本發(fā)明涉及一種心率傳感器。更特定地說，本發(fā)明涉及一種具有光電檢測器元件的心率傳感器。

背景技術：

心率可使用各種不同傳感器中的任一者(包含(例如)基于電極的傳感器(例如EKG傳感器)及光學傳感器(例如光體積描記(PPG)傳感器))來測量。PPG傳感器通常包含放置在人的皮膚附近的光源及光電檢測器。光源及光電檢測器通常經(jīng)布置使得來自光源的光無法直接到達光電檢測器。然而，當PPG傳感器放置在人的皮膚附近時，來自光源的光可擴散到人的肉體中且接著從人的肉體往回發(fā)射使得光電檢測器可檢測到光。從人的肉體發(fā)射的此光的量可以依據(jù)心率變化而改變，這是因為存在于肉體中的血液的量依據(jù)心率變化而改變，且從人的肉體發(fā)射的光的量繼而又依據(jù)所存在的血液的量的變化而改變。

本申請案的受讓人Fitbit公司制作可穿戴式健康監(jiān)測裝置，其中的一些(例如，Charge HR^TM及Surge^TM)并有PPG傳感器，所述PPG傳感器包含近似分隔開8mm的兩個高亮度的綠色發(fā)光二極管(LED)以及位于LED中間的2mm正方形光電檢測器元件。制作可穿戴式健身監(jiān)測裝置的各種其它公司利用類似架構(gòu)。例如，與Motorola Moto 360^TM一樣，Basis Peak^TM并有兩個綠色LED，其中正方形光電檢測器元件位于所述兩個綠色LED中間。

圖1描繪并有PPG傳感器的現(xiàn)有技術的腕帶型可穿戴式健康監(jiān)測器100的簡化表示。在此實例中，可穿戴式健康監(jiān)測器100包含附接有兩個條帶102的外殼104；條帶102可用于以與手表幾乎相同的方式(實際上，許多此類裝置還可并有計時功能性)將外殼104緊固到人的前臂。在此實例中，PPG傳感器包含兩個光源108，其中光電檢測器元件112在外殼104的背面128上插入在兩個光源108中間；在此實例中，光電檢測器元件112具有具備正方形長寬比的光敏區(qū)域。當可穿戴式健康監(jiān)測器100被人以類似于腕表的方式穿戴時，背面128可被抵著人的皮膚按壓，從而允許光源108照明人的皮膚。光電檢測器元件112可接著測量接著從人的皮膚往回發(fā)出的所述光的量。外殼104內(nèi)的 控制邏輯(未描繪)可接著基于由光電檢測器元件112測量的光量的波動計算人的心率。

技術實現(xiàn)要素：

本說明書中描述的標的物的一或多個實施方案的細節(jié)在附圖及以下描述中陳述。其它特征、方面及優(yōu)點將根據(jù)所述描述、圖式及權利要求書而將變得顯而易見。注意，以下圖式的相對尺寸不一定按比例繪制，除非具體指示為按比例繪制的圖式。

在一些實施方案中，可提供一種具有光源及一或多個離散光電檢測器元件的設備。每一光電檢測器元件可具有具備第一長度的第一邊緣，且還可具有沿垂直于第一邊緣的方向的第一寬度。所述設備還可包含控制邏輯，其可與光源及每一光電檢測器元件以通信方式連接，且經(jīng)配置以使光源發(fā)光、從一或多個光電檢測器元件獲得一或多個經(jīng)測量光強度測量且至少部分基于一或多個光強度測量確定心率測量。在此類實施方案中，每一光電檢測器的第一長度與第一寬度的比可大致上介于2:1到5:1之間。

在一些此類實施方案中，每一光電檢測器元件的第一邊緣可垂直于或橫向于從光源的中心向外輻射的軸。

在所述設備的一些實施方案中，光源可包含多個發(fā)光裝置。

在一些此類實施方案中，多個發(fā)光裝置可包含主要發(fā)射不同波長的光的至少兩個發(fā)光裝置。在一些進一步或替代性的此類實施方案中，可存在以某種圖案布置的多個光電檢測器元件，且多個發(fā)光裝置可聚集在光電檢測器元件的圖案的中心點處。在一些此類實施方案中，所述圖案中的每一光電檢測器元件可與光源的中心等距及/或在所述圖案內(nèi)均勻地分隔開。

在所述設備的一些實施方案中，每一光電檢測器元件的第一長度與第一寬度的比可大致上介于2:1到3.5:1之間。在所述設備的一些其它實施方案中，每一光電檢測器元件的第一長度與第一寬度的比可大致上介于3.5:1到5:1之間。

在所述設備的一些實施方案中，每一光電檢測器元件可具有介于1mm與5mm之間的第一長度及介于0.5mm與2mm之間的第一寬度，其中第一長度與第一寬度的比大致上介于2:1到5:1之間，且每一此光電檢測器元件可經(jīng)定位使得光電檢測器元件最靠近光源的邊緣與光源相距介于1mm與4mm之間的距離。

在所述設備的一些實施方案中，可存在包含繞光源等距分隔開的三個或四個光電檢測器元件的光電檢測器元件的圖案。

在所述設備的一些實施方案中，所述設備還可包含具有背面的外殼，所述背面包含 光可從其中穿過進入設備的一或多個透明窗口區(qū)。在此類實施方案中，每一光電檢測器元件經(jīng)定位使得光電檢測器元件與一或多個透明窗口區(qū)中的對應者重疊，且外殼可經(jīng)配置使得當所述設備被人穿戴時背面鄰近于穿戴所述設備的所述人的皮膚。

在所述設備的一些此類實施方案中，背面可包含薄窗口，且窗口區(qū)可為由光電檢測器元件界定的窗口的子區(qū)。在一些其它或額外的此類實施方案中，每一光電檢測器元件可沿法向于光電檢測器元件的方向與對應的透明窗口區(qū)偏離對應間隙，且間隙可無光學光導。

在所述設備的一些實施方案中，每一光電檢測器元件除第一邊緣之外還具有與第一邊緣相對的拱形第二邊緣。當沿垂直于第一邊緣的方向測量時，拱形第二邊緣可具有與第一邊緣相距的最大距離，其等于第一寬度。

在一些實施方案中，可提供一種包含第一光源及第二光源以及插入在第一光源與第二光源之間的光電檢測器元件的設備。所述設備還可包含控制邏輯，其與第一及第二光源及光電檢測器元件以通信方式連接且經(jīng)配置以使第一光源及第二光源發(fā)光、從光電檢測器元件獲得經(jīng)測量光強度測量且至少部分基于光強度測量確定心率測量。在此類實施方案中，光電檢測器元件可為矩形形狀、具有具備第一長度的第一邊緣，且具有垂直于第一邊緣的具有第二長度的第二邊緣。此外，在此類實施方案中，第一長度與第二長度的比可大致上介于2:1到5:1之間。

在一些此類實施方案中，每一光電檢測器元件的第一邊緣可垂直于或橫向于橫跨在第一光源的中心與第二光源的中心之間的軸。

在一些其它或額外的此類實施方案中，所述設備可包含具有背面的外殼，所述背面包含與光電檢測器元件重疊的透明窗口區(qū)及各自與第一光源及第二光源中的不同者相關聯(lián)且允許來自相關聯(lián)的光源的光穿過背面的兩個進一步窗口區(qū)。在此類實施方案中，第一光源及第二光源可為所述設備中經(jīng)配置以將光發(fā)射穿過背面的唯一光源，且外殼可經(jīng)配置使得當所述設備被人穿戴時背面鄰近于穿戴所述設備的所述人的皮膚。

在所述設備的一些實施方案中，光電檢測器元件可與第一光源及第二光源等距。

在一些實施方案中，可提供一種包含光源及一或多個光電檢測器的設備，每一光電檢測器具有光敏區(qū)域。在此類實施方案中，光電檢測器的光敏區(qū)域的至少90％是由沿第一軸的第一尺寸及沿垂直于第一軸的第二軸的第二尺寸界定。在此類實施方案中，所述設備還可包含控制邏輯，其與光源及每一光電檢測器以通信方式連接且經(jīng)配置以使光源發(fā)光、從一或多個光電檢測器獲得一或多個經(jīng)測量光強度測量且至少部分基于一或多個光強度測量確定心率測量。在此類實施方案中，第一尺寸與第二尺寸的比可大致上介于 2:1到5:1之間。

在所述設備的一些實施方案中，光源可包含多個發(fā)光裝置。在一些此類實施方案中，多個發(fā)光裝置可包含主要發(fā)射不同波長的光的至少兩個發(fā)光裝置。在一些進一步或替代性的此類實施方案中，可存在以某種圖案布置的多個光電檢測器元件，且多個發(fā)光裝置可聚集在光電檢測器元件的圖案的中心點處。在一些此類實施方案中，所述圖案中的每一光電檢測器元件可與光源的中心等距及/或在所述圖案內(nèi)均勻地分隔開。

