222、硬盘驱动器1208和/或类似设备。计算机代码和数据也可以存在于可移除存储介质上并在需要时加载或安装到计算系统1200上。可移除存储介质包括，例如CD-ROM、DVD-ROM、通用串行总线(USB)、安全数字(SD)卡、紧凑闪速(CF)卡、存储棒、多媒体卡(MMC)和网络部件。
计算系统1200还可以包括输入/输出(I/O)控制器1212，其可以操作性耦接到处理器1210，或者可以是如图所示的独立部件。I/O控制器1212可以被配置为控制与一个或多个I/O设备的交互。I/O控制器1212可以通过在处理器1210和希望与处理器1210通信的I/O设备之间交换数据来工作。I/O设备和I/O控制器1212可以通过数据链路通信。该数据链路可以是单向链路或双向链路。在一些情况下，I/O设备可以通过无线连接连接到I/O控制器1212。例如，数据链路可以对应于PS/2、USB、火线、IR、RF、蓝牙等。
计算系统1200可以包括可以操作性耦接到处理器1210的显示设备1224。显示设备1224可以是独立的部件(外围设备)或者可以与处理器1210和程序存储块1202集成，以形成台式计算机(例如，一体机)、膝上型计算机、手持或平板计算设备或类似设备。显示设备1224可以被配置为向用户显示可能包括指针或光标以及其他信息的图形用户界面(GUI)。例如，显示设备1224可以是任何类型的显示器，包括液晶显示器(LCD)、电致发光显示器(ELD)、场发射显示器(FED)、发光二极管显示器(LED)、有机发光二极管显示器(OLED)或类似设备。
显示设备1224可以耦接到可以操作性耦接到处理器1210的显示器控制器1226。处理器1210可以向显示器控制器1226发送原始数据，显示器控制器1226可以向显示设备1224发送信号。数据可以包括用于显示设备1224中多个像素的电压电平以投射图像。在一些示例中，处理器1210可以被配置为处理原始数据。
计算系统1200还可以包括可以操作性耦接到处理器1210的触摸屏1230。触摸屏1230可以是感测设备1232和显示设备1224的组合，其中感测设备1232可以是定位于显示设备1224前方或与显示设备1224集成的透明面板。在一些情况下，触摸屏1230可以识别其表面上的触摸以及触摸的位置和大小。触摸屏1230可以向处理器1210报告触摸，处理器1210可以根据其编程解释触摸。例如，处理器1210可以进行轻击和事件手势解析，并可以根据特定触摸发起设备的唤醒或一个或多个部件的加电。
触摸屏1230可以耦接到触摸控制器1240，其可以从触摸屏1230获取数据并可以向处理器1210供应所获取的数据。在一些情况下，触摸控制器1240可以被配置为向处理器1210发送原始数据，处理器1210可以处理原始数据。例如，处理器1210可以从触摸控制器1240接收数据并可以决定如何解释数据。数据可以包括触摸的坐标以及施加的压力。在一些示例中，触摸控制器1240可以被配置为处理原始数据本身。亦即，触摸控制器1240可以从位于感测设备1232上的感测点读取信号并可以将信号转换成处理器1210能够理解的数据。
触摸控制器1240可以包括一个或多个微控制器，例如微控制器1242，其每者都可以监测一个或多个感测点1234。微控制器1242可以例如对应于专用集成电路(ASIC)，其与固件一起工作以监测来自感测设备1232的信号，处理所监测的信号，以及向处理器1210报告这一信息。
显示器控制器1226和触摸控制器1240之一或两者可以执行过滤和/或转换过程。可以实施过滤过程以减小繁忙数据流以防止处理器1210被冗余或非必要数据过载。可以实施转换过程以调节原始数据，之后向处理器1210发送或报告它们。
