TWI588511B - 光學感測配件、光學感測裝置與光學感測系統 - Google Patents

光學感測配件、光學感測裝置與光學感測系統 Download PDF

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TWI588511B
TWI588511B TW105103419A TW105103419A TWI588511B TW I588511 B TWI588511 B TW I588511B TW 105103419 A TW105103419 A TW 105103419A TW 105103419 A TW105103419 A TW 105103419A TW I588511 B TWI588511 B TW I588511B
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曲昌盛
黎育騰
業文 李
范植訓
鍾隆斌
陳治誠
鍾雙兆
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臺醫光電科技股份有限公司
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Description

光學感測配件、光學感測裝置與光學感測系統
本發明涉及一種光學感測配件、光學感測裝置與光學感測系統及其相關應用。
反射式光學感測模組發射出光線並測量由待測物反射回來光線的光量。光學感測模組將電信號轉換為直接打到待測物表面的光線並將反射回來的光線轉換為電信號。入射至待測物上的光線之後可以被待測物反射、吸收，或者散射。一部分的所述反射光及散射光會照射到光學感測模組的光電感測器上，而光電感測器接收到所述反射光及散射光會產生相應的信號。所述反射式光學感測模組用於測量待測物表面的整體光反射。所獲取的光信號可作為有用的資訊來進行計算，比如生理學資訊。現在所面臨的問題是如何同時從物件物的不同部位獲取資訊。之前的解決辦法要不是按次序量測多個不同部位，就是將在多個部位分別進行量測的感測裝置連接起來。然而，僅簡單地應用多個獨立感測裝置在多個不同部位進行測量會引入因相位差異而產生額外的時間或空間誤差，或者多次實驗之間的結果變化。
鑒於以上內容，有必要提供一種用來獲取一有限區域內的光學資訊與電資訊之多點測量配件。進一步，提供一種具有前述多點測量配件之多點測量光學感測裝置與多點測量系統。
一種多點測量配件，包括多個反射式光學感測模組；一通訊模組，與所述多個反射式光學感測模組電性連結；以及一外殼，容置所述多個反射式光學感測模組及所述通訊模組；其中，所述外殼包括多個透明開口，且所述多個反射式光學感測模組相應設置於所述多個透明開口中。
進一步，所述的多點測量配件之外殼為貼片狀，環形或掛件狀。
進一步，所述的多點測量配件之通訊模組可以是有線或無線。
一種多點測量裝置，包括多個反射式光學感測模組；一微處理器，與所述多個反射式光學感測模組電性連結；一記憶體，與所述微處理器電性連結；一電源供應器，與所述微處理器及所述記憶體電性連結；以及一外殼，容置所述微處理器，所述記憶體以及所述電源供應器；其中，所述外殼包括多個透明開口，且所述多個反射式光學感測模組相應設置於所述多個透明開口中。
進一步，所述的多點測量裝置至少兩個所述多個反射式光學感測模組是配置在所述外殼的兩個表面。
進一步，所述的多點測量裝置兩個表面其一是位於可穿戴手錶的錶背方向，其二是位於所述可穿戴手錶的錶背方向。
進一步，所述的多點測量裝置兩個錶面之一與待測物表面接觸。
進一步，所述的多點測量裝置外殼為貼片狀，環形或掛件狀。
一種多點測量系統，包括一光學感測配件；以及一光學感測裝置，其中，所述光學感測配件包括一第一反射式光學感測模組，一第一通訊模組，與所述第一反射式光學感測模組電性連結；以及一第一外殼，容置所 述第一反射式光學感測模組及所述第一通訊模組；其中，所述光學感測裝置包括一第二反射式光學感測模組；一微處理器，與所述第二反射式光學感測模組電性連結；一記憶體，與所述微處理器電性連結；一第二通訊模組，與所述微處理器電性連結；一電源供應器，與所述微處理器及所述記憶體電性連結；以及一第二外殼，容置所述微處理器，所述記憶體，所述第二通訊模組及所述電源供應器；其中，所述第二外殼包括一透明開口，且所述第二反射式光學感測模組配置於所述透明開口中；其中，所述第一通訊模組可與所述第二通訊模組通信。
相較現有技術，上述多點測量模組可簡單地應用在多個不同部位進行測量，降低因相位差異而產生額外的時間或空間誤差，或者多次實驗之間的結果變化。
5‧‧‧雙向光學感測模組
6‧‧‧雙感測器模組
8‧‧‧感測設備
9‧‧‧計算設備
10‧‧‧光學感測模組
11‧‧‧光學感測配件
12‧‧‧光學感測裝置
15‧‧‧多點測量配件
16‧‧‧多點測量裝置
17‧‧‧多點測量系統
20‧‧‧微處理器
31‧‧‧輸入介面模組
36‧‧‧視訊輸出模組
37‧‧‧音訊輸出模組
40‧‧‧記憶體
50‧‧‧電源供應器
60‧‧‧通訊模組
61‧‧‧有線通訊模組
66‧‧‧無線通訊模組
81‧‧‧加速計
82‧‧‧電子溫度計
91‧‧‧外殼
96‧‧‧環形配件
97‧‧‧貼片狀配件
109‧‧‧反射式光學感測模組
110‧‧‧光源
111‧‧‧第一封裝體
111a、111b‧‧‧傾斜面
111c‧‧‧相交線
112‧‧‧第一微結構
122‧‧‧第二微結構
113、123‧‧‧光學導向性元件
120‧‧‧光電感測器
121‧‧‧第二封裝體
130‧‧‧間隔體
131‧‧‧封裝壁
140‧‧‧基板
141‧‧‧類比訊號前端晶片
142‧‧‧微控制器
143‧‧‧運算放大器
144‧‧‧光源驅動器
150‧‧‧頂蓋
151‧‧‧薄膜
152‧‧‧光學透明窗口
153‧‧‧透明開口
160‧‧‧薄膜
170‧‧‧電極
175‧‧‧感測電路板
180‧‧‧第一膜層
181‧‧‧第二膜層
190‧‧‧待測物表面
191‧‧‧接觸面
310‧‧‧中間面
315‧‧‧傾斜角度
圖1A-1B分別為本發明第一及第二實施例之光學感測器截面示意圖。
圖2A-2C分別為光學感測器的上視圖、截面以及斜截面示意圖。
圖3A-3C分別為光學感測器的上視圖、截面以及斜截面示意圖。
圖4A-4C分別為光學感測器的上視圖、截面以及斜截面示意圖。
圖5A-5C分別為光學感測器的上視圖、截面以及斜截面示意圖。
圖6A-6C分別為光學感測器與待測物表面的上視圖、截面以及斜截面示意圖。
圖7A-7C為具有頂蓋的光學感測器結構示意圖。
圖8A-8B為具有頂蓋的光學感測器截面示意圖與其局部放大示意圖。
圖9A為具有薄膜覆層的封裝體截面示意圖。
圖9B為圖9A中第一封裝體的局部放大示意圖。
圖9C為圖9A中第二封裝體的局部放大示意圖。
圖10A為具有頂蓋及薄膜覆層封裝體的光學感測器的截面示意圖。
圖10B為圖10A中第一封裝體的局部放大示意圖。
圖10C為圖10A中第二封裝體的局部放大示意圖。
圖11A為具有雙面薄膜頂蓋及薄膜覆層封裝體的光學感測器截面示意圖。
圖11B為圖11A中雙面薄膜頂蓋的局部放大圖。
圖11C為圖11A中第一封裝體的局部放大示意圖。
圖11D為圖11A中第二封裝體的局部放大示意圖。
圖12A-12C分別為光學感測模組的上視圖、截面以及斜截面示意圖。
圖13A-13C分別為光學感測模組的上視圖、截面以及斜截面示意圖。
圖14A-14C分別為光學感測模組的上視圖、截面以及斜截面示意圖。
圖15A-15C分別為光學感測模組的上視圖、截面以及斜截面示意圖。
圖16A為一光學感測器的截面示意圖。
圖16B為圖16A的其中一封裝體的截面示意圖。
圖16C-16E為圖16B中封裝體內不同位置的折射率及其與基板間距之函數關係圖。
圖17A-17C分別為光學感測模組的上視圖、截面以及斜截面示意圖。
圖18A-18C分別為光學感測模組的上視圖、截面以及斜截面示意圖。
圖19A-19C分別為光學感測模組的上視圖、截面以及斜截面示意圖。
圖20A-20C分別為光學感測模組的上視圖、截面以及斜截面示意圖。
圖21A-21C分別為光學感測模組的上視圖、截面以及斜截面示意圖。
圖22A-22C分別為光學感測模組的上視圖、截面以及斜截面示意圖。
圖23A-23C分別為光學感測模組的上視圖、截面以及斜截面示意圖。
圖24A-24C分別為光學感測模組的上視圖、截面以及斜截面示意圖。
圖25A-25C分別為光學感測模組的上視圖、截面以及斜截面示意圖。
圖26A-26C分別為光學感測模組的上視圖、截面以及斜截面示意圖。
圖27A-27C分別為光學感測模組的上視圖、截面以及斜截面示意圖。
圖28A-28C分別為光學感測模組的上視圖、截面以及斜截面示意圖。
圖29A-29C分別為光學感測模組的上視圖、截面以及斜截面示意圖。
圖30A-30C分別為光學感測模組的上視圖、截面以及斜截面示意圖。
圖31A-31C分別為光學感測模組的上視圖、截面以及斜截面示意圖。
圖32A-32C分別為光學感測模組的上視圖、截面以及斜截面示意圖。
圖33A-33C分別為光學感測模組的上視圖、截面以及斜截面示意圖。
圖34A-34C分別為光學感測模組的上視圖、截面以及斜截面示意圖。
圖35A-35C分別為光學感測模組的上視圖、截面以及斜截面示意圖。
圖36A-36C分別為光學感測模組的上視圖、截面以及斜截面示意圖。
圖37A-37C分別為光學感測模組的上視圖、截面以及斜截面示意圖。
圖38A-38C分別為光學感測模組的上視圖、截面以及斜截面示意圖。
圖39A為具有雙面薄膜頂蓋及用於接觸待測物表面的薄膜覆層封裝體的光學感測器截面示意圖。
圖39B為圖39A中雙面薄膜頂蓋的局部放大示意圖。
圖40A為應用於待測物表面的薄膜覆層封裝體的光學感測模組的截面示意圖。
圖40B為圖40A中第一封裝體的局部放大圖。
圖40C為圖40A中第二封裝體的局部放大圖。
圖41A為具有雙面薄膜頂蓋及應用於待測物表面的薄膜覆層封裝體的光學感測器的截面示意圖。
圖41B為圖41A中第一封裝體的局部放大示意圖。
圖41C為圖41A中第二封裝體的局部放大示意圖。
圖42A為具有雙面薄膜頂蓋及應用於待測物表面的薄膜覆層封裝體的光學感測器的截面示意圖。
圖42B為圖42A中雙面薄膜頂蓋的局部放大示意圖。
圖42C為圖42A中第一封裝體的局部放大示意圖。
圖42D為圖42A中第二封裝體的局部放大示意圖。
圖43A-43C分別為光學感測模組的上視圖、截面以及斜截面示意圖。
圖44A-44C分別為光學感測模組的上視圖、截面以及斜截面示意圖。
圖45A-45C分別為光學感測模組的上視圖、截面以及斜截面示意圖。
圖46A-46B分別為光學感測模組的上視圖及截面示意圖。
圖47A-47B分別為光學感測模組的上視圖及截面示意圖。
圖48A-48B分別為光學感測模組的上視圖及截面示意圖。
圖49A-49C分別為光學感測模組的上視圖、截面及斜截面示意圖。
圖50A-50C分別為光學感測模組的上視圖、截面及斜截面示意圖。
圖51A-51C分別為光學感測模組的上視圖、截面及斜截面示意圖。
圖52A-52C分別為光學感測模組的上視圖、截面及斜截面示意圖。
圖53A-53C分別為光學感測模組的上視圖、截面及斜截面示意圖。
圖54A-54C分別為光學感測模組的上視圖、截面及斜截面示意圖。
圖55A-55C分別為具有類比訊號前端晶片的光學感測模組的上視圖、截面及斜截面示意圖。
圖56A-56B分別為具有類比訊號前端晶片的光學感測模組的上視圖及斜截面圖。
圖57A-57B分別為具有類比訊號前端晶片及微控制器的光學感測模組的上視圖及斜截面圖。
圖58A-58B分別為具有類比訊號前端晶片及微控制器的光學感測模組的上視圖及斜截面圖。
圖59A-59B分別為具有多個類比訊號前端晶片及微控制器的光學感測模組的上視圖及斜截面圖。
圖60A-60B分別為具有運算放大器、光源驅動器及微控制器的光學感測模組的上視圖及斜截面圖。
圖61A-61C分別為具有類比訊號前端晶片的光學感測模組的上視圖、截面示意圖及斜截面示意圖。
圖62A-62C分別為光學感測模組的上視圖、截面示意圖及斜截面示意圖。
圖62D為圖62C的光學感測模組之側視圖。
圖63A-63C分別為光學感測模組的上視圖、截面示意圖及斜截面示意圖。
圖63D為圖63C的光學感測模組之側視圖。
圖64A-64C分別為光學感測模組的上視圖、截面示意圖及斜截面示意圖。
圖65A-65C分別為光學感測模組的上視圖、截面及斜截面示意圖。
圖65D為圖65C的光學感測模組之側視圖。
圖66A-66C分別為光學感測模組的上視圖、截面及斜截面示意圖。
圖67A-67C分別為光學感測模組的上視圖、截面及斜截面示意圖。
圖68A-68C分別為光學感測模組的上視圖、截面及斜截面示意圖。
圖68D為圖68C的光學感測模組之側視圖。
圖69A-69C分別為光學感測模組的上視圖、截面及斜截面示意圖。
圖70A-70B分別為光學感測模組的上視圖及截面示意圖。
圖71A-71B分別為光學感測模組的上視圖及截面示意圖。
圖72A-72B分別為光學感測模組的上視圖及截面示意圖。
圖73A-73B分別為光學感測模組的上視圖及截面示意圖。
圖74A-74B分別為光學感測模組的上視圖及截面示意圖。
圖75A-75B分別為具有頂蓋的光學感測模組的上視圖及截面示意圖。
圖76A-76B分別為具有頂蓋的光學感測模組的上視圖及截面示意圖。
圖77A-77B分別為具有頂蓋的光學感測模組的上視圖及截面示意圖。
圖78A為具有雙面薄膜頂蓋的光學感測模組的截面示意圖。
圖78B為圖78A中雙面薄膜頂蓋的局部放大示意圖。
圖79A為具有頂蓋及薄膜覆層封裝體的光學感測模組的截面示意圖。
圖79B為圖79A中第一薄膜封裝體的局部放大示意圖。
圖79C為圖79A中第二薄膜封裝體的局部放大示意圖。
