TW201423067A - 具有改良光學系統的醫學溫度計 - Google Patents

Abstract

揭示一種包含弧形反射鏡及輻射感測器的醫學溫度計。該輻射感測器經配置成對於該反射鏡可處於一組態，藉此該反射鏡使穿經該輻射入口、以及方向被調整到一角度範圍(相對於該反射鏡)之外的輻射反射離開該感測器，以及使穿經該輻射入口、以及方向被調整到在一角度範圍(相對於該反射鏡)內的輻射反射朝向該感測器。

Description

具有改良光學系統的醫學溫度計

本申請案主張申請於2012年11月19日之美國臨時申請案第61/728,003號的優先權，其揭示內容全部併入本文作為參考資料。

本發明大體有關於用以測量溫度的裝置，且更特別的是，有關用於醫學應用系統的非接觸式紅外線溫度計，其係包含數個反射鏡以減少雜散輻射(stray radiation)的影響。

熱輻射或紅外線(IR)溫度計是在不實體接觸測量對象下能夠測量溫度的裝置。因此，此類溫度計常被稱為“非接觸式”或“遙測”溫度計。在IR溫度計中，獲得對象的溫度係藉由偵測自然散發自對象表面的IR輻射強度。對於約在0℃至100℃之間的對象，這需要使用用以偵測輻射波長約在3至40微米之間的IR感測器。在此範圍的IR輻射通常被稱作熱輻射。

IR溫度計的例子之一為“即時耳朵”醫學溫度計，其係能夠測量人類或動物之耳道的鼓膜(tympanic membrane)及周遭組織的非接觸式溫度。頒給Fraden的美國 專利第4,797,840號中有舉例說明即時耳朵溫度計，其揭示內容全部併入本文作為參考資料。其他例子包括測量表面皮膚溫度(例如，前額的皮膚表面溫度)的醫學溫度計，這在頒給Kraus等人之美國專利第6,789,936號中有舉例說明，其揭示內容全部併入本文作為參考資料。

為了基於對象的IR輻射來測量對象的表面溫度，偵測IR輻射以及轉換為適合用習知電子電路處理的電子訊號。用IR感測器或偵測器完成偵測IR輻射的任務。

習知的熱IR感測器通常包含有紅外線透明窗或濾光鏡的殼體，以及至少一感測元件，其係回應散發自對象表面穿經IR感測器之IR窗口而至感測元件上的熱輻射能量通量Φ。該IR感測器用來產生電子訊號，其係表示存在於感測元件與測量對象之間的淨IR通量Φ。如本技藝所知，透過適當的資料處理，該電子訊號可與對象的溫度相關連。

熱通量Φ為兩個溫度的函數：感測元件表面溫度T_s與對象的表面溫度T_b(用絕對溫標)。理論上，普郎克定律描述黑體在熱平衡時以某一波長輻射的電磁能量。對於可用IR溫度計之光學系統測定的寬廣光譜範圍，兩個溫度T_s、T_b的關係式和通量Φ可用四階拋物線近似。此近似被稱為史提芬-波茲曼法則：

在此ε_b及ε_s各自為對象及感測元件的表面發射率，σ為史提芬-波茲曼常數，以及κ為在校準IR溫度計時可用測量確定的光學常數。

在對象真正溫度T_b與感測器溫度T_s的差異相對小時，方程式(1)可近似為：

IR溫度計的目標是要測定對象的表面溫度T_b，它可由方程式(2)的逆函數算出T_bc：

理想情況下，算出溫度T_bc應等於真正溫度T_b。實際上，該等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)可見，為了計算溫度T_bc，必須確定以下兩個數值：IR通量Φ及IR感測元件表面溫度T_s的大小。溫度計算的準確度取決於方程式(3)右邊所有變數的測量準確度。用本技藝所習知的許多技術可相當準確測出第一被加數T_s，例如，用熱阻器或RTD溫度感測器。第二被加數問題比較大，特別是因為對象發射率ε_b通常為未知及不可預測的數值。例如，在醫學測溫法中，發射率ε_b為由皮膚性質及形狀定義的皮膚發射率。例如，皮膚發射率的範圍可在0.93至0.99之間。

