DE112015006146T5 - Optische Rechenvorrichtungen, umfassend drehbare selektive Breitbandwinkelfilter - Google Patents

Optische Rechenvorrichtungen, umfassend drehbare selektive Breitbandwinkelfilter Download PDF

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Abstract

Eine optische Rechenvorrichtung, umfassend eine Vielzahl elektromagnetischer Strahlungsquellen, jeweils mit einer einzigartigen Winkelverschiebung um einen optischen Strahlengang und jeweils mit mindestens einer einzigartigen Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung; ein integriertes Rechenelement (ICE), das in dem optischen Strahlengang vor oder nach einer Probe lokalisiert wird, die in dem optischen Strahlengang lokalisiert wird, um in dem optischen Strahlengang modifizierte elektromagnetische Strahlung zu generieren; einen selektiven Breitbandwinkelfilter (BASF), der in dem optischen Strahlengang lokalisiert wird und um eine Achse zu einer Vielzahl einzigartiger Ausrichtungen drehbar ist, um die elektromagnetische Strahlung und/oder die modifizierte elektromagnetische Strahlung in dem optischen Strahlengang mit einem Zieleinfallswinkel zu übertragen, der einer von der Vielzahl elektromagnetischer Strahlungsquellen entspricht, um eine nach dem Winkel ausgewählte modifizierte elektromagnetische Strahlung (ASMR) zu generieren; und einen Detektor, der die ASMR empfängt und ein Ausgabesignal generiert, das einem Charakteristikum der Probe entspricht.

Description

  • ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
  • Die hierin enthaltenen Ausführungsformen betreffen im Allgemeinen Systeme und Verfahren des optischen Rechnens und konkreter optische Rechenvorrichtungen, umfassend drehbare selektive Breitbandwinkelfilter.
  • Optische Rechenvorrichtungen, die gemeinhin auch als optisch-analytische Vorrichtungen bezeichnet werden, können eine verbesserte Empfindlichkeit und verbesserte Detektionsgrenzen bereitstellen, wenn integrierte Rechenelemente verwendet werden. Derartige integrierte Rechenelemente können ein relativ kostengünstiges, robustes und genaues System zum Überwachen der Erdölqualität zum Zwecke der Optimierung der Entscheidungsfindung an einer Bohrlokation und zur effizienten Verwaltung der Kohlenwasserstoffproduktion bereitstellen. Bei einigen Anwendungen können die integrierten Rechenelemente beim Verbessern von Detektionsgrenzen, wenn ein bestimmtes Charakteristikum einer Probe, wie etwa einer Substanz, einer Verbindung oder eines Materials, bestimmt wird, die in einem Bohrloch vorliegt oder in anderen Technologiebereichen nützlich sein, einschließend unter anderem die Lebensmittel- und Pharmaindustrie, industrielle Anwendungen, den Bergbau oder einen beliebigen anderen Bereich, in dem es vorteilhaft sein kann, in Echtzeit ein Charakteristikum einer Substanz, einer Verbindung oder eines Materials zu bestimmen.
  • Räumliche Beschränkungen können sich auf die Gestaltung optischer Rechenvorrichtungen auswirken. Zum Beispiel kann es wünschenswert sein, das Profil einer optisch-analytischen Vorrichtung zu verringern, damit sie in einer Prozessausrüstung oder einer Ausrüstung für die Öl- und Gasexploration in einem Bohrloch eingeschlossen sein kann, wo der Platz begrenzt ist. In anderen Fällen kann es wünschenswert sein, mehr als einen Analyten oder mehr als ein Charakteristikum in einer Probe mit optischen Rechenvorrichtungen zu messen, wo ausreichend Platz vorhanden ist, um mehrere optisch-analytische Vorrichtungen zu platzieren. In beiden dieser zwei Fälle können durch optische Rechenvorrichtungen Vorteile erzielt werden, indem ihr Profil verringert wird und mehrere Instrumente in einem Gehäuse kombiniert werden.
  • Platzsparende Methoden existieren für traditionelle optische Vorrichtungen, wie etwa das Kombinieren optischer Wandler in einem Gehäuse, um zum Beispiel zu ermöglichen, dass eine Kamera in zwei unterschiedlichen Wellenlängenbereichen (z. B. Si-Detektor für UV-Vis und InGaAs-Detektor für NIR) arbeitet. Für optische Rechenvorrichtungen können platzsparende Methoden außerdem das Kombinieren mehrerer Lichtquellen in einem Gehäuse einschließen, während andere optische Komponenten in dem optischen Strahlengang (wie etwa ICE-Kern und Detektor) in einem einzigen optischen Rechensystem geteilt werden. Jedoch machen traditionelle Mittel zum Kombinieren von zwei oder mehr optischen Komponenten oftmals Erwägungen hinsichtlich der Gestaltung und/oder optische Strahlenlenkkomponenten erforderlich, durch die der verfügbare Lichtstrom in einen optischen Strahlengang verringert werden kann (d. h. Strahlteiler).
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Die folgenden Figuren sind zur Veranschaulichung bestimmter Aspekte der hierin beschriebenen Ausführungsbeispiele eingeschlossen und sollen nicht als ausschließliche Ausführungsformen angesehen werden. Der offenbarte Gegenstand ist zu beträchtlichen Modifikationen, Änderungen, Kombinationen und Äquivalenten hinsichtlich Form und Funktion in der Lage, wie für den Fachmann mit dem Vorteil dieser Offenbarung ersichtlich.
  • 1 veranschaulicht ein beispielhaftes integriertes Rechenelement gemäß einer oder mehreren hierin beschriebenen Ausführungsformen.
  • 2 veranschaulicht eine repräsentative photonische Heterostruktur zur Verwendung als ein selektiver Breitbandwinkelfilter gemäß einer oder mehreren hierin beschriebenen Ausführungsformen.
  • 3 veranschaulicht eine optische Rechenvorrichtung, umfassend einen drehbaren selektiven Breitbandwinkelfilter gemäß einer oder mehreren hierin beschriebenen Ausführungsformen.
  • 4 veranschaulicht eine optische Rechenvorrichtungen, umfassend einen drehbaren selektiven Breitbandwinkelfilter gemäß einer oder mehreren hierin beschriebenen Ausführungsformen.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
  • Die hierin enthaltenen Ausführungsformen betreffen im Allgemeinen Systeme und Verfahren des optischen Rechnens und konkreter optische Rechenvorrichtungen, umfassend drehbare selektive Breitbandwinkelfilter.
  • Bei den hierin beschriebenen beispielhaften Systemen und Verfahren werden verschiedene Konfigurationen optischer Rechenvorrichtungen eingesetzt, die gemeinhin auch als „optisch-analytische Vorrichtungen“ bezeichnet werden, wobei drehbare selektive Breitbandwinkelfilter („BASF“) für die schnelle Analyse eines Charakteristikums einer interessierenden Probe, wie etwa einer Probe in einem Flusspfad, einer statischen Probe, einer Probe auf einem Förderband und dergleichen, eingesetzt werden. Die offenbarten Systeme und Verfahren können zur Verwendung in der Öl- und Gasindustrie geeignet sein, da die beschriebenen optischen Rechenvorrichtungen ein kostengünstiges, robustes und genaues Mittel zum Identifizieren von einem oder mehreren Charakteristika einer interessierenden Probe bereitstellen, um die Öl- und Gasproduktion und/oder die Sicherheit von Öl- und Gasbohrungen zu erleichtern. Zum Beispiel können die hierin beschriebenen optischen Rechenvorrichtungen ein Charakteristikum einer Probe in einem Flusspfad, wie etwa einem Bohrloch, identifizieren. Derartige Charakteristika können eine Überwachung der Erdölqualität zum Zwecke der Entscheidungsfindung an einer Bohrlokation und zur effizienten Verwaltung der Kohlenwasserstoffproduktion ermöglichen. Es versteht sich jedoch, dass die verschiedenen offenbarten Systeme und Verfahren gleichermaßen in anderen Technologiebereichen anwendbar sind, einschließend unter anderem die Lebensmittel- und Pharmaindustrie, industrielle Anwendungen, den Bergbau oder einen beliebigen Bereich, in dem es vorteilhaft sein kann, in Echtzeit oder nahezu in Echtzeit ein Charakteristikum einer interessierenden Probe, einschließend fließende Proben, zu bestimmen. Wie hierin verwendet, bezieht sich der Begriff „fließend bzw. Fließen“ auf eine Zirkulation oder Bewegung einer Fluidprobe in Bezug auf die hierin offenbarten optischen Rechenvorrichtungen.
  • Nachfolgend werden eine oder mehrere veranschaulichende Ausführungsformen dargestellt, welche die hierin enthaltene Offenbarung einbinden. Der Klarheit halber werden nicht alle Merkmale einer tatsächlichen Umsetzung in dieser Anmeldung beschrieben oder gezeigt. Es versteht sich, dass bei der Entwicklung einer tatsächlichen Ausführungsform, welche die vorliegende Offenbarung einbindet, zahlreiche umsetzungsspezifische Entscheidungen getroffen werden müssen, um die Ziele des Entwicklers zu erreichen, wie etwa Übereinstimmung mit systembezogenen, geschäftsbezogenen, regierungsbezogenen und anderen Einschränkungen, die sich je nach Umsetzung und von Zeit zu Zeit ändern können. Obwohl die Bemühungen seitens eines Entwicklers komplex und zeitaufwändig sein können, stellen solche Bemühungen für den Durchschnittsfachmann mit dem Vorteil dieser Offenbarung gleichwohl ein Routineunterfangen dar.
  • Es ist anzumerken, dass der Begriff „etwa“ hierin zu Beginn einer numerischen Liste jede Zahl in der numerischen Liste modifiziert. In einigen numerischen Auflistungen von Bereichen können einige aufgelistete Untergrenzen über einigen aufgelisteten Obergrenzen liegen. Ein Fachmann wird erkennen, dass die ausgewählte Teilmenge die Auswahl einer Obergrenze erforderlich macht, die über der ausgewählten Untergrenze liegt. Sofern nicht anders angegeben, sind sämtliche Zahlen, die Mengen von Bestandteilen ausdrücken, in der vorliegenden Patentschrift und den entsprechenden Ansprüchen, derart aufzufassen, dass sie in allen Fällen durch den Begriff „etwa“ modifiziert werden. Dementsprechend handelt es sich bei den numerischen Parametern, die in der folgenden Patentschrift und den beigefügten Patentansprüchen dargelegt sind, sofern nicht das Gegenteil angegeben ist, um Annäherungen, die je nach den erwünschten Eigenschaften, welche anhand der hierin beschriebenen beispielhaften Ausführungsformen erhalten werden sollen, variieren können. Zumindest und nicht als Versuch, die Anwendung der Lehre von gleichwertigen Ausgestaltungen auf den Umfang des Patentanspruchs einzuschränken, sollte jeder numerische Parameter zumindest angesichts der Anzahl gemeldeter signifikanter Stellen und durch Anwendung gewöhnlicher Rundungstechniken ausgelegt werden.
  • Obwohl Zusammensetzungen und Verfahren hierin als verschiedene Komponenten oder Schritte „umfassend“ beschrieben werden, können die Zusammensetzungen und Verfahren auch „im Wesentlichen bestehen aus“ den verschiedenen Komponenten und Schritten oder daraus „bestehen“. Wenn „umfassend“ in einem Patentanspruch verwendet wird, ist dieser Begriff offen.
  • Wie hierin verwendet, bezieht sich der Begriff „Fluid“ auf eine beliebige Substanz, die dazu in der Lage ist, zu fließen, einschließend partikelförmige Feststoffe, Flüssigkeiten, Gase, Aufschlämmungen, Emulsionen, Pulver, Schlämme, Glas, Kombinationen davon und dergleichen. In einigen Ausführungsformen kann das Fluid ein wässriges Fluid sein, einschließend Wasser oder dergleichen. In einigen Ausführungsformen kann das Fluid ein nicht wässriges Fluid sein, einschließend organische Verbindungen, konkreter Kohlenwasserstoffe, Öl, eine raffinierte Komponente von Öl, petrochemische Produkte und dergleichen. In einigen Ausführungsformen kann das Fluid ein Behandlungsfluid oder ein Formationsfluid sein. Fluide können verschiedene fließfähige Gemische von Feststoffen, Flüssigkeiten und/oder Gasen einschließen. Veranschaulichende Gase, die gemäß den vorliegenden Ausführungsformen als Fluide angesehen werden können, schließen zum Beispiel Luft, Stickstoff, Kohlenstoffdioxid, Argon, Helium, Schwefelwasserstoff, Mercaptan, Thiophen, Methan, Ethan, Butan, und andere Kohlenwasserstoffgase und/oder dergleichen ein.
