用于光学传感器的光学光导的制作方法

1.本发明涉及生理或生物特征测量领域，并且尤其涉及光学测量和光学光导在光学传感器设备中的使用。


背景技术：

2.光电容积脉搏波(ppg)传感器是心脏活动传感器的示例。ppg传感器通常包括至少一个光源(诸如发光二极管(led))，以及至少一个光检测器(诸如光电二极管)。由(一个或多个)led发射的光被引导至穿戴ppg传感器的用户的皮肤上，并且光经由皮肤被递送到(一个或多个)光电二极管。对于准确的ppg测量，重要的是将来自(一个或多个)led的光经由皮肤递送到(一个或多个)光电二极管。任何直接从(一个或多个)led递送到(一个或多个)光电二极管的光都是干扰。其它光学生物特征传感器会遇到类似的干扰。


技术实现要素：

3.本发明由独立权利要求的主题定义。
4.实施例在从属权利要求中定义。
附图说明
5.下面将参考附图借助于优选实施例更详细地描述本发明，其中
6.图1图示了可以对其应用本发明的实施例的系统；
7.图2图示了光学生物特征测量；
8.图3和4图示了根据一些实施例的用于光学生物特征测量的传感器头。
9.图5图示了光导元件的实施例；
10.图6图示了根据实施例的传感器头在腕式设备中的实施方式；
11.图7和8图示了根据一些实施例的传感器头的分层结构；
12.图9图示了根据实施例的传感器设备的结构的框图；
13.图10和11图示了在光学生物特征测量中采用有源像素传感器阵列的处理的一些实施例；以及
14.图12图示了在光学生物特征测量期间动态配置发射器和光检测器的处理。
具体实施方式
15.以下实施例是示例性的。虽然本说明书可能在文本的多个位置提及“一”、“一个”或“一些”实施例，但这并不一定意味着每次引用都涉及相同的(一个或多个)实施例，或者特定特征仅适用于单个实施例。不同实施例的单个特征也可以组合以提供其它实施例。
16.图1图示了可以对其应用本发明的实施例的系统。所述系统可以包括用于监视用户100的体育训练、活动和/或不活动的训练计算机。该系统可以被配置为在一个或多个体育锻炼期间测量用户100和/或在白天和/或夜间(例如，一天24小时)期间监视用户100的身
体活动和/或不活动。通过使用关于图1并在以下实施例中描述的一个或多个设备，这会是可能的。
17.参考图1，用户100可以穿戴可穿戴设备，诸如腕式设备102、头部传感器单元104c、躯干传感器104b和/或腿部传感器104a。在另一个示例中，可穿戴设备可以是和/或被包括在眼镜中。在另一个示例中，可穿戴设备被包括或配置为与一件或多件衣服(或服装)耦合。此类衣服的示例可以包括(一个或多个)胸罩、游泳服装(诸如泳衣或泳帽)、(一个或多个)手套、背带、衬衫、带子或背心。衣服或服装可以由用户穿着。在一些实施例中，可穿戴设备被集成为衣服或服装的一部分。
18.这种被配置为测量用户的可穿戴设备的典型实施例是腕式设备102。腕式设备102可以是例如智能手表、智能设备、运动手表和/或活动跟踪装置(例如，手镯、臂带、腕带)。腕式设备102可以被用于通过使用来自腕式设备102中包括的(一个或多个)内部传感器的数据、来自(一个或多个)外部传感器设备104a-c的数据和/或来自外部服务(例如，训练数据库112)的数据来监视用户100的身体活动。有可能从网络110接收身体活动相关的信息，因为网络可以包括例如用户100和/或一些(一个或多个)其他用户的身体活动相关的信息。因此，腕式设备102可以被用于监视用户100和/或(一个或多个)其他用户的身体活动相关的信息。网络110可以将腕式设备连接到训练数据库112和/或服务器114。服务器114可以被配置为启用训练数据库112和一些外部设备(诸如腕式设备和/或其它可穿戴设备)之间的数据传送。可穿戴设备的其它示例包括图1中所示和上文所述的设备。
19.可穿戴设备102可以包括被配置为测量用户的光学生物特征传感器。例如，生物特征传感器可以是光电容积脉搏波(ppg)传感器，其被配置为确定用户100的心脏活动，诸如心率、心跳间隔(hbi)和/或心率变异性(hrv)。ppg传感器还可以(或可替代地)用于测量氧饱和度(spo2)或脉搏血氧。