為了確定發射率如何影響準確度，可導出方程式(2)的偏微分為：

該偏微分表示由對象發射率ε_b未知所引起的測量誤 差。方程式(4)顯示在T_s趨近T_b時，誤差趨近零。因此，當T_b大約等於T_s時，誤差很小。因此，為了最小化誤差，最好讓IR感測器的溫度T_s實際接近對象的溫度T_b。至於即時耳朵溫度計，例如，頒給Fraden的美國專利第5,645,349號，其揭示內容全部併入本文作為參考資料，教導用於使溫度T_s與T_b相互接近的加熱感測元件。頒給Kraus等人的美國專利第7,014,358號，其揭示內容全部併入本文作為參考資料，係替換地教導用以使IR感測器殼體變暖的加熱元件。另外，頒給Fraden的美國專利申請案公開號第2011/0228811號，其揭示內容全部併入本文作為參考資料，教導使用也加熱至溫度T_b的遮蔽物來遮蔽感測器的雜散輻射。

在測量表面的溫度時，最小化在IR感測器收到散發自無用來源的輻射量是很重要的。最小化拾取無用或雜散輻射之機會的方法之一是使IR溫度計的光學視場變窄。方法之一是用IR透鏡使光學視場變窄，這例示於頒給Nomura等人的美國專利第5,172,978號(輻射溫度計，其係包含一端裝有聚光透鏡及另一端有IR偵測器的透鏡鏡筒(lens barrel))及頒給Ridley等人的美國專利第5,655,838號(有多元件聚焦透鏡、目鏡、分束器及IR偵測器的輻射溫度計)，其全部內容併入本文作為參考資料。

最小化自對象拾取雜散通量之機會的另一方法係使用反射鏡以協助IR溫度計的使用者可看見IR溫度計的視場。此一方法例示於頒給Everest的美國專利第4,494,881號，其全部內容併入本文作為參考資料。

儘管這些方法能夠去除感測器之視場的一些非所欲輻射源，然而去除在IR感測器之視場內的輻射源有額外利益，而不是散發自在視場內之所欲目標區外的輻射源。

根據本發明各種具體實施例的非接觸式IR溫度計主要包括有感測器表面的IR輻射感測器，它可耦合至位於感測器之視場中能夠只讓在所欲波長範圍內之輻射通過的濾光鏡；形狀可為拋物線或近似拋物線以及可包含基於橢圓狀拋物面之表面及曲率的反射鏡，該感測器位於該反射鏡之焦點處或附近以及該濾光鏡位在該感測器與該反射鏡之間；以及在感測器之直接視場外的一孔口，該反射鏡提供在該濾光鏡與該孔口之間的一輻射路徑。在各種具體實施例中，熟諳此藝者應瞭解，該感測器可作為擁有各種附加功能之半導體裝置的組件。另外，在各種具體實施例中，該感測器表面的中心可位於該反射鏡之焦點處或附近以及該感測器的表面可經定向成與該反射鏡的基線有各種角度以進一步最小化到達該感測器的雜散輻射量，這可用總輻射的百分比測定或了解。在各種具體實施例中，反射鏡之基線與反射鏡表面之法線的角度約在25°至35°之間。在其他具體實施例中，此角度約為31.5°。在各種具體實施例中，該孔口可包含、覆蓋或與其毗鄰地配置可防止有某些非所欲波長之輻射通過的保護窗及/或濾光鏡。

