CN101554328A - 光学装置及其校正方法 - Google Patents

Abstract

一种光学装置及其校正方法。光学装置包括光源模块、光感测模块与校正模块。光源模块可依据第一参数产生校正光。光感测模块接收行经光学路径的校正光，藉以产生第二参数。校正模块耦接光源模块与光感测模块，可依据第一参数与第二参数产生校正信号，并依据校正信号调整光学装置。如此一来可提升光学装置的准确度。

Description

光学装置及其校正方法

技术领域

本发明是有关于一种光学装置，且特别是有关于一种光学装置的校正技术。

背景技术

随着光电技术的进步，许多利用光来测量数据的光学装置也陆续问世。光脉式血氧浓度计(Pulse Oximeter)即是应用光电技术的一种光学装置，其可用来测量血液中血红素(Hemoglobin)的带氧能力。

光脉式血氧浓度计属于非侵入式的医疗仪器，其利用双波长光源分别发出波长为660nm和940nm的光，照射人体血管密集的组织，例如耳垂或手指等处，由于带氧血红素(Oxyhemoglobin)及脱氧血红素(Deoxygenated Hemoglobin)在光吸收频谱上的差异，造成两束穿透光强度不同的波长，根据血氧浓度的计算理论可求得血氧浓度值。血氧浓度的计算方式如下列公式(一)，其中(HbO2)代表带氧血红素浓度，(Hb)代表脱氧血红素浓度，SaO2代表血氧浓度：

SaO₂＝{(HbO₂)/[(HbO₂)+(Hb)]}×100％  …公式(一)

由于光在传递过程中会受到环境干扰而衰减。举例来说，随着受测者的手指摆放的位置不同，血氧浓度计所接收到的信号也会随之改变。在测量过程中受测者若移动手指或震动到血氧浓度计，则会产生信号漂移问题。假如晃动程度过大，甚至会造成剧烈变动的混乱波形(Motion Artifact)。如此一来会严重影响血氧浓度计的准确度，甚至会导致医生误判病人的病情。不仅如此，血氧浓度计也会受到受测者的手指厚度、皮肤颜色或是血管分布密度…等因素而影响其准确度。

上述血氧浓度计仅是多种光学装置的其中一种。值得一提的是，目前用来测量的光学装置，例如激光测距仪、光学式血压计…等，都存在着上述准确度不佳的问题。因此若能克服环境对光学装置的干扰，定可大幅提升各种光学装置的准确度。

