用于檢測從物體反射的光的裝置和方法與流程

本公開的示例涉及用于檢測從物體反射的光的裝置和方法。不影響前述，一些示例涉及用于檢測從用戶的身體(例如，皮膚)反射的光以用于確定生物/生理測量的裝置和方法，諸如在光學上獲得器官對光電容積脈搏波描記法(ppg)的容積測量以確定用戶的心率。

背景技術：

諸如用戶的心率的生物/生理測量可使用光學ppg傳感器從組織中測量。由來自用戶的心臟的每個心動周期的壓力脈沖引起的容積變化可通過脈搏血氧儀檢測，該脈搏血氧儀檢測在用戶的皮膚內的光吸收的變化。皮膚例如被發光二極管(led)照射，并例如用光電檢測器測量所反射的光量。

傳統的光學傳感器系統并不總是最佳的。例如來自led的光通常被發射在廣闊的面積上并且在周圍散射，這可減少從物體反射并能夠被光電檢測器檢測到的光量。為了補償這種問題，可能需要更亮的光源和/或更大的功率，以便檢測足夠的反射光量以能夠從中確定生理/生物測量，諸如心率測量。

本說明書中任何在先公開的文獻或背景的列表或論述不應必然被視為確認該文件或背景是現有技術的一部分或者是公知常識。本公開的一個或多個方面/示例可以或可以不解決背景技術問題中的一個或多個。

技術實現要素：

根據本公開的至少一些但不一定全部的示例，提供了一種裝置，其包括：包括衍射結構的導光元件，其被配置為將入射光導向物體；以及光學傳感元件，其被配置為檢測從所述物體反射的光。

該裝置可進一步包括光源。導光元件可被配置為向光源提供保護窗/蓋。導光元件可進一步被配置為向光學傳感元件提供保護窗/蓋。

可替換地，可提供光源作為第一模塊，可提供光學傳感元件作為第二單獨模塊。導光元件可被配置為向第一模塊提供保護窗/蓋，可提供另一個導光元件，其被配置為向第二模塊提供保護窗/蓋。

該裝置可作為諸如可穿戴設備的設備的一部分提供，該設備被配置為至少部分地圍繞用戶的附肢，諸如用戶的手腕。該設備可進一步被配置以用于以下中的至少一個：無線通信、移動電話、接收用戶輸入、提供用戶輸出、便攜式使用和可穿戴使用。

根據本公開的至少一些但不一定全部的示例，提供了一種方法，其包括：使用包括衍射結構的導光元件以將入射光導向物體；以及檢測從所述物體反射的光。

根據本公開的至少一些但不一定全部的示例，提供了一種裝置，其包括被配置為執行上述方法的裝置。

根據本公開的至少一些但不一定全部的示例，該裝置可被配置用作傳感器，以用于確定以下中的一個或多個：生物測量、生理測量、光電容積脈搏波描記測量、容積測量、血氧飽和度測量、心血管測量或心率測量。

本公開的示例以及隨附的權利要求可以以任何對本領域技術人員是顯而易見的方式適當地組合。

附圖說明

為了更好地理解本公開的各種示例，這些示例有利于理解本發明的詳細描述和某些實施例，現在僅以示例的方式參照附圖，其中：

圖1示意性地示出了根據本公開的裝置的示例；

圖2示意性地示出了根據本公開的裝置的另一個示例；

圖3示意性地示出了根據本公開的裝置的再一個示例；

圖4示意性地示出了根據本公開的裝置的再一個示例；以及

圖5示意性地示出了根據本公開的方法的流程圖。

具體實施方式

附圖示意性地示出了裝置100，其包括：

包括衍射結構302的導光元件101，其被配置為將入射光102導向物體103；以及

光學傳感元件105，其被配置為檢測從所述物體103反射的光。

衍射結構可以例如是衍射光學元件、衍射光柵、周期性結構/圖案或一系列衍射線/狹縫/凹槽。

本公開的某些示例尋求提供一種裝置以用于將光重定向/聚焦到物體，諸如用戶的身體的區域，以便增加可從物體反射并被光學傳感元件檢測到的光量。增加所檢測的反射光量可改進反射光的測量的信噪比。這可提供以下優勢：較低的亮度/光通量光源可用于入射光，例如，人們能夠使用比原本可能需要的亮度/功率更低的光源。這相應地可使裝置的功耗降低。

