CN105051507B - 具有改进的光学系统的医用温度计 - Google Patents

具有改进的光学系统的医用温度计 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种包括曲面的镜子和辐射传感器的医用温度计。所述辐射传感器相对于所述镜子以一种构造布置，借由该构造所述镜子将穿过辐射入口并且定向在离所述镜子的一角度范围之外的辐射反射离开所述传感器，并且将穿过所述辐射入口并且定向在离所述镜子的一角度范围之内的辐射朝向所述传感器反射。

Description

具有改进的光学系统的医用温度计
相关申请的交叉引用
本申请要求2012年11月19日递交的、申请号为US 61/728,003的美国临时申请的优先权，该临时申请以其全部公开的内容通过引用的方式结合至本文中。
技术领域
本申请大体涉及用于测量温度的装置，并且更具体地，涉及包含镜子以降低杂散辐射影响的用于医疗应用的非接触式红外温度计。
背景技术
热辐射或红外(红外辐射，IR)温度计是一种能够在不与测量对象发生物理接触的情况下测量温度的装置。因此，这种温度计常被叫做“非接触式”或“远距离式(remote)”的温度计。在红外温度计中，对象的温度通过检测对象表面自然放射的红外辐射的强度来获取。对于0℃和100℃之间的对象，要求使用用于检测具有从约3-40微米波长的辐射的红外传感器。典型地，在这个范围内的红外辐射被称为热辐射。
红外温度计的一个示例是“即时耳温”医用温度计，其能够对人或动物的耳道的鼓膜和周围的组织进行非接触的温度测量。授予弗莱登(Fraden)的美国专利US4797840给出了即时耳温计的示例，该专利以其全部内容通过引用结合于本文中。其它的示例包括授予克劳斯(Kraus)等人的美国专利US6789936示例出的用于测量皮肤表面温度的医用温度计(例如，前额的皮肤表面温度)，该专利以其全部内容通过引用结合于本文中。
为了基于对象的红外辐射发射情况测量对象的表面温度，红外辐射被检测并转化为适于由传统的电子电路处理的电信号。检测红外辐射的任务由红外传感器或探测器完成。
传统的热红外传感器通常包括具有红外线穿透窗或滤波器和至少一个感应元件的外壳，感应元件响应于穿过红外传感器的红外窗并到达感应元件上的对象表面放射的热辐射能通量Φ。红外传感器用于产生代表感应元件和测量对象之间存在的净红外通量Φ的电信号。如现有技术所知的那样，电信号经过合适的数据处理能够与对象的温度关联。
热通量Φ为两个温度——感应元件表面温度Ts和对象表面温度Tb(以开尔文温度测量)——的函数。理论上，普朗克定律描述黑体在热平衡时辐射的具有某一波长电磁能量。对于可用红外温度计的光学系统测定的宽光谱范围，两个温度Ts、Tb和通量Φ的关系可用四阶抛物线近似。这种近似被称为斯蒂芬-玻耳兹曼定律：
其中，εb、εs分别为对象和感应元件的表面发射率，σ为斯蒂芬-玻耳兹曼常数，以及κ为在校准红外温度计期间可由测量确定的光学常数。
在对象的真实温度Tb与传感器的温度Ts的差相对小时，方程式(1)可近似为：
红外温度计的目标是要测定对象的表面温度Tb，它可由方程式(2)的逆函数算出为Tbc
理想情况下，算出的温度Tbc应等于真实温度Tb。实际上，这些温度可能因例如测量误差或校正漂移(calibration drift)而不同。由方程式(3)可以看出，为了计算温度Tbc，需要确定以下两个数值：红外(IR)通量Φ的大小和红外感应元件的表面温度Ts。温度计算的准确度取决于方程式(3)右边所有变量的测量准确度。用现有技术习知的许多技术可相当准确地测出第一被加数Ts，例如，用热敏电阻或RTD温度传感器。第二被加数可能更加麻烦，特别是因为对象的发射率εb通常为未知并且不可预测的值。例如，在医用测温法中，发射率εb为由皮肤性质及形状所限定的皮肤发射率。例如，皮肤发射率的范围可在0.93至0.99之间。
为了确定发射率如何影响准确度，可计算方程式(2)的偏微分为：
