CN110088595A - 用于同时实时麻醉剂和呼吸气体浓度检测和测量信号处理的具有集成多光谱镶嵌带通滤波器/聚焦透镜阵列的微测辐射热计焦平面阵列 - Google Patents
用于同时实时麻醉剂和呼吸气体浓度检测和测量信号处理的具有集成多光谱镶嵌带通滤波器/聚焦透镜阵列的微测辐射热计焦平面阵列 Download PDFInfo
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Abstract
一种气体监测装置(10)识别目标麻醉剂或呼吸气体种类并确定其浓度。气体监测器包括多光谱镶嵌滤波器和透镜阵列(12)、复合热感测焦平面阵列(26)和信号处理器(32)。所述镶嵌滤波器和透镜阵列(12)包括分别具有设置在相邻透镜结构和/或滤波器元件之间的第一表面(20)和/或第二表面(24)上的图案化热反射金属沉积层(18、22)的透镜结构(14)和长波红外(IR)带通滤波器元件(16)的2D阵列。复合焦平面阵列(26)包括多个个体热感测焦平面阵列(28)，其具有输出相应的感测通道数据(36)的集成的读出集成电路(ROIC)。所述信号处理器(32)接收感测通道数据输出(36)，并基于在逐帧基础和/或图像堆叠基础上对吸收信号的过采样来生成指示目标气体的标识(50)和/或浓度(52)的输出。
Description
技术领域
本实施例总体上涉及麻醉剂和呼吸气体监测，并且更具体地涉及用于目标麻醉剂或呼吸气体种类的实时同时识别和浓度确定的麻醉剂和呼吸气体监测装置和方法。
背景技术
在一种用于识别目标气体的现有已知方法中，该方法利用多表面镜来产生沿不同方向行进的若干红外(IR)光束，每个IR光束行进到具有一个热检测器的带通滤波器。可以并行地且实时地分析N种气体，但每个数据通道仅使用一个检测器。然而，已知的方法遭受低信号分辨率，低信噪比测量值以及信号的IR光束损耗的问题。信号的IR光束损耗是由于通过在检测器处看到的N面镜子对总入射IR光束能量的拆分造成的。镜子面越多，在检测器处的信号越少。此外，监测多达四种或六种气体可能是使用多面镜的这种分光束技术的限制。
因此，期望一种用于克服现有技术中的问题的改进的方法和装置。
发明内容
根据一个实施例，一种麻醉剂和呼吸气体监测装置适于(i)识别目标麻醉剂或呼吸气体种类并且(ii)确定所识别的目标麻醉剂或呼吸气体种类的浓度。所述装置包括：多光谱镶嵌滤波器和透镜阵列；复合热感测焦平面阵列，其包括具有集成的读出集成电路的多个个体热感测焦平面阵列；以及信号处理器。
所述多光谱镶嵌滤波器和透镜阵列包括透镜结构和长波红外(IR)带通滤波器元件的二维阵列，其被配置为接收宽带红外(IR)能量光束并将所接收的宽带IR能量光束聚焦和光谱滤波成多个聚焦和光谱滤波的IR光束锥。所述镶嵌滤波器和透镜阵列还包括以下中的至少一个：(i)设置在至少在相邻透镜结构之间的第一表面上或覆盖在所述第一表面上的图案化热反射金属沉积层；以及(ii)设置在至少在相邻滤波器元件之间的第二表面上或覆盖在所述第二表面上的图案化热反射金属沉积层。
所述复合热感测焦平面阵列包括具有集成的读出集成电路的多个个体热感测焦平面阵列。为所述镶嵌滤波器和透镜阵列的成对的透镜结构和滤波器元件中的每个相应的成对的透镜结构和滤波器元件提供至少一个个体热感测焦平面阵列。所述多个聚焦和光谱滤波的IR光束锥中的每个由相应的个体热感测焦平面阵列接收，并且响应于接收到聚焦和光谱滤波的IR光束，对应的个体热感测焦平面阵列的每个相应的集成的读出集成电路(ROIC)输出相应的感测通道数据。
所述信号处理器可操作地耦合以接收对应的个体热感测焦平面阵列的每个相应的集成的读出集成电路(ROIC)的感测通道数据输出。所述信号处理器还适于基于在(i)逐帧基础以及(ii)所述感测通道数据输出的图像堆叠基础中的至少一个或多个上对吸收信号的过采样来生成指示选自包括一种或多种麻醉剂和呼吸气体种类的组的目标气体的标识和浓度中的至少一个的输出信号。
根据另一实施例，所述图案化热反射金属层包括金、铂、钛、钯、镍、铝或其任何组合中的至少一种。所述图案化热反射金属层被配置为(i)创建窗框(即，串扰最小化结构)作为最小化所述复合热感测焦平面阵列的相应的热感测焦平面阵列以及所述镶嵌滤波器和透镜阵列的成对的透镜结构滤波器元件的相邻通道之间的串扰的孔径。所述图案化热反射金属层还被配置为(ii)在所述相邻通道之间创建相应的热暗区。在另一实施例中，相邻通道之间的所述热暗区在所述复合热感测焦平面阵列的相应的热感测焦平面阵列上形成暗像素以用于结合改进的信噪比性能在与从光信号对暗信号的基线减法中使用。
在另一实施例中，所述装置包括其中所述长波IR带通滤波器被配置用于使延伸到包括从2μm至15μm的波长的中波红外波长中的长波红外波长通过。在另一个实施例中，所述装置包括其中所述镶嵌滤波器和透镜阵列的每个IR滤波器元件包括具有对要监测的对应的至少一种或多种目标麻醉剂或呼吸气体种类独特的中心波长(λc)的不同的窄带通滤波器。在又一实施例中，所述装置包括其中所述镶嵌滤波器和透镜阵列的各自具有不同的中心波长(λc)的两个或更多个IR滤波器元件用于在监测至少一种或多种目标麻醉剂或呼吸气体种类中的每种中的加法测量。
根据另一实施例，所述装置还包括其中所述复合热感测焦平面阵列的每个个体阵列被配置有对相应的个体热感测焦平面阵列独特的增益、偏置电压和帧率。另外，所述复合热感测焦平面阵列的至少两个个体热感测焦平面阵列中的每个的传感器材料彼此不同。此外，所述传感器材料包括选自包括氧化钒(VO)和非晶硅(a-Si)的组的一种。
在又一实施例中，所述装置包括其中具有集成的读出集成电路的所述个体热感测焦平面阵列包括选自包括微测辐射热计、热电堆和热电、热敏电阻或生物材料微悬臂梁热传感器的组的二维阵列。另外，所述一种或多种麻醉剂和呼吸气体种类包括选自包括二氧化碳、一氧化二氮、安氟醚、氟烷、异氟烷、地氟醚和七氟醚的组的种类。在另一实施例中，针对所述IR滤波器元件中的每个的中心波长和波长带宽被选择用于独特地识别要(i)被供应给对象、(ii)从对象接收、或者(iii)被供应给对象并从对象接收的气体混合物中的多种不同气体种类中的每种。另外，不同气体种类、中心波长和波长带宽的组合分别包括选自包括以下的组的两种或更多种：(i)二氧化碳，14.925μm和670cm-1，(ii)一氧化二氮，16.949μm和590cm-1，(iii)安氟醚，7.326μm和1365cm-1，(iv)氟烷，12.500μm和800cm-1，(v)异氟烷，8.25μm和1212cm-1，(vi)地氟醚，8.456μm和1182.5cm-1，以及(vii)七氟醚，9.615μm和1040cm-1。
