测量装置和测量方法 【技术领域】
本发明涉及测量装置和测量方法。背景技术 近年来, 已提出了一种光谱测定方法, 其中, 通过用光辐射测量目标并测量来自该 测量目标的反射光来分析测量目标。在光谱测定方法中, 为了在不使来自测量目标的反射 光泄露的情况下收集光, 在许多情况下都使用称为积分球的光学装置。在使用积分球的光 谱测定方法中, 当进行大致分类时, 存在以下两种测量方式。
(1) 相对于测量目标从多角度收集来自发光元件的辐射光, 在光谱过滤器前使反 射光准直并对其加以引导, 然后测量测量目标的光谱反射率。
(2) 从多角度在光谱过滤器处收集来自测量目标的漫反射, 在光谱过滤器前使反 射光准直并对其加以引导, 然后测量测量目标的光谱反射率。
另外, 通常执行这样的方法, 其中, 诸如氙气灯的白光源用辐射光辐射测量目标, 来自测量目标的反射光被光谱过滤器分散成几十种波长。
此外, 例如, 如日本未审查专利申请公开 (PCT 申请的译文 ) 第 2007-532183 号中 所披露的, 提出了不利用积分球测量来自测量目标的光的光谱测定装置。
发明内容 然而, 使用上述积分球的光谱测定装置存在以下问题 : 因为需要积分球或准直反 射光的光学元件, 所以很难将装置小型化。另外, 存在以下问题 : 因为需要向用作发射光的 辐射光源的氙光源供应大量的电力 (power), 所以很难节省电力, 而且因为需要对应于几十 个波长的光谱过滤器, 所以很难降低成本。
甚至在日本未审查专利申请公开 (PCT 申请的译文 ) 第 2007-532183 号所披露的 方法中, 由于使用衍射光栅将来自测量目标的光分散, 所以很难将整个装置小型化。
期望提供能够进一步使装置小型化的测量装置和测量方法。
根据本发明实施方式, 提供了一种测量装置, 包括 : 光传感元件, 来自其上放置有 测量目标的测量目标区域的光在该光传感元件上形成图像 ; 以及多个发光元件, 以环形设 置在光传感元件周围, 并向测量目标区域辐射光, 其中, 多个发光元件被设置为相对于测量 目标区域的法线倾斜, 以使来自每个发光元件的辐射光 (radiated emission) 的中心线穿 过测量目标区域的大致中心。
可以根据测量目标区域和光传感元件之间的间距来设定由辐射光的中心线与测 量目标区域的法线形成的角度。
如果间距等于或小于预定阈值, 则可以将角度设为 45°, 而如果间距超过预定阈 值, 则可以将角度设为小于 45°。
优选地将测量目标区域设置为面向光传感元件。
优选地, 4N(N 为等于或大于 1 的整数 ) 个发光元件以 (90/N)°的间隔设置在光传
感元件周围。
提供给测量目标区域的辐射光的数值孔径优选地等于或小于 0.2。
多个发光元件可以辐射具有相同波长特性的光。
辐射具有 N 种不同波长的光的发光元件可以以每种波长四个发光元件的方式被 设置作为多个发光元件。
辐射具有 5 种不同波长的光的 20 个发光元件可以 18°的间隔设置在光传感元件 周围。
具有 5 种不同波长的光的中心波长优选地分别为 500nm、 540nm、 580nm、 620nm 和 660nm。
中心波长为 580nm 的光的半峰全宽优选地小于中心波长为 500nm、 540nm、 620nm 和 660nm 的光的半峰全宽。
辐 射 具 有 N 种 不 同 波 长 的 光 的 发 光 元 件 可 以 以 分 时 方 式 (time divisional manner) 利用 N 个脉冲辐射光, 以具有预定脉冲宽度。
多个发光元件可以分别地并且同时地辐射白光以具有预定脉冲宽度。
光传感元件的光传感表面可以被分为 N 个区域, 并且通过其传输具有 N 种不同波 长的光的滤光器可以被设置在每个区域的上侧。
光传感元件的光传感表面可以被分为 5 个区域, 并且可以通过滤光器传输中心波 长为 500nm、 540nm、 580nm、 620nm 和 660nm 的光。
中心波长为 580nm 的光的半峰全宽优选地小于中心波长为 500nm、 540nm、 620nm 和 660nm 的光的半峰全宽。
来自测量目标区域的经准直的漫反射可以入射至滤光器。
测量目标区域的尺寸可以与由从多个发光元件辐射的光所形成的斑点的尺寸基 本相同。
测量装置可被设置在具有开口部的外壳 (casing) 内, 并且测量目标区域可以是 置于开口部上的人的皮肤表面。
根据本发明的另一个实施方式, 提供了一种测量方法, 包括 : 从多个发光元件辐射 预定波长的光, 该多个发光元件以环形设置在光传感元件周围, 并且向测量目标区域辐射 光, 使得来自每个发光元件的辐射光的中心线穿过测量目标区域的大致中心, 其中, 来自其 上放置有测量目标的测量目标区域的光在光传感元件上形成图像 ; 以及, 使光传感元件感 测来自测量目标区域的漫反射光。