圖80A-80D為光學感測配件或光學感測裝置的外殼的結構示意圖，其中圖80A是手持設備的外殼，圖80B及80C是可穿戴設備的環形外殼，圖80D是可穿戴設備的貼片狀外殼。
圖81A為光學感測配件連接至計算裝置上的功能模組示意圖。
圖81B及81C為光學感測配件連接至計算裝置上的結構示意圖。
圖82A為無線光學感測配件連接至計算裝置上的功能模組示意圖。
圖82B為無線光學感測配件連接至計算裝置上的結構示意圖。
圖83A為光學感測裝置的功能模組圖。
圖83B及83C分別為具有光學感測模組及可穿戴外殼的光學感測裝置不同視角的結構示意圖。
圖84A為光學感測裝置連接至光學感測配件的結構示意圖。
圖84B為光學感測裝置連接至另一感測裝置的結構示意圖。
圖85A為無線光感測裝置連接至另一個無線光感測裝置的功能模組圖。
圖85B為無線光感測裝置連接至另一個無線光感測裝置的結構示意 圖。
圖86A及86B為使用光感測裝置實現多點測量應用的場景示意圖。
圖87A及87B為具有雙向光學感測模組的光學感測裝置結構示意圖，雙向光學感測模組包括朝向光學感測裝置的兩個不同表面露出的兩個接觸面。
圖87C為具有雙向光學感測模組的光學感測裝置的局部剖視圖。
圖87D為圖87C的局部放大示意圖。
圖88為多點測量配件的功能模組圖。
圖89為多點測量裝置的功能模組圖。
圖90為多點測量系統的功能模組圖。
為了簡明清楚地進行說明，在恰當的地方，相同的標號在不同圖式中被重複地用於標示對應的或相類似的元件。此外，為了提供對此處所描述實施例全面深入的理解，說明書中會提及許多特定的細節。然而，本領域技術人員可以理解的是，此處所記載的實施例也可以不按照這些特定細節進行操作。在其他的一些情況下，為了不使正在被描述的技術特徵混淆不清，一些方法、流程及元件並未被詳細地描述。圖式並不一定需要與實物的尺寸等同。為了更好地說明細節及技術特徵，圖式中特定部分的展示比例可能會被放大。說明書中的描述不應被認為是對此處所描述的實施例範圍的限定。
現對適用於全文的幾個定義描述如下。
詞語“連接”，不管是直接地還是通過中間元件間接地，都不一定限制於物理性的連接。連接可以是物體被永久性地連接或可拆卸地連接。詞語“外部”指的是超出物件物體最外側範圍以外的區域。詞語“內部”指的是至少一部分區域被部分地包含在物件物體所形成的邊界內。詞語“大致”定義為所描述的物件基本上符合特定的尺寸、形狀或其他類似的特點，而不需要完全精確地一致。例如，大致呈圓柱形的意思是所描述的物體近似於圓柱體，但可以與真正的圓柱體有一個或多個不同之處。詞語“包括”的意思是“包括，但不限於”，特指開放式的包含關係或者是某個組合、群組、系列等集合概念中的要素。
反射式光學感測模組被製造來用於發射光線並檢測由待測物表面所反射回來的光線，所接收到的反射光線被按比例地轉換成電訊號，例如電壓、電流或以上兩者的組合。如圖1A及1B所示，光學感測模組10包括光 源110、覆蓋光源110的第一封裝體111、光電感測器120、覆蓋光電感測器120的第二封裝體121及間隔體130。上述光源110、光電感測器120、第一封裝體111、第二封裝體121及間隔體130都設置在基板140上。光學感測模組10可以製造成單一的緊密封裝體，可以根據不同的設計需求採用將光源110及光電感測器120分別獨立封裝或設置在一個或多個印刷電路板(Printed Circuit Board,PCB)上的方式。
基板140用於安裝元件並提供元件之間的機械或電學連接。其次，基板140為光學感測模組10的元件提供機械支撐及與其他外部電子元件與光學感測模組10的互相連接。此外，光學感測模組10的第一封裝體111及第二封裝體121也形成在基板140上。在實際使用時，基板140可以是PCB、金屬芯PCB(Metal core PCB,MCPCB)、陶瓷PCB、或者直接覆銅基板(Direct Bonded Copper Substrate,DBC)。
光電換能器可以將電訊號與光訊號進行互相轉換。光源110將電能轉換為具有特定光譜分佈的波長組合，例如光譜的紫外、可見及紅外部分。光源110可電性連結至內嵌在基板140中的印刷電路，以接收來自微控制器的觸發訊號及工作電壓。微控制器可以是光源驅動器或閘控電源。在實際使用中，光學感測模組10可採用一個或多個發光二極體(Light Emitting Diode,LED)、有機發光二極體(Organic Light Emitting Diode,OLED)、鐳射二極體(Laser Diode,LD)等類似元件作為光源110。
光電感測器120被安裝在基板140上以檢測並將特定光譜的發射能量轉換為電流或電壓。光電感測器120至少對光源110的一部分對應波長有光譜回應。光電感測器120可與基板140中內嵌的印刷電路電性連結，以將光電流傳輸至微控制器，例如：運算放大器或類比訊號前端晶片。在實際應用中，光學感測模組10可採用光電二極體、光電場效應管、光敏電阻、 光電倍增管、氧化金屬半導體(Metal Oxide Semiconductor,MOS)等類似元件作為光電感測器120。光電感測器120可以檢測到由光源110發出的波長具有特定光譜分佈的光或者波長由發射自光源110的光偏移而得到的光。因此，光電感測器120將所檢測到的光轉換為電訊號。光電感測器120也可以檢測到波長光譜與光源的波長光譜不同的光線。例如，由待測物表面在接收到光源110所發出光線後發出的螢光也可以被光電感測器120所檢測。此外，在光源110無法發出紅外光線的例子中，光電感測器120也能檢測到來自待測物表面的紅外光線。光電感測器120可以包括單個或多個光電二極體以擴展光譜響應頻率範圍或者獨立地量測具有不同波長的被接收的光線。
間隔體130被安裝在基板140上，並形成於光源110與光電感測器120之間，以阻擋光源110直接射到光電感測器120上。此外，間隔體130可由非透明材料製成，可反射及/或吸收由光源110發出的波長具有特定光譜分佈的光。再者，光學感測模組10可包括封裝壁131以阻隔外界環境雜訊。如圖1A及圖1B所示，光學感測模組10的封裝壁131可圍繞光源110及光電感測器120進行設置。封裝壁131可在一頂蓋150運用在光學感測模組10時進一步提供機械支撐。在其他實施例中，封裝壁131的一部分可以位於光源110及光電感測器120之間以作為間隔體130。封裝壁131可與基板連結且圍繞著光源、間隔體及光電感測器設置。根據對擋光能力的不同需求，間隔體130及封裝壁131可由相同或不同的材料製成。同樣地，間隔體130及封裝壁131可形成為一整體或多個不同獨立的部件。
封裝體則密封地封裝光電元件，以延長光電元件的使用年限，並通過逐漸過渡光電元件與外界環境之間的高折射率差以提高出光效率。封裝體至少部分是透明的，進而可以充當光傳播的介質。在實際使用中，封裝體材料的折射率可低於光電元件的折射率而高於外界環境的折射率。材 料可選自矽化合物或透明高分子聚合物，例如聚二甲矽氧烷(Polydimethylsiloxane,PDMS)、聚碳酸酯(Polycarbonate,PC)或聚甲基丙烯酸甲酯(Polymethyl Methacrylate,PMMA)。
本發明主要特徵之一在於覆蓋光源110的第一封裝體111及覆蓋光電感測器120的第二封裝體121之結構與配置。第一封裝體111、第二封裝體121可以具有單層或者多層折射率層級。當封裝體為由一種材料製成的單層結構時，封裝體可用一種折射率實現光電元件與外界環境之間的過渡。高折射率的光電元件與低折射率的外界環境之間的折射率差導致較差的光匯出率及光接收率。封裝體大致擁有一個介於高折射率的光電元件與低折射率的外界環境之間的折射率，進而光出射及光接收效率可以稍微得到改善。
多層折射率層級的封裝體可由多個具有不同折射率的實體層結構構成，也可以是具有非均勻折射率的單一實體層結構構成，例如單一實體層結構具有不同的折射率梯度。封裝體可以由多層堆疊而成不同折射率層級，或由一種材料製成，而在生產過程中施以外部電場，因而在封裝體內部形成沒有實體邊界的多個折射率層級。在一實施例中，當封裝體為多層結構時，每一層的折射率可由接近中心的部分向遠離中心的部分減少。
為了容易理解，多層級結構封裝體，包括實體層級或非均勻折射率的單一整體，可採用分割線和不同的剖面線進行描繪。在所要求保護的範圍以內，圖式並不限於具有多個實體層次的多層級結構封裝體。通過逐漸過渡在光源110與外界環境之間較大的折射率差，可減少出射光線的全反射，進而提高出光效率。至於結構的風格，表現為多種不同方式的層疊，可根據特定的需求進行設計。
封裝體的表面上可以形成特定的結構，特別是多層結構，其任兩層的交界面上也可以形成特定的結構。特定結構可以是微結構或光學導向 性元件。特定結構的具體實施方式將在下文中進行描述。封裝體的構形可以在形狀、等高線、傾斜度或以上之組合等多個方面進行改變。封裝體的構形可以是微結構或光導向性元件。微結構可以是菲涅爾透鏡或繞射光學元件，而光學導向性元件可以是傾斜平面或曲面透鏡。構形可設置在封裝體內相鄰層級的任意交界面上或者封裝體的表面上。封裝體的表面由中間面310、頂面及側面所定義。封裝體的中間面310為大致朝向間隔體130的輪廓。封裝體的頂面為大致平行於基板140所在的平面。例如，第一封裝體111的頂面設置有第一微結構112，而第二封裝體121上設置有第二微結構122。此外，用於改善光接收效率的第二封裝體121可在結構與構形方面相對於第一封裝體111有不同的設計。
封裝體的表面或者任意兩層級的交界面上可設置有微結構。例如，第一封裝體111位於頂部的層級的頂面設置有如圖1A所示的微結構。因為當光線穿過封裝體的微結構時會朝預定方向會聚，所以設有微結構的封裝體可以加強訊號強度。微結構可以為折射微結構或繞射微結構。折射微結構遵循折射定律，被設計成可引導光線朝向待測物表面，進而使得大部分的反射光可以到達光電感測器120。例如，菲涅爾透鏡微結構實際上將標準透鏡的連續表面劃分為一組厚度顯著減少的表面。繞射微結構重新分配了在投射面上的正在傳播的光波能量。例如，繞射光學元件微結構可被設計為實現特定的光分佈的圖像。折射微結構或繞射微結構能夠用來將來自光源110的光線朝預設方向聚集，進而提高有效訊號。
光學感測模組10包括光源110、光電感測器120、封裝體、間隔體130及基板140。本案技術的主要目的之一為通過增強出光效率，導引光傳播路徑，或者減少雜散光來提高光學感測模組10的性能。光學感測模組10可以示例為安裝在作為基板140的印刷電路板上的一個LED及一個矽光電 二極體的簡單組合。LED及矽光電二極體中的每一個均獨立地由環氧樹脂密封包裝。在一個用於測量生物組織氧合的實施例中，需要採用紅外或紅色光波長。因此，一個紅光LED及一個紅外光LED可被安裝在同一個光學感測模組10上。在其他實施例中，單個LED用來發射光譜上紅色區域及紅外區域的光。在下文描述的實施例中，以一個光源110及一個光電感測器120為例。而在本發明保護範圍內的其他實施情況中，光源110及光電感測器120的數量及排配都可以進行改變。
圖1A是光學感測模組10的截面示意圖。光感測模組10包括光源110、光電感測器120及設置在光源110及光電感測器120之間的間隔體130。光源110、光電感測器120、第一封裝體111、第二封裝體121及間隔體130中的接設置於基板140上。第一封裝體111覆蓋光源110。第二封裝體121覆蓋光電感測器120。於本實施例中，至少一部分的間隔體130與第一封裝體111以及第二封裝體121的至少其一以預定距離間隔。光學感測模組10還包括微結構112，形成於第一封裝體111與第二封裝體121至少其一的外表面。
在圖1B中，第一封裝體111的中間面310可包括一傾斜面，其與基板140形成傾斜角度315。於本實施例中，當間隔體130為0.6釐米高而且第一封裝體111與間隔體130的高度實質相同時，傾斜角度315為40度。
接著請參見圖2-5，光源110為兩個密封在第一封裝體111內的獨立的LED。光電感測器120是密封在第二封裝體121內的光電二極體。此外，間隔體130位於LED與光電二極體之間。光學感測模組10還包括延伸環繞封裝體的封裝壁131，用以減少外界環境雜散光的影響。第一封裝體111及第二封裝體121的表面上均設置有特定的結構以增強訊噪比。為便於說明，中間面310為封裝體中朝向間隔體130的表面。側面為朝向相反一側的表面。頂面為與基板140所在平面大致平行的表面。第一封裝體111的中間面310 可包括一傾斜面或一曲面透鏡或以上兩者的組合。傾斜面在封裝體表面與基板所在平面之間形成一傾斜角度。傾斜角度的範圍可以為大致20度至90度。因此，由光源110所發出的光線更少能照射到間隔體130上以避免光線直接從光源110洩露至光電感測器120。
如圖2A所示，光源110密封在第一封裝體111內，而第一封裝體111的頂面形成有微結構112。再者，光電感測器120密封在第二封裝體121內，而第二封裝體121的頂面形成有微結構122。在截面示意圖2B以及斜截面示意圖2C中，第一封裝體111及第二封裝體121均被分別構造成單層梯形結構。第一封裝體111及第二封裝體121各自的中間面310與側面之間形成一角度。此外，第二封裝體121的形狀及材料可與第一封裝體111不同，以滿足不同特定應用下對光接收效率的要求。
如圖3A所示，光源110密封在第一封裝體111內，而第一封裝體111的頂面形成有微結構112。再者，光電感測器120密封在第二封裝體121內，而第二封裝體121的頂面形成有微結構122。在截面結構示意圖3B中及斜截面示意圖圖3C中，第一封裝體111及第二封裝體121均為單層梯形結構。第一封裝體111及第二封裝體121各自的中間面310與側面之間形成一特定傾斜角度。此外，第一封裝體111的中間面310的傾斜角度更大，以使得由中間面310出射的光大部分可以通過中間面310的頂部射出。第二封裝體121的形狀及材料可以與第一封裝體111不同。傾斜面或曲面透鏡的傾斜角度可以大於或小於第二封裝體121的中間面310的傾斜角度。
