ОПРЕДЕЛЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОТОКА ОБЪЕКТА, ПЕРЕМЕЩАЕМОГО В ЭЛЕМЕНТЕ
DETERMINATION OF CHARACTERISTICS OF OBJECT FLOW MOVED IN ELEMENT

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Настоящее изобретение относится к сенсорному устройству и способу для определения характеристики потока объекта, перемещаемого в элементе.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Лазерное допплеровское измерение скорости (LDV), которое также называют лазерной допплеровской анемометрией (ЛДА), представляет собой способ измерения для определения характеристики потока движущегося объекта с использованием эффекта Допплера. В частности, лазерное допплеровское измерение скорости может использоваться в сочетании с приложением к медицинской диагностике, например, для того, чтобы определить характеристики потока крови в микрососудах или характеристики тканевой перфузии у человека. В медицинской области лазерное допплеровское измерение скорости также упоминается как лазерная допплеровская флоуметрия (ЛДФ). Кроме того, способ может быть использован в области обработки материалов для того, чтобы определить характеристики потока материальных частиц. В дальнейшем ссылки будут делаться на медицинскую область без потери общности.
Одна методика определения характеристик потока крови человека на основе лазерной допплеровской флоуметрии будет описана со ссылкой на Фиг. 1. Когерентный лазерный свет 102, испускаемый лазерным блоком, попадает на участок 104 кожи человека 106. Свет 102 имеет частоту ω0, как показано на диаграмме 108, с ординатой на диаграмме 108, представляющей частоту (в герцах), и абсциссой на диаграмме 108, представляющей интенсивность излучаемого света 102 (измеряется в относительных единицах). Свет 102 проникает в поверхностные слои кожи 106 под участком кожи 104 и, среди прочих, рассеивается на клетках крови 108a-e, движущихся в коже 106. Множество событий рассеяния света 102 на различных клетках 108a-c крови, е, а также единичное событие рассеяния света 102 на одной кровяной клетке 108d показаны на Фиг. 1 в целях иллюстрации. Соответствующий обратно рассеянный свет 110a-c распространяется после акта рассеяния к детектору 112. Отражение света 102 от участка кожи 104, на которую падает свет 102, может также вызвать распространение отраженного свет 110d к детектору 112. Детектор 112 регистрирует весь поступающий свет 110a-d, который содержит частотное распределение вокруг частоты ω0 света 102, как показано на диаграмме 114. Ордината диаграммы 114 представляет собой частоту (в герцах), а абсцисса диаграммы 114 представляет собой интенсивность регистрируемого света (измеряется в относительных единицах).
В идеале, в соответствии с эффектом Допплера каждый участок обратно рассеянного света 110a-c содержит частоты ω0+Δω, где Δω обозначает сдвиг частоты по сравнению с начальной частотой ω0 света 102. Сдвиг частоты Δω определяется вектором скорости соответствующей клетки (клеток) крови 108a-e и изменением направления падающего и рассеянного света. В одномерном случае уменьшение расстояния между подвижной клеткой крови и лазерным блоком приводит к положительному значению сдвига частоты Δω, в то время как увеличение расстояния между подвижной клеткой крови и источником света приводит к отрицательному значению сдвига частоты Δ ω. Отраженный свет 110d в идеале содержит частоту ω0 света 102.
Частотное распределение регистрируемого света, показанное на диаграмме 114, обусловлено несколькими эффектами. Кроме того, чистый сдвиг частоты Δω не может наблюдаться вследствие случайных значений скорости клеток крови. Клетки крови 108a-e могут двигаться во всех направлениях и принимать различные значения скорости, что приводит к различным значениям сдвига частот Δω обратно рассеянного света 110a-c.
Характеристика потока крови затем определяется на основе полученного частотного спектра.
Хотя на Фиг. 1 преимущественно показан обратно рассеянный свет, регистрируемый свет может содержать большую долю отраженного света. Таким образом, описанный выше способ измерения может иметь низкую глубину чувствительности, а при рассмотрении небольшого допплеровского сдвига частот точность определения характеристик потока крови может быть низкой.
Еще один вариант для определения характеристик потока крови на основе эффекта Допплера дополнительно использует «самосмешивающуюся интерферометрию» (SMI) (многолучевую интерферометрию). Соответствующий принцип измерения на основе SMI-LDF будет описан со ссылкой на Фиг. 2. Лазерный блок 220 излучает свет 222 на участок 224 кожи человека. Расстояние между передней стороной лазерного блока 220 и участком 224 кожи показано на Фиг. 2 как s. Свет 226, отраженный или рассеянный обратно от участка 224 кожи, снова входит в лазерный блок 220. В лазерном блоке 220 генерируется смешанный свет 228, который будет состоять из излученного (и, таким образом, соответствующего излучаемому свету 222) и регистрируемой смеси рассеянного обратно и отраженного света 226 в лазерном блоке 220. Смешанный свет 228 выводится лазерным блоком 220 и регистрируется фотодиодом 230, расположенным снаружи лазерного блока 220. Спектр мощности, полученный фотодиодом 230, анализируется с помощью так называемой трехзеркальной модели резонатора Фабри-Перо с фронтальной поверхностью, показанной ссылкой 232, задней поверхностью 234 лазерного блока 220 и поверхностью 236 участка кожи 224, представляющими собой соответствующие зеркала. Результат анализа предоставляет информацию о скорости потока крови в участке кожи 224.
