DE69418790T2

DE69418790T2 - Optische anordnung für infrarot-thermometer

Info

Publication number: DE69418790T2
Application number: DE69418790T
Authority: DE
Inventors: Jacob Fraden
Original assignee: Thermoscan Inc
Current assignee: Kaz USA Inc
Priority date: 1993-03-08
Filing date: 1994-03-04
Publication date: 2000-01-27
Anticipated expiration: 2014-03-05
Also published as: US5368038A; ES2134935T3; ATE180643T1; CA2134234A1; JPH07507395A; DE69418790D1; WO1994020023A1; EP0639063A1; DK0639063T3; EP0639063B1; EP0639063A4

Description

UMFELD DER ERFINDUNG

1. Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf medizinische Trommelfell-Infrarotthermometer und betrifft insbesondere ein derartiges, mit einem Lichtleiter arbeitendes Thermometer.

2. Beschreibung des Standes der Technik

Die Erfassung von Infrarotstrahlung zur Temperaturmessung kann mittels eines von vielen im Stand der Technik bekannten Sensoren, z. B. Thermosäulen, pyroelektrischen Geräten, Bolometern und aktiven Infrarotsensoren, erfolgen. Ein Infrarotsensor erzeugt ein zwei Temperaturen angebendes elektrisches Signal. Eine ist die Oberflächentemperatur Ts des Sensors, die andere die Objekt- oder Gegenstandstemperatur Tb. Die Relation zwischen diesen Temperaturen und das Ansprechverhalten des Sensors folgen dem Stefan-Boltzmann-Gesetz:
V = k&epsi;b&epsi;s(Tb&sup4; - Ts&sup4;), (1)
wobei V das Ausgangssignal des Sensors ist, &epsi;b und &epsi;s das Emissionsvermögen des Objekts bzw. des Sensors und k eine Konstante.
Das Ziel einer berührungslosen Temperaturmessung, etwa mittels eines optischen Infrarotthermometers, besteht letzten Endes in der Bestimmung der Objekttemperatur Tb. Wie aus Gleichung (1) hervorgeht, sind zur Berechnung von Tb zunächst zwei Werte zu bestimmen, nämlich der Meßwert V des Infrarotsensors und die Oberflächentemperatur Ts des Sensors.
Der Ausdruck "Oberflächentemperatur" bedeutet eine Oberflächentemperatur eines innerhalb des Sensorgehäuses angeordneten Sensorelements.
Die Oberflächentemperatur des Sensors läßt sich nicht leicht gewinnen. Ein Infrarotsensor mit guter Ansprechgeschwindigkeit wird gewöhnlich in Form eines dünnen Plättchens oder einer Membran hergestellt. Die Oberflächentemperatur ist nicht nur schwierig zu messen, sondern ändert sich auch mit dem Einfluß seitens eines Objekts. Eine ungenaue Bestimmung der Oberflächentemperatur Ts eines Sensors resultiert in einer fehlerhaften Temperaturmessung.
Um dieses Problem zu überwinden, wurde eine alternative Methode zur Messung der Temperatur Tb entwickelt. Statt der Messung der Oberflächentemperatur Ts wird eine Temperatur Ta eines Bezugsobjekts verwendet. Gewöhnlich läßt sich die Messung von Ta mit besserer Genauigkeit durchführen. Daher modifiziert sich Gleichung (1) in
V = k&epsi;b&epsi;s(Tb&sup4; - Ta&sup4;),
Bei einigen Erfindungen, etwa bei der in dem US-Patent 4,005,605 (Michael) beschriebenen, handelt es sich bei dem Bezugsobjekt um einen Hohlraum innerhalb des Thermometers. Gemäß dem US-Patent 4,797,840 (Fraden) dient als Bezugsobjekt ein schnell beweglicher Verschluß, der das Gesichtsfeld des Sensors vor der Messung verdunkelt.
In jedem Fall muß die Temperatur Ta eines Bezugsobjekts mit hoher Genauigkeit gemessen werden, bevor sie in die Gleichung (2) zur Berechnung von Tb eingesetzt werden kann. Da die Gleichung die Messung zweier unabhängiger Variabler, nämlich V und Ta, erfordert, benötigt ein Infrarotthermometer mindestens zwei Sensoren. Einer davon wird als Infrarotsensor bezeichnet. Dieser erzeugt ein die Größe der Wärme(Infrarot)-Strahlung angebendes elektrisches Signal V. Der andere Sensor, der häufig als "Umgebungssensor" bezeichnet wird, erzeugt ein die Temperatur Ta eines Bezugsobjekts angebendes Signal, wobei das Bezugsobjekt zahlreiche Formen und Bauarten haben kann.