20.图2图示了光学生物特征传感器的传感器头的示例，包括多个光学发射器(诸如发光二极管(led)210、212)和光检测器(诸如光电二极管214)。光学测量可以包括led 210、212朝着用户100的身体组织208发射光200、202并通过使用光检测器214测量来自用户100的身体组织的反弹的、反射的、衍射的、散射的和/或发射的光204。发射的光在穿过用户100的静脉时被调制，并且该调制可以由光学心脏活动传感器单元检测。通过使用由(一个或多个)光检测器转换成电测量信号的检测到的光学测量数据，可以检测用户的各种特点(诸如心率、氧饱和度、血压和睡眠质量)。
21.还需要注意的是，传感器头可以产生所测量的生物特征特点的原始测量数据和/或它可以将测量数据处理成生物特征数据(诸如心率)。在后面的实施例中，传感器头可以包括数据处理能力。而且，腕式设备102和/或一些其它可穿戴设备可以包括处理电路系统，该处理电路系统被配置为从心脏活动电路系统获得心脏活动测量数据并将所述数据处理成心脏活动信息(诸如表征用户100的心脏活动的心脏活动度量)。例如，光学心脏活动传感器单元的测量数据可以被处理电路系统用来确定用户100的心率、hrv和/或hbi。另外，原始测量数据和/或经处理的信息可以由腕式设备102或一些其它可穿戴设备处理，和/或传输到外部设备(诸如便携式电子设备106)。
22.腕式设备102(或更广泛地，可穿戴设备)可以包括(一个或多个)其它类型的传感器。(一个或多个)此类传感器可以包括基于激光多普勒的血流传感器、磁血流传感器、机电
膜(emfi)脉搏传感器、温度传感器、压力传感器、心电图(ecg)传感器和/或极化血流传感器。
23.用光学心脏活动传感器单元(简称为ohr)测量用户的心脏活动会受到运动伪影的影响。即，运动伪影会对测得的心脏活动信号造成影响。该影响会造成由信号携带的信息是错误的和/或不完整的。下面描述的一些实施例提供了减少运动伪影对使用ohr测得的心脏活动信号的影响的解决方案。该解决方案可以使用户能够接收更准确的心脏活动信息以例如在体育训练期间帮助他们或计划他们未来的训练课程。
24.除了诸如腕式设备102或头部传感器104c之类的可穿戴设备之外，光学生物特征测量能力还可以在不特定于穿戴的传感器设备中提供。例如，诸如健身设备105之类的一些训练设备可以配备能够例如通过采用ppg来执行光学生物特征测量的传感器头。这种传感器头可以设置在诸如跑步机、固定自行车或划船机之类的健身设备的把手中。
25.上述图2图示了光学生物特征传感器的基本原理，其中皮肤208或组织被一个或多个朝着皮肤或组织发射光的光学发射器210、212照亮。然后光穿过皮肤或组织到达一个或多个光检测器214，该一个或多个光检测器214被配置为检测由(一个或多个)光学发射器传输的光。取决于测量条件，例如，包括(一个或多个)发射器和(一个或多个)光检测器的传感器头相对于皮肤或组织的附着或定位有多好，一定量的光噪声行进到(一个或多个)光检测器。光噪声可以包括从(一个或多个)发射器直接行进到(一个或多个)光检测器而不穿过皮肤或组织的光、环境光等。光噪声可以对由(一个或多个)光检测器测得的测量信号引起会使测量性能退化的“dc”偏置。例如，强dc分量会使(一个或多个)光检测器饱和，从而使检测穿过皮肤的期望光分量的能力退化。
26.图3图示了根据实施例的生物特征传感器设备的传感器头。除了图3中所示的传感器头之外，传感器设备还可以包括用于将传感器设备附接到人体的附接机构。传感器设备可以是图1中所示的传感器设备102、104a至104c中的任何一个。例如，如果传感器设备是腕式设备102或躯干传感器104b，那么附接机构可以包括分别附接在用户的手腕/手臂或胸部周围的条带或带子。在传感器设备是耳机形式的头部传感器的实施例中，附接机构可以将传感器设备附接到用户的耳朵，例如，在耳垂周围、到外耳或在外耳的耳道的内部。在传感器头用于训练装备的实施例中，可以省略附接机构并且可以将传感器头集成到健身装备中或附接到健身装备。