根据又一实施例，所述装置包括其中基于在(I)逐帧基础和(II)针对相应的热感测焦平面阵列的所述感测通道数据输出的图像堆叠基础中的所述至少一个或多个上对所述吸收信号的所述过采样来生成所述目标气体的标识和浓度中的至少一个包括：(i)在不存在对应于暗帧的任何施加的热源能量的情况下，创建所述相应的热感测焦平面阵列的像素阵列的第一像素图，并确定呈现出太高值以至于不能提供任何有用动态范围的坏像素，(ii)在存在施加的热源能量的情况下创建所述像素阵列的第二像素图，并确定呈现出太低值以至于不能提供任何有用动态范围的非响应像素，(iii)在所述相应的热感测焦平面阵列的光谱光路中不存在吸收气体的情况下，通过施加热源能量并减去暗像素数据并排除所确定的坏像素来确定所述像素阵列的差分基线，其中，所述差分基线提供根据所述像素阵列的每个有效有用像素的偏移校正，(iv)在光谱路径中存在吸收气体的情况下，通过响应于在所述光谱路径中存在所述吸收气体而将与出现在所述像素阵列上的热能减少的斑点区域相关联的像素值相加来计算体积积分，以及(v)在所述光谱路径中存在所述吸收气体的情况下，从所计算的体积积分中减去针对所述暗帧的相同斑点区域的所计算的体积积分，以产生针对偏移错误和坏像素校正的与气体浓度成比例的差分信号的值。
在阅读和理解以下详细描述后，优点和益处将对于本领域普通技术人员变得显而易见。
附图说明
本公开的实施例可以采用各种部件和部件的布置以及各种步骤和步骤的安排的形式。因此，附图是出于说明各种实施例的目的，而不应被解释为限制实施例。在附图中，类似的附图标记表示类似的元件。另外，应注意，附图可能未按比例绘制。
图1是根据本公开的实施例的气体监测装置的多光谱镶嵌滤波器和透镜阵列的透视图，该多光谱镶嵌滤波器和透镜阵列包括具有覆盖其第一表面的反射金属沉积物的透镜结构和长波红外(IR)带通滤波器元件的二维阵列；
图2是根据本公开的实施例的具有覆盖其与第一表面相对的第二表面的反射金属沉积物的图1的多光谱镶嵌滤波器和透镜阵列的透视图；
图3是根据本公开的实施例的气体监测装置的多光谱镶嵌滤波器和透镜阵列以及复合热感测焦平面阵列的分解透视图；
图4是根据本公开的实施例的通过气体监测装置的插入器结合到信号处理晶片的传感器晶片的示意性表示图；
图5是根据本公开的实施例的气体监测装置的示意性表示视图，示出了多光谱镶嵌滤波器和透镜阵列以及复合热感测焦平面阵列的横截面；
图6是根据本公开的另一实施例的气体监测装置的示意性视图，示出了多光谱镶嵌滤波器和透镜阵列以及复合热感测焦平面阵列的横截面；
图7是根据本公开的实施例的具有可以用于计算总吸收值的多于一个吸收峰的目标气体的吸收光谱的曲线图视图，其中，气体监测装置包括以期望的相应的一个或多个吸收峰中的每个为中心的对应的带通滤波器；
图8是根据本公开的实施例的收集和处理的具有圆锥形状的个体热感测焦平面阵列的感测通道数据的一个示例的图形标绘视图。
图9是根据本公开的实施例的具有表示气体种类的5％浓度的圆锥形状的个体热感测焦平面阵列的感测通道数据的示例的图形标绘视图。
图10是根据本公开的实施例的具有表示气体种类的10％浓度的圆锥形状的个体热感测焦平面阵列的感测通道数据的示例的图形标绘视图。
图11是根据本公开的实施例的针对目标气体种类的个体热感测焦平面阵列的感测通道数据和吸收峰的边界的代表性视图；
图12是针对图11的吸收峰边界内的目标气体种类的个体热感测焦平面阵列的感测通道数据的图形标绘视图；以及
图13是根据本公开的实施例的用于监测麻醉剂和呼吸气体的方法的流程图，该方法适于(i)识别目标麻醉剂或呼吸气体种类并且(ii)确定所识别的目标麻醉剂或呼吸气体种类的浓度。
具体实施方式
参考在附图中描述和/或示出并在以下描述中详述的非限制性示例，更充分地解释本公开的实施例及其各种特征和有利细节。应当注意，附图中示出的特征不一定按比例绘制，并且如技术人员将认识到的，一个实施例的特征可以与其他实施例一起使用，即使这里未明确说明。可以省略对公知部件和处理技术的描述，以免不必要地模糊本公开的实施例。这里使用的示例仅旨在便于理解可以实践本发明的实施例的方式，并且进一步使得本领域技术人员能够实践本发明的实施例。因此，本文的示例不应被解释为限制本公开的实施例的范围，本公开的实施例的范围仅由所附权利要求和适用法律限定。
应当理解，本公开的实施例不限于本文描述的特定方法、协议、设备、装置、材料、应用等，因为这些可以变化。还应理解，本文使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，并不意图限制所要求保护的实施例的范围。必须注意的是，如本文和所附权利要求中所使用的，单数形式“一”、“一个”和“所述”包括复数指代物，除非上下文另有明确说明。
另外，除非另外定义，否则本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开的实施例所属领域的普通技术人员通常理解的含义相同的含义。描述了优选的方法、设备和材料，但是与本文描述的那些类似或等效的任何方法和材料可以用于实施例的实践或测试。
结合本公开的各种实施例，当今的低成本微测辐射热计具有从80乘60开始的像素计数，总共4800个像素。每个像素元件是由氧化钒或非晶硅制成的温度敏感电阻材料。曾经专门用于军事应用中的微测辐射热计现已在商业领域得以建立，因此大大降低了成本。与可见CMOS图像传感器市场一样，预计随着产量的增加，每单位成本的降低，微测辐射热计的像素数和灵敏度将不断提高。随着像素数量的增加和灵敏度的提高，更多的信号处理机会变得明显。如本文将理解的，通过具有N×N多光谱镶嵌滤波器和透镜阵列并且具有与每个滤波器和透镜阵列元件相关联的对应的微测辐射热计的X×Y数量的像素，可以有利地执行对数据的过采样。
与现有技术不同，在现有技术中，每个气体种类检测使用一个热检测器或像素元件，本发明的实施例有利地利用微测辐射热计像素检测器的阵列，即两个或更多个数量级的检测器，因此，大大提高了检测能力，统计上提高了测量分辨率，以及麻醉呼吸气体浓度测量的信噪比。作为示例，具有4800个使用3×3多光谱镶嵌滤波器和透镜阵列矩阵的像素元件的80乘60像素微测辐射热计对于每个滤波器元件将具有533个像素，因此提供信息的533个并行数据通道。类似地，对于80乘80像素的微测辐射热计，每个滤波器元件将有711个像素，因此提供感测长波红外信息的711个并行数据通道。只要灵敏度保持不变，每个滤波器元件的像素数的增加，以及因此过采样的增加和并行数据通道的数量的增加，有利地允许改进根据本公开的实施例的气体监测装置的信噪比和气体检测/浓度测量性能。进一步根据本公开的实施例，用于确定目标气体的气体浓度的算法单元包括使用以下中的一个或多个：(i)来自连续捕获的帧的逐像素数据和/或利用暗基线减法的逐帧平均，(ii)吸收峰区域边界检测以确定子像素阵列，以及(iii)根据捕获的微测辐射热计帧数据对来自子像素阵列的检测到的吸收峰的3D体积积分计算，表示针对已知的气体浓度校准值的未知气体浓度。
如本文将理解的，假定微测辐射热计阵列的每个像素包括检测器，则本公开的实施例有利地对于每个数据通道使用数十至数百或数千个检测器。实施例还利用根据每个数据通道的过采样。通过过采样，可以对每个数据通道进行更精细的测量，从而有利地通过统计和/或信号处理算法得到更高的信噪比和改进的分辨率。