该偏微分表示由对象的发射率εb的未知所引起的测量误差。方程式(4)显示随着Ts接近Tb误差接近于零。因此，当Tb大约等于Ts时，误差很小。这样，为了最小化误差，需要使红外传感器的温度Ts实际尽量接近对象的温度Tb。对于即时耳温计而言，例如授予弗莱登(Fraden)的美国专利US5645349教导了用于使温度Ts与Tb相互接近的加热感应元件，该专利以其全部内容通过引用结合于本文中。授予克劳斯(Kraus)等人的美国专利US7014358作为一种选择教导了用以使红外传感器壳体变暖的加热元件，该专利以其全部内容通过引用结合于本文中。另外，弗莱登(Fraden)的美国专利申请，公开号为US2011/0228811，教导了使用也被加热至温度Tb的遮蔽物来遮蔽传感器防止杂散辐射，该专利申请以其全部内容通过引用结合于本文中。
在测量表面的温度时，最小化不期望的源发射的红外传感器接收到的辐射量是很重要的。最小化拾取不期望的或杂散辐射的机会的一种方式是使红外温度计的光学视场变窄。一种方法是使用红外透镜使光学视场变窄，如授予Nomura等人的美国专利US5172978(包括一端装有聚光透镜及另一端装有红外探测器的透镜镜筒的辐射温度计)和授予Ridley等人的美国专利US5655838(带有多元件聚焦透镜、目镜、分束器和红外探测器的辐射温度计)所示例的那样，它们以其全部内容通过引用结合于本文中。
另一种最小化自物体拾取杂散通量的机会的方法是使用镜子，以协助红外温度计的用户可看见红外温度计的视场。该方法由授予Everest的美国专利US4494881给出示例，该专利以其全部内容通过引用结合于本文中。
虽然这些方法能够从传感器的视场去除一些不期望的辐射源，然而去除在红外传感器的视场内、但不是在该视场内的期望目标区域之外放射的辐射源将获得额外的好处。
发明内容
根据本发明的各种实施例的非接触式红外温度计除了其它之外包括红外辐射传感器、镜子和孔，红外辐射传感器具有传感器表面，其可以被连接至定位在传感器的视场内的滤光器，滤光器能够仅使具有期望波长范围的辐射通过；镜子形状上可以为抛物线或近似抛物线形，并且可以包括基于椭圆抛物面的表面和曲率，传感器定位在镜子的焦点上或接近镜子的焦点，并且滤光器定位在传感器和镜子之间；孔在传感器的直接视场之外，镜子在滤光器和孔之间提供辐射路径。在不同的实施例中，如那些本领域技术人员所理解的，传感器可以作为一个元件包括在拥有各种附加功能的半导体装置上。此外，在各种实施例中，传感器表面的中心可以定位在镜子的焦点上或接近镜子的焦点，并且传感器的表面可以相对于镜子的基线以不同的角度定向以进一步最小化到达传感器的杂散辐射的量，其可以被确定或理解为总辐射的一个百分比。在不同的实施例中，镜子的基线和镜子的表面的法线之间的角度在约25°至35°之间。在其它实施例中，该角度约为31.5°。在不同的实施例中，孔可以包括用来覆盖或配置成与其邻近的保护窗和/或滤光器，其可以阻止某些不期望波长的辐射穿过。
附图说明
参考下文中对本发明的示例性实施例的详细说明和附图，本发明的前述和其它特征将变得更加明显，其中：
图1为根据本发明的实施例的红外温度计的截面图；
图2为根据本发明的实施例的红外温度计的截面图；
图3为根据本发明的实施例的红外温度计的截面图；
图4为根据本发明的实施例的红外温度计的截面图；
图5为根据本发明的实施例的红外温度计的截面图；
图6为根据本发明的实施例的红外温度计的截面图；以及
图7为根据本发明的实施例的红外温度计的截面图。
具体实施方式
本发明公开了一种远距离红外温度计，除了其它部件之外，其包括抛物线或近似抛物线的镜子和包括滤光器部件和传感器部件的红外辐射传感器组件。传感器部件包括一表面，其几何中心点在定位在邻近镜子的焦点的表面上。传感器部件可绕中心点以各种角度定向。为了说明根据本发明的各种实施例的原理的目的，下面描述几个不同的实施例的非限制示例。相应地，本发明的范围应当理解为只由权利要求及其等同方式的范围限定，而不由示例性实施例限定。
