CN113711267A - 检测装置 - Google Patents
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Abstract
检测装置具备:第一光传感器;第二光传感器,与第一光传感器隔开预定距离配置;光源,发出用于被与包括血管的生物体组织相对的第一光传感器及第二光传感器检测的光;以及处理部,基于第一光传感器的输出的时间序列变化、第二光传感器的输出的时间序列变化以及预定距离来计算血管的脉搏波传播速度。
Description
技术领域
本发明涉及一种检测装置。
背景技术
已知一种能够检测指纹图案或血管图案的光传感器(例如专利文献1)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1:日本特开2009-32005号公报
技术问题在于使用光传感器来获取脉搏波传播速度。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够获取脉搏波传播速度的检测装置。
本发明的一种方式的检测装置具备:第一光传感器;第二光传感器,与所述第一光传感器隔开预定距离配置;光源,发出用于被与包括血管的生物体组织相对的所述第一光传感器及所述第二光传感器检测的光;以及处理部,基于所述第一光传感器的输出的时间序列变化、所述第二光传感器的输出的时间序列变化以及所述预定距离来计算所述血管的脉搏波传播速度。
附图说明
图1是示出实施方式所涉及的检测装置的俯视图。
图2是示出实施方式所涉及的检测装置的构成例的框图。
图3是示出检测装置的电路图。
图4是示出多个部分检测区域的电路图。
图5是示出传感器部的简要剖面结构的剖视图。
图6是示意性地示出入射到光电二极管的光的波长与转换效率的关系的图表。
图7是示出检测装置的动作例的定时波形图。
图8是示出图7中的读出期间的动作例的定时波形图。
图9是用于说明检测装置的传感器部的驱动与光源的点亮动作的关系的说明图。
图10是用于说明实施方式的第一变形例所涉及的传感器部的驱动与光源的点亮动作的关系的说明图。
图11是示出第二光源、传感器部和手指内的血管之间的位置关系的例子的示意图。
图12是示出在俯视观察设置成与手指相对的多个光电二极管所形成的面状的检测区域时作为示例设定的光电二极管内的多个点的示意图。
图13是示出根据光源的点亮时间的控制方式而分支的时差的校正所涉及的处理流程的一个例子的流程图。
图14是用于说明复位期间及读出期间与第二光源的点亮期间重叠时的有效曝光期间及输出定时的时差的时序图。
图15是用于说明复位期间及读出期间与第二光源的点亮期间不重叠时的输出定时的时差的时序图。
图16是示出来自各个光电二极管的输出的时差的校正前和校正后的例子的说明图。
图17是示出能够佩戴于手腕的方式的检测装置的主要构成例的示意图。
图18是示出图17所示的检测装置对血管的脉搏波传播速度进行检测的检测例的示意图。
图19是示出搭载于手帕的检测装置的传感器部的配置例的图。
图20是示出搭载于衣服的检测装置的传感器部的配置例的图。
图21是示出搭载于粘性片的检测装置的传感器部的配置例的图。
具体实施方式
参照附图,对用于实施发明的方式(实施方式)进行详细说明。本发明并不限定于以下的实施方式所记载的内容。此外,以下记载的构成要素包含本领域技术人员容易想到的实质上相同的构成要素。而且,以下记载的构成要素能够适当组合。另外,公开内容仅仅是示例,本领域技术人员在保持发明主旨的前提下容易想到的适当变更当然也包含于本发明的范围。此外,为了使说明更明确,与实际的方式相比,附图中有时示意性地示出各部分的宽度、厚度、形状等,但这仅仅是示例,并不限定本发明的解释。此外,在本说明书和各图中,有时对与在已出现的图中描述过的要素相同的要素标注相同的附图标记并适当省略详细的说明。
图1是示出实施方式的检测装置的俯视图。如图1所示,检测装置1具有:传感器基材21、传感器部10、栅极线驱动电路15、信号线选择电路16、检测电路48、控制电路122、电源电路123、第一光源基材51、第二光源基材52、至少一个第一光源61和至少一个第二光源62。另外,在实施方式中,作为光源举例示出了多种光源(第一光源61和第二光源62),但是光源也可以为一种。
在传感器基材21经由柔性印刷基板71电连接有控制基板121。在柔性印刷基板71设置有检测电路48。在控制基板121设置有控制电路122及电源电路123。控制电路122例如是FPGA(Field Programmable Gate Array,现场可编程门阵列)。控制电路122向传感器部10、栅极线驱动电路15及信号线选择电路16供给控制信号,以控制传感器部10的检测动作。此外,控制电路122向第一光源61及第二光源62供给控制信号,以控制第一光源61及第二光源62的点亮或非点亮。电源电路123将传感器电源信号VDDSNS(参照图4)等电压信号供给到传感器部10、栅极线驱动电路15及信号线选择电路16。此外,电源电路123将电源电压供给到第一光源61及第二光源62。
传感器基材21具有检测区域AA和周边区域GA。检测区域AA是设置有传感器部10所具有的多个光电二极管PD(参照图4)的区域。周边区域GA是检测区域AA的外周与传感器基材21的端部之间的区域,是不与光电二极管PD重叠的区域。
栅极线驱动电路15及信号线选择电路16设置于周边区域GA。具体地说,栅极线驱动电路15设置于周边区域GA中的沿第二方向Dy延伸的区域。信号线选择电路16设置于周边区域GA中的沿第一方向Dx延伸的区域,并且设置于传感器部10与检测电路48之间。
另外,第一方向Dx是与传感器基材21平行的面内的一个方向。第二方向Dy是与传感器基材21平行的面内的一个方向,并且是与第一方向Dx正交的方向。另外,第二方向Dy也可以与第一方向Dx为非正交的相交。此外,第三方向Dz是与第一方向Dx及第二方向Dy正交的方向,并且是传感器基材21的法线方向。
多个第一光源61设置于第一光源基材51且沿第二方向Dy排列。多个第二光源62设置于第二光源基材52且沿第二方向Dy排列。第一光源基材51及第二光源基材52分别经由设置于控制基板121的端子部124、125与控制电路122及电源电路123电连接。
多个第一光源61及多个第二光源62例如使用无机LED(Light Emitting Diode,发光二极管)或有机EL(OLED:Organic Light Emitting Diode,有机发光二极管)等。多个第一光源61及多个第二光源62射出波长分别不同的第一光L61(参照图18)及第二光L62(参照图11等)。第一光L61和第二光L62分别具有不同的发光极大波长。发光极大波长是指在表示第一光L61及第二光L62各自的波长与发光强度的关系的发光光谱中表示最大的发光强度的波长。以下,在仅记载了波长的数值时,表示设想的发光极大波长。
从第一光源61射出的第一光L61主要被手指Fg等被检测体的表面反射而入射到传感器部10。由此,传感器部10通过检测手指Fg等的表面的凹凸形状,能够检测指纹。从第二光源62射出的第二光L62主要在手指Fg等的内部反射或透射手指Fg等而入射到传感器部10。由此,传感器部10能够检测与手指Fg等的内部的生物体相关的信息。与生物体相关的信息例如是指手指Fg或手掌的脉搏波、脉搏、血管像等。
作为一个例子,第一光L61可以具有520nm以上且600nm以下、例如500nm左右的波长,第二光L62可以具有780nm以上且900nm以下、例如850nm左右的波长。在这种情况下,第一光L61是蓝色或绿色的可见光,第二光L62是红外光。传感器部10基于从第一光源61射出的第一光L61,能够检测指纹。从第二光源62射出的第二光L62在手指Fg等被检测体的内部反射或透射手指Fg等并被手指Fg等吸收而入射到传感器部10。由此,传感器部10能够检测脉搏波或血管像(血管图案)作为与手指Fg等的内部的生物体相关的信息。
又或者,第一光L61可以具有600nm以上且700nm以下、例如660nm左右的波长,第二光L62可以具有780nm以上且900nm以下、例如850nm左右的波长。在这种情况下,基于从第一光源61射出的第一光L61及从第二光源62射出的第二光L62,传感器部10除了脉搏波、脉搏或血管像以外,还能够检测血氧饱和度作为与生物体相关的信息。由此,检测装置1具有第一光源61及多个第二光源62,因此通过进行基于第一光L61的检测以及基于第二光L62的检测,能够检测与各种生物体相关的信息。
另外,图1所示的第一光源61及第二光源62的配置只是一个例子,能够进行适当变更。例如,也可以在第一光源基材51及第二光源基材52分别配置多个第一光源61及多个第二光源62。在这种情况下,包括多个第一光源61的组和包括多个第二光源62的组可以沿第二方向Dy并排配置,第一光源61和第二光源62也可以在第二方向Dy上交替配置。此外,设置第一光源61及第二光源62的光源基材也可以是一个或三个以上。
