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TWI757265B - 光感測方法、生理參數計算方法以及光感測系統 - Google Patents

光感測方法、生理參數計算方法以及光感測系統 Download PDF

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TWI757265B
TWI757265B TW106102771A TW106102771A TWI757265B TW I757265 B TWI757265 B TW I757265B TW 106102771 A TW106102771 A TW 106102771A TW 106102771 A TW106102771 A TW 106102771A TW I757265 B TWI757265 B TW I757265B
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light source
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units
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古人豪
林志新
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原相科技股份有限公司
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Abstract

一種光感測方法，其運用在一光感測系統上，光感測系統包含一第一光感測器以及至少一光源，且第一光感測器包含複數個光感測單元。此光感測方法包含：(a)根據每一個光感測單元與光源的距離，分別控制光感測單元的曝光條件；以及(b)根據曝光條件來使光感測單元感測光源發出的光。藉由各別調整每一個光感測單元的曝光條件，可使得光感測系統具有較佳的訊號雜訊比。此光感測方法可運用在測量生理參數上。

Description

光感測方法、生理參數計算方法以及光感測系統
本發明有關於光感測方法、生理參數計算方法以及光感測系統，特別有關於可提升訊號雜訊比(SNR,Signal to Noise Ratio)或降低電能消耗的光感測方法、生理參數計算方法以及光感測系統。
現代人越來越重視身體的健康，因此可測量心跳的穿戴式裝置也越來越普及。傳統的心跳測量方法是以光源將光射入人體的一部份(例如手指或手腕)後，再以光感測器測量自人體反射的光，即可得知心跳。其原理在於心臟收縮和舒張時，血管中的血液量會相對的不一樣，光被吸收的程度也會不一樣，因此測量光的反射程度之變化即可得知心跳數。
然而，光感測器上的複數個光感測單元和光源的距離有所不同，因此同一個光源會對同一個光感測器造成不同的光響應，如此會降低光感測訊號的訊號雜訊比，使得心跳測量不精確。
因此，本發明之一目的為提供一種光感測方法以及光感測系統，其可使光感測器在感測光時有較高的訊號雜訊比。
本發明另一目的為提供一種生理參數計算方法，其可較精確的計算生理參數。
本發明一實施例提供了一種光感測方法，其運用在一光感測系統上，光感測系統包含一第一光感測器以及至少一光源，且第一光感測器包含複數個光感測單元。此光感測方法包含：(a)根據每一個光感測單元與光源的距離，分別控制光感測單元的曝光條件；以及(b)根據曝光條件來使光感測單元感測光源發出的光。
本發明另一實施例提供了一種生理參數計算方法，運用在一生理參數計算系統上。此生理參數計算系統包一光感測系統，其包含複數個光感測單元以及至少一光源。此生理參數計算方法包含：(a)根據每一個光感測單元與光源的距離，分別控制光感測單元的曝光條件；(b)根據曝光條件來使光感測單元感測光源發出的光；以及(c)根據光感測單元於步驟(b)中感測的光計算一使用者的生理參數。
