CN1019051B

CN1019051B - 光传感器

Info

Publication number: CN1019051B
Application number: CN90100327A
Authority: CN
Inventors: 神田昌彦
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 1989-01-17
Filing date: 1990-01-17
Publication date: 1992-11-11
Also published as: KR910014686A; RU2006832C1; US5045683A; KR930004897B1; CA2007784C; EP0379140A1; CN1044216A; CA2007784A1

Abstract

本发明的光传感器中的发光元件(10)和受光元件(3)在薄膜衬底(1)上彼此隔开预定距离。光电二极管(PD)装在包括在发光元件中的发光二极管(LED1，LED2)附近。该光电二极管检测发射光量的变化。CPU(16)通过控制流过发光元件的电流来校正随发光元件温度变化的光量变化。至少在发光二极管(34)或光电二极管(31)之一附近设置热敏电阻(37)及加热器(39)。CPU(43)响应对热敏电阻输出的检测结果而控制加热器电流以便至少使发光元件或受光元件之一的温度保持不变。

Description

本发明一般涉及光传感器，更准确地说，本发明涉及用于通过将光从受验者的一面透射到另一面然后检测由该受验者对该透射光吸收量的变化来检测受验者的诸如血压和血色素浓度的信息的光传感器。

通常已经知道这种装置是在光从手指尖皮肤的一面透射到另一面之后、检测光在手指的血液中透射（反射）变化并对检测信号本身加以处理，通过计算来测定脉搏和血压值。在日本实用新型公开公报60-158803中公开了在所述这种装置中使用的光传感器的一个实例。

图11为上述所公开的光传感器的透视图，图12为图11所示光传感器的截面图，图13是示出图11的缚在手指上的光传感器的截面图，图14为用来将光传感器固定在手指上的固定带的透视图。

首先，参考图11-14，描述常规的光传感器8。图11所示的传感器8用于将光从手指的一面透射到另一面并检测通过该手指的透射光强度的变化。软膜衬底1上的发光元件2和受光元件3彼此相隔对应于手指大小的预定距离。将透明的软的透光膜6贴在所述软膜衬底1上面以盖住发光元件和受光元件2和3。

然后，参考图12-14来描述图11所示的光传感器8的使用。光传感器8缠绕手指7，使得手指（7）的端部夹在发光元件2和受光元件3之间，如图12所示。然后，将图14所示固定带缠在环绕手指的传感器8上。该固定带9是长方形的，其一端的正面和另一端的反面含有结构粘结装置。将该带9缠绕在光传感器8上面，将其中一端的正面搭接在另一端的反面，使得该光传感器8紧固在手指7上。当把电能从信号处理装置的主体（未示出）通过接插件5供给导线4时，发光元件2发射光线。该发射光透过手指7并射向受光元件3。受光元件3接受该光线并将检测信号通过导线4和接插件5供给信号处理装置的主体。信号处理装置检测这时透射率的变化、处理检测信号、然后、进行计算而测定脉搏及血压值。

以上传感器8中所用的发光元件2通常采用发光二极管。发光二极管易于随外界温度而改变其发光的输出功率和波长。此外，把光传感器8缚在例如手指7的生物体上，使得该生物体局部缺血或止血，以致降低了手指7的体温，或者由于血压升高而使手指7的体温上升。这样，发光元件2的外界温度改变了、接着，发光元件的输出功率或发光波长随之改变。然而，为了正确地测量脉搏值、血压值等等，要求发光元件2的输出功率或发光波长保持不变。

本发明的目的是提供其中发光元件的输出功率或波长不随外界温度的变化而变化的光传感器。

本发明的另一目的是提供一种光传感器，用于检测随发光元件温度变化的光量变化、响应其检测到的输出信号而控制通过发光元件的电流，从而对随发光元件温度变化的光量变化进行校正。