图2是示出实施方式所涉及的检测装置的构成例的框图。如图2所示,检测装置1还具有检测控制部11和检测部40。检测控制部11的功能的一部分或全部包含于控制电路122。此外,检测部40中的检测电路48以外的功能的一部分或全部包含于控制电路122。
传感器部10是具有作为光电转换元件的光电二极管PD的光传感器。传感器部10所具有的光电二极管PD将与照射的光相应的电信号输出到信号线选择电路16。信号线选择电路16按照来自检测控制部11的选择信号ASW,依次选择信号线SGL。由此,该电信号作为检测信号Vdet输出到检测部40。此外,传感器部10按照从栅极线驱动电路15供给的栅极驱动信号Vgcl进行检测。
检测控制部11是向栅极线驱动电路15、信号线选择电路16及检测部40分别供给控制信号以控制它们的动作的电路。检测控制部11将起始信号STV、时钟信号CK、复位信号RST1等各种控制信号供给到栅极线驱动电路15。此外,检测控制部11将选择信号ASW等各种控制信号供给到信号线选择电路16。此外,检测控制部11将各种控制信号供给到第一光源61及第二光源62,以控制各自的点亮及非点亮。
栅极线驱动电路15是基于各种控制信号驱动多根栅极线GCL(参照图3)的电路。栅极线驱动电路15依次或同时选择多根栅极线GCL,并且向所选择的栅极线GCL供给栅极驱动信号Vgcl。由此,栅极线驱动电路15选择与栅极线GCL连接的多个光电二极管PD。
信号线选择电路16是依次或同时选择多根信号线SGL(参照图3)的开关电路。信号线选择电路16例如是多路复用器。信号线选择电路16基于从检测控制部11供给的选择信号ASW来连接所选择的信号线SGL和检测电路48。由此,信号线选择电路16将光电二极管PD的检测信号Vdet输出到检测部40。
检测部40具备:检测电路48、信号处理部44、坐标提取部45、存储部46、检测定时控制部47、图像处理部49和输出处理部50。检测定时控制部47基于从检测控制部11供给的控制信号进行控制,以使检测电路48、信号处理部44、坐标提取部45和图像处理部49同步动作。
检测电路48例如是模拟前端电路(AFE,Analog Front End,模拟前端)。检测电路48例如是具有检测信号放大部42及A/D转换部43的功能的信号处理电路。检测信号放大部42放大检测信号Vdet。A/D转换部43将从检测信号放大部42输出的模拟信号转换为数字信号。
信号处理部44是基于检测电路48的输出信号来检测输入到传感器部10的预定的物理量的逻辑电路。在手指Fg接触或接近检测区域AA的情况下,信号处理部44能够基于来自检测电路48的信号来检测手指Fg或手掌的表面的凹凸。此外,信号处理部44能够基于来自检测电路48的信号来检测与生物体相关的信息。与生物体相关的信息例如是手指Fg或手掌的血管像、脉搏波、脉搏、血氧饱和度等。
在获取人的血氧饱和度时,例如,采用660nm(该范围为500nm~700nm)作为第一光L61,采用约850nm(该范围为800nm~930nm)作为第二光L62。由于光的吸收量根据血红蛋白吸收氧的量而变化,所以通过光电二极管PD检测从照射的第一光L61、第二光L62中减去被血液(血红蛋白)吸收的光而得到的量的光。血氧的大部分与红细胞中的血红蛋白可逆地结合,极少一部分溶解在血浆中。更具体地说,将作为血液整体结合了其允许量的多少百分比的氧的值称为氧饱和度(SpO2)。能够根据从第一光L61和第二光L62的以两个波长照射的光中减去被血液(血红蛋白)吸收的光而得到的量来计算血氧饱和度。
此外,信号处理部44可以获取由多个光电二极管PD同时检测出的检测信号Vdet(与生物体相关的信息),并且执行使它们平均化的处理。在这种情况下,检测部40抑制由噪声、手指Fg等被检测体与传感器部10相对的位置偏离引起的测定误差,从而能够进行稳定的检测。
存储部46临时保存由信号处理部44运算出的信号。存储部46例如可以是RAM(Random Access Memory,随机存取存储器)、寄存器电路等。
坐标提取部45是在信号处理部44中检测到手指的接触或接近时求出手指等的表面的凹凸的检测坐标的逻辑电路。此外,坐标提取部45是求出手指Fg或手掌的血管的检测坐标的逻辑电路。图像处理部49将从传感器部10的各光电二极管PD输出的检测信号Vdet组合而生成表示手指Fg等的表面的凹凸形状的二维信息、以及手指Fg或手掌的血管的形状的二维信息。另外,也可以省略坐标提取部45及图像处理部49。
输出处理部50作为基于来自多个光电二极管PD的输出进行处理的处理部发挥功能。具体地说,实施方式的输出处理部50至少基于经由信号处理部44获取的检测信号Vdet来输出至少包含脉搏波数据的传感器输出Vo。在实施方式中,由信号处理部44输出表示后述的各光电二极管PD的检测信号Vdet的输出的变化(振幅)的数据,由输出处理部50确定将哪个输出采用为传感器输出Vo,但是也可以由信号处理部44或输出处理部50来进行这双方处理。另外,输出处理部50也可以将坐标提取部45求出的检测坐标、图像处理部49生成的二维信息等包含于传感器输出Vo。此外,输出处理部50的功能也可以合并于其他构成(例如图像处理部49等)。
另外,如果将脉搏波等的检测装置佩戴于人体,则也检测伴随呼吸、姿势的变化、人体的运动等产生的噪声,因此信号处理部44也可以根据需要设置噪声滤波器。由呼吸、姿势的变化产生的噪声的频率成分例如为1Hz以下,是与脉搏波所具有的频率成分相比足够低的频率,因此能够通过使用带通滤波器作为噪声滤波器来除去。带通滤波器例如能够设置于检测信号放大器42。由人体的运动等产生的噪声的频率成分例如是数Hz~100Hz左右,有时与脉搏波所具有的频率成分重叠。但是,由于这种情况下的频率不是固定的频率而是具有频率波动的,因此使用对具有波动成分的频率进行除去的噪声滤波器。作为除去具有波动成分的频率的方法的一个例子(第一波动成分除去方法)可以利用脉搏波根据人体的测定场所而产生的峰值的时滞的性质。即,脉搏波根据人体的测定部位而产生时滞,由人体的运动等产生的噪声不产生时滞或时滞比脉搏波小。因此,在至少两点的不同场所测定脉搏波,如果在不同的多个场所测定的峰值在预定时间以内,则作为噪声除去。在这种情况下,也考虑到噪声的波形与脉搏波的波形偶然重叠的情况,但是在这种情况下,仅在不同的多个场所中的一个场所中两个波形重叠,所以能够判别噪声的波形与脉搏波的波形。该处理例如能够由信号处理部44实施。作为除去具有波动成分的频率的方法的另一个例子(第二波动成分除去方法),通过信号处理部44除去相位不同的频率成分。在这种情况下,例如进行短时傅立叶变换来除去波动成分,也可以进行逆傅立叶变换。此外,商用频率电源(50Hz、60Hz)也会成为噪声源,但是在这种情况下,与由人体的运动等产生的噪声同样,不产生在不同的多个场所测定的峰值的时滞或比脉搏波产生的时滞小。因此,能够通过与上述第一波动成分除去方法相同的方法进行噪声除去。或者也可以通过在与检测器的检测面相反侧的面设置屏蔽,由此除去由商用频率电源产生的噪声。
接着,对检测装置1的电路构成例进行说明。图3是示出检测装置的电路图。图4是示出多个部分检测区域的电路图。另外,在图4中还一并示出了检测电路48的电路构成。
如图3所示,传感器部10具有排列成矩阵状的多个部分检测区域PAA。在多个部分检测区域PAA分别设置有光电二极管PD。
栅极线GCL在第一方向Dx上延伸,与在第一方向Dx上排列的多个部分检测区域PAA连接。此外,多根栅极线GCL(1)、GCL(2)、…、GCL(8)在第二方向Dy上排列,分别与栅极线驱动电路15连接。另外,在以下的说明中,在没有必要区分多根栅极线GCL(1)、GCL(2)、…、GCL(8)来进行说明时,仅表示为栅极线GCL。此外,为了便于说明,在图3中示出了八根栅极线GCL,但只是一个例子,栅极线GCL也可以排列M根(M为8以上,例如M=256)。
信号线SGL在第二方向Dy上延伸,与在第二方向Dy上排列的多个部分检测区域PAA的光电二极管PD连接。此外,多根信号线SGL(1)、SGL(2)、…、SGL(12)在第一方向Dx上排列,分别与信号线选择电路16及复位电路17连接。另外,在以下的说明中,在没有必要区分多根信号线SGL(1)、SGL(2)、…、SGL(12)来进行说明时,仅表示为信号线SGL。
此外,为了便于说明,示出了12根信号线SGL,但只是一个例子,信号线SGL也可以排列N根(N是12以上,例如N=252)。此外,传感器的分辨率例如为508dpi(dot per inch,每英寸点数),单元数为252×256。此外,在图3中,在信号线选择电路16与复位电路17之间设置有传感器部10。并不限定于此,信号线选择电路16和复位电路17也可以分别与信号线SGL的相同方向的端部连接。此外,一个传感器的实质上的面积例如实质上为50×50um2,检测区域AA的面积例如为12.6×12.8mm2。