本發明另一實施例揭露了一種光感測方法，運用在一光感測系統上，此光感測系統包含一第一光感測器以及至少一光源，此第一光感測器包含複數個光感測單元。此光感測方法包含包含：使一光感測器根據至少一光源擷取影像；根據每一該光感測單元所偵測到的光的亮度產生一曝光條件，使得所有該光感測單元依據該曝光條件可產生一目標亮度分佈；以及根據該曝光條件來使該些光感測單元感測該光源發出的光。
本發明另一實施例揭露了一種生理參數計算方法，運用在一生理參數計算系統上，此生理參數計算系統包一光感測系統，此光感測系統包含複數個光感測單元以及至少一光源。此生理參數計算方法包含：(a)使一光感測器根據至少一光源擷取影像；(b)根據每一該光感測單元所偵測到的光的亮度產生一曝光條件，使得所有該光感測單元依據該曝光條件可產生一目標亮度分佈；(c) 根據該曝光條件來使該些光感測單元感測該光源發出的光；以及(d)根據該些光感測單元於該步驟(b)中感測的該光計算一使用者的生理參數。
本發明另一實施例提供了一種光感測系統，其包含：複數個光感測單元；至少一光源；以及一處理單元。處理單元用以執行下列步驟；(a)根據每一個光感測單元與光源的距離，分別控制光感測單元的曝光條件；以及(b)根據曝光條件來使光感測單元感測光源發出的光。
本發明另一實施例揭露了一種光感測系統，包含：複數個光感測單元；至少一光源；以及一處理單元，用以根據每一該光感測單元所偵測到該光源的光的亮度產生一曝光條件，使得所有該光感測單元依據該曝光條件可產生一目標亮度分佈。這些光感測單元會根據該曝光條件感測該光源發出的光。
根據前述實施例，可各別的調整光感測單元的曝光條件來使得光源對光感測器有適當的光響應，進而提高訊號雜訊比，亦使得生理參數的測量更為精確。此外，本發明更可讓光源運作於一省電模式，進而減少電能的消耗。
100:穿戴式裝置
101:光感測系統
103:處理單元
L1、L2:光源
LS1、LS2:光感測器
P1,P2:光感測單元
第1圖繪示了根據本發明一實施例的光感測系統的示意圖。
第2圖繪示了根據本發明一實施例的光感測系統的較詳細示意圖。
第3圖繪示了根據本發明一實施例的，控制光感測單元感光時間的示意圖。
第4圖繪示了光感測系統運作於一省電模式的示意圖。
第5圖繪示了根據本發明一實施例的，控制光感測單元感光時間的示意圖。
第6圖繪示了根據本發明另一實施例的光感測系統的示意圖。
以下將以多個實施例來說明本發明的內容。然請留意，以下實施例所述的各元件均可以硬體(例如電路)或是軟體加硬體的組合(例如於微處理器中寫入程式)來實現。此外，各實施例的元件名稱，數量或是位置關係均只用於舉例說明，並非用以限定本發明的範圍。
第1圖繪示了根據本發明一實施例的光感測系統的示意圖。如第1圖所示，穿戴式裝置100包含了一光感測系統101，其包含了一光感測器LS1，至少一個光源(此例中為一個光源L1，但不限定)以及一處理單元103。於一實施例中，光感測器LS1為一感光二極體陣列，而光源L1可以為發光二極體或雷射光源，較佳可發射單一波長光線，用以增加光感測器LS1的感測效率，例如使用紅外光光源或使用綠光光源。
光感測器LS1包含複數個光感測單元(例如感光二極體，未繪示於此)。處理單元103會根據每一個光感測單元與光源L1的距離，分別控制每一個光感測單元的曝光條件，並根據此曝光條件來使光感測單元感測光源發出的光。曝光條件包括光感測單元的感光時間、光感測單元的感光頻率或讀取信號增益值。此處的讀取信號增益值是指讀出光感測單元的光感測訊號後，對光感測訊號進行增益的增益值。當光感測單元與光源L1的距離較遠，若欲維持一樣的光響應，則需要更強的曝光條件，例如增加感光時間、感光頻率或增加增益值。
於一實施例中，是根據光源和光感測單元的距離計算出曝光條件，將計算出的曝光條件預先輸入至暫存器105，光感測器LS1每次擷取影像前會先讀取暫存器105來確認曝光條件。一實施例中，暫存器105可預先儲存一組曝光條件，此曝光條件可為非根據光源和光感測單元的距離計算出的曝光條件，然後再以根據光源和光感測單元的距離計算出的曝光條件來更新。