如圖4A所示，光源110密封在第一封裝體111內，而第一封裝體111的頂面形成有微結構112。再者，光電感測器120密封在第二封裝體121內，而第二封裝體121的頂面形成有微結構122。在截面結構示意圖4B中及斜截 面示意圖4C中，第一封裝體111及第二封裝體121均為單層梯形結構。第一封裝體111及第二封裝體121各自的中間面310與側面之間形成一角度。
如圖5A所示，光源110密封在第一封裝體111內，而第一封裝體111的頂面形成有微結構112。再者，光電感測器120密封在第二封裝體121內，而第二封裝體121的頂面形成有微結構122。在截面結構示意圖5B及斜截面示意圖5C中，第一封裝體111及第二封裝體121均為具有彎曲中間面310的單層梯形結構。第一封裝體111及第二封裝體121的側面具有一傾斜角度。值得一提的是，第一封裝體111及第二封裝體121的中間面310為彎曲中間面310，進而使得從中間面310射出的光朝向中間面310的頂部增強，且更多的反射光由第二封裝體121中間面310的頂部接收。在其他實施例中，第二封裝體121的形狀及材料可以與第一封裝體111的形狀及材料不同。第一封裝體111的中間面310的傾斜角度可以與第二封裝體121的中間面310的傾斜角度不同。此外，當第二封裝體121的中間面310為曲面透鏡時，光學感測模組的第一封裝體111的中間面310上可以有一傾斜平面。
如圖6所示，光學感測模組10可以通過封裝體的頂面與待測物表面190接觸的方式直接應用於待測物表面190上。待測物表面190可以是生物組織的表面，例如皮膚或粘膜。在圖6A及6C中，待測物表面190盡可能與封裝體的頂面接觸以達到更好的訊噪比。在截面示意圖6B中，待測物表面190直接與封裝體的頂面接觸。
如圖7-11所示，光源110可以包括兩個密封在第一封裝體111內的LED，而光電感測器120可以是密封在第二封裝體121內的光電二極體。封裝體的頂面均被設置成微結構。在本實施例中，光學感測模組10進一步包括了設置在第一封裝體111及第二封裝體121上的頂蓋150。實際應用時，頂蓋150可以設置在封裝體111、121與待測物表面190之間。使用頂蓋150作為 待測物(例如生物組織或皮膚)表面190與光學感測模組10之間的接觸介面，可增加光學感測模組10的使用年限及檢測的一致性。頂蓋150提供了一個與待測物表面之間的接觸表面，使得光傳播路徑避開了水或灰塵的阻撓。頂蓋150可以整合為光學感測模組的一部分，或者可以是光學感測裝置的外殼的一部分。如圖7A及7C所示，光學感測模組10包括在第一封裝體111及第二封裝體121上的頂蓋150。此外，如圖7B所示，頂蓋150與封裝體的頂面之間可以有微小的間隙以減少光線從頂蓋150處洩露。
如圖8A所示，在本實施例中，光學感測模組10包括頂蓋150。此外，頂蓋150的內表面及外表面上可覆上薄膜151。薄膜151可以是抗反射薄膜，例如折射率匹配膜或干涉薄膜。薄膜151也可以是防刮薄膜，例如聚對苯二甲酸乙二醇酯或硬矽覆薄膜。如圖8B所示，頂蓋150的外表面上覆蓋了一層防刮薄膜151，頂蓋150的內表面上被覆蓋了一層抗反射薄膜151。頂蓋150的兩個表面上均可以覆蓋相同類型的薄膜151，或者其中一個表面上沒有覆蓋薄膜。此外，頂蓋150可覆有一濾光薄膜，以濾除不需要的波長的光線。
光學感測模組10還可以包括一覆蓋封裝體的薄膜160。光學感測模組10的訊噪比可以借助薄膜技術進一步提高。薄膜160可以是抗反射膜或者濾光薄膜。抗反射膜可以是折射率匹配膜(例如瑞利薄膜，Rayleigh thin film)或者干涉薄膜，以通過減少在封裝體與外界環境的交界面上的菲涅爾反射而提高出光效率。濾光薄膜可以是長波通濾波薄膜、短波通濾波薄膜或帶通濾波薄膜，以縮窄出射光線的半峰寬(Full Width at Half Maximum,FWHM)或者濾除不需要波長段的雜訊。光學感測模組10可以進一步包括覆蓋在第一封裝體及/或第二封裝體121上的薄膜160。
如圖9所示，第一封裝體111及第二封裝體121上均覆有薄膜160。在圖9B的實施例中，第一封裝體111上的薄膜160為抗反射膜。在圖9C的實施例中，第二封裝體121上的薄膜為帶通濾波膜。抗反射膜提高了光出射效率，帶通濾波膜減少雜訊。在至少一個實施例中，第一封裝體111的薄膜160為帶通濾波膜，第二封裝體121的薄膜為抗反射膜，使得發射光線的半峰寬具有一個較窄的截止波長，而光電二極體在一特定的波長範圍內檢測經過濾波後的訊號。在螢光檢測的實施例中，長波通濾波薄膜可應用於第二封裝體121上以獲取較精確的螢光訊號，避免激發光線。同樣地，光學感測模組10可包括如圖10A中的頂蓋150。如圖10B及10C，薄膜160覆蓋第一封裝體111及第二封裝體121。此外，如圖11A所示，光學感測模組10可進一步包括覆有薄膜151的頂蓋150及覆蓋在封裝體上的薄膜160。如圖11B所示，頂蓋150外表面上的薄膜151可以是防刮薄膜，而頂蓋150內表面上的薄膜151可以是抗反射膜。如圖11C所示，第一封裝體111上的薄膜160可以為抗反射膜。如圖11D所示，第二封裝體121上的薄膜160可以為帶通濾波薄膜。
如圖12-15所示，光學感測模組10內的光源110及光電感測器120可被排配成二維圖案以減少訊噪比。一般來說，光源110可以是一系列被封裝在中央區域的具有不同波長的多個發光體。光電感測器120可以是圍繞光源110的單一整體或者是多個環繞中心光源110分佈的多個光電感測器120。如圖12A所示，位於中心的光源110被第一封裝體111所覆蓋。每一個光電感測器120被第二封裝體121所覆蓋。如截面示意圖12B及斜截面示意圖12C所示，光電感測器120位於光源110的一側。不透光的間隔體130將光電感測器120與光源110分隔開來。此外，第一封裝體111的頂面形成有微結構112。微結構112可以引導出射光朝外射出，進而使得更多的反射光線可以抵達周圍的光電感測器120。同樣地，第二封裝體121的頂面也有微結構122以提高 光接收效率。在本實施例中，第二封裝體121的微結構122與第一封裝體111的微結構112具有不同的設計以提高訊噪比。
如圖13所示，光源110為封裝在第一封裝體111內的兩個獨立的LED，而光電感測器120可以是封裝在第二封裝體121內的單一圓環形光電二極體。此外，一圓環形的間隔體130設置在光電二極體與LED之間，以減少從光源110至光電感測器120的直接光洩露。第二圓環形間隔體130環繞第二封裝體121設置以減少外界環境的雜散光。
如圖13A所示，光學感測模組10可以為環繞中心光源110的單一環形光電二極體。中心光源110可包括發射不同波長光線的兩個LED。這兩個LED均被第一封裝體111所覆蓋。光電感測器120可以是單個環繞中心光源110的圓環形矽光電二極體。圓環形的光電二極體被圓環形的第二封裝體121所覆蓋。第一封裝體111的頂面設置有第一微結構112。第一微結構112可以是同心環形圖案。此外，第二封裝體121的頂面設置有第二微結構122。第二微結構122可以是同心環形圖案。在截面示意圖13B及斜截面示意圖13C中，第一封裝體111及第二封裝體121分別被獨立地構造成具有較窄的頂部的梯形封裝體。第一封裝體及第二封裝體的排配可以是反射式對稱圖案，例如線條形、橢圓形、六邊形、或者多邊形。由於光電感測器120位於光源110的旁邊，上述圖案都可在一定程度上起到提高訊噪比的作用。在其他實施例中，第二封裝體121在構造、微結構、材料等方面均可不同於第一封裝體111，以滿足特定應用中對光接收效率的不同需求。例如，第二封裝體121為頂部具有微結構的多層級構造。
如圖14所示，在一實施例中，光源110為密封在第一封裝體111內的兩個獨立的LED。光電感測器120可以為一組相互分離的光電二極體，分別密封在第二封裝體121內。此外，一間隔體130圍繞LED設置以減少直接 串擾(crosstalk)。每一個光電二極體可圍繞配置第二封裝體121以減少直接串擾及外界環境光的影響。
如圖14A所示，光學感測模組10可以包括多個環繞中心光源110的多個光電二極體。中心光源110可包括兩個發射不同波長的LED，LED被第一封裝體111所覆蓋。光電感測器120可為一組圍繞中心光源110設置的方形光電二極體。每個光電二極體被第二封裝體121所覆蓋。同樣地，六邊形的間隔體130圍繞LED設置以減少直接的光洩露。光電二極體可包括圍繞第二封裝體121的周邊封裝壁131，以減少外界環境光的影響。在截面結構示意圖14B及其斜截面圖14C中，第一封裝體111及第二封裝體121均被獨立構造成具有較窄頂部的梯形封裝體。第一封裝體111的頂面為設置有微結構112。在本實施例中，微結構112為同心圓圖案。此外，第二封裝體121的頂面設置有微結構122。在本實施例中，微結構122為同心圓圖案。雖然圖中所示的光電感測器120的形狀為六邊形，然其形狀也可以是其他多邊形圖案，例如三角形、五邊形、或者八邊形。由於光電感測器120設置在光源110旁邊，上述圖案形狀都可在一定程度上起到提高訊噪比的作用。在至少一個實施例中，第二封裝體121在構造、微結構、材料等方面均可不同於第一封裝體111，以滿足特定應用中對光接收效率的不同需求。
如圖15所示，光學感測模組10可包括多個環繞中心光源110的多個光電二極體。中心光源110可包括兩個發射不同波長的LED，LED被第一封裝體111所覆蓋。光電感測器120可為一組圍繞中心光源110設置的方形光電二極體。每個光電二極體被第二封裝體121所覆蓋。再者，方形的間隔體130圍繞光源110設置。光電感測器120可包括圍繞第二封裝體121的周邊封裝壁131以減少外界環境光的影響。在截面示意圖15B及其斜截面圖15C中，第一封裝體111及第二封裝體121均被獨立構造成具有較窄頂部的梯形封裝 體。第一封裝體111的頂面為設置有微結構112。在本實施例中，微結構112為同心圓圖案。此外，第二封裝體121的頂面設置有微結構122。在本實施例中，微結構122為同心圓圖案。在本發明所公開的範圍內，光學感測模組10的排配圖案可以為其他多邊形圖案，例如三角形、五邊形、或者八邊形。由於光電感測器120設置在光源110旁邊，上述圖案形狀都可在一定程度上起到提高訊噪比的作用。在至少一個實施例中，第二封裝體121在構造、微結構、材料等方面均可不同於第一封裝體111。
本發明的光學感測模組10可採用具有多個折射率層級的封裝體111來覆蓋光源110，以提高光出射率；或採用具有多個折射率層級的封裝體111來覆蓋光電感測器120，以提高反射光的接收效率。因為出射光由光源110向外逐層通過封裝體111時所發生的全內反射被減少，所以光學感測模組10的訊號得到加強。例如，形成在基板140上覆蓋光源110的第一封裝體111包括多個折射率層級。多個折射率層級可通過堆疊多個具有不同折射率的實體層級而構成，或者可以是具有梯度折射率的單一實體。第一封裝體111中每一層級的折射率由最底層級向最頂層級逐層較少。如圖16A中所示，第一封裝體111包括多個層級，圖示為兩個層級，其中每個層級由可讓光源110的出射光通過的材料所形成。例如，第一封裝體111中直接覆蓋光源110的底部層級的折射率n1大於與底部層級的頂部相鄰的第一封裝體11的頂部層級的折射率n2。相較於現有的只有一個折射率層級覆蓋光源110的封裝體，第一封裝體111相鄰層級減少的折射率逐漸過渡了光源110與外界環境之間巨大的折射率差值。一般而言，光電換能器的折射率大於3，而外界空氣的折射率大概為1。第一封裝體111中相鄰層交界面上的臨界角θ c，通過公式θ c=arc sin(n2/n1)算得，相較於裸露的光源110或僅有單一層級封裝體覆蓋的光源110與外界空氣之間的臨界角明顯地減少。同樣地，在第一封裝 體111的最頂層級與環繞光學感測模組10的外界介質之間的交界面上的臨界角被擴大。光源110的出射光在依次經過折射率遞減的第一封裝體111的多個層級時發生全內反射的數量會變少。因此，通過利用多折射率層級的第一封裝體111提高光出射率，光感測模組10的訊號得以增強。類似地，具有多個折射率層級的第二封裝體121也可形成在光電感測器120上以提高來自光源110的訊號光線及待測物表面的反射光線的光接收率。
如圖16A所示，光學感測模組10包括LED、矽光電二極體及位於LED與光電感測器120之間的間隔體130，以上元件都安裝在基板140上。第一封裝體111覆蓋光源110。第二封裝體121覆蓋光電感測器120。在具體實施例中，封裝體的結構及佈置根據需要可以進行改動。例如，第一封裝體111的頂面設置有微結構112，而第二封裝體121上也可以設置微結構122。在本實施例中，第一封裝體111被構造成多個折射率層級的結構，圖16A中所示為雙層級結構，三層或三層以上的層級結構也是可以實現的。任意兩個層級之間的交界面上都可以進行構形，例如微結構112或光學導向性元件113。類似地，第二封裝體121也可以構造成多層級及設置表面微結構122或者在任意兩個層級之間的交界面上的其他構形，例如曲面透鏡。此外，為了提高光接收效率，第二封裝體121在結構及佈置上可擁有與第一封裝體111不同的設計。
圖16B-16E為多折射率層級的封裝體中不同位置的折射率隨位置與基板之間距離變化的函數關係圖。在圖16B中，連接xo與x1之間的虛線表示測量折射率的位置。其中，x0表示封裝體中最接近中心的其中一個位置，x1表示封裝體中最接近外部的其中一個位置。圖16C-16E表示了折射率隨測量位置與基板之間距離變化的函數。在圖16C所示的一個實施例中，多折射率層級封裝體的折射率呈連續的梯度變化。在圖16D的實施例中，多折射 率層級封裝體具有分段的不連續的折射率變化。在圖16E的實施例中，多折射率層級封裝體包括多個折射率呈梯度變化的實體層級。此外，呈梯度變化的折射率可以為隨測量位置與基板間距的線性或非線性變化。隨測量位置與基板之間距離變化的折射率函數可以是單調遞減函數，也可以是非單調遞減函數。