现在参考图1，示出了根据本公开的实施例的气体监测装置10(图5)的多光谱镶嵌滤波器和透镜阵列12的透视图，该气体监测装置适于(i)识别目标麻醉剂或呼吸气体种类并且(ii)确定所识别的目标麻醉剂或呼吸气体种类的浓度。镶嵌滤波器和透镜阵列12被配置为接收宽带红外(IR)能量光束并且将所接收的宽带IR能量光束聚焦和光谱滤波成多个聚焦和光谱滤波的IR光束锥，如将在本文中进一步讨论的。仍然参考图1，镶嵌滤波器和透镜阵列12包括透镜/滤波器封装基板11，其包括与长波(LW)红外(IR)带通滤波器元件161-N(图2)一体并具有覆盖在其基板11的第一表面20上的反射金属沉积物18的透镜结构141-N的二维阵列。注意，多光谱镶嵌滤波器和透镜阵列12在本文中也可称为LWIR滤波器阵列镶嵌。透镜结构141-N可以包括例如平凸透镜的阵列，每个滤波器元件161-N一个透镜，其使用本领域已知的任何(一个或多个)合适的多芯片模块和/或光学部件模块制造和/或封装技术形成在透镜/滤波器封装基板11内。在另一实施例中，透镜结构可以包括根据给定气体监测实施方案的要求而选择的其他类型的透镜结构。注意，仅出于解释的目的，如在本文的公开中使用的N的值是表示等于数字9的多数的整数。N的其他值也是可能的。
另外，长波IR带通滤波器161-N中的每个可以包括任何合适的滤波器，其被配置用于使延伸到中波红外波长中的期望的长波红外波长通过。优选地，期望的波长在从2μm至15μm的波长范围内。此外，镶嵌滤波器和透镜阵列12的每个LWIR滤波器元件161-N可以包括具有对要监测的期望的多种目标麻醉剂或呼吸气体种类中的一种或多种独特的适当选择的中心波长(λc)的不同的窄带通滤波器。在一个实施例中，带通滤波器包括施加在镶嵌滤波器和透镜阵列12的表面上的合适的滤波器涂层。不同的窄带通滤波器的阵列可以包括使用对给定目标气体种类独特的多个中心波长，如将在本文中进一步讨论的。在后一种情况下，各自具有不同的中心波长(λc)的两个或更多个IR滤波器元件161-N可以用于在监测至少一种或多种目标麻醉剂或呼吸气体种类中的每种中的加法测量。
仍然参考图1，反射金属沉积物18包括设置在至少在相邻透镜结构141-N之间的透镜/滤波器封装基板11的第一表面20上或覆盖在该第一表面上的图案化热反射金属沉积层。可以使用本领域已知的合适的金属沉积和图案化技术来完成热反射金属沉积物18的沉积和图案化。图案化热反射金属层可包括金、铂、钛、钯、镍、铝或其任何组合中的至少一种。另外，图案化热反射金属层18被配置为创建窗框或串扰最小化窗口结构。窗口被配置为用作最小化复合热感测焦平面阵列26(图3)的相应的热感测焦平面阵列281-N以及镶嵌滤波器和透镜阵列12的成对的透镜结构和滤波器元件(分别为141-N和161-N)的相邻通道之间的任何潜在串扰的孔径。层18的窗框或串扰最小化窗口结构还被配置为在相邻通道之间创建相应的热暗区。相邻通道之间的热暗区在复合热感测焦平面阵列的相应的热感测焦平面阵列上形成暗像素以用于结合改进的信噪比性能在与从光信号对暗信号的基线减法中使用，如下文将进一步讨论的。
现在参考图2，示出了具有覆盖透镜/滤波器封装基板11的与第一表面20相对的第二表面24的反射金属沉积物22的图1的多光谱镶嵌滤波器和透镜阵列12的透视图(上下颠倒)。在一个实施例中，反射金属沉积物22包括设置在至少在相邻滤波器元件161-N之间的第二表面24上或覆盖该第二表面的图案化热反射金属沉积层。图案化热反射金属层22可以包括金、铂、钛、钯、镍、铝或其任何组合中的至少一种。类似于图1的反射金属沉积物层18，层22也可以被配置为创建窗框或串扰最小化窗口结构。换句话说，图案化反射金属沉积物18和22单独地或组合地各自有利地形成消除和/或显著减少透镜/滤波器结构和焦平面感测阵列的相邻光学通道之间的不期望的串扰的窗框或串扰最小化窗口结构。
现在转到图3，示出了根据本公开的实施例的气体监测装置10(图5)的多光谱镶嵌滤波器和透镜阵列12以及复合热感测焦平面阵列(FPA)26的分解透视图。使用本领域已知的任何(一种或多种)合适的多芯片模块制造和/或封装技术形成在多芯片模块封装基板25内的复合热感测焦平面阵列26包括具有集成的读出集成电路(未示出)的多个个体热感测焦平面阵列281-N，其中N等于整数。在图3的图示中，镶嵌滤波器和透镜阵列12包括采用3×3阵列的九个滤波器元件。类似地，复合热感测FPA 26包括采用3×3阵列的相应的对应九个热感测FPA。在一个实施例中，具有集成的ROIC的个体热感测FPA 281-9包括微测辐射热计。具有一体的平凸透镜的九个滤波器元件镶嵌滤波器阵列(每个滤波器元件一个透镜)被安装在微测辐射热计281至289的复合热感测FPA 26上方给定距离或间隔处。根据给定实施方式的特定要求，确定透镜/滤波器封装基板11的镶嵌滤波器和透镜阵列12与多芯片模块封装基板25的复合热感测FPA 26之间的距离或间隔。在另一实施例中，具有集成的读出集成电路的个体热感测焦平面阵列281-N包括选自包括微测辐射热计、热电堆和热电、热敏电阻或生物材料微悬臂梁热传感器的组的二维阵列。应注意，微测辐射热计、热电堆和热电、热敏电阻或生物材料微悬臂梁热传感器在本领域中通常是已知的，因此这里不再进一步讨论。
在一个实施例中，在多芯片封装模块基板25中为封装基板11中的镶嵌滤波器和透镜阵列12中的成对的透镜结构和滤波器元件(分别为141-N和161-N)中的每个相应的成对的透镜结构和滤波器元件提供一个个体热感测焦平面阵列281-N。另外，多个聚焦和光谱滤波的IR光束锥中的每个由相应的个体热感测焦平面阵列281-N接收(例如，经由相应的FPA281-N上的斑点301-N示出)。换句话说，镶嵌滤波器和透镜阵列12中的每个透镜将窄带宽的LWIR能量传递到其正下方的对应的个体微测辐射热计FPA传感器元件，从而创建聚焦的LWIR能量的圆形斑点。斑点的大小优选足够大以利用微测辐射热计阵列传感器元件的尽可能多的表面积，但不包括整个区域，使得聚焦斑点外的区域具有可以用于基线减法的留在暗中的像素。
每个微测辐射热计阵列传感器元件可以是任何n×n尺寸，例如具有900个传感器元件的30×30像素传感器，或者甚至是诸如具有6400像素传感器的80×80的大数量级。如图3所示，镶嵌滤波器阵列元件147将对应的斑点307聚焦到微测辐射热计阵列传感器元件287的表面上，并且斑点尺寸小于传感器阵列287的总表面积。也就是说，可能只有50％暴露于红外能量。由于镶嵌滤波器和透镜阵列12上的热反射金属沉积物18，传感器阵列287的剩余未暴露区域处于暗(即，热暗)中。有利地，这些暗像素可以用于信号处理，例如基线减法。同样地，相邻微测辐射热计阵列传感器元件编号284、285和288各自具有它们自己的红外能量的聚焦斑点(分别为304、305和308)，其给定波长由镶嵌滤波器和透镜阵列12的对应的滤波器(分别为164、165和168)确定。换句话说，由于镶嵌滤波器和透镜阵列12上的金属化(即，热反射金属沉积物18)，在所有相邻微测辐射热计传感器阵列元件之间存在暗区。响应于接收到聚焦和光谱滤波的IR光束，对应的个体热感测焦平面阵列281-N的每个相应的集成的读出集成电路(ROIC)(未示出)输出相应的感测通道数据，如将在本文中参考图5进行讨论的。
