CN103126686A - 光学测距***及其操作方法 - Google Patents

Abstract

一种光学测距***的操作方法，包含第一模式及第二模式。该第一模式用以检测手指距离。该第二模式用以检测生理特征；其中当该手指距离在预设范围，该光学测距***由该第一模式切换至该第二模式。本发明还提供一种光学测距***。

Description

光学测距***及其操作方法

技术领域

本发明是关于一种人机接口***，特别是关于一种可检测使用者生理特征的光学测距***及其操作方法。

背景技术

已知光学测距***利用光传感器，例如近接传感器(proximity sensor)、周围光传感器(ambient light sensor)检测环境光的强度变化以检测物件的相对距离，并根据该相对距离据以控制电子装置的操作，例如暂时启闭特定功能。目前，光学测距***已广泛应用于各式可携式电子装置，例如行动电话、平板电脑及个人数位助理。随着工业化的发展，使用者使用各式可携式电子装置的时间逐渐增加，甚至超出体力负荷而不自知。然而，已知光学测距***并无法用以检测使用者当时的生理状况。

已知血氧饱和仪(pulse oximeter)是利用非侵入式的方式来检测使用者的血氧浓度及脉搏数，其可生成红光光束(波长约660纳米)及红外光光束(波长约910纳米)穿透待测部位，并利用带氧血红素(oxyhemoglobin)及去氧血红素(Deoxyheamo-globin)对特定光谱具有不同吸收率的特性以检测穿透光的光强度变化，例如参照美国专利第7,072,701号，标题为血氧浓度的监测方式(Method for spectro-photometric blood oxygenation monitoring)。检测出两种波长的穿透光的光强度变化后，再以下列公式计算血氧浓度

血氧浓度＝100％×[HbO₂]/([HbO₂]+[Hb])；

其中，[HbO₂]表示带氧血红素浓度；[Hb]表示去氧血红素浓度。

一般血氧饱和仪所检测到的两种波长的穿透光的光强度会随着心跳而呈现如图1所示的变化，这是由于血管会随着心跳不断地扩张及收缩而使得光束所通过的血液量改变，进而改变光能量被吸收的比例。藉此，根据不断变化的光强度信息则可计算血液对不同光谱的吸收率，以分别计算带氧血红素浓度及去氧血红素浓度等生理信息，最后再利用上述血氧浓度公式计算血氧浓度。

然而，由于血氧饱和仪是检测穿透光线的光强度变化，因而会随着不同的待测部位而检测到不同的光强度信号；此外，当血氧饱和仪所检测的待测部位发生移动时，则会检测到剧烈变动的混乱波形而无法据以正确计算出生理信息，因而其并不适合用于移动中操作的电子装置。

鉴于此，本发明提出一种可检测使用者生理特征的光学测距***及其操作方法，用以同时检测手指距离、手指动作以及生理特征，其于检测生理特征时，可消除手指移动所造成的信号干扰。

发明内容

本发明的一个目的在提供一种光学测距***及其操作方法，可用以检测手指距离及手指动作，并当该手指距离在预设范围时可用以检测使用者生理特征。

本发明的另一个目的在提供一种光学测距***的控制芯片，其通过分析手指的反射光信号以检测手指距离、手指动作及生理特征，并输出经编码、排序和/或压缩的该手指距离、手指动作及生理特征。

本发明的另一个目的在提供一种光学测距***及其操作方法，其可检测手指距离、手指动作及生理特征，并具有消除环境光源影响的机制。

本发明的另一个目的在提供一种光学测距***及其操作方法，其可检测手指距离、手指动作及生理特征，并具有降低干扰的机制。

本发明的另一个目的在提供一种光学测距***及其操作方法，其可检测手指距离、手指动作及生理特征，并可补偿温度变化所造成的频率飘移。

本发明的另一个目的在提供一种光学测距***及其操作方法，其可检测手指距离、手指动作及生理特征，当闲置预设时间后即进入休眠模式。

为达上述目的，本发明提供一种光学测距***，用以检测手指距离及生理特征。该光学测距***包含第一光源、第二光源、光源控制单元、图像传感器及处理单元。该第一光源发出第一波长的光至该手指。该第二光源发出第二波长的光至该手指。该光源控制单元控制该第一光源及该第二光源发光。该图像传感器以取样频率接收来自该手指的反射光以生成相对该第一光源点亮的多张第一图像图框及相对该第二光源点亮的多张第二图像图框。该处理单元根据所述第一图像图框或所述第二图像图框计算该手指距离，并于该手指距离在预设范围时根据所述第一图像图框及所述第二图像图框计算该生理特征。

