JP2019521734A - 生物学的特性を検出するための光エミッタおよびセンサ - Google Patents

Abstract

バイオセンサデバイスが、指等の身体部分によってタッチするための表面を含む。ＬＥＤのアレイ等の光源が、身体部分によって反射され、部分的に吸収されるように、表面を通して光を放出する。光検出器のアレイが、身体部分によって戻るように反射された光を検出し、身体部分における光吸収パターンに対応する、光反射の画像に対応する信号を生成する。光吸収パターンは、指紋、血管パターン、血管内の血液移動、または他のバイオメトリック特徴に相関し得る。プロセッサが、光検出器から信号を受信し、信号を分析し、身体部分の特性を判定する。特性は、検出された特性を記憶された特性と比較することによって、バイオセンサデバイスのユーザを認証するために使用され得る。【選択図】図２

Description

本願は、Ｊｅｒｏｍｅ Ｃｈａｎｄｒａ ＢｈａｔおよびＲｉｃｈａｒｄ Ｉａｎ Ｏｌｓｅｎにより２０１６年５月２３日に出願され、本譲受人に譲渡された、米国仮特許出願第６２／３４０，２１８号を基礎とし、その優先権を主張する。この米国仮特許出願は、本明細書中に参考として援用される。

本発明は、血流、血液成分、指紋、血管パターン等の生物学的特性の感知、特に、光および光検出器を使用するそのような特性の感知に関する。

特定の波長（例えば、赤色またはＩＲ）の光を人間の身体部分（例えば、指）に当て、身体部分を通して透過される光を測定することが、血流（例えば、脈拍）、血液中の成分（ヘモグロビン等）、脂肪、および他の特性を検出するために使用され得ることが、公知である。概して、光吸収が、特定の特性に相関する。

しかしながら、そのようなシステムは、概して、単一の機能のみを実施する医療デバイスに限定される。さらに、光吸収の測定は、身体部分を通してであるため、デバイスは、指等の試験されている特定の身体部分を囲繞するように特に作製されなければならない。

必要とされるものは、種々の機能のために使用され得、医療ならびに認証等の非医療目的のために使用され得る、よりフレキシブルかつコンパクトな生物学的センサである。ユーザ認証に関して、生物学的センサは、既存の消費者製品に容易に統合されることが可能であるべきである。

本デバイスを使用して、人物の生物学的特性を検出するために使用され得る、統合されたコンパクトな光エミッタおよびセンサデバイスが、説明される。特性は、医療／診断目的ならびに人物の認証のために使用されることができる。例えば、本デバイスは、ユーザを認証するために、スマートフォンまたはコンピュータ内に設置され得る。

一実施形態では、ＬＥＤまたはフィルタ処理された白色光等の多波長光源によって形成される高分解能ピクセルが、皮膚に当てられると、指等の身体部分を貫通する光を提供する。光検出器のアレイが、光エミッタ内に統合され、身体部分から戻るように反射された光の大きさを検出し、戻るように反射された光の大きさは、身体部分による光の吸収によって影響を受ける。光検出器のアレイは、光吸収の高分解能画像を作成し得る。ピクセル（例えば、波長）は、ある生物学的特性を標的とするように制御され得、本デバイスの分解能は、指紋および血管パターン等の詳細な特性を検出するために高くあり得る。ビデオ画像がさらに、捕捉され得る。光学部品が、皮膚の中へのある深さにおいてのみ吸収を検出するために使用され得る。本デバイス内のプロセッサが、光検出器からの信号を分析し、ユーザの認証等の結果を生成するようにプログラムされ得る。

本デバイスは、コンパクトかつ安価であり、認証またはユーザの生物学的特性の分析のためのポータブルデバイスにおけるその使用を可能にし得る。

そのようなデバイスの種々の他の設計および使用も、説明される。

図１は、選択された区域において選択された波長の光を放出し得る、高分解能光エミッタの上面図であり、本デバイスはまた、発光面に接触する人物の身体部分から光吸収を感知するために、各多波長ピクセル区域内に光検出器のアレイを含む。 図２は、認証または医療診断のために、指紋、血流、血液中のヘモグロビン、または他の特性を検出するために発光面上に配置される人物の指を示す、図１のデバイスの断面図である。 図３は、人物の血液中のヘモグロビンおよびオキシヘモグロビンのような成分の濃度を判定するために、図１および２のデバイス内のプロセッサによって使用され得る、光波長対血液中のヘモグロビンおよびオキシヘモグロビンの吸収の相関を図示する。 図４は、光が、透明または半透明光ガイドの縁部分に入射され、光ガイドの前面から放出され、フォトダイオードアレイが、人物の身体による光の吸収の画像を検出するために、光ガイドの後方に位置付けられる、生物学的特性を検出するために光源および光センサを含むデバイスの別の実施形態の断面図である。 図５は、スマートフォン、ラップトップコンピュータ、または他の消費者デバイスの保護外側カバー部分等の透明層に添着される図４のデバイスを図示する。 図６は、反射された光の検出との組み合わせにおいて、ＥＫＧ信号の検出等、人物からの電気信号を感知するために、電極を用いて増強される図４のデバイスを図示する。 図７は、人物から発生するガスを検出するために、感受性ガス感知要素を用いてさらに増強される図５のデバイスを図示する。 図８は、本デバイスと接触する身体部分（例えば、指）の温度を判定するために、非接触赤外線温度センサを用いてさらに増強される図５のデバイスを図示する。 図９は、より高い分解能のために、より高い信号対雑音比のために、およびよりコンパクトなデバイスを形成するために、集束レンズが光センサアレイに当接する、本発明の別の実施形態を図示する。 図１０は、光検出器の高分解能アレイを有する、単一の集積回路チップの正面図である。レンズアレイが、検出器アレイを覆って位置付けられ、これは、入射光を集束させ、信号対雑音比を増加させるために光検出器に入射する直接光の量を低減させる。光源が、光ガイドと接触する人物の身体部分の方向においてのみ光を放出する透明光ガイド等、多くの好適な設計を有し得る。反射された光は、光ガイドを通して光検出器に戻るように透過される。 図１１は、図１０と類似するが、光源（例えば、ＬＥＤまたはレーザ）を光検出器と同一の表面上に統合する。 図１２は、種々のデバイスを用いて実施され得る機能を識別する。 図１３は、ユーザの生物学的特性を検出するために本デバイスによって実施される基本ステップの実施例のフローチャートである。種々の図における同一または同等の要素は、同一の番号を用いて標識化される。

