TWI475193B - 光學測距系統及其運作方法 - Google Patents

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TWI475193B TW100142235A TW100142235A TWI475193B TW I475193 B TWI475193 B TW I475193B TW 100142235 A TW100142235 A TW 100142235A TW 100142235 A TW100142235 A TW 100142235A TW I475193 B TWI475193 B TW I475193B
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Description

光學測距系統及其運作方法
本發明係關於一種人機介面系統，特別係關於一種可偵測使用者生理特徵之光學測距系統及其運作方法。
習知光學測距系統利用一光感測器，例如近接感測器(proximity sensor)、周圍光感測器(ambient light sensor)偵測環境光之強度變化以偵測物件之一相對距離，並根據該相對距離據以控制一電子裝置的操作，例如暫時啟閉特定功能。目前，光學測距系統已廣泛應用於各式可攜式電子裝置，例如行動電話、平板電腦及個人數位助理。隨著工業化的發展，使用者使用各式可攜式電子裝置的時間逐漸增加，甚至超出體力負荷而不自覺。然而，習知光學測距系統並無法用以偵測使用者當時的生理狀況。
習知血氧飽和儀(pulse oximeter)係利用非侵入式的方式來偵測使用者之血氧濃度及脈搏數，其可產生一紅光光束(波長約660奈米)及一紅外光光束(波長約910奈米)穿透一待測部位，並利用帶氧血紅素(oxyhemoglobin)及去氧血紅素(Deoxyheamo-globin)對特定光譜具有不同吸收率之特性以偵測穿透光的光強度變化，例如參照美國專利第7,072,701號，標題為血氧濃度的監測方式(Method for spectro-photometric blood oxygenation monitoring)。偵測出兩種波長之穿透光的光強度變化後，再以下列公式計算血氧濃度
血氧濃度=100%×[HbO2 ]/([HbO2 ]+[Hb])；
其中，[HbO2 ]表示帶氧血紅素濃度；[Hb]表示去氧血紅素濃度。
一般血氧飽和儀所偵測到的兩種波長之穿透光的光強度會隨著心跳而呈現如第1圖所示的變化，這是由於血管會隨著心跳不斷地擴張及收縮而使得光束所通過的血液量改變，進而改變光能量被吸收的比例。藉此，根據不斷變化的光強度資訊則可計算血液對不同光譜之吸收率，以分別計算帶氧血紅素濃度及去氧血紅素濃度等生理資訊，最後再利用上述血氧濃度公式計算血氧濃度。
然而，由於血氧飽和儀係偵測穿透光線的光強度變化，因而會隨著不同的待測部位而偵測到不同的光強度信號；此外，當血氧飽和儀所偵測之待測部位發生移動時，則會偵測到劇烈變動的混亂波形而無法據以正確計算出生理資訊，因而其並不適合用於移動中操作的電子裝置。
有鑑於此，本發明提出一種可偵測使用者生理特徵之光學測距系統及其運作方法，用以同時偵測手指距離、手指動作以及生理特徵，其於偵測生理特徵時，可消除手指移動所造成的訊號雜訊。
本發明之一目的在提供一種光學測距系統及其運作方法，可用以偵測一手指距離及一手指動作，並當該手指距離介於一預設範圍時可用以偵測一使用者生理特徵。
本發明之另一目的在提供一種光學測距系統之控制晶片，其透過分析手指的反射光訊號以偵測一手指距離、一手指動作及一生理特徵，並輸出經編碼、排序及/或壓縮之該手指距離、手指動作及生理特徵。
本發明之另一目的在提供一種光學測距系統及其運作方法，其可偵測一手指距離、一手指動作及一生理特徵，並具有消除環境光源影響的機制。
本發明之另一目的在提供一種光學測距系統及其運作方法，其可偵測一手指距離、一手指動作及一生理特徵，並具有降低雜訊的機制。
本發明之另一目的在提供一種光學測距系統及其運作方法，其可偵測一手指距離、一手指動作及一生理特徵，並可補償溫度變化所造成的頻率飄移。
本發明之另一目的在提供一種光學測距系統及其運作方法，其可偵測一手指距離、一手指動作及一生理特徵，當閒置一預設時間後即進入休眠模式。