10‧‧‧遙測IR溫度計

14‧‧‧對象

16‧‧‧孔口

20‧‧‧反射鏡

30‧‧‧感測器總成

32‧‧‧感測器組件

40‧‧‧濾光鏡組件

42‧‧‧偵測表面

44‧‧‧幾何中心點

50‧‧‧焦點

52‧‧‧對稱軸線

54‧‧‧反射鏡之基線

55‧‧‧保護窗及/或濾光鏡

58‧‧‧反射鏡的拋物線或近似拋物線曲率

α‧‧‧角度

由以下本發明示範具體實施例的詳細說明及附 圖可更加明白本發明以上及其他的特徵。

圖1根據本發明之一具體實施例圖示IR溫度計的橫截面圖；圖2根據本發明之一具體實施例圖示IR溫度計的橫截面圖；圖3根據本發明之一具體實施例圖示IR溫度計的橫截面圖；圖4根據本發明之一具體實施例圖示IR溫度計的橫截面圖；圖5根據本發明之一具體實施例圖示IR溫度計的橫截面圖；圖6根據本發明之一具體實施例圖示IR溫度計的橫截面圖；以及圖7根據本發明之一具體實施例圖示IR溫度計的橫截面圖。

揭示一種遙測IR溫度計，其係主要包含：拋物線或近似拋物線反射鏡以及包含濾光鏡組件及感測器組件的IR輻射感測器總成。該感測器組件包含一表面以及該表面的幾何中心點位在反射鏡的焦點鄰域。該感測器組件可定向成以該中心點為中心有各種角度。為了圖解說明本發明各種具體實施例的原理，以下描述各種具體實施例的數個不具限定性實施例。因此，應瞭解，本發明的範疇只用申請專利範圍及其等效陳述的範疇界定，而且不受限於該等 示範具體實施例。

圖1的具體實施例示意橫截面圖圖示在遙測IR溫度計10內的反射鏡20及感測器總成30，該遙測IR溫度計10有可包含或覆蓋或經配置成與其相鄰之保護窗及/或濾光鏡55的輻射入口，例如孔口16。反射鏡20的形狀可為拋物線或近似拋物線以便定義靠近或在垂直於反射鏡之基線54的對稱軸線52上的焦點50(其係依照反射鏡的拋物線或近似拋物線曲率58來定義)，該基線為在反射鏡(或彼之拋物線或近似拋物線形狀)之基底或頂點與反射鏡相切的直線。拋物線的通用方程式為y=ax²+bx+c，在此a與b為定義拋物線之形狀的常數以及c定義拋物線頂點相對於原點之位置的常數。在各種具體實施例中，例如，a可約在0.01至2.0之間，或約在0.07至0.09之間，且更特別的是，約為0.5、0.08或0.0799。在各種具體實施例中，例如，b可約在-2.0至2.0之間，或約在-0.02至-0.01之間，且更特別的是，約為1.0、-0.02或-0.015。由於c的定義是相對於原點，以及由於c不會影響拋物線的形狀，本技藝一般技術人員明白，實施揭示於本文的本發明各種具體實施例不需要定義c。在各種具體實施例中，a與b經選定成對應焦點可在對稱軸線上位於在對應頂點上方的各種位置。在各種具體實施例中，對稱軸線52名義上是垂直於孔口16。在各種具體實施例中，對稱軸線52可穿過孔口16的下半部。在其他具體實施例中，對稱軸線52可在孔口16下面穿過。在各種具體實施例中，藉由以對稱軸線52為中心掃掠或旋轉在此之前所描述的任何 拋物線來定義反射鏡表面。在其他具體實施例中，反射鏡也可包含可用橢圓狀拋物面方程式描述的曲率及表面，亦即，，在此d與f為表示在x/z、y/z平面中之曲率程度的常數，以及g為縮放常數。