Как отмечалось выше, определение характеристик потока крови на основе самосмешивающейся интерферометрии также может страдать низкой точностью.
WO 2009/027896 описывает способ и устройство для измерения свойств кожи человека на основе самосмешивающейся интерферометрии, например, уровня обезвоживания кожи. Устройство содержит лазерный датчик, выполненный с возможностью передачи лазерного света к участку кожи, который должен быть исследован, и для приема лазерного света, отраженного от участка кожи. Лазерный датчик содержит фотодиод, выполненный с возможностью измерения флуктуаций мощности лазерного луча лазерного датчика для того, чтобы определить скорость отдачи участка кожи на основе изменения флуктуаций мощности лазерного излучения с течением времени. Благодаря эффекту самосмешивания обратно рассеянный свет порождает колебания мощности лазера. Между лазерным датчиком и участком кожи расположен поляризатор устройства для того, чтобы подавить составляющие отраженного света, которые содержат поляризацию, отличную от поляризации излучаемого света. Свойство кожи определяется на основании мощности колебаний.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Задачей настоящего изобретения является создание способа для легкого и точного определения характеристики потока объекта, перемещаемого в элементе. Кроме того, задачей изобретения является создание сенсорного устройства для легкого и точного определения характеристики потока объекта, перемещаемого в элементе.
Задача, определенная выше, решается с помощью сенсорного устройства и способа для определения характеристик потока объекта, перемещаемого в элементе, в соответствии с независимыми пунктами формулы изобретения.
В соответствии с примерным вариантом осуществления настоящего изобретения предлагается сенсорное устройство для определения характеристики потока объекта, перемещаемого в элементе, содержащее светоизлучающий блок, выполненный с возможностью излучения света в направлении элемента, блок регистрации света, выполненный с возможностью регистрации света, рассеянного обратно от элемента, оптический блок, выполненный с возможностью пространственного разделения участка элемента падающего света и участка элемента регистрации света друг от друга, причем участок элемента падающего света связан с излучаемым светом, падающим на элемент, а участок элемента регистрации света связан с обратно рассеянным светом, рассеянным обратно на элементе для регистрации, и блок определения, выполненный с возможностью определения характеристики потока объекта, перемещаемого в элементе, на основе света, указывающего на излучаемый свет, и регистрируемого обратно рассеянного света.
В соответствии с другим примерным вариантом осуществления настоящего изобретения предлагается способ определения характеристики потока объекта, перемещаемого в элементе, содержащий излучение света в направлении элемента светоизлучающим блоком, регистрацию света, рассеянного обратно от элемента, светочувствительным блоком, и определение посредством блока определения характеристики потока объекта, перемещаемого в элементе, на основе света, указывающего на излучаемый свет, и регистрируемого обратно рассеянного света, причем часть элемента падающего света и часть элемента регистрации света пространственно отделены друг от друга с помощью оптического блока, в котором участок элемента падающего света связан с излучаемым светом, падающим на элемент, а участок элемента регистрации света связан с обратно рассеянным светом, рассеянным обратно на элементе регистрации света.
В контексте настоящей заявки термин “обратно рассеянный свет, рассеянный обратно на элементе” может обозначать, в частности, свет или световой сигнал, который может быть получен после падения рассеянного света на или в элемент. В частности, событие рассеяния может содержать отражение света от поверхности элемента и/или рассеяние света или многократное рассеяние света на поверхности элемента и/или внутри элемента под поверхностью элемента.
Термин “участок элемента” может обозначать, в частности, точку элемента или область элемента правильной или неправильной формы. В частности, участок элемента может содержать часть поверхности элемента.
Термин “свет, указывающий на излучаемый свет” может обозначать, в частности, свет (часть света), излучаемый светоизлучающим блоком и/или свет, который должен быть излучен светоизлучающим блоком.
Термины “блок” и/или “элемент” могут обозначать, в частности, компонент, содержащий один или более одного члена.
В соответствии с иллюстративными вариантами осуществления настоящего изобретения сенсорное устройство и способ могут использовать информацию, полученную из допплеровского рассеяния света на подвижном объекте, для того чтобы определить характеристику потока объекта, перемещаемого в элементе. Участок элемента отражения света, связанного с излучаемым светом, падающим на элемент, и участок элемента регистрации света, связанного со светом, рассеянным обратно от элемента в целях регистрации, могут быть пространственно отделены друг от друга. Соответственно, свет, рассеянный обратно от участка элемента регистрации света в направлении к блоку регистрации света, может содержать большую долю света, распространяющегося через элемент и рассеянного на подвижном объекте в элементе, но не света, рассеянного обратно от участка элемента падающего света.