本发明的又一目的是提供其中发光元件输出功率或波长保持不变、不随发光元件或外界温度而改变的光传感器，即使将该光传感器缚在受验者上。

简短地说，按照本发明的光传感器向受验者发射光线、接收来自受验者的光线、检测该受验者对光的吸收量。在这种光传感器中，向受验者发射光线的发光元件装在薄膜衬底上，在该薄膜衬底上，第一受光元件与所述发光元件隔开预定距离;而第二受光元件装在所述发光元件附近。对通过发光元件的电流加以控制，以便响应第二受光元件所接收光的功率校正随发光元件温度变化的光量变化。

所以，根据本发明，发光元件或发光元件的温度可保持不变而与受试者的温度无关。这使得发光元件的输出功率或波长能保持不变，从而得到受试者的正确信息。

按照本发明的另一方面，至少在发光元件和受光元件中任一个的附近装有加热器和温度传感器，或者发光元件或者受光元件的附近可用这种加热器来加热，以使检测到的温度保持不变。

所以，在这种情况下，发光元件或受光元件的温度能保持不变而与受试者的温度变化无关，使得发光元件的输出功率或波长保持不变，这样便得到正确的受试者信息。

根据以下结合附图对本发明的详细描述，本发明的上述和其它目的、特征、方面和优点会变得更加明确。

图1A和1B示出包括在本发明一个实施例中的发光二极管的一个实例;

图2是本发明一个实施例的原理框图;

图3是描述本发明一个实施例的操作的流程图;

图4是描述本发明一个实施例的操作的时序图;

图5是说明由发光二极管的温度变化引起的发射光功率的变化的图;

图6是说明流过发光二极管的电流与光电二极管输出电压之间关系的特征曲线图;

图7是说明发光二极管的相对光输出与温度的关系的特征的图;

图8A-8C是说明本发明的另一实施例的视图，更具体地说，图8A是该实施例的平面图，图8B是其侧视图以及图8C是底视图;

图9A和图9B是说明将热敏电阻装在发光二极管散热片上的一个实例的图，更具体地说，图9A是侧视图，而图9B是底视图;

图10是本发明另一个实施例的原理框图;

图11是说明普通光传感器的一个实例的视图;

图12是图11所示光传感器的纵截面视图;

图13是将光传感器缚在手指上的情况下的剖面图;以及

图14是用于将光传感器固定在手指上的固定带的透视图。

图1A是包含在本发明一个实施例中的发光二极管的一个实例的平面图，图1B是其侧视图。参考图1A和图1B，发光二极管10代替图10所示普通光传感器8中的发光元件2。在衬底12上装有两个LED芯片LED1和LED2，在这两芯片LED1和LED2附近装有光电二极管PD。光电二极管PD直接从LED芯片的LED1和LED2接收光线。LED芯片LED1和LED2通常也向p-n结平面以下部分幅射光线，而这种幅射光线被光电二极管PD所接收。

设置光电二极管PD是为了检测随着外界温度的变化，来自LED芯片LED1和LED2的光量的变化。在衬底12上涂敷透明的环氧树脂13以便覆盖LED芯片LED1和LED2以及光电二极管PD。也可用聚脂树脂来代替所述环氧树脂。可以将光电二极管PD装在这样的位置上，即，从LED芯片LED1和LED2幅射出的光线能够在半球形环氧树脂13的内壁上被反射并由所述光电二极管PD所接收。此外，可如图1B所示进行以下处理过程。在环氧树脂13部分表面上蒸发银而形成银薄膜131。于是，从LED芯片LED1和LED2幅射出的光线必定被银薄膜131部分反射，由光电二极管PD对该反射光进行检测。

图2是本发明一实施例的原理框图。参考图2，将由图1A和1B所示光电二极管PD所接收光的功率供给电流-电压变换电路14。于是，流过光电二极管PD的电流变换为电压，再将该电压供给A/D变换电路15。A/D变换电路15将电压值变换为数字值，然后将该数字值供给CPU 16。CPU 16与ROM 17和RAM 18相连接。如以后将描述的图3所示，预先将用于对LED芯片LED1和LED2的随温度变化的光量变化进行校正的程序存储在ROM 17中。CPU 16将数字信号形式的流过LED芯片LED1和LED2的电流值供给A/D变换电路19和20。D/A变换电路19和20将作为电流值的数字值变换为模拟值并将该模拟值供给恒流电路21和22。恒流电路21将电流供给LED芯片LED1，而恒流电路22将电流供给LED芯片LED2。

