CN113558594A - 光发射器及光感装置 - Google Patents

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Abstract

本申请提供一种用于光体积描技术的光发射器及光感装置，光发射器包括光源及调整结构，所述光源用于输出原始光斑以向用户皮肤出射测试光信号，所述调整结构位于所述测试光信号的出射光路上，所述原始光斑的原始光斑中心出射的测试光信号为中心光斑光信号，所述调整结构用于使所述中心光斑光信号朝向远离所述原始光斑中心的方向发散，实现将所述原始光斑转换为测试光斑，即对光斑光强分布进行调整，使光探测器能够接收到更多的有效后向信号，降低光源损耗。

Description

光发射器及光感装置
技术领域
本申请涉及检测技术领域，特别涉及一种光发射器及光感装置。
背景技术
光体积描技术(photoplethysmograph,简称PPG)是一种光学测量技术，其广泛应用于测量或监测人体的生命体征，诸如心率(HR)、呼吸率(RR)或血氧饱和度。请参阅图1，为现有的采用PPG技术的一种光感装置，光源11与光探测器13间隔设置。光源11用于向皮肤15发射测试光信号(如图1中所示的A1)，大部分光在皮肤内部或皮肤界面会发生反射(如图1中所示的A2)，而返回光源11；小部分光(如图1中所示的A3)在皮肤内部发生反射和/或散射，部分反射和/或散射光(如图1中所示的A4)会回到光感装置而被光探测器13接收，这部分反射和/或散射光称为后向反射和/或散射信号。光源11输出光斑的最中心的光强最强，而随着偏移中心的距离增加，光强则会越来越弱，类似地，后向反射和/或散射信号的强度也随着偏移距离增加而减少，即光源11输出的测试光信号与后向反射和/或散射信号的强度的分布曲线均大致呈单钟型分布。由于光探测器13需间隔光源11一定间距，光源11所出射的测试光信号中的大部分，尤其为测试光信号光强较强的中心及其附近区域，因反射回光源11被损耗掉而无法利用，导致光探测器13仅能接收到较少的有效后向反射和/或散射信号。如此，光源11的利用率不高，造成光感装置的功耗较高。
发明内容
本申请实施例提供了一种光发射器及光感装置，以能够提高光源的利用率。
本申请第一方面，提供一种用于光体积描技术的光发射器，包括光源及调整结构，所述光源用于输出原始光斑以向用户皮肤出射测试光信号，所述调整结构位于所述测试光信号的出射光路上，所述原始光斑的原始光斑中心出射的测试光信号为中心光斑光信号，所述调整结构用于使所述中心光斑光信号朝向远离所述原始光斑中心的方向发散，实现将所述原始光斑转换为测试光斑。
本申请第一方面，通过调整结构将原始光斑的中心光斑光信号朝向远离所述原始光斑中心的方向发散，对光斑的光强分布进行调整，增强测试光斑的中心之外区域的光强，以提高后向信号的强度，即对光发射器出射的原始测试光信号光束进行调整，提高原始光斑的中心光斑光信号的利用率，以使光探测器能够接收到更多的有效后向信号，降低了光发射器的损耗。
根据第一方面，在第一方面的第一种可能的实现方式中，还包括设于所述光源上出光结构，所述中心光斑光信号通过所述出光结构入射至所述调整结构，即在中心光斑光信号的原始出射光路上设置调整结构，即改变中心光斑光信号的出射光路，如此，简化光发射器的结构。
根据第一方面或第一方面的第一至第二种可能的实现方式，在第一方面的第三种可能的实现方式中，所述调整结构包括光栅结构，用于将入射的所述中心光斑光信号进行衍射；和/或，所述调整结构包括反射膜，用于将入射的所述中心光斑光信号进行反射。通过简单的光栅结构和/或反射膜及，即可实现将原始光斑转换为测试光斑，使得光发射器在提升光源利用率的同时，保持结构简单，有利于减小光发射器的占用空间，有利于光发射器的微型化发展。
根据第一方面或第一方面的第一至第三种可能的实现方式，在第一方面的第四种可能的实现方式中，所述调整结构包括透镜结构，所述透镜结构包括入射侧与出射侧，所述入射侧朝向所述光源设置，所述透镜结构于所述出射侧设有朝向所述光源所在一侧凹设的凹陷，所述中心光斑光信号从所述凹陷于所述入射侧上的正投影覆盖区域入射至所述透镜结构，能够有效将中心光斑光信号向远离原始光斑中心的方向发散或偏移，从而提高中心光斑光信号的利用率。
例如，凹陷为球面，中心光斑光信号入射至调整结构后，经所述球面的发散作用，而向远离原始光斑中心的方向发散；例如，凹陷包括斜面，中心光斑光信号经所述斜面的全反射作用从出射侧除去凹陷的其他区域出射。
根据第一方面或第一方面的第一至第四种可能的实现方式，在第一方面的第五种可能的实现方式中，所述调整结构包括透镜结构，所述透镜结构包括入射侧与出射侧，所述入射侧朝向所述光源设置，所述透镜结构于所述入射侧设有朝向远离所述光源一侧凹设的凹陷，所述中心光斑光信号能够从所述凹陷入射至所述透镜构，并从所述出射侧出射，能够有效将中心光斑光信号向远离原始光斑中心的方向发散，从而提高中心光斑光信号的利用率。
根据第一方面或第一方面的第一至第五种可能的实现方式，在第一方面的第六种可能的实现方式中，所述入射侧固定于所述出光结构，所述透镜结构直接生长于光源上，有利于减小光发射器的体积。由于光源出射的测试光信号直接进入透镜结构，减小了测试光信号在传输过程中的损耗。
根据第一方面或第一方面的第一至第六种可能的实现方式，在第一方面的第七种可能的实现方式中，所述出射侧包括朝向远离所述光发射器的方向凸出的球面，通过球面的汇聚作用，减小整体测试光信号的发散角。