27.参考图3，传感器头由附接机构配置为面向皮肤。附接机构可以被设计为使得当在适当的位置附接到人体时，传感器头被适当地指向皮肤。在训练装备中，可以通过将传感器头布置到在使用中传感器头将自然地面对和/或接触皮肤的位置(例如，把手)来实现该配置。传感器头包括至少一个光学发射器302，例如一个或多个led，被配置为朝着皮肤的方向发射光。传感器头还包括至少一个光检测器304，被配置为感测从皮肤208的方向发射的光。为了聚焦光并减少光噪声，平行光导元件300的阵列被布置为形成将光从至少光学发射器引导到至少一个光检测器的多个平行光路。每个光导元件在所述光导元件的第一端和第二端之间包括光学透明的芯和围绕芯的光学屏障，芯与光学屏障一起在端部之间沿着芯聚焦光。
28.在实施例中并且如下所述，芯可以是实心的并且被光学屏障包围。因而，光导元件从一端到另一端可以是实心的，因此适于直接接触皮肤而没有会使光导元件的光导率退化
的堵塞的风险。此外，还可以避免在皮肤和面向皮肤的(一个或多个)光导元件的端部之间使用保护性透明表面，从而使传感器头更小。
29.可以考虑用阵列的个体光导元件为在一端接收的光形成光管，其中光在光管内被朝着另一端引导，同时防止光在到达另一端之前从光管逸出。这种光导元件有效地将光聚焦到管的方向。这一点由图3中的“光方向性”说明。由于阵列设置在(一个或多个)发射器和皮肤之间，因此由(一个或多个)发射器302发射的光首先被阵列300朝着皮肤聚焦，从而有效地减少了从(一个或多个)发射器向其它方向散射的光。阵列离(一个或多个)发射器越近，朝着皮肤的方向性越有效。但是，阵列无需与(一个或多个)发射器直接接触即可达到期望的效果。即使单个发射器照亮的阵列的面积更大，也仍然可以实现朝着皮肤的期望的方向性。相同的方向性适用于(一个或多个)光检测器304，仅在相反的方向上。由于阵列设置在皮肤和(一个或多个)光检测器304之间，因此从皮肤208的方向到达阵列的光被阵列的光管有效地朝着光检测器引导，从而有效地减少了来自皮肤的光向其它方向散射，从而改善了(一个或多个)光检测器304的表面处的光的聚焦区域。
30.因此，光导元件的目的可以被理解为将光从一个平面传送到另一个平面，其中这些平面由光管的端部形成。由于光管的阵列，能够以阵列内部的光的低散射来实现传送，从而减少阵列内部的分辨率的退化。
31.图4更详细地图示了在有多个光检测器400、402、404的实施例中的阵列的方向性。当传感器设备附接到用户时，光检测器可以分布在平行于皮肤208的平面或表面中，尽管图4图示了直接彼此相邻的光检测器。如图3和4中所示，光导元件是细长的，即，每个光导元件的长度大于其直径。如上所述，每个光导元件有效地阻止光散射到除了沿着光导元件的长度之外的方向。换句话说，阻止光从一个光导元件行进到光导元件内部的相邻光导元件。结合图5更详细地图示和描述了这个特征。由于光不能从光导元件逸出到图4中的水平方向，因此细长的光导元件有效地将在细长的光导元件内行进的光朝着光导元件的长度方向聚焦。换句话说，由发射器302发射的光被由相应发射器302照亮的光导元件朝着皮肤向上引导，如图4中面朝上的箭头所示。然后，光穿透皮肤并在其中传播，传播路径取决于光的波长、传感器头相对于皮肤的对准以及皮肤和组织的生理特征。不过，传播路径使得光从皮肤朝着传感器头反射、折射和散射回来，如图4中从皮肤反射回阵列的弯曲箭头所示。取决于光在皮肤中的传播，光可以以各种角度到达阵列。在从皮肤侧到达阵列后，以各种角度到达的光再次被光导元件朝着垂直方向引导，即，沿着光导元件的长度。因而，光的方向朝着部署为面向引导反射光的光导元件的(一个或多个)检测器对准。如图4中所示，取决于上述条件，由发射器302发射的光可以到达光检测器的子集。在任何情况下，阵列的方向性实际上都使检测器更靠近皮肤，从而减少了上述光噪声的影响。因而，对于由(一个或多个)光检测器输出的测量信号可以实现更好的信号质量。