Bei vielen Infrarotthermometern und Pyrometern wird Wärmestrahlung mittels eines als Thermosäule bezeichneten thermoelektrischen Geräts gemessen. In dem oben erwähnten US-Patent 4,797,840 (Fraden) wird für diesen Zweck ein pyroelektrischer Detektor in Kombination mit einem mechanischen Verschluß verwendet.
Zur Messung des Signals V muß ein definiertes und ungestörtes Volumen an Wärmestrahlung auf den Infrarotsensor treffen. Die Strahlung liegt dabei in erster Linie im fernen Infrarot(IR)-Spektralbereich. Dabei muß die Strahlung dem Sensor mittels eines optischen Systems zugeleitet werden, das an diesen speziellen Bereich angepaßt ist.
Die vorliegende Erfindung befaßt sich mit einem Element im Weg des optischen Systems, das Infrarotstrahlung zwischen dem Aufnahmeteil des Thermometers und dem Sensorsystem innerhalb des eigentlichen Thermometers weiterleitet.
Bei einem typischen medizinischen Infraotthermometer, das Infrarotstrahlung vom Trommelfell und vom umgebenden Gewebe innerhalb des menschlichen Ohrs aufnimmt, wird die Strahlung mittels eines Wellenleiters weitergeleitet, bei dem es sich um ein Hohlrohr mit hoch-reflektierender Innenfläche handelt, wie es in dem US-Patent 4,797,840 (Fraden) beschrieben ist. Die Verwendung des reflektierenden Rohrs ermöglicht die Herstellung einer in den Gehörgang einführbaren Sonde, wobei der Infrarotsensor sowie weitere wesentliche Bestandteile, etwa das Bezugsobjekt, außerhalb des Körpers des Patienten gehalten werden.
Ein reflektierendes Wellenleiterrohr arbeitet wie ein verspiegelter Kanal, in dem Lichtstrahlen von entgegengesetzten Rohrwänden zurückgelenkt werden und dabei von einem Ende des Rohrs zum anderen fortschreiten.
Für den Betrieb im Infrarotbereich wird die verspiegelte Fläche durch Polieren des Rohrinnern und Auftragen einer dünnen Schicht aus Gold hergestellt, da Gold ein hervorragender Reflektor in diesem Spektralbereich ist.
Zum Weiterleiten von IR-Strahlung an den Sensor bei nicht-medizinischen Anwendungen, bei denen das Objekt nicht so begrenzt ist, lehrt der Stand der Technik die Verwendung von reflektierenden Brennspiegeln; vgl. das US-Patent 4,005,605 (Michael), oder von Linsen, vgl. das US-Patent 3,586,439 (Treharne), oder die britische Patentanmeldung 2 119 925 (Irani et al.).
Zur Temperaturmessung bei Mensch und Tier läßt sich ein Infrarotsensor nicht unmittelbar am Ende der Sonde anordnen. Da die Sonde in den Gehörgang eingeführt werden soll, hat sie sehr kleine Abmessungen. Bei derartigen Thermometern werden derzeit fast ausschließlich Hohlrohr-Wellenleiter verwendet.
Die Verwendung von Hohlleitern ist mit mehreren möglichen Problemen verbunden. Zu diesen gehören die Oberflächenverunreinigung, die in einem Verlust an Reflexionsvermögen resultiert, ein geringes aber endliches Emissionsvermögen der reflektierenden Fläche, das zu Streuemissionen führt, ein begrenzter Gesichtswinkel sowie erhebliche Signalverluste bei langen Wellenleitern mit geringen Durchmessern.
Ein Versuch, einige der obigen Probleme zu überwinden, findet sich in dem US-Patent 5,167,235 (Seacord), wonach Infrarotstrahlung über ein optisches Faserbündel einem Thermosäulen-Sensor zugeführt wird. Ein Nachteil dieser Lösung besteht darin, daß optische Fasern, die im fernen Infrarot-Spektralbereich arbeiten, teuer sind und keine Steuerung des Gesichtsfeldes der optischen Sonde gestatten. Daher ist der Einsatz von optischen Faserbündeln erheblich beschränkt.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Es soll daher ein medizinisches Trommelfell-Infrarotthermometer mit verbesserter Wellenleiter-Eingabe geschaffen werden, bei dem die mit Hohlleitern verbundenen Probleme reduziert oder beseitigt sind.
Ferner soll ein optischer Wellenleiter für medizinische Trommelfell-Infrarotthermometer geschaffen werden.
Ferner soll ein optischer Wellenleiter geschaffen werden, dessen Gesichtsfeld von der Form des Wellenleiters bestimmt wird.
