CN106030035B - 制造集成计算元件的方法及包含集成计算元件的光学计算系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开加工用于在光学计算装置中使用的集成计算元件的方法。一种方法包括：提供具有至少第一表面和与所述第一表面基本上相对的第二表面的基底；通过薄膜沉积过程使多个光学薄膜沉积在所述基底的所述第一表面和所述第二表面上，并从而产生多层膜堆叠装置；使所述基底分裂以便产生至少两个光学薄膜堆叠；以及将所述至少两个光学薄膜堆叠中的一个或多个固定到次级光学元件用于作为集成计算元件(ICE)使用。

Description

制造集成计算元件的方法及包含集成计算元件的光学计算 系统
技术领域
本公开涉及一种光学处理元件，并且具体地，涉及制造或加工用于在光学计算装置中使用的集成计算元件的方法。
背景技术
通常也被称为“光分析装置”的光学计算装置可用于实时分析和监测样本物质。此类光学计算装置将通常采用发射电磁辐射的光源，所述电磁辐射从样本反射或透射通过样本并且与光学处理元件光学相互作用，以便确定所分析物质的一种或多种物理性质或化学性质的定量值和/或定性值。光学处理元件可以是例如集成计算元件(ICE)。一种类型的ICE是光学薄膜干涉装置，其又称为多变量光学元件(MOE)。每个ICE可被设计以便在从UV到中红外(MIR)范围的电磁光谱或该区域的任何子集中的连续波长上操作。与样本物质光学相互作用的电磁辐由ICE改变和处理以便被检测器测量。检测器的输出可以与所分析物质的物理性质或化学性质相关。
ICE(在下文中“ICE核心”)通常包括由各种材料组成的多个光学薄膜层，所述多个光学薄膜层的折射率和尺寸(例如，厚度)可以在每个层之间变化。ICE核心设计是指基底、相应层的数目和厚度、以及ICE核心的每一层的折射率。层可被策略地沉积和设置尺寸，以便选择性地通过预先确定比率的处于不同波长的电磁辐射，所述电磁辐射被配置来基本上模拟对应于感兴趣物质的感兴趣的特定物理性质或化学性质的回归矢量。因此，ICE核心设计将表现出相对于波长加权的透射函数。因此，从ICE核心传送到检测器的输出光强可以与物质的感兴趣的物理性质或化学性质相关。
发明内容
一方面，本公开提供了一种制造集成计算元件的方法，其包括：
提供具有至少第一表面和与所述第一表面基本上相对的第二表面的基底；
通过薄膜沉积过程使多个光学薄膜沉积在所述基底的所述第一表面和所述第二表面上，并从而产生至少两个多层膜堆叠装置，该多层膜堆叠装置包含与第二光学薄膜堆叠呈镜像的第一光学薄膜堆叠；
使所述基底分裂以便产生至少两个光学薄膜堆叠；以及
将所述至少两个光学薄膜堆叠中的一个或多个固定到次级光学元件用于作为集成计算元件(ICE)使用。
在一个优选的实施方式中，所述基底是平面的。
在另一个优选的实施方式中，所述基底是云母、热解炭、石墨和石墨烯中的至少一种。
在另一个优选的实施方式中，在使所述多个光学薄膜沉积在所述基底上之前，准备所述基底的所述第一表面和所述第二表面。
在另一个优选的实施方式中，准备所述基底的所述第一表面和所述第二表面包括化学或机械地减少所述基底的厚度。
在另一个优选的实施方式中，准备所述基底的所述第一表面和所述第二表面包括化学处理所述第一表面和所述第二表面中的至少一个，以使得它变得更易接受所述薄膜沉积过程。
在另一个优选的实施方式中，所述薄膜沉积过程是原子层沉积(ALD)过程，并且其中使所述多个光学薄膜沉积在所述基底的所述第一表面和所述第二表面上包括：
将所述基底悬置在ALD反应室内；以及
使所述多个光学薄膜层在所述基底的所述第一表面和所述第二表面上依序生长。
在另一个优选的实施方式中，所述多个光学薄膜层的第一光学薄膜层由金属氧化物制成。
在另一个优选的实施方式中，该方法还包括使所述第一光学薄膜层沉积到大于邻近光学薄膜层的厚度。
在另一个优选的实施方式中，在使所述基底分裂之前，将所述多层膜堆叠装置再分成多个光学薄膜单元。
在另一个优选的实施方式中，在将所述至少两个光学薄膜堆叠中的所述一个或多个固定到所述次级光学元件之前，将所述基底从所述至少两个光学薄膜堆叠中的所述一个或多个移除。
在另一个优选的实施方式中，该方法还包括通过使所述基底经受低温氧化、燃烧所述基底以及将所述基底溶解在溶剂浴中的至少一种，将所述基底从所述至少两个光学薄膜堆叠的所述一个或多个化学移除。
在另一个优选的实施方式中，将所述至少两个光学薄膜堆叠中的所述一个或多个固定到所述次级光学元件包括以下中的至少一种：使用粘合剂；烧结所述至少两个光学薄膜堆叠中的所述一个或多个的边缘；以及使所述次级光学元件的目标表面融化。
在另一个优选的实施方式中，将所述至少两个光学薄膜堆叠中的所述一个或多个固定到所述次级光学元件包括：
使所述至少两个光学薄膜堆叠中的所述一个或多个的所述基底发生化学反应；以及
使所述次级光学元件的目标表面融化以便将所述至少两个光学薄膜堆叠中的所述一个或多个粘接到所述次级光学元件。
另一方面，本公开提供了一种制造集成计算元件的方法，其包括：
提供基底；
通过薄膜沉积过程使多个光学薄膜沉积在所述基底的第一表面和第二表面上，并从而产生至少两个光学薄膜堆叠，该光学薄膜堆叠包含与第二光学薄膜堆叠呈镜像的第一光学薄膜堆叠；
将所述基底的至少一部分从所述光学薄膜堆叠移除；以及
将所述光学薄膜堆叠固定到次级光学元件用于作为集成计算元件(ICE)使用。
在一个优选的实施方式中，所述基底是平面的。
在另一个优选的实施方式中，所述基底是云母、热解炭、石墨和石墨烯中的至少一种。
在另一个优选的实施方式中，在使所述多个光学薄膜沉积在所述基底上之前，化学或机械地准备所述基底的所述表面。
在另一个优选的实施方式中，在将所述光学薄膜堆叠固定到所述次级光学元件之前，将所述光学薄膜堆叠再分成多个光学薄膜堆叠。
在另一个优选的实施方式中，在将所述基底的所述至少一部分从所述光学薄膜堆叠移除之前，将所述光学薄膜堆叠固定到所述次级光学元件。
在另一个优选的实施方式中，该方法还包括使所述基底发生化学反应，并从而使所述次级光学元件的目标表面融化以便将所述光学薄膜堆叠粘接到所述次级光学元件。
在另一个优选的实施方式中，将所述基底的所述部分从所述光学薄膜堆叠移除包括通过使所述基底经受低温氧化、燃烧所述基底以及将所述基底溶解在溶剂浴中的至少一种，将所述基底从所述光学薄膜堆叠化学移除。
在另一个优选的实施方式中，所述次级光学元件是选自由以下项组成的组的光学计算装置的部件：滤光轮的扇区、带通滤波器、透镜、光纤表面、采样窗口、蓝宝石光学元件、非平面光学元件和检测器。
在另一个优选的实施方式中，将所述光学薄膜堆叠固定到所述次级光学元件包括以下中的至少一种：使用粘合剂；烧结所述光学薄膜堆叠的边缘；以及使所述次级光学元件的目标表面融化。
在另一个优选的实施方式中，将所述光学薄膜堆叠固定到所述次级光学元件包括使所述光学薄膜堆叠的所述基底发生化学反应，并从而使所述次级光学元件的目标表面融化以便将所述光学薄膜堆叠粘接到所述次级光学元件。
另一方面，本公开提供了一种光学计算系统，其包括：
井下工具，其在穿透地下地层的井筒内可延伸；以及
光学计算装置，其布置在所述井下工具上并且被配置来监测所述井筒内的物质，所述光学计算装置包括至少一个集成计算元件(ICE)，所述集成计算元件(ICE)已经根据以下步骤来加工：
提供具有至少第一表面和与所述第一表面基本上相对的第二表面的基底；
通过薄膜沉积过程使多个光学薄膜沉积在所述基底的所述第一表面和所述第二表面上，并从而产生至少两个多层膜堆叠装置，该多层膜堆叠装置包含与第二光学薄膜堆叠呈镜像的第一光学薄膜堆叠；以及
使所述基底分裂以便产生至少两个光学薄膜堆叠，其中所述至少两个光学薄膜堆叠中的一个是所述至少一个ICE。
在一个优选的实施方式中，所述至少一个ICE固定到所述光学计算装置的次级光学元件，并且其中所述次级光学元件是选自由以下项组成的组的部件：滤光轮的扇区、带通滤波器、透镜、光纤表面、采样窗口、蓝宝石光学元件、非平面光学元件和检测器。
在另一个优选的实施方式中，所述井下工具是选自由以下项组成的组的工具：井底总成、绳索应用的采样工具和与生产管件相关联的测量装置。
附图说明
以下附图用于说明本发明的特定方面，并且不应视作排它性实施方案。本公开的主题能够以不偏离本公开的范围的形式和功能进行相当多的修改、改变、结合和等效物。