根据第一方面或第一方面的第一至第七种可能的实现方式，在第一方面的第八种可能的实现方式中，所述调整结构包括设于所述光源上的出光结构，所述出光结构避开所述中心光斑光信号的原始出射光路设置，从而调整光斑的光强分布。通过简单的光路设计，即可达到调整光斑的目的，方便光发射器的制备。
根据第一方面或第一方面的第一至第八种可能的实现方式，在第一方面的第九种可能的实现方式中，所述出光结构的数量为至少两个，相邻的两个所述出光结构间隔设置，使得所述测试光斑为N点光斑，所述N大于1。通过对出光结构的数量的简单设置，即可实现将原始光斑转换为N点光斑，进一步提高制造光发射器制造的便利性。
根据第一方面或第一方面的第一至第九种可能的实现方式，在第一方面的第十种可能的实现方式中，所述出光结构为环形结构，所述测试光斑为环形光斑，通过对出光结构的形状的简单设置，即可实现将原始光斑转换为环形光斑，进一步提高制造光发射器制造的便利性。
根据第一方面或第一方面的第一至第十种可能的实现方式，在第一方面的第十一种可能的实现方式中，所述调整结构包括出光窗口，所述出光窗口包括第一连接面，所述第一连接面的法线与第一方向之间的夹角为第一夹角，所述第一夹角为锐角，所述中心光斑光信号从所述第一连接面入射至所述出光窗口，所述第一方向与所述中心光斑光信号从所述原始光斑出射的原始方向垂直。所述第一连接面改变测试光信号于出光窗口的折射方向，用于使测试光信号从所述出光窗口出射后方向朝向光探测器方向倾斜，以使更多的有效后向信号能够进入光探测器。
根据第一方面或第一方面的第一至第十一种可能的实现方式，在第一方面的第十二种可能的实现方式中，所述出光窗口还包括与第一连接面连接设置的第二连接面，所述第一连接面用于靠近光探测器设置，所述第二连接面的法线与所述第一方向的夹角为第二夹角，所述第二夹角大于所述第一夹角。
原始光斑可以看成是中心对称的，以原始光斑的中心为准，原始光斑靠近光探测器一侧的光信号的出射方向是偏向光探测器的，而原始光斑背离光探测器一侧的光信号的出射方向是偏离光探测器的。所述第二夹角大于所述第一夹角，使得对入射至第一连接面的测试光信号的调整程度大于入射至第二连接面的测试光信号的调整程度，从而将更多的光信号引向光探测器，进一步使有效后向信号能够进入光探测器。
根据第一方面或第一方面的第一至第十二种可能的实现方式，在第一方面的第十三种可能的实现方式中，所述出光窗口还包括第三连接面，所述第三连接面与所述第一连接面远离所述第二连接面的一端连接，所述第三连接面的法线与所述第一方向的夹角为第三夹角，所述第二夹角为锐角，所述第三夹角为钝角。第三连接面能够减少原始光斑靠近光探测器的部分出射的测试光信号的发散角，即将原始光斑靠近光探测器一侧的边缘光信号进行汇集，从而减少光源的损耗。
根据第一方面或第一方面的第一至第十三种可能的实现方式，在第一方面的第十四种可能的实现方式中，所述原始光斑的光强分布曲线为单钟型曲线，所述原始光斑的中心距最大光强，所述测试光斑的光强分布曲线为双钟型曲线，于所述测试光斑的中心的光强小于所述测试光斑的最大光强，进一步提高光发射器的光源的利用率。
根据第一方面或第一方面的第一至第十五种可能的实现方式，在第一方面的第十六种可能的实现方式中，所述凹陷可以为球面，通过球面的发散作用，能够有效将中心光斑光信号向远离原始光斑中心的方向发散，从而提高中心光斑光信号的利用率。
根据第一方面或第一方面的第一至第十六种可能的实现方式，在第一方面的第十七种可能的实现方式中，所述凹陷的纵截面为锥形，以改变原始光斑的中心光斑光信号的出射方向,实现由原始光斑转换为测试光斑。
第二方面，本申请提供一种光感装置，包括如上所述的光发射器与光探测器，所述光探测器用于接收测试光信号经所述用户皮肤和/或散射回的后向信号。
通过调整结构将原始光斑调整为测试光斑，使原始光斑的中心光斑光信号朝向远离所述原始光斑中心的方向偏移，将更多的测试光信号引向光探测器所在方向，而使光探测器能够接收到更多的有效后向信号，提高了光感装置的探测精度。由于提高了中心光斑光信号的利用率，降低了光感装置的功耗。
根据第二方面，在第二方面的第一种可能的实现方式中，所述光探测器包括探测本体与收光窗口，所述后向信号通过所述收光窗口进入所述探测本体，所述收光窗口包括第一表面与第二表面，所述第二表面朝向所述光探测器设置，所述第二表面包括朝向所述光发射器所在方向倾斜的倾斜面，以减小从所述第二表面出射的后向信号入射至所述探测本体的入射角，使得更多的有效后向信号进入所述探测本体，进一步提高光感装置的探测精度。
根据第二方面或第二方面的第一种可能的实现方式，在第二方面的第二种可能的实现方式中，所述光探测器包括探测本体与收光窗口，所述后向信号通过所述收光窗口进入所述探测本体，所述探测本体与所述收光窗口均为环形结构，所述探测本体与所述收光窗口均环绕所述光发射器设置。由于离中心一定距离的环形范围内的后向信号都能被光探测器接收，从而提高光源的利用率，提高光感装置的性能及降低光感装置的功耗。
附图说明
图1为现有的一种光感装置的应用原理示意图；
图2示出了本申请公开内容的例子可以在其中实现的设备；
图3为光感装置的结构框图；
图4为本申请第一实施方式提供的光感装置的部分结构示意图；
图5a为光源输出的原始光斑的示意图；
图5b为图5a所示的原始光斑的光强曲线分布示意图；