根据本发明的另一个特点，本发明还提供一种光学测距***的操作方法，包含第一模式及第二模式。该第一模式用以检测手指距离。该第二模式用以检测生理特征，其中当该手指距离在预设范围，该光学测距***由该第一模式切换至该第二模式。

根据本发明的另一个特点，本发明还提供一种光学测距***的操作方法，包含下列步骤：提供第一波长或第二波长的光至手指表面；获取该第一波长或该第二波长的光的反射光以生成多张图像图框；根据所述图像图框的亮度分布计算手指距离；以及当该手指距离在预设范围，则执行下列步骤：提供该第一波长及该第二波长的光至该手指表面；获取该第一波长的光的反射光以生成多张第一图像图框并获取该第二波长的光的反射光以生成多张第二图像图框；将每张该第一图像图框及每张该第二图像图框分割成至少两部分并求得每一部分的平均亮度；分析所述第一图像图框的该每一部分的该平均亮度以求得第一亮度变化并分析所述第二图像图框的该每一部分的该平均亮度以求得第二亮度变化；以及根据该第一亮度变化及该第二亮度变化求得血氧浓度。

本发明实施例中，当该手指距离在该预设范围内时，每张该第一图像图框分割为至少两部分并计算每一部分的平均亮度，使用独立元件分析法或盲信号源分离法分析所述第一图像图框的该每一部分的该平均亮度以求得第一亮度变化；将每张该第二图像图框分割为至少两部分并计算每一部分的平均亮度，使用独立元件分析法或盲信号源分离法分析所述第二图像图框的该每一部分的该平均亮度以求得第二亮度变化；并根据该第一亮度变化及该第二亮度变化计算该生理特征。

本发明的光学测距***及其操作方法中，该处理单元于该第一模式中还根据所述图像图框的亮度变化检测手指动作，例如挥动方向。

本发明的光学测距***及其操作方法中，所述生理特征包含血氧浓度及脉搏数。本发明通过使用独立元件分析法或盲信号源分离法来分离移动信息及生理信息，可消除手指移动造成的信号干扰。

附图说明

图1是血氧饱和仪所检测穿透光的光强度变化的示意图；

图2A是本发明一个实施例的光学测距***的示意图；

图2B是本发明一个实施例的光学测距***的方块图；

图3是本发明实施例的光学测距***的图像传感器于第二模式所获取的图像图框的示意图；

图4是本发明实施例的光学测距***的图像传感器，其中滤光器是设置于部分感测面前方；

图5是本发明实施例的光学测距***的第二模式中，图像获取与光源发光的示意图；

图6是本发明实施例的光学测距***的处理单元于第二模式分离移动信息及生理信息的示意图；

图7是本发明实施例的生理特征检测方法的流程图；

图8是本发明另一个实施例的光学测距***的示意图。

附图标记说明

1光学测距模块        111、112光源

12、12′第一导光件   13、13′第二导光件

14图像传感器         141、141′感测像素

14f滤光器            14S感测面

15处理单元           151生理特征检测单元

152距离/动作检测单元 16光源控制单元

17通讯协定单元       18传输接口

21控制单元           22表示单元

9手指                9S、9S′手指表面

I₁-I_2N图像图框       B₁-B_2N、B₁′-B_2N′平均亮度

S₁₁-S₁₅步骤          D、D₁手指距离

L、L₁、L₂距离参数    X₁、X₁′、X₂、X₂′成像位置

f焦距θ发光区域

具体实施方式

为了让本发明的上述和其他目的、特征、和优点能更明显，下文将配合所附图示，作详细说明如下。于本发明的说明中，相同的构件是以相同的符号表示，在此先说明。

参照图2A所示，其显示本发明一个实施例的光学测距***的示意图。光学测距***1包含两种操作模式：第一模式中，该光学测距***1可检测手指距离及手指动作；第二模式中，该光学测距***1可检测使用者的生理特征(包括血氧浓度及脉搏数等)；其中，该第一模式及该第二模式可由使用者操作切换开关进行切换，或者当该手指距离在预设范围时进行切换，例如当该手指距离不在该预设范围时执行该第一模式，当该手指距离在该预设范围时执行该第二模式。所述预设范围则根据不同应用决定。

该光学测距***1包含两光源111及112、第一导光件12、第二导光件13、图像传感器14、处理单元15及光源控制单元16。必须说明的是，图2A中各构件的空间关是仅为例示性，并非用以限定本发明。所述光源111及112例如可为发光二极管或激光二极管，用以分别生成不同波长的光至手指表面9S(为简化图示而未绘示手指图像)，所述波长较佳为一般血氧仪所使用的两个波长，例如约660纳米的红光以及约905、910或940纳米的红外光。可以了解的是，此处所述波长是指光源发光光谱的中心波长。