於一實施例中，光感測系統101可運作於一校正模式。於此校正模式中，光感測器LS1根據光源L1發出的光擷取影像後，處理單元103會根據每個光 感測單元所偵測到光亮度調整曝光條件，使得所有光感測單元依所調整後的曝光條件可產生一目標亮度分佈。此目標亮度分佈可為各種亮度分佈，舉例來說，可以是均勻亮度分布(亦即相鄰光感測單元的亮度差異或所有光感測單元的最亮/最暗亮度差異在一門檻值之內)。新的曝光條件在計算出後，會被更新到暫存器105中。
第2圖繪示了根據本發明一實施例的光感測系統的較詳細示意圖。如第2圖所示，光感測器LS1包含光感測單元P1、P2，其他光感測單元則未予繪示或標示。每一個光感測單元的寬度均為X，其中心點的距離亦為X。於一實施例中，X為0.5mm。在此結構下，光感測單元P1、P2與光源L1會有X的距離差異，來自光源L1的光會使光感測單元P1、P2所感測的光強度不同。因此，即使光感測單元P1、P2的曝光條件相同，在同樣的時間週期內會從光源L1接收到不同的光量，也就是光源L1對光感測單元P1、P2造成不同的光響應。因而，若要使光源L1對光感測單元P1、P2造成的光響應相同，光感測單元P1、P2的曝光條件須有所不同。
第3圖繪示了根據本發明一實施例的，控制光感測單元感光時間的示意圖。如第3圖所示，在此實施例中，光感測單元P1離光源L1較近，所感測到的光較強，因此會具有較高的感光頻率，但每一次曝光時有較短的感光時間T1。相反的，光感測單元P2離光源L1較遠，所感測到的光較弱，因此會具有較低的感光頻率，但每一次曝光時有較長的感光時間T2。亦即，感光頻率與光感測單元和光源的距離成反比，而感光時間與光感測單元和光源的距離成正比。然請留意，可調整光感測單元的感光時間和感光頻率兩種參數，或僅調整其中一種參數。如此可讓每一個光感測單元P1、P2於一預定時間週期內接收到光源L1所發出的光的光量為一預定光量(亦即光源L1對光感測單元P1、P2有相同的光響應)。
上述實施例是讓每一個光感測單元P1、P2於一預定時間週期內接收到光源L1所發出的光的光量為一預定光量，亦即光感測系統運作於一均勻模式。然而，光感測系統亦可運作於一不均勻模式。在另一實施例中，是藉由控制曝光條件使得不同的光感測單元於一預定時間週期內接收到光源L1所發出的光的光量為不同的光量。亦即，光感測單元P1、P2的曝光條件使得光感測單元P1於一預定時間週期內接收到光源L1所發出光的光量為一第一預定光量，且使得光感測單元P2於預定時間週期內接收到光源L1所發出光的光量為一第二預定光量。此第一預定光量和第二預定光量不同。易而言之，光源L1對不同光感測單元造成預定但不同的光響應。
本發明另提供了一種省電的方法，其使光感測系統可運作於一省電模式。第4圖繪示了光感測系統運作於一省電模式的示意圖。如第4圖所示，光源於一發光時間區間LT連續的發光數次，然後在接續發光時間區間LT的一靜止時間區間ST內不發光，然後在接續靜止時間區間ST的下一個發光時間區間LT連續的發光數次。發光時間區間LT，靜止時間區間ST的長短，以及發光時間區間LT內的發光次數可隨實際需求而設定。習知技術均是使光源連續不斷的發光，光源在每次發光時均須啟動，然後發光完後會進入非啟動狀態，下次發光時須再啟動一次，因此習知技術的發光方式會消耗相當多的電能。而第4圖的發光方法可降低光源啟動的次數，因此可降低電能的消耗。
前述實施例均是以單一光源來做說明，但前述的光感測方法亦可運用在複數個光源的狀態。第5圖繪示了根據本發明一實施例的，控制光感測單元感光時間的示意圖。如第5圖所示，光感測器LS1包含光感測單元P1、P2，且光感測系統包含了複數個光源L1、L2。在一實施例中，光感測系統運作於一均勻模式，光感測單元P1、P2的曝光條件使得每一個光感測單元於一預定時間週期內接收到光源L1所發出的光的光量為一預定光量，且使得每一個光感測單元於 預定時間週期內接收到該光源L2所發出的光的光量亦為相同的預定光量。亦即，光感測單元P1、P2的曝光條件使得光源L1、L2對光感測單元P1、P2的曝光條件造成的光響應是相同的。
