CN105473188B - 具有光学活性呼气阀的呼吸器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了呼吸器(10)的各种实施例，该呼吸器包括带具(13，16)、面罩主体(12)和呼气阀(14)。呼气阀(14)可以包括阀座(20)和与阀座接合的柔性阀瓣(22)。柔性阀瓣可以具有在所述柔性阀瓣从闭合位置移动到打开位置或者从打开位置移动到闭合位置时使所述柔性阀瓣闪烁(26)的一种或多种材料。闪烁的阀可以使得使用者更易于确定阀是否在正确操作。

Description

具有光学活性呼气阀的呼吸器
本公开涉及一种呼吸器，该呼吸器具有在操作时闪烁的呼气阀。
背景技术
在污染的环境中工作的人通常都会佩戴呼吸器保护自己，以免吸入空气中的污染物。呼吸器通常具有能够从空气清除颗粒和/或气态污染物的纤维过滤器或吸附剂过滤器。在污染的环境中佩戴呼吸器时，佩戴者因知道他们的健康得到了保护而感到舒适，然而同时，因为呼出的湿热空气在他们脸部周围积聚，他们又会感到不适。面部越不适，佩戴者越有可能从其面部取下面罩，以缓解不适。
为了减少佩戴者在污染的环境中从其面部取下面罩的可能性，呼吸器的制造商经常将一种呼气阀安装在面罩主体上，使得湿热的空气能快速从面罩内部清除。呼出的空气的迅速清除使面罩内部更加凉爽，并继而有益于工人的安全，因为面罩佩戴者从其脸部取下呼吸器来消除位于他们鼻和口周围的湿热环境的可能性降低了。
许多年来，市售的呼吸面罩使用“按钮式”呼气阀从面罩内部清除呼出的空气。按钮式阀通常采用薄的、圆形的柔性阀瓣作为动态机械元件，让呼出的空气从内部气体空间逸出。阀瓣在其中心处通过中心柱安装在阀座上。按钮式阀的实例在美国专利2,072,516；2,230,770；2,895,472；和4,630,604中示出。当人呼气时，阀瓣的周边部分从阀座抬起，使得空气可快速进入外部气体空间。
按钮式阀体现了在尝试改善佩戴者舒适度方面的进步，但是研究人员已做出其它改进，其中一个实例为示于授予Braun的美国专利4,934,362中的“蝴蝶式”阀。该专利中所述的阀使用抛物线型阀座和以蝴蝶样式安装的细长柔性阀瓣。
在Braun的研发工作以后，Japuntich等人在呼气阀技术领域进行了另一创新，参见美国专利5,325,892和5,509,436。Japuntich等人发明的阀使用以悬臂方式偏心安装的单个柔性阀瓣，以使得打开阀所需的呼气压力最小化。当使阀打开压力最小化时，操纵阀所需的力量减小，这意味着佩戴者在呼吸时，可以不费力地将呼出的空气排出面罩内部。还参见授予Japuntich等人的美国专利7,493,900。
在Japuntich等人之后推出的其它阀也使用了悬臂式安装的阀瓣。参见美国专利5,687,767和6,047,698。在又一项研发中，阀座的密封表面由回弹性材料制成，以允许使用硬性更高而且刚性更高的阀瓣，这改善了阀效率。参见授予Martin等人的美国专利7,188,622。
虽然呼气阀设计的演变主要以相对于阀座的结构变化和将阀瓣安装到阀座为焦点，但是研究人员也已对阀瓣本身做出了结构变化，以改善阀性能。例如，在授予Martin等人的美国专利7,013,895和7,028,689中，将许多个层引入到阀瓣中，以允许使用更薄、更动态的阀瓣，从而允许阀在较低的压降下更易打开。在阀瓣中还提供了肋条和预弯曲的、不均匀的构型，以允许阀瓣在处于闭合位置时位于密封表面。参见授予Mittelstadt等人的美国专利7,302,951。在授予Martin等人的美国专利公布2009/0133700中，在阀瓣中的铰接处提供了狭槽，以改善阀性能。而且，在授予Insley等人的美国专利公布2012/0167890A中，在所选择的区域中将阀瓣烧蚀以实现期望的阀性能。
无论它们的构造如何，呼气阀具有在使用期间保持打开的风险。来自佩戴者呼气的湿气可在阀瓣上和对应的阀座上积聚。唾液颗粒和其它物质也可促成此积聚。此类物质的存在可能致使阀瓣粘滞在打开位置或闭合位置。保持打开的阀可允许污染物进入呼吸器的内部气体空间，而为闭合状态的阀可致使在面罩主体上产生不舒适的压降。当佩戴者注意到粘滞的阀时，在方便的情况下尽早，特别是当阀处于打开位置时，更换呼吸器是很重要的。为了使此情形发生，需要通知佩戴者阀未正确操作。本公开提供解决此通知问题的阀的一个或多个实施例。
发明内容
在一个方面，本公开提供一种包括带具、面罩主体和呼气阀的呼吸器。呼气阀包括阀座和与阀座接合的柔性阀瓣。柔性阀瓣包含在所述柔性阀瓣从闭合位置移动到打开位置或者从打开位置移动到闭合位置时使所述柔性阀瓣闪烁的一种或多种材料。
在另一方面，本公开提供一种呼吸器，该呼吸器包括面罩主体；附接到面罩主体的带具；以及包括阀座和与阀座接合的柔性阀瓣的呼气阀。柔性阀瓣包括谱带偏移膜。
本文所述的阀的一个或多个实施例可在操作时提供闪烁信号。信号可无源地产生于周围环境中照射阀瓣材料的入射光。阀瓣材料可被成形为在不同角度下以不同方式反射环境光线。因此，当阀瓣移动时，它向检查阀瓣的人显示出不同程度的光，从而产生“闪烁”或“闪烁的图像”。阀瓣还可以设计为在打开和闭合时产生不同颜色，从而产生或加强闪烁型图像。因为在使用呼吸器时佩戴者或佩戴者的同事能够注意到本文所述的阀的一个或多个实施例，所以可以容易地识别阀的正确工作。
术语表
下文示出的术语具有如下所限定的含义：
“谱带偏移”是指在以不同的角度观察时向人眼显示明显不同的颜色；可以根据本文示出的谱带偏移测试来评估谱带偏移。
“清洁空气”是指已滤除污染物的一定体积的大气环境空气；
“包含(或含有)”是指其如专利术语中的标准的定义，通常是与“包括”、“具有”或“含有”同义的开放式术语。虽然通常使用“包含”、“包括”、“具有”和“含有”及其变型等开放式术语，也可以使用较封闭的术语来适当描述本公开，诸如“基本上由...组成”，其为半开放式术语，因为该术语仅仅排除那些将会对术语所属主题的性能具有有害影响的物或元件；
“二色性”是指对于两种正交偏振状态的入射光，相对于其中一种，能够更强烈地吸收另一种；
“呼气阀”是指可以打开，以使得呼出的空气离开呼吸器的内部气体空间的阀；
“呼出的空气”是呼吸器佩戴者呼出的空气；
“外部气体空间”是指呼出的气体在穿过且离开面罩主体和/或呼气阀后所进入的环境大气空间；
“过滤器”或“过滤层”是指一个或多个材料层，该一个或多个层主要适用于从穿过它的气流中清除污染物(诸如颗粒)；
“膜”是指薄的片状结构；
“过滤介质”是指透气的结构，该结构设计成清除穿过它的空气中的污染物；
“阀瓣”是指设计为在阀操作期间打开和闭合的片状制品；
“闪烁”是指人眼可易于注意到的以瞬态方式快速发生的可见光的改变；根据下文示出的闪烁测试来表征闪烁；
“柔性阀瓣”是指能够响应于呼出气流所施加的力而弯曲或挠曲的片状制品；
“带具”是指有助于将面罩主体支撑在佩戴者的面部上的结构或部件组合；
“内部气体空间”是指面罩主体与人面部之间的空间；
“面罩主体”是指透气的结构，其至少可贴合在人的鼻部和口部的上方，并有助于限定与外部气体空间分离的内部气体空间；
“主表面”是指与制品或主体中的其它表面(但不是所有表面)相比具有基本上较大的表面积的表面；
“许多”是指多于5个；
“光学膜”是指在一些视角下镜面反射可见光谱的一部分光谱的膜；
相对于阀瓣的“外表面”是指在阀瓣与阀座接合时背离密封表面的主表面；
“多个”是指两个或更多个；
“呼吸器”是指由人佩戴以向佩戴者提供清洁空气来呼吸的设备；
“透明的”是指可见光可充分地穿过以允许期望的图像在由“透明的”这个词修饰的结构(阀盖)的相对侧上；
“薄的”是指小于200微米的厚度；并且
“阀座”或“阀基部”是指阀的实心部分，其具有用于流体穿过的孔并且被设置为与所安装的基板或制品相邻或接触。
附图说明
图1为根据本公开的呼吸器10的透视图，该呼吸器10表现出闪烁；
图2为根据本公开的呼吸器10的前视图，该呼吸器10具有面罩主体12，该面罩主体12上设置有呼气阀14，该呼气阀14具有光学膜阀瓣22；