图6为图4所示的光感装置的光发射器的结构示意图；
图7a为测试光斑为环形光斑的示意图；
图7b为图7a所示的原始光斑的光强曲线分布示意图；
图7c为测试光斑为双点光斑的示意图；
图7d为测试光斑为四点光斑的示意图；
图7e为光源间隔设有两个出光结构的顶视图；
图7f为图7e所示的光源的侧视图；
图7g为光源的出光结构设置为环形的顶视图；
图8a-图8h为本申请第二实施方式提供的光感装置的部分结构贴合于用户皮肤使用时的示意图；
图9a-图9d为本申请第三实施方式提供的光感装置的结构贴合于用户皮肤使用时的示意图；
图10a为本申请第四实施方式提供的光感装置的结构贴合于用户皮肤使用时的示意图；
图10b-图10e为收光窗口的可能结构示意图；
图11为本申请第五实施方式提供的光感装置的结构示意图。
具体实施方式
请参阅图2，图2为本申请公开内容的例子可以在其中实现的设备。图2所示的光感装置20为可佩戴到用户手腕上的可穿戴设备。光感装置20采用PPG技术，用于测量或采集用户生命体征，所述生命体征包括心率、呼吸率或血氧饱和度等。可以理解，不限定光感装置20为可穿戴设备，其也可以为其他可用于测量或采集用户生命体征数据的设备，例如，移动电话、平板电脑等等。
请参阅图3，光感装置20包括处理器21、通信总线22、模拟前端(Analog FrontEnd,简称AFE)23、通信接口24、存储器25、光发射器31及光探测器33。模拟前端23、通信接口24、存储器25均与处理器21建立通信连接。
模拟前端23连接光发射器31及光探测器33，并与处理器21建立通信连接。模拟前端23用于控制光发射器31的光信号发生，并接收光探测器33输出的信号，转换成数字信号后传给处理器21处理或者转换成数字信号，进行相应处理(如数字滤波等)后传给处理器21处理。
较为具体的，在处理器21的控制下,模拟前端23驱动光发射器31向用户皮肤出射测试光信号。测试光信号照射至用户皮肤后，部分进入皮肤内部发生反射和/或散射，部分反射和/或散射光进入光探测器33，被光探测器33接收。将光探测器33接收的反射和/或散射信号称为后向反射和/或散射信号，简称后向信号。后向信号具有变化的强度，其根据人的皮肤中的血流脉动。光探测器33将所接收的后向信号转换为电信号并反馈至模拟前端23,模拟前端23进行数字转换(可以进一步进行相应的数字处理，如数字滤波)，把转换后的数字信号反馈或传输给处理器21。处理器21用于模拟前端23所反馈的数字信号进行处理分析而获取用户的生命体征。
处理器21可以是中央处理单元(Central Processing Unit，CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现场可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等，处理器21是光感装置20的控制中心，利用各种接口和线路连接整个光感装置20的各个部分。通信总线22可包括一通路，在上述组件之间传送信息。
通信接口24，为使用任何收发器一类的装置，用于与其他设备或通信网络通信，如以太网，无线接入网(radio access network，简称RAN)，无线局域网(wireless localarea networks，简称WLAN),串行外设接口(Serial Peripheral Interface,简称SPI),内部集成电路总线(Inter-Integrated Circuit Bus,简称I2C)等。处理器21与每个部件的通信接口24可以一样，也可以不一样。
存储器25可用于存储计算机程序和/或模块，处理器21通过运行或执行存储在存储器25内的计算机程序和/或模块，以及调用存储在存储器25内的数据，实现光感装置20的各种功能。存储器25可主要包括程序存储区和数据存储区，其中，程序存储区可存储操作系统、多个功能所需的应用程序(比如声音播放功能、图像播放功能等)等；数据存储区可存储根据光感装置20的使用所创建的数据(比如音频数据、电话本等)等。此外，存储器25可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非易失性存储器，例如硬盘、内存、插接式硬盘，智能存储卡(Smart Media Card,SMC)，安全数字(Secure Digital,SD)卡，闪存卡(Flash Card)、多个磁盘存储器件、闪存器件、或其他易失性固态存储器件。存储器25可以是独立存在，通过通信连接线与处理器21相连接。存储器25也可以和处理器21集成在一起。其中，“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，在本申请实施例的描述中，“多个”是指两个或多于两个。
在具体实现中，作为一种实施例，光感装置20可以包括多个处理器21，例如图3中的CPU0和CPU1。这些处理器21中的每一个可以是一个单核(single-CPU)处理器，也可以是一个多核(multi-CPU)处理器。这里的处理器可以指一个或多个设备、电路、和/或用于处理数据(例如计算机程序指令)的处理核。
