专利名称：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 660nmo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。
图IA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IB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示图。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。
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。
具体实施例方式在下文中，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IA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IA和图IB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IA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IA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IB是沿着图IA中的线IB-IB的截面图。如图IB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IB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IOmmXlOmm 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 IOmm Φ。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以相同的间隔均勻设置。例如，4Ν(Ν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/Ν)°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 ο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，S卩，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GOOnm 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士 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彡20mm情况下的士 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优选为士20° 士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�。佣沟帽硎痉瓷渎实陌沧敖且览敌缘那哂肜没智虿獾玫姆瓷渎实牟饬拷峁嘟唬蚨梢匀范ㄊ实钡陌沧敖铅�。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/Ν) °的4Ν(Ν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103Α 103Ε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GOOnm 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5X4 = 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IOnm 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IOnm 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λ N处的脉冲波形的宽度优选地例如为等于或大于lms。另外，为了防止不同波长的光混合，关于第t种波长Xt的脉冲波形时间位置和关于第(t+Ι)种波长λ t+1的脉冲波形时间位置优选地例如为等于或大于ans。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IA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以相同的间隔均勻地设置发光元件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ζ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IOlA 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IOlA为波长为A的光在其上形成图像的区域，区域IOlB为波长为B在其上形成图像的区域。在这里，在使用IOmmX IOmm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 X IOmm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勻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IOlA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IOlA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IOnm 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)0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(l/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。
权利要求
1.一种测量装置，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所述光传感元件上形成图像；以及多个发光元件，以环形设置在所述光传感元件周围，并向所述测量目标区域辐射光，其中，所述多个发光元件被设置为相对于所述测量目标区域的法线倾斜，以使来自每个所述发光元件的辐射光的中心线穿过所述测量目标区域的中心。
2.根据权利要求1所述的测量装置，其中，根据所述测量目标区域和所述光传感元件之间的间距来设定由所述辐射光的中心线与所述测量目标区域的法线所形成的角度。
3.根据权利要求2所述的测量装置，其中，如果所述间距等于或小于预定阈值，则将所述角度设为45°，并且如果所述间距超过所述预定阈值，则将所述角度设为小于45°。
4.根据权利要求1所述的测量装置，其中，所述测量目标区域被设置为面向所述光传感元件。
5.根据权利要求1所述的测量装置，其中，4N个所述发光元件以(90/N)°的间隔设置在所述光传感元件周围，其中N是等于或大于1的整数。
6.根据权利要求1所述的测量装置，其中，提供给所述测量目标区域的所述辐射光的数值孔径等于或小于0.2。
7.根据权利要求1所述的测量装置，其中，所述多个发光元件辐射具有相同波长特性的光。
8.根据权利要求5所述的测量装置，其中，辐射具有N种不同波长的光的所述发光元件以每种波长四个所述发光元件的方式被设置作为所述多个发光元件。
9.根据权利要求8所述的测量装置，其中，辐射具有5种不同波长的光的20个所述发光元件以18°的间隔设置在所述光传感元件周围。
10.根据权利要求9所述的测量装置，其中，所述具有5种不同波长的光的中心波长分别为 500nm、540nm、580nm、620nm 和 660nm。
11.根据权利要求10所述的测量装置，其中，中心波长为580nm的光的半峰全宽小于中心波长为500nm、540nm、620nm和660nm的光的半峰全宽。
12.根据权利要求8所述的测量装置，其中，辐射具有N种不同波长的光的所述发光元件以分时方式利用N个脉冲辐射光，以具有预定脉冲宽度。
13.根据权利要求7所述的测量装置，其中，所述多个发光元件分别地且同时地辐射白光以具有预定脉冲宽度。
14.根据权利要求7所述的测量装置，其中，所述光传感元件的光传感表面被分为N个区域，并且其中，通过其传输具有N种不同波长的光的滤光器被设置在每个所述区域的上侧。
15.根据权利要求14所述的测量装置，其中，所述光传感元件的所述光传感表面被分为5个区域，并且其中，通过所述滤光器传输中心波长为500nm、540nm、580nm、620nm和660nm的光。
16.根据权利要求15所述的测量装置，其中，中心波长为580nm的光的半峰全宽小于中心波长为500nm、540nm、620nm和660nm的光的半峰全宽。
17.根据权利要求15所述的测量装置，其中，来自所述测量目标区域的经准直的漫反射入射至所述滤光器。
18.根据权利要求1所述的测量装置，其中，所述测量目标区域的尺寸与由从所述多个发光元件辐射的光所形成的斑点的尺寸相同。
19.根据权利要求1所述的测量装置，其中，所述测量装置被设置在具有开口部的外壳内，并且其中，所述测量目标区域是置于所述开口部上的人的皮肤表面。
20.一种测量方法，包括从多个发光元件辐射预定波长的光，所述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，使得来自每个所述发光元件的辐射光的中心线穿过所述测量目标区域的中心，其中，来自其上放置有测量目标的所述测量目标区域的光在所述光传感元件上形成图像；以及使所述光传感元件感测来自所述测量目标区域的漫反射光。
全文摘要
本发明披露了测量装置和测量方法。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光传感元件上形成图像；以及多个发光元件，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的中心线穿过测量目标区域的大致中心。
文档编号G01N21/47GK102419314SQ201110267958
公开日2012年4月18日 申请日期2011年9月9日 优先权日2010年9月16日
发明者上野正俊, 今井宽和, 川部英雄, 桦泽宪一, 铃木达也, 鸟海洋一 申请人:索尼公司
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