BR112017016274B1 - Método e sistema para projetar um elemento óptico multivariado, elemento óptico multivariado, e, meio de armazenamento legível por computador - Google Patents

Abstract

MÉTODO E SISTEMA PARA PROJETAR UM ELEMENTO COMPUTACIONAL INTEGRADO ("ICE"), ELEMENTO COMPUTACIONAL INTEGRADO ("ICE"), E, PRODUTO DE PROGRAMA DE COMPUTADOR. Um sistema e método para projetar Elementos Computacionais Integrados altamente sensíveis para dispositivos de computação óptica. Uma forma de linha harmônica é definida e usada para simular uma função de resposta óptica que tem uma pluralidade de parâmetros que são variados até uma função de resposta óptica ideal ser determinada. A função de resposta óptica ideal será essa função que maximiza a sensibilidade de saída e/ou minimiza o Erro Padrão de Calibração. Posteriormente, o método projeta uma pilha de filme tendo uma função de resposta óptica que corresponde à função de resposta óptica ideal e um ICE é fabricado com base neste projeto.

Description

CAMPO DA DIVULGAÇÃO

[001] A presente divulgação se refere geralmente a projetar Elementos Computacionais Integrados ("ICE", Integrated Computational Elements) e, mais especificamente, a um método para projetar uma pilha de filme fino de ICE de alta sensibilidade.

FUNDAMENTOS

[002] Nos anos recentes, técnicas de computação óptica foram desenvolvidas para aplicações na indústria de petróleo e gás na forma de sensores ópticos em equipamentos de fundo de poço ou de superfície para avaliar uma variedade de propriedades de fluido. Em geral, um dispositivo de computação óptica é um dispositivo configurado para receber uma entrada de radiação eletromagnética a partir de uma amostra e produzir uma saída de radiação eletromagnética a partir de um elemento de processamento, também referido como um elemento óptico, em que a saída reflete a intensidade medida da radiação eletromagnética. O dispositivo de computação óptica pode ser, por exemplo, um ICE. Um tipo de um ICE é um dispositivo de interferência óptica de filme fino óptico, também conhecido como um elemento óptico multivariado ("MOE", multivariate optical element).

[003] Fundamentalmente, os dispositivos de computação óptica utilizam elementos ópticos para executar cálculos, ao contrário dos circuitos com fio de processadores eletrônicos convencionais. Quando a luz de uma fonte de luz interage com uma substância, informação física e química única sobre a substância é codificada na radiação eletromagnética que é refletida, transmitida ou irradiada da amostra. Assim, o dispositivo de computação óptica, através do uso do ICE e um ou mais detectores, é capaz de extrair as informações de uma ou múltiplas características/analitos dentro de uma substância e converter essas informações num sinal de saída detectável refletindo as propriedades globais de uma amostra. Tais características podem incluir, por exemplo, a presença de determinados elementos, composições, fases de fluidos, etc. existentes dentro da substância.

[004] Historicamente, os ICEs foram projetados usando camadas alternadas de materiais de alto índice (por exemplo, Silício) e baixo índice (por exemplo, dióxido de silício) materiais num substrato transparente (por exemplo, BK7). O projeto de ICE de alvo é conseguido primeiro gerando um projeto aleatório (número aleatório de camadas e espessuras de camada) e, então, executando um algoritmo de minimização nas espessuras de camadas individuais usando figura de desempenho de méritos, como o Erro Padrão em Calibração (SEC) ou a sensibilidade de calibração da medição como o argumento de erro. As espessuras de camada, o número total de camadas e as respectivas constantes ópticas dos materiais de alto e baixo índice e substrato, definem o projeto de ICE e, assim, seu perfil de transmissão. O espectro de transmissão do ICE consiste em picos de transmissão e vales através da faixa de comprimentos de onda de interesse. Os picos/vales de transmissão tipicamente são correlacionados ao analito em questão. O SEC e a sensibilidade de calibração são calculados projetando o espectro de transmissão do projeto de ICE na base de dados ópticos (isto é, os dados de calibração). O algoritmo de minimização para quando a SEC mais baixa ou a sensibilidade de calibração mais alta foi alcançada.

[005] Alguns algoritmos de projeto de ICE são muito vantajosos para encontrar projetos candidatos com o erro de predição mais baixo (SEC). No entanto, foi observado em estudos recentes que o uso de uma abordagem de início com espessura de partida randomizada pode resultar em ^ do número máximo possível de projetos candidatos com as sensibilidades de calibração mais altas. Esta abordagem exige mais tempo e recursos de computação para alcançar um maior número de projetos candidatos com as sensibilidades de calibração mais altas. Números maiores de projetos candidatos são desejados, pois eles ainda são analisados durante o processo de finalização do candidato, o que envolve visualização de espectro, plotagem cruzada de parâmetros e análise de fabricação baseada em tolerância. Muitos projetos candidatos são rejeitados durante este processo. Como resultado, quanto menos projetos candidatos com alta sensibilidade de calibração entrarem no processo de finalização de candidato, menos projetos são enviados para escolher.

