專利名稱：光學(xué)裝置組件的制作方法
光學(xué)裝置組件本非臨時(shí)申請(qǐng)要求于2007年10月4日提交的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)No. 60/977，467 的優(yōu)先權(quán)的權(quán)益，該美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)通過(guò)引用被全部包含于此。
背景技術(shù)：
無(wú)論樣本是氣體、液體還是固體，它的基本屬性都是它傾向于或不傾向于吸收 或散射特定波長(zhǎng)的光。樣本吸收、散射或透射的傾向的特征是許多光學(xué)測(cè)量和儀器(比 如，分光光度測(cè)定法)的基礎(chǔ)。使用光學(xué)裝置進(jìn)行測(cè)量的精度和可重復(fù)性涉及許多因素， 包括到達(dá)一個(gè)或多個(gè)檢測(cè)器的信號(hào)的強(qiáng)度。光學(xué)裝置可用于測(cè)量人或動(dòng)物血或胞間液 (interstitial fluid)中的成分的存在和量。在一個(gè)示例中，無(wú)創(chuàng)(non-invasive)光學(xué)設(shè) 備可使用光譜學(xué)的一些形式來(lái)從用戶身體的目標(biāo)區(qū)域獲取信號(hào)或光譜。糖尿病是一種慢性疾病，當(dāng)不對(duì)其進(jìn)行控制的時(shí)候，隨著時(shí)間的流逝會(huì)對(duì)許多身 體系統(tǒng)，包括神經(jīng)、血管、眼睛、腎臟和心臟造成嚴(yán)重的損害。美國(guó)國(guó)家糖尿病、消化系統(tǒng)病、 腎疾病研究所(NIDDK)估計(jì)2007年在美國(guó)有2360萬(wàn)人或者美國(guó)總?cè)丝诘?. 8%患有糖尿 病。在全世界，世界衛(wèi)生組織(WHO)估計(jì)超過(guò)1. 8億人患有糖尿病，到2030年他們預(yù)計(jì)這 個(gè)數(shù)字將增加到3. 66億，美國(guó)占3030萬(wàn)。根據(jù)WHO，在2005年估計(jì)有110萬(wàn)人死于糖尿 病。他們預(yù)測(cè)2006年到2015年，糖尿病致死率將總的增加超過(guò)50%且在中上收入國(guó)家增 加超過(guò)80%。糖尿病對(duì)個(gè)人和整個(gè)社會(huì)造成的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)是重大的。根據(jù)美國(guó)糖尿病協(xié)會(huì)，2007 年美國(guó)糖尿病總年度經(jīng)濟(jì)成本估計(jì)達(dá)到1740億美元。自2002年以來(lái)這個(gè)數(shù)字增加了 420 億美元。這32%的增長(zhǎng)意味著美元數(shù)量每年提升超過(guò)了 80億美元。糖尿病管理一個(gè)很重要的要素就是糖尿病患者在家庭環(huán)境下自我監(jiān)測(cè)血糖 (SMBG)濃度。通過(guò)經(jīng)常測(cè)試血糖水平，糖尿病患者能更好地管理用藥、飲食和運(yùn)動(dòng)以持續(xù)控 制和預(yù)防長(zhǎng)期不良健康結(jié)果。實(shí)際上，糖尿病控制與并發(fā)癥實(shí)驗(yàn)(DCCT)若干年來(lái)密切關(guān)注 了 1441名糖尿病患者，結(jié)果表明，與標(biāo)準(zhǔn)治療組比較，那些每天按照強(qiáng)化控制方案進(jìn)行多 種血糖測(cè)試的患者中只有1/4的人發(fā)展為糖尿病性眼疾病，1/2的人發(fā)展為腎臟疾病，1/3 的人發(fā)展為神經(jīng)性疾病，且已經(jīng)有這三種并發(fā)癥早期形態(tài)的患者中極少數(shù)人惡化。然而，由于在分析之前通過(guò)皮膚抽取血液不方便并且?guī)?lái)痛苦，這使得許多糖尿 病患者做不到為了很好地控制血糖而應(yīng)當(dāng)做的那樣勤奮，因此目前的監(jiān)測(cè)技術(shù)阻礙了正常 的使用。結(jié)果，無(wú)創(chuàng)測(cè)量葡萄糖濃度是糖尿病管理的一種可取和有利的發(fā)展。無(wú)創(chuàng)監(jiān)測(cè)將 使每天的多次測(cè)試沒(méi)有痛苦且更加受到兒童糖尿病患者的歡迎。根據(jù)2005年刊登的一篇 石if究(J，Wagner，C. Malchoff，and G. Abbott，DiabetesTechnology&Therapeutics (糖尿病 技術(shù)和療法)，7 (4) 2005，612-619)，患有糖尿病的人利用無(wú)創(chuàng)血糖監(jiān)測(cè)裝置更頻繁地執(zhí)行 SMBG，并且已經(jīng)改善生活質(zhì)量。存在許多用于血糖確定的無(wú)創(chuàng)方法。一種無(wú)創(chuàng)的血液化學(xué)檢測(cè)技術(shù)涉及收集和分 析光譜數(shù)據(jù)。由于在正被感測(cè)的區(qū)域中除了血液之外還存在其它成分(比如，皮膚、脂肪、 肌肉、骨頭、胞間液)，所以從根據(jù)光譜學(xué)獲得的光譜數(shù)據(jù)或其它數(shù)據(jù)提取關(guān)于血液特性的
