TWI676052B - 遠紅外線照射器 - Google Patents
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Abstract
一種遠紅外線照射器，包含至少一遠紅外線光源、一濾波單元及一擴束單元；遠紅外線光源結合濾波單元與擴束單元以輸出具有特定波長範圍且有較大照射面積範圍的光源。
Description
本發明有關於一種遠紅外線照射器，尤指一種配合濾波及擴束設計，可產生低熱能且高光功率密度的遠紅外線，且可均勻擴散至所需面積之遠紅外線照射器。
紅外線即是波長介於微波與可見光之間的電磁波，其波長之波段介於760奈米(nm)至1釐米(mm)之間，為波長比紅光長的非可見光。在室溫下，物體所發出的熱輻射大多位於此波段，可應用於工業、軍事、科學及醫學等等，例如，熱成像裝置可以檢測產生熱源的物體之溫度分佈，並作紅外線強度分析加以熱成像顯示。
由於近年環保意識逐漸提升，在環境方面的檢測，例如，氣體偵測、水質汙染等，也常用紅外線譜儀對汙染物質來做吸收量測。依波長範圍區分：近紅外線的波長範圍約0.7~2微米(μm)、中紅外線的波長範圍約3~5微米，而遠紅外線的波長主要是落在6~8微米以上的波段。現今有許多文獻指出，遠紅外線之醫療儀器釋放的遠紅外線對於生物體產生效應，可達到促進血液循環、改善新陳代謝、促使組織生長再生等作用。
就照護醫療使用的習知遠紅外線照射器而言，作用在於使用過後可使身體達到消除疲勞、改善血液循環及緩和肌肉痠痛等功效，其紅外線大多是利用近紅外線到遠紅外線波長製作，存在高溫及高功率消耗的問題。照射遠紅外線的升溫效應主要是因為光源的近紅外線與中紅外線造成。然而，在將遠紅外線照射器作為照護醫療使用時，理想的照護光源應為純遠紅外線，而一般利用黑體輻射所產生的紅外線皆非純遠紅外線，必須再經濾波除掉短波長紅外線。
其次，習知遠紅外線照射器在使用上雖擁有較大的照射範圍，但相對體積龐大，須損耗較多能源，且使用者可能無法隨意移動。此外，習知遠紅外線照射儀常採加熱較大體積陶瓷板或碳纖維材料方式，耗能且產生高溫，長時間照射易生不適並有燙傷危險，而若只作用在局部部位時，則易造成照射區域的浪費。此外，因用以濾除部分遠紅外線波長的遠紅外線的濾波片較為昂貴，為節省成本，希望使用較小面積的遠紅外線光源經過遠紅外線光濾波器，再將輸出的光擴束以照射較大的面積。而採用較小面積遠紅外線光源，也可以節省耗能。
據此，如何能有一種可產生低耗能且高光功率密度的遠紅外線，且可均勻擴散至所需面積之『遠紅外線照射器』，是相關技術領域人士亟待解決之課題。
於一實施例中，本發明提出一種遠紅外線照射器，包含： 至少一遠紅外線光源，用以產生一第一遠紅外線光束； 一濾波單元，設置於第一遠紅外線光束之路徑中，用以將第一遠紅外線光束之一波長範圍濾除並形成一第二遠紅外線光束；以及 一擴束單元，提供第二遠紅外線光束通過，並將第二遠紅外線光束擴大形成一第三遠紅外線光束。
請參閱圖1所示，本發明所提供之一種遠紅外線照射器10，包含一遠紅外線光源12、一濾波單元14及一擴束單元16。
遠紅外線光源12用以產生一第一遠紅外線光束L1。遠紅外線光源12為以加熱方式且可有效率產生遠紅外線的光源，例如加熱半導體晶片、陶瓷基板、線圈或燈絲、微機電晶片、碳纖維以及其他材料；也可以是遠紅外線發光二極體或遠紅外線雷射。遠紅外線光源12的種類不限，可依使用所需選擇適用之光源。