[006] Em vista do anterior, há uma necessidade na arte para uma técnica de projeto de ICE eficiente e econômica para aumentar os projetos candidatos disponíveis com alta sensibilidade de calibração. Tal técnica de projeto reduziria os requisitos de computação e o custo de computação.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[007] A FIG. 1 ilustra uma estrutura de ICE ilustrativa que pode ser fabricada de acordo com modalidades da presente divulgação; A FIG. 2 é um diagrama de blocos de um sistema de projeto de ICE de acordo com uma modalidade ilustrativa da presente divulgação; A FIG. 3 é um diagrama de fluxo detalhando etapas de um processo de projeto de acordo com uma metodologia ilustrativa da presente divulgação; A FIG. 4 é uma ilustração gráfica de um espectro de transmissão óptica ideal calculado para a razão gás-óleo de acordo com um método ilustrativo da presente divulgação; A FIG. 4B é uma ilustração gráfica de espectros de transmitância de ICE simulados com cinco combinações diferentes de fatores de ponderação em uma estrutura de ICE de sete camadas de acordo com uma modalidade ilustrativa da presente divulgação; A FIG. 5A é uma captura de tela mostrando dados espectrais para um projeto genérico de dezessete camadas formando a base para um processo de projeto de acordo com um método ilustrativo da presente divulgação; A FIG. 5B é uma ilustração gráfica de um espectro de transmissão óptica para a pilha de filme de dezessete camadas genérica da FIG. 5A; A FIG. 5C ilustra graficamente um espectro de transmissão de um projeto fabricável que melhor combina com uma função Lorentziana ideal para a razão gás-óleo de acordo com um método ilustrativo da presente divulgação; A FIG. 6 ilustra graficamente uma função de transmissão de uma função Lorentziana ideal para Aromáticos calculada de acordo com um método ilustrativo da presente divulgação; A FIG. 7 ilustra graficamente uma função de transmissão de um projeto fabricável que melhor combina a função Lorentziana ideal da FIG. 6; A FIG. 8 ilustra graficamente uma função de transmissão de uma função Lorentziana ideal para Metano calculada de acordo com um método ilustrativo da presente divulgação; A FIG. 9 ilustra graficamente uma função de transmissão de um projeto fabricável que melhor combina a função Lorentziana ideal da FIG. 8; A FIG. 10 é uma tabela resumindo três diferentes estudos de projeto realizados para comparar o método de projeto atualmente divulgado com outra abordagem de projeto; e A FIG. 11 ilustra o espectro de transmissão óptica para um ICE fabricado com base no processo de projeto altamente sensível da presente divulgação.

DESCRIÇÃO DE MODALIDADES ILUSTRATIVAS

[008] Modalidades ilustrativas e metodologias relacionadas da presente divulgação estão descritas abaixo como elas poderiam ser empregadas em um método para projetar uma pilha de filme fino de ICE de alta sensibilidade. No interesse da clareza, nem todas as características de uma implementação ou metodologia real estão descritas neste relatório descritivo. Será evidentemente apreciado que no desenvolvimento de qualquer tal modalidade real numerosas decisões específicas de implementação devem ser tomadas para alcançar os objetivos específicos dos desenvolvedores, tal como conformidade com restrições relativas ao sistema e relativas ao negócio as quais variarão de uma implementação para outra. Mais ainda, será apreciado que um tal esforço de desenvolvimento pode ser complexo e demorado, mas, apesar disso, seria uma tarefa rotineira para os especialistas na técnica tendo o benefício desta divulgação. Outros aspectos e vantagens das várias modalidades e metodologias relativas à divulgação se tornarão aparentes a partir da consideração da seguinte descrição e dos desenhos.

[009] As modalidades ilustrativas da presente divulgação são dirigidas a técnicas de projeto de otimização para ICEs, tal como MOEs, que são utilizadas em dispositivos de computação óptica. Num método generalizado da presente divulgação, uma forma de linha harmônica é definida e usada para simular uma função de resposta óptica (por exemplo, função de transmissão, reflexão ou absorção). A forma da linha harmônica pode ser, por exemplo, uma forma de linha derivada Lorentziana, Gaussiana ou anarmônica. A forma da linha harmônica tem uma pluralidade de parâmetros que são variados até uma função de resposta óptica ideal ser determinada. A função de resposta óptica ideal será essa função que maximiza a sensibilidade de saída e/ou minimiza a SEC e/ou alguma combinação de ambas. Posteriormente, o método projeta uma pilha de filme fino tendo uma função de resposta óptica que corresponde à função de resposta óptica ideal e um ICE pode ser fabricado com base neste projeto.