在一些示例中，感测设备1232可以基于电容。在两个导电构件彼此接近而未实际接触时，它们的电场可以进行交互以形成电容。第一导电构件可以是一个或多个感测点1234，第二导电构件可以是物体1290，例如手指。在物体1290接近触摸屏1230的表面时，在物体1290和接近物体1290的一个或多个感测点1234之间可以形成电容。通过检测每个感测点处电容的变化并记录感测点1234的位置，触摸控制器1240可以识别多个物体，并确定在对象跨越触摸屏1230移动时物体1290的位置、压力、方向、速度和加速度。例如，触摸控制器1290可以判断第二触摸是手指、轻击或覆盖表面的物体。
感测设备1232可以基于自电容或互电容。在自电容中，可以通过逐个带电的电极提供每个感测点1234。在物体1290接近触摸屏1230的表面时，物体可以电容性耦接到紧邻物体1290的那些电极，由此从电极窃取电荷。可以由触摸控制器1240测量每个电极中的电荷量，以确定在一个或多个物体触摸或悬停于触摸屏1230上方时其位置。在互电容中，感测设备1232可以包括两层空间分隔线或导线(未示出)的网格，但其他配置也是可能的。上层可以包括成行的线，而下层可以包括成列的线(例如，正交)。可以在行和列的的交点处提供感测点1234。在工作期间，行可以带电，电荷可以从行电容性耦合到列。在物体1290接近触摸屏1230的表面时，物体1290可以电容性耦接到紧邻物体1290的行，由此减小行和列之间的电荷耦合。可以由触摸控制器1240测量每个列中的电荷量，以确定在多个物体触摸该触摸屏1230时其位置。
计算系统1200还可以包括一个或多个诸如光发射器1206的光发射器和一个或多个诸如紧邻用户皮肤1220的光传感器1204的光传感器。光发射器1206可以被配置为产生光，光传感器1204可以被配置为测量用户皮肤1220、脉管和/或血液反射或吸收的光。设备1200可以包括耦接到光发射器1206和光传感器1204的可动态重新配置的光阑1247。光传感器1204可以向处理器1210发送实测原始数据，处理器1210可以进行噪声和/或人为噪声消除以确定PPG信号和/或灌注指数。处理器1210可以基于应用、用户皮肤类型和使用条件动态激活光发射器和/或光传感器，并动态重新配置光阑性质。在一些示例中，一些光发射器和/或光传感器可以被激活，而其他光发射器和/或光传感器可以被去活以例如节省电力。在一些示例中，处理器1210可以在ROM 1218或RAM 1222中存储原始数据和/或处理的信息，用于历史跟踪或将来诊断的目的。
在一些示例中，光传感器可以测量光信息，处理器能够从反射或吸收的光确定PPG信号和/或灌注指数。也可以在设备上进行光信息的处理。在一些示例中，不需要设备自身上进行光信息的处理。图13示出了根据本公开的示例，电子设备连接到主机的示例性配置。主机1310可以是设备1300外部的任何设备，包括，但不限于图1A-图1C中包括的系统的任何系统或服务器。设备1300可以通过通信链路1320连接到主机1310。通信链路1320可以是包括但不限于无线连接和有线连接的任何连接。示例性无线连接包括Wi-Fi、蓝牙、WirelessDirect和红外线。示例性有线连接包括通用串行总线(USB)、火线、Thunderbolt或需要物理电缆的任何连接。
在工作中，并非在设备1300自身上处理来自光传感器的光信息，设备1300可以向主机1310发送通过通信链路1320从光传感器测量的原始数据1330。主机1310可以接收原始数据1330，主机1310可以处理光信息。处理光信息可以包括消除或减少由于人为噪声导致的任何噪声，以及确定诸如用户心率的生理信号。主机1310可以包括算法或校准流程以应对影响PPG信号和灌注指数的用户特性差异。此外，主机1310可以包括外部存储器或存储器，用于跟踪PPG信号和灌注指数历史。主机1310可以向设备1300发回处理的结果或相关信息。基于处理的结果1340，设备1300可以通知用户或相应调节其操作。通过解除光信息的处理和/或存储，设备1300可以节省空间和电源使能设备1300，以保持小型和便携，因为可以在设备上释放本来可能是处理逻辑需要的空间。
