DE112014006445T5

DE112014006445T5 - Wellenlängenabhängige Lichtintensitätsmodulation in multivarianten optischen Rechenvorrichtungen unter Verwendung von Polarisatoren

Info

Publication number: DE112014006445T5
Application number: DE112014006445.9T
Authority: DE
Inventors: James M. Price; David L. Perkins
Original assignee: Halliburton Energy Services Inc
Current assignee: Halliburton Energy Services Inc
Priority date: 2014-03-07
Filing date: 2014-03-07
Publication date: 2016-11-24
Also published as: MX2016008824A; CN105874165A; AU2014385273B2; CN105874165B; NO20161114A1; MX361549B; WO2015134036A1; GB201611864D0; US9599554B2; MY186130A; BR112016015649A2; AU2014385273A1; CA2935841C; US20160252449A1; CA2935841A1; GB2538417A

Abstract

Multivariate optische Berechnung unter Verwendung von Polarisatoren zum Modulieren der Intensität von Licht mit Probeninteraktion. Der bzw. die Polarisatoren, zusammen mit anderen Vorrichtungskomponenten, erzeugen ein spektroskopisches Intensitätsprofil, das den Regressionsvektor nachahmt, der der oder den interessierenden Probencharakteristik(en) entspricht.

Description

GEBIET DER OFFENBARUNG
Die vorliegende Offenbarung betrifft allgemein optische Sensoren und insbesondere multivariate optische Rechensysteme, wobei Polarisatoren verwendet werden, um die Intensität von Licht mit Probeninteraktion zu modulieren, um dadurch Probencharakteristiken zu bestimmen.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
In den letzten Jahren wurden optische Rechenvorrichtungen für chemische Messanwendungen entwickelt, darunter, ohne darauf beschränkt zu sein, solche in der Öl- und Gasindustrie in der Form optischer Sensoren an Untertage- oder Oberflächenausrüstung, um verschiedene Lagerstättenfluideigenschaften zu beurteilen. Allgemein ist eine optische Rechenvorrichtung eine Vorrichtung, die dazu konfiguriert ist, einen Eingang elektromagnetischer Strahlung von einer Probe zu empfangen und einen Ausgang elektromagnetischer Strahlung von einem Verarbeitungselement zu erzeugen, wobei die gemessene integrierte Intensität der elektromagnetischen Strahlung von dem Verarbeitungselement mit einer Komponente oder Komponenten in der Probe in Beziehung steht. Die optische Rechenvorrichtung kann beispielsweise ein integriertes Rechenelement („IRE”) sein. Eine Art eines IRE ist eine mehrlagige optische Interferenzvorrichtung mit optischer Dünnschicht, die auch als ein multivariates optisches Element („MOE”) bezeichnet wird.
Grundsätzlich nutzen optische Rechenvorrichtungen optische Elemente zum Durchführen von Berechnungen, anders als fest verdrahtete Schaltungen üblicher elektronischer Prozessoren. Wenn Licht von einer Lichtquelle mit einem Stoff interagiert, werden einzigartige physikalische und chemische Informationen zu dem Stoff in der elektromagnetischen Strahlung codiert, die von der Probe reflektiert, durchgelassen oder abgestrahlt wird. Somit kann die optische Rechenvorrichtung, beispielsweise durch Verwendung des IRE und eines oder mehrerer Detektoren, die Informationen von einer oder mehreren Charakteristiken/Analyten in einem Stoff extrahieren und diese Informationen in ein detektierbares Ausgangssignal umwandeln, das die Gesamteigenschaften einer Probe widerspiegelt. Zu diesen Charakteristiken kann beispielsweise das Vorhandensein bestimmter Elemente, Zusammensetzungen, Fluidphasen usw. gehören, die in dem Stoff vorkommen.
Übliche IRE beinhalten Vielzahlen von optischen Dünnschichtlagen, die aus verschiedenen Materialien bestehen, deren komplexe Brechungsindizes und Größe (z. B. Dicke) zwischen den einzelnen Lagen variiert. Eine übliche IRE-Auslegung bezieht sich auf das Substrat, die Anzahl und die Dicke der jeweiligen Lagen des üblichen IRE, und die Brechungsindizes des Stoffs und der Lagen. Die Lagen können strategisch abgeschieden und abgemessen sein, so dass sie vorgegebene Anteile elektromagnetischer Strahlung auf unterschiedlichen Wellenlängen durchlassen, die dazu konfiguriert sind, einen Regressionsvektor, der einer bestimmten interessierenden physikalischen oder chemischen Charakteristik eines interessierenden Stoffs entspricht, im Wesentlichen nachzuahmen. Entsprechend weist eine übliche IRE-Auslegung eine Übertragungsfunktion auf, die in Bezug auf die Wellenlänge gewichtet wird. Auf diese Weise kann die Intensität des Ausgangslichts von dem IRE, das an den Detektor geleitet wird, mit der interessierenden physikalischen oder chemischen Charakteristik des Stoffs in Beziehung gesetzt werden.
Derzeit werden IRE-Auslegungen bewertet, indem ein IRE-Regressionsvektor auf einen einzelnen Satz von Kalibrierungsdaten (d. h. Spektraldatensatz) angewandt wird, um einen Leistungsfaktor zu beurteilen, beispielsweise, aber nicht beschränkt auf, einen Standardkalibrierungsfehler („SKF”). Dieser Vorgang wird an einem Satz von Spektraldaten durchgeführt, der ein einzelnes chemisches System beschreibt, das eine oder mehrere Komponenten enthält: seine Zielcharakteristik und die übrigen Komponenten (einschließlich spektraler Interferenten), die normalerweise als die Matrix bezeichnet werden. Eine Untergruppe des chemischen Systems kann zu Überprüfungszwecken verwendet werden, um den Leistungsfaktor, beispielsweise den Standardvorhersagefehler, zu berechnen; und stellt dasselbe chemische System wie der Kalibrierungssatz dar. Ein veranschaulichendes IRE kann als eine Reihe von alternierenden Lagen aus Materialien mit hohem und niedrigem Brechungsindex mit zugehöriger Dicke konstruiert sein, die auf einem optischen Substrat abgeschieden sind. Eine solche Vorrichtung weist eine optische Übertragungsfunktion (T) auf, die durch Bewerten eines Leistungsfaktors (z. B. SKF) und unter Verwendung einer Minimierungsfunktion gestaltet wird, um die Schichtdicke anzupassen, um ein IRE mit einem optimalen Leistungsfaktor (z. B. niedriger SKF) zu gestalten, der damit so prädiktiv wie möglich ist. Auf diese Weise können Auslegung und Herstellung von mehrschichtigen Dünnschicht-IRE sehr zeitaufwändig und kostspielig sein.
Entsprechend besteht im Stand der Technik ein Bedarf an einem kosteneffektiveren Ansatz für multivariate optische Berechnung.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 stellt ein Bohrlochsystem mit darin eingesetzten optischen Rechenvorrichtungen zur Detektion von Probencharakteristiken gemäß bestimmten veranschaulichenden Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung dar;
2 ist ein Blockdiagramm der optischen Rechenvorrichtung, die zwei Polarisatoren verwendet, gemäß bestimmten veranschaulichenden Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung;
3 stellt ein Blockdiagramm einer weiteren optischen Rechenvorrichtung dar, die einen abstimmbaren Laser und Polarisator verwendet, gemäß bestimmten veranschaulichenden Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung; und
4 stellt ein Blockdiagramm einer weiteren optischen Rechenvorrichtung dar, die Polarisatoranordnungen verwendet, gemäß bestimmten veranschaulichenden Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung.
BESCHREIBUNG VON VERANSCHAULICHENDEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Veranschaulichende Ausführungsformen und zugehörige Verfahrensweisen der vorliegenden Offenbarung werden unten so beschrieben, wie sie in einer optischen Rechenvorrichtung verwendet werden könnten, wobei im Gegensatz zum üblichen IRE Polarisatoren verwendet werden, um die Intensität von Licht mit Probeninteraktion zu modulieren und dadurch eine oder mehrere Probencharakteristiken zu bestimmen. Im Interesse der Klarheit werden nicht alle Merkmale einer tatsächlichen Implementierung oder Verfahrensweise in dieser Beschreibung beschrieben. Natürlich versteht es sich, dass bei der Entwicklung derartiger tatsächlicher Ausführungsformen zahlreiche implementationsspezifische Entscheidungen getroffen werden müssen, um die spezifischen Ziele der Entwickler zu erfüllen, etwa die Einhaltung systembezogener Einschränkungen, die je nach Implementierung unterschiedlich sind. Darüber hinaus versteht es sich, dass derartige Entwicklungsbestrebungen zwar komplex und zeitaufwändig sein können, jedoch trotzdem für einschlägige Durchschnittsfachleute mit dem Vorteil dieser Offenbarung ein routinemäßiges Unterfangen darstellen. Weitere Aspekte und Vorteile der verschiedenen Ausführungsformen und verwandten Verfahrensweisen der Offenbarung werden durch Lektüre der nachfolgenden Beschreibung und Betrachtung der Zeichnungen deutlich werden.
Veranschaulichende Ausführungsformen und zugehörige Verfahren der vorliegenden Offenbarung betreffen eine intensitätsabhängige optische Rechenvorrichtung und ein Verfahren zum Durchführen multivariater optischer Berechnung unter Verwendung von Polarisatoren. Die hier gelehrten Ausführungsformen stellen einen alternativen Ansatz zur üblichen optischen Berechnung bereit, indem die mehrlagige Dünnschichtvorrichtung (z. B. IRE) mit einem oder mehreren Polarisatoren ersetzt wird, um das spektroskopische Intensitätsprofil zu erzeugen, das einen Regressionsvektor nachahmt, der die orthogonale(n) Komponente(n) gewichtet, die der oder den interessierenden Probencharakteristik(en) entsprechen. Während des Betriebs wird Licht mit Probeninteraktion, das eine gegebene Lichtintensität und Wellenlänge aufweist, durch einen oder mehrere Polarisatoren verarbeitet, die die Intensität des Lichts mit Probeninteraktion modulieren, um dadurch polarisiertes Licht zu erzeugen. Die Stufe der Intensitätsmodulation wird dazu ausgewählt, den Regressionsvektor nachzuahmen, der einer bestimmten interessierenden physikalischen oder chemischen Charakteristik entspricht, die in einer Probe vorliegt. Die Stufe der Intensitätsmodulation, und damit der Regressionsvektor, kann durch Verändern der Winkelausrichtung des oder der Polarisatoren geändert werden, um die Detektion mehrerer Probencharakteristiken zu ermöglichen. Schließlich wird das polarisierte Licht von einem Detektor aufgenommen, der ein Ausgangssignal erzeugt, das von einem Prozessor zum Bestimmen der Probencharakteristik(en) genutzt wird.