為連上述目的，本發明提供一種光學測距系統，用以偵測一手指距離及一生理特徵。該光學測距系統包含一第一光源、一第二光源、一光源控制單元、一影像感測器及一處理單元。該第一光源發出一第一波長的光至該手指。該第二光源發出一第二波長的光至該手指。該光源控制單元控制該第一光源及該第二光源發光。該影像感測器以一取樣頻率接收來自該手指之反射光以產生相對該第一光源點亮之複數第一影像圖框及相對該第二光源點亮之複數第二影像圖框。該處理單元根據該等第一影像圖框或該等第二影像圖框計算該手指距離，並於該手指距離介於一預設範圍時根據該等第一影像圖框及該等第二影像圖框計算該生理特徵。
根據本發明之另一特點，本發明另提供一種光學測距系統之運作方法，包含一第一模式及一第二模式。該第一模式用以偵測一手指距離。該第二模式用以偵測一生理特徵，其中當該手指距離介於一預設範圍，該光學測距系統由該第一模式切換至該第二模式。
根據本發明之另一特點，本發明另提供一種光學測距系統之運作方法，包含下列步驟：提供一第一波長或一第二波長的光至一手指表面；擷取該第一波長或該第二波長的光之反射光以產生複數影像圖框；根據該等影像圖框之一亮度分布計算一手指距離；以及當該手指距離介於一預設範圍，則執行下列步驟：提供該第一波長及該第二波長的光至該手指表面；擷取該第一波長的光之反射光以產生複數第一影像圖框並擷取該第二波長的光之反射光以產生複數第二影像圖框；將每張該第一影像圖框及每張該第二影像圖框分割成至少兩部分並求得每一部分之一平均亮度；分析該等第一影像圖框之該每一部分之該平均亮度以求得一第一亮度變化並分析該等第二影像圖框之該每一部分之該平均亮度以求得一第二亮度變化；以及根據該第一亮度變化及該第二亮度變化求得一血氧濃度。
本發明實施例中，當該手指距離介於該預設範圍內，每張該第一影像圖框分割為至少兩部分並計算每一部分之一平均亮度，使用獨立元件分析法或盲訊號源分離法分析該等第一影像圖框之該每一部分之該平均亮度以求得一第一亮度變化；將每張該第二影像圖框分割為至少兩部分並計算每一部分之一平均亮度，使用獨立元件分析法或盲訊號源分離法分析該等第二影像圖框之該每一部分之該平均亮度以求得一第二亮度變化；並根據該第一亮度變化及該第二亮度變化計算該生理特徵。
本發明之光學測距系統及其運作方法中，該處理單元於該第一模式中另根據該等影像圖框之一亮度變化偵測一手指動作，例如一揮動方向。
本發明之光學測距系統及其運作方法中，所述生理特徵包含一血氧濃度及一脈搏數。本發明透過使用獨立元件分析法或盲訊號源分離法來分離移動資訊及生理資訊，可消除手指移動造成的訊號雜訊。
為了讓本發明之上述和其他目的、特徵、和優點能更明顯，下文將配合所附圖示，作詳細說明如下。於本發明之說明中，相同之構件係以相同之符號表示，於此合先敘明。
請參照第2A圖所示，其顯示本發明一實施例之光學測距系統之示意圖。光學測距系統1包含兩種運作模式：一第一模式中，該光學測距系統1可偵測一手指距離及一手指動作；一第二模式中，該光學測距系統1可偵測使用者之一生理特徵(包括血氧濃度及脈搏數等)；其中，該第一模式及該第二模式可由使用者操作一切換開關進行切換，或者當該手指距離介於一預設範圍時進行切換，例如當該手指距離不介於該預設範圍時執行該第一模式，當該手指距離介於該預設範圍時執行該第二模式。所述預設範圍則根據不同應用決定。
該光學測距系統1包含兩光源111及112、一第一導光件12、一第二導光件13、一影像感測器14、一處理單元15及一光源控制單元16。必須說明的是，第2A圖中各構件之空間關係僅為例示性，並非用以限定本發明。該等光源111及112例如可為發光二極體或雷射二極體，用以分別產生不同波長的光至一手指表面9S(為簡化圖示而未繪示手指圖像)，所述波長較佳為一般血氧儀所使用的兩個波長，例如約660奈米之紅光以及約905、910或940奈米之紅外光。可以了解的是，此處所述波長係指光源發光光譜之中心波長。
該第一導光件12用以將該等光源111及112所發出的光朝向一預設方向引導(例如此時朝向該等光源111及112的前方引導)。其他實施例中，如果該等光源111及112所發出的光能夠直接朝向一預設方向行進，該第一導光件12亦可能不予實施。
該第二導光件13用以將該手指表面9S之反射光引導至該影像感測器14。一種實施例中，該第二導光件13可為一透鏡，其例如具有一焦距f，用以將該手指表面9S之反射光匯聚至該影像感測器14，以增加其感光效率。可以了解的是，該第一導光件12及該第二導光件13之結構及導光方式並不限於第2A圖中所繪示者。
該影像感測器14以一取樣參數接收來自該手指表面9S之反射光以產生複數影像圖框(每一影像圖框具有複數畫素，例如16×16畫素)；其中該取樣參數例如包含曝光時間、影像增益(可為類比增益或數位增益)等。該影像感測器14較佳為一主動式影像感測器，例如CMOS影像感測器。