濾波單元14設置於第一遠紅外線光束L1之路徑中，用以將第一遠紅外線光束L1之一波長範圍濾除並形成一第二遠紅外線光束L2。濾波單元14之種類不限且可濾除的波長範圍不限，依實際所需設計，濾波單元14可濾除造成高溫之波段，可選擇濾出某一段波長或是濾除較短波長，例如可採用可濾除波長等於或小於6微米之遠紅外線光束之濾波器或濾波片。必須說明的是，本實施例設有一個遠紅外線光源12，除此之外，亦可設置複數個遠紅外線光源12，每一遠紅外線光源12皆可產生一遠紅外光束，並匯集成第一遠紅外線光束L1，而後通過濾波單元14。
擴束單元16提供第二遠紅外線光束L2通過，並將第二遠紅外線光束L2擴大形成一第三遠紅外線光束L3，第三遠紅外線光束L3的照射面積A3大於第二遠紅外線光束L2的照射面積A2，依擴束單元16與欲照射的標的物(圖中未示出)的距離不同，照射面積A3也會不同。例如，當標的物距離擴束單元16較遠時，可形成一比照射面積A3更大的照射面積A31，反之，若標的物距離擴束單元16較近時，所形成的照射面積則比照射面積A3小。
此外，圖1顯示於遠紅外線光源12與濾波單元14之間可設置一隔熱單元18，用以隔絕遠紅外線光源12與照射標的物間的熱傳導；然而，視遠紅外線光源12本身的封裝及因電性引起之熱能而定，隔熱單元18非必要元件。
請參閱圖2所示，本發明所提供之一種遠紅外線照射器20，包含一遠紅外線光源22、一濾波單元24及一擴束單元26。遠紅外線光源22產生一第一遠紅外線光束L1；濾波單元24用以將第一遠紅外線光束L1之一波長範圍濾除並形成一第二遠紅外線光束L2。於本實施例中，擴束單元26為一穿透式透鏡，當第二遠紅外線光束L2射向穿透式透鏡型態之擴束單元26後，可被擴大照射面積而形成第三遠紅外線光束L3，第三遠紅外線光束L3的照射面積A3大於第二遠紅外線光束L2的照射面積A2。可依所需之照射範圍調整更換穿透式透鏡型態之擴束單元26之規格。
請參閱圖3所示，本發明所提供之一種遠紅外線照射器30，包含一遠紅外線光源32、一濾波單元34及一擴束單元36。遠紅外線光源32產生一第一遠紅外線光束L1；濾波單元34用以將第一遠紅外線光束L1之一波長範圍濾除並形成一第二遠紅外線光束L2。擴束單元36用以將第二遠紅外線光束L2擴大形成一第三遠紅外線光束L3。
於本實施例中，擴束單元36為一反射結構，其包括反射主體361及反射部362，反射主體361具有一光入口3611與一光出口3612，反射部362設置於反射主體361內，於本實施例中，反射部362為反射主體361之內壁，反射部362具有反射性質。第二遠紅外線光束L2由光入口3611射入反射主體361內並射向反射部362後，被反射由光出口3612射出反射主體361並擴大形成第三遠紅外線光束L3，第三遠紅外線光束L3的照射面積A3大於第二遠紅外線光束L2的照射面積A2。可於反射部362設有具有反射性質之鍍膜，以加強第二遠紅外線光束L2的反射性。此外，經由光學設計模擬計算之角度使其產生所需的均勻照射範圍，並可依所需照射範圍調整擴束單元36之大小。
請參閱圖4所示，本發明所提供之一種遠紅外線照射器40，包含一遠紅外線光源42、一濾波單元44及一擴束單元46。遠紅外線光源42產生一第一遠紅外線光束L1；濾波單元44用以將第一遠紅外線光束L1之一波長範圍濾除並形成一第二遠紅外線光束L2。擴束單元46用以將第二遠紅外線光束L2擴大形成一第三遠紅外線光束L3。
於本實施例中，擴束單元46為一反射結構，其包括散射主體461以及一散射部462，散射部462設置於散射主體461，散射部462具有微結構，於本實施例中，散射部462設置於散射主體461之一面。第二遠紅外線光束L2射向散射部462後，藉由微結構將第二遠紅外線光束L2散射並擴大形成第三遠紅外線光束L3，第三遠紅外線光束L3的照射面積A3大於第二遠紅外線光束L2的照射面積A2。此外，配合光學模擬設計可調整遠紅外線光源42、濾波單元44或擴束單元46之散射光路之角度，使其均勻散射至所需的照射範圍。