Im hier verwendeten Sinne bezeichnet der Begriff „Stoff”, „Probe” oder Abwandlungen davon wenigstens einen Teil eines interessierenden Stoffs oder Materials, der bzw. das mit der Hilfe der hier beschriebenen optischen Rechenvorrichtungen getestet oder beurteilt werden soll. Bei dem Stoff kann es sich um ein beliebiges Fluid handeln, das strömen kann, darunter partikelförmige Feststoffe, Flüssigkeiten, Gase (z. B. Luft, Stickstoff, Kohlendioxid, Argon, Helium, Methan, Ethan, Butan und andere Kohlenwasserstoffgase, Schwefelwasserstoff und Kombinationen davon), Schlicker, Emulsionen, Pulver (z. B. Zemente, Beton usw.), Bohrfluide (d. h. „Schlämme”), Gläser, Gemische, Kombinationen davon. Der Stoff kann, ohne darauf beschränkt zu sein, wässrige Fluide (z. B. Wasser, Salzlösungen usw.), nicht-wässrige Fluide (z. B. organische Verbindungen, Kohlenwasserstoffe, Öl, eine raffinierte Komponente von Öl, petrochemische Produkte und dergleichen), Säuren, Tenside, Biozide, Bleichmittel, Korrosionshemmer, Schaumbildner und Aufschäummittel, Aufbrechmittel, Adsorberharze, Stabilisatoren, Klärungsmittel, Reinigungsmittel, Behandlungsfluide, Frakturierungsfluide, Formationsfluide oder jedes, jede bzw. jeden beliebige(n) Ölfeldfluid, Chemikalie oder Stoff beinhalten, das, die bzw. der üblicherweise in der Öl- und Gasindustrie anzutreffen ist. Der Stoff kann auch Feststoffmaterialien wie etwa, ohne darauf beschränkt zu sein, Felsformationen, Beton, massive Bohrlochflächen, Rohre oder Flussleitungen und massive Flächen eines beliebigen Bohrlochwerkzeugs oder Geschosses (z. B. Kugeln, Pfeile, Stopfen usw.) bezeichnen.
Im hier verwendeten Sinne bezeichnet der Begriff „Charakteristik” oder „interessierende Charakteristik” eine chemische, mechanische oder physikalische Eigenschaft eines Stoffs oder einer Probe des Stoffs. Die Charakteristik des Stoffs kann einen quantitativen oder qualitativen Wert von einem oder mehreren chemischen Bestandteilen oder einer oder mehreren chemischen Verbindungen beinhalten, die darin vorkommen, oder eine beliebige andere zugehörige physikalische Eigenschaft. Diese chemischen Bestandteile und Verbindungen können hier als „Analyte” bezeichnet werden. Veranschaulichende Charakteristiken eines Stoffs, die mit der Hilfe der hier beschriebenen optischen Verarbeitungselemente analysiert werden können, können beispielsweise chemische Zusammensetzung (z. B. Identität und Konzentration insgesamt oder von einzelnen Komponenten), Anteile von Verbindungen in der Probe, Phasenpräsenz (z. B. Gas, Öl, Wasser usw.), Gehalt an Verunreinigungen, pH, Alkalinität, Viskosität, Dichte, Ionenstärke, Gesamtmenge gelöster Feststoffe, Salzgehalt (z. B. Salinität), Porosität, Transparenz, Bakteriengehalt, Gesamthärte, Durchlässigkeit, Materiezustand (Feststoff, Flüssigkeit, Gas, Emulsion, Gemische davon usw.) und dergleichen beinhalten.
Im hier verwendeten Sinne bezeichnet der Begriff „elektromagnetische Strahlung” Hochfrequenzwellen, Terahertz, Mikrowellenstrahlung, Infrarot- und Nahinfrarotstrahlung, sichtbares Licht, Fluoreszenzlicht, Ultraviolettlicht, Röntgenstrahlung und Gammastrahlung.
Im hier verwendeten Sinne bezeichnet der Ausdruck „optisch interagieren” oder seine Abwandlungen das Reflektieren, Durchlassen, Streuen, Brechen oder Absorbieren von elektromagnetischer Strahlung an, durch ein optisches Verarbeitungselement oder von einem optischen Verarbeitungselement/(z. B. einem IRE) oder einen/einem Stoff, der mit der optischen Rechenvorrichtung analysiert wird. Entsprechend bezeichnet Licht mit optischer Interaktion elektromagnetische Strahlung, die beispielsweise mithilfe eines optischen Verarbeitungselements reflektiert, durchgelassen, gestreut, gebrochen oder absorbiert, abgegeben oder erneut abgestrahlt wurde, kann sich jedoch auch auf optische Interaktion mit einem Stoff beziehen.
Im hier verwendeten Sinne bezeichnet der Begriff „optische Rechenvorrichtung” eine optische Vorrichtung, die dazu konfiguriert ist, eine Eingabe elektromagnetischer Strahlung im Zusammenhang mit einem Stoff zu empfangen und eine Ausgabe elektromagnetischer Strahlung von einem optischen Verarbeitungselement zu erzeugen, das in der optischen Rechenvorrichtung angeordnet oder ihr in anderer Weise zugeordnet ist. Das optische Verarbeitungselement kann beispielsweise ein IRE sein. Die elektromagnetische Strahlung, die optisch mit dem optischen Verarbeitungselement interagiert, wird derart geändert, dass sie von einem Detektor lesbar ist, derart, dass eine Ausgabe des Detektors mit einer bestimmten Charakteristik des analysierten Stoffes korreliert werden kann. Der Ausgang elektromagnetischer Strahlung des Verarbeitungselements kann reflektierte, durchgelassene und/oder gestreute elektromagnetische Strahlung sein. Ob der Detektor reflektierte, durchgelassene oder gestreute elektromagnetische Strahlung analysiert, kann von den Strukturparametern der optischen Rechenvorrichtung sowie anderen Aspekten bestimmt werden, die einschlägigen Fachleuten bekannt sind.
Im hier verwendeten Sinne bezeichnen die Begriffe „modulieren” und Abwandlungen davon das Ändern einer Lichtintensität in eine andere.
Obwohl die hier beschriebenen optischen Rechenvorrichtungen in verschiedenen Umgebungen verwendet werden können, konzentriert sich die nachfolgende Beschreibung auf Untertagebohrlochanwendungen (z. B. ein Untertagelagerstättenabfragesystem). 1 stellt eine Vielzahl von optischen Rechenvorrichtungen 22 dar, die an einem Arbeitsstrang 21 angeordnet sind, der sich an einem Untertagebohrlochsystem 10 entlang erstreckt, gemäß bestimmten veranschaulichenden Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung. Bei dem Arbeitsstrang 21 kann es sich beispielsweise um eine Wireline-Baugruppe, eine Logging-while-Drilling(Vermessung während des Bohrens)-Baugruppe, Measuring-while-Drilling(Messung während des Bohrens)-Baugruppe, einen Förderstrang oder eine andere Bohrbaugruppe handeln. Das Bohrlochsystem 10 umfasst ein vertikales Bohrloch 12, das sich herab in eine Kohlenwasserstofflagerstätte 14 erstreckt (obwohl nicht dargestellt, kann das Bohrloch 12 auch einen oder mehrere seitliche Abschnitte umfassen). Die Bohrlochausrüstung 20 ist an der Oberfläche des vertikalen Bohrlochs 12 angeordnet, wie es im Stand der Technik bekannt ist. Bei der Bohrlochausrüstung kann es sich beispielsweise um einen Blowout-Preventer, einen Bohrturm, eine schwimmende Plattform usw. handeln. Wie im Stand der Technik bekannt, werden nach dem Bilden des vertikalen Bohrlochs 12 Rohrelemente 16 (beispielsweise Futterrohr) sich darin erstreckend angeordnet, um das Bohrloch 12 zu komplettieren.
Eine oder mehrere optische Rechenvorrichtungen 22 können an einer beliebigen gewünschten Position entlang dem Bohrloch 12 angeordnet sein. In bestimmten Ausführungsformen sind die optischen Rechenvorrichtungen 22 an der Innen- oder Außenfläche des Untertagewerkzeugs 18 angeordnet (wie in 1 gezeigt), wobei es sich beispielsweise um Eingriffsausrüstung, Vermessungsausrüstung oder Komplettierungsausrüstung handeln kann, darunter Ventile, Packer, Siebe, Dome, Lehrdorne, zusätzlich zu Futterrohr oder Rohrelementen/Verbindungen, wie unten erwähnt. Alternativ können die optischen Rechenvorrichtungen 22 jedoch dauerhaft oder lösbar an den Rohrelementen 16 angebracht sein und in beliebigen Bereichen im Bohrloch 12 verteilt sein, in denen eine Erfassung/Überwachung von Probencharaktertstiken gewünscht wird. Optische Rechenvorrichtungen 22 können an eine externe Stromversorgung (etwa angeordnet an der Oberfläche, oder einen Stromgenerator, der untertage am Bohrloch angeordnet ist) gekoppelt sein, während in anderen Ausführungsformen jede optische Rechenvorrichtung 22 eine eingebaute Batterie umfasst. Darüber hinaus sind die optischen Rechenvorrichtungen 22 über eine Kommunikationsverbindung 26 kommunizierend an eine CPU-Station 24 gekoppelt, wie beispielsweise eine Wireline- oder andere geeignete Kommunikationsverbindung. Einschlägige Durchschnittsfachleute mit dem Vorteil dieser Offenbarung werden ohne Weiteres verstehen, dass die Anzahl und Position der optischen Rechenvorrichtungen 22 wie gewünscht verändert werden können.
Die optischen Rechenvorrichtungen 22 umfassen ein IRE, das optisch mit einer interessierenden Probe (beispielsweise Bohrlochfluid, Untertagewerkzeugkomponente, Rohrelement) interagiert, um die Probencharakteristik zu bestimmen. Genauer handelt es sich in Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung bei dem verwendeten IRE um einen oder mehrere Polarisatoren. Veranschaulichende Charakteristiken beinhalten das Vorhandensein und die Menge spezifischer anorganischer Gase wie beispielsweise CO₂ und H₂S, Kohlenwasserstoffgase und -flüssigkeiten wie etwa Methan (C1), Ethan (C2), Propan (C3), Butan (C4) und Pentan (C5), Salzwasser, gelöste Ionen (beispielsweise Ba, Cl, Na, Fe oder Sr) oder verschiedene andere Charakteristiken (pH, Dichte und spezifische Dichte, Viskosität, Gesamtmenge der gelösten Feststoffe, Sandgehalt, Gas-Öl-Verhältnis (GÖV), Phase usw.). In bestimmten Ausführungsformen kann eine einzelne optische Rechenvorrichtung 22 eine einzelne Charakteristik erfassen, während in anderen eine einzelne optische Rechenvorrichtung 22 mehrere Charakteristiken erfassen kann, wie einschlägige Durchschnittsfachleute mit dem Vorteil dieser Offenbarung verstehen werden.
Die CPU-Station 24 umfasst einen Signalprozessor (nicht dargestellt), ein Kommunikationsmodul (nicht dargestellt) und andere Schaltungen, die zum Erfüllen der Aufgaben der vorliegenden Offenbarung nötig sind, wie einschlägige Durchschnittsfachleute mit dem Vorteil dieser Offenbarung verstehen werden. Außerdem versteht es sich, dass die Softwareanweisungen, die zum Erfüllen der Aufgaben der vorliegenden Offenbarung nötig sind, in einem Speicher in der CPU-Station 24 gespeichert sein oder von einer CD-ROM oder einem anderen geeigneten Speichermedium über drahtgebundene oder drahtlose Verfahren in den Speicher geladen werden können. Die Kommunikationsverbindung 26 stellt ein Kommunikationsmedium zwischen der CPU-Station 24 und den optischen Rechenvorrichtungen 22 bereit. Die Kommunikationsverbindung 26 kann eine drahtgebundene Verbindung wie beispielsweise eine Wireline oder ein Faseroptikkabel sein, die bzw. das sich in das vertikale Bohrloch 12 erstreckt. Alternativ kann die Kommunikationsverbindung 26 jedoch eine drahtlose Verbindung sein, wie beispielsweise eine elektromagnetische Vorrichtung mit geeigneter Frequenz, oder andere Verfahrenen, darunter akustische Kommunikations- und ähnliche Vorrichtungen.