栅极线驱动电路15从控制电路122(参照图1)接受起始信号STV、时钟信号CK、复位信号RST1等各种控制信号。栅极线驱动电路15基于各种控制信号,以时分方式依次选择多根栅极线GCL(1)、GCL(2)、…、GCL(8)。栅极线驱动电路15向所选择的栅极线GCL供给栅极驱动信号Vgcl。由此,向与栅极线GCL连接的多个第一开关元件Tr供给栅极驱动信号Vgcl,选择在第一方向Dx上排列的多个部分检测区域PAA作为检测对象。
另外,栅极线驱动电路15可以按照指纹的检测以及与不同的多个生物体相关的信息(脉搏波、脉搏、血管像、血氧饱和度等)各自的每种检测模式,执行不同的驱动。例如,栅极线驱动电路15可以将多根栅极线GCL集束并进行驱动。
具体地说,栅极线驱动电路15也可以基于控制信号,同时选择栅极线GCL(1)、GCL(2)、…、GCL(8)中的预定数量的栅极线GCL。例如,栅极线驱动电路15同时选择六根的栅极线GCL(1)至栅极线GCL(6)并供给栅极驱动信号Vgcl。栅极线驱动电路15经由所选择的六根栅极线GCL向多个第一开关元件Tr供给栅极驱动信号Vgcl。由此,分别选择包含在第一方向Dx及第二方向Dy上排列的多个部分检测区域PAA的组区域PAG1、PAG2作为检测对象。栅极线驱动电路15将预定数量的栅极线GCL集束并进行驱动,向每个预定数量的栅极线GCL依次供给栅极驱动信号Vgcl。以下,在不像检测区域位组PAG1、PAG2那样特别区分分别不同的组区域的各个位置时,记载为组区域PAG。
信号线选择电路16具有多根选择信号线Lsel、多根输出信号线Lout和第三开关元件TrS。多个第三开关元件TrS分别与多根信号线SGL对应地设置。六根信号线SGL(1)、SGL(2)、…、SGL(6)与通用的输出信号线Lout1连接。六根信号线SGL(7)、SGL(8)、…、SGL(12)与通用的输出信号线Lout2连接。输出信号线Lout1、Lout2分别与检测电路48连接。
在此,将信号线SGL(1)、SGL(2)、…、SGL(6)设为第一信号线块,将信号线SGL(7)、SGL(8)、…、SGL(12)设为第二信号线块。多根选择信号线Lsel分别与包含于一个信号线块的第三开关元件TrS的栅极连接。此外,一根选择信号线Lsel与多个信号线块的第三开关元件TrS的栅极连接。
具体地说,选择信号线Lsel1、Lsel2、…、Lsel6分别与对应于信号线SGL(1)、SGL(2)、…、SGL(6)的第三开关元件TrS连接。此外,选择信号线Lsel1与对应于信号线SGL(1)的第三开关元件TrS以及对应于信号线SGL(7)的第三开关元件TrS连接。选择信号线Lsel2与对应于信号线SGL(2)的第三开关元件TrS以及对应于信号线SGL(8)的第三开关元件TrS连接。
控制电路122(参照图1)将选择信号ASW依次供给到选择信号线Lsel。由此,信号线选择电路16通过第三开关元件TrS的动作,在一个信号线块中以时分方式依次选择信号线SGL。此外,信号线选择电路16在多个信号线块中分别各选择一根信号线SGL。通过这种构成,检测装置1能够减少包括检测电路48的IC(Integrated Circuit,集成电路)的数量或IC的端子数。
另外,信号线选择电路16可以将多根信号线SGL集束并与检测电路48连接。具体地说,控制电路122(参照图1)将选择信号ASW同时供给到选择信号线Lsel。由此,信号线选择电路16通过第三开关元件TrS的动作,在一个信号线块中选择多根信号线SGL(例如六根信号线SGL),并且连接多根信号线SGL和检测电路48。由此,在各组区域PAG中检测出的信号被输出到检测电路48。在这种情况下,以组区域PAG为单位将来自多个部分检测区域PAA(光电二极管PD)的信号合并后输出到检测电路48。
通过栅极线驱动电路15及信号线选择电路16的动作,对每个组区域PAG进行检测,由此提高了通过一次检测得到的检测信号Vdet的强度,因此能够提高传感器灵敏度。此外,能够缩短检测所需的时间。由此,检测装置1能够在短时间反复执行检测,因此能够提高S/N比,或者能够高精度地检测脉搏波等与生物体相关的信息的时间性变化。
如图3所示,复位电路17具有基准信号线Lvr、复位信号线Lrst及第四开关元件TrR。第四开关元件TrR与多根信号线SGL对应地设置。基准信号线Lvr与多个第四开关元件TrR的源极和漏极中的一方连接。复位信号线Lrst与多个第四开关元件TrR的栅极连接。
控制电路122将复位信号RST2供给到复位信号线Lrst。由此,多个第四开关元件TrR导通,多根信号线SGL与基准信号线Lvr电连接。电源电路123将基准信号COM供给到基准信号线Lvr。由此,向包含于多个部分检测区域PAA的电容元件Ca(参照图4)供给基准信号COM。
如图4所示,部分检测区域PAA包括光电二极管PD、电容元件Ca和第一开关元件Tr。在图4中示出多根栅极线GCL中的在第二方向Dy上并排的两根栅极线GCL(m)、GCL(m+1)。此外,示出多根信号线SGL中的在第一方向Dx上并排的两根信号线SGL(n)、SGL(n+1)。部分检测区域PAA是由栅极线GCL和信号线SGL包围的区域。第一开关元件Tr与光电二极管PD对应地设置。第一开关元件Tr由薄膜晶体管构成,在该例子中,由n沟道的MOS(Metal OxideSemiconductor,金属氧化物半导体)型的TFT(Thin Film Transistor,薄膜晶体管)构成。
属于在第一方向Dx上并排的多个部分检测区域PAA的第一开关元件Tr的栅极与栅极线GCL连接。属于在第二方向Dy上并排的多个部分检测区域PAA的第一开关元件Tr的源极与信号线SGL连接。第一开关元件Tr的漏极与光电二极管PD的阴极及电容元件Ca连接。
电源电路123向光电二极管PD的阳极供给传感器电源信号VDDSNS。此外,从电源电路123向信号线SGL及电容元件Ca供给成为信号线SGL及电容元件Ca的初始电位的基准信号COM。
如果向部分检测区域PAA照射光,则与光量相应的电流流过光电二极管PD,由此在电容元件Ca中蓄积电荷。如果第一开关元件Tr导通,则根据蓄积于电容元件Ca的电荷,电流流过信号线SGL。信号线SGL经由信号线选择电路16的第三开关元件TrS与检测电路48连接。由此,检测装置1能够对每个部分检测区域PAA或每个组区域PAG,检测与照射到光电二极管PD的光的光量相应的信号。
检测电路48在读出期间Pdet(参照图7)内导通开关SSW而与信号线SGL连接。检测电路48的检测信号放大部42将从信号线SGL供给的电流变动转换为电压变动并进行放大。向检测信号放大部42的非反相输入部(+)输入具有固定的电位的基准电位(Vref),在反相输入端子(-)连接有信号线SGL。在实施方式中,输入与基准信号COM相同的信号作为基准电位(Vref)电压。此外,检测信号放大部42具有电容元件Cb及复位开关RSW。在复位期间Prst(参照图7),复位开关RSW导通,电容元件Cb的电荷被复位。
接着,对光电二极管PD的构成进行说明。图5是示出传感器部的简要剖面构成的剖视图。图6是示意性地示出入射到光电二极管的光的波长与转换效率的关系的图表。
如图5所示,传感器部10具备:传感器基材21、TFT层22、绝缘层23、光电二极管PD和保护膜24。传感器基材21是绝缘性的基材,例如使用玻璃或树脂材料。传感器基材21不限定于平板状,也可以具有曲面。在这种情况下,传感器基材21可以是膜状的树脂。传感器基材21具有第一面S1和第一面S1的相反侧的第二面S2。在第一面S1依次层叠TFT层22、绝缘层23、光电二极管PD、保护膜24。
TFT层22用于上述栅极线驱动电路15或信号线选择电路16等电路。此外,在TFT层22设置有第一开关元件Tr等TFT(Thin Film Transistor)、栅极线GCL、信号线SGL等各种布线。传感器基材21及TFT层22是对每个预定的检测区域驱动传感器的驱动电路基板,也称为背板。
绝缘层23是无机绝缘层。作为绝缘层23例如使用氧化硅(SiO2)等氧化物或氮化硅(SiN)等氮化物。
光电二极管PD设置在绝缘层23之上。光电二极管PD具有光电转换层31、阴极电极35和阳极电极34。在与传感器基材21的第一面S1垂直的方向上,依次层叠阴极电极35、光电转换层31、阳极电极34。另外,光电二极管PD的层叠顺序也可以是阳极电极34、光电转换层31、阴极电极35的顺序。
光电转换层31的特性(例如电压电流特性或电阻值)根据照射的光而变化。作为光电转换层31的材料使用有机材料。具体地说,作为光电转换层31例如能够使用作为低分子有机材料的C60(富勒烯)、PCBM(苯基-C61-丁酸甲酯:Phenyl C61-butyric acid methylester)、CuPc(酞菁铜:Copper Phthalocyanine)、F16CuPc(全氟酞菁铜)、rubrene(红荧烯:5,6,11,12-tetraphenyltetracene)、PDI(Perylene(苝)的衍生物)等。