发明内容

本发明提供一种光学装置，主要包括有光源模块，输出光，此光经由介质传递，光学装置则基于光受介质的影响程度，调整光学装置的组件所使用的参数。

本发明提供一种光学测量方法，在透过以测量光测量一待测物的情况下，提供校正光，通过校正光排除测量光受介质影响所产生的变异。

以上，可提升光学测量的准确度。

为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举几个实施例，并配合所附图式，作详细说明如下。

附图说明

图1是依照本发明的第一实施例的一种光学装置(血氧浓度计)的架构图；

图2是依照本发明的第一实施例的一种光学装置的校正方法的流程图；

图3是依照本发明的第一实施例的一种光学装置(血氧浓度计)的详细架构图；

图4是依照本发明的第一实施例的一种光学装置(血氧浓度计)的可调装置的架构图；

图5是依照本发明的第一实施例的另一种光学装置(穿透式血氧浓度计)的架构图；

图6是依照本发明的第二实施例的一种光学装置(激光测距仪)的架构图；

图7是依照本发明的第三实施例的一种光学装置(光信号收发器)的架构图。

【主要组件符号说明】

10：光源模块

11：校正光源

12、13：测量光源

20：光感测模块

21～23：光传感器

30：校正模块

31：滤波单元

32：信号放大单元

33：模拟数字转换器

34：运算单元

35：查窗体元

36：数据库

37：光源驱动单元

40：待测物

41：物体

50：显示装置

60、61：可动装置

70、71：缓冲器

80：光纤

101：校正光

102、103：测量光

cal：校正信号

D、h、d：距离

α：角度

M1、M2：测量信号

P1、P2、P3、P4：参数

S201～S203：光学装置的校正方法的各步骤

具体实施方式

现有技术中，光学装置在测量过程中容易受到环境干扰，因此导致光学装置的准确性不佳。有鉴于此，本发明的实施例公开了利用校正光来调整光学装置的技术。简而言之，由于光在传递过程中容易受到环境干扰而衰减，因此首先光学装置可产生具有已知参数的校正光。接着，校正光可通过介质传递，藉以模拟测量光透过上述介质传递时所产生的变异或衰减情形。最后由光学装置接收行经上述光学路径的校正光，藉以得到校正光的衰减信息，并可据以调整光学装置的组件所使用的参数。如此一来则可提升光学装置的准确度。

第一实施例

在本实施例中，光学装置先以血氧浓度计为例进行说明。图1是依照本发明的第一实施例的一种光学装置(血氧浓度计)的架构图。图2是依照本发明的第一实施例的一种光学装置的校正方法的流程图。请合并参照图1与图2，血氧浓度计包括光源模块10、光感测模块20与校正模块30，其中校正模块30耦接光源模块10与光感测模块20。首先，可由步骤S201，输出光，此光可透过介质传递。更具体地说，光源模块10可依据第一参数P1产生校正光101。另一方面，光感测模块20可以接收行经第一光学路径的校正光101，藉以产生第二参数P2。在本实施例中，待测物40为使用者的手指头，但本发明并不以此为限，在其它实施例中，待测物40也可以是使用者的耳垂、手指头的假体、校正器或是使用者的血管分布较密集的部位。另外，本实施例中第一光学路径所行经的介质例如包括空气与手指头的皮肤组织。

接着可由步骤S202，基于光受介质的影响，调整光学装置的组件所使用的参数。更具体地说，校正模块30可依据第一参数P1与第二参数P2产生校正信号cal，并依据校正信号cal调整血氧浓度计的组件所使用的参数。如此一来，即可提升血氧浓度计的准确度。上述第一参数P1可包括光强度、波长、频率、偏振方向、发射角度或二互相垂直的电场分量的相位差。同样地，第二参数P2也可包括光强度、波长、频率、偏振方向、发射角度或二互相垂直的电场分量的相位差。以下则针对血氧浓度计的各模块及其校正方式作进一步地介绍。

图3是依照本发明的第一实施例的一种光学装置(血氧浓度计)的详细架构图。请合并参照图1与图3，光源模块10包括了校正光源11与测量光源12、13。校正光源11用以产生校正光101，藉以照射待测物40。测量光源12邻近于校正光源11，可依据第三参数P3产生测量光102，藉以照射待测物40。测量光源13也可配置于校正光源11的附近，并可依据第四参数P4产生测量光103，藉以照射待测物40。其中，第三参数P3与第四参数P4也可包括光强度、波长、频率、偏振方向、发射角度或二互相垂直的电场分量的相位差。

此外本实施例的血氧浓度计也不限于仅供人类使用，只要经过适当的调整也可供其它动物使用，例如可供狗、猫、马、鼠、猴、鸟…等动物使用。

在本实施例中，校正光源11与测量光源12、13以发光二极管为例进行说明，但本发明并不以此为限，在其它实施例中熟悉本领域技术者也可用其它类型的光源来实施校正光源11与测量光源12、13，例如可以用激光产生器来产生校正光101与测量光102、103。校正光101的波长可介于300nm～600nm之间，在本实施例中，校正光101的波长则以405nm为例进行说明。另外，测量光102、103的波长分别以660nm、940nm为例进行说明。但上述校正光101与测量光102、103的波长仅是一种选择实施例，本发明也不以此为限。在其它实施例中，校正光101与测量光102、103可包括可见光与不可见光，换言之熟悉本领域技术者可依其需求调整校正光101与测量光102、103的波长。

请继续参照图1与图2，光感测模块20包括了光传感器21～23。光传感器21可接收行径第一光学路径的校正光101，藉以产生第二参数P2。光传感器22可接收行径第二光学路径的测量光102，藉以产生测量信号M1，其中第二光学路径邻近于第一光学路径。光传感器23可接收行径第三光学路径的测量光103，藉以产生测量信号M2，其中第三光学路径邻近于第一光学路径。