該處理單元15根據該影像感測器14所輸出之複數影像圖框計算一手指9之一手指距離、一手指動作及使用者之一生理特徵。該處理單元15所求得之該手指距離、手指動作及生理特徵例如可有線或無線地被傳送至具有至少一表示單元之一電子裝置以進行顯示或相對應控制；其中，該表示單元例如可為一顯示器、一燈號、一七字節顯示及/或一聲音裝置。該電子裝置例如可為一可攜式電子裝置或一家用電子裝置。
該光源控制單元16耦接該處理單元15，並配合該影像感測器14之影像圖框擷取控制該等光源111及112發光，其實施方式將詳述於後。
請參照第2A及2B圖所示，第2B圖顯示本發明一實施例之光學測距系統之方塊圖。光學測距系統1包含一第一光源111、一第二光源112、該影像感測器14、該處理單元15、該光源控制單元16、一通訊協定單元17及一傳輸介面18。由於該處理單元15係進行多功能運算，其可包含一生理特徵偵測單元151用以偵測該手指9之一生理特徵，並包含一距離/動作偵測單元152用以偵測該手指距離及該手指動作；亦即，該處理單元15可為單一元件或分為兩個單元。
該第一光源111例如發出波長約為660奈米之紅光至該手指9；該第二光源112例如發出波長約為905、910或940奈米之紅外光至該手指9；廣義的說，該第一光源111及該第二光源112可分別發出一般血氧儀所使用的兩個波長的光。該光源控制單元16控制該第一光源111及該第二光源112發光。該影像感測器14接收來自該手指表面9S之該第一光源111及/或該第二光源112之反射光。該通訊協定單元17用以針對該處理單元15所求得之該手指距離、手指動作及/或生理特徵進行編碼、排序及壓縮等至少一種程序處理後輸出至該傳輸介面18進行傳輸。該傳輸介面18用以將編碼、排序及/或壓縮後之該手指距離、手指動作及/或生理特徵透過有線或無線傳輸的方式傳輸至外部之一控制單元21；其中，有線及無線傳輸技術已為習知，故於此不再贅述。該控制單元21耦接於具有至少一表示單元22之一電子裝置，用以控制該電子裝置透過該表示單元22顯示及/或回應所接收之該手指距離、手指動作及生理特徵，或者控制該電子裝置暫時中止或暫時觸發一特定功能。該控制單元21可結合於該表示單元22內或獨立於其外。
本發明實施例之光學測距系統1可搭配具有表示單元22之一電子裝置，讓一使用者可透過該光學測距系統1控制該表示單元22之一執行軟體及/或畫面顯示，並於生理特徵顯示疲勞或亢奮狀態時(取決於生理特徵的數值)對該使用者提出警示；其中，表示生理特徵及警示的方式例如可利用軟體執行畫面顯示、燈號顯示或聲音顯示的方式來達成，並無特定限制。例如，該表示單元22可顯示該生理特徵(例如顯示血氧濃度及脈搏數至少其中之一)，且當該生理特徵超出一預設值時產生一警示狀態，例如畫面變暗、圖像插入、聲音提示等，但並不以此限。
一實施例中，該光學測距系統1亦可使用兩個影像感測器分別偵測該等光源111及112所產生不同波長的光(即影像感測器14由兩個影像感測器取代)，其中一個影像感測器或兩個影像感測器可設置一帶通濾光器(bandpass filter)選擇所接收的光譜。
當該光學測距系統1啟動時可自動進入該第一模式，此時該光源控制單元16根據預設定義控制該第一光源111或該第二光源112發光以照明一手指表面9S。該手指表面9S之反射光經過該第二導光件13後入射至該影像感測器14。該影像感測器14以一取樣頻率持續擷取並輸出複數影像圖框。該處理單元15則根據該等影像圖框計算該手指距離及手指動作，例如根據該等影像圖框之一亮度分布計算手指距離並根據該等影像圖框之一亮度變化計算手指動作。例如當該手指表面(顯示為9S)位於一第一距離D，該手指表面9S可受光範圍之一第一端a及一第二端b之反射光經過該第二導光件13後分別入射至成像位置X2 及X1 ；此時，根據系統距離參數L、焦距f、表示可受光範圍之距離參數L1 及L2 以及成像位置X1 及X2 ，並利用三角運算即可算出該第一距離D。例如當該手指表面(顯示為9S' )位於一第二距離D1 ，該手指表面9S' 可受光範圍之一第一端a' 及一第二端b' 之反射光經過該第二導光件13後分別入射至成像位置X2 ' 及X1 ' ；此時，根據系統距離參數L、焦距f、表示可受光範圍之距離參數L1 及L2 以及成像位置X1 ' 及X2 ' ，並利用三角運算即可算出該第二距離D1 。亦即，根據手指表面9S或9S' 之反射光的光強度分布可計算該手指距離，且當該手指距離不介於一預設範圍內，則持續運作於該第一模式。