在一些实施方式中，模拟前端23可以省略，而通过处理器21直接控制光发射器31，并处理分析光探测器33反馈的电信号，进而获取用户的生命体征。光发射器31用于在处理器21的控制下向用户皮肤出射测试光信号。测试光信号照射至用户皮肤后，部分进入皮肤内部发生反射和/或散射，部分反射和/或散射光进入光探测器33，被光探测器33接收。将光探测器33接收的反射和/或散射信号称为后向信号。后向信号具有变化的强度，其根据人的皮肤中的血流脉动。光探测器33将所接收的后向信号转换为电信号并反馈至处理器21。处理器21用于根据光探测器33所反馈的电信号进行处理分析而获取用户的生命体征。
光感装置20还包括反馈部件26，用于在处理器21获取到的用户生命体征超出预设阈值时向用户发出警报，例如，当用户的心率超过预设心率时。本实施方式中，反馈部件26为扬声器，处理器21控制反馈部件26发出音频警报。可以理解，反馈部件26还可以为显示器、振动器等等，在此不作限定。
第一实施方式
传统技术中，光源出射的测试光信号对应照射至用户皮肤上的测试光斑可看作是光源输出的原始光斑。原始光斑包括原始光斑中心及绕原始光斑中心绕设的边缘区域，原始光斑中心的光强远大于边缘区域的光强，将原始光斑中心出射的测试光信号称为中心光斑光信号。光源出射的测试光信号大部分被皮肤反射回至光源而无法利用，特别是光强较强的原始光斑中心。
若提高原始光斑中心出射的中心光斑光信号的利用率，则能够有效提高光源的利用率，从而降低光源的损耗。出于此目的，本申请第一实施方式中提供的光感装置，对原始光斑的光强分布进行调整，将中心光斑光信号由原始光斑中心朝向远离原始光斑中心方向发散调整或偏移调整，将更多的中心光斑光信号引向远离原始光斑中心的方向，使得光源输出照射至用户皮肤上的测试光斑不同于原始光斑，实现设于光源周边的光探测器能够接收到更多的有效后向信号。
请参阅图4，光感装置30还包括支架27及壳体28，支架27固定收容于壳体28内。本实施方式中，支架27为电路板，支架27为光感装置20的主板或副板。当支架27为光感装置20的主板时，处理器21、通信接口24、存储器25固定于支架27上。或者，当支架27为光感装置20的副板时，处理器21、通信接口24、存储器25固定于另外的主板上。或者，当支架27为光感装置20的副板时，一个处理器21在副板上,1个或多个处理器21、通信接口24、存储器25固定于另外的主板上。可以理解，支架27不限定为电路板，支架27可以为其他的支撑结构，在此不作限定；支架27也可以省略，例如，处理器21、通信接口24、存储器25、光发射器31与光探测器33直接固定于壳体28。
壳体28间隔设有第一通光孔281与第二通光孔283。壳体28用于保护处理器21等收容于壳体28内的器件。
光发射器31包括光源311及出光窗口313。光源311用于输出原始光斑以出射测试光信号(如图4中标示的B1与B2)。光源311设出光结构312，用于透过光源311出射的测试光信号。出光窗口313位于测试光信号的光路上。出光窗口313固定于壳体28的第一通光孔281内。测试光信号依次经过出光结构312与出光窗口313后，形成测试光斑，再照射至用户皮肤。光探测器33包括探测本体331及收光窗口333。探测本体331用于接收透过收光窗口333的后向信号(如图4中C1所示)。收光窗口313固定于第二通光孔283内。
本实施方式中，光源311固定于支架27上，光源311为光源芯片，出光窗口313间隔出光结构312设置。可以理解，出光窗口313也可以与出光结构312相固定，光源311与出光结构312也可以分隔并单独设置。可以理解，光源311可以为一单独的发光层，即无需罩壳，无需设置出光结构312。可以理解，不限定光源311的结构，其能够出射测试光信号即可，例如，光源311包括发光层及罩壳3113，发光层设于罩壳的底部，出光结构312设于罩壳上用于出射发光层3111生成的测试光信号。
光源311输出的原始光斑可以看成是中心对称的，请参阅图5a，本实施方式中，原始光斑大致呈圆形,原始光斑101包括原始光斑中心1011及环绕原始光斑中心1011设置的边缘区域1013。原始光斑中心101的光强处于第一光强范围内，边缘区域1013的光强处于第二光强范围内，所述第一光强范围的最小光强要远大于所述第二光强范围的最大光强，例如，所述第一光强范围的最小光强与所述第二光强范围的最大光强不是同个数量级，使得原始光斑中心1011明显区别于边缘区域1013。从原始光斑中心1011出射的测试光信号为中心光斑光信号。
光强在原始光斑的圆心最强，随着距离原始光斑的圆心的间距越大，光强则越弱。请一并参阅图5b,图5b为图5a对应的光强分布曲线示意图，其中，原点0代表原始光斑的圆心，纵轴代表光强，横轴为距离原始光斑的圆心的间距，原始光斑的光强分布曲线M1为单钟型曲线。
请参阅图6，光感装置20还包括透镜结构35，用于将中心光斑光信号朝向远离原始光斑中心方向发散或偏移，实现原始光斑转换为测试光斑。透镜结构35设于出光结构312，所述中心光斑光信号通过出光结构312入射至透镜结构35。本实施方式中，透镜结构35包括光栅结构，用于对入射的中心光斑光信号进行衍射，使得中心光斑光信号朝向远离所述原始光斑中心的方向发散，实现将原始光斑转换为测试光斑。
本实施方式中，出光结构312的数量为1个，出光结构312为透光通道。
可以理解，透镜结构35还可以为反射膜，光源311输出的原始光斑经透镜结构35调整转换为测试光斑。
可以理解，出光结构312可以为透光孔，出光结构312也可以由透光材质制成的透光层。