In bestimmten veranschaulichenden Ausführungsformen steuert die CPU-Station 24 über ihren Signalprozessor den Betrieb der einzelnen optischen Rechenvorrichtungen 22. Neben Messvorgängen kann die CPU-Station 24 auch die Aktivierung und Deaktivierung der optischen Rechenvorrichtungen 22 steuern. Die optischen Rechenvorrichtungen 22 beinhalten jeweils einen Sender und Empfänger (beispielsweise Sendeempfänger) (nicht dargestellt), der eine bidirektionale Kommunikation über die Kommunikationsverbindung 26 in Echtzeit ermöglicht. In bestimmten veranschaulichenden Ausführungsformen übertragen die optischen Rechenvorrichtungen 22 alle Probencharakteristikdaten oder einen Teil davon zur weiteren Analyse an die CPU-Station 24. In anderen Ausführungsformen wird dagegen eine solche Analyse vollständig von der jeweiligen optischen Rechenvorrichtung 22 übernommen, und die resultierenden Daten werden dann zur Speicherung oder anschließenden Analyse an die CPU-Station 24 übertragen. In beiden Ausführungsformen analysiert der Prozessor, der die Berechnungen übernimmt, die Charakteristikdaten und leitet mittels Zustandsgleichung („ZG”) oder anderen optischen Analysetechniken die von den übertragenen Daten angegebene Charakteristik her, wie einschlägige Durchschnittsfachleute mit dem Vorteil dieser Offenbarung ohne Weiteres verstehen werden.
2 ist ein Blockdiagramm der optischen Rechenvorrichtung 200, die zwei Polarisatoren verwendet, gemäß bestimmten veranschaulichenden Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung. Eine elektromagnetische Strahlungsquelle 208 kann dazu konfiguriert sein, elektromagnetische Strahlung 210 abzustrahlen oder in anderer Weise zu erzeugen. Wie im Stand der Technik bekannt, kann es sich bei der elektromagnetischen Strahlungsquelle 208 um eine beliebige Vorrichtung handeln, die elektromagnetische Strahlung mit einem Quellspektrum in einem bestimmten Wellenlängenbereich abstrahlen oder erzeugen kann. In einigen Implementierungen kann das Quellspektrum über den gesamten bestimmten Wellenlängenbereich oder einen Großteil davon eine Intensität von nicht null aufweisen. In einigen Implementierungen erstreckt sich das Quellspektrum durch die Spektralbereiche UV-Vis (0,2–0,8 μm) und Nah-IR (0,8–2,5 μm). Alternativ oder zusätzlich erstreckt sich das Quellspektrum durch einen IR-Spektralbereich (2,5–100 μm). In einigen Implementierungen ist die Lichtquelle 208 abstimmbar und ist in Kombination mit zeitlich aufgelöster Signalerfassung und -verarbeitung konfiguriert. Beispielsweise kann die elektromagnetische Strahlungsquelle 208 eine Glühbirne, eine Leuchtvorrichtung, ein Laser, ein Schwarzkörper, ein photonischer Kristall oder eine Röntgenquelle usw. sein.
Wie in 2 gezeigt, wird die elektromagnetische Strahlung 210 auf den Wellenlängenabtaster 213 gelenkt, um eine einzelne gewünschte Wellenlänge λ elektromagnetischer Strahlung 210 mit einer maximalen Intensität zu erzeugen. Bei dem Wellenlängenabtaster 213 kann es sich beispielsweise um einen Monochromator oder ein Gitter handeln. Anschließend interagiert die elektromagnetische Strahlung 210 optisch mit der Probe 206 (beispielsweise Bohrlochfluid, das durch die Bohrlöcher 12 strömt), um dadurch Licht mit Probeninteraktion 212 zu erzeugen. Nach dem Beleuchten mit elektromagnetischer Strahlung 210 erzeugt die Probe 206, die einen interessierenden Analyten (beispielsweise eine Charakteristik der Probe) enthält, eine Ausgabe elektromagnetischer Strahlung (Licht mit Probeninteraktion 212), die spektrale Informationen enthält, die den Probencharakteristiken entsprechen. Bei der Probe 206 kann es sich um ein beliebiges Fluid (Flüssigkeit oder Gas), einen Feststoff oder Material wie etwa Untertagefluide, Felsformationen, Schlicker, Sande, Schlämme, Bohrklein, Beton, andere massive Oberflächen usw. handeln. In dieser spezifischen Ausführungsform jedoch ist die Probe 206 ein mehrphasiges Bohrlochfluid (das beispielsweise Öl, Gas, Wasser, Feststoffe umfasst), das aus verschiedenen Fluidcharakteristiken wie beispielsweise C1-C4- und höheren Kohlenwasserstoffen, Gruppierungen dieser Elemente und Salzwasser besteht
Die Probe 206 kann an die optische Rechenvorrichtung 200 beispielsweise durch eine Leitung oder Probenzelle bereitgestellt werden, die die Probe 206 enthält, wodurch sie der elektromagnetischen Strahlung 210 ausgesetzt wird. Alternativ kann die optische Rechenvorrichtung 200 eine optische Konfiguration verwenden, die aus einem internen reflektierenden Element besteht, welches das vorbeiströmende Bohrlochfluid analysiert. Obwohl 2 zeigt, dass elektromagnetische Strahlung 210 durch die Probe 206 tritt oder darauf fällt, um Licht mit Probeninteraktion 212 zu erzeugen (d. h. Übertragungs- oder Fluoreszenzmodus), ist hier auch vorgesehen, dass die elektromagnetische Strahlung 210 von der Probe 206 reflektiert wird (d. h. Reflexionsmodus), wie etwa im Falle einer Probe 206, die durchscheinend, lichtundurchlässig oder massiv ist, wodurch gleichermaßen Licht mit Probeninteraktion 212 erzeugt wird.
Licht mit Probeninteraktion 212 interagiert dann optisch mit einem ersten Polarisator 205. Wie einschlägige Durchschnittsfachleute mit dem Vorteil dieser Offenbarung verstehen werden, ist ein Polarisator ein optisches Element, das abhängig von seinem Polarisationszustand nur eine bestimmten Lichtmenge durchlässt, während Licht mit anderen Polarisationen blockiert wird. Beispiele können einen oder mehrere Polarisatoren beinhalten, beispielsweise absorptive Polarisatoren, Strahlenteilungspolarisatoren, kreisförmige Polarisatoren oder fotoelastische Modulatoren. Nach der Interaktion mit dem ersten Polarisator 205 ist das Licht mit Probeninteraktion 212 daher polarisiert und erzeugt dadurch erstes polarisiertes Licht 211. Dabei lässt der erste Polarisator 205 nur eine bevorzugte elektrische Feldausrichtung durch, wodurch er eine jeweilige Ausrichtung (P, S oder zwischen P und S) und Phase definiert. Somit definiert der erste Polarisator 205 den Polarisationszustand (d. h. ersten Polarisationszustand) des Lichts mit Probeninteraktion 212. Wie im Folgenden erörtert wird, ist der erste Polarisator 205 über eine bidirektionale Verbindung A an die CPU-Station 24 (oder einen eingebauten Prozessor) gekoppelt, wodurch die CPU-Station 24 ein Signal an den ersten Polarisator 205 sendet, um dadurch den ersten Polarisationszustand mittels Verändern der Winkelausrichtung des Polarisators 205 zu definieren.
Das erste polarisierte Licht 211 wird dann an den zweiten Polarisator 215 geschickt, wo es optisch interagiert, um zweites polarisiertes Licht 217 zu erzeugen. Wie bei dem ersten Polarisator 205 lässt der zweite Polarisator 215 abhängig von seiner Polarisationseinstellung (d. h. Winkelausrichtung) nur eine definierte Lichtmenge durch. Dabei definiert der zweite Polarisator 215 einen zweiten Polarisationszustand des ersten polarisierten Lichts 211, um ein zweites polarisiertes Licht 217 zu erzeugen, oder der eine Änderung der Polarisation zwischen ersten und zweiten polarisierten Lichts 211, 217 darstellt. Diese Polarisationsänderung führt auch zu einer Änderung der Lichtintensität, wodurch sich eine Modulation der Lichtintensität des Lichts mit Probeninteraktion 212 ergibt. Die Änderung der Polarisation oder genauer des Winkels zwischen dem ersten und zweiten Polarisator 205, 215 wird derart ausgewählt, dass ihr kombiniertes wellenlängenabhängiges spektroskopisches Intensitätsprofil mit einem Regressionsvektor übereinstimmt, der wenigstens eine orthogonale Komponente des Lichts mit Probeninteraktion 212 gewichtet und dadurch das Intensitätsprofil erzeugt, das zum Bestimmen der interessierenden Probencharakteristik benötigt wird. Alternativ kann der erste Polarisator 205 in bestimmten Fällen jedoch ausreichen, um die gewünschte Intensität bereitzustellen, weshalb der zweite Polarisator 215 dieselbe Polarisation/Intensität beibehalten würde. In bestimmten Ausführungsformen kann das zweite polarisiertes Licht 217 daher eine Änderung der Polarisation zwischen dem ersten und zweiten polarisierten Licht 211, 217, darstellen, während das zweite polarisierte Licht 217 in anderen Ausführungsformen dieselbe Polarisation (und damit Intensität) wie das erste polarisierte Licht 211 aufweist.
Trotzdem wird das zweite polarisierte Licht 217 dann zur Analyse und Quantifizierung an den Detektor 216 geleitet. Dabei wandelt der Detektor 216 die Intensität des zweiten polarisierten Lichts 217 in ein elektronisches Signal 228 um, das von der CPU-Station 24 zum Bestimmen der interessierenden Probencharakteristik verwendet wird, wie einschlägige Durchschnittsfachleute mit dem Vorteil dieser Offenbarung verstehen werden.
Der Detektor 216 kann eine beliebige Vorrichtung sein, die elektromagnetische Strahlung erfassen kann, und kann allgemein als ein optischer Messwandler charakterisiert werden. Beispielsweise kann der Detektor 216, ohne darauf beschränkt zu sein, ein Wärmedetektor wie etwa eine Thermosäule oder ein fotoakustischer Detektor, ein Halbleiterdetektor, ein piezoelektrischer Detektor, ein Detektor mit ladungsgekoppelter Vorrichtung, ein Video- oder Array-Detektor, ein geteilter Detektor, ein Photonendetektor (etwa ein Fotoelektronenvervielfacher), Fotodioden und/oder Kombinationen davon oder dergleichen oder andere Detektoren sein, die einschlägigen Durchschnittsfachleuten bekannt sind. Der Detektor 216 ist ferner dazu konfiguriert, das Ausgangssignal 228 in Form einer Spannung oder eines Stroms zu erzeugen, die bzw. der der wellenlängenabhängigen Intensität des zweiten polarisierten Lichts 217 entspricht. In wenigstens einer Ausführungsform erzeugt der Detektor 216 ein wellenlängenabhängiges Ausgangssignal 228, das von der CPU 24 gespeichert und verarbeitet wird. Das verarbeitete Signal steht somit mit der Konzentration der Charakteristik der Probe 206 in Beziehung und kann direkt proportional sein. In anderen Ausführungsformen kann die Beziehung eine Polynomfunktion, eine Exponentialfunktion und/oder eine Logarithmusfunktion sein.