该第一导光件12用以将所述光源111及112所发出的光朝向预设方向引导(例如此时朝向所述光源111及112的前方引导)。其他实施例中，如果所述光源111及112所发出的光能够直接朝向预设方向行进，该第一导光件12亦可能不予实施。

该第二导光件13用以将该手指表面9S的反射光引导至该图像传感器14。一个实施例中，该第二导光件13可为透镜，其例如具有焦距f，用以将该手指表面9S的反射光汇聚至该图像传感器14，以增加其感光效率。可以了解的是，该第一导光件12及该第二导光件13的结构及导光方式并不限于图2A中所示出的。

该图像传感器14以取样参数接收来自该手指表面9S的反射光以生成多张图像图框(每一图像图框具有多个像素，例如16×16像素)；其中该取样参数例如包含曝光时间、图像增益(可为类比增益或数位增益)等。该图像传感器14较佳为主动式图像传感器，例如CMOS图像传感器。

该处理单元15根据该图像传感器14所输出的多张图像图框计算手指9的手指距离、手指动作及使用者的生理特征。该处理单元15所求得的该手指距离、手指动作及生理特征例如可有线或无线地被传送至具有至少一表示单元的电子装置以进行显示或相对应控制；其中，该表示单元例如可为显示器、灯号、七字节显示和/或声音装置。该电子装置例如可为可携式电子装置或家用电子装置。

该光源控制单元16耦接该处理单元15，并配合该图像传感器14的图像图框获取控制所述光源111及112发光，其实施方式将在后面详细说明。

参照图2A及2B所示，图2B是本发明一个实施例的光学测距***的方块图。光学测距***1包含第一光源111、第二光源112、该图像传感器14、该处理单元15、该光源控制单元16、通讯协定单元17及传输接口18。由于该处理单元15是进行多功能运算，其可包含生理特征检测单元151用以检测该手指9的生理特征，并包含距离/动作检测单元152用以检测该手指距离及该手指动作；亦即，该处理单元15可为单一元件或分为两个单元。

该第一光源111例如发出波长约为660纳米的红光至该手指9；该第二光源112例如发出波长约为905、910或940纳米的红外光至该手指9；广义的说，该第一光源111及该第二光源112可分别发出一般血氧仪所使用的两个波长的光。该光源控制单元16控制该第一光源111及该第二光源112发光。该图像传感器14接收来自该手指表面9S的该第一光源111和/或该第二光源112的反射光。该通讯协定单元17用以针对该处理单元15所求得的该手指距离、手指动作和/或生理特征进行编码、排序及压缩等至少一种程序处理后输出至该传输接口18进行传输。该传输接口18用以将编码、排序和/或压缩后的该手指距离、手指动作和/或生理特征通过有线或无线传输的方式传输至外部的控制单元21；其中，有线及无线传输技术已为已知，故于此不再赘述。该控制单元21耦接于具有至少表示单元22的电子装置，用以控制该电子装置通过该表示单元22显示和/或回应所接收的该手指距离、手指动作及生理特征，或者控制该电子装置暂时中止或暂时触发特定功能。该控制单元21可结合于该表示单元22内或独立于其外。

本发明实施例的光学测距***1可搭配具有表示单元22的电子装置，让使用者可通过该光学测距***1控制该表示单元22的执行软件和/或画面显示，并于生理特征显示疲劳或亢奋状态时(取决于生理特征的数值)对该使用者提出警示；其中，表示生理特征及警示的方式例如可利用软件执行画面显示、灯号显示或声音显示的方式来达成，并无特定限制。例如，该表示单元22可显示该生理特征(例如显示血氧浓度及脉搏数至少其中之一)，且当该生理特征超出预设值时生成警示状态，例如画面变暗、图像***、声音提示等，但并不以此为限制。

一个实施例中，该光学测距***1亦可使用两个图像传感器分别检测所述光源111及112所生成不同波长的光(即图像传感器14由两个图像传感器取代)，其中一个图像传感器或两个图像传感器可设置带通滤光器(bandpass filter)选择所接收的光谱。