ある波長の光を放出し、画像捕捉を使用して、光放出窓と接触する人物の身体による光の吸収を検出する、種々のタイプのバイオセンサデバイスが、説明される。他の使用も、説明される。

図１は、捕捉されるべき画像のために好適なサイズを有するバイオセンサデバイス１０の上面図である。一実施形態では、デバイス１０は、その表面にタッチする指を検出するためだけに十分な大きさである。

デバイス１０は、マイクロＬＥＤ１２または垂直共振器面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）等の他の光源によって形成されるピクセル１１のアレイを備える。そのようなレーザは、発光ダイオードのサブセットと見なされる。ＬＥＤ１２は、異なる着目ピーク波長を放出する異なる種類であり得るか、またはＬＥＤ１２は、異なる着目波長を放出するための異なる蛍光体を伴う同一の種類（例えば、ＵＶ ＬＥＤ）であり得る。示される実施例では、単一のピクセル１１内のＬＥＤ１２は、赤色Ｒ、青色Ｂ、緑色Ｇ、およびＩＲ放出ＬＥＤを含む。異なる波長は、異なる量だけ皮膚を貫通し、より短い波長（青色、緑色）は、より長い波長（赤色、赤外線）よりも皮膚の中により浅く貫通する。別の実施形態では、デバイス１０は、指内の血流の検出等の特定の機能のためにのみ意図され、ＬＥＤ１２は、赤色またはＩＲ等、特定の機能のための単一の狭帯域の波長のみを放出する。各ピクセル１１はまた、広帯域フォトダイオード１４または他のタイプの光検出器を含む。異なる波長を放出するＬＥＤ１２は、別個に通電され得、したがって、フォトダイオード１４の出力は、通電されたＬＥＤ１２によって放出される波長に相関されることができる。デバイス１０の分解能は、高分解能テレビと同一であり得る。

ピクセルアレイ内からの任意の１つの波長のＬＥＤはまた、必要に応じて、連続的に照明され得、ピクセルアレイ内からの１つまたはそれを上回る検出器が、並行して読み取られ、デジタル処理によって取得される画像の分解能のさらなる強化を可能にするようにクロストークを排除し得る。例えば、そのような連続的な照明は、光を単に散乱するが吸収しない場所からの身体部分内の吸収特徴（例えば、血管）の場所の強化された区別を可能にする。加えて、読み取られる検出器（単数または複数）は、照射されたＬＥＤに近接するもののみであり得、したがって、サンプリングされた身体部分区域は、高度に局所化される。

ＬＥＤは、ＯＬＥＤまたは無機ＬＥＤであり得る。

代替として、種々の色ピクセルは、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）によって形成され得る。典型的なＬＣＤは、広い範囲の波長を有する白色光バックライトを使用する。赤色、緑色、青色、およびＩＲフィルタ等の色フィルタが、サブピクセルを形成し、制御可能な液晶層の後方に位置付けられる。液晶層は、サブピクセル場所毎に光シャッタを効果的に有する。光シャッタを制御することによって、各ピクセル内の異なる色が、制御される。フォトダイオード１４は、次いで、ＬＣＤの上部を覆う透明な積層層内に形成され得る。

いずれの実施形態でも、フォトダイオード１４および発光ピクセルは、分析されるべき人物の身体部分の同一の側上にあり、したがって、フォトダイオード１４は、人物の皮膚による光の吸収を検出するため等、反射された光の画像を検出する。これは、人物の身体部分を通過する光の量を検出する公知のデバイスと対照的である。検出されている身体部分内の局所化された吸収は、基本的に、異なるフォトダイオード１４によって受光される反射された光間の差異を検出することによって判定されるため、反射された光の画像は、吸収された光の画像に対応する。そのような差異は、吸収パターンをマッピングし、これを記憶された吸収パターンと比較するために使用されることができる。故に、反射された光の絶対的大きさは、サンプリングされている身体部分、任意の周囲光、ＬＥＤへの電流等に基づいて変動し得るが、光反射の大きさにおける差異は、依然として、身体部分内の吸収パターンに対応するであろう。

組み合わせ指紋検出器および血管場所検出器のためのピクセル１１のアレイの実施例は、２ｃｍ×２ｃｍであり、８００個のピクセル１１を含むアレイであり得る。分解能は、０．２５ｍｍ程度に小さくあり得る。そのようなアレイサイズは、２つの異なる試験を使用するユーザの認証のためにスマートフォンまたは他のハンドヘルドデバイス内に組み込まれることができる。

ＬＥＤコントローラ１８は、例えば、行および列アドレス指定を使用してＬＥＤ１２の通電を制御し、フォトダイオード１４は、光検出器コントローラ２０によって制御される。プロセッサ２２は、コントローラ１８および２０の全体的制御を提供し、所望の機能に応じて、さらなる処理のために種々のフォトダイオード１４の出力を検出する。一実施形態では、プロセッサ２２は、指紋ならびに指内の血管の場所、脈拍、および血液中の成分を検出するために、本デバイスを制御する。血流を分析するために、ビデオのような複数の画像が、取得され得る。プロセッサ２２は、ユーザを認証するためにデータをメモリ内に記憶された情報と比較し得るか、または医療分析のためにデータを使用し得る。

一実施形態では、ＬＥＤコントローラ１８は、ＬＥＤの照明をラスタリングする、または別様に空間的に順序付ける一方、光検出器コントローラ２０は、複数の個別の照明状態に対応する画像のシーケンスを捕捉する。プロセッサ２２は、散乱光に関して捕捉された画像を補償するためにデータのシーケンスを処理し得、それによって、本デバイスと接触する身体部分内の吸収特徴によって形成される組み合わせられた画像の分解能を増加させ得る。