如上所述, 根据本发明, 可以进一步将测量来自测量目标的反射光的测量装置中 的装置小型化。 附图说明
图 1A 是示出根据本发明第一实施方式的测量装置的整体配置的示意图。 图 1B 是示出根据本发明第一实施方式的测量装置的整体配置的示意图。 图 2 是示出包括在根据本发明第一实施方式的测量装置中的光学系统的实例的 图 3 是示出安装角和通过光传感元件检测的反射光量之间的关系的曲线图。5示图。
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说明书3/12 页图 4 是示出安装角和通过光传感元件检测的反射光量之间的关系的曲线图。
图 5 是示出发光元件的数值孔径和反射率之间的关系的曲线图。
图 6 是示出皮肤反射率的波长特性的曲线图。
图 7 是示出皮肤反射率的波长特性的曲线图。
图 8 是示出中心波长的半峰全宽 (full width at half maximum) 和反射率之间 的关系的曲线图。
图 9 是示出根据本发明第一实施方式的发光元件的发光定时 (timing) 实例的示 图。
图 10 是示出包括在根据本发明第二实施方式的测量装置中的光学系统的实例的 示图。
图 11 是示出根据本发明第二实施方式的发光元件的发光定时实例的示图。
图 12 是示出包括在根据本发明第二实施方式的测量装置中的光学系统的实例的 示图。
图 13 是示出根据本发明各实施方式的测量装置的应用实例的示图。
图 14 是示出根据本发明各实施方式的测量装置的应用实例的示图。 具体实施方式 在下文中, 将参照附图详细描述本发明的示例性实施方式。 另外, 具有相同功能配 置的组成元件给出相同的参考标号, 并省略详细的描述。
此外, 将按以下顺序进行描述。
1. 第一实施方式
1-1. 测量装置的整体配置
1-2. 光学系统的配置
2. 第二实施方式
2-1. 光学系统的配置
3. 测量装置的应用实例
第一实施方式
测量装置的整体配置
首先, 参考图 1A 和图 1B, 简要地描述根据本发明第一实施方式的测量装置的整体 配置。图 1A 和图 1B 是示出根据该实施方式的测量装置的整体配置的示意图。
如图 1A 所示, 根据该实施方式的测量装置 1 具有由任意物质制成的外壳 11, 而开 口部 13 设置在外壳 11 的一部分处。在图 1A 中, 开口部 13 的形状为圆形, 开口部 13 的形 状并不限于圆形而可以为多边形或椭圆形。测量目标 ( 例如, 人的皮肤等 ) 置于开口部 13 的部分上, 根据实施方式的测量装置 1 测量所放置的测量目标。另外, 开口部 13 具有通孔 (through-hole) 的尺寸, 然而, 它可以根据包括在后述的光学系统 100 中的光传感元件的 尺寸来适当地确定。
图 1B 是沿着图 1A 中的线 IB-IB 的截面图。
如图 1B 所示, 外壳 11 内部是中空的, 根据实施方式的测量装置 1 的光学系统 100 安装在外壳 11 的内部。另外, 外壳 11 内壁优选为黑色或类似于黑色的色调, 以抑制从光学
系统 100 泄漏的光的反射。
这里, 将再次详细描述安装在外壳 11 内部的光学系统 100。在图 1B 中, 尽管示出 只有光学系统 100 存在于外壳 11 的内部, 但除了光学系统 100 之外, 在不影响光学系统 100 中的测量处理的范围内, 还可以在外壳 11 内部安装任意单元。
光学系统的配置
接下来, 参考图 2, 将详细描述包括在根据实施方式的测量装置 1 中的光学系统。 图 2 示出包括在根据实施方式的测量装置中的光学系统的实例的示图。
图 2 的上部是从开口部 13 侧看去的根据实施方式的光学系统 100 的平面图, 图2 的下部是沿着图 2 的上部的中心线的根据实施方式的光学系统 100 的截面图。 另外, 在图 2 所示的实例中, 将描述以下情况, 即, 人的皮肤表面 B 置于开口部 13 上, 并且置于开口部 13 上的人的皮肤表面 B 为测量目标区域。
如图 2 所示, 根据实施方式的光学系统 100 具有设置在具有任意形状的容纳单元 (containing unit)( 诸如衬底 ) 处的光传感元件 101 以及设置在具有任意形状的容纳单元 ( 诸如衬底 ) 处的多个发光元件 103。
来自其上放置有测量目标的测量目标区域的光 ( 反射光 ) 在光传感元件 101 上形 成图像。光传感元件 101 根据在光传感表面上形成图像的光的光量产生表示形成图像的光 的光量的数据等。光传感元件 101 的实例包括光电二极管, 然而, 根据实施方式的光传感元 件 101 并不限于此, 而是可以使用其他光学传感器。另外, 光传感元件 101 可以测量其他物 理量, 诸如形成图像的光的亮度值, 取代在光传感表面上形成图像的光的光量。 如图 2 所示, 光传感元件 101 被设置为面向设置在测量装置 1 的外壳 11 中的开口 部 13。 换言之, 光传感元件 101 被设置为基本上平行地面向开口部 13。 另外, 光传感元件 101 的尺寸可以根据设置为开口部 13 的通孔来适当地确定, 并且, 例如, 可以使用 10mm×10mm 的小尺寸光学传感器等。在使用小尺寸光学传感器的情况下, 开口部 13 的尺寸优选为 10mmφ。
