JP6219987B2 - 光学センサモジュール、光学センサアクセサリー、及び光学センサデバイス - Google Patents

光学センサモジュール、光学センサアクセサリー、及び光学センサデバイス Download PDF

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Description

本発明は、光学センサ及びこの光学センサの信号の収集及び処理機能の応用に関するものである。
反射型光学センサモジュールは、光線を出射し且つ物体から反射された光の量を測量する。光学センサモジュールは、電流を物体表面に直接照射する光線に変換した後、反射された光線を電気信号に変換する。つまり、入射光は物体表面により反射され、物体に吸収されるか又は物体に拡散される。反射された光及び拡散された光の一部は、最終的に光学センサモジュールの受光素子まで照射される。この時、受光素子は対応する信号を生成する。信号対雑音比（ＳＮＲ，ｓｉｇｎａｌ ｔｏ ｎｏｉｓｅ ｒａｔｉｏ）を計算する時、該対応する信号はＳＮＲの内の信号である。出射された光の一部が物体により吸収されたり或いは受光素子の検出から逸れたりするロスのせいで、信号は小さくなる。一方、ＳＮＲの内の雑音は、主に出射された光が物体に反射されず、受光素子に直接検出される光又は受光素子に検出される周囲の迷光である。従って、光伝送効率が低いため、漏れた入射光及び迷光の干渉が信号対雑音比を低減させ、光学センサモジュールの不精確を招く。
本発明は、前記問題を解決し、漏光及び迷光を低減させ、検出精確度が高い光学センサモジュールを提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明に係る光学センサモジュールは、基板と、基板に設置されている光源と、光源上に設置されている第一封止体と、基板に設置されている受光素子と、受光素子上に設置されている第二封止体と、基板に連接されており且つ光源と受光素子との間に設置されている仕切り壁と、を備える。少なくとも仕切り壁の一部は、少なくとも第一封止体及び第二封止体の一方から所定の距離間隔をあけて設置されており、少なくとも第一封止体及び第二封止体の一方の外表面にマイクロ構造が形成されている。
本発明に係る光学センサモジュールは、光学信号を受信し且つ良好な信号対雑音比（ＳＮＲ）を有するので、様々な応用に適用することができる。
図１Ａ及び図１Ｂは本発明の第一実施形態及び第二実施形態に係る光学センサの断面図である。 図２Ａ〜２Ｃは本発明の第三実施形態に係る光学センサの上面図、断面図及び斜視図である。 図３Ａ〜３Ｃは本発明の第四実施形態に係る光学センサの上面図、断面図及び斜視図である。 図４Ａ〜４Ｃは本発明の第五実施形態に係る光学センサの上面図、断面図及び斜視図である。 図５Ａ〜５Ｃは本発明の第六実施形態に係る光学センサの上面図、断面図及び斜視図である。 図６Ａ〜６Ｃは本発明の第七実施形態に係る光学センサ及び物体表面の上面図、断面図及び斜視図である。 図７Ａ〜７Ｃは本発明の第八実施形態において物体表面上に応用されるカバーを有する光学センサモジュールの構造を示す図である。 図８Ａは、本発明の第九実施形態において物体表面上に応用されるカバーを有する光学センサモジュールの断面図であり、図８Ｂは、図８Ａの両面薄膜カバーの部分拡大図です。 図９Ａ、第十実施形態における薄膜被覆封止体の断面図であり、図９Ｂは、図９Ａの薄膜被覆第一封止体の部分拡大図であり、図９Ｃは、図９Ａの薄膜被覆第二封止体の部分拡大図である。 図１０Ａは、第十一実施形態のカバー及び薄膜被覆封止体を備える光学センサモジュールの断面図であり、図１０Ｂは、図１０Ａの薄膜被覆第一封止体の部分拡大図であり、図１０Ｃは、図１０Ａの薄膜被覆第二封止体の部分拡大図である。 図１１Ａは、第十二実施形態の両面薄膜カバー及び該両面薄膜被覆封止体を備える光学センサモジュールの断面図であり、図１１Ｂは、図１１Ａの両面薄膜カバーの部分拡大図であり、図１１Ｃは、図１１Ａの薄膜被覆第一封止体の部分拡大図であり、図１１Ｄは、図１１Ａの薄膜被覆第二封止体の部分拡大図である。 図１２Ａ〜１２Ｃは本発明の第十三実施形態に係る光学センサモジュールの上面図、断面図及び斜視図である。 図１３Ａ〜１３Ｃは本発明の第十四実施形態係る光学センサモジュールの上面図、断面図及び斜視図である。 図１４Ａ〜１４Ｃは本発明の第十五実施形態に係る光学センサモジュールの上面図、断面図及び斜視図である。 図１５Ａ〜１５Ｃは本発明の第十六実施形態に係る光学センサモジュールの上面図、断面図及び斜視図である。 図１６Ａは本発明の第十七実施形態に係る光学センサを示す図であり、図１６Ｂは、図１６Ａの１つの封止体の断面図であり、図１６Ｃ〜１６Ｅは、図１６Ｂの屈折率を基板からの距離の関数として描くグラフであり、そこで、該水平軸は該距離を表し、該垂直軸は屈折率を表す。 図１７Ａ〜１７Ｃは本発明の第十八実施形態に係る光学センサの上面図、断面図及び斜視図である。 図１８Ａ〜１８Ｃは本発明の第十九実施形態に係る光学センサの上面図、断面図及び斜視図である。 図１９Ａ〜１９Ｃは本発明の第二十実施形態に係る光学センサの上面図、断面図及び斜視図である。 図２０Ａ〜２０Ｃは本発明の第二十一実施形態に係る光学センサの上面図、断面図及び斜視図である。 図２１Ａ〜２１Ｃは本発明の第二十二実施形態に係る光学センサの上面図、断面図及び斜視図である。 図２２Ａ〜２２Ｃは本発明の第二十三実施形態に係る光学センサの上面図、断面図及び斜視図である。 図２３Ａ〜２３Ｃは本発明の第二十四実施形態に係る光学センサの上面図、断面図及び斜視図である。 図２４Ａ〜２４Ｃは本発明の第二十五実施形態に係る光学センサの上面図、断面図及び斜視図である。 図２５Ａ〜２５Ｃは本発明の第二十六実施形態に係る光学センサの上面図、断面図及び斜視図である。 図２６Ａ〜２６Ｃは本発明の第二十七実施形態に係る光学センサの上面図、断面図及び斜視図である。 図２７Ａ〜２７Ｃは本発明の第二十八実施形態に係る光学センサの上面図、断面図及び斜視図である。 図２８Ａ〜２８Ｃは本発明の第二十九実施形態に係る光学センサの上面図、断面図及び斜視図である。 図２９Ａ〜２９Ｃは本発明の第三十実施形態に係る光学センサの上面図、断面図及び斜視図である。 図３０Ａ〜３０Ｃは本発明の第三十一実施形態に係る光学センサの上面図、断面図及び斜視図である。 図３１Ａ〜３１Ｃは本発明の第三十二実施形態に係る光学センサの上面図、断面図及び斜視図である。 図３２Ａ〜３２Ｃは本発明の第三十三実施形態に係る光学センサの上面図、断面図及び斜視図である。 図３３Ａ〜３３Ｃは本発明の第三十四実施形態に係る光学センサの上面図、断面図及び斜視図である。 図３４Ａ〜３４Ｃは本発明の第三十五実施形態に係る光学センサの上面図、断面図及び斜視図である。 図３５Ａ〜３５Ｃは本発明の第三十六実施形態に係る光学センサの上面図、断面図及び斜視図である。 図３６Ａ〜３６Ｃは本発明の第三十七実施形態に係る光学センサの上面図、断面図及び斜視図である。 図３７Ａ〜３７Ｃは本発明の第三十八実施形態に係る光学センサの上面図、断面図及び斜視図である。 図３８Ａ〜３８Ｃは本発明の第三十九実施形態に係る光学センサの上面図、断面図及び斜視図である。 図３９Ａは、本発明の第四十実施形態に係る両面薄膜カバー及び物体表面と接触する薄膜被覆封止体を備える光学センサモジュール断面図であり、図３９Ｂは、両面薄膜カバーの部分拡大図である。 図４０Ａは、本発明の第四十一実施形態に係る物体表面に応用される薄膜被覆封止体を備える光学センサモジュールの断面図であり、図４０Ｂは、図４０Ａの第一薄膜被覆封止体の部分拡大図であり、図４０Ｃは、図４０Ａの第二薄膜被覆封止体の部分拡大図である。 図４１Ａは、本発明の第四十二実施形態に係る両面薄膜カバー及び物体表面に応用される薄膜被覆封止体を備える光学センサモジュールの断面図であり、図４１Ｂは、第一薄膜被覆封止体の部分拡大図であり、図４１Ｃは、第二薄膜被覆封止体の部分拡大図である。 図４２Ａは、本発明の第四十三実施形態に係る両面薄膜カバー及び物体表面に応用される薄膜被覆封止体を備える光学センサモジュールの断面図であり、図４２Ｂは、両面薄膜カバーの部分拡大図であり、図４２Ｃは、薄膜被覆第一封止体の部分拡大図であり、図４２Ｄは、薄膜被覆第二封止体の部分拡大図である。 図４３Ａ〜４３Ｃは本発明の第四十四実施形態に係る実施形態に係る光学センサモジュールの上面図、断面図及び斜視図である。 図４４Ａ〜４４Ｃは本発明の第四十五実施形態に係る光学センサモジュールの上面図、断面図及び斜視図である。 図４５Ａ〜４５Ｃは本発明の第四十六実施形態に係る光学センサモジュールの上面図、断面図及び斜視図である。 図４６Ａ〜４６Ｃは本発明の第四十七実施形態に係る光学センサモジュールの上面図及び断面図である。 図４７Ａ〜４７Ｂは本発明の第四十八実施形態に係る物体表面に適用する光学センサモジュールの上面図及び断面図である。 図４８Ａ〜４８Ｂは本発明の第四十九実施形態において物体表面に適用するカバーを含む光学センサモジュールの上面図及び断面図である。 図４９Ａ〜４９Ｃは本発明の第五十実施形態においてカバーを含む光学センサモジュールの上面図、断面図及び斜視図である。 図５０Ａ〜５０Ｃは本発明の第五十一実施形態においてカバーを含む光学センサモジュールの上面図、断面図及び斜視図である。 図５１Ａ〜５１Ｃは本発明の第五十二実施形態においてカバーを含む光学センサモジュールの上面図、断面図及び斜視図である。 図５２Ａ〜５２Ｃは本発明の第五十三実施形態においてカバーを含む光学センサモジュールの上面図、断面図及び斜視図である。 図５３Ａ〜５３Ｃは本発明の第五十四実施形態においてカバーを含む光学センサモジュールの上面図、断面図及び斜視図である。 図５４Ａ〜５４Ｃは本発明の第五十五実施形態においてカバーを含む光学センサモジュールの上面図、断面図及び斜視図である。 図５５Ａ〜５５Ｃは本発明の第五十六実施形態において１つのアナログフロントエンドチップを含む光学センサモジュールの上面図、断面図及び斜視図である。 図５６Ａ〜５６Ｂは本発明の第五十七実施形態において１つのアナログフロントエンドチップを含む光学センサモジュールの上面図及び断面図である。 図５７Ａ〜５７Ｂは本発明の第五十八実施形態において１つのアナログフロントエンドチップ及びマイクロコントローラを含む光学センサモジュール及びマイクロコントローラの上面図及び断面図である。 図５８Ａ〜５８Ｂは本発明の第五十九実施形態において１つのアナログフロントエンドチップ及びマイクロコントローラを含む光学センサモジュールの上面図及び断面図である。 図５９Ａ〜５９Ｂは本発明の第六十実施形態において複数のアナログフロントエンドチップ及びマイクロコントローラを含む光学センサモジュールの上面図及び断面図である。 図６０Ａ〜６０Ｂは本発明の第六十一実施形態において、演算増幅器、光源駆動装置及びマイクロコントローラを含む光学センサモジュール及びマイクロコントローラの上面図及び断面図である。 図６１Ａ〜６１Ｃは本発明の第六十二実施形態に係る光学センサモジュールの上面図、断面図及び斜視図である。 図６２Ａ〜６２Ｃは本発明の第六十三実施形態に係る光学センサモジュールの上面図、断面図及び斜視図であり、図６２Ｄは、接触界面から見た光学センサモジュールの側面図である。 図６３Ａ〜６３Ｃは本発明の第六十四実施形態に係る光学センサモジュールの上面図、断面図及び斜視図であり、図６３Ｄは、接触界面から見た光学センサモジュールの側面図である。 図６４Ａ〜６４Ｃは本発明の第六十五実施形態に係る光学センサモジュールの上面図、断面図及び斜視図である。 図６５Ａ〜６５Ｃは本発明の第六十六実施形態に係る光学センサモジュールの上面図、断面図及び斜視図であり、図６５Ｄは、接触界面から見た光学センサモジュールの側面図である。 図６６Ａ〜６６Ｃは本発明の第六十七実施形態に係る光学センサモジュールの上面図、断面図及び斜視図である。 図６７Ａ〜６７Ｃは本発明の第六十八実施形態に係る光学センサモジュールの上面図、断面図及び斜視図である。 図６８Ａ〜６８Ｃは本発明の第六十九実施形態に係る光学センサモジュールの上面図、断面図及び斜視図であり、図６５Ｄは、接触界面から見た光学センサモジュールの側面図である。 図６９Ａ〜６９Ｃは本発明の第七十実施形態に係る光学センサモジュールの上面図、断面図及び斜視図である。 図７０Ａ〜７０Ｂは本発明の第七十一実施形態に係る光学センサモジュールの上面図及び断面図である。 図７１Ａ〜７１Ｂは本発明の第七十二実施形態に係る光学センサモジュールの上面図及び断面図である。 図７２Ａ〜７２Ｂは本発明の第七十三実施形態に係る光学センサモジュールの上面図及び断面図である。 図７３Ａ〜７３Ｂは本発明の第七十四実施形態に係る光学センサモジュールの上面図及び断面図である。 図７４Ａ〜７４Ｂは本発明の第七十五実施形態に係る光学センサモジュールの上面図及び断面図である。 図７５Ａ〜７５Ｂは本発明の第七十六実施形態に係るカバーを含む光学センサモジュールの上面図及び断面図である。 図７６Ａ〜７６Ｂは本発明の第七十七実施形態に係るカバーを含む光学センサモジュールの上面図及び断面図である。 図７７Ａ〜７７Ｂは本発明の第七十八実施形態に係るカバーを含む光学センサモジュールの上面図及び断面図である。 図７８Ａは本発明の第七十九実施形態に係る両面薄膜カバーを含む光学センサモジュールの上面図及び断面図であり、図７８Ｂは、図７８Ａの両面薄膜カバーの部分拡大図である。 図７９Ａは、本発明の第八十実施形態に係るカバー及び薄膜被覆封止体を備える光学センサモジュールの断面図であり、図７９Ｂは、図７９Ａの第一薄膜被覆封止体の部分拡大図であり、図７９Ｃは、図７９Ａ第二薄膜被覆封止体の部分拡大図である。 図８０Ａ〜８０Ｄは、本発明の光学センサアクセサリー或いは光学センサデバイスのハウジングを示す図であり、図８０Ａは、本発明の第八十一実施形態に係る手持式デバイスのハウジングの例示であり、図８０Ｂ及び図８０Ｃは、本発明の第八十二実施形態及び第八十三実施形態に係る装着型デバイスの環状ハウジングの例示であり、図８０Ｄは、本発明の第八十四実施形態に係る装着型デバイスのパッチ状ハウジングの例示である。 図８１Ａは、本発明の第八十五実施形態に係る光学センサアクセサリーが計算デバイスに接続されるブロック図であり、図８１Ｂ及び図８１Ｃは、図８１Ａの光学センサアクセサリーが計算デバイスに接続されることを示す図である。 図８２Ａは、本発明の第八十六実施形態に係る無線光学センサアクセサリーが計算デバイスに接続されるブロック図であり、図８２Ｂは、計算デバイスに接続される該無線光学センサアクセサリーを示す図である。 図８３Ａは、本発明の第八十七実施形態に係る光学センサデバイスのブロック図であり、図８３Ｂは、光学センサモジュール及び装着型ハウジングを備える光学センサデバイスを示す図であり、図８３Ｃは、別の角度から見た図８３Ｂの光学センサデバイスを示す図である。 図８４Ａは、本発明の第八十八実施形態に係る光学センサデバイスが光学センサアクセサリーに接続されるブロック図であり、図８４Ｂは、図８４Ａの光学センサデバイスが他のセンサデバイスに接続されることを示す図である。 図８５Ａは、本発明の第八十九実施形態に係る無線光学センサアクセサリーが無線光学センサデバイスに接続されるブロック図であり、図８５Ｂは、図８５Ａの無線光学センサアクセサリーが無線光学センサデバイスに接続されることを示す図である。 図８６Ａ及び図８６Ｂは、本発明の第九十実施形態に係る光学センサデバイスを利用してマルチサイト測定を行う応用シナリオの図である。 図８７Ａ及び図８７Ｂは、本発明の第九十一実施形態において、別の光学センサモジュールの２つの表面に向かって２つの接触界面を露出させる二方向光学センサモジュールを備える光学センサデバイスを示す図であり、図８７Ｃは、ある側から見た二方向光学センサモジュールを備える光学センサデバイスを示す図であり、図８７Ｄは、図８７Ｃの光学センサデバイスにおいて、２つの方向に向かう２つの接触界面を備える二方向光学センサモジュールを示す図である。 図８８は、本発明の第九十二実施形態に係るマルチサイト測定アクセサリーのブロック図である。 図８９は、本発明の第九十三実施形態に係るマルチサイト測定デバイスのブロック図である。 図９０は、本発明の第九十四実施形態に係るマルチサイト測定システムのブロック図である。
以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。
反射型光学センサモジュールは、光線を出射し且つ物体表面から反射された光線を検出した後、受信した反射光を電気信号、例えば電圧、電流、又は電圧と電流との組み合わせに変換する。本発明の第一実施形態及び第二実施形態において、図１Ａ及び図１Ｂに示したように、光学センサモジュール１０は、光源１１０、光源１１０上に設置されている第一封止体１１１、受光素子１２０、受光素子１２０上に設置されている第二封止体１２１、仕切り壁１３０及び基板１４０を備える。光源１１０、第一封止体１１１、受光素子１２０、第二封止体１２１及び仕切り壁１３０は、全て基板１４０上に設置されている。光学センサモジュール１０は、単独の小型パッケージに製造されてもよい。また、光学センサモジュール１０は、設計の要求に応じてそれぞれパッケージされた光源１１０及び受光素子１２０を採用して、１つ又は複数のプリント基板（ＰＣＢ）に設置することによって製造されてもよい。以下、各構成要素について詳細に説明する。
基板１４０には、前述のように、光源１１０、第一封止体１１１、受光素子１２０、第二封止体１２１及び仕切り壁１３０が取り付けられており、且つこれら構成要素は、基板１４０を介して機械的或いは電気的に接続されている。具体的には、基板１４０は、光学センサモジュール１０の構成素子を機械的に支持している。光学センサモジュール１０は、基板１４０を介して外部の電子部品にも接続されている。基板１４０は、プリント基板（Ｐｒｉｎｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ Ｂｏａｒｄ，ＰＣＢ）、熱伝導性基板（Ｍｅｔａｌ Ｃｏｒｅ ＰＣＢ，ＭＣＰＣＢ）、セラミックプリント基板、或いは直接接合銅（Ｄｉｒｅｃｔ Ｂｏｎｄｅｄ Ｃｏｐｐｅｒ，ＤＢＣ）基板等である。
