用于使用反射的辐射来发射红外辐射以提升发射效率的系统与方法

摘要

一种被配置为生成红外电磁辐射的源组件(48)，包括在发射立体角上发射电磁辐射的发射器(60)。所发射的电磁辐射的部分被用于检测。用户电磁辐射的所述部分围绕可用立体角中的光路。在所述可用立体角以外的电磁辐射被反射组件(64)聚焦回到所述发射器上，以提升所述发射器的效率。

权利要求

1.一种红外源组件(48)，所述源组件包括：

发射器(60)，其被配置为沿光路发射红外电磁辐射，其中，所述发射器在发射立体角上发射红外电磁辐射，并且其中，所发射的红外电磁辐射中沿所述光路可用的部分限定了可用立体角，所述可用立体角小于所述发射立体角，使得所述发射立体角包含所述可用立体角；以及反射组件(68)，其被配置为反射所发射的红外电磁辐射中在所述可用立体角以外的至少一部分，使得所反射的红外电磁辐射被聚焦在所述发射器处或附近，由此增加所述发射器的热。

2.如权利要求1所述的源组件，其中，所述反射组件包括至少一个聚焦反射镜。

3.如权利要求1所述的源组件，其中，所述反射组件被配置为聚焦所述可用立体角以外的所发射的红外电磁辐射的至少30％。

4.如权利要求1所述的源组件，其中，所述反射组件被配置为使得从不同位置反射的红外电磁辐射被聚焦在所述发射器上的不同位置处。

5.如权利要求1所述的源组件，其中，所述反射组件形成单个基本连续的反射表面，所述单个基本连续的反射表面反射所发射的红外电磁辐射。

6.如权利要求1所述的源组件，还包括：

准直光学器件，其被配置为准直所发射的红外电磁辐射中在所述可用立体角上发射的所述部分。

7.如权利要求6所述的源组件，其中，所述准直光学器件限定了所发射的红外电磁辐射中沿所述光路可用的所述部分。

8.如权利要求6所述的源组件，其中，所述反射组件包括被布置在所述光路周围的多个反射器以接收所述电磁辐射中在所述可用立体角以外的所述至少一部分。

9.一种发射红外电磁辐射的方法，所述方法包括：

从发射表面(60、66)沿光路发射红外电磁辐射，其中，所述红外电磁辐射是在发射立体角上发射的，并且其中，所发射的红外电磁辐射中沿所述光路可用的部分限定了可用立体角，所述可用立体角小于所述发射立体角，使得所述发射立体角包含所述可用立体角(82)；

以及

反射在所述发射立体角上发射的所发射的红外电磁辐射中在所述可用立体角以外的至少一部分，使得所反射的红外电磁辐射被聚焦在所述发射表面处或附近，由此增加在所述发射表面(84)处或附近的热。

10.如权利要求9所述的方法，其中，所述反射操作由至少一个聚焦反射镜执行。

11.如权利要求9所述的方法，其中，反射所发射的红外电磁辐射的至少一部分包括反射将被聚焦在所述发射表面处或附近的、在所述可用立体角以外的所发射的红外电磁辐射的至少30％。

12.如权利要求9所述的方法，其中，从不同位置反射的红外电磁辐射被聚焦在所述反射器上的不同位置处。

13.如权利要求9所述的方法，其中，所述反射操作由单个基本连续的反射表面执行，所述单个基本连续的反射表面反射所发射的红外电磁辐射。

说明书

用于使用反射的辐射来发射红外辐射以提升发射效率的系统

与方法

技术领域

[0001] 本公开涉及一种用于生成红外电磁辐射的方法与装置，以用于被配置为检测流体中的一种或多种分子种类的相对量的系统中。

背景技术

[0002] 存在现有系统，其被配置为监测被递送给对象的可呼吸气体流的组分。一些这样的系统依赖对组分的光学检测。通常，传输一束电磁辐射通过所考虑的可呼吸气体流的样品，并且在另一侧上的光学检测器测量电磁辐射在其已穿过可呼吸气体流之后的一个或多个参数。一个或多个参数可以包括，例如光带边缘、带传输、或带吸收。这样的布置被称作非色散(ND)系统。

[0003] 在这些系统中电磁辐射的源通常在比实际用于测量的更大的立体角上生成电磁辐射。在使用的立体角以外发射的电磁辐射一般丢失，或者没有被常规系统用于实际目的。

