超透镜组件、光学系统及可穿戴设备的制作方法

1.本发明涉及光学仪器技术领域，尤其涉及一种超透镜组件、光学系统及可穿戴设备。


背景技术：

2.近几年来，随着穿戴设备的大热，心率测量由于可以反应身体健康状况，及时发现可能与心脏有关的问题，而随之大为盛行。同时随着运动行业的兴起，带有心率血氧监测功能的可穿戴设备，可以为健身爱好者提供运动指导，通过了解心率状况以便对锻炼强度进行控制，避免身体超负荷运动。心率血氧监测原理大都是基于光电容积脉搏波描记法（photoplethysmography，简称ppg）进行探测，这是一种基于光学系统测量脉搏的方法：利用光源发射器和光接收器组成光学系统，通过探测人体组织（例如肌肉，骨骼，静脉，动脉等）对于不同波长光的不同吸收量，从而实时计算出此时人体的心率，血氧含量情况。
3.现有具有心率血氧监测功能的可穿戴设备，其光源发射器和光接收器上集成有超透镜，通过超透镜实现双向光导与耦合，因此，超透镜在可穿戴设备中作为基本元器件起着至关重要的作用。
4.然而，由于血液中氧合血红蛋白和还原血红蛋白对光的散射作用，导致光接收器中接收到的光信号较弱，通常会要求使用者佩戴严实，以避免漏光而使得环境光线对测量产生干扰，但运动过程中可穿戴设备不稳定状态无法避免，运动使穿戴设备不贴合人体，造成精度问题。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明首先提供一种超透镜组件，以至少部分地解决上述技术问题。
6.根据本发明的超透镜组件，包括基底以及多个超透镜，所述基底能够透光，多个所述超透镜呈阵列状布置在所述基底的同一表面上，以形成超透镜阵列，其中，多个所述超透镜具有不同的焦距。
7.可选择地，所述超透镜阵列中，多个所述超透镜的焦距在一最小焦距和一最大焦距之间按指定规律排布，为基于实际应用场景的最小焦距，为基于实际应用场景的最大焦距。
8.可选择地，所述超透镜阵列的阵列数为m
∗
，m、n为正整数，且m、n至少一者不小于1，多个所述超透镜的焦距按照以下公式进行排布：
式中，i为1至m中的正整数。
9.可选择地，每个所述超透镜包括有多个呈阵列状排列的纳米柱。
10.可选择地，所述纳米柱的截面形状为圆形、圆环形，方形，十字形，五边形，梯形或三角形。
11.可选择地，每个所述超透镜中的多个所述纳米柱形状相同或不同。
12.可选择地，所述纳米柱的材质至少包括硅、锗及其化合物、氮化镓、氧化钛、氟化钙、氟化镁、氧化铝或硫系材料中的一种。
13.根据本发明的另一个方面，还提供一种光学系统，包括光源发射器、光接收器以及读取电路，所述光源发射器用于朝待测区域输出光信号，所述光接收器用于接收从所述待测区域反射来的反射光信号，并将所述反射光信号转变为电信号，所述读取电路与所述光接收器电连接，用于读取所述光接收器传输的电信号，所述光源发射器或/和所述光接收器上设置有如上所述的超透镜组件。
14.可选择地，所述光源发射器包括第一发射器和第二发射器，所述光接收器包括第一接收器和第二接收器，所述超透镜组件包括第一超透镜阵列、第二超透镜阵列、第三超透镜阵列和第四超透镜阵列，所述第一超透镜阵列和所述第二超透镜阵列分别集成在所述第一发射器和所述第二发射器上，所述第三超透镜阵列和所述第四超透镜阵列分别集成在所述第一接收器和所述第二接收器上。
15.根据本发明的再一个方面，还提供一种可穿戴设备，包括主体，所述主体上设置有如上所述的光学系统，以用于聚焦光信号。
16.本发明中，由于超透镜组件中的多个超透镜具有不同的焦距，从而能实现多焦段聚焦，在应用至可穿戴设备上时，即使可穿戴设备与人体不贴合，也能实现高效双向光导与耦合，减小了测量误差，提高了测量精度。
附图说明
17.通过参考附图阅读下文的详细描述，本发明示例性实施方式的上述以及其他目的、特征和优点将变得易于理解。在附图中，以示例性而非限制性的方式示出了本发明的若干实施方式，其中：在附图中，相同或对应的标号表示相同或对应的部分。
18.图1为根据本发明一个示例性实施例的超透镜组件的俯视图；图2为根据本发明一个示例性实施例的超透镜组件的细节结构图；图3为根据本发明一个示例性实施例的光学系统的结构简图；图4为根据本发明一个示例性实施例的光学系统的光路示意图；图5为根据本发明一个示例性实施例的光源发射器上集成有超透镜组件的结构示意图；图6为根据本发明一个示例性实施例的光接收器上集成有超透镜组件的结构示意图。
19.图中标号说明：10、超透镜组件；101、第一超透镜阵列；102、第一超透镜阵列；103、第二超透镜阵
列；104、第四超透镜阵列；11、基底；12、超透镜；121、纳米柱； 20、光源发射器；21、第一发射器；22、第二发射器；30、光接收器；31、第一接收器；32、第二接收器；40、读取电路；50、处理模块；200、待测区域。
