光学装置组件的制作方法
【专利摘要】本发明提供了一种光学装置组件。本发明的实施例涉及一种光照漏斗。该漏斗包括第一开口、第二开口和反射内壁，第一开口被定位成接收进入光源，第二开口被定位成与第一开口相对，并且具有小于第一开口的直径，反射内壁与第一开口和第二开口接触。该漏斗具有小于25度的半角。实施例还涉及一种光收集漏斗、以及利用光照漏斗和光收集漏斗的设备。
【专利说明】光学装置组件
[0001]本专利申请是 优先权日:为2007年9月13日、申请日为2008年9月12日、申请号为200880114960.3、发明名称为“光学装置组件”的发明专利申请的分案申请，其在此全部引入作为参考。
【技术领域】
[0002]本申请要求于2007年9月13日提交的序号为60/972，121的美国临时专利申请的优先权的权益，特此引入该临时专利申请的全文作为参考。
【背景技术】
[0003]无论样本是气体、液体还是固体，它的基本属性都是它倾向于或不倾向于吸收或散射特定波长的光。样本吸收、散射或透射的倾向的特征是许多光学测量和仪器匕如，分光光度测定法)的基础。使用光学装置进行测量的精度和可重复性涉及许多因素，包括到达一个或多个检测器的信号的强度。光学装置可用于测量人或动物血或胞间液(interstitial fluid)中的成分的存在和量。在一个示例中,无创光学设备可使用光谱学的一些形式来从用户身体的目标区域获取信号或光谱。
[0004]美国糖尿病协会报告超过百分之六(6%)的美国人，即，多于1，7000, 000人患有糖尿病。根据糖尿病控制中心(“⑶C”)的科学家，2000年美国出生的三分之一儿童将患有糖尿病，除非更多的人开始少吃并且多锻炼。一份⑶C研究揭示，在2000年大约有1，100, 000个糖尿病诊断病例，到2050年诊断病例的数量将上升到2，900，000个。
[0005]糖尿病管理的重要元素是由糖尿病患者在家庭环境下对血糖浓度的自我监测。然而，由于在分析之前通过皮肤抽出血液或胞间液具有不方便且令人疼痛的性质，使得当前的监测技术阻碍了正常的使用。结果，期望无创的血糖浓度测量和糖尿病管理的有益发展。
[0006]存在许多用于血糖确定的无创方法。一种无创的血液化学检测技术涉及收集和分析光谱数据。由于在正被感测的区域中除了血液之外还存在其它成分(比如，皮肤、脂肪、肌肉、骨头、胞间液)，所以从根据光谱学获得的光谱数据或其它数据提取关于血液特性的信息(例如血糖浓度)是一个复杂的问题。这样的其它成分能够以改变读数(reading)这样的方式影响这些信号。具体地讲，作为结果而获得的信号的幅度可以比信号中与血液对应的部分的幅度大很多，因此，限制了精确提取血液特性信息的能力。
【发明内容】
[0007]本发明的实施例涉及光照漏斗(light illumination funnel)。该漏斗包括第一开口、第二开口和反射内壁，第一开口被定位成接收进入光源，第二开口被定位成与第一开口相对，并且具有小于第一开口的直径，反射内壁与第一开口和第二开口接触。该漏斗具有小于25度的半角。
[0008]实施例涉及光收集漏斗，该光收集漏斗包括第一开口、第二开口和反射内壁，第一开口被定位成接收进入样本光源，第二开口被定位成与第一开口相对，并且具有小于第一开口的直径，反射内壁与第一开口和第二开口接触。
[0009]实施例还涉及一种包括光源和光照漏斗的设备，光源被构造为产生多条光束，所述多条光束的每一条具有不同的波长范围，光照漏斗用于收集通过具有第一直径的入口的所述多条光束，并且用于使所述多条光束通过具有第二直径的出口聚焦和引导到目标区域，其中，第二直径小于第一直径。所述设备还包括光收集漏斗、检测器和处理器，光收集漏斗用于在具有第三直径的第二入口处收集从目标区域发出的所述多条光束，并且用于引导所述多条光束通过具有第四直径的第二出口，其中，第三直径小于第四直径，检测器包括多个光感测装置，每个光感测装置被构造为检测被引导通过第二出口的光束，并产生表示检测到的光的功率的输出信号，处理器用于分析输出信号和产生测量数据。