如第2A圖所示，該影像感測器14之感測面14S上形成有一感測陣列，其包含複數感測畫素141排列成一畫素陣列。藉此，當一手指由該等光源111112之一發光區域θ外部進入該發光區域θ時，該感測陣列之複數感測畫素141於不同時間接收到不同亮度分布之手指表面反射光，該處理單元15則可根據該亮度分布之亮度變化判斷該手指動作，例如揮動方向。可以了解的是，該影像感測器14亦可包含位置彼此分離的複數感測畫素，如第2A圖中填滿的三個感測畫素141' ，該處理單元15同樣能夠根據該等感測畫素141' 之亮度分布及亮度變化分別偵測該手指距離及手指動作。
當該處理單元15判斷該手指距離介於一預設範圍內則進入第二模式。此時，該光源控制單元16控制該第一光源111及該第二光源112輪流或同時發光以照明該手指表面9S，該影像感測器14以一取樣頻率接收來自該手指表面9S之反射光以產生相對該第一光源點亮之複數第一影像圖框及相對該第二光源點亮之複數第二影像圖框。該處理單元15根據該等第一影像圖框及該等第二影像圖框計算該生理特徵。
由於該處理單元15(距離/動作偵測單元152)根據該等感測畫素141之亮度變化及亮度分布計算該手指距離及手指動作的方式已為習知，故於此不再贅述。以下僅針對該處理單元15(生理特徵偵測單元151)計算生理特徵的方式(第二模式)進行詳細說明。
取樣機制
本實施例之光學測距系統1係使用兩光源111及112並同時執行兩種功能；其中，手指距離及手指動作之偵測功能並不限定特定波長之影像圖框，而生理特徵功能之偵測則必須對應不同波長之影像圖框分別計算。以下首先說明影像圖框之取樣機制。
第二模式之一種實施例中，該光源控制單元16控制該第一光源111及該第二光源112輪流發光，該影像感測器14則以高速且固定的一取樣頻率(例如每秒3,000張)同步該第一光源111或該第二光源112之點亮擷取影像圖框，並輸出如第3圖所示複數影像圖框I1 ~I6 …至該處理單元15(生理特徵偵測單元151)，其中該等影像圖框I1 ~I6 …包含第一影像圖框I1 、I3 、I5 …，其例如相對該第一光源111之點亮，及第二影像圖框I2 、I4 、I6 …，其例如相對該第二光源112之點亮。亦即，該處理單元15輪流輸出第一影像圖框及第二影像圖框。
該處理單元15根據該等第一影像圖框I1 、I3 、I5 …計算出該等第一影像圖框之亮度變化，並根據該等第二影像圖框I2 、I4 、I6 …計算出該等第二影像圖框之亮度變化(容詳述於後)，並據以分別計算出兩種光譜被吸收的比例以求出帶氧血紅素濃度HbO2 及去氧血紅素濃度Hb，最後利用血氧濃度公式計算出血氧濃度；並透過該等第一影像圖框及/或該等第二影像圖框之亮度變化與至少一閾值的比較結果計算一脈搏數。
第二模式之另一實施例中，該光源控制單元16控制該第一光源111及該第二光源112同步於該影像感測器14之影像圖框擷取同時發光；亦即，此時該影像感測器14會同時接收到兩種波長的反射光。此時，該影像感測器14之感測面14S之一部分前方較佳另設置一濾光器14f(如第4圖所示)，其中該濾光器14f可為一帶通濾光器以使該濾光器14f後方的部分感測面14S僅能感測該第一光源111之光譜或該第二光源112之光譜，以使該處理單元15能夠分辨第一影像圖框(相對該第一光源111之部分影像圖框)及第二影像圖框(相對該第二光源112之部分影像圖框)。可以了解的是，本實施例中該濾光器14f的設置位置及面積並不限於第4圖所示。
藉此，該處理單元15同樣可根據該等第一影像圖框I1 、I3 、I5 …計算出該等第一影像圖框之亮度變化及根據該等第二影像圖框I2 、I4 、I6 …計算出該等第二影像圖框之亮度變化，並根據兩亮度變化之關係計算血氧濃度及脈搏數至少其中之一。
可以了解的是，由於該影像感測器14可能對不同波長的光具有不同的感光效率，或者該第一光源111及該第二光源112之發光亮度不完全相同，因此較佳於該光學測距系統1出廠前針對該影像感測器14所偵測影像圖框之亮度進行調整(例如調整相對不同波長影像圖框之曝光時間、影像增益等取樣參數)，以使該影像感測器14所擷取之初始影像圖框具有大致相同的亮度，以消除誤判斷的可能性。
本實施例之精神在於，以該光源控制單元16控制該第一光源111及該第二光源發光112發光，使該影像感測器14以一取樣頻率接收來自該手指9之反射光以產生相對該第一光源點亮之複數第一影像圖框及相對該第二光源點亮之複數第二影像圖框；該處理單元15則根據該等第一影像圖框及該等第二影像圖框計算該生理特徵。
消除環境光機制