  • Wie hierin verwendet, bezieht sich der Begriff „Charakteristikum“ auf eine chemische oder physikalische Eigenschaft einer Substanz. Ein Charakteristikum einer Substanz kann einen quantitativen Wert von einer oder mehreren darin enthaltenen chemischen Komponenten einschließen. Derartige chemische Komponenten können als „Analyte“ bezeichnet werden. Veranschaulichende Charakteristika einer Substanz, die mit den hierin offenbarten Rechenvorrichtungen überwacht werden können, schließen zum Beispiel die chemische Zusammensetzung (Identität und Konzentration, insgesamt oder für einzelne Komponenten), den Verunreinigungsgehalt, den pH-Wert, die Viskosität, die Dichte, die Ionenstärke, die Gesamtmenge an gelösten Feststoffen, den Salzgehalt, die Porosität, die Opazität, den Bakteriengehalt, Kombinationen davon und dergleichen ein.
  • Wie hierin verwendet, bezieht sich der Begriff „elektromagnetische Strahlung“ auf Infrarotstrahlung, nahe Infrarotstrahlung, sichtbares Licht, ultraviolettes Licht, Vakuum-UV-Licht, Röntgenstrahlung, Gammastrahlung und eine beliebige Kombination davon.
  • Wie hierin verwendet, bezieht sich der Begriff „optische Rechenvorrichtung“ auf eine optische Vorrichtung, die konfiguriert ist, um einen Eingang elektromagnetischer Strahlung von einer Substanz oder Probe der Substanz (gemeinsam als „Probe“ bezeichnet) zu empfangen und eine Ausgabe elektromagnetischer Strahlung von einem Verarbeitungselement zu erzeugen. Das Verarbeitungselement kann zum Beispiel ein integriertes Rechenelement („ICE“) sein. Die elektromagnetische Strahlung, die von dem Verarbeitungselement ausgeht, wird auf gewisse Weise geändert, um von einem Detektor lesbar zu sein, sodass ein Ausgabesignal des Detektors mit mindestens einem Charakteristikum der Probe korreliert werden kann. Die Ausgabe elektromagnetischer Strahlung von dem Verarbeitungselement kann reflektierte elektromagnetische Strahlung, übertragene elektromagnetische Strahlung und/oder dispergierte elektromagnetische Strahlung sein. Es versteht sich, dass es Gegenstand einer routinemäßigen Versuchsanordnung ist, ob reflektierte oder übertragene elektromagnetische Strahlung von dem Detektor analysiert wird. Zusätzlich kann ebenso eine Emission und/oder Streuung der Substanz, zum Beispiel über Fluoreszenz, Lumineszenz, Strahlen und Wiederausstrahlen, Raman-Streuung und/oder Rayleigh-Streuung durch die optischen Rechenvorrichtungen überwacht werden.
  • Wie hierin verwendet, bezieht sich der Begriff „Probe“, oder Variationen davon, auf mindestens einen Teil einer interessierenden zu testenden oder auf andere Weise unter Verwendung der hierin beschriebenen optischen Rechenvorrichtungen beurteilten Substanz. Die Probe schließt das interessierende Charakteristikum, wie zuvor definiert ein und kann ein beliebiges Fluid, wie hierin definiert oder andererseits eine beliebige feste Substanz oder ein beliebiges festes Material, wie etwa unter anderem Gesteinsformationen, Beton, andere feste Oberflächen usw. sein.
  • Wie hierin verwendet, bezieht sich der Begriff „optisch interagieren“ oder Variationen davon auf die Reflexion, die Übertragung, die Streuung, die Beugung, das Strahlen, das Wiederausstrahlen oder die Absorption von elektromagnetischer Strahlung entweder an, durch oder von ein(em) oder mehreren Verarbeitungselementen, wie etwa integrierten Rechenelementen. Dementsprechend bezieht sich optisch interagierendes Licht auf Licht, das zum Beispiel unter Verwendung der integrierten Rechenelemente reflektiert, übertragen, gestreut, gebeugt oder absorbiert, emittiert, gestrahlt oder wiederausgestrahlt wurde, aber es kann auch für eine Interaktion mit einer Probensubstanz gelten.
  • Im Gegensatz zu herkömmlichen spektroskopischen Elementen, mit denen ein elektromagnetisches Spektrum einer Probe gemessen und erzeugt wird, für das eine weitere Interpretation benötigt wird, um ein Ergebnis zu erhalten, ist die endgültige Ausgabe hierin beschriebener optischer Rechenvorrichtungen eine reelle Zahl, die auf gewisse Weise mit einem Charakteristikum einer interessierenden Probe korreliert werden kann. Wie hierin verwendet, bezieht sich ein „selektiver Breitbandwinkelfilter“ (oder „BASF“) auf einen Filter, der Breitbandlicht in Bezug auf einen Einfallswinkel screent. Wie hierin verwendet, bezieht sich der Begriff „Einfallswinkel“ auf den Winkel, den ein einfallender Strahl elektromagnetischer Strahlung normalerweise in Bezug auf eine Fläche aufweist.
  • Durch die Verwendung der drehbaren BASFs der vorliegenden Offenbarung in den optischen Rechenvorrichtungen kann eine Anzahl zusätzlicher Vorteile bereitgestellt werden. Zum Beispiel kann der drehbare BASF, wenn ein einziges Charakteristikum einer Probe beurteilt wird (z. B. ein Analyt der Probe), eine hohe optische Übertragung elektromagnetischer Strahlung bei einem bestimmten Einfallswinkel von einer bestimmten elektromagnetischen Strahlungsquelle ermöglichen, auch wenn mehrere elektromagnetische Strahlungsquellen auf den BASF gerichtet sind. Dementsprechend kann der drehbare BASF, obwohl mehrere diskontinuierliche Wellenlängen von mehreren elektromagnetischen Strahlungsquellen in einem optischen Strahlengang der optischen Rechenvorrichtung gerichtet sind, in einer einzigartigen Winkelausrichtung positioniert sein, um lediglich diejenigen Wellenlängen von der gewünschten elektromagnetischen Strahlungsquelle mit einem bestimmten Einfallswinkel aufzunehmen. Dementsprechend stellt der drehbare BASF der vorliegenden Offenbarung einen solchen Vorteil gegenüber traditionellen auf einem Filterphotometer oder einer dispersiven Spektroskopie basierenden Systemen bereit, die mehrere Wellenlängenselektionsvorrichtungen mit einem geringen optischen Durchsatz bei jeder Wellenlänge aufweisen.
  • Ein anderer Vorteil der optischen Rechenvorrichtungen, bei denen die drehbaren BASFs der vorliegenden Offenbarung eingesetzt werden, liegt darin, dass sie mühelos eingesetzt werden können, um mehrere Charakteristika (z. B., Analyte) einer Probe zu messen. Zum Beispiel kann, wenn ein ICE in der optischen Rechenvorrichtung verwendet wird, das ICE konfiguriert sein, um in einem bestimmten Bereich von Wellenlängen betrieben zu werden, der mit mehreren Charakteristika einer zu beurteilenden Probe verknüpft ist. Der drehbare BASF kann demnach gedreht werden, um eine Übertragung einer bestimmten Wellenlänge elektromagnetischer Strahlung von einer bestimmten elektromagnetischen Strahlungsquelle auf Grundlage ihres Einfallswinkels zu ermöglichen und kann danach zu einer zweiten Ausrichtung gedreht werden, um eine Übertragung einer anderen Wellenlänge elektromagnetischer Strahlung von einer anderen elektromagnetischen Strahlungsquelle auf Grundlage ihres Einfallswinkels zu ermöglichen und so weiter. Jede Wellenlänge, die in den optischen Strahlengang eingelassen wird, ist demnach für die bestimmten Charakteristika der zu beurteilenden Probe geeignet. Demnach werden durch die optischen Rechenvorrichtungen der vorliegenden Offenbarung, umfassend die drehbaren BASFs, zuvor verwendete optische Rechenvorrichtungen vereinfacht, indem die Notwendigkeit mehrere Filterräder beseitigt wird, die groß sein können und mehrere ICE-Kerne enthalten, die jeweils mit unterschiedlichen Wellenlängen betrieben werden, die mit unterschiedlichen interessierenden Charakteristika einer Probe verknüpft sind.
  • Die hierin enthaltenen Ausführungsformen, einschließend optische Rechenvorrichtungen, umfassend hierin beschriebene drehbare BASFs, ermöglichen dementsprechend eine Einbindung mehrerer elektromagnetischer Strahlungsquellen (die z. B. unterschiedliche Betriebswellenlängen aufweisen) in eine einzige optische Rechenvorrichtung, erlauben einen hohen optischen Durchsatz (z. B. hohe Signal-Rausch-Verhältnisse) mit einem Betrieb in mehreren diskontinuierlichen Wellenlängenbereichen mit einem einzigen beweglichen Teil (z. B. dem drehbaren BASF, der, wie nachfolgend ausführlicher erörtert, an einer Komponente der optischen Rechenvorrichtung auch einen Mehrschicht-Filmstapel formen kann), beseitigen die Notwendigkeit mehrerer Filterräder, die mehrere ICEs zum Analysieren mehrerer Charakteristika von einer oder mehreren Proben aufweisen, vereinfachen die optische Anordnung von optischen Rechenvorrichtungen im Hinblick auf die Größe der Ausrüstung und das Profil, verbessern deutlich die Empfindlichkeit der Systemleistung bei einer Verwendung in Reflexionsmodi und dergleichen.
  • Zusätzlich können deutliche Vorteile umgesetzt werden, indem die Ausgaben von zwei oder mehr integrierten Rechenelementen und/oder zwei oder mehr drehbaren BASFs in einer optischen Rechenvorrichtung bei der Analyse einer Probe miteinander kombiniert werden. Im Besonderen kann in einigen Fällen eine deutlich erhöhte Detektionsgenauigkeit umgesetzt werden. Beliebige der hierin beschriebenen Verfahren können ausgeführt werden, indem die Ausgaben von zwei oder mehr integrierten Rechenelementen und/oder zwei oder mehr drehbaren BASFs miteinander kombiniert werden. Die integrierten Rechenelemente und/oder drehbaren BASFs, deren Ausgaben kombiniert werden, können mit einem interessierenden Charakteristikum verknüpft oder davon getrennt sein, bei der Analyse des interessierenden Charakteristikums eine positive oder negative Reaktion zeigen oder eine beliebige Kombination davon.
  • Wie zuvor angesprochen, sind optische Rechenvorrichtungen durch ihre operative Einfachheit robust und für Feld- oder Prozessumgebungen, einschließend den Einsatz in einer unterirdischen Formation, gut geeignet. Zum Beispiel können die hierin beschriebenen optischen Rechenvorrichtungen Fluide analysieren, die gemeinhin in der Öl- und Gasindustrie anzutreffen sind, einschließend während des Einsatzes in einer unterirdischen Formation.
  • Ein deutlicher und entscheidender Vorteil der hierin offenbarten optischen Rechenvorrichtungen liegt darin, dass sie konfiguriert sein können, um im Besonderen ein Charakteristikum einer Probe zu detektieren und/oder zu messen, wodurch qualitative und/oder quantitative Analysen des Charakteristikums ermöglicht werden, ohne dass ein zeitaufwändiges Verfahren für die Probenverarbeitung ausgeführt werden muss, mit einer Aufzeichnung und Verarbeitung des elektromagnetischen Spektrums der Probe oder ohne. Mit einer vorhandenen schnellen Analysefähigkeit können die hierin beschriebenen beispielhaften Systeme und Verfahren dazu in der Lage sein, den prozentualen Anteil eines Charakteristikums einer Probe zu bestimmen, sodass ein Bediener bestimmen kann, ob das Charakteristikum innerhalb eines bestimmten akzeptablen Grenzbereichs liegt. Wenn das Charakteristikum der Probe außerhalb des akzeptablen Grenzbereichs liegt (üblicherweise zu hoch), können Korrekturmaßnahmen ergriffen werden. Die Verwendung der hierin beschriebenen optischen Rechenvorrichtungen zum Detektieren eines Charakteristikums einer Probe kann ferner vorteilhaft sein, um das Sammeln und die Archivierung von Informationen in Bezug auf derartige Proben für bestimmte Betriebsarten in Verbindung mit operativen Informationen zu ermöglichen, um darauffolgende Betriebsarten zu optimieren und dergleichen.