3信息(例如血糖濃度)是一個(gè)復(fù)雜的問(wèn)題。這樣的其它成分能夠以改變讀數(shù)(reading)這 樣的方式影響這些信號(hào)。具體地講，作為結(jié)果而獲得的信號(hào)的幅度可以比信號(hào)中與血液對(duì) 應(yīng)的部分的幅度大很多，因此，限制了精確提取血液特性信息的能力。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的實(shí)施例涉及一種包括產(chǎn)生多條光束的光源的設(shè)備，所述多條光束中的每 一條具有不同的波長(zhǎng)范圍。該設(shè)備還包括用于將多條光束引導(dǎo)至目標(biāo)區(qū)域的光隧道(light funnel)、用于將從目標(biāo)區(qū)域發(fā)射的多條光束引導(dǎo)至透鏡的光圈(aperture)，所述透鏡被構(gòu) 造為用于收集(collect)從目標(biāo)區(qū)域發(fā)射的光束。此外，該設(shè)備包括包含多個(gè)光感測(cè)裝置 的檢測(cè)器以及處理器，每個(gè)光感測(cè)裝置被構(gòu)造為用于檢測(cè)光束并產(chǎn)生指示被檢測(cè)的光強(qiáng)度 的輸出信號(hào)，所述處理器用于確定作為每個(gè)產(chǎn)生的輸出信號(hào)的函數(shù)的血液特性。實(shí)施例涉及光收集系統(tǒng)(light collection system)，該光收集系統(tǒng)包括定位為 與目標(biāo)區(qū)域相鄰的透鏡、定位在透鏡和目標(biāo)區(qū)域之間的且被構(gòu)造為引導(dǎo)從目標(biāo)區(qū)域發(fā)射的 多條光束的光圈、以及一個(gè)或多個(gè)濾光器。


在不必按比例繪制的附圖中，相同的附圖標(biāo)記在幾個(gè)視圖中始終描述基本類似的 組件。具有不同字母后綴的相同附圖標(biāo)記表示基本類似的組件的不同實(shí)例。附圖總體上作 為示例，但是不作為限制性作用，示出在本文中論述的各種實(shí)施例。圖IA-B示出根據(jù)一些實(shí)施例的與動(dòng)脈血的光吸收對(duì)應(yīng)的脈沖波的繪圖。圖2示出根據(jù)一些實(shí)施例的光學(xué)構(gòu)造。圖3示出根據(jù)一些實(shí)施例的用于執(zhí)行生物樣本的光學(xué)測(cè)量的現(xiàn)有的光學(xué)構(gòu)造。圖4A-B示出根據(jù)一些實(shí)施例的用于執(zhí)行生物樣本的光學(xué)測(cè)量的光學(xué)構(gòu)造。圖5示出根據(jù)一些實(shí)施例的光漏斗的剖面圖。圖6示出根據(jù)一些實(shí)施例的光源的組件。圖7示出根據(jù)一些實(shí)施例的其中設(shè)有紅外發(fā)射二極管(IRED)陣列矩陣的光漏斗 的剖面圖。
具體實(shí)施例方式以下詳細(xì)描述包括對(duì)附圖的論述，附圖形成該詳細(xì)描述的一部分。附圖以圖解的 方式顯示可實(shí)施本發(fā)明的具體實(shí)施例。對(duì)在本文中也稱為“示例”的這些實(shí)施例進(jìn)行足夠詳 細(xì)的描述是為了使得本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠?qū)嵤┍景l(fā)明。在不脫離本發(fā)明的范圍的情況下， 可組合這些實(shí)施例，可利用其它實(shí)施例，或者可對(duì)結(jié)構(gòu)和邏輯進(jìn)行改變。因此，不從限制性 意義上看待以下詳細(xì)描述，并且本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求及其等同物限定。在本文中，術(shù)語(yǔ)“一個(gè)”用于包括一個(gè)或者多于一個(gè)，術(shù)語(yǔ)“或者”用于表示非獨(dú)占 性的“或者”，除非另有指明。另外，應(yīng)該理解，本文所采用的沒(méi)有以其它方式限定的措辭或 術(shù)語(yǔ)僅用于描述的目的，而不用于限制性的目的。此外，這里引入本文中引用的所有出版 物、專利和專利文獻(xiàn)的全文作為參考。在本文和如此引入作為參考的這些文獻(xiàn)之間使用不 一致的情況下，應(yīng)該認(rèn)為引入的參考文獻(xiàn)中的用法與本文中的用法互補(bǔ)；對(duì)于不相容的不一致之處，按照本文檔中的用法限定。本發(fā)明的實(shí)施例涉及光學(xué)組件，例如用于樣本的光學(xué)性質(zhì)的照射和測(cè)量的光漏 斗。雖然以人類或動(dòng)物身體區(qū)域的光譜樣本為例進(jìn)行說(shuō)明，但是實(shí)施例涉及所有類型的光 學(xué)儀器，包括光學(xué)檢測(cè)器、顯微鏡、分光儀等。光譜學(xué)可用于確定被生物樣本(例如人的手 指)吸收的光量。通過(guò)測(cè)量被手指吸收的光量，可無(wú)創(chuàng)地確定人的葡萄糖、膽固醇和血紅素 水平。由于指尖中的毛細(xì)血管的密集度大并且在指尖發(fā)生從動(dòng)脈血到靜脈血的轉(zhuǎn)換，所以 通常優(yōu)選指尖測(cè)量。