(57)【要約】  ガスモニタリング機器（10）は、対象の麻酔または呼吸ガス種を同定し、その濃度を定める。ガスモニタは、マルチスペクトルモザイクフィルタおよびレンズアレイ（12）、コンポジット検知焦点面アレイ（26）、および信号プロセッサ（32）を有する。モザイクフィルタおよびレンズアレイ（12）は、それぞれ、第1および／または第2の表面（20,24）の、隣接するレンズ構造および／またはフィルタ素子の間に設置された、パターン化された熱反射性金属配列層（18,22）を有する、レンズ構造（14）および長波赤外（IR）バンドパスフィルタ素子（16）の2Dアレイを有する。コンポジット検知焦点面アレイ（26）は、それぞれの検知チャネルデータ（36）を出力する、集積されたリードアウト積分回路（ROIC）を有する複数の個々の熱検知焦点面アレイ（28）を有する。信号プロセッサ（32）は、検知チャネルデータ出力（36）を受信し、フレームバイフレーム基準および／または画像積層基準における、吸収信号のオーバーサンプリングに基づいて、対象ガスの前記同定（50）および／または濃度（52）を表す出力を生成する。
2020513562.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
麻酔および呼吸ガスのモニタリングの機器であって、
（i）対象の麻酔または呼吸ガス種を同定し、および
（ii）前記同定された対象の麻酔または呼吸ガス種の濃度を定める
ように適合され、
当該機器は、
レンズ構造および長波赤外（IR）バンドパスフィルタ素子の2次元アレイを有する、マルチスペクトルモザイクフィルタおよびレンズアレイであって、
ブロードバンド赤外（IR）エネルギービームを受光し、前記受光されたブロードバンドIRエネルギービームを、複数の焦点化されスペクトル的にフィルタ化されたIRビームに焦点化し、スペクトル的にフィルタ化するように構成され、
さらに、
（i）第1の表面の、少なくとも隣接するレンズ構造の間を覆う、パターン化された熱反射性金属層、および
（ii）第2の表面の、少なくとも隣接するフィルタ素子の間を覆う、パターン化された熱反射性金属層、
の少なくとも一つを有する、マルチスペクトルモザイクフィルタおよびレンズアレイと、
集積されたリードアウト集積回路を有する複数の個々の熱検知焦点面アレイを有する、コンポジット熱検知焦点面アレイであって、
前記モザイクフィルタおよびレンズアレイの各それぞれの組レンズ構造およびフィルタ素子用の、少なくとも一つの個々の熱検知焦点面アレイが提供され、
前記複数の焦点化され、スペクトル的にフィルタ化されたIRビームの各々は、それぞれの個々の熱検知焦点面アレイにより受光され、
前記焦点化されスペクトル的にフィルタ化されたIRビームの受光に応答して、対応する個々の熱検知焦点面アレイの各それぞれの集積されたリードアウト集積回路（ROIC）は、それぞれの検知チャネルデータを出力する、
コンポジット熱検知焦点面アレイと、
対応する個々の熱検知焦点面アレイの各それぞれの集積されたリードアウト集積回路（ROIC）の前記検知チャネルデータ出力を受信するように、作動可能に結合された信号プロセッサであって、
前記信号プロセッサは、
（i）フレームバイフレーム基準、および
（ii）前記検知チャネルデータ出力の画像積層基準
の少なくとも1または2以上における吸収信号のオーバーサンプリングに基づいて、1または2以上の麻酔および呼吸ガス種からなる群から選択された対象ガスの同定および濃度の少なくとも一つを表す出力信号を生成するように適合される、
信号プロセッサと、
を有する、機器。
【請求項２】
各パターン化された熱反射性金属層は、金、白金、チタン、パラジウム、ニッケル、アルミニウム、またはこれらの任意の組み合わせの少なくとも一つを有し、
（i）アパーチャとして窓のフレームを形成し、隣接するチャネル間のクロストークを最小化し、
（ii）前記隣接するチャネル間に、それぞれの暗ゾーンを形成する
ように構成される、請求項1に記載の機器。
【請求項３】
前記隣接するチャネル間の暗ゾーンは、前記コンポジット熱検知焦点面アレイのそれぞれの熱検知焦点面アレイの上に、改善された信号対ノイズ特性に関する、明信号から暗信号のベースライン減算に使用される暗画素を形成する、請求項2に記載の機器。
【請求項４】
前記長波IRバンドパスフィルタは、波長2μmから15μmの中間波赤外波長に延在する長波赤外波長を透過するように構成される、請求項1に記載の機器。
【請求項５】
前記モザイクフィルタおよびレンズアレイの各IRフィルタ素子は、対応する少なくとも1または2以上の、モニターされる対象の麻酔または呼吸ガス種に特有の中心波長を有する、異なる狭小バンドパスフィルタを有する、請求項1に記載の機器。
【請求項６】
少なくとも1または2以上の対象の麻酔または呼吸ガス種の各々のモニタリングの追加測定に、前記モザイクフィルタおよびレンズアレイの、各々が異なる中心波長を有する、2または3以上のIRフィルタ素子が使用される、請求項1に記載の機器。
【請求項７】
前記コンポジット熱検知焦点面アレイの各個々のアレイは、それぞれの個々の熱検知焦点面アレイに特有のゲイン、バイアス電圧、およびフレームレートを有するように構成される、請求項1に記載の機器。
【請求項８】
前記コンポジット熱検知焦点面アレイの少なくとも2つの個々の熱検知焦点面アレイの各々のセンサ材料は、相互に異なる、請求項1に記載の機器。
【請求項９】
前記センサ材料は、酸化バナジウム（VO）およびアモルファスシリコン（a-Si）からなる群から選定された一つを有する、請求項8に記載の機器。
【請求項１０】
集積されたリードアウト集積回路を有する前記個々の熱検知焦点面アレイは、マイクロボロメータ、熱電対列、および焦電気性、サーミスタ性、または生体材料のマイクロカンチレバー熱センサからなる群から選定された2次元アレイを有する、請求項1に記載の機器。
【請求項１１】
前記1または2以上の麻酔および呼吸ガス種は、二酸化炭素、亜酸化窒素、エンフルラン、ハロタン、イソフルラン、デスフルラン、およびセボフルランからなる群から選定された化学種を含む、請求項1に記載の機器。
【請求項１２】
前記IRフィルタ素子の各々の中心波長および波長バンド幅は、
（i）対象に供給され、
（ii）対象から受容され、または
（iii）対象に供給され、対象から受容される、
混合ガス中の複数の異なるガス種の各々を独自に同定するように選定される、請求項1に記載の機器。
【請求項１３】
異なるガス種、中心波長、および波長バンド幅の組み合わせは、それぞれ、
（i）二酸化炭素、14.925μm、および670cm-1、
（ii）亜酸化窒素、16.949μm、および590 cm-1、
（iii）エンフラン、7.326μm、および1365cm-1、
（iv）ハロタン、12.500μm、および800 cm-1、
（v）イソフルラン、8.25μm、および1212 cm-1、
（vi）デスフルラン、8.456μm、および1182.5 cm-1、ならびに
（vii）セボフルラン、9.615μm、および1040 cm-1
からなる群から選定された2または3以上を有する、請求項12に記載の機器。
【請求項１４】
それぞれの熱検知焦点面アレイ用の、（I）フレームバイフレーム基準、および（II）前記検知チャネルデータ出力の画像積層基準の少なくとも1または2以上における吸収信号のオーバーサンプリングに基づいて、前記対象ガスの同定および濃度の少なくとも一つを生成することは、
（i）前記それぞれの熱検知焦点面アレイの画素アレイの、暗フレームに対応する任意の印加熱源エネルギーが存在しない、第1の画素マップを形成し、任意の有益な動的範囲を提供するため、極めて高い値を示す悪い画素を定めること、
（ii）印加熱源エネルギーが存在する、前記画素アレイの第2の画素マップを形成し、任意の有益な動的範囲を提供するため、極めて低い値を示す非応答性画素を定めること、
（iii）前記応答性熱検知焦点面アレイのスペクトル光路に吸収ガスが存在しない場合、印加熱源エネルギーにより、前記画素アレイの差分ベースラインを定め、暗画素データを減算し、前記定められた悪い画素を排除することであって、前記差分ベースラインは、前記画素アレイの各活性で有効な画素当たりのオフセット補正を提供すること、
（iv）前記スペクトル光路に吸収ガスが存在する場合、前記スペクトル光路における前記吸収ガスの存在に応答して前記画素アレイに現れる、熱エネルギーが低下するスポット領域に関する画素値を加算することにより、体積積分を計算すること、ならびに
（v）前記スペクトル光路に前記吸収ガスが存在する場合の前記計算された体積積分から、前記暗フレームの同じスポット領域の計算された体積積分を減算し、オフセットエラーおよび悪い画素が補正された、ガス濃度に比例する差分信号の値を得ること、
を含む、請求項1に記載の機器。
【請求項１５】
麻酔および呼吸ガスをモニタリングする方法であって、
（i）対象の麻酔または呼吸ガス種を同定し、
（ii）前記同定された対象の麻酔または呼吸ガス種の濃度を定める
ように適合され、
当該方法は、
レンズ構造および長波赤外（IR）バンドパスフィルタ素子の2次元アレイを有する、マルチスペクトルモザイクフィルタおよびレンズアレイを介して、受光されたブロードバンド赤外（IR）エネルギービームを、複数の焦点化されスペクトル的にフィルタ化されたIRビームに焦点化し、スペクトル的にフィルタ化するステップであって、
前記モザイクフィルタおよびレンズアレイは、さらに、
（i）第1の表面の少なくとも隣接するレンズ構造の間を覆う、パターン化された熱反射性金属層、および
（ii）第2の表面の少なくとも隣接するフィルタ素子の間を覆う、パターン化された熱反射性金属層、
の少なくとも一つを有する、ステップと、
集積されたリードアウト集積回路を有する複数の個々の熱検知焦点面アレイを有するコンポジット熱検知焦点面アレイを介して、前記複数の焦点化されスペクトル的にフィルタ化されたIRビームの各々を検知するステップであって、
前記モザイクフィルタおよびレンズアレイの各それぞれの組レンズ構造およびフィルタ素子用に、少なくとも一つの個々の熱検知焦点面アレイが提供され、
前記複数の焦点化されスペクトル的にフィルタ化されたIRビームの各々は、それぞれの個々の熱検知焦点面アレイにより受光され、対応する個々の熱検知焦点面アレイの各それぞれの集積されたリードアウト集積回路（ROIC）を介して、前記それぞれの焦点化されスペクトル的にフィルタ化されたIRビームの受光に応答した、それぞれの検知チャネルデータが出力される、ステップと、
対応する個々の熱検知焦点面アレイの各それぞれの集積されたリードアウト集積回路（ROIC）の前記検知チャネルデータ出力を受信するように作動可能に結合された、信号プロセッサを介して、出力信号を生成するステップであって、
（i）フレームバイフレーム基準、および（ii）前記検知チャネルデータ出力の画像積層基準、の少なくとも1または2以上における吸収信号のオーバーサンプリングに基づいて、前記出力信号は、1または2以上の麻酔および呼吸ガス種からなる群から選定された対象ガスの同定および濃度の少なくとも一つを表す、ステップと、
を有する、方法。
【請求項１６】
前記パターン化された熱反射性金属層は、金、白金、チタン、パラジウム、ニッケル、アルミニウム、またはこれらの任意の組み合わせの少なくとも一つを有し、
（i）アパーチャとして窓のフレームを形成し、前記コンポジット熱検知焦点面アレイのそれぞれの熱検知焦点面アレイ、ならびに前記モザイクフィルタおよびレンズアレイの組レンズ構造およびフィルタ素子の、隣接するチャネル間のクロストークを最小化し、