光電変換器は、光信号と電子信号との間で信号を変換することができる。光源１１０は、電力を特定のスペクトル（例えば、紫外スペクトル、可視スペクトル、又は赤外スペクトル）を有する波長の出射エネルギーに変換することができる。光源１１０は、基板１４０に埋め込まれているプリント基板に接続されることにより、マイクロコントローラ、光源ドライバ或いはゲート電力源からトリガ信号及び印加電圧を受け取る。本実施形態において、光学センサモジュール１０は、１つ或いは複数の発光ダイオード（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ，ＬＥＤ）を使用できる。或いは有機発光ダイオード（ＯｒｇａｎｉＣ Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ，ＯＬＥＤ）、レーザダイオード（Ｌａｓｅｒ Ｄｉｏｄｅ，ＬＤ）又は他の光源１１０を使用してもよい。例えば、光学センサモジュール１０の光源１１０は、１つ或いは複数のＬＥＤを含む。各ＬＥＤは、それぞれ特定のスペクトルを有する波長の光を出射する。また、光源１１０は、様々な用途に応じて異なるスペクトルの波長の光を同期的に又は非同期的に出射することができる。
受光素子１２０は、基板１４０上に設置されて、特定のスペクトルにおける出射エネルギーを検出し且つ電流或いは電圧に変換する。また受光素子１２０は、少なくとも光源１１０が出射する光の波長の一部に対してスペクトル応答できる。受光素子１２０は、基板１４０に埋め込まれているプリント基板に接続されることにより、マイクロコントローラ、演算増幅器或いはアナログフロントエンドチップに光電流を伝送する。本実施形態において、光学センサモジュール１０は、フォトダイオード、フォトトランジスタ、フォトレジスタ、光電子増倍管、金属酸化物半導体（Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ ＳｅｍｉＣｏｎｄｕＣｔｏｒ，ＭＯＳ）又は光検出器などを受光素子１２０として利用できる。受光素子１２０は、光源１１０から出射され且つ特定のスペクトルを有する波長の光線又は光源１１０から出射された光に対して波長シフトを有する光を検出することができる。これにより、受光素子１２０は、検出された光を電子信号に変換する。また、受光素子１２０は、光源１１０から出射された特定の波長のスペクトルと異なる波長のスペクトル、例えば、物体表面が光源１１から出射された光を吸収して出射した蛍光を検出することができる。また、光源１１０が赤外光を出射することができない場合、受光素子１２０は物体表面からの赤外光も検出できる。応答スペクトルを広くする又は異なる波長の受光を単独で測定するために、受光素子１２０には１つ或いは複数の受光電極を装着する。
仕切り壁１３０は、基板１４０上に且つ光源１１０及び受光素子１２０との間に取り付けられている。これにより、光源１１０から出射された迷光が受光素子１２０に直接入射するのを防止できる。該仕切り壁１３０は、光源１１０から出射された特定のスペクトルを有する波長の迷光を反射及び／或いは吸収する不透明な材料から製造される。光学センサモジュール１０は、周囲の雑音をブロックする密封壁１３１を備える。図１Ａ及び図１Ｂに示したように、光学センサモジュール１０の密封壁１３１は、光源１１０及び受光素子１２０を取り囲むように設置されている。密封壁１３１は、更にカバー１５０が光学センサモジュール１０に適用される際に機械的に支持する。他の実施形態において、密封壁１３１の一部は、光源及び受光素子の間に設置され且つ仕切り壁１３０に替わって機能する。密封壁１３１は、光源１１０、受光素子１２０及び仕切り壁１３０を取り囲む区域を画定してもよい。光をブロックする能力の要求に応じて、仕切り壁１３０は、密封壁１３１と類似する材料或いは異なる材料により製造されている。また、仕切り壁１３０及び密封壁１３１は、単一の一体構造或いは複数のそれぞれ独立した部品である。
封止体は、光電変換器を密閉して密封することにより、光電変換器の耐久性を向上させる。また、光電変換器と環境媒質との屈折率の差を取り成すことにより発光効率を向上させる。しかし光を伝送するために、封止体を少なくとも半透明或いは透明にしなければならない。本実施形態において、封止体の材料の屈折率は、光電変換器の屈折率より小さく、環境媒質、例えば、空気、水或いはゲルの屈折率より大きい。該封止体の材料は、シリコーン化合物、透明なポリマー、例えば、ポリジメチルシロキサン（Ｐｏｌｙｄｉｍｅｔｈｙｌｓｉｌｏｘａｎｅ、ＰＤＭＳ）、ポリカーボネート（ＰｏｌｙｃａｒＢａｎａｔｅ、ＰＣ）或いはポリメタクリル酸メチル樹脂（Ｐｏｌｙｍｅｔｈｙｌ ＭｅｔｈａＣｒｙｌａｔｅ、ＰＭＭＡ）である。
本発明の特徴として、光源１１０をカバーする第一封止体１１１及び受光素子１２０をカバーする第二封止体１２１の構造及び配置が挙げられる。第一封止体１１１及び第二封止体１２１は、単層或いは多層の構造である。単一材料から製造された単層封止体の場合、封止体の屈折率は光電変換器の屈折率と環境媒質の屈折率とを取り成す。光電変換器の高屈折率と環境媒質の低屈折率との差は、より低い発光効率及び受光効率を招く。封止体の屈折率が通常光電変換器の高屈折率と環境媒質の低屈折率との間にあることで、発光効率又は受光効率はやや向上される。
多層構造は、異なる屈折率を有する複数の物理層或いは不均一な屈折率を有する単一の構造、例えばグラジエント屈折率を有する単一の一体構造から製造される。例えば、封止体は、異なる屈折率の複数層を堆積して製造される。また、他の実施形態において、製造過程において、外部の電場を利用して単一の材料によって封止体を製造する。この単一の材料によって製造された封止体の内部は、不均一な屈折率を有し且つ物理界面を持たない。また、封止体が多層構造を有する場合、各層の屈折率は、基端部から末端部に向けて小さくなる。容易に理解できるよう、複数の物理層又は不均一な屈折率を有する単一の構造を含む多層構造の封止体は、分離線及び切断線で示される。本発明の範囲において、図面は、複数の物理層を有する多層構造に限定されるものではない。光源１１０の屈折率と環境媒質との屈折率とを取り成すことにより、出射された光の全内部反射を減少させることができるため、発光効率を向上させることができる。また、封止体の構造は堆積構造であるが、特定の要求に応じて設計してもよい。
封止体の表面には、特定の構造が形成されている。特に多層構造を有する場合、任意の二層の界面上にも特定の構造が形成される。この特定の構造は、マイクロ構造或いは方向性光学部品であってよい。具体的には、封止体の特定の構造を有する外形部は、形状、輪郭、傾斜或いはこれらの組み合わせに変形できる。また、封止体の外形部は、マイクロ構造或いは方向性光学部品である。マイクロ構造は、フレネルレンズ或いは回折光学素子であってもよいし、方向性光学部品は、傾斜した平面或いは湾曲したレンズであってもよい。封止体の外形部は、封止体の互いに隣接している２つの層の界面又は封止体の表面に設置可能である。封止体の表面は、内側面、上表面又は外側面からなり、内側面は、仕切り壁１３０に向かっている輪郭面である。上表面は、基板１４０に対して平行な表面である。例えば、第一封止体１１１の上表面には、第一マイクロ構造１１２が形成されており、第二封止体１２１には、第二マイクロ構造１２２が形成されている。また、受光効率を向上させるために、第二封止体１２１の構造及び外形部は、第一封止体１１１の構造及び外形部と異なってもよい。
封止体の表面或いは任意の二層の界面上には、マイクロ構造を形成できる。例えば、図１Ａに示したように、第一封止体１１１の最上層の上表面には、第一マイクロ構造１１２が形成されている。つまり、第一封止体１１１の最上層は、第一マイクロ構造１１２である。光線が第一封止体１１１の第一マイクロ構造１１２を通過する際、該光線は予め設定された方向に集中するので、第一マイクロ構造１１２を有する第一封止体１１１では、信号強度が増強される。第一マイクロ構造１１２は、屈折マイクロ構造或いは回折マイクロ構造であってもよい。屈折マイクロ構造は、屈折の法則に従って光線を物体表面に向けて誘導するように設計されているので、ほとんどの反射光が受光素子１２０に到達する。例えば、フレネルレンズの第一マイクロ構造１１２は、標準レンズの連続した表面を複数の表面に効果的に分割して、該第一マイクロ構造１１２の厚さを実質的に薄くする効果をもたらす。回折マイクロ構造は、投影面において伝播する光の波のエネルギーを再分配する。例えば、回折光学素子（ＤＯＥ，ｄｉｆｆｒａｃｔｉｖｅ ｏｐｔｉｃａｌ ｅｌｅｍｅｎｔ）のマイクロ構造は、特定の配光分布を達成するように設計されている。屈折マイクロ構造又は回折マイクロ構造は、光源１１０から出射された光を所望の方向に向けて集中させることができるので、有効信号を向上させる。
光学センサモジュール１０は、光源１１０、受光素子１２０、第一封止体１１１、第二封止体１１２、仕切り壁１３０及び基板１４０を備える小型パッケージモジュールである。本発明の主な目的は、発光効率を増強させ、光を導き又は迷光を減少させることにより、光学センサモジュール１０の性能を向上させることである。光学センサモジュール１０は、プリント基板である基板１４０上に取り付けられている１つの発光ダイオード（ＬＥＤ）と１つのシリコンフォトダイオードとの簡単な組み合わせからなる。該発光ダイオード及びシリコンフォトダイオードは、エポキシ樹脂の封止体によって単独に密封されている。例えば、生体組織の酸素化度を測定する際、赤外線及び赤色領域の波長を検出する必要がある。従って、１つの赤色ＬＥＤ及び１つの赤外線ＬＥＤを１つのセンサモジュール１０に取り付ける。また、他の実施形態において、スペクトルにおいて、赤外及び赤色領域における光を出射する単一のＬＥＤを利用する。後述の実施形態においては、１つの光源１１０及び１つの受光素子１２０を使用する。また、他の実施形態において、光源１１０と受光素子１２０の数量及び配置方法は限定されない。
本発明の第一実施形態において、図１Ａは、光学センサモジュール１０の構造の断面図である。光学センサモジュール１０は、光源１１０、受光素子１２０、光源１１０と受光素子１２０との間に設置されている仕切り壁１３０を備える。光源１１０、受光素子１２０、第一封止体１１１、第二封止体１２１及び仕切り壁１３０は、全て基板１４０上に設置されている。第一封止体１１１は光源１１０をカバーしており、第二封止体１２１は受光素子１２０をカバーしている。光学センサモジュール１０において、少なくとも仕切り壁１３０の一部は、第一封止体１１１及び第二封止体１２１から所定の距離離れている。また、少なくとも第一封止体１１１及び第二封止体１２１の１つの外表面には、マイクロ構造が形成されている。
本発明の第二実施形態において、図１Ｂに示したように、第一封止体１１１の内側面３１０は、基板１４０と内側面１３０との間に設置され且つ傾斜角度３１５を有する傾斜面を備える。仕切り壁１３０の高さは０．６ミリメートルである。また、第一封止体１１１と仕切り壁１３０とが略同じ高さである場合、傾斜角度３１５は４０度になる。
図２〜図５に示したような実施形態では、光源１１０は、互いに独立した２つのＬＥＤであり且つ第一封止体１１１に密封されている。受光素子１２０は、第二封止体１２１に密封されているフォトダイオードである。仕切り壁１３０は、２つのＬＥＤとフォトダイオードとの間に位置する。また、光学センサモジュール１０は、さらに、外界の迷光を低減させる密封壁１３１を備え、該密封壁１３１は、第一封止体１１１及び第二封止体１２１を取り囲むように設置されている。ＳＮＲを増強させるために、第一封止体１１１及び第二封止体１２１の表面は、予め設定された表面形状を有する。説明を容易にするために、仕切り壁１３０に向かっていて且つ光源１１０と受光素子１２０との間に位置する表面を内側面３１０とし、内側面３１０が位置する表面の反対側に向かっている表面を外側面とし、基板１４０の表面に対して平行な表面を上表面とする。第一封止体１１１の内側面３１０は、傾斜した平面或いは湾曲したレンズ又は傾斜した平面と湾曲したレンズとの組み合わせである。該傾斜した平面において、封止体の表面と基板１４０表面との間には、傾斜角３１５が形成されている。傾斜角３１５は、略９０度〜２０度の範囲内にある。これにより、光源から出射された光における仕切り壁１３０までの照射量は減少するので、光が光源１１０から出射されて物体により反射されずに、受光素子１２０により検出されることを防止できる。
本発明の第三実施形態においては、図２Ａに示したように、光源１１０は、第一封止体１１１に密封され、第一封止体１１１の上表面には、第一マイクロ構造１１２が形成されている。また、受光素子１２０は、第二封止体１２１に密封され、第二封止体１２１の上表面には、第二マイクロ構造１２２が形成されている。図２Ｂ及び図２Ｃに示したように、第一封止体１１１及び第二封止体１２１は、それぞれ単層の台形の構造である。第一封止体１１１の内側面３１０、外側面及び第二封止体１２１の内側面３１０、外側面は全て傾斜角を有する。特定の応用で必要とされる受光効率の要求を満たすために、第二封止体１２１と第一封止体１１１との形状及び材料は異なってもよい。
本発明の第四実施形態においては、図３Ａに示したように、光源１１０は、第一封止体１１１に密封され、第一封止体１１１の上表面には、第一マイクロ構造１１２が形成されている。また、受光素子１２０は、第二封止体１２１に密封され、第二封止体１２１の上表面には、第二マイクロ構造１２２が形成されている。図３Ｂ及び図３Ｃに示したように、第一封止体１１１及び第二封止体１２１は、それぞれ単層の台形の構造を有し、第一封止体１１１の内側面３１０、外側面及び第二封止体１２１の内側面３１０、外側面は全て予め設定された傾斜角３１５を有する。また、第一封止体１１１の内側面３１０の傾斜角はより大きい角度を有するので、内側面３１０から出射された光線は、ほぼ内側面３１０の上部を通過することができる。少なくとも１つの実施例において、第二封止体１２１と第一封止体１１１との形状及び材料は異なっている。傾斜平面の傾斜角或いは湾曲したレンズの傾斜角は、第二封止体１２１の内側面３１０の傾斜角より大きいか或いは小さい。
本発明の第五実施形態においては、図４Ａに示したように、光源１１０は、第一封止体１１１に密封され、第一封止体１１１の上表面には、第一マイクロ構造１１２が形成されている。また受光素子１２０は、第二封止体１２１に密封され、第二封止体１２１の上表面には、第二マイクロ構造１２２が形成されている。図４Ｂ及び図４Ｃに示したように、第一封止体１１１及び第二封止体１２１は、それぞれ単層の台形の構造を有し、第一封止体１１１の内側面３１０、外側面及び第二封止体１２１の内側面３１０、外側面は全て傾斜角を有する。
本発明の第六実施形態においては、図５Ａに示したように、光源１１０は、第一封止体１１１に密封され、第一封止体１１１の上表面には、第一マイクロ構造１１２が形成されている。また、受光素子１２０は、第二封止体１２１に密封され、第二封止体１２１の上表面には、第二マイクロ構造１２２が形成されている。図５Ｂ及び図５Ｃに示したように、第一封止体１１１及び第二封止体１２１は、それぞれ湾曲した内側面を持つ単層の台形の構造を有する。第一封止体１１１及び第二封止体１２１の内側面はそれぞれ傾斜角度を有する。特に、第一封止体１１１及び第二封止体１２１の内側面は湾曲した表面である。これにより、内側面からの出射された光は、内側面の上部に向かって増強され、この際、より多くの反射光が第二封止体１２１の内側面の上部に受光される。少なくとも１つの実施例において、第二封止体１２１と第一封止体１１１との形状及び材料は異なる。第一封止体１１１の内側面３１０の傾斜角は、第二封止体１２１の内側面の傾斜角と異なっている。尚、第二封止体１２１の内側面の曲面が透明のレンズである時、第一封止体１１１の内側面は、傾斜した平面であってもよい。
本発明の第七実施形態においては、図６に示したように、封止体の上表面を物体表面１９０に接触させることにより、光学センサモジュール１０を物体表面１９０に直接適用できる。物体表面１９０は、皮膚や粘膜などの生体組織の表面であってもよい。図６Ａ及び図６Ｃに示したように、物体面１９０を封止体の表面にできるだけ接触させることによって、より良好なＳＮＲをもたらすことができる。図６Ｂに示したように、物体面１９０は、封止体の上表面に直接接触している。
図７〜図１１に示したような実施形態では、光源１１０は、第一封止体１１１に密封された２つのＬＥＤを備え、受光素子１２０は第二封止体１２１に密封される。各封止体の上表面には、マイクロ構造がそれぞれ形成されている。また、光学センサモジュール１０は、第一封止体１１１及び第二封止体１２１上に位置するカバー１５０をさらに含む。光学センサモジュール１０を使用する時、カバー１５０は、封止体と物体表面１９０との間に位置する。カバー１５０は、物体表面１９０と光学センサモジュール１０との接触界面として機能して、光学センサモジュール１０の耐久性及び測定の整合性を増強する。カバー１５０は、物体表面１９０（例えば、生体組織表面或いは皮膚表面）との接触界面として水分及び粉塵を隔離して光路の透明性を保つ。またカバー１５０は、光学センサモジュール１０の一部或いは光学センサデバイスのハウジングの一部として統合されてもよい。
本発明の第八実施形態においては、図７Ａ及び図７Ｃに示したように、光学センサモジュール１０は、第一封止体１１１及び第二封止体１２１上に位置するカバー１５０を更に備える。また図７Ｂに示したように、カバー１５０を通過する際の漏光を低減させるために、カバー１５０と封止体の上表面との間には小さな隙間が設けられている。
本発明の第九実施形態においては、図８Ａに示したように、光学センサモジュール１０は、カバー１５０を備える。尚、カバー１５０の内表面或いは外表面は薄膜１５１で覆われている。薄膜１５１は、反射防止膜（例えば屈折率整合薄膜或いは干渉薄膜）又は抗スクラッチ薄膜（例えば、ポリエチレンテレフタレート、又はシリコーンハードコーティング）であってもよい。図８Ｂに示したように、カバー１５０の外表面は、抗スクラッチ薄膜１５１でカバーされており、カバー１５０の内表面は、反射防止膜１５１でカバーされている。少なくとも１つの実施例において、カバー１５０の２つの表面は、同じ種類の薄膜１５１でカバーされているか或いはいずれか一つの表面にのみ薄膜１５０がカバーされている。