[0010] Com referência à FIG. 1, um ICE 100 altamente sensível ilustrativo pode ser fabricado através da utilização dos processos de otimização de projeto aqui descritos. O ICE 100 pode incluir uma pluralidade de camadas alternadas 102 e 104, tal como, por exemplo, silício (Si) e quartzo (SiO2), respectivamente. Outros exemplos não limitativos de material de camada incluem nióbio, germânio e Germânia, MgF2, SiO2 e outros materiais de alto e baixo índice, embora pessoas versadas na técnica, tendo o benefício desta divulgação, entendam que estas camadas consistem em materiais cujo índice de refração é alto e baixo, respectivamente. As camadas 102, 104 podem ser estrategicamente depositadas num substrato óptico 106. Em algumas modalidades, o substrato óptico 106 é vidro óptico BK-7. Em outras modalidades, o substrato óptico 106 pode ser de outros tipos de substratos ópticos, tal como quartzo, safira, silício, germânio, seleneto de zinco, sulfeto de zinco ou vários plásticos tais como policarbonato, polimetilmetacrilato (PMMA), policloreto de vinil (PVC), diamante, cerâmica, etc., como conhecido na técnica. Na extremidade oposta (por exemplo, oposta ao substrato óptico 106), a estrutura de ICE 100 pode incluir uma camada 108 que é geralmente exposta ao ar ambiente circundando o dispositivo ou a instalação. O número de camadas 102, 104 e a espessura de cada camada 102, 104 podem ser determinados dos atributos espectrais adquiridos a partir de uma análise espectroscópica de uma característica da substância de amostra utilizando um instrumento espectroscópico convencional.

[0011] O espectro de interesse de uma dada característica de uma amostra tipicamente inclui qualquer número de diferentes comprimentos de onda. Deve ser compreendido que o ICE 100 ilustrativo na FIG. 1 na verdade não representa qualquer característica particular de uma dada amostra, mas é provido para fins de ilustração somente. Consequentemente, o número de camadas 102, 104 e suas espessuras relativas, como mostrado na FIG. 1, não têm correlação com qualquer característica particular de uma dada amostra. Nem as camadas 102, 104 nem suas espessuras relativas estão necessariamente desenhadas em escala e, portanto, não devem ser consideradas limitantes da presente divulgação. Além disso, aqueles versados na técnica prontamente reconhecerão que os materiais que compõem cada camada 102, 104 podem variar, dependendo da aplicação, do custo dos materiais e/ou da aplicabilidade do material à substância de amostra. Por exemplo, as camadas 102, 104 podem ser produzidas de, mas não sendo limitadas a, silício, quartzo, germânio, água, combinações dos mesmos ou outros materiais de interesse. Além disso, essas mesmas pessoas versadas compreenderão que as espessuras físicas das camadas 102 são de natureza ilustrativa e, assim, podem ser alteradas como desejado.

[0012] As múltiplas camadas 102, 104 apresentam diferentes índices refrativos. Ao selecionar adequadamente os materiais das camadas 102, 104 e suas espessuras e espaçamentos relativos, o ICE 100 pode ser configurado para passar/refletir/refratar/absorver seletivamente frações predeterminadas de luz (isto é, radiação eletromagnética) em diferentes comprimentos de onda. Pelo uso de técnicas de regressão, a intensidade de luz de saída correspondente da estrutura de ICE 100 transmite informação a respeito de uma característica do analito de interesse. Assim, a seleção da espessura da camada e espaçamento são extremamente importantes para o processo de projeto de ICE.

[0013] Em vista do precedente, a FIG. 2 mostra um diagrama de blocos de um sistema de otimização de projeto de ICE de acordo com uma modalidade ilustrativa da presente divulgação. Como será descrito aqui, o sistema de projeto de ICE 200 fornece uma plataforma para otimização e análise de projeto de ICE para facilitar a determinação de projetos de ICE altamente sensíveis rápidos e eficientes. Modalidades ilustrativas do sistema de projeto de ICE 200 aqui descritas avaliam formas de linha harmônica usando funções de mérito para, assim, determinar funções de resposta óptica ideal que são usadas como a base para projetar pilhas de filme de ICE.

[0014] Com referência à FIG. 2, o sistema de projeto de ICE 200 inclui pelo menos um processador 202, um armazenamento legível por computador não transitório 204, um módulo de comunicação transceptor/rede 205, dispositivos I/O opcionais 206, e uma tela opcional 208 (por exemplo, interface de usuário), todos interconectados através de um barramento de sistema 209. Numa modalidade, o módulo de comunicação de rede 205 é um cartão de interface de rede (NIC) e se comunica utilizando o protocolo Ethernet. Em outra modalidade, o módulo de comunicação de rede 105 pode ser outro tipo de interface de comunicação, tal como uma interface de fibra óptica, e pode comunicar usando uma série de diferentes protocolos de comunicação. Instruções de software executáveis pelo processador 202 para implementação de instruções de software armazenadas no módulo de otimização de projeto de ICE 210 de acordo com as modalidades ilustrativas descritas neste documento, podem ser armazenadas no armazenamento 204 ou em algum outro meio legível por computador.