（ii）前記隣接するチャネル間に、それぞれの熱暗ゾーンを形成する、
ように構成される、請求項15に記載の方法。
【請求項１７】
前記モザイクフィルタおよびレンズアレイの各IRフィルタ素子は、対応する少なくとも1または2以上のモニターされる対象の麻酔または呼吸ガス種に特有の中心波長を有する、異なる狭小バンドパスフィルタを有する、請求項15に記載の方法。
【請求項１８】
前記モザイクフィルタおよびレンズアレイの2または3以上のIRフィルタ素子は、各々が異なる中心波長を有し、少なくとも1または2以上の対象の麻酔または呼吸ガス種の各々をモニタリングする追加測定に使用される、請求項15に記載の方法。
【請求項１９】
前記コンポジット熱検知焦点面アレイの各個々のアレイは、それぞれの個々の熱検知焦点面アレイに特有のゲイン、バイアス電圧、およびフレームレートを有するように構成され、
前記コンポジット熱検知焦点面アレイの少なくとも2つの個々の熱検知焦点面アレイの各々のセンサ材料は、相互に異なり、
集積されたリードアウト集積回路を有する前記個々の熱検知焦点面アレイは、マイクロボロメータ、熱電対列、および焦電気性、サーミスタ性、または生体材料のマイクロカンチレバー熱センサからなる群から選定された2次元アレイを有する、請求項15に記載の方法。
【請求項２０】
（i）対象に供給され、
（ii）対象から受容され、または
（iii）対象に供給され、対象から受容される、
混合ガス中の複数の異なるガス種の各々を独自に同定するため、前記IRフィルタ素子の各々の中心波長および波長バンド幅が選定される、請求項15に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願の実施例は、全般に、麻酔および呼吸ガスモニタリングに関し、特に、対象の麻酔または呼吸ガス種のリアルタイム同時同定および濃度決定用の、麻酔および呼吸ガスモニタリング機器ならびに方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
対象ガスを同定するある既知の方法では、該方法において、マルチ表面化ミラーが使用され、異なる方向に伝播するいくつかの赤外（IR）ビームが形成される。各IRビームは、一つの熱検出器を有するバンドパスフィルタに伝播する。N種のガスが平行かつリアルタイムに解析されるが、単位データチャネル当たり一つの検出器しか使用されない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、既知の方法では、低い信号解像度、低信号対ノイズ比の測定値に悩まされ、信号のIRビームロスに関する問題もある。信号のIRビームロスは、検出器で見られるN面ミラーによる、全入射IRビームエネルギーの分割によるものである。より多くの面ミラーでは、検出器での信号がより小さくなる。また、マルチ面ミラーを用いるそのようなビーム分割技術では、最大4種または6種のガスのモニタリングが限界である。
【０００４】
従って、従来の問題を解決する改善された方法および機器が望まれている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
ある実施例では、麻酔および呼吸ガスのモニタリングの機器は、
（i）対象の麻酔または呼吸ガス種を同定し、および
（ii）前記同定された対象の麻酔または呼吸ガス種の濃度を定めるように適合される。当該機器は、マルチスペクトルモザイクフィルタおよびレンズアレイと、集積されたリードアウト集積回路を有する複数の個々の熱検知焦点面アレイを有する、コンポジット熱検知焦点面アレイと、信号プロセッサとを有する。
【０００６】
前記マルチスペクトルモザイクフィルタおよびレンズアレイは、レンズ構造および長波赤外（IR）バンドパスフィルタ素子の2次元アレイを有し、ブロードバンド赤外（IR）エネルギービームを受光し、前記受光されたブロードバンドIRエネルギービームを、複数の焦点化されスペクトル的にフィルタ化されたIRビームのコーンに焦点化し、スペクトル的にフィルタ化するように構成される。前記モザイクフィルタおよびレンズアレイは、さらに、
（i）第1の表面の少なくとも隣接するレンズ構造の上に設置され、またはこれを覆う、パターン化された熱反射性金属配列層、および
（ii）第2の表面の少なくとも隣接するフィルタ素子の上に設置され、またはこれを覆う、パターン化された熱反射性金属配列層、
の少なくとも一つを有する。
【０００７】
前記コンポジット熱検知焦点面アレイは、集積されたリードアウト集積回路を有する複数の個々の熱検知焦点面アレイを有する。前記モザイクフィルタおよびレンズアレイの組レンズ構造およびフィルタ素子の各それぞれの一つのため、少なくとも一つの個々の熱検知焦点面アレイが提供される。前記焦点化され、スペクトル的にフィルタ化されたIRビームの複数のコーンの各々は、それぞれの個々の熱検知焦点面アレイにより受光され、前記焦点化されスペクトル的にフィルタ化されたIRビームの受光に応答して、対応する個々の熱検知焦点面アレイの各それぞれの集積されたリードアウト集積回路（ROIC）は、それぞれの検知チャネルデータを出力する。
【０００８】
前記信号プロセッサは、対応する個々の熱検知焦点面アレイの各それぞれの集積されたリードアウト集積回路（ROIC）の前記検知チャネルデータ出力を受信するように、作動可能に結合される。信号プロセッサは、
（i）フレームバイフレーム基準、および
（ii）前記検知チャネルデータ出力の画像積層基準
の少なくとも1または2以上における吸収信号のオーバーサンプリングに基づいて、1または2以上の麻酔および呼吸ガス種からなる群から選択された対象ガスの同定および濃度の少なくとも一つを表す出力信号を生成するように適合される。
【０００９】
別の実施例では、前記パターン化された熱反射性金属層は、金、白金、チタン、パラジウム、ニッケル、アルミニウム、またはこれらの任意の組み合わせの少なくとも一つを有する。前記パターン化された熱反射性金属層は、（i）アパーチャとして窓のフレーム（すなわち、クロストーク最小化構造）を形成し、前記コンポジット熱検知焦点面アレイのそれぞれの熱検知焦点面アレイ、ならびに、前記モザイクフィルタおよびレンズアレイの組レンズ構造およびフィルタ素子の、隣接するチャネル間のクロストークを最小化するように構成される。前記パターン化された熱反射性金属層は、さらに、（ii）前記隣接するチャネル間に、それぞれの熱暗ゾーンを形成するように構成される。別の実施では、隣接するチャネル間の熱暗ゾーンは、前記コンポジット熱検知焦点面アレイのそれぞれの熱検知焦点面アレイの上に、改善された信号対ノイズ特性に関する、明（光）信号から暗信号のベースライン減算に使用される暗画素を形成する。
【００１０】
別の実施例では、当該機器は、前記長波IRバンドパスフィルタが波長2μmから15μmの中間波赤外波長に延在する長波赤外波長を透過するように構成される、という特徴を有する。別の実施例では、当該機器は、前記モザイクフィルタおよびレンズアレイの各IRフィルタ素子が、対応する少なくとも1または2以上の、モニターされる対象の麻酔または呼吸ガス種に特有の中心波長（λc）を有する、異なる狭小バンドパスフィルタを有する、という特徴を有する。さらに別の実施例では、当該機器は、少なくとも1または2以上の対象の麻酔または呼吸ガス種の各々のモニタリングの追加測定に、前記モザイクフィルタおよびレンズアレイの、各々が異なる中心波長（λc）を有する、2または3以上のIRフィルタ素子が使用される、という特徴を有する。
【００１１】
別の実施例では、当該機器は、さらに、前記コンポジット熱検知焦点面アレイの各個々のアレイは、それぞれの個々の熱検知焦点面アレイに特有のゲイン、バイアス電圧、およびフレームレートを有するように構成される、という特徴を有する。また、前記コンポジット熱検知焦点面アレイの少なくとも2つの個々の熱検知焦点面アレイの各々のセンサ材料は、相互に異なる。さらに別の例では、前記センサ材料は、酸化バナジウム（VO）およびアモルファスシリコン（a-Si）からなる群から選定された一つを有する。
【００１２】
さらに別の実施例では、当該機器は、集積されたリードアウト集積回路を有する前記個々の熱検知焦点面アレイが、マイクロボロメータ、熱電対列、および焦電気性、サーミスタ性、または生体材料のマイクロカンチレバー熱センサからなる群から選定された2次元アレイを有する、という特徴を有する。また、前記1または2以上の麻酔および呼吸ガス種は、二酸化炭素、亜酸化窒素、エンフルラン、ハロタン、イソフルラン、デスフルラン、およびセボフルランからなる群から選定された化学種を含む。さらに別の実施例では、前記IRフィルタ素子の各々の中心波長および波長バンド幅は、
（i）対象に供給され、
（ii）対象から受容され、または
（iii）対象に供給され、対象から受容される、
混合ガス中の複数の異なるガス種の各々を独自に同定するように選定される。また、異なるガス種、中心波長、および波長バンド幅の組み合わせは、それぞれ、
（i）二酸化炭素、14.925μm、および670cm-1、
（ii）亜酸化窒素、16.949μm、および590 cm-1、
（iii）エンフラン、7.326μm、および1365cm-1、
（iv）ハロタン、12.500μm、および800 cm-1、
（v）イソフルラン、8.25μm、および1212 cm-1、
（vi）デスフルラン、8.456μm、および1182.5 cm-1、ならびに
（vii）セボフルラン、9.615μm、および1040 cm-1
からなる群から選定された2または3以上を有する。
【００１３】
さらに別の実施例では、当該機器は、それぞれの熱検知焦点面アレイ用の、（I）フレームバイフレーム基準、および（II）前記検知チャネルデータ出力の画像積層基準の少なくとも1または2以上における吸収信号のオーバーサンプリングに基づいて、前記対象ガスの同定および濃度の少なくとも一つを生成することは、
（i）前記それぞれの熱検知焦点面アレイの画素アレイの、暗フレームに対応する任意の印加熱源エネルギーが存在しない、第1の画素マップを形成し、任意の有益な動的範囲を提供するため、極めて高い値を示す悪い画素を定めること、
（ii）印加熱源エネルギーが存在する、前記画素アレイの第2の画素マップを形成し、任意の有益な動的範囲を提供するため、極めて低い値を示す非応答性画素を定めること、
（iii）前記応答性熱検知焦点面アレイのスペクトル光路に吸収ガスが存在しない場合、印加熱源エネルギーにより、前記画素アレイの差分ベースラインを定め、暗画素データを減算し、前記定められた悪い画素を排除することであって、前記差分ベースラインは、前記画素アレイの各活性で有効な画素当たりのオフセット補正を提供すること、
（iv）前記スペクトル光路に吸収ガスが存在する場合、前記スペクトル光路における前記吸収ガスの存在に応答して前記画素アレイに現れる、熱エネルギーが低下するスポット領域に関する画素値を加算することにより、体積積分を計算すること、ならびに
（v）前記スペクトル光路に前記吸収ガスが存在する場合の前記計算された体積積分から、前記暗フレームの同じスポット領域の計算された体積積分を減算し、オフセットエラーおよび悪い画素が補正された、ガス濃度に比例する差分信号の値を得ること、
を含む、という特徴を有する。
【００１４】
以下の詳細な説明を読み、理解した当業者には、利点および効果は明らかである。
【００１５】