又、他の実施形態においては、例えば、本発明の第十実施形態（図９）に示したように、光学センサモジュール１０は、封止体をカバーしている薄膜１６０を備える。具体的には、第一封止体１１１及び／又は第二封止体１２１の表面を覆っている薄膜１６０を含む。該薄膜１６０は、光学信号のＳＮＲを更に向上できる。薄膜１６０は、反射防止膜又はフィルタ薄膜であってもよい。反射防止膜は、屈折率整合薄膜（例えば、レイリー（Ｒａｙｌｅｉｇｈ）薄膜）又は干渉薄膜である。屈折率整合薄膜及び干渉薄膜は、封止体と環境媒質との界面のフレネル反射を低減させることにより、発光効率を向上させることができる。フィルタ薄膜は、光の半値全幅（ＦＷＨＭ，ｆｕｌｌ ｗｉｄｔｈ ａｔ ｈａｌｆ ｍａｘｉｍｕｍ）を狭くし且つ低くする又は望ましくない波長からのノイズをフィルタリングするロングパスフィルタ、ショートパスフィルタ、又はバンドパスフィルタであってもよい。
本発明の第十実施形態においては、図９に示したように、第一封止体１１１及び第二封止体１２１の表面は、薄膜１６０で覆われている。第一封止体１１１の薄膜１６０は、反射防止膜であり、第二封止体１２１の薄膜１６０は、バンドパスフィルタである。反射防止膜は発光効率を向上させ、バンドパスフィルタはノイズを低減させる。少なくとも１つの実施例において、第一封止体１１１の薄膜１６０はバンドパスフィルタであり、第二封止体１２１の薄膜１６０は反射防止膜である。これにより、出射光の半値全幅は、明確なカットオフ波長を有し、フォトダイオードは、波長が特定の範囲内におけるフィルタリングされた後の信号を検出する。蛍光測定において、明確な蛍光信号を取得し且つ励起光を避けるために、ロングパスフィルタは、第二封止体１２１に使用されている。図１０に示したように、光学センサモジュール１０は、カバー１５０と、第一封止体１１１及び第二封止体１２１上に位置する薄膜１６０とを備える。尚、図１１Ａに示したように、光学センサモジュール１０は、薄膜１５１で覆われているカバー１５０と、封止体をカバーする薄膜１６０とを備える。図１１Ｂに示したように、カバー１５０の外側面の薄膜１５１は抗スクラッチ薄膜であり、カバー１５０の内側面の薄膜１５１は反射防止膜である。図１１Ｃ及び図１１Ｄに示したように、第一封止体１１１の薄膜１６０は反射防止膜であり、第二封止体１２１の薄膜１６０はバンドパスフィルタ薄膜である。
図１２〜図１５に示したような実施形態では、ＳＮＲを向上させるために、光学センサモジュール１０の光源１１０及び受光素子１２０は、二次元パターンに配置されている。一般的に、光源１１０は、一組の中央領域に封止されている異なる波長を有する複数の発光器である。受光素子１２０は、光源１１０を取り囲んでいる単一の構造体或いは中央光源１１０を取り囲むように設置されている複数の受光素子である。
本発明の第十三実施形態においては、図１２Ａに示したように、中央光源１１０は、封止体１１１にカバーされており、各受光素子１２０は、第二封止体１２１にカバーされている。図１２Ｂ及び図１２Ｃに示したように、受光素子１２０は、光源１１０の側方に位置し且つ仕切り壁１３０を介して光源１１０と仕切られている。また、第一封止体１１１の上表面には、第一マイクロ構造１１２が形成されている。該第一マイクロ構造１１２は、出射された光線を外部へ導くことができる。これにより、より多くの反射光が、周囲の受光素子１２０まで到達できる。また、受光効率を向上させるために、第二封止体１２１の上表面には、第二マイクロ構造１２２が形成されている。ＳＮＲを向上させるために、第二封止体１２１上の第二マイクロ構造１２２と第一封止体１１１の第一マイクロ構造１１２との設計は異なる。少なくとも１つの実施例において、封止体の構造（例えば、マイクロ構造）、封止体をカバーする薄膜１６０及び図７〜図１１に示すカバー１５０は、図１２〜図１５に示す二次元パターンを有するセンサモジュール１０に適用されている。
本発明の第十四実施形態においては、図１３に示したように、光源１１０は、第一封止体１１１に密封され、且つ互いに独立した２つのＬＥＤであり、受光素子１２０は、第二封止体１２１に密封された単一の環状フォトダイオードである。また、光源１１０から受光素子１２０への漏光を減少するために、環状仕切り壁１３０は、ＬＥＤとフォトダイオードとの間に設置されている。この際、周囲の迷光を減少させるために、第二環状仕切り壁１３０が第二封止体１２１の周囲を取り囲むように設置されている。
図１３Ａに示したように、光学センサモジュール１０は、単一の環状のフォトダイオードが中央光源１１０を取り囲んでいる構造を有する。該中央光源１１０は、異なる出射波長を有する２つのＬＥＤを備える。この２つのＬＥＤは、第一封止体１１１にカバーされている。受光素子１２０は、光源１１０を取り囲んでいる一片の環状のシリコンフォトダイオードである。第一マイクロ構造１１２は、同心円パターンである。尚、第二封止体１２１の上表面には、同心円パターンである第二マイクロ構造１２２が形成されてもよい。また、図１３Ｂ及び１３Ｃに示したように、第一封止体１１１及び第二封止体１２１は、それぞれ互いに独立した台形断面の構造を有するので、封止体の上部の幅は狭くなっている。第一封止体１１１及び第二封止体１２１は、鏡映対称パターン、例えば、線形、楕円形、六角形、又は多角形である。光源１１０側に受光素子１２０が位置するので、他のパターンは、ＳＮＲをやや向上できる。特定の応用に対する受光効率の要求を満たすために、少なくとも１つの実施例において、第二封止体１２１の構造、マイクロ構造及び材料等は、第二封止体１１１と異なっている。例えば、第二封止体１２１は、上表面にマイクロ構造が形成されている多層構造を有する。
本発明の第十五実施形態においては、図１４に示したように、光源１１０は、第一封止体１１１に密封され且つ互いに独立した２つのＬＥＤであり、受光素子１２０は、一組のフォトダイオードである。各フォトダイオードは、それぞれ第二封止体１２１に密封されている。尚、直接クロストークを減少させるために、仕切り壁１３０は、ＬＥＤを取り囲むように設置されている。また、クロストークを減少するために、仕切り壁１３０は、光源１１０を取り囲むように設置され、クロストーク及び環境迷光を減少するために、これらのフォトダイオードの周囲には、密封壁１３１が第二封止体１２１を取り囲むように設置されている。
図１４Ａに示したように、光学センサモジュール１０は、複数のダイオードが中央光源１１０を取り囲んでいる構造を有する。該中央光源１１０は、異なる出射波長を有する２つのＬＥＤを備え、この２つのＬＥＤは、第一封止体１１１にカバーされている。受光素子１２０は、中央光源１１０を取り囲むように環状に設置されている一組の矩形のフォトダイオードである。各フォトダイオードは、それぞれ第二封止体１２１に密封されている。尚、六角形の仕切り壁１３０は、ＬＥＤの周囲に位置して直接漏光を低減させる。フォトダイオードは、第二封止体１２１を取り囲む密封壁１３１を有するので、環境迷光を低減させることができる。図１４Ｂ及び図１４Ｃに示したように、第一封止体１１１及び第二封止体１２１は、互いに独立した台形の構造を有するので、封止体の上部はやや狭くなっている。第一封止体１１１の上表面は、第一マイクロ構造１１２のように形成されており、該第一マイクロ構造１１２は同心円パターンである。尚、第二封止体１２１の上表面は、第二第二マイクロ構造１２２が形成されており、該第二第二マイクロ構造１２２は同心円パターンである。本実施形態において、六角形のパターンが挙げられているが、本発明は、三角形、五角形、或いは八角形などの多角形のパターンを含む。光源１１０側に受光素子１２０が位置するので、他のパターンは、ＳＮＲをやや向上できる。特定の応用において受光効率の要求を満たすために、少なくとも１つの実施例において、第二封止体１２１の構造、マイクロ構造及び材料等は、第二封止体１１１と異なっている。
図１５Ａに示したように、光学センサモジュール１０は、複数のダイオードが中央光源１１０を取り囲んでいる構造を有する。該中央光源１１０は、異なる出射波長を有する２つのＬＥＤを備え、この２つのＬＥＤは、第一封止体１１１にカバーされている。受光素子１２０は、中央光源１１０を取り囲むように環状に設置されている一組の矩形のフォトダイオードである。各フォトダイオードは、それぞれ第二封止体１２１に密封されている。また、環境迷光を減少させるために、矩形の仕切り壁１３０は、光源１１０を取り囲んでおり、受光素子１２０は、第二封止体１２１を取り囲む外側面の密封壁１３１を含む。図１５Ｂ及び図１５Ｃに示したように、第一封止体１１１及び第二封止体１２１は、互いに独立した台形の構造を有するので、封止体の上部はやや狭くなっている。第一封止体１１１の上表面には、第一マイクロ構造１１２が形成されており、該第一マイクロ構造１１２は同心円パターンである。尚、第二封止体１２１の上表面には、第二マイクロ構造１１２が形成されており、該第二マイクロ構造１２２は同心円パターンである。本発明のマイクロ構造は、三角形、五角形、或いは八角形等の多角形のパターンを含む。光源１１０側に受光素子１２０が位置するので、他のパターンは、ＳＮＲをやや向上できる。特定の応用において受光効率の要求を満たすために、少なくとも１つの実施例において、第二封止体１２１の構造、マイクロ構造及び材料等は、第二封止体１１１と異なっている。
本発明において、光学センサモジュール１０は、複数の屈折層を有する封止体１１１を光源１１０上に設置することにより発光効率を向上させる又は複数の屈折層を有する封止体１１１を受光素子１２０上に設置することにより受光効率を向上させる。光が光源１１０から外へ出射されて第一封止体１１１の各層を通過した際、全内部反射が低減されるので、光学センサモジュール１０は信号強度を増強させることができる。例えば、第一封止体１１１は、基板１４０上に光源１１０をカバーするように形成され且つ複数の屈折層を有する。該複数の屈折層は、異なる屈折率である複数の物理層を堆積する構造を有するか或いはグラジエント屈折率である単一の実体からなる。第一封止体１１１の各層の屈折率は、低層から高層まで順次に低減している。
本発明の第十七実施形態においては、図１６Ａに示したように、第一封止体１１１は、複数層（本実施形態においては２層）を含む。各層は、光源１１０から出射された光を通過させることができる材料からなる。例えば、第一封止体１１１における光源１１０上に直接形成された底層の屈折率ｎ１は、第一封止体１１１の底層の上表面に隣接する頂層の屈折率ｎ２より高い。従来の光源１１０上に単一の屈折層が設置されている封止体に比べて、光源１１０と環境媒質との間の屈折率は大きな差を有するが、第一封止体１１１において、互いに隣接している各層の間の屈折率がある方向に沿って減少しているので、光源１１０の屈折率から環境媒質の屈折率までの変化を緩和する。一般的に、光電変換器の屈折率は３以上であり、環境媒質である空気の屈折率は略１である。第一封止体１１１の隣接している各層の界面にある臨界角（θＣ＝ａｒｃｓｉｎ（ｎ２／ｎ１））は、ただの光源１１０又は単層封止体を有する光源１１０に比べて顕著に増加している。同じように、第一封止体１１１の頂層と光学センサモジュール１０を取り囲む環境媒質との界面の臨界角は広くなる。光源１１０から出射された光線が、除々に減少している屈折率を有する封止体の多層を順次に通過する時、光源１１０から出射された光の全内部反射は減少される。これにより、光学センサモジュール１０は、複数の屈折率層を有する封止体を介して発光効率を向上させて信号強度を増加する。類似的に、複数の屈折率層を有する第二封止体１２１が受光素子１２０上に形成されて、光源１０から出射された信号光及び物体表面から反射された信号光の受光効率を向上させる。
図１６Ａは、光学センサモジュール１０の一般的な構造を示した断面図である。光学センサモジュール１０は、光源（ＬＥＤ）１１０、受光素子（シリコンフォトダイオード）１２０、及び該光源１１０と受光素子１２０との間に位置する仕切り壁１３０を備える。光源（ＬＥＤ）１１０、受光素子（シリコンフォトダイオード）１２０及び仕切り壁１３０は全て、基板１４０に取り付けられている。第一封止体１１１は光源１１０をカバーしており、第二封止体１２１は受光素子１２０をカバーしている。本実施形態において、封止体の構造及び外形部は必要に応じて変形してもよい。例えば、第一封止体１１１の上表面は、第一マイクロ構造１１２に形成され、第二封止体１２１上には、第二マイクロ構造１２２が形成されている。第一封止体１１１は複数の屈折層の構造を有する。図１６Ａに示すように、本実施形態においては、複数の屈折層は二層の構造であるが、三層或いは三層以上の構造でもよい。二層間の界面には、第一マイクロ構造１１２或いは方向性光学部品が設置されている。類似的に、第二封止体１２１は、複数の屈折層の構造を有する。二層間の界面には、第二マイクロ構造１２２或いは湾曲したレンズ等の構造が設置されている。また、受光効率を向上させるために、第二封止体１２１は、第一封止体１１１と異なる構造及び外形部を有してもよい。
図１６Ｂ〜図１６Ｅは、複数の屈折層を有する封止体の異なる位置での屈折率と基板からの距離との関係を表す。図１６Ｂに示したように、ｘ０とｘ１とを連接する点線は、屈折率の対応する測定値を示す。ｘ０は封止材の中で基端部の１つを表し、ｘ１は封止材の中で最遠位部の１つを表す。図１６Ｃ〜図１６Ｅは、基板からの距離に対する屈折率の関数を示す。図１６Ｃに示したように、複数の屈折層を有する封止体は、グラジエント屈折率を有する。図１６Ｄに示したように、複数の屈折層を有し且つグラジエント屈折率を有する封止体は、不連続の屈折率を有する。図１６Ｅに示したように、複数の屈折層を有する封止体は、グラジエント屈折率を有する複数の物理層を備える。また、グラジエント屈折率と基板からの距離とは、線形関係或いは非線形関係を有している。距離の屈折率関数は、単調減少或いは非単調であることができる。
図１７〜図１９に示したような実施形態では、本発明の実施形態において、光源１１０は、第一封止体１１１に密封され且つ互い独立した２つのＬＥＤであり、受光素子１２０は、第二封止体１２１に密封されたフォトダイオードである。第一封止体１１１及び／或いは第二封止体１２１は、複数の屈折層の構造を有し且つ第一封止体１１１及び第二封止体１２１の上表面には、第一マイクロ構造１１２が形成されている。
本発明の第十八実施形態においては、図１７Ａに示したように、第一封止体１１１の上層の上表面には、第一マイクロ構造１１２が形成されている。第一マイクロ構造１１２は、フォトダイオードに向かっている一組の凹状の同心円弧であるが、フォトダイオードは、マイクロ構造１２１を有しない第二封止体１１１に密封されている。図１７Ｂ及び図１７Ｃに示したように、第一封止体１１１及び第二封止体１２１は、それぞれ複数の層をバベルの塔のような形式に堆積して形成されている。これにより、封止体の末端部は基端部より狭い。これと同様に、複数の屈折層は、屈折率が基端部から末端部へ減少するように配置されている。
本発明の第十九実施形態においては、図１８Ａに示したように、第一封止体１１１の上層の上表面には、第一マイクロ構造１１２が形成されている。第一マイクロ構造１１２は、フォトダイオードに向かっている一組の凹状の同心円弧であるが、フォトダイオードは、マイクロ構造１２１を有しない第二封止体１１１に密封されている。図１８Ｂ及び図１８Ｃに示したように、第一封止体１１１及び第二封止体１２１は、それぞれ複数の層を縦に堆積して形成されている。この結果として、多層封止体の周縁の側辺は、仕切り壁１３０及び密封壁１３１に隣接している。尚、複数の屈折層は、屈折率が低層から高層へ減少するように配置される。
本発明の第二十実施形態においては、図１９Ａに示したように、第一封止体１１１の上層の上表面は、第一マイクロ構造１１２が形成されている。第一マイクロ構造１１２は、フォトダイオードに向かっている一組の凹状の同心円弧であるが、フォトダイオードは、マイクロ構造１２１を持たず第二封止体１１１に密封される。図１９Ｂ及び図１９Ｃに示したように、第一封止体１１１及び第二封止体１２１は、それぞれ中空の台形を呈する複数の層が縦方向に堆積して形成されている。つまり、高層は、該高層と隣接する低層を取り囲んでいる。尚、複数の屈折層は、屈折率が低層から高層へ減少するように配置されている。
本発明の第二十一実施形態においては、図２０Ａに示したように、第一封止体１１１の上表面には、第一マイクロ構造１１２が形成されている。第一マイクロ構造１１２は、フォトダイオードに向かって凹んでいる一組の同心円弧である。第二封止体１２１の上表面には、一組の同心円である第二マイクロ構造１２２が形成されている。図２０Ｂ及び図２０Ｃに示したように、第一封止体１１１及び第二封止体１２１は、それぞれ複数の屈折層がバベルの塔のように堆積して形成されている。尚、複数の屈折層は、屈折率が低層から高層に向けて少なくなるように配置されている。第二封止体１２１は、単一の一体構造（単層）或いは異なるスタイルのスタック（積層体）であってもよい。特定の応用において必要とされる受光効率の要求を満たすために、第二封止体１２１と第一封止体１１１の構造及び材料等は異なってよい。
本発明の第二十二実施形態においては、図２１Ａに示したように、第一封止体１１１の上層の上表面には、第一マイクロ構造１１２が形成されている。第一マイクロ構造１１２は、フォトダイオードに向かって凹んでいる一組の同心円弧である。第二封止体１１２の上表面には、第二マイクロ構造１２２が形成されている。第二マイクロ構造１２２は、一組の同心円である。図２１Ｂ及び図２１Ｃに示したように、第一封止体１１１及び第二封止体１２１は、それぞれ複数の屈折層が縦方向に堆積して形成されている。つまり、多層の第一封止体１１１及び第二封止体１２１の周縁の側辺は、密封壁１３１に隣接している。また、複数の屈折層は、屈折率が低層から高層に向けて少なくなるように配置されている。