图3为图1的呼气阀14的横截面侧视图；
图4为图2中所示阀14的阀座20的前视图；
图5为根据本公开的呼气阀14'的可供选择的实施例的横截面侧视图；
图6为按钮式呼气阀的阀座20b的前视图；
图7为可与根据本公开的呼气阀一起使用的阀盖40的透视图；
图8为适用于本公开的柔性阀瓣的光学体50的第一实施例的示意性透视图；
图9为适用于本公开的柔性阀瓣的光学体50的第二实施例的示意性透视图；
图10为适用于本公开的柔性阀瓣的多层光学膜60的一部分的示意性侧视图；
图11为柔性阀瓣22的前视图，该柔性阀瓣22可结合本公开使用并且具有设置在其前表面72上的标记70。
图12a-12c示出了对实例3的柔性阀瓣膜的光谱测量结果。
具体实施方式
图1示出了可结合本公开使用的过滤面罩10的一个实例。过滤面罩10是具有杯形面罩主体12的半面罩(因为它罩住鼻部和口部而不罩住眼睛)，在面罩主体12上附接有带具13和呼气阀14。可使用多种技术诸如超声焊接、胶合、粘合性粘结(参见授予Williams等人的美国专利6,125,849)，或机械夹持(参见授予Curran等人的美国专利7,069,931)将呼气阀14固定到面罩主体12，。面罩主体12适合与人的鼻部和口部贴合，贴合时与佩戴者的面部留有空间，以在佩戴者面部和面罩主体内表面之间形成内部气体空间或空隙。所示出的面罩主体12为流体可渗透的，并且通常设有开口(未示出)，该开口位于呼气阀14附接到面罩主体12的位置处，以使得呼出的空气能通过阀14离开内部气体空间，而不必穿过面罩主体本身。开口在面罩主体12上的优选位置为：佩戴面罩时，佩戴者的嘴部位置的正前方。将开口并且进而将呼气阀14放置在这个位置可使得阀响应于来自呼出气流的力或动量而能更容易地打开。对于图1中所示类型的面罩主体12，基本上整个面罩主体12的暴露表面对吸入空气都具有流体可渗透性。呼气阀14响应于面罩10内增加的压力而打开，这种增加的压力出现在佩戴者呼气时。优选的是，呼气阀14在呼吸之间和吸气期间保持闭合。为使面罩紧密地保持在佩戴者的面部之上，带具13可包括带16、系绳，或任何其它附接到其上以支撑佩戴者面部上的面罩主体12的合适装置。可结合本公开使用的面罩带具的实例示于授予Brostrom等人的美国专利6,457,473B1、6,062,221和5,394,568；授予Xue等人的美国专利6,332,465B1；授予Byram的美国专利6,119,692和5,464,010；以及授予Dyrud等人的美国专利6,095,143和5,819,731。
图2示出了阀14具有阀座20，该阀座20在固定部分24处固定有阀瓣22。阀瓣22可为具有自由部分25的柔性阀瓣，该自由部分25在呼气期间从阀座20上抬起。在阀打开和闭合时，其显示出可视的闪烁26，该闪烁26可被同事或在看向反射镜时由佩戴者看到。当以不同角度观察阀瓣时还可以显示出不同的颜色，这可以增加视觉效果。例如，阀在第一角度下可以显示出蓝色并且在第二角度下显示出黄色，或者颜色可以从红色变化成绿色或者阀在第一角度下可以显示出黄色并且在第二角度下显示出蓝色，或者颜色可以从绿色变化成红色。当阀瓣22的自由部分25未与阀座20接触时，呼出的空气可从内部气体空间进入外部气体空间。阀瓣在此位置可以显示出与在阀瓣与阀座接触时的闭合位置所显示的颜色不同的颜色。当阀瓣打开时，呼出的空气可以通过阀盖中的开口27(图1和图7)直接进入外部气体空间。面罩主体12可以呈弯曲的半球形状，如图1和2所示(还可参见授予Dyrud等人的美国专利4,807,619)，或者它还可以呈现期望的其它形状。例如，面罩主体可以是杯形面罩，具有类似于授予Japuntich的美国专利4,827,924中所公开的面罩构造。面罩还可以具有三褶构型，当未使用时，可以折成平的，但在佩戴时，可以打开为杯形构型。参见授予Bostock等人的美国专利6,484,722B2和6,123,077；授予Henderson等人的美国设计专利Des.431,647；以及授予Bryant等人的美国设计专利Des.424,688。本公开的面罩还可以呈现许多其它构型，诸如例如授予Chen的美国设计专利Des.448,472S和Des.443,927S中所公开的平面双褶面罩。面罩主体也可为流体不可渗透的，并且可具有附接到其上的过滤器滤筒，像例如在授予Holmquist-Brown等人的美国专利6,277,178B1或在授予Burns和Reischel的美国专利5,062,421中示出的面罩。此外，面罩主体还可以适用于正压空气吸入，这与刚才提到的负压面罩相反。正压面罩的实例在授予Hoague的美国专利6,186,140B1、授予Grannis等人的美国专利5,924,420、以及授予Braun等人的美国专利4,790,306中示出。这些面罩可连接到将佩戴在使用者的腰部周围的动力空气净化呼吸器主体。参见例如授予Petherbridge等人的美国设计专利D464,725。过滤面罩的面罩主体也可连接到独立成套呼吸器，该独立成套呼吸器可为佩戴者供给清洁空气，例如，如美国专利5,035,239和4,971,052中所公开。面罩主体可以被构造为不但能罩住佩戴者的鼻部和口部(称为“半面罩”)，还可以罩住佩戴者的眼睛(称为“全面罩”)，以对佩戴者的视力和佩戴者的呼吸系统提供保护。参见例如授予Reischel等人的美国专利5,924,420。
面罩主体既可与佩戴者面部有一定间隔，也可与其紧贴或接近。在任一情况下，面罩有助于限定在通过呼气阀离开面罩内部前进入呼出空气的内部气体空间。面罩主体也可以在其周边具有热致变色的贴合性指示密封物，以使佩戴者易于确定是否形成了正确的贴合。参见授予Springett等人的美国专利5,617,849。
图3示出了置于密封表面29的处于闭合位置的柔性阀瓣22，并且处于打开位置时，其如虚线22a所示从表面29上抬离。流体沿箭头28所指示的总体方向穿过阀14，该箭头代表呼出气流。穿过阀孔的流体在柔性阀瓣22上施加力(或将其动量转移到阀瓣上)，从而导致阀瓣22的自由部分25从密封表面29抬起以使得阀14打开。阀14在面罩10上优选取向为使得当面罩10如图1所示竖直设置时，柔性阀瓣22的自由部分25位于固定部分24下方。这允许呼出的空气向下偏转，以防止湿气凝结在佩戴者的眼镜上。阀的移动使阀向看阀的人闪烁。柔性阀瓣22至少具有包含向观察者产生闪烁图像的材料的外表面。当阀瓣从打开位置移动到闭合位置时，阀瓣向观察者呈现不同的取向。不同的取向产生相对于环境光线的不同反射角。迅速改变反射角向观察者产生闪烁和/或颜色变化。为了引起闪烁，阀瓣可以包括例如在阀瓣的外表面上的光学膜或反射材料。反射材料的实例包括金属化表面，诸如金属化聚合物膜诸如可购自杜邦(DuPont)的MYLARTM膜。光学膜层还可以包括一组镜面反射膜层，该镜面反射膜层包括许多具有不同折射率的层。本文对适用于本公开的光学膜层进行更详细的描述。
图4示出了其上未附接阀瓣的阀座20的前视图。阀孔30设置于密封表面29的径向内侧，并可具有十字形构件32，该十字形构件32稳定密封表面29并最终稳定阀14。十字形构件32还能防止柔性阀瓣22(图2)在强吸气时换向进入孔30中。十字形构件32上积聚的水分可妨碍阀瓣22打开。因此，十字形构件32的面向阀瓣的表面可稍稍凹陷在密封表面29以下。当阀闭合时，密封表面29包围或围绕孔30以阻止污染物穿过孔。从前面观察时，密封表面29和阀孔30实际上可以呈现任意形状。例如，密封表面29和孔30可为正方形、长方形、圆形、椭圆形等。密封表面29的形状不必对应于孔30的形状，或者密封表面29的形状可以对应于孔30的形状。例如，孔30可以为圆形，而密封表面29可以为长方形。然而，当对着流体流的方向观察时，密封表面29和孔30可以具有圆形横截面。阀座20还可以具有对齐销36，对齐销36被设置来确保在使用期间阀瓣在阀座上正确对齐。如果柔性阀瓣的光学膜部分为部分透光的，则基于十字形构件和阀座(例如，白色、黑色或金属化十字形构件/阀座)或下面的非透光材料的颜色或其接近度，柔性阀瓣的光学膜部分可以反射不同颜色。可在阀基部处设置安装用法兰38以用于将阀安装到面罩主体。将阀瓣保持表面39定位在其中阀瓣的固定部分安装到阀座20的地方。