图1示出根据一个或多个实施方案的示例性集成计算元件。
图2示出根据一个或多个实施方案的制造光学处理元件的示例性方法的示意性流程图。
图3示出根据一个或多个实施方案的使用原子层沉积产生的示例性多层膜堆叠装置的横截面侧视图。
图4A示出根据一个或多个实施方案的图3的多层膜堆叠装置的俯视图。
图4B示出根据一个或多个实施方案的从图3的多层膜堆叠装置切除或另外切割的光学薄膜单元的横截面侧视图。
图5示出根据一个或多个实施方案的制造光学处理元件的另一个示例性方法的示意性流程图。
图6示出根据一个或多个实施方案的用于监测样本物质的示例性光学计算装置。
图7示出根据一个或多个实施方案的采用用于监测井下物质的一个或多个光学计算装置的示例性井筒钻井总成。
具体实施方式
本公开涉及一种光学处理元件，并且具体地，涉及制造或加工用于在光学计算装置中使用的集成计算元件的方法。
本公开描述制造诸如集成计算元件(“ICE核心”)的光学处理元件的改进方法。在一些实施方案中，相结合来组成ICE核心的若干薄膜层在原子层沉积(ALD)过程期间沉积在基底的相对侧面上。所得的多层膜堆叠装置在下面基底的每个平坦侧面上展现镜像薄膜层。基底随后可通过进行平面切割或分离而分裂成两半，从而呈现出支撑在剩余基底的至少一部分上的镜像ICE核心。随后可将基底从薄膜层化学或机械地移除，并且薄膜层随后可覆盖在表面上，否则所述表面将不能在薄膜加工过程中保存下来，或另外可能不便于使用ALD技术来涂覆。因此，所公开的实施方案可证明在以下方面是有利的：使ALD过程期间加工ICE核心的生产率加倍，以及使用所得的ICE核心作为可选择性地布置在目标表面上的一种类型的贴花。
本公开还描述在基底的一个侧面上构造ICE核心的若干薄膜层，所述基底在薄膜沉积室内以其相对侧面支撑在支撑结构上。在适当加工ICE核心之后，可随后将基底从薄膜层化学或机械地移除，并且薄膜层随后可作为一种类型的贴花附接到目标表面，所述目标表面否则将不能在薄膜制造过程中保存下来。
本文所公开的方法可适于加工用于在石油和天然气行业中使用的光学处理元件(例如，ICE核心)，诸如用于监测和检测石油/天然气相关物质(例如，烃类、钻井液、完井液、处理液等)。然而，应当理解，本文所述的方法同样适于加工用于在其他技术领域中使用的ICE核心，所述其他技术领域包括但不限于：食品行业、涂料行业、采矿行业、农业行业、医疗行业和制药行业、自动化行业、化妆品行业、水处理设施和可能期望它实时监测物质的任何其他领域。
如本文所用的，术语“特征”或“感兴趣特征”是指物质或物质样本的化学性质、机械性质或物理性质。物质的特征可包括在其中存在的一种或多种化学成分或化合物的定量或定性值或与其相关联的任何物理性质。此类化学成分和化合物在本文中可被称为“分析物”。物质的可在本文所述的光学处理元件帮助下分析的例示性特征可包括例如：化学组成(例如，总组分或单独组分的身份和浓度)、相存在(例如，天然气、石油、水等)、杂质含量、pH、碱度、黏度、密度、离子强度、总溶解固体、盐含量(例如，盐度)、多孔性、不透明度、细菌含量、总硬度、透射率、物质状态(固体、液体、气体、乳剂、其混合物等)等。
如本文所用，术语“物质”或其变型是指在本文所述的光学处理元件的帮助下待测试或另外待评估的感兴趣的物质或材料的至少一部分。物质可以是能够流动的任何流体，包括微粒固体、液体、气体(例如，空气、氮气、二氧化碳、氩气、氦气、甲烷、乙烷、丁烷和其他烃气体、硫化氢、以及其组合)、泥浆、乳剂、粉末、泥、玻璃、混合物、其组合，并且可包括但不限于含水流体(例如，水、卤水等)、非含水流体(例如，有机化合物、烃类、油、油的精炼组分、石化产品等)、酸、表面活性剂、杀虫剂、漂白剂、腐蚀抑制剂、起泡剂和发泡剂、破乳剂、清除剂、稳定剂、澄清剂、清洁剂、处理流体、压裂流体、地层流体、或通常在石油和天然气工业中发现的任何油田流体、化学品或物质。物质也可以是指固体材料，诸如但不限于，岩层、混凝土、固体井筒表面、管道或流线和任何井筒工具或抛射体(例如，球、飞镖、塞等)的固体表面。
如本文所用的，术语“电磁辐射”是指无线电波、微波辐射、太赫兹、红外和近红外辐射、可见光、紫外光、X射线辐射和伽马射线辐射。
如本文所用的，术语“光学相互作用”或其变型是指电磁辐射在光学处理元件(例如，集成计算元件)或借助光学处理元件来分析的物质上、通过其或从其的反射、透射、散射、衍射或吸收。因此，光学相互作用光是指例如已经使用光学处理元件反射、透射、散射、衍射或吸收、发射或再辐射的电磁辐射，但也可应用于与物质的光学相互作用。
如本文所用，术语“光学计算装置”是指光学装置，其被配置来接收与物质相关联的电磁辐射输入，并且从布置在光学计算装置内或另外与其相关联的光学处理元件产生电磁辐射输出。光学处理元件可以是例如集成计算元件(ICE)。与光学处理元件光学相互作用的电磁辐射发生改变以便可由检测器读取，以使得检测器输出可与所分析物质的特定特征相关。来自光学处理元件的电磁辐射输出可以是反射、透射和/或分散的电磁辐射。检测器分析反射的、透射的还是分散的电磁辐射可由光学计算装置的结构参数以及本领域的技术人员已知的其他考虑支配。此外，流体例如通过荧光、冷光、拉曼、米氏散射和/或瑞利散射的发射和/或散射也可由光学计算装置监测。
如以上指出的，本公开提供制造或加工用于在光学计算装置中使用的诸如集成计算元件(ICE核心)的光学处理元件的改进方法。在操作中，ICE核心能够辨别与物质的感兴趣特征相关的电磁辐射和与物质的其他组分相关的电磁辐射。
参考图1，示出根据一个或多个实施方案的可使用现行公开方法来加工的示例性ICE核心100。如图所示，ICE核心100可包括多个交替的薄膜层102和104，分别诸如硅(Si)和SiO2(石英)。一般来讲，这些层102、104由折射率分别是高的和低的材料组成。材料的其他实例可包括氧化铌和铌、锗和二氧化锗、MgF、SiO、TiO2、Al2O3以及本领域中已知的其他高折射率材料和低折射率材料。层102、104可策略地沉积在基底106上。在一些实施方案中，基底106是BK-7光学玻璃。在其他实施方案中，基底106可以是另一种类型的光学基底，诸如另一种光学玻璃、二氧化硅、蓝宝石、硅、锗、硒化锌、硫化锌或各种塑料(诸如聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚氯乙烯(PVC))、金刚石、陶瓷、其组合等。
然而如以下将描述的，基底106可替代性地由可在单个平面上分裂的，并且另外通过物理方式或化学方式可从层102、104轻易移除的材料制成。例如，基底106可由云母、热解炭、石墨或石墨烯制成。
在相对端处(例如，与图1中的基底106相对)，ICE核心100可包括通常暴露于装置环境或安装环境，并且可以能够检测样本物质的层108。根据从使用常规光谱仪器来光谱分析所分析物质的特征获得的光谱属性，确定层102、104的数目和每个层102、104的厚度。具有给定特征的感兴趣光谱通常包括任何数目的不同波长。
应当理解，图1所描绘的ICE核心100事实上不表示被配置来检测给定物质的具体特征的任何特定ICE核心，而是仅为说明目的提供。因此，如图1所示，层102、104的数目和其相对厚度与其任何特定物质或特征没有任何相关性。层102、104和其相对厚度也不必要按比例绘制，并且因此不应认为是本公开的限制。
在一些实施方案中，每个层102、104的材料可以是掺杂的，或两种或更多种材料可以由一种方式结合以便实现期望的光学特征。除固体之外，示例性ICE核心100也可包含液体和/或气体，任选地与固体结合，以便产生期望的光学特征。在气体和液体的情况下，ICE核心100可包含盛放气体或液体的对应容器(未示出)。ICE核心100的示例性变型也可包括例如可产生感兴趣的透射、反射和/或吸收特性的全息光学元件、光栅、压电、光管和/或声光元件。
多个层102、104可表现出不同的折射率。通过适当选择层102、104的材料以及其相对厚度和间距，ICE核心100可被配置来选择性地透射或反射预先确定比率的不同波长的电磁辐射。每个波长给定一个预先确定的权重或加载系数。可使用各种近似法从感兴趣的特征或分析物的光谱来确定层102、104的厚度和间距。这些方法可包括光学透射光谱的傅立叶逆变换(IFT)以及将ICE核心100构造成IFT的物理表示。近似值将IFT转换成基于具有恒定折射率的已知材料的结构。