本発明の第二十三実施形態においては、図２２Ａに示したように、第一封止体１１１の上層の上表面には、第一マイクロ構造１１２が形成されている。第一マイクロ構造１１２は、フォトダイオードに向かって凹んでいる一組の同心円弧である。第二封止体１１２の上表面には、第二マイクロ構造１２２が形成されている。第二マイクロ構造１２２は、一組の同心円である。図２２Ｂ及び図２２Ｃに示したように、第一封止体１１１及び第二封止体１２１は、それぞれ中空の台形を呈する複数の屈折層が縦方向に堆積して形成されている。また、複数の屈折層は、屈折率が低層から高層に向けて少なくなるように配置されている。
図２３〜図２５に示したような実施形態では、光源１１０は、互いに独立した２つのＬＥＤであり且つ第一封止体１１１にそれぞれ密封されている。受光素子１２０は、第二封止体１２１に密封されたフォトダイオードである。第一封止体１１１は、複数の屈折層の構造を有し且つ隣接する任意の二層の界面にはマイクロ構造１１２が形成されている。また、第二封止体１２１の隣接する任意の二層の界面にもマイクロ構造１２２が形成されている。
本発明の第二十四実施形態においては、図２３Ａに示したように、第一封止体１１１の隣接する二層の界面には、第一マイクロ構造１１２が形成されている。第一マイクロ構造１１２は、フォトダイオードに向かって凹んでいる一組の同心円弧である。第二封止体１１２の隣接する二層の界面には、第二マイクロ構造１２２が形成されている。第二マイクロ構造１２２は、一組の同心円である。図２３Ｂ及び図２３Ｃに示したように、第一封止体１１１及び第二封止体１２１は、それぞれ複数の屈折層がバベルの塔のように堆積して形成されている。また、複数の屈折層は、屈折率が低層から高層に向けて少なくなるように配置されている。
本発明の第二十五実施形態においては、図２４Ａに示したように、第一封止体１１１の隣接する二層の界面には、第一マイクロ構造１１２が形成されている。第一マイクロ構造１１２は、フォトダイオードに向かって凹んでいる一組の同心円弧である。第二封止体１１２の隣接する二層の界面には、第二マイクロ構造１２２が形成されている。第二マイクロ構造１２２は、一組の同心円である。図２４Ｂ及び図２４Ｃに示したように、第一封止体１１１及び第二封止体１２１は、それぞれ複数の屈折層が縦方向に堆積して形成されている。
本発明の第二十六実施形態においては、図２５Ａに示したように、第一封止体１１１の隣接する二層の界面には、第一マイクロ構造１１２が形成されている。第一マイクロ構造１１２は、フォトダイオードに向かって凹んでいる一組の同心円弧である。第二封止体１１２の隣接する二層の界面には、第二マイクロ構造１２２が形成されている。第二マイクロ構造１２２は、一組の同心円である。図２５Ｂ及び図２５Ｃに示したように、第一封止体１１１及び第二封止体１２１は、それぞれ中空の台形を呈する複数の屈折層が縦方向に堆積して形成されている。また、複数の屈折層は、屈折率が低層から高層に向けて少なくなるように配置されている。
図２６〜図２８に示したような実施形態では、光源１１０は、互いに独立した２つのＬＥＤであり且つ第一封止体１１１に密封されている。受光素子１２０は、第二封止体１２１に密封されたフォトダイオードである。第一封止体１１１は複数の屈折層を持つ構造を有し、隣接する任意の二層の界面にはマイクロ構造１１２が形成されている。
本発明の第二十七実施形態においては、図２６Ａに示したように、第一封止体１１１の最高層の上表面及び隣接する二層の界面には、複数の第一マイクロ構造１１２が形成されている。該複数の第一マイクロ構造１１２は、フォトダイオードに向かって凹んでいる一組の同心円弧である。一方、第二封止体１１２は、マイクロ構造を持たず複数の屈折層の構造である。図２６Ｂ及び図２６Ｃに示したように、第一封止体１１１及び第二封止体１２１は、それぞれ複数の屈折層がバベルの塔のように堆積して形成されている。また、複数の屈折層は、屈折率が低層から高層に向けて少なくなるように配置されている。また、第二封止体１２１の最高層の上表面及び／或いは任意の隣接する二層の界面には、複数のマイクロ構造を有してもよい。
本発明の第二十八実施形態においては、図２７Ａに示したように、第一封止体１１１の最高層の上表面及び隣接する二層の界面には、複数の第一マイクロ構造１１２が形成されている。該複数の第一マイクロ構造１１２は、フォトダイオードに向かって凹んでいる一組の同心円弧である。一方、第二封止体１１２は、マイクロ構造を持たず複数の屈折層の構造である。図２７Ｂ及び図２７Ｃに示したように、第一封止体１１１及び第二封止体１２１は、それぞれ複数の屈折層が縦方向に堆積して形成されている。つまり、多層の第一封止体１１１及び第二封止体１２１の側辺は仕切り壁１３０に隣接する。また、複数の屈折層は、屈折率が低層から高層に向けて少なくなるように配置されている。
本発明の第二十九実施形態においては、図２８Ａに示したように、第一封止体１１１の最高層の上表面及び隣接する二層の界面には、複数の第一マイクロ構造１１２が形成されている。該複数の第一マイクロ構造１１２は、フォトダイオードに向かって凹んでいる一組の同心円弧である。一方、第二封止体１１２は、マイクロ構造を持たず複数の屈折層の構造である。図２８Ｂ及び図２８Ｃに示したように、第一封止体１１１及び第二封止体１２１は、それぞれ中空の台形を呈する複数の屈折層が縦方向に堆積して形成されている。つまり、高層が、高層に隣接する低層を取り囲んでいる。また、複数の屈折層は、屈折率が低層から高層に向けて少なくなるように配置されている。
図２９〜図３１に示したような実施形態では、光源１１０は、互いに独立した２つのＬＥＤであり且つ第一封止体１１１に密封されている。受光素子１２０は、第二封止体１２１に密封されたフォトダイオードである。第一封止体１１１は、複数の屈折層の構造を有し且つ少なくとも１つの二層の界面には、第一マイクロ構造１１２が形成されている。また、第二封止体１２１は、複数の屈折層の構造を有し、少なくとも１つの二層の界面には、第二マイクロ構造１２２が形成されている。
本発明の第三十実施形態においては、図２９Ａに示したように、第一封止体１１１の上表面及び隣接する二層の界面には、複数の第一マイクロ構造１１２が形成されている。マイクロ構造１１２は、フォトダイオードに向かって凹んでいる一組の同心円弧である。また、フォトダイオードは、第二封止体１１２に密封されている。該第二封止体１１２の上表面及び隣接する二層の界面には、複数の第二マイクロ構造１２２が形成されている。第二マイクロ構造１２２は、一組の同心円である。図２９Ｂ及び図２９Ｃに示したように、第一封止体１１１及び第二封止体１２１は、それぞれ複数の屈折層がバベルの塔のように堆積して形成されている。また、複数の屈折層は、屈折率が低層から高層に向けて少なくなるように配置されている。
本発明の第三十一実施形態においては、図３０Ａに示したように、第一封止体１１１の上表面及び隣接する二層の界面には、複数の第一マイクロ構造１１２が形成されている。マイクロ構造１１２は、フォトダイオードに向かって凹んでいる一組の同心円弧である。また、フォトダイオードは、第二封止体１１２に密封されている。第二封止体１１２の上表面及び隣接する二層の界面には、複数の第二マイクロ構造１２２が形成されている。第二マイクロ構造１２２は、一組の同心円である。図３０Ｂ及び図３０Ｃに示したように、第一封止体１１１及び第二封止体１２１は、それぞれ複数の屈折層が縦方向に堆積して形成されている。
本発明の第三十二実施形態においては、図３１Ａに示したように、第一封止体１１１の上表面及び隣接する二層の界面には、複数の第一マイクロ構造１１２が形成されている。マイクロ構造１１２は、フォトダイオードに向かって凹んでいる一組の同心円弧である。また、フォトダイオードは、第二封止体１１２に密封されている。該第二封止体１１２の上表面及び隣接する二層の界面には、複数の第二マイクロ構造１２２が形成されている。第二マイクロ構造１２２は、一組の同心円である。図３０Ｂ及び図３０Ｃに示したように、第一封止体１１１及び第二封止体１２１は、それぞれ中空の台形を呈する複数の屈折層が縦方向に堆積して形成されている。
方向性光学部品は、隣接する物体と異なる屈折率を有する幾何光学部品である。光の屈折は、入射光の垂直入射以外の方式によって屈折界面を通過する際に発生する。屈折界面は、平面或いは湾曲した平面である。該平面の傾斜角及び湾曲した平面の曲率は、要求に応じて設計可能である。１つの実施形態において、ＳＮＲを更に向上させるために、方向性光学部品は、光を導くことができる湾曲したレンズであってもよい。この際、湾曲したレンズは、複数の屈折層を有する封止体の隣接する二層の界面或いは封止体の上表面に形成されている。湾曲したレンズの形状は、放物面、球面、多角形の平面であってもよい。
本発明の第三十三実施形態においては、図３２Ａに示したように、第一封止体１１１の最上層の上表面には、第一マイクロ構造１１２が形成されている。また、複数の屈折層を有する第一封止体１１１の二層の界面には、湾曲したレンズである第一方向性光学部品１１３が形成されている。第一マイクロ構造１１２は、フォトダイオードに向かって凹んでいる一組の同心円弧である。湾曲したレンズ１１３は、光源１１１０に向かって凹んでいる放物面であるが、フォトダイオードは、マイクロ構造を持たず、第二封止体１２１に密封されている。図３２Ｂ及び図３２Ｃに示したように、第一封止体１１１は、中空のカップ状を呈する複数の屈折層が縦方向に堆積して形成されている。第二封止体１２１は、複数の屈折層がバベルの塔のように堆積して形成されている。また、複数の屈折層は、屈折率が基端部から末端部に向けて少なくなるように配置されている。
本発明の第三十四実施形態においては、図３３Ａに示したように、第一封止体１１１の最上層の上表面には、第一マイクロ構造１１２が形成されている。また、複数の屈折率を有する第一封止体１１１のある界面には、湾曲したレンズである第一方向性光学部品１１３が形成されている。第一マイクロ構造１１２は、フォトダイオードに向かって凹んでいる一組の同心円弧である。湾曲したレンズ１１３は、光源１１０に向かって凹んでいる放物面であるが、フォトダイオードは、マイクロ構造を持たず、第二封止体１２１に密封されている。図３３Ｂ及び図３３Ｃに示したように、第一封止体１１１は、中空のカップ状を呈する複数の屈折層が縦方向に堆積して形成されている。第二封止体１２１は、複数の屈折層が縦方向に堆積して形成されている。また、複数の屈折層は、屈折率が基端部から末端部に向けて少なくなるように配置されている。
本発明の第三十五実施形態においては、図３４Ａに示したように、第一封止体１１１の最上層の上表面には、第一マイクロ構造１１２が形成されている。また、複数の屈折率を有する第一封止体１１１の二層の界面には、湾曲したレンズである第一方向性光学部品１１３が形成されている。第一マイクロ構造１１２は、フォトダイオードに向かって凹んでいる一組の同心円弧である。湾曲したレンズ１１３は、光源１１０に向かって凹んでいる放物面であり、フォトダイオードは、マイクロ構造を持たず、第二封止体１２１に密封されている。図３４Ｂ及び図３４Ｃに示したように、第一封止体１１１及び第二封止体１２１は、それぞれ中空のカップ状を呈する複数の屈折層が縦方向に堆積して形成されている。また、複数の屈折層は、屈折率が基端部から末端部に向けて少なくなるように配置されている。
本発明の第三十六実施形態においては、図３５Ａに示したように、フォトダイオードが第二封止体１１２に密封されている。該第二封止体１１２の上表面には、複数の第二マイクロ構造１２２が形成されている。第二マイクロ構造１２２は、一組の同心円である。図３５Ｂ及び３５Ｃに示したように、第二封止体１２１は、複数の屈折層をバベルの塔のように堆積して形成されている。
本発明の第三十七実施形態においては、図３６Ａに示したように、フォトダイオードが第二封止体１１２に密封されている。該第二封止体１１２の上表面には、複数の第二マイクロ構造１２２が形成されている。第二マイクロ構造１２２は、一組の同心円である。図３６Ｂ及び３６Ｃに示したように、第二封止体１２１は、複数の屈折層が縦方向に堆積して形成されている。
本発明の第三十八実施形態においては、図３７Ａに示したように、フォトダイオードは、第二封止体１１２に密封されている。該第二封止体１１２の上表面には、複数の第二マイクロ構造１２２が形成されている。第二マイクロ構造１２２は、一組の同心円である。図３７Ｂ及び３７Ｃに示したように、第二封止体１２１は、中空のカップ状を呈する複数の屈折層が縦方向に堆積して形成されている。
本発明の第三十九実施形態においては、図３８Ａに示したように、フォトダイオードが、第二封止体１１２に密封されている。第二封止体１１２の上表面には、複数の第二マイクロ構造１２２が形成されている。また、湾曲したレンズである第二方向性光学部品１２３も第二封止体１１２に設置されている。図３８Ｂ及び図３８Ｃに示したように、第一封止体１１１は、中空のカップ状を呈する複数の屈折層が縦方向に堆積して形成されている。第二封止体１２１は、複数の屈折層をバベルの塔のように堆積して形成されている。第二封止体１１２における湾曲したレンズ１２３は、光源１１０に向かって凹んでいる放物面である。
本発明の１つの実施形態においては、光学センサモジュール１０は、第一封止体１１１及び／或いは第二封止体１２１に対して末端側（遠位側）にカバー１５０を更に備える。該カバー１５０は、物体表面１９０、例えば、生体組織表面或いは皮膚表面と光学センサモジュール１０との接触界面として、光学センサモジュール１０の耐久性及び測定の整合性を増強する。
本発明の第四十実施形態においては、図３９Ａに示したように、光学センサモジュール１０は、第一封止体１１１及び第二封止体１２１の前方に位置するカバー１５０を更に備える。つまり、カバー１５０は、第一封止体１１１及び第二封止体１２１と、物体表面１９０との間に位置している。軽く押すと、カバー１５０と物体表面１９０との接触界面の面積はやや大きくなる。これにより、効果的な光の反射及び拡散がもたらされる。さらに、カバー１５０は、光学センサモジュール１０の一部或いは光学センサデバイスのハウジングの一部として統合されてもよい。
また、カバー１５０の内表面或いは外表面を薄膜１５１で覆ってもよく、薄膜１５１は、反射防止膜又は抗スクラッチ薄膜であってもよい。図３９Ｂに示したように、カバー１５０の外表面の薄膜１５１は、抗スクラッチ薄膜１５１（例えば、ポリエチレンテレフタレート、又はシリコーンハードコーティング）であり、カバー１５０の内表面の薄膜１５１は、反射防止膜である。
光学センサモジュール１０は、封止体を覆っている薄膜１６０をさらに備える。該薄膜１６０は、光学信号のＳＮＲを更に向上させる。薄膜１６０は、反射防止膜又はフィルタ薄膜であってもよい。反射防止膜は、屈折率整合薄膜（例えば、レイリー（Ｒａｙｌｅｉｇｈ）薄膜）又は干渉薄膜である。屈折率整合薄膜及び干渉薄膜は、封止体と環境媒質との界面のフレネル反射を低減させることにより、発光効率を向上させることができる。フィルタ薄膜は、光の半値全幅（ＦＷＨＭ）を狭くし且つ低くする又は望ましくない波長からのノイズをフィルタリングするロングパスフィルタ、ショートパスフィルタ、又はバンドパスフィルタであってもよい。また、スクラッチによる信号ロスを防止する抗スクラッチ薄膜を利用してもよい。
本発明の第四十一実施形態においては、図４０Ａに示したように、第一封止体１１１及び第二封止体１２１の表面は、薄膜１６０に覆われている。図４０Ｂ及び図４０Ｃに示したように、第一封止体１１１の薄膜１６０は反射防止膜であり、第二封止体１２１の薄膜１６０はバンドパスフィルタである。反射防止膜は、発光効率を向上させることができ、バンドパスフィルタは、ノイズを低減させることができる。また、他の実施形態において、第一封止体１１１の薄膜１６０はバンドパスフィルタであり、第二封止体１２１の薄膜１６０は反射防止膜である。これにより、放射光の半値全幅（ＦＷＨＭ）は、明確なカットオフ波長を有しており、フォトダイオードは、波長が特定の範囲内におけるフィルタリングされた後の信号を検出する。蛍光測定において、明確な蛍光信号を取得し且つ励起光を避けるために、ロングパスフィルタは、第二封止体１２１に使用されている。
本発明の第四十二実施形態においては、図４１Ａに示したように、光学センサモジュール１０は、第一封止体１１１及び第二封止体１２１の前方に位置するカバー１５０を更に備える。また、図４１Ｂ及び図４１Ｃに示したように、光学センサモジュール１０は、カバー１５０及び封止体を覆っている薄膜１６０を備える。
本発明の第四十三実施形態においては、図４２Ａに示したように、光学センサモジュール１０は、薄膜１５１に覆われているカバー１５０及び封止体を覆っている薄膜１６０を備える。図４２Ｂに示したように、カバー１５０の外表面の薄膜１５１は、抗スクラッチ薄膜１５１（例えば、ポリエチレンテレフタレート、又はシリコーンハードコーティング）であり、カバー１５０の内側面の薄膜１５１は反射防止膜である。図４２Ｃ及び図４２Ｄに示したように、第一封止体１１１の薄膜１６０は反射防止膜であり、第二封止体１２１の薄膜１６０はバンドパスフィルタ薄膜である。
光学センサモジュール１０における第一封止体１１１の内側面及び第二封止体１２１の内側面には、第一及び第二方向性光学部品１１３、１２３が設置されている。第一及び第二方向性光学部品１１３、１２３は、傾斜面、湾曲したレンズ又は傾斜面と湾曲したレンズとの組み合わせである。傾斜面は、封止体の表面と基板表面との間に傾斜角を成す。該傾斜角は、略９０度〜２０度の範囲にある。また、第一方向性光学部品１１３は、湾曲したレンズと傾斜面との組み合わせであってもよい。例えば、仕切り壁１３０の高さが、０．４ミリメートルである場合、湾曲したレンズの曲率半径は０．６ミリメートルであり、傾斜角は、略４０度である。これにより、光源１１０から出射された光は、光源１１０と受光素子１２０との間に位置する仕切り壁１３０上の上方により集中し、仕切り壁１３０の照射は少なくなる。