當(dāng)光透射通過(guò)生物樣本(例如人的手指)時(shí)，光被手指的各個(gè)成分(包括皮膚、肌 肉、骨頭、脂肪、胞間液和血液)吸收和散射。然而，觀察到，通過(guò)人的手指的光吸收表現(xiàn)出 與心跳對(duì)應(yīng)的小范圍的循環(huán)模式。圖IA描繪與由于用戶的心跳而導(dǎo)致的毛細(xì)血管中的動(dòng) 脈血的光吸收對(duì)應(yīng)的脈沖波的繪圖102。雖然與檢測(cè)器所產(chǎn)生的總電流相比循環(huán)模式的幅 度小，但是可從繪圖102的循環(huán)模式提取相當(dāng)多的信息。例如，假設(shè)人的心率為每分鐘60 次心跳，則任何脈沖跳動(dòng)的起始和該脈沖跳動(dòng)的結(jié)束之間的時(shí)間為一秒。在這個(gè)一秒周期 期間，繪圖將具有最大值或峰值104讀數(shù)和最小值或谷值106讀數(shù)。繪圖的峰值104讀數(shù) 與毛細(xì)血管中的血液為最小量的時(shí)候?qū)?yīng)，谷值106讀數(shù)與毛細(xì)血管中的血液為最大量的 時(shí)候?qū)?yīng)。通過(guò)使用循環(huán)繪圖的峰值和谷值所提供的光學(xué)信息，排除了通過(guò)不在毛細(xì)血管 中的主要手指成分(例如皮膚、脂肪、骨頭、肌肉和胞間液)的光吸收和散射。由于不在毛 細(xì)血管中的這些主要成分在一秒間隔期間不大可能改變，所以這些主要成分被排除。換句 話講，可基于繪圖102的峰值和谷值來(lái)檢測(cè)被血液吸收的光。假設(shè)光感測(cè)裝置所產(chǎn)生的循環(huán)光電流的峰值為Ip、循環(huán)光電流的相鄰谷值為Iv、 在沒(méi)有人的手指的情況下光感測(cè)裝置所產(chǎn)生的光電流為Itl,則與峰值光電流和谷值光電流 對(duì)應(yīng)的透射率可如下定義Tv =^(1);以及
1OTp=^f-(2)。對(duì)應(yīng)的峰值吸光率(absorbance)和谷值吸光率為Av =-Iog(Tv) (3)；以及Ap =-Iog(Tp) (4)。Av和Ap之差反映了僅通過(guò)手指中的血液的光吸收和散射AA = Av -Ap = log(^) (5) ο
』y方程式(5)中顯示的算法僅要求監(jiān)測(cè)光電流變化來(lái)確定透射通過(guò)手指的光功率 變化。結(jié)果，不必確定在沒(méi)有人的手指的情況下光感測(cè)裝置所產(chǎn)生的光電流。不幸的是，由于循環(huán)模式為非常小的信號(hào)，所以循環(huán)模式的振幅(即，峰值和谷值 之差)通常為透射通過(guò)手指的總光功率的至3%。圖IA示出放大比例的循環(huán)模式。圖 IB描繪用信號(hào)振幅來(lái)表示對(duì)循環(huán)模式的更精確的反映。為了在確定Δ A時(shí)獲得100 1的 信噪(S/N)比，被用于測(cè)量通過(guò)手指的光吸收的裝置的基線噪聲(baseline noise)的吸光 率(峰間值)在IOHz寬帶內(nèi)不應(yīng)該大于3. OX 10_5。
5
然而，通過(guò)給手持無(wú)創(chuàng)血液化學(xué)測(cè)量裝置供電的一些電池所使用的低光功率電 平，難以獲得IOHz帶寬內(nèi)的3.0X10_5吸光率(峰間值)基線噪聲水平。一種解決方案涉 及增加光照功率。然而，由于一些裝置的尺寸限制，可能不會(huì)增加光照功率來(lái)實(shí)現(xiàn)期望的 基線噪聲水平(比如，電池耗竭)，或者可能不足以增加光照功率來(lái)實(shí)現(xiàn)期望的基線噪聲水 平。因此，所述系統(tǒng)和方法需要增加可被這樣的裝置檢測(cè)的光功率量，而不顯著增加裝置尺 寸和電池功耗。圖2是示出當(dāng)前的光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)200的組件的簡(jiǎn)化框圖，光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)200使用 “脈動(dòng)(pulsatile)”概念來(lái)確定僅被人的手指中的血液吸收和散射的光量。電源201(例 如電池)為產(chǎn)生被引導(dǎo)向用戶手指頂部的多條光束204、206、208、210的光源202供電。根 據(jù)光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)200的一個(gè)方面，光束204、206、208、210均具有不同的波長(zhǎng)或不同的波長(zhǎng) 范圍，典型地在800nm至1600nm內(nèi)。例如，第一光束204可具有850nm至900nm之間的波 長(zhǎng)范圍，第二光束206可具有875nm至940nm之間的波長(zhǎng)范圍，第三光束208可具有920nm 至980nm之間的波長(zhǎng)，第四光束210可具有950nm至1050nm之間的波長(zhǎng)。雖然本文將光學(xué) 測(cè)量系統(tǒng)200描述為產(chǎn)生四(4)條光束，但是在其它實(shí)施例中，設(shè)想可將光源202改裝成產(chǎn) 生更少的光束或者另外的光束。