プロセッサ２２およびコントローラ１８／２０を含む全体的デバイス１０は、電力リードおよびデータリードのみを要求する単一のモジュール式デバイスとして形成され得る。

ピクセルアレイの異なる区分またはピクセル１１のそれぞれは、異なるピクセル１１からのフォトダイオード１４とＬＥＤ１４との間のクロストークを低減させるために、別個に通電され得る。理想的には、身体部分は、衝突し、反射される光の散乱を最小限にし、最も高い分解能の画像を取得するために、デバイス１０と直接接触する。集束および指向性光学部品もまた、分解能をさらに改良するために使用され得る。

図２は、本デバイスの保護ガラスカバー２４と直接接触する人物の指２３を示す、図１のデバイス１０の簡略化された断面である。指２３内の血管２５もまた、示される。空気のものよりもはるかに高いが、ガラスカバー２４の屈折率と類似する屈折率（例えば、１．５）を有する指２３に起因して、（ガラスに直接接触する）指紋の***２６および（ガラスから離れる）指紋の谷２７は、それらの区域内で異なる量の光反射２８を引き起こすであろう。谷区域は、ガラス／空気界面におけるＴＩＲに起因して、ガラス表面から比較的に高いパーセンテージの光を反射するであろう一方、***区域は、比較的に高いパーセンテージの光を吸収するであろう。フォトダイオード１４の高分解能に起因して、いくつかのフォトダイオード１４は、谷２７の下に位置し、その他は、***２６の下に位置し、したがって、指紋の画像は、プロセッサ２２（図１）によって検出可能であり、ユーザの認証のために記憶された指紋と相関されることができる。

ガラスカバー２４は、無機ガラス、サファイア等の結晶材料、ガラスセラミック、またはポリマーを含み得る。

指紋検出器を阻害する方法が、公知である。不正行為に対して追加される保証として、プロセッサ２２はまた、フォトダイオード１４のデータを処理し、指内の血管と一貫する低波長（例えば、赤色、ＩＲ）吸収のパターンを判定する。指紋に対する血管の形状および場所は、個人間で独特であり、偽造することは非常に困難である。そのようなデータは、認証のために記憶されたデータに相関される。他の血液データもまた、医療分析のために取得され得る。図２は、赤色／ＩＲ光の吸収が、血管を含んでいない指の区域と比較して、血管の場所においてより高い、血管２５の皮膚深さにおける光反射２８を示す。検出された血管のマップが、次いで、プロセッサ２２によって作成され得、基準血管の記憶されたマップと比較されることができる。

フォトダイオード１４信号は、プロセッサ２２によって相互に減算され得、したがって、差異は、着目波長の吸収に相関する。そのただの絶対値ではなく、高分解能フォトダイオード１４によって出力される信号の差異は、ＬＥＤからのフォトダイオード１４によって直接受光される光の同相除去を可能にし、したがって、信号体雑音比を大幅に増加させる。

概して、広い区域を横断するフォトダイオード１４のアレイは、デバイス１０が、ガラスカバー２４に接触する、またはそれに近接近する適切なコントラストのアイテムのための画像捕捉デバイスとして作用することを可能にする。故に、指、掌、手首、または顔等の身体部分が、ガラスカバー２４と接触する、またはそれに近接近する場合では、デバイス１０は、指紋等の有益なバイオ認証およびバイオメトリックデータ、血管パターン等の浅い真皮下バイオ認証データ、顔および他の皮膚色調情報、ならびに皮膚常在病原体の存在を捕捉するために使用され得る。

さらに、ピクセルアレイは、ガラスカバー２４と接触する、またはそれに近接近する１つまたはそれを上回る指または他の身体部分の存在および運動を検出するために単純に使用され、それによって、アレイが、さらなる専用タッチ感知アレイ、機械的ボタン、または別体のジェスチャサブシステムに関する要件を伴わずに、種々のジェスチャを感知するために、またはタッチスクリーンもしくは単純な「ボタン」として使用されることを可能にし得る。

加えて、異なる色のＬＥＤ１２を順序付けることによって、身体部分の分光法が、実施され、光学的に収集されるバイオメトリックデータをもたらし得る。波長がある程度皮膚を貫通する場合では、真皮下バイオメトリックデータが、取得され得る。例えば、赤色および緑色の両方が、血流、血管を検出し、心拍数を確認するために使用されることができ、適切な波長の赤色および赤外線の組み合わせが、血液酸素供給を確認するために使用され得る。

異なる波長は、異なる量だけ皮膚を貫通し、より短い波長（青色、緑色）は、より長い波長（赤色、赤外線）よりも皮膚の中により浅く貫通する。故に、ピクセル波長を横断して走査することによって、真皮の異なる深さをサンプリングする画像が、取得され得る。異なる画像からのデータは、次いで、相互に減算され、付加的分解能をもたらし得る。例えば、表皮データを捕捉する青色画像が、真皮下データのみを示すように、表皮および真皮下データの両方を捕捉する赤色画像から減算され得る。

波長応答の範囲を拡大することは、さらに多くの情報が収集されることを可能にする。より高いか、またはより低いかのいずれかの周波数における応答性を持つ付加的ピクセルを混合または追加することによって、病原体検出、ＵＶ暴露、水和、および身体化学等の付加的機能が、確認されることができる。いくつかの場合では、ＵＶが、血液または皮膚内の蛍光成分を検出するために使用され得る。

加えて、画像のシーケンス（すなわち、ビデオ）を捕捉することによって、血管に沿った血液の脈拍の移動が、取得され、心拍数、それから血圧が推測され得る血液脈波速度、心拍出量、１回拍出量等のさらなるバイオメトリックデータを（直接、または推測によってのいずれかで）提供することができる。画像のシーケンスはまた、血流を観察し、検証されている身体部分が生きている身体部分を間違いなく備え、スプーフ材料サンプルまたは分離された、もしくは死後の身体部分の使用等を通したバイオ認証イベントを偽造する試行を備えていないことを推論するために使用され得る。同様に、光検出器とともに、種々の色を生成するＬＥＤの組み合わせの使用は、例えば、指紋のコピーを保有するが、同時に生理学的検証を示す、人間の指に付けられる材料の識別を提供することができる。本「ビデオ」能力は、次いで、共形材料による指紋スプーフィングを阻止することに役立つことができる。