In bestimmten veranschaulichenden Ausführungsformen kann die Winkelausrichtung des ersten und zweiten Polarisators 205, 215 verändert werden, um dadurch den Pegel der Intensitätsmodulation zu ändern, wodurch die Erfassung mehrerer Probencharakteristiken ermöglicht wird. Um dies zu erreichen, können der erste und zweite Polarisator 205, 215 in Wirkbeziehung an eine Stellvorrichtung (nicht dargestellt) gekoppelt sein, um die Polarisatoren wie gewünscht zu drehen. Wie in 2 gezeigt, ist die CPU-Station 24 über Verbindungen A und B an die Polarisatoren 205, 215 (und ihre Stellvorrichtungen) gekoppelt, um auf diese Weise Daten zu empfangen, die den ersten und zweiten Polarisationszustand darstellen, und es der CPU-Station 24 zu ermöglichen, die Winkelausrichtung des ersten und zweiten Polarisators 205, 215 und damit die erfasste interessierende Probencharakteristik zu steuern. Außerdem ist die CPU-Station 24 über Verbindung C in Wirkbeziehung an den Wellenlängenabtaster 213 gekoppelt, um dadurch die Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung 210 zu steuern. Beispielsweise können die Wellenlänge und Intensität der elektromagnetischen Strahlung 210 von der CPU-Station 24 ausgewählt und über Verbindung C gesteuert werden, wodurch die Winkelausrichtungen der Polarisatoren 205, 215 entsprechend angepasst werden können, um das interessierende Wellenlängenspektrum zu umspannen. Auf diese Weise steuert die CPU-Station 24 den Winkel zwischen dem ersten und zweiten Polarisator 205, 215, um dadurch die Lichtintensität wie gewünscht für eine jeweilige Wellenlänge zu modulieren. Durch die Verbindungen A, B, C kann die CPU-Station 24 somit systematisch die optische Rechenvorrichtung 200 auf die gewünschte Wellenlänge und den gewünschten Polarisatorwinkel abstimmen, derart, dass die Intensität des zweiten polarisierten Lichts 217 den gewünschten Regressionsvektor nachahmt. Auf diese Weise hängt das Ausgangssignal 228 von der Wellenlänge des Lichts und dem Winkel des ersten und zweiten Polarisators 205, 215 ab. Die CPU-Station 24 analysiert dann die wellenlängenabhängige Intensität des Ausgangssignals 228, um die interessierenden Charakteristiken zu bestimmen.
Es folgt eine ausführlichere Beschreibung veranschaulichender Berechnungen, die von der CPU-Station 24 zum Bestimmen der Probencharakteristik verwendet werden. Wie zuvor beschrieben nutzen die veranschaulichenden Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung einen oder mehrere Polarisatoren und einen Wellenlängenabtaster, um den gewünschten Regressionsvektor nachzuahmen. Obwohl in 2 mit dem ersten und zweiten Polarisator 205, 215 nach der Probe 206 dargestellt, können alternative Ausführungsformen den ersten und zweiten Polarisator 205, 215 vor der Probe 206 anordnen, wie einschlägige Durchschnittsfachleute mit dem Vorteil dieser Offenbarung verstehen werden. Trotzdem hängt die Lichtmenge, die ein Polarisator durchlässt, von dem Polarisatorwinkel θ ab, d. h. dem Winkel zwischen dem Polarisationszustand des einfallenden Strahls und der Achse des Polarisators. Die Lichtintensität I kann somit dargestellt werden als: I = I₀Cos²θ Gl.(1).
Wenn beispielsweise der einfallende Strahl nicht polarisiert ist, ist die Durchlassintensität gleich ½ des einfallenden Lichts, da der Mittelwert von Cos²θ ½ ist; somit wird die Verwendung von zwei Polarisatoren in einer veranschaulichenden Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung genutzt.
Durch die oben beschriebenen Verbindungen A, B, kann die Winkelausrichtung des ersten und zweiten Polarisators 205, 215 geändert werden, derart, dass die Lichtintensität wie gewünscht moduliert wird. Der Wellenlängenabtaster 213 und der erste/zweite Polarisator 205, 215 sind über die Verbindungen A, B, C kommunizierend an die CPU-Station 24 (und aneinander) gekoppelt, derart, dass sich die CPU-Station 24 systematisch auf die jeweils gewünschte Wellenlänge und den gewünschten Polarisatorwinkel abstimmen kann. Auf diese Weise stimmt das kombinierte spektroskopische Intensitätsprofil der Polarisatoren 205, 215 mit dem gewünschten Regressionsvektor überein, der die orthogonale(n) Komponente(n) entsprechenden den interessierenden Probencharakteristiken für eine jeweilige Wellenlänge gewichtet.
Durch geeignetes Auswählen der Winkelausrichtungen des ersten und zweiten Polarisators 205, 215 kann die optische Rechenvorrichtung 200 dazu konfiguriert sein, vorgegebene Anteile von elektromagnetischer Strahlung auf verschiedenen Wellenlängen durchzulassen/zu reflektieren/zu brechen. Jede Wellenlänge erhält einen vorgegebenen Gewichtungs- oder Ladungsfaktor. Die Winkelausrichtungen und damit die spektroskopischen Intensitätsprofile der Polarisatoren können unter Verwendung verschiedener Näherungsverfahren aus dem Spektrum der interessierenden Charakteristik oder des interessierenden Analyten bestimmt werden. Diese Verfahren können inverse Fourier-Transformation („IFT”) des optischen Übertragungsspektrums und Konfigurieren der Polarisatorwinkeldifferenz als physikalische Darstellung der IFT beinhalten.
Die Gewichtungen, die die Polarisatoren auf jeder Wellenlänge anwenden, sind auf die Regressionsgewichtungen festgelegt, die in Bezug auf eine bekannte Gleichung oder Daten oder Spektralsignatur beschrieben werden. Wenn elektromagnetische Strahlung mit einem Stoff interagiert, können einzigartige physikalische und chemische Informationen zu dem Stoff in der elektromagnetischen Strahlung codiert werden, die von dem Stoff reflektiert, durchgelassen oder abgestrahlt wird. Diese Informationen werden oft als spektraler „Fingerabdruck” des Stoffs bezeichnet. Die Polarisatoren können dazu konfiguriert sein, das Punktprodukt der empfangenen elektromagnetischen Strahlung und die kombinierte wellenlängenabhängige Übertragungsfunktion der Polarisatoren durchzuführen. Die kombinierte wellenlängenabhängige Übertragungsfunktion (d. h. spektroskopisches Intensitätsprofil) der Polarisatoren hängt von der wellenlängenabhängigen Winkelausrichtung der Polarisatoren ab. Das kombinierte spektroskopische Intensitätsprofil ist somit zu einem gewünschten Regressionsvektor analog, der aus der Lösung eines multivariaten Analyseproblems abgeleitet wird, das auf eine spezifische Komponente des analysierten Stoffs abzielt. Auf diese Weise steht die wellenlängenabhängige Intensität des zweiten polarisierten Lichts 217 (z. B. direkt proportional) mit der Charakteristik oder dem interessierenden Analyten der Probe 206 in Beziehung.
Bezug nehmend auf Gleichung 1 oben soll zur weiteren Veranschaulichung der vorliegenden Offenbarung ein Polarisator als ein Filter betrachtet werden, der nur Licht mit einem bestimmten Polarisationszustand durchlässt, während Licht aller anderen Polarisationszustände unterdrückt wird. Wenn ein unpolarisiertes Licht (Licht mit einer zufälligen Verteilung aller Polarisationen) als elektromagnetische Strahlung 210 mit einer Intensität von 1 mW zugeführt wird und als Licht mit Probeninteraktion 212 durch den ersten Polarisator 205 geleitet wird, der auf die P-Polarisation festgelegt ist, wird nur das P-polarisierte Licht als das erste polarisierte Licht 211 durchgelassen, während alle Kombinationen von S und S/P unterdrückt werden; dies ergibt eine Intensität von 0,5 mW nach dem ersten Polarisator 205. Wenn die Winkelausrichtung des zweiten Polarisators 215 ebenfallsauf den P-Polarisationszustand festgelegt ist, wird das gesamte erste polarisierte Licht 211 durchgelassen, da es durch den ersten Polarisator 205 bereits P-polarisiert wurde. Wenn der zweite Polarisator 215 dagegen auf S-Polarisation festgelegt ist, wird kein Licht als zweites polarisiertes Licht 217 durchgelassen, da der erste Polarisator 205 das gesamte S-polarisierte Licht bereits unterdrückt hat. Angesichts dessen wird in den hier beschriebenen veranschaulichenden Ausführungsformen das vorstehende Beispiel verallgemeinert, indem der Winkel zwischen den zwei Polarisatoren angepasst wird, um die gewünschte Lichtintensität zu erhalten, die für eine jeweilige Wellenlänge benötigt wird.
Die Winkelausrichtungen des ersten und/oder zweiten Polarisators 205, 215 können auf unterschiedliche Weise geändert werden. Die vom ersten oder zweiten Polarisator 205, 215 durchgelassene Lichtmenge hängt von dem Winkel, d. h. der Ausrichtung relativ zum elektrischen Feldvektor ab, der von dem einfallenden Licht stammt. In bestimmten Ausführungsformen ist der Azimutwinkel des ersten Polarisators 205 festgelegt, während in anderen der Azimutwinkel des ersten Polarisators 205 rotieren kann. In solchen Ausführungsformen können der erste und zweite Polarisator 205, 215 in Wirkbeziehung an eine Stellvorrichtung (nicht dargestellt) gekoppelt sein, die die Polarisatoren in einen gewünschten Winkel dreht. Mechanische oder elektrische Rotationsmotoren können als die Stellvorrichtungen verwendet werden, zusätzlich zu einem Linearaktuator, der lineare Bewegung in Drehbewegung umwandelt.
Die Rotationswinkel können beispielsweise ein rein P-polarisiertes Licht, rein S-polarisiertes Licht oder ein zwischen P und S polarisiertes Licht ergeben. Alternativ kann sich die Stellvorrichtung kontinuierlich drehen, so dass kein definierter polarisierter Zustand erzeugt wird, sondern alle von ihnen im Zuge einer vollen Umdrehung; beispielsweise beginnend mit reinem P-, dann zwischen P und S, und dann reines S-polarisiertes Licht. In anderen Beispielen kann der erste Polarisator 205 in Wirkbeziehung an die Stellvorrichtung gekoppelt sein, während der zweite Polarisator 215 stationär ist. In anderen Beispielen kann der erste Polarisator 205 fest angeordnet sein, während der zweite Polarisator 215 an die Stellvorrichtung gekoppelt ist und sich somit dreht. Wie zuvor erwähnt, können die Winkelausrichtungen des ersten und zweiten Polarisators 205, 215 zusammen mit der analysierten Wellenlänge über die Verbindungen A, B, C an die CPU-Station 24 übermittelt werden, um auf diese Weise die interessierende Probencharakteristik zu bestimmen.
3 stellt ein Blockdiagramm einer weiteren optischen Rechenvorrichtung 300 dar, die einen abstimmbaren Laser und Polarisator verwendet, gemäß bestimmten veranschaulichenden Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung. Die optische Rechenvorrichtung 300 gleicht der optische Rechenvorrichtung 200, die unter Bezugnahme auf 2 beschrieben wurde, und lässt sich daher unter Bezugnahme auf dieses am besten nachvollziehen, wobei gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente bezeichnen. Im Gegensatz zu der optischen Rechenvorrichtung 200 beinhaltet die Vorrichtung 300 einen abstimmbaren Laser 308 und einen einzelnen Polarisator 305, um auf diese Weise polarisiertes Licht 311 zu erzeugen. Der abstimmbare Laser 308 strahlt elektromagnetische Strahlung 310 mit einer definierten Intensität, Wellenlänge und Polarisation (d. h. einem ersten Polarisationszustand) ab. Der abstimmbare Laser 308 dient also dazu, die Quelle 208, den Wellenlängenabtaster 213 und den ersten Polarisator 205 aus 2 zu ersetzen. Der Polarisator 305, der eine gewünschte Winkelausrichtung aufweist, ist dazu angeordnet, optisch mit der elektromagnetischen Strahlung 310 zu interagieren, um polarisiertes Licht 311 mit einem zweiten Polarisationszustand zu erzeugen, der sich von dem ersten polarisierten Zustand der elektromagnetischen Strahlung 310 unterscheidet. Das polarisierte Licht 311 interagiert dann optisch mit der Probe 206, um Licht mit Probeninteraktion 212 zu erzeugen. Das Licht mit Probeninteraktion 212 wird dann an den Detektor 216 geleitet, wodurch ein Ausgangssignal 228 erzeugt wird, dessen Lichtintensität einer gewünschten Probencharakteristik entspricht.