如图 2 的上部所示, 多个发光元件 103 以环形设置在光传感元件 101 的周围。作 为发光元件 103, 例如, 可以使用发光二极管。
发光元件 103 相对于开口部 13 的中心 105 以相同的间隔均匀设置。例如, 4N(N 为 等于或大于 1 的整数 ) 个发光元件 103 相对于开口部 13 的中心 105 以 (90/N)°的间隔设 置。设置在光传感元件 101 周围的发光元件 103 的数目可以根据光传感元件 101 的尺寸、 测量装置 1 自身的尺寸等进行适当地设定, 然而, 例如, 优选地以 18°的间隔设置 20 个发光 元件 103。
另外, 可以根据从测量目标测量的是何种特征来适当地选择由发光元件 103 辐射 的光的波长, 例如, 优选使用能够辐射可见光波段 ( 约 400nm ~ 700nm) 的光的发光元件。
如图 2 的下部所示, 多个发光元件 103 被设置为相对于测量目标区域的法线倾斜, 从而从每个发光元件 103 辐射的发射光的中心线 L 都穿过测量目标区域的中心 105。 另外, 由从每个发光元件 103 辐射的发射光在测量目标区域中形成的斑点的尺寸优选地与开口 部 13 的尺寸基本上相同 ( 几乎彼此重叠 ), 如图 2 的下部所示。在图 2 的下部中, 由辐射的 发射光的中心线 L 和测量目标区域的法线形成的角度由 θ 表示。在下文中, 将角度 θ 称 为发光元件 103 的安装角。
根据测量目标区域和光传感元件 101 之间的间距 ( 图 2 下部中的距离 d) 来设定 发光元件 103 的安装角。就是说, 如果间距 d 等于或小于预定阈值 ( 例如, 20mm), 则将安装 角 θ 设为 45°, 而如果该间距大于预定阈值 ( 例如, 20mm), 则将安装角设为小于 45° ( 优 选地, 20°~ 30° )。
如果不以测量装置小型化为目的, 则可以将测量目标区域和光传感元件 101 之间 的间距设定为任意大的值, 然而, 在根据实施方式的测量装置 1 中, 间距 d 的上限优选为约 40mm。
这里, 将参考图 3 和图 4 详细描述发光元件 103 的安装角 θ 和间距 d 之间的关系。 图 3 和图 4 是示出安装角 θ 和通过光传感元件检测的反射光量之间的关系的曲线图。
首先, 参考图 3。 图 3 示出了如下结果, 即, 在图 2 中所示的测量装置中的测量目标 区域和光传感元件 101 之间的间距 d 为 20mm 的情况下, 将白色漫反射板设置在开口部 13 处, 当从发光元件 103 辐射的光被反射时光传感元件 101 测量反射光量。另外, 在图 3 中, 横轴表示发光元件的安装角 θ, 纵轴表示相对于由白色漫反射板反射的 100%光量的反射 率 (reflectance)(% )。
这里, 将由发光元件 103 辐射的光的波长设定为 5 种 : 500nm、 540nm、 580nm、 620nm 和 660nm, 并测量每种波长的反射率。 另外, 图 3 所示的曲线图同时示出利用相关技术中的光谱测定装置中使用的积分 球实际测量的五种波长的反射率。
该积分球通过从多角度收集光来对角分量 (angle component) 进行积分和取平均 值, 因而所测得的反射率并不取决于角度, 测量结果显示为水平线, 如图 3 所示。另一方面, 如果改变安装角 θ 并且在图 2 所示的光学系统 100 中测量反射率, 其结果由图 3 中的实线 所示。从图 3 可以清楚地看出, 在改变安装角 θ 时测得的反射率的结果中, 所测得的反射 率值随着安装角 θ 而变化, 可以看出, 所测得的反射率具有角度依赖性。
在图 3 中, 改变安装角 θ 时测得的结果和利用积分球的反射率之间的交点具有重 要的意义。换言之, 对应于交点的安装角 θ 是无需利用积分球就可正确执行测量的发光元 件的安装角。
在图 3 的情况下, 当关注可见光波段 (400nm ~ 700nm) 中的 500nm、 540nm、 580nm、 620nm 和 660nm 波长时, 可以看出, 利用积分球测得的结果和在根据实施方式的光学系统 100 中实际测得的结果之间的交点在 ±45°的范围内。因此, 如果在根据实施方式的光学 系统 100 中间距 d 为 20mm, 则安装角优选为 45°。