当该光学测距***1启动时可自动进入该第一模式，此时该光源控制单元16根据预设定义控制该第一光源111或该第二光源112发光以照明手指表面9S。该手指表面9S的反射光经过该第二导光件13后入射至该图像传感器14。该图像传感器14以取样频率持续获取并输出多张图像图框。该处理单元15则根据所述图像图框计算该手指距离及手指动作，例如根据所述图像图框的亮度分布计算手指距离并根据所述图像图框的亮度变化计算手指动作。例如当该手指表面(显示为9S)位于第一距离D，该手指表面9S可受光范围的第一端a及第二端b的反射光经过该第二导光件13后分别入射至成像位置X₂及X₁；此时，根据***距离参数L、焦距f、表示可受光范围的距离参数L₁及L₂以及成像位置X₁及X₂，并利用三角运算即可算出该第一距离D。例如当该手指表面(显示为9S′)位于第二距离D₁，该手指表面9S′可受光范围的第一端a′及第二端b′的反射光经过该第二导光件13后分别入射至成像位置X₂′及X₁′；此时，根据***距离参数L、焦距f、表示可受光范围的距离参数L₁及L₂以及成像位置X₁′及X₂′，并利用三角运算即可算出该第二距离D₁。亦即，根据手指表面9S或9S′的反射光的光强度分布可计算该手指距离，且当该手指距离不在预设范围内时，则持续操作于该第一模式。

如图2A所示，该图像传感器14的感测面14S上形成有感测阵列，其包含多个感测像素141排列成像素阵列。藉此，当手指由所述光源111、112的发光区域θ外部进入该发光区域θ时，该感测阵列的多个感测像素141于不同时间接收到不同亮度分布的手指表面反射光，该处理单元15则可根据该亮度分布的亮度变化判断该手指动作，例如挥动方向。可以了解的是，该图像传感器14亦可包含位置彼此分离的多个感测像素，如图2A中填满的三个感测像素141′，该处理单元15同样能够根据所述感测像素141′的亮度分布及亮度变化分别检测该手指距离及手指动作。

当该处理单元15判断该手指距离在预设范围内则进入第二模式。此时，该光源控制单元16控制该第一光源111及该第二光源112轮流或同时发光以照明该手指表面9S，该图像传感器14以取样频率接收来自该手指表面9S的反射光以生成相对该第一光源点亮的多张第一图像图框及相对该第二光源点亮的多张第二图像图框。该处理单元15根据所述第一图像图框及所述第二图像图框计算该生理特征。

由于该处理单元15(距离/动作检测单元152)根据所述感测像素141的亮度变化及亮度分布计算该手指距离及手指动作的方式已为已知，故于此不再赘述。以下仅针对该处理单元15(生理特征检测单元151)计算生理特征的方式(第二模式)进行详细说明。

取样机制

本实施例的光学测距***1是使用两光源111及112并同时执行两种功能；其中，手指距离及手指动作的检测功能并不限定特定波长的图像图框，而生理特征功能的检测则必须对应不同波长的图像图框分别计算。以下首先说明图像图框的取样机制。

第二模式的一个实施例中，该光源控制单元16控制该第一光源111及该第二光源112轮流发光，该图像传感器14则以高速且固定的取样频率(例如每秒3,000张)同步该第一光源111或该第二光源112的点亮获取图像图框，并输出如图3所示多张图像图框I₁-I₆…至该处理单元15(生理特征检测单元151)，其中所述图像图框I₁-I₆…包含第一图像图框I₁、I₃、I₅…，其例如相对该第一光源111的点亮，及第二图像图框I₂、I₄、I₆…，其例如相对该第二光源112的点亮。亦即，该处理单元15轮流输出第一图像图框及第二图像图框。

该处理单元15根据所述第一图像图框I₁、I₃、I₅…计算出所述第一图像图框的亮度变化，并根据所述第二图像图框I₂、I₄、I₆…计算出所述第二图像图框的亮度变化(容详述于后)，并据以分别计算出两种光谱被吸收的比例以求出带氧血红素浓度HbO₂及去氧血红素浓度Hb，最后利用血氧浓度公式计算出血氧浓度；并通过所述第一图像图框和/或所述第二图像图框的亮度变化与至少一个阈值的比较结果计算脉搏数。

第二模式的另一个实施例中，该光源控制单元16控制该第一光源111及该第二光源112同步于该图像传感器14的图像图框获取同时发光；亦即，此时该图像传感器14会同时接收到两种波长的反射光。此时，该图像传感器14的感测面14S的一部分前方较佳还设置滤光器14f(如图4所示)，其中该滤光器14f可为带通滤光器以使该滤光器14f后方的部分感测面14S仅能感测该第一光源111的光谱或该第二光源112的光谱，以使该处理单元15能够分辨第一图像图框(相对该第一光源111的部分图像图框)及第二图像图框(相对该第二光源112的部分图像图框)。可以了解的是，本实施例中该滤光器14f的设置位置及面积并不限于图4所示。