ICE核心100的层102、104在每个波长处应用的权重被设置成相对于已知的等式或数据或光谱特征而描述的回归权重。例如，当电磁辐射与物质相互作用时，关于物质的独特物理信息和化学信息被编码在从物质反射、通过物质透射或从物质辐射的电磁辐射中。此信息通常被称为物质的光谱“指纹”。ICE核心100可被配置来执行所接收的电磁辐射的点乘积，以及ICE核心100的波长相关的透射函数。ICE核心100的波长相关的透射函数取决于每个层的材料折射率，层102、104的数目，和每个层102、104的厚度。因此，ICE核心100的输出光强度与感兴趣的特征或分析物相关。
作为另外解释，准确确定样本物质中的感兴趣特征的回归矢量提供了用于光学计算装置确定或另外计算所述特征在样本物质中的浓度的方法。可使用本领域普通技术人员将熟悉的标准程序来确定每个特征的回归矢量。例如，分析样本物质的光谱可包括确定所分析样本物质的每个特征的回归矢量的点乘积。如本领域普通技术人员将认识到，矢量的点乘积是标量(即实数)。尽管据信点乘积值单独不具有物理意义(例如，它可返回任何量值的正结果或负结果)，然而将样本物质的点乘积值与针对已知参考标准获得的并且在校准曲线中绘制的点乘积值相比较，可允许使样本物质点乘积值与特征的浓度或值相关，从而允许准确分析未知样本物质。
为确定点乘积，人们只要将给定波长下回归矢量的回归系数乘以相同波长下的光谱强度。对所有分析波长重复此过程，并且将整个波长范围上的所有乘积相加来产生点乘积。本领域的技术人员将认识到，可根据样本物质的单个光谱，通过应用每个特征的对应回归矢量来确定两个或更多个特征。
实际上，可从与样本物质相互作用的电磁辐射导出信息，例如通过将来自若干样本的电磁辐射分离成波长带，以及针对由另一种测量技术确定的每个样本物质的感兴趣特征执行谱带强度的多重线性回归。所测量的特征可以通过本领域技术人员将熟悉的多重线性回归技术来表达和建模。具体地，如果y是浓度或特征的测量值，那么y可被表达成方程式1：
y＝a0+a1w1+a2w2+a3w3+a4w4+.... 方程式(1)
其中每个“a”是回归分析确定的常数，并且每个“w”是每个波长带的光强度。根椐情况，从方程式(1)获得的估算值可以是不准确的，例如由于在样本物质内存在可能影响波长带强度的其他特征。可通过根据电磁辐射的主分量表示所述电磁辐射来获得更准确的估算值。
为获得主分量，使用相同类型的电磁辐射来收集各种类似样本物质的光谱数据。例如，在暴露到每种样本物质之后，可收集电磁辐射，并且可测量每种样本物质在每个波长下的光谱强度。随后可将此数据汇集并经受被称为奇异值分解法(SVD)的线性代数过程以便确定主分量。本领域普通技术人员将很好地理解SVD在主分量分析中的使用。不过，简言之，主分量分析是一种降维技术，其采用“m”个光谱与“n”个独立变量并构造一组新的为原始变量的线性组合的本征矢量。本征矢量可被认为是一组新的绘制轴。被称为第一主分量的主轴是描述大部分数据可变性的矢量。随后的主分量描述依次减小的样本可变性，直到高阶主分量基本上仅描述光谱噪声。
通常，主分量被确定成归一化矢量。因此，电磁辐射样本的每个分量可被表示成xnzn，其中xn是标量乘数，并且zn是第n个分量的归一化分量矢量。即，zn为其中每个波长是一个维度的多维空间中的矢量。归一化确定每个波长下分量的值，以使得分量维持其形状，并且主分量矢量的长度等于1。因此，每个归一化分量矢量具有一定形状和量值，以使得分量可用作具有那些主分量的任何电磁辐射样本的基本构建块。因此，每个电磁辐射样本可通过归一化的主分量乘以适当标量乘数的组合来描述，如在方程式(2)中列出的:
x1z1+x2z2+...+xnzn 方程式(2)
当主分量被理解成具有通过归一化提供的标准化量值时，标量乘数xn可被认为是给定电磁辐射样本中的主分量的“量值”。
因为主分量是正交的，所以可将它们用在相对简单的数学过程中，以便将电磁辐射样本分解成可准确描述原始电磁辐射样本中的数据的分量量值。由于原始电磁辐射样本也可被认为是在多维波长空间中的矢量，原始信号矢量与主分量矢量的点乘积是在归一化分量矢量方向上的原始信号的量值。即，它是存在于原始信号中的归一化主分量的量值。这类似于将矢量在三维笛卡尔空间中分成其X分量、Y分量和Z分量。假定每个轴矢量具有1的量值，三维矢量与每个轴矢量的点乘积给出三维矢量在三个方向中的每一个上的量值。原始信号与不垂直于其他三个维度的某个其他矢量的点乘积提供冗余数据，因为此量值已经由两个或更多个正交轴贡献。
因为主分量彼此正交，所以任何主分量与任何其他主分量的点乘积是零。在物理上，这意味着分量彼此不干扰。如果数据更改而改变原始电磁辐射信号中的一个分量的量值，那么其他分量保持不变。在类似的笛卡尔实例中，三维矢量的X分量的减少不影响Y分量和Z分量的量值。
主分量分析提供可准确描述由电磁辐射样本携带的数据的最少正交分量。因此，在数学意义上，主分量是原始电磁辐射的不彼此干扰并表示光谱信号的最紧凑描述的分量。在物理上，每个主分量是形成原始电磁辐射信号的一部分的电磁辐射信号。每个主分量都具有在原始波长范围内的某个波长范围上的形状。如果每个分量都具有无论正负的合适量值，则将主分量相加可产生原始信号。
主分量可包括由总光信号携带的信息的压缩。在物理意义上，主分量的形状和波长范围描述什么样的信息在总电磁辐射信号中，并且每个分量的量值描述存在多少该信息。如果若干电磁辐射样本包含相同类型但数量不同的信息，那么单个组的主分量就可用于通过将适当量值应用到分量来描述(除噪声之外)每个电磁辐射样本。主分量可用于基于与样本物质相互作用的电磁辐射所携带的信息，提供该样本物质的特征的估算值。在具有变化量的分析物或特征值的样本物质的光谱中观察到的差异可被描述成主分量的量值差异。因此，在使用四个主分量的情况下，特征的浓度可根据方程式(3)由主分量表示：
y＝a0+a1x1+a2x2+a3x3+a4x4 方程式(3)
其中“y”是特征的浓度或值，每个a是由回归分析确定的常数，并且x1、x2、x3和x4分别是第一主分量、第二主分量、第三主分量和第四主分量。方程式(3)可被称为回归矢量。回归矢量可用于提供未知样本的特征的浓度或值的估算值。
回归矢量计算可由计算机基于电磁辐射按波长的摄谱仪测量值来执行。摄谱仪系统将电磁辐射扩展到其光谱中，并且测量在波长范围上的每个波长的光谱强度。使用方程式(3)，计算机可读取强度数据，并且通过确定总信号与每个分量的点乘积将电磁辐射样本分解成主分量量值xn。随后将分量量值应用到回归方程以便确定特征的浓度或值。
然而，为简化前述程序，可将回归矢量转换成波长函数的形式，以使得仅确定一个点乘积。每个归一化主分量矢量zn都具有在总波长范围的全部或一部分上的值。如果每个分量矢量的每个波长值乘以回归常数并且对应于分量矢量，并且如果所得的加权主分量按波长相加，那么回归矢量采用方程式(4)的形式：
y＝a0+b1u1+b2u2+...+bnun 方程式(4)
其中a0是来自方程式(3)的第一回归常数，bn是来自方程式(3)的每个回归常数an与其在波长“n”下的相应归一化回归矢量的值的乘积之和，并且un是在波长“n”下电磁辐射的强度。因此，新常数限定波长空间中的直接描述样本物质的浓度或特征的矢量。方程式(4)形式的回归矢量表示电磁辐射样品与此矢量的点乘积。
主分量的归一化提供用于在回归分析期间使用的具有任意值的分量。因此，由回归矢量产生的点乘积值将等于所分析样本物质的实际浓度值或特征值是不大可能的。然而，点乘积结果与浓度值或特征值成比例。如以上讨论的，可通过以常规方式测量一个或多个已知的校准样本并且将结果与回归矢量的点乘积值相比较来确定比例因数。然后，点乘积结果可与从校准基准获得的值相比较，以便确定所分析的未知样本的浓度或特征。
现参考图2，并继续参考图1，示出根据一个或多个实施方案的制造光学处理元件的示例性方法200的示意性流程图。由遵照方法200产生的光学处理元件可基本上类似于图1的ICE核心100，并且另外在针对样本物质相关联的感兴趣分析物或特征来分析样本物质中是有用的。
