CN215264133U - 光学器件和光学系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种光学器件和光学系统，包括：发光装置、第一透镜、第二透镜和光接收装置；发光装置的朝向与光接收装置的朝向相同，第一透镜设置在发光装置的前方，第二透镜设置在光接收装置的前方；发光装置用于发射光信号；第一透镜用于偏折光信号，使光信号经过第一透镜后偏向光接收装置；第二透镜用于将光信号聚焦至光接收装置；光接收装置用于接收光信号。该方式中，第一透镜可以将发光装置发射的光信号进行偏折，偏折后的光信号偏向光接收装置，第二透镜将偏折后的光信号聚焦后，由光接收装置接收光信号。该方式中，通过第一透镜对光信号进行偏折，可以提高光信号进入光接收装置的概率，减少光信号的浪费，从而提高光信号的接收效率。

Description

光学器件和光学系统

技术领域

本实用新型涉及光学仪器技术领域，尤其是涉及一种光学器件和光学系统。

背景技术

现有的光学医疗仪器中，仪器的LED(Light-Emitting Diode，发光二极管)发射出的光信号会进入佩戴仪器的人员的皮肤组织，并在皮肤组织中随意传播，其中，只有少部分光信号能够通过皮肤组织的折射和反射后进入到PD(Photodetector，光电探测器)中，很大一部分光信号不能被PD 接收，会被“浪费”掉，接收效率很低。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型的目的在于提供一种光学器件和光学系统，以减少光信号的浪费，提高光信号的接收效率。

第一方面，本实用新型实施例提供了一种光学器件，光学器件包括：发光装置、第一透镜、第二透镜和光接收装置；发光装置的朝向与光接收装置的朝向相同，第一透镜设置在发光装置的前方，第二透镜设置在光接收装置的前方；发光装置用于发射光信号；第一透镜用于偏折光信号，使光信号经过第一透镜后偏向光接收装置；第二透镜用于将光信号聚焦至光接收装置；光接收装置用于接收光信号。

在本实用新型较佳的实施例中，上述发光装置朝向佩戴人员的皮肤组织；光信号经过第一透镜后在皮肤组织中反射和折射，第二透镜将在皮肤组织中反射和折射后的光信号聚焦至光接收装置。

在本实用新型较佳的实施例中，上述第一透镜为菲涅尔透镜，第一透镜包括第一锯齿面和第二全反射面；光信号经过第一锯齿面折射后进入第二全反射面，光信号在第二全反射面全反射。

在本实用新型较佳的实施例中，上述第一透镜的菲涅尔纹路为旋转不对称的纹路，第一透镜的菲涅尔纹路的锯齿的倾斜角度的范围包括30° -70°，光信号经过第一透镜后偏向述光接收装置的角度范围包括0° -60°。

在本实用新型较佳的实施例中，上述光信号经过第一透镜后偏向述光接收装置的角度范围具体包括10°-15°。

在本实用新型较佳的实施例中，上述发光装置包括：红光发光装置和绿光发光装置；红光发光装置前方的第一透镜为红光透镜，绿光发光装置前方的第一透镜为绿光透镜；红光发光装置用于发射红光信号和红外光信号，绿光发光装置用于发射绿光信号。红光发光装置为红光和红外二合一 LED。

在本实用新型较佳的实施例中，上述发光装置包括两个绿光发光装置，两个绿光发光装置对称设置在光接收装置的两侧。

在本实用新型较佳的实施例中，上述第二透镜为菲涅尔纹路旋转对称的透镜，或者，第二透镜为无菲涅尔纹路的透明开窗透镜。

在本实用新型较佳的实施例中，上述第一透镜为偏光透镜。

在本实用新型较佳的实施例中，上述发光装置为发光二极管，上述光接收装置为光电探测器。

第二方面，本实用新型实施例还提供一种光学系统，光学系统包括外壳和上述的光学器件；其中，光学器件的第一透镜、光学器件的第二透镜与外壳采用双色注塑的方式一体成型，光学器件的发光装置和光学器件的光接收装置设置在外壳上。

本实用新型实施例带来了以下有益效果：

本实用新型实施例提供的一种光学器件和光学系统，第一透镜可以将发光装置发射的光信号进行偏折，偏折后的光信号偏向光接收装置，第二透镜将偏折后的光信号聚焦后，由光接收装置接收光信号。该方式中，通过第一透镜对光信号进行偏折，可以提高光信号进入光接收装置的概率，减少光信号的浪费，从而提高光信号的接收效率。

本公开的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，或者，部分特征和优点可以从说明书推知或毫无疑义地确定，或者通过实施本公开的上述技术即可得知。

