TWI605791B - Light-sensing device for wearable devices - Google Patents

Description

穿載式設備的光感裝置

本發明是有關於一種光感裝置，特別是指一種穿載式設備的光感裝置。

一般來說，監測心率通常分為三種方法，第一種方式，是光電檢測法，主要是利用反射的光線，檢測血管中的血液因為微小波動所產生的變化；第二種方式，是偵測心電信號的方法，原理和心電圖類似，主要是將電極定位在胸膛並偵測心電脈衝訊號，缺點是易受電磁干擾，且電極必須緊貼皮膚，這對運動佩戴來說是致命問題；第三種方式，是振動式測量法，主要是通過高精度的傳感器捕捉心跳引起身體的震動，缺點是不適合運動時佩戴。

而市面上主流的穿戴式裝置，如光感版的小米手環、Apple Watch 大致都採用光電檢測法，主要原因是耗電量低、組件成本相對較低，但是，光電檢測法在信號抽樣時，最直接的影響，莫過於穿載者因為穿載舒適性，而選擇不同配戴鬆緊度所產生的差異，有信號不穩而造成可靠性及穩定性不足的缺點。

雖然，各家廠商都有特殊的補償式設計，例如使用”光”來測量距離的變化，惟，除了會增加耗電量外，縮短穿戴式裝置的待機時間外，且重要的是，使用光來測量與皮膚的間距有太多限制，例如容易因為膚色、皮膚深淺、刺青等，而同樣會有信號不穩的問題。

再者，如圖1所示，前述光電檢測法通常都在鄰近的位置，設置有發射光的至少一個光發射器91，及接收反射光的一個光接收器92。惟，由於光發射時會散射，因此，該光接收器92在接收光時，很容易因為鄰近該光發射器91，而直接受到散射光911所形成的強干擾源，影響信號的準確度。

因此，本發明的目的，即在提供一種能夠提升可靠性與穩定性的穿載式設備的光感裝置。

於是，本發明穿載式設備的光感裝置，適用於感測動物的心跳變化，該動物包含一個皮膚表層，該光感裝置包含：一個金屬件、一個光感單元、一個導光單元，及一個控制單元。

該光感單元包括沿一條光軸方向朝該皮膚表層發射光的至少一個光發射器，及用於接收反射光的至少一個光接收器，該光接收器送出一個感測信號。

該導光單元相對該光發射器而收斂發射光的散射角度，使發射光朝該皮膚表層行進。

該控制單元與該光感單元、該金屬件電連接，且在該金屬件位於該近端位置時讀取一個緊配合信號，在該金屬件位於該第一遠端位置時讀取一個第一回應信號，然後，根據該感測信號計算出與心率相關的一個測量值，及根據對應該第一回應信號執行預設的一個動作指令。

本發明的功效在於：以該導光單元減少光的散射與干擾，及以該金屬件回饋的信號，在不因為調整穿載鬆緊度而影響穿載舒適性的情形下，提升計算心率時的穩定性與可靠性。

在本發明被詳細描述的前，應當注意在以下的說明內容中，類似的元件是以相同的編號來表示。

參閱圖2、圖3與圖4，本發明光感裝置的一個第一實施例安裝在一個穿載式設備1。該穿載式設備1在本施例為一個手環，並包含能夠環繞動物之皮膚表層2的一條環帶11，及依附在該環帶11上的一個載體12。該光感裝置包含一個金屬件3、一個光感單元4、一個導光單元5，及一個控制單元6。

該金屬件3設置在該載體12，並包括面向該皮膚表層2的一個平面31、貫穿該平面31的一個貫口32、貫穿該平面31的二個穿口33，及界定出各別之穿口33的二個反射環面34。該反射環面34與該平面31相隔一個夾角θ，且該夾角θ大於90度。該金屬件3隨該環帶11的鬆緊變化，在能夠與該皮膚表層2產生電感應的一個近端位置L1(如圖7)、一個第一遠端位置L2(如圖7)，及一個第二遠端位置L3(如圖7)間移動，該金屬件3還進一步位於不與該皮膚表層2產生電感應的一個脫離位置。