在所述設備的一些實施方案中，每一光電檢測器元件的第一長度與第一寬度的比可大致上介于2:1到3.5:1之間。在所述設備的一些其它實施方案中，每一光電檢測器元件的第一長度與第一寬度的比可大致上介于3.5:1到5:1之間。

在所述設備的一些實施方案中，每一光電檢測器元件可具有介于1mm與5mm之間的第一長度及介于0.5mm與2mm之間的第一寬度，其中第一長度與第一寬度的比大致上介于2:1到5:1之間，且每一此光電檢測器元件可經(jīng)定位使得光電檢測器元件最靠近光源的邊緣與光源相距介于1mm與4mm之間的距離。

在所述設備的一些實施方案中，可存在包含繞光源等距分隔開的三個或四個光電檢測器元件的光電檢測器元件的圖案。

在所述設備的一些實施方案中，所述設備還可包含具有背面的外殼，所述背面包含光可從其中穿過進入設備的一或多個透明窗口區(qū)。在此類實施方案中，每一光電檢測器元件經(jīng)定位使得光電檢測器元件與一或多個透明窗口區(qū)中的對應者重疊，且外殼可經(jīng)配置使得當所述設備被人穿戴時背面鄰近于穿戴所述設備的所述人的皮膚。

在所述設備的一些此類實施方案中，背面可包含薄窗口，且窗口區(qū)可為由光電檢測器元件界定的窗口的子區(qū)。在一些其它或額外的此類實施方案中，每一光電檢測器元件可沿法向于光電檢測器元件的方向與對應的透明窗口區(qū)偏離對應間隙，且間隙可無光學光導。

在一些實施方案中，可提供一種包含光源及至少一個光電檢測器元件的設備。所述設備還可包含控制邏輯，其與光源及每一光電檢測器元件以通信方式連接，且經(jīng)配置以使光源發(fā)光、從至少一個光電檢測器元件獲得至少一個經(jīng)測量光強度測量且至少部分基于至少一個光強度測量確定心率測量。在此類實施方案中，至少一個光電檢測器元件可對向于光源的中心處的大致上至少的角度，其中r_i是從光源的中心到光電檢測器元件的距離的測量，光電檢測器元件的至少80％覆蓋以光源的中心為中心且由r_i及r_o界定的環(huán)狀區(qū)，且r_o比r_i大不超過2毫米。

在一些此類實施方案中，光源的中心處由至少一個光電檢測器元件對向的角度可大致上至多為

在一些實施方案中，可提供一種包含經(jīng)配置以主要發(fā)射具有500nm到600nm范圍中的波長的光的光源以及具有中心開口的光電檢測器元件的設備。所述設備還可包含控制邏輯，其與光源及光電檢測器元件以通信方式連接，且經(jīng)配置以使光源發(fā)光、從光電檢測器元件獲得經(jīng)測量光強度測量且至少部分基于光強度測量確定心率測量。在此類實施方案中，光源可經(jīng)定位以使將光發(fā)射穿過光電檢測器元件的中心開口，且光電檢測器元件可具有a)由第一邊界界定的外圍及b)界定中心開口的第二邊界。

在一些此類實施方案中，第一邊界及第二邊界可形成環(huán)，第一邊界可與第二邊界徑向地偏離第一距離，且第二邊界的周長與第一距離的比可介于9.5:1到11.5:1之間。

在一些其它或額外的此類實施方案中，第一邊界及第二邊界可形成環(huán)，第一邊界可具有介于3mm到5.5mm之間的直徑，且第二邊界可具有介于1mm到2.5mm之間的直徑。

在所述設備的一些實施方案中，第二邊界可為各自具有第二長度的N側(cè)的規(guī)則多邊形，且對于第二邊界的N側(cè)中的每一者，第一邊界可沿源于光源的中心處且穿過第二邊界的所述側(cè)的中點的參考軸與第二邊界的所述側(cè)偏離第一距離。在此類實施方案中，對于N側(cè)中的每一者，第二長度與第一距離的比可介于2:1到5:1之間。

在所述設備的一些實施方案中，每一光電檢測器元件具有介于1mm與5mm之間的第一長度及介于0.5mm與2mm之間的第一寬度，其中第一長度與第一寬度的比大致上介于2:1到5:1之間，且經(jīng)定位使得最靠近光源的光電檢測器元件的邊緣與光源相距介于1mm與4mm之間的距離。

在所述設備的一些實施方案中，光電檢測器元件的圖案包含繞光源等距分隔開的三個光電檢測器元件。

在所述設備的一些實施方案中，光電檢測器元件的圖案包含繞光源等距分隔開的四個光電檢測器元件。

在所述設備的一些實施方案中，所述設備進一步包括具有背面的外殼，所述背面包含光可從其中穿過進入設備的一或多個透明窗口區(qū)，其中：每一光電檢測器元件經(jīng)定位使得光電檢測器元件與一或多個透明窗口區(qū)中的對應者重疊，且外殼經(jīng)配置使得當所述設備被人穿戴時背面鄰近于穿戴所述設備的所述人的皮膚。

在所述設備的一些實施方案中，背面包含薄窗口，且窗口區(qū)是由光電檢測器元件界 定的窗口的子區(qū)。

在所述設備的一些實施方案中，每一光電檢測器元件沿法向于光電檢測器元件的方向與對應的透明窗口區(qū)偏離對應間隙，且間隙無光學光導。

在所述設備的一些實施方案中，每一光電檢測器元件除第一邊緣之外還具有與第一邊緣相對的拱形第二邊緣，其中當沿垂直于第一邊緣的方向測量時，拱形第二邊緣具有與第一邊緣相距的最大距離，其等于第一寬度。

在所述設備的一些實施方案中，所述設備包括：第一光源；第二光源；插入在第一光源與第二光源之間的光電檢測器元件；及控制邏輯，所述控制邏輯與第一光源、第二光源及光電檢測器元件以通信方式連接且經(jīng)配置以：使第一光源及第二光源發(fā)光、從光電檢測器元件獲得經(jīng)測量光強度測量且至少部分基于光強度測量確定心率測量，其中：光電檢測器元件是矩形形狀、具有具備第一長度的第一邊緣，且具有垂直于第一邊緣的具有第二長度的第二邊緣，第一長度與第二長度的比大致上介于2:1到5:1之間。

在所述設備的一些實施方案中，每一光電檢測器元件的第一邊緣垂直于橫跨在第一光源的中心與第二光源的中心之間的軸。

在所述設備的一些實施方案中，每一光電檢測器元件的第一邊緣橫向于橫跨在第一光源的中心與第二光源的中心之間的軸。

在所述設備的一些實施方案中，所述設備進一步包括具有背面的外殼，所述背面包含與光電檢測器元件重疊的透明窗口區(qū)及各自與第一光源及第二光源中的不同者相關聯(lián)且允許來自相關聯(lián)的光源的光穿過背面的兩個進一步窗口區(qū)，其中：第一光源及第二光源是所述設備中經(jīng)配置以將光發(fā)射穿過背面的唯一光源，且外殼經(jīng)配置使得當所述設備被人穿戴時背面鄰近于穿戴所述設備的所述人的皮膚。

在所述設備的一些實施方案中，光電檢測器元件與第一光源及第二光源等距。

在所述設備的一些實施方案中，所述設備包括：光源；一或多個光電檢測器，每一光電檢測器具有光敏區(qū)域，其中光敏區(qū)域的至少90％是由沿第一軸的第一尺寸及沿垂直于第一軸的第二軸的第二尺寸界定；及控制邏輯，所述控制邏輯與光源及每一光電檢測器以通信方式連接且經(jīng)配置以：使光源發(fā)光、從一或多個光電檢測器獲得一或多個經(jīng)測量光強度測量且至少部分基于一或多個光強度測量確定心率測量，其中對于每一光電檢測器：第一尺寸與第二尺寸的比大致上介于2:1到5:1之間。