根据一个实施例，根据给定气体监测应用的要求，复合热感测焦平面阵列26的每个个体阵列281-N可以被配置有对相应的个体热感测焦平面阵列独特的增益、偏置电压和帧率。另外，复合热感测焦平面阵列26的至少两个个体热感测焦平面阵列281-N中的每个的传感器材料可以彼此不同。例如，传感器材料可包括氧化钒(VO)或非晶硅(a-Si)。其他传感器材料也是可能的。
仍然参考图3，多芯片模块封装基板25内的复合热感测焦平面阵列26以及因此个体热感测焦平面阵列281-N的ROIC经由插入器34物理地且可操作地耦合到信号处理单元或信号处理器32。插入器34包括信号线通孔36(见图5)，用于将复合热感测焦平面阵列26的给定热感测焦平面阵列161-N的ROIC的信号输入和/或输出可操作地与信号处理器32耦合(见图5)。图4示出了包含通过插入器晶片/基板42结合到信号处理晶片或多芯片模块基板40的多个复合热感测焦平面阵列的传感器晶片或多芯片模块基板38的示意性表示视图。晶片、基板和/或多芯片模块结合技术在本领域中是已知的，因此这里不再进一步讨论。
在一个实施例中，每个微测辐射热计阵列传感器元件可以制造在相同的半导体管芯上或单独的半导体管芯(例如，一个硅管芯或多个管芯)上。例如，互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺可以用于为每个微测辐射热计传感器阵列元件28创建电路。此外，微机电系统(MEMS)制造工艺可用于创建对应的复合热感测焦平面阵列26。读出集成电路(ROIC)或读出电路将是每个微测辐射热计传感器阵列元件的一部分，其可以在相同的半导体管芯或单独的管芯上。为了能够突破来自每个微测辐射热计传感器阵列元件的电信号，第二硅晶片将被结合到包含微测辐射热计阵列元件的晶片或基板。该第二晶片将用作插入器以允许信号到达被周边上的其他微测辐射热计传感器阵列元件(例如图3的传感器281、282、283、284、286、287、288和289)包围的微测辐射热计阵列元件处。在图3的图示中，传感器285将无法在不使用其下方的插入层的情况下连接到外部电子设备。CMOS制造工艺，例如通过硅通孔(TSV)、硅中介层(SiIP)和MEMS制造工艺，例如，芯片到芯片、芯片到晶片和直接结合互连(DBI)，通常是本领域中众所周知的，并且本文没有进一步讨论。
现在转向图5，示出了根据本公开的实施例的气体监测装置10的示意性表示视图，其包括多光谱镶嵌滤波器和透镜阵列12以及复合热感测焦平面阵列26的横截面。在多光谱镶嵌滤波器和透镜阵列12的横截面中，名称BPF/透镜4、BPF/透镜5和BPF/透镜6分别对应于图3的成对的透镜结构和滤波器元件(144,164)、(145,165)和(146,166)。成对的透镜结构和滤波器元件(144,164)、(145,165)和(146,166)分别在成对的透镜结构和滤波器元件封装基板11内相对于彼此设置。在图5的实施例中，示出了覆盖镶嵌滤波器/透镜阵列12的第一表面的热反射金属沉积物18。此外，仍然参考图5，多芯片模块封装基板25的复合热感测焦平面阵列26的横截面包括分别对应于图3的热感测焦平面阵列304、305和306的名称FPA 4、FPA5和FPA 6。图5的气体监测装置10还包括信号处理器3，如下文将进一步讨论的。应当注意，在合适的情况下，这里参考图5的讨论也适用于图5中未示出但在图1-3中示出的成对的透镜结构和滤波器元件以及热感测焦平面阵列。
图5的气体监测装置10适于(i)识别目标麻醉剂或呼吸气体种类并且(ii)确定所识别的目标麻醉剂或呼吸气体种类的浓度。成对的透镜结构141-N和长波红外(IR)带通滤波器元件161-N的二维阵列12被配置为接收从要确定其标识和浓度的一种或多种目标气体的云46发出的宽带红外(IR)能量光束44。成对的透镜结构和滤波器元件(144,164)、(145,165)和(146,166，)分别将所接收的宽带IR能量光束44聚焦并光谱滤波成多个聚焦和光谱滤波的IR光束锥，其共同地经由附图标记48来指示，分别用484、485和486来进一步指示。响应于接收到聚焦和光谱滤波的IR光束，对应的个体热感测焦平面阵列(例如，FPA 4、FPA 5和FPA6)的每个相应的集成的读出集成电路(ROIC)输出相应的感测通道数据。如本文中之前所指示的，信号线36(或通孔)将复合热感测焦平面阵列26的给定热感测焦平面阵列(例如，FPA4、FPA 5和FPA 6)的每个ROIC(未示出)的信号输入/输出可操作地与信号处理器32耦合。
仍然参考图5，信号处理器32可操作地耦合以至少接收对应的个体热感测焦平面阵列(例如，FPA 4、FPA 5和FPA 6)的每个相应的集成的读出集成电路(ROIC)的感测通道数据输出。信号处理器32适于生成指示以下中的至少一个的输出信号：至少一种目标气体的标识，例如，经由(一个或多个)气体标识输出50，以及至少一种目标气体的浓度，例如，经由(一个或多个)气体浓度输出52。输出50和52可以包括用于传送对应于一个气体标识和/或多个气体标识以及一个气体浓度和/或多个气体浓度的信号、数据和/或信息中的一个或多个的任何合适的输出。例如，输出可以被提供给通风系统(未示出)或其他类型的气体检测/监测系统，其被配置为使用与(一个或多个)气体标识和/或(一个或多个)气体浓度相对应的信号、数据和/或信息。至少一种目标气体选自包括一种或多种麻醉剂和呼吸气体种类的组。另外，信号处理器32被配置为基于在(i)逐帧基础和(ii)感测通道数据输出的图像堆叠基础中的至少一个或多个上对吸收信号的过采样来识别至少一种目标气体，如本文进一步讨论的。
根据一个或多个实施例，信号处理器32包括以下中的一个或多个：微处理器、微控制器、现场可编程门阵列(FPGA)、集成电路、离散模拟或数字电路部件、硬件、软件、固件或其任何组合，用于进一步根据给定的气体监测装置实施方式和/或应用的要求执行如本文所述的各种功能。信号处理器32还可以包括用于执行一个或多个算法和/或用于执行各种功能的各种模块中的一个或多个，如本文所讨论的。这里参考附图提供了关于信号处理器32和相关算法的额外细节。
在一个实施例中，信号处理器32被配置为实施基于在(I)逐帧基础和(II)针对相应的热感测焦平面阵列的感测通道数据输出的图像堆叠基础中的至少一个或多个上对吸收信号的过采样来生成目标气体的标识和浓度中的至少一个的过程。生成的过程包括：(i)在不存在对应于暗帧的任何施加的热源能量的情况下，创建相应的热感测焦平面阵列的像素阵列的第一像素图，并确定呈现出太高值以至于不能提供任何有用动态范围的坏像素，(ii)在存在施加的热源能量的情况下创建像素阵列的第二像素图，并确定呈现出太低值以至于不能提供任何有用动态范围的非响应像素，(iii)在相应的热感测焦平面阵列的光谱光路中不存在吸收气体的情况下，通过施加热源能量并减去暗像素数据并排除所确定的坏像素来确定像素阵列的差分基线，其中，差分基线提供根据像素阵列的每个有效有用像素的偏移校正，(iv)在光谱路径中存在吸收气体的情况下，通过响应于在光谱路径中存在吸收气体而将与出现在像素阵列上的热能减少的斑点区域相关联的像素值相加来计算体积积分，以及(v)在光谱路径中存在吸收气体的情况下，从所计算的体积积分中减去针对暗帧的相同斑点区域的所计算的体积积分，以产生针对偏移错误和坏像素校正的与气体浓度成比例的差分信号的值，如本文进一步讨论的。