32.如图3和4中所示，阵列的一端被布置为面向皮肤208，而另一端面向(一个或多个)发射器和(一个或多个)光检测器。还如图3和4中所示，阵列的光导元件的第一子集的另一端被布置为面向(一个或多个)发射器，并且阵列的光导元件的第二子集被布置为面向(一个或多个)光检测器。因而，(一个或多个)发射器和(一个或多个)光检测器都对皮肤具有“可见性”，并且阵列覆盖(一个或多个)发射器和(一个或多个)光检测器，使得对(一个或多个)发射器和(一个或多个)光检测器都实现了聚焦光的效果。
33.阵列可以布置在(一个或多个)发射器和皮肤之间以及(一个或多个)光检测器和皮肤之间。阵列可以与皮肤直接接触，或者甚至在阵列和皮肤之间也可以存在光学透明层。在图中所示的实施例中，阵列面向皮肤的表面是直的。在另一个实施例中，面向皮肤的表面变形，例如弯曲，以在附接位置处遵循皮肤的轮廓。但是，可以维持光导元件的对准，使得光导元件的纵轴不遵循弯曲。换句话说，阵列中的光导元件的纵向方向是相同的。为了建立弯曲，可以切割或蚀刻阵列面向皮肤的端部。因此，不同光导元件的长度可以根据它们在阵列中的位置和弯曲而变化。
34.如图4中所示，每个光导元件的直径可以小于(一个或多个)光检测器的直径。此外，光导元件可以在阵列中并排，导致多个光导元件部署在单个光检测器上以将光引导至光检测器。
35.在实施例中，光导元件的阵列由光导纤维的阵列形成。每个光导元件因此可以由一件光导纤维形成，并且光导纤维可以以具有合适尺寸的阵列的形式布置以覆盖(一个或多个)发射器和(一个或多个)光检测器。图5图示了这种光导元件的结构的实施例。图5图示了图5中光导元件的侧视图(左侧)和端视图(右侧)。光导元件可以包括光学透明芯502，光可以沿着该光学透明芯从光导元件的一端自由或相对自由地行进到光导元件的另一端。光学屏障504可以被布置为穿过光导元件的长度围绕芯502。屏障或至少面向芯502的表面可以由通过反射或折射将试图逃离芯的光返回至芯的材料制成。反射屏障可以通过在芯周围涂覆反射材料来实现。折射屏障可以通过光学透明或半透明并且具有比芯502低的折射率的包层来实现。因此，实心芯周围的折射屏障有效地将逃离芯的光弯曲回芯。具有这种折射屏障的光导元件的示例是渐变折射率光纤。光导元件的阵列因此可以是渐变折射率光纤的阵列。
36.光导元件的阵列可以布置在平面中，使得光导元件的方向性基本上垂直于该平面。
37.在实施例中，(一个或多个)光检测器形成包括有源像素传感器的矩阵的有源像素传感器阵列。图6至8图示了这样的实施例，其中光检测器的阵列沿着平面布置。图6图示了传感器头布置在腕式设备102的外壳中的实施例。类似的传感器头可以布置在适用于其它设备104a至104c的外壳中，但是传感器头的尺寸、发射器的数量和光检测器的数量可以变化。而且，光导元件的阵列的尺寸可以根据发射器和光检测器的数量和位置而变化。
38.参考图6，传感器头可以包括表示光导元件的阵列的实施例的光纤板600、表示光检测器的实施例的有源像素传感器阵列，以及表示光学发射器的实施例的led矩阵602。如图6中所示，led矩阵602可以部署在布置在外壳内的有源像素传感器阵列604上，使得led矩阵和有源像素传感器阵列通过外壳中的孔暴露。然后可以部署光纤板600以覆盖孔以及led矩阵和有源像素传感器阵列，以便以上述方式引导光。如图6中所示，led矩阵可以部署在有源像素传感器阵列上。led矩阵可以至少包括被配置为以第一波长发射光的一个或多个led的第一集合(例如，用于ppg测量的目的)，以及被配置为以第二波长发射光的一个或多个led的第二集合(例如，用于运动补偿或氧饱和度的目的)。每个集合可以以矩阵的形式布置。例如，如图6中所示，不同波长的两个led可以在矩阵的元素中成对布置。每对可以包括红色led和绿色led。led可以布置在有源像素传感器阵列上，使得led不完全覆盖有源像素传感器阵列的任何光检测器(像素)。例如，led可以被布置为使得每个led覆盖有源像素传
感器阵列的一个或多个光检测器但不完全覆盖它们中的任一个。因而，led不需要使分辨率退化或使任何一个光检测器失明。