如圖17-19所示，在本實施例中，光源110為密封在第一封裝體111內的兩個獨立的LED，而光電感測器120是密封在第二封裝體121內的光電二極體。第一封裝體111及/或第二封裝體121可被構造為多折射率層級。第一封裝體111或第二封裝體121的頂面可以形成有微結構112。
如圖17A所示，第一封裝體111的最頂層級的頂面形成有微結構112。微結構112示例為一組朝向光電二極體的同心弧形凹槽，而光電二極體被密封在沒有微結構的第二封裝體內。在截面示意圖17B及斜截面示意圖17C中，第一封裝體111及第二封裝體121分別獨立構造成巴別塔式的多層級堆疊，第一封裝體111的最頂層級尺寸比靠近被封裝物件的最底層級更窄。同樣地，多折射率層級的折射率按照從最靠近被封裝物件的最底層級朝向遠離被封裝物件的最頂層級減少的方式進行排配。
如圖18A所示，第一封裝體111最上面層級的頂面設置有微結構112。此處的微結構112為一組朝向光電二極體的同心弧形凹槽，光電二極體被密封在沒有微結構的第二封裝體121內。在截面示意圖18B及斜截面示意圖18C中，第一封裝體111及第二封裝體121分別獨立地被構造成具有多個折射率層級的煎餅堆疊式結構，煎餅堆疊式結構使得多層封裝體的週邊側面緊貼間隔體130及封裝壁131。多折射率層級的不同折射率按照從底層至高層逐漸減少的方式進行排配。
如圖19A所示，第一封裝體111最上面層級的頂面設置有微結構112。此處的微結構112為一組朝向光電二極體的同心弧形凹槽，光電二極體被密封在沒有微結構的第二封裝體121內。在截面示意圖19B及其斜截面示意圖19C中，第一封裝體111及第二封裝體121分別獨立地被構造成具有多個折射率層級的杯子層疊式結構，杯子層疊式結構使得多層封裝體的較高層環抱住緊鄰的較低層。多折射率層級的不同折射率按照從底層至高層逐漸減少的方式進行排配。第二封裝體121可被構造成單一整體，即單一層級，或者以不同層疊方式形成的多層級堆疊。第二封裝體121的結構及材料可不同於第一封裝體的結構及材料以滿足對特定應用的光接收效率的需求。
如圖20-22所示，光源110為封裝在第一封裝體111內的兩個獨立的LED，光電感測器120可以是封裝在第二封裝體121內的光電二極體。第一封裝體111被構造成多折射率層級。第一封裝體111的頂面設置有微結構112。同樣地，第二封裝體121被構造成多折射率層級，第二封裝體121的頂面設置有微結構122。
如圖20A所示，第一封裝體111的頂面設置有微結構112。此處的微結構112為一組朝向光電二極體的同心弧形凹槽。此外，第二封裝體121的頂面設置有微結構122。微結構122示例為一組同心圓。在截面示意圖20B及其斜截面示意圖20C中，第一封裝體111及第二封裝體121分別獨立地被構造成具有多個折射率層級的巴別塔式結構，而且多折射率層級的不同折射率按照從底層至高層逐漸減少的方式進行排配。第二封裝體121可被構造成單一整體，即單一層級，或者以不同層疊方式形成的多層級堆疊。第二封裝體121的結構及材料可不同於第一封裝體的結構及材料，以滿足對特定應用的光接收效率的需求。
如圖21A所示，第一封裝體111最上面層級的頂面設置有微結構112。此處的微結構112為一組朝向光電二極體的同心弧形凹槽。此外，第二封裝體121的頂面設置有微結構122，微結構122為一組同心圓。在截面面結構示意圖21B及其斜截面圖21C中，第一封裝體111及第二封裝體121分別獨立地被構造成具有多個折射率層級的煎餅堆疊式結構，煎餅堆疊式結構使得多層封裝體的週邊側面緊貼封裝壁131，而且多折射率層級的不同折射率按照從底層至高層逐漸減少的方式進行排配。
如圖22A所示，第一封裝體111最上面層級的頂面設置有微結構112。微結構112示例為一組朝向光電二極體的同心弧形凹槽。此外，第二封裝體121的頂面設置有微結構122，微結構122示例為一組同心圓。在截面面結構示意圖22B及其斜截面圖22C中，第一封裝體111及第二封裝體121分別獨立地被構造成具有多個折射率層級的杯子層疊式結構，而且多折射率層級的不同折射率按照從底層至高層逐漸減少的方式進行排配。
如圖23-25所示，光源110為密封在第一封裝體111內的兩個獨立的LED，而光電感測器120可以是密封在第二封裝體121內的光電二極體。第一封裝體111被構造為多折射率層級，而且第一封裝體111於任意兩個相鄰層級的交界面設置有微結構112。同樣地，第二封裝體121的任意兩相鄰層級的交界面上可設置有微結構122。
如圖23A所示，第一封裝體111上任意兩個相鄰層級的交界面上設置有微結構112，而且微結構112示例為一組朝向光電二極體的同心弧形凹槽。此外，第二封裝體121的任意兩個相鄰層級的交界面上設置有微結構122，而且微結構122示例為一組同心圓。在截面示意圖23B及其斜截面示意圖23C中，第一封裝體111及第二封裝體121分別獨立構造成巴別塔式的多折 射率層級。同樣地，多折射率層級的折射率按照從最靠近被封裝物件的最底層級朝向遠離被封裝物件的最頂層級減少的方式進行排配。
如圖24A所示，第一封裝體111上任意兩個相鄰層級的交界面上設置有微結構112，微結構112為一組朝向光電二極體的同心弧形凹槽。此外，第二封裝體121的任意兩個相鄰層級的交界面上設置有微結構122，而且微結構122示例為一組同心圓。在截面面結構示意圖24B及其斜截面圖24C中，第一封裝體111及第二封裝體121分別獨立構造成煎餅堆疊式結構。
如圖25A所示，第一封裝體111上任意兩個相鄰層級的交界面上設置有微結構112，而且微結構112示例為一組朝向光電二極體的同心弧形凹槽。此外，第二封裝體121的任意兩個相鄰層級的交界面上設置有微結構122，而且微結構122示例為一組同心圓。在截面示意圖25B及其斜截面示意圖25C中，第一封裝體111及第二封裝體121分別獨立構造成杯子堆疊式結構。同樣地，多折射率層級的不同折射率按照從底層至高層逐漸減少的方式進行排配。
如圖26-28所示，光源110為封裝在第一封裝體111內的兩個獨立的LED，光電感測器120可以是封裝在第二封裝體121內的光電二極體。第一封裝體111被構造成多折射率層級，並且第一封裝體111任意兩個相鄰層級的多個交界面上設置有微結構112。
如圖26A所示，第一封裝體111具有多個微結構112，多個微結構112形成在最頂層級的頂面及內部相鄰層級的交界面上。微結構112示例為一組朝向光電感測器120的同心弧形凹槽，而第二封裝體121可被構造成沒有微結構的多折射率層級。在截面面結構示意圖26B及其斜截面圖26C中，第一封裝體111及第二封裝體121分別獨立構造成巴別塔式的多折射率層級結構。同樣地，多折射率層級的不同折射率按照從底層至高層逐漸減少的 方式進行排配。第二封裝體121也可在頂面及/或層級之間的交界面上形成微結構。
如圖27A所示，第一封裝體111具有多個微結構112，多個微結構112形成在最頂層級的頂面及內部相鄰層級的交界面上。微結構112示例為一組朝向光電感測器120的同心弧形凹槽，而第二封裝體121可被構造成沒有微結構的多折射率層級。在截面面結構示意圖27B及其斜截面圖27C中，第一封裝體111及第二封裝體121分別獨立構造成煎餅堆疊式結構的多層級堆疊，煎餅堆疊式結構使得多層封裝體的週邊側面緊貼封裝壁131。同樣地，多折射率層級的不同折射率按照從底層至高層逐漸減少的方式進行排配。
如圖28A所示，第一封裝體111具有多個微結構112，多個微結構112形成在最頂層級的頂面及內部相鄰層級的交界面上。微結構112示例為一組朝向光電感測器120的同心弧形凹槽，而第二封裝體121可被構造成沒有微結構的多折射率層級。在截面示意圖28B及其斜截面示意圖28C中，第一封裝體111及第二封裝體121分別獨立構造成杯子層疊式結構的多層級堆疊，杯子層疊式結構使得多層封裝體的較高層環抱住緊鄰的較低層。同樣地，多折射率層級的不同折射率按照從底層至高層逐漸減少的方式進行排配。
在一實施例中，光源110為封裝在第一封裝體111內的兩個獨立的LED，光電感測器120可以是封裝在第二封裝體121內的光電二極體。第一封裝體111被構造成多折射率層級，其中在至少一任意兩相鄰層級的交界面上形成有微結構112。同樣地，第二封裝體121被構造成多折射率層級，其中在至少一任意兩相鄰層級的交界面上形成有微結構122。
如圖29A所示，第一封裝體111具有多個微結構112，多個微結構112形成在最頂層級的頂面及內部相鄰層級的交界面上。微結構112示例為一組朝向光電感測器120的同心弧形凹槽。此外，光電二極體被密封在第二封裝體121內，第二封裝體121的頂面及內部相鄰層級的交界面上形成有微結構122。每一處微結構122示例為一組同心圓。在截面面結構示意圖29B及其斜截面圖29C中，第一封裝體111及第二封裝體121分別獨立構造成巴別塔式的多層級堆疊。同樣地，多折射率層級的不同折射率按照從底層至高層逐漸減少的方式進行排配。
如圖30A所示，第一封裝體111具有多個微結構112，多個微結構112形成在最頂層級的頂面及內部相鄰層級的交界面上。微結構112示例為一組朝向光電感測器120的同心弧形凹槽。此外，光電二極體被密封在第二封裝體121內，第二封裝體121的頂面及內部相鄰層級的交界面上形成有微結構122。每一處微結構122示例為一組同心圓。在截面面結構示意圖30B及其斜截面圖30C中，第一封裝體111及第二封裝體121分別獨立構造成具有多折射率層級的煎餅堆疊式結構。
如圖31A所示，第一封裝體111具有多個微結構112，多個微結構112形成在最頂層級的頂面及內部相鄰層級的交界面上。微結構112示例為一組朝向光電感測器120的同心弧形凹槽。此外，光電二極體被密封在第二封裝體121內，第二封裝體121的頂面及內部相鄰層級的交界面上形成有微結構122。每一處微結構122示例為一組同心圓。在截面面結構示意圖31B及其斜截面圖31C中，第一封裝體111及第二封裝體121分別獨立構造成具有多折射率層級的杯子堆疊式結構。
光學導向性元件為具有與相鄰物體不同折射率的幾何光學元件。當入射光以一非垂直入射的入射角度穿過折射介面時，會發生光的折射現 象。折射介面可以是一平面或曲面，入射角度及表面的彎曲度被設計成滿足折射要求。在一實施例中，光學導向性元件可以是用於引導光路的曲面透鏡(lenticular lense)，以使得訊噪比得到進一步的改善。曲面透鏡可以用在具有多折射率層級的封裝體內的任意相鄰層級的交界面上或者用於封裝體的頂面。曲面透鏡的形狀可以是抛物面、球面、或者多邊形平面。
如圖32A所示，第一封裝體111具有形成在最頂層級的頂面的微結構112。此外，具有多折射率層級的第一封裝體111的一交界面處可設置為曲面透鏡114。微結構112示例為一組朝向光電二極體的同心弧形凹槽。曲面透鏡114示例為朝向光源110凹陷的抛物面，而光電二極體被密封在沒有微結構的第二封裝體121內。在截面示意圖32B及其斜截面示意圖32C中，第一封裝體111被構造成具有多折射率層級的杯子堆疊式結構。第二封裝體121被構造成具有多折射率層級的巴別塔式結構。同樣地，多層級結構的折射率按照從中心層向外層逐漸減少的方式進行排配。
如圖33A所示，第一封裝體111具有形成在最頂層級的頂面的微結構112。此外，具有多折射率層級的第一封裝體111的一交界面處可設置為曲面透鏡113。微結構112為一組朝向光電二極體的同心弧形凹槽。曲面透鏡113示例為朝向光源110凹陷的抛物面，而光電二極體被密封在沒有微結構的第二封裝體121內。在截面示意圖33B及其斜截面示意圖33C中，第一封裝體111被構造成具有多折射率層級的杯子堆疊式結構。第二封裝體121被構造成具有多折射率層級的煎餅堆疊式結構。同樣地，多層級結構的折射率按照從中心層向外層逐漸減少的方式進行排配。
如圖34A所示，第一封裝體111具有形成在最頂層級的頂面的微結構112。此外，具有多折射率層級的第一封裝體111的一交界面處可設置為曲面透鏡113。微結構112示例為一組朝向光電二極體的同心弧形凹槽。曲 面透鏡113示例為朝向光源110凹陷的抛物面，而光電二極體被密封在沒有微結構的第二封裝體121內。在截面示意圖34B及其斜截面示意圖34C中，第一封裝體111及第二封裝體121均被構造成具有多折射率層級的杯子堆疊式結構。同樣地，多層級結構的折射率按照從中心層向外層逐漸減少的方式進行排配。
如圖35A所示，光電二極體被密封在具有微結構122的第二封裝體121內，微結構122形成在最頂層級的頂面。微結構122示例為一組同心圓。在截面示意圖35B及其斜截面示意圖35C中，第二封裝體121為構造成具有多個折射率層級的巴別塔式結構。
如圖36A所示，光電二極體被密封在具有微結構122的第二封裝體121內，微結構122形成在最頂層級的頂面。微結構122示例為一組同心圓。在截面示意圖36B及其斜截面示意圖36C中，第二封裝體121為構造成具有多個折射率層級的煎餅堆疊式結構。
如圖37A所示，光電二極體被密封在具有微結構122的第二封裝體121內，微結構122形成在最頂層級的頂面。微結構122示例為一組同心圓。在截面示意圖37B及其斜截面示意圖37C中，第二封裝體121為構造成具有多個折射率層級的杯子層疊式結構。
在如圖38A所示的實施例中，光電二極體被密封在具有微結構122的第二封裝體121內，微結構122形成在最頂層級的頂面。在一實施例中，光學感測模組10包括多個折射率層級，多個折射率層級包括二個相鄰的折射率層級，且二個相鄰的折射率層級的頂面還包括光學導向性元件123。光學導向性元件123可為一曲面透鏡123。進一步地，兩個曲面透鏡123形成在第二封裝體121內。在截面示意圖38B及其斜截面示意圖38C中，第一封裝體111被構造成具有多個折射率層級的杯子層疊式結構。第二封裝體121為 構造成呈巴別塔式結構的多個層級堆，其中曲面透鏡123示例為朝向光電二極體凹陷的抛物面。