根据方法200，如在202处，可首先提供光学处理元件的基底。合适的基底可类似于以上参考图1描述的基底106。优选地，基底表现出符合感兴趣的光学带宽的光学性质(即，显著平坦和高百分比的透射分布)。合适的基底材料也包括表现出足以承受通常与薄膜沉积过程和技术相关联的升高温度和极端条件的物理稳定性的材料。
在至少一个实施方案中，基底可以是大体碟形的，并且因此包括第一表面和与第一表面相对或基本上相对的第二表面。在第一表面与第二表面基本上彼此相对的实施方案中，第一表面和第二表面可以是彼此平行或从平行稍微偏移，而不脱离本公开范围的平面表面。
在一些实施方案中，基底可由在单个平面上可分裂的材料制成，以使得它随后可在平面中分裂或另外使用机械手段从光学处理元件移除。在其他实施方案中，基底可由可使用化学手段从光学处理元件移除的材料制成。在其他实施方案中，基底可由可使用机械手段和化学手段从光学处理元件移除的材料制成。基底的合适材料包括但不限于云母、热解炭、石墨、石墨烯和表现出基本上类似的化学组成或原子结构的任何其他材料。在至少一个实施方案中，基底可以是盐(即NaCl)，所述盐被抛光并随后后续地用铝快速涂覆以得到基底的期望反应表面。在又一些实施方案中，基底可以是塑料，诸如聚对苯二甲酸乙二酯(PET)或一个或多个纤维素膜。
在一些实施方案中，方法200可包括准备基底表面，如在204处。准备基底表面可包括减少基底厚度，直到实现基底的期望或预先确定的厚度。在一些实施方案中，可通过化学手段(诸如蚀刻或氧化)来减少基底厚度。然而在其他实施方案中，尤其在基底是石墨的实施方案中，可依序地通过使基底表面分裂并从而产生单独的石墨层或石墨片来减少基底厚度。在至少一个实施方案中，石墨片例如可用作合适的基底。因此，基底可表现出非常小的厚度，诸如在几埃的范围内。
在其他实施方案中，准备基底表面可包括化学处理基底表面，以使得它变得更能经受或更能接受特定的薄膜沉积过程。例如，在使用原子层沉积(ALD)的情况下，ALD过程可以是表面选择性的。换言之，用于构建光学处理元件层(即图1的层102、104)的一些材料可未化学粘接到或另外附着到给定基底。为适应可未直接附着到给定基底的层化学性质，基底表面可涂覆有反应试剂或另外用反应试剂预处理，所述反应试剂诸如铝、钛、硅、锗、铟、镓和砷。这可使用本领域技术人员已知的溅射技术来完成。随后可使反应试剂反应以便产生可更响应于ALD技术的氧化物表面。在其他实施方案中，基底表面可用氧化产物来处理，而不脱离本公开的范围。
一旦适当或合适地准备基底表面，就可通过薄膜沉积过程将多个光学薄膜沉积在基底上以便产生多层膜堆叠装置，如在206处。在本实施方案中，薄膜沉积过程可以是ALD过程，诸如本领域中技术人员通常已知的ALD过程。然而，在以下讨论的实施方案中，薄膜沉积过程可以是本领域技术人员已知的任何化学薄膜沉积技术或物理薄膜沉积技术，其包括但不限于：电镀、化学溶液沉积、旋涂、化学气相沉积、等离子体增强化学气相沉积、物理气相沉积、溅射、脉冲激光沉积、阴极电弧沉积、电流体动力沉积(即电喷射沉积)和离子辅助电子束沉积。
在本实施方案中，使基底经受ALD过程，如在206处，可包括将基底引入到ALD反应室中。可将基底悬空或悬置在ALD反应室内，以使得基底的两个平面侧面都可以在沉积过程的每个阶段期间均匀涂覆。在至少一个实施方案中，为将基底适当悬置在ALD反应室内，可将基底固定到与ALD反应室相关联的夹具或其他支撑结构。
一旦基底合适地布置(即悬空)在ALD反应室内，ALD过程随后可进行到在基底上使各种层(即图1的层102、104)依序地(即连续地)生长。简而言之，此过程包括：将第一气态化合物或“前体”引入到ALD反应室中以便化学粘接到基底；吹扫或排空ALD反应室以便移除任何未反应前体和/或气态反应副产物；将第二前体引入到ALD反应室中以便与前一周期的基底粘接前体化学反应来形成单层；吹扫或排空ALD反应室以便移除第二前体的任何未反应前体和/或气态反应副产物；以及重复前述步骤为获得期望层数目和期望每层厚度所需要的次数。
由于ALD处理中固有的自终止反应，ALD特征化为表面控制过程，其中主要的过程控制参数包括前体(和其流速)、基底和ALD反应室内的周围温度。此外，因为在ALD过程中固有的表面控制，所得的沉积在基底上的层在基底的每个侧面上是极其共形的且另外均匀的。
简要参考图3，并继续参考图2，示出根据一个或多个实施方案的可使用前述ALD过程产生的示例性多层膜堆叠装置300的横截面侧视图。如图3所描绘的，基底106被包围并且另外整体覆盖有多个交替薄膜层102和104，类似于以上参考图1描述的薄膜层。应指出如图3描绘的层102、104的数目和其相对厚度也不必要按比例绘制，并且因此不应认为是本公开的限制。
值得注意的是，层102、104被描绘成均匀沉积在基底106的所有侧面上。更具体地，基底106分别具有第一表面302a和第二表面302b，并且层102、104在每个表面302a、b上均匀地建立或“生长”。因此，多层膜堆叠装置300表现出在每个表面302a、b上为镜像的层102、104。
在至少一个实施方案中，沉积在基底上的初始或第一层102可由金属氧化物材料制成，诸如氧化铝(Al2O3)或二氧化钛(TiO2)。如将理解的，第一层102的氧化物材料可证明在产生对基底106的良好附着中是有利的，并且从而保护薄膜免于从基底106不慎移除。在一些实施方案中，多层膜堆叠装置300的第一层和最后层102、104中的一个或两个可沉积到大于其他插入层102、104的厚度。如将理解的，提供更厚的第一层和/或最后层102、104可向多层膜堆叠装置300提供更大的核心机械强度，从而导致更稳健的多层膜堆叠装置300。
再次参考图2，方法200也可包括使基底分裂以便产生至少两个镜像光学薄膜堆叠，如在208处。本领域的技术人员将容易认识到存在使基底分裂的多个方式。在一个实施方案中，例如，光学薄膜堆叠可通过进行穿过基底的平面切割而分裂成两半。例如，这可通过激光或聚焦离子束来完成。在其他实施方案中，基底可以被机械分离，诸如通过在基底上施加剪切负荷，所述剪切负载导致基底沿与其相关的原子层的剪切。有利地，由于基底是由沿晶轴可剪切的可分裂材料制成，使基底机械分裂可不破坏镜像光学薄膜堆叠的完整性。
在又一些实施方案中，一个或多个附加层可沉积在基底上，所述附加层表现出不同于沉积平面中的其他薄膜层的热膨胀系数。在多层膜堆叠装置经受大的温度改变之后，基底可沿具有相异热膨胀系数的层分离。在一些实施方案中，例如，这可通过沉积与一个或多个氧化铁层互相消融(inter-digeted)(例如，交替)的铝层来实现。此类交替层可证明在产生导致基底分离的热反应中是有利的。
在一些实施方案中，在使基底分裂之前或之后，方法200可包括将多层膜堆叠装置/堆叠再分成多个更小的光学薄膜单元，如在210处。因此，在一些实施方案中，在使下面基底106分裂之前，图3的多层膜堆叠装置300可再分成多个更小的光学薄膜单元。然而在其他实施方案中，在使多层膜堆叠装置300的基底106分裂以便产生镜像光学薄膜堆叠之后，如以上在208处，每个所得的光学薄膜堆叠可再分成多个更小的光学薄膜单元。
参考图4A和图4B，并继续参考图3，示出根据一个或多个实施方案的多层膜堆叠装置300的视图。更具体地，图4A描绘多层膜堆叠装置300的俯视图，并且图4B描绘从多层膜堆叠装置300切除或另外切割的光学薄膜单元的横截面侧视图。
如图4A所示，用于支撑若干光学薄膜层102、104的基底106是大体圆形的，从而导致大体圆形的多层膜堆叠装置300。多层膜堆叠装置300被描绘成已被再分(例如，切片、分离、分配等)成四个光学薄膜单元402(被示出为光学薄膜单元402a、402b、402c和402d)。将多层膜堆叠装置300再分成多个光学薄膜单元402a-d可通过本领域技术人员已知的各种薄膜切片技术(诸如激光切片)来实现。
每个光学薄膜单元402a-d包括基底106的一部分，类似于图3所描绘的多层膜堆叠装置300，每个光学薄膜单元402a-d包括在基底106的每个表面302a、b上均匀建立或生长的层102、104的镜像堆叠。图4B描绘第一光学薄膜单元402a的横截面侧视图，但应当理解其他光学薄膜单元402b-d在结构上将是基本上类似的。还应理解，尽管在图4A中仅描绘四个光学薄膜单元402a-d，但多层膜堆叠装置300可被切片成多于或少于四个光学薄膜单元402a-d，而不脱离本公开的范围。光学薄膜单元的数目将主要取决于基底106的尺寸，以及所得的光学处理元件的期望尺寸。