感測器總成30至少包含含有偵測表面42的感測器組件32，偵測表面42上的幾何中心點44位於反射鏡之焦點50的鄰域。如圖1所示，中心點44配置在焦點50。表面42可以各種角度α(由表面42的法線與反射鏡的基線54形成)定向，使得表面42面向反射鏡20的至少一部份。在各種具體實施例中，感測器總成30也可包含鄰近或毗鄰感測器組件32的濾光鏡組件40。當包含濾光鏡組件40的感測器總成30用於IR溫度計10時，濾光鏡組件40可配置於感測器組件32、反射鏡20之間。

在各種具體實施例中，反射鏡20配置於溫度計10內部使得孔口16在反射鏡20的視線中。這樣配置時，反射鏡20可向感測器總成30反射發射自對象14之一部份而在孔口16視場中以及穿經孔口16和保護窗及/或濾光鏡55的輻射。

可偵測引導至表面42上入射於反射鏡20(亦即，感測器)的輻射量，其係角度α的函數。在各種具體實施例(包括反射鏡有拋物線形狀、曲率或表面的具體實施例)中，表面42可經定向成α約在25°至35°之間。在各種具體實施例中，例如，在反射鏡有用約等於.0799之a與約等於-0.015之b定義的拋物線形狀時，可設定約為31.5°的α。對於該等 具體實施例，感測器組件32主要接收以高於或低於一與對稱軸線52平行之直線約5度以下的角度來接近反射鏡20的輻射。此一角度範圍可稱為輻射角度範圍。反之，感測器組件32接收有以高於或低於一與對稱軸線52平行之直線約6度以上之輻射角度範圍來接近反射鏡20之輻射中的僅僅最少或可忽略部份，因為，給定反射鏡的形狀及表面42的大小，以較大角度定向的輻射不被反射鏡反射到與表面42相交或到達表面42的路徑上。為了圖解說明，圖2圖示了以平行於對稱軸線52之一方向被引導朝向反射鏡20的輻射。反射鏡反射此輻射的大部份或所有，然後它穿經濾光鏡組件40以打到靠近中心點44的感測器表面42。圖3圖示了被引導成高於一與對稱軸線52平行之直線約有5度的輻射。反射鏡反射此輻射，然後穿經濾光鏡組件40以打到靠近感測器組件32右側的表面42。圖4圖示了被引導成低於一與對稱軸線52平行之直線約有5度的輻射。反射鏡反射此輻射，然後穿經濾光鏡組件40以打到靠近感測器組件32左側的表面42。圖5圖示了被引導成高於一與對稱軸線52平行之直線約有6度的輻射，以及圖6圖示了被引導成低於一與對稱軸線52平行之直線約有6度的輻射。以後面兩個情形而言，該反射鏡反射輻射，然後穿經濾光鏡組件40；不過，離右邊太遠(圖5)或離左邊太遠(圖6)的反射輻射不會打到感測器組件32。圖7圖示了被引導成低於一與對稱軸線52平行之直線約有12度的輻射，這更清楚地顯示反射輻射不會打到感測器組件32。因此，以上及其他具體實 施例藉由選擇性地定位該反射鏡，可使非所欲輻射轉向離開感測器組件32，該非所欲輻射並不散發自係配置於孔口16前面的一表面之一部份，而使得此輻射的方向被調整到在所欲輻射角度範圍之外。相應地，感測器組件32不會偵測到此一非所欲輻射。不過，感測器組件32可偵測散發自在孔口16前面之表面之一部份的所欲輻射，因為此輻射的方向被調整到所欲輻射角度範圍之內以及到達感測器組件32。以此方式，可防止散發自預期對象以外之對象的雜散輻射到達感測器而被偵測。

在各種具體實施例中，濾光鏡組件40可為由矽製成的紅外線帶通型濾光鏡，其係允許波長例如約在7.5微米至13.5微米之間的輻射到達表面44。此一濾光鏡防止例如可見光及遠紅外線到達感測器以及影響感測器的輸出。另外，此一濾光鏡可用來減少在所欲波長範圍內之輻射(例如，IR輻射)到達感測器的強度，這可改善感測器的準確度及重覆性。在某些具體實施例中，通過濾光鏡及到達感測器之輻射的強度為反射自反射鏡以及到達濾光鏡的輻射之七分之一。可用於描述於本文之各種具體實施例的感測器不具限定性實施例有由Excelitas Technologies公司製造零件編號為TPiS 1T 1252者。