此外, 在图 3 所示的实例中, 尽管示出了间距 d 为 20mm 的情况下的测量结果, 但即 使在不同于 20mm 的实例中, 在间距 d ≤ 20mm 的范围内, 反射率测量结果也表现出如图 3 中 的相同的结果。因此, 在根据实施方式的光学系统 100 中, 在间距 d 在 20mm 内的情况下, 发 光元件 103 的安装角 θ 优选为 45°。
接下来, 参考图 4。 图 4 示出了如下结果, 即, 在图 2 所示的测量装置中的测量目标 区域和光传感元件 101 之间的间距 d 为 21mm 的情况下, 将白色漫反射板设置在开口部 13 处, 当从发光元件 103 辐射的光被反射时光传感元件 101 测量反射光量。另外, 同样在图 4 中, 横轴表示发光元件的安装角 θ, 纵轴表示相对于由白色漫反射板反射的 100%光量的 反射率 (% )。
从图 4 可以清楚地看出, 如果间距 d 超过 20mm, 根据实施方式的光学系统 100 的反 射率的角度依赖性相比间距 d 等于或小于 20mm 的情况有所改变。结果, 与利用积分球测得 的结果的交叉点位于比间距 d ≤ 20mm 情况下的 ±45°小的位置。因此, 如果间距 d 超过 20mm, 则发光元件 103 的安装角 θ 优选小于 45°。另外, 在图 4 中, 可以看出, 在所述五种 波长中安装角 θ 优选为 ±20°~ ±30°。
同样, 在根据实施方式的光学系统 100 中, 基于在利用积分球测量的情况下每种 波长处的反射率来确定发光元件 103 的安装角 θ。因此, 在根据实施方式的光学系统 100 中, 可以更精确地测量从测量目标区域反射的光。
再次参考图 2, 将描述根据实施方式的发光元件 103。
优选地, 根据实施方式的发光元件 103 可以辐射低数值孔径的光。该低数值孔径 的光可以通过发光元件 103 的自身光发射来实现, 或可以通过将预定聚光透镜和发光元件 相结合来实现。在这里, 将来自发光元件 103 的辐射的发射光的数值孔径设定为使得图 3 和图 4 中表示反射率的安装角依赖性的曲线与利用积分球测得的反射率测量结果相交。
图 3 和图 4 中所示的反射率的安装角依赖性是利用数值孔径 NA = 0.2 的发光元 件 103 测得的结果。另外, 图 5 中所示的曲线图示出了, 在关注波长为 540nm 时将发光元件 数值孔径设定为 0.2 和 0.3 的情况下的反射率的测量结果。从图 5 可以清楚地看出, 如果 间距被设定为等于或大于预定阈值的大的值, 则表示反射率的安装角依赖性的曲线不会与 利用积分球测得的反射率的测量结果相交。因此, 将发光元件 103 的辐射的发射光的数值 孔径设定为使得表示反射率的安装角依赖性的曲线与利用积分球测得的反射率的测量结 果相交。在图 3 至图 5 所示的实例中, 辐射的发射光的数值孔径 NA 设定为 0.2 或更小, 从 而使得表示反射率的安装角依赖性的曲线与利用积分球测得的反射率的测量结果相交, 因 而可以确定适当的安装角 θ。
再次参考图 2, 将进一步描述根据该实施方式的发光元件 103。
如上所述, 根据实施方式的光学系统 100 具有间隔为 (90/N)°的 4N(N 为等于或 大于 1 的整数 ) 个发光元件 103, 并且在图 2 上部所示的实例中, 光学系统 100 具有间隔为 18°的 20 个发光元件 103。
这里, 在根据实施方式的光学系统 100 中, 可以辐射 N 种不同波长的光的发光元件 按照每种波长四个发光元件的方式设置。例如, 在图 2 上部的实例中, 可分别辐射五种波长 的光的发光元件 103A ~ 103E 按照每种波长四个发光元件的方式设置。在这种情况下, 辐 射相同波长的光的发光元件 103, 例如以 90°的间隔设置在光传感元件 101 的周围。从而, 辐射相同波长的光的发光元件 103 被设置成位于相对于开口部 13 的中心 105 对称的点上。
这里, N 种波长的光可以由发光元件单独提供, 或可以由传输通过其中的预定波长 的光的滤光器和发光元件结合 ( 例如, 滤光器和白光发光元件相结合 ) 来提供。
另外, 由多个发光元件 103 辐射的光波长种类可以根据作为测量目标的现象或物 质来确定, 或者可以适当地选择使作为测量目标的现象或物质能够被高效测量的波长 ( 换 言之, 作为测量目标的现象或物质的特征性波长 )。 例如, 如下所述, 如果人的皮肤是测量目 标, 则优选地选择中心波长为 500nm、 540nm、 580nm、 620nm 和 660nm 的五种光。
图 6 示出了在可见光波段 (400nm ~ 700nm) 人的皮肤的反射率的测量结果。从 6 可以清楚地看出, 人的皮肤的反射率在约 400nm ~ 500nm 波段平稳增大, 之后反射率略有下降直至约 600nm 波段, 然后反射率从约 600nm 波段开始迅速增大直至约 650nm 波段。