  • In einigen Ausführungsformen stellt die vorliegende Offenbarung eine optische Rechenvorrichtung bereit, umfassend eine elektromagnetische Strahlungsquelle, die elektromagnetische Strahlung in einen optischen Strahlengang emittiert. Wie hierin verwendet, bezieht sich der Begriff „optischer Strahlengang“ auf den Pfad, den elektromagnetische Strahlung durchquert, die von einer Quelle ausgeht und bei einem Detektor endet. In dem optischen Strahlengang sind eine Probe, ein integriertes Rechenelement („ICE“) und ein BASF in einer beliebigen Konfiguration positioniert. Das heißt, dass die Probe vor oder nach dem ICE kommen kann, das ICE vor oder nach dem BASF kommen kann und der BASF vor oder nach der Probe kommen kann. Zudem kann bzw. können sich mehr als ein ICE und/oder mehr als ein BASF in dem optischen Strahlengang befinden, ohne von dem Umfang der vorliegenden Offenbarung abzuweichen.
  • Die hierin beschriebenen beispielhaften Systeme und Verfahren schließen mindestens eine optische Rechenvorrichtung ein, die konfiguriert ist, um mindestens ein Charakteristikum einer Probe zu messen, wie etwa in einem Flusspfad, der sich in einer unterirdischen Formation (z. B. einem Bohrloch) befinden kann. In einigen Ausführungsformen können die optischen Rechenvorrichtungen, die zur Verwendung in den hierin beschriebenen beispielhaften Systemen und Verfahren geeignet sind, mobil oder tragbar sein.
  • Gemäß den hierin beschriebenen Ausführungsformen kann eine optische Rechenvorrichtung eine elektromagnetische Strahlungsquelle, mindestens ein Verarbeitungselement (z. B. ein ICE), mindestens einen drehbaren BASF und mindestens einen Detektor einschließen, der angeordnet ist, um optisch interagierendes Licht zu empfangen, nachdem es mit dem mindestens einen ICE, dem mindestens einen BASF und einer Probe in einer beliebigen Kombination interagiert hat. In einigen Ausführungsformen können die beispielhaften optischen Rechenvorrichtungen im Besonderen konfiguriert sein, um ein bestimmtes Charakteristikum einer Probe, wie etwa eine Konzentration einer Komponente der Probe oder andere Charakteristika, nachfolgend ausführlicher erörtert, zu detektieren, zu analysieren und quantitativ zu messen. In anderen Ausführungsformen können die optischen Rechenvorrichtungen universelle optische Vorrichtungen mit einer Verarbeitung nach dem Erwerb (z. B. durch Computermittel) sein, die verwendet werden, um im Besonderen das Charakteristikum der Probe zu detektieren.
  • Bei den gegenwärtig beschriebenen optischen Rechenvorrichtungen wird der Vorteil der Leistung, der Präzision und Genauigkeit kombiniert, die mit Laborspektrometern verknüpft sind, während sie äußerst robust und für den Feldeinsatz geeignet sind. Ferner können die optischen Rechenvorrichtungen Berechnungen (Analysen) in Echtzeit oder nahezu in Echtzeit durchführen, ohne dass eine zeitaufwändige Probenverarbeitung erforderlich ist. In dieser Hinsicht können die optischen Rechenvorrichtungen im Besonderen konfiguriert sein, um bestimmte Charakteristika einer Probe zu detektieren und zu analysieren. In einigen Ausführungsformen kann die detektierte Ausgabe in eine Spannung umgewandelt werden, die für die Größenordnung des Charakteristikums der Probe bezeichnend ist.
  • Die optischen Rechenvorrichtungen der vorliegenden Offenbarung werden betrieben, indem zwischen optischen (oder Spannungs-)Signalen in Bezug auf ein Charakteristikum einer Probe und Störsignalen (z. B. Streulicht oder „Geister“-Signalen) unterschieden wird. Derartiges Streulicht (hierin auch als „Streulichtreflexionen“ bezeichnet) betrifft ein optisches Signal, das nicht mit der interessierenden Probe in Zusammenhang steht und das tendenziell das gewünschte Signal ändern kann, das durch den optischen Strahlengang befördert wird und der Probe oder dem Charakteristikum davon entspricht. In einigen Ausführungsformen kann das Streulicht Charakteristika einer Probe betreffen, die nicht interessant sind oder es kann in einigen Fällen Abweichungen hinsichtlich der Strahlung betreffen, einschließend zum Beispiel Intensitätsschwankungen hinsichtlich der elektromagnetischen Strahlung, Schwankungen einer Störsubstanz (z. B. Staub oder andere Störsubstanzen, die vor einer elektromagnetischen Strahlungsquelle vorbeigehen), Beschichtungen an Fenstern, die mit der optischen Rechenvorrichtung eingeschlossen sind (z. B. Probenfenster), Kombinationen davon oder dergleichen.
  • Wenn es nicht effektiv verringert oder auf andere Weise verhindert wird, kann das Streulicht dazu dienen, die detektierte elektromagnetische Strahlung nachteilig zu ändern, woraus sich im Wesentlichen eine verringerte Genauigkeit, Präzision, Empfindlichkeit und Detektionsgrenze ergeben. Frühere Mittel zum Verringern von Streulicht stützten sich zum Beispiel auf physikalische Maskierungsverfahren, Blenden und Abschirmungen. Jedoch verringern oder beseitigen die drehbaren BASFs in Kombination mit den ICE-Komponenten in den hierin beschriebenen optischen Rechenvorrichtungen zusätzlich zu den zuvor beschriebenen Vorteilen im Hinblick auf die drehbaren BASFs der vorliegenden Offenbarung außerdem Streulicht und verstärken die Empfindlichkeit und das Ausgabesignal der optischen Rechenvorrichtungen, die sie umfassen (verringern z. B. das Signal-Rausch-Verhältnis), im Vergleich zu zuvor verwendeten Mitteln.
  • Die optischen Rechenvorrichtungen können nicht nur konfiguriert sein, um die Zusammensetzung und Konzentrationen einer Probe zu detektieren, sondern sie können außerdem konfiguriert sein, um auf Grundlage ihrer Analyse der elektromagnetischen Strahlung, die aus dem optischen Strahlengang, umfassend die Probe, empfangen wird, ebenso physikalische Eigenschaften und andere Charakteristika der Probe zu bestimmen. Zum Beispiel können die optischen Rechenvorrichtungen konfiguriert sein, um unter Verwendung geeigneter Verarbeitungsmittel die Konzentration der Probe zu bestimmen und die bestimmte Konzentration mit einem Charakteristikum der Probe zu korrelieren. Es versteht sich, dass die optischen Rechenvorrichtungen konfiguriert sein können, um für eine gegebene Probe so viele Charakteristika wie gewünscht zu detektieren. Alles, was zum Erreichen der Überwachung mehrerer interessierender Charakteristika erforderlich ist, ist die Einbindung geeigneter Verarbeitungs- und Detektionsmittel in der optischen Rechenvorrichtung für jedes interessierende Charakteristikum (z. B. Konzentration eines Analyten und dergleichen). In einigen Ausführungsformen können die Eigenschaften der Probe unter Verwendung einer Kombination von interessierenden Charakteristika (z. B. einer linearen, nicht linearen, logarithmischen und/oder exponentiellen Kombination) bestimmt werden. Dementsprechend gilt, je mehr Charakteristika unter Verwendung der optischen Rechenvorrichtungen detektiert und analysiert werden, desto genauer werden die Eigenschaften der Probe bestimmt. Zum Beispiel können Eigenschaften einer Probe, die unter Verwendung hierin beschriebener optischer Rechenvorrichtungen bestimmt werden können, unter anderem die absolute Konzentration eines Analyten, die jeweiligen Verhältnisse von zwei oder mehr Analyten, das Vorhandensein oder Fehlen eines Analyten und dergleichen und eine beliebige Kombination davon einschließen.
  • Bei den hierin beschriebenen optischen Rechenvorrichtungen wird elektromagnetische Strahlung verwendet, um Berechnungen durchzuführen, im Gegensatz zu den festverdrahteten Schaltungen herkömmlicher elektronischer Prozessoren. Wenn elektromagnetische Strahlung mit einer Probe interagiert, können einzigartige physikalische und chemische Informationen über die Probe in der elektromagnetischen Strahlung codiert werden, die von einem optischen Strahlengang, umfassend die Probe, reflektiert oder durch diesen übertragen wird oder darin strahlt. Die hierin beschriebenen optischen Rechenvorrichtungen sind dazu in der Lage, die Informationen des spektralen Fingerabdrucks mehrerer Charakteristika einer Probe zu extrahieren und diese Informationen in eine detektierbare Ausgabe im Hinblick auf die Gesamteigenschaften des interessierenden überwachten Materials umzuwandeln. Das heißt, dass durch geeignete Konfigurationen der optischen Rechenvorrichtungen elektromagnetische Strahlung, die mit interessierenden Charakteristika verknüpft ist, von elektromagnetischer Strahlung getrennt werden kann, die mit allen anderen Komponenten des interessierenden Materials verknüpft ist, um die Eigenschaften der überwachten Substanz (z. B. einer Verunreinigung) in Echtzeit oder nahezu in Echtzeit, besonders durch einen synergistischen Betrieb des einen oder der mehreren ICEs und des einen oder der mehreren BASFs, umfassend die optischen Rechenvorrichtungen, abzuschätzen.
  • Die Verarbeitungselemente, die in den beispielhaften hierin beschriebenen optischen Rechenvorrichtungen verwendet werden, können als integrierte Rechenelemente (ICE) gekennzeichnet sein. Jedes ICE ist dazu in der Lage, elektromagnetische Strahlung, die mit einer Probe in einem optischen Strahlengang optisch interagiert hat, von anderer elektromagnetischer Strahlung zu unterscheiden. In Bezug auf 1 wird ein beispielhaftes ICE 100 veranschaulicht, das zur Verwendung in den optischen Rechenvorrichtungen geeignet ist, die in den hierin beschriebenen Systemen und Verfahren verwendet werden. Wie veranschaulicht, kann das ICE 100 eine Vielzahl sich abwechselnder Schichten 102 und 104, wie etwa jeweils Silicium (Si) und SiO2 (Quarz), einschließen. Im Allgemeinen bestehen diese Schichten 102, 104 aus Materialien, deren Brechungsindex jeweils hoch und niedrig ist. Andere Beispiele können Nioboxid und Niob, Germanium und Germaniumoxid, MgF, SiOx und andere Materialien mit einem hohen und niedrigen Index einschließen, die in der Technik bekannt sind. Die Schichten 102, 104 können strategisch auf einem optischen Substrat 106 abgelagert werden. In einigen Ausführungsformen ist das optische Substrat 106 optisches BK-7-Glas. In anderen Ausführungsformen kann das optische Substrat 106 eine andere Art eines optischen Substrats sein, wie etwa Quarz, Saphir, Silicium, Germanium, Zinkselenid, Zinksulfid oder verschiedene Kunststoffe, wie etwa Polycarbonat, Polymethylmethacrylat (PMMA), Polyvinylchlorid (PVC), Diamant, Keramik, Kombinationen davon und dergleichen.
  • An dem gegenüberliegenden Ende (z. B. gegenüber dem optischen Substrat 106 in 1) kann das ICE 100 eine Schicht 108 einschließen, die im Allgemeinen gegenüber der Umgebung der Vorrichtung oder Installation freigelegt ist. Die Anzahl der Schichten 102, 104 und die Dicke jeder Schicht 102, 104 werden aus den spektralen Attributen bestimmt, die aus einer spektroskopischen Analyse eines interessierenden Charakteristikums unter Verwendung eines herkömmlichen spektroskopischen Instruments erworben werden. Das interessierende Spektrum eines gegebenen interessierenden Charakteristikums schließt üblicherweise eine beliebige Anzahl unterschiedlicher Wellenlängen ein. Es versteht sich, dass das beispielhafte ICE 100 in 1 eigentlich kein bestimmtes interessierendes Charakteristikum darstellt, sondern lediglich zum Zwecke der Veranschaulichung bereitgestellt wird. Folglich weisen die Anzahl der Schichten 102, 104 und ihre jeweiligen Dicken, wie in 1 gezeigt, keine Korrelation zu einem bestimmten interessierenden Charakteristikum auf. Die Schichten 102, 104 und ihre jeweiligen Dicken sind auch nicht zwingend maßstabsgetreu gezeichnet und sollten demnach nicht als Einschränkung der vorliegenden Offenbarung angesehen werden. Zudem wird ein Fachmann ohne Weiteres erkennen, dass die Materialien, die jede Schicht 102, 104 ausmachen (d. h. Si und SiO2) in Abhängigkeit von der Anwendung, den Materialkosten und/oder der Anwendbarkeit der Materialien für die überwachte Substanz variieren können.