此外，使用具有衍射結構的導光元件以及至少部分地使用衍射以重定向光可使得導光結構的一個或多個表面能夠避免用戶可注意的突起或凹陷，這些突起或凹陷原本可能需要，例如在那兒有用于聚光的凸/凹透鏡。本公開的示例可提供具有衍射結構的導光元件，該衍射結構被集成到導光元件的表面，其中該衍射結構具有微米級或納米級的突起。這小于其中使用可能具有毫米級的凹突起的透鏡的實例。有利地，這可減小導光結構的尺寸和厚度。此外，這可減少在導光結構的宏觀/大型形狀上的限制(諸如減少或避免在導光元件中需要用戶可注意/可感覺的突起/凹陷，這可能會導致用戶的不適，特別是當導光元件被長時間壓在用戶的身體的一部分時)。此外，導光結構可用于形成在光學傳感元件上的保護蓋/層/窗和/或形成裝置的殼體的外部部分，諸如殼體中可通過入射光和反射光的窗。

本公開的某些特定非限制性示例可用于確定以下中的一個或多個：生物測量、生理測量、光電容積脈搏波描記測量、容積測量、血氧飽和度測量、心血管測量或心率測量。有利地，這樣的示例可通過增加從用戶組織反射的光的檢測效率來實現改進的例如心率信號的測量。改進的檢測/測量效率可意味著可獲得更準確的讀數和/或消耗更少的功率。當裝置作為便攜式/可穿戴設備提供時，這可導致更長的使用時間和更長的電池壽命。此外，當穿戴該設備時改進的用戶舒適度可意味著用戶可更長時間地穿戴該設備，從而實現在更長時間上的測量。

現在參照附圖描述根據本公開的裝置的示例。在附圖中使用相似的附圖標記指定相似的特征。為了清楚起見，在所有附圖中不一定顯示所有的附圖標記。

圖1示意性地示出了根據本公開的裝置100。裝置100包括導光元件101，例如光導，以及光學傳感元件105，例如光傳感器、光電檢測器或光電二極管。

導光元件包括衍射結構(圖1中未示出)，并被配置為將入射光束102導向物體103，如用戶的身體104的區域103。入射光102被導光元件向物體/區域103衍射以及重定向/聚焦，如重定向衍射光106所示。重定向衍射光106在用戶的身體的區域103內被反射，例如通過諸如用戶皮膚內的血管和毛細血管的組織，反射光107被光學傳感元件105檢測。光學傳感元件、光源和導光元件可在基板上提供，尤其是例如印刷線路板或柔性印刷電路板(未示出)。

裝置100可在模塊中提供。這里使用的“模塊”是指不包括由終端制造商或用戶添加的某些部件/組件的單元或裝置。

本公開的某些特定非限制性示例可用于提供光電容積脈搏波描記(ppg)傳感器，以用于獲得在區域內(特別是在用戶的皮膚的區域內)的用戶的組織/血管/毛細血管的容積測量。

圖2示出了另一個裝置200，其中光源202，諸如發光二極管(led)，用于產生入射光102，其通過導光元件101及其衍射結構201導向，以改變路徑以向特定區域重定向。這種導向光，如箭頭106所示，然后可從該區域反射，如箭頭107所示，并且被光學傳感元件105檢測。光學傳感元件可被封裝在保護層205內，該保護層205本身可以包括它自己的導光元件(其同樣可以包括衍射結構-未示出)以將反射光向著光學傳感元件105重定向/聚焦。導光元件101本身可形成光源202的保護層/窗。

每個導光元件101和205可主要通過衍射來指引光或也可被配置以通過折射來導光。

該裝置可被提供為分離的第一和第二模塊，其中導光元件101和光源202被提供為第一模塊206，光學傳感元件105及其保護層/導光元件205被提供為第二模塊207。例如，導光元件101和光源202可在基板208上提供，基板208與在其上提供光學傳感元件105及其保護層/導光元件205的基板209分離。導光元件101和光源202可容納在殼體部210中，殼體部210具有側壁和底部/基底部分，并與容納有光學傳感元件105及其保護層/導光元件205的殼體部211分離。

在一些示例中，導光元件/保護層101可直接形成在光源202上。在一些示例中，導光元件/保護層101可與光源202相鄰地提供。在一些示例中，導光元件/保護層101可與光源202相鄰，以使得導光元件/保護層101與光源202接觸。在一些示例中，在導光元件/保護層101與光源202之間可沒有間隙或沒有氣隙(圖2中未示出，但在圖4中示出)。類似地，導光元件/保護層205可直接形成在光學傳感元件105上。在一些示例中，導光元件/保護層205可與光學傳感元件105相鄰地提供。在一些示例中，導光元件/保護層205可與光學傳感元件105相鄰，以使得導光元件/保護層205與光學傳感元件105接觸。在一些示例中，在導光元件/保護層205與光學傳感元件105之間可沒有間隙或沒有氣隙(圖2中未示出，但在圖4中示出)。在一些示例中，一個或多個透光材料可被插入在導光元件與光源/光學傳感元件之間以填充任何氣隙。在其他示例中，可在各部件之間提供氣隙。