具体实施方式
20.为使本发明的目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
21.下面将结合附图详细地说明本发明的实施例。
22.如图1和图2所示，根据本发明一个实施例的超透镜组件10，包括基底11以及多个超透镜12。基底11的材料包括但不限于二氧化硅、二氧化钛、聚甲基丙烯酸甲酯（polymethyl methacrylate，简称pmma）、聚二甲基硅氧烷 (polydimethylsiloxane，简称pdms)等具有高透光性的材料，从而基底11能够透光。多个超透镜12呈阵列状布置在基底11的同一表面上，以形成超透镜阵列，其中，多个超透镜12具有不同的焦距，超透镜阵列的焦距范围视应用场景而定，且多个超透镜12阵列排布方式可以为如图2所示的2*2型，还可以是如图1所示的5*4型，还可以是3*3、4*4等m*n 型，m和n皆为正整数，且m、n至少一者不小于1。
23.本发明的超透镜阵列中，多个超透镜12的焦距在一最小焦距和一最大焦距之间按指定规律排布，为基于实际应用场景的最小焦距，为基于实际应用场景的最大焦距。
24.在超透镜阵列的阵列数为m
∗
n，m、n为正整数，且m、n至少一者不小于1的情况下，多个超透镜12的焦距按照以下公式进行排布：式中，i为1至m中的正整数。
25.每个超透镜12包括有多个呈阵列状排列的纳米柱121，基底11起到支撑纳米柱121的作用，纳米柱121的尺寸和形状可以基于目标焦距而确定。具体来说，超透镜12的相位分布可根据如下方式获得（包括但不限于）：1.依据超透镜12相位φ计算公式设计：其中，x，y为超透镜超原子坐标，为斜入射光束与x轴和y轴入射倾角，f为
所设计超透镜的焦距，λ为入射光波长，，。
26.2.借助zemax等光学设计软件，采用二元相位面，根据优化目标获取相位分布，其常用的相位φ分布公式：其中，m为衍射级次，n为项数，为项的系数，对应相位所在归一化坐标。如此，依据上述公式计算得到目标焦距的各个超透镜12的相位分布，进而获得相位对应纳米柱121尺寸和形状。
27.本发明的实施例中，纳米柱121的截面形状可以为圆形，从而纳米柱121为圆柱状；纳米柱121的截面形状也可以为圆环形，从而纳米柱121为圆环柱状；纳米柱121的截面形状还可以为方形，从而纳米柱121为方柱状；纳米柱121的截面形状还可以为十字形，从而纳米柱121为十字柱状；纳米柱121的截面形状还可以为三角形，从而纳米柱121为三角柱状；应当能理解地，纳米柱121的截面形状并不局限于上述例举的形状，还可以为五边形，梯形等等，在此就不一一举例。
28.对于单个超透镜12而言，每个超透镜12中的多个纳米柱121形状可以相同，也可以不同。
29.本发明的一个实施例中，单个超透镜12中，多个纳米柱121皆采用圆柱状。
30.本发明的另一个实施例中，单个超透镜12中，多个纳米柱121皆采用圆环柱状。
31.本发明的再一个实施例中，单个超透镜12中，部分纳米柱121采用圆环柱状、部分纳米柱121采用十字柱状。
32.应当能理解地，每个超透镜12中的多个纳米柱121的设置有多种方式，在此就不一一举例，只要是能满足目标相位即可。
33.纳米柱121的材质至少包括硅、锗及其化合物、氮化镓、氧化钛、氟化钙、氟化镁、氧化铝或硫系材料中的一种，在本发明的一个实施例中，纳米柱121的材质采用氧化硅；在本发明的另一个实施例中，纳米柱121的材质采用氮化硅；在本发明的另一个实施例中，纳米柱121的材质采用硫化锌。当然，纳米柱121的材质并不局限于上述，也可以为其它，在此就不一一进行举例。
34.加工时，可以先在基底11上直接沉积出沉积层，然后蚀刻出纳米柱121。
35.本发明的超透镜组件10，由于包括有多个不同焦距的超透镜，从而能够实现多焦段聚焦。
36.如图3至图6所示，根据本发明一个实施例的光学系统，包括光源发射器20、光接收器30以及读取电路40，光源发射器20用于朝待测区域200输出光信号，光接收器30用于接收从待测区域200反射来的反射光信号，并将反射光信号转变为电信号，读取电路40与光接收器30电连接，用于读取光接收器30传输的电信号。光源发射器20和光接收器30上皆设置有超透镜组件10（超透镜组件10如图1和图2所示），通过在光源发射器20上设置超透镜组件10，可将光源发射器20发射出来的光束聚焦于待测区域200内，由于超透镜组件10可实现多
焦段聚焦，即使光源发射器20的位置发生偏移，仍可将光束聚焦到所需测量的待测区域200位置；通过在光接收器30上设置超透镜组件10，可将从待测区域200反射出来的光束聚焦于光接收器30，由于超透镜组件10可实现多焦段聚焦，即使光接收器30的位置发生偏移，仍可将反射光束聚焦到光接收器30位置。读取电路40包含各种信号处理的集成单板，可将光接收器30中接收到的电信号响应处理，并输出至处理模块50，处理模块50可以集成在手机中，经其处理的信号可以通过手机app进行显示。