Соответственно, отношение сигнал-шум сенсорного устройства может быть высоким, поскольку сенсорное устройство может иметь высокую чувствительность в отношении глубоких слоев элемента и, следовательно, повышенную глубину чувствительности.
Далее будут объяснены другие примерные варианты осуществления сенсорного устройства для определения характеристик потока объекта, перемещаемого в элементе. Однако эти варианты осуществления также применимы к способу определения характеристики потока объекта, перемещаемого в элементе.
В частности, светоизлучающий блок может быть выполнен в форме лазерного (светового) блока, выполненного с возможностью излучения лазерного света в инфракрасном диапазоне, в частности между ≥ приблизительно 780 нанометров (нм) и ≤ приблизительно 980 нм, более предпочтительно приблизительно 850 нм. В частности, последний диапазон длин волн может быть благоприятным в связи с определением характеристик потока крови в коже, так как кожа может быть прозрачна в этих длинах волн света, тем самым повышая глубину чувствительности сенсорного устройства. В частности, последний эффект может быть еще более выраженным для света с длиной волны приблизительно 850 нм.
Светоизлучающий блок и блок регистрации света могут быть выполнены интегрально и, в частности, как лазерный (световой) блок. В частности, лазерный блок может позволить излучаемому свету и регистрируемому обратно рассеянному свету интерферировать для того, чтобы генерировать (само)смешанный световой сигнал. Таким образом, сенсорное устройство и способ могут использовать самосмешивающуюся интерферометрию для определения характеристики потока объекта. В частности, стадия определения способа может быть облегчена тем, что при оценке характеристик потока могут быть использованы известные математические алгоритмы, связанные с принципом самосмешивающейся интерферометрии. Кроме того, конструктивный дизайн сенсорного устройства может быть существенно облегчен тем обстоятельством, что датчик может содержать малое количество компонентов. Кроме того, производственные затраты на сенсорное устройство могут быть низкими.
Оптический блок может содержать элемент разделения светового пути, выполненный с возможностью разделения светового пути, излучаемого в направлении к участку элемента падающего света, и пути обратно рассеянного света, рассеянного обратно на участке элемента регистрации света. Таким образом, может быть достигнуто пространственное разделение участка элемента падающего света и участка элемента регистрации света. Кроме того, интерференция между светом, рассеянным обратно на участке элемента падающего света, и света, рассеянного обратно на участке элемента регистрации света, может быть уменьшена или даже устранена, повышая тем самым точность определения характеристики потока.
В частности, элемент разделения светового пути может содержать или может быть выполнен как светоделитель.
Элемент разделения светового пути может быть выполнен как поляризационный светоделитель, и направление поляризации света, излучаемого светоизлучающим блоком, может быть ориентировано, в частности, под углом примерно 45 градусов относительно осей поляризации поляризующего светоделителя. Таким образом, интенсивность сигнала обратно рассеянного света может быть высокой, так как светоделитель может отражать весь излучаемый свет. Кроме того, поляризационный светоделитель не может передавать, но может поглощать часть излучаемого света, который не может быть отражен светоделителем.
Оптический блок может содержать элемент перенаправления света, выполненный с возможностью перенаправления излучаемого света, полученного от элемента разделения светового пути, в направлении к участку элемента падения света. Таким образом может быть получена дополнительная степень свободы для пространственного разделения друг от друга участка элемента падающего света и участка элемента регистрации света. Использование элемента перенаправления света может быть особенно благоприятным в сочетании с элементом разделения светового пути, содержащим светоделитель, поскольку элемент перенаправления света может позволить перенаправление излучаемого света путем отражения под углом приблизительно 90 градусов к элементу светоделителя в направлении элемента.
В частности, элемент перенаправления света может содержать или может быть выполнен в виде зеркала и/или призмы. Эта мера может позволить иметь легко конструируемый вариант осуществления элемента перенаправления света.
Расстояние между участком элемента падающего света и участком элемента регистрации света можно регулировать посредством взаимного расположения элемента разделения светового пути и элемента перенаправления света. Таким образом, оптическое устройство может обеспечить меры для выбора информации о глубине обратно рассеянного света, используемого для определения характеристики потока, поскольку излучаемый свет может распространяться на определенное расстояние сквозь элемент и может быть рассеян на подвижном объекте на этом расстоянии. В частности, в случае, когда участок элемента падающего света и участок элемента регистрации света могут быть расположены близко друг к другу, рассеянный свет будет преимущественно рассеиваться вблизи поверхностных слоев объекта. В случае, когда участок элемента падающего света и участок элемента регистрации света могут быть пространственно разделены на большее расстояние, рассеянный свет должен будет проходить до глубоких слоев объекта. В случае, в котором участок элемента падающего света и участок элемента регистрации света могут быть расположены далеко друг от друга, интенсивность сигнала обратно рассеянного света может быть низкой, так как вследствие множества событий рассеяния на расстоянии между участком элемента падающего света и участком элемента регистрации света только малая часть излучаемого света, распространяющегося через элемент, может быть рассеяна обратно в направлении к блоку регистрации света. Таким образом, сенсорное устройство может иметь регулируемую глубину чувствительности.