In dem Beispiel aus 3 ahmt das kombinierte spektroskopische Intensitätsprofil des abstimmbaren Lasers 308 und der Polarisator 305 einen Regressionsvektor nach, der wenigstens eine orthogonale Komponente des Lichts mit Probeninteraktion 212 gewichtet, die der interessierenden Probencharakteristik entspricht. Der abstimmbare Laser 308 und der Polarisator 305 sind jeweils über die Verbindung B bzw. A an die CPU-Station 24 gekoppelt, um dadurch eine systematische Abstimmung auf eine gewünschte Wellenlänge und Winkelausrichtung zu ermöglichen, die zum Nachahmen des Regressionsvektors nötig ist. Wie zuvor beschrieben, kann die Winkelausrichtung des Polarisators 305 verändert werden, um die Intensitätsmodulation zwischen dem ersten und zweiten Polarisationszustand zu beeinflussen, wodurch sich der zweite Polarisationszustand ergibt, der erfasst und zum Bestimmen der interessierenden Probencharakteristik verwendet wird.
Bei den in 2 und 3 beschriebenen Ausführungsformen gibt es wenigstens veranschaulichende Möglichkeiten, wie der Prozess zum Detektieren mehrerer Analyten/Charakteristiken implementiert werden kann. In einem ersten Verfahren ist der Prozess für eine einzelne Charakteristik der gleiche, wobei die Wellenlänge für einen jeweiligen Polarisationswinkel abgestimmt wird (über die Verbindungen A, B, C, wie beschrieben). Sobald diese Charakteristik gemessen wurde (d. h. das interessierende Spektrum vollständig durchlaufen wurde), beinhaltet das Verfahren das Zurückgehen und Abtasten der Wellenlänge/Polarisation für die nächste interessierende Charakteristik. In einem zweiten Verfahren kann die Wellenlänge festgelegt sein, und es kann ein anderer Polarisationswinkel für verschiedene interessierende Charakteristiken abgetastet werden. Jede dieser Intensitäten wird im Speicher der CPU 24 „gespeichert/zwischengespeichert”. Anschließend fährt die CPU 24 über die Verbindungen A, B, C mit der nächsten Wellenlänge fort und tastet den/die Polarisator(en) erneut ab, und so weiter. Schließlich werden die Intensitäten für jede Charakteristik im Detektor für jede „gespeicherte/zwischengespeicherte” Charakteristik integriert.
4 stellt ein Blockdiagramm einer weiteren optischen Rechenvorrichtung 400 dar, die Polarisatoranordnungen verwendet, gemäß bestimmten veranschaulichenden Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung. Die optische Rechenvorrichtung 400 gleicht in gewisser Hinsicht den optischen Rechenvorrichtungen 200 und 300, die unter Bezugnahme auf 2 und 3 beschrieben wurden, und lässt sich daher am besten unter Bezugnahme darauf nachvollziehen, wobei gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente bezeichnen. Im Gegensatz zu den optischen Rechenvorrichtungen 200 und 300 beinhaltet die Vorrichtung 400 eine Wellenlängenstreuelement 402, eine erste Polarisatoranordnung 405 und eine zweite Polarisatoranordnung 415, wodurch die Notwendigkeit des Wellenlängenabtasters oben beschriebener vorheriger Ausführungsformen entfällt. Das Wellenlängenstreuelement 402 kann beispielsweise ein Gitter oder Prisma sein.
Während des Betriebs erzeugt die elektromagnetische Strahlungsquelle 208 elektromagnetische Breitbandstrahlung 210, die optisch mit der Probe 206 interagiert, um Licht mit Probeninteraktion 212 zu erzeugen. Das Licht mit Probeninteraktion 212 interagiert optisch mit dem Wellenlängenstreuelement 402, um ein Breitbandwellenlängenspektrum aus gestreuten Licht mit Probeninteraktion 212D über der ersten Polarisatoranordnung 405 zu erzeugen. Das Licht mit Probeninteraktion 212D interagiert optisch mit der ersten Polarisatoranordnung 405, um gestreutes erstes polarisiertes Licht 411D zu erzeugen, das (wie zuvor beschrieben) einen ersten Polarisationszustand aufweist. Die zweite Polarisatoranordnung 415 ist dazu angeordnet, optisch mit dem gestreuten ersten polarisiertes Licht 411D zu interagieren, um gestreutes zweites polarisiertes Licht 417D zu erzeugen, das einen zweiten Polarisationszustand aufweist, wie zuvor beschrieben. Wie zuvor beschrieben, dienen die erste und zweite Polarisatoranordnung 405, 415 hier dazu, die Intensität des Lichts mit Probeninteraktion 212D zu modulieren. Trotzdem weist jeder Polarisator in der ersten Polarisatoranordnung 405 einen entsprechenden Polarisator in der zweiten Polarisatoranordnung 415 auf, wodurch eine Vielzahl von Paaren gebildet wird. Die zweite Polarisatoranordnung 415 beinhaltet eine Vielzahl von Polarisatoren, die für jede unterschiedliche Wellenlänge λ_i auf eine definierte Polarisation eingestellt sind, und umspannt so das gesamte Spektrum des Lichts mit Probeninteraktion 212D. Das gestreute zweite polarisierte Licht 417D interagiert optisch mit einer Linse 413, um das Licht wieder herab zum Detektor 216 zu fokussieren, wo die Intensität des fokussierten zweiten polarisierten Lichts 417F auf allen verschiedenen Wellenlängen integriert wird. Der Detektor 216 gibt dann ein Signal aus, das schließlich von der CPU 24 (z. B. Signalprozessor) benutzt wird, um eine oder mehrere Charakteristiken der Probe 206 in Echtzeit zu bestimmen.
In bestimmten Ausführungsformen umfasst jedes Paar Polarisatoren unterschiedliche Winkelausrichtungen. Beispielsweise kann jeder Polarisator in der ersten Polarisatoranordnung 405 eine festgelegte Polarisation (unterschiedliche oder gleiche Polarisationen) aufweisen, während jeder Polarisator in der zweiten Polarisatoranordnung 415 auf eine jeweilige Polarisation für jede unterschiedliche Wellenlänge eingestellt sein kann. Darüber hinaus können die Wellenlängenspektren und Winkelausrichtungen der ersten und zweiten Anordnung 405, 415 wie gewünscht von der CPU 24 über die Verbindungen A, B, C verändert werden. Auf diese Weise kann die optische Rechenvorrichtung 400 mehrere Charakteristiken erfassen.
Einschlägige Durchschnittsfachleute mit dem Vorteil dieser Offenbarung erkennen, dass die oben genannten optischen Rechenvorrichtungen veranschaulichend sind, und dass verschiedene andere optische Konfigurationen existieren, die benutzt werden können. Diese optischen Konfigurationen beinhalten nicht nur die hier beschriebenen Reflexions-, Absorption- oder Übertragungsverfahren ein, sondern können auch Streuen (beispielsweise Raleigh & Raman) sowie Emission (beispielsweise Fluoreszenz, Röntgenerregung usw.) beinhalten. Außerdem können die optischen Rechenvorrichtungen eine parallele Verarbeitungskonfiguration umfassen, wodurch das Licht mit Probeninteraktion in mehrere Strahlen geteilt wird. Die mehreren Strahlen können dann gleichzeitig durch entsprechende Polarisatoren treten, wodurch mehrere interessierende Charakteristiken gleichzeitig erkannt werden. Die parallele Verarbeitungskonfiguration ist besonders in Anwendungen nützlich, die besonders niedrige Leistung oder keine beweglichen Teile erfordern. Darüber hinaus können ein oder mehrere hier beschriebene Merkmale nach Wunsch kombiniert werden. Einschlägige Durchschnittsfachleute mit dem Vorteil dieser Offenbarung werden erkennen, dass die Wahl einer spezifischen optischen Konfiguration hauptsächlich von der spezifischen Anwendung und den interessierenden Charakteristiken abhängt.
Zusätzlich zu Untertage- oder Komplettierungsanwendungen können die hier beschriebenen optischen Rechenvorrichtungen in verschiedenen anderen Umgebungen benutzt werden. Zu diesen Umgebungen können beispielsweise so verschiedene wie etwa solche im Zusammenhang mit oberirdischer und Unterwasserüberwachung, Satelliten- oder Dronenüberwachung, Pipeline-Überwachung oder sogar Sensoren gehören, die einen Körperhohlraum, etwa einen Verdauungstrakt, passieren. In diesen Umgebungen können die optischen Rechenvorrichtungen dazu benutzt werden, Probencharakteristiken in Echtzeit zu erfassen.
Entsprechend stellen Ausführungsformen und zugehörige Verfahrensweisen der vorliegenden Offenbarung eine Anzahl von Vorteilen bereit. Erstens beseitigen die hier offenbarten Ausführungsformen die Notwendigkeit der Auslegung und Herstellung mehrlagiger Dünnschicht-IRE. Zweitens ermöglichen es die hier beschriebenen Ausführungsformen, mehrere interessierende Charakteristiken unter Verwendung eines einzelnen Systems zu analysieren, anstatt dass mehrere Dünnschicht-IRE vorliegen.
Die hier beschriebenen Ausführungsformen betreffen außerdem einen oder mehrere der folgenden Abschnitte:

1. Eine optische Rechenvorrichtung zum Bestimmen einer Charakteristik einer Probe, wobei die optische Rechenvorrichtung Folgendes umfasst: elektromagnetische Strahlung, die optisch mit einer Probe interagiert, um Licht mit Probeninteraktion zu erzeugen; einen ersten Polarisator, der dazu angeordnet ist, optisch mit dem Licht mit Probeninteraktion zu interagieren, um erstes polarisiertes Licht zu erzeugen; einen zweiten Polarisator, der dazu angeordnet ist, optisch mit dem ersten polarisiertem Licht zu interagieren, um zweites polarisiertes Licht zu erzeugen; und einen Detektor, der dazu angeordnet ist, das zweite polarisierte Licht zu messen und dadurch ein Signal zu erzeugen, das zum Bestimmen einer Charakteristik der Probe benutzt wird.
2. Eine optische Rechenvorrichtung nach Abschnitt 1, wobei ein kombiniertes spektroskopisches Intensitätsprofil des ersten und zweiten Polarisators wenigstens eine orthogonale Komponente des Lichts mit Probeninteraktion gewichtet, wobei die wenigstens eine orthogonale Komponente der Charakteristik der Probe entspricht.
3. Eine optische Rechenvorrichtung nach den Abschnitten 1 oder 2, ferner umfassend: eine Breitbandlichtquelle, die die elektromagnetische Strahlung erzeugt; und einen Wellenlängenabtaster, der dazu angeordnet ist, optisch mit der elektromagnetischen Strahlung zu interagieren, um dadurch eine gewünschte Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung zu erzeugen.
4. Eine optische Rechenvorrichtung nach einem der Abschnitte 1–3, wobei der erste und zweite Polarisator eine Stellvorrichtung umfassen, um dadurch eine Winkelausrichtung des ersten oder zweiten Polarisators zu verändern; und der Wellenlängenabtaster und der erste und zweite Polarisator kommunizierend aneinander gekoppelt sind, um eine systematische Abstimmung auf die gewünschte Wellenlänge und Winkelausrichtung zu erreichen und dadurch den Regressionsvektor nachzuahmen.