本開示の実施例は、各種部材および部材の配置、ならびに各種ステップおよびステップの配置を取り得る。従って、各種実施例の説明のための図面は、実施例を限定するものと解してはならない。図面において、同様の参照符号は、同様の素子を表す。また、図にはスケールが示されていないことが留意される。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】図1は、本開示の実施例によるガスモニタリング機器のマルチスペクトルモザイクフィルタおよびレンズアレイの斜視図である。これは、第1の表面を覆う反射性金属堆積物を有する、レンズ構造と、長波赤外（IR）バンドパスフィルタ素子との2次元アレイを有する。
【図２】図2は、本開示の実施例による、第1の表面とは反対の第2の表面を覆う反射性金属堆積物を有する、図1のマルチスペクトルモザイクフィルタおよびレンズアレイの斜視図である。
【図３】図3は、本開示の実施例によるガスモニタリング機器の、マルチスペクトルモザイクフィルタおよびレンズアレイと、コンポジット熱検知焦点面アレイとの分解斜視図である。
【図４】図4は、本開示の実施例によるガスモニタリング機器のインターポーザを介して、単一の信号処理ウェハに結合されたセンサウェハの概略的な代表図である。
【図５】図5は、本開示の実施例によるマルチスペクトルモザイクフィルタおよびレンズアレイと、コンポジット熱検知焦点面アレイとの断面を示した、ガスモニタリング機器の概略的な代表図である。
【図６】図6は、本開示の別の実施例による、マルチスペクトルモザイクフィルタおよびレンズアレイと、コンポジット熱検知焦点面アレイとの断面を示す、ガスモニタリング機器の概略的な代表図である。
【図７】図7は、本開示の実施例による、全吸収値の計算に使用される、2以上の吸収ピークを有する対象ガスの吸収スペクトルのグラフである。ガスモニタリング機器は、所望のそれぞれの1もしくは2以上の吸収ピークの各々の周囲に中心化された、対応するバンドパスフィルタを有する。
【図８】図8は、本開示の実施例による、円錐形を有し、収集され、処理された、個々の熱検知焦点面アレイの検知チャネルデータの一例のグラフのプロット図である。
【図９】図9は、本開示の実施例による、ガス種の5%の濃度を表す円錐形を有する、個々の熱検知焦点面アレイの検知チャネルデータの例のグラフのプロット図である。
【図１０】図10は、本開示の実施例による、ガス種の10%の濃度を表す円錐形を有する、個々の熱検知焦点面アレイの検知チャネルデータの例のグラフのプロット図である。
【図１１】図11は、本開示の実施例による、対象ガス種の個々の熱検知焦点面アレイの検知チャネルデータと、吸収ピークの境界との代表図である。
【図１２】図12は、図11の吸収ピーク境界内の対象ガス種の個々の熱検知焦点面アレイの検知チャネルデータのグラフのプロット図である。
【図１３】図13は、本開示の実施例による、麻酔および呼吸ガスをモニタリングする方法のフロー図である。これは、（i）対象麻酔または呼吸ガス種を同定し、（ii）同定された対象の麻酔または呼吸ガス種の濃度を定めるように適合される。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下の記載において、本開示の実施例、各種特徴および有意な詳細を、図面に記載され、および／または示された非限定的な例を参照して、より詳しく説明する。図面に示された特徴において、必ずしもスケールは示されていないことに留意する必要がある。当業者が理解できる限り、ある実施例の特徴は、明確に記載されていなくても、他の実施例とともに使用され得る。既知の部材および処理技術の記載は、本開示の実施例を不必要に不明瞭にしない限り、省略され得る。本願に使用された例は、単に、本実施例が実施される方法の理解を高め、さらに当業者がこれを実現できるようにするためのものであることが意図される。従って、示された例は、本開示の実施例を限定するものと解してはならない。これは、添付の特許請求の範囲および適用法令のみにより、定められる。
【００１８】
本開示の実施例は、変化しない限り、示された特定の方法、手順、装置、機器、材料、用途などに限定されないことが理解される。また、本願に使用される専門用語は、単に特定の実施例を示すために使用され、記載された実施例の範囲に限定することを意図するものではないことが理解される。本願および特許請求の範囲において使用される「一つの」、「その」は、明確に記載されていない限り、複数の参照物を含むことに留意する必要がある。
【００１９】
また、他に規定がない限り、使用される全ての専門用語および科学用語は、本開示の実施例に属する当業者に広く理解されているものと同じ意味を有する。好ましい方法、装置、および材料が記載されているが、実施例の実施または評価に、記載のものと同等のまたは等価ないかなる方法および材料が使用されてもよい。
【００２０】
本開示の各種実施例に関し、今日の低コストのマイクロボロメータは、80×60で始まり、全体で4800画素の画素カウントを有する。各画素素子は、酸化バナジウムまたはアモルファスシリコンで構成された、温度検知抵抗材料である。かつては軍用途に排他的に使用されてきたマイクロボロメータは、現在、市販されるようになり、従って、コストが大きく低減されている。CMOSイメージセンサの市場と同様、マイクロボロメータの画素カウントおよび感度は、単位ユニット当たりのコストの低下とともに大量生産が増え、上昇し続けることが予測されている。画素カウントが増加し、感度が向上すると、より信号処理の機械が顕著になる。容易に理解されるように、N×Nのマルチスペクトルモザイクフィルタおよびレンズアレイ、ならびに各フィルタおよびレンズアレイ素子と関連する対応するマイクロボロメータのX×Yの数の画素により、データのオーバーサンプリングが有意に実施される。
【００２１】
ガス種の単位検出当たり、一つの熱検出器または画素素子が使用される従来技術とは異なり、本開示の実施例では、マイクロボロメータ画素検出器のアレイが有意に使用され、すなわち、2または3桁以上大きな検出器が使用され、これにより、検出性が大きく高まり、測定解像度が統計的に改善され、麻酔呼吸ガス濃度測定の信号対ノイズ比が高まる。例えば、3×3のマルチスペクトルモザイクフィルタおよびレンズアレイマトリクスを用いた、4800画素素子を有する、80×60画素のマイクロボロメータでは、単位フィルタ素子当たり533画素を有し、従って、533の平行なデータチャネルの情報が提供される。同様に、80×80画素のマイクロボロメータでは、単位フィルタ素子当たり711の画素があり、従って、検知長波赤外線情報の711の平行データチャネルが提供される。感度が同じに維持される場合、単位フィルタ素子当たりの画素カウントの増加、さらにはオーバーサンプリングの増加、ならびに平行なデータチャネルの数の増加により、信号対ノイズ比が有意に改善され、本開示の実施例によるガスモニタリング機器のガス検出／濃度測定特性が改善される。本開示の別の実施例では、対象ガスのガス濃度を定めるアルゴリズム要素は、（i）連続取得フレームからの画素バイ画素データ、および／または暗ベースライン減算によるフレーム×フレームの平均、
（ii）サブ画素アレイを定める、吸収ピーク領域境界検出、ならびに
（iii）ガス濃度の既知の較正値に対する未知のガス濃度を表す、単位取得マイクロボロメータフレームデータ当たりの、サブ画素アレイから検出された吸収ピークの3D体積積分計算、
の1または2以上の使用が含まれる。
【００２２】
本開示の実施例では、マイクロボロメータアレイの各画素が検出器を有する場合、データチャネル当たり、数百または数千の検出器が有意に使用されることが理解される。さらに、実施例では、各データチャネル当たり、オーバーサンプリングが利用される。オーバーサンプリングでは、データチャネル当たり微細な測定ができ、高い信号対ノイズ比が得られ、統計的なおよび／または信号の処理アルゴリズムを介して、改善された解像度が得られる点で有意である。
【００２３】
ここで、図1を参照すると、ガスモニタリング機器10（図5）のマルチスペクトルモザイクフィルタおよびレンズアレイ12の斜視図が示されている。本開示の実施例によるガスモニタリング機器10は、（i）対象麻酔または呼吸ガス種を同定し、（ii）同定された対象麻酔または呼吸ガス種の濃度を定めるように適合される。以下に詳しく示すように、モザイクフィルタおよびレンズアレイ12は、ブロードバンド赤外（IR）エネルギービームを受信し、該受信したブロードバンドIRエネルギービームを、集束されスペクトル的にフィルタ化されたIRビームの複数のコーンに集束し、スペクトル的にフィルタ化するように構成される。再度図1を参照すると、モザイクフィルタおよびレンズアレイ12は、レンズ／フィルタパッケージ基板11を有し、これは、長波（LW）赤外（IR）バンドパスフィルタ素子161-N（図2）と一体化された、レンズ構造141-Nの2次元アレイを有し、基板11の第1の表面20を覆う反射性金属堆積物18を有する。また、マルチスペクトルモザイクフィルタおよびレンズ12は、LWIRフィルタアレイモザイクとも称されることが留意される。レンズ構造141-Nは、例えば、平凸レンズのアレイを有し、任意の好適なマルチチップモジュール、および／または光学部材モジュール製造および／または従来公知のパッケージ化技術を用いて、レンズ／フィルタパッケージ基板11内に、各フィルタ素子161-N当たり一つのレンズが形成される。別の実施例では、レンズ構造は、所与のガスモニタリング実施の仕様により選定された、他の種類のレンズ構造を有してもよい。単に説明用のため、開示に使用されたNの値は、複数の等しい数9を表す整数であることが留意される。他のN値も可能である。
【００２４】
また、長波IRバンドパスフィルタ161-Nの各々は、中間波赤外波長に延在する所望の長波赤外波長を通過するように構成された、任意の好適なフィルタを有し得る。所望の波長は、波長2μmから15μmの範囲内であることが好ましい。また、モザイクフィルタおよびレンズアレイ12の各LWIRフィルタ素子161-Nは、モニターされる所望の複数の対象麻酔または呼吸ガス種の1または2以上に特有の、適切に選定された中心波長（λc）を有する、異なる狭小バンドパスフィルタを有し得る。ある実施例では、バンドパスフィルタは、モザイクフィルタおよびレンズアレイ12の表面に設置された、好適なフィルタコーティングを有する。異なる狭小のバンドパスフィルタのアレイは、以下にさらに示されるように、所与の対象ガス種に特有の複数の中心波長を使用することを含む。後者の例では、各々が異なる中心波長（λc）を有する、2または3以上のIRフィルタ素子161-Nは、少なくとも1または2以上の対象麻酔または呼吸ガス種の各々のモニタリングの際の追加測定に使用され得る。
【００２５】
再度図1を参照すると、反射性金属堆積物18は、レンズ／フィルタパッケージ基板11の第1の表面20の、少なくとも隣接するレンズ構造141-Nの間に設置され、または間を覆う、パターン化された熱反射性金属堆積層を有する。熱反射性金属堆積層18の成膜およびパターン化は、従来の好適な金属成膜およびパターン化技術を用いて行われ得る。パターン化された熱反射性金属層は、金、白金、チタン、パラジウム、ニッケル、アルミニウム、またはこれらの任意の組み合わせの少なくとも一つを有し得る。また、パターン化された熱反射性金属層18は、窓フレームまたは窓のクロストーク最小化構造を形成するように構成される。窓は、コンポジット熱検知焦点面アレイ26（図3）、ならびにモザイクフィルタおよびレンズアレイ12の組レンズ構造およびフィルタ素子（それぞれ、141-Nおよび161-N）の、それぞれの熱検知焦点面アレイ281-Nの隣接するチャネルの間の任意の潜在的なクロストークを最小限に抑制するアパ−チャとして機能するように構成される。また、層18の窓フレームまたは窓のクロストーク最小化構造は、隣接するチャネル間のそれぞれの熱暗ゾーンを形成するように構成される。以下に示すように、隣接するチャネル間の熱暗ゾーンは、コンポジット熱検知焦点面アレイのそれぞれの熱検知焦点面アレイにおける暗画素を形成し、改善された信号対ノイズ特性に関して、明信号から暗信号のベースライン減算に使用される。