第2A圖中，該光學測距系統1外部的環境光會被該影像感測器14接收而影響到其所擷取影像圖框的影像品質。本實施例中，該光源控制單元16可控制該第一光源111及該第二光源112於部分期間不發光。
例如請參照第5圖所示，其顯示該影像感測器14之影像擷取與該第一光源111及該第二光源112之發光情形；其中，實線箭號表示光源點亮(或以一第一亮度點亮)而虛線箭號表示光源熄滅(或以一第二亮度點亮)，例如該第二亮度小於該第一亮度。第5A圖顯示該影像感測器14以一固定取樣頻率持續擷取影像圖框。第5B圖顯示該第一光源111及該第二光源112係同時輪流地點亮及熄滅，因此該影像感測器14則可輪流擷取到亮影像圖框(光源點亮或以該第一亮度點亮)及暗影像圖框(光源熄滅或以該第二亮度點亮)。第5C圖顯示該第一光源111及該第二光源112每隔兩張影像圖框同時點亮一次，其通常相對於該手指9具有較低位移量之情形。如前所述，當該第一光源111及該第二光源112同時點亮時(第5B及5C圖)，該影像感測器14包含一濾光器14f以空間區隔不同光源之影像圖框，以使該影像感測器14的一部份可感測該第一光源111之反射光而另一部分可感測該第二光源112之反射光。
當該手指9進入該發光區域θ時，相對於光源點亮時所擷取之亮影像圖框包含(手指反射光+雜散光+環境光)，相對於光源未點亮時所擷取之暗影像圖框則僅包含(環境光)，因此若將亮影像圖框減去暗影像圖框，則可有效消除環境光之影響。該處理單元15則可根據亮暗影像圖框之差分影像圖框計算該生理特徵。
請參照第5D圖所示，其顯示該第一光源111及該第二光源112輪流點亮之實施方式。此實施例中，由於要使該影像感測器14擷取到暗影像圖框，因此該光源控制單元16控制該第一光源111與該第二光源112相隔一張影像圖框輪流地點亮，例如於第5D圖之時間td 時兩光源均不點亮。藉此，該處理單元15則可計算差分第一影像(亮第一影像圖框-暗影像圖框)及差分第二影像(亮第二影像圖框-暗影像圖框)，並根據該等差分影像計算該生理特徵。如前所述，當該第一光源111及該第二光源112輪流點亮時，該影像感測器14以時間區隔相對於不同光源之影像圖框。
本實施例之精神在於，使該光源控制單元16控制該第一光源111及該第二光源112同時或輪流發光，並使該影像感測器14能夠擷取到該等光源不發光時的暗影像圖框，並透過計算亮暗影像之差分影像以消除環境光的影響。因此，第5圖中所示各光源之發光情形僅為例示性，並非用以限定本發明。
降噪機制
由於該影像感測器14所擷取之影像圖框中會存在雜訊，且雜訊通常以隨機的方式分布於所擷取的影像圖框中，因此本實施例可進一步進算M張影像圖框之和來提高訊雜比(SNR)，以增加計算生理特徵的精確度；例如，將每10張影像圖框進行相加，且兩組相加的10張影像圖框可部分重複或完全不重複。可以了解的是，當該第一光源111及該第二光源112係輪流點亮時，本實施例之影像圖框之和分別為該等第一影像圖框(例如第3圖之I1 +I3 +I5 …)之和以及該等第二影像圖框(例如第3圖之I2 +I4 +I6 …)之和，這是由於必需分別計算兩組光強度變化。然而，當該第一光源111及該第二光源112係同時點亮，本實施例之影像圖框之和則為連續的影像圖框(例如第3圖之I1 +I2 +I3 +I4 +I5 +I6 …)，並透過後處理以空間區隔的方式分辨兩組光強度變化。此外，當配合上述消除環境光機制時，本實施例之影像圖框之和則為差分影像圖框之和；亦即，執行完消除環境光處理後接著進行降噪處理。其他實施例中，亦可僅執行消除環境光處理及降噪處理其中之一。
如前所述，該影像感測器14有可能在不同條件下以不同的取樣參數來擷取影像，例如該影像感測器14相對於不同波長的光可能具有不同的吸收率，因此可能會以不同的曝光時間及影像增益等取樣參數來使得該等第一影像圖框及該等第二影像圖框具有大致相同的亮度，以能夠正確根據該等影像圖框進行後處理，亦即相對該第一影像圖框及該第二影像圖框之取樣參數可能不相同。為了排除不同取樣參數的影響，可將每張影像圖框或M張影像圖框之和或平均除以取樣參數以進行歸一化處理，例如(一張影像圖框/取樣參數)、(M張影像圖框之和/取樣參數)或(M張影像圖框之平均/取樣參數)；其中，M為正整數。
生理特徵計算
相對於不同光源點亮時，該影像感測器14所擷取之影像圖框同時包含有生理資訊及手指移動資訊。因此，本實施例中該處理單元15(或該生理特徵偵測單元151)首先需將兩種資訊分離後，才能夠正確計算生理特徵；亦即，該處理單元15例如採用獨立元件分析法(Independent Component Analysis,ICA)或盲訊號源分離法(Blind Source Separation,BSS)來將兩種資訊分離。