第一光圈212確保光束204、206、208、210入射到手指的目標(biāo)區(qū)域。第二光圈214 確保光束透射通過(guò)手指的一部分入射到透鏡216。手指和光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)200的組件使光束 204、206、208、210減弱，因此，從手指發(fā)出減弱的光束218、220、222、224。減弱的光束218、 220、222、224入射到透鏡216，透鏡216收集減弱的光束218、220、222、224，以使它們更有效 率地入射在檢測(cè)器塊226上。檢測(cè)器塊226被定位在透鏡216的正下方，并且包括多個(gè)光感測(cè)裝置(LSD) 228、 230、232、234，例如光電二極管陣列。根據(jù)光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)200的一個(gè)方面，光感測(cè)裝置228、 230、232、234的每個(gè)分別檢測(cè)由對(duì)應(yīng)的干涉濾光器(IF) 236、238、240、242限定的具體波長(zhǎng) 的光。干涉濾光器透射一個(gè)或多個(gè)光譜帶或光線，并阻擋其它光譜帶或光線。光感測(cè)裝置228、230、232、234的每個(gè)產(chǎn)生與被特定光感測(cè)裝置接收的光的功率 成比例的對(duì)應(yīng)電流信號(hào)?？蓪⒐怆姸O管所產(chǎn)生的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為另一形式的信號(hào)，例如 模擬電壓信號(hào)或數(shù)字信號(hào)。處理器243與檢測(cè)器塊226耦合，并被構(gòu)造為計(jì)算光電流信號(hào)244、246、248、250 的變化。根據(jù)一個(gè)方面，處理器243執(zhí)行例如方程式(5)中顯示的算法以計(jì)算僅由手指中 的血液引起的光吸收變化(△ A)。其后，可使用對(duì)血液的光吸收的這個(gè)量化計(jì)算來(lái)確定血液 的特性。例如，通過(guò)將計(jì)算的光吸收值同與存儲(chǔ)器(未顯示)中存儲(chǔ)的不同葡萄糖水平對(duì) 應(yīng)的預(yù)定值進(jìn)行比較，可確定用戶的葡萄糖水平?，F(xiàn)在參照?qǐng)D3，用于測(cè)量被人的手指吸收的光量的傳統(tǒng)設(shè)備的構(gòu)造。紅外發(fā)光二極 管(“IRED”)塊302包括產(chǎn)生近紅外線(“NIR”)輻射或者850nm至IlOOnm光束的多個(gè) IRED0所產(chǎn)生的NIR光束進(jìn)入入射光圈(entrance aperture) 304并通過(guò)手指。透射通過(guò) 手指的NIR光束通過(guò)出射光圈(exit aperture) 306到達(dá)透鏡308上。透鏡308使光束準(zhǔn) 直，并將它們投射到濾光器陣列310上，然后投射到檢測(cè)器陣列312上。所述設(shè)備還包括壁 殼314，用于防止雜散光到達(dá)光檢測(cè)器。
6
在這種光學(xué)構(gòu)造中，通過(guò)出射光圈306的光束在波長(zhǎng)上完全混合。更具體地講， 850nm至IlOOnm的整個(gè)光功率分布透射到檢測(cè)器陣列312中的每個(gè)檢測(cè)器。如下所述，圖3所繪的裝置構(gòu)造的問(wèn)題在于，妨礙了裝置的有效性，導(dǎo)致了潛在的 高基線噪聲。低光照功率為了容納兒童的小手指尺寸，光應(yīng)該通過(guò)直徑約為0. 25(1/4)英寸或更小的入射 光圈304而進(jìn)入手指，并且應(yīng)該通過(guò)直徑約為0. 25(1/4)英寸或更小的出射光圈306收集 透射通過(guò)手指的光。然而，可放入到0.25英寸直徑區(qū)域的IRED的數(shù)量有限。例如，僅可將 四個(gè)3毫米(mm)直徑的IRED有效地放入到入射光圈304的0.25英寸直徑區(qū)域中。由于在 半功率發(fā)射角為十五(15)至二十(20)度時(shí)來(lái)自每個(gè)IRED的平均功率約為2. 5毫瓦(mW)， 所以從每個(gè)IRED進(jìn)入手指的總可用功率約為百分之五十(50% )或者1. 25mW。因此，對(duì)于 四(4)個(gè)IRED，在被四個(gè)IRED覆蓋的整個(gè)波長(zhǎng)范圍，典型地850nm至IlOOnm內(nèi)，總可用功 率約為五(5)mW(比如，4X2. 5mffX. 50) 通過(guò)人的手指的吸收和散射通常，如上所述，皮膚、脂肪、肌肉、血液和骨頭將使進(jìn)入手指的光減弱。例如，觀察 到，通過(guò)人的手指的光的吸收和散射可將850nm至IlOOnm的NIR區(qū)域內(nèi)的透射光的功率減 小約200倍。結(jié)果，在被四個(gè)IRED覆蓋的整個(gè)波長(zhǎng)區(qū)域，典型地850nm至IlOOnm中，透射 通過(guò)手指的總IR功率僅為約25微瓦(μ W)(比如，5mW/200)。耦合光學(xué)器件的小收集立體角在手指下方從出射光圈306沿著2 π立體角中的所有方向發(fā)光。