請參閱圖5及圖6所示，本發明所提供之一種遠紅外線照射器50，包含複數個遠紅外線光源52、一濾波單元54及一擴束單元56。遠紅外線光源52產生一第一遠紅外線光束L1；濾波單元54用以將第一遠紅外線光束L1之一波長範圍濾除並形成一第二遠紅外線光束L2。擴束單元56用以將第二遠紅外線光束L2擴大形成一第三遠紅外線光束L3。
遠紅外線光源52的數量不限於圖5所示三個，亦可設置一個、二個或多於三個。於本實施例中，擴束單元56為一多重反射結構，由一全反射主體561與一部分反射主體562構成。全反射主體561具有一全反射面5611。部分反射主體562具有一部分反射面5621，全反射面5611與該部分反射面5621相互朝向設置。該部分反射主體562具有孔狀微結構563，孔狀微結構563由複數列沿著一第一方向F1並列且貫穿該部分反射主體562之通孔563A~563F構成。各列通孔563A~563F之孔徑沿著一第二方向F2漸大，第二方向F2與第一方向F1相互垂直。通孔563A~563F的形狀不限於圖示圓形，可為圓形、橢圓形、多邊形、不規則形的任意組合。
遠紅外線光源52的數量不限於圖5所示三個，亦可設置一個、二個或多於三個，而設置方式也不限於圖示沿著一第一方向F1並列之方式。第一遠紅外線光束L1(或第二遠紅外線光束L2)與該部分反射面5621之間具有一夾角θ，夾角θ的角度不限，例如，可介於0~90度之範圍；反之，亦可將遠紅外線光源52朝向全反射面5611設置，使第一遠紅外線光束L1與全反射面5611具有夾角θ。第一遠紅外線光束L1的行進方向於該部分反射面5621(或該全反射面5611)之投影大致垂直於該第一方向F1。
第二遠紅外線光束L2射向該部分反射面5621後，其中一部分第二遠紅外線光束L2可於全反射面5611與該部分反射面5621之間形成多次反射，而於反射的過程中，另一部分的第二遠紅外線光束L2則通過該部分反射主體562之孔狀微結構563之通孔563A~563F射出而成為第三遠紅外線光束L3。第二遠紅外線光束L2於全反射面5611與該部分反射面5621之間多次反射之過程中會逐漸減弱，但由於通孔563A~563F具有孔徑漸大之特性，因此可形成一照射面積A3大且均勻分布之第三遠紅外線光束L3。
圖2至圖5所示實施例顯示本案的擴束單元具有不同的設計態樣，然其目的相同，都是在於擴大第二遠紅外線光束的照射面積。例如，欲達到體積輕巧、攜帶方便之目的而使用晶片形態的遠紅外線光源時，其產生的紅外線光束照射面積一般在5平方公釐(mm
2) 以下，因此藉由擴束單元將紅外線光束擴大至所需之面積，例如，3公分x5公分，同時可產生高均勻度之光場。本案之擴束單元(例如圖1至圖5之擴束單元16、26、36、46、56)與濾波單元(例如圖1至圖5之濾波單元14、24、34、44、54)可整合成一個單元，同時提供擴束與濾波功能。此外，就圖5實施例而言，可將濾波單元54設置為濾波片，並將濾波片結合於該部分反射主體562，使該部分反射主體562具有濾波作用。
綜上所述，本發明所提供之遠紅外線照射器，配合濾波鏡及擴束光路設計，可產生低熱能且高光功率密度的遠紅外線，可降低電功率的損耗，具特定波長且體積小、可將遠紅外線均勻擴散至所需面積(例如3公分x5公分)等優點，且可應用於近距離照射(小於10公分)之裝置而不致對皮膚造成傷害，適於各產業技術領域的應用或發展為低功耗且低溫光源之穿戴式或可攜式裝置，例如，具遠紅外線與微波感測器的穿載式醫療模組，可應用於洗腎瘻管之照護。
雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。