本発明の第四十四実施形態においては、図４３Ａに示したように、第一封止体１１１の内側面には、第一方向性光学部品１１３が形成されている。該第一方向性光学部品１１３は傾斜面であり、フォトダイオード１２０は、より大きい傾斜角を有する傾斜面を備える第二封止体１２１に密封されている。図４３Ｂ及び図４３Ｃに示したように、第一封止体１１１及び第二封止体１２１は、それぞれ単層の台形の構造である。第一封止体１１１の内側面の第一方向性光学部品１１３は、第二方向性光学部品１２３より小さい傾斜角を有する。
本発明の第四十五実施形態においては、図４４Ａに示したように、第一封止体１１１の内側面には、第一方向性光学部品１１３が形成されている。第一方向性光学部品１１３は、傾斜面である。フォトダイオード１２０は、傾斜面である第二方向性光学部品１２３を備える第二封止体１２１に密封されている。図４４Ｂ及び図４４Ｃに示したように、第一封止体１１１及び第二封止体１２１は、それぞれ単層の台形の構造である。第一封止体１１１及び第二封止体１２１は、それぞれ発光効率及び受光効率を向上させるための傾斜角を有する傾斜面を備える。第一方向性光学部品１１３の傾斜角は、第二方向性光学部品１２３の傾斜角と異なってもよい。
本発明の第四十六実施形態においては、図４５Ａ〜４５Ｃに示したように、第一封止体１１１の内側面には、第一方向性光学部品１１３が形成されている。該第一方向性光学部品１１３は曲面である。フォトダイオード１２０は、曲面である第二方向性光学部品１２３を備える第二封止体１２１に密封されている。図４５Ｂ及び図４５Ｃに示したように、第一封止体１１１及び第二封止体１２１は、内側面に曲面がそれぞれ設置されている。また、第二封止体１２１の第二方向性光学部品１２３は、第一封止体１１１の第一方向性光学部品１１３と異なってもよい。例えば、第一封止体１１１は、内側面に曲面が設置されているが、第二封止体１２１は、内側面に傾斜面が設置されている。
図４６〜図４８は、方向性光学部品を備える光学センサモジュール１０を介して物体表面１９０により反射された光を測量している状態を示す。また、本発明における他の光学センサモジュールもこの応用に適用する。物体表面１９０は、生体組織の表面、例えば、皮膚或いは粘膜であってもよい。光学センサモジュール１０は、様々な作業環境、例えば、粗い物体表面及び物体表面がセンサモジュールに対して運動する作業環境に適用できる。
本発明の第四十七実施形態においては、図４６Ａ及び４６Ｂに示したように、光学センサモジュール１０の上表面は、物体表面１９０に直接接触している。
また、本発明の第四十八実施形態においては、図４７Ａ及び図４７Ｂに示したように、光学センサモジュール１０の上部は、物体表面１９０と一定の距離離れているが、光学センサモジュール１０は、効果的な信号を十分に受信することができる。
また、本発明の第四十九実施形態においては、図４８Ａ及び図４８Ｂに示したように、カバー１５０は、物体表面１９０に直接接触し、光学センサモジュール１０は、物体表面１９０と一定の距離離れている。カバー１５０は光学センサモジュール１０の一部或いは光学センサアクセサリー或いは光学センサデバイスのハウジングとして統合されてもよい。カバー１５０の材料は、ＰＭＭＡ、ＰＣＣ等の有機ガラス、又はケイ酸塩ガラス、シリコーン化合物等の無機ガラスである。また、カバー１５０の内表面或いは外表面を薄膜で覆ってもよい。該薄膜は、反射防止膜（例えば屈折率整合薄膜或いは干渉薄膜）又は抗スクラッチ薄膜（例えば、ポリエチレンテレフタレート、又はシリコーンハードコーティング）である。また、光学センサモジュール１０は、封止体を覆っている薄膜を更に備える。この薄膜は、光学信号のＳＮＲを更に向上できる。該薄膜は、反射防止膜又はフィルタ薄膜であってもよい。反射防止膜は、屈折率整合薄膜（例えば、レイリー（Ｒａｙｌｅｉｇｈ）薄膜）又は干渉薄膜である。屈折率整合薄膜及び干渉薄膜は、封止体と環境媒質との界面のフレネル反射を低減させることにより発光効率を向上できる。該フィルタ薄膜は、光の半値全幅（ＦＷＨＭ）を狭くし且つ低くする又は望ましくない波長からのノイズをフィルタリングするロングパスフィルタ、ショートパスフィルタ、又はバンドパスフィルタであってもよい。
カバー１５０は、仕切り壁１３０及び第一封止体１１１及び第二封止体１２１を取り囲む密封壁にそれぞれ連接することができる。カバー１５０の表面には、マイクロ構造、湾曲したレンズ或いはマイクロ構造と湾曲したレンズとの組み合わせが形成されている。カバー１５０は、密封壁１３１に密切に連接されることで、周囲の湿気、水、又は粉塵から保護する。
本発明の第五十実施形態においては、図４９Ａ〜図４９Ｃに示したように、カバー１５０の内表面には、マイクロ構造が設置されている。図４９Ａに示したように、カバー１５０は、２つの光学透明ウィンドウ１５２を備える。各ウィンドウは、それぞれ第一封止体１１１或いは第二封止体１２１の上方に位置する。図４９Ｂ及び図４９Ｃに示したように、カバー１５０は、光学透明ウィンドウ１５２の内表面に設置されている２つのマイクロ構造を備える。
本発明の第五十一実施形態においては、図５０Ａ〜図５０Ｃに示したように、カバー１５０の表面には、湾曲したレンズが設置されている。図５０Ａに示したように、カバー１５０は、２つの４分の１の円の光学透明ウィンドウ１５２を備える。各ウィンドウは、それぞれ第一封止体１１１或いは第二封止体１２１の上方に位置する。図５０Ｂ及び図５０Ｃに示したように、カバー１５０は、光学透明ウィンドウ１５２の表面に設置されている２つの平凸レンズを備える。
本発明の第五十二実施形態においては、図５１Ａ〜図５１Ｃに示したように、カバー１５０の外表面には湾曲したレンズが設置されており、内表面にはマイクロ構造が設置されている。図５１Ａに示したように、カバー１５０は、２つの半円の光学透明ウィンドウ１５２を備える。各光学透明ウィンドウ１５２は、それぞれ第一封止体１１１或いは第二封止体１２１の上方に位置する。図５１Ｂ及び図５１Ｃに示したように、各光学透明ウィンドウ１５２は、外表面に設置されている平凸レンズ及び内表面に設置されているマイクロ構造を備える。
本発明の第五十三実施形態においては、図５２Ａ〜図５２Ｃに示したように、カバー１５０の表面には、湾曲したレンズが設置されている。図５２Ａに示したように、カバー１５０は、２つの光学透明ウィンドウ１５２を備える。各ウィンドウは、第一封止体１１１或いは第二封止体１２１の上方に位置する。図５２Ｂ及び図５２Ｃに示したように、光源側の光学透明ウィンドウは平凸レンズを備えるが、受光素子１２０側の光学透明ウィンドウは平凹レンズを備える。
本発明の第五十四実施形態においては、図５３Ａ〜図５３Ｃに示したように、カバー１５０の外表面には湾曲したレンズが設置されており、内表面にはマイクロ構造が設置されている。図５３Ａに示したように、カバー１５０は、２つの光学透明ウィンドウ１５２を備える。各ウィンドウ１５２は、それぞれ第一封止体１１１或いは第二封止体１２１の上方に位置する。図５３Ｂ及び図５３Ｃに示したように、カバー１５０は、光源側の光学透明ウィンドウ１５２は平凸レンズを備えるが、受光素子１２０側の光学透明ウィンドウは平凹レンズを備える。平凸レンズ及び平凹レンズは、カバー１５０の内表面に設置されたマイクロ構造を更に含む。
本発明の第五十五実施形態においては、図５４Ａ〜図５４Ｃに示したように、カバー１５０の表面には湾曲したレンズが設置されている。図５４Ａに示したように、カバー１５０は、２つの光学透明ウィンドウ１５２を備える。各光学透明ウィンドウ１５２は、それぞれ第一封止体１１１或いは第二封止体１２１の上方に位置する。図５４Ｂ及び図５４Ｃに示したように、各光学透明ウィンドウ１５２は、それぞれメニスカスレンズを備える。
光学センサモジュール１０は、マイクロコントローラ、アナログフロントエンドチップ、演算増幅器、光源ドライバ又はこれらの組み合わせを更に備える。マイクロコントローラは、光源１１０に光線の出射を促す又は受光素子が受信した信号を処理する集積回路チップである。アナログフロントエンドチップは、受光素子から送信されたアナログ信号を受信し且つ処理する。マイクロコントローラ及びフロントエンドは、アナログ信号をデジタル信号に変換する機能を有する。演算増幅器は、受光素子から送信されたアナログ信号を受信し且つ処理する。演算増幅器は、少なくとも信号の一部を増幅することができる。これにより、信号の増強、フィルタリング又はノイズを低減できる。光源ドライバは、ＬＥＤ又はレーザダイオード等の光源を通過する電流を制御する。アナログフロントエンドチップ、マイクロコントローラ、演算増幅器、光源ドライバ、光源及び受光素子は、基板内に取り付けられているプリント基板を介して互いに電気的に接続されている。
本発明の第五十六実施形態においては、図５５Ａ〜図５５Ｃに示したように、光学センサモジュール１０は、封止体と基板との間に位置し、受光素子１２０からの信号を受信するアナログフロントエンドチップ１４１を備える。該アナログフロントエンドチップ１４１は、基板１４０の一部として統合され且つ受光素子１２０に電気的に接続されている。
本発明の第五十七実施形態においては、図５６Ａ及び図５６Ｂに示したように、光学センサモジュール１０は、封止体に近接して位置し且つ密封壁１３１によって封止体と隔離されているアナログフロントエンドチップ１４１を備える。
本発明の第五十八実施形態においては、図５７Ａ及び図５７Ｂに示したように、光学センサモジュール１０は、２つの光源１１０、受光素子１２０、仕切り壁１３０、密封壁１３１、マイクロコントローラ１４２及び封止体に近接して位置し且つ密封壁１３１によって封止体と隔離されているアナログフロントエンドチップ１４１を備える。マイクロコントローラ１４２及びアナログフロントエンドチップ１４１は、互いに接続されており且つそれぞれ受光素子１２０に接続されている。
本発明の第五十九実施形態においては、図５８Ａ及び図５８Ｂに示したように、光学センサモジュール１０は、光源１１０、４つの受光素子１２０、マイクロコントローラ１４２及びアナログフロントエンドチップ１４１を備える。マイクロコントローラ１４２及びアナログフロントエンドチップ１４１は、それぞれ２つの第二封装体１２１の間且つ仕切り壁１３０の両側に位置している。アナログフロントエンドチップ１４１は、受光素子１２０に電気的に接続され、マイクロコントローラ１４２は、アナログフロントエンドチップ１４１に電気的に接続されて、受光素子１２０から送信された後、マイクロコントローラ１４２に処理された信号を受信する。
本発明の第六十実施形態においては、図５９Ａ及び図５９Ｂに示したように、光学センサモジュール１０は、光源１１０、４つの受光素子１２０、仕切り壁１３０、マイクロコントローラ１４２及び３つのアナログフロントエンドチップ１４１を備える。マイクロコントローラ１４２及び３つのアナログフロントエンドチップ１４１は、それぞれ２つの第二封止体１２１の間且つ仕切り壁１３０に近接して位置している。
本発明の第六十一実施形態においては、図６０Ａ及び図６０Ｂに示したように、光学センサモジュール１０は、光源１１０、４つの受光素子１２０、仕切り壁１３０、マイクロコントローラ１４２、演算増幅器１４３及び光源ドライバ１４４を備える。マイクロコントローラ１４２、演算増幅器１４３及び光源ドライバ１４４は、それぞれ２つの第二封止体１２１の間且つ仕切り壁１３０に近接して位置している。光源ドライバ１４４は、光源１１０に接続されて、発光の周波数、持続時間或いは強度を制御する。演算増幅器１４３は、受光素子１２０に電気的に接続されて光電流を増大させ、マイクロコントローラ１４２は、演算増幅器１４３に電気的に接続されて、演算増幅器１４３に処理された信号を受信する。
光学センサモジュール１０は、多方向反射光学センサモジュールであってもよい。少なくとも１つの実施形態において、多方向反射光学センサモジュールは、二方向反射光学センサモジュール５である。二方向反射光学センサモジュール５は、光を出射し且つ２つの方向の反射光を検出した後、受信した反射光を比例に基づいて電流に変換する。二方向反射光学センサモジュール５は、基板１４０にそれぞれ取り付けられた光源１１０、光源１１０上に設置されている１つの第一封止体１１１及び２つの受光素子１２０を備える。各受光素子１２０は、それぞれ第二封止体１２１に覆われており、各第二封止体１２１は、それぞれ第一封止体１１１に覆われている。二方向反射光学センサモジュール５は、単独の小型パッケージに製造してもよい。二方向反射光学センサモジュール５は、２つの受光素子１２０を介して、様々な応用において、人体の異なる部位から光を検出することができる。他の実施形態において、二方向反射光学センサモジュール５は、それぞれ密封される光源１１０及び受光素子１２０を採用できる。光源１１０及び受光素子１２０は、異なる設計の要求に基づいて、一つ或いは複数のプリント基板に設置される。また、光源１１０は、ＬＥＤアレイ或いは複数のＬＥＤを備え、受光素子１２０は、フォトダイオードアレイ或いは複数のフォトダイオードを備えることができる。
封止体の構造の特徴は、第一封止体１１１の光分離及び光出射のための設計及び第二封止体１２１の集光のための設計になっていることである。第一封止体１１１及び第二封止体１２１は、光電変換器の屈折率と環境の屈折率とを取り成す屈折率を有する。光源１１０の両側には、２つの第二封止体１２１が設置されている。特に、第一封止体１１１は、光源１１０から出射された光線を異なる方向に沿う２つの光線に分けて、２つの光線を検出対象である物体表面に導くために、所定の形状に形成されている。第一封止体１１１は、光源１１０を密封し且つ受光素子１２０を密封する第二封止体１２１を覆っている。第一封止体１１１は、屈折率の差異或いは所定の曲率を介して、出射された光の全内部反射を利用することができる。また、第一封止体１１１は出射された光線を制限する反射薄膜１８０で覆ってもよい。各第二封止体１２１は、それぞれ物体から反射された光線を集めるための所定の形状を有する。例えば、第二封止体１２１は、略角柱或いは球形の４分の１の形状を呈する。２つの第二封止体１２１は、それぞれ対称又は非対称形状に設計してもよい。また、第一封止体１１１は、特定の要件を満たすために、様々な形状に設計してもよい。例えば、第一封止剤１１１の上表面は、光源１１０の上方に交差している２つの傾斜面又は光源１１０の上方に交差している２つの浅く（やや）湾曲した曲面である。
膜層は、封止体の異なる表面に配置されて、光源１１０から受光素子１２０に届く迷光をブロックし、光線を対象物体へ導き、又は対象物体からの光線を集める。該膜層は、金属薄膜又はＡｇ或いはＴｉＯ２を大量に含有する化合物等の反射材料の薄膜であってもよい。
図６１Ｂに示したように、接触界面１９１は、第一封止体１１１の光を出射する開口及び第二封止体１２１の光を反射する開口である。封止体の接触界面の少なくとも一部に、マイクロ構造をそれぞれ形成することができる。例えば、第一封止体１１１の接触界面１９１には、第一マイクロ構造１１２が形成されている。光線が光源１１０から受光素子１２０に伝送される過程において、光線が第二封止体１１１の第一マイクロ構造１１２を通過した際、予め設定された方向に集中する。これにより、第一マイクロ構造１１２を有する第一封止体１１１は、信号強度を増強させる。
迷光をブロックするように不透明な材料から製造された壁が、封止体の側面に配置されており、光源１１０から出射された特定のスペクトルを有する波長の迷光を反射及び／或いは吸収することによりノイズを低減させる。
二方向反射光学センサモジュール５は、光源１１０、受光素子１２０、第一封止体１１１、２つの第二封止体１２１及び基板１４０を備える小型パッケージモジュールである。本発明の二方向反射光学センサモジュール５は、封止体の特定の形状を介して２つの方向の反射光学信号を測量することを目的とする。該特定の形状は、光取り出し効率の増強を介して、光を導き又は迷光を減少させる。これにより、二方向光学センサモジュール５の機能を向上させることができる。本実施形態において、１つの発光ダイオード及び２つのシリコンフォトダイオードは、プリント基板である基板１４０に取り付けられている。発光ダイオード及び２つのシリコンフォトダイオードは、それぞれエポキシ樹脂封止体に単独に密封されている。例えば、生体組織の酸素化度を測定する際、赤外線及び赤色領域の波長を検出する必要がある。従って、１つの赤色ＬＥＤ及び１つの赤外線ＬＥＤを１つの二方向光学センサモジュール５に取り付ける。他の実施形態において、光源１１０と受光素子１２０の数量或いは配置方法は限定されない。
図６１〜図６９は、二方向光学センサモジュール５の一般的な構造を示している。二方向光学センサモジュール５は、基板１４０に取り付けられている２つのＬＥＤ及び２つのシリコンフォトダイオードを備える。第一封止体１１１は光源１１０を覆っており、第二封止体１２１は２つのフォトダイオード１２０を覆っている。本実施形態において、封止体の構造及び配置は変形する。例えば、第一封止体１１１は、台形又は円筒状である。また、第一封止体１１１の接触界面には、第一マイクロ構造１１２が形成されており、第二封止体１２１の接触界面には、第二マイクロ構造１２２が形成されている。
図６１〜図６８の実施形態において、第二膜層１８１が、第二封止体１２１の上表面に配置されている。これにより、光源１１０からフォトダイオードまでの漏光及び外界の迷光の影響を低減させることができる。図６１〜図６５に示したように、第一膜層１８０が第一封止体１１１の上表面に配置されて漏光を制限することで、接触界面１９１に向かった光の出射を向上させる。２つの封止体の表面には、ＳＮＲを増強させるために所定の表面構造が形成されている。例えば、図６１Ｂに示したように、第一封止体１１１には、ほぼ光源１１０の上方に交差している２つの傾斜面１１１ａ、１１１ｂ及び図６１Ａに示す分割線１１１ｃが形成されている。各傾斜面は、それぞれ同側の第二封止体の表面に対してほぼ平行な傾斜面である。少なくとも１つの実施例において、傾斜面１１１ａ及び１１１ｂは、非対称の形状或いはサイズである。或いは円筒形を呈している。容易に理解できるように、第一膜層１８０は、第一封止体１１１の上表面に配置されており、第二膜層１８１は、第二封止体１２１の上表面に配置されている。また、第一封止体１１１の屈折率はｎ１であり、第二封止体１２１の屈折率はｎ２であり、ｎ１はｎ２と異なってもよい。