【专利附图】
【附图说明】
[0010]在不必按比例绘制的附图中，相同的附图标记在几个视图中始终描述基本类似的组件。具有不同字母后缀的相同附图标记表示基本类似的组件的不同实例。附图总体上作为示例，但是不作为限制性作用，示出在本文中论述的各种实施例。
[0011]图1A-B示出根据一些实施例的与动脉血的光吸收对应的脉冲波的绘图。
[0012]图2示出根据一些实施例的光学构造。
[0013]图3示出根据一些实施例的用于执行生物样本的光学测量的现有的光学构造。
[0014]图4示出根据一些实施例的用于执行生物样本的光学测量的光学构造。
[0015]图5示出根据一些实施例的光漏斗的剖面图。
[0016]图6示出根据一些实施例的光源的组件。
[0017]图7示出根据一些实施例的其中设有红外发射二极管(IRED)阵列矩阵的光漏斗的剖面图。
【具体实施方式】
[0018]以下详细描述包括对附图的论述，附图形成该详细描述的一部分。附图以图解的方式显示可实施本发明的具体实施例。对在本文中也称为“示例”的这些实施例进行足够详细的描述是为了使得本领域技术人员能够实施本发明。在不脱离本发明的范围的情况下，可组合这些实施例，可利用其它实施例，或者可对结构和逻辑进行改变。因此，不从限制性意义上看待以下详细描述，并且本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
[0019]在本文中，术语“一个”用于包括一个或者多于一个，术语“或者”用于表示非独占性的“或者”，除非另有指明。另外，应该理解，本文所采用的没有以其它方式限定的措辞或术语仅用于描述的目的，而不用于限制性的目的。此外，这里引入本文中引用的所有出版物、专利和专利文献的全文作为参考。在本文和如此引入作为参考的这些文献之间使用不一致的情况下，应该认为引入的参考文献中的用法与本文中的用法互补；对于不相容的不一致之处，按照本文档中的用法限定。
[0020]本发明的实施例涉及光学组件，例如用于样本的光学性质的照射和测量的光漏斗。虽然以人类或动物身体区域的光谱样本为例进行说明，但是实施例涉及所有类型的光学仪器，包括光学检测器、显微镜、分光仪等。光谱学可用于确定被生物样本(例如人的手指)吸收的光量。通过测量被手指吸收的光量，可无创地确定人的葡萄糖、胆固醇和血红素水平。由于指尖中的毛细血管的浓度大并且在指尖发生从动脉血到静脉血的转换，所以通常优选指尖测量。
[0021]当光透射通过生物样本(例如人的手指)时，光被手指的各个成分(包括皮肤、肌肉、骨头、脂肪、胞间液和血液)吸收和散射。然而，观察到，通过人的手指的光吸收表现出与心跳对应的小范围的循环模式。图1A描绘与由于用户的心跳而导致的毛细血管中的动脉血的光吸收对应的脉冲波的绘图102。虽然与检测器所产生的总电流相比循环模式的幅度小，但是可从绘图102的循环模式提取相当多的信息。例如，假设人的心率为每分钟60次心跳，则任何脉冲跳动的起始和该脉冲跳动的结束之间的时间为一秒。在这个一秒周期期间，绘图将具有最大值或峰值104读数和最小值或谷值106读数。绘图的峰值104读数与毛细血管中的血液为最小量的时候对应，谷值106读数与毛细血管中的血液为最大量的时候对应。通过使用循环绘图的峰值和谷值所提供的光学信息，排除了通过不在毛细血管中的主要手指成分(例如皮肤、脂肪、骨头、肌肉和胞间液)的光吸收和散射。由于不在毛细血管中的这些主要成分在一秒间隔期间可能不改变，所以这些主要成分被排除。换句话讲，可基于绘图102的峰值和谷值来检测被血液吸收的光。
[0022]假设光感测装置所产生的循环光电流的峰值为Ip、循环光电流的相邻谷值为Iv、在没有人的手指的情况下光感测装置所产生的光电流为Itl,则与峰值光电流和谷值光电流对应的透射率可如下定义:
[0023]
[0024]
【权利要求】