光电转换层31能够使用这些低分子有机材料由蒸镀型(Dry Process,干法)形成。在这种情况下,光电转换层31例如可以是CuPc和F16CuPc的层叠膜或rubrene和C60的层叠膜。光电转换层31也能够由塗布型(Wet Process,湿法)形成。在这种情况下,光电转换层31使用组合了上述低分子有机材料与高分子有机材料的材料。作为高分子有机材料例如能够使用P3HT(poly(3-hexylthiophene),聚(3-己基噻吩))、F8BT(F8-alt-benzothiadiazole,F8-交替-苯并噻二唑)等。光电转换层31能够使用P3HT与PCBM混合的状态的膜或F8BT与PDI混合的状态的膜。
阴极电极35与阳极电极34隔着光电转换层31相对。阳极电极34例如使用ITO(Indium Tin Oxide,铟锡氧化物)等具有透光性的导电性材料。阴极电极35例如使用银(Ag)或铝(Al)等金属材料。或者阴极电极35也可以是包含这些金属材料的至少一种以上的合金材料。
通过控制阴极电极35的膜厚,能够形成阴极电极35作为具有透光性的半透射型电极。例如,阴极电极35由膜厚10nm的Ag薄膜形成,由此具有60%左右的透光性。在这种情况下,光电二极管PD能够检测从传感器基材21的两面侧照射的光、例如从第一面S1侧照射的第一光L61及从第二面S2侧照射的第二光L62双方。
保护膜24设置为覆盖阳极电极34。保护膜24是钝化膜,为了保护光电二极管PD而设置。
图6所示的图表的横轴是入射到光电二极管PD的光的波长,纵轴是光电二极管PD的外部量子效率。外部量子效率例如由入射到光电二极管PD的光的光量子数与从光电二极管PD流向外部的检测电路48的电流之比来表示。
如图6所示,光电二极管PD在300nm至1000nm左右的波长带具有良好的效率。即,光电二极管PD对从第一光源61射出的第一光L61及从第二光源62射出的第二光L62双方的波长具有灵敏度。因此,能够通过一个光电二极管PD检测具有不同波长的多个光。
接着,对检测装置1的动作例进行说明。图7是示出检测装置的动作例的定时波形图。如图7所示,检测装置1具有复位期间Prst、有效曝光期间Pex及读出期间Pdet。电源电路123在复位期间Prst、有效曝光期间Pex及读出期间Pdet的所有期间上,将传感器电源信号VDDSNS供给到光电二极管PD的阳极。传感器电源信号VDDSNS是向光电二极管PD的阳极-阴极之间施加反向偏压的信号。例如,对光电二极管PD的阴极施加实质上0.75V的基准信号COM,但是通过对阳极施加实质上-1.25V的传感器电源信号VDDSNS,在阳极-阴极之间以实质上2.0V反向偏压。此外,在检测850nm波长时,通过施加2V的反向偏压,光电二极管PD能够得到0.5A/W以上且0.7A/W以下、优选0.57A/W左右的高灵敏度。此外,光电二极管的特性使用如下光电二极管:在施加2V的反向偏压时暗电流密度(dark current density)为1.0×10-7A/cm2,在检测输出实质为2.9mW/cm2的850nm波长的光时光电流密度(photocurrentdensity)为1.2×10-3A/cm2。此外,在照射850nm波长的光时,在施加反向偏压2V时外部量子效率(EQE)约为1.0。控制电路122在将RST2信号设为“H”之后,向栅极线驱动电路15供给起始信号STV及时钟信号CK,开始复位期间Prst。在复位期间Prst,控制电路122将基准信号COM供给到复位电路17,通过复位信号RST2使得用于供给复位电压的第四开关晶体管TrR导通。由此向各信号线SGL供给基准信号COM作为复位电压。基准信号COM例如为0.75V。
在复位期间Prst,栅极线驱动电路15基于起始信号STV、时钟信号CK及复位信号RST1,依次选择栅极线GCL。栅极线驱动电路15将栅极驱动信号Vgcl{Vgcl(1)~Vgcl(M)}依次供给到栅极线GCL。栅极驱动信号Vgcl具有脉冲状波形,该脉冲状波形具有作为高电平电压的电源电压VDD和作为低电平电压的电源电压VSS。在图7中,设置有M根(例如M=256)栅极线GCL,向各栅极线GCL依次供给栅极驱动信号Vgcl(1)、…、Vgcl(M),多个第一开关元件Tr按各行依次导通而被供给复位电压。作为复位电压例如供给基准信号COM的电压0.75V。
由此,在复位期间Prst,所有部分检测区域PAA的电容元件Ca依次与信号线SGL电连接而被供给基准信号COM。其结果,蓄积于电容元件Ca的电容的电荷被复位。另外,也可以通过部分地选择栅极线及信号线SGL,对部分检测区域PAA中一部分的电容元件Ca的电容进行复位。
作为曝光的定时的例子,有栅极线扫描时曝光控制方法和持续曝光控制方法。在栅极线扫描时曝光控制方法中,向与检测对象的光电二极管PD连接的所有栅极线GCL依次供给栅极驱动信号{Vgcl(1)~(M)},向检测对象的所有光电二极管PD供给复位电压。之后,如果与检测对象的光电二极管PD连接的所有栅极线GCL成为低电压(第一开关元件Tr断开),则开始曝光,在有效曝光期间Pex的期间进行曝光。如果曝光结束,则如上所述向与检测对象的光电二极管PD连接的栅极线GCL依次供给栅极驱动信号{Vgcl(1)~(M)},在读出期间Pdet进行读出。在持续曝光控制方法中,在复位期间Prst、读出期间也能够实施进行曝光的控制(持续曝光控制)。在这种情况下,在栅极驱动信号Vgcl(M)供给到栅极线GCL之后,有效曝光期间Pex(1)开始。在此,有效曝光期间Pex{(1)…(M)}是指从光电二极管PD向电容Ca充电的期间。另外,与各栅极线GCL对应的部分检测区域PAA中的实际的有效曝光期间Pex(1)、…、Pex(M)的开始定时及结束定时不同。有效曝光期间Pex(1)、…、Pex(M)分别在复位期间Prst中栅极驱动信号Vgcl从高电平电压的电源电压VDD变化为低电平电压的电源电压VSS的定时开始。此外,有效曝光期间Pex(1)、…、Pex(M)分别在读出期间Pdet中栅极驱动信号Vgcl从电源电压VSS变化为电源电压VDD的定时结束。各有效曝光期间Pex(1)、…、Pex(M)的曝光时间的长度相等。
在栅极线扫描时曝光控制方法中,在有效曝光期间Pex{(1)…(M)}内的各部分检测区域PAA中,电流根据照射到光电二极管PD的光而流动。其结果,电荷蓄积于各电容元件Ca。
在读出期间Pdet开始之前的定时,控制电路122使复位信号RST2为低电平电压。由此,复位电路17的动作停止。另外,复位信号可以仅在复位期间Prst为高电平电压。在读出期间Pdet,与复位期间Prst同样,栅极线驱动电路15向栅极线GCL依次供给栅极驱动信号Vgcl(1)、…、Vgcl(M)。
具体地说,栅极线驱动电路15在期间V(1)向栅极线GCL(1)供给高电平电压(电源电压VDD)的栅极驱动信号Vgcl(1)。控制电路122在栅极驱动信号Vgcl(1)为高电平电压(电源电压VDD)的期间,将选择信号ASW1、…、ASW6依次供给到信号线选择电路16。由此,由栅极驱动信号Vgcl(1)选择的部分检测区域PAA的信号线SGL依次或同时与检测电路48连接。其结果,检测信号Vdet按每个部分检测区域PAA被供给到检测电路48。另外,从栅极驱动信号Vgcl(1)成为高电平起到开始供给最初的选择信号ASW1为止的时间作为一个例子约为20us(实质上为20us),供给各选择信号ASW1、…、ASW6的时间作为一个例子约为60us(实质上为60us)。这种高速响应性可以通过采用薄膜晶体管(TFT)来实现,该薄膜晶体管使用迁移率实质上为40cm2/Vs的低温多晶硅(LTPS)。
同样,栅极线驱动电路15在期间V(2)、…、V(M-1)、V(M)向栅极线GCL(2)、…、GCL(M-1)、GCL(M)分别供给高电平电压的栅极驱动信号Vgcl(2)、…、Vgcl(M-1)、Vgcl(M)。即,栅极线驱动电路15在每个期间V(1)、V(2)、…、V(M-1)、V(M)向栅极线GCL供给栅极驱动信号Vgcl。在各栅极驱动信号Vgcl成为高电平电压的每个期间,信号线选择电路16基于选择信号ASW依次选择信号线SGL。信号线选择电路16按照每个信号线SGL依次与一个检测电路48连接。由此,在读出期间Pdet,检测装置1能够将所有部分检测区域PAA的检测信号Vdet输出到检测电路48。
图8是示出包含于图7中的读出期间Readout的一个栅极线的驱动期间的动作例的定时波形图。下面,参照图8说明图7中的一个栅极驱动信号Vgcl(j)的供给期间Readout中的动作例。在图7中,对最初的栅极驱动信号Vgcl(1)标注了供给期间Readout的附图标记,而对其他栅极驱动信号Vgcl(2)、…、Vgcl(M)也是同样的。j是1至M中的任意自然数。
