具有改进的光学系统的医用温度计的制作方法
【专利说明】
[0001] 相关申请的交叉引用
[0002] 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
[0003] 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】
[0004] 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。对于〇°C和KKTC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。
[0005] 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。
[0006] 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。
[0007] 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。
[0008] 热通量Φ为两个温度一一感应元件表面温度TJP对象表面温度T b (以开尔文温 度测量）一一的函数。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：
[0010] 其中，ε b、ε s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。
[0011] 在对象的真实温度Tb与传感器的温度T s的差相对小时，方程式（1)可近似为：
[0013] 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
[0015] 理想情况下，算出的温度Tb。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 Tb。，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、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eb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。
[0016] 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：
[0018] 该偏微分表示由对象的发射率eb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T 3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T b。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！^与T b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。
[0019] 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。
[0020] 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。
[0021] 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】
[0022] 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】
[0023] 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：
[0024] 图1为根据本发明的实施例的红外温度计的截面图；
[0025] 图2为根据本发明的实施例的红外温度计的截面图；
[0026] 图3为根据本发明的实施例的红外温度计的截面图；
[0027] 图4为根据本发明的实施例的红外温度计的截面图；
[0028] 图5为根据本发明的实施例的红外温度计的截面图；
[0029] 图6为根据本发明的实施例的红外温度计的截面图；以及
[0030] 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】
[0031] 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。
[0032] 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I. 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。
[0033] 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