在所述設備的一些實施方案中，光源包含多個發(fā)光裝置。

在所述設備的一些實施方案中，多個發(fā)光裝置包含主要發(fā)射不同波長的光的至少兩個發(fā)光裝置。

在所述設備的一些實施方案中，一或多個光電檢測器包含以某種圖案布置的多個光電檢測器，且多個發(fā)光裝置聚集在光電檢測器元件的圖案的中心點處。

在所述設備的一些實施方案中，每一光電檢測器的第一尺寸與第二尺寸的比大致上介于2:1到3.5:1之間。

在所述設備的一些實施方案中，每一光電檢測器的第一尺寸與第二尺寸的比大致上介于3.5:1到5:1之間。

在所述設備的一些實施方案中，一或多個光電檢測器包含以某種圖案布置的多個光電檢測器，且所述圖案中的每一光電檢測器的光敏區(qū)域的中心與光源的中心等距。

在所述設備的一些實施方案中，所述圖案中的光電檢測器均勻地分隔開。

在所述設備的一些實施方案中，與每一光電檢測器相關聯(lián)的第一尺寸介于3mm與5mm之間且與每一光電檢測器相關聯(lián)的第二尺寸介于1mm與2mm之間，與此一致的是，第一尺寸與第二尺寸的比介于2:1到5:1之間，且每一光電檢測器經(jīng)定位使得最靠近光源的光電檢測器的光敏區(qū)域的邊緣與光源的中心相距介于1mm與4mm之間的距離。

在所述設備的一些實施方案中，光電檢測器的圖案包含繞光源等距分隔開的三個光電檢測器。

在所述設備的一些實施方案中，光電檢測器的圖案包含繞光源等距分隔開的四個光電檢測器。

在所述設備的一些實施方案中，所述設備進一步包括：具有背面的外殼，所述背面包含一或多個薄的透明窗口區(qū)，其中：每一光電檢測器經(jīng)定位使得所述光電檢測器的光敏區(qū)域與透明窗口區(qū)中的對應者重疊，且外殼經(jīng)配置使得當所述設備被人穿戴時背面鄰近于穿戴所述設備的所述人的皮膚。

在所述設備的一些實施方案中，背面包含薄窗口，且窗口區(qū)是由一或多個光電檢測器的光敏區(qū)域界定的窗口的子區(qū)。

在所述設備的一些實施方案中，每一光電檢測器的光敏區(qū)域沿法向于光電檢測器的方向與對應的透明窗口區(qū)偏離對應間隙，且間隙無光學光導。

在所述設備的一些實施方案中，所述設備包括：光源；至少一個光電檢測器元件；及控制邏輯，所述控制邏輯與光源及每一光電檢測器元件以通信方式連接，且經(jīng)配置以：使光源發(fā)光、從至少一個光電檢測器元件獲得至少一個經(jīng)測量光強度測量且至少部分基于至少一個光強度測量確定心率測量，其中：至少一個光電檢測器元件對向于光源的中 心處的大致上至少的角度，其中：r_i是從光源的中心到光電檢測器元件的距離的測量，光電檢測器元件的至少80％覆蓋以光源的中心為中心且由r_i及r_o界定的環(huán)狀區(qū)，且r_o比r_i大不超過2毫米。

在所述設備的一些實施方案中，光源的中心處由至少一個光電檢測器元件對向的角度大致上至多為

這些及其它實施方案參考圖式及以下詳述加以進一步詳述。

附圖說明

本文揭示的各個實施方案是通過實例方式但并非通過限制方式在附圖的圖式中加以說明，其中相同的參考數(shù)字是指類似元件。

圖1描繪并有PPG傳感器的現(xiàn)有技術的腕帶型可穿戴式健康監(jiān)測器的簡化表示。

圖2描繪根據(jù)實例實施方案的并有使用非正方形光電檢測器元件的PPG傳感器的腕帶型可穿戴式健康監(jiān)測器的簡化表示。

圖3是根據(jù)實例實施方案的用于從人的肉體獲得心率信息的實例PPG傳感器的經(jīng)發(fā)射光強度及經(jīng)檢測光強度的理論繪制圖。

圖4描繪根據(jù)實例實施方案的從人的接近手腕的手臂上的尺寸為近似4.5mm寬乘以5mm高的矩形區(qū)發(fā)出的光的經(jīng)測量AC功率強度的灰度繪制圖。

圖5描繪根據(jù)實例實施方案的圖4的相同光強度圖像映射，但是所述圖式增加了高長寬比光電檢測器元件的輪廓。

圖6描繪根據(jù)實例實施方案的由于照射到16mm乘以16mm皮膚區(qū)的中心處的皮膚中的光而從所述區(qū)發(fā)出的光的AC強度或功率的模擬。

圖7描繪根據(jù)實例實施方案的可測量AC光功率依據(jù)關于圖6中所示的模擬的光電檢測器占據(jù)面積長寬比變化的繪制圖。

圖8描繪根據(jù)實例實施方案的可測量AC光功率依據(jù)關于圖6中所示的模擬的光電檢測器占據(jù)面積長寬比變化的繪制圖，但是光電檢測器最靠近光源的中心的邊緣與光源中心偏離2.6mm而非1.65mm。

圖9描繪根據(jù)實例實施方案的呈直線的高長寬比(“HAR”)光電檢測器元件的圖。

圖10描繪根據(jù)實例實施方案的大體上為矩形但擁有一些非矩形方面的HAR光電檢測器元件的圖。

圖11描繪根據(jù)實例實施方案的除沿第一邊緣的矩形切口之外類似于圖10的HAR光電檢測器元件的HAR光電檢測器元件的圖。

圖12描繪根據(jù)實例實施方案的除作用區(qū)域大體上為矩形而又具有從矩形區(qū)域向外突出的“半島”之外類似于圖9的HAR光電檢測器元件的HAR光電檢測器元件的圖。

圖13描繪根據(jù)實例實施方案的為拱形形狀的HAR光電檢測器元件的圖。

圖14到17描繪根據(jù)若干實例實施方案的具有多個HAR光電檢測器元件的實施方案的若干實例。

圖18描繪根據(jù)實例實施方案的如圖15中所示但光源中使用多個發(fā)光裝置的PPG傳感器光電檢測器布局的實例。

圖19描繪根據(jù)實例實施方案的實例光源及周圍環(huán)形區(qū)。

圖20描繪根據(jù)實例實施方案的從任意內(nèi)半徑r_i之外發(fā)出的光強度的分數(shù)的繪制圖，所述內(nèi)半徑r_i落在具有內(nèi)半徑r_i及如被指示為沿x軸的環(huán)寬的環(huán)形區(qū)的邊界內(nèi)。

圖21描繪光源、HAR光電檢測器及各種參考注釋。

圖22到24描繪根據(jù)各個實例實施方案的各種PPG傳感器的簡化表示的橫截面。

圖25描繪根據(jù)實例實施方案的中間具有光源的環(huán)形光電檢測器元件的實例。

圖26描繪根據(jù)實例實施方案的中間具有光源的多邊形光電檢測器元件的實例。

圖27描繪根據(jù)實例實施方案的PPG傳感器的高層次框圖。

具體實施方式

本發(fā)明涉及PPG傳感器，且更特定地說涉及經(jīng)設計與可穿戴式生物特征監(jiān)測裝置(在本文又稱為“生物特征跟蹤裝置”、“生物特征跟蹤模塊”、“可穿戴式健康監(jiān)測器”等)一起使用的PPG傳感器。本發(fā)明者確定在PPG傳感器中使用非正方形光電檢測器元件與通常利用正方形光電檢測器元件的傳統(tǒng)PPG設計相比可提供顯著的性能提高。本發(fā)明者還確定如果需要可獲得此性能提高，同時仍然維持本質(zhì)上與傳統(tǒng)PPG設計中的正方形光電檢測器元件相同的功耗。

圖2描繪了根據(jù)由本發(fā)明者實現(xiàn)且下文討論的概念的實例實施方案的并入有使用非正方形光電檢測器元件的PPG傳感器的腕帶型可穿戴式健康監(jiān)測器200的簡化表示。在此實例中，可穿戴式健康監(jiān)測器200共享與現(xiàn)有技術的可穿戴式健康監(jiān)測器100所共有的許多組件，其包含控制邏輯、外殼104及條帶102、背面128及兩個光源108。然而，可穿戴式健康監(jiān)測器200是以代替光電檢測器元件112的具有非正方形作用區(qū)域的光電 檢測器元件212為特征。

如上文所討論，PPG傳感器通過將光照射到人的皮膚中而操作。此光擴散通過人的肉體，且此光的一部分接著從緊鄰光被引入到肉體中之處的人的皮膚往回發(fā)射；從人的肉體往回發(fā)射的光的量隨著與光源相距的距離增加而衰減。當將明亮的筆燈或其它集中式光源抵著皮膚固定時可看見此效果；其中光源接觸皮膚的區(qū)域周圍的肉體將由于擴散光而變成紅色或橙色。雖然對于人眼不可感知，但是從人的皮膚中發(fā)出的此光的量將與人的心率同步波動。當人的心臟跳動時，人的血管隨著心臟脈動施加壓力于人的血液上而與心臟同步膨脹及收縮，這繼而又導致人的血管中的循環(huán)壓力增加。當血管膨脹時，其允許更多血液流入血管中，這導致人的肉體的給定區(qū)中存在的血液的量隨著人的心率的節(jié)奏波動。這繼而又導致來自光源且從肉體往回發(fā)出的光的量波動。心率接著可通過經(jīng)由上述擴散機構(gòu)測量從人體中發(fā)出的光的量來確定。此經(jīng)測量光可具有兩個分量-保持恒定的分量(即，通常從皮膚發(fā)出且與心率無關的光)及隨著心率波動的分量。保持恒定的光在本文可稱為“DC”，因為其可被認為在一些方面類似于直流電(因為其隨時間保持相對恒定)。波動的光在本文可稱為“AC”，因為其可被認為類似于交流電(因為其隨時間相對規(guī)則地波動)。典型的心率可能在從每分鐘搏動50次(BPM)到200bpm的范圍中，且光的AC分量可具有映射到心率頻率的頻率。