如图8及图4所示,第三开关元件TrS的输出(Vout)预先被复位为基准电位(Vref)电压。基准电位(Vref)电压被作为复位电压,例如为0.75V。接着,栅极驱动信号Vgcl(j)成为高电平,该行的第一开关晶体管Tr导通,各行的信号线SGL成为与蓄积于该部分检测区域PAA的电容(电容元件Ca)的电荷相应的电压。从栅极驱动信号Vgcl(j)的上升沿开始经过期间t1之后,产生选择信号ASW(k)成为高的期间t2。如果选择信号ASW(k)成为高而第三开关元件TrS导通,则通过在经由该第三开关元件TrS与检测电路48连接的部分检测区域PAA的电容(电容元件Ca)中充电的电荷,第三开关元件TrS的输出(Vout)(参照图4)变化为与蓄积于该部分检测区域PAA的电容(电容元件Ca)的电荷相应的电压(期间t3)。在图8的例子中像期间t3那样,该电压从复位电压下降。之后,如果第五开关SSW导通(SSW信号的高电平期间t4),则蓄积于该部分检测区域PAA的电容(电容元件Ca)的电荷向检测电路48的检测信号放大部42的电容(电容元件Cb)移动电荷,检测信号放大部42的输出电压成为与蓄积于电容元件Cb的电荷相应的电压。此时检测信号放大部42的反相输入部成为运算放大器的虚短路电位,因此返回到基准电位(Vref)。检测信号放大部42的输出电压由A/D转换部43读出。在图8的例子中,与各列的信号线SGL对应的选择信号ASW(k)、ASW(k+1)、…的波形成为高而使第三开关元件TrS依次导通,通过依次进行同样的动作,依次读出蓄积于与该栅极线GCL连接的部分检测区域PAA的电容(电容元件Ca)的电荷。另外,图8中的ASW(k)、ASW(k+1)…例如是图7中的ASW1~6中的任一个。
具体地说,如果发生了开关SSW成为导通的期间t4,则电荷从部分检测区域PAA的电容(电容元件Ca)向检测电路48的检测信号放大部42的电容(电容元件Cb)移动。此时检测信号放大部42的非反相输入(+)被偏置为基准电位(Vref)电压(例如0.75[V])。因此,通过检测信号放大部42的输入间的虚短路,第三开关元件TrS的输出(Vout)也成为基准电位(Vref)电压。此外,电容元件Cb的电压成为与根据选择信号ASW(k)而蓄积于第三开关元件TrS导通的部位的部分检测区域PAA的电容(电容元件Ca)中的电荷相应的电压。检测信号放大部42的输出在第三开关元件TrS的输出(Vout)由于虚短路而成为基准电位(Vref)电压之后,成为与电容元件Cb的电压相应的电容,并且由A/D转换部43读取该输出电压。另外,电容元件Cb的电压例如是设置于构成电容元件Cb的电容器的两个电极间的电压。
另外,期间t1例如是20[μs]。期间t2例如是60[μs]。期间t3例如是44.7[μs]。期间t4例如是0.98[μs]。
另外,在图7及图8中示出了栅极线驱动电路15单独地选择栅极线GCL的例子,但是并不限定于此。栅极线驱动电路15也可以同时选择两个以上的预定数量的栅极线GCL,并且向预定数量的每个栅极线GCL依次供给栅极驱动信号Vgcl。此外,信号线选择电路16可以将两个以上的预定数量的信号线SGL同时与一个检测电路48连接。此外,栅极线驱动电路15也可以间隔剔除多根栅极线GCL来进行扫描。此外,作为一个例子,动态范围在曝光时间Pex约为4.3ms时约为103。此外,通过将帧频设为约4.4fps(实质上为4.4fps),能够实现高分辨率。
接着,说明传感器部10、第一光源61及第二光源62的动作例。图9是用于说明检测装置的传感器部的驱动与光源的点亮动作的关系的说明图。
如图9所示,在期间t(1)至期间t(4)的每一个期间中,检测装置1执行上述复位期间Prst、有效曝光期间Pex{(1)…(M)}及读出期间Pdet。在复位期间Prst及读出期间Pdet中,栅极线驱动电路15从栅极线GCL(1)到栅极线GCL(M)依次扫描。
在期间t(1),第二光源62点亮,第一光源61非点亮。由此,检测装置1基于从第二光源62射出的第二光L62,使电流从光电二极管PD经由信号线SGL流过检测电路48。此外,在期间t(2),第一光源61点亮,第二光源62非点亮。由此,检测装置1基于从第一光源61射出的第一光L61,使电流从光电二极管PD经由信号线SGL流过检测电路48。同样,在期间t(3),第二光源62点亮,第一光源61非点亮,在期间t(4),第一光源61点亮,第二光源62非点亮。
如上所述,第一光源61及第二光源62在每个期间t以时分方式点亮。由此,由光电二极管PD基于第一光L61检测出的第一检测信号和由光电二极管PD基于第二光L62检测出的第二检测信号以时分方式输出到检测电路48。因此,能够抑制第一检测信号和第二检测信号叠加而输出到检测电路48。因此,检测装置1能够良好地检测与各种生物体相关的信息。
另外,第一光源61及第二光源62的驱动方法能够适当变更。例如,在图9中,第一光源61及第二光源62在每个期间t交替点亮,但是并不限定于此。可以是在第一光源61在多次期间t连续点亮之后,第二光源62在多次期间t连续点亮。此外,也可以是第一光源61及第二光源62在各期间t同时点亮。此外,在图9中示出了持续曝光控制方法的例子,但是在栅极线扫描时曝光控制方法中,也可以与图9同样地在每个期间t交替驱动第一光源61及第二光源62。
图10是用于说明与图9不同的传感器部的驱动与光源的点亮动作的关系的说明图。在图10所示的例子中,第一光源61及第二光源62在有效曝光期间Pex点亮,在复位期间Prst及读出期间Pdet非点亮。由此,检测装置1能够降低检测所需的消耗电力。
另外,不限定于图10所示的例子,第一光源61及第二光源62也可以在复位期间Prst、有效曝光期间Pex及读出期间Pdet的整个期间上连续点亮。此外,也可以在有效曝光期间Pex中第一光源61及第二光源62的任一方点亮,并且在每个期间t交替点亮。
图11是示出第二光源62、传感器部10和手指Fg内的血管VB的位置关系的例子的示意图。从第二光源62(第二光源62-1、62-2、62-3中的至少任一个以上)射出的第二光L62透射手指Fg而入射到各部分检测区域PAA的光电二极管PD。此时,手指Fg中的第二光L62的透射率根据手指Fg内的血管VB的脉动而变化。因此,基于血管VB的脉动周期以上的期间中的检测信号Vdet的变化(振幅)的周期,能够检测脉搏波。
在检测脉搏波时,第二光源62优选为红外光。具体地说,如上所述,第二光L62可以具有780nm以上且900nm以下、例如850nm左右的波长,也可以具有800nm以上且930nm以下的波长。此外,在检测脉搏波时,来自第二光源62的第二光L62的波长只要在500nm至950nm的范围内即可。
图12是示出在俯视观察设置成与手指Fg相对的多个光电二极管PD所形成的面状的检测区域AA时作为示例设定的光电二极管PD内的多个部分检测点的位置(点P1、P2、P3、P4、P5、P6)的示意图。如由图12的点P1、P2、P3、P4、P5、P6例示的那样,在位置不同的各个点检测到脉搏波的情况下,在各点检测的脉搏波中产生与各点间的距离相应的差异。利用这一点,基于不同的两点间的距离与该两点的各个点检测的脉搏波的时差(时间差异)的关系,能够计算脉搏波传播速度。具体地说,如图11所示,血管是三维曲线形状,但是可通过配置成图3所示的矩阵状的传感器(部分检测区域PAA)检测三维曲线形状的血管图案。另外,身体表面的血管在深度方向上没有大幅度变化,可以将检测出的二维血管图案用作三维血管图案的近似图案,或者也可以通过进行检测出的二维血管图案的图像解析来求出三维血管图案。基于检测出的血管图案上的不同的两点间的血管长度将时差的关系来计算脉搏波传播速度。例如,在图12的点P2及点P5观测脉搏波且点P2及点P5位于血管图案上的情况下,脉搏波一般从接近心脏的位置向远离心脏的位置传播,因此从点P2向点P5传播。在这种情况下,能够基于点P2与点P5之间的血管长度In、以及点P5、点P2各自处的脉搏波的时差来计算脉搏波传播速度。即,点P2处的脉搏波与点P5处的脉搏波的时差与具有血管长度In的两点间的脉搏波的传播所花费的时间对应。
图13是示出根据光源的点亮时间的控制方式而分支的时差的校正的相关处理流程的一个例子的流程图。例如输出处理部50进行相关处理。首先,基于包含于检测区域AA的各传感器的输出、即多个部分检测区域PAA各自的光电二极管PD的输出,获取检测区域AA所相对的生物体组织内的血管VB(参照图11)的图案(血管图案)(步骤S1)。接着,获取血管图案上的不同的两点(例如点P2、点P5等。参照图12)处的血管长度(步骤S2)。接着,获取血管图案上的不同的两点(例如点P2、点P5等。参照图12)间的脉搏波的时差(步骤S3)。这里所指的脉搏波的时差是指后述的“差异时间”。接着,将血管图案上的不同的两点(例如点P2、点P5等。参照图12)间的血管长度除以时间(差异时间)以计算脉搏波传播速度(步骤S4)。血管长度基于检测出的血管图案和血管图案上的不同的两点(例如点P2、点P5等。参照图12)间的距离来计算。例如,在检测出的二维血管图案或三维血管图案中,通过图像解析求出上述血管图案上的不同的两点间的血管长度。此外,在发出用于检测血管图案及脉搏波的光的光源(例如光源62)如参照图9的说明那样为持续点亮的动作模式时(步骤S5;是),进行用于校正后述的有效曝光期间Pex{(1)…(M)}的时差的校正处理(步骤S6)。另一方面,在如参照图10的说明那样该光源不是持续点亮的模式时(步骤S5;否),不进行步骤S6的校正处理。另外,测定设备可以是光源仅具有持续点亮控制方式的设备、仅具有栅极扫描时曝光控制方式的设备。在光源仅具有持续点亮控制方式的设备中,省略图13的步骤S5。在光源仅具有栅极扫描时曝光控制方式的设备中,省略图13的从步骤S5向“否”的分支。