在傳統(tǒng)的光學(xué)設(shè) 計(jì)中，由于出射光圈306不能被作為點(diǎn)光源處理，所以難以收集透射通過(guò)手指的大部分光 功率。通常，使用圖3所示的光學(xué)布局而收集的總光功率僅為約10%，或者在被四個(gè)IRED 覆蓋的整個(gè)波長(zhǎng)區(qū)域，典型地850nm至IlOOnm內(nèi)，功率減小10倍，即變?yōu)?. 5 μ W。請(qǐng)注意， 這是發(fā)送給圖3中的所有檢測(cè)器的光功率。檢測(cè)器的數(shù)量而且，光學(xué)系統(tǒng)，例如圖3所示的光學(xué)系統(tǒng)，可能需要二十(20)個(gè)至三十(30)個(gè) 這么多的二極管檢測(cè)器來(lái)獲得關(guān)于血液中的化學(xué)成分的精確信息。因此，進(jìn)入到每個(gè)檢測(cè) 器的光功率將為約125nW或更小。窄帶通濾光器放置在每個(gè)檢測(cè)器頂部的干涉濾光器通常具有IOnm的半峰全寬(FWHM)帶寬，在 假設(shè)850nm至IlOOnm的整個(gè)波長(zhǎng)區(qū)域上功率分布均勻的情況下，該帶寬將光功率減小25 倍，即變?yōu)?nW。此外，每個(gè)干涉濾光器的峰值透射率約為50%或更小。因此，每個(gè)檢測(cè)器 接收的光功率被減小到約2. 5nff或更小。光電轉(zhuǎn)換效率硅二極管檢測(cè)器的光電轉(zhuǎn)換效率的范圍為IlOOnm時(shí)0.1安培/瓦特(A/W)至 900nm時(shí)約0. 5A/W。結(jié)果，對(duì)于每個(gè)檢測(cè)器，根據(jù)對(duì)應(yīng)的干涉濾光器的中間波長(zhǎng)(center wavelength)，每個(gè)檢測(cè)器生成的光電流在0. 25納米安培(nA)或更小至1. 25nA或更小之 間。IOHz帶寬內(nèi)的對(duì)應(yīng)的高端散粒噪聲約為2. 0X10_4吸光率(p-p)或更大，該吸光率超 過(guò)在S/N比為100時(shí)精確確定由方程式(5)定義的ΔΑ的值所需的吸光率的6倍。換句話
7講，為了達(dá)到對(duì)于ΔΑ而言理想的100 1的S/N比，檢測(cè)器接收的光功率應(yīng)該增加40倍 以上。圖4Α示出根據(jù)本光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)400的一個(gè)方面的用于執(zhí)行生物樣本的光學(xué)檢測(cè) 的光學(xué)構(gòu)造。光源402產(chǎn)生多條光束404、406、408、410。光源402可以是，例如，白熾光源 或紅外發(fā)光二極管。根據(jù)光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)400的一個(gè)方面，光束404、406、408、410中的每一條 具有不同的波長(zhǎng)或不同的波長(zhǎng)范圍。例如，第一光束404可具有850nm至920nm之間的波 長(zhǎng)范圍，第二光束406可具有900nm至980nm之間的波長(zhǎng)范圍，第三光束408可具有970nm 至1050nm之間的波長(zhǎng)，第四光束410可具有1030nm至IlOOnm之間的波長(zhǎng)。總波長(zhǎng)范圍可 包括，例如，從約SOOnm至約1600nm。雖然本文將光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)400描述為產(chǎn)生四(4)條光 束，但是在其它實(shí)施例中設(shè)想可將光源改裝成產(chǎn)生更少的光束或另外的光束。來(lái)自光源402的光束404、406、408、410通過(guò)入口 414進(jìn)入光照漏斗412，并通過(guò) 出口 416離開(kāi)光照漏斗412。光照漏斗412的出口 416的直徑小于或者等于入口 414的直 徑。例如，根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，入口 414的直徑約為0. 625(5/8)英寸，出口 416的直徑約為 0. 25(1/4)英寸。因此，與圖3所繪的構(gòu)造不同的是，光照漏斗412使光束404、406、408、410 沿著相同的大致方向向著用戶手指頂部聚焦。與圖3的構(gòu)造相比，光照漏斗可顯著地增加 被目標(biāo)區(qū)域接收的總光功率，因此，基本上增加信噪比。圖5描繪光照組件或漏斗412的剖面圖。根據(jù)一個(gè)方面，光照漏斗412具有直徑 為Dl的基本圓柱形外壁502 ；以及由形狀為截頭圓錐形的內(nèi)壁506以及兩個(gè)光入口 /出口 508和504限定的中央腔(central cavity)。開(kāi)口 508 (第二開(kāi)口)具有較小的直徑D3，開(kāi) 口 504(第一開(kāi)口)具有較大的直徑D2。這兩個(gè)光開(kāi)口之間的分隔距離為L(zhǎng)，內(nèi)表面的截頭 錐體的半角為a。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，半角α的值的范圍為10至15度。