39.在实施例中，有源像素传感器阵列604的光检测器由金属氧化物半导体(mos)传感器形成，例如互补mos(cmos)传感器。cmos传感器通常用于相机。以有源像素传感器阵列的形式使用cmos传感器提供了光检测器的矩阵，以捕获分辨率受矩阵中像素数量限制的“ppg图像”。光纤板600与有源像素传感器阵列一起改进了将测量仅聚焦到从皮肤反射的期望信号(光)到达的像素上，从而改进了测量的信噪比并减少了光噪声。当光导元件的直径小于单个有源像素传感器的检测区域时，光导元件递送的光可以完全聚焦在检测区域上，也提高了信噪比。
40.如上所述和图中所示，发射器、光检测器和光导元件的阵列可以形成分层结构，其中至少一个光检测器形成检测器层并且光导元件的阵列形成部署在检测器层和皮肤之间的光纤板层。此外，至少一个光学发射器形成发射器层，并且光纤板层部署在皮肤和发射器层之间。现在让我们参考图7和8描述分层结构的一些实施例。
41.在图7的实施例中，发射器层702部署在光纤板层704和检测器层700之间，并且发射器层702包括穿过发射器层的多条光路。光路可以是发射器层的发射器之间的间隙，其允许将光递送到检测器层700。间隙可以是空气间隙或其它对光透明的介质。
42.在图8的实施例中，检测器层800部署在发射器层802和光纤板层804之间并且包括通过检测器层800的多条光路。光路可以是发射器层的检测器之间的间隙，其允许将光从发射器层递送到光纤板层并最终递送到皮肤。间隙可以是空气间隙或其它对光透明的介质。检测器层可以在光学意义上是基本透明的，例如透明的cmos层。
43.在实施例中，传感器设备还包括处理电路系统，该处理电路系统被配置为响应于由(一个或多个)光检测器转换的感测光而从有源像素传感器阵列的多个有源像素传感器接收测量信号，以处理测量信号并确定用户的生理参数或生物特征作为处理的结果。参数可以是诸如心率或心率变异性之类的心脏活动参数，或者它可以是氧饱和度参数。
44.然后让我们参考图9描述传感器设备的实施例。传感器设备可以是可穿戴设备，其包括用于将传感器设备附接到用户以使其可穿戴的附接机构。传感器设备可以包括传感器头31，其包括上述至少一个光学发射器(例如，led 30)和至少一个光检测器(例如，有源像素传感器阵列32)。传感器设备还可以包括处理电路系统，该处理电路系统包括至少一个处理器10。处理电路系统可以包括控制器12，其被配置为根据控制序列控制(一个或多个)发射器30以发射光。如下文更详细地描述，控制器可以根据控制序列控制发射器的子集在某个时间发射光。控制序列可以是固定的，或者可以是自适应的，如下文更详细的描述的。传感器设备还可以包括测量电路系统14，其被配置为处理从光检测器32接收的测量信号。测量电路系统14可以包括组合电路系统16，其被配置为组合测量信号中的至少一些。下面描述组合的一些实施例。
45.控制器12还可以根据发射器被激活的控制序列来控制光检测器以测量测量信号，如下文更详细描述的。
46.传感器设备还可以包括通信接口，从而根据无线电通信协议为传感器设备提供无线通信能力。通信接口可以支持蓝牙协议，例如蓝牙低功耗或蓝牙智能。通信接口可以被用于配置传感器头或更新配置传感器头的操作的计算机程序产品。例如，可以经由通信接
口配置控制序列。
47.训练计算机还可以包括用户接口34，该用户接口34包括显示屏、扬声器和诸如按钮和/或触敏显示器之类的输入部件。(一个或多个)处理器10可以将根据测量数据计算出的(一个或多个)参数输出到用户接口34。另一方面，(一个或多个)处理器10可以从用户接口34接收触发测量模式的用户输入命令。作为对这样的用户输入命令的响应，控制器12可以启用或重新配置用于光学生物特征测量的传感器头。在一些实施例中，重新配置可以包括改变光学生物特征测量的采样率、改变启用的发射器和/或光检测器的集合等。
48.传感器设备还可以包括或访问至少一个存储器20。存储器20可以存储计算机程序代码24，其包括可由(一个或多个)处理器10读取和执行并且配置(一个或多个)处理器的上述操作的指令。存储器20还可以存储定义处理电路系统的参数的配置数据库28，例如用于激活(一个或多个)发射器和/或(一个或多个)光检测器的控制序列。