图1示出了在远距离(remote)红外温度计内部的镜子20和传感器组件30的实施例的示意性的截面图，远距离红外温度计具有例如为孔16的辐射入口，孔16可以包括用来覆盖或配置成与其邻近的保护窗和/或滤光器55。镜子20的形状可为抛物线或近似抛物线形，以限定靠近或沿对称轴线52的焦点50，该焦点50由镜子的抛物线或近似抛物线的曲率58限定并且对称轴线52垂直于镜子的基线54，基线为在镜子(或它的抛物线或近似抛物线的形状)的基底或顶点与镜子相切的直线。抛物线的通用方程式为y＝ax2+bx+c，其中a和b为限定抛物线的形状的常数，并且c为限定抛物线的顶点相对于原点的位置的常数。在不同的实施例中，a可大约例如在0.01与2.0之间，或者大约在0.07与0.09之间，并且更特别地，为约0.5、0.08或0.0799。在不同的实施例中，b可约在例如-2.0与2.0之间，或者约在-0.02与-0.01之间，并且更特别地，约为1.0、-0.02或-0.015。由于c的定义是相对于原点，并且由于c不影响抛物线的形状，所以，本领域技术人员明白实施本文公开的发明的不同实施例不需要限定c。在不同的实施例中，a和b被选定，以使得相应的焦点可以定位在对称轴线上，在相应的顶点上方的不同位置。在不同的实施例中，对称轴线52名义上垂直于孔16。在不同的实施例中，对称轴线52可穿过孔16的下部。在其它实施例中，对称轴线52可在孔16下面穿过。在不同的实施例中，镜子表面借由绕对称轴线52扫掠或旋转在此之前描述的任何抛物线限定。在其它实施例中，镜子也可以包括可用椭圆抛物面方程式描述的曲率及表面，即，其中d和f为表示在x/z和y/z平面中的曲率度的常数，并且g为缩放常数。
传感器组件30至少包括传感器部件32，传感器部件32包括探测表面42，探测表面42带有在其上的几何中心点44，其位于邻近镜子的焦点50的位置。如图1所示，中心点44布置在焦点50处。表面42可以不同角度α(形成在表面42的法线和镜子的基线54之间)定向，以使表面42面向镜子20的至少一部分。在不同的实施例中，传感器组件30也可包括邻近或邻接传感器部件32的滤光器部件40。当在红外温度计10中使用包括滤光器部件40的传感器组件30时，滤光器部件40可以布置在传感器部件32和镜子20之间。
在不同的实施例中，镜子20布置在温度计10内部，使得孔16位于镜子20的视线内。这样布置，镜子20可以将从在孔16的视场中的对象14的一部分发射的、并且穿过孔16和保护窗和/或滤光器55的辐射反射向传感器组件30。
入射于镜子20上被引导到表面42(即传感器可以探测到的)的辐射量为角度α的函数。在不同的实施例中，包括那些镜子具有抛物线形状、曲率或表面的实施例，表面42可以被定向，以使得α位于大约25°与大约35°之间。在不同的实施例中，例如镜子具有由约为0.0799的a并且约为-0.015的b限定的抛物线形状，α可以设定为约31.5°。对于这些实施例，传感器部件32主要接收以高于或低于与对称轴线62平行的直线约5度以下的角度来接近镜子20的辐射。此角度范围可称为辐射角度范围。反之，因为，考虑到镜子的形状和表面42的大小，以那些较大角度定向的辐射不会沿与表面42相交或到达表面42的路径被镜子反射，所以，传感器部件32接收以高于或低于与对称轴线52平行的直线约6度以上的辐射角度范围来接近镜子20的辐射中的仅仅最少或可忽略的部分。为了图示说明，图2图示了以平行于对称轴线52的方向被引导朝向镜子20的辐射。镜子反射该辐射的大部分或全部，然后该辐射穿过滤光器部件40，以到达靠近中心点44的传感器表面42。图3图示了被引导成高于与对称轴线52平行的直线约5度的辐射。镜子反射该辐射，然后该辐射穿过滤光器部件40，以到达靠近传感器部件32的右边缘的表面42。图4图示了被引导成低于与对称轴线62平行的直线约5度的辐射。