具有改進的光學(xué)系統(tǒng)的醫(yī)用溫度計的制作方法
【專利說明】
[0001] 相關(guān)申請的交叉引用
[0002] 本申請要求2012年11月19日遞交的、申請?zhí)枮閁S 61/728,003的美國臨時申請 的優(yōu)先權(quán)，該臨時申請以其全部公開的內(nèi)容通過引用的方式結(jié)合至本文中。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003] 本申請大體涉及用于測量溫度的裝置，并且更具體地，涉及包含鏡子以降低雜散 輻射影響的用于醫(yī)療應(yīng)用的非接觸式紅外溫度計。
【背景技術(shù)】
[0004] 熱輻射或紅外（紅外輻射，IR)溫度計是一種能夠在不與測量對象發(fā)生物理接觸 的情況下測量溫度的裝置。因此，這種溫度計常被叫做"非接觸式"或"遠距離式（remote) " 的溫度計。在紅外溫度計中，對象的溫度通過檢測對象表面自然放射的紅外輻射的強度來 獲取。對于〇°C和KKTC之間的對象，要求使用用于檢測具有從約3-40微米波長的輻射的 紅外傳感器。典型地，在這個范圍內(nèi)的紅外輻射被稱為熱輻射。
[0005] 紅外溫度計的一個示例是"即時耳溫"醫(yī)用溫度計，其能夠?qū)θ嘶騽游锏亩赖墓?膜和周圍的組織進行非接觸的溫度測量。授予弗萊登（Fraden)的美國專利US4797840給 出了即時耳溫計的示例，該專利以其全部內(nèi)容通過引用結(jié)合于本文中。其它的示例包括授 予克勞斯（Kraus)等人的美國專利US6789936示例出的用于測量皮膚表面溫度的醫(yī)用溫度 計（例如，前額的皮膚表面溫度），該專利以其全部內(nèi)容通過引用結(jié)合于本文中。
[0006] 為了基于對象的紅外輻射發(fā)射情況測量對象的表面溫度，紅外輻射被檢測并轉(zhuǎn)化 為適于由傳統(tǒng)的電子電路處理的電信號。檢測紅外輻射的任務(wù)由紅外傳感器或探測器完 成。
[0007] 傳統(tǒng)的熱紅外傳感器通常包括具有紅外線穿透窗或濾波器和至少一個感應(yīng)元件 的外殼，感應(yīng)元件響應(yīng)于穿過紅外傳感器的紅外窗并到達感應(yīng)元件上的對象表面放射的熱 輻射能通量Φ。紅外傳感器用于產(chǎn)生代表感應(yīng)元件和測量對象之間存在的凈紅外通量Φ 的電信號。如現(xiàn)有技術(shù)所知的那樣，電信號經(jīng)過合適的數(shù)據(jù)處理能夠與對象的溫度關(guān)聯(lián)。
[0008] 熱通量Φ為兩個溫度一一感應(yīng)元件表面溫度TJP對象表面溫度T b (以開爾文溫 度測量）一一的函數(shù)。理論上，普朗克定律描述黑體在熱平衡時輻射的具有某一波長電磁能 量。對于可用紅外溫度計的光學(xué)系統(tǒng)測定的寬光譜范圍，兩個溫度Ts、Tb和通量Φ的關(guān)系 可用四階拋物線近似。這種近似被稱為斯蒂芬-玻耳茲曼定律：
[0010] 其中，ε b、ε s分別為對象和感應(yīng)元件的表面發(fā)射率，σ為斯蒂芬-玻耳茲曼常數(shù)， 以及κ為在校準紅外溫度計期間可由測量確定的光學(xué)常數(shù)。
[0011] 在對象的真實溫度Tb與傳感器的溫度T s的差相對小時，方程式（1)可近似為：
[0013] 紅外溫度計的目標是要測定對象的表面溫度Tb，它可由方程式（2)的逆函數(shù)算出 為Tbc
[0015] 理想情況下，算出的溫度Tb。應(yīng)等于真實溫度Tb。實際上，這些溫度可能因例如測 量誤差或校正漂移（calibration drift)而不同。由方程式（3)可以看出，為了計算溫度 Tb。，需要確定以下兩個數(shù)值：紅外（IR)通量Φ的大小和紅外感應(yīng)元件的表面溫度Ts。溫 度計算的準確度取決于方程式（3)右邊所有變量的測量準確度。用現(xiàn)有技術(shù)習(xí)知的許多技 術(shù)可相當(dāng)準確地測出第一被加數(shù)Ts，例如，用熱敏電阻或RTD溫度傳感器。第二被加數(shù)可能 更加麻煩，特別是因為對象的發(fā)射率、通常為未知并且不可預(yù)測的值。例如，在醫(yī)用測溫 法中，發(fā)射率eb為由皮膚性質(zhì)及形狀所限定的皮膚發(fā)射率。例如，皮膚發(fā)射率的范圍可在 0. 93至0. 99之間。