在此,如参照图7、图9、图10说明的那样,在第二方向Dy上并排且栅极驱动信号Vgcl的供给定时分别不同的部分检测区域PAA在各自的输出定时产生时差。此外,如参照图7、图9说明的那样,在复位期间Prst及读出期间Pdet与光源的点亮期间重叠的情况下,在第二方向Dy上并排且栅极驱动信号Vgcl的供给定时分别不同的部分检测区域PAA在各自的有效曝光期间Pex产生时差。下面,参照图14及图15对上述时差进行说明。
图14是用于说明复位期间Prst及读出期间Pdet与第二光源62的点亮期间重叠时的有效曝光期间Pex{(1)…(M)}及输出定时的时差的时序图。在图14及后述的图15中,在栅极驱动信号Vgcl的供给定时分别不同的栅极线GCL及光电二极管PD的括号内标注不同的数值。例如,光电二极管PD(1)经由第一开关元件Tr与在复位期间Prst最先被供给栅极驱动信号Vgcl的栅极线GCL(1)连接。此外,光电二极管PD(M)经由第一开关元件Tr与在复位期间Prst最后被供给栅极驱动信号Vgcl的栅极线GCL(M)连接。栅极驱动信号Vgcl的供给顺序是栅极线GCL(1)、栅极线GCL(2)、…、栅极线GCL(M)的顺序。
如图14所示,在复位期间Prst,在分别不同的定时对栅极线GCL(1)、栅极线GCL(2)、…、栅极线GCL(M)那样在第二方向Dy上并排的多根栅极线GCL供给栅极驱动信号Vgcl,由此在光电二极管PD(1)、光电二极管PD(2)、…、光电二极管PD(M)各自的复位定时产生时差。另外,光电二极管PD的复位是指设置有光电二极管PD的部分检测区域PAA的电容元件Ca的电容的复位。
将图14所示的复位期间Prst内的供给到光电二极管PD(1)、光电二极管PD(2)、…、光电二极管PD(M)的每一个光电二极管PD的栅极驱动信号Vgcl的脉冲的上升沿设为复位的开始定时并将该脉冲的下降沿设为复位的完成定时,复位的完成定时的时差由脉冲的下降沿的定时的差异(ずれ)表示。复位的完成定时的时差的程度在光电二极管PD(1)与光电二极管PD(M)之间最大。在图14中,将上述复位的完成定时的最大时差表示为时间InA(M)。
如图9及图14所示,在复位期间Prst及读出期间Pdet与光源的点亮期间重叠的情况下,多个光电二极管PD各自的有效曝光期间Pex{(1)…(M)}根据各自的复位的完成而开始。因此,由于复位的完成定时的时差,在光电二极管PD(1)、光电二极管PD(2)、…、光电二极管PD(M)各自的有效曝光期间Pex{(1)…(M)}的开始定时产生时差。在此,有效曝光期间Pex{(1)…(M)}是指从光电二极管PD向电容Ca充电的期间。此外,多个光电二极管PD各自的有效曝光期间Pex{(1)…(M)}根据各自的读出期间Pdet的开始而结束。因此,在读出期间Pdet,在分别不同的定时对栅极线GCL(1)、栅极线GCL(2)、…、栅极线GCL(M)那样在第二方向Dy上并排的多根栅极线GCL供给栅极驱动信号Vgcl,由此在光电二极管PD(1)、光电二极管PD(2)、…、光电二极管PD(M)各自的有效曝光期间Pex{(1)…(M)}的结束定时产生时差。
如以上说明的那样,如图9及图14所示,在复位期间Prst及读出期间Pdet与光源的点亮期间重叠的情况下,在分别不同的定时对栅极线GCL(1)、栅极线GCL(2)、…、栅极线GCL(M)那样在第二方向Dy上并排的多根栅极线GCL供给栅极驱动信号Vgcl,由此在光电二极管PD(1)、光电二极管PD(2)、…、光电二极管PD(M)各自的有效曝光期间Pex{(1)…(M)}的开始定时及结束定时产生时差。在图14中,由Pex(1)、Pex(2)、…、Pex(M)表示光电二极管PD(1)、光电二极管PD(2)、…、光电二极管PD(M)各自的有效曝光期间Pex。这样在光电二极管PD(1)、光电二极管PD(2)、…、光电二极管PD(M)各自的有效曝光期间Pex{(1)…(M)}的期间具有时差表示在光电二极管PD(1)、光电二极管PD(2)、…、光电二极管PD(M)的每一个中检测到脉动时该每一个中检测出的脉动的定时包含有效曝光期间Pex{(1)…(M)}的时差。
此外,在读出期间Pdet,在分别不同的定时对栅极线GCL(1)、栅极线GCL(2)、…、栅极线GCL(M)那样在第二方向Dy上并排的多根栅极线GCL供给栅极驱动信号Vgcl,由此在光电二极管PD(1)、光电二极管PD(2)、…、光电二极管PD(M)各自的输出定时产生时差。另外,光电二极管PD的输出是指基于设置有光电二极管PD的部分检测区域PAA的电容元件Ca的电容的输出。
将读出期间Pdet内的供给到光电二极管PD(1)、光电二极管PD(2)、…、光电二极管PD(M)的每一个光电二极管PD的栅极驱动信号Vgcl的脉冲的下降沿设为有效曝光期间Pex{(1)…(M)}的结束。此外,将该脉冲的上升沿设为光电二极管PD的输出的开始定时,将该脉冲的下降沿设为光电二极管PD的输出的结束定时。如果将该脉冲的下降沿设为光电二极管PD的输出的完成定时,则输出的完成定时的时差由脉冲的下降沿的定时的差异表示。输出的完成定时的时差的程度在光电二极管PD(1)与光电二极管PD(M)之间最大。在图14中,将上述复位的完成定时的最大时差表示为时间InB(M)。
如以上说明的那样,如图9及图14所示,在复位期间Prst及读出期间Pdet与光源的点亮期间重叠的情况下,在栅极驱动信号Vgcl的供给定时具有时差,由此在有效曝光期间Pex{(1)…(M)}及输出的完成定时产生时差。
图15是用于说明复位期间Prst及读出期间Pdet与第二光源62的点亮期间不重叠时的输出定时的时差的时序图。在图15所示的例子的情况下,不产生由有效曝光期间Pex引起的时差,因此不进行上述时差的校正。另外,在图15所示的例子中,输出的完成定时的差异也由于与参照图14的说明同样的理由而产生,但是如果按每帧获取数据并设置时间戳,则不需要进行输出的完成定时所涉及的时差的校正。但是,在按每行获取数据并设置时间戳的情况下,进行输出的完成定时所涉及的时差的校正。
具体地说,在图15所示的例子中,也与图14所示的例子同样,产生时间InB(M)那样的输出的完成定时的时差。即,在读出期间Pdet,在分别不同的定时对栅极线GCL(1)、栅极线GCL(2)、…、栅极线GCL(M)那样在第二方向Dy上并排的多根栅极线GCL供给栅极驱动信号Vgcl,由此在光电二极管PD(1)、光电二极管PD(2)、…、光电二极管PD(M)各自的输出定时产生时差,在按与各个栅极线GCL{(1)…(M)}对应的每个输出定时设置时间戳的情况下,进行输出的完成定时所涉及的时差的校正。
如图10及图15所示,在复位期间Prst及读出期间Pdet与第二光源62的点亮期间不重叠的情况下,有效曝光期间Pex的开始定时及结束定时由第二光源62的点亮开始定时及结束定时确定。即,在复位期间Prst及读出期间Pdet与第二光源62的点亮期间不重叠的情况下,有效曝光期间Pex与复位期间Prst及读出期间Pdet中的栅极驱动信号Vgcl的供给定时的差异无关,在光电二极管PD(1)、光电二极管PD(2)、…、光电二极管PD(M)中是通用的。因此,如图10及图15所示,在复位期间Prst及读出期间Pdet与第二光源62的点亮期间不重叠的情况下,不产生有效曝光期间Pex的时差。换言之,在图15所示的例子中,第二光源62的点亮期间直接成为有效曝光期间Pex。
如上所述,与复位期间Prst及读出期间Pdet与第二光源62的点亮期间的关系无关,由于栅极驱动信号Vgcl的供给定时的差异而产生时间InB(M)那样的输出的完成定时的时差。假设在按与各个栅极线GCL{(1)…(M)}对应的每个光电二极管PD{(1)…(M)}设置时间戳时,如果不考虑输出的完成定时的时差就基于光电二极管PD(1)、光电二极管PD(2)、…、光电二极管PD(M)各自的输出所表示的脉动来计算脉搏波传播速度,则计算出的脉搏波传播速度包含由输出的完成定时的时差引起的误差。因此,在这种情况下,关于脉搏波的计算,基于对栅极线GCL(1)、栅极线GCL(2)、…、栅极线GCL(M)的每一个供给栅极驱动信号Vgcl的供给定时,进行光电二极管PD(1)、光电二极管PD(2)、…、光电二极管PD(M)各自的输出定时的时差的校正。