发明内容

[0004] 因此，本公开的一个或多个方面涉及一种红外源组件。在一些实施例中，所述源组件包括发射器和反射组件。所述发射器被配置为沿光路发射红外电磁辐射，其中，所述发射器在发射立体角上发射红外电磁辐射。所发射的红外电磁辐射中沿所述光路可用的部分是在可用立体角上发射的，所述可用立体角小于所述发射立体角使得所述发射立体角包含所述可用立体角。所述反射组件被配置为反射所发射的红外电磁辐射中在所述可用立体角以外的至少一部分，使得所反射的红外电磁辐射被聚焦在所述发射器处或附近，由此增加所述发射器的热。

[0005] 本公开的另一方面涉及一种发射红外电磁辐射的方法。在一些实施例中，所述方法包括从发射表面沿光路发射红外电磁辐射，其中，所述红外电磁辐射是在发射立体角上发射的，并且其中，所发射的红外电磁辐射中沿所述光路可用的部分是在可用立体角上发射的，所述可用立体角小于所述发射立体角使得所述发射立体角包含所述可用立体角；以及反射所发射的红外电磁辐射中在所述可用立体角以外的至少一部分，使得所反射的红外电磁辐射被聚焦在所述发射表面处或附近，由此增加在所述发射表面处或附近的热。

[0006] 本公开的又一方面涉及一种被配置为发射红外电磁辐射的系统。在一些实施例中，所述系统包括用于沿光路发射红外电磁辐射的器件，其中，所述红外电磁辐射是在发射立体角上发射的，并且其中，所发射的红外电磁辐射中沿所述光路可用的部分是在可用立体角上发射的，所述可用立体角小于所述发射立体角使得所述发射立体角包含所述可用立体角；以及用于反射所发射的红外电磁辐射中在所述可用立体角以外的至少一部分，使得所反射的红外电磁辐射被聚焦在用于发射的所述器件处或附近，由此增加用于发射的所述器件的热的器件。

[0007] 在参考附图考虑以下描述以及权利要求书后，本公开的这些以及其它目的、特征和特性，以及操作方法，以及相关结构元件和部件组合的功能，以及制造的经济性将变得更加明显，所有附图形成本说明书的一部分，其中，在各个附图中相似的附图标记指示对应的部分。然而，应明确理解，附图仅出于说明和描述的目的，而并不旨在作为本公开的限制的定义。

附图说明

[0008] 图1为被配置为监测被递送给对象的可呼吸气体流的组分的系统；

[0009] 图2为气道适配器和气体测量模块；

[0010] 图3为气道适配器和气体测量模块；

[0011] 图4图示气体测量模块的源组件；

[0012] 图5图示气体测量模块的源组件；

[0013] 图6图示气体测量模块的源组件；并且

[0014] 图7图示生成红外电磁辐射的方法。

具体实施方式

[0015] 本文中所用的单数形式的“一”、“一个”和“该”包括多个指代物，除非上下文中明确地另行规定。本文中所用的两个或更多个部分或部件被“耦合”的表述应意指所述部件直接或间接地(即，通过一个或多个中间部分或部件)被结合到一起或一起工作，只要发生链接。本文中所用的“直接耦合”意指两个元件彼此直接接触。本文中所用的“固定耦合”或“固定”意指两个部件被耦合以作为一体移动，同时维持相对于彼此的恒定取向。

[0016] 本文中所用的词语“单式的”意指部件被创建为单件或单个单元。亦即，包括单独创建并之后被耦合到一起成为单元的多件的部件不是“单式”部件或主体。本文中采用的两个或更多个部分或部件相互“接合”的表述应意指所述部分直接地或通过一个或多个中间部分或部件而相互施加力。本文中采用的术语“数目”应意指一或大于一的整数(即，多个)。

[0017] 本文中使用的方向短语，例如但不限于，顶部、底部、左、右、上、下、前、后以及它们的派生词涉及附图中所示的元件的取向，并且不对权利要求构成限制，除非在权利要求中明确记载。

[0018] 图1图示系统10，其被配置为分析呼吸线路12内的气体的组分，对象14可以从呼吸线路12接收通气治疗。在一个实施例中，呼吸线路12在一端被连接到压力发生器，所述压力发生器被配置为生成可呼吸气体的加压流，以通过呼吸线路12向对象14的气道的递送。然而，这并不旨在为限制性的。在一个实施例中，系统10包括气体测量模块16。