如从本文的公开内容将理解的，本公开的实施例有利地利用通过使用个体热感测焦平面阵列元件中的许多像素对吸收信号的过采样来有效地改进信噪比。从暗图像帧中减去每个图像帧，然后计算体积积分。这可以在逐帧基础上进行，或者在帧的堆叠(即图像堆叠)上进行，其中可以计算体积积分的进一步平均。图像堆叠是进行如下操作的过程：拍摄许多短曝光时间图像，从每个短曝光时间图像中减去平均暗背景图像，然后堆叠或累加所有得到的短曝光图像以创建长时间曝光图像。利用每个微测辐射热计感测焦平面阵列，可以堆叠若干图像帧，例如，九帧(N＝9)，从每个帧中减去暗背景，获取体积积分，然后进一步获取九个体积积分的平均值(即堆叠)。结果是信噪比进一步提高了3倍，或N0.5，或样本数的平方根。
如从本文的公开内容将进一步理解的，总体构成更大阵列(即，复合热感测焦平面阵列)的个体微测辐射热计阵列传感器元件的益处提供了对每个微测辐射热计阵列传感器元件的增益、偏置电压和帧率的单独控制的灵活性。由于增益、偏置电压和帧率对于个体微测辐射热计传感器阵列元件中的每个像素是全局的，因此在一个微测辐射热计传感器阵列元件上将无法具有高增益区域或低增益区域。
利用本公开的实施例，可以为复合热感测焦平面阵列的每个个体微测辐射热计传感器阵列元件设置对增益、偏置电压和帧率的单独控制。必须控制增益以最大化针对要检测的每种目标气体的信噪比。诸如一氧化二氮(NO)的一些麻醉气体在16.949μm处具有强吸收，并且将需要低增益来测量吸收信号，而诸如氟烷的其他麻醉气体将需要高增益设置。通过使用收集电荷的积分器电路来设置每个微测辐射热计传感器阵列元件中的放大器增益，例如，积分时间越长，增益越高。与可以实现更高帧率的低增益设置相比，更长的积分时间可以降低微测辐射热计传感器阵列元件的帧率。
与使用单个微测辐射热计阵列元件来检测其中仅存在一个增益设置、一个偏置电压和一个帧率的多种不同气体种类的方法不同，本公开的实施例有利地能够同时实现许多增益设置、许多偏置电压设置和许多帧率。在图3的示例中，可能存在多达九个不同增益值的电位，多达九个不同的偏置电压设置，并且可以实现多达九个不同的帧率。换句话说，图3的实施例可以具有最多九个不同的偏置电压，以及九个不同的帧率，以收集来自九个个体微测辐射热计传感器阵列元件的数据。
此外，通过使用个体微测辐射热计传感器阵列元件来创建传感器的更大的阵列或镶嵌(即，复合热感测焦平面阵列)，不仅增益、偏置电压和帧率对于每个微测辐射热计传感器阵列元件可以是独特的，而且用于每个传感器阵列元件的微测辐射热计传感器材料也是独特的。通常，目前使用的微测辐射热计具有用于形成由氧化钒(VOX)或非晶硅(a-Si)制成的温度敏感电阻器或热敏电阻的传感器材料，并且也正在探索其他材料以改进灵敏度和热波长带宽。当暴露于黑体热源时，用于给定的微测辐射热计传感器的每种不同材料对不同波长的热能将具有不同的响应性或响应特性。
通过使用根据本公开的实施例的不同的微测辐射热计传感器阵列元件，将能够具有用于复合热感测焦平面阵列的特定微测辐射热计传感器阵列元件中的每个的不同的微测辐射热计传感材料。例如，在九个个体微测辐射热计传感器阵列元件的示例中，九个元件中的一个可以是基于氧化钒的元件，而另一个可以是基于非晶硅的元件。以这种方式，有利地定制不同的传感器材料微测辐射热计传感器阵列元件，以在那些个体传感器元件将需要检测特定麻醉气体的红外能量的目标带宽处提供对热能的最佳响应性或响应特性。
说明这一点的另一种方式将是假设图3的九个传感器阵列元件中的微测辐射热计传感器阵列元件281用于检测在12.500μm或800cm-1处的氟烷。在该波长处，由于氧化钒比非晶硅具有更好的响应性，因此元件281被选择为使用氧化钒作为传感器材料。另一方面，假设图3的九个传感器阵列元件中的传感器阵列元件289用于检测在7.326μm或1365cm-1处的安氟醚。氧化钒在该波长处具有较差的响应性，而非晶硅的响应性更好。因此，传感器元件289被选择为包括基于非晶硅的微测辐射热计传感器阵列元件。
根据一个实施例，所述一种或多种麻醉剂和呼吸气体种类包括选自包括以下的组的种类：1.)二氧化碳，2.)一氧化二氮，3.)安氟醚，4.)氟烷，5.)异氟烷，6.)地氟醚，以及7.)七氟醚。在另一个实施例中，针对IR滤波器元件141-N中的每个的中心波长和波长带宽被选择用于独特地识别要(i)被供应给对象、(ii)从对象接收、或者(iii)被供应给对象并从对象接收的气体混合物中的多种不同气体种类中的每种。换句话说，通过为涂覆在滤波器镶嵌上的每个带通滤波器选择合适的中心波长和足够窄的波长带宽，可以在被供应给麻醉患者和来自麻醉患者的气体混合物中识别上述气体种类1至7中的每种。由于上面识别的气体3至7将几乎不会彼此组合或混合使用，因此独特的气体种类识别变得容易。
根据另一实施例，用于本公开的气体监测装置10的不同气体种类、中心波长和波长带宽的组合分别包括选自包括以下的组中的两种或更多种：(i)二氧化碳，14.925μm和670cm-1，(ii)一氧化二氮，16.949μm和590cm-1，(iii)安氟醚，7.326μm和1365cm-1，(iv)氟烷，12.500μm和800cm-1，(v)异氟烷，8.25μm和1212cm-1，(vi)地氟醚，8.456μm和1182.5cm-1，以及(vii)七氟醚，9.615μm和1040cm-1，如本文进一步讨论的。可以识别每种气体，然后，基于在那些特定波长处的吸收，可以确定气体浓度。目前在麻醉中使用的唯一气体混合物将是来自上面列出的气体3至7的一种气体与一氧化二氮(NO)和氧气(O2)的组合。由于气体浓度通常将基于通过临床研究确定的最小肺泡浓度(MAC)值，因此地氟醚的气体浓度高达6％(很少高达20％)，氟烷高达0.75％，异氟烷高达1.15％，安氟醚高达1.68％，七氟醚高达1.85％。
此外，利用这种类型的技术，根据本实施例，其中以某个帧率同时测量麻醉气体浓度，并且随着微测辐射热计传感器的灵敏度和热时间常数从当前典型值8毫秒改进，将不仅能够测量被供应给患者的气体浓度，而且还能够测量患者在逐个呼吸基础上呼出的残余气体浓度，例如二氧化碳监测中的CO2监测。有利地，这将允许麻醉师了解什么气体正在进入以及什么气体正在出来以确定患者真正吸收了多少。