10、20、30、40、50‧‧‧遠紅外線照射器
12、22、32、42、52‧‧‧遠紅外線光源
14、24、34、44、54‧‧‧濾波單元
16、26、36、46、56‧‧‧擴束單元
18‧‧‧隔熱單元
361‧‧‧反射主體
3611‧‧‧光入口
3612‧‧‧光出口
362‧‧‧反射部
461‧‧‧散射主體
462‧‧‧散射部
561‧‧‧全反射主體
5611‧‧‧全反射面
562‧‧‧部分反射主體
5621‧‧‧部分反射面
563‧‧‧孔狀微結構
563A~563F‧‧‧通孔
A2、A3、A31‧‧‧照射面積
F1‧‧‧第一方向
L1‧‧‧第一遠紅外線光束
L2‧‧‧第二遠紅外線光束
L3‧‧‧第三遠紅外線光束
θ‧‧‧夾角
圖1為本發明之架構示意圖。 圖2為圖1之一具體實施例之結構示意圖。 圖3為圖1另一具體實施例之結構示意圖。 圖4為圖1又一具體實施例之結構示意圖。 圖5為圖1再一具體實施例之結構示意圖。 圖6為圖5實施例之孔狀微結構之實施例示意圖。
無
Claims (10)
- 一種遠紅外線照射器，包含：至少一遠紅外線光源，用以產生一第一遠紅外線光束；一濾波單元，設置於該第一遠紅外線光束之路徑中，用以將該第一遠紅外線光束之一波長範圍濾除並形成一第二遠紅外線光束；以及一擴束單元，提供該第二遠紅外線光束通過，並將該第二遠紅外線光束擴大形成一第三遠紅外線光束，該擴束單元為一反射結構，其包括：一反射主體，具有一光入口與一光出口；以及一反射部，設置於該反射主體內，該反射部具有反射性質，該第二遠紅外線光束由該光入口射入該反射主體內並射向該反射部後，被反射由該光出口射出該反射主體並擴大形成該第三遠紅外線光束。
- 如申請專利範圍第1項所述之遠紅外線照射器，其中該至少一遠紅外線光源為以加熱方式可產生遠紅外線的材料而產生，例如加熱半導體晶片、陶瓷基板、線圈或燈絲、微機電晶片、碳纖維；或為遠紅外線發光二極體或遠紅外線雷射。
- 如申請專利範圍第1項所述之遠紅外線照射器，其中該濾波單元為濾除波長等於或小於6微米之遠紅外線光束之濾波器或濾波片。
- 如申請專利範圍第1項所述之遠紅外線照射器，其中該反射部設有具有反射性質之鍍膜。
- 如申請專利範圍第1項所述之遠紅外線照射器，其中該擴束單元為一多重反射結構，其包括：一全反射主體，其具有一全反射面；以及一部分反射主體，其具有一部分反射面，該主反射面與該部分反射面相互朝向設置，該部分反射主體具有孔狀微結構，該第二遠紅外線光束射向該多重反射結構後，其中一部分該第二遠紅外線光束被該部分反射主體反射至該全反射主體，另外一部分該第二遠紅外線光束則透過該孔狀微結構而射出成為該第三遠紅外線光束。
- 如申請專利範圍第5項所述之遠紅外線照射器，其中該第一遠紅外線光束與該部分反射面或該全反射面之間具有一夾角，該夾角的角度介於0~90度之範圍。
- 如申請專利範圍第5項所述之遠紅外線照射器，其中該孔狀微結構由複數列沿著一第一方向並列且貫穿該部分反射主體之通孔構成，該複數列通孔之孔徑沿著一第二方向漸大，該第二方向與該第一方向相互垂直。
- 如申請專利範圍第7項所述之遠紅外線照射器，其中該第一遠紅外線光束的行進方向於該部分反射面或該全反射面之投影大致垂直於該第一方向。
- 如申請專利範圍第1項所述之遠紅外線照射器，其中該至少一遠紅外線光源與該濾波單元之間設有一隔熱單元，用以隔絕該至少一遠紅外線光源與該濾波單元間的熱傳導。
- 如申請專利範圍第1項所述之遠紅外線照射器，其中該擴束單元與該濾波單元整合成一個單元，同時提供擴束與濾波功能。
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