再次参考图2，一旦光学薄膜单元被成功切片或从多层膜堆叠装置另外再分，随后就可使来自每个光学薄膜单元的基底分裂，如在208处，以及如以上大体描述的。使光学薄膜单元在基底处分裂将导致具有剩余在其上的一部分基底的对应光学薄膜堆叠。
方法200随后可包括将基底的剩余部分从光学薄膜堆叠移除，如在212处，从而导致可被用作ICE核心的对应光学薄膜堆叠，如以上大体描述的。应当指出的是，将基底从光学薄膜堆叠“移除”也包括使基底厚度最小化，并且另外不将基底的任何剩余部分从光学薄膜整体移除。因此，术语“移除”和“最小化”在本文中可互换使用，但通常将在“移除”基底方面讨论。
基底可从光学薄膜堆叠化学移除或机械移除。在化学移除基底时，可通过使基底经受低温氧化来移除基底层。在其他实施方案中，可通过使基底经受升高温度氧化来移除基底层，诸如将基底暴露到氧气(O2)或臭氧(O3)并从而燃烧基底。在又一些实施方案中，可通过将光学薄膜堆叠放置在溶剂浴中并且允许溶剂与基底反应以及另外蚀刻或溶解基底来移除基底。可通过在减压下处理基底来控制污染。
在机械移除基底时，可使用针对基底切向施加的剪切力来依序移除基底层。在其他实施方案中，尤其在石墨的情况下，常规粘合带可用于依序地或系统性地移除石墨的原子层(即石墨烯层)，直到剩下基底的期望厚度或基底完全从第一层移除。在又一些实施方案中，光学薄膜可以是柔韧或可弯曲的，以使得当光学薄膜堆叠通过施加在堆叠的相对侧面上的机械力稍微弯曲时，基底能够“弹出”第一层或另外从光学薄膜堆叠强制移除。此类例如可以是当基底材料为云母的情况。
应当指出的是，可在使基底分裂之前移除基底(或代替基底分裂)。因此，在至少一个实施方案中，方法200的步骤210和212可以颠倒，而不脱离本公开的范围。在此类情况下，移除基底的化学方法或机械方法也可导致使基底分裂，如在208处，以使得产生对应光学薄膜堆叠。
在一些实施方案中，方法200可还包括将ICE核心置于目标表面上，如在214处。更具体地，由使多层膜堆叠装置分裂和/或再分导致的ICE核心可附加到或另外附着到次级光学元件，否则所述次级光学元件将不能从ALD过程(或其他薄膜沉积过程)保存下来或不能放置在ALD反应室中。次级光学元件可以是可在本文所述的光学计算装置中使用的任何光学元件、装置、机构或部件，并且ICE核心可与其一起操作以便确定样本物质的感兴趣分析物。例如，次级光学元件可以是但不限于，滤光轮的扇区、带通滤波器、透镜、光纤表面、采样窗口、蓝宝石光学元件、非平面光学元件(例如，灯、灯泡或其他电磁辐射源的表面)以及检测器。
在一些实施方案中，ICE核心可手动置于次级光学元件上。这可手动实现或通过工具或装置(诸如，钳子、镊子等)的帮助实现。在基底是石墨并且石墨基底的至少一部分剩余在给定ICE核心上的实施方案中，磁性镊子可用于操纵给定ICE核心的位置。如在本领域中已知的，石墨是通常产生与施加磁场相反的磁场的抗磁材料。因此，磁性镊子可用于捕获给定ICE核心并使其漂浮在镊子的相对磁体之间。随后可将给定ICE核心带入次级光学元件的目标表面并且适当地布置在其上。
粘合剂可用于将ICE核心固定到目标表面。在至少一个实施方案中，磁性镊子(或另一种磁体)可用于将磁性夹紧力或锁住力施加在ICE核心上抵靠目标表面，直到粘合剂适当地凝固。由磁体在ICE核心的石墨部分上产生的磁性排斥力可用于维持ICE核心牢固坐落在目标表面上。合适的粘合剂包括任何光学透明的粘合剂，或表现出非常少到没有的光谱特点的任何粘合剂。然而在一些实施方案中，粘合剂也可被施加围绕ICE核心的周边(如与其中心位置相对)，以使得穿过ICE核心和次级光学元件的光不受粘合剂的不利影响。一旦粘合剂变干，就可将磁性夹紧力从ICE核心移除，并且如果需要，基底的剩余部分也被化学蚀刻或另外从光学薄膜层移除。
在其他实施方案中，可使用已知的烧结、焊接或粘接技术将ICE核心粘接或另外附接到次级光学元件的目标表面处。此类粘接技术可包括但不限于：低温玻璃料粘接、玻璃焊接、密封玻璃粘接、压力粘接和晶片粘接。在此类实施方案中，ICE核心的边缘可烧结到目标表面。在目标表面由低温融化玻璃或塑料制成的实施方案中，目标表面可部分融化以便将ICE核心牢固地粘接到次级光学元件。
在又一些实施方案中，基底在ICE核心上的剩余部分可被化学蚀刻或另外反应，以便形成对次级光学元件的适当粘合。更具体地，在基底被化学蚀刻或反应时，磁铁或其他磁装置(即磁性镊子等)可用于将ICE核心推动或另外钉住而抵靠目标表面。在使基底与氧气(O2)或臭氧(O3)化学反应之后，例如，所得的燃烧过程可用于使次级光学元件的塑料或玻璃目标表面部分融化并从而将ICE核心粘接至其上。
将ICE核心置于目标表面上，如在214处，也可在溶液浴中实现。更具体地，在基底于溶剂浴中被化学移除的实施方案中，如在212处，ICE核心可在基底的溶解或蚀刻之后漂浮在溶剂浴中。在此类情况下，可操纵次级光学元件直到或另外在溶剂浴内以便使用表面张力来捕获给定的ICE核心。给定的ICE核心可接合次级光学元件的目标位置处，并且自身覆盖在其表面上。在其他实施方案中，次级光学元件可设置在溶剂浴内，并且溶剂可被排放以便允许ICE核心到达次级光学元件的目标位置处并覆盖在次级光学元件上。一旦溶剂变干，ICE核心就可形成次级光学元件的永久部分。然而在一些实施方案中，ICE核心可被烧结、焊接或粘接到目标表面，如以上大体描述的，而不脱离本公开的范围。
现参考图5，示出根据一个或多个实施方案的制造光学处理元件的另一个示例性方法500的示意性流程图。方法500可在一些方面中类似于图2的方法200，并且因此可参照其来最佳理解，其中来自方法200的类似元件或步骤以下不再详细描述。类似于图2的方法200，由遵照方法500产生的光学处理元件可基本上类似于图1的ICE核心100，并且另外在针对样本物质相关联的感兴趣分析物或特征来分析样本物质中是有用的。
根据方法500，如在502处，可首先提供光学处理元件的基底。同样，合适的基底可由在单个平面上可分裂的材料和/或可使用化学手段从光学处理元件移除的材料制成。合适的基底材料也包括能够承受通常与薄膜沉积过程和技术相关联的升高温度的材料。基底的合适材料包括但不限于云母、热解炭、石墨、石墨烯和表现出基本上类似的化学组成或原子结构的任何其他材料。
在一些实施方案中，方法500可包括准备基底表面，如在504处，以及类似于方法200的202。如以上讨论的，准备基底表面可包括化学或机械地减少基底厚度，直到实现基底的期望或预先确定的厚度。准备基底表面也可包括化学处理基底表面，以使得它变得更能经受或更能接受特定的薄膜沉积过程。
一旦适当或合适地准备基底表面，就可通过薄膜沉积过程将多个光学薄膜沉积在基底上，如在506处，并从而产生多层膜堆叠装置。在方在方法500的本实施方案中，薄膜沉积过程不限于ALD过程，而是包括本领域技术人员已知的任何化学薄膜沉积过程或物理薄膜沉积过程，其包括但不限于，电镀、化学溶液沉积、旋涂、化学气相沉积、等离子体增强化学气相沉积、物理气相沉积、溅射、脉冲激光沉积、阴极电弧沉积、电流体动力沉积(即电喷射沉积)和离子辅助电子束沉积。
使多个光学薄膜沉积在基底上可包括将基底引入到反应室中，并且将基底布置在反应室内的支撑结构上，以使得基底的一个表面暴露到反应室环境。在沉积过程期间，基底的暴露表面将具有依序(即连续地)沉积在其上的光学薄膜。如同方法200的实施方案，表现出任何期望厚度的任何数目的光学薄膜层都可沉积在基底上。此外，在至少一个实施方案中，沉积在基底上的初始层或第一层可由诸如氧化铝(Al2O3)或二氧化钛(TiO2)的金属氧化物材料制成，以便产生对基底的合适附着，并从而保护沉积的光学薄膜免于从基底不慎移除。第一光学薄膜层和/或最终光学薄膜层也可沉积到通常大于插入的光学薄膜层的厚度，并从而产生更稳健的多层膜堆叠装置。
在光学薄膜层沉积在基底上并产生多层膜堆叠装置之后，如在506处，方法500可包括将基底从多层薄膜装置移除，如在508处，并从而提供可用作ICE核心的光学薄膜堆叠，如以上大体描述。同样，应当指出的是，将基底从光学薄膜堆叠“移除”也包括使基底厚度最小化，并且另外不将基底的任何剩余部分从光学薄膜整体移除。因此，术语“移除”在本文中用于指示最小化基底或将其完全从光学薄膜移除。