1.一种光照漏斗，包括: 第一开口，被定位成接收进入光源； 第二开口，被定位成与第一开口相对，并且具有小于第一开口的直径； 反射内壁，与第一开口和第二开口接触；以及 在第二开口下方的目标区域，其中，所述目标区域是能够接收生物样本的区域； 其中，所述光照漏斗的内壁为截头圆锥体的形状，并且所述光照漏斗具有小于25度的半角，以将从进入光源接收到的光引导到所述目标区域。
2.根据权利要求1所述的光照漏斗，其中，所述光照漏斗具有10度至15度的半角。
3.根据权利要求1所述的光照漏斗，还包括被定位在第一开口附近或者被定位成与第一开口接触的印刷电路板，其中，印刷电路板与位于第一开口附近的多个光源接触。
4.根据权利要求1所述的光照漏斗，还包括被定位在第一开口附近的多个光源。
5.根据权利要求4所述的光照漏斗，其中，所述多个光源与被定位在第一开口附近或者被定位成与第一开口接触的印刷电路板接触。
6.根据权利要求4所述的光照漏斗，其中，所述光源包括红外发光二极管。
7.根据权利要求4所述的光照漏斗，其中，按三维布置定位所述光源。
8.根据权利要求7所述的光照漏斗，其中，所述三维布置包括被定位在水平层和垂直层中的光源。
9.根据权利要求4所述的光照漏斗，其中，所述光源包括白炽光源。
10.一种光收集漏斗，包括: 目标区域，其中，所述目标区域是能够接收生物样本的区域； 第一开口，被定位成接收通过目标区域发出的进入样本光源； 第二开口，被定位成与第一开口相对，并且具有大于第一开口的直径； 反射内壁，与第一开口和第二开口接触；以及 在第二开口下方的至少一个光检测器， 其中，所述光收集漏斗的内壁为截头圆锥体的形状，以收集来自所述进入样本光源的通过所述目标区域发出的光。
11.根据权利要求10所述的光收集漏斗，所述至少一个光检测器被定位在第二开口附近或者被定位成与第二开口接触。
12.根据权利要求10所述的光收集漏斗，其中，所述至少一个光检测器包括检测器阵列。
13.根据权利要求10所述的光收集漏斗，还包括被定位在所述光收集漏斗和所述至少一个光检测器之间的一个或多个滤光器、光栅或透镜。
14.一种光学设备，包括: 光源，被构造为产生多条光束； 光照漏斗，该光照漏斗的内壁为截头圆锥体的形状，所述光照漏斗用于收集通过具有第一直径的入口的所述多条光束，并且用于使所述多条光束通过具有第二直径的出口聚焦并引导到目标区域，其中，第二直径小于第一直径，并且，所述目标区域是能够接收生物样本的区域； 光收集漏斗，该光收集漏斗的内壁为截头圆锥体的形状，所述光收集漏斗用于在具有第三直径的第二入口处收集从目标区域发出的所述多条光束，并且用于引导从所述目标区域发出的所述多条光束通过具有第四直径的第二出口，其中，第三直径小于第四直径； 检测器，包括多个光感测装置，每个光感测装置被构造为检测被引导通过第二出口的光束并产生指示检测到的光的功率的输出信号；和 处理器，用于分析输出信号并产生测量数据。
15.根据权利要求14所述的光学设备，其中，所述光源包括一个或多个发光二极管。
16.根据权利要求15所述的光学设备，其中，所述光源的波长范围包括SOOnm至1200nm之间的不同波长范围。
17.根据权利要求14所述的光学设备，其中，所述光源被定位在光照漏斗的入口处。
18.根据权利要求14所述的光学设备，其中，光源包括多个白炽光源。
19.根据权利要求14所述的光学设备，还包括位于光收集漏斗和检测器之间的一个或多个滤光器、光栅或透镜。
20.根据权利要求14所述的光学设备，还包括多个干涉滤光器，每一个干涉滤光器被构造为根据波长范围使被引导通过第二出口的所述多条光束中的不同的一条光束通过，其中，所述多个干涉滤光器位于光收集漏斗和检测器之间。
21.根据权利要求20所述的光学设备，其中，所述多个光感测装置中的每一个被构造为检测来自光束通过的所述多个干涉滤光器的、由相应的干涉滤波器限定的特定的波长或波长范围的光束。
【文档编号】A61B5/00GK103637768SQ201310489245
【公开日】2014年3月19日 申请日期:2008年9月12日 优先权日:2007年9月13日
【发明者】徐智 申请人:密苏里大学董事会