TWI682557B

TWI682557B - 光學感測器

Info

Publication number: TWI682557B
Application number: TW107126710A
Authority: TW
Inventors: 陳泓瑞
Original assignee: 大陸商光寶光電（常州）有限公司; 光寶科技股份有限公司
Priority date: 2017-11-23
Filing date: 2018-08-01
Publication date: 2020-01-11
Also published as: CN109828312A; TW201926742A

Abstract

本發明公開一種光學感測器，包含基板、用以發出不同波長光線的多個發光單元、及光接收器。所述基板具有用來收容多個所述發光單元的至少一收容槽以及用來收容所述光接收器的一凹槽。所述光學感測器的一導光結構能是具有特定設計的所述收容槽，以使多個所述發光單元所發出的光線能被朝向所述光接收器的中心軸線方向反射。據此，當多個所述發光單元的至少其中之一朝向外部物發出光線時，所述光接收器能接收來自所述外部物所反射的光線。

Description

光學感測器

本發明涉及一種感測器，尤其涉及一種光學感測器。

用來人體偵測的現有光學感測器包含一載體、設置於上述載體的至少一發光單元、及設置於載體且用來接收上述發光單元發出之光線的一光接收器。然而，現有光學感測器的載體並沒有用來導引上述發光單元發出之光線的一特定結構，以致於現有光學感測器能存在許多不足之處。

於是，本發明人認為上述缺陷可改善，乃特潛心研究並配合科學原理的運用，終於提出一種設計合理且有效改善上述缺陷的本發明。

本發明實施例在於提供一種光學感測器，其能夠有效地解決關於現有光學感測器的潛在缺陷。

在本發明實施例所公開的光學感測器中，設置有一導光結構，用以導引多個所述發光單元的光線朝向一預設基準軸線行進，而所述導光結構可以是一反射杯結構。

為能更進一步瞭解本發明的特徵及技術內容，請參閱以下有關本發明的詳細說明與附圖，但是此等說明與附圖僅用來說明本發明，而非對本發明的保護範圍作任何的限制。

100‧‧‧光學感測器

1‧‧‧基板

1a‧‧‧平板部

1b‧‧‧隔板

11‧‧‧第一板面

12‧‧‧第二板面

13‧‧‧收容槽

131‧‧‧底壁

132‧‧‧側壁

132a‧‧‧內側壁

132b‧‧‧外側壁

1321‧‧‧內光反射部

1322‧‧‧外光反射部

133‧‧‧橢圓形頂開口

14‧‧‧凹槽

2‧‧‧發光單元

3‧‧‧框體

31‧‧‧內壁面

4‧‧‧封裝體

5‧‧‧光接收器

6‧‧‧透光板

C‧‧‧預設基準軸線

θ1、θ2‧‧‧角度

L1、L2‧‧‧光線

200‧‧‧外部物

201‧‧‧血管

圖1為本發明實施例一的光學感測器示意圖。

圖2A為圖1沿剖線ⅡA-ⅡA的剖視示意圖。

圖2B為圖2A的局部放大示意圖。

圖2C為圖1沿剖線ⅡA-ⅡA的另一實施態樣的剖視示意圖。

圖3A為本發明實施例一的光學感測器另一構造的示意圖。

圖3B為圖3A沿剖線ⅢB-ⅢB的剖視示意圖。

圖3C為本發明光學感測器設有透光蓋板且未設有封裝體的示意圖。

圖3D為圖3C所示的光學感測器應用於外部物的示意圖。

圖3E為本發明光學感測器由電路板與框架構成的示意圖。

圖4為本發明實施例二的光學感測器示意圖。

圖5A為圖4沿剖線VA-VA的剖視示意圖。

圖5B為圖5A的局部放大示意圖。

圖5C為圖5B的收容槽立體示意圖。

圖6A為圖5A另一實施態樣的局部放大示意圖。

圖6B為圖6A的收容槽立體示意圖。

圖7為圖5A的光學感測器未設有框體的剖視示意圖。

圖8為本發明實施例三的光學感測器示意圖。

圖9A為圖8沿剖線IX-IX的剖視示意圖。

圖9B為圖9A所示的光學感測器應用於外部物的示意圖。

圖10為本發明實施例三的光學感測器另一構造的示意圖。

圖11為本發明實施例四的光學感測器示意圖。

圖12為本發明實施例四的光學感測器另一構造的示意圖。

[實施例一]