如同方法200的实施方案，基底可从光学薄膜堆叠化学移除或机械移除。在化学移除基底时，可通过使基底经受低温氧化、将基底暴露到氧气(O2)或臭氧(O3)和/或将光学薄膜堆叠放置在溶剂浴中并允许溶剂蚀刻或溶解基底，来移除基底层。在化在机械移除基底时，可使用针对基底切向施加的剪切力来依序移除基底层或，如在石墨的情况下，常规粘合带可用于依序地移除石墨的原子层(即石墨烯层)，直到剩余基底的期望厚度(包括无厚度)。在又一些实施方案中，光学薄膜可以是柔韧的，以使得当光学薄膜堆叠弯曲时，基底能够“弹出”第一层或另外从光学薄膜堆叠强制移除。此类例如可以是当基底材料为云母的情况。
方法500可还包括将光学薄膜堆叠再分成多个更小的光学薄膜堆叠，如在510处，从而每个更小的光学薄膜堆叠可用作ICE核心。然而，如将理解的，可同样在将基底从多层膜堆叠装置移除之前执行光学薄膜堆叠的再分，如在508处，并从而产生具有剩余在其上的一部分基底的多个更小的光学薄膜堆叠。因此，在至少一个实施方案中，方法500的步骤508和510可以颠倒，而不脱离本公开的范围。
方法500可还包括将ICE核心置于目标表面上，如在512处。将ICE核心置于目标表面上可包括将ICE核心附接或另外附着到次级光学元件，否则所述次级光学元件将不能在薄膜沉积过程中保存下来，或否则将不能放置在薄膜反应室中。次级光学元件如上限定，因此将不再详细描述。
类似于图2中方法200的步骤214，ICE核心可手动置于次级光学元件上，诸如通过手或另外通过使用工具或装置。ICE核心也可在漂浮于溶剂浴中时置于目标表面上，诸如通过在ICE核心漂浮于溶剂浴中时使用表面张力来捕获给定ICE核心，或将流体从溶剂浴排放，以使得给定的ICE核心到达次级光学元件的目标表面处并自身覆盖在次级光学元件上。一旦溶剂变干，ICE核心就可附接到次级光学元件。然而在其他实施方案中，可使用已知的烧结、焊接或粘接技术将ICE核心粘接或另外附接到次级光学元件的目标表面处。
在一些实施方案中，粘合剂可用于将ICE核心固定到目标表面。粘合剂可以是光学透明的或另外被施加围绕ICE核心的周边(如与其中心位置相对)，以使得穿过ICE核心和次级光学元件的光不受粘合剂的不利影响。一旦粘合剂变干，ICE核心就可有效地粘接到次级光学元件。在一些实施方案中，基底的剩余部分(如果有的话)随后可被化学蚀刻或另外从光学薄膜层移除。在其他实施方案中，可使用已知的烧结、焊接或粘接技术将ICE核心粘接或另外附接到次级光学元件的目标表面处。在又一些实施方案中，基底在ICE核心上的任何剩余部分可被化学蚀刻或另外反应，以便使下面的目标表面的部分或ICE核心融化并从而形成对次级光学元件的适当粘合。
现参考图6，示出根据一个或多个实施方案的用于监测样本物质602的示例性光学计算装置600。在所示的实施方案中，样本物质602可以包含在示例性流动路径604内或另外在其内流动。流动路径604可以是流线、管线、井筒、限定在井筒内的环孔或延伸到井筒/从井筒延伸的任何流线或管线。在流动路径604内存在的样本物质602可在由箭头A指示的总体方向(即从上游到下游)上流动。然而如将理解的，流动路径604可以是任何其他类型的流动路径，诸如泥坑(即用于钻井液等)或任何其他封闭容器或存储容器，并且在监测样本物质602时，样本物质602可不必须在方向A上流动。这样，流动路径604的部分可被布置成基本上垂直的、基本上水平的或在其间的任何方向配置，而不脱离本公开的范围。
光学计算装置600可被配置来确定样本物质602中的感兴趣特征或样本物质602内存在的组分。在一些实施方案中，装置600可包括被配置来发射或另外产生电磁辐射610的电磁辐射源608。电磁辐射源608可以是能够发射或产生电磁辐射的任何装置，诸如但不限于，灯泡、发光二极管(LED)、激光、黑体、光子晶体、X射线源、其组合等。在一些实施方案中，透镜612可被配置来收集或另外接收电磁辐射610，并且将电磁辐射610的射束614引导朝向样本物质602。在其他实施方案中，透镜612可从装置600省略，并且电磁辐射610可代替地直接从电磁辐射源608被引导朝向样本物质602。
在一个或多个实施方案中，装置600也可包括采样窗口616，所述采样窗口616为检测目的而被布置邻近样本物质602或另外与其接触。采样窗口616可由被配置来允许电磁辐射610透射通过的各种透明的、刚性或半刚性材料制成。在穿过采样窗口616之后，电磁辐射610冲击在样本物质602上并且与其(包括存在于样本物质602内的任何组分)光学相互作用。因此，由样本物质602产生光学相互作用的辐射618并且从其反射。然而本领域的技术人员将容易认识到，装置600的替代性变型可允许光学相互作用辐射618通过由样本物质602和/或从其透射、散射、衍射、吸收、发射或再辐射来产生，而不脱离本公开的范围。
通过与样本物质602相互作用而产生的光学相互作用辐射618可被引导到或另外由布置在装置600内的ICE核心620接收。ICE核心620可以是基本上类似于以上参考图1描述的并且分别使用图2的方法200和图5的方法500中的一种加工的ICE核心100的光谱部件，如以上所讨论的。因此，在操作中，ICE核心620可被配置来接收光学相互作用辐射618并产生对应于样本物质602的特定特征的修改电磁辐射622。具体地，修改电磁辐射622是已经与ICE核心620光学相互作用的电磁辐射，从而获得对应于样本物质602的特征的回归矢量的近似模拟。
尽管图6将ICE核心620描绘成从样本物质602接收反射电磁辐射，但ICE核心620可布置在沿装置600的光学链(optical train)的任何点处，而不脱离本公开的范围。例如，在一个或多个实施方案中，ICE核心620(如以虚线示出的)可在采样窗口616之前布置在光学链内并且同样获得基本上相同的结果。此外，在其他实施方案中，ICE核心620可代替透射穿过而通过反射产生修改电磁辐射622。
由ICE核心620产生的修改电磁辐射622随后可传送到检测器624用于信号的定量。检测器624可以是能够检测电磁辐射的任何装置，并且可以大体特征化为光学换能器。在一些实施方案中，检测器624可以是但不限于：热检测器(诸如热电堆或光声检测器)、半导体检测器、压电检测器、电荷耦合器件(CCD)检测器、视频或阵列检测器、分裂检测器、光子检测器(诸如光电倍增管)、光电二极管、其组合等或本领域技术人员已知的其他检测器。
在一些实施方案中，检测器624可被配置来实时或接近实时地产生以电压(或电流)形式的对应于样本物质602内特定感兴趣特征的输出信号626。由检测器624返回的电压本质上是光学相互作用辐射618与相应ICE核心620的光学相互作用的点乘积，其作为样本物质602的感兴趣特征的浓度的函数。这样，由检测器624产生的输出信号626和特征的浓度可以是相关的(例如，成正比)。然而在其他实施方案中，所述关系可以对应于多项式函数、指数函数、对数函数和/或其组合。
在一些实施方案中,装置600可包括第二检测器628，所述第二检测器628可类似于第一检测器624，由于其可以是能够检测电磁辐射的任何装置。第二检测器628可用于检测源于电磁辐射源608的辐射偏差。不期望的辐射偏差可能由于各种各样的原因而发生在电磁辐射610的强度中，并且潜在地造成对装置600的各种负面影响。这些负面影响对于在一个时间段内进行的测量可能是特别不利的。在一些实施方案中，辐射偏差可能由于膜或材料在采样窗口616上的积累而发生，这造成的影响是降低最终到达第一检测器624的光的数量和质量。在没有适当补偿的情况下，此类辐射偏差可能导致错误读数，并且输出信号626将不再与感兴趣特征主要相关或准确相关。
为补偿这些类型的不期望影响，第二检测器628可被配置来产生大体指示电磁辐射源608的辐射偏移的补偿信号630，并且从而归一化由第一检测器624产生的输出信号626。如图所示，第二检测器628可被配置来通过分束器632接收光学相互作用辐射618的一部分以便检测辐射偏差。然而在其他实施方案中，第二检测器628可被布置来从装置600内光学链的任何部分接收电磁辐射以便检测辐射偏差，而不脱离本公开的范围。