阀座20的大部分通常由相对轻的塑料制成，使用例如注塑成型技术模制成整体的一体式主体，并且回弹性密封表面29将会与其接合。与柔性阀瓣22接触的密封表面29可成形为基本上均匀的平滑表面，以确保形成良好的密封。密封表面29可存在于密封脊34(图3)的顶部，或者它可以与阀座本身在平面上对齐。密封表面29的接触区域可具有足够大的宽度以与柔性阀瓣22形成密封，但是不能宽到允许粘合力(由凝结的水分或排出的唾液产生)使柔性阀瓣22明显难以打开。密封表面29的接触区域可以凹陷的方式弯曲，在这种情况下，阀瓣22与密封表面接触，有利于阀瓣绕密封表面的整个周边周围与密封表面接触。阀14及其阀座20在授予Japuntich等人的美国专利5,509,436和5,325,892中进行了更详细地描述。具有弹性体密封表面的呼气阀在授予Martin等人的美国专利7,188,622中有所描述。此类密封表面可在使用类似本文所述的光学膜的相对刚性的阀瓣材料的情况下特别有用。
图5示出了呼气阀14'的另一个实施例。不同于图2所示的实施例，当从侧正视图观察时，该呼气阀14'具有与阀瓣保持表面39'对齐的平面密封表面29'。从而图5中所示的阀瓣不会因施加于柔性阀瓣22上的任何机械力或内应力而挤压或抵靠密封表面29'。由于阀瓣22没有在“中间状态”下预装入或偏置朝向密封表面29'，即，当没有流体穿过阀并且阀瓣未以其它方式经受除重力之外的外力时，阀瓣22可在呼气期间更容易地打开。当使用根据本公开的光学膜时，可不必偏置或迫使阀瓣与密封表面29'接触，但此类构造可能是某些情况下所需要的。光学膜可允许使用比已知市售产品上的阀瓣更具刚性的柔性阀瓣。该阀瓣的刚性可使得当重力本身施加在阀瓣上并且阀被取向为使得阀瓣设置在密封表面下方时，阀瓣不会显著下垂远离处于非偏置条件下的密封表面29'。图5中所示的呼气阀14'因此可被成形为使得阀瓣22在任何取向下与密封表面良好接触，包括当佩戴者的头部向下朝地面弯曲时的情况，而不必使阀瓣偏置(或显著偏置)朝向密封表面。因此，不管阀处于任何取向，刚性阀瓣都能在具有极少或没有朝向阀座密封表面的预应力或偏置作用的条件下与密封表面29'密封接触。阀瓣上没有大量预定应力或力，该应力或力用于确保在中间状态下在阀闭合过程中将阀瓣压贴在密封表面上，能够允许阀瓣在呼气期间更容易地打开，并且因此可减小呼吸时操作阀所需的力。通过使用回弹性密封表面可以进一步改善对密封表面的密封。参见例如授予Martin等人的美国专利7,188,622。
图6示出了阀座20b，该阀座20b适用于结合本公开的按钮式阀使用。不同于被成形用于结合悬臂式阀瓣使用的阀座20(图4)，阀座20b具有在位置32'处居中安装的柔性阀瓣。这允许在呼气期间基本上阀瓣周边的任何部分都从密封表面上抬起。在悬臂式阀瓣中，与固定部分相对的阀瓣的末端是在呼气期间从密封表面上抬起的阀瓣部分。相比之下，在按钮式阀中，阀瓣周围的任何部分均可在呼气期间从密封表面上抬起。本公开同样还可以与蝴蝶式阀一起使用。参见例如授予Braun的美国专利4,934,362。
图7示出了可适用于结合本文所述的呼气阀使用的阀盖40。阀盖40限定了内室，在其中柔性阀瓣可从其闭合位置移动到其打开位置。阀盖40可保护柔性阀瓣不受损坏，并可有助于使呼出的空气向下而远离佩戴者的眼镜。如图所示，阀盖40可具有多个开口27，以允许呼出的空气从阀盖40限定的内室中逸出。通过开口27离开内室的空气进入外部气体空间，例如以向下的方式远离佩戴者的眼镜。可使用多种技术将阀盖40固定到阀座，这些技术包括摩擦、夹持、胶合、粘合性粘结、焊接等。在一个或多个实施例中，阀盖至少在其顶部表面42上是透明的，以允许内部闪烁阀瓣更易于被看见。
当从不同的角度观察时，结合本公开使用的柔性阀瓣可以反射不同颜色或强度的光。当阀瓣打开和闭合时，固定物体或人观察阀瓣的角度是不同的。对阀瓣的外表面的角度感知的差异使得观看阀瓣打开和闭合的人看到不同颜色或强度的光。使阀瓣在从打开位置移动到闭合位置或者从闭合位置移动到打开位置时使所述柔性阀瓣闪烁的一种或多种材料可以膜的形式放置在阀瓣的外表面上。另选地，整个阀瓣可以由使阀瓣闪烁的材料制成或者包含这种材料。如果使阀瓣闪烁的材料为相对刚性的材料，则下面的阀瓣材料可以由弹性模量比使阀瓣闪烁的材料低的材料制成。下面层在阀瓣闭合时将接触阀座的密封表面。较低的弹性模量可有助于在阀处于其闭合位置时提供无泄漏接触。当使用常规硬性的阀座材料诸如硬塑料时，接触密封表面的层的弹性模量可以为约0.15兆帕斯卡至10兆帕斯卡(MPa)，或更通常地1MPa至7MPa。授予Martin等人的美国专利7,028,689描述了对多层阀瓣的使用，其中接触密封表面的层比位于其上的层具有更低的弹性模量。如果整个阀瓣由相对刚性的材料制成，那么可以在阀座上使用回弹性密封表面材料以改善阀瓣密封。参见授予Martin等人的美国专利7,188,622。回弹性密封表面可以具有小于0.015千兆帕斯卡(GPa)，或更通常地小于0.013GPa的硬度。在一个或多个实施例中，可以通过使用谱带偏移膜使阀瓣在打开和闭合期间闪烁。
谱带偏移膜可包括充当着色的反射镜或偏振片的多层聚合物膜。该膜的层可包括交替的第一聚合物层和第二聚合物层，从而提供多层双折射的谱带偏移膜。可以使用这样的多层双折射的谱带偏移膜：其具有连续层针对沿互相正交的面内轴(x轴和y轴)偏振的光的折射率和连续层针对沿垂直于面内轴的轴(z轴)偏振的光的折射率之间的特定关系。在一个或多个实施例中，沿x轴、y轴和z轴的折射率的差值(分别为Δx、Δy、和Δz)为使得Δz的绝对值小于Δx或Δy中至少一者的绝对值的约十分之一(例如，|Δz|<0.1k，k＝max{|Δx|，|Δy|})。可将具有此特性的膜制成为表现出这样的透射光谱：其中针对p偏振光的透射峰或反射峰(当绘制为频率或1/λ的函数时)的宽度和强度在宽泛的视角范围内保持基本恒定。另外针对p偏振光，在角度变化情况下，光谱特征朝光谱的蓝色区域偏移的速率高于各向同性的薄膜叠堆的光谱特征。
适用于本公开的谱带偏移膜可为光学各向异性的多层聚合物膜，该膜根据视角而变色。这些可以设计成在至少一个带宽反射一个或全部两个光偏振的膜可设计为在至少一个反射带宽的一侧或全部两侧具有锋利带缘。本公开的谱带偏移膜内的层厚度和光学叠堆的折射率可被控制，以(在特定的入射角下)反射至少一个特定波长光的偏振，同时在其它波长上为透明的。通过谨慎操纵这些层沿不同膜轴的厚度和折射率，膜在一个或多个光谱区上可以制成起到反射镜或偏振片的作用。因此，例如膜可以被调成在光谱的IR区域或可见光部分中反射全部两个光偏振，而在光谱的其它部分内是透明的。除了高反射率之外，膜还可以具有用于偏振光的多层膜的光透射/反射光谱的形状(例如，带宽值和反射率值)，该形状在宽泛的入射角范围内保持基本不变。由于此特征，具有例如650nm的窄透射谱带的反射镜膜在垂直入射角下的透射中看起来将为深红色，然后在连续的较高入射角下为红色、黄色、绿色和蓝色。这种行为类似于将光的色彩分散的光束在分光光度计中的整个狭缝上移动。
任何合适的光学膜可与本公开的阀一起使用。例如，图8-图9示出了包含双折射基质或连续相52和非连续相或分散相54的漫反射光学膜50或其它光学体。连续相的双折射率通常为至少约0.05、更通常地至少约0.1、还更通常地至少约0.15、且还更通常地至少约0.2。