5. Eine optische Rechenvorrichtung nach einem der Abschnitte 1–4, wobei der erste und zweite Polarisator eine unterschiedliche Winkelausrichtung aufweisen.
6. Eine optische Rechenvorrichtung nach einem der Abschnitte 1–5, wobei die Winkelausrichtung des ersten Polarisators einen ersten Polarisationszustand des Lichts mit Probeninteraktion definiert; und die Winkelausrichtung des zweiten Polarisators einen zweiten Polarisationszustand des ersten polarisierten Lichts definiert, der eine Intensitätsmodulation zwischen dem ersten und zweiten Polarisationszustand darstellt, wobei die Intensitätsmodulation benutzt wird, um die Charakteristik der Probe zu bestimmen.
7. Eine optische Rechenvorrichtung nach einem der Abschnitte 1–6, wobei der erste und zweite Polarisationszustand ein beliebiges von einem rein P-polarisierten Licht, rein S-polarisierten Licht oder zwischen P und S polarisierten Licht sind.
8. Eine optische Rechenvorrichtung nach einem der Abschnitte 1–7, ferner umfassend eine Stellvorrichtung, die in Wirkbeziehung an wenigstens einen von dem ersten oder zweiten Polarisator gekoppelt ist, um dadurch eine Winkelausrichtung des ersten oder zweiten Polarisators zu verändern.
9. Eine optische Rechenvorrichtung nach einem der Abschnitte 1–8, wobei: der erste Polarisator in Wirkbeziehung an die Stellvorrichtung gekoppelt ist; und der zweite Polarisator stationär ist.
10. Eine optische Rechenvorrichtung nach einem der Abschnitte 1–9, wobei der erste Polarisator fest angeordnet ist; und der zweite Polarisator in Wirkbeziehung an die Stellvorrichtung gekoppelt ist.
11. Eine optische Rechenvorrichtung nach einem der Abschnitte 1–10, ferner umfassend ein Wellenlängenstreuelement, das dazu angeordnet ist, optisch mit dem Licht mit Probeninteraktion zu interagieren, um dadurch ein gestreutes Licht mit Probeninteraktion zu erzeugen, wobei der erste Polarisator eine erste Anordnung von Polarisatoren ist, die dazu angeordnet ist, optisch mit dem gestreuten Licht mit Probeninteraktion zu interagieren, um dadurch gestreutes erstes polarisiertes Licht zu erzeugen; und der zweite Polarisator eine zweite Anordnung von Polarisatoren ist, die dazu angeordnet ist, optisch mit dem gestreuten ersten polarisierten Licht zu interagieren, um dadurch gestreutes zweites polarisiertes Licht zu erzeugen, wobei jeder Polarisator in der zweiten Anordnung von Polarisatoren einen entsprechenden Polarisator in der ersten Anordnung von Polarisatoren aufweist, wodurch ein Paar gebildet wird.
12. Eine optische Rechenvorrichtung nach einem der Abschnitte 1–11, wobei jedes Paar eine unterschiedliche Winkelausrichtung umfasst.
13. Eine optische Rechenvorrichtung nach einem der Abschnitte 1–12, wobei: jeder Polarisator in der ersten Anordnung von Polarisatoren die gleiche Polarisation aufweist; und die Polarisatoren in der zweiten Anordnung von Polarisatoren unterschiedliche Polarisationen aufweisen, die ein Wellenlängenspektrum des Licht mit Probeninteraktion umspannen, um dadurch die Intensität des gestreuten ersten polarisierten Lichts zu modulieren.
14. Eine optische Rechenvorrichtung nach einem der Abschnitte 1–13, ferner umfassend eine Linse, die dazu angeordnet ist, optisch mit dem gestreuten zweiten polarisierten Licht zu interagieren, um dadurch das gestreute zweite polarisierte Licht zum Detektor zu fokussieren.
15. Eine optische Rechenvorrichtung nach einem der Abschnitte 1–14, ferner umfassend einen Signalprozessor, der kommunizierend an den Detektor gekoppelt ist, um die Charakteristik der Probe rechnerisch in Echtzeit zu bestimmen.
16. Eine optische Rechenvorrichtung nach einem der Abschnitte 1–15, wobei die optische Rechenvorrichtung einen Teil eines Untertagelagerstättenabfragesystems umfasst.
17. Ein optisches Rechenverfahren zum Bestimmen einer Charakteristik einer Probe, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: optisches Interagierenlassen elektromagnetischer Strahlung mit einer Probe, um Licht mit Probeninteraktion zu erzeugen; optisches Interagierenlassen des Lichts mit Probeninteraktion mit einem ersten Polarisator, um erstes polarisiertes Licht zu erzeugen; optisches Interagierenlassen des ersten polarisierten Lichts mit einem zweiten Polarisator, um zweites polarisiertes Licht zu erzeugen; Erzeugen eines Signals, das dem zweiten polarisiertes Licht entspricht, durch Benutzung eines Detektors; und Bestimmen einer Charakteristik der Probe unter Verwendung des Signals.
18. Ein optisches Rechenverfahren nach Abschnitt 17, wobei das Erzeugen des zweiten polarisierten Lichts Gewichten von wenigstens einer orthogonalen Komponente des Lichts mit Probeninteraktion unter Verwendung eines kombinierten spektroskopischen Intensitätsprofils des ersten und zweiten Polarisators umfasst, wobei die wenigstens eine orthogonale Komponente der Charakteristik der Probe entspricht.
19. Ein optisches Rechenverfahren nach den Abschnitten 17 oder 18, ferner umfassend optisches Interagierenlassen der elektromagnetischen Strahlung mit einem Wellenlängenabtaster, um dadurch eine gewünschte Wellenlänge der elektromagnetische Strahlung zu erzeugen, wobei die gewünschte Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung optisch mit der Probe interagiert, um das Licht mit Probeninteraktion zu erzeugen.
20. Ein optisches Rechenverfahren nach einem der Abschnitte 17–19, ferner umfassend Abstimmen auf die gewünschte Wellenlänge und Polarisatorwinkelausrichtungen, um dadurch die wenigstens eine orthogonale Komponente des Lichts mit Probeninteraktion zu gewichten.
21. Ein optisches Rechenverfahren nach einem der Abschnitte 17–20, ferner umfassend Anordnen des ersten und zweiten Polarisators in unterschiedlichen Winkelausrichtungen in Bezug aufeinander.
22. Ein optisches Rechenverfahren nach einem der Abschnitte 17–21, wobei: das optische Interagierenlassen des Lichts mit Probeninteraktion mit dem ersten Polarisator das Definieren eines ersten Polarisationszustand des Lichts mit Probeninteraktion umfasst; und das optische Interagierenlassen des ersten polarisierten Lichts mit dem zweiten Polarisator das Definieren eines zweiten Polarisationszustands des ersten polarisierten Lichts umfasst, der eine Intensitätsmodulation zwischen dem ersten und zweiten Polarisationszustand darstellt, wobei die Intensitätsmodulation genutzt wird, um die Charakteristik der Probe zu bestimmen.
23. Ein optisches Rechenverfahren nach einem der Abschnitte 17–22, ferner umfassend dynamisches Verändern einer Winkelausrichtung des ersten oder zweiten Polarisators.
24. Ein optisches Rechenverfahren nach einem der Abschnitte 17–23, ferner umfassend Drehen von wenigstens einem von dem ersten oder zweiten Polarisator in eine Winkelausrichtung; und Erzeugen von wenigstens einem von einem rein P-polarisierten Licht, rein S-polarisierten Licht oder einem zwischen P und S polarisierten Licht.
25. Ein optisches Rechenverfahren nach einem der Abschnitte 17–24, ferner umfassend Anpassen einer Winkelausrichtung des zweiten Polarisators, um dadurch eine Intensität des ersten polarisierten Lichts zu modulieren.
26. Ein optisches Rechenverfahren nach einem der Abschnitte 17–25, ferner umfassend optisches Interagierenlassen des Lichts mit Probeninteraktion mit einem Wellenlängenstreuelement, um dadurch ein gestreutes Licht mit Probeninteraktion zu erzeugen, wobei das optische Interagierenlassen des Lichts mit Probeninteraktion mit dem ersten Polarisator optisches Interagierenlassen des gestreuten Lichts mit Probeninteraktion mit einer ersten Anordnung von Polarisatoren umfasst, die dazu angeordnet ist, um dadurch gestreutes erstes polarisiertes Licht zu erzeugen; und das optische Interagierenlassen des ersten polarisierten Lichts mit dem zweiten Polarisator optisches Interagierenlassen des gestreuten ersten polarisierten Lichts mit einer zweiten Anordnung von Polarisatoren umfasst, um dadurch gestreutes zweites polarisiertes Licht zu erzeugen, wobei jeder Polarisator in der zweiten Anordnung von Polarisatoren einen entsprechenden Polarisator in der ersten Anordnung von Polarisatoren aufweist, wodurch ein Paar gebildet wird.
27. Ein optisches Rechenverfahren nach einem der Abschnitte 17–26, ferner umfassend Anpassen einer Winkelausrichtung der Paare, derart, dass ein Gewichten von wenigstens einer orthogonalen Komponente des Lichts mit Probeninteraktion auf einer gewünschten Wellenlänge erreicht wird.
28. Ein optisches Rechenverfahren nach einem der Abschnitte 17–27, wobei: das optische Interagierenlassen des gestreuten Lichts mit Probeninteraktion mit der ersten Anordnung von Polarisatoren gestreutes erstes polarisiertes Licht mit dem gleichen Polarisationszustand erzeugt; und das optische Interagierenlassen des gestreuten ersten polarisierten Lichts mit der zweiten Anordnung von Polarisatoren gestreutes zweites polarisiertes Licht mit unterschiedlichen Polarisationszuständen erzeugt, die ein Wellenlängenspektrum des Lichts mit Probeninteraktion umspannen, wodurch Intensitäten des gestreuten ersten polarisierten Lichts moduliert werden.
29. Ein optisches Rechenverfahren nach einem der Abschnitte 17–28, ferner umfassend optisches Interagierenlassen des gestreuten zweiten polarisierten Lichts mit einer Linse, um dadurch das gestreute zweite polarisierte Licht auf den Detektor zu fokussieren.
30. Ein optisches Rechenverfahren nach einem der Abschnitte 17–29, wobei das Verfahren in einer Untertageumgebung durchgeführt wird.
31. Eine optische Rechenvorrichtung zum Bestimmen einer Charakteristik einer Probe, wobei die optische Rechenvorrichtung Folgendes umfasst: elektromagnetische Strahlung mit einem ersten polarisierten Zustand; einen Polarisator, der dazu angeordnet ist, optisch mit der elektromagnetischen Strahlung zu interagieren, um dadurch ein polarisiertes Licht mit einem zweiten polarisierten Zustand zu erzeugen, wobei der polarisierte Zustand optisch mit einer Probe interagiert, um Licht mit Probeninteraktion zu erzeugen; und einen Detektor, der dazu angeordnet ist, das Licht mit Probeninteraktion zu messen und dadurch ein Signal zu erzeugen, das zum Bestimmen einer Charakteristik der Probe benutzt wird.
32. Eine optische Rechenvorrichtung nach Abschnitt 31, ferner umfassend einen abstimmbaren Laser, der die elektromagnetische Strahlung erzeugt, wobei die elektromagnetische Strahlung ferner eine gewünschte Intensität und Wellenlänge umfasst.