藉此，该处理单元15同样可根据所述第一图像图框I₁、I₃、I₅…计算出所述第一图像图框的亮度变化及根据所述第二图像图框I₂、I₄、I₆…计算出所述第二图像图框的亮度变化，并根据两亮度变化的关系计算血氧浓度及脉搏数至少其中之一。

可以了解的是，由于该图像传感器14可能对不同波长的光具有不同的感光效率，或者该第一光源111及该第二光源112的发光亮度不完全相同，因此较佳于该光学测距***1出厂前针对该图像传感器14所检测图像图框的亮度进行调整(例如调整相对不同波长图像图框的曝光时间、图像增益等取样参数)，以使该图像传感器14所获取的初始图像图框具有大致相同的亮度，以消除误判断的可能性。

本实施例的精神在于，以该光源控制单元16控制该第一光源111及该第二光源发光112发光，使该图像传感器14以取样频率接收来自该手指9的反射光以生成相对该第一光源点亮的多张第一图像图框及相对该第二光源点亮的多张第二图像图框；该处理单元15则根据所述第一图像图框及所述第二图像图框计算该生理特征。

消除环境光机制

图2A中，该光学测距***1外部的环境光会被该图像传感器14接收而影响到其所获取图像图框的图像品质。本实施例中，该光源控制单元16可控制该第一光源111及该第二光源112于部分期间不发光。

例如参照图5所示，其显示该图像传感器14的图像获取与该第一光源111及该第二光源112的发光情形；其中，实线箭号表示光源点亮(或以第一亮度点亮)而虚线箭号表示光源熄灭(或以第二亮度点亮)，例如该第二亮度小于该第一亮度。图5(A)是该图像传感器14以固定取样频率持续获取图像图框。图5(B)是该第一光源111及该第二光源112是同时轮流地点亮及熄灭，因此该图像传感器14则可轮流获取到亮图像图框(光源点亮或以该第一亮度点亮)及暗图像图框(光源熄灭或以该第二亮度点亮)。图5(C)是该第一光源111及该第二光源112每隔两张图像图框同时点亮一次，其通常相对于该手指9具有较低位移量的情形。如前所述，当该第一光源111及该第二光源112同时点亮时(图5(B)及(C))，该图像传感器14包含滤光器14f以空间区隔不同光源的图像图框，以使该图像传感器14的一部份可感测该第一光源111的反射光而另一部分可感测该第二光源112的反射光。

当该手指9进入该发光区域θ时，相对于光源点亮时所获取的亮图像图框包含(手指反射光+杂散光+环境光)，相对于光源未点亮时所获取的暗图像图框则仅包含(环境光)，因此若将亮图像图框减去暗图像图框，则可有效消除环境光的影响。该处理单元15则可根据亮暗图像图框的差分图像图框计算该生理特征。

参照图5(D)所示，其显示该第一光源111及该第二光源112轮流点亮的实施方式。此实施例中，由于要使该图像传感器14获取到暗图像图框，因此该光源控制单元16控制该第一光源111与该第二光源112相隔一张图像图框轮流地点亮，例如于图5(D)的时间t_d时两光源均不点亮。藉此，该处理单元15则可计算差分第一图像(亮第一图像图框-暗图像图框)及差分第二图像(亮第二图像图框-暗图像图框)，并根据所述差分图像计算该生理特征。如前所述，当该第一光源111及该第二光源112轮流点亮时，该图像传感器14以时间区隔相对于不同光源的图像图框。

本实施例的精神在于，使该光源控制单元16控制该第一光源111及该第二光源112同时或轮流发光，并使该图像传感器14能够获取到所述光源不发光时的暗图像图框，并通过计算亮暗图像的差分图像以消除环境光的影响。因此，图5中所示各光源的发光情形仅为例示性，并非用以限定本发明。