Элемент разделения светового пути и элемент перенаправления света могут быть интегрированы, в результате чего стоимость изготовления оптического элемента и, следовательно, сенсорного устройства может быть низкой. Кроме того, путем интегрального оформления элемента разделения светового пути и элемента перенаправления света может быть достигнута миниатюризация и массовое производство оптического блока. Кроме того, оптический блок может представлять собой компактную, маленькую, и конструктивно легкую конструкцию. Кроме того, может быть увеличена точность определения, так как можно избежать обусловленной временем оптической несоосности между элементом разделения светового пути и элементом перенаправления света.
В частности, светоделитель элемента разделения светового пути может иметь форму прямоугольной трапеции в поперечном сечении, если смотреть на него вдоль пути распространения света, причем элемент перенаправления света может быть выполнен в виде отражающего слоя внутренней поверхности на боковой поверхности светоделителя. Здесь термин “прямоугольная трапеция” может обозначать, в частности, трапецию, имеющую по меньшей мере один прямой угол между двумя соседними сторонами трапеции. В частности, поперечное сечение в форме прямоугольной трапеции светоделителя может иметь два прямых угла, расположенных рядом друг с другом, если смотреть вдоль периметра трапеции. В частности, прямые углы трапеции могут быть расположены рядом с участком элемента регистрации света, а боковая поверхность, имеющая отражающий слой, может быть расположена рядом с участком элемента падения света. Таким образом, оптический блок может содержать стандартный компонент, а именно светоделитель, который может содержать первый и второй стеклян
ные элементы, в частности, склеиваемые друг с другом. Поэтому светоделитель может содержать небольшое изменение по сравнению со стандартным кубическим светоделителем, обеспечивая тем самым низкие производственные затраты.
С другой стороны, элемент разделения светового пути и элемент перенаправления света могут быть выполнены как две части. В частности, элемент разделения светового пути может быть выполнен в форме кубического светоделителя, а элемент перенаправления света может быть выполнен в форме зеркала.
Сенсорное устройство может дополнительно содержать элемент чередования поляризации, расположенный между оптическим блоком и элементом, причем элемент чередования поляризации может быть выполнен с целью изменения поляризации излучаемого света, полученного от оптического блока, и поляризации обратно рассеянного света, рассеянного обратно на элементе. Таким образом, определение характеристики потока объекта в элементе может быть сделано на основе выбранной поляризации излучаемого света и обратно рассеянного света, исключая тем самым ненужную световую информацию из определения характеристики потока и, следовательно, повышая точность определения.
В частности, элемент чередования поляризации может быть выполнен в форме поляризатора, в частности, в виде четвертьволновой пластины и/или половинноволновой пластины.
В частности, светоизлучающий блок может быть выполнен с возможностью излучения света, имеющего линейную поляризацию, в котором элемент чередования поляризации может быть выполнен с возможностью изменения линейной поляризации излучаемого света на (правую или левую) круговую поляризацию, и может быть выполнен с возможностью выбора (правой или левой) круговой поляризации деполяризованного обратно рассеянного света и изменения этой круговой поляризации на линейную поляризацию.
В частности, светоизлучающий блок может быть выполнен с возможностью излучения света, имеющего (правую или левую) круговую поляризацию, в котором элемент чередования поляризации может быть выполнен с возможностью изменения круговой поляризации излучаемого света на линейную поляризацию, и может быть выполнен с возможностью выбора линейной поляризации деполяризованного обратно рассеянного света и изменения этой линейной поляризации на (правую или левую) круговую поляризацию.
Оптический блок, в частности, поляризационный светоделитель и элемент чередования поляризации могут быть выполнены и могут быть расположены относительно друг друга таким образом, что поляризация (направление) обратно рассеянного света, регистрируемого посредством блока регистрации света, и поляризация (направление) света, указывающего на излучаемый свет, могут быть ортогональны друг к другу. Термин “ортогональные поляризации” может означать, в частности, что соответствующие направления поляризаций могут быть повернуты относительно друг друга на угол приблизительно 90 градусов. Таким образом, свет, указывающий на излучаемый свет, и/или излучаемый свет может содержать ортогонально направленные поляризации. Таким образом, глубина чувствительности сенсорного устройства может быть дополнительно повышена, поскольку обратно рассеянный свет, который может быть выбран для анализа, может проистекать из более глубоких слоев элемента. В частности, с этой целью поляризация регистрируемого обратно рассеянного света может быть изменена за счет событий многократного рассеяния в элементе при распространении между участком элемента падения света и участком элемента регистрации света. Кроме того, свет, отраженный от участка элемента падения света в направлении к блоку регистрации света, может иметь поляризацию, практически идентичную поляризации излучаемого света и, следовательно, может быть не зарегистрирован блоком регистрации света.