这里, 在人的皮肤为测量目标的情况下, 关注如图 6 所示的整个可见光波段的原 因在于, 需要能够辐射可见光波段中所有类型的光的光源并且需要诸如衍射光栅的光谱元 件, 以为每种波长确定光量。结果, 可以预计很难将测量装置小型化。
因此, 在根据实施方式的测量装置 1 中, 通过选择对作为测量目标的现象或物质 来说具有特征性的 N 种波长, 无需利用特殊光源或光谱元件即可以高效地测量作为测量目 标的现象或物质。例如, 在图 6 所示的人的皮肤的情况下, 光谱的特征性波长位置为图 7 中 所示的五个点。因此, 在根据实施方式的测量装置 1 中, 通过关注图 7 中所示的五种波长可 以高效地测量人的皮肤。另外, 在将人的血液中存在的各种血红蛋白 ( 诸如氧络血红蛋白、 糖化血红蛋白和还原血红蛋白 ) 作为测量目标的情况下, 这五种波长是有用的。
另外, 在测量装置 1 没有安装所有可以提供作为测量目标的现象或物质的特征性 波长 (distinctive wavelength) 的光的发光元件 103 的情况下, 可以根据可安装的发光元 件数目选择一些特征性波长。例如, 在当人的皮肤为测量目标时没有安装 5×4 = 20 个发 光元件的情况下, 可以在五种波长中从特征性波长开始逐一地选择波长。在图 6 所示的光 谱中, 最具特征性的波长是对应于反射率迅速增大的位置的 580nm 的波长。因此, 例如, 在 仅选择三种波长的情况下, 首先, 选择 580nm 的波长, 然后可以选择 500nm 波长和 540nm 波 长中的一个, 此后可以选择 620nm 波长和 660nm 波长中的一个。 这里, 在人的皮肤为测量目标并且关注五种波长的情况下, 中心波长为 580nm 的 光的半峰全宽优选地小于中心波长为 500nm、 540nm、 620nm 和 660nm 的光的半峰全宽。具体 地, 优选中心波长为 580nm 的光的半峰全宽为 10nm ~ 20nm, 而中心波长为 500nm、 540nm、 620nm 和 660nm 的光的半峰全宽为 30nm ~ 50nm。其原因将参考图 6 和图 8 进行详细描述。
如图 6 所示, 人的皮肤的反射率在波长 580nm 附近迅速增大, 而反射率在其他波段 的变化相对平稳。因而, 为了精确地测量中心波长 580nm 处的反射率, 该中心波长的波长宽 度优选地比其他中心波长的窄。
图 8 是示出中心波长的半峰全宽和所观察到的反射率之间的关系的曲线图。通过 在改变中心波长为 500nm、 540nm、 580nm、 620nm 和 660nm 的光的半峰全宽而同时进行辐射时 测量所观察到的反射率生成了该曲线图。 从图 8 可以看出, 如果半峰全宽等于或大于 20nm, 则中心波长为 580nm 的光趋于增大反射率。另一方面, 可以看出, 如果半峰全宽等于或小于 30nm, 其他波长的光的反射率没有变化, 即使半峰全宽等于或小于 50nm, 反射率也没有很大 的变化。 根据该结果, 如上所述, 优选中心波长为 580nm 的光的半峰全宽为 10nm ~ 20nm, 中 心波长为 500nm、 540nm、 620nm 和 660nm 的光的半峰全宽为 30nm ~ 50nm。
如上所述, 在根据实施方式的测量装置 1 的光学系统 100 中, 4N 个发光元件 103 向 测量目标区域辐射 N 种波长的光, 然而, 优选地延长 N 种波长的辐射定时并用光辐射测量目 标区域。例如, 如图 9 所示, 在当向发光元件 103 输入一种脉冲波形时发光元件 103 辐射预 定波长的光的情况下, 优选以分时方式利用 N 种脉冲波形来辐射 N 种波长的光。此时, 为了 确保利用一次辐射就足以执行测量的光量, 在每种波长 λN 处的脉冲波形的宽度优选地例 如为等于或大于 1ms。另外, 为了防止不同波长的光混合, 关于第 t 种波长 λt 的脉冲波形 时间位置和关于第 (t+1) 种波长 λt+1 的脉冲波形时间位置优选地例如为等于或大于 2ms。
如上所述, 通过以分时方式控制光发射, 将 N 种波长的光顺序提供至测量目标区
域, 对应于每种波长的反射光在光传感元件 101 上形成图像。因此, 光传感元件 101 可以精 确地测量对应于每种波长的反射光的光量。
同样地, 如上面参考图 2 至图 9 所描述的, 在根据实施方式的测量装置 1 中, 用N 种波长的光顺序辐射测量目标区域, 光传感元件测量对应于每种波长的反射光, 从而获得 置于测量目标区域上的测量目标的光学信息。此外, 因为测量是在预先选择作为测量目标 的现象或物质的特征性波长之后执行的, 所以在根据实施方式的测量装置 1 中, 不需要诸 如积分球或衍射光栅的光学单元, 从而可以实现装置的小型化。因为光电二极管可以用作 N 种波长的光的光源, 所以甚至在安装 4N 个发光元件的情况下, 也可以节省电力并降低成 本。
第二实施方式