[0016] 為了確定發(fā)射率如何影響準確度，可計算方程式（2)的偏微分為：
[0018] 該偏微分表示由對象的發(fā)射率eb的未知所引起的測量誤差。方程式（4)顯示 隨著Ts接近Tb誤差接近于零。因此，當(dāng)Tb大約等于T 3時，誤差很小。這樣，為了最小化 誤差，需要使紅外傳感器的溫度Ts實際盡量接近對象的溫度T b。對于即時耳溫計而言，例 如授予弗萊登（Fraden)的美國專利US5645349教導(dǎo)了用于使溫度！^與T b相互接近的加 熱感應(yīng)元件，該專利以其全部內(nèi)容通過引用結(jié)合于本文中。授予克勞斯（Kraus)等人的美 國專利US7014358作為一種選擇教導(dǎo)了用以使紅外傳感器殼體變暖的加熱元件，該專利以 其全部內(nèi)容通過引用結(jié)合于本文中。另外，弗萊登（Fraden)的美國專利申請，公開號為 US2011/0228811，教導(dǎo)了使用也被加熱至溫度Tb的遮蔽物來遮蔽傳感器防止雜散輻射，該 專利申請以其全部內(nèi)容通過引用結(jié)合于本文中。
[0019] 在測量表面的溫度時，最小化不期望的源發(fā)射的紅外傳感器接收到的輻射量是 很重要的。最小化拾取不期望的或雜散輻射的機會的一種方式是使紅外溫度計的光學(xué) 視場變窄。一種方法是使用紅外透鏡使光學(xué)視場變窄，如授予Nomura等人的美國專利 US5172978 (包括一端裝有聚光透鏡及另一端裝有紅外探測器的透鏡鏡筒的輻射溫度計） 和授予Ridley等人的美國專利US5655838 (帶有多元件聚焦透鏡、目鏡、分束器和紅外探測 器的輻射溫度計）所示例的那樣，它們以其全部內(nèi)容通過引用結(jié)合于本文中。
[0020] 另一種最小化自物體拾取雜散通量的機會的方法是使用鏡子，以協(xié)助紅外溫度計 的用戶可看見紅外溫度計的視場。該方法由授予Everest的美國專利US4494881給出示例， 該專利以其全部內(nèi)容通過引用結(jié)合于本文中。
[0021] 雖然這些方法能夠從傳感器的視場去除一些不期望的輻射源，然而去除在紅外傳 感器的視場內(nèi)、但不是在該視場內(nèi)的期望目標區(qū)域之外放射的輻射源將獲得額外的好處。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0022] 根據(jù)本發(fā)明的各種實施例的非接觸式紅外溫度計除了其它之外包括紅外輻射傳 感器、鏡子和孔，紅外輻射傳感器具有傳感器表面，其可以被連接至定位在傳感器的視場內(nèi) 的濾光器，濾光器能夠僅使具有期望波長范圍的輻射通過；鏡子形狀上可以為拋物線或近 似拋物線形，并且可以包括基于橢圓拋物面的表面和曲率，傳感器定位在鏡子的焦點上或 接近鏡子的焦點，并且濾光器定位在傳感器和鏡子之間；孔在傳感器的直接視場之外，鏡子 在濾光器和孔之間提供輻射路徑。在不同的實施例中，如那些本領(lǐng)域技術(shù)人員所理解的，傳 感器可以作為一個元件包括在擁有各種附加功能的半導(dǎo)體裝置上。此外，在各種實施例中， 傳感器表面的中心可以定位在鏡子的焦點上或接近鏡子的焦點，并且傳感器的表面可以相 對于鏡子的基線以不同的角度定向以進一步最小化到達傳感器的雜散輻射的量，其可以被 確定或理解為總輻射的一個百分比。在不同的實施例中，鏡子的基線和鏡子的表面的法線 之間的角度在約25°至35°之間。在其它實施例中，該角度約為31.5°。在不同的實施例 中，孔可以包括用來覆蓋或配置成與其鄰近的保護窗和/或濾光器，其可以阻止某些不期 望波長的輻射穿過。