【００２６】
次に、図2を参照すると、図1のマルチスペクトルモザイクフィルタおよびレンズアレイ12の斜視図（上下反転）が示されている。これは、レンズ／フィルタパッケージ基板11の、第1の表面20とは反対の第2の表面24を覆う反射金属堆積層22を有する。ある実施例では、反射性金属堆積物22は、第2の表面24の少なくとも隣接するフィルタ素子161-Nの間に設置され、またはこの間を覆う、パターン化された熱反射性金属成膜層を有する。パターン化された熱反射性金属層22は、金、白金、チタン、パラジウム、ニッケル、アルミニウム、またはこれらの任意の組み合わせの少なくとも一つを有し得る。図1の反射性金属堆積物18と同様に、層22は、窓フレーム、または窓のクロストーク最小化構造を形成するように構成され得る。換言すれば、パターン化反射性金属堆積物層18、22は、単独でまたは組み合わされ、各々は、窓フレームまたは窓のクロストーク最小化構造を有意に形成し、これらは、レンズ／フィルタ構造および焦点化面検知アレイの隣接する光チャネルの間の好ましくないクロストークを除去し、および／または大きく抑制する。
【００２７】
次に、図3を参照すると、本開示の実施例によるガスモニタリング機器10（図5）の、マルチスペクトルモザイクフィルタおよびレンズアレイ12と、コンポジット熱検知焦点面アレイ（FPA）26との分解斜視図が示されている。コンポジット熱検知焦点面アレイ26は、任意の好適なマルチチップモジュール形成および／または従来のパッケージ技術を用いて、マルチチップモジュールパッケージ基板25内に形成され、集積されたリードアウト集積回路（図示されていない）を有する、複数の個々の熱検知焦点面アレイ281-Nを有する。ここで、Nは整数である。図3の例では、モザイクフィルタおよびレンズアレイ12は、3×3アレイの9個のフィルタ素子を有する。同様に、コンポジット熱検知FPA26は、3×3アレイの、それぞれの対応する9個の熱検知FPAを有する。ある実施例では、集積されたROICを有する個々の熱検知FPA281-9は、マイクロボロメータを有する。9個のフィルタ素子モザイクフィルタアレイは、各フィルタ素子当たり1レンズの、積分平凸レンズを有し、マイクロボロメータ281から289のコンポジット熱検知FPA26の上に、所与の距または間隔で取り付けられる。レンズ／フィルタパッケージ基板11のモザイクフィルタおよびレンズアレイ12と、マルチチップモジュールパッケージ基板25のコンポジット熱検知FPA26の間の距離または間隔は、所与の実施の特定の仕様により定められる。別の実施例では、集積されたリードアウト集積回路を有する個々の熱検知焦点面アレイ281-Nは、マイクロボロメータ、熱電対列、および焦電気性、サーミスタ性、または生体材料のマイクロカンチレバー熱センサからなる群から選定された、2次元アレイを有する。マイクロボロメータ、熱電対列、および焦電気性、サーミスタ性、または生体材料のマイクロカンチレバー熱センサは、通常知られており、ここではこれ以上説明されないことが留意される。
【００２８】
ある実施例では、一つの個々の熱検知焦点面アレイ281-Nは、パッケージ基板11におけるモザイクフィルタおよびレンズアレイ12の組レンズ構造およびフィルタ素子（それぞれ、141-Nおよび161-N）の各それぞれ一つのため、マルチチップパッケージ化モジュール基板25に提供される。また、焦点化されスペクトルフィルタ化されたIRビームの複数のコーンの各々は、それぞれの個々の熱検知焦点面アレイ281-Nにより受光される（例えば、それぞれのFPA281-N上のスポット301-Nを介して示されている）。換言すれば、モザイクフィルタおよびレンズアレイ12における各レンズは、LWIRエネルギーの狭小バンド幅を、その下の対応する個々のマイクロボロメータFPAセンサ素子に直接通し、焦点化されたLWIRエネルギーの円形スポットが形成される。スポットのサイズは、十分に大きく、マイクロボロメータアレイセンサ素子の表面積の多くを利用できることが好ましいが、全領域までは包囲しない。焦点スポットの外側の領域は、暗状態のままの画素を有し、これは、ベースライン減算に使用されるためである。
【００２９】
各マイクロボロメータアレイセンサ素子は、例えば30×30画素センサの900センサ素子のような、任意のn×nサイズを有し、あるいは80×80の64000画素センサのような、より大きなオーダを有する。図3に示すように、モザイクフィルタアレイ素子147は、対応するスポット307を、マイクロボロメータアレイセンサ素子287の表面に焦点化し、スポットサイズは、センサアレイ287の全表面積よりも小さい。すなわち、おおよそ50%のみが赤外エネルギーに暴露される。モザイクフィルタおよびレンズアレイ12上の熱反射性金属堆積物18のため、センサアレイ287の残りの未暴露領域は、暗状態にある（すなわち熱的に暗い）。これらの暗画素は、ベースライン減算のような信号処理に使用されることが有意である。同様に、隣接するマイクロボロメータアレイセンサ素子のナンバー284、285、288の各々は、モザイクフィルタおよびレンズアレイ12の対応するフィルタ（それぞれ、164、165、168）により定められる所与の波長を有する、赤外エネルギーの自身の焦点化スポット（それぞれ、304、305、306）を有する。換言すれば、モザイクフィルタおよびレンズアレイ12上の金属化（すなわち、熱反射性金属堆積物18）のため、全ての隣接するマイクロボロメータセンサアレイ素子の間に、暗領域が存在する。焦点化されスペクトル的にフィルタ化されたIRビームの受光に応答して、対応する個々の熱検知焦点面アレイ281-Nの各それぞれの集積されたリードアウト集積回路（ROIC）（図示されていない）は、それぞれの検知チャネルデータを出力する。これは、以降図5を参照して説明される。
【００３０】
ある実施例では、コンポジット熱検知焦点面アレイ26の各個々のアレイ281-Nは、所与のガスモニタリング用途の仕様により、それぞれの個々の熱検知焦点面アレイに特有の、ゲイン、バイアス電圧、およびフレームレートを有するように構成される。また、コンポジット熱検知焦点面アレイ26の少なくとも2つの個々の熱検知焦点面アレイ281-Nの各々のセンサ材料は、相互に異なってもよい。例えば、センサ材料は、酸化バナジウム（VO）またはアモルファスシリコン（a-Si）を有してもよい。他のセンサ材料も使用可能である。
【００３１】
再度図3を参照すると、マルチチップモジュールパッケージ基板25内のコンポジット熱検知焦点面アレイ26、さらに個々の熱検知焦点面アレイ281-NのROICは、物理的および作動的に、インターポーザ34を介して、信号処理ユニットまたは信号プロセッサ32に結合される。インターポーザ34は、信号線ビア36（図5）を有し、コンポジット熱検知焦点面アレイ26の所与の熱検知焦点面アレイ161-NのROIC用の信号入力および／または出力を、信号プロセッサ32（図5）に作動的に結合する。図4には、センサウェハまたはマルチチップモジュール基板38の概略的な代表図を示す。これは、インターポーザウェハ／基板42を介して、信号処理ウェハまたはマルチチップモジュール基板40に結合された、複数のコンポジット熱検知焦点面アレイを有する。ウェハ、基板、および／またはマルチチップモジュールの結合技術は、従来から知られており、ここではこれ以上説明しない。
【００３２】
ある実施例では、各マイクロボロメータアレイセンサ素子は、同じ半導体ダイ上に、または個々の半導体ダイ上（例えば、シリコンダイ）上に、製造することができる。例えば、相補型金属酸化物半導体（CMOS）プロセスを使用して、各マイクロボロメータセンサアレイ素子28用の回路を形成できる。また、マイクロ電気機械システム（MEMS）作製プロセスを使用して、対応するコンポジット熱検知焦点面アレイ26を形成できる。リードアウト集積回路（ROIC）、またはリードアウト回路は、各マイクロボロメータセンサアレイ素子の一部であり、これは、同じ半導体ダイ上、または個々のダイ上にあってもよい。各マイクロボロメータセンサアレイ素子からの電気信号のブレークアウトを可能にするため、マイクロボロメータアレイ素子を有するウェハまたは基板に、第2のシリコンウェハが結合される。この第2のウェハは、インターポーザとして機能し、図3におけるセンサ281、282、283、284、286、287、288、および289のような、周囲にある他のマイクロボロメータセンサ素子によって取り囲まれたマイクロボロメータアレイ素子に、信号が到達できる。図3の例では、センサ285は、下側のインターポーザ層を使用しなければ、外部電子機器に接続されない。例えば、シリコンバイアス（TSV）やシリコンインターポーザ（SiIP）を介するCMOS製造プロセス、ならびに例えば、ダイツーダイ、ダイツーウェハ、および直接結合相互接続（DBI）のようなMEMS製造プロセスは、通常、良く知られており、ここではこれ以上説明しない。
【００３３】
次に図5を参照すると、ガスモニタリング機器10の概略的な代表図が示されている。これは、本開示の実施例による、マルチスペクトルモザイクフィルタおよびレンズアレイ12と、コンポジット熱検知焦点面アレイ26との断面を有する。マルチスペクトルモザイクフィルタおよびレンズアレイ12の断面において、符号BPF／LENS4、BPF／LENS5、およびBPF／LENS6は、図3のそれぞれ、組レンズ構造およびフィルタ素子（144、164）、（145、165）、および（146、166）に対応する。組レンズ構造およびフィルタ素子（144、164）、（145、165）、および（146、166）は、それぞれ、組レンズ構造およびフィルタ素子パッケージ基板11内に、相互に対して配置される。図5の実施例では、熱反射性金属堆積物18は、モザイクフィルタ／レンズアレイ12の第1の表面を覆うように示されている。また、図5を参照すると、マルチチップモジュールパッケージ基板25のコンポジット熱検知焦点面アレイ26の断面は、符号FPA4、FPA5、およびFPA6を有し、これらは、それぞれ、図3の熱検知焦点面アレイ304、305、306に対応する。図5のガスモニタリング機器10は、さらに、信号プロセッサ32を有し、これは以降に説明される。図5を参照した記載は、図5には示されていないが図1乃至3に示されている、組レンズ構造およびフィルタ素子、ならびに熱検知焦点面アレイにも適用可能であることは、明らかであることに留意する必要がある。
【００３４】
図5のガスモニタリング機器10は、（i）対象の麻酔または呼吸ガス種を同定し、（ii）同定された対象の麻酔または呼吸ガス種の濃度を定めるように適合される。組レンズ構造141-Nと、長波赤外（IR）バンドパスフィルタ素子161-Nとの2次元アレイ12は、1または2以上の対象ガスのクラウド46から放射されるブロードバンドの赤外（IR）エネルギービーム44を受光するように構成され、このガスの同定と濃度の決定が行われる。組レンズ構造およびフィルタ素子（144、164）、（145、165）、（146、166）は、それぞれ、受光されたブロードバンドのIRエネルギービーム44を、焦点化されスペクトル的にフィルタ化された複数のコーンに焦点化し、スペクトル的にフィルタ化し、これらは、参照符号48で、さらにはそれぞれ、484、485、486により、まとめて示されている。集束されスペクトル的にフィルタ化されたIRビームの受光に応答して、対応する個々の熱検知焦点面アレイ（例えば、FPA4、FPA5、FPA6）の各それぞれの集積されたリードアウト集積回路（ROIC）は、それぞれの検知チャネルデータを出力する。前述のように、信号線36（またはビア）は、コンポジット熱検知焦点面アレイ26の所与の熱検知焦点面アレイ（例えば、FPA4、FPA5、FPA6）の各ROIC（図示されていない）の信号入力／出力を、信号プロセッサ32に作動可能に結合する。
