JPH07507395A - 赤外線温度計のための光学装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 １、発明の分野 本発明は赤外線温度；１に関し、特に、光学導波路を使用する赤外線温度計に関 する。

２、従来技術の説明 温度を測定するための赤外線放射の読み取りは従来技術で知られているように、 熱電対列、焦電気、ボロメータ−１そして放射性赤外線センサーのような数多く あるセンサーのうちの一つによって行われる。赤外線センサーは２つの温度を表 わす電気信号を発生する。一つはセンサーの表面温度Ｔ、で、もう一つは物体も しくは披ａ＋定物のｍ度Ｔ、である。これらの温度間の関係とセンサーの応答は ステファン−ボルツマンの法則によって導かれるＶ　−ｋＥゎε、　（Ｔ、　’ 　−Ｔ、　’　）　式１このとき、■はセンサーの出力信号で、ε、とε、はそ れぞれ被測定物とセンサーの放射率であり、ｋは定数である。

光学赤外線温度計におけるように非接触型温度１１ｐｔ定の最終目的は披ＡＰＩ 定物の温度Ｔ、を決定することである。式１にみられるようにＴ、を算出するた めにまず赤外線センサーから導かれている■とセンサーの表面温度Ｔ、の二つの 数値を決めなければならない。

°表面温度°という語はセンサーのパッケージの内部にある探知する成分の表面 温度を意味する。

センサーの表面温度を７１１ることは容易てはない。良好な応答速度を持つ赤外 線センサーは一役的に薄い薄片や膜の形で作られている。表面温度は測定か難し いたけてなく、披ａｌ定物への照射線足によって変化する。センサーの表面温度 Ｔ。

の決定が不正確であると、温度ｔ−１定のエラーを招く。

この問題を解決するために、温度Ｔ、を測定する代わりの方法が開発された。

表面温度Ｔ、をＡＰＩ定する代わりに、基準物の温度Ｔ、が採用される。通常、 Ｔ。

のａＦ＋定はかなり正硲になされる。それゆえ、式１を以下のように修正する。

Ｖ−にε、ε、（Ｔ、　’　−Ｔ、　’　）　式２いくつかの発明において、ミ カエルの米国特許４，００５，６０４号に記されているように基準物は温度計の 内部の空洞である。また、フラーデンの米国特許４．７９７．８４０号では、測 定前にセンサーの視界を遮る早い動きのシャッターが基準物として働いている。

どのケースにおいても、２！準物の温度Ｔ、はＴ、を算出するために式２に当て はめられる前にかなり正確にＡ１１ｌ定されなければならない。式では２つの独 立変数ＶとＴ、が測定されることが必要なので、少なくとも２つのセンサーがど んな赤外線温度Ｊ１てても使用されなければならない。そのうちの１つは赤外線 センサーと呼ばれるものである。それは熱（赤外線）放射の大きさを表わす電気 信号Ｖを発生する。もう一つのセンサーはしばしば°周囲センサー”と呼ばれる が、たくさんの形や設二１の一つにあたる基準物の温度Ｔ、を表わす信号を発生 する。

多くの赤外線温度計や高温計において、熱放射は熱電対列と呼ばれる熱電気装置 によって／ｉＰｌ定される。上記のフラーデンの米国特許゛８４ｏでは、機械的 シャッターと結合した。焦電検出器がその目的のために使用されている。

信号Ｖを４に１定するために、一定足の熱放射が邪魔されずに届がねばならない 。

その熱線は主に遠赤外線スペクトル範囲にある。そして、上記の特定範囲に適応 する光学装置の手段によってセンサーに導かれなければならない。

本発明は温度工１の受光部と温度計本体のセンサー部の間の赤外線放射を導く光 学路中の要素に関するものである。

人間の耳の中の鼓膜や周辺組織から赤外線放射を集める典型的な医療用赤外線温 度１；１において、熱線はフラーデン′８４ｏに記されているように高反ｆ１． Ｉ内面を有する空洞のチューブである導波路という手段によって導かれる。反射 性チューブを使用することで赤外線センサーやその他の基準物のような必須部分 を患者の体外に置きながら外耳に挿入出来るプローブの作製が可能となる。