此外,根据复位期间Prst及读出期间Pdet与第二光源62的点亮期间的关系,栅极驱动信号Vgcl的供给定时的差异使光电二极管PD(1)、光电二极管PD(2)、…、光电二极管PD(M)各自的有效曝光期间Pex的时差产生或发生变化。因此,在复位期间Prst及读出期间Pdet与第二光源62的点亮期间重叠的实施方式(参照图9、图14)中,关于脉搏波的计算,进一步基于对栅极线GCL(1)、栅极线GCL(2)、…、栅极线GCL(M)的每一个供给栅极驱动信号Vgcl的供给定时,进行光电二极管PD(1)、光电二极管PD(2)、…、光电二极管PD(M)各自的有效曝光期间Pex{(1)…(M)}的时差的校正。另一方面,在复位期间Prst及读出期间Pdet与第二光源62的点亮期间不重叠的实施方式(参照图10、图15)中,由于不产生有效曝光期间Pex的时差,所以不进行有效曝光期间Pex的时差的校正。
图16是示出来自光电二极管PD(1)、光电二极管PD(M/2)、光电二极管PD(M)的每一个的输出的时差的校正前和校正后的例子的说明图。如由图16的校正前的PD(1)的输出波形示出的那样,光电二极管PD的输出以峰U1、谷D1、峰U2、谷D2、…那样,与重叠的脉动相应地重叠振幅。在此,将从时间上连续的峰U1到谷D1的输出值的降低的程度、从谷D1到峰U2的输出值的上升的程度那样的输出的振幅程度与用于检测预先确定的脉动的振幅阈值(振幅基准值)进行比较。例如,如果在从峰U1经由谷D1到达峰U2的期间产生的振幅程度为阈值以上,则判定为在该期间发生了一次脉动。以下,对于从峰U2经由谷D2到达未图示的峰的期间及产生了未图示的输出的振幅的期间,也同样地进行与脉动的关系的判定。
另外,振幅的阈值例如是将在使图16所示的峰U1、谷D1、峰U2、谷D2进行了输出值化时产生的输出值的振幅视为基于脉搏波的输出的振幅程度的值,基于事先的试验等来设定。具体值例如基于通过A/D转换将峰U1、谷D1、峰U2、谷D2输出值化的规则来确定。
为了对上述输出的振幅进行检测及判定,以预定期间(例如4秒)为单位保持输出。为了保持上述输出,例如利用存储部46,但是并不限于此,只要设置进行脉动判定的构成能够参照的存储装置或存储电路即可。例如也可以设置输出处理部50能够利用的输出保持用的存储部。
另外,对脉动的定时进行计数的触发例如是像峰U1、U2那样的输出的峰或像谷D1、D2那样的输出的谷,但是并不限于此,能够将产生了输出振幅的期间内的任意定时作为脉动的计数定时。
在输出的校正前,在光电二极管PD(1)的输出中的峰U1与光电二极管PD(M)的输出中的峰U3a之间产生由时间BR1表示的时差。此外,在输出的校正前,在光电二极管PD(1)的输出中的谷D2与光电二极管PD(M)的输出中的谷D3a之间产生由时间BR2表示的时差。时间BR1、BR2包含根据参照图14及图15说明的栅极驱动信号Vgcl的供给定时的时差而产生的时差。
因此,在实施方式中,对时间BR1、BR2进行校正,以使光电二极管PD(1)的输出所表示的脉动的定时与光电二极管PD(M)的输出所表示的脉动的定时的时差成为与光电二极管PD(1)与光电二极管PD(M)的距离对应的时差。关于校正,根据栅极线GCL的扫描速度、血管图案的距离、以及血管图案的各位置的延伸方向与扫描方向的角度的关系来求出校正值。例如,如果两点(例如光电二极管PD(1)和光电二极管PD(M))间的血管图案的延伸方向与栅极线GCL的扫描方向(第二方向Dy)一致,则可以简单地计算两点间的(血管图案的)距离÷差异时间。这里所指的“差异时间”是指作为校正了上述说明的时差的结果而导出的、在两点分别检测出的脉搏波彼此的差异时间。即,该“差异时间”是假设由于脉搏波传播而隔着“差异时间”在两点观测同样的脉搏波时的“差异时间”。另外,在该两点间的血管图案包括相对于扫描方向(第二方向Dy)形成角度的部分时,将两点间的(血管图案的)距离进一步除以该角度的平均的tanθ。
例如,如参照图14的说明那样,在复位期间Prst及读出期间Pdet与第二光源62的点亮期间重叠的情况下,进行从时间BR1、时间BR2分别减去时间InA(M)及时间InB(M)的校正。由此,将校正前的时间BR1、BR2校正为时间AR1、AR2。时间AR1对光电二极管PD(M)的输出中的峰U3a相对于峰U1的时差进行校正而成为峰U3b。时间AR2对光电二极管PD(M)的输出中的谷D3a相对于峰U2的时差进行校正而成为谷D3b。上述校正只是一个例子,并不限于此,也可以对光电二极管PD(1)的输出相对于光电二极管PD(M)的输出的时差进行校正。
此外,如参照图15的说明那样,在复位期间Prst及读出期间Pdet与第二光源62的点亮期间不重叠的情况下,进行从时间BR1、时间BR2分别减去时间InB(M)的校正。由此,将校正前的时间BR1、BR2校正为时间AR1、AR2。另外,在图16中,由时间BR1、BR2和时间AR1、AR2例示了校正前后的时间的关系,但是并不限于此,对其他期间的输出也同样地校正时差。
在点P5(参照图12)设置有光电二极管PD(1)且在点P2(参照图12)设置有光电二极管PD(M)的情况下,隔着距离In产生的脉搏波的时差为时间AR1、AR2(参照图16)。在此,如果距离In=α[mm],时间AR1=AR2=β[μs],则点P5与点P2之间的第二方向Dy上的脉搏波传播速度γ(mm/s)能够以如下式(1)来表示。
γ=α/(1000/β)…(1)
时间AR1、AR2是由与光电二极管PD(1)与光电二极管PD(M)的距离对应的时差产生的时间。因此,基于光电二极管PD(1)与光电二极管PD(M)的距离与时间AR1、AR2的关系,能够计算光电二极管PD(1)与光电二极管PD(M)之间的第二方向Dy方向上的脉搏波传播速度。
以上以光电二极管PD(1)与光电二极管PD(M)的关系为例对校正进行了说明,但是通过对光电二极管PD(1)、光电二极管PD(2)、…、光电二极管PD(M)各自的输出的时差单独应用同样方法的校正,能够计算光电二极管PD(1)、光电二极管PD(2)、…、光电二极管PD(M)各自之间的脉搏波传播速度。在图16中,以例示方式示意性地示出了位于光电二极管PD(1)与光电二极管PD(M)的大致中间的光电二极管PD(M/2)的校正前后的输出表示校正前后的光电二极管PD(1)的输出与光电二极管PD(M)的输出的大致中间的输出振幅图案。
以上说明了在第二方向Dy上并排且栅极驱动信号Vgcl的供给定时分别不同的部分检测区域PAA的时差,但是对于在分别不同的定时对在第一方向Dx上并排的部分检测区域PAA供给选择信号ASW(参照图7、图8)而引起的时差,也同样能够进行时差的校正。这里校正的时差是指各光电二极管PD的输出的完成定时的时差。上述校正通过将上述校正的说明中的“栅极驱动信号Vgcl的供给定时的差异”替换为“选择信号ASW的供给定时的差异”而成立。通过上述校正,能够更准确地计算在第一方向Dx方向上并排的多个部分检测区域PAA的两点间的脉搏波传播速度。
此外,在参照图12的说明中,作为示例对点P5与点P2之间的脉搏波传播速度进行处理,但是对点P4与点P1之间、点P6与点P3之间那样其他两点间的脉搏波传播速度也能够同样地计算。此外,对于点P1、点P2及点P3中的不同的两点间、点P4、点P5及点P6中的不同的两点间,也能够采用将上述“栅极驱动信号Vgcl的供给定时的差异”替换为“选择信号ASW的供给定时的差异”的方法来计算两点间的脉搏波传播速度。此外,对于未图示的不同的两点间的脉搏波传播速度,也能够以同样的考虑方式来计算。在检测区域AA中作为不同的两点所采用的构成的一方作为第一光传感器发挥功能,另一方作为第二光传感器发挥功能。
此外,在参照上述图7、图8、图14、图15及图16的说明中,以对各栅极线GCL供给栅极驱动信号Vgcl的供给定时分别不同的情况为例,但是并不限于此。例如如组区域PAG那样,也可以采用包含多个部分检测区域PAA的区域作为上述点P2、P5那样的脉搏波的检测点。在脉搏波的检测点是组区域PAG的情况下,对包含于组区域PAG的多个部分检测区域PAA供给栅极驱动信号Vgcl的供给定时及供给选择信号ASW的供给定时被统一。即,来自包含于组区域PAG的多个部分检测区域PAA的输出作为汇总的一个输出来处理。因此,各点间的时差对应于对配置不同的组区域PAG的每一个供给栅极驱动信号Vgcl的供给定时、供给选择信号ASW的供给定时。另外,包含作为脉搏波的检测点所采用的多个部分检测区域PAA的区域不限于组区域PAG,例如也可以是包含在第一方向Dx和第二方向Dy中的任一方向上并排的多个部分检测区域PAA的区域。即,第一光传感器及第二光传感器可以是一个部分检测区域PAA,或者也可以包含多个部分检测区域PAA。
例如输出处理部50进行脉搏波的计算。在这种情况下,例如,存储于存储部46的预定时间的输出经由信号处理部44提供给输出处理部50,由此输出处理部50检测各光电二极管PD的输出的峰和谷的振幅,确定脉搏波的计数定时。此外,通过上述的方法,输出处理部50校正各光电二极管PD的时差,基于各光电二极管PD间的距离与基于各光电二极管PD的输出的脉搏波的计数定时的关系来计算脉搏波传播速度。也可以由其他构成来进行脉搏波的计算。例如输出处理部50可以将表示预定期间单位的各光电二极管PD的输出的数据输出到外部的信息处理装置或信息处理电路。在这种情况下,由该外部的信息处理装置或信息处理电路计算脉搏波。