【００３５】
再度図5を参照すると、信号プロセッサ32は、対応する個々の熱検知焦点面アレイ（例えば、FPA4、FPA5、FPA6）の各それぞれの集積されたリードアウト集積回路（ROIC）の検知チャネルデータ出力を少なくとも受信するため、作動可能に結合される。信号プロセッサ32は、例えばガス同定出力50を介して、少なくとも一つの対象ガスの同定、および例えばガス濃度出力52を介して、少なくとも一つの対象ガスの濃度、の少なくとも一つを表す出力信号を生成するように適合される。出力50および52は、ガス同定およびガス濃度に対応する、信号、データおよび／または情報の1または2以上と通信する、任意の好適な出力を有し得る。例えば、出力は、換気システム（図示されていない）、またはガス同定および／またはガス濃度に対応する、信号、データおよび／または情報を使用するように構成された、他の種類のガス検出／モニタリングシステムに、提供されてもよい。少なくとも一つの対象ガスは、1または2以上の麻酔ガスおよび呼吸ガス種からなる群から選定される。また、信号プロセッサ32は、以降に示すように、（i）フレームバイフレームバイアス、および（ii）検知チャネルデータ出力の画像積層バイアスの少なくとも1または2以上における、吸収信号のオーバーサンプリングに基づいて、少なくとも一つの対象ガスを同定するように構成される。
【００３６】
1または2以上の実施例では、所与のガスモニタリング装置の実施および／または適用の仕様による本願に記載の各種機能を実施するため、信号プロセッサ32は、マイクロプロセッサ、マイクロ制御器、フィールドプログラム化ゲートアレイ（FPGA）、集積回路、別個のアナログもしくはデジタル回路部材、ハードウェア、ソフトウェア、ファームウェア、またはこれらの任意の組み合わせの1または2以上を有する。信号プロセッサ32は、さらに、本願に記載の、1または2以上のアルゴリズムを実行し、および／または各種機能を実行する、1または2以上の各種モジュールを有し得る。信号プロセッサ32、および関連のアルゴリズムに関する追加の詳細は、図面を参照して提供される。
【００３７】
ある実施例では、信号プロセッサ32は、（I）フレームバイフレーム基準、および（II）それぞれの熱検知焦点面アレイの検知チャネルデータの画像積層基準の少なくとも1または2以上に対する吸収信号のオーバーサンプリングに基づいて、対象ガスの同定および濃度の少なくとも一つを生成する処理を実施するように構成される。生成のプロセスは、
（i）暗フレームに対応する任意の印加熱源エネルギーが存在しない際の、それぞれの熱検知焦点面アレイの画素アレイの第1の画素マップを形成し、任意の有益な動的範囲を提供するため、極端に高い値を示す悪い画素を定めるステップ、
（ii）印加熱源エネルギーが存在する際の、画素アレイの第2の画素マップを形成し、任意の有益な動的範囲を提供するため、極端に低い値を示す、非応答性画素を定めるステップ、
（iii）それぞれの熱検知焦点面アレイのスペクトル光路に吸収ガスが存在しない場合、印加熱源エネルギーによる画素アレイの差分ベースラインを定めるステップ、および暗画素データを減算して、定められた悪い画素を排除するステップであって、差分ベースラインは、画素アレイの各活性で有効な画素当たりのオフセット補正を提供する、ステップ、
（iv）スペクトル光路に吸収ガスが存在する場合、スペクトル光路における吸収ガスの存在に応答して画素アレイ上に現れる、熱エネルギーが減少するスポット領域に関する画素値を追加することにより、体積積分を計算するステップ、ならびに
（v）スペクトル光路に吸収ガスが存在する際に計算された体積積分から、暗フレームでの同じスポット領域の計算された体積積分を減算して、以降に示すように、オフセットエラーおよび悪い画素が補正された、ガス濃度に比例する差分信号の値を得るステップ、
を含む。
【００３８】
本願の記載から理解されるように、本開示の実施例では、個々の熱検知焦点面アレイ素子における多くの画素を用いることにより、吸収信号のオーバーサンプリングが有意に利用され、信号対ノイズ比が有効に改善される。各画像フレームは、暗画像フレームから減算され、その後、体積積分が計算される。これは、フレームバイフレーム基準、またはフレームのスタック（すなわち画像積層）において、なされ得る。体積積分のさらなる平均が計算される。画像積層は、多くの短い暴露時間画像を採取し、各短い暴露時間画像から、平均暗バックグラウンド画像を減算し、その後、全ての得られた短暴露画像を積層または追加して、長時間暴露画像を形成するプロセスである。各マイクロボロメータ熱検知焦点面アレイを用いて、いくつかの画像フレーム、例えば、9フレーム（N＝9）が積層され、各フレームから暗バックグラウンドが減算され、体積積分が得られ、その後、9個の体積積分の平均（すなわちスタック）が取得される。その結果、3倍、またはN0.5だけ、またはサンプル数の平方根だけ、さらに信号対ノイズ比が改善される。
【００３９】
本願の記載から理解されるように、全体に、大きなアレイ（すなわち、コンポジット熱検知焦点面アレイ）を構成する、個々のマイクロボロメータアレイセンサ素子の利点は、各マイクロボロメータアレイセンサ素子当たりの、ゲイン、バイアス電圧、およびフレームレートの個々の制御に、自由度が提供されることである。ゲイン、バイアス電圧、およびフレームレートは、個々のマイクロボロメータアレイセンサ素子における各画素に包括的であるため、一つのマイクロボロメータセンサアレイ素子において、高いゲインまたは低いゲインの領域が存在することはない。
【００４０】
本開示の実施例では、ゲイン、バイアス電圧、およびフレームレートの個々の制御は、コンポジット熱検知焦点面アレイの各個々のマイクロボロメータセンサアレイ素子当たりで、設定できる。ゲインは、各被検出対象ガスにおいて、最大の信号対ノイズ比が得られるように制御される必要がある。亜酸化窒素（NO）のような、ある麻酔ガスは、16.949μmで強い吸収を示し、吸収信号の測定のため、低いゲインが必要となる。一方、ハロタンのような他の麻酔ガスでは、高いゲイン設定が必要となる。各マイクロボロメータセンサアレイ素子における増幅器ゲインは、積分回路の使用とともに設定され、例えば、積分時間を長くすると、ゲインが高くなる。積分時間が長くなると、マイクロボロメータセンサアレイ素子のフレームレートが低下する。これは、高いフレームレートが達成できる低ゲイン設定と反対である。
【００４１】
一つのゲイン設置、一つのバイアス電圧、および一つのフレームレートのみが可能な、複数の異なるガス種の検出に、単一のマイクロボロメータアレイ素子を使用するアプローチとは異なり、本開示の実施例では、多くのゲイン設定、多くのバイアス電圧設定、および多くのフレームレートを同時に実行することができる。図3の例では、最大9個の異なるゲイン値、最大9個の異なるバイアス電圧設定、および最大9個の異なるフレームレートを実施できる可能性がある。換言すれば、図3の実施例は、9個の異なるバイアス電圧、および9個の異なるフレームレートの最大値を有し、9個の個々のマイクロボロメータセンサアレイ素子からのデータを収集できる。
【００４２】
また、個々のマイクロボロメータセンサアレイ素子の使用により、センサの大きなアレイまたはモザイクが形成され（すなわち、コンポジット熱検知焦点面アレイ）、ゲイン、バイアス電圧、およびフレームレートが、各マイクロボロメータセンサアレイ素子に特有となる上、各センサアレイ素子に使用されるマイクロボロメータセンサ材料も、固有となる。通常、現在使用されているマイクロボロメータは、酸化バナジウム（VO）もしくはアモルファスシリコン（α-Si）で構成された、温度感度抵抗器、またはサーミスタの形成に使用されるセンサ材料を有するが、感度および熱波長バンド幅を改善するため、他の材料が探索される。所与のマイクロボロメータセンサに使用される各異なる材料は、黒体熱源に暴露された際に、熱エネルギーの異なる波長に対して、異なる感応性または応答特性を有する。
【００４３】
本開示の実施例による、異なるマイクロボロメータセンサアレイ素子の使用により、コンポジット熱検知焦点面アレイの特定のマイクロボロメータセンサアレイ素子の各々に、異なるマイクロボロメータセンサ材料を使用することが可能となる。例えば、9個の個々のマイクロボロメータセンサアレイ素子の例では、9個の素子の一つを酸化バナジウム系の素子とし、別のものをアモルファスシリコン系の素子とすることができる。この方法では、異なるセンサ材料のマイクロボロメータセンサアレイ素子が有意に調整され、赤外エネルギーの対象バンド幅において、熱エネルギーに対する、最適な応答性または応答特性が提供される。これらの個々のセンサ素子は、特定の麻酔ガスを検出するために必要となる。
【００４４】
この点を示す別の方法では、図3の9個のセンサアレイ素子からのマイクロボロメータセンサアレイ素子281が、12.500μmまたは800cm-1でのハロタンの検出に使用される。この波長では、酸化バナジウムは、アモルファスシリコンよりも良好な応答性を有するため、素子281が選定され、センサ材料として酸化バナジウムが使用される。一方、図3のセンサアレイ素子からのセンサアレイ素子289は、7.326μmまたは1365cm-1でのエンフルランの検出に使用される。この波長では、酸化バナジウムは応答性が低いが、アモルファスシリコンの応答性は高い。従って、アモルファスシリコン系マイクロボロメータセンサアレイ素子を含むセンサ素子289が選定される。
【００４５】
ある実施例では、1または2以上の麻酔もしくは呼吸ガス種は、
1）二酸化炭素、
2）亜酸化窒素、
3）エンフルラン、
4）ハロタン、
5）イソフルラン、
6）デスフルラン、および
7）セボフルラン
からなる群から選択されたガス種を有する。別の実施例では、IRフィルタ素子141-Nの各々の中心波長および波長バンド幅は、
i）対象に供給され、
ii）対象から受容され、または
iii）対象に供給され、対象から受容される、
混合ガス中の複数の異なるガス種の各々を、独自に同定するために選定される。換言すれば、フィルタモザイクにコーティングされた各バンドパスフィルタ用の適切な中心波長、および十分に狭小な波長バンド幅を選定することにより、麻酔患者に供給され、麻酔患者からの混合ガス中において、前述の1から7のガス種の各々が同定される。前述の同定されたガス3から7は、組み合わせて、または相互に混合されてはほとんど使用されないため、特殊なガス種の同定が容易になる。
【００４６】
別の実施例では、後に示すように、本開示のガスモニタリング機器10用の、異なるガス種、中心波長、および波長バンド幅の組み合わせは、それぞれ、
（i）二酸化炭素、14.925μmおよび670cm-1、
（ii）亜酸化窒素、16.949μmおよび590cm-1、
（iii）エンフルラン、7.326μmおよび1365cm-1、
（iv）ハロタン、12.500μmおよび800cm-1、
（v）イソフルラン、8.25μmおよび1212cm-1、
（vi）デスフルラン、8.456μmおよび1182.5cm-1、ならびに
（vii）セボフルラン、9.615μmおよび1040cm-1、