反射性チューブの導波路はチューブの対向面を光が跳ね返りながらチューブの端 からもう一方の端へ伝搬していくような鏡で構成された通路のように作用する。

赤外領域での動作のために、鏡面はチューブの内面を研磨し、薄い金の層を設け ることによって作られる。金はその領域で良好な反射体である。

彼、４ＦＩ定物か制限されないような非医学的使用のセンサーに赤外線放射を導 くために、従来技術ではミカエルの米国特許゛６５０にあるように反Ｑｌ性集東 反射鏡、もしくはトレハーンの米国特許３．５８６．４３９号や、イラニ他の英 国特許２゜１１９．９２５Ａ号のようにレンズを使用することが教えられている 。

人間や動物の温度のＡｌ１定において、赤外線センサーはプローブの端部に直接 備えることは出来ない。プローブは外耳に挿入されるべきであるからごく小さい 寸法を持っている。このような温度旧において、空洞のチューブ導波路は現在は ほとんどそれ専用に使用されている。

空洞の導波路の使用に関連する１ｌｌ−（Ｅ的な問題かいくつかある。それらに は反射力の（ｉ失を引き起こす表面〆ら染や、／９！遊放射物質を引き起こす少 ないがしかし一定良の反ｑＪ表面のｈｋ射率、限られた写角、そして小径の長い 導波路における実質的信号損失が含まれる。

上記の問題点のいくつかに取り組むための手段がンーコードの米国特許５１６７ ．２３５号で述べられていて、そこでは赤外線放射は光学繊維束を通して熱電対 列センサーに導かれている。この手段の一つの欠点は遠赤外線スペクトル範囲に おいて作用する光学繊維は高価で、光学プローブの視界を調整できないというこ とにある。これは実質的に光学繊維束の使用を限定している。

発明の概要 本発明の一つの目的は、空ｔ・１の導波路に関わる問題を減少させるあるいは除 去するような改良された大刃先導波路の赤外線温度２１を提供することにある。

本発明のもう一つの目的は、赤外線温度計１の光学導波路を提１ｊ、することに ある。

さらに、この発明の１−１的は、視界が導波路のＩＩニて決定されるような光学 導波路を提供することにある。

本発明の目的はむしろ固い棒の形をした屈折性導波路の使用によって達成される であろう。屈折性導波路の中心コア媒体は導波路の隣接した周辺部より高い屈折 率を有している。それによって導波路はコア媒体のなかの内部全反射によって導 波路の全長において赤外線放射を伝達できる。

その導波路は、温度計によって受光される物体からの赤外線放射に応答して信号 を発生するセンサーと光学的に整列して光学赤外線温度計のハウジングに備え付 けられている。二の導波路は赤外線をセンサーによる受光のためにセンサーに向 いた光路に向けるのに適している。

屈折性導波路は単一のコアを有し、連続した光学部分の光路であるのが好ましい 。

もし望むなら、温度シ１の本体の所望の領域に向けて熱線を伝導するために捧を 曲げることができる。

屈折性導波路の前および／もしくは後端部は入射角と出射角を調整するために凹 状もしくは凸状の而に１１三成され得る。これにより予め定められた視界を有す る赤外線温度計が形成される。屈折性導波路は赤外線放射をセンサーに供給する のにｔ１応しい断面であれば円状、角状、その他望むどんな形にでもできる。

屈折性の導波路と管状すなわち反射性導波路とが望ましい視界を形成するために 、もしくはｌＨ度計の赤外線センサー部分との良好な連結のためにお互いに組み 合されて単一の光学装置を作ってもよい。