  • In einigen Ausführungsformen kann das Material von jeder Schicht 102, 104 dotiert werden oder zwei oder mehr Materialien können auf eine Weise kombiniert werden, um das gewünschte optische Charakteristikum zu erreichen. Zusätzlich zu Feststoffen kann das beispielhafte ICE 100 außerdem Flüssigkeiten und/oder Gase, gegebenenfalls in Kombination mit Feststoffen, enthalten, um ein gewünschtes optisches Charakteristikum zu erzeugen. Im Falle von Gasen und Flüssigkeiten kann das ICE 100 ein entsprechendes Gefäß (nicht gezeigt) enthalten, welches die Gase oder Flüssigkeiten aufnimmt. Beispielhafte Variationen des ICE 100 können außerdem holographische optische Elemente, Gitter, Piezoelektrik, eine Lichtröhre, eine digitale Lichtröhre (DLP), Molekularfaktorvorrichtungen, variable optische Dämpfer und/oder akustooptische Elemente einschließen, die zum Beispiel eine Übertragung, Reflexion und/oder Absorptionseigenschaften eines interessierenden Materials oder einer Verunreinigung erzeugen können.
  • Die mehreren Schichten 102, 104 weisen unterschiedliche Brechungsindizes auf. Indem die Materialien der Schichten 102, 104 und ihre jeweiligen Dicken und Abstände ordnungsgemäß ausgewählt werden, kann das ICE 100 konfiguriert sein, um vorher festgelegte Fraktionen elektromagnetischer Strahlung mit unterschiedlichen Wellenlängen selektiv zu übertragen/reflektieren/brechen. Jede Wellenlänge wird mit einem vorher festgelegten Gewichtungs- oder Beladungsfaktor versehen. Die Dicke und der Abstand der Schichten 102, 104 können unter Verwendung einer Vielzahl von Näherungsverfahren aus dem Spektrographen des interessierenden Charakteristikums bestimmt werden. Diese Verfahren können eine inverse Fourier-Transformation (IFT) des optischen Übertragungsspektrums und eine Strukturierung des ICE 100 als die physikalische Darstellung der IFT einschließen. Durch die Näherungen wird die IFT auf Grundlage bekannter Materialien mit konstanten Brechungsindizes in eine Struktur umgewandelt.
  • Die Gewichtungen, die für die Schichten 102, 104 des ICE 100 bei jeder Wellenlänge angewendet werden, werden auf die Regressionsgewichtungen eingestellt, die in Bezug auf eine bekannte Gleichung, oder Daten oder eine Spektralsignatur beschrieben werden. Kurz gesagt, kann das ICE 100 konfiguriert sein, um das Skalarprodukt des Eingangslichtstrahls in das ICE 100 und einen gewünschten geladenen Regressionsvektor, der durch jede Schicht 102, 104 für jede Wellenlänge dargestellt wird, auszuführen. Infolgedessen wird die integrierte Ausgangslichtintensität des ICE 100 mit dem interessierenden Charakteristikum in Zusammenhang gebracht.
  • Der drehbare BASF der vorliegenden Offenbarung kann an einer beliebigen Stelle in dem optischen Strahlengang, nachfolgend ausführlicher beschrieben, verwendet werden, um elektromagnetische Strahlung mit einem Zieleinfallswinkel zu übertragen, wodurch selektiv elektromagnetische Strahlung von einer bestimmten elektromagnetischen Strahlungsquelle zugelassen wird, um optisch mit einer Probe zu interagieren und das Signal-Rausch-Verhältnis in dem optischen Strahlengang in Bezug auf die Probe oder das interessierende Charakteristikum der Probe verbessert wird, die von einem Detektor empfangen wird. Wenn das Signal mit einer Probe interagiert hat, ist der Brechungsindex vieler Arten von Proben gegenüber der Wellenlänge möglicherweise nicht äußerst empfindlich und demnach kann der Zieleinfallswinkel für ein breites Band von Frequenzen unter Verwendung des gleichen BASF gleich sein. Der drehbare BASF reflektiert die gesamte oder im Wesentlichen die gesamte elektromagnetische Strahlung, die sich in Winkeln ausbreitet, die nicht mit dem Zieleinfallswinkel übereinstimmen. Wie hierin verwendet, bedeutet der Begriff „im Wesentlichen“ größtenteils, jedoch nicht notwendigerweise vollständig.
  • Ein beliebiger BASF kann in dem optischen Strahlengang gemäß den Verfahren der vorliegenden Offenbarung verwendet werden, wobei der BASF in Bezug auf eine Vielzahl elektromagnetischer Strahlungsquellen in einem optischen Strahlengang um eine Achse drehbar ist. In einigen Ausführungsformen kann die Fähigkeit eines BASF zur Übertragung von Strahlungssignalen, die von einer bestimmten elektromagnetischen Strahlungsquelle (z. B. von einer oder mehreren elektromagnetischen Strahlungsquellen, die in einem optischen Strahlengang gerichtet sind) ausgehen, mit einem Zieleinfallswinkel, größtenteils von dem Vorhandensein optischer Bandlücken in dem BASF, die eine Lichtausbreitung bei bestimmten Frequenzen verhindern und ihrer Übertragung mit einem Einfallswinkel, und der Fähigkeit von photonischen Heterostrukturen zum Erweitern derartiger Bandlücken abhängen. Wie hierin verwendet, beziehen sich der Begriff „Bandlücke“ und grammatische Varianten davon auf Bereiche von Photonenfrequenzen, in denen keine Photonen durch ein Material übertragen werden können. Wie hierin verwendet, bezieht sich der Begriff „photonische Heterostrukturen“ (oder lediglich „Heterostrukturen“) auf ein Stapeln photonischer Materialien (z. B. photonischer Kristalle), die unterschiedliche optische Brechungsindizes aufweisen. In einigen Ausführungsformen können die hierin beschriebenen Heterostrukturen unter Verwendung von Viertelwellenstapeln geformt werden, die variierende Brechungsindizes aufweisen und hinsichtlich der Dicke jeweils einem Viertel einer optischen Wellenlänge entsprechen.
  • Der „Brechungsindex“ eines Materials (z. B. einer interessierenden Probe) eines optischen Mediums ist eine dimensionslose Zahl, die beschreibt, wie viel elektromagnetische Strahlung gebeugt oder gebrochen wird, während sie sich durch ein Material ausbreitet. Der Brechungsindex (n) eines Materials wird durch Gleichung 1:
    Figure DE112015006146T5_0002
    Gleichung 1, bestimmt, wobei ∊r die relative Permittivität des Materials ist und μr die relative Permeabilität des Materials ist. Die relative Permittivität und die relative Permeabilität eines Materials sind von der Frequenz und demnach von der Wellenlänge abhängig. Üblicherweise ist die relative Permeabilität eines Materials bei optischen Frequenzen (obwohl nicht immer) für die meisten natürlich vorkommenden Materialien im Wesentlichen gleich eins (die ganze Zahl 1) und dementsprechend können die variablen Brechungsindizes des photonischen Materials (z. B. photonischer Kristall) in den hierin beschriebenen Heterostrukturen im Wesentlichen oder vollständig auf der relativen Permittivität des Materials basieren.
  • In Bezug auf 2 wird nun eine repräsentative photonische Heterostruktur 200 veranschaulicht, die verwendet werden kann, um die drehbaren BASFs der vorliegenden Offenbarung zu formen. Die Heterostruktur 200 ist aus sich abwechselnden Schichten eines photonischen Materials 204 mit hohem Index und eines photonischen Materials 206 mit niedrigem Index geformt. Wie durch die gestrichelten Linien 208 abgebildet, kann die Anzahl der Schichten eines photonischen Materials 204 mit hohem Index und eines photonischen Materials 206 mit niedrigem Index in Abhängigkeit von der Gestaltung der Heterostruktur 200 variieren. Zum Beispiel können die Schichten der Heterostruktur 200 mehr als etwa 5 Doppelschichten umfassen, wobei eine Doppelschicht eine Schicht eines Materials 204 mit hohem Index und eine Schicht eines Materials 206 mit niedrigem Index einschließt. Das heißt, dass die Anzahl der Doppelschichten gemäß den Verfahren der vorliegenden Offenbarung nicht begrenzt ist. In einigen Ausführungsformen kann die Anzahl der Doppelschichten in dem Viertelwellenstapel 202 zwischen einer Untergrenze von etwa 5 Doppelschichten, 10 Doppelschichten, 20 Doppelschichten, 30 Doppelschichten, 40 Doppelschichten, 50 Doppelschichten, 60 Doppelschichten, 70 Doppelschichten, 80 Doppelschichten, 90 Doppelschichten, 100 Doppelschichten, 110 Doppelschichten, 120 Doppelschichten, 130 Doppelschichten, 140 Doppelschichten, 150 Doppelschichten, 160 Doppelschichten, 170 Doppelschichten, 180 Doppelschichten, 190 Doppelschichten, 200 Doppelschichten, 210 Doppelschichten, 220 Doppelschichten, 230 Doppelschichten, 240 Doppelschichten und 250 Doppelschichten und einer Obergrenze von etwa 500 Doppelschichten, 490 Doppelschichten, 480 Doppelschichten, 470 Doppelschichten, 460 Doppelschichten, 450 Doppelschichten, 440 Doppelschichten, 430 Doppelschichten, 420 Doppelschichten, 410 Doppelschichten, 400 Doppelschichten, 390 Doppelschichten, 380 Doppelschichten, 370 Doppelschichten, 360 Doppelschichten, 350 Doppelschichten, 340 Doppelschichten, 330 Doppelschichten, 320 Doppelschichten, 310 Doppelschichten, 300 Doppelschichten, 290 Doppelschichten, 280 Doppelschichten, 270 Doppelschichten, 260 Doppelschichten und 250 Doppelschichten liegen, wobei ein beliebiger Wert und eine beliebige Teilmenge, gerade oder ungerade, dazwischen eingeschlossen werden. In einigen Ausführungsformen kann jede der Schichten oder Doppelschichten zusätzlich Doppelschichten umfassen, um die Bandlücken, die für einen bestimmten BASF, umfassend die Heterostruktur 200, gewünscht sind, weiter zu verfeinern.
  • Wenn eine steigende Anzahl von Doppelschichten mit photonischem Material 204 mit hohem Index und photonischem Material 206 mit niedrigem Index hinzugefügt wird, wird die Übertragung bestimmter Einfallswinkel von elektromagnetischer Strahlung verringert, wodurch die Reflexion dieser Einfallswinkel erhöht wird. Das heißt, dass die Bandlücke modifiziert wird, indem die Anzahl von Doppelschichten mit photonischem Material 204 mit hohem Index und photonischem Material 206 mit niedrigem Index geändert wird. Wie abgebildet, umfasst die Heterostruktur 200 sich abwechselnde Schichten von Doppelschichten mit photonischem Material 204 mit hohem Index und photonischem Material 206 mit niedrigem Index; jedoch kann die Heterostruktur 200 in anderen Ausführungsformen Schichten mit photonischem Material (oder Doppelschichten oder Schichten, umfassend eine oder mehrere Doppelschichten) aufweisen, die eine geometrische Reihe von Brechungsindizes darstellen, sodass die Brechungsindizes der Schichten geometrisch zu- oder abnehmen, wodurch außerdem die Bandlücke für bestimmte Wellenlängen elektromagnetischer Strahlung modifiziert wird.
  • Wie abgebildet, schließt die Heterostruktur 200 1:1 Stapel (d. h. Doppelschichten) ein, die eine gleiche Dicke, wie etwa eine gleiche optische Dicke (z. B. ein Viertel einer optischen Wellenlänge hinsichtlich der Dicke) aufweisen. Jedoch kann auch eine Stapelung höherer Ordnung zur Verwendung als der drehbare BASF der vorliegenden Offenbarung geeignet sein. Zum Beispiel kann eine 2:1 oder 3:1 Stapelung für photonisches Material 204 mit hohem Index:photonischem Material 206 mit niedrigem Index oder für photonisches Material 206 mit niedrigem Index:photonischem Material 204 mit hohem Index geeignet sein. Eine andere Stapelung höherer Ordnung kann ebenfalls eingesetzt werden, ohne von dem Umfang der vorliegenden Offenbarung abzuweichen. Zudem kann die doppelte oder dreifache Stapelung einer Art von photonischem Material quasi eine einzige Schicht mit einer erhöhten Dicke sein. Bei diesen Stapeln höherer Ordnung kann das Verhältnis zwischen der optischen Dicke von photonischem Material mit hohem Index und photonischem Material mit niedrigem Index in ganzzahligen Vielfachen eingestellt werden, wie etwa indem die Dicke des photonischen Materials mit hohem Index verringert wird, während die gewünschten spektralen Bandlücken bewahrt werden.