[0015] Embora não explicitamente mostrado na FIG. 2, será reconhecido que o sistema de projeto de ICE 200 pode ser conectado a uma ou mais redes públicas (por exemplo, a Internet) e/ou privadas por meio de uma ou mais conexões de rede adequadas. Também será reconhecido que as instruções de software que compreendem o módulo de otimização de projeto de ICE 210 também podem ser carregadas no armazenamento 204 a partir de um CD-ROM ou outros meios de armazenamento adequados através de métodos com fios ou sem fios.

[0016] Além disso, aqueles versados na técnica apreciarão que a divulgação pode ser praticada com uma variedade de configurações de sistemas de computador, incluindo dispositivos portáteis, sistemas de múltiplos processadores, eletrônicos à base de microprocessador ou de consumidor programáveis, minicomputadores, computadores centrais e semelhantes. Qualquer número de sistemas de computadores e redes de computadores é aceitável para uso com a presente divulgação. A divulgação pode ser praticada em ambientes de computação distribuída, onde as tarefas são executadas por dispositivos de processamento remoto que estão ligados através de locais e remotos, incluindo dispositivos de armazenamento de memória. A presente divulgação pode, portanto, ser implementada em conexão com vários hardwares, softwares ou uma combinação dos mesmos em um sistema de computador ou outro sistema de processamento.

[0017] Com referência à FIG. 3, uma metodologia ilustrativa da presente divulgação será agora descrita. Conforme declarado anteriormente, as modalidades ilustrativas do método de projeto e otimização de ICE 300 utilizam formas de linha de oscilador harmônico para projetar pilhas de filme fino de ICE altamente sensíveis com picos de transmissão de banda estreita. No bloco 302, o sistema de projeto de ICE 200 define pelo menos uma forma de linha harmônica que simula uma função de resposta óptica tendo uma pluralidade de parâmetros. A definição no bloco 302 pode ser aleatória ou especificamente escolhida em outras modalidades. Um exemplo de uma forma de linha harmônica é mostrado na FIG. 4, o qual será descrito mais detalhadamente abaixo. A forma de linha do oscilador harmônico pode ser, por exemplo, uma função, Lorentziana, Gaussiana ou derivada anarmônico, conforme descrito na Equação 1 abaixo:

onde A é a amplitude, r é a ampliação e rn0 é o parâmetro de comprimento de onda central, e co é o comprimento de onda incidente. Na FIG. 4, a forma de linha harmônica é plotada como uma função de resposta óptica simulada em um gráfico mostrando a amplitude, A, que se refere ao comprimento de onda central, wo. A ampliação, r, corresponde à largura da forma da linha em relação à amplitude, A. Assim, os parâmetros da função de resposta da forma de linha harmônica ilustrada são A = 0,7925, r = 15nm e wo = 2258,9nm.

[0018] Neste método de exemplo, no bloco 302, o sistema de projeto de ICE 200 projeta a Equação 1 em uma base de dados óptica e varia os três parâmetros A, r e wo no bloco 304. A base de dados óptica consiste em muitos espectros coletados através da faixa de concentração do analito. A base de dados contém dados de calibração/validação usados para treinar ou derivar a função de resposta óptica. O conjunto de amostras pode incluir, por exemplo, o analito de interesse através de diferentes faixas de concentração, temperaturas e pressões, bem como outras amostras interferentes. Uma vez que a forma de linha harmônica inicial pode ser escolhida aleatoriamente neste exemplo, a forma de linha da FIG. 4 é mostrada apenas como um exemplo. Quando a forma de linha harmônica é variada, os valores dos parâmetros A, r e wo da sua função de resposta são variados de acordo e são projetados iterativamente na base de dados ópticos através da Equação 1. Portanto, os parâmetros variados resultam em funções de resposta óptica variadas.

[0019] No bloco 306, cada vez que o sistema de projeto de ICE 200 variar os parâmetros, a nova função de resposta óptica é, então, projetada na base de dados ópticos e a precisão da concentração de analito é avaliada usando uma função de mérito para a sensibilidade e/ou precisão. Em certos métodos, esta função de mérito consiste no cálculo da sensibilidade de calibração de projeto, definida como a inclinação da resposta do detector de ICE versus a concentração de analito. Em outros métodos, no entanto, a função de mérito pode ser a SEC da função de resposta óptica variada para a caracterização de uma propriedade de amostra. Ainda no bloco 306, quando sensibilidade de calibração é utilizada, o sistema de projeto de ICE 200 analisa iterativamente os espectros de resposta óptica variados para a caracterização da propriedade da amostra até encontrar um mínimo global que corresponda a um valor de sensibilidade de calibração de saída máximo. Neste método, o mínimo global é definido como a função de resposta óptica, definida como uma forma de linha Lorentziana de pico único, que dá origem à SEC mais baixa ou a sensibilidade de calibração mais alta na faixa de parâmetros. Nesses métodos usando a SEC como a função de mérito, a iteração continua até um mínimo global ser encontrado que corresponda a uma SEC mínima. Ainda em outros métodos, a função de resposta óptica variada tendo uma SEC de limiar e sensibilidade de calibração de saída máxima é selecionada. Em outros métodos, a resposta óptica variada tendo uma sensibilidade de saída de limiar e SEC mínima pode ser selecionada.