拡張された画像のシーケンスを捕捉および処理する場合では、補償が、ビデオ捕捉中の対象の運動に関して提供される必要があり得る。本場合では、例えば、青色、緑色、または他の適切な光源を用いて捕捉される表皮画像の運動が、ビデオ捕捉中の対象の運動を追跡するために使用されることができ、例えば、赤色または赤外光を用いて捕捉される、捕捉された真皮下画像内の運動を補償するために使用されることができる。

指の中に貫通する光が、指内の構造物に基づいて、後方散乱および反射の変動を受けることを考慮して、指紋の検出は、青色光等の指の中に最も貫通しない光からが最良であろう。しかし、指紋は、広い範囲の可視および近赤外波長を用いて読み取られる可能性が高くあり得る。

より長い波長を使用して、真皮下画像が、撮影されることができる。例えば、真皮の中への２〜３ｍｍまたはそれを上回る距離への貫通を可能にする照明波長および電力を使用することは、光が、毛細血管および静脈が見出され得る真皮下領域まで貫通することを可能にするであろう。血管が指紋の***および谷と重なるであろうと仮定して、血管から収集される画像もまた、指紋の***および谷の存在によって影響を受ける可能性が高いであろう。故に、指紋の***および谷の存在の両方は、認識のために使用される層の特異性を強化し得る、または血管の画像から除去されることができる。指紋を除去することが望ましい一例示では、先に議論されるようなより短い波長の光によって捕捉されるような指紋の画像を単純に減算する技法が、展開されることができる。代替として、これは、フィルタ処理または類似する影響を有する他の技法等による、画像処理を介して行われ得る。指紋の影響はまた、（後の図に示される）本システム内への光学部品の包含等によって、その検出器の焦点が本質的に専ら、または大部分が真皮下であるように検出器アレイを設定することによって最小限にされ得る。

本バイオ認証方法論のアーチファクトとして、有意な生理学的情報が、同時に抽出されることができる。異なる照明下で捕捉された血管の画像を研究することによって、感知区域の直下の組織の分光分析を実施することが可能であり、この分光分析から、血液、間質液、または組織の化学が実施され得る。例えば、ヘモグロビンおよびオキシヘモグロビンが異なる吸光係数の変化を有する範囲である６８０ｎｍおよび８５０ｎｍ等の２つの異なる波長下の画像を研究することによって（図３）、血液酸素飽和度ＳｐＯ２の測度を得ることが、可能である。転じて、適切な照明波長下で捕捉された画像を研究することによって、血糖、赤血球数、白血球数、血液ＣＯ２、血糖、ならびに他の血液および間質液溶質が、検出されることができる。

上記の構成の全てでは、周囲光の影響が、考慮される必要があり得る。具体的には、指等の薄い身体部分を研究する場合では、周囲光は、指を通して検出器アレイに伝搬し、受信される信号または画像に干渉し得る。故に、周囲光の影響は、考慮される必要があり得る。周囲光は、日光等の本質的に定常状態の光源または白熱照明もしくは変調されるＬＥＤ照明等の変調される光源を含み得る。周囲光に由来する検出された光学信号の部分は、最初に、アレイ光源を「オフ」状態にして検出器アレイをサンプリングすることによって定量化され得る。本信号は、次いで、アレイ光源による照明にのみ関連する信号を推論するように、アレイ光源が「オン」状態にあるとき、検出器アレイが続けて捕捉する信号から減算され得る。加えて、全てのフォトダイオード１４は、同一の量の周囲光を検出し得るため、同相信号を減算することは、周囲光を相殺する。

相関される二重サンプリングの本方法はさらに、光検出器構成および各ピクセル内の複数の光検出器に関する選択肢の両方によって強化されることができる。本「周囲光除去」は、アレイ光源およびアレイ検出器サンプリング時間を、周囲光の任意の変調のものよりもはるかに高い周波数において変調することによって促進されることができる。任意の周囲光変調の周波数はさらに、検出器アレイ自体によって検出され得る。

上記は、マイクロＬＥＤディスプレイを利用する例示を説明しているが、機能的に同等のモダリティが、ＯＬＥＤディスプレイまたはアクティブマトリクスＬＣＤディスプレイ等の適切な分解能の任意の他のディスプレイに統合される拡張された検出器のアレイの統合を通して達成されることができる。具体的には、ディスプレイが、非晶質シリコン、多結晶質シリコン、または有機半導体等の集積半導体素子を含む場合、フォトダイオードアレイは、実質的に類似する半導体処理を使用してディスプレイ上に形成され、したがって、最小の付加的処理コストおよびより高い分解能を伴い得る。

機能的に同等のモダリティはまた、例えば、光学モジュール、ガラス上のチップ（カバーガラスに直接取り付けられるチップ）、またはディスプレイ上のチップ（ディスプレイガラスに直接取り付けられるチップ）における別個の拡張された検出器のアレイを用いて達成され得る。そのようなモジュール、ガラス上のチップ、またはディスプレイ上のチップは、ディスプレイと直接統合され得るか、またはスタンドアロンアレイを備え得、その独自の照明源を備え得るか、あるいはディスプレイ等からの外部光源、または任意の他の適切な既存のピクセル化、均一、側面、ポイント、もしくは他の照明源を利用するように配列され得る。

拡張された検出器のアレイは、ＣＭＯＳ画像センサ等の統合されたセンサアレイを備え得、後に説明される、図４に描写されるように統合される光学部品を有し得る。モジュールカバーガラス自体は、必要に応じて、光学的に強化するか、光学的にフィルタ処理するか、または光学的に遮断する、層および反射防止コーティングなどを用いて、完全または部分的にコーティングされ得る。

そのようなモジュールは、複数のヒューマンインターフェースのための統合点および最終用途への生理学的強化として動作し得る。限定ではないが、例えば、消費者デバイス上の光学的に機能するオン／オフまたは他の「ボタン」、ピンチ、ズーム、スクロール、ジョイスティック、トラックボール、シグネチャ等の高レベル機能に関するジェスチャ認識等の特徴が、アルゴリズムまたはソフトウェアを介して既存の動作に追加されることができる。