請參閱圖1至圖3E，其為本發明的實施例一，需先說明的是，本實施例對應附圖所提及的相關數量與外型，僅用來具體地說明本發明的實施方式，以便於了解本發明的內容，而非用來侷限本發明的保護範圍。

如圖1、圖2A、及圖2B所示，本實施例公開一種光學感測器100，其可以是一人體感測器，如：光體積描述信號(photoplethysmography，PPG)感測器，但本發明不受限於此。本實施例的光學感測器100包含有一基板1、多個發光單元2、一框體3、一封裝體4、及一光接收器5。所述多個發光單元2與所述框體3設置於基板1上，並且所述封裝體4對所述多個發光單元2與光接收器5封裝。本實施例的光學感測器100具體構造大致說明如下。

所述基板1的類型於本實施例中並不加以侷限，舉例而言：本實施例之基板1可以採用陶瓷板、印刷電路板、或是導線架等類型。其中，所述基板1具有位於相反側的一第一板面11與一第二板面12(如圖2A中的基板1頂面與底面)，基板1定義有垂直於第一板面11的一預設基準軸線C，其重疊於所述光接收器5的中心軸線。也就是說，所述預設基準軸線C可以被視為光接收器5的中心軸線，但本發明不以此為限。其中，所述多個發光單元2所發出來的大部分光線能通過一導光結構而被導向所述預設基準軸線C集中。再者，所述預設基準軸線C的具體位置可以視產品態樣而有所變化，就本實施例來說，預設垂直於第一板面11的預設基準軸線C是位於第一板面11的大致中央處。

所述光學感測器100的一導光結構包含凹設於基板1第一板面11的一收容槽13。上述收容槽13可將多個發光單元2所發出的光線導引朝向預設基準軸線C上。更進一步的說，所述導光結構包含大致呈對稱於預設基準軸線C的圓環狀收容槽13，其中，所述收容槽13的圓心大致坐落於預設基準軸線C上。所述收容槽13包含有一底壁131與傾斜地相連於底壁131的兩側壁132(如圖2A中所示的收容槽13外側壁132b與內側壁132a)，並且上述兩側壁132具備有光反射之功能。舉例來說，所述兩側壁132可以成形為光滑狀而具備有光反射功能、或是兩側壁132鍍設有光反射材質而具備有光反射功能，在此不加以限制。

進一步地說，所述收容槽13的兩側壁132具有鄰近於預設基準軸線C的一內光反射部1321以及遠離預設基準軸線C的一外光反射部1322，也就是說，鄰近於預設基準軸線C的收容槽13側壁132部位(如圖2A中的收容槽13內側壁132a)定義為上述內光反射部1321，而遠離預設基準軸線C的收容槽13側壁132部位(如圖2A中的收容槽13外側壁132b)定義為上述外光反射部1322。

其中，所述內光反射部1321與收容槽13底壁131所相夾的角度θ1大於外光反射部1322與收容槽13底壁131所相夾的角度θ2，而該外光反射部1322與收容槽13底壁131所相夾的角度θ2不小於90度。於本實施例中，所述內光反射部1321與收容槽13底壁131所相夾的角度θ1大致為120度至165度，所述外光反射部1322與收容槽13底壁131所相夾的角度θ2大致為90度至120度，但於實際應用時，上述兩角度θ1、θ2並不以此為限。