此外,在上述说明中,作为计算脉搏波传播速度的对象采用了血管VB,但是血管VB并不特别限定动脉、静脉及其他类别。
以上,根据实施方式,具备:第一光传感器(例如点P5的光电二极管PD(1));第二光传感器(例如点P2的光电二极管PD(M)),与第一光传感器隔开预定距离(例如距离In)配置;光源(例如第二光源62),发出用于被与包括血管(例如血管VB)的生物体组织相对的第一光传感器及第二光传感器检测的光;以及处理部(例如输出处理部50),基于第一光传感器的输出的时间序列变化、第二光传感器的输出的时间序列变化以及预定距离来计算血管的脉搏波传播速度。在此,输出的时间序列变化例如是指如参照图16说明的峰U1、谷D1、峰U2、谷D2、…那样包含振幅的输出的时间序列变化。由此,能够获取脉搏波传播速度。
此外,作为实施方式中的控制,能够采用使第一光传感器(例如点P5的光电二极管PD(1))及第二光传感器(例如点P2的光电二极管PD(M))复位的期间(复位期间Prst)、使光源点亮的期间(有效曝光期间Pex)、以及获取来自第一光传感器的输出及第二光传感器的输出的期间(读出期间Pdet)分别独立的控制。由此,能够进一步减小脉搏波传播速度的计算中的时差的校正量。
此外,作为实施方式中的控制,能够采用使光源点亮的期间(有效曝光期间Pex)与使第一光传感器(例如点P5的光电二极管PD(1))及第二光传感器(例如点P2的光电二极管PD(M))复位的期间(复位期间Prst)以及获取来自第一光传感器的输出及第二光传感器的输出的期间(读出期间Pdet)重叠的控制。由此,能够进一步缩短包含复位期间Prst、读出期间Pdet及有效曝光期间Pex的一个周期,并且确保更长的有效曝光期间Pex。此外,在这种情况下,使第一光传感器(例如点P5的光电二极管PD(1))复位的第一复位定时与使第二光传感器(例如点P2的光电二极管PD(M))复位的第二复位定时不同(参照图14)。处理部(例如输出处理部50)基于第一复位定时与第二复位定时的时差(例如时间InA(M)),校正第一光传感器检测光的期间(例如有效曝光期间Pex(1))与第二光传感器检测光的期间(例如有效曝光期间Pex(M))的时差,以计算脉搏波传播速度。由此,进一步提高脉搏波传播速度的计算精度。
此外,获取来自第一光传感器(例如点P5的光电二极管PD(1))的输出的第一获取定时与获取来自第二光传感器(例如点P2的光电二极管PD(M))的输出的第二获取定时不同(参照图14、图15)。处理部(例如输出处理部50)基于第一获取定时与第二获取定时的时差(例如时间InB(M)),校正第一光传感器的输出的时间序列变化与第二光传感器的输出的时间序列变化的时差,以计算脉搏波传播速度。由此,进一步提高脉搏波传播速度的计算精度。
此外,第一光传感器及第二光传感器分别包括多个光传感器(例如组区域PAG)。由此,容易进一步增大第一光传感器及第二光传感器各自的输出。
此外,第二光L62的波长在500nm至950nm的范围内。由此,容易更良好地检测血管VB的脉动。
此外,处理部(例如输出处理部50)基于第一光传感器(例如点P5的光电二极管PD(1))的输出的时间序列变化及第二光传感器(例如点P2的光电二极管PD(M))的输出的时间序列变化中的输出的振幅程度与预定的振幅基准值(例如阈值)的关系,判定脉搏的发生。由此,能够将由血管(例如血管VB)的脉动引起的光传感器的检测的变化用于脉搏发生的检测。
此外,处理部(例如输出处理部50)将第一光传感器(例如点P5的光电二极管PD(1))的输出的时间序列变化及第二光传感器(例如点P2的光电二极管PD(M))的输出的时间序列变化中的输出所包含的振幅的峰(例如峰U1等)或谷(例如谷D1等)发生一次作为脉搏发生一次。由此,能够更容易地对脉搏的发生次数进行计数。
此外,检测装置1的具体方式不限于参照图11、图12说明的方式。图17是示出能够佩戴于手腕Wr的方式的检测装置1A的主要构成例的示意图。图18是示出图17所示的检测装置1A对血管VB的脉搏波传播速度进行检测的检测例的示意图。如图17所示,检测装置1A的传感器基材21具有能够变形为环绕手腕Wr的环状的挠性。光电二极管PD、第一光源61及第二光源62沿该环状的传感器基材21配置成圆弧状。
此外,检测装置1能够搭载于设想与生物体组织抵接或接近的各种产品。参照图19、图20及图21,对检测装置1的搭载例进行说明。
图19是示出搭载于手帕Ke的检测装置1的传感器部10的配置例的图。图20是示出搭载于衣服TS的检测装置1的传感器部10的配置例的图。图21是示出搭载于粘性片PS的检测装置1的传感器部10的配置例的图。例如,也可以将检测装置1组装于如图19的手帕Ke、图20的衣服TS、图21的粘性片PS那样进行与生物体组织抵接的应用的产品。在这种情况下,优选至少传感器部10设置于在使用产品时设想与生物体组织抵接的部位。此外,虽然省略了图示,但是优选考虑传感器部10与生物体组织的位置关系来配置第一光源61、第二光源62等光源。另外,产品不限于手帕Ke、衣服TS、粘性片PS,能够在使用时设想与生物体组织抵接的任何产品上组装检测装置1。另外,粘性片PS例如为外用阵痛/消炎片那样附加了粘着性的片状的产品。
另外,在实施方式中,表示了进行栅极线驱动电路15向多根栅极线GCL依次供给栅极驱动信号Vgcl的时分选择驱动的情况,但是并不限定于此。传感器部10也可以通过码分选择驱动(以下表示为CDM(Code Division Multiplexing)驱动)来进行检测。由于CDM驱动及驱动电路例如记载于日本特愿2018-005178号公报中,所以在实施方式中引用日本特愿2018-005178号公报的记载并省略记载。
以上对本发明的优选实施方式进行了说明,但是本发明并不限定于这种实施方式。在实施方式中公开的内容仅仅是示例,能够在不脱离本发明的宗旨的范围内进行各种变更。在不脱离本发明宗旨的范围内进行的适当变更当然也属于本发明的技术范围内。
附图标记说明
1、1A…检测装置;10…传感器部;11…检测控制部;21…传感器基材;22…TFT层;23…绝缘层;24…保护膜;31…光电转换层;34…阳极电极;35…阴极电极;48…检测电路;50…输出处理部;61…第一光源;62…第二光源;AA…检测区域;GCL…栅极线;PAA…部分检测区域;PD…光电二极管;SGL…信号线。
Claims (9)
1.一种检测装置,具备:
第一光传感器;
第二光传感器,与所述第一光传感器隔开预定距离配置;
光源,发出用于被与包括血管的生物体组织相对的所述第一光传感器及所述第二光传感器检测的光;以及
处理部,基于所述第一光传感器的输出的时间序列变化、所述第二光传感器的输出的时间序列变化以及所述预定距离来计算所述血管的脉搏波传播速度。
2.根据权利要求1所述的检测装置,其中,
使所述第一光传感器及所述第二光传感器复位的期间、使所述光源点亮的期间以及获取来自所述第一光传感器的输出及所述第二光传感器的输出的期间分别独立。
3.根据权利要求1所述的检测装置,其中,
使所述光源点亮的期间与使所述第一光传感器及所述第二光传感器复位的期间以及获取来自所述第一光传感器的输出及所述第二光传感器的输出的期间重叠。
4.根据权利要求3所述的检测装置,其中,
使所述第一光传感器复位的第一复位定时与使所述第二光传感器复位的第二复位定时不同,
所述处理部基于所述第一复位定时与所述第二复位定时的时差来校正所述第一光传感器检测所述光的期间与所述第二光传感器检测所述光的期间的时差,以计算所述脉搏波传播速度。
5.根据权利要求2至4中任一项所述的检测装置,其中,
获取来自所述第一光传感器的输出的第一获取定时与获取来自所述第二光传感器的输出的第二获取定时不同,
所述处理部基于所述第一获取定时与所述第二获取定时的时差来校正所述第一光传感器的输出的时间序列变化与所述第二光传感器的输出的时间序列变化的时差,以计算所述脉搏波传播速度。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的检测装置,其中,
所述第一光传感器及所述第二光传感器分别包括多个光传感器。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的检测装置,其中,
所述光的波长在500nm至950nm的范围内。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的检测装置,其中,
所述处理部基于所述第一光传感器的输出的时间序列变化及所述第二光传感器的输出的时间序列变化中的输出的振幅程度与预定的振幅基准值的关系来判定脉搏的发生。
9.根据权利要求8所述的检测装置,其中,
所述处理部将所述第一光传感器的输出的时间序列变化及所述第二光传感器的输出的时间序列变化中的输出所包含的振幅的峰或谷发生一次作为脉搏发生一次。
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