49.如本技术中使用的，术语“电路系统”是指以下所有内容：(a)纯硬件电路实施方式，诸如仅采用模拟和/或数字电路系统的实施方式，以及(b)电路和软件(和/或固件)的组合，诸如(如可适用的)：(i)(一个或多个)处理器的组合或(ii)(一个或多个)处理器/软件的部分，包括一起工作以使设备执行各种功能的(一个或多个)数字信号处理器、软件和(一个或多个)存储器，以及(c)电路，诸如(一个或多个)微处理器或(一个或多个)微处理器的一部分，其需要软件或固件才能操作，即使软件或固件实际不存在。“电路系统”的这一定义适用于本技术中这个术语的所有使用。作为另一个示例，如本技术中使用的，术语“电路系统”也将涵盖仅处理器(或多个处理器)或处理器的一部分及其(或它们的)随附软件和/或固件的实施方式。
50.有源像素传感器阵列使得能够捕获皮肤组织的高分辨率图像，其中分辨率由传感器阵列中的像素数量定义。这样的阵列可以启用比光电二极管更大的检测区域，并且还启用检测区域的灵活适配，如下所述。由于光导元件的阵列的“分辨率”至少与有源像素传感器阵列的分辨率一样高，即，单个光导元件的直径小于单个像素的感测直径，因此传感器阵列的分辨率不会因光导元件而退化。代替地，光导元件改进了来自皮肤的光朝着(一个或多个)相应像素传感器的聚焦，从而改进了检测光的那些像素传感器处的信噪比。这些特点可以使以下参考图10和11描述的实施例成为可能。
51.如上所述，组合电路系统可以被配置为组合接收到的测量信号。组合可以基于在有源像素传感器阵列的每个光检测器处测得的信号电平。图10图示了用于根据这种实施例的组合电路系统的过程。图10还图示了简化的4x4像素尺寸的有源像素传感器阵列，其信号电平由每个像素中的点状图案的密度示出。参考图10，当启用(一个或多个)发射器以向皮肤发射光时，光检测器可以被控制器启用以测量有源像素传感器阵列中的光强度，并且在步骤1000中对测量进行采样。在步骤1000中，光可以被光检测器转换成电信号并且被采样成数字样本。在步骤1002中，选取像素的样本或样本集合进行分析。在步骤1004中将样本(集合)的信号电平与阈值进行比较。如果信号电平高于阈值，那么确定来自(一个或多个)发射器的光已被形成像素的光检测器检测到，并且样本(集合)被选择用于组合(步骤1006)。如果信号电平低于阈值，那么可以丢弃样本(集合)。在这种情况下，可以认为发射器发射的光没有到达特定的光检测器。如果在步骤1008中还有更多的样本或像素要分析，那么处理可以返回到步骤1002以选择下一个未处理的像素。否则，该处理可以结束。在图10的
处理中分析了所有像素之后，可以组合在步骤1006中存储的用于组合的样本。图10用勾号图示了所选择的像素，而具有叉号的像素被排除在组合之外。因此，只有能够检测由发射器发射的光的像素才被考虑到在组合之后的(一个或多个)生理参数的计算中。那些不能检测由发射器发射的光的像素可以被排除，从而减少光噪声。因此，图10图示了其中组合表现出高于阈值的信号电平的测量信号并且从组合中排除表现出低于阈值的信号电平的至少一个测量信号的实施例。
52.图11图示了通过确定能够“通信”的发射器-检测器对来校准传感器头的实施例。可以在检测器能够检测由发射器发射的光的意义上理解通信。如上所述，由发射器发射的光从皮肤反射和折射，并且根据传感器头相对于皮肤的位置、所发射的光的波长以及皮肤组织的特点，光可以到达有源像素传感器阵列中的各个位置。增加感测面积自然会增加捕获所有光的概率，但同时会增加光噪声。使用传感器阵列的所有光检测器执行检测也会消耗功率。与发射器类似，可能有一个或多个发射器不能被光检测器检测到或至少不能被用于捕获足够的测量数据的确定数量的光检测器检测到。