Die vorliegende Erfindung vermittelt ein medizinisches Infrarotthermometer zum Messen der Temperatur bei Mensch und Tier durch Aufnehmen von Infrarotstrahlung vom Trommelfell und vom umgebenden Gewebe innerhalb des Ohres, wobei das Thermometer ein Gehäuse, eine daran vorgesehene Sonde zum Einführen in den Gehörgang, einen in dem Gehäuse untergebrachten Sensor, der auf Infrarotstrahlung anspricht und ein entsprechendes Signal erzeugt, sowie eine an dem Gehäuse angebrachte und auf den Sensor optisch ausgerichtete Wellenleitereinrichtung umfaßt, die von der Sonde in dem Ohr, dessen Temperatur gemessen werden soll, aufgenommene Infrarotstrahlung auf einen Weg in Richtung des Sensors richtet, damit sie von diesem empfangen wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenleitereinrichtung einen mit Brechung arbeitenden Wellenleiter in Form eines massiven Stabes umfaßt, der aus einem Medium mit höherem Brechungsindex als die unmittelbare Umgebung des Wellenleiters gebildet ist, so daß der Wellenleiter Infrarotstrahlung durch innere Totalreflexion innerhalb des Mediums über seine Länge zu transmittieren vermag.
Der Brechungs-Wellenleiter hat vorzugsweise einen einzelnen Kern und bildet einen sequentiellen optischen Teil des Weges.
Bei Bedarf kann der Stab gekrümmt sein, um Strahlung einem gewünschten Bereich im Hauptteil des Thermometers zuzuleiten.
Das vordere und/oder das hintere Ende des mit Brechung arbeitenden Wellenleiters kann ein konkaves oder konvexes Profil haben, um die Eintritts- und Austrittswinkel zu steuern und damit ein Infrarotthermometer mit vorgegebenen Gesichtsfeld zu schaffen. Der Brechungs-Wellenleiter kann im Querschnitt kreisförmig, quadratisch oder in sonstiger beliebiger Weise gestaltet sein, wie es zur Zuführung von Infrarotstrahlung an den Sensor geeignet ist.
Ferner können Brechungs- und rohrförmige oder reflektierende Wellenleiter zu einem einheitlichen optischen System kombiniert werden, um das Gesichtsfeld in gewünschter Weise zu gestalten oder eine besseres Ankopplung an den Infrarot-Sensorteil des Thermometers zu erhalten.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Zum besseren Verständnis der Erfindung wird diese im folgenden beispielhaft anhand der beigefügten Zeichnungen erläutert; darin zeigen
Fig. 1 eine perspektivische Darstellung eines medizinischen Infrarotthermometers, dessen Sonde in einen Gehörgang eingeführt ist;
Fig. 2 eine schematische Darstellung eines medizinischen Infrarotthermometers mit einem pyroelektrischen Sensor gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
Fig. 3 eine schematische Darstellung eines optischen Systems mit einem gekrümmten, mit Brechung arbeitenden Wellenleiters gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
Fig. 4 einen Teilschnitt durch ein einteiliges optisches System gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, das einen mit Brechung und einen mit Reflexion arbeitenden Wellenleiter zur Zuführung von Infrarotstrahlung an einen Sensor aufweist;
Fig. 5 einen Schnitt durch einen mit Brechung arbeitenden Wellenleiter mit einem konvex gekrümmten Ende gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
Fig. 6 einen Schnitt durch einen mit Brechung arbeitenden Wellenleiter mit einem ebenen Ende gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
Fig. 7 einen Schnitt durch einen Wellenleiter mit ebenem Ende zur Signalbündelung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
Fig. 8 einen Schnitt durch einen Wellenleiter mit konvexem Ende zur Signalbündelung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
Fig. 9 eine perspektivische Darstellung eines anders gestalteten, mit Brechung arbeitenden Wellenleiters gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
Fig. 10 einen Teilschnitt durch ein einheitliches optisches System, das einen mit Brechung und einen mit Reflexion arbeitenden Wellenleiter aufweist.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE

Vor einer detaillierten Erläuterung der Erfindung wird darauf hingewiesen, daß sich die Erfindung in ihrer Anwendung nicht auf die in den Zeichnungen dargestellten Einzelheiten der Konstruktion und Anordnung von Teilen bezieht, sondern auch andere Ausführungen zuläßt und sich auf verschiedene Art in die Praxis umsetzen läßt. Ferner wird darauf hingewiesen, daß die hier verwendete Ausdrucksweise oder Terminologie nur für die Zwecke der Beschreibung, nicht aber zur Beschränkung verwendet wird.
Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung anhand eines medizinischen Infrarotthermometers mit einem pyroelektrischen Sensor ähnlich dem in dem US-Patent 4,797,840 (Fraden) offenbarten Thermometers beschrieben.
Bei dem in Fig. 1 gezeigten medizinischen Inftarotthermometer 20 handelt es sich um eine in sich abgeschlossene batteriegespeiste Einheit mit einer Sonde 68, die so ausgelegt ist, daß sie sich in einen Gehörgang 26 bis kurz vor dem Trommelfell 34 einführen läßt.
Das Gehäuse des Thermometers 20 ist so gestaltet, daß es sich bequem handhaben läßt. Es weist einen Betätigungsknopf 70 auf, der beim Niederdrücken das Gerät zur Aufnahme eines Meßwerts der Infrarotstrahlung innerhalb des Gehörgangs startet.
Die Sonde 68 vorne am Thermometer ist in Übereinstimmung mit dem Profil eines menschlichen Gehörgangs gestaltet und bemessen. Vor Einführung in den Gehörgang wird die Sonde 68 mit einem Sonden-Schutzüberzug 28 versehen, der aus für Licht in den nahen und fernen Infrarot-Spektralbereichen im wesentlichen durchlässigen dünnen Polymermaterial hergestellt ist.
Der vordere Teil der Sonde hat die Aufgabe, Infrarotlicht vom Trommelfell und vom umgebenden Gewebe aufzunehmen. Der Infrarotsensor ist vom Ende der Sonde entfernt im Innern des Gehäuses 22 des Thermometers 20 angeordnet.
Gemäß Fig. 2 sind das vordere Ende 30 der Sonde 68 und der Infrarotsensor 30 über einen mit Brechung arbeitenden Wellenleiter 42 in Form eines Stabes 32 optisch gekoppelt. Der Stab 32 besteht aus kristallinem oder amorphem Material mit geringem Absorptionskoeffizient bei der interessierenden Wellenlänge und einem Brechungsindex größer als 1, was genügend hoch ist, um innere Totalreflexionen längs des Stabes zu bewirken. Ein Beispiel eines derartigen Materials besteht in AMTIR-1, bei dem es sich um ein von der Firma Amorphous Materials, Inc. hergestelltes Spezialglas handelt. Dieses Material hat einen Brechungsindex und eine für Licht von Wellenlängen zwischen etwa 2 und 14 um extrem niedrige Absorption.
Der Infrarotstrahl (IR) 50, der am vorderen Ende 30 des Stabes 32 aus AMTIR-1 unter praktisch jedem beliebigen Winkel eintritt, wird innerhalb des Stabes an der Innenwand 46 erfolgreich total reflektiert und schreitet dabei längs des Stabes mit vernachlässigbaren Verlusten fort.
Ein mit dem Stab 32 in inniger Berührung stehender Halter 36 muß an den Berührungsstellen mit dem Stab einen kleineren Brechungsindex haben als der Stab selbst, weil sonst der Stab an diesen Stellen sein inneres Reflexionsvermögen verliert.