在一些示例中，公开了一种电子设备。该设备可以包括：一个或多个配置为发光的光发射器；一个或多个配置为检测所发射光反射的光传感器；以及能够形成一个或多个可动态重新配置光阑的材料，以允许光从所述一个或多个光发射器的至少一个透射到所述一个或多个光传感器的至少一个。除上文公开的一个或多个示例之外或替代地，在其他示例中，该电子设备还包括一条或多条光路，每条光路都与一个或多个光发射器之一以及一个或多个光传感器之一相关联，其中所述电子设备能够动态重新配置所述一个或多个光路的分隔距离、所述一个或多个可动态重新配置光阑的尺寸、所述一个或多个可动态重新配置的光阑的位置以及所述一个或多个可动态重新配置的光阑的形状的一个或多个。除上文公开的一个或多个示例之外或替代地，在其他示例中，改变所述材料的一个或多个光学性质以形成所述一个或多个可动态重新配置的光阑。除上文公开的一个或多个示例之外或替代地，在其他示例中，该材料包括能够形成所述一个或多个可动态重新配置的光阑的液晶层。除上文公开的一个或多个示例之外或替代地，在其他示例中，该材料包括能够形成所述一个或多个可动态重新配置的光阑的多个微机电(MEMS)快门。除上文公开的一个或多个示例之外或替代地，在其他示例中，所述材料包括被配置为接收所发射光和所发射光的所述反射的至少一个的光导。除上文公开的一个或多个示例之外或替代地，在其他示例中，所发射光和所发射光的反射的至少一个在与所述一个或多个光发射器或所述一个或多个光传感器不同的位置处进入或离开所述光导。除上文公开的一个或多个示例之外或替代地，在其他示例中，所述光导位于与一个或多个光发射器和一个或多个光传感器的至少一个相同的层。除上文公开的一个或多个示例之外或替代地，在其他示例中，所述材料的光学性质在对应于所述一个或多个可动态重新配置的光阑的位置与所述一个或多个可动态重新配置的光阑外部的位置是不同的。除上文公开的一个或多个示例之外或替代地，在其他示例中，一个或多个光传感器包括至少两个能够感测不同波长的光传感器。除上文公开的一个或多个示例之外或替代地，在其他示例中，一个或多个光发射器包括至少两个能够在不同波长发射的光发射器。除上文公开的一个或多个示例之外或替代地，在其他示例中，该设备还包括：与一个或多个光传感器的至少一个和一个或多个光发射器的至少一个相关联，具有第一分隔距离的第一光路；以及与一个或多个光传感器的至少一个和一个或多个光发射器的至少一个相关联，具有大于第一分隔距离的第二分隔距离的第二光路，其中与第二光路相关联的一个或多个光传感器的至少一个的感测波长或一个或多个光发射器的至少一个的发射波长比与第一光路相关联的一个或多个光传感器的至少一个的感测波长或一个或多个光发射器的至少一个的发射波长更长。除上文公开的一个或多个示例之外或替代地，在其他示例中，一个或多个光发射器位于和一个或多个光传感器不同的层上。除上面所公开的一个或多个示例之外或另选地，在一些示例中，一个或多个光发射器由可逐个寻址的光发射器的阵列形成。除上面所公开的一个或多个示例之外或另选地，在一些示例中，一个或多个光传感器由可逐个寻址的光传感器的阵列形成。除上文公开的一个或多个示例之外或替代地，在其他示例中，该电子设备还包括至少一个光学滤波器，其中一个或多个光发射器的至少一个是耦接到至少一个光学滤波器的宽带源。