  • In einigen Ausführungsformen können die Größe, Dicke oder Form von zwei benachbarten photonischen Materialien in einer Heterostruktur, die einen drehbaren BASF gemäß der vorliegenden Offenbarung formt, variiert werden, um eine gewünschte Bandlücke zu erreichen. Zum Beispiel (nicht gezeigt) kann eine zweite Schicht A so angeordnet sein, dass sie eine kleinere Größe aufweist als eine erste und dritte Schicht B, welche die Schicht A umgeben. Die zweite Schicht A kann eine photonische Bandlücke aufweisen, die innerhalb der photonischen Bandlücke der ersten und dritten Schicht B liegt. Dementsprechend wird elektromagnetische Strahlung, die eine Wellenlänge außerhalb der Bandlücke von Schicht A, aber innerhalb der Bandlücke von Schicht B aufweist, durch die Schicht B reflektiert und demnach innerhalb von Schicht A zurückgehalten.
  • In einigen Ausführungsformen kann das Material, das die Schichten der Heterostruktur 200 zum Formen des drehbaren BASF formt, ein beliebiges photonisches Kristallmaterial, einschließend isotropes und anisotropes Material, sein, das in Bezug aufeinander in den Schichten, welche die Heterostruktur 200 formen, abwechselnd oder auf andere Weise angeordnet werden kann. Die photonischen Kristallschichten können unter anderem eine Verbindung auf Siliciumbasis (z. B. Siliciumdioxid, Silicium und dergleichen), eine Verbindung auf Tantalbasis (z. B. Tantalpentoxid und dergleichen), eine Halbleiterverbindung der Gruppe III-V (z. B. Galliumarsenid, Indiumgalliumarsenid, Indiumphosphid und dergleichen), eine Metallverbindung der Gruppe IVB (z. B. Titanoxid, Zirconiumoxid, Hafniumoxid und dergleichen), ein Dielektrikum und eine beliebige Kombination davon einschließen.
  • In Bezug auf 3 wird nun ein Blockdiagramm veranschaulicht, das nichtmechanistisch veranschaulicht, wie eine optische Rechenvorrichtung 300, umfassend einen drehbaren BASF und ein ICE dazu in der Lage ist, elektromagnetische Strahlung in Bezug auf ein interessierendes Charakteristikum in einer Probe gemäß einer oder mehreren hierin enthaltenen Ausführungsformen zu unterscheiden. Der drehbare BASF ist dazu in der Lage, elektromagnetische Strahlung, die von einer bestimmten elektromagnetischen Strahlungsquelle kommt, mit einem Zieleinfallswinkel zu übertragen und elektromagnetische Strahlung, die nicht mit dem Zieleinfallswinkel übereinstimmt (die z. B. nicht von der bestimmten interessierenden Strahlungsquelle stammt) zu reflektieren. Wie in 3 gezeigt, umfasst die optische Rechenvorrichtung eine Vielzahl elektromagnetischer Strahlungsquellen 302a, 302b und 302c; einen drehbaren BASF 304, ein ICE 308 und einen Detektor 310. Eine Probe 306 befindet sich in dem optischen Strahlengang, der durch jede der elektromagnetischen Strahlungsquellen 302a, b, c erzeugt wird. Obwohl nicht gezeigt, kann die Vorrichtung 300 in einem Futterrohr oder Gehäuse aufgenommen werden, das konfiguriert ist, um im Wesentlichen die inneren Komponenten der Vorrichtung 300 vor Schäden oder einer Verunreinigung aus der äußeren Umgebung zu schützen. Das Gehäuse kann betrieben werden, um die Vorrichtung 300 mechanisch an einen Flusspfad (nicht gezeigt), der die Probe 306 umfasst und die Probe in dem optischen Strahlengang platziert, zu koppeln oder sie auf andere Weise in Kommunikation damit zu platzieren. Das Gehäuse kann die Vorrichtung 300 zum Beispiel mit mechanischen Befestigungselementen, Hartlöt- oder Schweißmethoden, Klebstoffen, Magneten, anderen Befestigungsvorrichtungen, Kombinationen davon oder dergleichen mechanisch an einen Flusspfad koppeln.
  • Jede elektromagnetische Strahlungsquelle 302a, b, c kann konfiguriert sein, um elektromagnetische Strahlung, jeweils 312a, 312b und 312c, zu generieren und kann eine beliebige Vorrichtung sein, die dazu in der Lage ist. Zum Beispiel können die elektromagnetischen Strahlungsquellen 302a, b, c eine Glühbirne, eine lichtemittierende Vorrichtung (LED), ein Laser, ein Schwarzer Körper, ein photonischer Kristall, eine Röntgenstrahlenquelle, eine Gammastrahlenquelle, Kombinationen davon oder dergleichen sein. Jede elektromagnetische Strahlungsquelle 302a, b, c kann eine unterschiedliche Wellenlänge elektromagnetischer Strahlung emittieren, wie etwa um einen größeren Bereich von Wellenlängen abzudecken, die für eine oder mehrere bestimmte Proben oder Charakteristika von Proben selektiv sein können. Das heißt, dass jede der elektromagnetischen Strahlungsquellen 302a, b, c eine andere Wellenlänge oder ein anderes Wellenlängenband emittieren kann. Wenn Wellenlängenbänder ausgewählt sind, können sich die Wellenlängenbänder bei einigen Wellenlängen überlappen, ohne von dem Umfang der vorliegenden Offenbarung abzuweichen. Dementsprechend können die elektromagnetischen Strahlungsquellen Einzelband-, Schmalband- oder Breitbandwellenlängen und eine beliebige Kombination davon emittieren (hierin jeweils gemeinsam lediglich als „Wellenlänge“ bezeichnet).
  • Obwohl die Ausführungsform in 3 drei elektromagnetische Strahlungsquellen abbildet, versteht es sich, dass eine beliebige Anzahl elektromagnetischer Strahlungsquellen gemäß den Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung verwendet werden kann, einschließend eine, zwei oder mehr als drei, wie etwa vier, fünf, sechs, sieben, acht, neun, zehn oder sogar mehr, ohne von dem Umfang der vorliegenden Offenbarung abzuweichen. Die Obergrenze elektromagnetischer Strahlungsquellen kann in einigen Ausführungsformen gleich n sein, wobei n der Anzahl einzelner Wellenlängen entspricht, über welche das eine oder die mehreren ICE in dem optischen Strahlengang konzipiert ist bzw. sind, um optisch damit zu interagieren. Die Anzahl elektromagnetischer Strahlungsquellen kann in Abhängigkeit von einer Anzahl von Faktoren ausgewählt werden, einschließend unter anderem die Art und Menge an zu analysierenden Proben und Charakteristika von Proben, die physikalischen räumlichen Beschränkungen für die optische Rechenvorrichtung und dergleichen.
  • Wie in 3 gezeigt, können die elektromagnetischen Strahlungsquellen 302a, b, c in Bezug auf den optischen Strahlengang mit einer einzigartigen Winkelverschiebung lokalisiert werden. Die Winkelverschiebung um den optischen Strahlengang kann sich an einer Stelle vor oder nach dem drehbaren BASF 304 befinden, ohne von dem Umfang der vorliegenden Offenbarung abzuweichen. Zudem kann ein Teil der elektromagnetischen Strahlungsquellen in einer bestimmten optischen Rechenvorrichtung vor dem hierin beschriebenen drehbaren BASF lokalisiert werden und ein anderer Teil kann nach dem drehbaren BASF lokalisiert werden, oder alle der elektromagnetischen Strahlungsquellen können sich in einer bestimmten optischen Rechenvorrichtung vor oder nach dem drehbaren BASF befinden, ohne von dem Umfang der vorliegenden Offenbarung abzuweichen. Die einzigartige Winkelverschiebung von jeder elektromagnetischen Strahlungsquelle 302a, b, c erlaubt eine optisch Interaktion der emittierten elektromagnetischen Strahlung 312a, b, c mit dem drehbaren BASF mit einem bestimmten und einzigartigen Einfallswinkel.
  • In der Praxis kann jede der elektromagnetischen Strahlungsquellen 302a, b, c unabhängig verwendet werden. Das heißt, dass lediglich eine der elektromagnetischen Strahlungsquellen 302a, b, c zu einem bestimmten Zeitpunkt jeweils die elektromagnetische Strahlung 312a, b, c, in den optischen Strahlengang emittiert, damit diese in einer beliebigen Reihenfolge auf den drehbaren BASF, die Probe und das ICE auftrifft. Auf eine solche Art und Weise kann die bestimmte Wellenlänge oder das bestimmte Band von Wellenlängen, die bzw. das für eine optische Interaktion mit einer bestimmten Probe oder einem bestimmten Charakteristikum einer Probe erwünscht ist, selektiv ausgewählt werden, indem der drehbare BASF 304 gedreht wird, um die elektromagnetische Strahlung von der gewünschten elektromagnetischen Strahlungsquelle auf Grundlage des Zieleinfallswinkels zu sammeln.
  • Wie in 3 gezeigt, sind die elektromagnetischen Strahlungsquellen 302a, b, c mit einer einzigartigen Winkellage um den optischen Strahlengang versetzt, um die elektromagnetische Strahlung 312a, b, c in den optischen Strahlengang zu emittieren. Die elektromagnetische Strahlung 312a, b, c kann dann auf den drehbaren BASF 304 der vorliegenden Offenbarung treffen. Der drehbare BASF 304 kann aus einem BASF, wie zuvor beschrieben, bestehen, wobei der BASF um eine Achse drehbar ist, die zu dem optischen Strahlengang senkrecht verläuft. Der drehbare BASF 304 kann durch beliebige Mittel drehbar sein, die nicht die Fähigkeit des BASF zum Übertragen oder Reflektieren elektromagnetischer Strahlung mit bestimmten Einfallswinkeln, wie hierin beschrieben, beeinträchtigen. Zum Beispiel kann der drehbare BASF 304 durch einen Stangen- oder Klemmmechanismus drehbar sein, der an einem Punkt oder entlang des Umfangs des BASF, wie etwa an einer Stelle, die nicht auf elektromagnetische Strahlung trifft oder an einer Stelle lokalisiert wird, an der elektromagnetische Strahlung nicht übertragen oder reflektiert werden muss. In einigen Fällen können die Stange oder die Klemme an der Oberseite oder Unterseite des drehbaren BASF 304 lokalisiert werden und können die gesamte Breite des Umfangs des BASF umspannen oder nicht. Andere Befestigungsmechanismen, um eine Drehung des drehbaren BASF 304 um eine Achse senkrecht zu dem optischen Strahlengang zu ermöglichen, können ebenso verwendet werden, wie etwa mithilfe von mechanischen Befestigungselementen, Hartlöt- oder Schweißmethoden, Klebstoffen, Magneten, anderen Befestigungsvorrichtungen, Kombinationen davon oder dergleichen.
  • Die Drehung des drehbaren BASF 304 kann durch beliebige Mittel erreicht werden, die zum Positionieren des drehbaren BASF 304 in einer Winkelausrichtung in der Lage sind, die dazu in der Lage ist, die elektromagnetische Strahlung 312a, b, c von der bestimmten elektromagnetischen Strahlungsquelle 302a, b, c auf Grundlage eines Einfallswinkels zu empfangen. In einigen Ausführungsformen kann die Drehung des drehbaren BASF 304 durch eine mechanische Drehung (z. B. manuelle Drehung), eine elektrische Drehung (z. B. computergesteuert) und eine beliebige Kombination davon erreicht werden. Das heißt, dass derselbe BASF 304 in einigen Fällen sowohl zu einer elektrischen Drehung als auch einer mechanischen Drehung in der Lage sein kann (z. B. kann die elektrische Drehung aufgehoben werden). Eine Drehung kann durch eine Schraube, eine Kurbel, eine Stange, eine computergesteuerte Verbindung, und dergleichen und Kombinationen davon erreicht werden. Andere Mittel für die Drehung können in den hierin beschriebenen Ausführungsformen ebenfalls eingesetzt werden, ohne von dem Umfang der vorliegenden Offenbarung abzuweichen.