现在参考图6，示出了根据另一实施例的气体监测装置10的示意性表示视图，其包括多光谱镶嵌滤波器和透镜阵列以及复合热感测焦平面阵列的横截面。图6的实施例类似于图5的实施例，具有以下不同之处。镶嵌滤波器和透镜阵列12包括(i)图案化热反射金属沉积层18，其设置在至少在相邻透镜结构之间(例如，对应于图1中的透镜结构144、145和146)的第一表面(例如，对应于图1中的表面20)上或覆盖该第一表面，以及(ii)图案化热反射金属沉积层22，其设置在至少在相邻滤波器元件之间(例如，对应于图2中的滤波器元件164、165和166)的第二表面(例如，对应于图2中的表面24)上或覆盖该第二表面。如本文所讨论的，图案化反射金属沉积物18和22单独地或组合地各自有利地形成消除和/或显著减少透镜/滤波器结构和焦平面感测阵列的相邻光学通道之间的不期望的串扰的窗框或串扰最小化窗口结构。
现在转到图7，示出了根据本公开的实施例的具有可以用于计算总吸收值的多于一个吸收峰(例如峰56和58)的目标气体的吸收光谱54的曲线图视图，其中，气体监测装置包括以期望的相应的一个或多个吸收峰中的每个为中心的对应的带通滤波器。如从图7可以理解的，在多光谱镶嵌滤波器和透镜阵列中使用不同波长的带通滤波器的另一个方面是对每种目标气体使用多于一个波长的可能性。通过使用两个或更多个波长，可以进行加法测量以也改进测量的信噪比。例如，在图7中，异氟烷的目标气体在1167.5cm-1(即峰56)和1212cm-1(即峰58)处具有其最强的吸收峰。通过使多光谱镶嵌滤波器和透镜阵列的两个带通滤波器中的每一个分别以这两个峰为中心，来自复合热感测FPA的对应的热感测FPA的热感测测量结果可以用于计算总吸收值，并且因此改进热测量信噪比。
根据本公开的实施例，已经公开了一种用于实时同时麻醉气体浓度监测的呼吸气体监测器，其利用具有多光谱镶嵌滤波器/透镜阵列的二维焦平面像素阵列微测辐射热计传感器(或微测辐射热计相机)的复合物和包括以下特征的信号处理：
1)由于每个特定的气体红外吸收波长带的由数百个热检测器提供的数百个数据通道的数据过采样。过采样在统计上改进了用于计算平均值、均值、模式和标准偏差的数据集。这得到改进的信号分辨率并且扩展了模数转换器数据输出中的有效分辨率位数。
2)由于微测辐射热计相机通过帧来捕获数据(即，通过行和列读出的整个像素数)，因此可以在逐个像素的基础上进行逐帧平均。例如，来自在帧1的行1、列1处的像素的像素数据值可以与在帧2的行1、列1处的像素的像素值相加，并且除以二以获得平均值。对于M个帧这可以使每个像素坐标除以M来进行，以在每个像素的基础上获得帧数据的运行平均值。
3)包括区域的帧子阵列像素区段可以与后续帧中的相同区域进行平均，从而产生子阵列像素区域平均值。
4)由于透镜用于在相应的微测辐射热计传感器阵列元件中的像素上方的滤波器镶嵌阵列中的给定带通滤波器下创建圆形斑点区域，并且滤波器元件由反射掩模分开以创建到像素阵列上的窗框阴影，能够扫描像素阵列并确定由于这种阴影投射效果导致的每个滤波器元件的像素边界，其实际上是较冷的像素。由此，可以映射相邻滤波器元件之间的边界。在这些边界图内，可以确定针对在每个滤波器元件下的每个像素子阵列的有用区域。
5)在没有提供热源能量的情况下，将微测辐射热计传感器阵列元件置于暗中，可以创建像素图以确定热的像素，即，值太高以至于不能提供任何有用动态范围。
6)在施加了热源能量的情况下，可以创建像素图以确定哪些像素是无响应的，即，值太低以至于不具有任何有用动态范围。
7)通过确定热和非响应像素图，可以从任何信号测量中排除对应的像素。
8)在光谱光路中没有吸收气体的情况下，可以通过施加热源能量并减去暗像素数据并排除映射的坏像素来确定像素阵列的差分基线。这将为每个有效有用像素提供偏移校正。可以使用逐像素或帧子像素平均。
9)在存在吸收气体的情况下，在气体相关的像素子阵列上将出现热能减少的斑点，随着气体浓度增加，斑点的强度将继续线性地减小。可以通过将与圆形斑点的区域相关联的那些像素值的模数转换器(ADC)值相加来计算斑点区域的体积积分。由于x轴和y轴单位是像素单位区域，因此体积只是z轴或ADC值，将该特定区域中的所有个体ADC值相加将导致体积积分的计算。使用由3D体积测量提供的总能量得到比2D平均值将提供的更低的噪声和改进的信噪比。在暗帧的相同体积区域上减去该3D体积值将产生针对偏移误差和坏像素校正的与气体浓度成比例的差分信号的值。
10)通过关闭热源并捕获暗帧值并与先前存储的暗值进行比较来定期校准将提供基线偏移的自动调零。通过打开热源，并将捕获的帧值与先前存储的针对源打开的帧值进行比较将有助于补偿增益(即跨度)的变化，并且差异在显著的情况下可以用作增加或减少增益的增益乘数因子。
现在参考图8，示出了根据本公开的实施例的收集和处理的具有圆锥形状的个体热感测焦平面阵列的感测通道数据的一个示例的图形标绘图60。如本文前面关于多光谱镶嵌滤波器/聚焦透镜阵列所讨论的，每个滤波器/透镜元件将响应于暴露于聚焦的红外能量的IR能量光束锥而形成到对应的个体微测辐射热计传感器阵列元件的像素(或子像素阵列)上。在镶嵌滤波器/聚焦透镜阵列的每个滤波器/透镜元件下，聚焦到对应的微测辐射热计传感器阵列元件或像素表面上的红外光束将具有由对应的微测辐射热计传感器阵列元件的读出集成电路(ROIC)的(一个或多个)模数转换器生成的对应的像素图。当收集和处理时，来自对应的微测辐射热计的数据将具有如诸如图8中示出的附图标记62所指示的圆锥形状。
现在转到图9，示出了根据本公开的实施例的具有表示气体种类的5％浓度的圆锥形状66的个体热感测焦平面阵列的感测通道数据的示例的图形标绘图64。相比之下，图10是根据本公开的实施例的具有表示气体种类的10％浓度的圆锥形状70的个体热感测焦平面阵列的感测通道数据的示例的图形标绘图68。通过从基线或基底检测吸收峰的边界的开始，可以进一步细化峰形状以计算体积积分或其他信噪比优化算法。
参考图11，示出了针对目标气体种类的个体热感测焦平面阵列的感测通道数据72的代表性视图。该视图示出了根据本公开的实施例的吸收峰的边界74。可以使用任何合适的数值数据边界检测或边界拟合技术来完成对边界的检测。图11的边界74内的感测通道数据的所有值的总和表示对应的体积积分的值。有利地，边界74内的值的总和提供了具有最小计算量的快速体积积分计算。
来自图11的微测辐射热计模拟-数字数据值也可以以标绘图表示。例如，图12是针对图11的吸收峰边界74内的目标气体种类的个体热感测焦平面阵列的感测通道数据的图形标绘图76。因此，如图12中的圆锥形状78所示的体积积分可以用于表示目标气体测量的浓度值。体积积分的大小越大，目标气体的浓度越大。由于气体监测系统针对已知浓度的校准气体被校准，因此然后可以使用体积积分与已知气体浓度的关系来代数地确定未知浓度的目标气体的浓度。
根据另一个实施例，现在参考图13，一种用于监测麻醉剂和呼吸气体的方法80，其适于(i)识别目标麻醉剂或呼吸气体种类并且(ii)确定所识别的目标麻醉剂或呼吸气体种类的浓度，该方法包括：在步骤82处，将所接收的宽带红外(IR)能量光束聚焦和光谱滤波成多个聚焦和光谱滤波的IR光束锥，在步骤84处，感测多个聚焦和光谱滤波的IR光束锥中的每个，并且在步骤86处，经由可操作地耦合以接收对应的个体热感测焦平面阵列的每个相应的集成的读出集成电路(ROIC)的感测通道数据输出的信号处理器生成指示选自包括一种或多种麻醉剂和呼吸气体种类的组的目标气体的标识和浓度中的至少一个的输出信号。