在該金屬件3位於該近端位置L1時，該金屬件3鄰近該皮膚表層2，在該金屬件3位於該第一遠端位置L2時，該金屬件3遠離該皮膚表層2，而位於能夠與該皮膚表層2產生電感應的極限位置，在該金屬件3位於該第二遠端位置L3時，該金屬件3位於該皮膚表層2與該第一遠端位置L2之間。

參閱圖4、圖5，及圖6，該光感單元4包括沿一軸光軸L方向朝該皮膚表層2發射光的一個光發射器41，及用於接收反射光的二個光接收器42。每一個光發射器41並具有穿置在各別之反射環面34間的一個發射端411。該光接收器42送出一個感測信號W，並具有朝向該皮膚表層2且穿經該金屬件3之貫口32的一個接收端421。

該導光單元5包括覆蓋該光感單元4且可透光的一個面板51、二個導光柱52，及二個光傳導介質53。每一導光柱52設置在該面板51與各別之光發射器41的發射端411間。在本實施例中，該等導光柱52與該面板51一體成型，且為塑膠材料，可以是PC、壓克力，但不限於此。每一導光柱52相對光發射器41而具有收斂發射光之散射角度的作用。每一光傳導介質53填充在各別之光發射器41的發射端411與各別之導光柱52間，該光傳導介質53的折射率與該導光柱52的折射率誤差值介於-0.5~0.5，較佳的，該光傳導介質53的折射率與該導光柱52的折射率相同，而能夠減少光的偏折角度，及提升光行進的速度。

該控制單元6設置在該載體12，及與該光感單元4、該金屬件3電連接，且在該金屬件3位於該近端位置L1時讀取一個緊配合信號M _on，在該金屬件3位於該第一遠端位置L2時讀取一個第一回應信號M1，在該金屬件3位於該第二遠端位置L3時讀取一個第二回應信號M2，在該金屬件3位於該脫離位置時讀取一個脫離信號M _off，並根據該感測信號W計算出與心率相關的一個測量值D，根據對應該第一回應信號M1的一個第一補償機制，以該測量值D為基礎，計算出一個第一心率值D1，根據對應該第二回應信號M2的一個第二補償機制，以該測量值D為基礎，計算出一個第二心率值D2，及根據該脫離信號M _off判斷該穿戴式裝置脫離該軀體1，控制該光感單元4停止感測動作。

值得說明的是，前述電感應可以是電容感應技術、或電感應技術、或電阻感應技術，藉此，該緊配合信號M _on、該第一回應信號M1、該第二回應信號M2、該脫離信號M _off分別由各別產生之電容值、電感值、電阻值其中之一經放大、類比轉換而成。在本實施例中，前述電感應使用電容感應技術。由於本領域中具有通常知識者根據以上說明可以推知擴充細節，因此不多加說明。

參閱圖3、圖6，感測動物的心跳變化時，該等光發射器41會朝該皮膚表層2發射光，此時，發射光會通過該等光傳導介質53而分別進入位於前方的該等導光柱52內，由於該光傳導介質53的折射率與該導光柱52的折射率趨近或相同，因此，能夠減少發射光的偏折角度，使大部分的發射光沿該光軸線L方向，順利的進入該等導光柱52內，而減少發射光由各別之光發射器41進入各別之導光柱52時，因為間距或接面所造成的損耗，並提升光行進的速度。

且由於該等導光柱52分別具有收斂發射光之散射角度的作用，因此，進入該等導光柱52內的發射光大部分會分別依循該光軸L方向朝前方的皮膚表層2行進，而少部分的發射光也會在行進至該等反射環面34後反射，而分別偏向該光軸L方向繼續朝前方的皮膚表層2行進。

藉此，不但能夠有效降低發射光的損耗，且能夠阻絕發射光朝該光接收器42行進，而大幅提升行進至該皮膚表層2的光能量，使該光接收器42順利的接收由該皮膚表層2反射的反射光，而獲得穩定的感測信號W。