統合された、またはスタンドアロンセンサモジュールはまた、付加的機械的ボタンアクションを提供するために、圧力センサまたは圧力感知アレイを用いて強化され得る。積層容量センサアレイ層もまた、統合され得、それから「タッチ」イベントの発生およびタッチイベントの関連付けられる力が、判定され得る。タッチイベントの力の判定はまた、最適なバイオ認証またはバイオメトリックデータに最適化されない大きさであるタッチイベントの消費者へのフィードバックとして使用され得る。例えば、モジュールを強く押しすぎることは、毛細血管への血流を制限し、それによって、それから受信される信号に影響を及ぼし得る。

統合された、またはスタンドアロンセンサモジュールはさらに、エポキシ、シリコーン、アクリル、またはフリットガラスもしくは化合物半導体ガラス等の低温融解ガラス等の光学的に透明な接着剤を介して、ディスプレイまたはカバーガラスに直接接合され得る。本場合では、接合は、モジュールカバーガラスおよびディスプレイガラスの界面全体を横断して延在する接着剤を備え得る。代替として、接着剤は、界面の一部を覆って（例えば、縁において）分注され得、モジュールカバーガラスおよびディスプレイガラスの大部分は、単純に、接触する、または近接近し得る。

図４は、異なる波長を放出するＬＥＤ等の光源３０が、保護カバーとしての役割もまた果たす光ガイド３２の外縁の周囲にのみ位置する別の実施形態を図示する。光は、ＬＥＤを光ガイド３２内に埋設する、または別様に光を縁に結合すること等によって、光ガイド３２の縁部分に結合される。光は、ＴＩＲによって光ガイドの全ての区域に搬送され、光ガイド３２の上面のみを通して出射する。光ガイド３２は、光を上向きに指向させ、光を混合する、成形されたマイクロリフレクタ等の光抽出特徴を有し得る。故に、通電されたＬＥＤからの光は、光ガイド面と接触する、またはそれに近接する身体部分の中に上向きに実質的に均一に放出され得る。光ガイド３２によって放出される下向きの光は、殆どまたは全く存在しない。光ガイド３２の多くは、身体部分から戻るように反射された光が光ガイド３２を通過するように透明である。

光学部品３４は、身体部分の中へのある距離のみから反射された光をフォトダイオードアレイ３８上に集束させる集束マイクロレンズを備え得る。光学部品３４はまた、身体部分からの入射光を光ガイドに垂直な狭い角度にのみ限定し、クロストークを低減させ、分析されている身体部分の特徴をより良好にマッピングし得る。フォトダイオードアレイ３８は、ＣＭＯＳ画像センサ、ＣＣＤ画像センサ、または任意の他の画像センサであり得る。

光遮断壁４０が、フォトダイオードアレイ３８に衝突しないように直接光を遮断するために使用され得る。モジュールは、ＬＥＤからの熱を吸熱するために、不透明熱伝導性封入体４２を含み得る。図１の制御電子機器は、モジュールに取り付けられる、または別個であり得る。モジュールは、プリント回路基板へのはんだ付けのための接触パッドを有し得る。

図５は、スマートフォンまたは他のデバイスの透明表面層等の保護透明カバー４４に当接する図４のモジュールを図示する。

図６に示されるように、統合された、またはスタンドアロンセンサモジュールはさらに、光ガイド３２を通して、もしくはその周囲に延在する、またはモジュールの外部に位置するが、ユーザが電気的に監視されることを可能にするようにモジュールに電気的に接続される、１つまたはそれを上回る電極４８および５０を備え得る。例えば、そのような電極４９および５０は、ユーザの心電図（ＥＣＧまたはＥＫＧ）または生体インピーダンスを検出するために使用され得る。ＥＣＧ信号は、心拍数またはＥＣＧ信号の形態によって判定されるような関連する、差し迫った、もしくは実際の病状を判定するために、孤立して使用され得る。代替として、ＥＣＧは、血圧および他の医療的に重要なインジケータを判定するために、光学的に導出されるフォトプレチスモグラム（ＰＰＧ）と連携して使用され得る。生体インピーダンスは、水和、脂肪含有量、または他のバイタルサインを判定するために使用され得る。筋肉作用もまた、電気的に監視され得る。全てのそのようなモニタは、単一のモジュール内に組み合わせられ得る。

ＥＣＧ信号はまた、バイオ認証シグネチャとして使用され得る。したがって、バイオ認証は、指紋、血管撮像、もしくはＥＣＧ等の単一のモダリティを介して、または複数のモダリティの組み合わせ、すなわち、多因子認証の形態を通して実施され得る。全てのバイオ認証イベントが、誤検出および検出漏れの形態におけるエラーを受けると仮定して、多因子バイオ認証の使用は、バイオ認証の正確度を改良することができる。例えば、多因子バイオ認証スキームは、２つの因子の肯定的認証および第３の因子の拒絶された認証を備える認証イベントを確認するように構成され、それによって、（低減されたセキュリティを犠牲にしてではあるが）検出漏れに起因してユーザがシステムからロックアウトされる確率を低減させる一方、少なくとも２つの因子が認証されることを要求することによって、誤検出およびスプーフィングに対する増加されたセキュリティを提供し得る。代替として、異なるモダリティが、異なる認証時間を有すると仮定して、多因子認証スキームは、単一の高速認証因子に基づいて、最初の高速低セキュリティ認証を提供し、付加的なより緩慢な認証因子を収集および処理するために要求される長い時間周期にわたって、２つまたはそれを上回る後続の増加するセキュリティ認証のレベルを提供するように構成され得る。

図７に示されるように、モジュールはさらに、統合されたガス感知要素５４を用いて増強され得る。ガス感知要素５４は、代わりに、別体の近接デバイスであり得る。適切な電気化学感知要素等の高特異性の高指向性ガスセンサの使用は、犬が人物の病気を嗅ぐことができるように、現在の、または差し迫った病状を検出するために使用され得る。そのようなデータは、孤立して、または上記に概説される光学部品および電気データと併せて使用され、データが解釈され得るより完全な文脈を提供し、それによって、より（統計的に）正確な医療診断または総合的健康／ウェルネス診断をもたらすことができる。