[0020] Pelo uso das funções de mérito, os métodos da presente divulgação reduzem significativamente o tempo de computação e a complexidade quando comparados com abordagens que devem analisar uma matriz n x m para um dado número de camadas (n) e espessuras de filme (m). Mais ainda, o algoritmo aqui descrito pode rodar em um computador dual core padrão e leva apenas alguns segundos para executar e produzir o projeto de ICE.

[0021] No bloco 308, o sistema de projeto de ICE 200 seleciona a função de resposta óptica correspondente à forma de linha harmônica ideal; esta função de resposta óptica é referida como a função de resposta óptica ideal. No bloco 310, o sistema de projeto de ICE 200 seleciona o projeto de ICE tendo uma função de resposta óptica que corresponde à função de resposta óptica ideal. Conforme definido aqui, a função de resposta óptica de ICE "corresponde" à função de resposta óptica ideal quando o erro quadrático médio entre os dois está dentro de um limiar pré-definido, como, por exemplo, menos de 5%. Aqui, em certos métodos, o sistema de projeto de ICE 200 utiliza um pacote de software de projeto de filme fino para identificar o projeto de pilha de filme óptico que corresponde à função de resposta óptica selecionada. O software de projeto de filme fino genérico pode ser, por exemplo, Essential Macleod™, WVase™ ou Matlab™. O projeto selecionado pode ser enviado de uma variedade de maneiras como, por exemplo, via uma exibição de computador. Posteriormente, uma pilha de filme fino de ICE pode ser fabricada com base no projeto selecionado.

[0022] Agora que um método ilustrativo foi descrito, exemplos serão agora dados com referência à FIG. 4, que traça uma função de resposta óptica ideal calculada ilustrativa para a razão gás-óleo. Os exemplos dados abaixo são estudos comparativos contrastando uma primeira abordagem de projeto e os métodos ilustrativos da presente divulgação. Estudos de projeto foram realizados para três analitos: Razão gás-óleo ("GOR"), Aromáticos e Metano. Para o GOR, o projeto de sensibilidade convencional mais alta teve uma sensibilidade de calibração de 36,06% da escala total e uma SEC de 16,36% da escala total. Usando a mesma base de dados espectral para GOR, o processo de projeto da presente divulgação deu uma forma de linha harmônica ideal 400, uma função Lorentziana neste exemplo com uma amplitude de 0,7925, ampliação = 15nm, comprimento de onda central = 2258,9nm, SEC = 14% da escala total e sensibilidade de calibração = 56% da escala total (mostrada na FIG. 4). Como pode ser visto, a SEC foi de 2% (absoluta) melhor e a sensibilidade de calibração foi de 20% (absoluta) melhor quando comparada ao primeiro grupo de projeto.

[0023] Conforme descrito anteriormente, as formas de linha harmônica (isto é, função Lorentziana 400) são tratadas como funções de resposta óptica (por exemplo, função de transmissão). Assim, a função 400 foi selecionada como a função de resposta óptica ideal. Posteriormente, no estudo, o sistema de projeto de ICE 200 usou um projeto de dezessete camadas genérico com um comprimento de onda central mo em torno de 1700nm como a pilha de filme fino de semente. A FIG. 5A mostra os dados espectrais para o projeto de dezessete camadas genérico e a FIG. 5B mostra a função de resposta do projeto de dezessete camadas genérico. O sistema de projeto de ICE 200, então, via um software de projeto de filme fino, alterou iterativamente as espessuras de camada de cada camada na pilha até encontrar uma função de resposta que combinava com a função Lorentziana ideal 400. Aqui, o algoritmo de projeto começou com o projeto de pilha de filme genérico (mostrado na FIG. 5B) e convergiu para a função Lorentziana ideal desejada, mostrada na FIG. 5C. A FIG. 5C ilustra a função Lorentiziana fabricável resultante 500, que é uma pilha de dezoito camadas e em torno de 8 mícrons de espessura. A SEC deste projeto Lorientziano "fabricável" era de 212 e a sensibilidade de calibração era 0,0309, o que ainda era grosseiramente 30% melhor do que a primeira abordagem de projeto. Portanto, a sensibilidade do projeto proporcionado pelas modalidades da presente divulgação era muito mais sensível do que aquela da primeira abordagem.