參閱圖3、圖6，及圖7，當穿載者因為個人喜好的舒適度不同，而調整該環帶11的鬆緊度，使該載體12連同該導光單元5的面板51貼靠在該皮膚表層2，或與該皮膚表層2形成間隙時，該金屬件3會因為與該皮膚表層2的間隙不同，而產生不同的電容變化，藉此，該控制單元6就可以根據產生的該緊配合信號M _on、或該第一回應信號M1、或該第二回應信號M2，以不同的機制計算心率。

舉例來說，當該控制單元6讀取該緊配合信號M _on時，表示該載體12連同該導光單元5的面板51貼靠在該皮膚表層2上，在此狀態下，由於該光接收器42可以獲得穩定的感測信號W，藉此，該控制單元6可以根據該感測信號W直接計算出與心率相關的測量值D，而不需要帶入其它補償方式。

當該控制單元6讀取該第一回應信號M1、或該第二回應信號M2時，表示該載體12連同該導光單元5的面板51與該皮膚表層2形成有間隙，該光接收器42很有可能因為前述間隙而無法獲得穩定的感測信號W，藉此，該控制單元6會導入第一補償機制、或第二補償機制，以該測量值D為基礎，計算出該第一心率值D1，或該第二心率值D2。

值得說明的是，在本實施例中，該第一補償機制或該第二補償機制分別以提升光的能量為手段，在該金屬件3位於該第一遠端位置時，驅動該光感單元4所需之光的能量＞在該金屬件3位於該第二遠端位置時，驅動該光感單元4所需之光的能量＞在該金屬件3位於該近端位置時，該光感單元4所需之光的能量。

當然，前述第一補償機制或第二補償機制也可以同時導入提高採樣頻率的方式，或其它校正機制，進而提升獲取該感測信號W時的穩定度。由於本領域中具有通常知識者根據以上說明可以推知擴充細節，因此不多加說明。

參閱圖8，是本發明一個第二實施例，其與該第一實施例大致相同，差異在於：該穿載式設備1還包含有一個警示器13，及一個通訊模組14。

該警示器13可以是傳播聲音的揚聲器、或傳播亮光的發光元件、或顯示文字、圖形的顯示器、或產生振動的振動器。

該控制單元6與該警示器13、光感單元4、該金屬件3、該通訊模組14電連接，且該金屬件3位於該近端位置時讀取一個緊配合信號M _on，在該金屬件3位於該遠端位置時讀取一個第一回應信號M，在該金屬件3位於該脫離位置時讀取一個脫離信號M _off，然後，根據該感測信號W計算出與心率相關的一個測量值，根據該第一回應信號M產生一個警示訊息S，及根據該脫離信號M _off判斷該穿戴式裝置脫離該皮膚表層2，控制該光感單元4停止感測動作。該警示訊息S配合該警示器13可以是聲、光、文字、圖形、振動其中一種。

當該控制單元6讀取該第一回應信號M時，表示該載體12連同該導光單元5的面板51與該皮膚表層2形成有間隙，該光接收器42很有可能因為前述間隙而無法獲得穩定的感測信號W，藉此，該控制單元6會產生一個警示訊息S，使警示訊息S透過該警示器13傳播，而警示穿載者該載體12與該皮膚表層2的間距異常，需要調整該環帶2的鬆緊度。

同時，該控制單元6還能夠透過該通訊模組14傳送該警示訊息S給該第三方，供該第三方協助調整該環帶2的鬆緊度，使該載體12與該皮膚表層2的間隙符合需求。藉此，第三方可以協助沒有自理能力的穿載者，進而提升獲取該感測信號W時的穩定度。

經由以上的說明，可將前述實施例的優點歸納如下：

1、本發明能夠配合與皮膚表層1的距離變化，自動以補償機制提升計算心率時的穩定性與可靠性，或以警示訊息S告知穿載者自行調整至需求的鬆緊度，而同樣能夠提升計算心率時的穩定性與可靠性。