镜子反射该辐射，然后该辐射穿过滤光器部件40，以到达靠近传感器部件32的左边缘的传感器表面42。图5图示了被引导成高于与对称轴线52平行的直线约6度的辐射，以及图6图示了被引导成低于与对称轴线52平行的直线约6度的辐射。在后两个示例中，镜子反射辐射，然后该辐射穿过滤光器部件40；然而，反射的辐射没有到达传感器部件32上，落在离右边很远的地方(图5)或者落在离左边很远的地方(图6)。图7图示了被引导成低于与对称轴线52平行的直线约12度的辐射，其更清楚地显示反射辐射不会到达传感器部件32上。因此，在这些或其它实施例中，通过选择性地定位镜子，不从布置在孔16的前方的表面的一部分发射以使得使得辐射被定位到期望的辐射角度范围之外的不期望的所述辐射可被转向远离传感器部件32。相应地，传感器部件32不会探测到该不期望的辐射。然而，因为该辐射被定位在期望的辐射角度范围之内并到达传感器部件32，所以传感器部件32可以探测从布置在孔16的前方的表面的一部分放射的期望的辐射。以此方式，从预期对象以外的对象放射的杂散辐射能够被阻止到达传感器并被探测到。
在不同的实施例中，滤光器部件40可为由硅制成的红外线带通型滤光器，其允许具有例如约7.5微米至13.5位于之间波长的辐射到达表面44。此滤光器防止例如可见光和远红外线光到达传感器以及影响传感器的输出。此外，此滤光器可用来降低在期望波长范围内到达传感器的辐射(例如红外辐射)的强度，这可改善传感器的准确度和重复性。在某些实施例中，穿过滤光器并到达传感器的辐射的强度为从镜子反射并到达滤光器的辐射的1/7。可用在这里描述的各种实施例中的传感器的非限制性示例可为由埃赛力达科技有限公司(Excelitas Technologies)公司制造的零件编号为TPiS 1T 1252的传感器。
虽然特别地示出并描述了本发明的各种实施例，那些本领域的技术人员可以理解，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以对本发明的形式和细节作出各种改变。因此，这些实施例是本发明的非限制性示例，并且本发明应当被认为只由权利要求及其等同方式限定。

Claims (21)

1.一种医用温度计，包括：
壳体，所述壳体具有辐射入口；
镜子，所述镜子布置在所述壳体中，所述镜子的反射面具有抛物线形，所述抛物线形限定顶点、与所述抛物线形在顶点相切的基线、垂直于所述基线和所述辐射入口的对称轴线、以及焦点；以及
辐射传感器，所述辐射传感器具有探测表面，所述辐射传感器在所述焦点处布置在所述壳体中，使得所述探测表面的法线与所述反射表面的基线成约25°至35°之间的角度，
其中，所述辐射入口、所述镜子和所述辐射传感器配置成对于所述探测表面，接收以与平行于所述对称轴线的线成5°到-5°地穿过所述辐射入口的辐射，并且对于所述镜子，将以与平行于所述对称轴线的线所成的角不在6°和-6°内地穿过所述辐射入口的辐射反射离开所述探测表面。
2.根据权利要求1所述的医用温度计，其中所述抛物线形由方程式y＝ax2+bx+c限定，其中a不等于0。
3.根据权利要求2所述的医用温度计，其中a约在0.01至2.0之间，并且b约在-2.0至2.0之间。
4.根据权利要求1所述的医用温度计，其中所述探测表面具有在其上的中心点，并且所述中心点近似布置在所述焦点处。
5.根据权利要求2所述的医用温度计，其中a约在0.07至0.09之间，并且b约在-0.02至-0.01之间。
6.根据权利要求5所述的医用温度计，其中所述探测表面具有在其上的中心点，并且其中所述中心点近似布置在所述焦点处。
7.根据权利要求6所述的医用温度计，其中所述探测表面的法线与所述基线成约31°至32°之间的角度。
8.根据权利要求1所述的医用温度计，还包括滤光器，所述滤光器定位在所述辐射传感器的视场内，并定位在所述镜子和所述辐射传感器之间，所述滤光器能够仅使具有预定波长范围的辐射通过。
9.根据权利要求8所述的医用温度计，其中所述滤光器能够仅使具有波长范围为约7.5微米至约13.5微米之间的辐射通过。