[0024] Como outro exemplo, o mesmo estudo de projeto foi executado para Aromáticos. Para Aromáticos, usando o primeiro processo de grupo de projeto, o projeto de sensibilidade mais alta teve uma sensibilidade de calibração de 31,9 e uma SEC de 0,07. Usando a mesma base de dados espectral para Aromáticos, o processo de projeto de sensibilidade ultra alta da presente divulgação dá uma função Lorentziana com uma amplitude de 0,85, ampliação = 15nm, comprimento de onda central = 2162,9nm, SEC = 0,059 e sensibilidade de calibração = 62,9, como mostrado na FIG. 6. A SEC da função Lorentziana ideal 600 foi de 18% melhor e a sensibilidade de calibração foi de 50% melhor em comparação com o primeiro grupo de projeto. A função Lorentiziana fabricável resultante 700, mostrada na FIG. 7, tinha uma pilha de vinte e duas camadas e cerca de 8 mícrons de espessura. A SEC deste projeto Lorientziano "fabricável" foi de 0,059 e a sensibilidade de calibração foi de 58,8, ainda cerca de 45% melhor do que o grupo de projeto atual.

[0025] Como um terceiro exemplo, o mesmo estudo de projeto foi executado para Metano (C1). Para C1 e usando o primeiro processo de grupo de projeto, o projeto de sensibilidade mais alta teve uma sensibilidade de calibração de 249 e uma SEC de 0,01128. Usando a mesma base de dados espectral para C1, o processo de projeto de sensibilidade ultra alta da presente divulgação dá uma função Lorentziana 800 com uma amplitude de 0,85, ampliação = 15nm, comprimento de onda central = 2256nm, SEC = 0,0136 e sensibilidade de calibração = 482, como mostrado na FIG. 8. A SEC foi 20% pior e a sensibilidade à calibração foi 49% melhor em comparação com a função Lorentziana ideal 800 do grupo de projeto atualmente divulgado. SEC 20% pior foi apenas 2% pior quando normalizada para a concentração e, portanto, era aceitável. A função Lorentiziana fabricável resultante 900, mostrada na FIG. 9, tinha uma pilha de vinte e duas camadas e cerca de 8 mícrons de espessura. A SEC deste projeto Lorientziano "fabricável" foi de 0,013 e a sensibilidade de calibração foi de 458, ainda cerca de 45% melhor do que o primeiro grupo de projeto. Mais ainda, a FIG. 9 também mostra que a função de resposta não muda muito com uma mudança de +/- 10 graus no ângulo da luz incidente, o que foi crítico para a precisão da medição do ICE.

[0026] A FIG. 10 é uma tabela que resume os resultados dos três diferentes estudos que comparam o primeiro processo de projeto com o processo de projeto de sensibilidade ultra alta da presente divulgação. O gráfico lista os valores de SEC e sensibilidade de calibração ("CS") para vários analitos, a saber, GOR, Aromáticos e Metano. Para concluir o estudo, o projeto de ICE ilustrativo para C1 foi efetivamente reduzido à prática e fabricado usando uma tecnologia de deposição a vácuo de e-beam assistida por íons projetada para fabricação de núcleo de ICE. A função de resposta resultante 1100 é mostrada na FIG. 11. O projeto fabricado tinha uma SEC = 0,01333 e sensibilidade de calibração = 423, muito próximo do projeto ideal pretendido.

[0027] Numa modalidade alternativa da presente divulgação, a análise espectral multivariada é utilizada para minimizar a faixa de comprimentos de onda varridos durante o processo iterativo de gerar os espectros de resposta óptica variados (por exemplo, no bloco 304 da FIG. 3). Ao minimizar a faixa de comprimento de onda varrido, esses comprimentos de onda fora da faixa são ignorados, tornando o processo de projeto mais rápido e mais eficiente. Portanto, nesta modalidade ilustrativa, o processo de projeto é semeado com resultados modelados de uma análise espectral multivariada preliminar (por exemplo, estudo PLS) dos dados espectrais no espaço de comprimento de onda. Na maioria dos casos, uma análise espectral multivariada tradicional (por exemplo, PLS, PCR, etc.) é realizada em um conjunto de dados espectrais completo. Por exemplo, isto pode abranger uma faixa de comprimento de onda de 1000 a 5000nm.

[0028] Este estudo preliminar determina qual faixa espectral para restringir o processo de projeto de ICE (isto é, "o passa banda") e o desempenho esperado (por exemplo, SEC) por métodos quimiométricos. Este estudo resulta em uma matriz 2D de valores de SEC em função de comprimentos de onda de partida e chegada. Durante o processo de projeto, os parâmetros de comprimento de onda central são variados dentro desta faixa. Em certas modalidades, esta matriz pode ser realizada em um espaçamento de comprimento de onda de 10 nm, mas não está restrita a esta "resolução". As informações contidas na matriz 2D são pesquisadas e classificadas pelo sistema de projeto de ICE para encontrar esses intervalos de comprimento de onda que têm bons desempenhos e seriam análogos aos perfis de distribuição Lorentziana desse intervalo de comprimento de onda (largura). Portanto, este método ilustrativo simplifica o método de pesquisa descrito acima. Em outras palavras, esse método prioriza os perfis Lorentzianos centrados em comprimentos de onda relevantes quimiometricamente com uma expectativa da largura e amplitude.