相補的ガス感知要素５４の使用はまた、バイオ認証用途において使用され得る。指紋スプーフサンプルは、木材、糊、パテ、およびアセテートシート等の有機材料の中または上への指紋再現物を備え得る。そのような材料は、殆どが、特に、形成または硬化後の短い時間において、揮発性有機化合物を放出する。加えて、人間は全て、皮膚および汗を通して揮発性有機化合物（ＶＯＣ）を放出する。したがって、接触点におけるガス状環境がバイオ認証イベントと実質的に同時にサンプリングされる、接触または近接近する指紋または他のバイオ認証イベントは、スプーフ材料または直接的な皮膚の存在を「嗅ぐ」機会を有する。さらに、任意の１人の個人によって放出されるＶＯＣの特定の比率（その「臭気」）は、十分に固有であり、これは、十分な分解能がガス感知要素において存在する場合、さらなるバイオ識別因子またはモダリティとして使用され得る。そのような感知スキームは、実際の人間の指２３の存在を検出するガス感知要素５４と併せて、指紋および／または血管場所による光吸収を感知するフォトダイオードアレイ３８によって図７に描写される。

統合された、またはスタンドアロンセンサモジュールは、それを横断して指が物理的に走査またはスワイプされ得るコンパクトなライン走査装置（ピクセルの単一または細いライン）として配列され得る。これは、縮小されたセンサ占有面積を用いて指または他の身体部分の拡大された部分を走査することが可能である利点を提供し得る。スタンドアロンセンサモジュールの場合では、縮小された占有面積は、携帯電話、腕時計、および他のウェアラブル等の空間制約プラットフォームへのデザインインを促進することができ、削減されたモジュールコストを促進することができる。指のスワイプアクションは、小さい形状因子のセンサが広い範囲の身体組織を調査することを可能にすることができる。広い範囲の身体組織にわたって感知することが可能であることは、特定のバイオ認証およびバイオメトリックマーカが、マーカが最も強力である、または最も高度に規定される特定の組織区域内でサンプリングされ得る利点を提供する。例えば、伝統的な指紋を取得しようとしている場合、遠位指節骨にわたって組織を走査することは、それが表皮特徴（***および谷）が豊富な領域であるため、最も有用な情報を提供するであろう。一方、指静脈識別データ等の独特の真皮下情報を捕捉することは、静脈がより大きく、したがって、検出することがより容易であること、およびバイオ認証イベント中のセンサモジュールとの接触による指への圧力の付与によってあまり影響を受けないことの両方である、中間指節骨にわたって最も成功することが分かり得る。故に、光学バイオ認証ライン走査装置は、指がこれにわたって走査される際、遠位指節骨からの指紋データおよび中間指節骨からの指静脈識別データを最適に捕捉するように構成され得る。モジュールはさらに、センサが指節間関節のうちの１つの下を通過する際の照明源または焦点距離の変化等によって、モジュールにわたる指の通過を感知し、指走査中にモジュールの動作を変更し得る。

ラインアレイセンサがさらに、平坦なカバーガラスまたは湾曲したカバーガラス上もしくはその後方に形成され、ガラスの曲線は、指または手首のものとほぼ合致し得る。そのようなセンサは、次いで、ネットワーク化される場合、ユーザのバイオ認証を提供するウェアラブルデバイスとして使用され得る、指輪または腕時計等のウェアラブルデバイスの中に組み込まれ得る。そのようなデバイスは、ワンタイムバイオ認証イベントを実施することができる。これは、次いで、センサアレイに連続的または周期的にポーリングし、ウェアラブルデバイスが外されていないこと、およびユーザが依然として生きていることを確認することができる。ウェアラブルデバイスは、次いで、ユーザが、任意の後続バイオ認証イベントを実施する必要なく、バイオ認証されたままであることを確認することができる。そのようなデバイスは、次いで、例えば、電話、クレジットカード支払いシステム、ＡＴＭ、自動車、扉、およびデータボルトなどと無線でネットワーク化され、高速ユーザ認証を促進することができる。そのようなモダリティは、バイオ認証イベントが数回の心拍が捕捉されることを要求し得るＥＣＧ信号の分析を備える場合等、これが冗長なイベントを備える場合に特に有用である。

図８に示されるように、統合された、またはスタンドアロンセンサモジュールからの信号はさらに、統合された、または別体の近接接触もしくは非接触温度センサ５８からのデータを用いて増強され得る。低波長（赤色またはＩＲ）フィルタ６０が、センサ５８を被覆し得る。温度データは、スタンドアロンバイオメトリックとして使用され得るか、またはその中で他のバイオメトリックが解釈されるさらなる文脈を提供するために使用され得る。

図９は、制御回路およびフォトダイオードがセンサチップ６２内に統合され、集束光学部品６４がより精密な集束のためにフォトダイオードアレイ上に直接形成される実施形態を示す。集束は、光ガイド３２に接触する、身体部分の中へのある距離内であり得る。縁結合されたＬＥＤ光源３０もまた、示される。結果として生じるモジュールは、非常に薄く、種々の用途に容易に組み込まれる。

図１０は、図９のセンサチップ６２および光学部品の一実施形態の上面図である。各フォトダイオード１４は、コンパクトなアレイを形成するために、０．２５ｍｍ^２を下回り得る。別個のマイクロレンズ６６が、各フォトダイオード１４を覆って形成され、光捕捉を改良する。より大きいプレノプティックレンズ６８が、フォトダイオードアレイの区分を覆って形成され、各プレノプティックレンズ６８は、約１６個のフォトダイオード１４と重なり得る。プレノプティックレンズ６８は、異なる深さにおいて焦点を合わせ、身体部分から反射された光についてのより多くの情報を収集するような指向性であり得る。種々のレンズは、透明シートを成形し、シートをフォトダイオードアレイを覆って積層することによって形成され得るか、またはフォトダイオードアレイを覆って直接成形することによって形成され得る。半球形レンズが、簡易化するために示されるが、レンズは、集束のために好適な任意の形状であり得る。チップは、任意の光ガイドガラスの後部に添着されることができる。別の実施形態では、光学部品は、スペーサを用いてフォトダイオードアレイから離される。基準フォトダイオード６９が、周囲光を検出するために、プレノプティックレンズ６８の外側に位置し得る。検出された信号を処理するためのシステム論理７０が、コンパクトさおよび信号対雑音比の改良のために、フォトダイオードアレイと同一のチップ上に形成される。論理は、アナログ／デジタルコンバータと、デジタル処理回路とを含み得る。