儘管已特別圖示及描述本發明的各種具體實施例，然而熟諳此藝者應瞭解彼等的形式及細節仍可做出各種改變而不脫離本發明的精神及範疇。因此，該等具體實施例均為不具限定性的本發明實施例而且應了解本發明的 範疇只用申請專利範圍及其等效陳述定義。

10‧‧‧遙測IR溫度計

14‧‧‧對象

16‧‧‧孔口

20‧‧‧反射鏡

30‧‧‧感測器總成

32‧‧‧感測器組件

40‧‧‧濾光鏡組件

42‧‧‧偵測表面

44‧‧‧幾何中心點

50‧‧‧焦點

52‧‧‧對稱軸線

54‧‧‧反射鏡之基線

55‧‧‧保護窗及/或濾光鏡

58‧‧‧反射鏡的拋物線或近似拋物線曲率

α‧‧‧角度

Claims (32)

1. 一種醫學溫度計，其係包含：一殼體，其有一輻射入口；一反射鏡，其具有一軸線並配置於該殼體中；以及一輻射感測器，其係在該殼體中相對於該反射鏡被配置於一位置中，藉此該反射鏡使穿經該輻射入口、以及方向被調整到一輻射角度範圍(以該軸線為中心)之外的輻射反射離開該感測器。
2. 如請求項1所述之醫學溫度計，其中該反射鏡的形狀為方程式y=ax²+bx+c所定義的拋物線，在此a不等於0，該拋物線形狀有一頂點、與該拋物線形狀在該頂點處相切的一基線、與該反射鏡之軸線共線的一對稱軸線、以及一焦點。
3. 如請求項2所述之醫學溫度計，其中a約在0.01至2.0之間，以及b約在-0.2至2.0之間。
4. 如請求項1所述之醫學溫度計，其中該輻射感測器包含有一中心點在其上的一偵測表面，以及其中該中心點係大約配置於該焦點處。
5. 如請求項4所述之醫學溫度計，其中該偵測表面的法線與該基線約有25°至35°之間的角度。
6. 如請求項2所述之醫學溫度計，其中a約在0.07至0.09之間，以及b約在-0.02至-0.01之間。
7. 如請求項6所述之醫學溫度計，其中該輻射感測器包含 有一中心點在其上的一偵測表面，以及其中該中心點係大約配置於該焦點處。
8. 如請求項7所述之醫學溫度計，其中該偵測表面的法線與該基線約有31°至32°之間的角度。
9. 如請求項8所述之醫學溫度計，其中以該軸線為中心的該輻射角度範圍約在-5°至5°之間。
10. 如請求項1所述之醫學溫度計，其中以該軸線為中心的該輻射角度範圍約在-5°至5°之間。
11. 如請求項1所述之醫學溫度計，其更包含位於該輻射感測器之視場中、以及在該反射鏡與該輻射感測器之間的一濾光鏡，該濾光鏡能夠只讓在一預定波長範圍內的輻射通過。
12. 如請求項11所述之醫學溫度計，其中該濾光鏡能夠只讓波長在約7.5微米至約13.5微米之間的輻射通過。
13. 一種醫學溫度計，其係包含：一弧形反射鏡，其有一頂點、一聚焦區、以及與該反射鏡在該頂點處相切之一基線；以及一輻射感測器，其具有在一偵測表面上之一中心點，該中心點係至少大約配置於該聚焦區處，以及該偵測表面的法線係定向成相對於該基線有一偵測角度，使得該感測器係組配成可偵測該反射鏡所反射的輻射。
14. 如請求項13所述之醫學溫度計，其中該偵測角度為一銳角。
15. 如請求項13所述之醫學溫度計，其中該反射鏡係至少近 似於拋物線狀。