  • Die Winkelselektion des drehbaren BASF 304 basiert darauf, welche elektromagnetische Strahlungsquelle 302a, b, c mit der Probe 306 interagieren soll. Sobald eine Drehung erfolgt ist, wird der Einfallswinkel der ausgewählten elektromagnetischen Strahlungsquelle 302a, b, c aufgrund seiner Winkelausrichtung durch den drehbaren BASF 304 in den optischen Strahlengang übertragen. Zum Beispiel wird, wenn der drehbare BASF 304 in einem Brewster-Winkel („ӨB“) gedreht wird, die elektromagnetische Quelle 302a vollständig durch den drehbaren BASF 304 in den optischen Strahlengang übertragen. Wenn der drehbare BASF 304 mehr als in einem ӨB gedreht wird, wird die elektromagnetische Strahlung 312b von der elektromagnetischen Strahlungsquelle 302b vollständig durch den drehbaren BASF 304 in den optischen Strahlengang übertragen. Schließlich wird, wenn der drehbare BASF 304 weniger als in dem ӨB gedreht wird, die elektromagnetische Strahlung 312c von der elektromagnetischen Strahlungsquelle 302c vollständig durch den drehbaren BASF 304 in den optischen Strahlengang übertragen. Zusätzlich reflektiert der drehbare BASF 304 bei diesen Winkeln Strahlungssignale, die nicht mit dem Zieleinfallswinkel übereinstimmen. Zum Beispiel kann, wie in 3 gezeigt, der drehbare BASF 304 gedreht werden, um die elektromagnetische Strahlung 312a mit einem Zieleinfallswinkel von der Quelle 302a zu übertragen und ein oder mehrere Streulichtstrahlungssignale 314 zu reflektieren, die nicht mit dem Zieleinfallswinkel übereinstimmen. Dadurch wird es jeder der elektromagnetischen Strahlungsquellen 302a, b, c erlaubt, gleichzeitig in Betrieb (z. B. beleuchtet) zu sein, es wird jedoch zu einem beliebigen Zeitpunkt lediglich eine Übertragung von einer ausgewählten Strahlungsquelle 302a, b, c ermöglicht. Obwohl nicht gezeigt, können, wenn der drehbare BASF 304 gedreht wird, um die elektromagnetische Strahlung 312b, c aufzunehmen, ähnliche Streulichtreflexionen, die nicht mit dem Zieleinfallswinkel von der ausgewählten Strahlungsquelle 302a, b, c übereinstimmen, ebenso durch den drehbaren BASF 304 reflektiert werden.
  • Obwohl der drehbare BASF 304 in 3 an einer Position lokalisiert wird, um die elektromagnetische Strahlung 312a, b, c direkt von einer der elektromagnetischen Strahlungsquellen 302a, b, c zu empfangen, versteht es sich, dass der drehbare BASF 304 an einem beliebigen Punkt entlang des optischen Strahlengangs vor dem ICE 308 lokalisiert werden kann, ohne von dem Umfang der vorliegenden Offenbarung abzuweichen. Zum Beispiel kann der drehbare BASF 304 zwischen der Probe 306 und dem ICE 308 lokalisiert werden, wobei die Probe 306 selbst entweder vor lokalisiert wird, ohne von dem Umfang der vorliegenden Offenbarung abzuweichen. Das heißt, dass der drehbare BASF 304 dazu in der Lage ist, Signale, die einer bestimmten elektromagnetischen Strahlungsquelle 302a, b, c entsprechen, auf Grundlage eines Zieleinfallswinkels unabhängig von ihrer Position in dem optischen Strahlengang zu unterscheiden.
  • In einigen Ausführungsformen kann der drehbare BASF der vorliegenden Offenbarung ein eigenständiger Filter sein, wie etwa in 3 (und 4 nachfolgend) gezeigt. Wie hierin verwendet, beziehen sich der Begriff „eigenständiger Filter“ und grammatische Varianten davon auf einen drehbaren selektiven Breitbandwinkelfilter, wie hierin beschrieben, der nicht mit einer beliebigen Komponente der hierin beschriebenen optischen Rechenvorrichtungen einstückig ausgebildet ist. Wenn der BASF ein eigenständiger Filter ist, wie zuvor beschrieben, kann er an einer beliebigen Stelle in dem optischen Strahlengang lokalisiert werden, einschließend unter anderem zwischen der elektromagnetischen Strahlungsquelle und der Probe, zwischen der Probe und dem ICE, zwischen dem ICE und dem Detektor und eine beliebige Kombination davon. Er kann dann mit einer oder mehreren der elektromagnetischen Strahlung, der optisch interagierenden Strahlung, der modifizierten elektromagnetischen Strahlung und einer beliebigen Kombination davon optisch interagieren. Wie hierin verwendet, bezieht sich der Begriff „optisch interagierende Strahlung“ auf elektromagnetische Strahlung, die optisch interagierende Strahlung entweder mit einer Probe oder einem ICE, jedoch nicht beides, aufweist. Wie hierin verwendet, bezieht sich der Begriff „modifizierte elektromagnetische Strahlung“ auf elektromagnetische Strahlung, die sowohl mit einer Probe als auch einem ICE in einer beliebigen Reihenfolge optisch interagiert hat.
  • In anderen Ausführungsformen (nicht gezeigt) kann der drehbare BASF in der Form eines Mehrschicht-Filmstapels vorliegen, der auf einer Komponente der hierin beschriebenen optischen Rechenvorrichtungen abgelagert ist. Derartige drehbare Mehrschicht-Filmstapel-BASFs können auf einer Komponente abgelagert werden, einschließend unter anderem das ICE in den hierin beschriebenen optischen Rechenvorrichtungen. In anderen Ausführungsformen können die drehbaren Mehrschicht-Filmstapel-BASFs auf einem Probenfenster abgelagert werden, wenn dies in der optischen Rechenvorrichtung, wie nachfolgend erörtert, eingeschlossen ist, ohne von dem Umfang der vorliegenden Offenbarung abzuweichen. In derartigen Ausführungsformen kann die Komponente an sich drehbar sein, um die Drehung des drehbaren BASF auf die gleiche Weise oder durch die gleichen Mittel unterzubringen, die zuvor in Bezug auf 3 erörtert wurden, um den drehbaren BASF zu einem Winkel zu drehen, um einen Zieleinfallswinkel von elektromagnetischer Strahlung, optisch interagierender elektromagnetischer Strahlung und/oder modifizierter elektromagnetischer Strahlung anzunehmen. Zudem können beliebige andere Mittel zum Drehen des drehbaren BASF eingesetzt werden, wenn er in der Form eines abgelagerten Mehrschicht-Filmstapels auf einer Komponente der hierin beschriebenen optischen Rechenvorrichtungen vorliegt, ohne von dem Umfang der vorliegenden Offenbarung abzuweichen.
  • Es können standardmäßige Dünnfilmabscheidungsverfahren zum Ablagern der Mehrstapel-Filmschicht auf einer oder mehreren Komponenten der hierin beschriebenen optischen Rechenvorrichtungen verwendet werden, ohne von dem Umfang der vorliegenden Offenbarung abzuweichen. In einigen Ausführungsformen kann die Ablagerung durch eine Fertigung des drehbaren BASF aus einem optischen Substrat erreicht werden, welches dann als ein ICE arbeiten kann. In anderen Ausführungsformen kann der Mehrschicht-Filmstapel auf einer oder mehreren Komponenten der optischen Rechenvorrichtungen unter Verwendung des reaktiven Magnetronsputterns, des Elektronenstrahlverdampfens, der chemischen Gasphasenabscheidung, und dergleichen, und einer beliebigen Kombination davon abgelagert werden.
  • Wie in 3 gezeigt, interagiert die elektromagnetische Strahlung 312a, b, c nach dem Übertragen der gewünschten elektromagnetischen Strahlung 312a, b, c von der gewünschten elektromagnetischen Strahlungsquelle 302a, b, c durch den gedrehten drehbaren BASF 304 optisch mit der Probe 306. Infolgedessen wird die elektromagnetische Strahlung 312a, b, c von der Probe reflektiert, wodurch die optisch interagierende Strahlung (z. B. mit der Probe interagierendes Licht) 316a, b, c generiert wird. Ein Fachmann wird jedoch ohne Weiteres erkennen, dass es alternative Variationen der Vorrichtung 300 ermöglichen können, dass die optisch interagierende Strahlung 316a, b, c generiert wird, indem sie durch die und/oder von der Probe 306 oder einen bzw. einem oder mehrere(n) Analyten der Probe 306 übertragen, gestreut, gebeugt, absorbiert, emittiert oder wiederausgestrahlt wird, ohne von dem Umfang der vorliegenden Offenbarung abzuweichen.
  • Wie zuvor erwähnt, kann die Probe in einigen Ausführungsformen in einem Flusspfad lokalisiert werden, statisch sein, sich auf einem Förderband bewegen und dergleichen. In einigen Ausführungsformen kann der Flusspfad in einem Bohrloch in einer unterirdischen Formation lokalisiert werden und die Probe kann fließen. In anderen Ausführungsformen kann die statische Probe ebenso in einer unterirdischen Formation lokalisiert werden, wie etwa aus einer Probe, die durch einen Formationstester entnommen wurde oder sie kann anderweitig außerhalb einer unterirdischen Formation oder darin in einem Haltegefäß lokalisiert werden. In einigen Ausführungsformen kann sich ein Probenfenster in dem optischen Strahlengang befinden, der angrenzend an die oder anderweitig in Kontakt mit der Probe 306 lokalisiert wird (z. B. kann er einen Teil des Flusspfades formen, zum Beispiel), wobei die elektromagnetische Strahlung 312a, b, c vor dem Auftreffen auf die Probe 306 durch das Probenfenster hindurchgeht, um die optisch interagierende Strahlung 316a, b, c zu generieren. Das Probenfenster kann aus einer Vielzahl transparenter, starrer oder halbstarrer Materialien bestehen, die konfiguriert sind, um eine Übertragung der elektromagnetischen Strahlung 312a, b, c (oder eines beliebigen anderen Strahlungssignals in dem optischen Strahlengang, wie nachfolgend beschrieben) dahindurch zu ermöglichen. Zum Beispiel kann das Probenfenster so hergestellt werden, dass es unter anderem aus Glas, Kunststoffen, Halbleitern, kristallinen Materialien, polykristallinen Materialien, heiß- oder kaltgepressten Pulvern, Kombinationen davon, oder dergleichen besteht. In einigen Ausführungsformen kann das Probenfenster sowohl als ein Übertragungsfenster als auch als ein ICE (d. h. eine Spektralkomponente) einem doppelten Zweck dienen.
  • Die optisch interagierende Strahlung 316a, b, c, die durch die Interaktion mit der Probe 306 generiert wird, kann zu einem ICE 308, das in dem optischen Strahlengang angeordnet ist, gerichtet oder anderweitig davon empfangen werden. Das ICE 308 kann eine Spektralkomponente sein, die im Wesentlichen dem zuvor in Bezug auf 1 beschriebenen ICE 100 ähnelt. Dementsprechend kann das ICE 308 im Betrieb konfiguriert sein, um die optisch interagierende Strahlung 316a, b, c zu empfangen und die modifizierte elektromagnetische Strahlung 318a, b, c zu erzeugen, die einem bestimmten interessierenden Charakteristikum der Probe 306 entspricht.
  • Wie zuvor angegeben, bezieht sich der Begriff „optisch interagierende Strahlung“ auf elektromagnetische Strahlung, die optisch interagierende Strahlung entweder mit einer Probe oder einem ICE, jedoch nicht beides, aufweist und der Begriff „modifizierte elektromagnetische Strahlung“ bezieht sich auf elektromagnetische Strahlung, die sowohl mit einer Probe als auch einem ICE in einer beliebigen Reihenfolge optisch interagiert hat. Zum Beispiel wird, wie in 3 gezeigt und zuvor erörtert, in einigen Ausführungsformen das ICE 308 in dem optischen Strahlengang nach der Probe 306 lokalisiert, wobei die elektromagnetische Strahlung 312a, b, c zunächst optisch mit der Probe 306 interagiert, um die optisch interagierende Strahlung 316a, b, c (z. B. mit der Probe interagierendes Licht) zu generieren, und die optisch interagierende Strahlung 316a, b, c dann mit dem ICE 308 optisch interagiert, um die modifizierte elektromagnetische Strahlung 318a, b, c in dem optischen Strahlengang zu generieren. In anderen Ausführungsformen kann das ICE 308a (mit gestrichelten Linien gezeigt) in einem optischen Strahlengang vor der Probe 306 lokalisiert werden, wobei die elektromagnetische Strahlung 312a, b, c zunächst optisch mit dem ICE 308 interagiert, um in einem optischen Strahlengang optisch interagierende Strahlung 316a, b, c zu generieren, und die optisch interagierende Strahlung 316a, b, c dann mit der Probe 306 optisch interagiert, um die modifizierte elektromagnetische Strahlung in dem optischen Strahlengang 318a, b, c zu generieren. Das heißt, dass die Anordnung der Probe 306 in Bezug auf das ICE 308, 308a in dem optischen Strahlengang nicht einschränkend ist und nicht die Fähigkeit der optischen Rechenvorrichtung 300 zum Detektieren eines interessierenden Charakteristikums der Probe 306 beeinträchtigt.