根据本发明第一实施方式的测量装置 1 利用 N 种波长的光以不同定时辐射测量目 标区域, 并测量置于测量目标区域上的测量目标。在以下所述的根据本发明第二实施方式 的测量装置 1 中, 4N 个发光元件用相同波长的光同时辐射测量目标区域, 并测量置于测量 目标区域上的测量目标。此时, 在根据第二实施方式的测量装置 1 中, 滤光器正好设置在光 传感元件 101 前面, 并选择所关注的 N 种波长。 光学系统配置
根据该实施方式的测量装置 1 的外观与根据图 1A 中所示第一实施方式的测量装 置 1 的外观相同, 因此将省略其详细描述。在下文中, 参考图 10, 将详细描述包括在根据该 实施方式的测量装置 1 中的光学系统 100 的配置。图 10 是示出包括在根据该实施方式的 测量装置中的光学系统的实例的示图。
图 10 的上部为从开口部 13 侧看去的根据该实施方式的光学系统 100 的平面图, 图 10 的下部为沿着图 10 的上部中心线的根据该实施方式的光学系统 100 的截面图。 另外, 在图 10 所示的实例中, 将描述人的皮肤表面 B 置于开口部 13 上并且置于开口部 13 上的皮 肤表面 B 为测量目标区域的情况。
如图 10 所示, 根据实施方式的光学系统 100 具有设置在具有任意形状的容纳单元 ( 诸如衬底 ) 处的光传感元件 101 和设置在具有任意形状的容纳单元 ( 诸如衬底 ) 处的多 个发光元件 103。 另外, 滤光器 111 和准直透镜 (Collimating lens)113 设置在光传感元件 101 的光传感表面的上侧 ( 图 10 的下部中的 Z 轴正向 )。
在来自置于测量目标区域上的测量目标的反射光中, 穿过准直透镜 113 和滤光器 111 的光在光传感元件 101 上形成图像。光传感元件 101 根据在光传感表面上形成图像的 光的光量产生表示形成图像的光的光量的数据等。光传感元件 101 的实例包括光电二极 管, 然而, 根据实施方式的光传感元件 101 并不限于此, 而是还可以使用其他光学传感器。
以与第一实施方式类似的方式, 将光传感元件 101 设置为面向设置在测量装置 1 的外壳 11 中的开口部 13。
如图 10 的上部所示, 将彼此具有相同发射特性的多个发光元件 103 以环形设置在 光传感元件 101 周围。作为发光元件 103, 可以与第一实施方式类似的方式使用发光二极 管。
相对于开口部 13 的中心 105 以相同的间隔均匀地设置发光元件 103。例如, 相对 于开口部 13 的中心 105 以 (90/N)°的间隔设置 4N(N 为等于或大于 1 的整数 ) 个发光元件
103。可以根据光传感元件 101 的尺寸、 测量装置 1 自身的尺寸等适当地设定设置在光传感 元件 101 周围的发光元件 103 的数目, 然而, 例如, 优选地以 18°的间隔设置 20 个发光元件 103。
另外, 可以根据从测量目标测量何种特征来适当地选择由发光元件 103 辐射的光 的波长, 然而, 例如, 优选地使用能够辐射包括测量目标的所有特征性波长的波段的光的发 光元件 103。通过利用例如白光发光元件作为根据实施方式的发光元件 103, 可以测量的是 测量目标的特征性波长存在于可见光波段 ( 约 400nm ~ 700nm) 中。
如图 10 的下部所示, 多个发光元件 103 被设置为相对于测量目标区域的法线倾 斜, 从而从每个发光元件 103 辐射的发射光的中心线 L 穿过测量目标区域的中心 105。另 外, 由从每个发光元件 103 辐射的发射光形成的斑点的尺寸优选地与开口部 13 的尺寸基本 相同 ( 几乎彼此重叠 ), 如图 10 的下部所示。
发光元件 103 的安装角 θ 和数值孔径 NA 可以根据第一实施方式中描述的基准来 确定, 并优选为与第一实施方式类似的数值范围。
优选地, 如上所述多个发光元件 103 辐射具有相同波长特性的光, 并且多个发光 元件 103 同时发射光。为此, 例如, 如图 11 所示, 在向发光元件 103 输入一种脉冲波形时发 光元件 103 辐射白光的情况下, 同时向多个发光元件 103 输入 N 种脉冲波形, 从而多个发光 元件 103 同时发射光。此时, 为了确保利用一次辐射就足以执行测量的光量, 脉冲波形宽度 优选地例如为等于或大于 1ms。 这里, 在根据实施方式的测量装置 1 中, 同样通过关注测量目标的特征性波长来 进行测量, 并且在下面的描述中, 假定在测量目标 ( 例如, 人的皮肤表面 ) 中存在 N 种特征 性波长。在这种情况下, 通过使用从发光元件 103 发射的具有相同波长特性的光 ( 例如, 白 光发射 ) 被测量目标表面反射所得的反射光, 根据该实施方式的测量装置的光学系统 100 测量 N 种特征性波长的光量等。