所述多個發光單元2可以是發出至少兩種不同波長光線的發光二極體晶片、發光封裝結構、或是晶片級發光封裝結構。換句話說，所述多個發光單元2包含有至少一第一發光單元與至少一第二發光單元，至少一所述第一發光單元用以發出第一波長範圍的一第一光線，至少一所述第二發光單元用以發出第二波長範圍的一第一光線，並且所述第一波長範圍不同於所述第二波長範圍。例如：所述多個發光單元2包含有一紅光發光二極體晶片、一綠光發光二極體晶片、及一紅外線發光二極體晶片，但不受限於此。於本實施例中，所述綠光發光二極體晶片所出發的光線波長介於500~550奈米(較佳是520~530奈米)且較佳是用來偵測一手腕；所述紅光發光二極體晶片所出發的光線波長介於640~660奈米(較佳是655~660奈米)且較佳是用來偵測一手指；所述紅外線發光二極體晶片所出發的光線波長接近940奈米且較佳是用來偵測一手指。再者，本實施例的光學感測器100能通過紅光發光二極體晶片與紅外線發光二極體晶片的光線吸收率，進而偵測一血管中的血氧濃度。所述多個發光單元2安裝於基板1的收容槽13底壁131上，任兩個發光單元2之間的距離大致相同，並且每個發光單元2的高度小於收容槽13的深度。其中，所述發光單元2發出的光線以向上出光為主，並且所述導光結構所包含的內光反射部1321與外光反射部1322能使自多個發光單元2所發出之光線L1、L2經過其界面反射後可朝向上述預設基準軸線C射出，藉以導引光學感測器100的發光單元2所發出的光線朝向一外部物200(如圖3D所示)。

所述導光結構除了前述的收容槽13外，也包含有上述框體3，其呈環狀且具有呈圓環形的一內壁面31，也就是說，上述內壁面31是包圍定義有一穿孔(未標示)。所述框體3設置於收容槽13以外的基板1第一板面11部位上，並且框體3的內壁面31底緣大致與收容槽13的外側壁132b頂緣相接。其中，所述框體3的內壁面31內徑自鄰近第一板面11朝遠離第一板面11的方向(如圖2A中的由下往上)逐漸地縮小，並且內壁面31的最小內徑不小於收容槽13底壁131的最大外徑。

在符合上述條件的前提下，所述內壁面31可以是平面狀或曲面狀(如圖2C)，在此不加以限制。據此，所述導光結構的框體3的內壁面31能使自上述多個發光單元2所發出的光線朝向預設基準軸線C反射，也就是說，光線經過框體3界面反射後可朝向預設基準軸線C行進。據此，所述框體3能避免光線散射、減小光線的發散角度、並將光線集中到預定的方向(如中心)。

再者，所述凹槽14自所述第一板面11沿所述預設基準軸線C 凹設形成，也就是上述收容槽13圍繞於凹槽14的外側。換個角度來說，鄰近於凹槽14的收容槽13內側壁132a定義為上述內光反射部1321，而遠離凹槽14的收容槽13外側壁132b定義為上述外光反射部1322。所述光接收器5設置於上述凹槽14內用來接收來自所述外部物200反射的光線(如圖3D所示)。再者，所述多個發光單元2與光接收器5能通過基板1上的線路而電性連接至一光感測控制晶片(圖中未示出)。據此，上述光感測控制晶片能控制多個發光單元2的開啟與關閉並且能接收來自光接收器5的光信號，上述光信號可以是生物醫學處理信號(如：光體積描述信號或血氧濃度信號)。

具體而言，當所述多個發光單元2所發出的光線被導引朝向預設基準軸線C時，上述外部物200能將上述光線精準地反射朝向光接收器5。因此，所述多個發光單元2與光接收器5的配合能通過使用導光結構(如收容槽13或框體3)而有效地導引多個發光單元2所發出的光線朝向預設基準軸線C。

所述封裝體4包覆多個發光單元2及光接收器5，也就是說，所述封裝體4充填於收容槽13、框體3的內壁面31、及凹槽14所共同包圍的空間內。

依上所述，本實施例所提供的光學感測器100能透過所述導光結構(如：內光反射部1321、外光反射部1322、及框體3的內壁面31)的設置，以使自所述多個發光單元2所發出之光線分別經過所述導光結構表面反射後，可朝向上述預設基準軸線C方向行進。

再者，本實施例的光學感測器100也可依據設計者的需求而加以調整，並不受限於圖2A所呈現的態樣。舉例來說，如圖3A至圖3D所示，所述內光反射部1321與外光反射部1322的光反射效率足以符合上述需求，因而使光學感測器100能夠無須設有框體3。所述光學感測器100也能不設有封裝體4，並且可進一步在基板1上設有一透光板6，用以保護多個發光單元2與光接收器5。另，所述基板1(或框體3)較佳是形成有一黑色頂面或是一白色頂面。