在一實施例中，光學感測模組10可進一步包括設置在第一封裝體111或第二封裝體121頂端的頂蓋150。頂蓋150作為與待測物表面(例如生物組織表面或皮膚表面)之間的接觸介面，以延長光學感測模組10的使用年限以及增加測量結果的一致性。如圖39A所示，光學感測模組10也可包括在第一封裝體111及第二封裝體121前的頂蓋150。頂蓋150設置於封裝體與待測物表面190之間。在輕柔的按壓之下，頂蓋150可增加與待測物表面190的接觸面積以獲得更好的光學反射及散射。頂蓋150可與光學感測模組10的一部分整合為一體或者可以是光學感測裝置外殼的一部分。此外，頂蓋150的內表面或外表面上可以覆有薄膜151。薄膜151可以是抗反射薄膜或防刮薄膜。如圖39B所示，頂蓋150外表面上的薄膜151示例為防刮薄膜，例如：聚對苯二甲酸乙二醇酯或硬矽覆層，其中一內表面上的薄膜151示例為抗反射薄膜。
光學感測模組10也可以包括覆蓋封裝體的薄膜151。光學感測模組10的訊噪比可以借助薄膜技術進一步提高。薄膜160可以是抗反射膜或者濾光薄膜。抗反射膜可以是折射率匹配膜，例如：瑞利薄膜，或者干涉薄膜以通過減少在不同折射率的交界面上的菲涅爾反射而提高出光效率。濾光薄膜可以是長波通濾波薄膜、短波通濾波薄膜或帶通濾波薄膜以縮窄出射光線的半峰寬(Full Width at Half Maximum,FWHM)或者濾除不需要波長段的雜訊。除此之外，防刮薄膜可用於避免因刮痕而導致的訊號損失。
如圖40A所示，第一封裝體111及第二封裝體121的表面上都覆有薄膜160。第一封裝體111上的薄膜160示例為圖40B中的抗反射膜。第二封裝體121上的薄膜160實例為圖40C中的帶通濾波薄膜。抗反射薄膜提高了光 出射效率。帶通濾波薄膜減少雜訊。第一封裝體111上的薄膜160示例為帶通濾波薄膜。第二封裝體121上的薄膜160示例為抗反射薄膜，進而出射光的半峰寬具有一個較窄的截止波長，而光電二極體在一特定的波長範圍內檢測經過濾波後的訊號。在螢光檢測的實施例中，長波通濾波薄膜可應用於第二封裝體121上以獲取較精確的螢光訊號，避免激發光線。同樣地，光學感測模組10可進一步包括設置在第一封裝體111及第二封裝體121前的頂蓋150。如圖41A-41C所示，光學感測模組10進一步包括頂蓋150及覆蓋封裝體的薄膜160。
如圖42A所示，光學感測模組10可進一步包括覆有薄膜151的頂蓋150及覆蓋封裝體的薄膜160。如圖42B所示，頂蓋150外表面上的薄膜151示例為防刮薄膜，例如：聚對苯二甲酸乙二醇酯或硬矽覆層。頂蓋150內表面上的薄膜151示例為抗反射薄膜。如圖42C所示，第一封裝體111的薄膜示例為抗反射薄膜。如圖42D所示，第二封裝體121的薄膜示例為帶通濾波薄膜。
光學感測模組10可包括在第一封裝體111的中間面310上或在第二封裝體121的中間面310的光學導向性元件。光學導向性元件可包括傾斜平面、曲面透鏡或以上兩者的組合。傾斜平面在封裝體表面與基板平面之間形成一傾斜角度。傾斜角度的範圍可以為大致20度至90度。此外，曲面透鏡可用於與傾斜平面相結合。在一實施例中，當間隔體130的高度為0.4毫米時，彎曲鏡片的曲率半徑可為0.6毫米，傾斜角度大致為40度。因此，來自光源110的出射光更多地在光源110與光電感測器120之間的間隔體130的上方會聚，更少地被間隔體130阻擋。
如圖43A所示，第一封裝體111的中間面310被用作光學導向性元件113。光學導向性元件113示例為傾斜平面。光電感測器120被密封在具有 大角度傾斜平面的第二封裝體121內。在截面示意圖43B及其斜截面示意圖43C中，第一封裝體111及第二封裝體121被獨立構造成梯形結構。第一封裝體111的中間面310上的光學導向性元件113的傾斜角度小於第二封裝體121的中間面310上的光學導向性元件123的傾斜角度。
如圖44A所示，第一封裝體111的中間面310被用作光學導向性元件113。光學導向性元件113示例為傾斜平面。此外，光電感測器120被密封在第二封裝體121內。在截面結構示意圖44B及其斜截面示意圖44C中，第一封裝體111及第二封裝體121被獨立構造成梯形結構。第一封裝體111及第二封裝體121包括具有傾斜角度的傾斜平面以分別提高出光效率及光接收效率。第一光學導向性元件113的傾斜角度可不同於第二光學導向性元件123的傾斜角度。
如圖45A-45C所示，第一封裝體111的中間面310被用作光學導向性元件113。光學導向性元件113示例為彎曲面。此外，光電感測器120被密封具有光學導向性元件123的第二封裝體121內。光學導向性元件123示例為彎曲面。在截面示意圖45B及其斜截面示意圖45C中，第一封裝體111及第二封裝體121均分別在中間面310上設置彎曲面。第二封裝體121的光學導向性元件可不同於第一封裝體111的光學導向性元件。例如，第一封裝體111可包括設置在中間面310上的彎曲面，而第二封裝體121則包括一傾斜平面。
圖46-圖48中所示為使用具有光學導向性元件123的光學感測模組10來測量從待測物表面190發射回來的光線的情景，然本說明書中所描述的其他光學感測模組也適用於此情景。待測物表面190可以為生物組織的表面，例如：皮膚或粘膜。光學感測模組10可適用於不同的工作條件，例如粗糙物體表面及光感測模組10與待測物表面之間的相對運動。在圖46A及圖46B中，光學感測模組10的頂面可以與待測物表面190直接接觸。在圖47A 及圖47B中，光學感測模組10的頂部與待測物表面190之間具有一限定間距，但光學感測模組10還是可以獲取足夠有效的訊號。
在圖48A及圖48B中，頂蓋150可直接貼附在待測物表面190上，光學感測模組10與頂蓋150之間保持一限定間距。頂蓋150可以是光學感測模組10的一部分，或與光學感測配件或光學感測裝置的外殼整合為一體。頂蓋150的材料可以選自有機玻璃，例如：PMMA或PC，或者非有機玻璃，例如：矽酸鹽玻璃或者矽酮化合物。此外，頂蓋150的內表面或外表面上可覆有薄膜。薄膜可以是抗反射薄膜，例如：折射率匹配膜或干涉薄膜，或者防刮薄膜，例如：聚對苯二甲酸乙二醇酯或硬矽覆層。進一步地，光學感測模組10還可以包括覆蓋封裝體的薄膜。光學感測模組10的訊噪比可以借助薄膜技術進一步提高。薄膜可以是抗反射薄膜或濾波薄膜。抗反射膜可以是折射率匹配膜，例如：瑞利薄膜，或者干涉薄膜以通過減少在封裝體與外界環境的交界面上的菲涅爾反射而提高出光效率。濾光薄膜可以是長波通濾波薄膜、短波通濾波薄膜或帶通濾波薄膜以縮窄出射光線的半峰寬(Full Width at Half Maximum,FWHM)或者濾除不需要波長段的雜訊。
在圖49A-49C中，頂蓋150的內表面上設置有微結構。在圖49A中，頂蓋150包括兩個光學透明窗口152。每一個窗口位於第一封裝體111或第二封裝體121的前方。在圖49B及圖49C中，頂蓋150包括設置在光學透明窗口152內表面上的兩處微結構。
在圖50A-圖50C中，頂蓋150在自身表面上設置有曲面透鏡。在圖50A中，頂蓋150包括兩個光學透明窗口152。每一個視窗位元於第一封裝體111或第二封裝體121的前方。在圖50B及圖50C中，頂蓋150包括設置在光學透明窗口152表面上的兩處平凸透鏡。
在圖51A-51C中，頂蓋150在外表面上設置有曲面透鏡，在內表面上設置有微結構。在圖51A中，頂蓋150包括兩個半圓形光學透明窗口152。每一個視窗位元於第一封裝體111或第二封裝體121的前方。在圖51B及圖51C中，每一個光學透明窗口152上有兩處平凸透鏡。
在圖52A-52C中，頂蓋150在表面上設置有曲面透鏡。在圖52A中，頂蓋150包括兩個半圓形光學透明窗口152。每一個視窗位元於第一封裝體111或第二封裝體121的前方。在圖52B及圖52C中，與光源110對應的光學透明窗口處設置有平凸透鏡，與光電感測器120對應的光學透明窗口152處設置有平凹透鏡。
在圖53A-53C中，頂蓋150在外表面上設置有曲面透鏡，在內表面上設置有微結構。在圖53A中，頂蓋150包括兩個光學透明窗口152。每一個視窗位元於第一封裝體111或第二封裝體121的前方。在圖53B及圖53C中，與光源110對應的光學透明窗口152處設置有平凸透鏡，與光電感測器120對應的光學透明窗口152處設置有平凹透鏡。平凸透鏡及平凹透鏡均進一步包括設置在頂蓋150內表面上的微結構。
在圖54A-54C中，頂蓋150在表面上設置有曲面透鏡。在圖54A中，頂蓋150包括兩個光學透明窗口152。每一個視窗位元於第一封裝體111或第二封裝體121的前方。在圖54B及圖54C中，每一個光學透明窗口152包括曲面透鏡。
光學感測模組可進一步包括微控制器、類比訊號前端晶片、運算放大器、光源驅動器或以上之組合。微控制器是一用於觸發光源發射光線或處理由光電感測器所接收到的訊號的積體電路晶片。類比訊號前端晶片用於接收並處理來自光電感測器的類比訊號。微處理器及類比訊號前端晶片可具有類比訊號轉換為數位訊號的功能。運算放大器用於接收並處理來 自光電感測器的類比訊號。運算放大器可放大至少一部分的訊號以實現訊號增強、濾波或雜訊消減。光源驅動器用於控制電流通過光源，例如LED或鐳射二極體。類比訊號前端晶片、微控制器、運算放大器、光源驅動器、光源及光電感測器可通過基板上的印刷電路進行連接。
在圖55A-圖55C中，光學感測模組包括位於封裝體與基板之間的類比訊號前端晶片，以接收來自光電感測器120的訊號。類比訊號前端晶片可以被整合為基板140的一部分並與光電感測器120電性連結。在圖56A及圖56B中，光學感測模組10包括位於封裝體旁邊並由封裝壁隔離開來的類比訊號前端晶片。
在圖57A及圖57B中，光學感測模組10包括兩個光源110、光電感測器120、間隔體130、封裝壁131、微控制器142及設置在封裝體旁邊並由封裝壁131隔離開的類比訊號前端晶片141。微控制器142及類比訊號前端晶片141可相互電性連結並與光電感測器120電性連結。
在圖58A及圖58B中，光學感測模組10包括一光源110、四個光電感測器120、一間隔體130、一微控制器142及一個類比訊號前端晶片141。微控制器晶片142及類比訊號前端晶片141被獨立設置於兩個第二封裝體121之間並在間隔體130的旁邊。類比訊號前端晶片141可與光電感測器120電性連結。微控制器142與類比訊號前端晶片141電性連結，以接收由類比訊號前端晶片141處理後的來自於光電感測器120的訊號。
在圖59A及59B中，光學感測模組10包括一光源110、四個光電感測器120、一間隔體130、微處理器142及三個類比訊號前端晶片141。微處理器142及三個類比訊號前端晶片141被獨立設置於兩個第二封裝體121之間並在間隔體130的旁邊。
在圖60A及圖60B中，光學感測模組10包括一光源110、四個光電感測器120、一間隔體130、一微控制器142、一運算放大器143及一光源驅動器144。微控制器晶片142、運算放大器143及光源驅動器144被獨立設置於兩個第二封裝體121之間並在間隔體130的旁邊。光源驅動器144連接至光源110以控制發光頻率、發光持續時間或發光強度。運算放大器143可電性連結至光電感測器120以增強光電流。微控制器142與運算放大器143以接收由運算放大器143處理過的訊號。
光學感測模組10可以是一多方向光學感測模組。在本實施例中，多方向光學感測模組是一雙向光學感測模組5。雙向光學感測模組5被製造來發射光線並檢測來自兩個方向的反射光線，再將所接收的發射光線按照比例轉換為電流。雙向光學感測模組5包括光源110、位於光源110上的第一封裝體111、兩個光電感測器120，以上元件被安裝在基板140上。每一個光電感測器120被一第二封裝體121覆蓋。兩側的第二封裝體121均被第一封裝體111覆蓋。雙向光學感測模組5可被製造成單個緊密包裝。通過使用兩個光電感測器120，雙向光學感測模組5可以在不同應用場景中檢測來自人體不同部位的光線。可以理解的是，雙向光學感測模組5可採用分開獨立的光源110及光電感測器120。光源110及光電感測器120根據不同的設計需求分別獨立封裝並安裝在一個或多個印刷電路板上。此外，光源110可包括LED陣列或多個LED，而光電感測器120可包括光電二極體陣列或多個光電二極體。
封裝體的結構突出了分光、第一封裝體111的出光設計及第二封裝體121的收集光線設計的特點。第一封裝體111及第二封裝體121具有過渡光電元件與外界環境的折射率。此處有兩個第二封裝體121分別設置在兩側的光源110上。更具體地，第一封裝體111具有預設的形狀以將來自光源110 的光線分為兩束不同方向的光線並引導兩束光線至待測的待測物表面。第一封裝體111密封住光源110並覆蓋兩個密封光電感測器120的第二封裝體121。第一封裝體111可通過折射率差異或預設的彎曲度以利用發射光的全內反射，或者第一封裝體111可被第一膜層180覆蓋以引導出射光線。每一個第二封裝體121可形成預定的形狀以收集由物件物體發射回來的光線。例如，第二封裝體121大致呈棱柱形或四分之一球形。進一步地，兩個第二封裝體121可被設計為對稱或非對稱，同時第一封裝體111可以為針對特定需求的不同形狀。例如，第一封裝體111的頂面可以是兩個在光源110上方相互交叉的傾斜面或者可以是在光源110上方的兩個曲面。所覆的膜層可設置在封裝體的不同表面處以阻擋由光源110直接至光電感測器120的雜散光，或引導光線至物件物體以及收集來自物件物體的光線。所覆的膜層可以是金屬或反射材料，例如：銀或富含氧化鈦的化合物，所製成的薄膜。