降噪机制

由于该图像传感器14所获取的图像图框中会存在干扰，且干扰通常以随机的方式分布于所获取的图像图框中，因此本实施例可进一步计算M张图像图框的和来提高信噪比(SNR)，以增加计算生理特征的精确度；例如，将每10张图像图框进行相加，且两组相加的10张图像图框可部分重复或完全不重复。可以了解的是，当该第一光源111及该第二光源112是轮流点亮时，本实施例的图像图框的和分别为所述第一图像图框(例如图3的I₁+I₃+I₅…)的和以及所述第二图像图框(例如图3的I₂+I₄+I₆…)的和，这是由于必需分别计算两组光强度变化。然而，当该第一光源111及该第二光源112是同时点亮，本实施例的图像图框的和则为连续的图像图框(例如图3的I₁+I₂+I₃+I₄+I₅+I₆…)，并通过后处理以空间区隔的方式分辨两组光强度变化。此外，当配合上述消除环境光机制时，本实施例的图像图框的和则为差分图像图框的和；亦即，执行完消除环境光处理后接着进行降噪处理。其他实施例中，亦可仅执行消除环境光处理及降噪处理其中之一。

如前所述，该图像传感器14有可能在不同条件下以不同的取样参数来获取图像，例如该图像传感器14相对于不同波长的光可能具有不同的吸收率，因此可能会以不同的曝光时间及图像增益等取样参数来使得所述第一图像图框及所述第二图像图框具有大致相同的亮度，以能够正确根据所述图像图框进行后处理，亦即相对该第一图像图框及该第二图像图框的取样参数可能不相同。为了排除不同取样参数的影响，可将每张图像图框或M张图像图框的和或平均除以取样参数以进行归一化处理，例如(一张图像图框/取样参数)、(M张图像图框的和/取样参数)或(M张图像图框的平均/取样参数)；其中，M为正整数。

生理特征计算

相对于不同光源点亮时，该图像传感器14所获取的图像图框同时包含有生理信息及手指移动信息。因此，本实施例中该处理单元15(或该生理特征检测单元151)首先需将两种信息分离后，才能够正确计算生理特征；亦即，该处理单元15例如采用独立元件分析法(Independent ComponentAnalysis，ICA)或盲信号源分离法(Blind Source Separation，BSS)来将两种信息分离。

参照图3及6所示，以图3中所述第一图像图框I₁、I₃、I₅…为例，将多张第一图像图框(可为原始图像图框、经过消除环境光机制和/或降噪机制处理过的第一图像图框)或多张第一图像图框和(M张原始图像图框和、经过消除环境光机制和/或降噪机制处理过的M张第一图像图框和)的每张图像图框或图像图框和分割为至少两部分并分别求得平均亮度，例如将图像图框I₁分割成平均亮度为B₁及B₁′两部分；将图像图框I₃分割成平均亮度为B₃及B₃′两部分；…；将图像图框I_2N-1分割成平均亮度为B_2N-1及B_2N-1′两部分(其他实施例中可多于两部分)。接着，利用独立元件分析法或盲信号源分离法分离出第一移动信息及第一生理信息(如图6所示)，其皆显示为亮度变化线型。本实施例将移动信息舍弃并利用生理信息的亮度变化线型来计算生理特征。可以了解的是，由于该图像传感器14的取样频率远远大于脉搏频率，因此所分离出的生理信息可显示出光强度随脉搏变化的线型(类似图1)；分离出的移动信息分布并不限定如图6所示的。此外，所述图像图框分割的两个部分并不限定为上下两部分。此外，由于必须分别计算相对两不同波长的光的生理信息，上述分离程序是分别针对第一图像图框I₁、I₃、I₅…(相对应第一光源点亮)及第二图像图框I₂、I₄、I₆…(相对应第二光源点亮)来进行；即所述第二图像图框(I₂、I₄、I₆…)亦被分离成第二移动信息及第二生理信息等亮度变化，并舍弃第二移动信息而保留第二生理信息的亮度变化。必须说明的是，当利用图像图框和或平均来进行信息分离时，图6中的I₁-I_2N-1以及I₂-I_2N每一个均表示M张图像图框的和、平均或其归一化的结果。

独立元件分析法或盲信号源分离法主要用以将混合信号分离，分离出的移动信息舍弃后，即可消除手指移动所造成的信号干扰。

本实施例中，该处理单元15还根据至少一个阈值与该第一亮度变化和/或该第二亮度变化的比较结果计算脉搏数。

休眠模式

本发明实施例的光学测距***1在闲置预设时间后，可进入休眠模式。例如，该处理单元15于预设时间判断该手指9未进入该发光区域θ时，即可进入休眠模式。休眠模式中，例如可暂停该图像传感器14的图像获取、暂停所述光源111及112的发光或暂停其他主动元件的操作。

校正机制

一般光学***会因温度变化造成***频率以及光源频率的飘移而生成误差，本发明实施例的光学测距***1的处理单元还具有校正机制以补偿上述因温度变化所造成的误差，藉以增加***精确度。