在另一實施例中，光感測系統運作於一不均勻模式。此實施例中，光感測單元P1、P2的曝光條件使得每一個光感測單元於一預定時間週期內接收到光源L1所發出的光的光量為一第一預定光量，且使得每一個光感測單元於預定時間週期內接收到該光源L2所發出的光的光量為一第二預定光量。亦即，光感測單元P1、P2的曝光條件使得光源L1、L2對光感測單元P1、P2的曝光條件造成的光響應是不同的。
前述的均勻模式可讓光源對不同的光感測單元有相同的光響應，進而提高訊號雜訊比。而不均勻模式可讓光感測系統在不同狀態下均可有較佳的訊號雜訊比。以第5圖所述的實施例為例，當光感測系統位於戶外時，環境光較強，因此以光源L1發出較強的光，並如前所述調整個別光感測單元的曝光條件，使得光源L1對光感測器LS1造成適當的光響應。而當光感測系統位於室內時，環境光較弱，因此以光源L2發出較弱的光，並如前所述調整個別光感測單元的曝光條件使得光源L2對光感測器LS1造成適當的光響應。
綜上所述，不均勻模式使得本發明所提供的光感測系統可適用於不同的環境。而且，不均勻模式可確保至少有一個光源對光感測器造成的光響應是適當的。如此更增加了本發明所提供的光感測系統之可運用範圍。
前述實施例均以單一個光感測器來說明，但本發明所提供的光感測系統可同時包含多個光感測器以及多個光源。第6圖繪示了根據本發明另一實施例的光感測系統的示意圖。第6圖相較於第1圖更包含一光感測器LS2以及一光源L2。於此實施例中，不同光感測器分別在不同的時間點感測不同的光源。詳細言之，光感測器LS1感測光源L1、光感測器LS1感測光源L2、光感測器LS2感測光 源L1、光感測器LS2感測光源L2這些動作分別在不同的時間點分別進行。如此可以避免光感測的動作產生混淆。
根據前述實施例，可得到一光感測方法，其包含下列步驟：一種光感測方法，運用在一光感測系統上，此光感測系統包含一第一光感測器(例如第1圖的LS1)以及至少一光源(例如第1圖的L1)，此第一光感測器包含複數個光感測單元(例如第2圖的P1、P2)。此光感測方法包含：(a)根據每一個光感測單元與光源的距離，分別控制光感測單元的曝光條件；以及(b)根據曝光條件來使光感測單元感測光源發出的光。
前述的光感測方法可運用在心跳的計算，且亦可運用在計算其他的生理參數例如血氧濃度等。因此，根據前述的光感測方法可得到一生理參數計算方法，其除了包含前述的步驟(a)和步驟(b)之外，更可包含步驟(c)：根據光感測單元於步驟(b)中感測的光計算一使用者的生理參數。當包含本發明所提供的裝置(例如第1圖中所示的穿戴式裝置100)施行了此生理參數計算方法時，此裝置可視為一生理參數計算系統。而步驟(c)可由如第1圖所示的處理單元103來施行。
根據前述實施例，可各別的調整光感測單元的曝光條件來使得光源對光感測器有適當的光響應，進而提高訊號雜訊比，亦使得生理參數的測量更為精確。此外，本發明更可讓光源運作於一省電模式，進而減少電能的消耗。
以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。
L1:光源
LS1:光感測器
P1,P2:光感測單元

Claims (12)

  1. 一種光感測方法，運用在一光感測系統上，該光感測系統包含一第一光感測器以及至少一光源，該第一光感測器包含複數個光感測單元，該光感測方法包含：使一光感測器根據至少一光源擷取影像；根據每一該光感測單元所偵測到的光的亮度產生一曝光條件；以及根據該曝光條件來使該些光感測單元感測該光源發出的光；其中該曝光條件包含該些光感測單元的至少一感光時間、該些光感測單元的至少一感光頻率或該光感測系統的至少一讀取信號增益值；其中該讀取信號增益值是指讀出該些光感測單元的至少一光感測訊號後，對該光感測訊號進行增益的至少一增益值。