33. Eine optische Rechenvorrichtung nach Abschnitts 32 oder 33, wobei ein kombiniertes spektroskopisches Intensitätsprofil des abstimmbaren Lasers und des Polarisators wenigstens eine orthogonale Komponente des Lichts mit Probeninteraktion gewichtet, wobei die wenigstens eine orthogonale Komponente der Charakteristik der Probe entspricht.
34. Eine optische Rechenvorrichtung nach einem der Abschnitte 31–33, wobei der Polarisator eine Stellvorrichtung zum Verändern einer Winkelausrichtung des Polarisators umfasst; und der abstimmbare Laser und der Polarisator kommunizierend aneinander gekoppelt sind, um eine systematische Abstimmung auf die gewünschte Wellenlänge und Winkelausrichtung zu erreichen, um die wenigstens eine orthogonale Komponente des Lichts mit Probeninteraktion zu gewichten.
35. Eine optische Rechenvorrichtung nach einem der Abschnitte 31–34, wobei eine Winkelausrichtung des Polarisators den zweiten Polarisationszustand des polarisierten Lichts definiert, wobei der zweite Polarisationszustand eine Intensitätsmodulation zwischen dem ersten und zweiten Polarisationszustand darstellt, wobei die Intensitätsmodulation benutzt wird, um die Charakteristik der Probe zu bestimmen.
36. Eine optische Rechenvorrichtung nach einem der Abschnitte 31–35, wobei der erste und zweite Polarisationszustand ein beliebiger von einen rein P-polarisierten Licht, rein S-polarisierten Licht oder zwischen P und S polarisierten Licht sind.
37. Eine optische Rechenvorrichtung nach einem der Abschnitte 31–36, ferner umfassend einen Signalprozessor, der kommunizierend an den Detektor gekoppelt ist, um die Charakteristik der Probe rechnerisch in Echtzeit zu bestimmen.
38. Eine optische Rechenvorrichtung nach einem der Abschnitte 31–37, wobei die optische Rechenvorrichtung einen Teil eines Untertagelagerstättenbefragungssystems umfasst.
39. Ein optisches Rechenverfahren zum Bestimmen einer Charakteristik einer Probe, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: optisches Interagierenlassen elektromagnetischer Strahlung mit einem Polarisator, um polarisiertes Licht zu erzeugen, wobei die elektromagnetische Strahlung einen ersten Polarisationszustand aufweist und das polarisierte Licht einen zweiten Polarisationszustand aufweist; optisches Interagierenlassen des polarisierten Lichts mit einer Probe, um Licht mit Probeninteraktion zu erzeugen; Erzeugen eines Signals, das dem Licht mit Probeninteraktion entspricht, durch Benutzung eines Detektors; und Bestimmen einer Charakteristik der Probe unter Verwendung des Signals.
40. Ein optisches Rechenverfahren nach Abschnitt 39, wobei das Erzeugen des polarisierten Lichts Gewichten von wenigstens einer orthogonalen Komponente des Lichts mit Probeninteraktion unter Verwendung eines kombinierten spektroskopischen Intensitätsprofils des abstimmbaren Lasers und Polarisators umfasst, wobei die wenigstens eine orthogonale Komponente der Charakteristik der Probe entspricht.
41. Ein optisches Rechenverfahren nach Abschnitts 39 oder 40, wobei das Gewichten der wenigstens einen orthogonalen Komponente des Lichts mit Probeninteraktion Auswählen einer Wellenlänge und Intensität für die elektromagnetische Strahlung; und Verändern einer Winkelausrichtung des Polarisator auf Grundlage der ausgewählten Wellenlänge und Intensität umfasst.
42. Ein optisches Rechenverfahren nach einem der Abschnitte 39–41, ferner umfassend Verändern einer Winkelausrichtung des Polarisators; und Erzeugen wenigstens von einem von einem rein P-polarisierten Licht, rein S-polarisierten Licht oder einem zwischen P und S polarisierten Licht.
43. Ein optisches Rechenverfahren nach einem der Abschnitte 39–42, wobei das Verfahren in einer Untertageumgebung durchgeführt wird.
44. Ein optisches Rechenverfahren zum Bestimmen einer Charakteristik einer Probe, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: optisches Interagierenlassen elektromagnetischer Strahlung mit einer Probe, um Licht mit Probeninteraktion zu erzeugen; Modulieren einer Intensität des Lichts mit Probeninteraktion unter Verwendung wenigstens eines Polarisators, um dadurch ein polarisiertes Licht zu erzeugen; Erzeugen eines Signals, das dem polarisierten Licht entspricht, durch Benutzung eines Detektors; und Bestimmen einer Charakteristik der Probe unter Verwendung des Signals.
45. Ein optisches Rechenverfahren nach Abschnitt 44, wobei das Modulieren der Intensität des Lichts mit Probeninteraktion Benutzen von zwei Polarisatoren zum Erzeugen des polarisierten Lichts umfasst.
46. Ein optisches Rechenverfahren nach den Abschnitten 44 oder 45, wobei das Modulieren der Intensität des Lichts mit Probeninteraktion das Verändern einer Winkelausrichtung des wenigstens einen Polarisators umfasst.

Obwohl verschiedene Ausführungsformen und Verfahrensweisen gezeigt und beschrieben wurden, ist die Offenbarung nicht auf diese Ausführungsformen und Verfahrensweisen beschränkt, und es versteht sich, dass sie alle Modifikationen und Abwandlungen beinhaltet, die für einen einschlägigen Durchschnittsfachmann auf der Hand liegen. Daher ist vorgesehen, dass die Offenbarung nicht auf die bestimmten offenbarten Formen beschränkt zu verstehen ist. Stattdessen sollen alle Modifikationen, Äquivalente und Alternativen abgedeckt werden, die in den Geist und Umfang der Offenbarung fallen, wie durch die beigefügten Ansprüche definiert.

Claims

Optische Rechenvorrichtung zum Bestimmen einer Charakteristik einer Probe, wobei die optische Rechenvorrichtung Folgendes umfasst: elektromagnetische Strahlung, die optisch mit einer Probe interagiert, um Licht mit Probeninteraktion zu erzeugen; einen ersten Polarisator, der dazu angeordnet ist, optisch mit dem Licht mit Probeninteraktion zu interagieren, um erstes polarisiertes Licht zu erzeugen; einen zweiten Polarisator, der dazu angeordnet ist, optisch mit dem ersten polarisiertem Licht zu interagieren, um zweites polarisiertes Licht zu erzeugen; und einen Detektor, der dazu angeordnet ist, das zweite polarisierte Licht zu messen und dadurch ein Signal zu erzeugen, das zum Bestimmen einer Charakteristik der Probe benutzt wird.
Optische Rechenvorrichtung nach Anspruch 1, wobei ein kombiniertes spektroskopisches Intensitätsprofil des ersten und zweiten Polarisators wenigstens eine orthogonale Komponente des Lichts mit Probeninteraktion gewichtet, wobei die wenigstens eine orthogonale Komponente der Charakteristik der Probe entspricht.
Optische Rechenvorrichtung nach Anspruch 2, ferner umfassend: eine Breitbandlichtquelle, die die elektromagnetische Strahlung erzeugt; und einen Wellenlängenabtaster, der dazu angeordnet ist, optisch mit der elektromagnetischen Strahlung zu interagieren, um dadurch eine gewünschte Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung zu erzeugen.
Optische Rechenvorrichtung nach Anspruch 3, wobei: der erste und zweite Polarisator eine Stellvorrichtung umfassen, um dadurch eine Winkelausrichtung des ersten oder zweiten Polarisators zu verändern; und der Wellenlängenabtaster und der erste und zweite Polarisator kommunizierend aneinander gekoppelt sind, um eine systematische Abstimmung auf die gewünschte Wellenlänge und Winkelausrichtung zu erreichen und dadurch den Regressionsvektor nachzuahmen.
Optische Rechenvorrichtung nach Anspruch 1, wobei der erste und zweite Polarisator eine unterschiedliche Winkelausrichtung aufweisen.
Optische Rechenvorrichtung nach Anspruch 5, wobei: die Winkelausrichtung des ersten Polarisators einen ersten Polarisationszustand des Lichts mit Probeninteraktion definiert; und die Winkelausrichtung des zweiten Polarisators einen zweiten Polarisationszustand des ersten polarisierten Lichts definiert, der eine Intensitätsmodulation zwischen dem ersten und zweiten Polarisationszustand darstellt, wobei die Intensitätsmodulation benutzt wird, um die Charakteristik der Probe zu bestimmen.
Optische Rechenvorrichtung nach Anspruch 6, wobei der erste und zweite Polarisationszustand ein beliebiges von einem rein P-polarisierten Licht, rein S-polarisierten Licht oder zwischen P und S polarisierten Licht sind.
Optische Rechenvorrichtung nach Anspruch 1, ferner umfassend eine Stellvorrichtung, die in Wirkbeziehung an wenigstens einen von dem ersten oder zweiten Polarisator gekoppelt ist, um dadurch eine Winkelausrichtung des ersten oder zweiten Polarisators zu verändern.
Optische Rechenvorrichtung nach Anspruch 8, wobei: der erste Polarisator in Wirkbeziehung an die Stellvorrichtung gekoppelt ist; und der zweite Polarisator stationär ist.
Optische Rechenvorrichtung nach Anspruch 8, wobei: der erste Polarisator fest angeordnet ist; und der zweite Polarisator in Wirkbeziehung an die Stellvorrichtung gekoppelt ist.
Optische Rechenvorrichtung nach Anspruch 1, ferner umfassend ein Wellenlängenstreuelement, das dazu angeordnet ist, optisch mit dem Licht mit Probeninteraktion zu interagieren, um dadurch ein gestreutes Licht mit Probeninteraktion zu erzeugen, wobei: der erste Polarisator eine erste Anordnung von Polarisatoren ist, die dazu angeordnet ist, optisch mit dem gestreuten Licht mit Probeninteraktion zu interagieren, um dadurch gestreutes erstes polarisiertes Licht zu erzeugen; und der zweite Polarisator eine zweiten Anordnung von Polarisatoren ist, die dazu angeordnet ist, optisch mit dem gestreuten ersten polarisierten Licht zu interagieren, um dadurch gestreutes zweites polarisiertes Licht zu erzeugen, wobei jeder Polarisator in der zweiten Anordnung von Polarisatoren einen entsprechenden Polarisator in der ersten Anordnung von Polarisatoren aufweist, wodurch ein Paar gebildet wird.
Optische Rechenvorrichtung nach Anspruch 11, jedes Paar eine unterschiedliche Winkelausrichtung umfasst.
Optische Rechenvorrichtung nach Anspruch 11, wobei: jeder Polarisator in der ersten Anordnung von Polarisatoren die gleiche Polarisation aufweist; und die Polarisatoren in der zweiten Anordnung von Polarisatoren unterschiedliche Polarisationen aufweisen, die ein Wellenlängenspektrum des Licht mit Probeninteraktion umspannen, um dadurch die Intensität des gestreuten ersten polarisierten Lichts zu modulieren.
Optische Rechenvorrichtung nach Anspruch 13, ferner umfassend eine Linse, die dazu angeordnet ist, optisch mit dem gestreuten zweiten polarisierten Licht zu interagieren, um dadurch das gestreute zweite polarisierte Licht zum Detektor zu fokussieren.
Optische Rechenvorrichtung nach Anspruch 1, ferner umfassend einen Signalprozessor, der kommunizierend an den Detektor gekoppelt ist, um die Charakteristik der Probe rechnerisch in Echtzeit zu bestimmen.
Optische Rechenvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die optische Rechenvorrichtung einen Teil eines Untertagelagerstättenabfragesystems umfasst.