53.参考图11，在步骤1100中，控制器可以启用一个或多个发射器以向皮肤发射光，并启用有源像素传感器阵列以测量光强度，并且在步骤1100中也以上述方式对测量进行采样。控制器还可以存储发射光的(一个或多个)发射器。在步骤1102中，选择像素样本进行分析。当进行测量时，样本的值可以再次表示相应像素处的光强度。在步骤1104中，将样本的值与阈值进行比较。该阈值可以与图10的处理中的相同或者是不同的阈值。但是，阈值的目的可以是确定相应像素是否已检测到由(一个或多个)发射器发射的光的足够光强度。如果该值高于阈值，那么提供样本的像素可以被映射到在步骤1100中激活的(一个或多个)发射器(步骤1106)。如果在步骤1108中还有更多的样本或像素要分析，那么处理可以返回到步骤1102以选择下一个未处理的像素。否则，处理可以前进到方框1010，在那里确定是否应形成更多的发射器-检测器对。如果确定应形成进一步的对，那么该处理可以返回到方框1100以选择一个或多个尚未在方框1100中启用的发射器，并且该处理可以以上述方式针对不同的发射器集合进行。否则，该处理可以结束。
54.控制器可以激活以相同波长发射光的一个或多个发射器和/或以不同波长发射光的一个或多个发射器。在光检测器中接收到的不同波长的光可以通过使用滤波器来区分，因此，表示不同波长的光的测量信号可以被指派给不同的处理路径。在光检测器处接收的来自发射相同波长的多个发射器的光可以变得容易地在皮肤或光检测器中组合。
55.图11的过程通过自适应地确定发射器-检测器对来启用传感器头的校准。例如，它使控制器能够在给定时间仅启用映射到被启用以发射光的(一个或多个)发射器的(一个或多个)光检测器，同时禁用未映射到(一个或多个)发射器的(一个或多个)其它光检测器。类似地，控制器可以启用发射器的能够传输可由(一个或多个)光检测器检测的光的确定子集，同时禁用发射器的另一个子集。因此，可以获得功率节省。它还使得能够在传感器头中自适应地形成多个空间测量通道。例如，如图11的阵列中所示，由勾号和砖块图案指示的一个像素被映射到一个发射器，而由勾号和对角线图案指示的另外的像素被映射到另一个发射器。由于像素如此分离，以至于没有一个像素能够检测到两个发射器，因此有效地形成了两个基本正交的测量通道。这意味着即使在相同的波长下，发射器也可以并发地发射，并且可以通过映射的知识将两次测量保持分开。一个测量通道由图11中具有砖形图案的光检测
器测得的信号形成，而另一个测量通道由图11中具有线条图案的光检测器测得的信号形成。例如，可以根据图10的实施例组合后一测量通道的信号。以相同的方式，甚至可以自适应地形成更多的测量通道。传感器设备可以执行重新校准以检测映射的可能改变，例如，当传感器头的位置改变时。然后，可以根据图11形成新的发射器-检测器对或组。
56.有源像素传感器阵列和多个发射器使得能够在光学测量期间相对自由和动态的缩放检测能力。当测量条件良好时，少量的发射器和少量的光检测器可以提供具有足够质量的测量信号。当测量条件差时，可以采用大量的发射器和检测器以通过启用更多数量的光检测器(像素)以获得更好的灵敏度和/或通过启用更多数量的发射器以获得组织的更好照明来提高测量信号的质量。
57.图12图示了其中包括在传感器设备中的运动传感器被用于缩放被启用用于测量的发射器和/或光检测器的数量的实施例。例如，运动传感器可以包括加速度计、陀螺仪和/或磁力计。为此，甚至可以使用卫星定位接收器(gps、galileo、glonass等)作为运动传感器。图12可以由控制器在用户执行的体育锻炼期间或作为用户日常监视的一部分来执行。
58.参考图12，初始情况可以是当前可以启用一定数量的发射器和一定数量的光检测器来执行光学生物特征测量。在方框1200中，从传感器设备的至少一个运动传感器获取运动测量数据。运动测量数据可以表示运动的程度，例如，测得的加速度、速率或速度的程度。在方框1202中，将测量数据与阈值进行比较。阈值可以被预设以定义认为运动如此之高以至于需要更多的发射器和/或检测器来获得足够的测量质量的阈值。如果测量数据指示运动高于阈值，那么处理可以前进到方框1206，在那里启用一个或多个附加发射器和/或一个或多个附加光检测器用于光学生物特征测量。当与图11的实施例一起被采用时，方框1206可以包括激活映射到当前启用的发射器-检测器对或集合的附加发射器和/或光检测器。