如圖3E所示，本實施例的基板1可包含有一平板部1a及設置於上述平板部1a的一隔板1b，並且上述平板部1a與隔板1b能裝配而共同形成所述收容槽13與凹槽14。具體來說，所述隔板1b具有露出上述平板部1a局部的多個穿孔，多個發光單元2與光接收器5設置於上述平板部1a並且分別位於隔板1b的多個穿孔內。所述平板部1a與隔板1b的至少一所述穿孔能夠界定出所述導光結構的收容槽13。所述收容槽13能收容多個發光單元2、並能用來將多個發光單元2所發出的光線導引朝向預設基準軸線C。也就是說，所述收容槽13的底壁131是由平板部1a的局部頂面所界定，而具備光反射功能的收容槽13的兩個側壁132則是傾斜地位於隔板1b的相對應穿孔內。進一步地說，上述收容槽13的兩個側壁132具有鄰近預設基準軸線C的一內光反射部1321(如圖3E所示的收容槽13內側壁132a)以及遠離預設基準軸線C的一外光反射部1322(如圖3E所示的收容槽13外側壁132b)。

所述平板部1a及隔板1b的另一所述穿孔能界定出所述導光結構的凹槽14，並且上述凹槽14能收容設置在預設基準軸線C上的所述光接收器5。

另，所述收容槽13與凹槽14所包圍形成的多個空間能夠選擇性地充填上述封裝體4。例如：當所述發光單元2是採用發光二極體封裝結構或是晶片級封裝結構時，收容槽13所包圍的至少一個空間內可以是空的。

再者，所述多個穿孔可以是彼此相鄰且呈環狀排列、並大致對稱於上述預設基準軸線C。所述平板部1a可以是一電路板(如：陶瓷電路板或金屬印刷電路板)。

[實施例二]

請參閱圖4至圖7，其為本發明的實施例二，本實施例類似於上述實施例一，而兩個實施例的主要差異在於：於本實施例中，所述基板1形成有多個收容槽13，及所述框體3形成有呈環狀且位置分別對應於上述多個收容槽13的多個內壁面31。也就是說，本實施例的導光結構包含有多個收容槽13或進一步包含分別對應於上述多個收容槽13的框體3的多個內壁面31。

具體來說，如圖4至圖5C所示，所述多個收容槽13凹設於基板1的第一板面11，並且所述多個收容槽13大致對稱於預設基準軸線C，而上述預設基準軸線C重疊於光接收器5的中心軸線。所述多個發光單元2分別設置於上述多個收容槽13的底壁131。每個收容槽13具有大致呈圓形的一底壁131及傾斜地相連於底壁131周緣的一側壁132。所述收容槽13的側壁132頂緣所形成的一開口，其也大致呈圓形。上述側壁132具備有光反射之功能。舉例來說，所述側壁132可以是成形為光滑狀而具備有光反射功能、或是側壁132鍍設有光反射材質而具備有光反射功能，在此不加以限制。

更詳細地說，每個收容槽13的側壁132與底壁131所相夾的角度由鄰近預設基準軸線C朝遠離預設基準軸線C的方向逐漸地縮小。鄰近於預設基準軸線C的每個收容槽13側壁132部位(如圖5A中的收容槽13內側壁132a)定義為一內光反射部1321，而遠離預設基準軸線C的每個收容槽13側壁132部位(如圖5A中的收容槽13外側壁132b)定義為一外光反射部1322。

如圖5B所示，對於每個收容槽13來說，所述內光反射部1321與收容槽13底壁131所相夾的角度θ1大於外光反射部1322與收容槽13底壁131所相夾的角度θ2，而該外光反射部1322與收容槽13底壁131所相夾的角度θ2不小於90度。於本實施例中，所述內光反射部1321與收容槽13底壁131所相夾的角度θ1大致為120度至165度，所述外光反射部1322與收容槽13底壁131所相夾的角度θ2大致為90度至150度。