請參照第3及6圖所示，以第3圖中該等第一影像圖框I1 、I3 、I5 …為例，將複數第一影像圖框(可為原始影像圖框、經過消除環境光機制及/或降噪機制處理過的第一影像圖框)或複數第一影像圖框和(M張原始影像圖框和、經過消除環境光機制及/或降噪機制處理過的M張第一影像圖框和)的每張影像圖框或影像圖框和分割為至少兩部分並分別求得一平均亮度，例如將影像圖框I1 分割成平均亮度為B1 及B1 ' 兩部分；將影像圖框I3 分割成平均亮度為B3 及B3 ' 兩部分；…；將影像圖框I2N-1 分割成平均亮度為B2N-1 及B2N-1 ' 兩部分(其他實施例中可多於兩部分)。接著，利用獨立元件分析法或盲訊號源分離法分離出第一移動資訊及第一生理資訊(如第6圖所示)，其皆顯示為一亮度變化線型。本實施例將移動資訊捨棄並利用生理資訊的亮度變化線型來計算生理特徵。可以了解的是，由於該影像感測器14之取樣頻率遠遠大於脈搏頻率，因此所分離出的生理資訊可顯示出光強度隨脈搏變化的線型(類似第1圖)；分離出的移動資訊分布並不限定如第6圖所示者。此外，該等影像圖框分割的兩個部分並不限定為上下兩部分。此外，由於必須分別計算相對兩不同波長的光之生理資訊，上述分離程序係分別針對第一影像圖框I1 、I3 、I5 …(相對應第一光源點亮)及第二影像圖框I2 、I4 、I6 …(相對應第二光源點亮)來進行；即該等第二影像圖框(I2 、I4 、I6 …)亦被分離成第二移動資訊及第二生理資訊等亮度變化，並捨棄第二移動資訊而保留第二生理資訊之亮度變化。必須說明的是，當利用影像圖框和或平均來進行資訊分離時，第6圖中之I1 ~I2N-1 以及I2 ~I2N 每一個均表示M張影像圖框之和、平均或其歸一化的結果。
獨立元件分析法或盲訊號源分離法主要用以將混合信號分離，分離出的移動資訊捨棄後，即可消除手指移動所造成的訊號雜訊。
本實施例中，該處理單元15另根據至少一閾值與該第一亮度變化及/或該第二亮度變化之一比較結果計算一脈搏數。
休眠模式
本發明實施例之光學測距系統1在閒置一預設時間後，可進入休眠模式。例如，該處理單元15於一預設時間判斷該手指9未進入該發光區域θ時，即可進入休眠模式。休眠模式中，例如可暫停該影像感測器14之影像擷取、暫停該等光源111及112之發光或暫停其他主動元件之運作。
校正機制
一般光學系統會因溫度變化造成系統頻率以及光源頻率之飄移而產生誤差，本發明實施例之光學測距系統1之處理單元另具有校正機制以補償上述因溫度變化所造成的誤差，藉以增加系統精確度。
該光學測距系統1根據手指表面9S之反射光偵測生理特徵的方法，包含下列步驟：提供一第一波長或一第二波長的光至一手指表面(步驟S11 )；擷取該第一波長或該第二波長的光之反射光以產生複數影像圖框(步驟S12 )；根據該等影像圖框之一亮度分布計算一手指距離(步驟S13 )；判斷該手指距離是否介於一預設範圍(步驟S14 )；若是，則執行下列步驟：提供該第一波長及該第二波長的光至該手指表面(步驟S141 )；擷取該第一波長的光之反射光以產生複數第一影像圖框並擷取該第二波長的光之反射光以產生複數第二影像圖框(步驟S142 )；將每張該第一影像圖框及每張該第二影像圖框分割成至少兩部分並求得每一部分之一平均亮度(步驟S143 )；使用獨立元件分析法或盲訊號源分離法分析該等第一影像圖框之該每一部分之該平均亮度以求得一第一亮度變化並分析該等第二影像圖框之該每一部分之該平均亮度以求得一第二亮度變化(步驟S144 )；以及根據該第一亮度變化及該第二亮度變化求得一生理特徵(步驟S145 )；若否，則回到步驟S11 。本實施例中，步驟S11 ~S13 為第一模式，步驟S141 ~S145 為第二模式。此外，步驟S13 中另包含根據該等影像圖框之一亮度變化計算一手指動作。本實施例各步驟之實施方式已詳述於前，故於此不再贅述。
另一實施例中，該等光源111及112、該影像感測器14、該處理單元15、該光源控制單元16、該通訊協定單元17及該傳輸介面18之一部份或全部元件亦可製作為一控制晶片或一封裝體，如第8圖所示。該控制晶片或封裝體用以於第一模式偵測一手指距離及一手指動作，並於該手指距離介於一預設範圍時進入第二模式；第二模式則用以偵測該手指9之一生理特徵，並輸出經編碼、排序及/或壓縮之該手指距離、該手指動作及/或該生理特徵；其中計算該手指距離、該手指動作及/或該生理特徵的方式如前所述，故於此不再贅述。此外可以了解的是，第8圖中該光學測距系統中各元件的配置方式僅為例示性，並非用以限定本發明。其他實施例中，所述壓縮處理亦可另外設置一壓縮單元執行。