第一封止体１１１及び第二封止体の表面１２１は、所定の傾斜角及び曲率を有する。従って、ＬＥＤから出射されたより多くの光線が出射されるので、より多くの反射光がフォトダイオードに集光され、有効な信号の強度を向上させる。
本発明の第六十二実施形態においては、図６１Ａに示したように、基板１４０は、２本の直線によって３つの区域に分けられる。３つの区域は、ＬＥＤを取り囲む１つの矩形区域及びＬＥＤの両側に位置し且つ２つのフォトダイオードを取り囲む２つの矩形区域である。図６１Ｂ及び図６１Ｃに示したように、２つの第二封止体１２１は、それぞれ２つの矩形区域に水平に配置され、しかも２つのフォトダイオードを密封する２つの三角プリズムである。また、第一封止体１１１は、それぞれ２つの第二封止体１２１上に水平に配置され且つ複数のＬＥＤを密封し、並列している２つの台形プリズムである。また、第一封止体１１１上には第一膜層１８０が配置されており、第二封止体１２１上には第二膜層１８１が配置されている。即ち、２つの第一封止体１１１は、２つの第二封止体１２１の上表面に形成されており、２つの第一封止体１１１の上表面は、第一膜層１８０に覆われている。
本発明の第六十三実施形態においては、図６２Ｂ及び図６２Ｃに示したように、２つの第二封止体１２１は、それぞれ２つの矩形区域に水平に配置され且つ２つのフォトダイオードを密封する２つの三角プリズムである。また、第一封止体１１１は、それぞれ２つの第二封止体１２１上に水平に配置され且つ複数のＬＥＤを密封して、並列している２つの台形プリズムである。発光効率及び受光効率を向上させるために、第一封止体１１１及び第二封止体１２１の接触界面には、異なるマイクロ構造（例えば、図６２Ｃ及び図６２Ｄに示すＤＯＥ又はフレネルパターン）が形成されている。例として、第一マイクロ構造１１２は、第二マイクロ構造１２２より広い間隔で設置されている一組の同心円である。
本発明の第六十四実施形態においては、図６３Ａ及び図６３Ｂに示したように、２つの第二封止体１２１は、それぞれ２つの矩形区域に水平に配置され且つ２つのフォトダイオードを密封する２つの三角プリズムである。また第一封止体１１１は、それぞれ２つの第二封止体１２１上に水平に配置され且つ複数のＬＥＤを密封し、並列している２つの非対称の台形プリズムである。他の実施形態において、２つの第二封止体１２１及び２つの第二膜層１８１の構造及び材料は、それぞれ互いに異なっている。例えば、上表面の傾斜角は異なる。また、異なる屈折率の材料を使用してもよい。図６３Ｂに示したように、光源１１０と接触界面１９１との距離ｄ１は、光源と反対側の接触界面１９１との距離ｄ２より短い。２つの第一封止体１１１の上表面の傾斜角θ１及びθ２は異なる。例えば、第二封止体１２１は非対称であるので、第一封止体１１１も非対称である。また、発光効率及び受光効率を向上させるために、第一封止体１１１及び第二封止体１２１の接触界面１９１には、異なるマイクロ構造（例えば、図６３Ｃ及び図６３Ｄに示すＤＯＥ又はフレネルパターン）が形成されている。
本発明の第六十五実施形態においては、図６４Ａに示したように、基板１４０は、２本の曲線により且つ異なる方法によって３つの区域に分けられる。また、２つの矩形区域は、２つのフォトダイオードを取り囲む２つの半円区域に代替できる。２つの半円区域以外の基板１４０は、ＬＥＤを取り囲んでいる。図６４Ｂ及び図６４Ｃに示したように、２つの第二封止体１２１は、それぞれ２つの半円区域に配置され且つ２つのフォトダイオードを密封する２つの４分の１の球体である。また、第一封止体１１１は、それぞれ２つの第二封止体１２１上に水平に配置され且つ複数のＬＥＤを密封し、２つの並列している台形のプリズムである。該２つの台形のプリズムは、一体成形されるか或いは互いに独立して形成されてもよい。また、第一封止体１１１上には、第一膜層１８０が配置されており、第二封止体１２１上には、第二膜層１８１が配置されている。また、第二封止体１２１は、４分の１の楕円、一部が円錐曲線の球体或いは他の類似する構造に形成し且つ第二上表面が第二膜層１８１に覆われていることができ。２つの第一封止体１１１は、それぞれ２つの第二封止体１２１の上表面に形成されており、２つの第一封止体１１１の上表面は、第一膜層１８１に覆われている。
本発明の第六十六実施形態においては、図６５Ａに示したように、基板１４０は、２本の曲線により、異なる方法によって３つの区域に分けられる。２つの矩形区域は、２つのフォトダイオードを取り囲む２つの半円区域に代替できる。２つの半円区域以外の基板１４０は、ＬＥＤを取り囲んでいる。図６５Ｂ及び図６５Ｃに示したように、２つの第二封止体１２１は、それぞれ２つの半円区域に配置され且つ２つのフォトダイオードを密封する２つの４分の１の球体である。発光効率及び受光効率を向上させるために、第一封止体１１１及び第二封止体１２１の接触界面１９１には、異なるマイクロ構造（例えば、図６５Ｃ及び図６５Ｄに示すＤＯＥ又はフレネルパターン）が形成されている。
図６６〜図６８に示したような他の実施形態においては、発光効率を向上させるために、第一封止体１１１は、並列し且つ円筒形を呈している。第一封止体１１１の上表面は、光源１１０の上方で交差している２つの曲面である。第一封止体１１１の曲率の設計は、臨界角がθＣ＝ａｒｃｓｉｎ（ｎ１／ｎ０）の場合に発生する全反射の法則に基づく。この際、第一封止体１１１の屈折率ｎ１は、光学センサモジュール１０を取り囲む環境媒質（例えば、空気）の屈折率ｎ０より大きい。また、第一封止体１１１及び第二封止体１２１は、異なる屈折率、即ちｎ１及びｎ２を有する。つまり、第一封止体１１１と第二封止体１２１との界面は、臨界角がθＣ＝ａｒｃｓｉｎ（ｎ１／ｎ０）の場合に発生する全反射の法則に基づくので、光源１１０から受光素子１２０までの漏光を低減することができる。
第一封止体１１１及び第二封止体１２１の外表面は、様々な変型を有する。例えば、２つの第二封止体１２１の各上表面は、それぞれ上表面及び基板の間に位置し且つ所定の角度を呈する傾斜面である。１つの実施形態において、２つの第二封止体１２１の２つの上表面は、それぞれ同じ側に位置する受光素子に向かうように凹んでいる曲面である。従って、より多くの放射光がＬＥＤから出射され、より多くの反射光がフォトダイオードに集光するので、効率的な信号強度を向上させることができる。
本発明の第六十七実施形態においては、図６６Ａに示したように、基板１４０は、２本の直線によって３つの区域に分けられる。３つの区域は、ＬＥＤを取り囲む１つの矩形区域及びＬＥＤの両側に位置し且つ２つのフォトダイオードを取り囲む２つの矩形区域である。図６６Ｂ及び図６６Ｃに示したように、２つの第二封止体１２１は、それぞれ２つの矩形区域に水平に配置され且つ２つのフォトダイオードを密封する２つの三角プリズムである。また、第一封止体１１１は、それぞれ２つの第二封止体１２１上に水平に配置され且つ複数のＬＥＤを密封し且つ並列している２つの４分の１の円柱を呈するプリズムである。また、第一封止体１１１上には第一膜層１８０が配置されており、第二封止体１２１上には第二膜層１８１が配置されている。２つの第二封止体１２１は、共に又はそれぞれ形成されている。２つの第一封止体１１１の表面は第一膜層１８０に覆われている。２つの第一封止体１１１は、それぞれ２つの第二封止体１２１の上面に形成されて２つの曲面を有する円柱を呈する。
本発明の第六十八実施形態においては、上面図（図６７Ａ）に示したように、基板１４０は、別の方法により２本の曲線によって３つの区域に分けられる。２つの矩形区域は、２つのフォトダイオードを取り囲む２つの半円区域にそれぞれ代替できる。２つの半円区域以外の基板１４０はＬＥＤを取り囲んでいる。図６７Ｂ及び図６７Ｃに示したように、２つの第二封止体１２１は、それぞれ２つの半円区域に水平に配置され且つ２つのフォトダイオードを密封する２つの三角プリズムである。また、第一封止体１１１は、それぞれ２つの第二封止体１２１上に水平に配置され且つ複数のＬＥＤを密封し且つ並列している２つの４分の１の円柱を呈するプリズムである。また、第一封止体１１１上には第一膜層１８０が配置されており、第二封止体１２１上には第二膜層１８１が配置されている。２つの第二封止体１２１は、４分の１の楕円或いは部分的な円錐曲線の球体或いは他の類似する構造に形成することができる。２つの第一封止体１１１の表面は、第一膜層１８０に覆われている。２つの第一封止体１１１は、それぞれ２つの第二封止体１２１の上面に形成され且つ２つの曲面を有する円筒形を呈する。
本発明の第六十九実施形態においては、図６８Ａに示したように、基板１４０は、２本の曲線により別の方法によって３つの区域に分けられる。２つの矩形区域は、２つのフォトダイオードを取り囲む２つの半円区域に代替できる。２つの半円区域以外の基板１４０はＬＥＤを取り囲んでいる。図６８Ｂ及び図６８Ｃに示したように、２つの第二封止体１２１は、それぞれ２つの半円区域に水平に配置され且つ２つのフォトダイオードを密封する２つの三角プリズムである。発光効率及び受光効率を向上させるために、第一封止体１１１及び第二封止体１２１の接触界面１９１は、異なるマイクロ構造（例えば、図６８Ｃ及び図６８Ｄに示すＤＯＥ又はフレネルパターン）に形成されている。ＳＮＲを増強させるために、第一膜層１８０或いは壁（非透明密封材料）は、第二封止体１２１の上表面に配置されている。
本発明の第七十実施形態においては、図６９に示したように、第一封止体１１１及び第二封止体１２１は異なる屈折率を持つ。具体的には、第二封止体１２１の屈折率ｎ２は、第一封止体１１１の屈折率ｎ１より大きい。フレネルの式に基づいて、光源１１０からフォトダイオード１２０までの漏光及び外界迷光を低減する。また、第一封止体１１１及び第二封止体１２１の表面には、ＳＮＲを増強する所定の表面構造が形成されてもよい。本実施形態において、２つの第一封止体１１１は、並列した２つの円筒形を呈しているので、発光効率を向上させることができる。第一封止体１１１の曲率設計は、臨界角がθＣ＝ａｒｃｓｉｎ（ｎ１／ｎ０）の場合に発生する全反射の法則に基づくので、第一封止体１１１の屈折率ｎ１は、光学センサモジュールを取り囲む環境媒質（例えば、空気）の屈折率ｎ０より大きい。
第一封止体１１１及び第二封止体１２１の表面は、所定の傾斜角或いは所定の曲率を有し且つ第二膜層１８１が設置されている。これにより、より多くの出射光がＬＥＤから出射され、より多くの反射光が、フォトダイオードに集光されるので、有効な信号の強度を向上させる。
上面図（図６９Ａ）に示したように、基板１４０は、２本の曲線により、異なる方法によって３つの区域に分けられる。２つの矩形区域は、２つのフォトダイオードを取り囲む２つの半円区域にそれぞれ代替できる。２つの半円区域以外の基板１４０は、ＬＥＤを取り囲んでいる。図６９Ｂ及び図６９Ｃに示したように、２つの第二封止体１２１は、それぞれ２つの半円区域に水平に配置され且つ２つのフォトダイオードを密封する２つの三角プリズムである。また、第一封止体１１１は、それぞれ２つの第二封止体１２１上に水平に配置され且つ複数のＬＥＤを密封し且つ並列している２つの４分の１の円柱を呈するプリズムである。また、第一封止体１１１上には第一膜層１８０が配置されており、第二封止体１２１上には第二膜層１８１が配置されている。２つの第二封止体１２１は、４分の１の楕円、一部が円錐曲線の球体或いは他の類似する構造に形成することができる。２つの第一封止体１１１の表面は第一膜層１８０に覆われている。２つの第一封止体１１１は、それぞれ２つの第二封止体１２１の上面に形成されて２つの曲面を有する円柱を呈する。
２つの第二封止体１２１と第二膜層１８１との構造（例えば、上表面の傾斜角）及び材料（屈折率）は、互いに異なっている。更に多くの特定の応用において、第二封止体１２１は、非対称である。従って、第一封止体１１１も非対称である。また、第一封止体１１１及び第二封止体１２１の側面には、異なるマイクロ構造が形成されているため、発光効率／受光効率を向上させる。
光学センサモジュール１０は、デュアルセンサモジュール６であってもよい。デュアルセンサモジュール６は、反射光及び電気信号を検出する。デュアルセンサモジュール６は、光源１１０、光源１１０上に設置されている１つの第一封止体１１１、１つの受光素子１２０、受光素子１２０上に設置されている１つの第二封止体１２１、１つの密封壁１３１、１つの検出回路基板１７５、及び少なくとも１つの電極１７０を備える。
電極１７０は、変換器であるか、又は物体表面１９０に接触することによって形成される外部電気回路を検出するものである。電極１７０は、デュアルセンサモジュール６内の検出回路基板１７５と外部電気回路とを接続する電気導電材料である。電極１７０の材料は、良好な導電性を有する金属或いは合金材料であり、例えば、銅、金が挙げられる。また、単一の電極１７０は、異なるゼーベック係数を有する二枚の合金（例えば、アルメル及びクロメル）からなり、熱電対として機能している。電極１７０は、電極１７０と物体表面１９０（例えば、生物学的組織或いは皮膚の表面）とが適正に接触界面を形成するように配置されている。
基板１４０の一部には、検出回路基板１７５が形成されている。検出回路基板１７５は、少なくとも１つの電極１７０に電気的に接続され且つ信号を伝送するために、１つ或いは複数の電気ピンを提供する。検出回路基板１７５は、ロジック回路又は演算増幅回路をさらに含むので、電極１７０は電流、コンダクタンス、インピーダンス又は電位差等の電気的な特性を取得することができる。検出回路基板１７５は、光電変換器を有する基板１４０に統合されている又は基板１４０に接続されている単独なプリント基板であってもよい。図７３Ｂ及び図７４Ｂに示す実施形態において、基板１４０は、光源１１０及び受光素子１２０に電気的に接続されている第一部分及び電極１７０に電気的に接続されている検出回路基板１７５である第二部分を備える。
デュアルセンサモジュール６は、光学センサ部分及び電子センサ部分を含み、１枚のデュアルセンサモジュール６で多くの機能を実現できる一体型のセンサモジュールである。該デュアルセンサモジュール６は多くの利点を有する。例えば、体積の小型化及び二方向の信号のその場（ｉｎ ｓｉｔｕ）受信が挙げられる。デュアルセンサモジュール６の単一の電極１７０は、熱電対として単独で機能してもよい。また、デュアルセンサモジュール６の単一の電極１７０は、別のデュアルセンサモジュール或いは独立した電極と、共働で電極対の機能を構成する。
本発明の第七十一実施形態においては、図７０Ａに示したように、デュアルセンサモジュール６は、光源１１０、光源１１０上に設置されている第一封止体１１１、受光素子１２０、受光素子１２０上に設置されている第二封止体１２１、密封壁１３１、基板１４０、及び光源１１０と受光素子１２０との間に配置されている電極１７０を備える。図７０Ｂに示したように、光源１１０、受光素子１２０及び電極１７０は、同じ基板１４０上に配置されている。
本発明の第七十二実施形態においては、図７１Ａに示したように、デュアルセンサモジュール６は、光源１１０、光源１１０上に設置されている第一封止体１１１、受光素子１２０、受光素子１２０上に設置されている第二封止体１２１、密封壁１３１、基板１４０及び電極１７０を備える。密封壁１３１は、光源１１０と受光素子１２０との間に配置されている。２つの電極１７０は、それぞれ検出回路基板１７５の相対する両側の周縁に配置されている。密封壁１３１は、光源１１０及び受光素子１２０からの漏光（光源１１０から出射されて受光素子１２０により直接検出された光／光源１１０から出射されて物体により反射されずに受光素子１２０により直接検出された光）を低減する。密封壁１３１は、２つの方向に沿って延在することで迷光を更にブロックする。図７１Ｂに示したように、光源１１０、受光素子１２０及び電極１７０は、同じ基板１４０上に配置されている。
図７２Ａに示したように、デュアルセンサモジュール６は、光源１１０、光源１１０上に設置されている第一封止体１１１、受光素子１２０、受光素子１２０上に設置されている第二封止体１２１、密封壁１３１、基板１４０及び２つの電極１７０を備える。１つの電極は、光源１１０と受光素子１２０との間に配置されているが、もう１つの電極は、基板１４０に隣接するように配置されている。密封壁１３１は、迷光をブロックし且つ２つの電極を隔離する。密封壁１３１は絶縁性であるので、２つの電極を介して、電位差を検出することができる。図７２Ｂに示したように、光源１１０、受光素子１２０及び電極１７０は、同じ基板１４０上に配置されている。例えば、１つの電極は、光源１１０と受光素子１２０との間に配置されているが、もう１つの電極は、基板１４０の光源側に隣接するように配置されている。その他の実施形態においては、例えば、密封壁１３１は、光源１１０と受光素子１２０との間に配置されているが、２つの電極は、密封壁１３１に対して垂直に配置されている。
図７３〜図７４に示したように、基板１４０は、光源１１０及び受光素子１２０を取り付ける第一部分、及び電極１７０に電気的に接続されている検出回路基板１７５である第二部分を備える。光源１１０及び受光素子１２０は、基板１４０の第一部分上に配置されている。検出回路基板１７５は、基板１４０に機械的に接続されるか又は基板１４０内の回路に電気的に接続されることで、光学測定と電気測定との高い同期性をもたらす。
本発明の第七十四の実施形態においては、図７３Ａに示したように、検出回路基板１７５は、基板１４０の第一部分より大きい。基板１４０の第一部分及び２つの電極１７０は、検出回路基板１７５に配置されている。密封壁１３１は、光源１１０と受光素子１２０との間に配置されることで漏光を低減し且つ基板１４０の第一部分の辺縁を取り囲むように延在して外界の迷光を更にブロックする。図７３Ｂに示したように、各電極１７０は、検出回路基板１７５に電気的に接続されている。２つの電極は、基板１４０の第一部分を介して互いに隔離されている。図７４Ａに示したように、２つの電極は、限定された距離で検出回路基板１７５にそれぞれ配置されている。これにより、２つの電極は、物体表面１９０に応用する際に外部回路より小さいインピーダンスを有する。