由于透镜结构35的调节作用,光源311出射的测试光信号在透过出光结构312后，中心光斑光信号朝向远离所述原始光斑中心的方向发散，即将测试光信号部分由光束中心部分向远离光束中心的方向发散，重新调整了光斑的光强分布，请参阅图7a,测试光斑的光强分布曲线示意图，测试光斑的光强分布曲线M2为双钟型曲线分布,可见，相较于原始光斑，测试光斑中心的光强被减弱，而测试光斑的远离测试光斑中心的部分光强则得到了增强，使得光探测器33能够接收到更多的有效后向信号，降低了光损耗，从而提高光源311的利用率。
通过对透镜结构35的设置，能够获得所需要的测试光斑，例如，请参阅图7b，测试光斑可以为环形光斑，其中，测试光斑中心光强小于测试光斑的中心周围位置的光强，图7b中颜色越深代表光强越强。
测试光斑的形状可以与原始光斑不同，例如原始光斑为圆形，而测试光斑为椭圆形等；测试光斑可以为N点光斑(又可以称为N中心光斑)，其中N大于等于2，例如双点光斑(如图7c所示，又可以称为双中心光斑)、四点光斑(如图7d所示，又可以称为四中心光斑)等等。
其他实施方式中，测试光斑的形状还可以通过改变光发射器31的出光结构312的数量而调整，即调整结构包括出光结构312，例如，请参阅图7e与图7f，光源311上设间隔设有两个出光结构312，即相邻的两个出光结构312由不透光的遮光区域314连接，遮光区域314位于所述中心光斑光信号的光路上，使得中心光斑光信号被遮挡而无法出射，测试光信号仅能从两个出光结构312出射，从而将原始光斑调整为双点光斑(亦可参图7c所示)。
其他实施方式中，测试光斑的形状还可以通过改变光发射器31的出光结构312的形状来调整，即调整结构包括出光结构312，例如，请参阅图7g，环形的出光结构312环绕遮光区域314设置，遮光区域314位于所述中心光斑光信号的光路上，中心光斑光信号被遮挡而无法出射，光源311出射的测试光信号仅能从环形的出光结构312出射从而形成环形的测试光斑(如图7b所示)。
可以理解，所述调整结构包括设于所述光源上的出光结构，所述出光结构避开所述中心光斑光信号的原始出射光路设置。
可以理解，所述出光结构的数量为至少两个，相邻的两个所述出光结构间隔设置，使得所述测试光斑为N点光斑，所述N大于1。
可以理解，所述出光结构为环形结构，所述测试光斑为环形光斑。
可以理解，不限定光源311输出的原始光斑为中心对称图形，原始光斑也可以为不规则图形，将原始光斑的光强较强区域(包括光强最大)出射的光信号即为中心光斑光信号。
第二实施方式
本申请的第二实施方式提供的光发射器与第一实施方式提供的光发射器大致相同，不同在于，调整结构包括透镜结构。图8a-图8h为第二实施方式中提供的光发射器的可能结构示意图，其中，虚线箭头为传统光感装置的中心光斑光信号从出光结构出射后的出射方向；实线箭头为第二实施方式提供的光感装置的中心光斑光信号经调整结构后的出射方向。
以下以图8a所示的结构进行简单说明。透镜结构35包括入射侧351及出射侧353，入射侧351朝向光源311设置并固定于出光结构312上。可以理解，入射侧351可以不固定于出光结构312上，入射侧351与出光结构312无间隙即可。透镜结构35于出射侧353形成朝向光源311所在一侧凹设的凹陷357。所述中心光斑光信号从凹陷358于所述入射侧上351的正投影覆盖区域入射至透镜结构35，并从凹陷357出射。本实施方式中，出射侧353还包括朝向远离光源311的方向凸出的球面，以汇聚原始光斑的边缘区域出射的边缘光。
本实施方式中，设测试光信号从原始光斑出射未经其他元件或器件时的出射光路为原始出射光路。凹陷357为朝向光源311凹陷的球面，并凹陷357的最低点位于原始光斑的圆心出射的中心光斑光信号的原始出射光路上。
所述中心光斑光信号从凹陷358于所述入射侧上351的正投影覆盖区域入射至透镜结构35，经透镜结构35折射，再从出射侧353出射。由于凹陷357的调节作用，使得所述中心光斑光信号朝向远离原始光斑中心的方向发散；出射侧353能够汇聚原始光斑的出射的边缘光，而减小整个测试光信号的发散角，进一步有利于提高光发射器的光源能量利用率。
请参阅图8b，出射侧353的凹陷357可以包括斜面359,或者凹陷357也可以为立体锥面，斜面359是立体锥面的投影，换而言之，凹陷357的纵截面呈锥形，通过全反射原理，改变到达斜面359的测试光信号的出射方向,实现由原始光斑转换为测试光斑。例如，中心光斑光信号从入射侧351入射到达斜面359，经斜面359的全反射由出射侧353除去凹陷357的其余区域出射。
请参阅图8c，凹陷357可以设于入射侧351上，凹陷357为朝向远离光源311方向凹设的球面，通过改变入射至透镜结构35的入射角而改变中心光斑光信号于透镜结构35内的折射方向，实现由原始光斑到测试光斑的转换。
请参阅图8d，凹陷357可以设于入射侧351，凹陷357朝向远离光发射器31方向凹设。凹陷357包括连接设置的斜面359，或者凹陷357也可以为立体锥面，斜面359是立体锥面的投影，换而言之，凹陷357的纵截面呈锥形，通过斜面359改变光源311测试光信号入射至透镜结构35的入射角从而改变折射方向，实现由原始光斑转换为测试光斑。例如，中心光斑光信号经透镜结构35后向远离原始光斑中心方向发散。
图8e所示出的结构与图8a示出的结构大致相同，凹陷357为朝向光发射器31的光源311凹设的球面，不同在于，透镜结构35与光源311间隔设置。