  2. 一種生理參數計算方法，運用在一生理參數計算系統上，該生理參數計算系統包一光感測系統，該光感測系統包含複數個光感測單元以及至少一光源，該生理參數計算方法包含：(a)根據每一個該光感測單元與該光源的距離，分別控制該些光感測單元的曝光條件；(b)根據該曝光條件來使該些光感測單元感測該光源發出的光；以及(c)根據該些光感測單元於該步驟(b)中感測的該光計算一使用者的生理參數；其中該曝光條件包含該些光感測單元的至少一感光時間、該些光感測單元的至少一感光頻率或該光感測系統的至少一讀取信號增益值；其中該讀取信號增益值是指讀出該些光感測單元的至少一光感測訊號後，對該 光感測訊號進行增益的至少一增益值。
  3. 如請求項2所述的生理參數計算方法，該光感測系統包含一第一光源，該曝光條件使得每一個該光感測單元於一預定時間週期內接收到該第一光源所發出的光的光量為一預定光量。
  4. 如請求項2所述的生理參數計算方法，該光感測系統包含一第一光源，該些光感測單元包含一第一光感測單元以及一第二光感測單元，且該第一光感測單元以及一第二光感測單元與該第一光源的距離不同，該曝光條件使得該第一光感測單元於一預定時間週期內接收到該第一光源所發出光的光量為一第一預定光量，且該曝光條件使得該第二光感測單元於該預定時間週期內接收到該第一光源所發出光的光量為一第二預定光量。
  5. 如請求項2所述的生理參數計算方法，該光感測系統包含一第一光源以及一第二光源，該曝光條件使得每一個該光感測單元於一預定時間週期內接收到該第一光源所發出的光的光量為一預定光量，且該曝光條件使得每一個該光感測單元於該預定時間週期內接收到該第二光源所發出的光的光量為該預定光量。
  6. 如請求項2所述的生理參數計算方法，該光感測系統包含複數個該光源，該曝光條件使得每一個該光感測單元於一預定時間週期內接收到該些光源其中一個所發出的光的光量為一第一預定光量，且使得每一個該光感測單元於該預定時間週期內接收到該些光源中另一個所發出的光的光量為一第二預定光量。
  7. 如請求項2所述的生理參數計算方法，其中該感光頻率與該光感測單元和該光源的距離成反比。
  8. 如請求項2所述的生理參數計算方法，其中該感光時間與該光感測單元和該光源的距離成正比。
  9. 如請求項2所述的生理參數計算方法，其中該光源於一發光時間區間連續的發光數次，然後在接續該發光時間區間的一靜止時間區間內不發光，然後在接續該靜止時間區間的下一個發光時間區間連續的發光數次。
  10. 如請求項2所述的生理參數計算方法，其中該光感測系統更包含一第二光感測器以及複數個光源，其中該第一光感測器以及該第二光感測器分別在不同的時間點感測不同的該光源。
  11. 一種生理參數計算方法，運用在一生理參數計算系統上，該生理參數計算系統包一光感測系統，該光感測系統包含複數個光感測單元以及至少一光源，該生理參數計算方法包含：(a)使一光感測器根據至少一光源擷取影像；(b)根據每一該光感測單元所偵測到的光的亮度產生一曝光條件；(c)根據該曝光條件來使該些光感測單元感測該光源發出的光；以及(d)根據該些光感測單元於該步驟(b)中感測的該光計算一使用者的生理參數；其中該曝光條件包含該些光感測單元的至少一感光時間、該些光感測單元的至少一感光頻率或該光感測系統的至少一讀取信號增益值； 其中該讀取信號增益值是指讀出該些光感測單元的至少一光感測訊號後，對該光感測訊號進行增益的至少一增益值。
  12. 一種光感測系統，包含：複數個光感測單元；至少一光源；以及一處理單元，用以根據每一該光感測單元所偵測到該光源的光的亮度產生一曝光條件；該些光感測單元會根據該曝光條件感測該光源發出的光；其中該曝光條件包含該些光感測單元的至少一感光時間、該些光感測單元的至少一感光頻率或該光感測系統的至少一讀取信號增益值；其中該讀取信號增益值是指讀出該些光感測單元的至少一光感測訊號後，對該光感測訊號進行增益的至少一增益值。
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