  • Obwohl lediglich ein ICE 308 in der Vorrichtung 300 gezeigt ist, werden hierin Ausführungsformen in Erwägung gezogen, welche die Verwendung von mindestens zwei ICE-Komponenten in der Vorrichtung 308 einschließen, die konfiguriert sind, um zusammenwirkend das interessierende Charakteristikum in der Probe 306 zu bestimmen. Zum Beispiel können zwei oder mehr ICE-Komponenten 308 in der Vorrichtung 300 an einem beliebigen Punkt entlang des optischen Strahlengangs in Reihe oder parallel angeordnet und konfiguriert sein, um die elektromagnetische Strahlung 312a, b, c, die optisch interagierende Strahlung 316a, b, c und/oder die modifizierte elektromagnetische Strahlung 318a, b, c zu empfangen, ohne von dem Umfang der vorliegenden Offenbarung abzuweichen. Die zwei oder mehr ICE-Komponenten 308 können verwendet werden, um Empfindlichkeiten und Detektorgrenzen der Vorrichtung 300 zu verbessern.
  • Obwohl in 3 nicht gezeigt, versteht es sich, dass ein oder mehrere nicht drehbare BASFs an einem beliebigen Punkt entlang des optischen Strahlengangs nach dem drehbaren BASF 304 lokalisiert werden können, einschließend vor oder nach der Probe 306, ohne von dem Umfang der vorliegenden Offenbarung abzuweichen. Die nicht-drehbaren BASFs können dazu dienen, ferner zu gewährleisten, dass lediglich die elektromagnetische Strahlung 312a, b, c, die optisch interagierende elektromagnetische Strahlung 316a, b, c und die modifizierte elektromagnetische Strahlung 318a, b, c mit einem bestimmten Zieleinfallswinkel oder einem bestimmten Bereich davon an einem bestimmten Punkt in dem optischen Strahlengang bleiben. Jeder der zusätzlichen nicht drehbaren BASFs, kann, wenn in dem optischen Strahlengang eingeschlossen, abgestimmt werden, um in Abhängigkeit von seiner Position in dem optischen Strahlengang, der elektromagnetischen Strahlung, für die erwartet wird, dass sie mit den BASFs optisch interagiert und dergleichen, den gleichen Einfallswinkel oder unterschiedliche Einfallswinkel zu übertragen.
  • Elektromagnetische Strahlung, die mit mindestens einem von dem drehbaren BASF 304, der Probe 306 und dem ICE 308 optisch interagiert hat, kann hierin als „nach dem Winkel ausgewählte modifizierte elektromagnetische Strahlung“ (ASMR) (nicht gezeigt) bezeichnet werden. Es ist die ASMR, die von einem Detektor 310 für die Analyse und die Quantifizierung empfangen werden kann. Zudem kann der Detektor 310 eine Vielzahl von ASMR-Signalen von einer Vielzahl einzigartiger Ausrichtungen des drehbaren BASF 304 in der Vorrichtung 300 empfangen, ohne von dem Umfang der vorliegenden Offenbarung abzuweichen. Das heißt, dass der Detektor 310 mehr als ein Signal empfangen kann, das von mehr als einer elektromagnetischen Strahlungsquelle 302a, b, c ausgeht. Der Detektor 310 kann eine beliebige Vorrichtung sein, die dazu in der Lage ist, elektromagnetische Strahlung zu detektieren und kann im Allgemeinen als ein optischer Wandler gekennzeichnet sein. In einigen Ausführungsformen kann der Detektor 310 unter anderem Folgendes sein: ein Wärmedetektor, wie etwa eine Thermosäule oder ein photoakustischer Detektor, ein Halbleiterdetektor, ein piezoelektrischer Detektor, ein Detektor einer ladungsgekoppelten Vorrichtung (CCD), ein Video- oder Array-Detektor, ein Split-Detektor, ein Quad-Detektor, ein Photonendetektor (wie etwa eine Photovervielfacherröhre), Photodioden, Kombinationen davon, und dergleichen, oder andere Detektoren, die einem Fachmann bekannt sind.
  • In einigen Ausführungsformen kann der Detektor 310 konfiguriert sein, um ein Ausgabesignal 426 in Form einer Spannung (oder Stromstärke) in Echtzeit oder nahezu in Echtzeit zu erzeugen, das dem bestimmten interessierenden Charakteristikum der Probe 306 entspricht. Die Spannung, die von dem Detektor 310 zurückgeschickt wird, ist im Wesentlichen das Skalarprodukt der optischen Interaktion der ASMR in Bezug auf das ICE 308 als eine Funktion des interessierenden Charakteristikums. Von daher können das Ausgabesignal, das von dem Detektor 310 erzeugt wird und das interessierende Charakteristikum eine Beziehung aufweisen, die direkt proportional ist oder sie können einer Polynomfunktion, einer Exponentialfunktion, einer Logarithmusfunktion, einer Kombination davon oder dergleichen entsprechen.
  • In einigen Ausführungsformen kann bzw. können das bzw. die reflektierte(n) Streusignal(e) von dem drehbaren BASF 304, das bzw. die nicht mit dem Zieleinfallswinkel übereinstimmt bzw. übereinstimmen, zum Beispiel Streusignal 314, mit bestimmten Charakteristika der Probe 306 in Zusammenhang stehen oder lediglich nicht auf die Probe 306 bezogenes Licht sein, und von dem Detektor 318 weggelenkt werden. In alternativen Konfigurationen (nicht gezeigt) kann ein zweites ICE so positioniert sein, dass das bzw. die reflektierte(n) Streusignal(e) 314 damit optisch interagieren, um zu einem zweiten Detektor befördert zu werden, der im Wesentlichen dem Detektor 310 ähnelt, wenn er diesem nicht sogar entspricht, ohne von dem Umfang der vorliegenden Offenbarung abzuweichen.
  • Das interessierende Charakteristikum bzw. die interessierenden Charakteristika, das bzw. die unter Verwendung der optischen Rechenvorrichtung 300 analysiert wird bzw. werden, kann bzw. können ferner rechnerisch verarbeitet und/oder analysiert werden, um zusätzliche Charakterisierungsinformationen über die Probe 306 oder ein Analyt davon bereitzustellen. In einigen Ausführungsformen können die Identifizierung und die Konzentration von einem oder mehreren Analyten einer Probe 306 verwendet werden, um bestimmte physikalische Charakteristika der Probe 306 oder des Analyten davon vorherzusagen. Zum Beispiel kann die Menge der Probe 306 beurteilt werden, um zum Beispiel zu bestimmen, ob sie innerhalb akzeptabler Grenzen vorliegt. Dementsprechend können, wenn eine oder mehrere optische Rechenvorrichtungen 300 gemäß den hierin enthaltenen Verfahren verwendet werden, um ein interessierendes Charakteristikum einer Probe 306 zu detektieren, unterschiedliche akzeptable Grenzbereiche für das eine Charakteristikum oder die mehreren Charakteristika gelten.
  • In einigen Ausführungsformen kann die Größenordnung des interessierenden Charakteristikums, das unter Verwendung der optischen Rechenvorrichtung 300 bestimmt wird, in einen Algorithmus eingepflegt werden, der unter Computersteuerung arbeitet. Der Algorithmus kann konfiguriert sein, um zu bestimmen, ob die Probe 306 oder das interessierende Charakteristikum der Probe 306 innerhalb akzeptabler Grenzen liegt, die in Abhängigkeit von einem bestimmten Betrieb beschränkt oder erweitert werden können. In einigen Ausführungsformen kann der Algorithmus eine Ausgabe erzeugen, die von einem Bediener lesbar ist, der bei Bedarf auf Grundlage der gemeldeten Ausgabe manuell geeignete Maßnahmen ergreifen kann. In einigen Ausführungsformen kann der Algorithmus den Bediener anweisen, wie eine Korrekturmaßnahme zu ergreifen ist (z. B. wie die Menge der Probe 306 oder des interessierenden Charakteristikums der Probe 306 in akzeptable Grenzen zu bringen ist). In anderen Ausführungsformen kann der Algorithmus eine proaktive Prozesssteuerung übernehmen (z. B. den Betrieb anhalten, eine Zusammensetzung, umfassend die Probe 306 oder ein interessierendes Charakteristikum der Probe 306, ändern und dergleichen). Es sollte bekannt sein, dass der Algorithmus (z. B. ein künstliches neuronales Netzwerk) unter Verwendung von Proben mit vorher festgelegten interessierenden Charakteristika trainiert werden kann und dadurch eine virtuelle Sammlung generiert wird. Wenn die virtuelle Sammlung, die für das künstliche neuronale Netzwerk verfügbar ist, größer wird, kann das neuronale Netzwerk besser dazu in der Lage sein, die Probe 306 oder das interessierende Charakteristikum der Probe 306 genau vorherzusagen. Ferner kann das künstliche neuronale Netzwerk, auch in Gegenwart von unbekannten Analyten, mit ausreichend Training genauer die Probe 306 oder das interessierende Charakteristikum der Probe 306 vorhersagen.
  • In einigen Ausführungsformen können die Daten, die unter Verwendung der optischen Rechenvorrichtungen 300 erfasst werden, zusammen mit Daten archiviert werden, die mit Betriebsparametern verknüpft sind, die bei einer Baustelle aufgezeichnet werden. Die Beurteilung der Arbeitsleistung kann dann für zukünftige Betriebsarten bewertet und verbessert werden oder derartige Informationen können verwendet werden, um darauffolgende Betriebsarten zu gestalten. Zusätzlich können die Daten und Informationen für eine weitere Analyse von einem Kommunikationssystem (z. B. Satellitenkommunikation oder Weitverkehrsnetzkommunikation) zu einem entfernten Ort kommuniziert werden (verdrahtet oder drahtlos). Das Kommunikationssystem kann außerdem ermöglichen, dass eine Fernüberwachung stattfindet. Eine automatisierte Steuerung mit einem Kommunikationssystem mit großer Reichweite kann ferner die Leistung von Betriebsarten bei Ferneinsätzen erleichtern. Insbesondere kann ein künstliches neuronales Netzwerk in einigen Ausführungsformen verwendet werden, um die Leistung von Betriebsarten bei Ferneinsätzen zu erleichtern. Das heißt, dass Betriebsarten bei Ferneinsätzen in einigen Ausführungsformen automatisch ausgeführt werden können. In anderen Ausführungsformen können Betriebsarten bei Ferneinsätzen jedoch unter direkter Steuerung des Bedieners auftreten, wobei sich der Bediener nicht auf der Baustelle befindet (z. B. über Drahtlostechnologie).
  • In einigen Anwendungen kann das Ausgabesignal des Detektors 310 (oder beliebiger zusätzlicher verwendeter Detektoren) zu einem Signalprozessor, der kommunikativ an den Detektor 310 gekoppelt ist, befördert oder auf andere Weise davon empfangen werden. Der Signalprozessor kann ein Computer, einschließend ein nicht-transitorisches maschinenlesbares Medium, sein. Zum Beispiel kann die Konzentration oder Größenordnung jedes interessierenden Charakteristikums, das unter Verwendung der optischen Rechenvorrichtung 300 bestimmt wird, in einen Algorithmus eingepflegt werden, der von dem Signalprozessor ausgeführt wird.
  • In Echtzeit oder nahezu in Echtzeit kann der Signalprozessor 434 konfiguriert sein, um ein verarbeitetes Ausgabesignal bereitzustellen, das einem interessierenden Charakteristikum in der Probe 306 entspricht. Das resultierende verarbeitete Ausgabesignal kann von einem Bediener lesbar sein, der die Ergebnisse bei Bedarf auf Grundlage des Ausgabesignals in Bezug auf die Probe 306 (z. B. einer Konzentration der Probe 306 oder einer Konzentration eines Charakteristikums der Probe 306) untersuchen und ordnungsgemäße Einstellungen vornehmen oder eine geeignete Maßnahme ergreifen kann. In einigen Ausführungsformen kann die resultierende verarbeitete Signalausgabe entweder verdrahtet oder drahtlos für eine Untersuchung zu einem Bediener befördert werden. In anderen Ausführungsformen kann das resultierende verarbeitete Ausgabesignal des interessierenden Charakteristikums von dem Signalprozessor so erkannt werden, dass es für einen bestimmten Betrieb innerhalb oder außerhalb eines akzeptablen Grenzbereichs liegt und den Bediener in Bezug auf eine Ablesung außerhalb des Bereichs warnen, sodass eine geeignete Korrekturmaßnahme ergriffen werden kann oder anderweitig autonom die geeignete Korrekturmaßnahme ergreifen, sodass das resultierende verarbeitete Ausgabesignal zu einem Wert innerhalb des vorher festgelegten oder vorprogrammierten Bereichs eines geeigneten Betriebs zurückkehrt.