二、由於有前述補償機制，因此，在心率計算具有可靠性的前題下，穿載者可以任意調整該環帶2的鬆緊度，而提升長時間穿載時的舒適性。

三、本發明只需以一個金屬件3，就能夠在不影響該光感單元4原有感測方式的情形下，獲得與皮膚表層2間隙的變化，而不受膚色、皮膚深淺、刺青等干擾， 不但感測的靈敏度高，且耗電量低。

四、重要的是，本發明能夠以該導光單元5減少光的散射與干擾，不但能夠有效降低發射光的損耗，且阻絕發射光朝該光接收器42行進，而大幅提升行進至該皮膚表層2的光能量，除了可以獲得更穩定的感測信號W，更進一步提升計算心率時的穩定性與可靠性外，還可以大幅減少耗電量，使穿載式設備的續航力更佳。

惟以上所述者，僅為本發明的實施例而已，當不能以此限定本發明實施的範圍，凡是依本發明申請專利範圍及專利說明書內容所作的簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋的範圍內。

1‧‧‧穿載式設備

11‧‧‧環帶

12‧‧‧載體

13‧‧‧警示器

14‧‧‧通訊模組

2‧‧‧皮膚表層

3‧‧‧金屬件

31‧‧‧平面

32‧‧‧貫口

33‧‧‧穿口

34‧‧‧反射環面

4‧‧‧光感單元

41‧‧‧光發射器

411‧‧‧發射端

42‧‧‧光接收器

421‧‧‧接收端

5‧‧‧導光單元

51‧‧‧面板

52‧‧‧導光柱

53‧‧‧光傳導介質

6‧‧‧控制單元

7‧‧‧通訊模組

W‧‧‧感測信號

L1‧‧‧近端位置

L2‧‧‧第一遠端位置

L3‧‧‧第二遠端位置

L‧‧‧遠端位置

M_on‧‧‧緊配合信號

M_off‧‧‧脫離信號

M1‧‧‧第一回應信號

M2‧‧‧第二回應信號

M‧‧‧第一回應信號

D‧‧‧測量值

D1‧‧‧第一心率值

D2‧‧‧第二心率值

S‧‧‧警示訊息

L‧‧‧光軸

本發明的其他的特徵及功效，將於參照圖式的實施方式中清楚地呈現，其中： 圖1是一個示意圖，說明一般光電檢測法之一個光發射器發射光與一個光接收器接收光的情形； 圖2是一個立體圖，說明本發明穿載式設備的光感裝置的一個第一實施例； 圖3是該第一實施例的一個方塊圖； 圖4是該第一實施例的一個仰視圖； 圖5是該第一實施例的一個剖面分解示意圖； 圖6是該第一實施例的一個剖面示意圖； 圖7是一個示意圖，說明該第一實施例與一個皮膚表層的位置關係；及 圖8是一個方塊圖，說明本發明穿載式設備的光感裝置的一個第二實施例。

2‧‧‧皮膚表層

3‧‧‧金屬件

31‧‧‧平面

32‧‧‧貫口

33‧‧‧穿口

34‧‧‧反射環面

4‧‧‧光感單元

42‧‧‧光接收器

421‧‧‧接收端

5‧‧‧導光單元

51‧‧‧面板

52‧‧‧導光柱

53‧‧‧光傳導介質

6‧‧‧控制單元

41‧‧‧光發射器

411‧‧‧發射端

L‧‧‧光軸

Claims (24)