该光学测距***1根据手指表面9S的反射光检测生理特征的方法，包含下列步骤：提供第一波长或第二波长的光至手指表面(步骤S₁₁)；获取该第一波长或该第二波长的光的反射光以生成多张图像图框(步骤S₁₂)；根据所述图像图框的亮度分布计算手指距离(步骤S₁₃)；判断该手指距离是否在预设范围(步骤S₁₄)；若是，则执行下列步骤：提供该第一波长及该第二波长的光至该手指表面(步骤S₁₄₁)；获取该第一波长的光的反射光以生成多张第一图像图框并获取该第二波长的光的反射光以生成多张第二图像图框(步骤S₁₄₂)；将每张该第一图像图框及每张该第二图像图框分割成至少两部分并求得每一部分的平均亮度(步骤S₁₄₃)；使用独立元件分析法或盲信号源分离法分析所述第一图像图框的该每一部分的该平均亮度以求得第一亮度变化并分析所述第二图像图框的该每一部分的该平均亮度以求得第二亮度变化(步骤S₁₄₄)；以及根据该第一亮度变化及该第二亮度变化求得生理特征(步骤S₁₄₅)；若否，则回到步骤S₁₁。本实施例中，步骤S₁₁-S₁₃为第一模式，步骤S₁₄₁-S₁₄₅为第二模式。此外，步骤S₁₃中还包含根据所述图像图框的亮度变化计算手指动作。本实施例各步骤的实施方式已详述于前，故于此不再赘述。

另一个实施例中，所述光源111及112、该图像传感器14、该处理单元15、该光源控制单元16、该通讯协定单元17及该传输接口18的一部份或全部元件亦可制作为控制芯片或封装体，如图8所示。该控制芯片或封装体用以于第一模式检测手指距离及手指动作，并于该手指距离在预设范围时进入第二模式；第二模式则用以检测该手指9的生理特征，并输出经编码、排序和/或压缩的该手指距离、该手指动作和/或该生理特征；其中计算该手指距离、该手指动作和/或该生理特征的方式如前所述，故于此不再赘述。此外可以了解的是，图8中该光学测距***中各元件的配置方式仅为例示性，并非用以限定本发明。其他实施例中，所述压缩处理亦可另外设置压缩单元执行。

综上所述，已知光学测距***并无法检测使用者的生理特征，且血氧仪计算血氧浓度的方式因具有无法判断移动中的待测部位等因素而无法相容于光学测距***。因此，本发明还提供一种光学测距***(图2A、2B及8)及其操作方法(图7)，其中该光学测距***可同时检测手指信息及生理信息，并控制表示单元根据该手指信息更新显示内容并显示该生理信息。本发明实施例的光学测距***可有效消除手指移动所造成的信号干扰及消除环境光源影响，并具有休眠模式的机制。

虽然本发明已以前述实施例公开，然其并非用以限定本发明，任何本发明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，当可作各种的更动与修改。因此本发明的保护范围当视后附的申请专利范围所界定者为准。

Claims (21)

1.一种光学测距***，用以检测手指距离及生理特征，所述光学测距***包含：

第一光源，发出第一波长的光至所述手指；

第二光源，发出第二波长的光至所述手指；

光源控制单元，控制所述第一光源及所述第二光源发光；

图像传感器，以取样频率接收来自所述手指的反射光以生成相对所述第一光源点亮的多张第一图像图框及相对所述第二光源点亮的多张第二图像图框；以及

处理单元，根据所述第一图像图框或所述第二图像图框计算所述手指距离，并当所述手指距离在预设范围内时根据所述第一图像图框及所述第二图像图框计算所述生理特征。

2.根据权利要求1所述的光学测距***，其中当所述手指距离在所述预设范围内时，所述处理单元：将每张所述第一图像图框分割为至少两部分并计算每一部分的平均亮度，分析所述第一图像图框的所述每一部分的所述平均亮度以求得第一亮度变化；将每张所述第二图像图框分割为至少两部分并计算每一部分的平均亮度，分析所述第二图像图框的所述每一部分的所述平均亮度以求得第二亮度变化；并根据所述第一亮度变化及所述第二亮度变化计算所述生理特征。

3.根据权利要求1或2所述的光学测距***，其中所述生理特征包含血氧浓度和/或脉搏数。

4.根据权利要求2所述的光学测距***，其中所述处理单元还根据至少一个阈值与所述第一亮度变化及所述第二亮度变化中的至少一者的比较结果计算脉搏数。

5.根据权利要求1所述的光学测距***，其中当所述手指距离在所述预设范围内时，所述光源控制单元：控制所述第一光源及所述第二光源轮流点亮以使所述图像传感器轮流接收所述第一光源及所述第二光源的反射光；或者控制所述第一光源及所述第二光源同时点亮以使所述图像传感器同时接收所述第一光源及所述第二光源的反射光，且所述图像传感器包含滤光器，该滤光器覆盖于所述图像传感器的感测面的一部分。