为使本公开的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型实施例提供的一种光学器件的光信号示意图；

图2为本实用新型实施例提供的一种光学器件的结构示意图；

图3为本实用新型实施例提供的另一种光学器件的结构示意图；

图4为本实用新型实施例提供的另一种光学器件的光信号示意图；

图5为本实用新型实施例提供的一种常规菲涅尔透镜的结构示意图；

图6为本实用新型实施例提供的一种光信号经过常规菲涅尔透镜的光线分布示意图；

图7为本实用新型实施例提供的一种第一透镜的结构示意图；

图8为本实用新型实施例提供的一种光信号经过第一透镜的光线分布示意图；

图9为本实用新型实施例提供的一种第一透镜的纹路结构示意图；

图10为本实用新型实施例提供的一种光学器件的示意图；

图11为本实用新型实施例提供的另一种光学器件的示意图；

图12为本实用新型实施例提供的一种光学系统的结构示意图；

图13为本实用新型实施例提供的一种光学系统的示意图。

图标：

101-光电探测器；102-发光二极管；103-皮肤组织；2-光学器件；201- 光接收装置；2011-绿光发光装置；2012-红光红外二合一发光装置；202-发光装置；203-第一透镜；2031-第一锯齿面；2032-第二全反射面；204-第二透镜；301-光信号；1201-光学系统；1202-外壳。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本实用新型的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

参见图1所示的一种光学器件的光信号示意图，图1中的黑色线段即为发光二极管102(LED)发射出的光信号，箭头表明了上述光信号的大致传播方向，可以看出：光信号进入皮肤组织103后进行折射和反射，进入光电探测器101(PD)的光信号较少，大部分光信号都不能被PD接收，导致了光信号的浪费，接收效率较低。基于此，本实用新型实施例提供了一种光学器件和光学系统，具体涉及一种偏光的透镜设计方案，将LED发出的光通过菲涅尔透镜后使得光线以一定角度的偏向PD入射到皮肤组织中，这样可以大大提升光线经过皮肤组织后进入到PD的概率。

为便于对本实施例进行理解，首先对本实用新型实施例所公开的一种光学器件进行详细介绍。

实施例一：

本实用新型实施例提供了一种光学器件，参见图2所示的一种光学器件的结构示意图，如图2所示，该光学器件包括：发光装置202、第一透镜 203、第二透镜204和光接收装置201；发光装置202的朝向与光接收装置 201的朝向相同，第一透镜203设置在发光装置202的前方，第二透镜204 设置在光接收装置201的前方。

本实施例中的发光装置可以为发出光信号的装置，例如：LED、激光发射器等。本实施例中的光接收装置可以为接收光信号的装置，例如：PD、光接收器等。本实施例中的发光装置的朝向与光接收装置的朝向相同，可以理解为发光装置发出的光信号需要进过一定次数的折射、反射，以与发出方向相反的方向被光接收装置接收。

如图2所示，发光装置的朝向与光接收装置的朝向均为竖直向下，图2 中的箭头保证光信号的传播方向，发光装置发出光信号后经过第一透镜，然后进行了一系列的折射和反射，最后以竖直向上的方向经过第二透镜，被光接收装置接收。

发光装置用于发射光信号；第一透镜用于偏折光信号，使光信号经过第一透镜后偏向光接收装置；第二透镜用于将光信号聚焦至光接收装置；光接收装置用于接收光信号。

如图1所示，由于大部分光信号都不能被光接收器接收，本实施例中的第一透镜可以对发光装置发射的光信号进行偏折处理，使的光信号经过第一透镜后偏向光接收装置，更容易被光接收装置接收。再经过第二透镜的聚焦作用，可以使光信号更多地被光接收装置接收，从而提高光信号的接收效率。

本实用新型实施例提供的一种光学器件，第一透镜可以将发光装置发射的光信号进行偏折，偏折后的光信号偏向光接收装置，第二透镜将偏折后的光信号聚焦后，由光接收装置接收光信号。该方式中，通过第一透镜对光信号进行偏折，可以提高光信号进入光接收装置的概率，减少光信号的浪费，从而提高光信号的接收效率。

实施例二：

本实用新型实施例还提供了另一种光学器件，参见图3所示的另一种光学器件的结构示意图，发光装置202朝向佩戴人员的皮肤组织103；光信号经过第一透镜203后在皮肤组织103中反射和折射，第二透镜204将在皮肤组织103中反射和折射后的光信号聚焦至光接收装置201。

本实施例的光学器件可以设置在可佩戴设备中，例如：手表、手环等。佩戴人员佩戴了上述可佩戴设备，那么发光装置朝向佩戴人员的皮肤组织。如图3所示，实线箭头和虚线箭头均为光信号，光信号在经过第一透镜后，在皮肤组织中进行反射和折射，最后到达第二透镜。其中，本实施例中的第一透镜和第二透镜可以均为偏光透镜。本实施例中的发光装置可以为发光装置为发光二极管，光接收装置可以为光电探测器。