对于偏振光学膜，连续相和分散相沿三个互相正交的轴中的第一个轴的折射率基本上匹配(即，相差小于约0.05)，而沿三个互相正交的轴中的第二个轴的折射率基本上失配(即，相差超过约0.05)。通常，连续相和分散相在匹配方向的折射率相差小于约0.3、更优选小于约0.02、并且最优选小于约0.01。连续相和分散相在失配方向的折射率通常相差至少约0.07、更通常地至少约0.1、并且最优选至少约0.2。
沿特定轴的折射率失配具有使沿该轴偏振的入射光基本上被散射从而导致大量反射的效应。相反，沿其中折射率匹配的轴偏振的入射光将以低得多的散射程度镜面透射或反射。利用此效应可制成多种光学设备，包括反射偏振片和反射镜。
本公开提供一种实用且简单的光学体和用于制备反射偏振片的方法，并且还提供一种根据本文所述的原理获得连续范围的光学特性的装置。而且，可以获得具有高消光比的非常高效的低损耗偏振片。其它优点是宽泛的用于分散相和连续相的实用材料范围，和在提供一致且可预测的高品质性能的光学体中的高度控制。连续相和分散相中至少一者的材料是在取向时发生折射率变化的类型。因此，随着膜在一个或多个方向被取向，将沿一个或多个轴产生折射率匹配或失配。通过谨慎操纵取向参数和其它加工条件，基质的正双折射或负双折射可用于引起光的一个或两个偏振态沿给定轴线发生漫反射或透射。透射与漫反射之间的相对比取决于分散相内含物的浓度、膜的厚度、连续相和分散相之间折射率差值的平方、分散相内含物的大小和几何形状以及入射辐射的波长或波长谱带。沿特定轴的折射率匹配或失配的量值会直接影响沿该轴偏振的光的散射程度。一般来讲，散射能力随折射率失配的平方来变化。因此，沿特定轴的折射率失配越大，则沿该轴偏振的光的散射就越强。相反，当沿特定轴的失配较小时，沿该轴偏振的光的散射程度也较小，并且因此镜面透射穿过主体的体积。
图10示出了示意性侧视图中多层光学膜60的一个实施例的一部分，以显示包括其内层的膜的结构。膜基于局部x-y-z笛卡尔坐标系示出，其中膜平行于x轴和y轴延伸，并且z轴垂直于膜及其组成层且平行于膜的厚度轴。注意，膜60不必是完全平坦的，而是可弯曲或以其它方式成形以偏离平面，并且即使在那些情况下，膜的任意小的部分或区域也可如图示与局部笛卡尔坐标系相关。
多层光学膜可包括各个层，该各个层具有不同折射率，使得一些光在相邻层之间的界面处被反射。这些层(有时称为“微层”)很薄，足以使在多个界面处反射的光发生相长干涉或相消干涉，从而赋予多层光学膜以期望的反射或透射特性。对于设计成在紫外线波长、可见波长或近红外波长反射光的多层光学膜，每个微层的光学厚度(物理厚度乘以折射率)通常小于约1μm。然而，也可以包括更厚的层，诸如多层光学膜的外部表面的表层，或设置在多层光学膜内用以将微层相干组(称为“叠堆”或“层组”)分离的保护边界层(PBL)。在图10中，将微层标记为“A”或“B”，“A”层由一种材料构成，并且“B”层由不同的材料构成，这些层以交替排列的方式堆叠，以形成如图所示的光学重复单元(ORU)或单位单元ORU 1、ORU2、…ORU 6。通常，如果需要高反射率，则完全由聚合物材料构成的多层光学膜将包括远多于6个光学重复单元。应当注意，除了最上面的“A”层之外，所有“A”和“B”微层均为膜60的内层，该最上面的“A”层的上表面在此示例性实例中与膜60的外表面62一致。位于该图底部的显著较厚的层64可表示外表层或PBL，该PBL将图中所示的微层叠堆从另一微层叠堆或微层层组(未示出)分离开来。如果需要，可例如利用一层或多层厚粘合剂层或利用压力、热或其它技术将两个或更多个单独的多层光学膜层压在一起，以形成层压膜或复合膜。
在一些情况下，微层的厚度和折射率值可相当于1/4波长叠堆，即微层被布置成光学重复单元的形式，每个光学重复单元具有光学厚度(f比＝50％，f比是组成层“A”的光学厚度与整个光学重复单元的光学厚度之比)相等的两个相邻微层，这类光学重复单元通过相长干涉有效地反射光，被反射光的波长λ是光学重复单元总光学厚度的两倍，其中物体的“光学厚度”是指其物理厚度乘以其折射率。在其它情况下，光学重复单元中微层的光学厚度可彼此不同，由此f比大于或小于50％。在图10的实施例中，“A”层一般被示出为比“B”层薄。每一示出的光学重复单元(ORU 1、ORU 2等)的光学厚度(OT1、OT2等)都等于其组成层“A”和“B”的光学厚度之和，每一光学重复单元都反射波长λ为其总光学厚度两倍的光。一般的多层光学膜以及本文特别讨论的内部图案化的多层膜中使用的微层叠堆或层组所具备的反射率，通常基本上是基本镜面的而不是漫射的，这是微层之间基本光滑的清晰限定的界面以及典型构造中使用的低雾度材料的结果。然而，在一些情况下，通过例如在表层和/或PBL层中使用漫射材料，和/或使用一种或多种表面漫射结构或纹理化表面，成品可设计为具有任何期望程度的散射。
在一些实施例中，层叠堆中的光学重复单元的光学厚度可彼此全部相等，从而得到高反射率的窄反射谱带，其中心波长等于每一个光学重复单元的光学厚度的两倍。在其它实施例中，光学重复单元的光学厚度可根据沿z轴或膜厚方向的厚度梯度而不同，从而光学重复单元的光学厚度随着从叠堆的一侧(例如顶部)到叠堆的另一侧(例如底部)而增大、减小或遵循某些其它函数关系。可使用此类厚度梯度，以提供扩宽的反射谱带，以在所关注的扩展波长谱带以及所关注的所有角度上提供光的大致光谱上平坦的透射和反射。也可使用被设计为可在位于高反射和高透射之间的波长过渡区锐化谱带边缘的厚度梯度，例如如标题为OPTICAL FILM WITH SHARPENED BANDEDGE(具有锐化谱带边缘的光学膜)的美国专利6,157,490(Wheatley等人)中所讨论的。就聚合物多层光学膜而言，反射谱带可以设计成具有锐化的谱带边缘和“平顶”反射谱带，其中反射特性在应用的整个波长范围内基本恒定。还可以想到其它层布置方式，诸如具有2微层光学重复单元的多层光学膜(其f比为不同于50％)，或光学重复单元包括不止两层微层的膜。这些可供选择的光学重复单元设计可被构造成减少或激发某些更高阶的反射，当期望的反射谱带存在于或延伸到近红外波长时，这样做可能是有用的。参见例如标题为INFRARED REFLECTIVE OPTICAL INTERFERENCEFILM(红外反射光学干涉膜)的美国专利5,103,337(Schrenk等人)；标题为TWO COMPONENTINFRARED REFLECTING FILM(两组分红外反射膜)的美国专利5,360,659(Arends等人)；标题为MULTICOMPONENT OPTICAL BODY(多组分光学体)的美国专利6,207,260(Wheatley等人)；以及标题为MULTI-LAYER REFLECTOR WITH SUPPRESSION OF HIGH ORDERREFLECTIONS(抑制高阶反射的多层反射器)的美国专利7,019,905(Weber)。
如本文所述，多层光学膜的相邻微层具有不同的折射率，使得一些光在相邻层之间的界面处被反射。将微层中的一个微层(例如，图10中的“A”层)的针对沿主轴x轴、y轴和z轴偏振的光的折射率分别称为n1x、n1y和n1z。x轴、y轴、和z轴可例如对应于材料的介电张量的主方向。通常，并且出于讨论目的，不同材料的主方向是一致的，但是这无需为一般情况。将沿相同轴的相邻微层(如图10中的“B”层)的折射率分别称为n2x、n2y、n2z。将这些层之间的折射率差值称作沿x方向的Δnx(＝n1x–n2x)、沿y方向的Δny(＝n1y–n2y)、以及沿z方向的Δnz(＝n1z–n2z)。这些折射率差值的性质与膜中(或膜的给定叠堆中)的微层数量及其厚度分布相结合来控制膜(或膜的给定叠堆)在给定区中的反射和透射特性。例如，如果相邻微层沿一个面内方向具有大的折射率失配(Δnx大)，并且沿正交的面内方向具有小的折射率失配(Δny≈0)，则膜或层组对于垂直入射光而言可以起到反射偏振片的作用。就这一点而言，出于本公开的目的，反射偏振片可被视作这样的光学体：如果波长在层组的反射谱带内，其会强烈地反射沿一条面内轴(称为“阻光轴”)偏振的垂直入射光，并且强烈地透射沿正交的面内轴(称为“透光轴”)偏振的此类光。