原创 可穿戴设备里的"四两拨千斤"！光学设计竟能这样玩？

流感季急诊室外彻夜排起的长队，手机屏幕里不断闪烁的重症数据，深夜此起彼伏的剧烈咳嗽声——当病毒以更狡猾的姿态席卷全球，守护健康的战争早已从医院前移到每个人的身上。

在医学界公认的「72小时黄金预警期」里，可穿戴设备闪烁的光芒正穿透皮肤组织，持续捕捉血氧浓度、心率变异性和体温波动数据。这不是科幻电影的末日警报，而是光电传感器发出的生命预警，当体温监测精度精确到±0.0℃，当动态血氧检测突破运动伪影干扰……科技正在重新定义健康监护的时空边界。

从智能手表到耳机，再到智能戒指和智能衣物，这些小巧的设备通过精密的光学元件和传感器，为大众实时监测心率、血氧饱和度、血压等关键健康数据。

在这一领域，一项项巧妙的设计正悄然改变游戏规则，起到“四两拨千斤”的妙用，比如在发射端、接收端乃至OFE中采用一些创新设计既能提升系统光效，又能降低系统功耗；又比如通过优化灯与光电二极管的排布，即可降低串扰，进而提升信号采集和系统性能……

可以说，今天将奉上2025年智能手表/耳机/戒指都会用到的“设计秘籍”。对于光学设计工程师而言，这无疑是一次连接理论和实践的思维盛宴。一探究尽！

01
发射端“黑科技”

多波长光源集成与独立性设计参考

在可穿戴设备中，光电传感器的核心功能是通过发射光信号并接收反射光信号来监测生命体征。发射端通常由LED或VCSEL（垂直腔面发射激光器）组成，而接收端则是光电二极管（PD）。艾迈斯欧司朗在这两个关键部分都进行了创新设计，以确保高效的光信号发射和接收。

比如，在发射端设计时，艾迈斯欧司朗采用了多波长光源的集成方案。

将上图放大，并观察右下角的产品图，就可发现其最新的三合一发射器SFH 7018就集成了三颗发射芯片，包含绿色、红色和红外三种波长的光源。这种设计不仅可以同时支持心率和血氧的监测，还通过独特的光学结构设计提高了光效。

SFH 7018的设计中，绿色、红色和红外光源被集成在一个封装内，并且采用了双反射碗的设计。众所周知，光发射出来后，会投射到外壳部分并产生极其复杂的全反射，这些反射回来的光通过反射碗的二次甚至三次利用，能从整体上提高光的发射效率及利用率，因而最终提升这个系统的光效。

而这种设计不仅能提高光效，还减少了不同波长光源之间的相互干扰。例如，绿色光源在点亮时可能会激发红色光源产生荧光效应，而双反射碗的设计有效避免了这种荧光激发干扰，确保了每种光源的独立性和稳定性。

此外，SFH 7018还通过低电压设计和高亮度输出，进一步优化了系统的功耗和性能。例如，绿光在200mA脉冲电流下的电压仅为2.65V，远低于市场上常见的3.5V以上电压。这种低电压设计不仅降低了系统的功耗，还减少了对额外升压电路的需求，简化了硬件设计。

02
接收端秘籍

高灵敏度PD设计，专治信号“先天不良”

在接收端，艾迈斯欧司朗的光电二极管（PD）SFH 2075和SFH 2076，在芯片端做了蓝绿增强，从而使得芯片对蓝光和红光的波段的敏感度明显从这个黑色的线（下图右侧图中）又做了一个提升，其中绿光波段更是达到了接近30%的提升。

由于测量心率时主要依赖绿光波段，蓝绿增强会使得PD更加敏感了，这种设计不仅提升了心率监测的准确性，还降低了系统的功耗。

03
LED与PD排布也有玄学？

看看大师怎么选

在可穿戴设备中，LED与PD的排布对信号采集的质量至关重要。艾迈斯欧司朗通过多年的技术积累，提出了多种优化的排布方案，以确保在不同应用场景下都能获得最佳的信号采集效果。

通常，LED与PD排布方案主要分为线性排布和环形排布两种。

线性排布通常适用于空间有限的设备，如智能戒指或耳机。在这种排布中，灯和PD以线性方式排列，确保光信号能够有效地穿透皮肤并被PD接收。

环形排布则更适合于智能手表等设备。在这种排布中，灯和PD以环形方式排列，通常中间是灯，周围是PD。这种设计不仅提高了光信号的均匀性，还减少了环境光对信号采集的干扰。艾迈斯欧司朗还推出了三颗发射器和三颗接收器的交叉环形排布方案，确保了信号采集的稳定性和准确性。

但无论哪种排布设计，其中的器件间距，包括发射端和接收端之间的挡板都是需要特别设计，也是最能体现创新思维的方面。