Сенсорное устройство может дополнительно содержать первую линзу, расположенную между оптическим блоком, в частности элементом чередования поляризации, и участком элемента падения света, причем первая линза может быть выполнена с возможностью фокусировки излучаемого света в направлении участка элемента падения света, и/или вторую линзу, расположенную между оптическим блоком, в частности элементом чередования поляризации, и частью элемента регистрации света, причем вторая линза может быть выполнена с возможностью фокусировки обратно рассеянного света, рассеянного обратно на участке элемента регистрации света, в частности, в направлении оптического блока. Соответственно, первая линза может допускать регулировку пространственной протяженности участка элемента падения света для того, чтобы регулировать уровень попадания излучаемого света на элемент. Вторая линза может допускать регулировку или увеличение интенсивности сигнала обратного рассеяния света в направлении блока регистрации света. Таким образом, точность определения может быть еще больше увеличена.
Сенсорное устройство может дополнительно содержать первое оптическое волокно, расположенное между оптическим блоком, в частности элементом чередования поляризации, и участком элемента падения света, причем первое оптическое волокно может быть выполнено с возможностью направления излученного света от оптического блока в направлении участка элемента падения света, и/или второе оптическое волокно, расположенное между оптическим блоком, в частности элементом чередования поляризации, и участком элемента регистрации света, причем второе оптическое волокно может быть выполнено с возможностью направления обратно рассеянного света на участок элемента регистрации света в направлении оптического элемента, в частности элемента чередования поляризации. Таким образом, потери сигнала вследствие рассеивания света между оптическим блоком, в частности элементом чередования поляризации, и участком элемента падения света и участком элемента регистрации света, соответственно, могут быть уменьшены таким образом, что интенсивность сигнала обратно рассеянного света может быть увеличена. Соответственно, точность определения характеристики потока жидкости в элементе может быть значительно повышена.
Сенсорное устройство может дополнительно содержать третью линзу, расположенную между блоком регистрации света и оптическим блоком, в частности, между смежными боковыми поверхностями первого и второго стеклянных элементов светоделителя оптического блока, в котором третья линза может быть выполнена с возможностью фокусировки обратно рассеянного света в направлении блока регистрации света. Таким образом, интенсивность сигнала обратно рассеянного света, попадающего на блок регистрации света, может быть увеличена, повышая тем самым точность определения характеристики потока объекта.
В частности, в случае, в котором светоизлучающий блок и блок регистрации света могут быть выполнены интегрально, третья линза также может быть выполнена с возможностью фокусировки излучаемого света, испускаемого из светоизлучающего блока в направлении оптического элемента. Соответственно, третья линза может содержать соответствующим образом профилированные поверхности.
В частности, блок определения может содержать или может быть выполнен в форме фотодиода, выполненного с возможностью регистрации (лазерного) света, излучаемого блоком регистрации света. Эта мера может обеспечить легкую регистрацию (лазерного) света, включающего в себя самосмешанный световой сигнал, с помощью обычных электронных элементов.
В частности, лазерный блок может содержать фотодиод, выполненный с возможностью регистрации самосмешанного светового сигнала, и может быть выполнен с возможностью выдачи соответствующего (электронного) сигнала на блок определения. Характеристика потока объекта может содержать по меньшей мере одно из скорости потока объекта или направления потока объекта, причем объект может представлять собой одну или более клеток крови, а элемент может представлять собой кожу. Таким образом, сенсорное устройство может быть выполнено с целью определения скорости потока и/или направления потока крови с использованием допплеровского сдвига частоты света, рассеянного на клетках крови кожи. В частности, сенсорное устройство может быть полезным для медицинской диагностики, и может быть выполнено в форме устройства сенсора кровотока.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Эти и другие аспекты настоящего изобретения будут объяснены со ссылкой на варианты осуществления, описанные ниже.
Фиг. 1 представляет собой схематичный вид устройства для определения характеристики потока крови с использованием лазерной допплеровской флоуметрии.
Фиг. 2 представляет собой схематичный вид другого устройства для определения характеристики потока крови с использованием самосмешивающейся интерферометрии.
Фиг. 3 схематично изображает сенсорное устройство для определения характеристики потока объекта, перемещаемого в элементе, в соответствии с первым примерным вариантом осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 4 схематично изображает сенсорное устройство для определения характеристики потока объекта, перемещаемого в элементе, в соответствии с вторым примерным вариантом осуществления настоящего изобретения.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Представленные чертежи настоящего изобретения являются схематичными. Следует отметить, что на разных чертежах аналогичные или идентичные элементы обозначены одинаковыми ссылочными позициями либо такими ссылочными позициями, которые отличаются друг от друга только первой цифрой.