Der Halter 36 ist an einer thermischen Masse 66 angebracht, die so ausgelegt ist, daß sie die Temperatur eines Verschlusses 38 und eines Umgebungssensors 44 vergleichmäßigt. Die thermische Masse hat außerdem die Aufgabe, die Temperatur des Infrarotsensors 40 zu stabilisieren.
Die Stellung des Verschlusses 38 wird von einem Mechanismus 48 gesteuert, der von dem Betätigungsknopf 70 (Fig. 1) ausgelöst wird.
Die den Stab 32 und den Halter 36 umfassende optische Anordnung befindet sich innerhalb eines länglichen Metallspiegels 24, der die Außenfläche der Sonde 68 bildet. Das dünne vordere Ende 30 des Sondenüberzugs 28 ist für IR Strahlung im wesentlichen transparent.
Der Infrarotsensor 40 und der Umgebungssensor 44 sind an eine erste bzw. zweite Signalformierstufe 54, 56 angeschlossen, die ihrerseits mit einem Signalmultiplexer (MUX) 58 verbunden sind. Bei dem MUX 58 handelt es sich um eine Torschaltung, die dazu dient, einem Mikroprozessor 60 zu jedem Zeitpunkt jeweils eines der Signale der Formierstufen zuzuführen. Der Mikroprozessor 60 weist einen eingebauten Analog/Digital-Umsetzer und einen Treiber zur Steuerung einer Anzeige 64 auf, die die berechnete Temperatur des Gegenstands, etwa des Gehörgangs 26, anzeigt.
Das Thermometer mit dem mit Brechung arbeitenden Wellenleiter arbeitet folgendermaßen. Von dem Objekt-Gehörgang 26 durchsetzt der Infrarotstrahl 50 das vordere Ende 30 des Sondenüberzugs 28 und tritt in den Stab 32 ein. Aufgrund der Brechungseigenschaften des Stabs 32 ändert der IR-Strahl 50 seinen Winkel und gelangt längs des Stabes 32 an das hintere Ende 52 unter nur geringer Absorption. Die senkrecht auf das vordere Ende 30 auftreffenden Strahlen gelangen direkt an den Verschluß 38, während Strahlen, die am vorderen Ende 30 unter anderen Winkeln eintreten, an den Innenwänden des Stabes reflektiert werden. Beim Austreten aus dem Stab und Durchsetzen des hinteren Endes 52 werden die Strahlen in ihre ursprünglichen Winkel zurückgelenkt.
Solange der Verschluß 38 geschlossen ist, erreichen keine Strahlen den Sensor 40. Öffnet der Mechanismus 48 den Verschluß 38, so gelangen Infrarotstrahlen an den Sensor 40, der mit dem Ausgangssignal V anspricht. Dieses Signal wird von der ersten Signal- Formierstufe 54 verarbeitet und gelangt über den Multiplexer 58 an den Mikroprozessor 60. Der Mikroprozessor 60 setzt das Signal in Digitalform um. Zu einem speziellen Zeitpunkt vor oder nach Betätigung des Verschlusses wird ein Signal Ta von dem Umgebungssensor 44 über die zweite Signal-Formierstufe 56 dem Mikroprozessor 60 zugeführt. Nach Empfang beider Signale berechnet der Mikroprozessor 60 entsprechend einem auf der Gleichung (2) beruhenden Algorithmus die Größe Tb und sendet das Rechenergebnis an die Anzeige 64.
Die Verwendung eines mit Brechung arbeitenden Wellenleiters 42 anstelle des reflektierenden Hohlrohrs nach dem Stand der Technik hat den Vorteil, daß im Vergleich zu den Verlusten aus der Reflexion an Spiegelflächen die innere Totalreflexion äußerst verlustarm ist.
So beträgt beispielsweise der Reflexionskoeffizient eines goldbeschichteten Wellenleiterrohrs typischerweise 0,98, was nach beispielsweise 10 Reflexionen einem Transmissionskoeffizient von 0,82 entspricht. Demgegenüber hat ein mit Brechung arbeitender Wellenleiter eine innere Totalreflexion mit einem Wirkungsgrad von fast 100%, was auch nach praktisch beliebig vielen Reflexionen vernachlässigbare Verluste ergibt.