图8f所示出的结构与图8b示出的结构大致相同，凹陷357包括两个连接设置的斜面359，凹陷357为朝向光源311方向凹设，不同在于，透镜结构35与光源311间隔设置，通过全反射原理改变原始光斑的中心光斑光信号的出射方向,实现由原始光斑转换为测试光斑。
图8g所示出的结构与图8c示出的结构大致相同，凹陷357设于入射侧351上，凹陷357为朝向远离光源311方向凹设的球面，不同在于，透镜结构35与光源311间隔设置。
图8h所示出的结构与图8d示出的结构大致相同，凹陷357设于入射侧351上，凹陷357为朝向远离光出光结构312与光源311方向凹设的凹陷，凹陷357包括斜面359，不同在于，透镜结构35与光源311间隔设置。
可以理解，透镜式的透镜结构35不限定为图8a-图8h所限定的结构，例如，透镜结构35可以为多个透镜的组合。
第三实施方式
本申请第三实施方式提供的光感装置与第一实施方式提供的光感装置大致相同，不同在于，调整结构包括出光窗口。图9a-图9d为第三实施方式提供的光感装置的可能结构示意图，其中，虚线箭头为传统光感装置中的中心光斑光信号经出光窗口后的出射方向；实线箭头为第三实施方式提供的光感装置中的中心光斑光信号经出光窗口后的出射方向。
请参阅图9a，光发射器31与光探测器33间隔设置，出光窗口313包括相背设置的第一界面3131及第二界面3133，第一界面3131朝向光源311的一侧设置。第二界面3133为平面(图9a中所示的水平面)，以与用户皮肤贴紧，防止外界环境光进入造成干扰。
第一界面3131为斜面，本实施方式中，第一界面3131为平面。第一界面3131的法线与第一方向之间的夹角为第一夹角，第一夹角为锐角，所述第一方向与所述中心光斑光信号从所述原始光斑出射的原始方向垂直。第一界面3131朝向探测本体331所在方向倾斜，即出光窗口313的靠近光探测器33一端的厚度要大于远离光探测器33一端的厚度，以调节从光源311出射的测试光信号入射至出光窗口313的入射角，实现将原始光斑转换为测试光斑，使得从第二界面3133出射的测试光信号的出射方向朝向探测本体331所在方向倾斜，以将更多的测试光信号引向光探测器33所在一侧。第一界面3131与空气接触。
可以理解，不限定第一界面3131为与空气接触的界面，第一界面3131还可以与出光结构312或光源311无间隙接触；或第一界面3131与出光结构312之间存有其他介质，能够减小中心光斑光信号的入射角即可；第二界面3133不限定为平面，例如，第二界面3133也可以为出光窗口313朝向光发射器31一侧凹设的凹面，以与用户皮肤获得最佳耦合；当然，第二界面3133还可以设置为朝向远离光发射器31所在一侧凸出设置的凸面。
从出光结构312出射的测试光信号经第一界面3131入射至出光窗口313，再由第二界面3133出射。本实施方式中，出光窗口313的折射率为1.4，空气的折射率为1，由于第一界面3131为斜面，从第二界面3133出射的测试光信号，由原来的出射方向朝向光探测器33所在一侧偏转倾斜。相当于现有的为平面的第一界面顺时针旋转一个角度θ(也就是为平面的第一界面的法线顺时针旋转角度θ)。
以中心光斑光信号为例，若第一界面保持为传统中沿第一方向延伸设置的平面，中心光斑光信号沿第二界面3133的法线方向出射(图9a中所示的B01)，即原始光斑大致与测试光斑相同。
在本实施方式中，由于第一界面3131为斜面，原始光斑的中心光斑光信号由原始的0度(与垂直入射面的法线的角度)入射角变成角度为θ的入射角入射到出光窗口313，并发生折射而会往法线旋转的方向偏转一个偏转角α，再从第二界面3133出射，实现经出光窗口313将原始光斑调整后形成测试光斑，中心光斑光信号(如图9a中所示的B11)向探测本体331一侧偏转的偏转角为α，使得更多的有效后向信号C1能够被光探测器33接收。
其他角度的入射光都会往法线旋转方向(即往光探测器33方向)旋转一个角度α,旋转的角度，与光线入射的角度有关。通过这种方式，中心光斑部分和整个光源有更多的测试光信号能经过皮肤的反射和/或散射进入到光探测器33，而被探测本体331接收到。
原始光斑可以看成是中心对称的，以原始光斑的中心为准，原始光斑靠近光探测器一侧的测试光信号的出射方向是偏向光探测器33的，而原始光斑背离光探测器33一侧的测试光信号的出射方向是偏离光探测器33的。为了将更多的测试光信号引向光探测器33，可以将原始光斑背离光探测器33一侧的测试光信号进行更大的角度地调整。
在一实施方式中，请参阅图9b，第一界面3131包括连接设置的第一连接面3134与第二连接面3136，第一连接面3134靠近探测本体331设置，其中，第一连接面3134与第二连接面3136均为朝向探测本体331所在方向倾斜的倾斜面，所述第二连接面的法线与所述第一方向的夹角为第二夹角，所述第二夹角大于所述第一夹角。本实施方式中，第一连接面3134与第二连接面3136为平面，第一连接面3134的斜率小于第二连接面3136的斜率，第一连接面3134与第二连接面3136的连接处位于原始光斑的圆心出射的中心光斑光信号的原始出射光路上，以将原始光斑背离光探测器33一侧的测试光信号更多的引向探测本体331所在一侧。中心光斑光信号从第一连接面3134与第二连接面3136的连接处入射。而图9a中所示的第一界面的整个区域均为第一连接面。