其中，图3中的实线箭头表征第一透镜具有偏折作用时的光信号，虚线箭头表征第一透镜不具有偏折作用时的光信号。可以看出，如果第一透镜不具有偏折作用，光信号很可能无法到达第二透镜，从而不能被光接收装置接收。

可以通过软件仿真的方式，确定第一透镜的偏折作用是否能够提高光信号的接收效率，参见图4所示的另一种光学器件的光信号示意图，发光二极管102(LED)为发光装置，Lens-LED为第一透镜203，Lens-PD为第二透镜204，光电探测器101(PD)为光接收装置。仿真中的第一透镜具有偏折作用，可以看出：大部分光线都可以到达Lens-PD，而后被光接收装置接收。

为了使第一透镜具有偏折作用，可以选择菲涅尔透镜作为第一透镜，例如：第一透镜为菲涅尔透镜，第一透镜包括第一锯齿面和第二全反射面；光信号经过第一锯齿面折射后进入第二全反射面，光信号在第二全反射面全反射。

参见图5所示的一种常规菲涅尔透镜的结构示意图和图6所示的一种光信号经过常规菲涅尔透镜的光线分布示意图，常规菲涅尔透镜的菲涅尔纹路为旋转对称的纹路，常规菲涅尔透镜的出光角度左右对称，这种出光方式容易造成图1和图3所示的光浪费，因此本实施例需要调整菲涅尔透镜的出光角度。

参见图7所示的一种第一透镜的结构示意图和图8所示的一种光信号经过第一透镜的光线分布示意图，光信号301由发光装置发射，经过第一透镜203的第一锯齿面2031之后进行折射，折射后经过第二全反射面2032 全反射，从而以一定角度反射和经过透镜最外表面折射后进入皮肤组织。

具体来说，参见图9所示的一种第一透镜的纹路结构示意图，通过设计菲涅尔纹路的倾斜角度来改变光线的出光方向，使得大部分光线经过透镜后偏向光接收装置，其中，第一透镜的上下两部分的锯齿结构可以不同。如图9所示，第一透镜的菲涅尔纹路为旋转不对称的纹路，第一透镜的菲涅尔纹路的锯齿的倾斜角度的范围包括30°-70°，光信号经过第一透镜后偏向述光接收装置的角度范围包括0°-60°。

其中，光信号经过第一透镜后偏向述光接收装置的角度范围具体包括 10°-15°。即，光线偏折角度的范围在10°-15°的第一透镜的偏折效果较优。

由于本实施例中的光学器件可以应用于医疗设备，发光装置需要发出红光和绿光，可以通过设置多个发光装置实现，例如：发光装置包括：红光发光装置和绿光发光装置；红光发光装置前方的第一透镜为红光透镜，绿光发光装置前方的第一透镜为绿光透镜；红光发光装置用于发射红光信号和红外光信号，绿光发光装置用于发射绿光信号。

其中，红光透镜和绿光透镜可以均为采用偏光的设计方案，红光发光装置可以为红光/红外LED透镜，同时发射红光信号和红外光信号；绿光发射装置可以为绿光LED透镜，发射绿光信号。其中，绿光信号主要用来测试心率，红光信号和红外光信号主要用来测试血氧。

然而，在经过皮肤组织后会损失许多绿光信号，因此，可以在光学器件中设置多个绿光发光装置。以两个绿光发光装置为例，参见图10所示的一种光学器件的示意图，发光装置201包括两个绿光发光装置2011，两个绿光发光装置对称设置在光接收装置201的两侧，图10中的绿光发光装置 2011对称设置在光接收装置201的左右两侧，红光发光装置(即图10中的红光红外二合一发光装置2012)设置在光接收装置201的下方。

又例如，参见图11所示的另一种光学器件的示意图，绿光发光装置2011 对称设置在光接收装置201的上下两侧，红光发光装置(即图11中的红光红外二合一发光装置2012)设置在光接收装置201的左侧。

由于光接收装置接收的光信号是经过皮肤组织后的光信号，光信号的方向杂乱无章，第二透镜可以为菲涅尔纹路旋转对称的透镜，或者，第二透镜可以为无菲涅尔纹路的透明开窗透镜，从而提高光接收装置接收光信号的效率。

综上，本实施例提供的一种光学器件，发光装置可以为发光二极管 LED，光接收装置可以为光电探测器PD，由于需要发出红光和绿光，光学器件的发光装置可以包括红光发光装置以及绿光发光装置，红光发光装置和绿光发光装置的前方可以分别设置红光透镜和绿光透镜。其中，红光透镜和绿光透镜可以均为偏光透镜。

因为绿光在皮肤较黑的佩戴人员的皮肤组织中难以被PD接收，因此，发光装置可以设置两个对称的绿光发光装置和一个红光发光装置。其中，红光发光装置发射红光信号和红外光信号，用来测量佩戴人员的血氧；绿光发光装置发射绿光信号，用来测量佩戴人员的心率。