からなる群から選定された、2または3以上を有する。各ガスは、それらの特定の波長での吸収に基づいて同定され、次にガス濃度が定められる。麻酔に使用されるだけのガス混合物は、前述のガス3から7の一つのガスであり、これに亜酸化窒素（NO）および酸素（O2）が組み合わされる。ガス濃度は、通常、臨床研究により定められた、最小肺胞内濃度（MAC）値に基づき、ガス濃度は、デスフルランが最大6%（まれに最大20%）、ハロタンが最大0.75%、イソフルランが最大1.15%、エンフルランが最大1.68%、セボフルランが最大1.85%である。
【００４７】
また本実施例では、この種の技術を用いて、あるフレームレートで麻酔ガス濃度が同時に測定され、マイクロボロメータセンサの感度および熱時間定数が、現在の通常8msecの値から改善されるため、患者に供給されるガス濃度に加えて、カプノグラフィーにおけるCO2モニタリングのような、ブレスバイブレス（breath  by  breath）基準において、患者により吐き出されるガスの残留濃度を測定することが可能となる。これにより、麻酔医は、どんなガスが吸引され、どんなガスが排出されるかを理解し、どの程度が実際に患者に吸収されているかを、有意に判断することが可能になる。
【００４８】
次に図6を参照すると、別の実施例によるガスモニタリング機器10の概略的な代表図が示されている。これは、マルチスペクトルモザイクフィルタおよびレンズアレイと、コンポジット熱検知焦点面アレイとの断面を有する。図6の実施例は、図5の実施例と類似しているが、以下の差がある。モザイクフィルタおよびレンズアレイ12は、
（i）第1の表面（例えば、図1における表面20に対応する）の、少なくとも隣接するレンズ構造（例えば図1における144、145、および146に対応する）の間に、またはこの間を覆うように設置された、パターン化熱反射性金属堆積層18、ならびに
（ii）第2の表面（例えば、図2における表面24に対応する）の、少なくとも隣接するフィルタ素子（例えば図2における164、165、および166に対応する）の間に、またはこの間を覆うように設置された、パターン化熱反射性金属堆積層22
を有する。示されているように、パターン化反射性金属堆積層18、22は、単独で、または組み合わされ、各々は、窓フレーム、または窓のクロストーク最小化構造を有意に形成し、レンズ／フィルタ構造および焦点面検知アレイの隣接する光チャネルの間の好ましくないクロストークを排除し、および／または大きく低減する。
【００４９】
次に図7を参照すると、2以上の吸収ピーク、例えばピーク56および58を有する、対象ガスの吸収スペクトル54のグラフ図が示されている。これは、全吸収値の計算に使用される。本開示の実施例では、ガスモニタリング機器は、所望のそれぞれの1または2以上の吸収ピークの各々の周囲に中心化された、対応するバンドパスフィルタを有する。図7からわかるように、マルチスペクトルモザイクフィルタおよびレンズアレイにおけるバンドパスフィルタの異なる波長を用いる別の態様では、各対象ガスの2以上の波長が使用され得る。2または3以上の波長を使用することにより、追加測定が可能となり、さらに、測定の信号対ノイズ比が改善される。例えば、図7では、イソフルランの対象ガスは、1167.5cm-1（すなわちピーク56）、および1212cm-1（すなわちピーク58）に、最大の吸収ピークを有する。マルチスペクトルモザイクフィルタおよびレンズアレイの2つのバンドパスフィルタの各々を、それぞれ、これらの2つのピークの周囲に中心化させることにより、コンポジット熱検知FPAの対応する熱検知FPAからの熱検知測定を用いて、全吸収値を計算することができ、従って、熱測定の信号対ノイズ比が改善される。
【００５０】
本開示の実施例では、リアルタイム同時麻酔ガス濃度モニタリング用の呼吸ガスモニタが開示され、これには、マルチスペクトルモザイクフィルタ／レンズアレイを有する、2次元の焦点面画素アレイのマイクロボロメータセンサ（またはマイクロボロメータカメラ）のコンポジットと、信号処理が利用される。信号処理は、以下の特徴を有する：
1）特定ガス赤外吸収波長バンド当たり数百の熱検出器により提供される、数百のデータチャネルによるデータオーバーサンプリング。オーバーサンプリングは、平均、中間値、モード、および標準偏差の計算用のデータセットを統計的に改善する。この結果、改善された信号解像度が得られ、アナログ対デジタル変換器データ出力における解像度の有効ビット数が拡張される。
2）マイクロボロメータカメラは、フレーム（すなわち、行列によりリードアウトされる画素の全数）によりデータをキャプチャするため、画素バイ画素（pixel-by-pixel）基準において、フレームバイフレーム（frame-by-frame）の平均化がなされ得る。例えば、フレーム1の行1、列1の画素からの画素データ値が、フレーム2の行1、列1の画素の画素値に追加され、2で除算され、平均値が得られる。これは、M数のフレームの場合、各画素の座標をMで除し、単位画素ごとの基準において、フレームデータの稼働平均を得ることにより行われ得る。
3）ある面積から構成されるフレームサブアレイ画素区画を、その後のフレームにおいて、同じ面積で平均化し、サブアレイ画素領域平均が得られる。
4）レンズを使用して、それぞれのマイクロボロメータセンサアレイ素子における画素の上のフィルタモザイクアレイにおける所与のバンドパスフィルタの下、円形スポット領域が形成されるため、およびフィルタ素子は、反射性マスクにより分離され、画素アレイに窓フレーム影が形成されるため、実際に冷えた画素である、この影の投影効果により、画素アレイにわたって走査し、各フィルタ素子の画素境界を定めることが可能となる。これから、隣接するフィルタ素子の間の境界がマップ化され得る。これらの境界マップ内において、各フィルタ素子の下の各画素サブアレイの有益な領域が定められる。
5）熱源エネルギーが提供されない場合、マイクロボロメータセンサアレイ素子は、暗状態に配置され、画素マップが形成され、高温の画素、すなわち値が極めて高い画素が定められ、任意の有益な動的範囲が提供される。
6）熱源エネルギーが印加される場合、画素マップが形成され、どの画素が非応答性であるかが定められ、すなわち値が極めて低い画素が定められ、任意の有益な動的範囲が得られる。
7）高温の非応答性の画素マップを定めることにより、対応する画素が、任意の信号測定から排除される。
8）スペクトル光路に吸収ガスがない場合、熱源エネルギーを印加し、暗画素データを減算し、マップ化された悪い画素を排除することにより、画素アレイの差分ベースラインが定められる。これにより、各活性な有効画素に対して、オフセット補正が提供される。画素バイ画素またはフレームサブ画素の平均が使用され得る。
9）吸収ガスが存在する場合、ガス関連画素サブアレイに、熱エネルギーが減少するスポットが現れ、スポットの強度は、ガス濃度の上昇とともに、直線的に減少し続ける。円形スポットの領域に関連するこれらの画素の値のアナログ対デジタル変換器（ADC）値を加えることにより、スポット領域の体積積分が計算される。x軸およびy軸の単位は、画素単位面積であるため、体積は、単純に、z軸またはADC値であり、特定の領域における全ての個々のADC値が加算され、体積積分の計算が得られる。3D体積測定により提供される全エネルギーを用いることで、低いノイズが生じ、2D平均に比べて改善された信号対ノイズが提供される。暗フレームの同じ体積領域にわたって、この3D体積値を減算することにより、オフセットエラーおよび悪い画素が補正され、ガス濃度に比例する差分信号の値が得られる。
10）熱源をオフにし、暗フレーム値をキャプチャし、前の保管された暗値と比較することによる周期的な較正で、ベースラインオフセットの自動ゼロ点化が提供される。熱源をオンにし、キャプチャされたフレーム値を前に保管された熱源のフレーム値と比較することにより、ゲイン（すなわちスパン）および差異の変化の補償が助長され、顕著な場合、ゲインを高めまたは低下させるゲイン乗算器因子として、使用され得る。
【００５１】
次に、図8を参照すると、本開示の実施例による、収集され、処理された、円錐形の個々の熱検知焦点面アレイの検知チャネルデータの一例のグラフプロット60が示されている。マルチスペクトルモザイクフィルタ／レンズアレイに関して前述したように、各フィルタ／レンズ素子は、IRエネルギービームの暴露に応答して、対応する個々のマイクロボロメータセンサアレイ素子の画素（またはサブ画素）アレイ上に、収束赤外エネルギーのコーンを形成する。モザイクフィルタ／収束レンズアレイの各フィルタ／レンズ素子の下、対応するマイクロボロメータセンサアレイ素子、または画素表面上に焦点化された赤外ビームは、対応するマイクロボロメータセンサアレイ素子のリードアウト集積回路（ROIC）のアナログ対デジタル変換器により生成された、対応する画素マップを有する。対応するマイクロボロメータからのデータは、収集、処理された際、円錐形状を有し、これは、図8に示すように、参照符号62で表されている。
【００５２】
次に、図9を参照すると、本開示の実施例による、ガス種の5%の濃度を表す円錐形状66を有する、個々の熱検知焦点面アレイの検知チャネルデータの一例のグラフプロット64が示されている。一方、図10は、本開示の実施例による、ガス種の10%の濃度を表す円錐形70を有する、個々の熱検知焦点面アレイの検知チャネルデータの一例のグラフプロット68である。ベースラインまたはベース床から、吸収ピークの境界の開始を検出することにより、ピーク形状は、体積積分、または他の信号対ノイズ最適化アルゴリズムの計算用に、さらに高精度化され得る。
【００５３】
図11を参照すると、代表図には、対象ガス種の個々の熱検知焦点面アレイの検知チャネルデータ72が示されている。図には、本開示の実施例による、吸収ピークの境界74が示されている。境界の検出は、任意の好適な計算データ境界検出技術、または境界フィッティング技術を用いて行われ得る。図11の境界74内での検知チャネルデータの全ての値の合計は、対応する体積積分の値を表す。境界74内の値の合計は、最小限の計算労力で、迅速な体積積分計算を提供する点で有意である。
【００５４】
図11からのマイクロボロメータアナログ対デジタルデータ値は、プロットで表されてもよい。例えば、図12は、図11の吸収ピーク境界74内の対象ガス種の個々の熱検知焦点面アレイの検知チャネルデータのグラフプロット76である。図12において円錐形78で示されている体積積分は、従って、対象ガス測定の濃度値の描写に使用され得る。体積積分が大きくなると、対象ガスの濃度は大きくなる。ガスモニタリングシステムは、較正ガスの既知の濃度に較正され、次に、既知のガス濃度に対する体積積分の関係を用いて、対象ガスの未知濃度の濃度が代数的に定められる。
【００５５】
図13を参照する別の実施例では、麻酔および呼吸ガスをモニタリングする方法80は、
（i）対象の麻酔または呼吸ガス種を同定し、
（ii）同定された対象麻酔または呼吸ガス種の濃度を定める
ように適合される。当該方法は、ステップ82において、受光されたブロードバンド赤外（IR）エネルギービームを、焦点化されスペクトル的にフィルタ化されたIRビームの複数のコーンに焦点化し、スペクトル的にフィルタ化するステップと、ステップ84において、焦点化され、スペクトル的にフィルタ化されたIRビームの複数のコーンの各々を検知するステップと、ステップ86において、対応する個々の熱検知焦点面アレイの各それぞれの集積されたリードアウト集積回路（ROIC）の検知チャネルデータ出力を受信するように、作動可能に結合された信号プロセッサを介して、1または2以上の麻酔および呼吸ガス種からなる群から選択された、対象ガスの同定および濃度の少なくとも一つを表す出力信号を生成するステップと、を有する。