如圖61B所示的實施例，第一封裝體111上的接觸面191是出射光的開口，第二封裝體121上的接觸面191是反射光的開口，接觸面191用於貼附物件物體，而側面為截面結構圖中所示的表面及對側表面。封裝體至少一部分的接觸面上可形成微結構。例如，第一封裝體111包括形成在第一封裝體111接觸面上的微結構112。具有微結構的第一封裝體111可增強訊號，當光通過第一封裝體111上的微結構112時，來自光源110的光線被會聚至朝向光電感測器120的預設方向上。一個由不透明材料製成，用於阻擋雜散光的間隔體可被設置在封裝體的側面處，藉由反射及/或吸收阻擋由光源射出的光線，進而減少雜訊。
雙向光學感測模組5為一緊密封裝模組，其包括光源110、光電感測器120、第一封裝體111、兩個第二封裝體121及基板140。本技術的主要目的是藉由封裝體的特定形狀，使得感測模組能夠取得兩個方向的反射光 訊號。這些形狀可以增加出光效率、引導光路徑及減少雜散光，因此可增進雙向光學感測模組5的功效。安裝在作為基板140的印刷電路板上的單個LED及兩個矽光電二極體的簡單組合可被作為示例。LED及矽光電二極體被各自以環氧樹脂進行氣密封裝。在測量生物組織含氧量的實施例中，需要採用波長落在紅外或紅色區域的光線。因此，一個紅色LED及一個紅外LED可被安裝在同一個雙向光學感測模組5上。在其他實施例中，光源110與光電感測器120的數量及排配方式可以變更。
請參閱圖61至圖69所示的雙向光學感測模組5。雙向光學感測模組5包括兩個LED及兩個矽光電二極體。LED及矽光電二極體均安裝在基板140上。第一封裝體111覆蓋光源110。第二封裝體121覆蓋光電二極體120。封裝體可在結構及配置上進行改動，例如，第一封裝體111的結構可以為梯形或圓柱形。此外，第一封裝體111的接觸面尚可設置第一微結構112，而第二封裝體121有第二微結構122。
在本發明的實施例中，如圖61至圖68所示，第二封裝體121的頂面設置第二膜層181，以減少直接由光源110至光電感測器的光洩露並減少環境雜散光的影響。在圖61至圖65中，第一膜層180被設置在第一封裝體111的頂面以限制漏光並增強從接觸面出射的光線。第一封裝體111及第二封裝體121的表面均具有特定形狀以增強訊噪比。例如，在圖61B中，第一封裝體111的頂面可形成環繞光源110頂部的兩個相交的傾斜面111a、111b並形成如圖61A所示的相交線111c。在示例中，每一傾斜平面大致平行於同一側第二封裝體121的表面所在平面。在一些示例中，傾斜面111a、111b可有非對稱的形狀或尺寸，也可以為圓柱形表面。為了方便展示，第一膜層180被設置在第一封裝體111的頂面，而第二膜層181被設置在第二封裝體121 的頂面。第一封裝體111具有折射率n1，第二封裝體121具有折射率n2，其中n1可不同於n2。
進一步地，第一封裝體111及兩個第二封裝體121的頂面具有預定的傾斜角度或彎曲度。因此，更多來自LED的發射光線可以射出，而更多反射光線可被收集到光電二極體，進而增強了有效訊號的強度。
如圖61A的上視圖所示，基板140被兩條直線劃分為三個區域，包括一個圍繞LED的長方形區域及位於LED兩側圍繞兩個光電二極體的兩個長方形區域。在圖61B的截面結構示意圖及其斜截面示意圖61C中，兩個第二封裝體121示例為三角棱鏡形狀，對稱地分別設置在兩個長方形區域以密封兩個光電二極體。此外，第一封裝體111示例為兩個並列的梯形棱鏡，相對設置在兩個第二封裝體121上以密封LED。此外，第一封裝體111上有第一膜層180。第二封裝體121上有第二膜層181。兩個第二封裝體121被一起成型或分別成型，其頂面被第二膜層181覆蓋。第一封裝體111被形成於兩個第二封裝體121的頂部，其頂面並覆蓋有第一膜層180。
如圖62A-62B所示，兩個第二封裝體121示例為三角棱鏡形狀，對稱地分別設置在兩個長方形區域以密封兩個光電二極體。此外，第一封裝體111示例為兩個並列的梯形棱鏡，相對設置在兩個第二封裝體121上以密封LED。第一封裝體111與第二封裝體121上的微結構可以相同或不同；舉例而言，可以是如圖62C與圖62D所示的菲涅爾透鏡或繞射光學元件，以增強光出射率及接收率。舉例而言，第一微結構可以是一組同心弧形，且其弧形之間距較第二微結構之間距寬。
在圖63A的上視圖及圖63B的截面結構示意圖中，兩個第二封裝體121示例為三角棱鏡形狀，相對地分別設置在兩個長方形區域以密封兩個光電二極體。此外，第一封裝體111示例為兩個非對稱的並列梯形棱鏡，相對設置 在兩個第二封裝體121上以密封LED。可以理解的是，第二封裝體121與第二膜層181的構造(例如頂面的夾角)和材料(例如折射率)可以相同或不同。在圖63B中，光源110與接觸面之間的距離d1小於光源110與相反側接觸面之間的距離d2。第一封裝體111頂面的兩個傾斜角θ 1及θ 2可以不同。例如，非對稱的第二封裝體121對應著非對稱的第一封裝體111。再者，第一封裝體111及第二封裝體121的接觸面可以形成有不同的微結構，例如如圖63C及圖63D中所示的繞射光學元件微結構或菲涅爾圖案，以增強光出射率及接收率。
如圖64A的上視圖所示，基板140也可由兩個曲線以不同方式劃分為三個區域。兩個長方形區域可被兩個圍繞兩個光電二極體的半圓形所取代。基板140的其他區域圍繞LED。在圖64B的截面結構示意圖及其斜截面示意圖64C中，兩個第二封裝體121為四分之一球形，分別設置在兩個半圓形區域以密封兩個光電二極體。在本實施例中，第一封裝體111為並列的兩個梯形棱鏡形狀，並對稱地設置在兩個第二封裝體121上以密封LED。此外，第一封裝體111上設置有第一膜層180，第二封裝體121上設置有第二膜層181。可變更地，兩個第二封裝體121也可被構造成四分之一球體形狀、部分拋物面體等類似形狀，並在其頂面覆蓋第二膜層181。第一封裝體111被形成於兩個第二封裝體121的頂部，並在其頂面覆蓋有第一膜層180。
如圖65A的上視圖所示，在本實施例中，基板140也可由兩個曲線以不同方式劃分為三個區域。兩個長方形區域可被兩個圍繞兩個光電二極體的半圓形所取代。基板140的其他區域圍繞LED。在圖65B的截面示意圖中，兩個第二封裝體121為四分之一球形，分別設置在兩個半圓形區域以密封兩個光電二極體。第一封裝體111及第二封裝體121的接觸面可以形成有不同的微結構，例如如圖65C及圖65D中所示的繞射光學元件微結構或菲涅爾圖案，以增強光出射率及接收率。
在本說明書的實施例中，如圖66至圖68所示，第一封裝體111被形成為並列的圓柱體形狀以增強出光效率。第一封裝體111的頂面可以是兩個相交的曲面，其位於光源110上方。第一封裝體111的曲面設計遵循在臨界角θ c=arcsin(n1/n0)處發生的全反射定律，其中第一封裝體111的折射率n1大於光學感測模組周遭介質(例如空氣)的折射率n0。此外，第一封裝體111及第二封裝體121可具有不同的折射率n1及n2。因此，第一封裝體111與其中一個第二封裝體121的交界面處，遵循臨界角θ c=arcsin(n1/n0)的全反射定律，可以減少從光源110直接到光電感測器120的光洩露。
可變更地，第一封裝體111及第二封裝體121外表面的可以有多種構造。舉例而言，第二封裝體121的頂面分別可以是與基板140之間具有預定角度的傾斜面。在一示例中，兩個第二封裝體121的每一個頂面可以是朝向同側光電感測器120凹陷的曲面。因此，更多從LED出射的發射光可被反射收集至光電二極體，以增強有效訊號的強度。
如上視圖66A所示，基板140被兩條直線劃分為三個區域，包括一個圍繞LED的長方形區域及位於LED兩側、圍繞兩個光電二極體的兩個長方形區域。在圖66B的截面示意圖及其斜截面示意圖66C中，兩個第二封裝體121示例為三角棱鏡形狀，相對地分別設置在兩個長方形區域以密封兩個光電二極體。此外，第一封裝體111示例為兩個並列的四分之一圓柱體形狀，相對設置在兩個第二封裝體121上以密封LED。再者，第一封裝體111上有第一膜層180，第二封裝體121上有第二膜層181。兩個第二封裝體121被一起或分別成型，其頂面被第二膜層181覆蓋。此外，第一封裝體111也可以被構造成兩個第二封裝體121頂部的兩個彎曲表面。
如圖67A的上視圖所示，基板140也可由兩個曲線以不同方式劃分為三個區域。如本實施例所示，兩個長方形區域可被兩個圍繞兩個光電二極體的 半圓形所取代。基板140的其他區域圍繞LED。在圖67B的截面示意圖及其斜截面示意圖67C中，兩個第二封裝體121被示例為三角棱鏡，分別對稱地設置在兩個長方形區域以密封兩個光電二極體。在本實施例中，第一封裝體111為並列的兩個的四分之一圓柱體，並對稱地設置在兩個第二封裝體121上以密封LED。再者，第一封裝體111上設置有第一膜層180。第二封裝體121上設置有第二膜層181。兩個第二封裝體121也可被構造成四分之一球體形狀、部分拋物面體等類似形狀，並在其頂面覆蓋第二膜層181。此外，第一封裝體111也可以被構造成兩個第二封裝體121頂部的兩個彎曲表面。
如圖68A的上視圖所示，基板140也可由兩個曲線以不同方式劃分為三個區域。如本實施例所示，兩個長方形區域可被兩個圍繞兩個光電二極體的半圓形所取代。基板140的其他區域圍繞LED。在圖68B的截面結構示意圖，兩個第二封裝體121為三角棱鏡，分別對稱設置在兩個長方形區域以密封兩個光電二極體。可替換地，第一封裝體111及第二封裝體121上可形成不同的微結構，例如如圖68C及圖68D中所示的繞射光學元件微結構或菲涅爾圖案，以增強光出射率及接收率。再者，第二封裝體121的頂面設置有第二膜層181或由不透明封裝材料製成的間隔體，以增強訊噪比。
請參閱圖69A至圖69C，第一封裝體111及第二封裝體121可具有不同的折射率，第二封裝體121的折射率n2大於第一封裝體111的折射率n1，根據菲涅爾定律，可以減少直接從光源110至光電感測器120的光洩露以及外界雜散光。第一封裝體111及第二封裝體121的表面均具有預設的表面構造以增強訊噪比。在本實施例中，第一封裝體111被形成並列的圓柱體形狀以增強出光率。第一封裝體111的曲率設計則遵循在臨界角θ c=arcsin(n1/n0)處發生的全反射定律，其中第一封裝體111的折射率n1大於光學感測模組10周遭(例如空氣)的折射率n0。第一封裝體111及第二封裝體121表面所在的平面具有一預設的傾斜 角度或彎曲度，並覆有第二膜層181。因此，更多的從LED發射的光線可以射出，而更多的反射光線可被收集至光電二極體以增強有效訊號的強度。
如圖69A的上視圖所示，基板140也可由兩個曲線以不同方式劃分為三個區域。兩個長方形區域可被兩個圍繞兩個光電二極體的半圓形所取代。基板140的其他區域圍繞LED。在圖69B的截面示意圖及其斜截面示意圖69C中，兩個第二封裝體121均為三角棱柱形，分別對稱設置在兩個長方形區域以密封兩個光電二極體。如本實施例所示，第一封裝體111為兩個並列的四分之一圓柱體形狀，且對稱地設置在兩個第二封裝體121上以密封LED。再者，第一封裝體111上設置有第一膜層180。第二封裝體121上設置有第二膜層181。兩個第二封裝體121也可被構造成四分之一球體形狀、部分拋物面體等類似形狀，第一封裝體111也可以被構造成在兩個第二封裝體121頂部的兩個曲面。可以理解的是，兩個第二封裝體121及第二膜層180的構造(例如頂面的夾角)以及材料(例如折射率)，可以互不相同。在更多的特定應用情景中，第二封裝體121可以是非對稱的，對應的第一封裝體111也是非對稱的。進一步地，第一封裝體111及第二封裝體121的側面上可形成有不同的微結構以增強光出射率及接收率。
光學感測模組10可以是雙功能感測模組6。雙功能感測模組6被製造來檢測反射光線及電訊號。雙功能感測模組6包括光源、覆蓋光源的第一封裝體、光電感測器、覆蓋光電感測器的第二封裝體、封裝壁、感測電路板、以及至少一電極。
電極可為一換能器或用於檢測與物件物體接觸的外部電路。電極為連接外部電路與雙功能感測模組6內部的感測電路板175的導電材料。電極的材料通常為金屬或其具有良好導電率的合金(例如銅或金)。而且，單個電極可為兩片具有不同塞貝克係數的合金，例如鎳鋁合金及鎳鉻合金，所製成的熱電偶。電極具有與待測物表面(例如生物組織或皮膚表面)相適配的接觸面。
基板140的一部分可用作感測電路板175。感測電路板175用於與至少一電極170電性連結，以提供用於進一步訊號傳輸的電性針腳。感測電路板175可包括邏輯電路或運算放大電路以說明電極獲取電學特徵量，例如電流、電導率、阻抗、或者電位差。感測電路板175可以被整合在設有光電元器件的基板140上或是一獨立的連接至基板140的印刷電路板。在如圖73B及圖74B的示例中，基板140具有用於與光源110連接的第一部分以及用作感測電路板175與電極170電性連結的第二部分。
雙功能感測模組6是一整合感測器模組，包括光學感測部及電學感測部，使得單個雙功能感測模組6可具有多功能。雙功能感測模組6具有眾多優點，例如體積最小化及即時雙訊號獲取。雙功能感測模組6內的單個電極170可被單獨用作熱電偶。雙功能感測模組6內的單個電極170可與另一個雙功能感測模組6或者一個獨立電極聯合，以形成一對功能性電極。在圖70A中，雙功能感測模組6包括光源110、覆蓋光源110的第一封裝體111、光電感測器120、覆蓋光電感測器120的第二封裝體121、封裝壁131、基板140、以及設置在光源110與光電感測器120之間的電極170。在圖70B中，光源110、光電感測器120及電極170設置在同一基板140上。
如圖71A所示，雙功能感測模組6包括光源110、覆蓋光源110的第一封裝體111、光電感測器120、覆蓋光電感測器120的第二封裝體121、封裝壁131、感測電路板175、以及電極170。封裝壁131設置在光源110與光電感測器120之間，兩個電極設置在感測電路板175的相對邊界上。封裝壁131用於減少直接從光源110到光電感測器120的光洩露，並可向兩側延伸進一步阻擋外界環境光。在圖71B中，光源110、光電感測器120及電極170設置在同一感測電路板175上。
