專利名稱：光學(xué)裝置組件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本申請(qǐng)要求于2007年9月13日提交的序號(hào)為60/972，121的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)的優(yōu)先權(quán)的權(quán)益，特此引入該臨時(shí)專利申請(qǐng)的全文作為參考。
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)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。美國(guó)糖尿病協(xié)會(huì)報(bào)告超過(guò)百分之六(6%)的美國(guó)人，即，多于1，7000，000人患 有糖尿病。根據(jù)糖尿病控制中心(“⑶C”)的科學(xué)家，2000年美國(guó)出生的三分之一兒童將 患有糖尿病，除非更多的人開(kāi)始少吃并且多鍛煉。一份CDC研究揭示，在2000年大約有 1，100, 000個(gè)糖尿病診斷病例，到2050年診斷病例的數(shù)量將上升到2，900，000個(gè)。糖尿病管理的重要元素是由糖尿病患者在家庭環(huán)境下對(duì)血糖濃度的自我監(jiān)測(cè)。然 而，由于在分析之前通過(guò)皮膚抽出血液或胞間液具有不方便且令人疼痛的性質(zhì)，使得當(dāng)前 的監(jiān)測(cè)技術(shù)阻礙了正常的使用。結(jié)果，期望無(wú)創(chuàng)的血糖濃度測(cè)量和糖尿病管理的有益發(fā)展。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 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)施例涉及光照漏斗(light illumination funnel) 0該漏斗包括第一 開(kāi)口、第二開(kāi)口和反射內(nèi)壁，第一開(kāi)口被定位成接收進(jìn)入光源，第二開(kāi)口被定位成與第一開(kāi) 口相對(duì)，并且具有小于第一開(kāi)口的直徑，反射內(nèi)壁與第一開(kāi)口和第二開(kāi)口接觸。該漏斗具有 小于25度的半角。實(shí)施例涉及光收集漏斗，該光收集漏斗包括第一開(kāi)口、第二開(kāi)口和反射內(nèi)壁，第一 開(kāi)口被定位成接收進(jìn)入樣本光源，第二開(kāi)口被定位成與第一開(kāi)口相對(duì)，并且具有小于第一 開(kāi)口的直徑，反射內(nèi)壁與第一開(kāi)口和第二開(kāi)口接觸。實(shí)施例還涉及一種包括光源和光照漏斗的設(shè)備，光源被構(gòu)造為產(chǎn)生多條光束，所 述多條光束的每一條具有不同的波長(zhǎng)范圍，光照漏斗用于收集通過(guò)具有第一直徑的入口 的所述多條光束，并且用于使所述多條光束通過(guò)具有第二直徑的出口聚焦和引導(dǎo)到目標(biāo)區(qū)域，其中，第二直徑小于第一直徑。所述設(shè)備還包括光收集漏斗、檢測(cè)器和處理器，光收集漏 斗用于在具有第三直徑的第二入口處收集從目標(biāo)區(qū)域發(fā)出的所述多條光束，并且用于引導(dǎo) 所述多條光束通過(guò)具有第四直徑的第二出口，其中，第三直徑小于第四直徑，檢測(cè)器包括多 個(gè)光感測(cè)裝置，每個(gè)光感測(cè)裝置被構(gòu)造為檢測(cè)被引導(dǎo)通過(guò)第二出口的光束，并產(chǎn)生表示檢 測(cè)到的光的功率的輸出信號(hào)，處理器用于分析輸出信號(hào)和產(chǎn)生測(cè)量數(shù)據(jù)。


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4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=iv/io(1)tp=ip/io(2)對(duì)應(yīng)的峰值吸光率和谷值吸光率(absorbance)為Av = -Iog(Tv) (3)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(ip/iv) (5)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。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1800nm內(nèi)。例如，第一光束204可具有850納米至900納米(“nm”) 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。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 至IJ，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)(central 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 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4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850至920納米(“nm”) 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，大幅度地增加信噪比。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、由形狀為截頭圓錐體的內(nèi)壁506限定的第一開(kāi)口 504以及兩 個(gè)光入口 /出口 508和504。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)表面的截頭圓錐體的半角 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 510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)IRED 602,604,606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?？蓪⒐庠窗惭b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)表面的截頭圓錐體用于將來(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 (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(7)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432處可檢測(cè)到的光功率。返回來(lái)參照?qǐng)D4，手指和光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)400的組件使光束404、406、408、410減弱，因此，從手指發(fā)出減弱的光束418、420、422、424。從手指發(fā)出的減弱的光束418、420、422、 424通過(guò)入口 428 (第一開(kāi)口)進(jìn)入光收集漏斗426，并通過(guò)出口 430 (第二開(kāi)口)離開(kāi)光收 集漏斗426。