[0029] Com referência de volta à FIG. 3, num método alternativo da presente divulgação, o bloco 302 inclui definir pelo menos duas formas de linha harmônicas, em que as formas de linhas são combinadas computacionalmente para gerar uma forma de linha harmônica combinada. Uma vez que a primeira forma de linha ideal é encontrada, uma segunda forma de linha é, então, adicionada à primeira e os segundos parâmetros de forma de linha são variados como descrito anteriormente para ver se a função de mérito pode ser ainda reduzida. Isto seria chamado de mínimo global para duas formas de linha combinadas. Uma vez que a função de resposta óptica combinada é encontrada, o mesmo processo (blocos 304-310) é seguido, isto é, usando um software de filme fino para encontrar as espessuras de camada que combinam a função de resposta óptica.

[0030] Através da utilização da presente divulgação, projetos de ICE altamente sensíveis podem ser alcançados de forma econômica. O processo de projeto descrito é mais simples e menos demorado em comparação com outras abordagens. Mais ainda, os métodos de projeto ilustrativos aqui descritos geralmente retornam os projetos de ICE com sensibilidades grosseiramente duas vezes melhores quando comparadas a outras abordagens.

[0031] Os métodos e sistemas anteriores descritos aqui são particularmente úteis no projeto de ICEs para uso em furos de poços como, por exemplo, ferramentas de identificação de fluido óptica para aplicações de fundo de poço e de superfície. Em uma aplicação ilustrativa, uma vez que o projeto do ICE foi otimizado ele é, então, fabricado e posicionado no fundo de poço ou como parte de um dispositivo de computação óptica de um conjunto de fundo de poço para executar operações de monitoramento ou detecção.

[0032] As modalidades e os métodos aqui descritos ainda se referem a qualquer um ou mais dos seguintes parágrafos:

[0033] Um método para projetar um elemento computacional integrado ("ICE"), o método compreendendo definir pelo menos uma forma de linha harmônica que simula uma função de resposta óptica; variar parâmetros da forma de linha harmônica para, desse modo gerar uma ou mais funções de resposta óptica variadas; avaliar as funções de resposta óptica variadas para uma caracterização de uma propriedade de amostra usando uma função de mérito; com base no desempenho de uma função de mérito das funções de resposta óptica variadas, selecionar uma função de resposta óptica ideal; e selecionar um projeto de ICE tendo uma função de resposta óptica que corresponde à função de resposta óptica ideal.

[0034] Um método como definido no parágrafo 1, em que a função de resposta óptica do projeto de ICE corresponde à função de resposta óptica ideal quando um erro médio quadrático entre a função de resposta óptica do projeto de ICE e a função de resposta óptica ideal é inferior a 5%.

[0035] Um método como definido nos parágrafos 1 ou 2, em que a definição da pelo menos uma forma de linha harmônica compreende definir pelo menos uma de uma forma de linha derivada Lorentziana, Gaussiana ou anarmônica.

[0036] Um método como definido em qualquer dos parágrafos 1 a 3, em que a pelo menos uma forma de linha harmônica é definida de forma aleatória.

[0037] Um método como definido em qualquer dos parágrafos 1 a 4, em que a variação dos parâmetros da forma da linha harmônica compreende variar pelo menos um de um parâmetro de amplitude, ampliação ou comprimento de onda central da função de resposta óptica.

[0038] Um método como definido em qualquer dos parágrafos 1 a 5, em que a variação dos parâmetros da forma de linha harmônica compreende ainda utilizar análise espectral multivariada para definir uma faixa de comprimento de onda ideal; e variar os parâmetros da forma de linha harmônica dentro da faixa de comprimento de onda ideal.

[0039] Um método como definido em qualquer dos parágrafos 1 a 6, em que o uso da função de mérito compreende pelo menos um de determinar um erro padrão de calibração ("SEC") da função de resposta óptica variada para a caracterização da propriedade da amostra; ou determinar uma sensibilidade de saída da função de resposta óptica variada para a caracterização da propriedade da amostra.

[0040] Um método como definido em qualquer dos parágrafos 1 a 7, em que a seleção da função de resposta óptica ideal compreende selecionar a função de resposta óptica variada tendo uma sensibilidade de saída máxima; selecionar a função de resposta óptica variada tendo uma SEC mínima; selecionar a função de resposta óptica variada tendo uma SEC de limiar e sensibilidade de saída máxima; ou selecionar a função de resposta óptica variada tendo uma sensibilidade de saída de limiar e SEC mínima.

[0041] Um método como definido em qualquer dos parágrafos 1 a 8, compreendendo ainda fabricar um ICE com base no projeto de ICE selecionado.

[0042] Um método como definido em qualquer dos parágrafos 1 a 9, em que a definição da forma de linha harmônica compreende definir pelo menos duas formas de linha harmônicas; e combinar computacionalmente as pelo menos duas formas de linha harmônica para gerar uma forma de linha harmônica combinada.

[0043] Um sistema compreendendo circuitos de processamento para implementar qualquer um dos métodos dos parágrafos 1 a 10.