図面の簡単な説明 本発明がより十分に理解されるために、実施例について添付する図面に関して以 下に説明する。

図１は外耳に挿入されたプローブを持つ医療用赤外線温度計の斜視図である。

図２は本発明による焦７ｕ気センサーを何する医療用赤外線温度計、の概略図で ある。

図３は本発明の実施例による曲がった屈折性導波路を有する光学装置の概略図で ある。

図４は本発明による屈折性および反射性導波路を有し、センサーに赤外線放射を 運ぶ＋、１ｔ−の光学装置の一部断面図である。

図５は本発明による凸状に曲がった端部をＩ　、１７つだ屈折性導波路の断面図 である。

図６は本発明による゛）Ｌらな端部をＨする導波路の断面図である。

図７は本発明による採光部としての平面を備えた導波路の断面図である。

図８は本発明による採光部としての凸面を備えた導波路の一部断面図である。

図９は本発明による別の形のｌ１ｉｌ折性導波路の斜視図である。

図１０は屈折性および反射性の導波路を有する単一の光学装置の一部断面図であ る。

好ましい実施例の説明 本発明について詳細に説明する前に、この発明は他の実施例やいろいろな方法で ても実施できるものであり、図面に詳細に示された構造および構成の適用に限定 されないことを理解すべきである。また、使用した語句は説明のための目的だけ でそれに限定されるものではないことも理解すべきである。

本発明の好ましい実施例は、−例としてここに引用したび考文献であるフラーデ ンの米国特３γ゛８４０に記されている温度２１に類似した焦電気センサーを有 する医療用赤外線ｍＪｍ　’：；　ｌへの適用について説明する。

図１に関して、医療用赤外線温度計２０は外耳２６、と鼓膜３４に挿入されるた めに適したプローブ６８を白゛するバッテリー内蔵型ユニットである。

１＝Ｉｘ、、ｌ　２　＋１のハウジング２２は便利で扱いやすい形をしている。

それには押した時に外耳２６の内部からす１、外線放１・１を読み取るための装 置を起動させる起動ボタン７０をＨしている。

ＩＡＡＴＷ　６　ｌの正面についているプローブ６８は人間の外耳の形状に対応 した寸法や＋１３をしている。外耳に挿入する前、プローブ６８は遠近赤外線ス ペクトル範囲の光にに１して実質的に透明な薄いポリマー素材で出来ているプロ ーブの保護カバー２８て覆われている。

プローブの前部の］−１的は鼓膜や周辺組織から赤外線を集めることである。赤 外線センサーはプローブの端から遠い所にあり、ｊＡＬ　度ｕ１’　２０のハウ ジング２２の内部にある。

図２に関して、プローブ６８の前端部３０と赤外線センサー４０はＰ８３２とい う形の屈折性導波路４２と通して光学的に結合されている。棒３２は問題の波長 において吸収係数か小さく、そして棒の長さに沿って内部全反射を起こすのに十 分な１より大きい屈折率を有するような結晶性あるいは非結晶質の累月がら出来 ている。このような（オ料の一例として、アモルファス　マテリアル社によって 生産されている特殊ガラスであるＡＮｉＴＩＲ−１がある。この素材は２．５の 屈折率を持ち、約２から１４μｍの間の波長の光に対しての吸収率が非常に低い 。

はとんどどんな角度からでもＡＭＴＩＲ−１の棒３２の前端部に入射される赤外 線（ＩＲ）５０は棒内て、上手く、内部壁４６から内部全反射され、はとんど損 失を伴なうことなく長さ方向に伝搬され導かれる。

棒３２としっかりくっついているホルダー３６は棒と接触している点で棒の屈折 率よりも小さい屈折率を有していなければならない。すなわち、その棒はそれら の点において内部反射を失うことになる。

ホルダー３６は周囲センサー４４とシャッター３８の温度が等価になるよう設計 されている熱容量を有する部分６６に取り付けられている。この熱容量の別の１ 」的は赤外線センサー４０の７Ｈ度を安定させることである。