设从第一连接面3134入射，再从第二界面3133出射的测试光信号为第一测试光信号D1，D01为第一测试光信号于传统出光窗口的原始出射方向，即第一测试光信号对应的传统的第一界面为沿第一方向延伸设置的平面时的出射方向，第一测试光信号的偏转角度为第一偏转角；设从第二连接面3136入射再从第二界面3133出射的光为第二测试光信号D2，D02为第二测试光信号于传统出光窗口的原始出射方向，即第二测试光信号对应的传统第一界面为沿第一方向延伸设置的时的出射方向，第二测试光信号的偏转角为第二偏转角，所述第一偏转角大于第二偏转角，实现将原始光斑背离光探测器33一侧的测试光信号更多的引向光探测器33所在一侧。
可以理解，第二连接面3136不限定为平面，请参阅图9c，第一连接面3134保持为斜平面，第二连接面3136可以为由出光窗口313朝向光源311一侧凸出设置的弧面，所述第二连接面3136大致朝向探测本体331所在方向倾斜设置，以获得更大的偏转角度，进一步有利于光源311出射的测试光信号往光探测器33方向调整。
可以理解，请参阅图9d，第一界面3131还包括第三连接面3138，第一连接面3134位于第二连接面3136与第三连接面3138之间，第三连接面3138位于第一连接面3134靠近光探测器33的一侧，第一连接面3134为斜面，第二连接面3136与第三连接面3138均为由出光窗口313朝向光源311一侧凸出设置的弧面，第三连接面3138能够减少光发射器出射的靠近探测本体331的超过一定角度的测试光信号入射到壳体上。
可以理解，不限定第一界面3131的结构，第一界面3131可以为平面、斜面、弧面或者其他类型曲面的组合，以实现光路的调整，让光发射器31发出的测试光信号更多的往光探测器33侧调整，增加光探测器33可以接收的后向信号的强度，从而提高光源的利用率，而提高光感装置20的性能。
以上描述的是沿光发射器中心和光探测器中心的截面的光路结构(假定X方向),在与当前截面垂直的截面上(Y方向)，可以按类似的方式进行光路设置。如果垂直的截面上无光探测器，可以在垂直的截面上利用两个弧面把光源的发射的光往光源的中心调整(汇聚)，在此不作限定。
第四实施方式
传统技术中，到达收光窗口的光并不能全部由光探测器接收，当后向信号入射至收光窗口的入射角大于某个值时则无法由光探测器接收，例如，当入射的后向信号与收光窗口的入射面平行时。另外，光探测一个显著的特征是，入射角度越大，光电转换效率越低，即后向信号垂直入射光探测器时，光电转换效率最大，因此，后向信号入射至光探测器的入射角越小，则越有利于光探测器的接收。
本申请的第四实施方式提供的光感装置的目的在于，尽可能的减小从收光窗口入射至探测本体的后向信号的入射角。
具体的，请参阅图10a，光探测器33包括探测本体331与收光窗口333。收光窗口333包括相背设置的第一表面3331与第二表面3333，第二表面3333设于收光窗口333朝向探测本体331的一侧。
本实施方式中，第一表面3331为平面，用于贴紧用户皮肤，避免环境光进入造成干扰。可以理解，第一表面3331不限定为平面，例如，第一表面3331也可以为收光窗口333朝向探测本体331一侧方向凹设的凹面，以与用户皮肤获得最佳耦合；当然，第一表面3331还可以设置为朝向远离探测本体331所在一侧凸出设置的凸面。
第二表面3333为一斜面，第二表面3333朝向第一表面3331倾斜，收光窗口333的厚度由收光窗口333靠近光发射器31一端朝向远离光发射器31一端递减。第二表面3333用于减小后向信号入射至探测本体331的入射角。
本实施方式中，收光窗口333的折射率为1.4，空气的折射率为1，由于第二表面3333为斜面，从第二表面3333出射的后向信号，由原来的出射方向朝向第一表面3331的法线靠拢，进而减小后向信号入射至探测本体331的入射角。
相当于将传统的收光窗口朝向光发射器一侧与空气相交的第一界面逆时针旋转一定角度。通过把第二表面3333设置成斜面，以经第一表面3331从用户皮肤15进入收光窗口333的后向信号C为例，后向信号C到达第二表面3333的入射角从α减少到α'，再入射到探测本体331的入射角从θ减少到θ＂。通过这种方式可以让探测本体331能够接收更多的后向信号，同时可以提高光探测器33的转换效率。
可以理解，不限定第二表面3333为斜面，第二表面3333可以采用其他形状来改变后向信号至探测本体331的入射方向，例如，第二表面3333为收光窗口333朝向光探测器33所在一侧凸出设置的曲面，以如图10b所示，第二表面3333包括连接设置的第一次表面3334与第二次表面3336，第一次表面3334靠近光发射器31设置，第一次表面3334与第二次表面3336均为弧面；如图10c所示，第二表面3333包括连接设置的第一次表面3334与第二次表面3336，第一次表面3334与第二次表面3336为斜面；如图10d所示，第二表面3333包括依次连接设置的第一次表面3334、第二次表面3336与第三次表面3338，第一次表面3334、第三次表面3338为弧面，第二次表面3336为斜面；如图10e所示，第二表面3333包括依次连接设置的第一次表面3334、第二次表面3336与第三次表面3338，第一次表面3334、第三次表面3338为斜面，第二次表面3336为弧面。图10a-图10e仅示例性地示意出第二表面3333的形状结构，其还可以为任意弧面、斜面、曲面的组合。
第五实施方式