[0019] 呼吸线路12包括线路导管18和对象接口器具20。在多个不同的治疗情境中，对象14的气道被接合，以将呼吸线路12置于与对象14的气道流体连通中。对象14的气道被对象接口器具20啮合，并被置于与呼吸线路12的流体连通中。对象接口器具20可以以密封或非密封的方式，接合对象14的气道的一个或多个孔口。对象接口器具20的一些范例可以包括，例如气管内导管、鼻套管、气管切开套管、鼻罩、鼻/口罩、全罩式面罩、全面罩、局部再呼吸面罩或者与患者的气道传递气体流的其他接口器具。本发明不限于这些范例，并且预见到任何对象接口的实施方式。

[0020] 线路导管18被配置为将气体朝向或远离对象接口器具20传送。通过非限制性举例，线路导管18可以包括柔性导管。出于本公开的目的，线路导管18不必须被限制为向对象接口器具20传送加压气体流和/或从对象接口器具20传送加压气体流的管状构件。线路导管18可以包括任意中空体、容器和/或腔，其通过对象接口器具20被置于与对象14的气道的流体连通中。

[0021] 线路导管18包括接合部，气体测量模块16能够被可拆卸地耦合到所述接合部。所述接合部在一些实施例中是由被包括在线路导管18中的气道适配器22形成的。通过图示的方式，图2为气道适配器22与气体测量模块16的分解视图。气道适配器22包括第一开口24和第二开口26，并且被配置为形成在它们之间的流动路径，使得在呼吸线路12内的可呼吸气体流被传送通过气道适配器22。气道适配器22能够为由聚对苯二甲酸丁二醇酯聚酯和/或其他聚合物塑造成的一件式单元。气道适配器22具有大体为平行六面体的中间段32和两个圆柱形末端段28和30，圆柱形末端段28和30分别形成第一开口24和第二开口26。末端段28和30与中间段32轴向对齐。

[0022] 气道适配器22的中间段32为气体测量模块16提供座。整体式U形套管元件34将气体测量模块16积极地定位于气道适配器22末端，并且还定位在由图1中的箭头36指示的横向方向中。箭头36也示出移动气道适配器22以将其组装到气体测量模块16的方向。窗口38在气道适配器22的第一侧40和第二侧42上被形成在气道适配器22的中间段32中。窗口38由对红外电磁辐射为光学透射的一种或多种材料形成。利用被组装到气道适配器22的气体测量模块16，这些窗口38沿本文中进一步讨论的光路对齐。该光路横向地在由气道适配器22形成的并且(一种或多种)气体所流经的流动路径上从第一侧40延伸到第二侧42。

[0023] 气体测量模块16被配置为分析呼吸线路12内的气体的组分。气体测量模块16包括外壳44，外壳44容纳和/或承载光学和/或电子部件，所述光学和/或电子部件便于对在由气体测量模块16形成的采样室内的气体的组分的分析。具体地，气体测量模块16被配置为跨气道适配器22的采样室，引导红外电磁辐射通过窗口38，以接收所述红外电磁辐射，并被配置为生成输出信号，所述输出信号传达与所接收的电磁辐射的一个或多个参数相关的信息。所述一个或多个参数可以包括强度、相位、通量、波长和/或其他参数中的一个或多个。这些输出信号能够被用于确定所述采样室内的气体的组分。

[0024] 通过进一步图示的方式，图3示出被连接用于操作的气体测量模块16和气道适配器22的示意性截面视图。该视图示出被形成在气道适配器22内的采样室46。如在图2和图3的每个中能够看出的，外壳44具有U形截面，并且包围源组件48、检测器50和/或其他部件。U形外壳44的两个相对的腿部限定它们之间的间隙的相对两侧。源组件48被设置在所述间隙的一侧上的腿部中，并且检测器50被设置在所述间隙的另一侧上的腿部中。气体测量模块16还包括被设置在外壳44内的独立式电子器件(未示出)。

[0025] 形成在外壳44中的是一对窗口51，当气体测量模块16以图3中所示的方式与气道适配器22对接时，窗口51与窗口38对齐。窗口51由对红外电磁辐射为透射的一种或多种材料形成，使得红外电磁辐射能够沿光路穿过窗口38和51两者，以在采样室46与外壳44的内部之间行进。

[0026] 源组件48为产生宽带辐射的辐射源，所述宽带辐射包括“MWIR”(中波长红外)带。红外辐射一般指占据光谱中0.7μm至300μm间的波长带的辐射。“MWIR”一般指红外辐射带中在3μm至8μm间的中波长子集。由源组件48发射的MWIR辐射包括参考波长和二氧化碳波长(分别为λREF和λCO2)。源组件48可以针对所述谱的至少一部分(例如0.7μm至300μm间)，基本上作为黑体操作。