在根据实施方式的光学系统 100 中, 使用如图 10 的下部所示的滤光器 111, 以从利 用白光源的反射光中选择所关注的波长的光。滤光器 111 设置在光传感元件 101 的光传感 表面上侧, 以对应于所关注的波长的数目。在实施方式中, 因为关注 N 种特征性波长, 所以 使用 N 个滤光器 111。
如上所述, 滤光器 111 是传输穿过其中的特定波段的光的光学元件 ( 例如, 带通滤 波器 )。 在根据实施方式的光学系统 100 中, 可以根据作为测量目标的特征性波长所关注的 波长段来适当地选择滤光器 111。在实施方式中, 因为关注 N 种波长, 所以选择单独传输通 过其中的 N 种波长的每种波长的 N 个滤光器 111。
这里, 对于每个滤光器 111, 可以根据所关注的波长特性适当地设定通过滤波片的 光的波长宽度。
通过滤光器 111 的反射光在光传感元件 101 的特定区域上形成图像。所以, 根据 实施方式的测量装置 1 可以获取光传感元件 101 和多个滤光器 111 中的每个之间的位置关 系, 从而可以指定在光传感元件 101 的某个区域上形成图像的光是对应于哪个波段的光。
另外, 为了使来自测量目标表面的反射光 ( 漫反射光 ) 高效地入射至滤光器 111, 可以在滤光器 111 的上游 ( 图 10 的下部中的 z 轴正方向侧 ) 设置准直透镜 113( 诸如棒形 透镜 )。 入射至准直透镜 113 的漫反射光通过准直透镜 113 变为平行光束, 然后入射至滤光
器 111。 接下来, 以类似于第一实施方式的方式, 例如, 在人的皮肤表面为测量目标的情况 下, 将详细描述根据实施方式的光学系统 100, 具体地, 光传感元件 101 和滤光器 111。
如参考图 6 和 7 所描述的, 来自人的皮肤表面的反射光中的特征性波长为 500nm、 540nm、 580nm、 620nm 和 660nm 五种波长。 所以, 为了测量五种波长的光的光量等, 如图 12 的 上部所示, 可以将光传感元件 101 划分为五个区域 101A ~ 101E。在光传感元件 101 中, 可 以物理地或虚拟地 ( 为处理方便 ) 划分这五个区域。在光传感元件 101 的五个区域中, 例 如, 区域 101A 为波长为 A 的光在其上形成图像的区域, 区域 101B 为波长为 B 在其上形成图 像的区域。在这里, 在使用 10mm×10mm 尺寸的光电二极管作为光传感元件 101 的情况下, 该光电二极管可以分成五个 2×10mm 区域。
尽管图 12 的上部示出了用作光传感元件 101 的光电二极管以条形形状被均匀地 分成五个条形区域的情况, 然而区域的形状并不限于如图 12 中所示的矩形形状。
如图 12 所示, 五个带通滤波器用作滤光器 111, 使得对应各波长的光在五个光传 感区域上形成图像。在下面的描述中, 假定波长 A 对应于中心波长 500nm, 波长 B 对应于中 心波长 540nm, 波长 C 对应于中心波长 580nm, 波长 D 对应于中心波长 620nm, 波长 E 对应于 中心波长 660nm。另外, 该排列顺序是为了方便起见, 可以适当地确定哪个中心波长对应于 某个区域。
五个滤光器 111 设置在光传感表面的对应区域的上侧 ( 例如, 直接设置在其上 ), 如图 10 和图 12 的下部所示。因此, 例如, 对于入射至设置在区域 101A 正上侧的滤光器 111 上的白反射光, 仅中心波长为 500nm 的预定宽度的光通过滤光器 111, 并且中心波长为 500nm 的预定宽度的光在区域 101A 上形成图像。 另外, 在图 12 中, 为了方便图示, 尽管示出 在光传感元件 101 和滤光器 111 之间存在间隙, 但是滤光器 111 可以直接设置在光传感元 件 101 上, 或可以设置有预定的间隙。
另外, 如上所述, 用于准直漫反射光的准直透镜 113 适当地设置在滤光器 111 的上 侧。
在 这 里, 如 参 考 第 一 实 施 方 式 中 的 图 6 ~ 图 8 所 描 述 的, 人的皮肤的反射率 在 580nm 波长附近迅速增大, 而在其他波段反射率的变化相对平稳。因而, 为了精确地 测量中心波长为 580nm 处的反射率, 当确定每个滤光器 111 的传输带宽 (transmission bandwidth) 时, 用 于 580nm 的 滤 光 器 的 半 峰 全 宽 优 选 小 于 用 于 500nm、 540nm、 620nm 和 660nm 的滤光器的半峰全宽。 具体地, 优选用于 580nm 的滤光器的半峰全宽为 10nm ~ 20nm, 而用于 500nm、 540nm、 620nm 和 660nm 的滤光器的半峰全宽为 30nm ~ 50nm。