另一方面，校正模块30可包括滤波单元31、信号放大单元32、模拟数字转换单元33、运算单元34、查窗体元(Lookup Table Unit)35、数据库36与光源驱动单元37。运算单元34耦接光感测模块20、滤波单元31、信号放大单元32、模拟数字转换单元33、查窗体元35、数据库36与光源驱动单元37。运算单元34可依据第一参数P1与第二参数P2产生校正信号cal。值得一提的是，校正信号cal并非仅仅只能依据第一参数P1与第二参数P2而产生。举例来说，在其它实施例中，运算单元34也可依据第一参数P1、第二参数P2与测量信号M1、M2来产生校正信号cal。

承上述，滤波单元31耦接光感测模块20，可依据校正信号cal滤除测量信号M1、M2的噪声，并将滤除噪声的测量信号M1、M2输出给信号放大单元32。更详细地说，滤波单元31中可配置多组的滤波器(未标示)。滤波单元31可依据校正信号cal决定是否致能上述多组滤波器的全部、部分或其一，藉以达成不同的滤波效果。

信号放大单元32耦接滤波单元31，可依据校正信号cal放大测量信号M1、M2，并将其输出给模拟数字转换单元33。更详细地说，信号放大单元32中可配置多组的放大器(未标示)。信号放大单元32可依据校正信号cal决定是否致能上述多组放大器的全部、部分或其一，藉以达成不同的信号放大效果。

模拟数字转换单元33耦接信号放大单元32，可依据校正信号cal将测量信号M1、M2转换为数字信号，并将其输出给运算单元34。更详细地说，模拟数字转换单元33可依据校正信号cal决定测量信号M1、M2转换为数字信号的转换特性。

承上述，数据库36可接收使用者信息，使用者信息例如包括使用者的性别、年纪、身高、体重、血压或脉搏…等。数据库36可依据使用者信息提供参考数据给运算单元34。另外，查窗体元35可依据校正信号cal提供对应数据给运算单元34。更详细地说，查窗体元35中具有多张对应表，查窗体元35可依据校正信号cal而选择多张对应表的其一，藉以提供对应数据给运算单元34。

光源驱动单元37耦接光源模块10，可依据校正信号cal调整第三参数P3与第四参数P4。更详细地说，光源驱动单元37可依据校正信号cal，改变测量光102、103的光强度、波长、频率、偏振方向、发射角度或二互相垂直的电场分量的相位差。

承上述，运算单元34可依据对应数据、参考数据与数字信号求得血氧浓度数据，并输出给显示装置50。显示装置50耦接运算单元34，可用以显示血氧浓度数据，藉以供使用者观看。如此一来，即可大幅提升血氧浓度数据的准确度。熟悉本领域技术者应当知道，若血氧浓度不准确，会导致医生误判病人病情，严重者可能会威胁到病人的生命安全。本实施例所提出的血氧浓度计正可解决上述问题。

上述实施例中，运算单元34依据校正信号cal可调整滤拨单元31、信号放大单元32、模拟数字转换单元33或光源驱动单元37，但是上述实施例仅是多种实施例中的一种选择实施例，本发明并不以此为限。熟悉本领域技术者可依其需求，利用校正信号cal调整光学装置(血氧浓度计)的任何组件。举例来说，图4是依照本发明的第一实施例的一种光学装置(血氧浓度计)的可调装置的架构图。请合并参照图3与图4，在本实施例中，校正模块30还可包括可动装置60、61与缓冲模块，此缓冲模块例如可包括缓冲器70、71。可动装置60耦接运算单元34，用以承载校正光源11，可依据校正信号cal进行水平移动、垂直移动、转动…等动作，藉以改变高度h、距离d或角度α。由于校正光源11配置于可动装置60上，因此当可动装置60动作时，校正光源11会连带动作，进而可改变校正光101的发射位置或发射角度…等。

承上述，可动装置61耦接运算单元34，用以承载光传感器21，也可依据校正信号cal进行水平移动、垂直移动、转动…等动作。由于光传感器21配置于可动装置61上，因此当可动装置61动作时，光传感器21会连带动作，进而可改变光传感器21接收校正光101的位置或角度…等。