一般來說，經(jīng)檢測光的AC分量(在本文可稱為“AC光學功率”或更一般地簡稱為“光強度”)的量值可遠小于DC分量，這是因為擴散到人的皮膚中且接著被發(fā)出的大量光仍然將會發(fā)出，而與歸因于心跳而存在的血液的量的變化無關。然而，主要關注AC分量，因為其指示心率。

圖3是根據(jù)實例實施方案的從人的肉體獲得心率信息的實例PPG傳感器的經(jīng)發(fā)射光強度及經(jīng)檢測光強度的理論繪制圖。應了解，圖3不一定按比例繪制且不描繪實際數(shù)據(jù)；其僅僅旨在輔助讀者理解經(jīng)檢測光信號的AC分量及DC分量之間的差異。在圖3中，水平軸指示時間，且垂直軸指示光強度。如可知，光在此實例中是以恒定值350發(fā)射到人的肉體中。接著由光電檢測器元件測量從人的皮膚發(fā)出的光；此經(jīng)測量光強度被描繪為數(shù)據(jù)跡線348。數(shù)據(jù)跡線348可被分割為不隨時間波動的DC分量346及隨時間波動的AC分量344。

如上所述，常規(guī)的PPG傳感器可包含位于光源附近(或在許多情況中，位于兩個或兩個以上光源附近)的正方形光電檢測器元件。本發(fā)明者確定此布置在依據(jù)潛在功耗變化的信號收集方面是低效的。例如，光電檢測器通常包括單個光敏橫向區(qū)域(例如，平行于光電檢測器裸片頂面、提供指示在任何給定時刻入射在光敏單元上的光的總量的輸出信 號的區(qū)域)。此光電檢測器所消耗的功率量與光電檢測器的光敏區(qū)域的大小直接相關。本發(fā)明者確定，對于正方形光電檢測器元件，極大百分比的光電檢測器元件可位于其中與其中定位光電檢測器元件的其它部分的位置相比發(fā)出極低量的AC光的位置中。此效果關于如下文陳述的一些圖進行更詳細地討論。

圖4描繪了根據(jù)實例實施方案的從人的接近手腕的手臂上的尺寸為近似4.5mm寬乘以5mm高的矩形區(qū)發(fā)出的光的經(jīng)測量AC功率強度的灰度繪制圖。光源408位于X＝0mm及Y＝0mm處且將光照射到人的臂中；往回發(fā)出的光的強度被反映在圖像中的陰影中(最大及最小光強度歸因于使用黑白墨水的限制表現(xiàn)為類似的-應了解，光強度在圖像的左側(cè)處是最大的且接著在圖像的右邊緣處下降到最低強度)。圖4中使用的光源是1.9mm直徑的綠色波長LED，但是其產(chǎn)生的照明光束集中在小于直徑1.9mm的區(qū)域中。圖4是基于針對受試人獲取的實際圖像數(shù)據(jù)；因而，其包含導致所檢測的光強度不對稱的各種缺陷，例如頭發(fā)。此實例中使用的光源發(fā)射主要在515mm到545mm范圍中的光，即，主要是綠光。

矩形區(qū)已被劃分為十二個矩形格子；每一格子中的數(shù)目指示總格子區(qū)域內(nèi)可歸屬于所述特定格子的總AC光強度的分數(shù)(又稱為“功率分數(shù)”)。因此，左下角中的格子得到從總共十二個格子發(fā)射的總AC光強度或功率的20％，而緊靠在所述格子右側(cè)的格子在所述區(qū)內(nèi)只得到總AC光強度或功率的9％。

圖4還描繪了與光源中心間隔近似2.5mm的典型正方形光電檢測器元件的占據(jù)面積442。如本文所使用，術語“光電檢測器元件”、“作用區(qū)域”、“作用區(qū)”、“光敏區(qū)域”及“占據(jù)面積”(關于光電檢測器)全部是指光電檢測器的相同部分，即，可實際上檢測入射在光電檢測器上的光的光電檢測器的區(qū)域。應了解，光電檢測器還可包含在作用區(qū)域外側(cè)的其它組件，例如與光電檢測器元件交互以提供功率或產(chǎn)生信號輸出的互連件、電路、專用集成電路(ASIC)等。這些其它組件并未被視為光電檢測器元件的部分。因此，帶有2mm乘以2mm正方形光電檢測器元件的光電檢測器(其具有位于光電檢測器元件的一個邊緣附近的1mm乘以2mm的ASIC)可能具有3mm乘以2mm的總大小(其將為矩形)，但是所述光電檢測器的光電檢測器元件將并非為矩形，因為ASIC并非光電檢測器元件的部分。還應了解，本文對“正方形”光電檢測器的引用是指具有正方形光電檢測器元件的光電檢測器，而與整個光電檢測器所具有的長寬比無關。類似地，本文對“矩形”或“非正方形”光電檢測器的引用應被理解為分別指代具有矩形或非正方形光電檢測器元件的光電檢測器，而與光電檢測器是否整體具有正方形形狀無關。

歸因于正方形光電檢測器元件的長寬比及定位，一半以上的作用區(qū)域只能夠測量來自最右側(cè)的六個格子的光，其只表示總格子區(qū)域中的可用AC功率的14％。正方形光電檢測器元件將甚至不會收集來自所述最右側(cè)六個格子的所有可用光，因為其只與所述最右側(cè)六個格子中的一者完全重疊-只有從最右側(cè)六個格子中的剩余五個格子中發(fā)出的光的部分將可由正方形光電檢測器元件收集。如所示，正方形光電檢測器元件可只能夠測量跨全部十二個格子發(fā)射的可用光強度的約20％。

即使正方形光電檢測器元件被移位到左側(cè)使得最靠近光源的邊緣位于與光源中心相距近似1.85mm之處，正方形光電檢測器元件的近似40％將仍然只能夠測量來自最右側(cè)六個格子的光。在此情況中，正方形光電檢測器元件可收集12個格子中可用的AC光學功率的大概50％。

本發(fā)明者確定可通過偏離常規(guī)PPG傳感器的光電檢測器元件中使用的典型正方形(或近似正方形)長寬比來實現(xiàn)顯著的性能提高。更具體地說，本發(fā)明者確定與具有相同作用區(qū)域的正方形光電檢測器相比，使用高長寬比光電檢測器元件可提供可由光電檢測器測量的AC光的量的顯著提高而不會引起顯著的功耗懲罰。如本文所使用，術語“高長寬比”(或“HAR”)光電檢測器是指非正方形光電檢測器，其中在本文可稱為“所關注的作用區(qū)域”的光電檢測器元件作用區(qū)域的至少90％沿第一軸的最大第一尺寸的大小是光電檢測器元件沿垂直于或正交于第一軸的第二軸的最大第二尺寸的至少兩倍；第二軸平行于從與光電檢測器一起使用以形成PPG傳感器的光源的中心發(fā)出的光線，且第一軸垂直于所述光線。最大第一尺寸可被認為是均平行于從光源的中心發(fā)出的光線且穿過在垂直于光線的方向上最遠離光線的所關注的作用區(qū)域的相對端的兩條線之間的距離。最大第二尺寸對應地可被認為是均垂直于從光源的中心發(fā)出的光線且穿過最遠離及最靠近光源的中心的所關注的作用區(qū)域的相對端的兩條線之間的距離?！白畲蟮谝怀叽纭痹诒疚募皺嗬髸羞€可被稱為HAR光電檢測器的“高度”或“長度”，且“最大第二尺寸”在本文及權利要求書中還可被稱為HAR光電檢測器的“底邊”或“寬度”。

應了解，雖然本文討論的實例是以具有垂直于從PPG傳感器光源向外延伸的光線的長軸的HAR光電檢測器元件為特征，但是可通過利用并非嚴格垂直(例如，與垂直相距±10°)的類似大小的光電檢測器元件實現(xiàn)類似性能優(yōu)勢。更一般來說，本文討論的概念可使用HAR光電檢測器元件來實踐，所述HAR光電檢測器元件經(jīng)布置使得此類HAR光電檢測器元件的長軸橫向于從光源的中心向外輻射的光線。