聚焦和光谱滤波步骤82包括经由包括透镜结构和长波红外(IR)带通滤波器元件的二维阵列的多光谱镶嵌滤波器和透镜阵列将所接收的宽带红外(IR)能量光束聚焦和光谱滤波成多个聚焦和光谱滤波的IR光束锥。镶嵌滤波器和透镜阵列还包括以下中的至少一个：(i)设置在至少在相邻透镜结构之间的第一表面上或覆盖该第一表面的图案化热反射金属沉积层；以及(ii)设置在至少在相邻滤波器元件之间的第二表面上或覆盖该第二表面的图案化热反射金属沉积层。
感测步骤84包括经由复合热感测焦平面阵列感测多个聚焦和光谱滤波的IR光束锥中的每个，所述复合热感测焦平面阵列包括具有集成的读出集成电路的多个个体热感测焦平面阵列，其中，为镶嵌滤波器和透镜阵列的成对的透镜结构和滤波器元件中的每个相应的成对的透镜结构和滤波器元件提供至少一个个体热感测焦平面阵列。多个聚焦和光谱滤波的IR光束锥中的每个由相应的个体热感测焦平面阵列接收。感测步骤还包括响应于接收到相应的聚焦和光谱滤波的IR光束，经由对应的个体热感测焦平面阵列的每个相应的集成的读出集成电路(ROIC)输出相应的感测通道数据。
生成步骤86包括经由信号处理器生成输出信号，该信号处理器可操作地耦合以接收对应的个体热感测焦平面阵列的每个相应的集成的读出集成电路(ROIC)的感测通道数据输出。输出信号指示选自包括一种或多种麻醉剂和呼吸气体种类的组的目标气体的标识和浓度中的至少一个。生成步骤还基于在(i)逐帧基础和(ii)感测通道数据输出的图像堆叠基础中的至少一个或多个上对吸收信号的过采样。
在另一个实施例中，图案化热反射金属层包括金、铂、钛、钯、镍、铝或其任何组合中的至少一种。图案化热反射金属层被配置为(i)创建窗框(或串扰最小化窗口结构)作为最小化复合热感测焦平面阵列的相应的热感测焦平面阵列以及镶嵌滤波器和透镜阵列的成对的透镜结构和滤波器元件的相邻通道之间的串扰的孔径，并且(ii)在相邻通道之间创建相应的热暗区。
在另一实施例中，镶嵌滤波器和透镜阵列的每个IR滤波器元件包括具有对要监测的至少期望的一种或多种目标麻醉剂或呼吸气体种类中的对应一个中的每个独特的中心波长(λc)的不同的窄带通滤波器。在又一个实施例中，该方法包括其中镶嵌滤波器和透镜阵列的各自具有不同的中心波长(λc)的两个或更多个IR滤波器元件用于在监测至少一种或多种目标麻醉剂或呼吸气体种类中的每种中的加法测量。
此外，在另一实施例中，该方法包括其中复合热感测焦平面阵列的每个个体阵列被配置有对相应的个体热感测焦平面阵列独特的增益、偏置电压和帧率，其中，复合热感测焦平面阵列的至少两个个体热感测焦平面阵列中的每个的传感器材料彼此不同，并且其中，具有集成的读出集成电路的个体热感测焦平面阵列包括选自包括以下的组的二维阵列：微测辐射热计、热电堆和热电、热敏电阻或生物材料微悬臂梁热传感器。在又一个实施例中，该方法包括，其中针对IR滤波器元件中的每个的中心波长和波长带宽被选择用于独特地识别要(i)被供应给对象、(ii)从对象接收、或者(iii)被供应给对象并从对象接收的气体混合物中的多种不同气体种类中的每种。
尽管上面仅详细描述了几个示例性实施例，但是本领域技术人员将容易认识到，在示例性实施例中可以进行许多修改而不实质上脱离本公开的实施例的新颖教导和优点。例如，本公开的实施例可以有利地用于医院环境中以测量和量化用于人类和非人类使用的麻醉剂的浓度和呼吸气体浓度。因此，所有这些修改旨在包括在如随附权利要求所限定的本公开的实施例的范围内。在权利要求中，模块加功能条款旨在涵盖本文描述的执行所述功能的结构，不仅包括结构等价物而且还包括等价结构。
另外，一个或多个权利要求中置于括号内的任何附图标记不应被解释为对权利要求的限制。词语“包括”和“包含”等不排除除了在任何权利要求或说明书整体中列出的元件或步骤之外的元件或步骤的存在。元件的单数引用不排除对这样的元件的复数引用，反之亦然。实施例中的一个或多个可以借助于包括若干不同元件的硬件和/或借助于适当编程的计算机来实现。在列举了若干单元的设备权利要求中，这些单元中的若干个可以由同一项硬件来实现。在相互不同的从属权利要求中记载了某些措施的仅有事实并不指示不能有利地使用这些措施的组合。
Claims (20)
1.一种麻醉剂和呼吸气体监测装置(10)，其适于(i)识别目标麻醉剂或呼吸气体种类并且(ii)确定所识别的目标麻醉剂或呼吸气体种类的浓度，所述装置包括：
多光谱镶嵌滤波器和透镜阵列(12)，其包括透镜结构(14)和长波红外(IR)带通滤波器元件(16)的二维阵列，所述多光谱镶嵌滤波器和透镜阵列被配置为接收宽带红外(IR)能量光束并将所接收的宽带IR能量光束聚焦和光谱滤波成多个聚焦和光谱滤波的IR光束(48)，所述镶嵌滤波器和透镜阵列(12)还具有以下中的至少一个：(i)覆盖至少在相邻透镜结构(14)之间的第一表面(20)的图案化热反射金属层(18)，以及(ii)覆盖至少在相邻滤波器元件(16)之间的第二表面(24)的图案化热反射金属层(22)；
复合热感测焦平面阵列(26)，其包括具有集成的读出集成电路的多个个体热感测焦平面阵列(28)，其中，为所述镶嵌滤波器和透镜阵列(12)的每个相应的成对的透镜结构和滤波器元件(14、16)提供至少一个个体热感测焦平面阵列(28)，并且其中，所述多个聚焦和光谱滤波的IR光束(48)中的每个由相应的个体热感测焦平面阵列(28)接收，并且，响应于接收到所述聚焦和光谱滤波的IR光束，对应的个体热感测焦平面阵列(28)的每个相应的集成的读出集成电路(ROIC)输出相应的感测通道数据(36)；以及
信号处理器(32)，其可操作地耦合以接收对应的个体热感测焦平面阵列(28)的每个相应的集成的读出集成电路(ROIC)的感测通道数据输出(36)，其中，所述信号处理器(32)适于基于在(i)逐帧基础和(ii)所述感测通道数据输出(36)的图像堆叠基础中的至少一个或多个上对吸收信号的过采样来生成指示选自包括一种或多种麻醉剂和呼吸气体种类的组中的目标气体的标识(50)和浓度(52)中的至少一个的输出信号。
2.根据权利要求1所述的装置(10)，其中，每个图案化热反射金属层(18、22)包括金、铂、钛、钯、镍、铝或其任何组合中的至少一种，并且被配置为(i)创建窗框作为最小化相邻通道之间的串扰的孔径，并且(ii)在所述相邻通道之间创建相应的暗区。
3.根据权利要求2所述的装置(10)，其中，相邻通道之间的所述暗区在所述复合热感测焦平面阵列(26)的相应的热感测焦平面阵列(28)上形成暗像素以用于结合改进的信噪比性能在从光信号对暗信号的基线减法中使用。
4.根据权利要求1所述的装置(10)，其中，所述长波IR带通滤波器(16)被配置用于使延伸到包括从2μm至15μm的波长的中波红外波长中的长波红外波长通过。