在一些应用中，输出信号626和补偿信号630可传送到或另外接受于与检测器624、628通信联接的单个处理器634。信号处理器634可以是包括处理器和具有存储在其上的指令的机器可读存储介质的计算机，所述指令在被处理器634执行时，致使光学计算装置600执行多个操作，诸如确定样本物质602的感兴趣特征。例如，可将通过光学计算装置600检测的每个特征的浓度馈送到由信号处理器634运行的算法中。算法可以是人工神经网络的一部分，所述人工神经网络被配置来使用每个检测特征的浓度，以便评估样本物质602的总体特征或质量。
信号处理器634也可被配置来将补偿信号630与输出信号626在计算上相结合，以便根据第二检测器628检测到的任何辐射偏差来归一化输出信号626。实时或接近实时地，信号处理器634可被配置来提供对应于样本物质602中感兴趣特征的浓度的所得输出信号636。
现参考图7，并继续参考图6，示出根据一个或多个实施方案的可采用图6的光学计算装置600的示例性井筒钻井总成700，所述光学计算装置600包括ICE核心620以便监测钻井操作。钻井总成700可包括钻井平台702，所述钻井平台702支撑具有用于升起和降低钻柱708的游动滑车706的井塔704。主动钻杆710在钻柱708通过旋转钻头714降低时支撑所述钻柱。钻头714附接到钻柱708的远侧端部，并且由井下电机和/或通过钻柱708的旋转从井表面驱动。当钻头714旋转时，其产生穿透各种地下地层718的井孔716。
泵720(例如，泥浆泵)使钻井液722经过进料管724循环并到达主动钻杆710，从而经过限定在钻柱708中的内部管道并且经过钻头714中的一个或多个孔口向井下输送钻井液722。钻井液722随后通过限定在钻柱708与井孔716的壁之间的环孔726循环返回地面。在地面处，再循环或用过的钻井液722离开环孔726，并且可通过互连流线传送到一个或多个固体控制设备728以及随后传送到储料坑730。随后可使钻井液722通过泵720再循环回到井下。
井底总成(BHA)732可在钻柱708中位于钻头714处或附近。BHA732可包括多种传感器模块中的任一种，其可包括地层评价传感器和定向传感器(诸如随钻测量工具和/或随钻测井工具)。BHA 732可还包括类似于图6的光学计算装置600的至少一个光学计算装置734。光学计算装置734可被配置来在钻井液722返回地面时监测环孔726内的钻井液722。光学计算装置734可包括基本上类似于以上描述的和分别使用图2的方法200和图5的方法500加工的ICE核心100、600的至少一个ICE核心(未示出)，如以上所讨论的。在一些实施方案中，钻井总成700可还包括另一个光学计算装置736，其可被布置来在钻井液722再循环或另外离开井孔716时监测钻井液722。光学计算装置734也可包括基本上类似于以上描述的和分别使用图2的方法200和图5的方法500加工的ICE核心100、600的至少一个ICE核心(未示出)，如以上所讨论的。
尽管光学计算装置734、736被描绘成结合钻井总成700使用，但应当理解光学计算装置734、736中的一个或两个可结合若干其他井下工具在获得各种井下测量值中使用。例如，光学计算装置734、736可结合但不限于，绳索应用的采样工具、与生产管件相关联的测量装置等，而不脱离本公开的范围。
本文所公开的实施方案包括：
A.一种方法，其包括：提供具有至少第一表面和与第一表面相对的第二表面的基底；通过薄膜沉积过程使多个光学薄膜沉积在基底的第一表面和第二表面上，并从而产生多层膜堆叠装置；使基底分裂以便产生至少两个光学薄膜堆叠；以及将至少两个光学薄膜堆叠中的一个或多个固定到次级光学元件用于作为集成计算元件(ICE)使用。
B.一种方法，其包括：提供基底；通过薄膜沉积过程使多个光学薄膜沉积在基底表面上，并从而产生光学薄膜堆叠；将基底的至少一部分从光学薄膜堆叠移除；以及将光学薄膜堆叠固定到次级光学元件用于作为集成计算元件(ICE)使用。
C.一种系统，其包括：井下工具，其在穿透地下地层的井筒内可延伸；以及光学计算装置，其布置在井下工具上并且被配置来监测井筒内的物质，所述光学计算装置包括至少一个集成计算元件(ICE)，所述集成计算元件(ICE)已经根据以下步骤来加工：提供具有至少第一表面和与第一表面基本上相对的第二表面的基底；通过薄膜沉积过程使多个光学薄膜沉积在基底的第一表面和第二表面上，并从而产生多层膜堆叠装置；以及使基底分裂以便产生至少两个光学薄膜堆叠，其中至少两个光学薄膜堆叠中的一个是至少一个ICE。
实施方案A、B和C中的每一个可能以任意组合具有下面另外要素中的一个或多个：要素1：其中所述基底是平面。要素2：其中所述基底是云母、热解炭、石墨和石墨烯中的至少一种。要素3：其中在使所述多个光学薄膜沉积在所述基底上之前，准备所述基底的所述第一表面和所述第二表面。要素4：其中准备所述基底的所述第一表面和所述第二表面包括化学或机械地减少所述基底的厚度。要素5：其中准备所述基底的所述第一表面和所述第二表面包括化学处理所述第一表面和所述第二表面中的至少一个，以使得它变得更易接受所述薄膜沉积过程。要素6：其中所述薄膜沉积过程是原子层沉积(ALD)过程，并且其中使所述多个光学薄膜沉积在所述基底的所述第一表面和所述第二表面上包括：将所述基底悬置在ALD反应室内；以及使所述多个光学薄膜层在所述基底的所述第一表面和所述第二表面上依序生长。要素7：其中所述多个光学薄膜层的第一光学薄膜层由金属氧化物制成。要素8：其还包括使所述第一光学薄膜层沉积到大于邻近光学薄膜层的厚度。要素9：其中在使所述基底分裂之前，将所述多层膜堆叠装置再分成多个光学薄膜单元。要素10：其中在将所述至少两个光学薄膜堆叠中的所述一个或多个固定到所述次级光学元件之前，将所述基底从所述至少两个光学薄膜堆叠中的所述一个或多个移除。要素11：其还包括通过使所述基底经受低温氧化、燃烧所述基底以及将所述基底溶解在溶剂浴中的至少一种，将所述基底从所述至少两个光学薄膜堆叠的所述一个或多个化学移除。要素12：其中将所述至少两个光学薄膜堆叠中的所述一个或多个固定到所述次级光学元件包括以下中的至少一种：使用粘合剂；烧结所述至少两个光学薄膜堆叠中的所述一个或多个的边缘；以及使所述次级光学元件的目标表面融化。要素13：其中将所述至少两个光学薄膜堆叠中的所述一个或多个固定到所述次级光学元件包括使所述至少两个光学薄膜堆叠中的所述一个或多个的所述基底发生化学反应，以及使所述次级光学元件的目标表面融化以便将所述至少两个光学薄膜堆叠中的所述一个或多个粘接到所述次级光学元件。
要素14：其中在使所述多个光学薄膜沉积在所述基底上之前，化学或机械地准备所述基底的所述表面。要素15：其中在将所述光学薄膜堆叠固定到所述次级光学元件之前，将所述光学薄膜堆叠再分成多个光学薄膜堆叠。要素16：其中在将所述基底的所述至少一部分从所述光学薄膜堆叠移除之前，将所述光学薄膜堆叠固定到所述次级光学元件。要素17：其还包括使所述基底发生化学反应，并从而使所述次级光学元件的目标表面融化以便将所述光学薄膜堆叠粘接到所述次级光学元件。要素18：其中将所述基底的所述部分从所述光学薄膜堆叠移除包括通过使所述基底经受低温氧化、燃烧所述基底以及将所述基底溶解在溶剂浴中的至少一种，将所述基底从所述光学薄膜堆叠化学移除。要素19：其中所述次级光学元件是选自由以下项组成的组的光学计算装置的部件：滤光轮的扇区、带通滤波器、透镜、光纤表面、采样窗口、蓝宝石光学元件、非平面光学元件和检测器。要素20：其中将所述光学薄膜堆叠固定到所述次级光学元件包括以下中的至少一种：使用粘合剂；烧结所述光学薄膜堆叠的边缘；以及使所述次级光学元件的目标表面融化。要素21：其中将所述光学薄膜堆叠固定到所述次级光学元件包括使所述光学薄膜堆叠的所述基底发生化学反应，并从而使所述次级光学元件的目标表面融化以便将所述光学薄膜堆叠粘接到所述次级光学元件。
要素22：其中所述至少一个ICE固定到所述光学计算装置的次级光学元件，并且其中所述次级光学元件是选自由以下项组成的组的部件：滤光轮的扇区、带通滤波器、透镜、光纤表面、采样窗口、蓝宝石光学元件、非平面光学元件和检测器。要素23：其中所述井下工具是选自由以下项组成的组的工具：井底总成、绳索应用的采样工具和与生产管件相关联的测量装置。