Ferner können Temperaturänderungen eines reflektierenden Wellenleiterrohrs Streustrahlung verursachen, die von dem Sensor wahrgenommen wird. Dies beruht darauf, daß das Emissionsvermögen von Gold, das 0,02 beträgt, mit Annäherung des Emissionswinkels an 90º zur Normalen viel höher wird. Streuemissionen von einem reflektierenden Wellenleiter ändern die Größe der Wärmestrahlung am Infrarotsensor und bewirken Meßfehler.
Demgegenüber weist ein mit Brechung arbeitender Stab mit geringer Absorption bei der interessierenden Wellenlänge ein äußerst geringes Emissionsvermögen auf, wodurch kein signifikanter Fehler eingeführt wird.
Brechungsmaterialien, die in den nahen und fernen Infrarot-Sprektralbereichen arbeiten, haben im allgemeinen hohe Brechungsindices, vorzugsweise über 2,0 und typischerweise bei 2,5 oder darüber. Dies resultiert in verhältnismäßig kleinen Totalreflexionswinkeln von typischerweise weniger als 23º. Ferner führen sie zu einem sehr weiten Eintrittswinkel an einer ebenen Fläche am vorderen Ende des mit Brechung arbeitenden Wellenleiterstabes. Der maximale Eintrittswinkel beträgt theoretisch 90º zur Normalen, ist aber in der Praxis etwas kleiner.
Leistungsfähige und kommerziell vertretbare Wellenleiter beliebiger Bauart, seien es solche mit Reflexion oder Brechung, müssen folgende Eigenschaften aufweisen: geringe Infrarotverluste, geringes Emissionsvermögen, Widerstandsfähigkeit gegen Verunreinigungen und chemische Stabilität. Ferner soll ein Wellenleiter nicht nur Wärmestrahlung an den Sensor leiten, sondern auch in der Lage sein, das Gesichtsfeld der Sonde zu steuern. Ferner muß der Wellenleiter billig und einfach herzustellen sein. Praktisch alle diese Forderungen lassen sich mit einem mit Brechung arbeitenden Wellenleiter gemäß der vorliegenden Erfindung, etwa mit dem in Fig. 2 gezeigten Wellenleiter, erfüllen.
Für die praktische Gestaltung kann es bei einigen Thermometern zweckmäßig sein, eine Weiterleitung der Infrarotstrahlen längs gekrümmter Bahnen zu ermöglichen. Für diesen Zweck zeigt Fig. 3 einen mit Brechung arbeitenden gekrümmten Stab 80. Aufgrund des hohen Brechungsindex kann der Stab mit relativ kleinen Radien gekrümmt sein, ohne die Vorteile der inneren Totalreflexion zu verlieren.
Bei einigen Anwendungen kann es zweckmäßig sein, gemäß Fig. 4 einen mit Brechung arbeitenden Wellenleiterstab 32 mit einem reflektierenden Wellenleiter 34 zu kombinieren. Bei diesem System tritt Licht an dem Stab 32 ein und schreitet in diesem mittels Totalreflexionen fort. Nach Austreten aus dem Stab 32 pflanzt es sich mittels Oberflächenreflexionen an der hoch-reflektierenden Fläche 76 des länglichen rohrförmigen reflektierenden Wellenleiters 74 in Richtung des Infrarotsensors 40 fort. Bei dem in Fig. 10 gezeigten einstückigen System sind mehrere parallele mit Brechung arbeitende Wellenleiterstäbe 62 mit einem reflektierenden Wellenleiter 74 optisch in Serie geschaltet.