37.本发明的实施例中，光源发射器20包括第一发射器21和第二发射器22，光接收器30包括第一接收器31和第二接收器32，超透镜组件10包括第一超透镜阵列101、第二超透镜阵列102、第三超透镜阵列103和第四超透镜阵列104，第一超透镜阵列101和第二超透镜阵列102分别集成在第一发射器21和第二发射器22上，第三超透镜阵列103和第四超透镜阵列104分别集成在第一接收器31和第二接收器32上。第一发射器21、第二发射器22均可以采用目前市面上较为常见的小型led光源，其波段范围可以根据探测部位与探测参数确定，通常在450nm~1000nm之间。如图4所示，第一接收器31与第一发射器21对应，以接收由第一发射器21发射的光信号；第二接收器32与第二发射器22对应，以接收由第二发射器22发射的光信号。
38.这里，通过两组发射器-接收器结合超透镜组件10设置，提高了发射光的聚焦效率和反射光的收集效率。相比于传统的多个发射器-接收器级联的方式，本发明在高效聚焦、收集反射光的同时，保证了整体器件的超小型化。
39.虽然上述给出的是光源发射器20和光接收器30皆上设置有超透镜组件10实施例，但是，在未示出的实施例中，也可以根据实际需要，仅在光源发射器20上设置超透镜组件10，或仅在光接收器30上设置超透镜组件10。
40.在处理模块50包含处理ppg信号的算法时，本发明的光学系统可以用于心率血氧检测。
41.其中，心率的检测原理如下：正常人体中，一个脉搏信号周期的波形可以对应一次心脏跳动的过程，所以通过ppg原理探测的波形图为一个周期性变化的波形，从其每秒钟含有几个波形周期中可以准确提取人体心率。例如在f秒的时间内，ppg信号出现n个周期，则单位时间内，ppg信号的周期数为n/f，继而计算得到此刻人体心率为60n/f。
42.其中，血氧饱和度的检测原理如下：探测人体血氧饱和度即探测人体氧合血红蛋白容量占全部可结合血红蛋白的比例，基于ppg的血氧饱和度的探测方法本质上是依据氧合血红蛋白和还原血红蛋白对特定波段的光的吸收系数的不同，从而根据探测到的不同波长下信号强度的比值，准确估算人体血氧饱和度。
43.血氧饱和度的计算公式可以表示为：。其中， 和为两个波长下探测到的第i个周期信号的幅值，而a，b，c，为依据不同使用用户标定得到的不同常数。从而根据上述公式，可以精确的将ppg所探测到的光信号转换为人
体血氧饱和度。
44.基于本发明的光学系统，可以测量的结果包括但不限于：呼吸率、最大摄氧量、血氧水平、心率变异率（r-r间期）、血压、血液灌注、心效率等等。
45.根据本发明的再一个方面，还提供一种可穿戴设备，包括主体，主体上设置有如上所述的光学系统，以用于聚焦光信号。本发明实施例中的可穿戴设备可以为耳机、手表等，以耳机为例，在耳机产品结构中，光接收器30与光源发射器20间的间隙较小，约3-5mm，结合此时所设计的超透镜阵列焦距范围8mm-20mm，可估算所设计光路中的光束发射与反射角约为10
°
，若超透镜阵列为2*2型，则四个超透镜的焦距分别为8mm，12mm， 16mm，20mm，从而依据上述参数结合上述公式，可以准确计算不同焦距的超透镜12各个位置处的相位分布情况，进而得到各个位置超原子的尺寸情况，作为纳米柱121尺寸的数据支撑。
46.综合上述可以看出，可穿戴设备采用本发明的光学系统后，在体育锻炼或身体运动过程中，即使可穿戴设备与人体不贴合，皮肤与超透镜组件之间产生不同的位移量，都可通过超透镜组件中不同焦距的多个超透镜，对应不同距离，以能保证超透镜阵列中至少有一个超透镜焦距满足高效聚焦光信号，从而对发射光源和反射光源实现高效聚焦，使超透镜组件与人体之间高效进行双向光导与耦合，减小了测量误差，提高了测量精度，很好地解决了运动造成的穿戴设备与人体不贴合产生测量误差大的问题。
47.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、部件、组件和/或它们的组合。
48.需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施方式能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。
49.本发明已经通过上述实施例进行了说明，但应当理解的是，上述实施例只是用于举例和说明的目的，而非意在将本发明限制于所描述的实施例范围内。此外本领域技术人员可以理解的是，本发明并不局限于上述实施例，根据本发明的教导还可以做出更多种的变型和修改，这些变型和修改均落在本发明所要求保护的范围以内。本发明的保护范围由附属的权利要求书及其等效范围所界定。