【００５６】
焦点化し、スペクトル的にフィルタ化するステップ82は、レンズ構造と長波赤外（IR）バンドパスフィルタ素子の2次元アレイを有するマルチスペクトルモザイクフィルタおよびレンズアレイを介して、受信されたブロードバンド赤外（IR）エネルギービームを、焦点化されスペクトル的にフィルタ化されたIRビームの複数のコーンに焦点化し、スペクトル的にフィルタ化するステップを有する。モザイクフィルタおよびレンズアレイは、さらに、
（i）第1の表面の、少なくとも隣接するレンズ構造の間に、またはこの間を覆うように設置された、パターン化された熱反射性金属配列層、ならびに
（ii）第2の表面の、少なくとも隣接するフィルタ素子の間に、またはこの間を覆うように設置された、パターン化された熱反射性金属配列層
の少なくとも一つを有する。
【００５７】
検知するステップ84は、集積されたリードアウト集積回路を有する、複数の個々の熱検知焦点面アレイを有するコンポジット熱検知焦点面アレイを介して、焦点化されスペクトル的にフィルタ化されたIRビームの複数のコーンの各々を検知するステップを有し、モザイクフィルタおよびレンズアレイの組レンズ構造とフィルタ素子の各それぞれのひとつ用の、少なくとも一つの個々の熱検知焦点面アレイが提供される。焦点化されスペクトル的にフィルタ化されたIRビームの複数のコーンの各々は、それぞれの個々の熱検知焦点面アレイにより受光される。検知するステップは、さらに、対応する個々の熱検知焦点面アレイの各それぞれの集積されたリードアウト集積回路（ROIC）を介して、それぞれの焦点化されスペクトル的にフィルタ化されたIRビームの受光に応答した、それぞれの検知チャネルデータを出力するステップを有する。
【００５８】
生成するステップ86は、対応する個々の熱検知焦点面アレイの各それぞれの集積されたリードアウト集積回路（ROIC）の検知チャネルデータ出力を受信するように、作動可能に結合された信号プロセッサを介して、出力信号を生成するステップを有する。出力信号は、1または2以上の麻酔および呼吸ガス種からなる群から選定された、対象ガスの同定および濃度の少なくとも一つを表す。生成するステップは、さらに、
（i）フレームバイフレーム基準、および
（ii）検知チャネルデータ出力の画像積層基準、
の少なくとも1または2以上における吸収信号のオーバーサンプリングに基づく。
【００５９】
別の実施例では、パターン化された熱反射性金属層は、金、白金、チタン、パラジウム、ニッケル、アルミニウム、またはこれらの任意の組み合わせの少なくとも一つを有する。パターン化された熱反射性金属層は、
（i）アパーチャとして、窓の窓フレーム（またはクロストーク最小化構造）を形成し、コンポジット熱検知焦点面アレイのそれぞれの熱検知焦点面アレイ、ならびにモザイクフィルタおよびレンズアレイの組レンズ構造およびフィルタ素子、の隣接するチャネルの間のクロストークを最小化し、
（ii）隣接するチャネル間に、それぞれの熱暗ゾーンを形成する
ように構成される。
【００６０】
別の実施例では、モザイクフィルタおよびレンズアレイの各IRフィルタ素子は、少なくとも所望の1または2以上のモニターされる対象麻酔ガスまたは呼吸ガス種の対応する一つの各々に特有の中心波長（λc）を有する、異なる狭小バンドパスフィルタを有する。さらに別の実施例では、当該方法は、各々が異なる中心波長（λc）を有するモザイクフィルタおよびレンズアレイの2または3以上のIRフィルタ素子が、少なくとも1または2以上の対象の麻酔または呼吸ガス種の各々のモニタリングの追加の測定のために使用される、という特徴を有する。
【００６１】
さらに別の実施例では、当該方法は、
コンポジット熱検知焦点面アレイの各個々のアレイが、それぞれの個々の熱検知焦点面アレイに特有のゲイン、バイアス電圧、およびフレームレートを有するように構成され、
コンポジット熱検知焦点面アレイの少なくとも2つの個々の熱検知焦点面アレイの各々のセンサ材料が、相互に異なり、
集積されたリードアウト集積回路を有する、個々の熱検知焦点面アレイが、マイクロボロメータ、熱電対組、マイクロボロメータ、熱電対列、および焦電気性、サーミスタ性、または生体材料のマイクロカンチレバー熱センサからなる群から選択された、2次元アレイを有する、という特徴を有する。さらに別の実施例では、当該方法は、IRフィルタ素子の各々の中心波長および波長バンド幅が、
（i）対象に供給され、
（ii）対象から受容され、または
（iii）対象に供給され、対象から受容される、
混合ガス中の複数の異なるガス種の各々を独自に同定するように選定される、という特徴を有する。
【００６２】
前述のいくつかの例示の実施例について詳しく説明したが、一例の実施例において、本開示の実施例の新たな示唆および利点から実質的に逸脱しないで、多くの修正が可能であることは、当業者には容易に理解される。例えば、本開示の実施例は、病棟環境において、人や人以外に使用される麻酔および呼吸ガス濃度の測定および定量に、有意に使用される。従って、全てのそのような修正は、添付の特許請求の範囲に記載されるように、本開示の実施例の範囲に属することが意図される。請求項において、ミーンズプラスファンクションの記載は、記載された機能、さらには構造上の等価物のみならず、等価な構造を実行する、本願に記載の構造を網羅することが意図される。
【００６３】
また、1または2以上の請求項において、括弧内に記載されたいかなる参照符号も、請求項を限定するものと解してはならない。概して、「有する」と言う用語は、特許請求の範囲または明細書に記載された他の素子またはステップの存在を排斥するものではない。素子の単独での参照は、そのような素子の複数の参照を排斥するものではなく、その逆も同様である。実施例の1または2以上は、いくつかの別個の素子を有するハードウェアにより、および／または好適にプログラム化されたコンピュータにより実施されてもよい。いくつかの手段が列挙された装置の請求項において、これらの手段のいくつかは、同一のハードウェアにより実施されてもよい。単にある手段が相互に異なる従属請求項に記載されていることから、これらの手段の組み合わせが有意に使用できないと解してはならない。
【図１】
2020513562.tif 000003
【図２】
2020513562.tif 000004
【図３】
2020513562.tif 000005
【図４】
2020513562.tif 000006
【図５】
2020513562.tif 000007
【図６】
2020513562.tif 000008
【図７】
2020513562.tif 000009
【図８】
2020513562.tif 000010
【図９】
2020513562.tif 000011
【図１０】
2020513562.tif 000012
【図１１】
2020513562.tif 000013
【図１２】
2020513562.tif 000014
【図１３】
2020513562.tif 000015
【手続補正書】
【提出日】令和1年6月14日(2019.6.14)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
麻酔および呼吸ガスのモニタリングの機器であって、
（i）対象の麻酔または呼吸ガス種を同定し、および
（ii）前記同定された対象の麻酔または呼吸ガス種の濃度を定める
ように適合され、
当該機器は、
組レンズ構造および長波赤外（IR）バンドパスフィルタ素子の2次元アレイを有する、マルチスペクトルモザイクフィルタおよびレンズアレイであって、
ブロードバンド赤外（IR）エネルギービームを受光し、前記受光されたブロードバンドIRエネルギービームを、複数の焦点化されスペクトル的にフィルタ化されたIRビームに焦点化し、スペクトル的にフィルタ化するように構成され、
さらに、
（i）第1の表面の、前記組レンズ構造および長波IRバンドパスフィルタ素子の少なくとも隣接するレンズ構造の間を覆う、パターン化された熱反射性金属層、および
（ii）第2の表面の、前記組レンズ構造および長波IRバンドパスフィルタ素子の少なくとも隣接するフィルタ素子の間を覆う、パターン化された熱反射性金属層、
の少なくとも一つを有する、マルチスペクトルモザイクフィルタおよびレンズアレイと、
集積されたリードアウト集積回路を有する複数の個々の熱検知焦点面アレイを有する、コンポジット熱検知焦点面アレイであって、
前記モザイクフィルタおよびレンズアレイのそれぞれの組レンズ構造およびフィルタ素子からある距離で離間された、個々の熱検知焦点面アレイが提供され、
前記複数の焦点化され、スペクトル的にフィルタ化されたIRビームの各々は、個々の熱検知焦点面アレイのそれぞれの表面に誘導され、前記それぞれの表面の全表面積よりも小さな焦点化スポットサイズを有し、
前記焦点化スポットの外側の前記それぞれの表面の残りの未露出領域は、熱的に暗く、
暗ベースライン減算に使用され、
前記焦点化されスペクトル的にフィルタ化されたIRビームの受光に応答して、対応する個々の熱検知焦点面アレイの各それぞれの集積されたリードアウト集積回路（ROIC）は、それぞれの検知チャネルデータを出力する、
コンポジット熱検知焦点面アレイと、
対応する個々の熱検知焦点面アレイの各それぞれの集積されたリードアウト集積回路（ROIC）の前記検知チャネルデータ出力を受信するように、作動可能に結合された信号プロセッサであって、
前記信号プロセッサは、暗ベースライン減算により、
（i）フレームバイフレーム基準、および
（ii）前記検知チャネルデータ出力の画像積層基準
の少なくとも1または2以上における吸収信号のオーバーサンプリングに基づいて、1または2以上の麻酔および呼吸ガス種からなる群から選択された対象ガスの同定および濃度の少なくとも一つを表す出力信号を生成するように適合される、
信号プロセッサと、
を有する、機器。
【請求項２】
各パターン化された熱反射性金属層は、金、白金、チタン、パラジウム、ニッケル、アルミニウム、またはこれらの任意の組み合わせの少なくとも一つを有し、
（i）アパーチャとして窓のフレームを形成し、隣接するチャネル間のクロストークを最小化し、
（ii）前記隣接するチャネル間に、それぞれの暗ゾーンを形成する
ように構成される、請求項1に記載の機器。
【請求項３】
前記マルチスペクトルモザイクフィルタおよびレンズアレイは、前記長波IRバンドパスフィルタ素子が集積された組レンズ構造の2次元アレイを有する、レンズ／フィルタパッケージ基板を有し、
前記コンポジット熱検知焦点面アレイは、マルチチップモジュールパッケージ基板の内部に形成された、集積リードアウト集積回路を有する個々の熱検知焦点面アレイの2次元アレイを有し、
前記隣接するチャネル間の暗ゾーンは、前記コンポジット熱検知焦点面アレイのそれぞれの熱検知焦点面アレイの上に、暗ベースライン減算に使用される暗画素を形成する、請求項2に記載の機器。
【請求項４】
前記長波IRバンドパスフィルタは、波長2μmから15μmの中間波赤外波長に延在する長波赤外波長を透過するように構成される、請求項1に記載の機器。
【請求項５】
前記モザイクフィルタおよびレンズアレイの各IRフィルタ素子は、対応する少なくとも1または2以上の、モニターされる対象の麻酔または呼吸ガス種に特有の中心波長を有する、異なる狭小バンドパスフィルタを有する、請求項1に記載の機器。
【請求項６】
少なくとも1または2以上の対象の麻酔または呼吸ガス種の各々のモニタリングの追加測定に、前記モザイクフィルタおよびレンズアレイの、各々が異なる中心波長を有する、2または3以上のIRフィルタ素子が使用される、請求項1に記載の機器。