同理，测量光源12、13与光传感器22、23也可配置于类似上述可动装置60、61的其它可动装置，在此则不多加赘述。熟悉本领域技术者应当知道，随着光的发射角度或发射位置的不同，光的行径路径也会随之改变，而光的行径路径不同，也会连带影响光的衰减或受环境干扰的情形。同理，随着光传感器21～23接收光的位置与角度的不同，其产生的电信号也会随的改变。因此通过控制上述用以承载各光源以及光传感器的可动装置的动作，可最佳化血氧浓度计的各光源的发射角度、发射位置以及各光传感器的接收角度与接收位置。不仅如此，利用校正信号cal还可改变各光源之间的相对位置以及各光传感器之间的相对位置。如此一来可大幅提升血氧浓度计的准确度。

另一方面，缓冲器70、71耦接运算单元34，可用以稳固承载待测物40的两侧。在本实施例中，由于血氧浓度计为反射式的血氧浓度计，因此待测物40可配置在第一光学路径的转折点上。在其它实施例中若血氧浓度计为穿透式的血氧浓度计，待测物40也可配置在第一光学路径上。

承上述，缓冲器70、71可依据校正信号cal决定各自的厚度或高度，也可据以改变距离h或角度α。更详细地说，在本实施例中，缓冲器70、71为可改变厚度的透明胶体，例如透明胶体中填充有液体或空气，缓冲器70、71可依据校正信号cal改变缓冲器70、71内含的液体或空气的体积，进而可改变缓冲器70、71的厚度。在本实施例中，缓冲器70、71配置在感测区的外环侧，此作法的好处在于可减少光线(校正光101与测量光102、103)的衰减。但由于缓冲器70、71为透明材质，因此即便缓冲器70、71覆盖了整个感测区，也不会对光线的衰减产生太大的影响。另值得一提的是，缓冲器70、71并不仅限于透明胶体，在其它选择实施例中，缓冲器70、71也可以是不透明的材质、例如弹性体、橡胶或棉花…等。

熟悉本领域技术者应当知道当使用者的手指头(待测物40)按压在感测区时，若使用者按压太过用力，可能会造成手指头变形，进而压迫到手指头的血管，如此一来可能会干扰到测量血氧浓度的准确性。因此本实施例设置了缓冲器70、71可用以承载待测物40，如此一来可减缓血管压迫的情形发生，进而提升血氧浓度计的准确性。若缓冲器70、71的厚度太大可能会大幅衰减光能量，若缓冲器70、71的厚度太小可能无法减缓血管压迫的情形。因此透过校正信号cal可使血氧浓度计自行调整缓冲器70、71的最佳厚度。如此一来也可提升血氧浓度计的准确性。

请再参照图3，上述实施例中，光源模块10虽以两个测量光源(12、13)与一个校正光源11为例进行说明，但熟悉本领域技术者也可依其需求自行改变测量光源与校正光源的数量。举例来说，光源模块10也可包括一个或是三个以上的测量光源，此外光源模块10也可包括两个以上的校正光源。

另外，上述实施例中，光感测模块20虽以三个光传感器(21～23)为例进行说明，其分别用以检测不同频率范围的光。但在其它实施例中光感测模块20也可包括多个光传感器，藉以检测更多波长范围的光，也或者可将多个光传感器整合为一个光传感器，藉以同时检测不同波长范围的光。

再者，上述实施例中，熟悉本领域技术者也可依其需求自行改变血氧浓度计的架构。举例来说，上述实施例中光传感器21～23是用以将光信号转为模拟的电信号，但在其它实施例中，可用数字式的光传感器实施之，如此一来则无须使用模拟数字转换器33。另外，也可将滤波单元31、信号放大单元32一并整合到数字式的光传感器，如此一来可节省芯片面积。

再举一个例子，上述实施例中，滤波单元31虽配置在光传感器21、22、23与信号放大单元32之间。也就是说，上述实施例是先将光传感器21、22、23的信号进行滤除噪声，接着再对信号进行放大。但熟悉本领域知识者应当知道，在其它实施例中，信号放大单元32也可配置在光传感器21、22、23与滤波单元31之间。也就是说，在其它实施例中，可先对光传感器21、22、23的信号进行放大，接着再对信号滤除噪声。上述两种作法各有利弊，熟悉本领域技术者可自行决定采用的作法，本发明并不受限于此。