На Фиг. 3 проиллюстрировано сенсорное устройство 340 на основе самосмешивающейся интерферометрии для определения характеристики потока объекта, перемещаемого в элементе, в соответствии с первым примерным вариантом осуществления настоящего изобретения. Сенсорное устройство 340 используется в медицинской области для мониторинга перфузии крови человека путем определения скорости потока клеток 341 крови в коже 342 человека. Для целей иллюстрации на Фиг. 3 схематично показана одна клетка 371 крови. Сенсорное устройство 340 имеет улучшенную глубину чувствительности и, следовательно, улучшенное отношение сигнал-шум, так как сенсорное устройство 340 является чувствительным к более глубоким слоям кожи 342, которые подлежат исследованию.
Сенсорное устройство 340 содержит светоизлучающий блок и блок регистрации 344 в форме лазерного блока, выполненного с возможностью излучения когерентного лазерного света линейной поляризации и одновременной регистрации входящего (лазерного) света. Лазерный блок 340 работает в инфракрасном диапазоне длин волн, в частности между 780 нм и 980 нм, например, 850 нм.
Сенсорное устройство 340 дополнительно содержит оптический блок 346, выполненный с возможностью пространственного разделения друг от друга участка 348 кожи, на который падает свет кожи 342, связанного с излучаемым светом, падающим на кожу 342, и участка 350 регистрации света кожи 342, связанного со светом, рассеянным обратно от кожи 342. Как участок 348 кожи, на который падает свет, так и 350 участок регистрации света показаны на Фиг. 3 как точки, однако участок 348 кожи, на который падает свет и/или 350 участок регистрации света могут быть выполнены в виде области поверхности кожи, имеющей неправильную форму.
Оптический блок 346 содержит элемент 352 разделения светового пути в форме поляризационного светоделителя и элемент 354 перенаправления света в форме светоотражающего элемента. Светоделитель 352 содержит ось поляризации, направленную под углом 45 градусов к направлению поляризации линейно поляризованного излучаемого света. Светоделитель 352 и отражающий элемент 354 выполнены интегрально как единое целое. Светоделитель 352 имеет форму прямоугольной трапеции в поперечном сечении, если смотреть на него вдоль пути распространения излучаемого света через светоделитель 352, и выполнен из первого и второго стеклянных элементов 356a и 356b. Первый стеклянный элемент 356а имеет форму треугольника в поперечном сечении, если смотреть вдоль направления распространения излучаемого света через первый стеклянный элемент 356а и пирамидальную трехмерную форму, а второй стеклянный элемент 356b имеет форму трапеции в поперечном сечении, если смотреть вдоль направления распространения света через второй стеклянный элемент 356b. Отражающий элемент 354 соответствует внутренней поверхности боковой грани второго стеклянного элемента 356b светоделителя 352, который расположен со стороны, противоположной боковым граням первого и второго стеклянных элементов 356a и 356b, повернутым друг к другу. Участок 348 кожи, на который падает свет расположен рядом с отражающим элементом 354, а участок кожи регистрации света 350 расположен рядом с первым стеклянным элементом 356a поляризационного светоделителя 352.
Кроме того, сенсорное устройство 340 содержит блок 358 определения, выполненный с возможностью определения скорости потока клеток 341 крови в коже 342 на основе сигнала самосмешивающейся интерферометрии, сгенерированного в резонаторе лазерного блока 344 светом, указывающим на излучаемый свет, и зарегистрированным обратно рассеянным светом. С этой целью лазерный блок 344 выполнен с возможностью вывода лазерного света из задней поверхности лазерного блока 344 в направлении блока 358 определения. Блок 358 определения содержит фотодиод 360, выполненный с возможностью регистрации лазерного света.
Сенсорное устройство 340 дополнительно содержит элемент 362 чередования поляризации, расположенный между оптическим блоком 346 и кожей 342, и выполненный с возможностью изменения поляризации излучаемого света, полученного от оптического блока 346, и поляризации обратно рассеянного света, рассеянного обратно на коже 342. Элемент 362 чередования поляризации выполнен в виде четвертьволновой пластины, настроенной на изменение линейной поляризации излучаемого света, проходящего через четвертьволновую пластину 362, на круговую поляризацию и на изменение круговой поляризации обратно рассеянного света, проходящего через четвертьволновую пластину 362, на линейную поляризацию.
Поляризованный светоделитель 352 и четвертьволновая пластина 362 расположены по отношению друг к другу таким образом, что направление линейной поляризации регистрируемого обратно рассеянного света и направление поляризации излучаемого света повернуты друг к другу на 90 градусов.