可替代地或附加地，方框1206可以包括启用新的发射器-检测器对或集合以执行光学生物特征测量，从而启用用于心率或氧饱和度测量的新测量通道。另一方面，如果测量数据指示运动低于阈值，那么处理可以前进到方框1204，在那里维持当前的启用的(一个或多个)发射器和(一个或多个)检测器的集合或者禁用当前启用的集合的一个或多个发射器和/或一个或多个光检测器。确定是否维持或禁用可以基于运动与阈值之间的差异。当运动比阈值低至少确定的量时，可以选择禁用。当运动接近阈值时，可以选择维持。在方框1208中，确定是否继续传感器头的自适应配置。如果自适应配置继续，例如，如果体育锻炼仍在继续，或者如果在运动测量数据中检测到显著改变，那么处理可以返回到方框1200以获取新的测量数据。否则，该处理可以结束。
59.代替运动，可以估计测量数据的信号质量并将其与信号质量阈值进行比较以确定是否启用另外的(一个或多个)发射器和/或(一个或多个)检测器。在这种实施例中，方框1200被处理器对从当前启用的光检测器接收的测量数据的信号质量的估计所代替。如果信号质量高于信号质量阈值，那么可以执行方框1204。如果信号质量低于阈值，那么可以执行方框1206。
60.又一个实施例涉及睡眠分析。在从运动测量数据、心率等检测到用户已经入睡后，控制器可以将传感器头配置用于睡眠测量模式。在睡眠测量模式下，控制器可以根据确定的模式改变启用的发射器和检测器的数量。例如，控制器可以周期性地启用更多数量的发射器和检测器以进行更准确的睡眠分析测量，而其它时候可以启用较少数量的发射器和检
测器。例如，控制器可以在整个睡眠期间维持测量心率的(一个或多个)发射器和(一个或多个)检测器基本启用，但仅间歇性地启用测量氧饱和度的(一个或多个)发射器和(一个或多个)检测器。
61.图12的又一个实施例涉及氧饱和度测量。代替运动传感器，可以使用气压计来启用(一个或多个)发射器和(一个或多个)检测器来测量氧饱和度。方框1200可以由接收来自气压计的海拔测量数据的方框代替。可以将海拔与定义测得的海拔的改变程度的阈值进行比较。如果改变高于阈值，指示用户上升或下降的量超过阈值定义的量，那么处理可以前进到方框1206，在那里启用氧饱和度测量。否则，可以在方框1204中维持当前的测量配置。
62.另一个用于启用或禁用(一个或多个)发射器和/或(一个或多个)检测器的实施例是用户输入。例如，用户可以手动触发某些光学生物特征测量，诸如氧饱和度的一次性测量。作为另一个示例，用户可以经由用户接口手动控制测量灵敏度。如果用户通过用户输入指示要求更好的灵敏度，那么可以执行方框1206。
63.其它实施例可以采用其它准则来缩放启用的发射器和检测器的数量，以便为光学生物特征测量提供多功能性。
64.本文描述的处理或方法可以通过各种手段实现。例如，这些技术可以在硬件(一个或多个设备)、固件(一个或多个设备)、软件(一个或多个模块或一个或多个计算机程序产品)或其组合中实现。对于硬件实施方式，实施例的(一个或多个)装置可以在一个或多个专用集成电路(asic)、数字信号处理器(dsp)、数字信号处理设备(dspd)、可编程逻辑设备(pld)、现场可编程门阵列(fpga)、图形处理单元(gpu)、处理器、控制器、微控制器、微处理器、被设计为执行本文所述功能的其它电子单元或其组合中实现。对于固件或软件，实施方式可以通过执行本文描述的功能的至少一个芯片组的模块(例如，过程、函数等)来进行。软件代码可以存储在存储器单元中并由处理器执行。存储器单元可以在处理器内或在处理器外部实现。在后一种情况下，它可以经由本领域已知的各种手段与处理器通信耦合。此外，本文描述的系统的组件可以通过附加组件重新布置和/或补充以便促进关于其描述的各个方面等的实现，并且它们不限于在给定的图中阐述的精确配置，如本领域技术人员将认识到的那样。
65.对于本领域技术人员来说显而易见的是，随着技术的进步，可以以各种方式实现本发明构思。本发明及其实施例不限于上述示例，而是可以在权利要求的范围内变化。