半角可 以，例如，小于約25度。光照漏斗412可由具有任何期望的折射率的塑料、金屬或其它合適 的材料或者材料的化合物/層形成。根據(jù)一個(gè)方面，光照漏斗412由金屬形成，并且可使內(nèi) 壁506的表面高度反射。當(dāng)構(gòu)造適當(dāng)時(shí)，可使出口 508處的光強(qiáng)度相對(duì)于入口 504處的光 強(qiáng)度增加50至100倍。圖6描繪根據(jù)光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)400的一個(gè)方面的光源402的組件。電路板可被定位 在漏斗的第一開(kāi)口附近或者被定位成與該第一開(kāi)口接觸，并可包括安裝在電路板上或者與 該電路板接觸的光源。在一個(gè)示例中，多個(gè)IRED602、604、606和608被安裝到印刷電路板 (PCB)610上。PCB 610通過(guò)與諸如電池的電源(比如，電源201)連接的電力線612接收電 力。當(dāng)通過(guò)電力線612供應(yīng)電力時(shí)，IRED 602、604、606和608中的每個(gè)接收電力，并產(chǎn)生多 條光束(比如，光束404、406、408、410)。顯而易見(jiàn)的是，可將具有類似的工作電流的IRED 串聯(lián)以增加電池壽命。可將光源安裝在漏斗內(nèi)或者漏斗上方，例如，通過(guò)用(例如)殼體包 圍光源來(lái)將光源安裝在漏斗內(nèi)或者漏斗上方。根據(jù)一個(gè)方面，可通過(guò)螺絲、桿(post)或其它連接部件將光照漏斗412安裝到PCB 610上。光照漏斗412的內(nèi)表面的截頭錐形用于將來(lái)自IRED 602、604、606、608的光束404、 406、408、410集中并聚焦為向著手指的大致圓錐形光束。圖7描繪其中設(shè)有三維(3-D) IRED陣列矩陣702的光照漏斗412的另一個(gè)實(shí)施例 的剖面圖。多個(gè)光源，例如IRED，可被定位在三維層中，并被布置成優(yōu)化光強(qiáng)度。光源可被 定位在例如水平層和垂直層中。根據(jù)本實(shí)施例，存在包括在3-D陣列矩陣中的總共二十六
8(26)個(gè)IRED。按四(4)層布置IRED。如704所示的第一行包括四(4)個(gè)IRED (兩個(gè)IRED 未顯示)，如706所示的第二層包括五(5)個(gè)IRED (兩個(gè)IRED未顯示)，如708所示的第三 層包括七⑵個(gè)IRED (四個(gè)IRED未顯示)，如710所示的第四層包括十(10)個(gè)IRED (六個(gè) IRED未顯示)。電力線712為所有的IRED供電。根據(jù)其它實(shí)施例，還可利用其它的IRED 模式(pattern)?？衫萌魏螖?shù)量的光源或?qū)觼?lái)優(yōu)化光強(qiáng)度。由于IRED在光學(xué)上對(duì)紅外光是透明的，所以由于漏斗腔內(nèi)的阻擋效應(yīng)而導(dǎo)致的 光損失應(yīng)該低，并且圖7所示的結(jié)構(gòu)預(yù)期收集從光漏斗腔中的IRED 3-D陣列發(fā)射的超過(guò) 85%光功率。結(jié)果，透射通過(guò)光照漏斗412的出口 416的0. 25英寸直徑的總光功率應(yīng)該約 為55mW(比如，26 X 2. 5mffX0. 85)。因此，透射通過(guò)本光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)400中手指上方的0. 25 英寸開(kāi)口的總光功率約為到達(dá)參照?qǐng)D3所述的構(gòu)造的光圈306的對(duì)應(yīng)功率(比如，5mW)的 十一(11)倍。而且，手指處接收到的增加的光功率將增加可透射通過(guò)手指的光功率的量， 因此，增加在檢測(cè)器塊428處可檢測(cè)到的光功率。返回來(lái)參照?qǐng)D4A，光束404、406、408、410被手指和光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)400的組件減弱。 被減弱的光束隨后通過(guò)出射光圈418，被非球面透鏡430收集。從透鏡430射出的光束432 隨后可以通過(guò)濾光器426到達(dá)檢測(cè)器428。使用非球面透鏡430來(lái)進(jìn)行光收集的主要優(yōu)點(diǎn)是，它用于光收集的立體角大得 多。當(dāng)構(gòu)造適當(dāng)時(shí)，與圖3所示的光收集構(gòu)造相比，當(dāng)使用非球面透鏡430收集從目標(biāo)區(qū)域 出射的光時(shí)，每個(gè)檢測(cè)器接收到的總光功率可增加3至4倍。與圖3所示的光學(xué)構(gòu)造相比， 利用光照漏斗412和非球面透鏡430作為光收集器的組合可將每個(gè)檢測(cè)器接收到的光功率 增加大約20到大約40倍。檢測(cè)塊428被定位在非球面透鏡430下方，且可包括多個(gè)光感測(cè)裝置，例如光電二 極管陣列。