[0044] Um elemento computacional integrado ("ICE") fabricado usando qualquer um dos métodos dos parágrafos 1 a 10.

[0045] Produto de programa de computador compreendendo instruções que, quando executadas por pelo menos um processador, fazem com que o processador execute qualquer dos métodos dos parágrafos 1 a 10.

[0046] Um método para projetar um elemento computacional integrado ("ICE"), o método compreendendo definir uma forma de linha harmônica que simula uma função de resposta óptica; variar uma função de resposta óptica para assim determinar uma função de resposta óptica ideal; e selecionar um projeto de ICE que corresponda à função de resposta óptica ideal.

[0047] Um método como definido no parágrafo 14, em que a definição da forma de linha harmônica compreende definir pelo menos uma de uma forma de linha derivada Lorentziana, Gaussiana ou anarmônica.

[0048] Um método, como definido nos parágrafos 14 ou 15, em que a variação da função de resposta óptica compreende variar um parâmetro de amplitude, ampliação ou comprimento de onda central da função de resposta óptica.

[0049] Além disso, as metodologias ilustrativas aqui descritas podem ser implementadas por um sistema que compreende circuitos de processamento ou um produto de programa de computador compreendendo instruções que, quando executadas por pelo menos um processador, fazem com que o processador execute qualquer metodologia aqui descrita.

[0050] Embora diversas modalidades e metodologias tenham sido mostradas e descritas, a divulgação não está limitada a tais modalidades e metodologias e será entendida como incluindo todas as modificações e variações que seriam aparentes para um especialista na técnica. Portanto, deve ser entendido que a divulgação não se destina a ser limitada às formas particulares divulgadas. Pelo contrário, a intenção é cobrir todas as modificações, equivalentes e alternativas caindo dentro do espírito e escopo da divulgação como definidos pelas reivindicações anexas.

Claims (12)

1. Método para projetar um elemento óptico multivariado (100, 200), MOE, caracterizado pelo fato de que compreende: definir (302) pelo menos uma forma de linha harmônica que simula uma função de resposta óptica; variar (304) parâmetros da forma de linha harmônica para, assim, gerar uma ou mais funções de resposta óptica variadas; avaliar (306) as funções de resposta óptica variadas para uma caracterização de uma propriedade de amostra usando uma função de mérito; com base no desempenho de uma função de mérito das funções de resposta óptica variadas, selecionar (308) uma função de resposta óptica ideal; e selecionar (310) um projeto de MOE (100, 200) tendo uma função de resposta óptica que corresponde à função de resposta óptica ideal; e fabricar um MOE (100, 200) com base no projeto de MOE (100, 200) selecionado.

2. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a função de resposta óptica do projeto de MOE (100, 200) corresponde à função de resposta óptica ideal quando um erro médio quadrático entre a função de resposta óptica do projeto de MOE (100, 200) e a função de resposta óptica ideal é inferior a 5%.

3. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a definição da pelo menos uma forma de linha harmônica compreende definir pelo menos uma de uma forma de linha derivada Lorentziana, Gaussiana ou anarmônica.

4. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a pelo menos uma forma de linha harmônica é definida de forma aleatória.

5. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a variação dos parâmetros da forma da linha harmônica compreende variar pelo menos um de um parâmetro de amplitude, ampliação ou comprimento de onda central da função de resposta óptica.

6. Método de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que a variação dos parâmetros da forma de linha harmônica compreende ainda: utilizar análise espectral multivariada para definir uma faixa de comprimento de onda ideal; e variar os parâmetros da forma de linha harmônica dentro da faixa de comprimento de onda ideal.

7. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o uso da função de mérito compreende pelo menos um de: determinar um erro padrão de calibração (SEC) da função de resposta óptica variada para a caracterização da propriedade da amostra; ou determinar uma sensibilidade de saída da função de resposta óptica variada para a caracterização da propriedade da amostra.

8. Método de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que a seleção da função de resposta óptica ideal compreende: selecionar a função de resposta óptica variada tendo uma sensibilidade de saída máxima; selecionar a função de resposta óptica variada tendo uma SEC mínima; selecionar a função de resposta óptica variada tendo uma SEC de limiar e sensibilidade de saída máxima; ou selecionar a função de resposta óptica variada tendo uma sensibilidade de saída de limiar e SEC mínima.

9. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que: a definição da forma de linha harmônica compreende definir (302) pelo menos duas formas de linha harmônicas; e combinar computacionalmente as pelo menos duas formas de linha harmônica para gerar uma forma de linha harmônica combinada.

10. Sistema para projetar um elemento óptico multivariado (100, 200), MOE, caracterizado pelo fato de que compreende circuitos de processamento para implementar o método como definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 9.

11. Elemento óptico multivariado (100, 200), MOE, caracterizado pelo fato de que é fabricado usando o método como definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 9.

12. Meio de armazenamento legível por computador (204), caracterizado pelo fato de que compreende instruções que, quando executadas por pelo menos um processador (202), fazem com que o processador (202) execute o método como definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 9.

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