圖3示出了根據本公開的另一個示例裝置300，其中，光學傳感元件105和光源202共享光源202的導光元件301，以使得導光元件形成光源202和光學傳感元件105中的每個的保護窗/蓋。

裝置300包括殼體結構303，其具有側壁和在其上提供光源202和光學傳感元件105的底座/基底部分。隔離壁305在光源202和光學傳感元件105之間提供，用于阻擋直接從光源202到檢測器105而沒有例如通過不在導光元件301的內表面上反射來穿過導光元件301的任何光的路徑。可替換地，或者除了提供這種光學阻礙隔離壁之外，還可以在導光元件的下表面/內表面提供抗反射涂層以防止光從內表面反射。

光源202發射的光入射到導光元件301，以便被導向/重定向到區域103。導光元件301包括衍射結構302。衍射結構可在導光元件的表面(例如，如圖所示的下/內表面，或者上/外表面)提供并且可與其集成一體。抗反射涂層可在導光元件的上側/外表面提供。

導光元件可由透明材料形成，例如，具有高透明度的光學級塑料、玻璃或藍寶石玻璃。導光元件可形成光源和/或傳感器的保護窗。衍射結構302可被集成到保護窗上。衍射結構可通過任何合適的方式在表面上提供，例如在表面是塑料的情況下，所需的圖案可以以模制、鑄造、壓花、激光、蝕刻等方式復制。在表面包括諸如玻璃或藍寶石的其他材料的情況下，例如可使用蝕刻、激光或鑄造技術。

衍射結構被配置為輔助將光束102重定向/聚焦在特定方向106上，以使得大部分光被導向用戶的身體內的特定區域103或特定焦點。衍射結構可以包括衍射光學元件、周期性衍射結構和/或衍射線、狹縫或凹槽中的一個或多個。衍射結構的周期和/或形狀和尺寸可用于輔助將光導向/聚焦到特定區域，以集中能夠在該區域接收的光量106，從而最大化被該區域反射并被光電檢測器105檢測到的光量107。

衍射結構302可在導光元件的一個或多個主表面的至少一部分上提供，例如在導光元件的內表面或外表面的至少一部分上。衍射結構可有助于減少不希望的表面反射和反向散射。

導光元件301可被配置為在光學傳感元件上延伸，從而在光學傳感元件上提供保護層/窗。這種包括衍射結構的保護層/窗可以是曲線形的或可彎曲的，例如以便符合裝置所附著的用戶的身體部分(例如手腕)的形狀。導光元件301可被配置為將反射光107導向/聚焦到光學傳感元件105上。覆蓋光學傳感元件的導光元件的內表面或外表面還可提供衍射結構(未示出)，以便將反射光107聚焦到光學傳感元件105上。

來自諸如led的光源的入射光可以是可見光，如綠色、藍色、紅色光，或可以包括來自電磁光譜的其他不可見部分的光，例如紅外光。

圖4示出了包括多個光源202、202'和光學傳感器105的另一個裝置400。該裝置還包括多個衍射結構302和302'，其被適當地布置并被配置為尋求最大化從各個光源導向用戶的身體104的特定區域103的光量，以使得該光可以從該區域反射并且被光學傳感器105檢測。例如，衍射元件302從在光學傳感元件105的左側的光源202接收入射光。衍射元件302被配置為朝向右側(如用向右方向的箭頭所示)重定向/增加光量以在光學傳感器105/光電二極管區域上進行反射，并且減少在左側方向(如用帶叉的向左方向的箭頭所示)上的光量。類似地，對另一個衍射元件302'提供相反的配置。

圖4的裝置400被配置以使得光導301和光源202、202'彼此相鄰地提供。在一些示例中，在光導301和光源202、202'之間沒有氣隙。在其他示例中，可以提供氣隙。例如，光導可圍繞光源并直接在其上應用/形成，例如以使得區域401和401'形成光導的主要部分。可替換地，區域401和401'可以包括透光且將來自光源的光優化耦合到光導301的材料。類似地，該裝置可被配置以使得在光導301和光學傳感器105之間沒有氣隙，例如，區域402可以是光導的主要部分或者是光耦合介質/材料。

圖5示意性地示出了根據本公開的示例的方法500的流程圖。在框501中，使用包括衍射結構的導光元件，將入射光導向物體，例如用戶的身體的區域。入射光可以至少部分地來自光源，如框504所示。