シャッター３８の場所は起動ボタン７ｏによって起動される機械装置４８によっ て調整される（図１）。

捧３２とホルダー３６を有する光学アセンブリーはプローブ６８の外表面を形成 する長く伸ばした反射鏡２４の中に置かれている。プローブカバー２８の前端部 ３０は実質的に赤外線に対して透明である。

赤外線センサー４０と周囲センサー４４は信号マルチプレクサ−（ＭＵＸ）５８ に接続されている第１および第２の信号調節装置５４と５６に接続されている。

Ｍ　Ｕ　Ｘ　５８はゲートで、これらの信号調整装置からマイクロプロセッサ− ６０へ一度に一つずつ適当な信号を導くように構成されている。マイクロプロセ ッサ−６０はアナログ−デジタル変換器と外耳２６のような被測定物の、’ＩＩ 定温度を表示するディスプレイ６４を調節するドライバーを内蔵している。

赤外線導波路をもつ温度＝１の作用は以下の通りである。測定対象の外耳２６が らの赤外線５０はプローブカバー２８の前端部３ｏを通り捧３２に入る。捧３２ の屈折性の特性のために赤外線５ｏはその屈折角度を変えてほんの僅が吸収され るだけで後端部５２まで棒３２に沿って伝搬する。前端部３０に直角な赤外線は シャッター３８へ直接行き、一方で他の角度から前端部３０に入る光線は棒の内 壁から反射される。そして光線は後端部５２を通過しながら、棒を通り過ぎなが ら本来の角度に復元される。

シャッター３８が閉まっている時間だけ光線はセンサー４０に届かない。機械製 Ｗ１４８がシャッター３８を開けるとき、出力信号Ｖに応答するセンサー４０に 赤外線が届（。その信号は第１信号調整装置５４によって処理され、マルチプレ クサ−５８によってマイクロプロセッサ−６０を通る。マイクロプロセッサ−６ ０はその信号をデジタル形式に変換する。特定の時間、シャッターが動く前、も しくは後に信号Ｔ、は第２の信号調整装置５６を通して周囲センサー４４からマ イクロプロセッサ−６０に運ばれる。両信号が受信された時、マイクロプロセッ サ−６０は式２に基ずくアルゴリズムに従ってＴ、を算出し、その結果をディス プレイ６４に送る。従来技術の空洞反射チューブの代わりに屈折性導波路４２を 使用する利点の一つは、鏡状になっている表面の反射からの損失と比べて内部全 反射の損失が極めて少ないことである。

例えば、金でプレートされた円筒状導波路における反射係数は典型的に０．９８ であるが、例えば反＋１４１０に対して伝達係数０．８２に匹敵する。対照的に 、屈折性導波路は事実上い（ら反口・ｉの数があっても１ｕ失は無視できる結果 、はとんど１００９ｉｉ効果の内部全反射を有している。

さらに、空洞の屈折性導波路の温度の変化はセンサーによって検出される浮遊放 射を引き起こす。それは０．０２という金の放射率が、その放射の出射角が法線 にχ−ｆして９０度に近付くにつれて大きくなっていくことによる。反射性導波 路からの浮遊放射は赤外線センサーにおける熱放射の大きさを変えて、測定エラ ーを引き起こす。

り・１照的に、問題の波長における低吸収を伴う屈折性の棒は正大なエラーかな い非常に小さな放射率をａしている。

遠近赤外線スペクトル範囲において作用する屈折性材料は好ましくは２．０以上 、一般的には２５かそれ以上という一般的に高い屈折率をＩＴシている。この結 果、内部全反９．１は比較的小さい角度であり、一般的には２３以下となってい る。

そしてまたその結果、屈折性導波踏棒の前部の平面への入射角が非常に大きくな っている。最大の入射角は理論的には法線に対して９０度であるが、実際にはい くらかもう少し小さい。