[0027] 检测器50包括两个分离的光敏传感器52和54。经由检测器50的二氧化碳测定/二氧化碳描记背后的基本操作原理在于，根据可靠地可重复的关系，在4.275μm附近的带中的红外辐射(当通过样品气体行进了固定长度的路径时)随着二氧化碳浓度增大，经历增大的吸收。通过比较的方式，3.681μm红外辐射在相同条件下的吸收基本上不受二氧化碳浓度影响。

[0028] 当来自源组件48的MWIR辐射穿过采样室46中的可呼吸气体流时，在λCO2处的红外辐射根据可呼吸气体流中二氧化碳的浓度而衰减。然而，在λREF处的红外辐射则不受气体主体中的任何二氧化碳影响，并且仅随着来自源组件48的红外辐射的强度而变化。在λREF处的红外辐射被分束器56引导到传感器52，而在λCO2处的红外辐射则被分束器56引导到传感器54。由于λREF和λCO2在黑体辐射曲线上相当靠近，则传感器52和54的输出信号(其对IR电磁辐射敏感)将在源辐射强度的小变化上大致彼此成比例，只要气体主体中的二氧化碳浓度保持恒定。通过利用N2(或利用室内空气—在针对大气中的残留二氧化碳进行适当补偿之后)“归零”检测器50，建立来自传感器52与传感器54的输出信号水平之间的参考比率。每当两个信号之间的比率等于该参考比率时，则采样室46中没有二氧化碳。传感器54的输出信号相对于传感器52的输出信号的任意减小均指示采样室46中二氧化碳浓度的对应增加。

[0029] 在图4至图6中，图示了源组件48的一个或多个实施例。如在图4至图6中能够看出的，源组件48可以包括以下中的一个或多个：发射器60、准直光学器件62、反射组件64和/或其他部件。

[0030] 发射器60被配置为响应于被施加到其的电流，沿光路发射红外电磁辐射。例如，发射器60可以包括衬底66，衬底66具有被印刷在其上的发射元件(未示出)。响应于被施加到所述发射元件的电流，所述发射元件可以加热，并发射红外电磁辐射。发射器60在发射立体角上发射红外电磁辐射。所述发射立体角例如可以为约180°。所发射的电磁辐射在所述发射立体角上的分布可以为朗伯型。

[0031] 准直光学器件62被配置为接收由发射器60沿所述光路发射的电磁辐射的部分，并被配置为沿所述光路准直电磁辐射的所接收的部分。在图4至图6中图示的实施例中，准直光学器件62包括准直反射镜70。这不旨在为限制性的，因为其他光学器件(例如一个或多个准直透镜)也可以被实施为准直光学器件。被准直光学期间62接收的电磁辐射的部分为在发射器60的可用立体角内发射的电磁辐射。所述发射器的所述可用立体角小于所述发射立体角，使得所述发射立体角包含所述可用立体角。所述可用立体角可以通过准直光学器件62的尺寸、形状和/或位置限定。所述发射立体角内的落在所述可用立体角以外的电磁辐射一般由没有被所述准直光学器件接收的电磁辐射构成。在常规设置中，所述发射立体角中落在所述可用立体角以外的部分内的电磁辐射可能被“丢失”(例如，没有被实施用于提升系统10的操作)。

[0032] 反射组件64被配置为将所述电磁辐射中在所述可用立体角以外的至少一部分反射回发射器60。反射组件64可以被配置为将所反射的电磁辐射聚焦在发射器60处或附近。这可以包括在由衬底66上的发射元件形成的发射表面处，聚焦所反射的电磁辐射。

[0033] 在图4至图6中图示的一个或多个实施例中，反射组件64可以包括多个反射器68。反射器68被布置在所述光路周围，以接收所述电磁辐射中在所述可用立体角以外的至少一部分。反射器68可以被配置为使得在第一位置处入射在反射器68上的电磁辐射，与在第二位置处入射在反射器68上的电磁辐射相比，被聚焦在发射器60的不同部分上(例如发射元件的发射表面上的不同位置，衬底上的不同位置，和/或其他不同部分)。这可以提升和/或维持通过被反射组件64聚焦的电磁辐射施加到发射器60的热的均匀性。将认识到，针对反射组件64的该配置不旨在为限制性的。在一些实施例中，不是在图4至图5中所示的反射器
68，而是反射组件64包括一个或多个反射镜(例如，单个反射镜)，所述反射镜被制造为提供在所述可用立体角的至少一部分周围的连续反射表面。