取决于预期的应用或使用领域，“强烈地反射”和“强烈地透射”可具有不同的含义，但在许多情况下，反射偏振片对于阻光轴将具有至少70％、80％或90％的反射率，而对于透光轴将具有至少70％、80％或90％的透射率。如果材料在所关注的波长范围(例如光谱的UV、可见光和/或红外光部分中的所选的波长或谱带)内具有各向异性的介电张量，则将该材料视为“双折射的”材料。换句话说，如果材料的主折射率(例如n1x、n1y、n1z)不全相同，则该材料视为“双折射的”材料。相邻微层可沿着两个面内轴均具有较大的折射率失配(Δnx较大，并且Δny较大)，在这种情况下，膜或层组可起同轴反射镜的作用。就这一点而言，出于本专利申请的目的，如果波长位于层组的反射谱带内，则反射镜或反射镜状膜则可以视为强烈反射任何偏振的垂直入射光的光学体。根据预期应用或应用领域，“强烈地反射”可以具有不同的含义，但在许多情况下，反射镜对于在所关注波长下的任何偏振的垂直入射光的反射率将为至少70％、80％或90％。在上述实施例的变型中，相邻微层可以沿z轴具有折射率匹配或失配(Δnz≈0或△nz大)，并且该失配可以具有与面内折射率失配相同或相反的极性或符号。Δnz的此类设计在倾斜入射光的p偏振分量的反射无论是随着入射角增大而增大、减小、还是保持不变都起关键作用。在另一个实例中，相邻微层可以沿这两个面内轴都具有显著的折射率匹配(Δnx≈Δny≈0)，而沿z轴具有折射率失配(Δnz大)，在这种情况下，如果波长位于层组的反射谱带内，则膜或层组可以起到所谓的“p偏振片”的作用，其强烈透射任何偏振的垂直入射光，而且渐增地反射入射角增大的p偏振光。
鉴于沿不同轴的可能的折射率差值、总的层数及其厚度分布以及包含在多层光学膜中的微层层组的数量和类型具有大量的排列方式，故可能的多层光学膜60及其层组具有极大的多样性。多层光学膜的至少一个层组中的一些微层在膜的至少一个区域中是双折射的。因此，光学重复单元中的第一层可为双折射的(即，n1x≠n1y，或n1x≠n1z，或n1y≠n1z)，或者光学重复单元中的第二层可为双折射的(即，n2x≠n2y，或n2x≠n2z，或n2y≠n2z)，或者第一层和第二层二者可均为双折射的。此外，一个或多个这种层的双折射可以在至少一个区中相对于相邻区减少。在一些情况下，这些层的双折射可以减少至零，使得它们在该区之一中为光学各向同性的层(即n1x＝n1y＝n1z或n2x＝n2y＝n2z)，而在相邻区中为双折射层。在其中两个层根据材料选择和处理条件而初始均为双折射层的情况下，它们可通过下述方式进行处理，即显著减小这两个层中仅一个层的双折射，或可减小全部两个层的双折射。
可适用于本公开的多层光学膜的实例公开于授予Schrenk等人的美国专利5,217,794和5,486,949；授予Ouderkirk等人的美国专利5,825,543；授予Jonza等人的美国专利5,882,774、6,045,894和6,737,154；授予Merrill等人的美国专利6,179,948、6,939,499和7,316,558；授予Weber等人的美国专利6,531,230；授予Hebrink等人的7,256,936；以及授予Liu等人的美国专利6,506,480中。还参见授予Merrill等人的美国专利公布2011/0255163；和授予Dunn等人的美国专利公布2013/0095435。在一个或多个实施例中，本公开的光学膜可包括含有设置在载体上的反射叠堆的色移膜，其中叠堆包括设置在部分反射的第一层和部分反射的第二层之间的至少部分透明的隔层，如例如授予Endle等人的标题为INTERFERENCE FILMS HAVING ACRYLAMIDE LAYER AND METHOD OF MAKING SAME(具有丙烯酰胺层的干涉膜和制备所述膜的方法)的美国专利8,120,854中所述。
适用于本公开的多层光学膜可以根据本文所引用的专利中所讨论的技术来制成。还可使用共挤出、浇铸、和取向工艺来制备光学膜。参见例如授予Jonza等人的标题为OPTICAL FILM(光学膜)的美国专利5,882,774；授予Merrill等人的标题为OPTICAL FILMAND PROCESS FOR MANUFACTURE THEREOF(光学膜及其制造工艺)的美国专利6,179,949；以及授予Neavin等人的标题为APPARATUS FOR MAKING MULTILAYER OPTICAL FILMS(制备多层光学膜的装置)的美国专利6,783,349。多层光学膜可以通过上述参考文献的任何一篇中所描述的聚合物共挤出法来形成。可以选择各种层的聚合物使之具有相似的流变性(如熔体粘度)，以使得它们可进行共挤出而没有显著的流体扰动。选择挤出条件以便以连续稳定的方式将有关聚合物充分地给料、熔融、混合并作为进料流或熔融流泵送。用于形成和保持每一熔融流的温度可以选定为在下述范围内，所述范围能避免在该温度范围的低端处出现冻结、结晶、或不当的高压下降，并且能避免在该范围的高端处出现材料降解。
图11示出了可以由类似本文所述的那些的闪烁光学膜制成的柔性阀瓣22。在此情况下，光学膜设计为在阀瓣22的自由部分25的外表面72上提供可见标记70。标记70可被成形为显示出阀瓣制造商的商标或品牌，或者阀本身的商标或品牌。另选地，标记70可以是物体或动物例如飞机或鹰的图像。标记70可被成形为使得产品伪造能够被容易地检测出。光学膜可由数百层或数千层的交替折射率层制成。在设计位于标记70处的这些层的改变以显示出不同于外表面72颜色的颜色时，该设计可被调配成使得只有事先知晓特定改变的那些人才能在最终产品中识别出它。因此标记70被设计可以充当针对伪造的标识符。可以使标记区域或区的固定结构发生改变，使得标记区域向观察外表面72上的标记70和周围区域73的人反射或显示出明显不同颜色的光。柔性阀瓣可以由交替的具有不同折射率的层制成。这些交替的层可以在膜的内表面之间产生相长干涉。膜可以被拉伸以产生增加较高折射率材料的折射率的分子取向，此过程称为发展双折射。取向的材料具有较大折射率，从而能产生较高的反射率。可以通过熔融工艺使较高折射率层返回到较低折射率。可以通过使用激光器来实现熔融。因此，可以对膜的固定结构进行精确改变，相对于未受到处理的层来说，该改变可以改变膜的外表面72的颜色。
可以实施内部图案化漫反射光学膜以产生标记70的方法，而不进行选择性施加压力并且不进行选择性减薄膜。相反，通过在第二区(标记区域70)而非相邻第一区或区域73中进行选择性减小来图案化，被分离到不同的第一相和第二相中的聚合物材料中的至少一者在光学膜的共混层中双折射。在其它情况下，内部图案化可以伴有厚度的显著变化，厚度根据处理条件变化为较厚或较薄的。
漫反射光学膜可以利用共混层，在该共混层中第一相和第二相中的至少一个为连续相，且与该连续相相关的第一聚合物材料和/或第二聚合物材料在第一区中双折射。选择性双折射减小可通过向第二区递送适当量的能量，以便选择性地加热其中的共混聚合物材料中的至少一者至足够高以在该材料中产生减小或消除原有光学双折射的松弛的温度来进行。在一些情况下，加热过程中的高温可以足够低和/或可以持续足够短暂的时间以保持膜内形态学共混物结构的物理完整性。在此类情况下，虽然双折射减小，但第二区的共混物形态基本上不因该选择性的热处理而改变。双折射的减小可以为部分减小，或其可以为完全减小，在此情况下，在第一区中为双折射的一种或多种聚合物材料在第二区中被赋予光学各向同性。选择性加热可以至少部分地通过将光或其它辐射能量选择性地递送至第二膜区来实现。光可以包括紫外光、可见光、或红外波长的光、或它们的组合。被递送的光中的至少一些可以被膜吸收，从而得到所需的加热，其中所吸收光的量取决于强度、持续时间、和被递送的光的波长分布、以及膜的吸收特性。此类用于使共混膜内部图案化的技术与已知的高强度光源和电子可寻址波束控制系统相容，从而允许仅通过适当地控制光束(无需专用硬件诸如图像专用压印板或光掩模)即在膜中产生事实上任何期望的图案或图像。