16. 如請求項15所述之醫學溫度計，其中該反射鏡的形狀為方程式y=ax²+bx+c所定義的拋物線，在此a不等於0，以及更在其中該聚焦區為一焦點，以及該拋物線形狀包含一對稱軸線以及與該反射鏡之頂點重合的一拋物線頂點。
17. 如請求項16所述之醫學溫度計，其中a約在0.01至2.0之間，以及b約在-0.2至2.0之間。
18. 如請求項13所述之醫學溫度計，其中該偵測角度在30°至35°之間。
19. 如請求項13所述之醫學溫度計，其更包括一輻射入口，使得該反射鏡被組配成可使穿經該輻射入口、以及方向被調整到不在一輻射角度範圍(以該對稱軸線為中心)之間的輻射反射離開該輻射感測器。
20. 如請求項16所述之醫學溫度計，其中a約在0.07至0.09之間，以及b約在-0.02至-0.01之間。
21. 如請求項20所述之醫學溫度計，其中該偵測角度約在31°至32°之間。
22. 如請求項21所述之醫學溫度計，其更包括一輻射入口，使得該反射鏡被組配成可使穿經該輻射入口、以及方向被調整到不在一輻射角度範圍(以該對稱軸線為中心)之間的輻射反射離開該輻射感測器。
23. 如請求項22所述之醫學溫度計，其中以該對稱軸線為中心的該輻射定向角度範圍約在-5°至5°之間。
24. 如請求項13所述之醫學溫度計，其更包含位於該輻射感測器之視場中、以及在該反射鏡與該輻射感測器之間的一濾光鏡，該濾光鏡能夠只讓在一預定波長範圍內的輻射通過。
25. 如請求項24所述之醫學溫度計，其中該濾光鏡能夠只讓波長在約7.5微米至約13.5微米之間的輻射通過。
26. 一種醫學溫度計，其係包含：一拋物線反射鏡，其由方程式y=ax²+bx+c所定義，在此a約在0.07至0.09之間，b約在-0.02至-0.01之間，該拋物線反射鏡有一對稱軸線、一頂點、與該反射鏡在該頂點處相切的一基線、以及一焦點；以及一輻射感測器，其具有在一偵測表面上之一中心點，該中心點係配置於該焦點處，以及該偵測表面的法線經定向成與該基線呈30°至33°之間，使得該感測器係組配成可偵測該反射鏡所反射的輻射。
27. 如請求項26所述之醫學溫度計，其更包括一輻射入口，使得該反射鏡被組配成可使穿經該輻射入口、以及方向被調整到不在大約-5°至5°(以該對稱軸線為中心)之間的輻射反射離開該輻射感測器。
28. 一種使用醫學溫度計的方法，該醫學溫度計包含一具有輻射入口的殼體、有一軸線並配置於該殼體中的一反射鏡、以及一輻射感測器，該方法係包含下列步驟：相對於一目標，配置該溫度計；以及使該輻射入口指向該目標， 其中藉由該反射鏡來使穿經該輻射入口、以及方向被調整到一輻射角度範圍(以該軸線為中心)之外的輻射反射離開該輻射感測器。
29. 如請求項28所述之方法，其中該反射鏡具有按照方程式y=ax²+bx+c所定義的一拋物線形狀，在此a不等於0，該拋物線形狀有一焦點、一頂點、以及與該反射鏡之軸線共線的一對稱軸線。
30. 如請求項29所述之方法，其中a約在0.07至0.09之間，以及b約在-0.02至-0.01之間。
31. 如請求項28所述之方法，其中該輻射感測器包含有一中心點在其上的一偵測表面，以及其中該中心點大約配置於該焦點處。
32. 如請求項28所述之方法，其中以該軸線為中心的該輻射角度範圍約在-5°至5°之間。