[0034] 反射组件64可以被配置为在反射立体角上接收电磁辐射。在一些实施例中，所述反射立体角始于所述可用立体角的结束，并且继续到从所述光路起的反射组件64接收电磁辐射的最大角度。该最大角度可以小于所述发射立体角，因为在相对高角度时的电磁辐射将倾向于在一些分布(例如朗伯分布)中具有低的强度。该最大角度可以小于约90°，小于约80°，小于约70°，小于约60°，和/或具有其他值。在所述可用立体角以外的电磁辐射中被反射组件64接收，并被聚焦回到发射器60上的百分比可以为至少30％、至少40％、至少50％、至少60％、至少70％、至少80％和/或其他百分比。

[0035] 反射所述可用立体角以外的电磁辐射可以提升发射器60的效率。此外，在其中利用电流脉冲驱动发射器60的实施例中，所反射的电磁辐射将倾向于与电流脉冲基本同步地增加热。这将便于通过电流脉冲对发射器60的热进行调制。

[0036] 图7图示了监测呼吸线路内的可呼吸气体流的组分的方法80，所述呼吸线路与对象的气道流体连通。下文提供的方法80的操作旨在为说明性的。在一些实施例中，可以利用一个或多个未描述的额外操作，和/或无需所讨论的操作中的一个或多个，完成方法80。额外地，在图7中图示并在下文描述的方法80的操作的顺序不旨在为限制性的。

[0037] 在操作82，生成红外电磁辐射。所述红外电磁辐射是沿光路从发射表面发射的。所述电磁辐射是在发射立体角上发射的。所发射的电磁辐射中沿所述光路被使用的部分是在可用立体角上发射的，所述可用立体角小于所述发射立体角，使得所述发射立体角包含所述可用立体角。在一些实施例中，由与(在图4-6中示出并在本文中描述的)发射器60相同或相似的发射器执行操作82。

[0038] 在操作84，反射所发射的电磁辐射中在所述可用立体角以外的至少一部分。该反射将所述电磁辐射聚焦在所述发射表面处或附近，由此增加所述发射表面处或附近的热。在一些实施例中，由与(在图4-6中示出并在本文中描述的)反射组件64相同或相似的反射组件执行操作84。

[0039] 在操作86，接收已穿过可呼吸气体流的通过所述可用立体角发射的电磁辐射。在一些实施例中，由与(在图3中示出并在本文中描述的)检测器组件50相同或相似的检测器组件执行操作86。

[0040] 在操作88，生成输出信号，所述输出信号传达与所接收的电磁辐射的一个或多个参数相关的信息。在一些实施例中，由与(在图3中示出并在本文中描述的)检测器组件50相同或相似的检测器组件执行操作88。

[0041] 在操作90，从所述输出信号确定与所述可呼吸气体流的组分相关的信息。该信息可以包括所述可呼吸气体流内的一种或多种分子种类的相对量、浓度和/或水平。在一些实施例中，由接收所述输出信号的一个或多个处理器执行操作90。

[0042] 将认识到，本文中对被设置在被配置为检测呼吸路线中的二氧化碳的系统中的源组件48的描述不旨在为限制性的。可以实施本文中描述的原理，以在各种背景中提升各种类型的流体(例如气体、液体和/或其他流体)中的各种分子种类的传感器的性能。对被配置为检测呼吸路线中的二氧化碳的系统的描述仅为示范性实施方式。

[0043] 在权利要求中，置于括号中任何附图标记都不得被解释为对权利要求的限制。词语“包括”或“包含”不排除存在权利要求中列出的那些之外的其他元件或步骤。在列举了若干器件的设备权利要求中，这些器件中的一些可以由同一件硬件来实现。元件前面的词语“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。在列举了若干器件的设备权利要求中，这些器件中的一些可以由同一件硬件来实现。互不相同的从属权利要求中记载了特定元件并不指示不能有利地使用这些元件的组合。

[0044] 尽管己经出于说明的目的基于当前认为是最实际和优选的实施例详细描述了本发明，但要理解，这样的细节仅出于该目的，本发明不限于公开的实施例，而是相反，旨在涵盖在权利要求书的精神和范围之内的修改和等价布置。例如，要理解，本公开预见到，在可能的范围内，能够将任意实施例的一个或多个特征与任意其他实施例的一个或多个特征相组合。