图3是描述本发明的一个实施例的详细操作的流程图;图4是所述操作的时序图;图5说明发光二极管的由温度变化引起的发光功率的变化;图6是说明流过发光二极管的电流与光电二极管的输出电压之间的关系的特征曲线图;图7示出发光二极管的相对光输出与温度的关系的特征曲线。

下面参考图1A-7来描述本发明一个实施例的详细操作。由于LED芯片LED1和LED2的操作相同，所以，只给出LED芯片LED1操作的描述。将图4（a）所示的接收光的光电二极管PD的输出电流i_PDiP供给电流-电压变换电路14，将该电流变换为如图4（b）所示的电压V_PD1P。然后，由A/D变换电路15将该变换出的电压变换为数字信号，供给CPU 16。CPU 16对光电二极管PD的输出电压V_PD1P进行采样以判定该输出电压V_PD1P是否低于该光电二极管PD的预定输出电压V1以及是否低于该光电二极管PD的预定输出电压V1以及是否低于该光电二极管PD的所许可的电压△V1。如果判定V_PD1P＞V1+△V1′，那么，CPU 16增加或减小流过LED芯片LED1的电流值i。

假若这样，就图6所示的V_PD1P和i_LED1的关系的特性曲线来讲，可以获得在特定温度下的关系式V_PD1P＝a·i_LED1P，以便按｜V_PD1P-V｜/a的值来增加或减小电流i_LED1的值。在这种情况下，该特定温度最好选择在接近人体体温的35℃-38℃的范围。

通常，发光二极管10的发光功率随温度下降而增加或随温度升高而减小，如图7所示。这样，当温度象图5（a）所示那样下降时，发光二极管10的发光功率就象图5（b）所示那样减小，然而，用于补偿所述发光功率增加量（图5（C））而减小发光二极管10的供给电流i，使得发光功率近似不变从而校正由温度变化引起的发光功率的起伏，如图5（d）所示。

图8A-8C示出本发明的另一个实施例，具体地说，图8A为平面图，图8B为侧视图而图8C为底视图。

参考图8A-8C来描述本发明这一实施例的结构。在薄膜衬底30的表面的一端装有作为受光元件的一个实例的光电二极管31。装光电二极管31的导线端焊接在薄膜衬底30上形成的图案32上。在薄膜衬底30的表面的另一端装有作为发光元件的一个实例的发光二极管34。该发光二极管的导线端焊接在薄膜衬底30上形成的图案35上。在发光二极管34附近装有作为温度检测装置的一个实例的热敏电阻37。在图案35的左侧形成用于连接电缆的图案33，36和38。用于光电二极管31的图案33和图案32、用于发光二极管34的图案36和图案35，以及用于热敏电阻37的图案38分别通过线形图案电连接。

在薄膜衬底30反面对应于发光二极管34的位置上设置有作为加热装置的一个实例的加热器39。例如，该加热器39包含做成细丝的镍铬合金。该加热器39的两端与图案40电连接。

在如上述那样构成的光传感器中，将在后面描述的图10所示的处理装置的主体通过电缆（未示出）连接到发光二极管34的图案36、热敏电阻37的图案38、光电二极管31的图案33以及加热器39的图案40。

图9A和9B示出将热敏电阻37装在发光二极管34的散热片341上的一个实例。发光二极管34的终端342和热敏电阻37的终端343固定在散热片341上。

尽管以上实施例示出了将热敏电阻37设置在发光二极管34附近的实例，但也可将热敏电阻37和加热器39装在与光电二极管31的环境温度相关的光电二极管37的周围，如图8B中虚线所示。

图10是本发明的上述第二实施例的处理装置的原理框图。将图8A 所示的热敏电阻37的温度检测信号加到电流-电压变换电路41变换为电压。由A/D变换电路42将该电压进一步变换为加到CPU 43的数字信号。CPU 43与ROM 44和RAM 45相连。ROM 44预定存储用于响应由热敏电阻37检测到的温度而对加热器39进行控制、使得图8A所示的发光二极管34的环境温度保持不变的程序。RAM 45存储由热敏电阻37检测到的温度数据。CPU 43按照ROM 44中所存储的程序，响应在所检测到的温度下的由A/D变换电路42所供给的数字信号，将流过加热器39的电流的数据送到D/A变换电路46。D/A变换电路46将该数字信号变换为模拟信号，以便将来自恒流电路47的电流供给加热器39。