図１１は、ＬＥＤ光源７２を用いて増強された図１０のモジュールを図示する。光源７２は、光を上に重なる光ガイドの中に入射し、フォトダイオードアレイにわたって光を拡散し得る。身体部分から反射する光は、光ガイドを通してフォトダイオードアレイに戻るように通過する。別の実施形態では、モジュールは、小さくあり得（例えば、２×２ｃｍを下回る）、ＬＥＤ光源７２からの光は、身体部分内で散乱され、フォトダイオードアレイ上に反射されるため、光ガイドは、必要とされない。

ＬＥＤ性能は、経時的に劣化するため、フォトダイオード１４はまた、ベースラインに対してＬＥＤ光出力を比較し、ＬＥＤ通電回路にフィードバックを提供し、ベースライン性能を達成するために使用され得る。

上記の実施形態は、狭帯域エミッタと併せて、広帯域検出器のアレイによって実施される分光分析を含むが、その機能性はまた、蛍光体変換白色ＬＥＤ等の広帯域エミッタと併せて、光学フィルタをその上に、またはその光路内に伴う検出器等の波長特有検出器の使用を通して実装され得る。

図１２は、本明細書に説明されるモジュールの種々の可能性として考えられる使用を識別する。

図１３は、本発明の一実施形態による、種々のモジュールによって実施される基本ステップを識別するフローチャートである。

ステップ８０において、ＬＥＤディスプレイパネル、光ガイドパネル、または他の光源が、光検出器アレイに対して配列され、バイオセンサを形成する。

ステップ８２において、バイオセンサの出力窓が、分析のために身体部分によってタッチされる。タッチセンサまたは光影センサが、身体部分が画像検出プロセスを開始するために出力窓上にあるとき、これを検出するために、本デバイス内に組み込まれ得る。

ステップ８４において、ＬＥＤは、通電され、所望の波長を身体部分に当て、指紋検出、血管検出、脈拍等のために身体部分による局所化された光吸収を検出する。ＬＥＤは、並行して、または連続的に通電され得る。ＬＥＤが連続的に通電される場合、光検出器は、光の吸収を通電されたＬＥＤに近接する身体部分における場所とより良好に関連付けるように、選択的に読み取られ得る。連続的照明は、任意のパターンであり得る。

ステップ８６において、光検出器アレイからの信号が、列および行等によって走査され、アレイを横断する検出された光の相対的大きさを検出し、身体部分による光吸収の詳細な画像を効果的に取得する。

ＬＥＤが連続的に通電される場合では、本方法は、次いで、付加的空間的吸収データを提供するために、各通電後にステップ８４に折り返し得る。

ステップ８８において、未加工データが、ユーザの認証、医療分析等の結果を取得するために、モジュールのプロセッサによって処理される。

本発明の特定の実施形態が示され、説明されたが、変更および修正が、そのより広い側面において、本発明から逸脱することなく成され得、したがって、添付される請求項は、本発明の真の趣旨および範囲内である、全てのそのような変更および修正をそれらの範囲内に包含すべきであることが、当業者に明白となるであろう。

本発明は、例えば、以下を提供する：
（項目１）
バイオセンサデバイスであって、
人物の身体部分によってタッチするための、第１の表面と、
前記身体部分によって部分的に吸収されるように、前記第１の表面を通して光を放出するように構成される、光源と、
少なくとも前記身体部分によって戻るように反射された光を検出するように配列される、光検出器のアレイであって、前記光検出器は、前記戻るように反射された光に対応する第１の信号を生成する、光検出器のアレイと、
前記光検出器のアレイに結合され、前記身体部分の特性を判定するために前記第１の信号を分析するために構成される、検出回路と、
を備える、デバイス。
（項目２）
前記光源は、複数の発光ダイオードを備える、項目１に記載のデバイス。
（項目３）
前記光検出器の個々のものは、前記発光ダイオードの個々のものと関連付けられる、項目２に記載のデバイス。
（項目４）
前記発光ダイオードは、異なるピーク波長の光を放出する発光ダイオードを備える、項目２に記載のデバイス。
（項目５）
前記発光ダイオードは、血管によって吸収される波長の光を放出する、項目２に記載のデバイス。
（項目６）
前記光源は、ピクセルのアレイを備え、各ピクセルは、少なくとも１つの発光ダイオードと、光検出器とを含む、項目２に記載のデバイス。
（項目７）
各ピクセル内に複数の発光ダイオードが存在し、ピクセル内の各発光ダイオードは、異なるピーク波長の光を放出する、項目６に記載のデバイス。
（項目８）
前記光源は、光ガイドを備え、１つまたはそれを上回る発光ダイオードからの光は、前記光ガイドに光学的に結合され、前記光ガイドは、前記第１の表面を通して光を放出するために構成される、項目１に記載のデバイス。
（項目９）
前記光検出器のアレイは、前記身体部分から反射された光が、前記光検出器のアレイによる読取のために前記光ガイドを通過するように、前記第１の表面と対向する前記光ガイドの後方に位置する、項目８に記載のデバイス。
（項目１０）
前記身体部分から反射された光の角度範囲を限定するために、前記光検出器を覆うレンズをさらに備える、項目１に記載のデバイス。
（項目１１）
前記身体部分から反射された光を、前記身体部分の中へのある距離からだけ前記光検出器上に集束させるために、前記光検出器を覆うレンズをさらに備える、項目１に記載のデバイス。
（項目１２）
前記デバイスに統合される非光学センサをさらに備える、項目１に記載のデバイス。
（項目１３）
前記非光学センサは、前記身体部分によってタッチするための電極を備える、項目１２に記載のデバイス。
（項目１４）
前記非光学センサは、前記身体部分によって放出される少なくとも１つのガスを感知するためのガスセンサを備える、項目１２に記載のデバイス。
（項目１５）
前記身体部分は、指を備え、前記デバイスは、指紋を検出するように構成される、項目１に記載のデバイス。
（項目１６）
前記身体部分は、指を備え、前記デバイスは、前記指内の血管を検出するように構成される、項目１に記載のデバイス。
（項目１７）
前記デバイスに統合されるプロセッサをさらに備え、前記プロセッサは、前記光源の通電および前記光検出器によって受光される前記反射された光の検出を制御する、項目１に記載のデバイス。
（項目１８）
プロセッサをさらに備え、前記プロセッサは、前記光検出器からのデータを処理し、前記データを記憶されたデータと比較し、前記デバイスのユーザの認証を示すように構成される、項目１に記載のデバイス。
（項目１９）
プロセッサをさらに備え、前記光源は、複数の発光ダイオードを備え、前記プロセッサは、前記光検出器のうちの１つまたはそれを上回るものからの信号が前記プロセッサによって読み取られ、処理されている間、連続的に照射されるように前記発光ダイオードを制御するように構成される、項目１に記載のデバイス。
（項目２０）
プロセッサをさらに備え、前記プロセッサは、前記身体部分の光反射画像を検出し、前記身体部分内の光の吸収の区域を判定するように構成される、項目１に記載のデバイス。
（項目２１）
前記光検出器からのデータを処理するように構成されるプロセッサをさらに備え、前記プロセッサは、ジェスチャを検出するために前記身体部分の移動を検出する、項目１に記載のデバイス。
本デバイスを使用して、人物の生物学的特性を検出するために使用され得る、統合されたコンパクトな光エミッタおよびセンサデバイスが、説明される。特性は、医療／診断目的ならびに人物の認証のために使用されることができる。例えば、本デバイスは、ユーザを認証するために、スマートフォンまたはコンピュータ内に設置され得る。