所述導光結構的每個收容槽13所包含的內光反射部1321與外光反射部1322能使，自多個發光單元2所發出之光線L1、L2，經過其界面反射後可朝向上述預設基準軸線C射出，藉以導引光學感測器100的發光單元2所發出的光線朝向一外部物200，此類似於實施一所載。

再者，本實施例的收容槽13可依據設計者需求而加以調整，並不受限於圖5B所呈現的態樣。舉例來說，如圖6A和圖6B所示，每個收容槽13的側壁132可以是圓弧凹陷面，也就是說，收容槽13大致呈碗狀結構。

所述導光結構的另一部分框體3，具有多個(類)圓形穿孔(未標示)，也就是說，所述框體3的多個圓環形的內壁面31分別包圍定義彼此分離的所述圓形穿孔，且上述多個圓形穿孔的位置大致呈對稱於預設基準軸線C排列。所述框體3設置於收容槽13以外的第一板面11部位上，並且框體3的多個穿孔位置分別對應於上述多個收容槽13與凹槽14。也就是說，框體3的多個內壁面31底緣大致分別與上述多個收容槽13的側壁132頂緣相接。其中，所述框體3的每個內壁面31之內徑自鄰近第一板面11朝遠離第一板面11的方向(如圖5A中的由下往上)逐漸地縮小，並且每個內壁面31的最小內徑不小於其所對應收容槽13底壁131的最大外徑。在符合上述條件的前提下，所述內壁面31可以是平面狀或曲面狀(圖中未示出)，在此不加以限制。據此，所述導光結構的框體3的多個內壁面31能分別使自上述多個發光單元2所發出的光線朝向預設基準軸線C反射，藉以使上述光學感測器100發光單元2所發出的光線被導引至所述外部物，也就是光線經過框體3界面反射後可朝向預設中軸線C行進。

所述光學感測器100包括有多個封裝體4，並且上述多個收容槽13、凹槽14、及其所對應的框體3的內壁面31所包圍的空間分別填設有該些封裝體4，也就是說，每個收容槽13、凹槽14、及其所對應的框體3內壁面31所共同包圍的空間內填設有封裝體4，以使封裝體4完整地包覆上述多個發光單元2與所述光接收器5。

依上所述，本實施例所提供的光學感測器100能透過所述導光結構(如：內光反射部1321、外光反射部1322、及框體3的內壁面31)的設置，以使自多個發光單元2所發出的光線分別經過導光結構表面反射後，可朝向預設基準軸線C方向射出。更詳細地說，所述導光結構可包含有形成多個穿孔的框體3，且每個穿孔具有預定的輪廓。上述框體3的多個穿孔能相連以形成具有預定輪廓的一散裝孔。

此外，本實施例所提供的光學感測器100亦可依設計者要求而加以調整，並不以圖5A所呈現的態樣為限。舉例來說，如圖7所示，在每個收容槽13的內光反射部1321與外光反射部1322的光反射效果足以達到要求的情況下，光學感測器100亦可將框體3省略。據此，所述光學感測器100的導光結構能形成有具備預定輪廓的多個收容槽13，用以收容多個發光單元2。再者，所述基板1也可包含有如圖3E所示的一平板部1a及設置於上述平板部1a的一隔板1b，並且上述平板部1a與隔板1b能裝配而共同形成所述收容槽13與凹槽14。所述收容槽13能收容多個發光單元2，並且上述凹槽14能收容設置在預設基準軸線C上的所述光接收器5。另，所述收容槽13與凹槽14所包圍形成的多個空間能夠選擇性地充填上述封裝體4。

[實施例三]

請參閱圖8至圖10，其為本發明的實施例三，需先說明的是，本實施例對應附圖所提及的相關數量與外型，僅用來具體地說明本發明的實施方式，以便於了解本發明的內容，而非用來侷限本發明的保護範圍。

再者，本實施例類似於上述實施例二，而兩個實施例的主要差異在於基板1的構造。

如圖8和圖9A所示，所述光學感測器100包含有一基板1、一發光單元2、及一光接收器5。所述基板1於本實施例中形成有凹設於第一板面11的一收容槽13與一凹槽14，並且所述收容槽13位於上述凹槽14的一側。本實施例的收容槽13結構類似於實施例二所載，並且所述收容槽13的內光反射部1321與底壁131所相夾的角度θ1限定為120度至165度。