10.一种医用温度计，包括：
壳体，所述壳体具有辐射入口；
抛物线形的镜子，所述镜子具有顶点、聚焦区、在所述顶点处与所述镜子相切的基线、以及垂直于所述基线和所述辐射入口的对称轴线；以及
辐射传感器，所述辐射传感器在探测表面上具有中心点，所述中心点至少近似布置在所述聚焦区处，并且所述探测表面的法线相对于所述基线定向成一探测角度，所述探测角度在约25°至35°之间，
其中，所述辐射入口、所述镜子和所述辐射传感器配置成对于所述探测表面，接收以与平行于所述对称轴线的线成5°到-5°地穿过所述辐射入口的辐射，并且对于所述镜子，将以与平行于所述对称轴线的线所成的角不在6°和-6°内地穿过所述辐射入口的辐射反射离开所述探测表面。
11.根据权利要求10所述的医用温度计，其中所述抛物线形的镜子具有由方程式y＝ax2+bx+c限定的形状，其中a不等于0，并且进一步地，所述聚焦区为焦点，并且抛物线形包括与所述镜子的所述顶点重合的抛物线顶点。
12.根据权利要求11所述的医用温度计，其中a约在0.01至2.0之间，并且b约在-2.0至2.0之间。
13.根据权利要求11所述的医用温度计，其中a约在0.07至0.09之间，并且b约在-0.02至-0.01之间。
14.根据权利要求13所述的医用温度计，其中所述探测角在约31°至32°之间。
15.根据权利要求10所述的医用温度计，还包括滤光器，所述滤光器定位在所述辐射传感器的视场内，并定位在所述镜子和所述辐射传感器之间，所述滤光器能够仅使具有预定波长范围的辐射通过。
16.根据权利要求15所述的医用温度计，其中所述滤光器能够仅使具有波长范围为约7.5微米至约13.5微米之间的辐射通过。
17.一种医用温度计，包括：
壳体，所述壳体具有辐射入口；
抛物线形的镜子，所述抛物线形的镜子由方程式y＝ax2+bx+c限定，其中a约在0.07至0.09之间，b约在-0.02至-0.01之间，所述抛物线形的镜子具有对称轴线、顶点、在所述顶点处与所述镜子相切的基线、和焦点，其中所述对称轴线垂直于所述基线和所述辐射入口；以及
辐射传感器，所述辐射传感器在探测表面上具有中心点，所述中心点布置在所述焦点处，并且所述探测表面的法线相对于所述基线定向成30°至33°之间的角度，
其中，所述镜子和所述辐射传感器配置成对于所述探测表面，接收以与平行于所述对称轴线的线成5°到-5°地穿过所述辐射入口的辐射，并且对于所述镜子，将以与平行于所述对称轴线的线所成的角不在6°和-6°内地穿过所述辐射入口的辐射反射离开所述探测表面。
18.一种使用医用温度计的方法，所述医用温度计包括具有辐射入口的壳体、具有布置在所述壳体中的抛物线形的镜子、和辐射传感器，其中所述抛物线形的镜子具有顶点、在所述顶点处与所述镜子相切的基线、以及垂直于所述基线和所述辐射入口的对称轴线，所述辐射传感器具有探测表面，所述探测表面的法线相对于所述基线在30°和33°之间取向，所述方法包括如下步骤：
相对于目标布置所述温度计；
朝向所述目标引导所述辐射入口，以及
接收根据下述辐射确定的温度值，所述辐射是所述探测表面接收的以与平行于所述对称轴线的线成从5°到-5°地穿过所述辐射入口的辐射、以及由所述镜子将以与平行于所述轴线的线所成的角不在6°和-6°内地穿过所述辐射入口的辐射反射离开所述探测表面。
19.根据权利要求18所述的方法，其中所述镜子具有由方程式y＝ax2+bx+c限定的抛物线形状，其中a不等于0，所述抛物线形状具有焦点、顶点和与所述镜子的所述轴线共线的对称轴线。
20.根据权利要求19所述的方法，其中a约在0.07至0.09之间，并且b约在-0.02至-0.01之间。
21.根据权利要求19所述的方法，其中所述探测表面具有在其上的中心点，并且其中所述中心点近似布置在所述焦点处。
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