圖5描繪根據(jù)實例實施方案的圖4的相同光強度圖像映射，但是所述圖式增加了高長寬比光電檢測器元件的輪廓。所示的HAR光電檢測器元件輪廓具有近似2.8:1的高度 與寬度長寬比，且完全與最左側(cè)六個格子重疊，所述最左側(cè)六個格子表示總格子區(qū)域中的可用AC功率的近似85％。因此，圖5中所示的HAR光電檢測器元件能夠收集的光是圖4中所示的正方形光電檢測器元件能夠收集的光的將近四倍。HAR光電檢測器能夠提供此類改善的光收集能力，同時仍然具有與圖4的正方形光電檢測器基本上相同的作用區(qū)域。例如，正方形光電檢測器元件可具有近似7mm²的作用區(qū)域，且HAR光電檢測器元件可具有近似7mm²的作用區(qū)域。因此，由正方形光電檢測器及HAR光電檢測器消耗的功率將近似相等，因為其具有相同作用區(qū)域。因此，在圖5中所示的實例模擬中，HAR光電檢測器與如圖4中所述的傳統(tǒng)正方形光電檢測器實施方案相比在所收集的AC功率方面提供了300％的改善，同時實際上無需額外功率來得到此改善。

圖6描繪根據(jù)實例實施方案的由于照射到16mm乘以16mm皮膚區(qū)的中心處的皮膚中的光而在所述區(qū)內(nèi)發(fā)出的光的AC強度或功率的模擬。在圖6中，示出了兩個光電檢測器作用區(qū)域占據(jù)面積642-一個是正方形光電檢測器占據(jù)面積652且一個是HAR光電檢測器占據(jù)面積654。這兩者均具有7.5mm²的面積(其是Fitbit Charge HR^TM及Surge^TM產(chǎn)品中使用的正方形光電檢測器的光敏區(qū)域的面積)且經(jīng)定位使得最靠近光源的邊緣與光源中心偏離1.65mm。圖6中的點刻密度提供相對強度的指示-點刻密度越高，光強度就越高(中心區(qū)并未被點刻，因為此區(qū)域?qū)嶋H上是光從其中穿過而被引入到皮膚中的區(qū)加上某個緩沖區(qū)，且其不適用于獲得光強度測量)。如可知，HAR光電檢測器占據(jù)面積654與較高密度的點刻/光強度區(qū)重疊的比例遠高于正方形光電檢測器占據(jù)面積652與較高密度的點刻/光強度區(qū)重疊的比例。

圖7描繪根據(jù)實例實施方案的可測量AC光功率依據(jù)關于圖6中所示的模擬的光電檢測器占據(jù)面積長寬比變化的繪制圖。垂直軸表示可由光電檢測器測量的AC光功率，且水平軸表示光電檢測器的長寬比；垂直軸已經(jīng)正規(guī)化使得1:1長寬比光電檢測器提供值為1的可測量AC光功率。如可知，通過利用HAR光電檢測器(例如具有2:1或3:1的長寬比的光電檢測器)，可由HAR光電檢測器測量的AC光的量與正方形光電檢測器相比可增加多達20％。此是低于上文關于圖5討論的性能增加的性能增加，但是就PPG傳感器的功耗效率來說仍然是顯著的。在模型化案例中，具有介于3:1與4:1之間的長寬比的HAR光電檢測器在此方面提供最高性能。如本文所使用，關于范圍的術語“介于……之間”是用來指示包含范圍的上限及下限的范圍。因此，在以上實例中，3:1及4:1的長寬比將包含在“介于3:1與4:1之間”的范圍中。此慣例在本文及權利要求書中使用。可關于使用“到”來描述暗示范圍進行相同觀察，例如“3:1到4:1的比”將意指“介于3:1到4:1之間”且3:1及4:1將包含在此范圍中。

圖8描繪根據(jù)實例實施方案的可測量AC光功率依據(jù)關于圖6中所示的模擬的光電檢測器占據(jù)面積長寬比變化的繪制圖，但是光電檢測器最靠近光源的中心的邊緣與光源中心偏離2.6mm而非1.65mm。垂直軸表示可由光電檢測器測量的AC光功率，且水平軸表示光電檢測器的長寬比；垂直軸已經(jīng)正規(guī)化使得1:1長寬比光電檢測器提供值為1的可測量AC光功率。如可知，當使用與光源的間隔進一步增加的HAR光電檢測器時可觀察到類似性能增加，但是性能增加稍微更加明顯，例如對于具有3:1到5:1的長寬比的HAR光電檢測器來說性能增加多達～27％。

鑒于上文，在一些實施方案中，PPG傳感器可利用具有介于2:1與5:1之間的長寬比的一或多個HAR光電檢測器元件。在一些實施方案中，PPG傳感器可利用具有介于2:1與7:2之間的長寬比的一或多個HAR光電檢測器元件，且在一些其它實施方案中，PPG傳感器可利用具有介于7:2與5:1之間的長寬比的一或多個HAR光電檢測器元件。應了解，HAR光電檢測器元件可具有大致上落在本文討論的長寬比之間的比例，在此點之前及之后，(例如)HAR光電檢測器元件還可具有將滿足此類長寬比的尺寸的±0.1mm內(nèi)的尺寸，或具有此類長寬比的±0.1mm內(nèi)的長寬比，例如，對于2:1到5:1長寬比范圍，具有1.8:1或5.5:1的長寬比的HAR光電檢測器元件可被視為具有大致上在介于2:1與5:1之間的長寬比之間的長寬比。

當根據(jù)如下文更詳細地討論的一或多個指導原則布置及調(diào)整大小時，HAR光電檢測器可增加有效性。

如先前提及，HAR光電檢測器的作用或光敏區(qū)域的至少90％沿第一軸的最大第一尺寸的大小可為作用或光敏區(qū)域沿垂直于或正交于第一軸的第二軸的最大第二尺寸的至少兩倍；第二軸平行于從與光電檢測器一起使用以形成PPG傳感器的光源的中心發(fā)出的光線，且第一軸垂直于所述光線。此概念在下文參考若干圖式進行更詳細討論。

圖9描繪根據(jù)實例實施方案的呈直線的HAR光電檢測器元件912的圖。如可知，HAR光電檢測器元件912的作用區(qū)域是矩形的且具有沿垂直于從光源908的中心發(fā)出的光線956的軸的第一尺寸986及沿平行于光線956的軸的第二尺寸988；第一尺寸986及第二尺寸988因此彼此正交。在此情況中，HAR光電檢測器元件912具有其中作用區(qū)域總體上具有比第二尺寸988大三倍的第一尺寸986的形狀因數(shù)，即，HAR光電檢測器元件912的作用或光敏區(qū)域的100％具有大小為最大第二尺寸的至少兩倍(在此情況中，三倍)的最大第一尺寸。

在此特定實例中，HAR光電檢測器元件912是矩形元件，其在制造良率方面是最有效形狀，因為此類光電檢測器元件可通過僅僅以與制造正方形光電檢測器元件幾乎相同 方式(僅僅具有不同切割間距)以矩形方格切割具有用于光電檢測器元件的必需半導體元件的半導體晶片而制成。

如本文所述的HAR光電檢測器還可呈除簡單矩形之外的HAR形狀。下文更詳細地討論此類替代光電檢測器元件的若干實例。

圖10描繪根據(jù)實例實施方案的大體上為矩形但擁有一些非矩形方面的HAR光電檢測器元件1012的圖。HAR光電檢測器元件1012可具有最靠近光源1008的第一邊緣及與第一邊緣相對的拱形第二邊緣。如果考慮HAR光電檢測器元件1012的整個作用區(qū)域，那么應明白，HAR光電檢測器元件1012具有具備最大第一尺寸1090及最大第二尺寸1092的作用區(qū)域，這與HAR光電檢測器元件912相同。因此，經(jīng)描繪HAR光電檢測器元件1012還將被視為具有3:1的長寬比。

圖11描繪根據(jù)實例實施方案的類似于圖10的HAR光電檢測器元件但具有沿第一邊緣的矩形切口的HAR光電檢測器元件1112的圖。雖然此光電檢測器元件的作用區(qū)域不同于圖9及10的光電檢測器元件，但是HAR光電檢測器元件1112的作用區(qū)域仍然具有比作用區(qū)域的最大第二尺寸1192大三倍的最大第一尺寸1190。