如圖72A所示，雙功能感測模組6包括光源110、覆蓋光源110的第一封裝體111、光電感測器120、覆蓋光電感測器120的第二封裝體121、封裝壁131、感測電路板175、以及電極170。其中一電極170設置在光源110與光電感測器120之間，另一電極170設置在感測電路板175的邊界處。封裝壁131用於阻擋外界環境光並隔離兩個電極。封裝壁131為電絕緣，所以兩個電極170能夠檢測電位差。在圖72B中，光源110、光電感測器120及電極170設置在同一感測電路板175上。電極170也可以設置在感測電路板175的此外一側。舉例而言，其中一電極170被設置在光源110與光電感測器120之間，而另一電極170被設置在感測電路板175的光源110所在一側的邊界處。例如，雙功能感測器模組6可包括設置在光源110與光電感測器120之間的封裝壁131，電極170可以被設置成與封裝壁131垂直。
如圖73至圖74所示，基板140可由第一部分及第二部分組成。基板140的第一部分上可設置光源110及光電感測器120。而基板140的第二部分可以是與電極170電性連結的感測電路板175。光源110及光電感測器120設置在基板140上。感測電路板175可與基板140機械連接，或者也可以與基板140內的電路電性連接，以更好地實現光學量測與電學量測的同步性。
在圖73A中，感測電路板175大於基板140，基板及電極170設置在感測電路板175上。封裝壁131設置在光源110與光電感測器120之間以減少光洩露，並可以延伸環繞基板140的邊界進而阻擋外界環境光。在圖73B中，每一電極170與感測電路板175電性連結。電極170通過基板140相互之間隔離開來。
在圖74A中，兩個電極170設置在感測電路板175上並以定距離間隔，應用於待測物表面時與外部電路之間具有較小的阻抗。在圖74B中，每一電極170與感測電路板175電性連結。
在圖75至圖79中，雙功能感測模組6可進一步包括頂蓋150。在實際應用中，頂蓋150在不阻擋電極170與待測物表面接觸的前提下可被設置於封裝體與待測物表面之間。頂蓋150被用作與待測物表面(例如生物組織表面或皮膚表面)之間的接觸面，以增加雙功能感測模組6的使用年限及檢測的一致性。
在如圖75A所示，在本實施例中，雙功能感測模組6包括跨越光源110及光電感測器120設置的頂蓋150。至少一部分電極170向外露出。頂蓋150可被電極170分開或者是中間設有狹槽以露出電極170的單獨一整塊。在圖75B中，頂蓋150可與封裝壁131機械連接以提供機械支撐。
在圖76A中，頂蓋150可跨越光源110及光電感測器120設置。兩個電極170的至少一部分向外露出。在圖76B中，封裝壁131設置在光源110與光電感測器120之間，以對頂蓋150提供機械支撐。封裝壁131可延伸而環繞感測電路板175的邊界以阻擋外界光，進而更好地向頂蓋提供機械支撐。
在圖77A中，頂蓋150可跨越光源110及光電感測器120設置。兩個電極170的至少一部分向外露出。頂蓋150可以是單獨一整塊，並在中間設有狹槽以露出光源110與光電感測器120之間的電極170。頂蓋150可以是具有兩個狹槽的單獨一整塊，每個狹槽為一電極170設置。在圖77B中，封裝壁131被設置為向頂蓋150提供機械支撐。封裝壁131可延伸而環繞感測電路板175的邊界以阻擋外界光，並為頂蓋150提供更好的機械支撐。封裝壁131可被電極170所分隔開，或者可被製造成環繞感測電路板175邊界的連續壁。
頂蓋的外表面或內表面上可覆有薄膜151。薄膜151可以是抗反射薄膜(例如折射率匹配膜或干涉薄膜)或者防刮薄膜(例如聚對苯二甲酸乙二醇酯或硬矽覆層)。如圖78A所示，頂蓋150的內表面及外表面均被覆上薄膜151。在圖78B的局部放大圖中，頂蓋150的外表面上覆蓋有防刮薄膜，頂蓋150的內表面 上覆蓋有抗反射薄膜。可以理解的是，兩處表面上可被覆上同一種薄膜或者頂蓋150的其中一表面上沒有薄膜。
如圖79A至圖79C所示，雙功能感測模組6可進一步包括覆蓋封裝體的薄膜160。光學感測模組10的訊噪比可以借助薄膜技術進一步提高。薄膜160可以是抗反射膜或者濾光薄膜。抗反射膜可以是折射率匹配膜(例如瑞利薄膜)或者干涉薄膜，以通過減少在封裝體與外界環境的交界面上的菲涅爾反射而提高出光效率。濾光薄膜可以是長波通濾波薄膜、短波通濾波薄膜或帶通濾波薄膜以縮窄出射光線的半峰寬(Full Width at Half Maximum,FWHM)或者濾除不需要波長段的雜訊。
如圖79A所示，第一封裝體111及第二封裝體121的表面上均覆有薄膜160。第一封裝體111的薄膜160為圖79B的抗反射膜。第二封裝體121的薄膜160為圖79C的帶通濾波薄膜。抗反射薄膜提高光出射率。帶通濾波薄膜減少雜訊。可以理解的是，第一封裝體111的薄膜160可以是抗反射薄膜，進而使得出射光的半峰寬具有較窄的截止波長，光電二極體可接收到更多排除了非必要反射的訊號光線。在螢光檢測的實施例中，長波通濾波薄膜可應用於第二封裝體121上以獲取較精確的螢光訊號，避免激發光線。
雙感測裝置18能夠即時獲取光學訊號及電學訊號並計算出有用的生理學參數。首先，兩個電極之間的電位差可通過並聯至物件物體的電路進行測量。例如，通過量測以適當排列設於人體上的電極之間電位差可按照時序獲取心電圖訊號。同樣地，與所接觸的物件物體之間的電阻抗可通過連接至待測物表面190的一系列連接點測得。例如，生物組織的脂肪含量或水合狀態可由所量測的阻抗進一步計算而得到。此外，電極也可以作為熱電偶去量測物件物體的溫度。例如，人體表面溫度可被量測作為體內溫度的參考值。例如，脈衝波的速度可 以從脈衝相位差計算而得，而某些疾病的狀體可由生物電阻抗的相位角推斷而得。
一般而言，光學感測裝置或光學感測配件是一個或多個光學感測模組10與其他電子模組在外殼中的整合。其他的電子模組用於輔助光學感測模組10傳輸、數位化、處理、或者存儲光學訊號並將光學訊號與其他附屬資訊相結合。同時，外殼使得所有電子模組免受外部損壞並提供移動使用時的人機交互介面。整體的整合化更有利於光學訊號與電學訊號的獲取以及從所獲取訊號中計算出有意義的資訊。尤其是，在光學窗口的範圍內，入射光可進入生物組織的一定深度，進而生物組織表面下的資訊可從反射光獲得。通過研究特定波長的光譜，人們可以進一步獲取計算出來的生化或生理參數。對於正在活體內的、取自活體的、或者在體外的生物樣本的光學特性分析可通過光學感測裝置的操作而得以實現。因此，光學訊號更容易通過光學感測裝置的當前技術獲得並加以應用。
在特定目的的應用場景中，光學感測裝置或光學感測配件至少包括一個光學感測模組及一外殼。光學感測模組可以是在本說明書中定義過的單個光學感測模組、多方向光學感測模組、或者雙功能感測器模組6。其他電子模組可以是微處理器20、通訊模組60、電池50、記憶體40、全球定位系統(Gobal Position System,GPS)接收器模組70或者其他類型的感測器。一可穿戴的外殼用於承載光學感測裝置並附著於人體上以備移動使用。
微處理器20可以是基於ARM(Acron RISC Machine)架構或者是8086x處理器，大部分適用於移動設備，能夠處理大量資料並具有節能的優點。微處理器20可具有類比輸入引腳以允許處理類比訊號。
輸入介面模組31包括鍵盤、滑鼠、或者通常電腦中的麥克風、或者觸控屏、麥克風、或者移動設備中的攝像頭。輸出介面模組可以通過視頻或音訊格式輸出資訊。視訊輸出模組36可以是微投影器、液晶顯示器、發光二極體顯 示器、有機發光二極體顯示器、或電子紙顯示器。音訊輸出模組37可以是蜂鳴器、擴音器、或者壓電警報器。
記憶體40存儲由光學感測裝置的微處理器20所分配的數位資訊。記憶體40可以作為系統的暫存器以處理大量的輸入資料，或者可以作為記憶體以保存後續輸出至其他計算器或雲端伺服器的結構化資訊。記憶體40可以是可讀寫或不可讀寫的。可讀寫記憶體示例為大多數移動設備中的隨機存取記憶體(Random Access Memory,RAM)。不可讀寫記憶體示例為快閃記憶體(Flash Memroy)。
電源供應器提供光學感測裝置運作所需的電力。電源供應器可以是電池、變壓器、或者連接至直流電源的電力傳輸線路。初級和次級電池組都可以是用於光學感測裝置的電源供應器。在至少一示例中，初級和次級電池組可通過鋰電池技術進行供電。在其他示例中，初級和次級電池組利用技術以滿足所需要的放電效率、生命週期及充電能力。
通訊模組60在光學感測裝置與外部設備之間傳輸電訊號，電訊號可以是控制訊號或資料訊號。通訊模組60可以是有線通訊模組61或無線通訊模組66。有線通訊模組61可以一系列介面，例如：單匯流排(One Wire)、通用序列匯流排(Universal Serial Bus,USB)、兩線式串列匯流排(Intel-Integrated Circuit,I2C)、或者串列外設介面(Serial Peripheral Interface,SPI)。無線通訊模組66可以是無線區域網(Wireless Fidelity,Wi-Fi)、標準藍牙(Standard Bluetooth)、低功耗藍牙(Bluetooth Low Energy)、或者移動通訊網路，例如：全球移動通訊系統(Gobal System for Mobile Communication,GSM)、第三代移動通訊(Third Generation,3G)、或者***移動通訊(Fourth Generation,4G)。在一示例中，類比訊號前端被整合為藍牙模組的一部分，以使得類比訊號可以被傳輸。
GPS接收器模組70用於獲取地理資訊並說明記錄光學訊號收集的地點。通過時序記錄，GPS資訊提供使用者位移及速度的動態軌跡。
其他感測器將熱學、電學、或者生物勢能訊號轉換為電訊號被整合進光學感測裝置中以提供更多環境或生理學資訊。例如，電子溫度計82可以檢測外界環境或人體的溫度，加速計81檢測人體運動，心電圖儀檢測心臟電活動。此外，生物組織的電學特性(例如阻抗或者導電率)可指示一些生理學資訊(例如體脂指數或濕度)。
外殼提供合適的容器以容置光學感測模組及電子模組並提供適配的與外部設備通訊的連接介面，也可以保證對特定身體區域的測量一致性以及輔助使用者正確使用光學感測裝置。所示外殼示例為手持設備或可穿戴設備的殼體。如圖80A，手持設備外殼91的結構緊湊、輕便、且具有移動應用的機動性。可穿戴設備的殼體包括人體附著部及模組承載部。人體附著部可以為環形配件96以通過環抱住人體部位而附著於人體，例如圖80B的腕帶、頭帶、踝帶、項鍊、腰帶、圖80C的手錶等類似物件。同樣地，身體附著部可以是通過生物相容性膠體連接至人體的貼片狀配件97，示例為膠帶、圖80D的貼片、膠片等類似物件。進一步地，身體附著部可以是掛件狀，可示例為耳塞、耳上配件、或者眼鏡框。如圖87D所示的範例中，外殼可包括透明的光學透明窗口152，以向反射式光學感測模組、光學感測模組、多方向光學感測模組5、或者雙功能感測器模組6提供光學路徑。光學透明窗口152可包括頂蓋150，頂蓋150的表面上可設置微結構、彎曲透鏡、或者薄膜、或者以上的任意組合。
在本說明書所揭示的內容中，光學感測配件11或者光學感測裝置12可包括光學感測模組10、多方向光學感測模組5、雙功能感測模組6、或者以上之組合。為了便於描述，寫為光學感測配件11或光學感測裝置12包括但不限於光學感測模組10。光學感測配件11包括通訊模組60以向計算設備傳輸所獲取 的訊號進行下一步訊號處理。光學感測裝置12包括處理器以管理所獲取的光學訊號。光學感測裝置12的實施例如下。
本說明中的光學感測配件11用於將來自一個或多個光學感測模組10的光學訊號傳輸至計算設備。光學感測配件11包括至少一個光學感測模組10、通訊模組60以及外殼。光學訊號被光學感測模組10獲取，之後訊號通過通訊模組60，如圖81A所示，被傳輸至獨立的計算設備。計算設備9可以是光學感測裝置12或者是移動設備，例如智慧手機。如圖81A至圖81C所示，光學感測配件11將電學訊號傳輸至計算設備。在一示例中，光學感測配件11包括光學感測模組10、串列電線接頭、以及有線貼片式的可穿戴外殼。通過與外部計算設備的連接，如圖81B所示，光學感測配件接收來自計算設備的電源供應器支援及控制訊號並通過串列電線傳輸轉換後的訊號至計算設備。此外，有線貼片可包括如圖81C所示的多方向光學感測模組10。在如圖82A所示的無線光學感測配件中，電源供應器50為射頻傳輸訊號提供必需的電源。計算設備能夠啟動光學感測配件11的運作並管理所接收到的訊號。如圖82B所示，多個無線光學感測配件11可被連接並整合至計算設備。
同樣地，本實施例的光學感測模組12用於管理內部光學感測模組10或外部感測設備8所獲取的光學訊號。內部光學感測模組10電性連結至微處理器20，而外部感測設備通過通訊模組60進行連接。光學感測裝置12包括光學感測模組10、微處理器20、電源供應器50、記憶體40以及外殼。
如圖83A至83C所示，光學感測裝置12用於接收、處理、存儲、以及傳輸光學訊號。在至少一示例中，光學感測裝置12包括光學感測模組10、ARM內核的微處理器、快閃記憶體、以及鋰電池。光學感測模組10可接收並將生物組織的光學訊號轉換為電學訊號，將訊號傳輸至微處理器20。如圖83A所示的光學感測裝置12的一般架構，其他的電子模組可以整合至光學感測裝置12。光 學訊號由光學感測模組10獲取。之後，電學訊號可以被直接傳輸至光學感測裝置12並由光學感測裝置12進行處理。光學感測裝置12包括圖83B及圖83C所示的光學感測手錶式的電子模組。獲取的光學訊號被轉換為電學訊號，電學訊號由微處理器20進行處理後輸出為生理參數，並存儲在記憶體內。例如，生物組織的紅外及紅光吸收率被光學感測模組10所檢測，被轉換為電學訊號，被處理成生理學參數，例如含氧量，並被存儲在快閃記憶體內。在圖83B中，光學感測手錶包括一設於表面上的透明開口153以及設於透明開口153內的光學感測模組10。在圖83C中，光學感測手錶包括設於殼體背面的其他透明開口153，以及設於透明開口153內的其他光學模組10。