効果的、かつ商業的に実施が可能であるためには、反射性、屈折性のどんな形の 導波路でも以下の特性；赤外線の低損失、低放射率、耐汚染性、そして化学的安 定性を兼ね備えていなければならない。そしてまた、導波路は熱放射をセンサー に導くだけでなくプローブの視界を調節できることが望ましい。導波路はまた高 圃でなく製造が容易でなければならない。実際これら全ての要求は、図２に示す 導波路のように本発明の屈折性導波路によって満たすことが出来る。

いくつかの温度計において設計を実用的にするために曲がった通路に沿って赤外 線放射を導くことが可能であることが望ましい。図３はその目的のための屈折性 の曲がった棒を示している。高い屈折率によって、内部全反射の利点を失わずに 比較的小さな半径で捧を曲げることが出来る。

いくつかの用途において、図４に示すように屈折性導波踏棒３２と反射性導波路 ７４が結合することが望ましい。この装置において、光は棒３２に入り、内部全 反射の１段によって装置を通って伝搬する。棒３２から出射した光は、長く伸ば された管状の反射性導波路７４の高反射表面７６からの表面反射という手段によ り光は赤外線センサー４０に向けて伝搬し続ける。図１０に示されている単一装 置は申付な複数の屈折性導波踏棒６２を反射性導波路７４に光学的に直列に結合 している。

赤外線領域において、反射性捧は非常に小さな内部全反射角を有しており、これ により広い視界が得られている。しかし、いくつかの用途においては狭い視界が 望ましい。これは棒の一端もしくは両端部を図５に示されるように凹状に形成す ることによって達成される。これにより図６に示されるような平らな棒の端部の 視角８６より狭い視角８４がもたらされる。

本発明に従って作成された光学装置は直径のわりには短い長さの屈折性導波路を ふつう有するであろう。例えば、医療用温度計における導波路は長さの幅に対す る比が５から１０の間であると特徴づけられている。しかしながら、その導波路 の棒の長さの直径に対する比（長さ：直径）は１００対１かそれ以上という高い 比率になるようにこの発明では計画している。このことは温度計が深い穴まで届 くような延長したプローブを有することにつながる。

導波路の棒における高屈折率材１１の使用はいままで述べてきたように、内部反 射の損失か少なくてすむ。しｈ化ながら、それは棒の入出射表面の高反ｎ・ｊ損 失をもたらす。反ＱＪ　１ｉ４失は一般的には３００６以上で、ゲルマニウムや シリコンといった棒の素材に対しては、はぼ５５％ぐらいになる。普通、人・出 射損失を減少させるためにレンズに使用される反反射コーティング（ＡＲＣ）の 使用は本発明の屈折性の棒に良く作用する。そのコーティングは屈折性素材と棒 の先端の外側にある媒体との間にそれにより近い状態を提供する１つまたはいく つかの薄い素材で出来ている。ＡＲＣコーティングの種類の選択は問題の導波路 にとって効果のあるものである。医療用温度計において、その問題の波長はだい たい３から２０μｍの間である。

低先度の赤外線放口・１を検出するために、棒の入り口表面は拡大され、大きい 横断面積が与えられる。そしてその捧は図７に示されるようにその長さに沿って 徐々に先細り０にテーパー付けされていて、センサーに伝達するために終りの部 分はより小さくなっている。もし入ｎ・１面が平坦であれば、受光角（入射角） は特殊用途には狭すぎるか広すぎるかどちらかになってしまう。このことは入射 面を凹形または凸形に形成することで修正することが出来る。図８に示すように 、前端部は受光部を広げるために凸面９２に作られている。

屈折性赤外線導波路は、例えば図９に示すように、断面やその終端部において導 波路による赤外線放射受光に適して、モして／または温度計本体のなかをセンサ ーまで運ぶようにどんな形にでもすることができる。