綜上所述，習知光學測距系統並無法偵測使用者的生理特徵，且血氧儀計算血氧濃度的方式因具有無法判斷移動中的待測部位等因素而無法相容於光學測距系統。因此，本發明另提供一種光學測距系統(第2A、2B及8圖)及其運作方法(第7圖)，其中該光學測距系統可同時偵測手指資訊及生理資訊，並控制一表示單元根據該手指資訊更新顯示內容並顯示該生理資訊。本發明實施例之光學測距系統可有效消除手指移動所造成的訊號雜訊及消除環境光源影響，並具有休眠模式的機制。
雖然本發明已以前述實施例揭示，然其並非用以限定本發明，任何本發明所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與修改。因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
1‧‧‧光學測距系統
111、112‧‧‧光源
12、12' ‧‧‧第一導光件
13、13' ‧‧‧第二導光件
14‧‧‧影像感測器
141、141' ‧‧‧感測畫素
14f‧‧‧濾光器
14S‧‧‧感測面
15‧‧‧處理單元
151‧‧‧生理特徵偵測單元
152‧‧‧距離/動作偵測單元
16‧‧‧光源控制單元
17‧‧‧通訊協定單元
18‧‧‧傳輸介面
21‧‧‧控制單元
22‧‧‧表示單元
9．．．手指
9S、9S' ．．．手指表面
I1 ~I2N ．．．影像圖框
B1 ~B2N 、B1 ' ~B2N ' ．．．平均亮度
S11 ~S15 ．．．步驟
D、D1 ．．．手指距離
L、L1 、L2 ．．．距離參數
X1 、X1 ' 、X2 、X2 ' ．．．成像位置
f．．．焦距
θ．．．發光區域
第1圖顯示血氧飽和儀所偵測穿透光的光強度變化之示意圖。
第2A圖顯示本發明一實施例之光學測距系統之示意圖。
第2B圖顯示本發明一實施例之光學測距系統之方塊圖。
第3圖顯示本發明實施例之光學測距系統之影像感測器於第二模式所擷取的影像圖框之示意圖。
第4圖顯示本發明實施例之光學測距系統之影像感測器，其中一濾光器係設置於部分感測面前方。
第5圖顯示本發明實施例之光學測距系統之第二模式中，影像擷取與光源發光之示意圖。
第6圖顯示本發明實施例之光學測距系統之處理單元於第二模式分離移動資訊及生理資訊之示意圖。
第7圖顯示本發明實施例之生理特徵偵測方法之流程圖。
第8圖顯示本發明另一實施例之光學測距系統之示意圖。
1．．．光學測距系統
111、112．．．光源
12．．．第一導光件
13．．．第二導光件
14．．．影像感測器
141．．．感測畫素
14S．．．感測面
15．．．處理單元
16．．．光源控制單元
9S、9S' ．．．手指表面

Claims (21)

  1. 一種光學測距系統，用以偵測一手指距離及一生理特徵，該光學測距系統包含：一第一光源，發出一第一波長的光至該手指；一第二光源，發出一第二波長的光至該手指；一光源控制單元，控制該第一光源及該第二光源發光；一影像感測器，以一取樣頻率接收來自該手指之反射光以產生相對該第一光源點亮之複數第一影像圖框及相對該第二光源點亮之複數第二影像圖框；以及一處理單元，根據該等第一影像圖框或該等第二影像圖框計算該手指距離，並於該手指距離介於一預設範圍時根據該等第一影像圖框及該等第二影像圖框計算該生理特徵，其中，當該手指距離介於該預設範圍時，該光源控制單元控制該第一光源及該第二光源輪流點亮以使該影像感測器輪流接收該第一光源及該第二光源之反射光。
  2. 依申請專利範圍第1項之光學測距系統，其中當該手指距離介於該預設範圍內，該處理單元將每張該第一影像圖框分割為至少兩部分並計算每一部分之一平均亮度，分析該等第一影像圖框之該每一部分之該平均亮度以求得一第一亮度變化；將每張該第二影像圖框分割為至少兩部分並計算每一部分之一平均亮 度，分析該等第二影像圖框之該每一部分之該平均亮度以求得一第二亮度變化；並根據該第一亮度變化及該第二亮度變化計算該生理特徵。
  3. 依申請專利範圍第1或2項之光學測距系統，其中該生理特徵包含一血氧濃度及/或一脈搏數。
  4. 依申請專利範圍第2項之光學測距系統，其中該處理單元另根據至少一閾值與該第一亮度變化及該第二亮度變化至少其中之一的比較結果計算一脈搏數。
  5. 依申請專利範圍第1項之光學測距系統，其中該第一光源、該第二光源、該光源控制單元、該影像感測器及該處理單元係封裝成一控制晶片以輸出經編碼、排序及壓縮至少一種程序處理之該手指距離及該生理特徵。