本発明の第七十五の実施形態においては、図７４Ｂに示したように、各電極１７０は、検出回路基板１７５にそれぞれ電気的に接続されている。
図７５〜図７９に示したように、デュアルセンサモジュール６は、カバー１５０を更に備える。使用する時には、カバー１５０は、電極１７０と物体表面１９０との接触をブロックしない条件下で、封止体と物体表面１９０との間に位置する。カバー１５０は、物体表面１９０（例えば、生体組織或いは皮膚の表面）との接触界面として、デュアルセンサモジュール６の耐久性及び測定の整合性を増強する。
本発明の第七十六の実施形態においては、図７５Ａに示したように、デュアルセンサモジュール６は、光源１１０及び受光素子１２０の上方に配置されているカバー１５０を更に備える。少なくとも電極１７０の一部は、外へ向かって露出している。カバー１５０は、電極１７０を介して二つの部分に分けられているか、又は電極１７０を露出させるスロットが設けられた一枚のカバーである。図７５Ｂに示したように、カバー１５０は、密封壁１３１に機械的に連接されることで、機械的な支持を得る。
本発明の第七十七の実施形態においては、図７６Ａに示したように、カバー１５０は、光源１１０及び受光素子１２０の上方に配置されており、少なくとも２つの電極１７０の一部は、外へ向かって露出している。図７６Ｂに示したように、密封壁１３１は、光源１１０と受光素子１２０との間に配置され且つカバー１５０に機械的な支持を提供する。密封壁１３１は、基板１４０を取り囲むように延在していることで、外界の迷光をブロックし且つカバー１５０に良好な機械的な支持を提供する。
本発明の第七十八の実施形態においては、図７７Ａに示したように、カバー１５０は、光源１１０及び受光素子１２０の上方に配置されており、少なくとも電極１７０の一部は、外へ向かって露出している。また、カバー１５０は、その中央に光源１１０及び受光素子１２０の間に位置する電極１７０を露出させるスロットが設けられている一枚のカバーである。また、カバー１５０は、２つの電極１７０をそれぞれ露出させる２つのスロットが設けられた一枚のカバーであってもよい。また、カバー１５０は、電極１７０を露出させるために、二つに分離してもよい。図７７Ｂに示したように、カバー１５０に機械的な支持を提供するために、密封壁１３１が設置されている。密封壁１３１は、基板１４０を取り囲むように延在していることで、外界の迷光をブロックし且つカバー１５０に良好で機械的な支持を提供する。密封壁１３１は、電極１７０によって分けられる又は基板１４０の周縁を取り囲んだ連続した壁である。
また、カバー１５０の内表面或いは外表面を薄膜によって覆ってもよい。該薄膜は、反射防止膜（例えば屈折率整合薄膜或いは干渉薄膜）又は抗スクラッチ薄膜（例えば、ポリエチレンテレフタレート、又はシリコーンハードコーティング）である。
本発明の第七十九の実施形態においては、図７８Ａに示したように、カバー１５０の内表面及び外表面は、薄膜に覆われている。図７８Ｂに示したように、カバー１５０の外表面は、抗スクラッチ薄膜に覆われており、カバー１５０の内表面は反射防止膜に覆われている。また、カバー１５０の内表面及び外表面は同じ種類の薄膜に覆われているか、又はカバー１５０の任意の１つの表面は薄膜に覆われていない。
本発明の第八十実施形態においては、図７９Ａ〜図７９Ｃに示したように、デュアルセンサモジュール６は、封止体を覆っている薄膜１５１を更に備える。該薄膜は、光学信号のＳＮＲを更に向上できる。薄膜１５１は、反射防止膜又はフィルタ薄膜である。反射防止膜は、屈折率整合薄膜（例えばレイリー薄膜）又は干渉薄膜である。屈折率整合薄膜及び干渉薄膜は、封止体と環境媒質との界面のフレネル反射を低減させることにより、発光効率を向上する。フィルタ薄膜は、光の半値全幅（ＦＷＨＭ）を狭くし且つ低くする又は望ましくない波長からのノイズをフィルタリングするロングパスフィルタ、ショートパスフィルタ、又はバンドパスフィルタである。
図７９Ａに示したように、第一封止体１１１及び第二封止体１２１の表面は、薄膜１６０に覆われている。図７９Ｂ及び図７９Ｃに示したように、第一封止体１１１上の薄膜１６０は、反射防止膜であり、第二封止体１２１上の薄膜１６０は、バンドパスフィルタである。反射防止膜は、発光効率を向上させることができ、バンドパスフィルタは、ノイズを低減させることができる。また、第一封止体１１１上の薄膜１６０は、バンドパスフィルタであり、第二封止体１２１上の薄膜１６０は、反射防止膜である。これにより、放射光の半値全幅は、明確なカットオフ波長を有しており、フォトダイオードは、波長が特定の範囲内においてフィルタリングされた後の信号を検出する。蛍光測定において、明確な蛍光信号を取得し且つ励起光を避けるために、ロングパスフィルタを、第二封止体１２１に使用する。
該統合は、光信号及び電気信号の受信を有利にし、また、受信した信号の中から必要な情報を計算する。デュアルセンサモジュールは、光信号及び電気信号をその場（ｉｎ ｓｉｔｕ）で受信し且つ有用な生理学的パラメータを演算することができる。具体的には、先ず２つの電極の間の電位差は、対象物の回路に並列接続することを介して測定することができる。例えば、時系列分析により、人体表面上に設置された電極間の電位差を測定することにより、心電図信号を取得することができる。また、デュアルセンサモジュールと接触する物体の電気インピーダンスは、物体表面１９０に直列接続することで測定できる。例えば、測定されたインピーダンスに基づいて更に計算することで、生物学的組織の脂肪含量又は水和状態が分かる。また、電極は、熱電対として物体の温度を測定できる。例えば、人体表面の温度は、体内温度の基準値として測定される。例えば、脈波伝播速度は、パルスの位相差から算出できる。また、ある疾患状態は、生体電気インピーダンスの位相角から推定することができる。
通常、光学センサデバイス或いは光学センサアクセサリーは、ハウジングに設置されている１つ又は複数の光学センサモジュール１０及び他の電気モジュールの統合体である。他の電気モジュールは、光学センサモジュール１０が光学信号を伝送、デジタル化、処理、又は記憶し且つ光学信号を他の関連情報と組み合わせることを助ける。またハウジングは、他の電気モジュールを外部損傷から保護し且つ携帯使用のためのヒューマンインタフェースを提供する。該統合は、光信号の受信及び受信された光学信号を意味ある情報に変換することを支援する。特に、光学ウィンドウの範囲において、入射光は、生体組織の奥に伝送することができる。これにより、生体組織の表面下の情報を、反射光により取り出すことができる。また、特定波長のスペクトル分析を介して、計算された後の生化学的又は生理学的パラメータを更に取得する。生体内又は生体外での生物学的サンプルの光学的特性に対する分析は、光学センサデバイスの実行を介して実現する。従って、本発明の光学センサデバイスの技術により、光信学号を、より容易に取得し且つ応用することができる。
特定の応用目的に基づいて、光学センサデバイス或いは光学センサアクセサリーは、少なくとも１つの光学センサモジュール及び１つのハウジングを含む。光学センサモジュール１０は、本発明において定義されている一般的な光学センサモジュール、多方向光学センサモジュール又はデュアルセンサモジュールである。他の電気モジュールは、図８１Ａに示したように、マイクロプロセッサ２０、通信モジュール６０、電池５０、メモリ４０、ＧＰＳ受信モジュール７０或いは他の種類のセンサである。ウェアラブルハウジングは、光学センサモジュールを搭載し且つ携帯して使用できるように人体に取り付けることができる。
マイクロプロセッサ２０は、ＡＲＭ（Ａｄｖａｎｃｅｄ ＲＩＳＣ Ｍａｃｈｉｎｅｓ）をベースとしたマイクロプロセッサ又は８０８６ｘのマイクロプロセッサである。ＡＲＭをベースとしたマイクロプロセッサ又は８０８６ｘのマイクロプロセッサは、通常モバイルデバイスに応用され、大量のデータを処理することができ且つエネルギーを節約する利点を有する。またマイクロプロセッサ２０は、アナログ信号を処理するアナログ入力ピンを備える。
入力インタフェースモジュール３１は、伝統的な演算素子のキーボード、マウス、マイクロフォン、又はモバイルデバイスのタッチスクリーン、マイクロフォン、カメラを含む。出力インタフェースモジュールは、視覚的或いは聴覚的な情報を出力する。視覚的な出力インタフェースモジュール３６は、マイクロプロジェクタ、ＬＥＤ、ＯＬＥＤ、電子ペーパーディスプレイであり、聴覚的な出力インタフェースモジュール３７は、ブザー、スピーカー又は圧電ブザーである。
メモリ４０は、光学センサデバイスのマイクロプロセッサ２０に分配されたデジタル情報を記憶する。メモリ４０は、システムバッファとして大量の入力データを処理し、又は、後で他の演算素子或いはクラウドサーバに出力する際の記憶装置として構造化情報を保存する。メモリ４０は、揮発性又は不揮発性である。揮発性メモリは、ほとんどのモバイルデバイス内のランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ，ｒａｎｄｏｍ ａｃｃｅｓｓ ｍｅｍｏｒｙ）であり、不揮発性メモリは、フラッシュメモリである。
光学センサデバイスの電源は、デバイスの実行に必要な電力を提供する。電源は、電池５０、変圧器、又は直流電源に接続されている送電線である。一次電池及び二次電池は、光学センサデバイスの電源として利用される。少なくとも１つの実施形態において、一次電池及び二次電池は、リチウム電池である。他の実施形態において、一次電池及び二次電池は、所望の放出速度、ライフサイクル、及び再充電を可能にする電池である。
通信モジュール６０は、制御信号又はデータ信号の電子信号を光学センサデバイスと外部デバイスとの間に伝送する。通信モジュール６０は、有線通信モジュール６１或いは無線通信モジュール６６である。有線通信モジュール６１は、シングルワイヤ、ＵＳＢ、Ｉ２Ｃ（Ｉｎｔｅｒ‐Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）、又はＳＰＩ（Ｓｅｒｉａｌ Ｐｅｒｉｐｈｅｒａｌ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）である。無線通信モジュール６６は、無線ＬＡＮ、標準的なブルートゥース（登録商標）、ブルートゥース（登録商標）ロウエネルギー、又は携帯電話無線ネットワーク（例えば、ＧＳＭ（登録商標）、３Ｇ、又は４Ｇ）である。アナログフロントエンドチップは、アナログ信号を伝送できるブルートゥース（登録商標）モジュールの一部として統合されている。
ＧＰＳ受信モジュール７０は、地理情報を集め且つ光学情報を集める場所を記録する。時系列の記録を介して、ＧＰＳ情報は、ユーザに対して、ユーザの移動及びユーザの移動速度の連続する軌跡を提供する。
また、熱的信号、機械的信号或いは生体電位信号を電気信号に変換する他のセンサを、光学センサデバイスに組み込むことで、より多くの環境情報及び生理学的な情報を提供する。例えば、電子温度計８２は外界温度及び体温を測定し、加速度計８１は人体の動きを検出し、心電計は心臓の電気的な活動を検出する。また、生体組織の電気的な特性（例えば、電気インピーダンス或いは導電性）は、生理学的情報（例えば、体脂肪指数或いは湿度）を示すことができる。
ハウジングは、光学センサモジュール及び電気モジュールを取り付けるための適当な容器を提供し且つ外部デバイスに十分な連続界面を提供する。また、特定の人体区域の測定整合性及びユーザに対して、光学センサデバイスの正確な使用を補助する。本発明の第八十一実施形態においては、図８０Ａに示したように、ハウジングは、手持式デバイス或いはウェアラブルデバイスのハウジングである。手持式デバイス９１の特徴として、サイズが小型であり軽量であることが挙げられる。また、モバイル応用に対応できるよう頑丈である。ウェアラブルデバイスは、人体取り付け部及びモジュール搭載部を備える。人体取り付け部は環状のアクセサリー９６であり、人体のある部分を取り囲むように取り付けることができる。環状のアクセサリー９６は、例えば、リストバンド（本発明の第八十二実施形態、図８０Ｂ）、ヘッドバンド、アンクルバンド、ネックレス、ベルト、腕時計（本発明の第八十三実施形態、図８０Ｃ）等である。また、人体取り付け部は、生体適合性を有する接着剤或いはゲルを介して人体に貼り付けるパッチ状のアクセサリー９７（図８０Ｄ）であってもよい。例えば、テープ、パッド、パッチ等である。また、人体取り付け部はフック状を呈してもよい。例えば、耳栓、耳あて型ヘッドホン又は眼鏡のフレーム等である。本発明の第八十八実施形態においては、図８７Ｄに示したように、ハウジングは、透明な開口１５３を備えるので、反射型光学センサモジュール、光センサモジュール、多方向光学センサモジュール５或いはデュアルセンサモジュールに光路を提供する。透明な開口１５２は、カバー１５０を備え、カバー１５０の上表面には、マイクロ構造、湾曲したレンズ、薄膜或いはこれらの組み合わせが形成されている。
本発明において、光学センサアクセサリー１１又は光学センサデバイス１２は、１つの光学センサモジュール１０、１つの多方向光学センサモジュール５、１つのデュアルセンサモジュール６或いはこれらの組み合わせである。光学センサアクセサリー１１は、後の信号処理のために取得された信号を演算素子に伝送する通信モジュール６０を備える。光学センサデバイス１２は、受信された光学信号を管理するプロセッサを有する。以下、詳細に説明する。
光学センサアクセサリー１１は、１つ或いは複数の光学センサモジュール１０から受信した光学信号を演算素子に伝送する。光学センサアクセサリー１１は、少なくとも１つの光学センサモジュール１０、１つの通信モジュール６０及び１つのハウジングを備える。図８１Ａに示したように、光学センサモジュール１０は、光学信号を集めた後、通信モジュール６０を介して１つの独立した演算素子に伝送する。演算素子９は、光学センサデバイス１２又はモバイルデバイス（例えば、スマートフォン）である。本発明の第八十五実施形態においては図８１Ａ〜図８１Ｃに示したように、光学センサアクセサリー１１は、電子信号を演算素子に伝送する。本実施形態において、光学センサアクセサリー１１は、１つの光学センサモジュール１０、１つのシリアルケーブルプラグ及有線パッチプローブである１つのウェアラブルハウジングを備える。図８１Ｂに示したように、外部演算素子に連接することで、アクセサリーデバイスは、演算素子から電力サポート及び制御信号を受け取り且つシリアルケーブルを介して変換された信号を演算素子に送信する。また、図８１Ｃに示したように、有線パッチプローブは、複数の光学センサモジュール１０を備える。本発明の第八十六実施形態において図８２Ａに示した無線センサアクセサリーの場合、無線周波数による信号伝送を給電するための電池５０が必要である。演算素子は、光学センサアクセサリーを起動させ且つ受信信号を管理することができる。図８２Ｂに示したように、複数の無線光学センサアクセサリー１１は、演算素子に連接される又は統合されている。
また、本発明に係る光学センサデバイス１２は、１つの内部光学センサモジュール１０又は外部センサデバイス８からの光学信号を管理する。内部光学センサモジュール１０は、マイクロプロセッサ２０に電気的に接続されているが、通信モジュール６０を介して外部センサデバイスマイクロプロセッサに電気的に接続されている。光学センサデバイス１２は、１つの光学センサモジュール１０、１つのマイクロプロセッサ２０、１つの電池５０、１つのメモリ及び１つのハウジングを備える。
本発明の第八十七実施形態においては、図８３Ａ〜図８３Ｃに示したように、光学センサデバイス１２は、光学信号の受信、処理、記憶及び変換を行う。少なくとも１つの実施形態において、光学センサデバイス１２は、１つの光学センサモジュール１０、１つのＡＲＭコアマイクロプロセッサ、１つのフラッシュメモリ及び１つのリチウム電池を備える。光学センサモジュール１０は、生体組織の光学信号を受信して電気信号に変換してマイクロプロセッサ２０に送信する。光学センサデバイス１２の一般的な構造は、図８３に示されている。他の電気モジュールは、光学センサデバイス１２に統合されている。光学センサモジュール１０は、光学信号を集めた後光学センサデバイス１２に伝送し、次いで光学センサデバイス１２は、受信された光学信号を処理する。図８３Ｂ及び図８３Ｃに示したように、電気モジュールを備える光学センサデバイス１２は、光学センサ時計であり、受信された光学信号を電気信号に変換して、該電気信号をマイクロプロセッサ２０によって処理して生理的なパラメータとして出力した後メモリに記憶する。例えば、光学センサモジュール１０は、検出対象とする生体組織の赤外及び赤色区域の吸光度を検出して電気信号に変換して、生理的パラメータ（例えば、酸素飽和度）として処理された後、フラッシュメモリに記憶される。図８３Ｂに示したように、１つの光学センサ時計において、時計の文字盤には１つの透明な開口１５３が設けられている。該透明な開口１５３には光学センサモジュール１０が設置されている。図８３Ｃに示したように、光学センサ時計において、ケースの背面には別の透明な開口１５３が設けられており、該透明な開口１５３には、光学センサモジュール１０が設置されている。
光学センサデバイス１２は、１つの光学センサモジュール１０、１つのＡＲＭコアマイクロプロセッサ、１つのフラッシュメモリ及び１つのリチウム電池を備える。該光学センサデバイス１２は、１つの入力モジュール３１、１つの可視的な出力モジュール３６、１つの可聴的な出力モジュール３７を更に備える。入力インタフェースモジュール３１は、タッチスクリーンモジュールである。ユーザは、タッチスクリーンを介して１つの要求を入力して、光学センサデバイス１２に信号を受信させる制御信号をセンサモジュールに送信させる。またユーザは、タッチスクリーンを介して１つの要求を入力して、記憶された生理的な情報を表示装置に表示させることができる。また、出力モジュール、例えば、ブザーは、故障早期発見器或いは緊急警報信号装置とすることができる。