为了提高PD接收光信号的效率，红光透镜和绿光透镜均为菲涅尔纹路旋转不对称的菲涅尔透镜，其中，菲涅尔纹路锯齿的倾斜角度的范围包括 30°-70°光线经过透镜后偏向PD 0°-60°，优选地，光线偏向PD角度的范围可以包括10°-15°。通过上述方式，本实施例可以将LED发出的光通过菲涅尔透镜后使得光线以一定角度的偏向PD入射到皮肤组织中，这样可以大大提升光线经过皮肤组织后进入到PD的概率。

除此以外，由于PD接收的光线是经过皮肤后光线，入射到PD端的光线方向杂乱无章，PD端的第二透镜采用菲涅尔纹路旋转对称的透镜或者无纹路的透明开窗透镜较优。

实施例三：

本实用新型还提供了一种光学系统，参见图12所示的一种光学系统的结构示意图，光学系1201统包括外壳1202和上述的光学器件2；其中，光学器件的第一透镜、光学器件的第二透镜与外壳采用双色注塑的方式一体成型，光学器件的发光装置和光学器件的光接收装置设置在外壳上。

本实施例中的第一透镜、第二透镜和外壳采用双色注塑的方式一体成型，方便组装，参见图13所示的一种光学系统的示意图，发光装置(绿光发光装置2011、红光红外二合一发光装置2012)和光接收装置201可以位于柔性PCB(Printed Circuit Board，印制电路板)上，分别分布在各个透镜的中心。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的光学系统的具体工作过程，可以参考前述实施例中的对应过程，在此不再赘述。

另外，在本实用新型实施例的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

最后应说明的是：以上实施例，仅为本实用新型的具体实施方式，用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制，本实用新型的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (11)

1.一种光学器件，其特征在于，所述光学器件包括：发光装置、第一透镜、第二透镜和光接收装置；所述发光装置的朝向与所述光接收装置的朝向相同，所述第一透镜设置在所述发光装置的前方，所述第二透镜设置在所述光接收装置的前方；

所述发光装置用于发射光信号；

所述第一透镜用于偏折所述光信号，使所述光信号经过所述第一透镜后偏向所述光接收装置；

所述第二透镜用于将所述光信号聚焦至所述光接收装置；

所述光接收装置用于接收所述光信号。

2.根据权利要求1所述的光学器件，其特征在于，所述发光装置朝向佩戴人员的皮肤组织；所述光信号经过所述第一透镜后在所述皮肤组织中反射和折射，第二透镜将在所述皮肤组织中反射和折射后的所述光信号聚焦至所述光接收装置。

3.根据权利要求1所述的光学器件，其特征在于，所述第一透镜为菲涅尔透镜，所述第一透镜包括第一锯齿面和第二全反射面；所述光信号经过所述第一锯齿面折射后进入所述第二全反射面，所述光信号在第二全反射面全反射。

4.根据权利要求3所述的光学器件，其特征在于，所述第一透镜的菲涅尔纹路为旋转不对称的纹路，所述第一透镜的菲涅尔纹路的锯齿的倾斜角度的范围包括30°-70°，所述光信号经过所述第一透镜后偏向述光接收装置的角度范围包括0°-60°。

5.根据权利要求4所述的光学器件，其特征在于，所述光信号经过所述第一透镜后偏向述光接收装置的角度范围具体包括10°-15°。

6.根据权利要求1所述的光学器件，其特征在于，所述发光装置包括：红光发光装置和绿光发光装置；所述红光发光装置前方的第一透镜为红光透镜，所述绿光发光装置前方的第一透镜为绿光透镜；

所述红光发光装置用于发射红光信号和红外光信号，所述绿光发光装置用于发射绿光信号。

7.根据权利要求6所述的光学器件，其特征在于，所述发光装置包括两个所述绿光发光装置，两个所述绿光发光装置对称设置在所述光接收装置的两侧。

8.根据权利要求1所述的光学器件，其特征在于，所述第二透镜为菲涅尔纹路旋转对称的透镜，或者，所述第二透镜为无菲涅尔纹路的透明开窗透镜。

9.根据权利要求1所述的光学器件，其特征在于，所述第一透镜为偏光透镜。

10.根据权利要求1所述的光学器件，其特征在于，所述发光装置为发光二极管，所述光接收装置为光电探测器。

11.一种光学系统，其特征在于，所述光学系统包括外壳和权利要求1-10任一项所述的光学器件；其中，所述光学器件的第一透镜、所述光学器件的第二透镜与所述外壳采用双色注塑的方式一体成型，所述光学器件的发光装置和所述光学器件的光接收装置设置在所述外壳上。

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