5.根据权利要求1所述的装置(10)，其中，所述镶嵌滤波器和透镜阵列(12)的每个IR滤波器元件(16)包括具有对要监测的对应的至少一种或多种目标麻醉剂或呼吸气体种类独特的中心波长(λc)的不同的窄带通滤波器。
6.根据权利要求1所述的装置(10)，其中，所述镶嵌滤波器和透镜阵列(12)的各自具有不同的中心波长(λc)的两个或更多个IR滤波器元件(16)用于在监测至少一种或多种目标麻醉剂或呼吸气体种类中的每种中的加法测量。
7.根据权利要求1所述的装置(10)，其中，所述复合热感测焦平面阵列(26)的每个个体阵列(28)被配置有对相应的个体热感测焦平面阵列(28)独特的增益、偏置电压和帧率。
8.根据权利要求1所述的装置(10)，其中，所述复合热感测焦平面阵列(26)的至少两个个体热感测焦平面阵列(28)中的每个的传感器材料彼此不同。
9.根据权利要求8所述的装置(10)，其中，所述传感器材料包括选自包括氧化钒(VO)和非晶硅(a-Si)的组中的一种。
10.根据权利要求1所述的装置(10)，其中，具有集成的读出集成电路的所述个体热感测焦平面阵列(28)包括选自包括微测辐射热计、热电堆和热电、热敏电阻或生物材料微悬臂梁热传感器的组的二维阵列。
11.根据权利要求1所述的装置(10)，其中，所述一种或多种麻醉剂和呼吸气体种类包括选自包括二氧化碳、一氧化二氮、安氟醚、氟烷、异氟烷、地氟醚和七氟醚的组的种类。
12.根据权利要求1所述的装置(10)，其中，针对所述IR滤波器元件(16)中的每个的中心波长和波长带宽被选择用于独特地识别要(i)被供应给对象、(ii)从对象接收、或者(iii)被供应给对象并从对象接收的气体混合物中的多种不同气体种类中的每种。
13.根据权利要求12所述的装置(10)，其中，不同气体种类、中心波长和波长带宽的组合分别包括选自包括以下的组的两种或更多种：(i)二氧化碳，14.925μm和670cm-1，(ii)一氧化二氮，16.949μm和590cm-1，(iii)安氟醚，7.326μm和1365cm-1，(iv)氟烷，12.500μm和800cm-1，(v)异氟烷，8.25μm和1212cm-1，(vi)地氟醚，8.456μm和1182.5cm-1，以及(vii)七氟醚，9.615μm和1040cm-1。
14.根据权利要求1所述的装置(10)，其中，基于在(I)逐帧基础和(II)针对相应的热感测焦平面阵列(28)的所述感测通道数据输出的图像堆叠基础中的所述至少一个或多个上对所述吸收信号的所述过采样来生成所述目标气体的标识(50)和浓度(52)中的至少一个包括：
(i)在不存在对应于暗帧的任何施加的热源能量的情况下，创建所述相应的热感测焦平面阵列(28)的像素阵列的第一像素图，并确定呈现出太高值以至于不能提供任何有用动态范围的坏像素，
(ii)在存在施加的热源能量的情况下创建所述像素阵列的第二像素图，并确定呈现出太低值以至于不能提供任何有用动态范围的非响应像素，
(iii)在所述相应的热感测焦平面阵列(28)的光谱光路中不存在吸收气体的情况下，通过施加热源能量并减去暗像素数据并排除所确定的坏像素来确定所述像素阵列的差分基线，其中，所述差分基线提供根据所述像素阵列的每个有效有用像素的偏移校正，
(iv)在光谱路径中存在吸收气体的情况下，通过响应于在所述光谱路径中存在所述吸收气体而将与出现在所述像素阵列上的热能减少的斑点区域相关联的像素值相加来计算体积积分，以及
(v)在所述光谱路径中存在所述吸收气体的情况下，从所计算的体积积分中减去针对所述暗帧的相同斑点区域的所计算的体积积分，以产生针对偏移错误和坏像素校正的与气体浓度成比例的差分信号的值。
15.一种用于监测麻醉剂和呼吸气体的方法，其适于(i)识别目标麻醉剂或呼吸气体种类并且(ii)确定所识别的目标麻醉剂或呼吸气体种类的浓度，所述方法包括：
经由包括透镜结构和长波红外(IR)带通滤波器元件的二维阵列的多光谱镶嵌滤波器和透镜阵列，将所接收的宽带红外(IR)能量光束聚焦和光谱滤波成多个聚焦和光谱滤波的IR光束，其中，所述镶嵌滤波器和透镜阵列还包括以下中的至少一个：(i)覆盖至少在相邻透镜结构之间的第一表面的图案化热反射金属层，以及(ii)覆盖至少在相邻滤波器元件之间的第二表面的图案化热反射金属层；
经由复合热感测焦平面阵列感测所述多个聚焦和光谱滤波的IR光束中的每个，所述复合热感测焦平面阵列包括具有集成的读出集成电路的多个个体热感测焦平面阵列，其中，为所述镶嵌滤波器和透镜阵列的每个相应的成对的透镜结构和滤波器元件提供至少一个个体热感测焦平面阵列，并且其中，所述多个聚焦和光谱滤波的IR光束中的每个由相应的个体热感测焦平面阵列接收，并且响应于接收到相应的聚焦和光谱滤波的IR光束，经由对应的个体热感测焦平面阵列的每个相应的集成的读出集成电路(ROIC)输出相应的感测通道数据；以及
经由可操作地耦合以接收对应的个体热感测焦平面阵列的每个相应的集成的读出集成电路(ROIC)的感测通道数据输出的信号处理器，基于在(i)逐帧基础和(ii)所述感测通道数据输出的图像堆叠基础中的至少一个或多个上对吸收信号的过采样来生成输出信号，其中，所述输出信号指示选自包括一种或多种麻醉剂和呼吸气体种类的组中的目标气体的标识和浓度中的至少一个。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，所述图案化热反射金属层包括金、铂、钛、钯、镍、铝或其任何组合中的至少一种，并且被配置为(i)创建窗框作为最小化所述复合热感测焦平面阵列的相应的热感测焦平面阵列以及所述镶嵌滤波器和透镜阵列的成对的透镜结构和滤波器元件的相邻通道之间的串扰的孔径，并且(ii)在所述相邻通道之间创建相应的热暗区。
17.根据权利要求15所述的方法，其中，所述镶嵌滤波器和透镜阵列的每个IR滤波器元件包括具有对要监测的对应的至少一种或多种目标麻醉剂或呼吸气体种类独特的中心波长(λc)的不同的窄带通滤波器。
18.根据权利要求15所述的方法，其中，所述镶嵌滤波器和透镜阵列的各自具有不同的中心波长(λc)的两个或更多个IR滤波器元件用于在监测至少一种或多种目标麻醉剂或呼吸气体种类中的每种中的加法测量。
19.根据权利要求15所述的方法，其中，所述复合热感测焦平面阵列的每个个体阵列被配置有对相应的个体热感测焦平面阵列独特的增益、偏置电压和帧率，其中，所述复合热感测焦平面阵列的至少两个个体热感测焦平面阵列中的每个的传感器材料彼此不同，并且其中，具有集成的读出集成电路的所述个体热感测焦平面阵列包括从包括以下的组中选择的二维阵列：微测辐射热计、热电堆和热电、热敏电阻或生物材料微悬臂梁热传感器。
20.根据权利要求15所述的方法，针对所述IR滤波器元件中的每个的中心波长和波长带宽被选择用于独特地识别要(i)被供应给对象、(ii)从对象接收、或者(iii)被供应给对象并从对象接收的气体混合物中的多种不同气体种类中的每种。
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