圖12描繪根據(jù)實例實施方案的類似于圖9的HAR光電檢測器元件的HAR光電檢測器元件1212的圖，但HAR光電檢測器元件1212的作用區(qū)域大體上為矩形而又具有從矩形區(qū)域向外突出的“半島狀物”。在此情況中，如果考慮光電檢測器的作用區(qū)域的100％，那么最大第一尺寸1290及最大第二尺寸1292'將在技術上相同，這將導致1:1的長寬比。然而，如果省略半島的作用區(qū)域，那么光電檢測器元件1212的作用區(qū)域(例如，所關注的作用區(qū)域1294)的剩余90％(由對角線交叉影線指示)具有比最大第二尺寸1292大三倍的最大第一尺寸1290。因此，此光電檢測器元件1212在本文所述的條件下可被視為HAR光電檢測器元件。

圖13描繪根據(jù)實例實施方案的為拱形形狀的HAR光電檢測器元件1312的圖。在此情況中，HAR光電檢測器元件1312具有具備比最大第二尺寸也大三倍的最大第一尺寸的作用區(qū)域。

為了清楚起見，圖9到13中所示的光電檢測器元件的所有實例均可被分類為HAR光電檢測器元件，因為此類光電檢測器元件中的每一者的作用或光敏區(qū)域的至少90％具有沿第一軸的最大第一尺寸，其中第一軸垂直于從PPG傳感器的光源的中心發(fā)出的光線，所述最大第一尺寸的大小是作用或光敏區(qū)域沿垂直于或正交于第一軸的第二軸的最大第二尺寸的至少兩倍。當然，存在可被視為HAR光電檢測器元件的其它形狀及實例的光電檢測器元件，這與以上討論是相稱的。

一般來說，雖然只需要一個光源及一個光電檢測器元件來構(gòu)造PPG傳感器，但是包含多個光源或發(fā)光裝置及/或多個光電檢測器元件可提供增加的靈敏度，但是以增加功耗為代價。

如果使用多個發(fā)光裝置，那么例如其可如圖1及2中所示般彼此分隔開或可緊密地分組。在一些實施方案中，所有此類光源均可為相同類型的光源。然而，在一些其它實施方案中，不同類型的光源可用于一些或所有光源。例如，可希望利用主要發(fā)射綠色光譜中的光的LED以用于檢測心率的目的，因為從人的皮膚往回發(fā)射的光的波動在綠色光譜中可能更加明顯。同時，光體積描記技術還可用來測量除心率之外的其它生理參數(shù)，例如血氧水平。在此類情形中，可希望利用主要發(fā)射紅色或紅外線光譜中的光的LED以用于此類目的。因此，可希望包含各自能夠發(fā)射不同波長的光的單獨發(fā)光裝置；每一發(fā)光裝置可用來為不同類型的光體積描記測量供應光。在一些實施方案中，這些發(fā)光裝置或光源可分布在整個PPG傳感器面中-例如，圖2的左側(cè)上的光源108可為綠色波長LED，且圖2的右側(cè)上的光源108可為紅色或紅外線波長LED。在一些其它實施方案中，發(fā)光裝置可緊密地集群在一起(例如，彼此相隔一毫米或兩毫米或更小)；在此類實施方案中，經(jīng)集群發(fā)光裝置可被視為具有中心點的單個光源，所述中心點(例如)與當集群中的所有發(fā)光裝置同時發(fā)光時發(fā)光裝置的集群的光強度分布的質(zhì)心相關聯(lián)，或與集群中的所有發(fā)光裝置的平均位置相關聯(lián)。對于具有單個發(fā)光裝置的光源，光源的中心被理解為對應于通常與所述發(fā)光裝置的光強度分布的質(zhì)心(例如，通常是LED的中心)相關聯(lián)的點。應了解，如本文所使用的術語“發(fā)光裝置”是指單個離散發(fā)光裝置(例如單個LED或激光二極管)，且如本文所使用的術語“光源”是指通常被視為單元的一或多個發(fā)光裝置，所述一或多個發(fā)光裝置(例如)足夠緊靠在一起使得當發(fā)光裝置的群組中的發(fā)光裝置全部同時發(fā)光且觀察者與發(fā)光裝置相距近似2英尺到3英尺時觀察者將不能辨認所述群組中的發(fā)光裝置之間的間隙(這假設發(fā)光裝置發(fā)射觀察者可見的光譜中的光；對于發(fā)射不可見光譜中的光(例如，紅外線)的發(fā)光裝置，此評估可基于當此類發(fā)光裝置替代地發(fā)射可見光時此類發(fā)光裝置之間的間隙是否將在2英尺到3英尺的距離處可見)。

以例如圖1中所示的實例的正方形光電檢測器元件為特征的常規(guī)PPG傳感器可利用包圍光電檢測器元件的兩個光源以使得可緩解圖4中顯而易見的照明強度的下降-在此布置中，沿圖4的經(jīng)描繪區(qū)域的左邊緣的光強度可沿經(jīng)描繪區(qū)域的右邊緣成鏡像，導致鄰近于正方形光電檢測器中間的較低強度的光的谷部分，但是正方形光電檢測器的左邊緣及右邊緣可看到增加的光強度。然而，這要求對兩個而非一個LED供電，從而實際上將可歸屬于光源的功耗加倍。

本發(fā)明者確定在一些情況中，利用HAR光電檢測器元件可提出比包含多個光源的常規(guī)方法更具功率效率的用于實現(xiàn)增加的傳感器性能的技術，這是因為HAR光電檢測器元件及單個光源可實現(xiàn)可相當于或優(yōu)于具有多個光源的正方形光電檢測器的性能的性能-從而避免使用額外的光源(且避免其將引起的額外功耗)。

本發(fā)明者還確定在一些情況中可通過將多個HAR光電檢測器布置在圍繞光源的陣列或圖案中來得到PPG傳感器性能的進一步增加。因為相同光源可向多個HAR光電檢測器提供光，所以在此類實施方案中與只具有一個光電檢測器元件的實施方案相比存在很少或不存在可歸屬于光源的額外功耗。此類HAR光電檢測器元件的使用還可增加PPG傳感器的信號對環(huán)境噪聲比。

圖14到16描繪若干根據(jù)實例實施方案的具有多個HAR光電檢測器的實施方案的若干實例。在圖14中，示出了兩個HAR光電檢測器元件1412，其中光源1408插入所述兩個HAR光電檢測器元件1412中間。在圖15中，示出了以光源1508為中心的圓形陣列中的三個HAR光電檢測器元件1512。類似地，在圖16中，四個HAR光電檢測器元件1612布置在圍繞光源1608的圓形陣列中。此類圖案或陣列中的HAR光電檢測器元件無需等距間隔，如圖14、15及16中的實施方案所示一樣。例如，三個元件的陣列可通過從圖16中所示的陣列移除光電檢測器元件1612中的一者而形成。此圖案或陣列內(nèi)的光電檢測器元件也無需全部具有相同大小及形狀。例如，圖16中的上部及下部光電檢測器元件1612可能具有5:1的長寬比，且圖16中的左側(cè)及右側(cè)HAR光電檢測器元件1612可能具有3:1的長寬比(其是所描繪的實際長寬比)。圖17描繪光電檢測器元件的另一實例布置。在圖17中，上部及下部HAR光電檢測器元件1612 16可具有2:1的長寬比，且左側(cè)及右側(cè)HAR光電檢測器元件1612可具有3:1的長寬比；在一些此類實施方案中，較短的光電檢測器元件(例如，所描繪的實例中2:1長寬比的光電檢測器元件1712)可經(jīng)定位使得其較短邊緣的中點大體上沿跨越較長光電檢測器元件(例如，所描繪的實例中3:1長寬比的光電檢測器元件1712)的短邊緣的線定位。在涉及多個HAR光電檢測器元件的一些PPG實施方案中，HAR光電檢測器元件可占據(jù)具有1mm的環(huán)寬的光源周圍的環(huán)狀區(qū)的50％以上。

圖18描繪根據(jù)實例實施方案的如圖15中所示但光源中使用多個發(fā)光裝置的PPG傳感器光電檢測器布局的實例。如本文先前討論，PPG傳感器可利用一或多個光源，其中的每一者可包含一或多個發(fā)光裝置。如可知，光源1808包含兩個發(fā)光裝置1810，其可為(例如)表面安裝LED，一個主要發(fā)射綠色波長光且另一個主要發(fā)射紅色波長光。兩個發(fā)光裝置1810可界定位于它們中間的中心點1866，且可被組合地視為形成光源1808。 應了解，發(fā)光裝置1810可單獨操作且在實際使用期間無法同時通電。因此，當發(fā)光裝置1810開啟時光電檢測器元件1812的陣列可不表現(xiàn)為以任一發(fā)光裝置1810的中心為中心，但盡管如此，光電檢測器元件1812的陣列可被視為以光源1808中心。