光收集漏斗426的入口 428的直徑小于或者等于出口 430的直徑。例如，根據(jù) 一個(gè)實(shí)施例，出口 430的直徑約為0. 625(5/8)英寸，入口 428的直徑約為0. 25(1/4)英寸。 結(jié)果，光收集漏斗426更有效率地收集減弱的光束418、420、422、424，并將它們分布在整個(gè) 檢測(cè)器塊432上。光收集漏斗426的結(jié)構(gòu)基本上可與圖5所繪的光照漏斗412的結(jié)構(gòu)類似。例如， 光收集漏斗426具有基本圓柱形外壁502和由形狀為截頭圓錐體的內(nèi)壁506限定的中間開(kāi) 口(central opening) 504o光漏斗收集器426也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，光收集漏斗426由金屬形 成，并使截頭圓錐體形狀的內(nèi)壁的表面高度反射。觀察到，光收集漏斗426的總收集效率超 過(guò)80%，為使用圖3所示的傳統(tǒng)的光學(xué)收集結(jié)構(gòu)所獲得的總收集效率的8倍。與圖3中的 光學(xué)構(gòu)造相比，利用光照漏斗412和光收集漏斗426的組合可將手指所接收到的光功率增 加約40至約80倍。檢測(cè)器塊432被定位在光收集漏斗426的出口 430下方，并包括多個(gè)光感測(cè)裝置 (比如，光感測(cè)裝置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)400的一 個(gè)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)干涉濾光器限定的具體波長(zhǎng)的 光。處理器(比如，處理器243)可與檢測(cè)器塊432連接，并被構(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232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。本發(fā)明的實(shí)施例還可包括使用本文所述光照漏斗、光收集漏斗或設(shè)備的方法。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)入光收集漏斗，并被引導(dǎo)到一個(gè)或多 個(gè)檢測(cè)器。
權(quán)利要求
一種光照漏斗，包括第一開(kāi)口，被定位成接收進(jìn)入光源；第二開(kāi)口，被定位成與第一開(kāi)口相對(duì)，并且具有小于第一開(kāi)口的直徑；和反射內(nèi)壁，與第一開(kāi)口和第二開(kāi)口接觸；其中，所述漏斗具有小于25度的半角。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光照漏斗，其中，所述漏斗具有約10度至約15度的半角。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2中的任何一個(gè)所述的光照漏斗，還包括被定位在第一開(kāi)口附近 或者被定位成與第一開(kāi)口接觸的印刷電路板。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3中的任何一個(gè)所述的光照漏斗，還包括被定位在第一開(kāi)口附近的 多個(gè)光源。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的光照漏斗，其中，所述光源與印刷電路板接觸。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的光照漏斗，其中，所述光源包括紅外發(fā)光二極管。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的光照漏斗，其中，按三維布置定位所述光源。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的光照漏斗，其中，所述三維布置包括被定位在水平層和垂直 層中的光源。
9.根據(jù)權(quán)利要求4所述的光照漏斗，其中，所述光源包括白熾光源。
10.一種光收集漏斗，包括第一開(kāi)口，被定位成接收進(jìn)入樣本光源；第二開(kāi)口，被定位成與第一開(kāi)口相對(duì)，并且具有大于第一開(kāi)口的直徑；和 反射內(nèi)壁，與第一開(kāi)口和第二開(kāi)口接觸。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的光收集漏斗，還包括被定位在第二開(kāi)口附近或者被定位成 與第二開(kāi)口接觸的一個(gè)或多個(gè)檢測(cè)器。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的光收集漏斗，其中，所述一個(gè)或多個(gè)檢測(cè)器包括檢測(cè)器陣列。
13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的光收集漏斗，還包括被定位在所述漏斗和所述一個(gè)或多個(gè) 檢測(cè)器之間的一個(gè)或多個(gè)濾光器、光柵或透鏡。
14.一種設(shè)備，包括光源，被構(gòu)造為產(chǎn)生多條光束，所述多條光束的每一條具有不同的波長(zhǎng)范圍； 光照漏斗，用于收集通過(guò)具有第一直徑的入口的所述多條光束，并且用于使所述多條 光束通過(guò)具有第二直徑的出口聚焦并引導(dǎo)到目標(biāo)區(qū)域，其中，第二直徑小于第一直徑；光收集漏斗，用于在具有第三直徑的第二入口處收集從目標(biāo)區(qū)域發(fā)出的所述多條光 束，并且用于引導(dǎo)所述多條光束通過(guò)具有第四直徑的第二出口，其中，第三直徑小于第四直 徑；檢測(cè)器，包括多個(gè)光感測(cè)裝置，每個(gè)光感測(cè)裝置被構(gòu)造為檢測(cè)被引導(dǎo)通過(guò)第二出口的 光束并產(chǎn)生指示檢測(cè)到的光的功率的輸出信號(hào)；和 處理器，用于分析輸出信號(hào)并產(chǎn)生測(cè)量數(shù)據(jù)。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的設(shè)備，其中，所述光源包括一個(gè)或多個(gè)發(fā)光二極管。
16.根據(jù)權(quán)利要求14或15中的任何一個(gè)所述的設(shè)備，其中，所述波長(zhǎng)范圍包括約 800nm至1200nm之間的不同波長(zhǎng)范圍。
17.根據(jù)權(quán)利要求14-16中的任何一個(gè)所述的設(shè)備，其中，所述光源被定位在光照漏斗 的入口處。
全文摘要
本發(fā)明的實(shí)施例涉及一種光照漏斗。該漏斗包括第一開(kāi)口、第二開(kāi)口和反射內(nèi)壁，第一開(kāi)口被定位成接收進(jìn)入光源，第二開(kāi)口被定位成與第一開(kāi)口相對(duì)，并且具有小于第一開(kāi)口的直徑，反射內(nèi)壁與第一開(kāi)口和第二開(kāi)口接觸。該漏斗具有小于25度的半角。實(shí)施例還涉及一種光收集漏斗、以及利用光照漏斗和光收集漏斗的設(shè)備。
文檔編號(hào)A61B5/00GK101848672SQ200880114960
公開(kāi)日2010年9月29日 申請(qǐng)日期2008年9月12日 優(yōu)先權(quán)日2007年9月13日
發(fā)明者徐智 申請(qǐng)人:密蘇里大學(xué)董事會(huì)