在阀瓣22的外表面72上提供的标记70可以是阀的制造商的商标或品牌。吸收剂诸如合适地吸收的染料或颜料可以包含在阀瓣膜中以选择性地捕集所需波长或波段下的辐射能量，该辐射能量如此被递送以选择性地加热膜。当膜通过许多个层的共挤出形成时，这些吸收剂可被选择性地引入在特定的层中，以控制加热过程和因此厚度方向上的双折射减小。当许多个共混层是共挤出的时，则至少一个可包含吸收剂而至少一个可不包含吸收剂，或者基本上每一个共挤出的共混层均可包含吸收剂。还可以向构造中引入另外的层诸如内部促进层和表层。
在本公开的柔性阀瓣中使用的光学膜可以包括从膜的周围区域73延伸至标记区域70的共混层。共混层可包含分别分离到不同的第一相和第二相中的第一聚合物材料和第二聚合物材料，并且共混层可在标记区和非标记区中具有基本上相同的组成和厚度。第一相和第二相中的至少一者可为连续相，且与连续相相关的第一聚合物材料和/或第二聚合物材料可在周围区域或区中是双折射的，例如在所关注的波长诸如633nm下或所关注的另一波长下，其双折射率可为至少0.03、或0.05或0.10。层可在周围区域73中具有第一漫反射特性而在标记区域70中具有不同的第二漫反射特性。第一漫反射特性和第二漫反射特性之间的差异基本上不归因于第一区和第二区之间层的组成或厚度的任何差异。相反，第一漫反射特性和第二漫反射特性之间的差异基本上归因于第一区和第二区之间第一聚合物材料和第二聚合物材料中的至少一者的双折射率差异。在一些情况下，共混层可在标记区域和非标记区域中具有基本上相同的形态。例如，由于制造中的变量，标记区域和非标记区域中不混溶的共混物形态(例如，如在共混层的显微照片中所见)可相差不超过周围区域中不同位置处不混溶的共混物形态的标准变异率。在相同的照射和观察条件下比较第一漫反射特性(例如，R1)和第二漫反射特性(例如，R2)。例如，照射条件可指定入射光，例如指定的方向、偏振和波长，例如法向入射非偏振可见光或沿特定的面内方向偏振的法向入射可见光。观察条件可指定例如半球反射率(反射到膜的入射光侧上的半球中的所有光)。如果R1和R2以百分数表示，则R2可以与R1相差至少10％、或至少20％或至少30％。作为阐明实例，R1可以为70％，并且R2可以为60％、50％、40％或更小。另选地，R1可以为10％，并且R2可以为20％、30％、40％或更大。还可通过它们的比来比较R1和R2。例如，R2/R1或其倒数可以为至少2、或至少3。可以适用于产生如本公开中的具有标记的阀瓣的光学膜的实例包括在授予Merrill等人的美国专利公布2011/0255163、2011/0286095、2011/0249332、2011/0255167和2013/0094088中所述的那些。
在光行进到柔性阀瓣上并且穿过其时，光可以从柔性阀瓣反射出，光可以被吸收到柔性阀瓣中(例如，能量被转变成热量)，或者光可以继续透射穿过柔性阀瓣。反射百分比、透射百分比和吸收百分比的总和等于100％。一般来讲，由于该加和性，所以反射峰对应于透射阱。根据柔性阀瓣和观察者周围的环境(例如，安装和照明)条件，由观察者感知的颜色可以是反射颜色或互补的透射颜色。因此，透射测量和反射测量两者都可以用来表征柔性阀瓣的光学行为。对于谱带特性包括随角度的谱带偏移(即，颜色偏移)，任一测量类型都是适当的。由于取决于照明条件，观察者在一些角度下感知到柔性阀瓣的强镜面反射，而在其它视角不存在强镜面反射，所以通常发生“闪烁”。反射率的镜面分量的测量可以表征“闪烁”的能力。“闪烁”，即来自柔性阀瓣表面的光强度随视角增大而快速增大，随着柔性阀瓣的镜面反射量而增大。当表面远离光源而倾斜时，大部分漫反射表面多半将表现出颜色变深。在低镜面反射水平(例如，反射率的镜面分量为约5％-10％)下可见非常低水平的闪烁，但是可以优选至少20％的镜面反射率来实现适度的或更好的闪烁。对于强闪烁，可以优选至少40％、还更优选至少60％的镜面反射率。在所有这些情况下，镜面反射率应存在于可见谱带的至少一部分中(即，在400nm-750nm范围的一部分中)。
实例
闪烁测试
在珀金埃尔默公司(Perkin-Elmer)(马赛诸塞州沃尔瑟姆(Waltham,MA))的Lambda 950分光光度计中使用具有符合AST、DIN和CIE准则的150mm积分球的O/D几何结构测量反射光谱和透视光谱两者。对于透射测量，将柔性阀瓣样品放置于积分球的开孔前面。在进行透射测量之前，在样品未在适当位置时针对100％透射对设备进行校准，并且在光束被阻挡情况下针对0％透射再次进行校准。对于近入射角(即，8度)的反射测量，将样品放置在积分球的背面端口处，其中塞被取下。在反射测量之前，采用安装在背面端口处样品位置中的抛光铝反射NIST标准物(NBS 2024-第二表面反射镜镜面光谱反射)校准设备，并且另外在阻挡光束下实施第二校准。从而测得总反射率。然后针对从样品反射的镜面光束，通过取下端口来在相同样品上完成第二测量。由此，通过替代+/-6°光阱的此排除镜面的几何结构测得了关于8°反射角的镜面光束的漫射反射率分量。将光谱上反射率的镜面分量取作为这些总测量值和漫射分量测量值之间的差值。
谱带偏移测试
可以通过配备有通用反射附件(Universal Reflectance Accessory)的珀金埃尔默公司(马赛诸塞州沃尔瑟姆)的Lambda 950分光光度计实现偏离垂直的镜面反射测量。该绝对反射率技术允许在不同入射角下的可再现测量，该入射角偏离垂直高达约60度，而不需对分光光度计光学器件或样品位置进行任何手动调节。
在阀瓣处于运动状态时也可以进行谱带偏移测量。可以利用具有旋转样品镜台的定制系统来将柔性阀瓣以各种角度保持在光源和检测器之间。定制系统配备有作为光源的石英卤钨灯以使用D/O几何形状来测量样本透射率，该石英卤钨灯由稳定光源供电并且具有定制的4英寸SpectralonTM球(新罕布什尔州北萨顿市的蓝菲光学有限公司(Labsphere,Inc.,North Sutton NH))。使用了两个检测器，即用于可见光和近红外光(NIR)的硅电荷耦合设备(CCD)和用于NIR的其余部分的铟镓砷(InGaAs)二极管阵列。使用具有车尔尼特纳(Czerny-Turner)光路和单光栅的简单光谱仪在每个检测器上布光。这允许在380nm至1700nm的波长范围内以0度和60度之间变化的入射测量角对阀瓣样品进行光学透射测量。使用格兰汤普森(Glan-Thompson)偏振片来获得沿特定的柔性阀瓣取向方向的s偏振测量和p偏振测量。将柔性阀瓣膜安装成使得拉伸的主方向(所谓的“x”和“y”方向)沿旋转轴对齐(0度)以及垂直于此轴(90度)。以此方式，沿膜的y方向测量穿过柔性阀瓣膜的s偏振光的透射率，并且沿膜的x方向测量穿过柔性阀瓣膜的p偏振光的透射率。实例中的柔性阀瓣膜在平面内为近乎各向同性的，所以各种测量值通常表示穿过柔性阀瓣膜的s偏振透射率和p偏振透射率。同样，这些结果的平均值将提供穿过膜的非偏振光的透射率，非偏振光通常是在正常环境条件下由典型的观察者所观察到的。
将谱带偏移记录为可见光谱中谱带边缘的变化百分比。通常，若要人感知清楚的色移，在一些可利用视角下，可见光谱中谱带边缘的至少4％的相对偏移是需要的。例如，如果谱带边缘在垂直观察下为561nm并且在30度观察下为532nm，那么在此30度视角变化下相对偏移为5.1％。在一些情况下，根据谱带形状、谱带深度(相比基线颜色谱带的透射％变化或反射％变化)或可见光谱中谱带边缘的位置，在一些可利用的视角(例如，45度或60度)下10％或甚至15％的相对偏移是所期望的。
阀呼吸效率测试
呼气阀效率在呼吸器使用者所体验的舒适度中起着关键作用。在正弦呼吸周期期间穿过阀的总空气流量的百分比是此效率的量度。