本發(fā)明者進一步確定在至少一些實施方案中，HAR光電檢測器元件可調(diào)整大小使得其寬度或HAR光電檢測器元件的作用區(qū)域的至少90％的第二最大尺寸介于近似0.5mm與1mm之間；在這些實施方案的一些實施方案中可存在與此范圍的一定偏離，例如其中此尺寸在0.45mm與1.1mm之間的范圍中的HAR光電檢測器元件。

一般來說，從人的皮膚發(fā)出的來自于PPG光源的光的光強度以軸向?qū)ΨQ方式隨著與光源的中心相距的距離增加而下降(這假設單個光源PPG傳感器)。因此，光源可由各自與不同的平均光強度對應的多個同心、環(huán)狀區(qū)包圍。本發(fā)明者分析此類環(huán)狀區(qū)的特性且確定與特定環(huán)狀區(qū)的內(nèi)半徑無關，在環(huán)狀區(qū)的內(nèi)半徑之外的可用的經(jīng)發(fā)出光的可用功率或強度的近似80％發(fā)生在內(nèi)半徑的1mm內(nèi)。因此，具有近似1mm的環(huán)寬的特定環(huán)狀區(qū)將得到在所述環(huán)狀區(qū)的內(nèi)半徑之外可用的光強度/功率的近似80％。為了清楚起見，環(huán)狀區(qū)的“環(huán)寬”(w)等于環(huán)狀區(qū)的外半徑(r_o)減去環(huán)狀區(qū)的內(nèi)半徑(r_i)。此在圖19中加以說明，圖19示出了根據(jù)實例實施方案的光源1908及周圍環(huán)狀區(qū)1958；指示環(huán)狀區(qū)1958的內(nèi)半徑r_i、外半徑r_o及環(huán)寬。圖20描繪根據(jù)實例實施方案的從任意內(nèi)半徑r_i之外發(fā)出的光強度的分數(shù)的繪制圖，所述內(nèi)半徑r_i落在具有內(nèi)半徑r_i及如沿x軸指示的環(huán)形寬度的環(huán)形區(qū)的邊界內(nèi)。如可知，可用光強度的近似80％落在內(nèi)半徑r_i之外及1mm的內(nèi)半徑r_i之內(nèi)。

本發(fā)明者確定，鑒于此1mm區(qū)域內(nèi)的經(jīng)發(fā)出光強度的高集中度，調(diào)整HAR光電檢測器的大小以便具有近似1mm寬度或更小寬度或使得上文引用的第二尺寸為近似1mm或更小在一些實施方案中可提供PPG傳感器中的增強的性能。

在一些實施方案中，HAR光電檢測器元件可經(jīng)調(diào)整大小及布置以滿足某些幾何約束。例如，在一些實施方案中，HAR光電檢測器元件的大小可受如下文關于圖21進一步描述的某些幾何關系約束。圖21描繪光源、HAR光電檢測器及各種參考注釋。在圖21中，HAR光電檢測器元件2112被示為經(jīng)定位與光源2108相距距離r_i。具有內(nèi)半徑r_i及外半徑r_o的環(huán)狀區(qū)2158可以光源2108為中心。一般來說，在此類實施方案中對于環(huán)狀區(qū)2158來說，r_i與r_o之間的差可小于或等于2mm。除上文所述的r_i與r_o之間的關系之外，如所示，HAR光電檢測器元件2112可對向于光源中心處的角度θ。在此類情況中，HAR光電檢測器可調(diào)整大小使得a)環(huán)狀區(qū)2158與HAR光電檢測器元件2112之間存在至少80％的重疊(重疊在圖21中是由對角線交叉影線指示；在此實例中，HAR光 電檢測器2112的近似86％與環(huán)狀區(qū)2158重疊)，且b)角度θ是至少：

$2\·\arctan \left(\frac{1}{r_i}\right)radians$

在一些進一步實施方案中，HAR光電檢測器2112可經(jīng)進一步調(diào)整大小使得角度θ不大于：

$2\·\arctan \left(\frac{2.5}{r_i}\right)radians$

圖22到24描繪根據(jù)各個實例實施方案的各種PPG傳感器的簡化表示的橫截面。圖22到24中的每一者中的類似組件是由具有共同的最后兩個數(shù)字的數(shù)字指示符指示，且可只關于圖22描述一次；然而，此描述也可適用于圖23及24中的對應元件。

在圖22中，襯底2272支撐位于光源2208的任一側(cè)上的兩個HAR光電檢測器元件2212。窗口2278偏離襯底2272。在此實施方案中，窗口2278是由半透明或透明材料(例如透明丙烯酸)制成，其中模內(nèi)標簽2276嵌入于其內(nèi)。模內(nèi)標簽2276可為黑色的或以其它方式呈現(xiàn)為對光不透明以防止光(除通過窗口區(qū)2226之外)通過窗口2278進入或離開PPG傳感器。在其它實施方案中，可使用例如施加于窗口2278的噴漆或絲網(wǎng)印刷掩模的其它掩蔽技術。與使用哪種技術無關，模內(nèi)標簽2276或掩蔽均可防止來自其它光源(例如，環(huán)境光)的雜散光到達HAR光電檢測器元件2212并影響由PPG傳感器獲得的心率信號。當獲得心率測量以允許來自光源2208的光照射通過其相關聯(lián)的窗口區(qū)2226且進入人的皮膚中時，可抵著人的皮膚固定窗口2278(例如通過用條帶固定在適當位置中)，其中光接著擴散到周圍肉體中并接著從人的皮膚往回發(fā)射且通過與HAR光電檢測器元件2212相關聯(lián)的相應窗口區(qū)2226進入HAR光電檢測器元件2212。

為了減小來自光源2208的光在未首先通過人的皮膚擴散的情況下到達HAR光電檢測器元件2212中的任一者的可能性，光源2208可通過壁2274與PPG傳感器內(nèi)的HAR光電檢測器元件2212分離，壁2274可延伸到窗口2278或可未到達窗口2278。在一些實施方案中，粘附性間隙填充物(例如，黑色硅膠)可用來將壁2274與窗口2278之間的任何間隙橋接。在一些實施方案中，間隙2280可存在于窗口2278與HAR光電檢測器元件2212之間，但是在其它實施方案中，此間隙可被消除且HAR光電檢測器元件2212可鄰接窗口2278。壁2274可防止來自光源2208的光通過遵循完全在PPG傳感器的外殼內(nèi)的路徑到達HAR光電檢測器元件2212。如可知，光從其中穿過到達HAR光電檢測器元件2212的窗口區(qū)2226各自與其相應的HAR光電檢測器元件2212重疊。在經(jīng)描繪實例中，窗口區(qū)2226與其相應的HAR光電檢測器元件2212彼此共同延伸，但是在 其它實施方案中，窗口區(qū)2226可小于或大于其相應的HAR光電檢測器元件2212，例如以適應組裝公差失配。

圖23描繪除窗口2378不包含任何掩蔽(例如，呈模內(nèi)標簽(例如模內(nèi)標簽2276)的形式)之外類似于圖22的PPG傳感器的PPG傳感器實施方案。在圖23中，壁2374還延伸到更靠近窗口2378。在圖23中，窗口2378在整個經(jīng)描述跨度內(nèi)光學透明。

圖24描繪除連續(xù)窗口2278及2328已用離散窗口2478替換之外類似于圖22及23的PPG傳感器實施方案的PPG傳感器實施方案。在此實施方案中，每一窗口2478可具有其自身的與光源2408或HAR光電檢測器元件2412中的不同者重疊的窗口區(qū)2426。在此類實施方案中，窗口2478可經(jīng)膠合或以其它方式固定在可供應壁2474的框架內(nèi)的適當位置中。替代地，窗口2478可通過使用透明可流動材料(例如環(huán)氧樹脂)填充由壁2474及其它周圍結(jié)構(gòu)形成的凹口且接著允許可流動材料固化并硬化而形成。在此類實施方案中，間隙2480可不存在，因為可流動材料可囊封HAR光電檢測器元件2412。

與提供窗口區(qū)2226、2326或2426的特定方式無關，窗口區(qū)與HAR光電檢測器元件重疊使得經(jīng)由窗口區(qū)進入PPG傳感器的光與涉及迫使光以平行于窗口的方向行進(如可使用各種類型的透明光導進行)的路線相比通常采用到HAR光電檢測器元件的直接路線。如本文關于PPG傳感器所使用的短語“光學光導”是指特定類型的光學結(jié)構(gòu)，所述光學結(jié)構(gòu)將通過表面進入表面的第一區(qū)內(nèi)的光改向或傳送使得大多數(shù)所述光以大體上橫向于表面的方向傳送到與沿表面偏離第一區(qū)的表面的第二區(qū)重疊的區(qū)域。如本文所使用的術語，光學光導不與其它光學結(jié)構(gòu)(例如，可放置在HAR光電檢測器元件上方以提高收集效率的微透鏡陣列或透鏡、可使穿過窗口的光稍微折射但不以顯著方式沿橫向于表面的方向?qū)⒐鈧魉突蚋南虻墓鈱W窗口、可僅僅將某些波長的光濾波的光學濾波器等)混淆。在本文討論的PPG傳感器的一些實施方案中，無需光學光導，因為HAR光電檢測器元件通常與窗戶區(qū)重疊。