【附圖說明】
[0023] 參考下文中對本發(fā)明的示例性實施例的詳細說明和附圖，本發(fā)明的前述和其它特 征將變得更加明顯，其中：
[0024] 圖1為根據(jù)本發(fā)明的實施例的紅外溫度計的截面圖；
[0025] 圖2為根據(jù)本發(fā)明的實施例的紅外溫度計的截面圖；
[0026] 圖3為根據(jù)本發(fā)明的實施例的紅外溫度計的截面圖；
[0027] 圖4為根據(jù)本發(fā)明的實施例的紅外溫度計的截面圖；
[0028] 圖5為根據(jù)本發(fā)明的實施例的紅外溫度計的截面圖；
[0029] 圖6為根據(jù)本發(fā)明的實施例的紅外溫度計的截面圖；以及
[0030] 圖7為根據(jù)本發(fā)明的實施例的紅外溫度計的截面圖。
【具體實施方式】
[0031] 本發(fā)明公開了一種遠距離紅外溫度計，除了其它部件之外，其包括拋物線或近似 拋物線的鏡子和包括濾光器部件和傳感器部件的紅外輻射傳感器組件。傳感器部件包括一 表面，其幾何中心點在定位在鄰近鏡子的焦點的表面上。傳感器部件可繞中心點以各種角 度定向。為了說明根據(jù)本發(fā)明的各種實施例的原理的目的，下面描述幾個不同的實施例的 非限制示例。相應(yīng)地，本發(fā)明的范圍應(yīng)當(dāng)理解為只由權(quán)利要求及其等同方式的范圍限定，而 不由示例性實施例限定。
[0032] 圖1示出了在遠距離（remote)紅外溫度計內(nèi)部的鏡子20和傳感器組件30的實施 例的示意性的截面圖，遠距離紅外溫度計具有例如為孔16的輻射入口，孔16可以包括用來 覆蓋或配置成與其鄰近的保護窗和/或濾光器55。鏡子20的形狀可為拋物線或近似拋物 線形，以限定靠近或沿對稱軸線52的焦點50,該焦點50由鏡子的拋物線或近似拋物線的曲 率58限定并且對稱軸線52垂直于鏡子的基線54,基線為在鏡子（或它的拋物線或近似拋 物線的形狀）的基底或頂點與鏡子相切的直線。拋物線的通用方程式為y = ax2+bx+c，其 中a和b為限定拋物線的形狀的常數(shù)，并且c為限定拋物線的頂點相對于原點的位置的常 數(shù)。在不同的實施例中，a可大約例如在0. 01與2. 0之間，或者大約在0. 07與0. 09之間， 并且更特別地，為約0. 5、0. 08或0. 0799。在不同的實施例中，b可約在例如-2. 0與2. 0之 間，或者約在-0.02與-0.01之間，并且更特別地，約為I. 0、-0. 02或-0.015。由于c的定 義是相對于原點，并且由于c不影響拋物線的形狀，所以，本領(lǐng)域技術(shù)人員明白實施本文公 開的發(fā)明的不同實施例不需要限定c。在不同的實施例中，a和b被選定，以使得相應(yīng)的焦 點可以定位在對稱軸線上，在相應(yīng)的頂點上方的不同位置。在不同的實施例中，對稱軸線52 名義上垂直于孔16。在不同的實施例中，對稱軸線52可穿過孔16的下部。在其它實施例 中，對稱軸線52可在孔16下面穿過。在不同的實施例中，鏡子表面借由繞對稱軸線52掃 掠或旋轉(zhuǎn)在此之前描述的任何拋物線限定。在其它實施例中，鏡子也可以包括可用橢圓拋 物面方程式描述的曲率及表面，即，
，其中d和f為表示在x/z和y/z平面中的 曲率度的常數(shù)，并且g為縮放常數(shù)。
[0033] 傳感器組件30至少包括傳感器部件32,傳感器部件32包括探測表面42,探測表 面42帶有在其上的幾何中心點44,其位于鄰近鏡子的焦點50的位置。如圖1所示，中心點 44布置在焦點50處。表面42可以不同角度α (形成在表面42的法線和鏡子的基線54之 間）定向，以使表面42面向鏡子20的至少一部分。在不同的實施例中，傳感器組件30也 可包括鄰近或鄰接傳感器部件32的濾光器部件40。當(dāng)在紅外溫度計10中使用包括濾光器 部件40的傳感器組件30時，濾光器部件40可以布置在傳感器部件32和鏡子