如上所述，按照该实施例，由于至少在发光二极管34和光电二极管31的任一个的附近装有热敏电阻37和加热器39，使得发光二极管34和光电二极管31之一的附近可由加热器37来加热、以使所检测的温度恒定，所以，发光二极管34或光电二极管31的温度保持不变而与受试者温度变化无关。因此，有可能保持发光元件的输出功率和波长不变，从而得到受试者正确的信息。

虽然已经详细地描述并举例说明了本发明，但是，显然这些描述和说明仅仅是本发明的例证和实例而不是对本发明的限制，本发明的精神和范围仅受所附权利要求书的各条款的限制。

Claims

1、一种用于向受试者发射光线、接收来自该受试者的光线、然后检测由该受试者所吸收的光量的光传感器，其特征在于包含：

薄膜衬底(1)，

设置在所述薄膜衬底上用于将光线射向所述受试者的发光元件(LED1，LED2)，

所述薄膜衬底上与所述发光元件相隔预定距离、用于接收来自所述受试者的光线的第一受光元件(3)，

设置在所述发光元件附近、用于检测随所述发光元件温度变化的光量变化的第二受光元件(PD)，以及

用于按照所述第二受光元件所接收的光线的功率控制流过所述发光元件的电流，以便校正随所述发光元件温度变化的光量变化的控制装置(14，15，16)。

2、如权利要求1的光传感器，其特征在于：所述第二受光元件除了所述发光元件还包含设置在所述发光元件附近的元件，以便能直接接收来自所述发光元件的光线。

3、如权利要求2的光传感器，其特征在于：所述发光元件包含2个LED芯片（LED1，LED2），分别置于和所述第二受光元件相隔同样距离的不同位置。

4、如权利要求2的光传感器，其特征在于还包括：以半球形状覆盖设置于所述薄膜衬底上的所述发光元件和所述第二受光元件的透明树脂件（13）。

5、如权利要求4的光传感器，其特征在于：所述第二受光元件设置在所述第二受光元件能够接收到来自所述发光元件经所述树脂件半赇本内壁所反射的部分光线的位置上。

6、如权利要求5的光传感器，其特征在于还包括：镀在所述树脂件表面上的银蒸发薄膜（131）。

7、如权利要求1的光传感器，其特征在于所述控制装置包括：

用于将所述第二受光元件的电流变换为电压的电流-电压变换电路（14），

用于将经所述电流-电压变换电路变换出的电压变换为数字信号的A/D变换电路（15），以及

响应由所述A/D变换电路变换出的数字信号而判定所述第二受光元件的输出电压是否低于预定电压并对流过所述发光元件的电流进行控制的中央处理电路（16）。

8、一种对受试者发射光线、接收来自受试者的光线并检测由该受试者吸收的光量的光传感器，其特征在于包括：

薄膜衬底（30），

设置在所述衬底主要面上用于将光线射向所述受试者的发光元件（34），

在所述薄膜衬底上与所述发光元件隔开预定距离、用于接受透过所述受试者的光线的受光装置（31），

装在所述发光元件和所述受光元件中至少一个的附近的加热装置（39）和测温装置（37），以及

用于使所述加热装置对所述发光元件和所述受光元件其中至少一个的附近加温、以便使由所述测温装置所检测到的温度保持不变的控制装置（43）。

9、如权利要求8的光传感器，其特征在于：所述加热装置设置在所述薄膜衬底的另一主要面上的与所述发光元件对应的位置上。

10、如权利要求9的光传感器，其特征在于：所述发光元件包括散热片（341）以及装在所述散热片上的所述测温装置。

11、如权利要求8的光传感器，其特征在于：所述加热装置设置在所述薄膜衬底的另一主要面上的与所述受光元件对应的位置上。