在一些示例中，公开了一种利用包括一个或多个光发射器和一个或多个光传感器的电子设备确定用户的生理状态的方法。该方法可以包括：从一个或多个光发射器发射第一光；由一个或多个光传感器接收第二光，第二光是第一光的反射；以及将一个或多个光阑动态重新配置为第一配置，以允许第一光从所述一个或多个光发射器发射，并允许所述第二光在所述一个或多个光传感器处被接收。除上文公开的一个或多个示例之外或替代地，在其他示例中，该方法还包括将光路与所述一个或多个光发射器之一以及所述一个或多个光传感器之一相关联，其中所述一个或多个光阑的所述动态重新配置导致所述一个或多个光发射器和所述一个或多个光传感器之间的不同分隔距离、所述一个或多个光阑的不同尺寸、所述一个或多个光阑的不同位置以及所述一个或多个光阑的不同形状中的至少一种。除上文公开的一个或多个示例之外或替代地，在其他示例中，该方法还包括：从一个或多个光发射器发射第三光；由一个或多个光传感器接收第四光，第四二光是第三光的反射；以及将一个或多个光阑动态重新配置为第二配置，以允许第三光从所述一个或多个光发射器发射，并允许所述第四光在所述一个或多个光传感器处被接收，其中针对第一配置的分隔距离与针对第二配置的分隔距离不同。除上文公开的一个或多个示例之外或替代地，在其他示例中，该方法还包括：从第一配置确定PPG信号；以及从第二配置确定灌注指数。除上文公开的一个或多个示例之外或替代地，在其他示例中，所述第二配置的所述一个或多个光阑遮挡所述第二光，且其中所述第一配置的所述一个或多个光阑遮挡所述第四光。除上文公开的一个或多个示例之外或替代地，在其他示例中，该方法还包括：从第二光的信号确定噪声量；以及在所述噪声的量或所述第二光的信号大于或等于第一阈值时，将所述一个或多个光阑动态重新配置为第二配置，所述第二配置具有比所述第一配置更低的噪声量。除上文公开的一个或多个示例之外或替代地，在其他示例中，该方法还包括：确定第二光的信号值；以及在所述第二光的信号值小于或等于第二阈值时，将所述一个或多个光阑动态重新配置为第二配置，所述第二配置的信号值高于所述第一配置的第一光的信号值。除上文公开的一个或多个示例之外或替代地，在其他示例中，该方法还包括控制液晶材料的电压以动态重新配置一个或多个光阑。除上文公开的一个或多个示例之外或替代地，在其他示例中，该方法还包括控制一个或多个微机电(MEMS)快门的位置以动态重新配置一个或多个光阑。除上文公开的一个或多个示例之外或替代地，在其他示例中，该方法还包括控制一个或多个逐个寻址的光发射器的寻址，以动态改变一个或多个光路的性质，每个光路都与所述一个或多个光发射器之一和所述一个或多个光传感器之一相关联。除上文公开的一个或多个示例之外或替代地，在其他示例中，该方法还包括控制一个或多个逐个寻址的光传感器的寻址，以动态改变一个或多个光路的性质，每个光路都与所述一个或多个光发射器之一和所述一个或多个光传感器之一相关联，除上文公开的一个或多个示例之外或替代地，在其他示例中，一个或多个光路的性质包括分隔距离、尺寸、位置和形状的至少一个。除上文公开的一个或多个示例之外或替代地，在其他示例中，该动态重新配置基于用户活动。除上文公开的一个或多个示例之外或替代地，在其他示例中，该方法还包括：从一个或多个光发射器发射第三光；从一个或多个光传感器接收第四光，第四光为第三光的反射；将一个或多个光阑动态重新配置为第二配置，以允许第三光从一个或多个光发射器发射，并允许第四光在一个或多个光传感器处被接收；从一个或多个光发射器发射第五光；从一个或多个光传感器接收第六光，第六光是第五光的反射；将一个或多个光阑动态重新配置为第三配置，以允许允许第五光从一个或多个光发射器发射，并允许第六光在一个或多个光传感器处被接收；以及将来自第二光的信号与来自第四和第六光的信号进行对比。
虽然参照附图对公开的示例进行了全面的描述，但应注意，各种变化和修改对于本领域内的技术人员而言将变得显而易见。应当理解，此类变化和修改被认为被包括在由所附权利要求所限定的所公开的示例的范围内。
Claims (31)
1.一种电子设备，包括：
被配置为发射光的一个或多个光发射器；
被配置为检测所发射光的反射的一个或多个光传感器；和