Im Infrarotbereich hat ein mit Brechung arbeitender Stab einen ziemlich kleinen Totalreflexionswinkel, was in einem sehr großen Gesichtsfeld resultiert. Bei einigen Anwendungen kann ein engeres Gesichtsfeld erwünscht sein. Dies läßt sich dadurch erreichen, daß eines oder beide Enden des Stabes gemäß Fig. 5 mit einem konkaven Profil versehen wer den. Dies ergibt ein Gesichtsfeld 84, das enger ist als das in Fig. 6 gezeigte Gesichtsfeld 86 bei einem ebenen Stabende.
Ein optisches System gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung weist gewöhnlich einen mit Brechung arbeitenden Wellenleiter mit einem kleinen Verhältnis von Länge zu Durchmesser auf. Ein charakteristischer Wellenleiter in einem medizinischen Thermometer hat beispielsweise ein Verhältnis von Länge zu Breite zwischen 5 und 10. Im Rahmen der Erfindung kann der Wellenleiterstab jedoch auch ein größeres Verhältnis von Länge zu Durchmesser haben, beispielsweise 100 : 1 oder mehr. Dies ermöglicht ein Thermometer mit verlängerter Sonde, die in der Lage ist, in tiefe Hohlräume einzudringen.
Die Verwendung von Material mit hohem Brechungsindex für einen Wellenleiterstab resultiert, wie oben erörtert, in geringen Verlusten aufgrund innerer Reflexion. Allerdings ergeben sich an den Aus- und Eintrittsflächen des Stabes hohe Reflexionsverluste. Diese liegen typischerweise über 30% und können bei Stabmaterialien wie etwa Germanium und Silicium bis hinauf zu 55% betragen. Die Verwendung einer Antireflexionsbeschichtung (ARC), wie sie normalerweise bei Linsen verwendet wird, eignet sich gut bei mit Brechung arbeitenden Stäben der vorliegenden Erfindung zur Reduzierung von Ein- und Austrittsverlusten. Derartige Beschichtungen bestehen aus einem oder mehreren dünnen Materialien, die eine genauere Anpassung zwischen dem Brechungsmaterial und dem Medium außerhalb des Stabendes vermitteln. Die Wahl der Art der ARC-Beschichtung wird je nach der interessierenden Wellenlänge optimiert. Bei einem medizinischen Thermometer liegen die interessierenden Wellenlängen im allgemeinen zwischen 3 und 20 um.
Zur Erfassung von Infrarotstrahlung geringer Stärke wird die Eintrittsfläche des Stabes vergrößert, was eine größere Querschnittsfläche ergibt. In diesem Fall verjüngt sich der Stab gemäß Fig. 7 bei 90 mit allmählicher Verringerung über seine Länge, was ein kleineres Ende zur Übertragung auf den Sensor ergibt. Ist die Eintrittsfläche eben, so kann der Aufnahmewinkel (Eintrittswinkel) für spezielle Anwendungen zu schmal oder zu groß sein. Dies läßt sich wiederum dadurch korrigieren, daß die Eintrittsfläche konvex oder konkav gestaltet wird. Wie in Fig. 8 gezeigt, kann das vordere Ende bei 92 konvex gemacht werden, um den Aufnahmewinkel zu erweitern.
Der Brechungs-Infrarotwellenleiter kann im Querschnitt und an jedem Ende jede beliebige für die Aufnahme von Infrarotstrahlung durch den Wellenleiter und/oder die Abgabe von Strahlung an den Sensor innerhalb des eigentlichen Thermometers geeignete Form haben, beispielsweise die nach Fig. 9.
Die Erfindung ist vorstehend anhand spezieller bevorzugter Ausführungsbeispiele beschrieben worden; für den Fachmann versteht sich jedoch, daß im Rahmen der in den Ansprüchen definierten Erfindung zahlreiche Änderungen und Ersetzungen möglich sind.