因此，所公开系统及方法良好适合于获得所提到的目标和优势以及本发明固有的那些目标和优势。以上公开的特定实施方案只是说明性的，因为本公开的教导内容可以对受益于本文教导内容的本领域技术人员显而易知的不同但等效的方式来修改和实践。此外，并不意图限制本文示出的构造或设计的细节，除了所附权利要求书中描述的。因此明显的是以上公开的特定例示性实施方案可被改变、结合、或修改，并且所有的此类变化被认为在本公开的范围内。本文说明性公开的系统和方法可以在缺少本文未特定公开的任何要素和/或本文所公开的任何任选要素的情况下得以适当实践。虽然组合物和方法在“包括”、“含有”或“包括”各种组分或步骤方面来描述，但是组合物和方法还可“基本上由各种组分和步骤组成”或“由各种组分和步骤组成”。上文所公开的所有数字和范围可变化某一量。每当公开具有下限和上限的数字范围时，就明确公开了落在范围内的任何数字和任何包括的范围。具体地说，本文公开的值的每个范围(形式为“约a至约b”，或等效地“大致a至b”，或等效地“大致a-b”)应理解为阐述涵盖在值的较宽范围内的每个数字和范围。另外，除非专利权人另外明确并清楚地定义，否则权利要求书中的术语具有其平常、普通的意思。此外，如权利要求书中所用的不定冠词“一个”或“一种”在本文中定义为意指引入的一个或多于一个元件。如果本说明书和可以引用方式并入本文的一个或多个专利或其它文件中存在词语或术语用法的任何矛盾，那么应采用与本说明书一致的定义。
如本文所使用的，在一系列项目之前的短语“至少一个”，以及用于分开这些项目中的任何一个的术语“和”或“或”修改列表作为整体，而不是所述列表中的每一个成员(即每个项目)。短语“至少一个”不需要至少一个项目的选择；相反，短语允许包括项目中任何一个的至少一个、和/或项目的任何组合的至少一个、和/或项目中每一个的至少一个的意义。以举例的方式，短语“A、B和C中的至少一个”或“A、B或C中的至少一个”各自指只有A、只有B、或只有C；A、B和C的任何组合；和/或A、B和C中的每一个的至少一个。

Claims (28)

1.一种制造集成计算元件的方法，其包括：
提供具有至少第一表面和与所述第一表面基本上相对的第二表面的基底；
通过薄膜沉积过程使多个光学薄膜沉积在所述基底的所述第一表面和所述第二表面上，并从而产生至少两个多层膜堆叠装置，该多层膜堆叠装置包含与第二光学薄膜堆叠呈镜像的第一光学薄膜堆叠；
使所述基底分裂以便产生至少两个光学薄膜堆叠；以及
将所述至少两个光学薄膜堆叠中的一个或多个固定到次级光学元件用于作为集成计算元件(ICE)使用。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述基底是平面的。
3.如权利要求2所述的方法，其中所述基底是云母、热解炭、石墨和石墨烯中的至少一种。
4.如权利要求1所述的方法，其中在使所述多个光学薄膜沉积在所述基底上之前，准备所述基底的所述第一表面和所述第二表面。
5.如权利要求4所述的方法，其中准备所述基底的所述第一表面和所述第二表面包括化学或机械地减少所述基底的厚度。
6.如权利要求4所述的方法，其中准备所述基底的所述第一表面和所述第二表面包括化学处理所述第一表面和所述第二表面中的至少一个，以使得它变得更易接受所述薄膜沉积过程。
7.如权利要求1所述的方法，其中所述薄膜沉积过程是原子层沉积(ALD)过程，并且其中使所述多个光学薄膜沉积在所述基底的所述第一表面和所述第二表面上包括：
将所述基底悬置在ALD反应室内；以及
使所述多个光学薄膜层在所述基底的所述第一表面和所述第二表面上依序生长。
8.如权利要求7所述的方法，其中所述多个光学薄膜层的第一光学薄膜层由金属氧化物制成。
9.如权利要求8所述的方法，其还包括使所述第一光学薄膜层沉积到大于邻近光学薄膜层的厚度。
10.如权利要求1所述的方法，其中在使所述基底分裂之前，将所述多层膜堆叠装置再分成多个光学薄膜单元。
11.如权利要求1所述的方法，其中在将所述至少两个光学薄膜堆叠中的所述一个或多个固定到所述次级光学元件之前，将所述基底从所述至少两个光学薄膜堆叠中的所述一个或多个移除。
12.如权利要求11所述的方法，其还包括通过使所述基底经受低温氧化、燃烧所述基底以及将所述基底溶解在溶剂浴中的至少一种，将所述基底从所述至少两个光学薄膜堆叠的所述一个或多个化学移除。
13.如权利要求1所述的方法，其中将所述至少两个光学薄膜堆叠中的所述一个或多个固定到所述次级光学元件包括以下中的至少一种：使用粘合剂；烧结所述至少两个光学薄膜堆叠中的所述一个或多个的边缘；以及使所述次级光学元件的目标表面融化。
14.如权利要求1所述的方法，其中将所述至少两个光学薄膜堆叠中的所述一个或多个固定到所述次级光学元件包括：
使所述至少两个光学薄膜堆叠中的所述一个或多个的所述基底发生化学反应；以及
使所述次级光学元件的目标表面融化以便将所述至少两个光学薄膜堆叠中的所述一个或多个粘接到所述次级光学元件。
15.一种制造集成计算元件的方法，其包括：
提供基底；
通过薄膜沉积过程使多个光学薄膜沉积在所述基底的第一表面和第二表面上，并从而产生至少两个光学薄膜堆叠，该光学薄膜堆叠包含与第二光学薄膜堆叠呈镜像的第一光学薄膜堆叠；
将所述基底的至少一部分从所述光学薄膜堆叠移除；以及
将所述光学薄膜堆叠固定到次级光学元件用于作为集成计算元件(ICE)使用。
16.如权利要求15所述的方法，其中所述基底是平面的。
17.如权利要求16所述的方法，其中所述基底是云母、热解炭、石墨和石墨烯中的至少一种。
18.如权利要求15所述的方法，其中在使所述多个光学薄膜沉积在所述基底上之前，化学或机械地准备所述基底的所述表面。
19.如权利要求15所述的方法，其中在将所述光学薄膜堆叠固定到所述次级光学元件之前，将所述光学薄膜堆叠再分成多个光学薄膜堆叠。
20.如权利要求15所述的方法，其中在将所述基底的所述至少一部分从所述光学薄膜堆叠移除之前，将所述光学薄膜堆叠固定到所述次级光学元件。
21.如权利要求20所述的方法，其还包括使所述基底发生化学反应，并从而使所述次级光学元件的目标表面融化以便将所述光学薄膜堆叠粘接到所述次级光学元件。
22.如权利要求15所述的方法，其中将所述基底的所述部分从所述光学薄膜堆叠移除包括通过使所述基底经受低温氧化、燃烧所述基底以及将所述基底溶解在溶剂浴中的至少一种，将所述基底从所述光学薄膜堆叠化学移除。
23.如权利要求15所述的方法，其中所述次级光学元件是选自由以下项组成的组的光学计算装置的部件：滤光轮的扇区、带通滤波器、透镜、光纤表面、采样窗口、蓝宝石光学元件、非平面光学元件和检测器。
24.如权利要求15所述的方法，其中将所述光学薄膜堆叠固定到所述次级光学元件包括以下中的至少一种：使用粘合剂；烧结所述光学薄膜堆叠的边缘；以及使所述次级光学元件的目标表面融化。
25.如权利要求15所述的方法，其中将所述光学薄膜堆叠固定到所述次级光学元件包括使所述光学薄膜堆叠的所述基底发生化学反应，并从而使所述次级光学元件的目标表面融化以便将所述光学薄膜堆叠粘接到所述次级光学元件。
26.一种光学计算系统，其包括：
井下工具，其在穿透地下地层的井筒内可延伸；以及
光学计算装置，其布置在所述井下工具上并且被配置来监测所述井筒内的物质，所述光学计算装置包括至少一个集成计算元件(ICE)，所述集成计算元件(ICE)已经根据以下步骤来加工：
提供具有至少第一表面和与所述第一表面基本上相对的第二表面的基底；
通过薄膜沉积过程使多个光学薄膜沉积在所述基底的所述第一表面和所述第二表面上，并从而产生至少两个多层膜堆叠装置，该多层膜堆叠装置包含与第二光学薄膜堆叠呈镜像的第一光学薄膜堆叠；以及
使所述基底分裂以便产生至少两个光学薄膜堆叠，其中所述至少两个光学薄膜堆叠中的一个是所述至少一个ICE。
27.如权利要求26所述的系统，其中所述至少一个ICE固定到所述光学计算装置的次级光学元件，并且其中所述次级光学元件是选自由以下项组成的组的部件：滤光轮的扇区、带通滤波器、透镜、光纤表面、采样窗口、蓝宝石光学元件、非平面光学元件和检测器。
28.如权利要求26所述的系统，其中所述井下工具是选自由以下项组成的组的工具：井底总成、绳索应用的采样工具和与生产管件相关联的测量装置。
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