1. 一種穿載式設備的光感裝置，適用於感測動物的心跳變化，該動物包含一個皮膚表層，該光感裝置包含： 一個金屬件，在能夠與該皮膚表層產生電感應的一個近端位置與一個第一遠端位置間移動，在該近端位置時，該金屬件鄰近該皮膚表層，在該第一遠端位置時，該金屬件遠離該皮膚表層； 一個光感單元，包括沿一條光軸方向朝該皮膚表層發射光的至少一個光發射器，及用於接收反射光的至少一個光接收器，該光接收器送出一個感測信號； 一個導光單元，相對該光發射器而收斂發射光的散射角度，使發射光朝該皮膚表層行進；及 一個控制單元，與該光感單元、該金屬件電連接，且在該金屬件位於該近端位置時讀取一個緊配合信號，在該金屬件位於該第一遠端位置時讀取一個第一回應信號，然後，根據該感測信號計算出與心率相關的一個測量值，及根據該第一回應信號執行預設的一個動作指令。
2. 如請求項1所述的穿載式設備的光感裝置，其中，該金屬件包括面向該皮膚表層的一個平面，該光發射器具有朝向該皮膚表層的一個發射端，該光接收器具有朝向該皮膚表層的一個接收端。
3. 如請求項2所述的穿載式設備的光感裝置，其中，該金屬件還包括貫穿該平面且供該光接收器穿出的至少一個貫口，及供該光發射器穿置的至少一個穿口。
4. 如請求項3所述的穿載式設備的光感裝置，其中，該金屬件還包括環繞該光發射器之發射端且界定出該穿口的一個反射環面，該反射環面能夠反射光，使光偏向該光軸而朝該皮膚表層行進。
5. 如請求項4所述的穿載式設備的光感裝置，其中，該反射環面與該平面相隔一個夾角，且該夾角大於90度。
6. 如請求項3所述的穿載式設備的光感裝置，其中，該導光單元包括至少一個導光柱，該導光柱相對該光發射器的發射端，而位於該光發射器與該皮膚表層間。
7. 如請求項6所述的穿載式設備的光感裝置，其中，該導光單元還包括填充在該光發射器的發射端與該導光柱間的一個光傳導介質，該光傳導介質的折射率與該導光柱的折射率誤差值介於-0.5~0.5。
8. 如請求項7所述的穿載式設備的光感裝置，其中，該光感單元還包括數個光發射器，該金屬件還包括數個穿口，且該導光單元還包括數個導光柱，每一個穿口供各別之光發射器穿置，每一個導光柱相對各別之光發射器的發射端，而位於各別之光發射器與該皮膚表層間。
9. 如請求項6所述的穿載式設備的光感裝置，其中，該導光單元還包括可透光且覆蓋該光感單元的一個面板，該導光柱設置在該面板與該光發射器間。
10. 如請求項9所述的穿載式設備的光感裝置，其中，該導光單元的面板與該導光柱一體成型，且為塑膠材料。
11. 如請求項1所述的穿載式設備的光感裝置，其中，該第一回應信號、該緊配合信號分別由各別產生之電容值、電感值、電阻值其中之一經類比轉換而成。
12. 如請求項1所述的穿載式設備的光感裝置，其中，該金屬件還進一步位於不與該皮膚表層產生電感應的一個脫離位置，在該金屬件位於該脫離位置時，該控制單元讀取一個脫離信號，並根據該脫離信號判斷該穿戴式裝置脫離該該皮膚表層。
13. 如請求項12所述的穿載式設備的光感裝置，其中，該控制單元在讀取該脫離信號後，控制該光感單元停止感測動作。
14. 如請求項1所述的穿載式設備的光感裝置，其中，該控制單元執行的動作指令是根據對應該第一回應信號的一個第一補償機制，以該測量值為基礎，計算出一個第一心率值。
15. 如請求項14所述的穿載式設備的光感裝置，其中，該第一補償機制以提升光的能量為手段，在該金屬件位於該第一遠端位置時，該光感單元所需之光的能量＞在該金屬件位於該近端位置時，該光感單元所需之光的能量。
16. 如請求項15所述的穿載式設備的光感裝置，其中，該金屬件還進一步位於該皮膚表層與該第一遠端位置間的一個第二遠端位置，且在該金屬件位於該第二遠端位置時，該控制單元讀取一個第二回應信號，並根據對應該第二回應信號的一個第二補償機制，以該測量值為基礎，計算出一個第二心率值。