此外，值得一提的是，由于校正光101与测量光102、103为不同波长范围的光，因此血氧浓度计不但可以在测量之前透过校正光101进行校正动作，甚至可以在测量血氧浓度数据的同时，一并进行校正的动作。换言之，校正光101与测量光102、103为不同波长范围的光，因此血氧浓度计在利用校正光101进行校正的同时，并不会受到测量光的102、103的干扰。

请再参照图1，上述实施例中，血氧浓度计虽以反射式的血氧浓度计为例，但本发明并不以此为限。上述光学装置及其校正方法也可适用在穿透式的血氧浓度计，例如图5是依照本发明的第一实施例的另一种光学装置(穿透式血氧浓度计)的架构图。其中标号与上述实施例相同的组件可参照上述实施例的实施方式，在此不再赘述。

值得一提的是，虽然上述实施例中已经对光学装置及其校正方法描绘出了一个可能的型态，但所属技术领域中具有通常知识者应当知道，各厂商对于光学装置及其校正方法的设计都不一样，因此本发明的应用当不限制于上述的血氧浓度计。换言之，只要是光学装置依据第一参数产生校正光。此外，并接收行经第一光学路径的校正光，藉以产生第二参数。再者，依据第一参数与第二参数产生校正信号，并依据校正信号调整光学装置。就已经是符合了本发明的精神所在。以下再举几个实施例以便本领域具有通常知识者能够更进一步的了解本发明的精神，并实施本发明。

第二实施例

在本实施例中，光学装置再以激光测距仪为例进行说明，图6是依照本发明的第二实施例的一种光学装置(激光测距仪)的架构图。请参照图6，其中标号与上述实施例相同的组件可参照上述的实施例，在此则不再赘述。激光测距仪包括光源模块10、光感测模块20与校正模块30。激光测距仪可用来估测激光测距仪与物体41之间的距离D。其原理如下，激光测距仪利用光源模块10产生测量光102，藉以照射物体41，测量光102反射后由光感测模块20接收。激光测距仪可计算上述产生测量光102至接收测量光102的时间差，接着再利用上述时间差乘上光速即可得到距离D。

熟悉本领域技术者应当知道光在不同介质中，会产生不同的折射，因此会导致距离D的估测有些许的误差。因此，本实施例利用波长不同于测量光102的校正光101，藉以校正激光测距仪，如此一来可提升激光测距仪测量距离D的准确度。

第三实施例

在本实施例中，光学装置再以光信号收发器为例进行说明，图7是依照本发明的第三实施例的一种光学装置(光信号收发器)的架构图。请参照图7，其中标号与上述实施例相同的组件可参照上述的实施例，在此则不再赘述。光信号收发器包括光源模块10、光感测模块20与校正模块30。光信号收发器可用来传递光信号。更详细地说，可在发射端配置光源模块10藉以产生光信号。另外，可在接收端配置光感测模块20，用以接收光信号。在本实施例中，光信号所行经的光学路径可由光纤80来提供，此作法的好处在于可大幅降低光信号的衰减。

熟悉本领域技术者应当知道即便光信号在光纤80中传递时，光信号仍然会受到许多外在环境因素干扰，例如光纤80弯曲角度太大…等因素，进而导致光感测模块20接收到的光信号有失真的情形。因此，本实施例利用波长不同于光信号的校正光101，藉以校正光信号收发器，如此一来可提升光信号收发器的信号可靠性。

上述实施例中，光学装置虽以血氧浓度计、激光测距仪与光信号收发器为例进行说明，但本发明并不以此为限。换言之，熟悉本领域技术者可依照本发明的精神，将本发明所提供的光学装置的校正技术应用于各种光学装置，并不仅局限于上述实施例所提的三种光学装置。

综上所述，本发明的光学装置的校正方法，包括输出光，此光经由介质传递。另外，基于光受介质的影响，调整光学装置的组件所使用的参数。因此可提升光学装置的准确度。

虽然本发明已以几个实施例公开如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视权利要求所界定者为准。

Claims (17)