根據(jù)光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)400的一方面，每個(gè)光感測(cè)裝置檢測(cè)由放置在檢測(cè)器頂部上 的對(duì)應(yīng)干涉濾光器426限定的光的具體波長(zhǎng)。處理器(如處理器243)可以與檢測(cè)器模塊428耦合在一起，且被構(gòu)造為計(jì)算光感 測(cè)裝置所產(chǎn)生的電流信號(hào)的變化。例如，如以上參照?qǐng)D2所述，處理器243執(zhí)行(例如方程 式(5)中顯示的)算法來(lái)計(jì)算僅由手指中的血液引起的光吸收變化(ΔΑ)。其后，可使用對(duì) 血液的光吸收的這個(gè)量化計(jì)算來(lái)確定血液的特性。圖4B示出根據(jù)本光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)400的一方面的用于執(zhí)行生物樣本的光學(xué)檢測(cè)的 另一光學(xué)構(gòu)造。光源402產(chǎn)生多條光束404、406、408、410。例如，光源402可以是白熾光源 或紅外發(fā)光二極管。根據(jù)光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)400的一方面，光束404、406、408、410中的每條都 具有不同的波長(zhǎng)或不同的波長(zhǎng)范圍。例如，第一光束404的波長(zhǎng)范圍可以在850nm至920nm 之間，第二光束406的波長(zhǎng)范圍可在900nm至980nm之間，第三光束408的波長(zhǎng)可在970nm 至1050nm之間，第四光束410的波長(zhǎng)可在1030nm至IlOOnm之間。例如，總波長(zhǎng)范圍可包 括從大約SOOnm到大約1200nm。雖然本文將光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)400描述為產(chǎn)生四(4)條光束， 但是在其它實(shí)施例中設(shè)想可將光源改裝成產(chǎn)生更少的光束或另外的光束。來(lái)自光源402的光束404、406、408、410通過(guò)入口 414進(jìn)入光照漏斗412，并通過(guò) 出口 416從光照漏斗412出射。光照漏斗412的出口 416的直徑小于或等于入口 414的直 徑。例如，根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，入口 414的直徑為大約0. 625(5/8)英寸，出口 416的直徑為大 約0. 25(1/4)英寸。因此，與圖3描繪的構(gòu)造相比，光照漏斗412使光束404、406、408、410
9沿著相同的大致方向向著用戶手指頂部聚焦。與圖3的構(gòu)造相比，光照漏斗可顯著地增加 被目標(biāo)區(qū)域接收的總光功率，因此，基本上增加信噪比。如圖4B所示，光束404、406、408、410被手指和光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)400的組件減弱。被 減弱的光NIR束隨后經(jīng)過(guò)出射光圈418，被聚光透鏡420收集，并且投影到透射光柵裝置 422 上。如圖4B所示，隨著波長(zhǎng)如箭頭所示的方向單調(diào)地增加，透射衍射光柵422將混合 NIR光束的各種波長(zhǎng)成分按角度地分解為光譜。換句話說(shuō)，因?yàn)樘囟ü馐难苌浣侨Q于該 光束的波長(zhǎng)，所以每一條光束可以按波長(zhǎng)分開(kāi)。從透射衍射光柵422產(chǎn)生的光譜424隨后 通過(guò)干涉濾光器陣列426變窄，被二極管陣列428檢測(cè)。濾光器陣列426中的每個(gè)干涉濾 光器的中心波長(zhǎng)設(shè)置為單調(diào)地增加，使之與來(lái)自透射衍射光柵422的光譜的對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)成分 一致。在圖3的收集光學(xué)結(jié)構(gòu)中，從850nm到IlOOnm的總光功率分布被發(fā)送到每個(gè)檢測(cè) 器，與之相比，利用透射衍射光柵的所述方法將僅給每個(gè)檢測(cè)器發(fā)送接近對(duì)應(yīng)濾光器的中 心波長(zhǎng)的波長(zhǎng)成分。結(jié)果，相對(duì)于參照?qǐng)D3描述的光收集構(gòu)造，顯著地減少了光損耗量，并 且由光電二極管接收到的光功率增加10至20倍。因此，與圖3所示的光學(xué)構(gòu)造相比，利用 光照漏斗412、作為聚光器的非球面透鏡420以及作為波長(zhǎng)分離裝置的透射光柵422的組合 可將光電二極管接收到的光功率增加大約100到200倍。本發(fā)明的實(shí)施例還可以包括利用上述裝置或光收集系統(tǒng)的方法，光源可通過(guò)光照 漏斗與目標(biāo)接觸，足以產(chǎn)生透射的、半透射半反射的(transflected)、或反射的光。例如，透 射的、半透射半反射的、或反射的光可進(jìn)入光收集系統(tǒng)，并被引導(dǎo)到一個(gè)或多個(gè)檢測(cè)器。
10
權(quán)利要求