Claims (21)

1. バイオセンサデバイスであって、
   人物の身体部分によってタッチするための、第１の表面と、
   前記身体部分によって部分的に吸収されるように、前記第１の表面を通して光を放出するように構成される、光源と、
   少なくとも前記身体部分によって戻るように反射された光を検出するように配列される、光検出器のアレイであって、前記光検出器は、前記戻るように反射された光に対応する第１の信号を生成する、光検出器のアレイと、
   前記光検出器のアレイに結合され、前記身体部分の特性を判定するために前記第１の信号を分析するために構成される、検出回路と、
   を備える、デバイス。
2. 前記光源は、複数の発光ダイオードを備える、請求項１に記載のデバイス。
3. 前記光検出器の個々のものは、前記発光ダイオードの個々のものと関連付けられる、請求項２に記載のデバイス。
4. 前記発光ダイオードは、異なるピーク波長の光を放出する発光ダイオードを備える、請求項２に記載のデバイス。
5. 前記発光ダイオードは、血管によって吸収される波長の光を放出する、請求項２に記載のデバイス。
6. 前記光源は、ピクセルのアレイを備え、各ピクセルは、少なくとも１つの発光ダイオードと、光検出器とを含む、請求項２に記載のデバイス。
7. 各ピクセル内に複数の発光ダイオードが存在し、ピクセル内の各発光ダイオードは、異なるピーク波長の光を放出する、請求項６に記載のデバイス。
8. 前記光源は、光ガイドを備え、１つまたはそれを上回る発光ダイオードからの光は、前記光ガイドに光学的に結合され、前記光ガイドは、前記第１の表面を通して光を放出するために構成される、請求項１に記載のデバイス。
9. 前記光検出器のアレイは、前記身体部分から反射された光が、前記光検出器のアレイによる読取のために前記光ガイドを通過するように、前記第１の表面と対向する前記光ガイドの後方に位置する、請求項８に記載のデバイス。
10. 前記身体部分から反射された光の角度範囲を限定するために、前記光検出器を覆うレンズをさらに備える、請求項１に記載のデバイス。
11. 前記身体部分から反射された光を、前記身体部分の中へのある距離からだけ前記光検出器上に集束させるために、前記光検出器を覆うレンズをさらに備える、請求項１に記載のデバイス。
12. 前記デバイスに統合される非光学センサをさらに備える、請求項１に記載のデバイス。
13. 前記非光学センサは、前記身体部分によってタッチするための電極を備える、請求項１２に記載のデバイス。
14. 前記非光学センサは、前記身体部分によって放出される少なくとも１つのガスを感知するためのガスセンサを備える、請求項１２に記載のデバイス。
15. 前記身体部分は、指を備え、前記デバイスは、指紋を検出するように構成される、請求項１に記載のデバイス。
16. 前記身体部分は、指を備え、前記デバイスは、前記指内の血管を検出するように構成される、請求項１に記載のデバイス。
17. 前記デバイスに統合されるプロセッサをさらに備え、前記プロセッサは、前記光源の通電および前記光検出器によって受光される前記反射された光の検出を制御する、請求項１に記載のデバイス。
18. プロセッサをさらに備え、前記プロセッサは、前記光検出器からのデータを処理し、前記データを記憶されたデータと比較し、前記デバイスのユーザの認証を示すように構成される、請求項１に記載のデバイス。
19. プロセッサをさらに備え、前記光源は、複数の発光ダイオードを備え、前記プロセッサは、前記光検出器のうちの１つまたはそれを上回るものからの信号が前記プロセッサによって読み取られ、処理されている間、連続的に照射されるように前記発光ダイオードを制御するように構成される、請求項１に記載のデバイス。
20. プロセッサをさらに備え、前記プロセッサは、前記身体部分の光反射画像を検出し、前記身体部分内の光の吸収の区域を判定するように構成される、請求項１に記載のデバイス。
21. 前記光検出器からのデータを処理するように構成されるプロセッサをさらに備え、前記プロセッサは、ジェスチャを検出するために前記身体部分の移動を検出する、請求項１に記載のデバイス。

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