Первая и вторая линзы 364, 366 расположены между четвертьволновой пластиной 362 и участком 348 кожи, на который падает свет и участком 350 кожи для регистрации света кожи 342, соответственно. Первая линза 364 выполнена с возможностью фокусировки излучаемого света на участке 348 кожи, на который падает свет, а вторая линза 366 выполнена с возможностью фокусировки обратно рассеянного света в направлении оптического блока 346 с параллельным выравниванием световых пучков обратно рассеянного света.
Третья линза 368 сенсорного устройства 340 расположена между оптическим блоком 346 и лазерным блоком 344 и выполнена с возможностью фокусировки обратно рассеянного света лазерного блока 344 и фокусировки света, излучаемого лазерным блоком 344 в направлении оптического блока 346 с параллельным выравниванием световых пучков излучаемого света.
Дополнительно к этому, сенсорное устройство 340 может не содержать первую, вторую и третью линзы 364, 366, 368. Потери качества сигнала вследствие отсутствия этих компонентов могут быть небольшими, особенно когда расстояние между соответствующими компонентами сенсорного устройства 340 и кожей 342 может быть небольшим.
В процессе работы сенсорного устройства 340 лазерный блок 344 излучает линейно поляризованный свет в направлении третьей линзы 368, которая, в свою очередь, фокусирует излучаемый свет, направляя его параллельным пучком. На Фиг. 3 направление распространения излучаемого света обозначено стрелками 370a-c, а путь луча излучаемого света показан на Фиг. 3 пунктиром и ограничен сплошными линиями. Затем излучаемый свет полностью отражается поляризационным светоделителем 352 в направлении отражающего слоя 354. После его отражения от отражающего слоя 354 излучаемый свет проходит через четвертьволновую пластину 362 так, что линейная поляризация излучаемого света изменяется на круговую поляризацию. В дальнейшем будет предполагаться, что после прохождения четвертьволновой пластины 362 излучаемый свет имеет правую круговую поляризацию. Излучаемый свет затем фокусируется первой линзой 364 в направлении участка 348 кожи, на который падает свет.
Излучаемый свет падает на участок 348 кожи, на который падает свет, затем распространяется через поверхностные слои кожи 342 и многократно рассеивается на клетках крови 371 вдоль пути распространения света между участком 348 кожи, на который падает свет и участком 350 кожи для регистрации света. Возможные пути распространения света указаны на Фиг. 3 стрелками 372a-d. Соответственно, излучаемый свет деполяризуется, следовательно, содержит все возможные поляризации.
Излучаемый свет выходит из под поверхности кожи 342 вдоль всего пути распространения света между участком кожи падения света 348 и участком 350 кожи для регистрации света. Часть излучаемого света рассеивается обратно от участка 350 кожи для регистрации света в направлении второй линзы 366 в качестве обратно рассеянного света. Вторая линза 366 коллимирует обратно рассеянный свет в направлении четвертьволновой пластины 362, выравнивая параллельно световые пучки обратно рассеянного света. Направление распространения обратно рассеянного света показано на Фиг. 3 стрелками 372a, b. Путь луча обратно рассеянного света показан на Фиг. 3 пунктиром и ограничен сплошными линиями. Четвертьволновая пластина 362 выбирает часть обратно рассеянного света с левой круговой поляризацией из деполяризованного обратно рассеянного света, и меняет левую круговую поляризацию обратно рассеянного света на линейную поляризованию обратно рассеянного света. Обратно рассеянный свет проходит через светоделитель 352 без каких-либо отклонений или изменений поляризации и коллимируется третьей линзой 368 в направлении лазерного блока 344. Часть деполяризованного излучаемого света с правой круговой поляризацией может быть изменена четвертьволновой пластиной 362 в линейно поляризованный свет с направлением поляризации, выровненным параллельно направлению поляризации излучаемого света. Эта часть света не проходит сквозь поляризационный светоделитель 352.
В полости лазерного блока 344 свет, подлежащий излучению, что указывается как излучаемый свет, и зарегистрированный обратно рассеянный свет, полученный от светоделителя 352, смешиваются друг с другом, так что возникает самосмешивающаяся интерференция. Лазерный луч затем выводится через заднюю сторону лазерного блока 344 в направлении блока 358 определения. Направление распространения лазерного излучения, испускаемого через заднюю сторону, показано на Фиг. 3 стрелкой 376. Фотодиод 360 блока 358 определения регистрирует смешанный свет. Скорость потока клеток 341 крови в коже 342 человека определяется на основе лазерного света, регистрируемого фотодиодом 358.
Следует отметить, что четвертьволновая пластина 362 в комбинации с поляризационным светоделителем 352 ограничивает излучаемый свет при прямом отражении и/или обратном рассеянии на участке 348 кожи, на который падает свет в направлении лазерного блока 344. Это отражение и/или обратное рассеяние света содержит, независимо от события отражения или рассеивания, свою исходную правую круговую поляризацию, так что отражение соответственно линейно поляризованного света от светоделителя 352, вызванное его прохождением через четвертьволновую пластину 362, будет предотвращено. Аналогично, свет, отраженный от участка 348 кожи, на который падает свет в направлении линзы 366, не входит в лазерный блок 344, так как проникновение соответственно поляризованного света через светоделитель 352 предотвращается благодаря поляризации светоделителя 352.