从测量阀处于闭合时的3MTM8511呼吸器的压降性能来开始测量，从而产生流速作为压降的函数的曲线图。利用此数据，使用13.97厘米(cm)直径、暴露区域HD-2583玻璃纤维过滤器来产生压降的代用指标(proxy)，该过滤器可购自马萨诸塞州东威尔泊市的华盛顿街道112号(邮编02022)的贺林斯渥与佛斯公司(Hollingsworth&Vose,112WashingtonSt.,E.Walpole,MA 02022)，并且其被放置于直径为13.97cm且深3.81cm的垂直取向的室的保持器中。与此室同心的是长8.9cm、内径为3.81cm的管，该内径管通过T形交叉物将此室气动式地连接到高7.62cm且直径为10.16cm的第二室。此第二室的顶部表面与地面平齐，并且在盘中心具有21mm直径的端，从而形成了第二室的顶部表面。第二室的基部同心连接到长13.34cm且内径为5.08cm的管。在该管长度内为六边形铝网片，该网片具有3mm的六边形侧到侧距离和5cm的长度。当气流进入第二室时，六边形网片使穿过该管的气流准直。此空气入口管的顶部位于5cm以下，并且与平齐的顶部平面上的21mm直径的口同心。该测试方法针对完全相同的过滤介质来测试每个阀，使得测试变量仅限于该阀。
将阀安装到21mm的口处，并且密封基部以使得在阀基部周围没有泄露发生。经准直的空气穿过入口管，并且穿过阀和/或过滤介质离开。通过设定压降(ΔP)以及测量穿过系统的所得空气流量(Q)(L/min)来进行测量。对于单独的过滤介质来说在任何给定压降下的空气流量(Qf)是已知的：Qf＝15.333x+1.263，其中x为H2O的压降(mm)。针对阀和过滤系统测量在任何给定压降下的空气流量(QT)，并且两种测量值之间的差值允许测定在给定压降下的穿过阀的总百分比空气流量(Qv)：Qv＝QT-Qf。穿过阀的空气总体积的百分比可如下方式测定：
Figure BDA0000901316680000221
利用对夹具上的阀采集的数据，产生了包括流速(L/min)和在此流速下穿过阀的空气％的表。由EPA、PA/600/R-06/129F在2009年5月在第4-3和4-4页制作的记录呈现了关于男性和女性的平均每日换气速率的数据。就年龄为41岁至<51岁的男性而言，来自此组数据的最大平均每日值为14.54L/min。在此数据组中，所有其它平均值记录了较低的值。针对比较分析，将此平均值四舍五入达到15L/min。使用由Gupta,J.K、Lin,C.-H.和Chen,Q.2010,“Characterizing exhaled airflow from breathing and talking(对由呼吸和说话呼出的气流进行表征)，”Indoor Air(室内空气),20,31-39公布的基准，测出在15升/分钟(L/min)下呼吸速率为19次呼吸/分钟。利用15L/min和19次呼吸/分钟，针对在15L/min下呼吸的男性，使用以下方程来产生作为时间函数的流速：
Figure BDA0000901316680000222
其中47.12389为峰值流速＝π×呼吸率(15L/min)并且t为时间(s)。产生作为时间函数的流速的表，使用0.01s步阶，达到0.79s时的正弦曲线的峰值。将作为流速的函数的空气百分比拟合到多项式方程中，并且通过将对应于正弦方程的每0.01秒时间间隔的流速输入到作为流速的函数的空气百分比多项式中进而使用此方程来计算穿过阀的作为时间的函数的空气百分比。现在时间和流经阀的空气百分比之间存在一一对应。在每时间间隔即0.01s时，由正弦方程得出的总空气流量乘以穿过阀的空气百分比，得到穿过阀的空气体积(L/min)。作为时间的函数的空气的1/2正弦曲线的积分×2，得出在一个呼气周期过程中穿过系统的空气总体积(QT)。时间对穿过阀的空气流量的积分×2，产生在此相同呼吸周期中穿过阀的空气的总体积(Qv)。由此，使用
Figure BDA0000901316680000231
可以测定穿过阀的空气的总体积百分比。
实例1和1C
实例1和1C使用在授予Japuntich等人的美国专利5,325,892中所述的相同阀主体来测试两种不同的柔性阀瓣。实例1中的柔性阀瓣为35.6微米(μm)多层光学膜，该光学膜由112个PET和coPMMA的层对组成。在这35.6μm的厚度中，两个相等厚度的PET表层各自构成6.1μm，而膜中包含的224个光学层构成23.4μm。比较例1C使用常规的异戊二烯柔性阀瓣，该柔性阀瓣厚457μm，与‘892专利中报道的材料相同。针对实例1和实例1C，都使用阀呼吸效率测试来测定穿过阀的空气百分比。还针对闪烁和谱带偏移对阀进行测试。结果记录于以下表1中。
表1
1 比较例1C
闪烁 是 否
色移 是 否
穿过阀的总空气％ 25.7％ 13％
使用配备有通用反射附件的珀金埃尔默公司(马赛诸塞州沃尔瑟姆)的Lambda950分光光度计进行偏离垂直的镜面反射测量。在8度的近垂直入射角度下，实例1的柔性阀瓣在54％镜面反射情况下分别具有在599nm处的短波长谱带边缘和在697nm处的长波长谱带边缘。在这些谱带边缘之间，镜面反射率增加到高达97％镜面反射。在该谱带之外，镜面反射率降至约10％。两种谱带边缘都随着偏离垂直的角度增加而向低处偏移。短波长谱带边缘在30°、45°和60°下分别下降到561nm、524nm和489nm。因此，在30°、45°和60°下所得的谱带边缘的相对下降率分别为6.3％、12.5％和18.3％。对于比较例1C的柔性阀瓣，在可见光范围内的镜面反射在2％之下，因此也不存在镜面反射中的可识别的谱带边缘。
实例2
使用具有如在授予Martin等人的美国专利7,188,622中描述的弹性体密封表面的呼气阀。密封表面的硬度为30肖氏硬度A。当从侧面观察时，阀座具有由花键弯曲产生的稍微弯曲的密封表面形状，这导致在密封表面的远边缘即离安装平台最远的边缘和离安装平台最近的边缘之间产生254μm的高度差，离安装平台最近的边缘与安装平台处于相同的高度。阀使用了用于阀瓣的58.42μm厚的多层光学膜，并且具有如美国专利8,365,771和D676,527S中描述的阀盖。针对闪烁、谱带偏移和呼吸效率对阀进行测试。表2呈现对实例2进行的测量的结果。
表2
实例2
闪烁 是
色移 是
穿过阀的总空气％ 64.9％
实例3
如WO 2010/075357(Merrill等人)中总体描述的，由此处称为膜D的红色反射多层光学膜制成可用作本公开的柔性阀瓣的空间可设计的光学膜。膜D通过以下方式形成：共挤出大约300个交替的两种聚合物材料的层(其中一种聚合物含有选定浓度的红外吸收染料)，将挤出物浇铸到经淬火的幅材中，并且双轴拉伸此浇铸幅材以形成红色反射膜D。
为了制备膜D，将90/10mol％的第一共聚物，即所谓的PEN和PET亚单元的“90/10coPEN”(包含90mol％萘二甲酸酯、10mol％对苯二甲酸酯，如美国专利6,352,761(Hebrink等人)的实例1的羧酸酯)用于高折射率光学层。将第二共聚物，即EastmanTMCopolyester SA115B(可购自美国田纳西州金斯波特市的伊士曼化学公司(Eastman Chemicals,Kingsport TN USA))用于低折射率光学层。包含1重量％AmaplastIR-1050红外吸收染料(可购自佐治亚州亚特兰大市的色彩化学公司(ColorChem,AtlantaGA))的母料通过以下方式形成：研磨具有Solplus R730表面活性剂(可购自俄亥俄州克利夫兰市的路博润公司(Lubrizol,Cleveland OH))的Amaplast在乙二醇中的悬浮液并且将此悬浮液添加到反应容器中以制备90/10coPEN聚合物染料负载的母料。将该母料以对纯共聚物为1:3的重量比例引入到用于共挤出工艺的高折射率光学90/10coPEN树脂进料流中。将coPEN混合到大约150个高折射率层中，这些高折射率层与另外大约150个SA115B在低折射率层中的70％/30％混合物的层交替，这些光学层包含重量比例为约9:10的高折射率材料和低折射率材料。进料块内的共挤出层的外层为也包含SA115B的保护边界层(PBL)。这大约300个层形成了光学层组。PBL为此光学层组总流的约15重量％。将最终共挤出的表层对(包含90/10coPEN)以对光学层组为约6:5的总重量比例共挤出。将该挤出幅材淬火，加热到第一共聚物的玻璃化转变温度之上，在长度取向机中于辊上拉伸至约3.9的牵伸比，然后加热至大约125℃并在拉幅机中横向拉伸至约4的牵伸比。在拉伸之后在约238℃下对膜进行热定型并且将膜卷绕成卷。所得的光学膜D为大约53微米厚。