同样, 已结合图 10 ~图 12 详细描述了根据实施方式的测量装置 1。 根据实施方式 的测量装置 1 用具有相同波长特性的光同时辐射测量目标区域, 并利用设置在光传感元件 前面的滤光器选择波长, 从而获得置于测量目标区域上的测量目标的光学信息。 此外, 因为 测量是在预先选择作为测量目标的现象或物质的特征性波长之后执行的, 所以在根据实施 方式的测量装置 1 中, 不需要诸如积分球或衍射光栅的光学单元, 从而可以实现装置的小 型化。因为可以将光电二极管用作发光元件, 所以甚至在安装 4N 个发光元件的情况下, 也 可以节省电力并降低成本。
测量装置的应用实例
接下来, 参考图 13 和图 14, 将简要地描述根据本发明各实施方式的测量装置应用 实例。图 13 和图 14 是示出根据本发明各实施方式的测量装置的应用实例的示图。
根据本发明各实施方式的测量装置 1 通过如 13 所示与计算处理装置 200 结合使 用, 可应用于例如测量人的皮肤的特征性波长处的反射率并评价测量结果的装置中。
例如, 在图 13 所示实例中, 根据本发明各实施方式的测量装置 1 用具有 N 种波长 的光辐射人的皮肤, 并利用光传感元件 101 感测来自人的皮肤的反射光。结果, 光传感元件 101 产生所感测到的反射光的信息。测量装置 1 将通过光传感元件 101 产生的测量信息输 出至计算处理装置 200。
计算处理装置 200 的测量信息获取单元 201 获得由测量装置 1 产生的测量信息 ( 例如, 任意皮肤反射光谱、 特定波长处的反射率等信息 ), 并将该测量信息输出至计算单 元 203。
计算单元 203 利用通过测量信息获取单元 201 获得的测量信息基于朗伯 - 比 耳定律 (Lambert-Beer law) 等进行计算, 并计算存在于人的皮肤内的各种物质的丰度 (abundance)。
人的皮肤具有从接近身体表面的地方开始的表皮、 真皮和皮下组织组成的层状结 构。 另外, 当向人的皮肤提供光时, 该光被表皮和真皮之间的界面反射, 通过利用该反射光, 可以测量存在于毛细血管中的血红蛋白等的丰度或浓度。
朗伯 - 比耳定律指出, 物质浓度与从测量结果获得的吸光度成比例, 吸光度被定 义为测量的透射率的倒数的常用对数。另外, 因为吸光度可以表示为物质特有的吸光系数 和该物质的量的乘积, 所以最终可以利用下面等式 101 来计算该物理量。
物理量= Log(1/ 透射率 )/ 吸光系数 (101)
所以, 计算单元 203 基于通过测量装置 1 测得的结果、 等式 101 等计算所述物质的 丰度或浓度。
计算处理装置 200 可以通过在显示器等上显示由计算单元 203 计算出的结果, 向 用户提供关于关注的所包含物质的每日测量结果的变化 (transition)。
图 14 是示出人体内血红蛋白代谢的示意图。
血红蛋白为存在于血液中的包括四个亚基的蛋白质的统称。如图 14 所示, 血红 蛋白通过与由肺吸收的氧结合而转化成氧络血红蛋白, 并在将氧释放到身体内各地方之后 通过与二氧化碳反应转化成还原血红蛋白。另外, 如果诸如葡萄糖的单糖由肝脏释放而进 入血液中, 则血红蛋白通过与单糖结合而变成糖化血红蛋白。该糖化血红蛋白在将键合的 单糖释放到身体内各地方之后转化成还原血红蛋白。 释放的氧和单糖作为能量消耗在身体 内部的各地方。 另外, 当还原血红蛋白达到其寿命终点时, 它被分解成称为胆红素的化合物 (C33H36N4O6), 在肝脏内代谢并排泄出体外。
这里, 因为存在于代谢路径中的氧络血红蛋白、 糖化血红蛋白、 还原血红蛋白等吸 收波长略有不同的光, 所以它们在血液中的浓度可以通过关注反射光的特定波长来进行测 量。第一和第二实施方式所示的 500nm、 540nm、 580nm、 620nm 和 660nm 五种波长用作对测量 这些类型的血红蛋白物质的量有用的波长段。所以, 通过利用根据本发明每个实施方式的 测量装置 1 测量上述五种波长处的反射率, 可以计算氧络血红蛋白、 糖化血红蛋白和还原 血红蛋白的丰度或浓度。通过向用户提供所包含物质的丰度, 用户可以进行有针对性的健康管理或监测健康问题。
尽管已经参考附图描述了本发明的优选实施方式, 但本发明并不限于这些实施方 式。 本领域技术人员应该理解的是, 很显然, 在所附权利要求的范围内可以进行各种修改和 变形, 它们自然地包括在本发明的技术范围内。
例如, 在实施方式中, 尽管发光元件辐射低数值孔径 ( 例如, NA =约 0.2) 的光, 但 可以在由发光元件辐射的光被转化为平行光之后使用。
本发明包含与 2010 年 9 月 16 日提交的日本在先专利申请 JP2010-208337 中公开 的主题相关的主题, 其全部内容结合于此作为参考。
本领域技术人员应当理解的是, 根据设计要求和其他因素, 可以作出各种修改、 组 合、 子组合和变形, 只要它们在所附权利要求或其等同替换的范围内。