【請求項７】
前記コンポジット熱検知焦点面アレイの各個々のアレイは、それぞれの個々の熱検知焦点面アレイに特有のゲイン、バイアス電圧、およびフレームレートを有するように構成される、請求項1に記載の機器。
【請求項８】
前記コンポジット熱検知焦点面アレイの少なくとも2つの個々の熱検知焦点面アレイの各々のセンサ材料は、相互に異なる、請求項1に記載の機器。
【請求項９】
前記センサ材料は、酸化バナジウム（VO）およびアモルファスシリコン（a-Si）からなる群から選定された一つを有する、請求項8に記載の機器。
【請求項１０】
集積されたリードアウト集積回路を有する前記個々の熱検知焦点面アレイは、マイクロボロメータ、熱電対列、および焦電気性、サーミスタ性、または生体材料のマイクロカンチレバー熱センサからなる群から選定された2次元アレイを有する、請求項1に記載の機器。
【請求項１１】
前記1または2以上の麻酔および呼吸ガス種は、二酸化炭素、亜酸化窒素、エンフルラン、ハロタン、イソフルラン、デスフルラン、およびセボフルランからなる群から選定された化学種を含む、請求項1に記載の機器。
【請求項１２】
前記IRフィルタ素子の各々の中心波長および波長バンド幅は、
（i）対象に供給され、
（ii）対象から受容され、または
（iii）対象に供給され、対象から受容される、
混合ガス中の複数の異なるガス種の各々を独自に同定するように選定される、請求項1に記載の機器。
【請求項１３】
異なるガス種、中心波長、および波長バンド幅の組み合わせは、それぞれ、
（i）二酸化炭素、14.925μm、および670cm-1、
（ii）亜酸化窒素、16.949μm、および590 cm-1、
（iii）エンフラン、7.326μm、および1365cm-1、
（iv）ハロタン、12.500μm、および800 cm-1、
（v）イソフルラン、8.25μm、および1212 cm-1、
（vi）デスフルラン、8.456μm、および1182.5 cm-1、ならびに
（vii）セボフルラン、9.615μm、および1040 cm-1
からなる群から選定された2または3以上を有する、請求項12に記載の機器。
【請求項１４】
それぞれの熱検知焦点面アレイ用の、（I）フレームバイフレーム基準、および（II）前記検知チャネルデータ出力の画像積層基準の少なくとも1または2以上における吸収信号のオーバーサンプリングに基づいて、前記対象ガスの同定および濃度の少なくとも一つを生成することは、
（i）前記それぞれの熱検知焦点面アレイの画素アレイの、暗フレームに対応する任意の印加熱源エネルギーが存在しない、第1の画素マップを形成し、任意の有益な動的範囲を提供するため、極めて高い値を示す悪い画素を定めること、
（ii）印加熱源エネルギーが存在する、前記画素アレイの第2の画素マップを形成し、任意の有益な動的範囲を提供するため、極めて低い値を示す非応答性画素を定めること、
（iii）前記応答性熱検知焦点面アレイのスペクトル光路に吸収ガスが存在しない場合、印加熱源エネルギーにより、前記画素アレイの差分ベースラインを定め、暗画素データを減算し、前記定められた悪い画素を排除することであって、前記差分ベースラインは、前記画素アレイの各活性で有効な画素当たりのオフセット補正を提供すること、
（iv）前記スペクトル光路に吸収ガスが存在する場合、前記スペクトル光路における前記吸収ガスの存在に応答して前記画素アレイに現れる、熱エネルギーが低下するスポット領域に関する画素値を加算することにより、体積積分を計算すること、ならびに
（v）前記スペクトル光路に前記吸収ガスが存在する場合の前記計算された体積積分から、前記暗フレームの同じスポット領域の計算された体積積分を減算し、オフセットエラーおよび悪い画素が補正された、ガス濃度に比例する差分信号の値を得ること、
を含む、請求項1に記載の機器。
【請求項１５】
麻酔および呼吸ガスをモニタリングする方法であって、
（i）対象の麻酔または呼吸ガス種を同定し、
（ii）前記同定された対象の麻酔または呼吸ガス種の濃度を定める
ように適合され、
当該方法は、
組レンズ構造および長波赤外（IR）バンドパスフィルタ素子の2次元アレイを有する、マルチスペクトルモザイクフィルタおよびレンズアレイを介して、受光されたブロードバンド赤外（IR）エネルギービームを、複数の焦点化されスペクトル的にフィルタ化されたIRビームに焦点化し、スペクトル的にフィルタ化するステップであって、
前記モザイクフィルタおよびレンズアレイは、さらに、
（i）第1の表面の、前記組レンズ構造および長波IRバンドパスフィルタ素子の少なくとも隣接するレンズ構造の間を覆う、パターン化された熱反射性金属層、および
（ii）第2の表面の、前記組レンズ構造および長波IRバンドパスフィルタ素子の少なくとも隣接するフィルタ素子の間を覆う、パターン化された熱反射性金属層、
の少なくとも一つを有する、ステップと、
集積されたリードアウト集積回路を有する複数の個々の熱検知焦点面アレイを有するコンポジット熱検知焦点面アレイを介して、前記複数の焦点化されスペクトル的にフィルタ化されたIRビームの各々を検知するステップであって、
前記モザイクフィルタおよびレンズアレイのそれぞれの組レンズ構造およびフィルタ素子からある距離で離間された、個々の熱検知焦点面アレイが提供され、
前記複数の焦点化されスペクトル的にフィルタ化されたIRビームの各々は、個々の熱検知焦点面アレイのそれぞれの表面に誘導され、前記それぞれの表面の全表面積よりも小さな焦点化スポットサイズを有し、
前記焦点化スポットの外側の前記それぞれの表面の残りの未露出領域は、熱的に暗く、
暗ベースライン減算に使用され、
対応する個々の熱検知焦点面アレイの各それぞれの集積されたリードアウト集積回路（ROIC）を介して、前記それぞれの焦点化されスペクトル的にフィルタ化されたIRビームの受光に応答した、それぞれの検知チャネルデータが出力される、ステップと、
対応する個々の熱検知焦点面アレイの各それぞれの集積されたリードアウト集積回路（ROIC）の前記検知チャネルデータ出力を受信するように作動可能に結合された、信号プロセッサを介して、出力信号を生成するステップであって、
暗ベースライン減算により、
（i）フレームバイフレーム基準、および（ii）前記検知チャネルデータ出力の画像積層基準、の少なくとも1または2以上における吸収信号のオーバーサンプリングに基づいて、前記出力信号は、1または2以上の麻酔および呼吸ガス種からなる群から選定された対象ガスの同定および濃度の少なくとも一つを表す、ステップと、
を有する、方法。
【請求項１６】
前記パターン化された熱反射性金属層は、金、白金、チタン、パラジウム、ニッケル、アルミニウム、またはこれらの任意の組み合わせの少なくとも一つを有し、
（i）アパーチャとして窓のフレームを形成し、前記コンポジット熱検知焦点面アレイのそれぞれの熱検知焦点面アレイ、ならびに前記モザイクフィルタおよびレンズアレイの組レンズ構造およびフィルタ素子の、隣接するチャネル間のクロストークを最小化し、
（ii）前記隣接するチャネル間に、それぞれの熱暗ゾーンを形成する、
ように構成される、請求項15に記載の方法。
【請求項１７】
前記モザイクフィルタおよびレンズアレイの各IRフィルタ素子は、対応する少なくとも1または2以上のモニターされる対象の麻酔または呼吸ガス種に特有の中心波長を有する、異なる狭小バンドパスフィルタを有する、請求項15に記載の方法。
【請求項１８】
前記モザイクフィルタおよびレンズアレイの2または3以上のIRフィルタ素子は、各々が異なる中心波長を有し、少なくとも1または2以上の対象の麻酔または呼吸ガス種の各々をモニタリングする追加測定に使用される、請求項15に記載の方法。
【請求項１９】
前記コンポジット熱検知焦点面アレイの各個々のアレイは、それぞれの個々の熱検知焦点面アレイに特有のゲイン、バイアス電圧、およびフレームレートを有するように構成され、
前記コンポジット熱検知焦点面アレイの少なくとも2つの個々の熱検知焦点面アレイの各々のセンサ材料は、相互に異なり、
集積されたリードアウト集積回路を有する前記個々の熱検知焦点面アレイは、マイクロボロメータ、熱電対列、および焦電気性、サーミスタ性、または生体材料のマイクロカンチレバー熱センサからなる群から選定された2次元アレイを有する、請求項15に記載の方法。
【請求項２０】
（i）対象に供給され、
（ii）対象から受容され、または
（iii）対象に供給され、対象から受容される、
混合ガス中の複数の異なるガス種の各々を独自に同定するため、前記IRフィルタ素子の各々の中心波長および波長バンド幅が選定される、請求項15に記載の方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２９】
各マイクロボロメータアレイセンサ素子は、例えば30×30画素センサの900センサ素子のような、任意のn×nサイズを有し、あるいは80×80の64000画素センサのような、より大きなオーダを有する。図3に示すように、モザイクフィルタアレイ素子147は、対応するスポット307を、マイクロボロメータアレイセンサ素子287の表面に焦点化し、スポットサイズは、センサ素子287の全表面積よりも小さい。すなわち、おおよそ50%のみが赤外エネルギーに暴露される。モザイクフィルタおよびレンズアレイ12上の熱反射性金属堆積物18のため、センサ素子287の残りの未暴露領域は、暗状態にある（すなわち熱的に暗い）。これらの暗画素は、ベースライン減算のような信号処理に使用されることが有意である。同様に、隣接するマイクロボロメータアレイセンサ素子のナンバー284、285、288の各々は、モザイクフィルタおよびレンズアレイ12の対応するフィルタ（それぞれ、164、165、168）により定められる所与の波長を有する、赤外エネルギーの自身の焦点化スポット（それぞれ、304、305、306）を有する。換言すれば、モザイクフィルタおよびレンズアレイ12上の金属化（すなわち、熱反射性金属堆積物18）のため、全ての隣接するマイクロボロメータセンサアレイ素子の間に、暗領域が存在する。焦点化されスペクトル的にフィルタ化されたIRビームの受光に応答して、対応する個々の熱検知焦点面アレイ281-Nの各それぞれの集積されたリードアウト集積回路（ROIC）（図示されていない）は、それぞれの検知チャネルデータを出力する。これは、以降図5を参照して説明される。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３１】
再度図3を参照すると、マルチチップモジュールパッケージ基板25内のコンポジット熱検知焦点面アレイ26、さらに個々の熱検知焦点面アレイ281-NのROICは、物理的および作動的に、インターポーザ34を介して、信号処理ユニットまたは信号プロセッサ32に結合される。インターポーザ34は、信号線ビア36（図5）を有し、コンポジット熱検知焦点面アレイ26の所与の熱検知焦点面アレイ281-NのROIC用の信号入力および／または出力を、信号プロセッサ32（図5）に作動的に結合する。図4には、センサウェハまたはマルチチップモジュール基板38の概略的な代表図を示す。これは、インターポーザウェハ／基板42を介して、信号処理ウェハまたはマルチチップモジュール基板40に結合された、複数のコンポジット熱検知焦点面アレイを有する。ウェハ、基板、および／またはマルチチップモジュールの結合技術は、従来から知られており、ここではこれ以上説明しない。
【国際調査報告】
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