能够形成一个或多个可动态重新配置光阑的材料，以允许光从所述一个或多个光发射器的至少一者透射到所述一个或多个光传感器的至少一者。
2.根据权利要求1所述的电子设备，还包括：
一个或多个光路，每个光路都与所述一个或多个光发射器之一和所述一个或多个光传感器之一相关联，
其中所述电子设备能够动态重新配置所述一个或多个光路的分隔距离、所述一个或多个可动态重新配置光阑的尺寸、所述一个或多个可动态重新配置的光阑的位置以及所述一个或多个可动态重新配置的光阑的形状的一个或多个。
3.根据权利要求1所述的电子设备，其中，改变所述材料的一个或多个光学性质以形成所述一个或多个可动态重新配置的光阑。
4.根据权利要求3所述的电子设备，其中，所述材料包括能够形成所述一个或多个可动态重新配置的光阑的液晶层。
5.根据权利要求3所述的电子设备，其中，所述材料包括能够形成所述一个或多个可动态重新配置的光阑的多个微机电(MEMS)快门。
6.根据权利要求1所述的电子设备，其中，所述材料包括被配置为接收所发射光和所发射光的所述反射的至少一者的光导。
7.根据权利要求6所述的电子设备，其中，所发射光和所发射光的所述反射的至少一者在与所述一个或多个光发射器或所述一个或多个光传感器不同的位置处进入或离开所述光导。
8.根据权利要求6所述的电子设备，其中，所述光导位于和所述一个或多个光发射器与所述一个或多个光传感器的至少一者相同的层上。
9.根据权利要求3所述的电子设备，其中，所述材料的光学性质在对应于所述一个或多个可动态重新配置的光阑的位置与所述一个或多个可动态重新配置的光阑外部的位置是不同的。
10.根据权利要求1所述的电子设备，其中，所述一个或多个光传感器包括至少两个能够感测不同波长的光传感器。
11.根据权利要求1所述的电子设备，其中，所述一个或多个光发射器包括能够在不同波长处发射的至少两个光发射器。
12.根据权利要求10或权利要求11所述的电子设备，还包括
与所述一个或多个光传感器中的至少一者和所述一个或多个光发射器中的至少一者相关联并且具有第一间隔距离的第一光路；和
与所述一个或多个光传感器中的至少一者和所述一个或多个光发射器中的至少一者相关联并且具有大于所述第一间隔距离的第二间隔距离的第二光路，
其中与所述第二光路相关联的所述一个或多个光传感器的所述至少一者的感测波长或所述一个或多个光发射器的所述至少一者的发射波长比与所述第一光路相关联的所述一个或多个光传感器的所述至少一者的感测波长或所述一个或多个光发射器的所述至少一者的发射波长更长。
13.根据权利要求1所述的电子设备，其中，所述一个或多个光发射器位于与所述一个或多个光传感器的不同层上。
14.根据权利要求1所述的电子设备，其中，所述一个或多个光发射器是由可逐个寻址的光发射器的阵列形成的。
15.根据权利要求1所述的电子设备，其中，所述一个或多个光传感器是由可逐个寻址的光传感器的阵列形成的。
16.根据权利要求1所述的电子设备，还包括至少一个光学滤波器，其中，所述一个或多个光发射器的至少一者是耦接到所述至少一个光学滤波器的宽带源。
17.一种利用包括一个或多个光发射器和一个或多个光传感器的电子设备确定用户的生理状态的方法，所述方法包括：
从所述一个或多个光发射器发射第一光；
由所述一个或多个光传感器接收第二光，所述第二光是所述第一光的反射；以及
将一个或多个光阑动态重新配置为第一配置，以允许所述第一光从所述一个或多个光发射器发射，并允许所述第二光在所述一个或多个光传感器处被接收。
18.根据权利要求17所述的方法，还包括将光路与所述一个或多个光发射器之一以及所述一个或多个光传感器之一相关联，其中所述一个或多个光阑的所述动态重新配置导致所述一个或多个光发射器和所述一个或多个光传感器之间的不同分隔距离、所述一个或多个光阑的不同尺寸、所述一个或多个光阑的不同位置以及所述一个或多个光阑的不同形状中的至少一者。
19.根据权利要求17所述的方法，还包括：