再者，於本實施例中，鄰近於凹槽14的收容槽13內側壁132a定義為上述內光反射部1321，而遠離凹槽14的收容槽13外側壁132b定義為上述外光反射部1322。

本實施例的發光單元2與光接收器5類似於上述實施例二所載。具體來說，發光單元2設置於基板1的收容槽13內，並且內光反射部1321與外光反射部1322能將發光單元2所發出的光線L1、L2，反射朝向一外部物200行進(如圖9B)。所述光接收器5設置於基板1的凹槽14內，並且所述光接收器5是用來接收來自發光單元2發出並經由所述外部物200反射的光線。

為證實所述光學感測器100的效能，本實施例以不同類型(如收容槽13的形成有不同的角度θ1、θ2)的光學感測器100進行模擬測試，並且上述模擬測試的結果呈現如下表。在所述模擬測試的結果中，本實施例所提供的多個不同類型的光學感測器100具備有好的效能，並且類型3的光學感測器100效能最佳。

本實施例的光學感測器100能形成如同圖10所示的構造。其中，所述收容槽13具有一橢圓形頂開口133，所述光學感測器100具有設置於收容槽13內的多個發光單元2，並且多個所述發光單元2位在所述光接收器5朝向上述多個發光單元2方向正投影所形成的一投影區域內。再者，所述多個發光單元2對應於所述橢圓形頂開口133的一長軸方向設置。

更詳細地說，如圖9B所示，所述發光單元2所發出的光線L1、L2能被導引至一外部物200(如：使用者皮膚內的血管201)，並且位在凹槽14內的光接收器5能接收自上述外部物200所反射的光線。

[實施例四]

請參閱圖11和圖12，其為本發明的實施例四，需先說明的是，本實施例對應附圖所提及的相關數量與外型，僅用來具體地說明本發明的實施方式，以便於了解本發明的內容，而非用來侷限本發明的保護範圍。

再者，本實施例類似於上述實施例三，而兩個實施例的主要差異在於基板1的構造。

如圖12所示，所述光學感測器100包含有一基板1、多個發光單元2、及一光接收器5。所述基板1於本實施例中形成有凹設於第一板面11的多個收容槽13與一凹槽14，所述多個收容槽13位於上述凹槽14的一側並且較佳是排成一列。本實施例的每個收容槽13結構類似於實施例三所載，也就是說，所述每個收容槽13的內光反射部1321與底壁131所相夾的角度θ1限定為120度至165度。

本實施例的多個發光單元2與光接收器5類似於上述實施例三所載。具體來說，多個發光單元2分別設置於基板1的多個收容槽13內，並且每個收容槽13的內光反射部1321與外光反射部1322能將相對應發光單元2所發出的光線反射朝向一外部物行進。所述光接收器5設置於基板1的凹槽14內，並且所述光接收器5是用來接收來自由每個發光單元2發出並經由所述外部物200反射的光線。

另，本實施例的光學感測器100能形成如同圖12所示的構造。其中，所述收容槽13具有一橢圓形頂開口133，並且上述橢圓形頂開口133的一長軸方向正交於所述光接收器5的中心軸線，以使設有橢圓形頂開口133的收容槽13能將相對應發光單元2所發出的光線導引朝向所述光接收器5的中心軸線，藉以使上述相對應發光單元2與所述光接收器5能具有較佳的配合效果。

[本發明實施例的技術效果]

綜上所述，本發明實施例所公開的光學感測器，其收容槽的內光反射部與外光反射部相對於底壁形成有不同的角度，因而能夠將發光單元所發出的光線反射朝向預設基準軸線，進而投射至上述外部物(如：皮膚)，藉以使所述外部物能夠更為精準地將光線反射至光接收器。

以上所述僅為本發明的優選可行實施例，並非用來侷限本發明的保護範圍，凡依本發明申請專利範圍所做的均等變化與修飾，皆應屬本發明的權利要求書的保護範圍。