この発明は特殊なｋＴましい実施例の用語で説明されているが、この開示された 発明によってさまざまな修正や代用が考案され、そしてそのような全ての修正や 代用が添付のクレームに規定されるように発明の範囲に含まれることは、当業者 には明白である。

ＦＩＧ、　５　ＦＩＧ、　６

Claims (16)

【特許請求の範囲】
1. １．ハウジングと、前記ハウジングに収り付けられて赤外線放射に応答し、前記 放射に応答した信号を発生するセンサーと、前記ハウジングに取り付けられ前記 センサーの光学軸上に配されていて温度を測定すべき物体から赤外線温度計によ って受光された赤外線放射を前記センサーによる受光のために通路内で前記セン サーに向ける導波路手段とを有する光学赤外線温度計において、該導波路手段が 、周辺よりも屈折率の高いコア媒体を有する屈折性導波路を有し、それによって 前記導波路が赤外線放射を前記媒体の内部全反射により導波路の長さにそって伝 達できることを特徴とする改良された光学赤外線温度計。
2. ２．前記屈折性導波路が前記通路の連続した光学部分にあることを特徴とする請 求項１記載の温度計。
3. ３．前記屈折性導波路の前記核媒体が１よりも大きい屈折率を有する結晶性材料 でできていることを特徴とする請求項１記載の温度計。
4. ４．前記屈折性導波路の前記核媒体が１より大きい屈折率を持つアモルファス素 材でできていることを特徴とする温度計。
5. ５．前記屈折性導波路の棒の第一の端面が凸状に形成されていることを特徴とす る請求項２記載の温度計。
6. ６．前記第１の端面が凸状であることを特徴とする請求項５記載の温度計。
7. ７．凹状になっている第１の端面を有していることを特徴とする請求項５記載の 温度計。
8. ８．前記通路の隣接した連続した光学部分が反射性導波路であることを特徴とす る請求項２記載の温度計。
9. ９．前記温度計の前記屈折性導波路の棒が第１と第２の端面を持ち、前記第１の 端面が第２の端面よりも大きな横断面を有し、前記棒が第１と第２の端面の間で テーパ付けされていることを特徴とする請求項２記載の温度計。
10. １０．より大きい横断面の前記第１の端面が曲面であることを特徴とする請求項 ９記載の温度計。
11. １１．前記屈折性導波路の棒の第１の端部が赤外線の前記第１の端を通過すると きの、３から２０μｍの間の波長の反射の損失を減少するために適したＡＲＣコ ーティングを含んでいることを特徴とする請求項２記載の温度計。
12. １２．前記棒が第１及び第２の端部を有し、これら両端部の間で曲げられている ことを特徴とする請求項２記載の温度計。
13. １３．本体と、赤外線放射を受けるために前記本体に取り付けられているプロー ブと、前記本体に取り付けられ前記熱線を表わす信号を出力するためのセンサー とを有する光学的赤外線温度計において、前記プローブと前記センサーとの間の 光路中に支持された前記プローブから前記赤外線放射を前記センサーに導くため の単一のコアを持つ屈折性導波路の棒を有する改善された光学的赤外線温度計。
14. １４．本体と、赤外線放射を受けるために前記本体に取り付けられている前記プ ローブと、前記本体に取り付けられ前記熱線を表わす信号を出力するセンサーと を有している光学的赤外線温度計において、前記プローブと前記センサーとの間 の光路中に支持され前記プローブから前記赤外線放射を前記センサーへ導くため の複数の平行した屈折性導波路を有する改良された光学赤外線温度計。
15. １５．反射性導波路と光学的に直列に前記複数の平行した屈折性導波路の棒を有 する単一の光学装置を有する請求項１４記載の温度計。
16. １６．前記単一光学装置が第１と第２の端面を有し、前記第１の端面が第２の端 面よりも大きな横断面を持ち、前記単一光学装置が前記第１と第２の端面の間で テーパー部を有しているような請求項１５記載の温度計。