  6. 依申請專利範圍第1項之光學測距系統，其中當該手指距離不介於該預設範圍內，該處理單元另偵測一手指動作。
  7. 依申請專利範圍第1項之光學測距系統，其中當該手指距離不介於該預設範圍內，該光源控制單元控制該第一光源或該第二光源其中之一發光。
  8. 依申請專利範圍第1項之光學測距系統，其中該影像感測器包含一畫素陣列或包含位置彼此分離之複數感測畫素用以感測該手指之反射光。
  9. 依申請專利範圍第1項之光學測距系統，其中該處理單元另補償因溫度變化所造成的誤差。
  10. 一種光學測距系統之運作方法，包含：一第一模式，用以偵測一手指距離；以及一第二模式，用以偵測一生理特徵，其中，當該手指距離介於一預設範圍時，該光學測距系統由該第一模式切換至該第二模式；輪流提供一第一波長及一第二波長的光至一手指表面；及以一影像感測器輪流擷取該第一波長的光之反射光以產生複數第一影像圖框及該第二波長的光之反射光以產生複數第二影像圖框。
  11. 依申請專利範圍第10項之運作方法，其中該第二模式另包含下列步驟：將每張該第一影像圖框及每張該第二影像圖框分割成至少兩部分並求得每一部分之一平均亮度；分析該等第一影像圖框之該每一部分之該平均亮度以求得一第一亮度變化並分析該等第二影像圖框之該每一部分之該平均亮度以求得一第二亮度變化；以及根據該第一亮度變化及該第二亮度變化求得該生理特徵。
  12. 依申請專利範圍第11項之運作方法，另包含下列步驟：根據至少一閾值與該第一亮度變化及該第二亮度變化至少其中之一的比較結果計算一脈搏數。
  13. 依申請專利範圍第10項之運作方法，另包含下列步驟：利用一表示單元顯示該生理特徵；以及當該生理特徵超出一預設值時產生一警示狀態。
  14. 依申請專利範圍第10項之運作方法，其中該第一模式另包含下列步驟：照明一手指表面；擷取該手指表面之反射光以產生複數影像圖框；及根據該等影像圖框之一亮度分布計算該手指距離。
  15. 依申請專利範圍第14項之運作方法，另包含下列步驟：根據該等影像圖框之一亮度變化偵測一手指動作。
  16. 依申請專利範圍第10項之運作方法，另包含下列步驟：針對該手指距離或該生理特徵進行編碼、排序及壓縮至少一種程序處理。
  17. 一種光學測距系統之運作方法，包含下列步驟：提供一第一波長或一第二波長的光至一手指表面；擷取該第一波長或該第二波長的光之反射光以產生複數影像圖框；根據該等影像圖框之一亮度分布計算一手指距離；以及當該手指距離介於一預設範圍，則執行下列步驟：輪流提供該第一波長及該第二波長的光至該手指表面； 以一影像感測器輪流擷取該第一波長的光之反射光以產生複數第一影像圖框及該第二波長的光之反射光以產生複數第二影像圖框；將每張該第一影像圖框及每張該第二影像圖框分割成至少兩部分並求得每一部分之一平均亮度；分析該等第一影像圖框之該每一部分之該平均亮度以求得一第一亮度變化並分析該等第二影像圖框之該每一部分之該平均亮度以求得一第二亮度變化；以及根據該第一亮度變化及該第二亮度變化求得一血氧濃度。
  18. 依申請專利範圍第17項之運作方法，其中當該手指距離介於該預設範圍，另包含下列步驟：根據至少一閾值與該第一亮度變化及該第二亮度變化至少其中之一的比較結果計算一脈搏數。
  19. 依申請專利範圍第18項之運作方法，另包含下列步驟：利用一表示單元顯示包含該血氧濃度及該脈搏數至少其中之一之一生理特徵；以及當該生理特徵超出一預設值時產生一警示狀態。
  20. 依申請專利範圍第17項之運作方法，另包含下列步驟：根據該等影像圖框之一亮度變化偵測一手指動作。
  21. 一種光學測距系統，用以偵測一手指距離及一生理特徵，該光學測距系統包含：一第一光源，發出一第一波長的光至該手指；一第二光源，發出一第二波長的光至該手指；一光源控制單元，控制該第一光源及該第二光源發光；一影像感測器，包含一濾光器覆蓋於該影像感測器之一感測面的一部分，以一取樣頻率接收來自該手指之反射光以產生相對該第一光源點亮之複數第一影像圖框及相對該第二光源點亮之複數第二影像圖框；以及一處理單元，根據該等第一影像圖框或該等第二影像圖框計算該手指距離，並於該手指距離介於一預設範圍時根據該等第一影像圖框及該等第二影像圖框計算該生理特徵，其中，當該手指距離介於該預設範圍時，該光源控制單元控制該第一光源及該第二光源同時點亮以使該影像感測器同時接收該第一光源及該第二光源之反射光。
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