从所述一个或多个光发射器发射第三光；
由所述一个或多个光传感器接收第四光，所述第四光是所述第三光的反射；以及
将一个或多个光阑动态重新配置为第二配置，以允许所述第三光从所述一个或多个光发射器发射，并允许所述第四光在所述一个或多个光传感器处被接收，
其中，用于所述第一配置的分隔距离不同于用于所述第二配置的分隔距离。
20.根据权利要求19所述的方法，还包括：
确定来自所述第一配置的PPG信号；以及
确定来自所述第二配置的灌注指数。
21.根据权利要求19所述的方法，其中，所述第二配置的所述一个或多个光阑遮挡所述第二光，并且其中所述第一配置的所述一个或多个光阑遮挡所述第四光。
22.根据权利要求17所述的方法，还包括：
从所述第二光的信号确定噪声的量；以及
在所述噪声的量或所述第二光的所述信号大于或等于第一阈值时，将所述一个或多个光阑动态重新配置为第二配置，所述第二配置具有比所述第一配置更低的噪声量。
23.根据权利要求17所述的方法，还包括：
确定所述第二光的信号值；以及
在所述第二光的所述信号值小于或等于第二阈值时，将所述一个或多个光阑动态重新配置为第二配置，所述第二光的所述信号值比所述第一配置中所述第一光的信号值更高。
24.根据权利要求17所述的方法，还包括控制液晶材料的电压以动态地重新配置所述一个或多个光阑。
25.根据权利要求17所述的方法，还包括控制一个或多个微机电(MEMS)快门的位置以动态地重新配置所述一个或多个光阑。
26.根据权利要求17所述的方法，还包括控制一个或多个逐个寻址的光发射器的寻址，以动态改变一个或多个光路的性质，每个光路都与所述一个或多个光发射器之一和所述一个或多个光传感器之一相关联。
27.根据权利要求17所述的方法，还包括控制一个或多个逐个寻址的光传感器的寻址，以动态改变一个或多个光路的性质，每个光路都与所述一个或多个光发射器之一和所述一个或多个光传感器之一相关联。
28.根据权利要求26或27所述的方法，其中，所述一个或多个光路的性质包括分隔距离、尺寸、位置和形状的至少一者。
29.根据权利要求17所述的方法，其中，所述动态重新配置基于用户活动和环境条件中的至少一者。
30.根据权利要求17所述的方法，还包括：
从所述一个或多个光发射器发射第三光；
从所述一个或多个光传感器接收第四光，所述第四光是所述第三光的反射；
将一个或多个光阑动态重新配置为第二配置，以允许所述第三光从所述一个或多个光发射器发射，并允许所述第四光在所述一个或多个光传感器处被接收；
从所述一个或多个光发射器发射第五光；
从所述一个或多个光传感器接收第六光，所述第六光是所述第五光的反射；
将一个或多个光阑动态重新配置为第三配置，以允许所述第五光从所述一个或多个光发射器发射，并允许所述第六光在所述一个或多个光传感器处被接收；以及
将来自所述第二光的信号与来自所述第四和第六光的信号进行比较。
31.根据权利要求17所述的方法，还包括：
从所述一个或多个光发射器发射第三光；
从所述一个或多个光传感器接收第四光，所述第四光是所述第三光的反射；
在第一方向上将一个或多个光阑动态重新配置为第二配置，以允许所述第三光从所述一个或多个光发射器发射，并允许所述第四光在所述一个或多个光传感器处被接收；
将来自所述第二光的信号与来自所述第四光的信号进行比较；
以及
在与来自所述第二光的所述信号相关联的值大于或等于与所述第四光相关联的值时，
从所述一个或多个光发射器发射第五光；
从所述一个或多个光传感器接收第六光，所述第六光是所述第五光的反射；
在与所述第一方向相反的第二方向上将一个或多个光阑动态重新配置为第三配置，以允许所述第五光从所述一个或多个光发射器发射，并允许所述第六光在所述一个或多个光传感器处被接收。
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