17. 如請求項16所述的穿載式設備的光感裝置，其中，該第二補償機制以提升光的能量為手段，在該金屬件位於該第一遠端位置時，該光感單元所需之光的能量＞在該金屬件位於該第二遠端位置時，該光感單元所需之光的能量＞在該金屬件位於該近端位置時，該光感單元所需之光的能量。
18. 如請求項1所述的穿載式設備的光感裝置，其中，該控制單元執行的動作指令是根據該第一回應信號產生一個警示訊息，用於警示該載體與該皮膚表層的間距異常。
19. 如請求項18所述的穿載式設備的光感裝置，該穿載式設備包括安裝有該光感裝置的一個載體，及設置在該載體的一個警示器，其中，該警示訊息透過該警示器傳播。
20. 如請求項19所述的穿載式設備的光感裝置，其中，該警示訊息可以是聲、光、文字、圖形、振動其中一種。
21. 如請求項19所述的穿載式設備的光感裝置，還包含與該控制單元電連接且用於與一個第三方通訊的一個通訊模組，且該控制單元還進一步根據該回應信號，透過該通訊模組傳送該警示訊息給該第三方，供該第三方協助調整該載體與該皮膚表層的間隙。
22. 一種穿載式設備的光感裝置，適用於感測動物的心跳變化，該動物包含一個皮膚表層，該光感裝置包含： 一個金屬件，在能夠與該皮膚表層產生電感應的一個近端位置與一個第一遠端位置間移動，在該近端位置時，該金屬件鄰近該皮膚表層，在該第一遠端位置時，該金屬件遠離該皮膚表層； 一個光感單元，包括沿一條光軸方向朝該皮膚表層發射光的一個光發射器，及用於接收反射光的至少一個光接收器，該光接收器送出一個感測信號； 一個導光單元，包括至少一個導光柱，該導光柱相對該光發射器的發射端，而位於該光發射器與該皮膚表層間，用於收斂發射光的散射角度，使發射光朝該皮膚表層行進；及 一個控制單元，與該光感單元、該金屬件電連接，且在該金屬件位於該近端位置時讀取一個緊配合信號，在該金屬件位於該第一遠端位置時讀取一個第一回應信號，然後，根據該感測信號計算出與心率相關的一個測量值，及根據該第一回應信號執行預設的一個動作指令。
23. 一種穿載式設備的光感裝置，適用於感測動物的心跳變化，該動物包含一個皮膚表層，該光感裝置包含： 一個金屬件，在能夠與該皮膚表層產生電感應的一個近端位置與一個第一遠端位置間移動，在該近端位置時，該金屬件鄰近該皮膚表層，在該第一遠端位置時，該金屬件遠離該皮膚表層； 一個光感單元，包括沿一條光軸方向朝該皮膚表層發射光的一個光發射器，及用於接收反射光的至少一個光接收器，該光接收器送出一個感測信號； 一個導光單元，包括至少一個導光柱，該導光柱相對該光發射器的發射端，而位於該光發射器與該皮膚表層間，用於阻絕發射光所形成的干擾源朝該光接射器行進；及 一個控制單元，與該光感單元、該金屬件電連接，且在該金屬件位於該近端位置時讀取一個緊配合信號，在該金屬件位於該第一遠端位置時讀取一個第一回應信號，然後，根據該感測信號計算出與心率相關的一個測量值，及根據該第一回應信號執行預設的一個動作指令。
24. 一種穿載式設備的光感裝置，適用於感測動物的心跳變化，該動物包含一個皮膚表層，該光感裝置包含： 一個金屬件，在能夠與該皮膚表層產生電感應的一個近端位置與一個第一遠端位置間移動，在該近端位置時，該金屬件鄰近該皮膚表層，在該第一遠端位置時，該金屬件遠離該皮膚表層； 一個光感單元，包括沿一條光軸方向朝該皮膚表層發射光的一個光發射器，及用於接收反射光的至少一個光接收器，該光接收器送出一個感測信號； 一個導光單元，包括可透光且覆蓋該光感單元的一個面板，及填充在該光發射器的發射端與該導光柱間的一個光傳導介質，該光傳導介質的折射率與該導光柱的折射率誤差值介於-0.5~0.5；及 一個控制單元，與該光感單元、該金屬件電連接，且在該金屬件位於該近端位置時讀取一個緊配合信號，在該金屬件位於該第一遠端位置時讀取一個第一回應信號，然後，根據該感測信號計算出與心率相關的一個測量值，及根據該第一回應信號執行預設的一個動作指令。