传统的采用PPG技术的光感设置中，光探测器通常设置在光源一侧或多个光探测器环绕光发射器排列，且光探测器之间还需预留加工操作空间，如此，使得后向信号返回到相邻的光探测器之间的间隙时，无法被光探测器接收到。
为使更多的有效后向信号能够被探测到，本申请第五实施方式中，如图11所示,光探测器33为环形结构，收光窗口333为环形结构，光发射器31位于光探测器33的圆心上，光探测器33的圆心与收光窗口333的圆心重叠。由于离圆心一定距离的环形范围内的后向信号都能被光探测器33接收，从而提高光源的利用率，提高光感装置的性能或者降低光感装置的功耗。
可以理解，不限定光发射器31位于光探测器33的圆心上，光探测器33的圆心与收光窗口333的圆心重叠，光探测器33环绕光发射器设置即可。
可以理解，在一实施方式中，在不冲突的情况下，光感装置可以包括第一至第五实施方式中的调整结构至少一个，例如，光感装置包括光发射器及光探测器，光发射器包括光源及出光窗口，所述光源的出光结构上设有光栅和/或反射膜，所述出光窗口朝向所述光源一侧设有第一连接面，所述光探测器包括收光窗口及光探测本体，所述收光窗口朝向所述探测本体的第二表面上设有朝向所述光源倾斜设置的倾斜面，并所述探测本体与所述收光窗口均为环形结构，所述探测本体与所述收光窗口均环绕所述光发射器设置。
以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (16)

1.一种用于光体积描技术的光发射器，其特征在于，包括光源及调整结构，所述光源用于输出原始光斑以向用户皮肤出射测试光信号，所述调整结构位于所述测试光信号的出射光路上，所述原始光斑的原始光斑中心出射的测试光信号为中心光斑光信号，所述调整结构用于使所述中心光斑光信号朝向远离所述原始光斑中心的方向发散，实现将所述原始光斑转换为测试光斑。
2.根据权利要求1所述的光发射器，其特征在于，还包括设于所述光源上的出光结构，所述中心光斑光信号通过所述出光结构入射至所述调整结构。
3.根据权利要求1或2所述的光发射器，其特征在于，所述调整结构包括光栅结构，用于将入射的所述中心光斑光信号进行衍射；和/或，所述调整结构包括反射膜，用于将入射的所述中心光斑光信号进行反射。
4.根据权利要求2所述的光发射器，其特征在于，所述调整结构包括透镜结构，所述透镜结构包括入射侧与出射侧，所述入射侧朝向所述光源设置，所述透镜结构于所述出射侧设有朝向所述光源所在一侧凹设的凹陷，所述中心光斑光信号从所述凹陷于所述入射侧上的正投影覆盖区域入射至所述透镜结构。
5.根据权利要求2所述的光发射器，其特征在于，所述调整结构包括透镜结构，所述透镜结构包括入射侧与出射侧，所述入射侧朝向所述光源设置，所述透镜结构于所述入射侧设有朝向远离所述光源一侧凹设的凹陷，所述中心光斑光信号能够从所述凹陷入射至所述透镜结构，并从所述出射侧出射。
6.根据权利要求4或5所述的光发射器，其特征在于，所述入射侧固定于所述出光结构。
7.根据权利要求4或5所述的光发射器，其特征在于，所述出射侧包括朝向远离所述光发射器的方向凸出的球面。
8.根据权利要求1所述的光发射器，其特征在于，所述调整结构包括设于所述光源上的出光结构，所述出光结构避开所述中心光斑光信号的原始出射光路设置。
9.根据权利要求8所述的光发射器，其特征在于，所述出光结构的数量为至少两个，相邻的两个所述出光结构间隔设置，使得所述测试光斑为N点光斑，所述N大于1。
10.根据权利要求8所述的光发射器，其特征在于，所述出光结构为环形结构，所述测试光斑为环形光斑。
11.根据权利要求1所述的光发射器，其特征在于，所述调整结构包括出光窗口，所述出光窗口包括第一连接面，所述第一连接面的法线与第一方向之间的夹角为第一夹角，所述第一夹角为锐角，所述中心光斑光信号从所述第一连接面入射至所述出光窗口，所述第一方向与所述中心光斑光信号从所述原始光斑出射的原始方向垂直。
12.根据权利要求11所述的光发射器，其特征在于，所述出光窗口还包括与所述第一连接面连接设置的第二连接面，所述第一连接面用于靠近光探测器设置，所述第二连接面的法线与所述第一方向的夹角为第二夹角，所述第二夹角大于所述第一夹角。
13.根据权利要求12所述的光发射器，其特征在于，所述出光窗口还包括第三连接面，所述第三连接面与所述第一连接面远离所述第二连接面的一端连接，所述第三连接面的法线与所述第一方向的夹角为第三夹角，所述第二夹角为锐角，所述第三夹角为钝角。
14.一种光感装置，其特征在于，包括如权利要求1-13任意一项所述的光发射器与光探测器，所述光探测器用于接收测试光信号经用户皮肤反射和/或散射回的后向信号，以采集用户的生命体征。
15.根据权利要求14所述的光感装置，其特征在于，所述光探测器包括探测本体与收光窗口，所述后向信号通过所述收光窗口进入所述探测本体，所述收光窗口包括第一表面与第二表面，所述第二表面朝向所述探测本体设置，所述第二表面包括朝向光源所在方向倾斜的倾斜面，以减小从所述第二表面出射的后向信号入射至所述探测本体的入射角。
16.根据权利要求14所述的光感装置，其特征在于，所述光探测器包括探测本体与收光窗口，所述后向信号通过所述收光窗口进入所述探测本体，所述探测本体与所述收光窗口均为环形结构，所述探测本体与所述收光窗口均环绕所述光发射器设置。
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