一種設(shè)備，包括用于產(chǎn)生多條光束的光源，所述多條光束中的每條光束具有不同的波長(zhǎng)范圍；用于將所述多條光束引導(dǎo)至目標(biāo)區(qū)域的光漏斗；用于將從目標(biāo)區(qū)域發(fā)射的所述多條光束引導(dǎo)至透鏡的光圈，所述透鏡被構(gòu)造為用于收集從目標(biāo)區(qū)域發(fā)射的光束；包括多個(gè)光感測(cè)裝置的檢測(cè)器，每個(gè)光感測(cè)裝置被構(gòu)造為用于檢測(cè)光束并產(chǎn)生指示被檢測(cè)到的光的強(qiáng)度的輸出信號(hào)；以及用于根據(jù)每個(gè)產(chǎn)生的輸出信號(hào)確定血液特性的處理器。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，還包括多個(gè)干涉濾光器，每個(gè)濾光器被構(gòu)造為使作為 波長(zhǎng)范圍的函數(shù)的從目標(biāo)區(qū)域發(fā)射的所述多條光束中的不同的一條光束通過(guò)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1-2中任一項(xiàng)所述的設(shè)備，還包括定位在透鏡和檢測(cè)器之間的透射光柵。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3中任一項(xiàng)所述的設(shè)備，其中光源包括一個(gè)或多個(gè)發(fā)光二極管。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4中任一項(xiàng)所述的設(shè)備，其中光源包括一個(gè)或多個(gè)白熾光源。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-5中任一項(xiàng)所述的設(shè)備，其中波長(zhǎng)范圍包括在大約SOOnm和大約 ieOOnm之間的不同的波長(zhǎng)范圍。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-6中任一項(xiàng)所述的設(shè)備，其中光源被定位在光照漏斗的入口處。
8.一種光收集系統(tǒng)，包括被定位為與目標(biāo)區(qū)域相鄰的透鏡；被定位在透鏡和目標(biāo)區(qū)域之間的光圈，該光圈被構(gòu)造為引導(dǎo)從目標(biāo)區(qū)域發(fā)射的多條光 束；以及一個(gè)或多個(gè)濾光器。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的光收集系統(tǒng)，還包括被定位在透鏡和所述一個(gè)或多個(gè)濾光器 之間的透射光柵。
10.根據(jù)權(quán)利要求8-9中任一項(xiàng)所述的光收集系統(tǒng)，其中所述一個(gè)或多個(gè)濾光器是干 涉濾光器。
11.根據(jù)權(quán)利要求8-10中任一項(xiàng)所述的光收集系統(tǒng)，其中所述干涉濾光器均被構(gòu)造為 使作為波長(zhǎng)范圍的函數(shù)的從目標(biāo)區(qū)域發(fā)射的所述多條光束中的不同的一條光束通過(guò)。
12.根據(jù)權(quán)利要求8-11中任一項(xiàng)所述的光收集系統(tǒng)，還包括被定位為鄰近所述一個(gè)或 多個(gè)濾光器或與所述一個(gè)或多個(gè)濾光器接觸的一個(gè)或多個(gè)檢測(cè)器。
13.根據(jù)權(quán)利要求8-12中任一項(xiàng)所述的光收集系統(tǒng)，其中所述一個(gè)或多個(gè)檢測(cè)器包含 檢測(cè)器陣列。
14.根據(jù)權(quán)利要求8-13中任一項(xiàng)所述的光收集系統(tǒng)，其中所述多條光束由白熾光源產(chǎn)生。
15.根據(jù)權(quán)利要求8-14中任一項(xiàng)所述的光收集系統(tǒng)，其中所述多條光束由紅外發(fā)光二極管產(chǎn)生。全文摘要
本發(fā)明的實(shí)施例涉及一種包括產(chǎn)生多條光束的光源的設(shè)備，所述多條光束中的每一條具有不同的波長(zhǎng)范圍。該設(shè)備還包括用于將多條光束引導(dǎo)至目標(biāo)區(qū)域的光漏斗、用于將從目標(biāo)區(qū)域發(fā)射的多條光束引導(dǎo)至透鏡的光圈，所述透鏡被構(gòu)造為用于收集從目標(biāo)區(qū)域發(fā)射的光束。此外，該設(shè)備包括檢測(cè)器以及處理器，該檢測(cè)器包含多個(gè)光感測(cè)裝置，每個(gè)光感測(cè)裝置被構(gòu)造為用于檢測(cè)光束并產(chǎn)生指示被檢測(cè)的光的強(qiáng)度的輸出信號(hào)，所述處理器用于確定作為每個(gè)產(chǎn)生的輸出信號(hào)的函數(shù)的血液特性。
文檔編號(hào)G01N21/00GK101903757SQ200880116752
公開(kāi)日2010年12月1日 申請(qǐng)日期2008年10月3日 優(yōu)先權(quán)日2007年10月4日
發(fā)明者徐智 申請(qǐng)人:密蘇里大學(xué)董事會(huì)