1.一种光学装置，其特征在于，包括：

一光源模块，输出一光，该光经由一介质传递，该光学装置基于该光受该介质的影响，调整该光学装置的组件所使用的参数。

2.如权利要求1所述的光学装置，其特征在于，该光源模块还包括：

一测量光源，输出一测量光，其中该测量光经由该介质传递至一待测物，其中，该光学装置基于该测量光经由该介质所产生的变异，调整该光学装置内部组件所使用的参数，以校正该光学装置在使用该测量光测量该待测物时的受该介质影响所产生的变异。

3.如权利要求1所述的光学装置，其特征在于，该光源模块还包括：

一测量/校正光源，分时输出一测量光以及一校正光，该测量光经由该介质传递至一待测物，其中，该光学装置基于该校正光经由该介质所产生的变异，调整光学装置内部组件所使用的参数，以校正该光学装置在使用该测量光测量该待测物时受该介质影响所产生的变异。

4.如权利要求1所述的光学装置，其特征在于，该光源模块还包括：

至少一测量光源，至少输出一测量光，该测量光经由该介质传递至一待测物；以及

至少一校正光源，输出一校正光，其中该光学装置基于该校正光经由该介质所产生的变异，调整光学装置内部组件所使用的参数，以校正该光学装置在使用该测量光测量该待测物时受该介质影响所产生的变异。

5.如权利要求4所述的光学装置，其特征在于，还包括：

一光感测模块，包括至少一光传感器，该光传感器感测该测量光以及该校正光，以分别得到一测量信号以及一校正信号。

6.如权利要求5所述的光学装置，其特征在于，还包括：

一校正模块，根据该校正信号校正该测量信号。

7.如权利要求6所述的光学装置，其特征在于，该校正模块还包括：

一滤波单元，用以对该测量信号以及该校正信号进行一滤波动作后输出；

一信号放大单元，将该滤波单元所输出的信号放大后输出；

一模拟/数字转换单元，模拟数字转换由该信号放大单元所输出的信号后输出；

一光源驱动单元，用以驱动该测量光源以及该校正光源；

一查窗体元，提供一查表数据；

一数据库，可存取一使用者信息；以及

一运算单元，根据该查表数据以及该使用者信息，对由该模拟数字转换单元所输出的信号进行运算，以调整该滤波单元、该信号放大单元、模拟/数字转换单元，以及该光源驱动单元所使用的参数。

8.如权利要求5所述的光学装置，其特征在于，该校正模块，包括：

一缓冲模块，用于承载该待测物，其中根据该测量信号以及该校正信号，决定该缓冲模块的高度、该测量光源与该光传感器的距离，以及该测量光与该校正光射出的角度。

9.如权利要求8所述的光学装置，其特征在于，该缓冲模块包括两缓冲器，该些缓冲器设置于可稳固承载该待测物的两侧。

10.如权利要求8所述的光学装置，其特征在于，该缓冲器包括胶体或弹性体。

11.如权利要求5所述的光学装置，其特征在于，该光源模块为两测量光源搭配一校正光源，该光感测模块则具有三光传感器。

12.如权利要求1所述的光学装置，其特征在于，该光的波长介于300nm~600nm之间。

13.如权利要求1所述的光学装置，其特征在于，该介质包括一空气与一皮肤组织。

14.如权利要求1所述的光学装置，其特征在于，该介质包括一光纤。

15.一种光学装置的校正方法，其特征在于，包括：

输出一光，该光经由一介质传递；以及

基于该光受该介质的影响，调整该光学装置的组件所使用的参数。

16.如权利要求15所述的光学装置的校正方法，其特征在于，输出该光，该光经由该介质传递的步骤还包括：

输出一测量光以及一校正光，该测量光经由该介质传递至一待测物。

17.如权利要求16所述的光学装置的校正方法，其特征在于，基于该光受该介质的影响，调整该光学装置的组件所使用的参数的步骤还包括：

基于该校正光经由该介质所产生的变异，调整光学装置内部组件所使用的参数，以校正该光学装置在使用该测量光测量该待测物时受该介质影响所产生的变异。

Images