Далее со ссылкой на Фиг. 4 будет объяснено сенсорное устройство 440 в соответствии со вторым примерным вариантом осуществления настоящего изобретения. Сенсорное устройство 440 использует сборку интерферометра, однако не работает на основе принципа самосмешивающейся интерферометрии. Сенсорное устройство 444 построено аналогично сенсорному устройству 340, показанному на Фиг. 3, однако сенсорное устройство 440 содержит светоизлучающий блок 480 и блок 482 регистрации света, выполненные как отдельные блоки. Светоизлучающий блок 480 выполнен в форме лазерного диода, настроенного на испускание когерентного лазерного излучения в инфракрасном диапазоне длин волн (в данном случае 770 нм) с линейной поляризацией, и блока регистрации света 482, выполненного в форме фотодиода. Кроме того, другой поляризационный светоделитель 484 расположен между лазерным диодом 480 и оптическим блоком 346, и между фотодиодом 482 и оптическим блоком 346, соответственно. Другой поляризационный светоделитель 484 выполнен с возможностью отражения всего излучаемого света, полученного от лазерного диода 480 в направлении светоделителя 352. Кроме того, поляризационный светоделитель 362 и другой поляризационный светоделитель 484 выполнены и расположены относительно друг друга так, что свет, полученный от светоделителя 352, проходит через светоделитель 484 без отклонения или изменения поляризации. Третья линза 368 расположена между светоделителем 484 и фотодиодом 482. Колебательная полуотражающая пластина 486 расположена между светоделителями 352, 484 и выполнена с возможностью отражения части входящего излучаемого света, полученного от светоделителя 484, в направлении фотодиода 482, позволяя проходить другой части входящего излучаемого света на светоделитель 352. Четвертая линза 488 расположена между лазерным диодом 480 и светоделителем 484 и выполнена с возможностью фокусировки испускаемого света на светоделителе 484 путем параллельного выравнивания световых пучков излучаемого света. Блок 458 определения имеет такие же функциональные возможности для оценки скорости потока, что и блок 358 определения, но не содержит фотодиод.
В процессе работы сенсорного устройства 440 лазерный диод 480 излучает свет, который проходит через четвертую линзу 488 в направлении светоделителя 484. Направление распространения излучаемого света показано на Фиг. 4 стрелками 470a-f. Путь луча излучаемого света показан на Фиг. 4 пунктиром, ограниченным сплошными линиями. Светоделитель 484 полностью отражает излучаемый свет в направлении светоделителя 352. Часть излучаемого света проходит через колебательную полуотражающую пластину 486 (как показано стрелкой 470c), а другая часть непосредственно рассеивается в фотодиод 482 (как показано стрелкой 470d). Работа оптического блока 346, четвертьволновой пластины 362 и первой и второй линз 364, 366 идентична работе соответствующих компонентов сенсорного устройства 340. Направление распространения обратно рассеянного света показано на Фиг. 4 стрелками 474a, b. Путь луча обратно рассеянного света показан на Фиг. 4 пунктиром, ограниченным сплошными линиями. Обратно рассеянный свет проходит через колебательную отражающую волновую пластину 486 и светоделитель 484, и фокусируется третьей линзой 368 в направлении фотодиода 482. Часть отраженного излучаемого света и обратно рассеянного света смешиваются вдоль пути прохождения света между светоделителем 484 и фотодиодом 482 таким образом, что смешанный свет регистрируется фотодиодом 482. Путь смешанного света показан на Фиг. 4 стрелкой 476. Блок 458 определения определяет скорость потока в кровеносных сосудах 371 на основе смешанного светового сигнала 376. С этой целью блок 458 определения принимает соответствующий электрический сигнал от фотодиода 482.
Хотя настоящее изобретение было проиллюстрировано и описано подробно на чертежах и в вышеприведенном описании, такие иллюстрации и описание должны рассматриваться как иллюстративные или примерные, а не как ограничительные; настоящее изобретение не ограничивается описанными возможными вариантами осуществления. Другие изменения в раскрытых вариантах осуществления могут быть поняты и осуществлены специалистом в данной области техники при осуществлении заявленного изобретения путем изучения чертежей, описания и прилагаемой формулы изобретения. В формуле изобретения термин “содержащий” не исключает других элементов или шагов, а использование единственного числа не исключает множественности. Тот простой факт, что определенные меры изложены во взаимно различных зависимых пунктах формулы изобретения, не означает, что комбинация этих мер не может быть использована для получения преимущества. Любые ссылочные обозначения в формуле изобретения не должны рассматриваться как ограничивающие область применения.