Optisches Rechenverfahren zum Bestimmen einer Charakteristik einer Probe, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: optisches Interagierenlassen elektromagnetischer Strahlung mit einer Probe, um Licht mit Probeninteraktion zu erzeugen; optisches Interagierenlassen des Lichts mit Probeninteraktion mit einem ersten Polarisator, um erstes polarisiertes Licht zu erzeugen; optisches Interagierenlassen des ersten polarisierten Lichts mit einem zweiten Polarisator, um zweites polarisiertes Licht zu erzeugen; Erzeugen eines Signals, das dem zweiten polarisiertes Licht entspricht, durch Benutzung eines Detektors; und Bestimmen einer Charakteristik der Probe unter Verwendung des Signals.
Optisches Rechenverfahren nach Anspruch 17, wobei das Erzeugen des zweiten polarisierten Lichts Gewichten von wenigstens einer orthogonalen Komponente des Lichts mit Probeninteraktion unter Verwendung eines kombinierten spektroskopischen Intensitätsprofils des ersten und zweiten Polarisators umfasst, wobei die wenigstens eine orthogonale Komponente der Charakteristik der Probe entspricht.
Optisches Rechenverfahren nach Anspruch 18, ferner umfassend optisches Interagierenlassen der elektromagnetischen Strahlung mit einem Wellenlängenabtaster, um dadurch eine gewünschte Wellenlänge der elektromagnetische Strahlung zu erzeugen, wobei die gewünschte Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung optisch mit der Probe interagiert, um das Licht mit Probeninteraktion zu erzeugen.
Optisches Rechenverfahren nach Anspruch 19, ferner umfassend Abstimmen auf die gewünschte Wellenlänge und Polarisatorwinkelausrichtungen, um dadurch die wenigstens eine orthogonale Komponente des Lichts mit Probeninteraktion zu gewichten.
Optisches Rechenverfahren nach Anspruch 17, ferner umfassend Positionieren des ersten und zweiten Polarisators in unterschiedlichen Winkelausrichtungen im Verhältnis zueinander.
Optisches Rechenverfahren nach Anspruch 21, wobei: das optische Interagierenlassen des Lichts mit Probeninteraktion mit dem ersten Polarisator das Definieren eines ersten Polarisationszustands des Lichts mit Probeninteraktion umfasst; und das optische Interagierenlassen des ersten polarisierten Lichts mit dem zweiten Polarisator das Definieren eines zweiten Polarisationszustands des ersten polarisierten Lichts umfasst, der eine Intensitätsmodulation zwischen dem ersten und zweiten Polarisationszustand darstellt, wobei die Intensitätsmodulation genutzt wird, um die Charakteristik der Probe zu bestimmen.
Optisches Rechenverfahren nach Anspruch 17, ferner umfassend dynamisches Verändern einer Winkelausrichtung des ersten oder zweiten Polarisators.
Optisches Rechenverfahren nach Anspruch 23, ferner umfassend: Drehen von wenigstens einem von dem ersten oder zweiten Polarisator in eine Winkelausrichtung; und Erzeugen von wenigstens einem von einem rein P-polarisierten Licht, rein S-polarisierten Licht oder einem zwischen P und S polarisierten Licht.
Optisches Rechenverfahren nach Anspruch 17, ferner umfassend Anpassen einer Winkelausrichtung des zweiten Polarisators, um dadurch eine Intensität des ersten polarisierten Lichts zu modulieren.
Optisches Rechenverfahren nach Anspruch 17, ferner umfassend optisches Interagierenlassen des Lichts mit Probeninteraktion mit einem Wellenlängenstreuelement, um dadurch ein gestreutes Licht mit Probeninteraktion zu erzeugen, wobei: das optische Interagierenlassen des Lichts mit Probeninteraktion mit dem ersten Polarisator optisches Interagierenlassen des gestreuten Lichts mit Probeninteraktion mit einer ersten Anordnung von Polarisatoren umfasst, die dazu angeordnet ist, um dadurch gestreutes erstes polarisiertes Licht zu erzeugen; und das optische Interagierenlassen des ersten polarisierten Lichts mit dem zweiten Polarisator optisches Interagierenlassen des gestreuten ersten polarisierten Lichts mit einer zweiten Anordnung von Polarisatoren umfasst, um dadurch gestreutes zweites polarisiertes Licht zu erzeugen, wobei jeder Polarisator in der zweiten Anordnung von Polarisatoren einen entsprechenden Polarisator in der ersten Anordnung von Polarisatoren aufweist, wodurch ein Paar gebildet wird.
Optisches Rechenverfahren nach Anspruch 26, ferner umfassend Anpassen einer Winkelausrichtung der Paare, derart, dass ein Gewichten von wenigstens einer orthogonalen Komponente des Lichts mit Probeninteraktion auf einer gewünschten Wellenlänge erreicht wird.
Optisches Rechenverfahren nach Anspruch 26, wobei: das optische Interagierenlassen des gestreuten Lichts mit Probeninteraktion mit der ersten Anordnung von Polarisatoren gestreutes erstes polarisiertes Licht mit dem gleichen Polarisationszustand erzeugt; und das optische Interagierenlassen des gestreuten ersten polarisierten Lichts mit der zweiten Anordnung von Polarisatoren gestreutes zweites polarisiertes Licht mit unterschiedlichen Polarisationszuständen erzeugt, die ein Wellenlängenspektrum des Lichts mit Probeninteraktion umspannen, wodurch Intensitäten des gestreuten ersten polarisierten Lichts moduliert werden.
Optisches Rechenverfahren nach Anspruch 28, ferner umfassend optisches Interagierenlassen des gestreuten zweiten polarisierten Lichts mit einer Linse, um dadurch das gestreute zweite polarisierte Licht auf den Detektor zu fokussieren.
Optisches Rechenverfahren nach Anspruch 17, wobei das Verfahren in einer Untertageumgebung durchgeführt wird.
Optische Rechenvorrichtung zum Bestimmen einer Charakteristik einer Probe, wobei die optische Rechenvorrichtung Folgendes umfasst: elektromagnetische Strahlung mit einem ersten polarisierten Zustand; einen Polarisator, der dazu angeordnet ist, optisch mit der elektromagnetischen Strahlung zu interagieren, um dadurch ein polarisiertes Licht mit einem zweiten polarisierten Zustand zu erzeugen, wobei der polarisierte Zustand optisch mit einer Probe interagiert, um Licht mit Probeninteraktion zu erzeugen; und einen Detektor, der dazu angeordnet ist, das Licht mit Probeninteraktion zu messen und dadurch ein Signal zu erzeugen, das zum Bestimmen einer Charakteristik der Probe benutzt wird.
Optische Rechenvorrichtung nach Anspruch 31, ferner umfassend einen abstimmbaren Laser, der die elektromagnetische Strahlung erzeugt, wobei die elektromagnetische Strahlung ferner eine gewünschte Intensität und Wellenlänge umfasst.
Optische Rechenvorrichtung nach Anspruch 32, wobei ein kombiniertes spektroskopisches Intensitätsprofil des abstimmbaren Lasers und des Polarisators wenigstens eine orthogonale Komponente des Lichts mit Probeninteraktion gewichtet, wobei die wenigstens eine orthogonale Komponente der Charakteristik der Probe entspricht.
Optische Rechenvorrichtung nach Anspruch 33, wobei: der Polarisator eine Stellvorrichtung zum Verändern einer Winkelausrichtung des Polarisators umfasst; und der abstimmbare Laser und der Polarisator kommunizierend aneinander gekoppelt sind, um eine systematische Abstimmung auf die gewünschte Wellenlänge und Winkelausrichtung zu erreichen, um die wenigstens eine orthogonale Komponente des Lichts mit Probeninteraktion zu gewichten.
Optische Rechenvorrichtung nach Anspruch 31, wobei eine Winkelausrichtung des Polarisators den zweiten Polarisationszustand des polarisierten Lichts definiert, wobei der zweite Polarisationszustand eine Intensitätsmodulation zwischen dem ersten und zweiten Polarisationszustand darstellt, wobei die Intensitätsmodulation benutzt wird, um die Charakteristik der Probe zu bestimmen.
Optische Rechenvorrichtung nach Anspruch 31, wobei der erste und zweite Polarisationszustand ein beliebiges von einem rein P-polarisierten Licht, rein S-polarisierten Licht oder zwischen P und S polarisierten Licht sind.
Optische Rechenvorrichtung nach Anspruch 31, ferner umfassend einen Signalprozessor, der kommunizierend an den Detektor gekoppelt ist, um die Charakteristik der Probe rechnerisch in Echtzeit zu bestimmen.
Optische Rechenvorrichtung nach Anspruch 31, wobei die optische Rechenvorrichtung einen Teil eines Untertagelagerstättenabfragesystems umfasst.
Optisches Rechenverfahren zum Bestimmen einer Charakteristik einer Probe, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: optisches Interagierenlassen elektromagnetischer Strahlung mit einem Polarisator, um polarisiertes Licht zu erzeugen, wobei die elektromagnetische Strahlung einen ersten Polarisationszustand aufweist und das polarisierte Licht einen zweiten Polarisationszustand aufweist; optisches Interagierenlassen des polarisierten Lichts mit einer Probe, um Licht mit Probeninteraktion zu erzeugen; Erzeugen eines Signals, das dem Licht mit Probeninteraktion entspricht, durch Benutzung eines Detektors; und Bestimmen einer Charakteristik der Probe unter Verwendung des Signals.
Optisches Rechenverfahren nach Anspruch 39, wobei das Erzeugen des polarisierten Lichts Gewichten von wenigstens einer orthogonalen Komponente des Lichts mit Probeninteraktion unter Verwendung eines kombinierten spektroskopischen Intensitätsprofils des abstimmbaren Lasers und Polarisators umfasst, wobei die wenigstens eine orthogonale Komponente der Charakteristik der Probe entspricht.
Optisches Rechenverfahren nach Anspruch 40, wobei das Gewichten der wenigstens einen orthogonalen Komponente des Lichts mit Probeninteraktion Folgendes umfasst: Auswählen einer Wellenlänge und Intensität für die elektromagnetische Strahlung; und Verändern einer Winkelausrichtung des Polarisators auf Grundlage der ausgewählten Wellenlänge und Intensität.
Optisches Rechenverfahren nach Anspruch 39, ferner umfassend: Verändern einer Winkelausrichtung des Polarisators; und Erzeugen wenigstens von einem von einem rein P-polarisierten Licht, rein S-polarisierten Licht oder einem zwischen P und S polarisierten Licht.
Optisches Rechenverfahren nach Anspruch 39, wobei das Verfahren in einer Untertageumgebung durchgeführt wird.
Optisches Rechenverfahren zum Bestimmen einer Charakteristik einer Probe, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: optisches Interagierenlassen elektromagnetischer Strahlung mit einer Probe, um Licht mit Probeninteraktion zu erzeugen; Modulieren einer Intensität des Lichts mit Probeninteraktion unter Verwendung wenigstens eines Polarisators, um dadurch ein polarisiertes Licht zu erzeugen; Erzeugen eines Signals, das dem polarisierten Licht entspricht, durch Benutzung eines Detektors; und Bestimmen einer Charakteristik der Probe unter Verwendung des Signals.
Optisches Rechenverfahren nach Anspruch 44, wobei das Modulieren der Intensität des Lichts mit Probeninteraktion Benutzen von zwei Polarisatoren zum Erzeugen des polarisierten Lichts umfasst.
Optisches Rechenverfahren nach Anspruch 44, wobei das Modulieren der Intensität des Lichts mit Probeninteraktion das Verändern einer Winkelausrichtung des wenigstens einen Polarisators umfasst.