光學感測裝置12可包括光學感測模組10、ARM架構的微處理器、快閃記憶體、鋰電池、輸入介面模組31、視訊輸出模組36、以及音訊輸出模組37。輸入介面模組31可被示例為觸控螢幕模組。使用者可通過觸控螢幕輸入請求以使得光學感測裝置12發出控制訊號給光學感測模組去獲取光學訊號。所獲取的訊號由微處理器20進行處理並以生理資訊的形式存儲在光學感測裝置12的記憶體40中。使用者也可以通過觸控螢幕輸入請求使所存儲的生理資訊顯示在顯示器上。此外，輸出模組，例如蜂鳴器，可作為故障提醒器或緊急警報訊號。
進一步地，光學感測裝置12可以包括通訊模組。光學感測裝置12能夠在光學感測裝置12與其他外部設備之間整合資訊。如圖83A所示，光學感測裝置12包括微處理器20、通訊模組60、記憶體40、以及電源供應器50。通訊模組60示例為用於與外部設備通訊的藍牙模組。光學感測裝置12可發出控制訊號以控制外部設備或者接收外部設備所獲取的訊號。例如，外部設備可以為圖84A的光學感測配件11，進而使得光學感測配件11所獲取的光學訊號可以與其他健康資訊相整合。同樣地，外部設備可以為如圖84B中的其他感測配件裝置8，使得光學感測裝置12可適用於更多應用場景。
可穿戴的光學感測裝置12也可連接其他光學感測裝置12以傳輸生理資訊進行進一步的資訊管理。在至少一示例中，其他計算設備可以是手持光學感測裝置12或智慧移動設備，例如蘋果手機、安卓手機、平板手機、或平板電腦，進而使得光學感測裝置12可具有更低的功耗、更低硬體要求、以及更好的相容性。
在如圖85A所示的實施例中，一光學感測裝置12連接至其他光學感測裝置12。其中一個光學感測裝置具有基礎的電子模組，包括光學感測模組10、微處理器20、以及無線通訊模組66，以與其他具有更多功能的電子模組的光學感測裝置連接。在圖85B中，其中一個光學感測裝置為可穿戴光學感測手錶，而其他光學感測裝置為光學感測智能手機。
因可穿戴光學感測裝置改善了測量的準確度，而且在當前技術的幫助下使用者可以便利地記錄自身的生理條件，所以多點測量變得實用。因反射式光學感測模組10的不俗表現，對人體多個部位的測量可獲得額外有用的生理資訊。此處，以血氧含量為例解釋應用，而獲取自人體多個部位的其他光學訊號也可以有其他應用。獲取自人體多個部位的生理參數表現出生理參數在人體多個部位之間的區域性差異。例如，前額的血氧含量可不同於手腕的血氧含量。同樣地，相位差表現了任意兩個人體部位之間生理參數的傳播情況。例如，脈衝波的速度可以由脈衝相位差計算得出。再者，連續的多個人體部位監視可提供生理資訊在時間維度及空間維度上的分佈情況。圖86A及圖86B的示例展示了光學感測裝置12。圖86A中的光學感測裝置12可用於測量前額及手腕，圖86B中的光學感測裝置12可用於測量手腕及對側手的手指。多點光學測量也可以通過如圖81C所示的具有多個探頭的光學感測配件11來進行。此外，多點光學測量可通過多個光學感測配件11的整合來實現。
在一示例中，光學感測裝置12包括雙向光學感測模組5。光學感測裝置12可以是如圖87A至圖87D所示的可穿戴手錶。在圖87A中，光學感測裝置12的外殼可包括一個形成於圓環形外殼內側的開口，以及在圖87B中所示，形成於圓環形外殼外側的另一開口。開口用於露出雙向光學感測模組5的接觸面，以使得從光源110出射的光線可被朝向不同方向的光電感測器120所收集。在圖87C中所展示的是雙向光學感測模組5的側向結構示意圖。雙向光學感測模組5包括朝向外殼外側的一個接觸面以及朝向外殼內側的另一個接觸面。在圖87D中，一放大圖展示了位於可穿戴外殼內的雙向光學感測模組5。雙向光學感測模組5設於外殼的透明開口153處。透明開口153可進一步包括頂蓋150，頂蓋150可被設置有微結構、彎曲透鏡、或在頂蓋150表面上的薄膜、或者以上的組合。
光學感測裝置12可包括光學感測模組10、ARM內核的微處理器、快閃記憶體、鋰電池、以及進一步包括其他感測模組，例如GPS接收器模組70，進而其他的關聯資訊可與生理資訊一起存儲及處理。例如，體溫可通過電子溫度計82獲取，心電圖可通過心電探針獲取。光學感測裝置12可同時存儲血氧飽和度及心電圖資訊並隨血壓進一步計算出脈搏傳導時間(Pulse Transit Time)。進一步地，運動資訊可通過加速計81獲取以判斷出運動狀態並適用於體育醫療。通過整合化的GPS接收器模組70，光學感測裝置12可以按時間順序伴隨相關地理位置及運動狀態一併記錄下使用者的生理資訊，包括體溫、心電圖、血氧飽和度、以及血壓。例如，由GPS接收器模組70獲取的地理資訊可與生理資訊一併存儲用於地理醫學應用。
隨著當前技術的發展，個人健康資訊管理可為使用者在多種不同應用中帶來巨大的收益。例如，光學感測裝置12可進一步包括通訊模組60，用於連接互聯網並將資訊傳輸至雲端伺服器，實現大資料的收集和分析。此外，光學 感測裝置12可在感測到異常的生理狀況時向使用者或其他周遭的人發出警報。在緊急情況下，光學感測裝置12可打電話或發出即時資訊以通知相關當局，例如醫院或應急部門，來請求立即行動。在當前技術下，光學感測裝置12可以借助詳實的資訊實現臨床護理診斷服務。個人化的、可擕式的、長期的、連續的健康監視可望實現。
一般而言，多點測量裝置是多個光學感測模組與其他電子模組在外殼內的整合化。其他電子模組用於輔助光學感測模組10傳輸、數位化、處理、或者存儲光學訊號並將光學訊號與其他附屬資訊相結合。同時，外殼使得所有電子模組免受外部損壞並提供移動使用時的人機交互介面。整體的整合化更有利於光學訊號與電學訊號的獲取，以及從所獲取訊號中計算出有意義的資訊。尤其是，在光學窗口(optical window)的範圍內，入射光可進入生物組織的一定深度，進而生物組織表面下的資訊可從反射光獲得。通過研究特定波長的光譜，人們可以進一步獲取計算出來的生化或生理參數。對於正在活體內的(in vivo)、取自活體的(ex vivo)、或者在體外的(in vitro)生物樣本的光學特性分析可通過光學感測裝置的操作而得以實現。因此，光學訊號更容易通過光學感測裝置的當前技術獲得並加以應用。
多點測量可通過多點測量配件15、多點測量裝置16、或者多點測量系統17來進行。多點測量配件15、多點測量裝置16、或者多點測量系統17包括至少兩個反射式光學感測模組109。反射式光學感測模組109用於發射光線並測量從待測物表面反射回來的反射光線。反射式光學感測模組109可以為光學感測模組10、多方向光學感測模組5、或者雙功能感測模組6。反射式光學感測模組109也可以是一個包括至少一個光源110及光電感測器120的感測模組。
在本說明內容中，多點測量配件15、多點測量裝置16以及多點測量系統17的示例如圖88至圖90所示。
多點測量配件15用於將來自多個反射式光學感測模組的光學資訊傳輸至計算設備。多點測量配件15具有通訊模組60以使得所獲取的訊號可傳輸至計算設備進行下一步的訊號處理。多點測量配件15包括複數個反射式光學感測模組、通訊模組60、以及外殼。光學資訊首先會由反射式光學感測模組轉換電學訊號。接下來，如圖88所示，電學訊號通過通訊模組60被傳輸至獨立的計算設備。多點測量配件15將電學訊號從多個反射式光學感測模組通過通訊模組60傳輸至計算設備。在至少一個示例中，多點測量配件15包括三個光學感測模組、串列電線接頭、以及有線貼片式的可穿戴外殼。通過與外部計算設備9的連接，多點測量配件15接收來自計算設備的電源供應器支援及控制訊號並通過串列電線傳輸轉換後的訊號至計算設備。在無線通訊模組66的示例中，電池50為射頻傳輸訊號提供必需的電源。耦合進來的外部計算設備能夠啟動多點測量配件15的運作並管理所獲取的光學訊號。多點光學感測配件15可具有較小的體積，適於移動使用。大多數所收集的生理資訊被傳輸至移動設備進行下一步的處理。
同樣地，本說明內容所記載的多點測量裝置16用於管理由內部的光學感測模組或外部感測設備所獲取的光學訊號。兩個反射式光學感測模組109電性連結至微處理器20，而外部感測設備通過通訊模組60進行連接。多點測量裝置16包括至少兩個反射式光學感測模組109、微處理器20、電池50、記憶體40、以及外殼。整體架構如圖89所示，其他電子模組可以整合到多點測量裝置16內。光學訊號通過光學感測模組獲得。接下來，電學訊號可以直接傳輸至微處理器20進行處理。
光學感測模組可接收及將生物組織的光學訊號轉換至電學訊號，再傳輸訊號至微處理器20。多點測量裝置16包括多個電子模組，展示為圖87A至圖87D中的多點光學感測手錶。所獲取的光學訊號經過微處理器20處理後輸出為生理參數，再存儲在記憶體40中。例如，生物組織的紅外及紅光吸收率被光學 感測模組10所檢測，被轉換為電學訊號，被處理成生理學參數，例如含氧量，並被存儲在快閃記憶體內。
在圖90中，多點測量系統17可包括光學感測配件以及光學感測裝置。光學感測配件包括第一反射式光學感測模組109、第一通訊模組60、以及第一外殼。光學感測裝置包括第二反射式光學感測模組109、微處理器20、電池50、記憶體40、第二通訊模組60、以及第二外殼。通訊模組60可以是無線通訊模組66，例如與多點測量系統17通訊的藍牙模組。藍牙模組在多點光學感測系統17的內部進行通訊。光學感測裝置可發出控制訊號來控制或接收由光學感測配件所獲取的訊號。
因可穿戴光學感測裝置改善了測量的準確度，而且在當前技術的幫助下使用者可以便利地記錄自身的生理條件，所以多點測量變得實用。因反射式光學感測模組10的良好表現，對人體多個部位的測量可獲得額外有用的生理資訊。此處，以血氧含量為例解釋應用，而獲取自人體多個部位的其他光學訊號也可以有其他應用。首先，獲取自人體多個部位的生理參數表現出生理參數在人體多個部位之間的區域性差異。例如，前額的血氧含量可不同於手腕的血氧含量。其次，相位差表現了任意兩個人體部位之間生理參數的傳播情況。例如，脈衝波的速度可以由脈衝相位差計算得出。再者，連續的多個人體部位監視可提供生理資訊在時間維度及空間維度上的分佈情況。
光學感測模組用於測量待測物表面的整體光反射。所獲取的光訊號可作為有用的資訊來進行計算，特別是生理學資訊，例如與特定波長的光吸收率相關的血氧飽和度。更多的生理學資訊可由從人體多個部位測得的光學資訊獲取。例如，通過比較對側肢體端，例如上肢與下肢，的血氧飽和度可以指示局部缺氧。踝臂血壓指數用於指示外周動脈或人體兩處不同部位之間動脈的狀況。
當然，本發明並不局限於上述公開的實施例，本發明還可以是對上述實施例進行各種變更。本技術領域人員可以理解，只要在本發明的實質精神範圍之內，對以上實施例所作的適當改變和變化都落在本發明要求保護的範圍之內。
12‧‧‧光學感測裝置

Claims (9)

  1. 一種多點測量配件，包括：多個反射式光學感測模組，每個該反射式光學感測模組包括至少一個光源及至少一個光電感測器；一通訊模組，與該多個反射式光學感測模組電性連結；以及一外殼，容置該多個反射式光學感測模組及該通訊模組；其中，該外殼包括多個透明開口，且該多個反射式光學感測模組相應設置於該多個透明開口中，至少兩個該透明開口朝向不同方向且各設置一個該反射式光學模組，至少一該透明開口設置有頂蓋，且該頂蓋設置有導光元件。
  2. 如請求項1所述之多點測量配件，其中，該外殼為貼片狀，環形或掛件狀。
  3. 如請求項1所述之多點測量配件，其中，該通訊模組可以是有線或無線。
  4. 一種多點測量裝置，包括：多個反射式光學感測模組，每個該反射式光學感測模組包括至少一個光源及至少一個光電感測器；一微處理器，與該多個反射式光學感測模組電性連結；一記憶體，與該微處理器電性連結；一電源供應器，與該微處理器及該記憶體電性連結；以及一外殼，容置該微處理器，該記憶體以及該電源供應器；其中，該外殼包括多個透明開口，且該多個反射式光學感測模組相應設置於該多個透明開口中，至少兩個該透明開口朝向不同方向且各設置一個該反射式光學模組，至少一該透明開口設置有頂蓋，且該頂蓋設置有導光元件。
  5. 如請求項4所述之多點測量裝置，其中，至少兩個該多個反射式光學 感測模組是配置在該外殼的兩個表面。
  6. 如請求項5所述之多點測量裝置，其中，該兩個表面其一是位於可穿戴手錶的錶面方向，其二是位於該可穿戴手錶的錶背方向。
  7. 如請求項5所述之多點測量裝置，其中，該兩個表面之一與待測物表面接觸。
  8. 如請求項4所述之多點測量裝置，其中，該外殼為貼片狀，環形或掛件狀。
  9. 一種多點測量系統，包括：一光學感測配件；以及一光學感測裝置，其中，該光學感測配件包括：一第一反射式光學感測模組，一第一通訊模組，與該第一反射式光學感測模組電性連結；以及一第一外殼，容置該第一反射式光學感測模組及該第一通訊模組；其中，該光學感測裝置包括：至少兩個第二反射式光學感測模組，每個該第二反射式光學感測模組包括至少一個光源及至少一個光電感測器；一微處理器，與該第二反射式光學感測模組電性連結；一記憶體，與該微處理器電性連結；一第二通訊模組，與該微處理器電性連結；一電源供應器，與該微處理器及該記憶體電性連結；以及一第二外殼，容置該微處理器，該記憶體，該第二通訊模組及該電源供應器；其中，該第二外殼包括至少兩個透明開口，且該第二反射式光學感測模組配置於該透明開口中，至少兩個該透明開口朝向不同方向且各設置一個該第二反射 式光學模組，至少一該透明開口設置有頂蓋，且該頂蓋設置有導光元件；其中，該第一通訊模組可與該第二通訊模組通信。
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