6.根据权利要求1所述的光学测距***，其中所述第一光源、所述第二光源、所述光源控制单元、所述图像传感器及所述处理单元封装成控制芯片以输出经编码、排序及压缩中的至少一种程序处理的所述手指距离及所述生理特征。

7.根据权利要求1所述的光学测距***，其中当所述手指距离不在所述预设范围内时，所述处理单元还检测手指动作。

8.根据权利要求1所述的光学测距***，其中当所述手指距离不在所述预设范围内时，所述光源控制单元控制所述第一光源或所述第二光源中的一者发光。

9.根据权利要求1所述的光学测距***，其中所述图像传感器包含像素阵列或包含位置彼此分离的多个感测像素，以用于感测所述手指的反射光。

10.根据权利要求1所述的光学测距***，其中所述处理单元还补偿因温度变化所造成的误差。

11.一种光学测距***的操作方法，该操作方法包含：

第一模式，用以检测手指距离；以及

第二模式，用以检测生理特征，其中当所述手指距离在预设范围内时，所述光学测距***由所述第一模式切换至所述第二模式。

12.根据权利要求11所述的操作方法，其中所述第二模式还包含下列步骤：

提供第一波长及第二波长的光至手指表面；

以图像传感器获取所述第一波长的光的反射光以生成多张第一图像图框并获取所述第二波长的光的反射光以生成多张第二图像图框；

将每张所述第一图像图框及每张所述第二图像图框分割成至少两部分并求得每一部分的平均亮度；

分析所述第一图像图框的所述每一部分的所述平均亮度以求得第一亮度变化并分析所述第二图像图框的所述每一部分的所述平均亮度以求得第二亮度变化；以及

根据所述第一亮度变化及所述第二亮度变化求得所述生理特征。

13.根据权利要求12所述的操作方法，该操作方法还包含下列步骤：根据至少一个阈值与所述第一亮度变化及所述第二亮度变化中的至少一者的比较结果计算脉搏数。

14.根据权利要求11所述的操作方法，该操作方法还包含下列步骤：

利用表示单元显示所述生理特征；以及

当所述生理特征超出预设值时生成警示状态。

15.根据权利要求11所述的操作方法，其中所述第一模式还包含下列步骤：

照明手指表面；

获取所述手指表面的反射光以生成多张图像图框；以及

根据所述图像图框的亮度分布计算所述手指距离。

16.根据权利要求15所述的操作方法，该操作方法还包含下列步骤：根据所述图像图框的亮度变化检测手指动作。

17.根据权利要求11所述的操作方法，该操作方法还包含下列步骤：针对所述手指距离或所述生理特征进行编码、排序及压缩中的至少一种程序处理。

18.一种光学测距***的操作方法，该操作方法包含下列步骤：

提供第一波长或第二波长的光至手指表面；

获取所述第一波长或所述第二波长的光的反射光以生成多张图像图框；

根据所述图像图框的亮度分布计算手指距离；以及

当所述手指距离在预设范围内时，则执行下列步骤：

提供所述第一波长及所述第二波长的光至所述手指表面；

以图像传感器获取所述第一波长的光的反射光以生成多张第一图像图框并获取所述第二波长的光的反射光以生成多张第二图像图框；

将每张所述第一图像图框及每张所述第二图像图框分割成至少两部分并求得每一部分的平均亮度；

分析所述第一图像图框的所述每一部分的所述平均亮度以求得第一亮度变化并分析所述第二图像图框的所述每一部分的所述平均亮度

以求得第二亮度变化；以及

根据所述第一亮度变化及所述第二亮度变化求得血氧浓度。

19.根据权利要求18所述的操作方法，其中当所述手指距离在所述预设范围内时，该操作方法还包含下列步骤：根据至少一个阈值与所述第一亮度变化及所述第二亮度变化中的至少一者的比较结果计算脉搏数。

20.根据权利要求19所述的操作方法，该操作方法还包含下列步骤：

利用表示单元显示所述血氧浓度及所述脉搏数中的至少一者；以及

当所述生理特征超出预设值时生成警示状态。

21.根据权利要求18所述的操作方法，该操作方法还包含下列步骤：根据所述图像图框的亮度变化检测手指动作。

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