以上概念已主要關于發(fā)射綠光(例如，500nm到550nm的范圍中的波長)的光源進行討論，但是預期本文討論的光電檢測器元件概念可利用主要發(fā)射500nm到600nm范圍中的光(包含黃色光以及某種明亮的橙色光)的光源得到類似性能。發(fā)射綠色光譜中的光的光源尤其非常適于用于測量心率的光體積描記技術。相比之下，例如用于測量血氧水平的技術的其它光體積描記技術在使用明顯不同波長(例如，在紅色波長(例如，660nm)或紅外線光譜中)的光的情況下可能是最有效的。本文討論的長寬比及尺寸值是基于綠色/黃色光譜而定制且不適合在其它光譜(例如紅色或紅外線光譜)中使用。

雖然本文討論的概念被認為可適用于各種不同大小的光電檢測器，但是概念尤其可 適用于用于可穿戴式健康監(jiān)測裝置的PPG實施方案。一般來說，通常經(jīng)設計成作為手鏈或腕帶穿戴的此類裝置具有小的外殼，所述外殼具有與人的皮膚接觸的有限區(qū)域。因此，在此類實施方案中，PPG傳感器的光源及光電檢測器元件可如何布置及調(diào)整大小存在實際上限。一般來說，此類實施方案的光源及光電檢測器元件可經(jīng)布置使得光電檢測器元件經(jīng)定位使得最靠近光源的邊緣經(jīng)定位成與光源的中心或邊緣相距1mm到4mm之間。然而，應了解，本文討論的實施方案可在實現(xiàn)與光源中心相距更近或更遠間距(例如，比1mm更靠近或比4mm離的更遠的間距)的產(chǎn)品中使用。

在一些實施方案中，可在PPG中使用的HAR光電檢測器元件可經(jīng)定位使得最靠近PPG傳感器的光源的邊緣與光源的中心偏離1mm與4mm之間且可調(diào)整大小使得其具有大致上介于1mm與5mm之間的最大第一尺寸及大致上介于0.05mm與2mm之間的最大第二尺寸，同時符合最大第一尺寸與最大第二尺寸的長寬比(大致上介于2:1到5:1之間)。

雖然光電檢測器元件可經(jīng)定位使得其最靠近邊緣與光源的中心相距4mm以上，但是這樣做可證實為適得其反，因為可需要較高強度的光源來確保足夠多的光跨越增加的距離而擴散以在光電檢測器處獲得足夠強的信號。因為較高強度的光源將通常消耗額外功率，此折衷在可穿戴式健康監(jiān)測器背景中可為非所需的。

除本文討論的HAR光電檢測器之外，可通過使用通常環(huán)繞光源且在光源的中間具有中心開口以供光源照射穿過的非HAR及非正方形光電檢測器元件實現(xiàn)相對于用于心率測量的基于正方形光電檢測器的PPG的性能增加。一般來說，此類光電檢測器元件可具有由第一邊界界定的外圍及第一邊界內(nèi)界定中心開口的第二邊界。圖25及26描繪此類PPG傳感器的兩個實例實施方案。

圖25描繪根據(jù)實例實施方案的在中間具有光源2508的環(huán)狀光電檢測器元件2512的實例。環(huán)狀光電檢測器元件2512可具有由第一邊界2532界定的外圍及由第二邊界2534界定的中心開口；第一邊界2532及第二邊界2534可沿環(huán)狀區(qū)域的半徑彼此偏離第一距離2584。光源2508可為主要發(fā)射500nm與550nm之間或500nm與600nm之間的波長中的光的綠色波長光源。此光電檢測器元件2512可調(diào)整大小使得第二邊界2534的周長與第一距離2584的比介于9.5:1與11.5:1之間。在一些實施方案中，環(huán)狀光電檢測器元件2512可調(diào)整大小使得第一邊界具有介于3mm到5.5mm之間的直徑，且第二邊界具有介于1mm到2.5mm之間的直徑。此類參數(shù)被認為當與綠色波長光一起使用時提供良好的聚光性能以用于心率測量目的。

圖26描繪根據(jù)實例實施例的中間具有光源2608的多邊形光電檢測器元件2612的 實例。如同環(huán)狀光電檢測器元件2512，多邊形光電檢測器元件2612可具有由第一邊界2632界定的外圍及由第二邊界2634界定的中心開口。然而，在此情況中，第一邊界2632及第二邊界2634兩者本質(zhì)上均為多邊形，例如，六邊形。其它多邊形形狀可用于其它實施方案，例如三角形形狀、正方形形狀、五邊形形狀、七邊形形狀、八邊形形狀等，即，N邊形。第一邊界2632及第二邊界2634的邊緣可沿垂直于邊緣的軸彼此偏離第一距離2684。在此類實施方案中，形成第二邊界2634的多邊形的每一邊可具有第二長度2682，且第二長度2682與第一距離2684的比可介于2:1到5:1之間。這些參數(shù)被認為當與綠色波長光一起使用時提供良好的聚光性能以用于心率測量目的。

應了解，本文中對“控制邏輯”的引用是指可用于提供某些功能性(例如控制PPG的光源何時開啟或關閉、控制照明光源的強度、收集來自一或多個光電檢測器的數(shù)據(jù)及分析從一或多個光電檢測器收集的至少所述數(shù)據(jù)以確定人的心率的測量)的硬件及/或軟件?？刂七壿嬁砂?例如)一或多個處理器及存儲用于控制一或多個處理器以提供此功能性的計算機可執(zhí)行指令的存儲器?？刂七壿嬤€可包含可提供此功能性的方面而無需存儲在存儲器中的計算機可執(zhí)行指令的各種電路元件。在一些實施方案中，控制邏輯可至少部分由專用集成電路(ASIC)提供。

圖27描繪根據(jù)實例實施方案的PPG傳感器的高層次框圖。在圖27中，示出控制邏輯2706，其包含操作性地彼此耦合的處理器2768及存儲器2770。控制邏輯操作性地與光源2708及光電檢測器元件2712耦合?？刂七壿?706可因此導致光源2708在所需時間發(fā)光，且可從光電檢測器元件2712接收指示經(jīng)檢測光的量的信號。

本文描述且說明了許多發(fā)明。雖然已描述并說明了本發(fā)明的某些實施方案、特征、屬性及優(yōu)點，但是應了解，本發(fā)明的許多其它以及不同的及/或類似的實施方案、特征、屬性及優(yōu)點根據(jù)描述及說明變得顯而易見。因而，本發(fā)明的以上實施方案僅僅是示范性的。本發(fā)明的以上實施方案不旨在為詳盡的或?qū)⒈景l(fā)明限于所揭示的精確形式、技術、材料及/或配置。在本發(fā)明的背景下，許多修改及變型是可行的。應了解，在不脫離本發(fā)明的范圍的情況下可利用其它實施方案且可作出操作改變。因而，本發(fā)明的范圍不單單限于以上描述，因為以上實施方案的描述是為了說明及描述的目的而呈現(xiàn)。

特定地說，應了解，上文關于與光源分隔開的單個光電檢測器元件討論的實施方案中的任一者也可使用布置在光源周圍的多個光電檢測器元件來實施，如關于本文討論的各種其它實施方案來討論。

此外，應了解，除非關于特定背景、關于數(shù)值數(shù)量或其它可定量關系(例如，垂直度或平行度)另有限定，否則本文的術語“大致上”的使用應被理解為指示±10％的量。因 此，例如，大致上彼此垂直的線可彼此成介于81°與99°之間的角度。在進一步實例中，大致上介于1mm與3mm之間的尺寸例如可在從0.9mm到3.3mm的范圍中。在另一實例中，大致上在1.1弧度的范圍中的角度可介于0.9弧度與1.21弧度之間。

重要的是，本發(fā)明不限于任何單個方面或?qū)嵤┓桨?，也不限于此類方面?或?qū)嵤┓桨傅娜魏谓M合及/或排列。此外，本發(fā)明的方面及/或其實施方案中的每一者可單獨或結(jié)合本發(fā)明的其它方面及/或?qū)嵤┓桨钢械囊换蚨嗾邅聿捎?。為了簡明起見，本文將不會單獨討論?或說明許多所述排列及組合。