Claims

1. Medizinisches Infrarotthermometer (20) zum Messen der Temperatur bei Mensch und Tier durch Aufnehmen von Infrarotstrahlung vom Trommelfell (34) und vom umgebenden Gewebe innerhalb des Ohres, wobei das Thermometer ein Gehäuse (22), eine daran vorgesehene Sonde (68) zum Einführen in den Gehörgang (26), einen in dem Gehäuse (22) untergebrachten Sensor (40), der auf Infrarotstrahlung anspricht und ein entsprechendes Signal erzeugt, sowie eine an dem Gehäuse (22) angebrachte und auf den Sensor (40) optisch ausgerichtete Wellenleitereinrichtung (42) umfaßt, die von der Sonde (68) in dem Ohr, dessen Temperatur gemessen werden soll, aufgenommene Infrarotstrahlung auf einen Weg in Richtung des Sensors (40) richtet, damit sie von diesem empfangen wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenleitereinrichtung (42) einen mit Brechung arbeitenden Wellenleiter (42) in Form eines massiven Stabes (32) umfaßt, der aus einem Medium mit höherem Brechungsindex als die unmittelbare Umgebung des Wellenleiters (42) gebildet ist, so daß der Wellenleiter (42) Infrarotstrahlung durch innere Totalreflexion innerhalb des Mediums über seine Länge zu transmittieren vermag.

2. Thermometer (20) nach Anspruch 1, wobei der Brechungs-Wellenleiter (42) ein sequentieller optischer Teil des genannten Weges ist.

3. Thermometer (20) nach Anspruch 2, wobei ein benachbarter sequentieller optischer Teil des genannten Weges ein reflektierender Wellenleiter (74) ist.

4. Thermometer (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Medium ein kristallines Material mit einem Brechungsindex größer als 1 ist.

5. Thermometer (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Medium ein amorphes Material mit einem Brechungsindex größer als 1 ist.

6. Thermometer (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine erste Stirnfläche des Stabes (32) gewölbt ist.

7. Thermometer (20) nach Anspruch 6, wobei die erste Stirnfläche konvex ist.

8. Thermometer (20) nach Anspruch 6, wobei die erste Stirnfläche konkav ist.

9. Thermometer (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein erstes Ende des Stabes (32) eine größere Querschnittsfläche hat als ein zweites Ende (52) und sich der Stab (32) zwischen dem ersten und dem zweiten (52) Ende verjüngt.

10. Thermometer (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mindestens ein Ende des Stabes (32) eine Antireflexions-Beschichtung aufweist, die so optimiert ist, daß sie Strahlungsverluste bei Wellenlängen zwischen 3 und 20 um verringert.

11. Thermometer (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Stab (32) gekrümmt ist.

12. Thermometer (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Wellenleitereinrichtung (42) mehrere parallele, Brechungs-Wellenleiterstäbe (62) umfaßt, die in dem genannten Weg abgestützt sind, um die Infrarotstrahlung von der Sonde (68) zu dem Sensor (40) zu leiten.

13. Thermometer (20) nach Anspruch 12, soweit dieser von Anspruch 3 abhängt, wobei die mehreren parallelen, mit Brechung arbeitenden Wellenleiterstäbe (62) mit dem reflektierenden Wellenleiter (74) in einem einheitlichen optischen System optisch in Serie geschaltet sind.

14. Thermometer (20) nach Anspruch 13, wobei das einheitliche optische System eine erste und eine zweite Stirnfläche aufweist, wobei die erste Stirnfläche eine größere Querschnittsfläche aufweist als die zweite, und wobei sich das einheitliche optische System zwischen der ersten und der zweiten Stirnfläche verjüngt.