光学センサデバイス１２は、通信モジュール６０を更に備えるので、光学センサデバイス１２と他の外部デバイスとの間の情報を統合することができる。本発明の第八十八の実施形態においては、図８４Ａに示したように、光学センサデバイス１２は、１つのマイクロプロセッサ２０、１つの通信モジュール６０、１つのメモリ４０及び１つの電池５０を備える。通信モジュール６０は、外部デバイスと通信するブルートゥース（登録商標）モジュールである。光学センサデバイス１２は制御信号を送信して、外部デバイスを制御する又は外部デバイスからの信号を受信する。例えば、図８４Ｂに示したように、外部デバイスは、他のアクセサリーセンサデバイスであってもよい。つまり、光学センサデバイス１２は、多種の応用に適している。
ウェアラブルの光学センサデバイス１２は、他の光学センサデバイス１２に接続されて、生理的な情報により更なる情報管理を行う。すくなくとも１つの実施形態において、他の演算デバイスは、手持式光学センサデバイス或いはスマートモバイルデバイス（例えば、ｉＰｈｏｎｅ（登録商標）或いはタブレットパソコン等）である。従って、光学センサデバイス１２は、低消費電力、より低いハードウエア要求も満たし、良好な互換性を持つ。
本発明の第八十九の実施形態においては、図８５Ａに示したように、光学センサデバイス１２は、別の光学センサデバイス１２に接続されている。その中で、１つの光学センサデバイスは、基本的な電気モジュール、例えば、光学センサモジュール１０、マイクロプロセッサ２０、無線通信モジュール６６を備えるので、より多くの機能の電気モジュールを備える他の光学センサデバイスに接続することができる。
ウェアラブル光学センサデバイス１２は、測定の精確性を向上させるので、生理的な状況の記録に適用できる。また、反射型の光学センサモジュール１０は先進的な性能を有するので、複数の人体の部位に対する測定により、多くの役立つ生理的な情報がもたらされる。本実施形態において、血液における酸素含有量を応用の例とする。無論、複数の人体部位からの光学信号もその他に応用できる。複数の人体部位からの生理的なパラメータは、複数の人体部位間のエリア差を示す。例えば、額の血液における酸素含有量は、手首の血液における酸素含有量と異なっている。同様に、相位差は、任意の２つの人体部位の生理的パラメータの輸送状況を示す。例えば、脈波伝播速度は、パルスの位相差から算出することができる。さらに、連続して複数の人体部位を監視することで、生理的な情報の時間‐解剖学の分布を提供する。本発明の第九十実施形態において、図８６Ａ及び図８６Ｂには、光学センサデバイス１２が示されている。図８６Ａに示したように、光学センサデバイス１２を、額及び手首に適用し、又は図８６Ｂに示したように、光学センサデバイス１２を、１つの手の手首及び別の手の指の測定に適用する。図８１Ｃに示したように、複数の光学測定は、複数のプローブを有する光学センサアクセサリー１１を介して実行する。さらに複数の光学測定は、複数の光学センサアクセサリー１１の統合を介して実行する。
本発明の第九十一実施形態において、光学センサデバイス１２は、二方向光学センサモジュール５を備える。光学センサデバイス１２は、図８７Ａ〜図８７Ｄに示すウェアラブル時計である。図８７Ａに示したように、光学センサデバイス１２のハウジングにおいて、環状ハウジングの内側面には、１つの開口が設けられており、図８７Ｂに示したように、環状ハウジングの外側面には、１つの開口が更に設けられている。２つの開口は、二方向光学センサモジュール５の接触表面を露出している。従って、光源１１０から放出した光は、異なる方向に向かう受光素子１２０によって集光される。図８７Ｃに示したように、二方向光学センサモジュール５は、ハウジングの外側に向かう１つの接触界面及びハウジングの内側に向かう別の１つの接触界面を備える。図８７Ｄに示したように、二方向光学センサモジュール５は、ウェアラブルハウジングに設置されている。二方向光学センサモジュール５は、ハウジングの透明な開口１５３に位置する。透明な開口１５３は、カバー１５０を更に備え、カバー１５３には、マイクロ構造が設置されている又はカバーの表面には、マイクロ構造、湾曲したレンズ或いは薄膜が設置されている。
光学センサデバイス１２は、１つの光学センサモジュール１０、１つのＡＲＭコアマイクロプロセッサ、１つのフラッシュメモリ、１つのリチウム電池、他のセンサモジュール、又はＧＰＳ受信モジュール７０を更に備える。従って、生理的な情報に付随して、他の関連情報を記憶し且つ処理することができる。例えば、電子温度計８２によって体温を検出し、ＥＣＧ検出リードによって心電図（ＥＣＧ，ｅｌｅｃｔｒｏｃａｒｄｉｏｇｒａｍ）を検出する。光学センサデバイス１２は、血中酸素飽和レベル及びＥＣＧ情報を記憶し且つパルス通過時間（ＰＴＴ，ｐｕｌｓｅ ｔｒａｎｓｉｔ ｔｉｍｅ）を血圧として更に計算する。また、加速度計８１によって取得された動き情報は、運動状態を評価し且つスポーツ医学に適用される。ＧＰＳ受信モジュール７０を統合することで、光検出装置１２は、関連地理位置及び運動状態に伴う時系列における体温、心電図、血液酸素化及び血圧等のユーザの生理学的な情報を記録することができる。例えば、ＧＰＳ受信モジュール７０によって取得された地理情報を、地理医学用途のために、生理学的情報と一緒に記憶する。
本発明の技術によって、個人健康情報管理は、様々な応用でユーザに大きな利益をもたらす。例えば、スマート光学センサモバイルデバイスは、通信モジュール６０を更に備えることで、インタネットに連接し且つクラウドサーバに情報を送信してビッグデータの収集及び分析を実現する。しかも、光学センサデバイス１２は、スマートセンサデバイスが異常の生理学的な状况を検出するとき、ユーザ或いは周囲の人に警報を行う。緊急時、スマート光学センサデバイス１２は、電話をかけ又はインスタントメッセージを送信することにより、関係機構、例えば、病院や救急部門に通知して緊急対応を依頼する。本発明の技術によって、光学センサデバイス１２は、総合的な情報によってポイントオブケア（ＰＯＣ，ｐｏｉｎｔ ｏｆ ｃａｒｅ）サービスを実現することができる。個人的な、携帯可能的な、長期的な、及び連続の健康監視を実現することがでる。
一般的に、マルチサイト測定デバイスは、ハウジングに設置されている複数の光学センサモジュール及び他の電気モジュールの統合体である。他の電気モジュールは、光学センサモジュールが光学信号を伝送したり、デジタル化したり、処理したり、又は記憶したり且つ光学信号を他の関連情報と組み合わせすることを助ける。同時に、ハウジングは、他の電気モジュールを外部損傷から保護し且つ携帯使用のためのヒューマンインタフェースを提供する。該統合は、光信号を受信し且つ受信された光学信号を意味ある情報に変換することに助ける。特に、光学窓の範囲において、入射光は、生体組織の奥に伝送することができ、従って、生体組織の表面の下の情報は、反射光により取り出されることができる。特定波長のスペクトルを分析すると、計算された生化的な又は生理学的パラメータが更に取得される。生体内又は生体外での生物学的サンプルの光学的特性に対する分析は、マルチサイト測定デバイスの実行を介して達成する。従って、本発明のマルチサイト測定デバイスの技術で、受信した光信号を、より容易に獲得し且つ応用できる。
マルチサイト測定は、１つのマルチサイト測定アクセサリー１５、１つのマルチサイト測定デバイス１６或いは１つのマルチサイト測定システム１７によって実行される。マルチサイト測定アクセサリー１５、マルチサイト測定デバイス１６或いはマルチサイト測定システム１７は、少なくとも２つの反射型光学センサモジュール１０９を備える。２つの反射型光学センサモジュール１０９は、光を放射し且つ物体表面から反射された光を測定する。反射型光学センサモジュール１０９は、光学センサモジュール１０、多方向光学センサモジュール５又はデュアルセンサモジュール６である。反射型光学センサモジュール１０９は、少なくとも光源１１０及び受光素子１２０を含むセンサモジュールである。
図８８〜図９０は、マルチサイト測定アクセサリー１５、マルチサイト測定デバイス１６又はマルチサイト測定システム１７を示している。
マルチサイト測定アクセサリー１５は、複数の光学センサモジュール１０から送信される光学信号を演算素子に伝送する。マルチサイト測定アクセサリー１５は、通信モジュール６０を含むので、更に信号処理のために、受信された信号を演算素子に伝送することができる。該マルチサイト測定アクセサリー１５は、複数の光学センサモジュール１０、１つの通信モジュール６０及び１つのハウジングを備える。本発明の第九十二実施形態においては、図８８に示したように、光学センサモジュール１０は、光学信号を電気信号に変換した後、通信モジュール６０を介して１つの独立した演算素子に伝送する。マルチサイト測定アクセサリー１５は、通信モジュール６０を介して複数の光学センサモジュール１０から送信の光学信号を演算素子に伝送する。少なくとも１つの実施形態において、マルチサイト測定アクセサリー１５は、３つの光学センサモジュール１０、１つのシリアルケーブルプラグ及有線パッチプローブである１つのウェアラブルハウジングを備える。外部演算素子９に連接することで、マルチサイト測定アクセサリー１５は、演算素子から電力サポート及び制御信号を受け取り且つシリアルケーブルを介して変換された信号を演算素子に送信する。無線通信モジュールの場合、無線周波数による信号伝送を給電するための電池５０が必要である。マルチサイト測定アクセサリー１５に接続されている外部の演算素子は、マルチサイト測定アクセサリー１５の実行を促し且つ受信した光学信号を処理することができる。マルチサイト測定アクセサリー１５は、小さい体積を有して、モバイル応用に適用される。集められた生理学的な情報の殆どは、モバイルデバイスに伝送され且つ更に処理される。
また、本発明に係るマルチサイト測定デバイス１６は、内部光学センサモジュール又は外部センサデバイスからの光学信号を管理する。２つの光学センサモジュール１０９は、マイクロプロセッサ２０に電気的に接続されているが、通信モジュール６０を介して外部センサデバイスマイクロプロセッサに電気的に接続される。マルチサイト測定デバイス１６は、少なくとも２つの光学センサモジュール１０９、１つのマイクロプロセッサ２０、１つの電池５０、１つのメモリ及び１つのハウジングを備える。本発明の第九十三実施形態において、マルチサイト測定デバイス１６の通常の構造は、図８９に示されている。他の電気モジュールは、マルチサイト測定デバイス１６に統合されている。光学センサモジュール１０９は、光学信号を集めた後、マイクロプロセッサ２０に伝送して、マイクロプロセッサ２０は、受信した光学信号を処理する。
光学センサモジュール１０は、生体組織の光学信号を受信して電気信号に変換してマイクロプロセッサ２０に送信する。マルチサイト測定デバイス１６は、図８７Ａ〜図８７Ｄに示したようなマルチサイトセンサ時計である電気モジュールを備え、受信した光学信号及び電気信号を、マイクロプロセッサ２０を介して処理して生理的なパラメータとして出力した後、メモリ４０に記憶する。例えば、検出対象とする生体組織の赤外及び赤色区域の吸光度を、光学センサモジュールによって検出して電気信号に変換し、生理的なパラメータ（例えば、酸素飽和度）として処理した後、フラッシュメモリに記憶する。
本発明の第九十四実施形態においては、図９０に示したように、マルチサイト測定システム１７は、反射型光学センサモジュール１０９を備える光学センサデバイス及び反射型光学センサモジュールを備える光学センサアクセサリーを備える。光学センサアクセサリーは、第一反射型光学センサモジュール１０９、第一マイクロプロセッサ２０、第一通信モジュール６０及び第一ハウジングを備える。光学センサデバイスは、第二反射型光学センサモジュール１０９、第二マイクロプロセッサ２０、電池５０、メモリ４０、第二通信モジュール６０及び第二ハウジングを備える。該通信モジュール６０は、無線通信モジュール６６であり、例として、マルチサイト測定システム１７に通信を実行するブルートゥース（登録商標）モジュールが挙げられる。光学センサデバイスは、制御信号を送信し又は光学センサアクセサリーから受信された信号を受信する。
マルチサイト測定デバイスは、測定の精確性を向上させるので、本発明のマルチサイト測定は、生理的な状況の記録に適用できる。また、マルチサイト測定デバイスは、先進的な性能を有するので、複数の人体の部位に対する測定により、多くの役立つ生理的な情報がもたらされる。本実施形態において、血液における酸素含有量を応用の例とする。無論、複数の人体部位からの光学信号もその他に応用できる。複数の人体部位からの生理的なパラメータは、複数の人体部位間のエリア差を示す。例えば、額の血液における酸素含有量は、手首の血液における酸素含有量と異なっている。同様に、相位差は、任意の２つの人体部位の生理的なパラメータの輸送状況を示す。例えば、脈波伝播速度は、パルスの位相差から算出することができる。さらに、連続して複数の人体部位を監視することで、生理的な情報の時間―解剖学の分布を提供する。
５ 光学センサモジュール
６ デュアルセンサモジュール
８ 外部センサデバイス
９ 演算素子
１０ 光学センサモジュール
１２ 光学センサデバイス
１５ マルチサイト測定アクセサリー
１６ マルチサイト測定デバイス
１７ マルチサイト測定システム
２０ マイクロプロセッサ
３１ 入力インタフェースモジュール
３６ 視覚的な出力インタフェースモジュール
３７ 聴覚的な出力インタフェースモジュール
４０ メモリ
５０ 電池
６０ 通信モジュール
６１ 有線通信モジュール
６６ 無線通信モジュール
７０ ＧＰＳ受信モジュール
８１ 加速度計
８２ 電子温度計
９１ 手持式デバイス
９６ 環状のアクセサリー
９７ パッチ状のアクセサリー
１０９ 光学センサモジュール
１１０ 光源
１１１ 第一封止体
１１１ａ、１１１ｂ 傾斜面
１１２ 第一マイクロ構造
１１３ 第一方向性光学部品
１２０ 受光素子
１２１ 第二封止体
１２２ 第二マイクロ構造
１２３ 第二方向性光学部品
１３０ 仕切り壁
１３１ 密封壁
１４０ 基板
１４１ アナログフロントエンドチップ
１４２ マイクロコントローラ
１４３ 演算増幅器
１４４ 光源ドライバ
１５０ カバー
１５１ 薄膜
１５２ 光学透明ウィンドウ
１５３ 開口
１６０ 薄膜
１７０ 電極
１７５ 検出回路基板
１８０ 第一膜層
１８１ 第二膜層
１９０ 物体表面
１９１ 接触界面
３１０ 内側面
３１５ 傾斜角度

Claims (14)

  1. 基板と、
    前記基板に設置されている光源と、
    前記光源上に設置されている第一封止体と、
    前記基板に設置されている受光素子と、
    前記受光素子上に設置されている第二封止体と、
    前記基板に連接されており且つ前記光源と前記受光素子との間に設置されている仕切り壁と、
    を備え、生体組織における測定に用いられる光学センサモジュールであって、
    少なくとも前記仕切り壁の一部が、所定の距離で少なくとも前記第一封止体及び前記第二封止体の一方から間隔をあけて設置されており、
    前記第一封止体の上表面に、前記受光素子に向かって凹んでいる一組の同心円弧状の第一マイクロ構造が形成されていて、前記第二封止体の上表面に、一組の同心円状の第二マイクロ構造が形成されていることを特徴とする光学センサモジュール。
  2. 少なくとも前記第一封止体及び前記第二封止体の一方の内側面に設置されている方向性光学部品を更に備えることを特徴とする請求項１に記載の光学センサモジュール。
  3. 前記方向性光学部品が傾斜面であることを特徴とする請求項２に記載の光学センサモジュール。
  4. 前記方向性光学部品が湾曲したレンズであることを特徴とする請求項２に記載の光学センサモジュール。
  5. 前記受光素子が、前記光源を取り囲むことを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の光学センサモジュール。
  6. 前記第二封止体が、前記光源を取り囲むことを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の光学センサモジュール。
  7. 前記基板に連接されており且つ前記光源、前記仕切り壁及び前記受光素子を取り囲む密封壁を更に備えることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の光学センサモジュール。
  8. カバーを更に備えることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の光学センサモジュール。
  9. 前記カバーに湾曲したレンズが形成されていることを特徴とする請求項８に記載の光学センサモジュール。
  10. 前記カバーにマイクロ構造が形成されていることを特徴とする請求項８に記載の光学センサモジュール。
  11. 前記カバーが薄膜に覆われており、前記薄膜が、抗スクラッチ薄膜、反射防止膜又はフィルタ薄膜であることを特徴とする請求項８から１０のいずれか一項に記載の光学センサモジュール。
  12. アナログフロントエンドチップ、マイクロコントローラ、演算増幅器、及び光源ドライバのうち少なくとも一つを更に備えることを特徴とする請求項１から１１のいずれか一項に記載の光学センサモジュール。
  13. 少なくとも１つの請求項１から１２のいずれか一項に記載の光学センサモジュールと、
    前記光学センサモジュールに電気的に接続されている通信モジュールと、
    前記光学センサモジュール及び前記通信モジュールを収容するハウジングと、
    を備える光学センサアクセサリー。
  14. 少なくとも１つの請求項１から１１のいずれか一項に記載の光学センサモジュールと、
    前記光学センサモジュールに電気的に接続されているマイクロプロセッサと、
    前記光学センサモジュール及び前記マイクロプロセッサに電気的に接続されるメモリと、
    前記光学センサモジュール及び前記メモリに電気的に接続される電源と、
    前記光学センサモジュール、前記マイクロプロセッサ、前記メモリ及び前記電源を収容するハウジングと、
    を備え且つ光学特性を検出する光学センサデバイス。
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