膜D通常在垂直观察时表现出青(透射的)颜色、向紫色偏移、并且在最高偏离垂直观察的角度下最终偏移到品红色。取决于照明，膜将在某些角度下闪出似金属铜的红色颜色(反射颜色)。如先前所述使用Lambda950(可购自马赛诸塞州沃尔瑟姆的珀金埃尔默公司)来测量膜D的镜面反射。将总反射率、漫射分量反射率和镜面分量反射率的典型光谱提供于可见谱带中呈图12a的曲线9001、9002和9003。在膜的两侧上进行反射测量，结果非常类似。呈现在图12a中的结果是光学叠堆的最靠近光源的最厚层的结果。图12a表明此材料的反射大多是镜面的。谱带内的反射远超过60％是镜面反射，超过90％的镜面反射在可见光谱的一部分中。
针对p偏振光和s偏振光使用上述谱带偏移测试在偏离垂直0度、30度和60度下进行透射测量，如分别在图12b和12c中所呈现的。在图12b中，曲线9004代表0度下的透射率，曲线9005代表30度下的透射率，并且9006代表60度下的透射率。并且在图12c中，曲线9007代表0度下的透射率，曲线9008代表30度下的透射率，并且9009代表60度下的透射率。对于此特定膜，两种偏振状态的随角度变化的谱带位置非常类似。在一种典型的测量中，可以将谱带边缘限定为通常被取作基线值和在相关中心部分内的平均谱带残余垂直透射率之间差值的50％的反射峰(透射阱)的边缘。使用s偏振数据，穿过该谱带的中心部分(在580nm和660nm之间)的残余透射为约6％。因此膜D的短波长谱带边缘和长波长谱带边缘(分别为λ1和λ2)分别为大约554nm和725nm。另选地，对于其中透射百分比从基线变化至少50％的强反射谱带，可以使用方便固定的透射％值作为谱带截止值以针对特定的给定膜在不同视角条件之间作比较。在该实例中，在20％透射下选定谱带截止透射率。因此，使用s偏振数据和p偏振数据两者，近似谱带边缘被取作为561nm和701nm。
使用p偏振数据，针对这些膜使用20％谱带透射计算出的短波长谱带边缘和长波长谱带边缘为：对于0度的视角为561nm和701nm，对于30度的视角为532nm和673nm，并且对于60度的视角为473nm和609nm。因此另外例如在30度下，短波长谱带边缘中的偏移百分比为5.1％。
膜D经激光图案化为自立式、非层压的膜。为了减少处理期间的褶皱以及提供散热器(否则可能已由层压涂层提供)，将膜放置在镜面磨光的金属板上，并且将板和膜D都定位在真空镜台(可购自新泽西州纽顿的索雷有限公司(Thorlabs-Inc.,Newton,NJ))上以将层压体D抵靠板表面紧紧固定。然后将玻璃板(例如，显微镜载片)放置在膜的顶部以进一步减少褶皱。然后将膜D暴露于来自具有1064nm波长的20W脉冲纤维激光(由英国南安普敦的SPI激光器公司(SPI Lasers,Southhampton,UK)制造)的辐射，以便通过hurrySCAN//14检流计扫描仪(德国普赫海姆的施肯拉公司(SCANLAB AG,Puccheim,DE))选择性地图案化并且由针对1064nm设计的F-θ透镜(德国文德尔施泰的希尔光学有限公司(Sill Optics GmbH,Wendelstein,DE))聚焦。暴露图案对应于所期望的标记，在这种情况下为以连续行书写的“3M”和“N95”。图案为光栅扫描的图像，使得激光光束在图案的左上角处开始；该光束以线性路径行进到图案的最远右边缘；将激光功率设定为0直到扫描器被设定回到恰好在最后扫描下方的左边缘；然后重新开启激光功率以便继续以相同方式行进直到整个图案完成。在扫描期间将最大平均激光功率值设定为3.5W，如通过热电堆传感器(LabMax-TOP，加利福尼亚州圣克拉拉市的Coherent公司(Coherent,Inc.,Santa Clara,CA))测得的。另外的处理条件为500,000Hz的脉冲重复率、9ns的脉冲持续时间和250mm/s的线性扫描速率。为了减小出现表面缺陷诸如炭化和分层的趋势，将镜台设定成使得金属板和膜D的接触表面在F-θ透镜焦点前面的大约5.5mm处，使得有效的激光光束直径为大约130微米。
激光处理的结果是，图案化的部分几乎是透明的，只是带有一些残余颜色。具体地说，与深青颜色的未图案化膜相比，图案化的部分表现出呈稍微残余青色调的标记图案“3MN95”。
在不脱离本公开的实质和范围的前提下，可对本公开进行各种修改和更改。因此，本发明并不局限于上述实施例，而是受下述附权利要求及其任何等同物中提及的限制的约束。
本公开还可在不存在本文未具体公开的任何要素的情况下以适当方式实施。
上面引用的所有专利和专利申请，包括在背景技术章节中的那些，都以引用方式全部并入到本文中。当在此类并入的文件中的公开内容与上述说明书之间存在冲突或差异时，应以上述说明书为准。

Claims (18)

1.一种呼吸器，所述呼吸器包括：
带具；
面罩主体；和
呼气阀，所述呼气阀包括：
阀座；和
与所述阀座接合的柔性阀瓣，其中所述柔性阀瓣表现出谱带偏移以使所述柔性阀瓣在从闭合位置移动到打开位置或者从打开位置移动到闭合位置时闪烁。
2.根据权利要求1所述的呼吸器，其中所述呼气阀还包括阀盖，所述阀盖足够透明以允许透过所述阀盖的实心部分看到所述闪烁。
3.根据权利要求1所述的呼吸器，其中所述柔性阀瓣包括镜面反射膜。
4.根据权利要求1所述的呼吸器，其中所述柔性阀瓣在其上具有标记，所述标记是在不使所述柔性阀瓣扭曲或翘曲的情况下通过在所选择的区域处改变所述柔性阀瓣的镜面反射而产生的。
5.根据权利要求1所述的呼吸器，其中所述柔性阀瓣包括谱带偏移膜。
6.根据权利要求5所述的呼吸器，其中所述谱带偏移膜附接到所述柔性阀瓣的外表面。
7.根据权利要求5所述的呼吸器，其中所述谱带偏移膜包括多层聚合物膜。
8.根据权利要求7所述的呼吸器，其中所述多层聚合物膜包括着色的反射镜。
9.根据权利要求7所述的呼吸器，其中所述多层聚合物膜包括偏振片。
10.根据权利要求1所述的呼吸器，其中所述柔性阀瓣包括漫反射光学膜。
11.一种呼吸器，所述呼吸器包括：
面罩主体；
带具，所述带具附接到所述面罩主体；和
呼气阀，所述呼气阀包括阀座和与所述阀座接合的柔性阀瓣，其中所述柔性阀瓣包括附接到所述柔性阀瓣的外表面的谱带偏移膜，所述谱带偏移膜使所述柔性阀瓣在从闭合位置移动到打开位置或者从打开位置移动到闭合位置时闪烁。
12.根据权利要求11所述的呼吸器，其中所述谱带偏移膜包括多层聚合物膜，所述多层聚合物膜包括交替的第一聚合物层和第二聚合物层。
13.根据权利要求12所述的呼吸器，其中所述多层聚合物膜包括着色的反射镜。
14.根据权利要求12所述的呼吸器，其中所述多层聚合物膜包括偏振片。
15.根据权利要求11所述的呼吸器，其中所述谱带偏移膜设计为提供可见标记。
16.根据权利要求15所述的呼吸器，其中所述标记是在不使所述谱带偏移膜扭曲或翘曲的情况下通过在所选择的区域处改变所述谱带偏移膜的镜面反射而产生的。
17.根据权利要求11所述的呼吸器，其中所述谱带偏移膜包括漫反射光学膜，所述漫反射光学膜包括双折射的连续相和分散相。
18.根据权利要求17所述的呼吸器，其中所述谱带偏移膜包括第一区和第二区，其中所述第二区包括可见标记，并且进一步地，其中所述第二区的双折射率小于所述第一区的双折射率。
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