在框502中，檢測從物體反射的光。在框503中，基于所檢測的光確定生物/生理測量。生理測量可以不僅限于例如光電容積脈搏波描記測量、容積測量、血氧飽和度測量、心血管測量或心率測量。

應當理解，流程圖的框支持執行指定的功能以及提供被配置為執行指定功能的裝置。本公開的示例涉及方法和對應的裝置，其中裝置由提供用于執行該方法的動作的功能的各種模塊或部件組成。因此，根據本公開，可以提供一種包括被配置以執行上述方法的裝置的裝置。

圖5的流程圖表示一種可能的場景。所示的框的順序并不是絕對必需的，因此，在原則上各個框可以不按順序執行。并不是所有的框都是必不可少的。在某些示例中，一個或多個框可以以不同的順序或在時間上重疊、串行或并行地執行。一個或多個框可以以某些組合的方式省略或添加或改變。例如，框504可以可選擇地使用，框503可省略(因為這種功能可在獨立的設備中被提供，例如其中與所檢測的從區域反射的衍射光量有關的信號被傳送到遠離該裝置的控制器/處理器，以用于確定生理測量)。雖然通過導光元件重定向/聚焦入射光可以通過在導光元件的衍射結構內的衍射進行，但是，光的重定向可以不僅僅是由衍射唯一引起的，還可以是由在導光元件中發生的折射引起的，例如通過適當配置的導光元件，其可除了提供在導光元件中發生的衍射之外，還提供折射屬性以將光導向/聚焦到該區域。在這方面，除了一個或多個衍射結構之外，導光結構還可以包括一個或多個折射光學微結構。

此外，雖然描述了包括衍射結構的導光元件，但在某些示例中，導光元件本身實際上是(即包括)衍射結構。這種導光元件/衍射結構可在如玻璃或塑料光學透明介質的透光介質的表面上提供。此外，可以向該裝置提供附加層，如導光元件的抗反射涂層。

本裝置的某些示例尋求提供入射光的光束整形，以提高發光效率并增強向特定物體/區域提供光的效率。這種提供給物體/區域的光的集中增加了可從物體/區域反射并能夠被光學傳感元件檢測到的光量。某些示例還可尋求提供反射光的光束整形以優化反射光的收集，即提高向光學傳感元件提供反射光的效率。這種提供給光學傳感元件的反射光的集中增加了可被檢測到的反射光量。

上述描述中被描述的特征可以通過除了明確描述的組合之外的組合來使用。

雖然已經參照某些特征描述了功能，但是，這些功能可由其他特征執行，無論其是否被描述。雖然已經參照某些示例描述了特征，但是，這些特征也可存在于其他示例中，無論其是否被描述。

應當理解，在不脫離如權利要求中所述的本發明的范圍的情況下，可以對給定的示例進行修改。

本文中使用的術語“包括”具有包容而非排他的含義。也就是說，任何表述“x包括y”表示x可以僅包括一個y或可以包括多于一個y。如果意圖使用具有排他含義的“包括”，那么在上下文中將通過提及“僅包括一個···”或者使用“由······組成”來明確。

在本說明書中，用詞“連接”、“耦合”和“通信”及其派生詞意味著在操作上連接/耦合/通信。應當理解，可以存在任何數量或組合的中間組件(包括沒有中間組件)。

在本說明書中，已經參考了各種示例。與示例相關的特征或功能的描述表示在該示例中存在這些特征或功能。在文本中使用的術語“示例”或“例如”或“可以”表示，無論是否被明確地陳述，這些特征或功能至少存在于所描述的示例中，無論是否被描述為示例，并且它們可以但不一定存在于一些或所有其他示例中。因此，“示例”、“例如”或“可以”是指一類示例中的特定實例。該實例的特性可以僅是該實例的特性或該類的特性或該類的子類的特性，該子類包括該類中的一些但不是全部的實例。

在本說明書中，涉及“一個/該”[特征、元件、組件、裝置···]將被解釋為“至少一個”[特征、元件、組件、裝置···]，除非另外被明確地陳述。

以上描述描述了本公開的一些示例。然而本領域技術人員應當意識到提供與上文所述的此種結構和特征的具體示例等效的功能的可能的替代結構和方法特征，為了簡潔起見已從上述說明中省略。盡管如此，以上描述應被理解為隱含包括涉及提供等效的功能的此種替代結構和方法特征，除非在以上本公開的示例的描述中明確排除的此種替代結構或方法特征。

盡管在前述說明書中努力提請注意被認為是特別重要的本公開的示例的這些特征，應當理解，申請人要求保護上述涉及的和/或在附圖中示出的任何專利的特征或特征的組合，無論是否特別強調。