  • In Bezug auf 4 wird nun eine andere Ausführungsform einer optischen Rechenvorrichtung 400 veranschaulicht, bei der die drehbaren BASFs der vorliegenden Offenbarung eingesetzt werden. Die optische Rechenvorrichtung 400 ähnelt im Wesentlichen der optischen Rechenvorrichtung 300 aus 3. Dementsprechend werden gleiche Komponenten nicht noch einmal ausführlich erörtert. Die elektromagnetischen Strahlungsquellen 402a, b, c sind jeweils mit einer einzigartigen Winkellage um den optischen Strahlengang versetzt und weisen jeweils eine einzigartige Wellenlänge (z. B. Einzel-, Schmal- oder Breitbandwellenlängen) auf. Die elektromagnetische Strahlung 412a, b, c trifft zunächst auf die Probe 406 auf, um optisch interagierende Strahlung 416a, b, c zu generieren. Die optisch interagierende Strahlung 416a, b, c kann danach auf einen drehbaren BASF 404 treffen, der drehbar ist, um die optisch interagierende Strahlung 416a, b, c, die von einer der elektromagnetischen Strahlungsquellen 402a, b, c ausgeht, auf Grundlage eines Zieleinfallswinkels zu übertragen. Der drehbare BASF kann außerdem, wie zuvor beschrieben, Streustrahlungssignale reflektieren, die nicht mit dem Zieleinfallswinkel übereinstimmen, wie etwa das Streusignal 414 von der elektromagnetischen Strahlungsquelle 402a.
  • Nach der Übertragung durch den drehbaren BASF 404 kann die optisch interagierende Strahlung, die mit der Probe 406 und dem drehbaren BASF 404 optisch interagiert hat, zu einem ICE 408, das in dem optischen Strahlengang angeordnet ist, gerichtet oder anderweitig davon empfangen werden, um die modifizierte elektromagnetische Strahlung 418a, b, c zu erzeugen, die einem bestimmten interessierenden Charakteristikum der Probe 406 entspricht. Insbesondere kann die modifizierte elektromagnetische Strahlung 418a, b, c annähernd den Regressionsvektor nachahmen, der dem interessierenden Charakteristikum entspricht. Nachdem sie mit mindestens einen von der Probe 406, dem drehbaren BASF 404 und dem ICE 408, ASMR generierend, optisch interagiert hat, kann die ASMR für eine Analyse und Quantifizierung von einem Detektor 410 empfangen werden.
  • Es ist bekannt, dass die verschiedenen hierin enthaltenen Ausführungsformen, die auf eine Computersteuerung und künstliche neuronale Netzwerke, einschließend verschiedene Blöcke, Module, Elemente, Komponenten, Verfahren und Algorithmen, gerichtet sind, unter Verwendung von Computerhardware, -software, Kombinationen davon und dergleichen implementiert werden können. Um diese Austauschbarkeit von Hardware und Software zu veranschaulichen, wurden verschiedene veranschaulichende Blöcke, Module, Elemente, Komponenten, Verfahren und Algorithmen im Hinblick auf ihre Funktionalität im Allgemeinen beschrieben. Ob eine derartige Funktionalität als Hardware oder Software implementiert wird, hängt von der bestimmten Anwendung und beliebigen auferlegten Einschränkungen hinsichtlich der Gestaltung ab. Zumindest aus diesem Grund ist es bekannt, dass ein Durchschnittsfachmann die beschriebene Funktionalität für eine bestimmte Anwendung auf verschiedene Art und Weise implementieren kann. Ferner können verschiedene Komponenten und Blöcke zum Beispiel in einer anderen Reihenfolge angeordnet oder anders aufgeteilt werden, ohne von dem Umfang der ausdrücklich beschriebenen Ausführungsformen abzuweichen.
  • Computerhardware, die verwendet wird, um die verschiedenen veranschaulichenden hierin beschriebenen Blöcke, Module, Elemente, Komponenten, Verfahren und Algorithmen zu implementieren, kann einen Prozessor einschließen, der konfiguriert ist, um eine oder mehrere Anweisungssequenzen, Programmiereinstellungen oder Code auszuführen, die bzw. der auf einem nicht-transitorischen, computerlesbaren Medium gespeichert ist bzw. sind. Bei dem Prozessor kann es sich zum Beispiel um Folgendes handeln: einen Universalmikroprozessor, eine Mikrosteuerung, einen Digitalsignalprozessor, einen anwendungsspezifischen integrierten Schaltkreis, ein feldprogrammierbares Gate-Array, eine programmierbare Logikvorrichtung, eine Steuerung, eine Zustandsmaschine, eine gattergesteuerte Logik, eigenständige Hardwarekomponenten, ein künstliches neuronales Netzwerk oder eine beliebige ähnliche geeignete Einheit, die Berechnungen oder andere Datenbearbeitungsvorgänge durchführen kann. In einigen Ausführungsformen kann Computerhardware ferner Elemente, wie etwa zum Beispiel einen Speicher (z. B. Direktzugriffsspeicher (RAM), Flash-Speicher, Nur-Lese-Speicher (ROM), programmierbaren Nur-Lese-Speicher (PROM), löschbaren Nur-Lese-Speicher (EPROM)) Verzeichnisse, Festplatten, Wechseldatenträger, CD-ROMs, DVDs oder eine beliebige andere ähnliche geeignete Speichervorrichtung oder ein beliebiges anderes ähnliches geeignetes Speichermedium, einschließen.
  • Hierin beschriebene ausführbare Sequenzen können mit einer oder mehreren Sequenzen von Code implementiert werden, die in einem Speicher enthalten sind. In einigen Ausführungsformen kann derartiger Code in dem Speicher von einem anderen maschinenlesbaren Medium gelesen werden. Die Ausführung der Anweisungssequenzen, die in dem Speicher enthalten sind, kann dazu führen, dass ein Prozessor die hierin beschriebenen Prozessschritte ausführt. Ein oder mehrere Prozessoren in einer Multiverarbeitungsanordnung können ebenfalls eingesetzt werden, um Anweisungssequenzen in dem Speicher auszuführen. Zusätzlich kann eine festverdrahtete Schaltung anstelle von oder in Kombination mit Softwareanweisungen verwendet werden, um verschiedene hierin beschriebene Ausführungsformen zu implementieren. Demnach sind die vorliegenden Ausführungsformen nicht auf eine spezifische Kombination von Hardware und/oder Software beschränkt.
  • Wie hierin verwendet, bezieht sich ein maschinenlesbares Medium auf ein beliebiges Medium, das direkt oder indirekt Anweisungen für einen Prozessor zur Ausführung bereitstellt. Ein maschinenlesbares Medium kann viele Formen annehmen, einschließend zum Beispiel nicht-flüchtige Medien, flüchtige Medien und Übertragungsmedien. Nicht-flüchtige Medien können zum Beispiel optische und Magnetplatten einschließen. Flüchtige Medien können zum Beispiel einen dynamischen Speicher einschließen. Übertragungsmedien können zum Beispiel Koaxialkabel, Draht, Glasfaser und Drähte einschließen, die einen Bus bilden. Übliche Formen von maschinenlesbaren Medien können zum Beispiel Disketten, flexible Platten, Festplatten, Magnetbänder, andere ähnliche magnetische Medien, CD-ROMs, DVDs, andere ähnliche optische Medien, Lochkarten, Lochstreifen und ähnliche physikalische Medien mit Lochmustern, RAM, ROM, PROM, EPROM und Flash-EPROM einschließen.
  • Außerdem ist anzumerken, dass die verschiedenen hierin bereitgestellten Zeichnungen nicht notwendigerweise maßstabsgetreu und streng genommen auch nicht optisch korrekt abgebildet sind, wie es sich für einen Fachmann der Optik versteht. Stattdessen sind die Zeichnungen lediglich von veranschaulichender Natur und werden hierin im Allgemeinen verwendet, um das Verständnis der hierin bereitgestellten Systeme und Verfahren zu unterstützen. Obwohl die Zeichnungen nicht optisch akkurat sein mögen, spiegeln die hierin abgebildeten konzeptionellen Interpretationen tatsächlich die exemplarische Natur der verschiedenen offenbarten Ausführungsformen akkurat wider.
  • Hierin enthaltene Ausführungsformen schließen Folgendes ein:
    Ausführungsform A: Eine optische Rechenvorrichtung, umfassend: eine Vielzahl elektromagnetischer Strahlungsquellen, jeweils mit einer einzigartigen Winkelverschiebung um einen optischen Strahlengang und jeweils mit mindestens einer einzigartigen Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung; ein integriertes Rechenelement (ICE), das in dem optischen Strahlengang vor oder nach einer Probe lokalisiert wird, die in dem optischen Strahlengang lokalisiert wird, um in dem optischen Strahlengang modifizierte elektromagnetische Strahlung zu generieren; einen selektiven Breitbandwinkelfilter (BASF), der in dem optischen Strahlengang lokalisiert wird und um eine Achse zu einer Vielzahl einzigartiger Ausrichtungen drehbar ist, um die elektromagnetische Strahlung und/oder die modifizierte elektromagnetische Strahlung in dem optischen Strahlengang mit einem Zieleinfallswinkel zu übertragen, der einer von der Vielzahl elektromagnetischer Strahlungsquellen entspricht, um eine nach dem Winkel ausgewählte modifizierte elektromagnetische Strahlung (ASMR) zu generieren; und einen Detektor, der die ASMR empfängt und ein Ausgabesignal generiert, das einem Charakteristikum der Probe entspricht.
  • Ausführungsform A kann eines oder mehrere der folgenden zusätzlichen Elemente in einer beliebigen Kombination aufweisen:
    Element A1: Wobei das ICE nach der Probe lokalisiert wird, sodass die elektromagnetische Strahlung zunächst mit der Probe optisch interagiert, um in dem optischen Strahlengang optisch interagierende Strahlung zu generieren, und die optisch interagierende Strahlung dann mit dem ICE optisch interagiert, um in dem optischen Strahlengang die modifizierte elektromagnetische Strahlung zu generieren, und wobei der BASF in dem optischen Strahlengang lokalisiert wird, um die elektromagnetische Strahlung, die optisch interagierende Strahlung und/oder die modifizierte elektromagnetische Strahlung mit dem Zieleinfallswinkel in den optischen Strahlengang zu überführen.
  • Element A2: Wobei das ICE vor der Probe lokalisiert wird, sodass die elektromagnetische Strahlung zunächst mit dem ICE optisch interagiert, um in dem optischen Strahlengang optisch interagierende Strahlung zu generieren, und die optisch interagierende Strahlung dann mit der Probe optisch interagiert, um in dem optischen Strahlengang die modifizierte elektromagnetische Strahlung zu generieren, und wobei der BASF in dem optischen Strahlengang lokalisiert wird, um die elektromagnetische Strahlung, die optisch interagierende Strahlung und/oder die modifizierte elektromagnetische Strahlung mit dem Zieleinfallswinkel in den optischen Strahlengang zu überführen.
  • Element A3: Wobei sich der Detektor in dem optischen Strahlengang befindet, um eine Vielzahl von ASMR von einer Vielzahl einzigartiger Ausrichtungen des drehbaren BASF zu empfangen.
  • Element A4: Wobei die Probe in einem Flusspfad enthalten ist, um eine optische Interaktion mit der elektromagnetischen Strahlung oder der optisch interagierenden Strahlung damit zu ermöglichen.
  • Element A5: Wobei die Vielzahl elektromagnetischer Strahlungsquellen ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus Schmalbandquellen, Breitbandquellen und einer beliebigen Kombination davon.
  • Element A6: Wobei der BASF ein Mehrschicht-Filmstapel ist, der auf dem ICE abgelagert ist.
  • Element A7: Wobei ein Probenfenster angrenzend an die Probe in dem optischen Strahlengang angeordnet ist.
  • Element A8: Wobei ein Probenfenster angrenzend an die Probe in dem optischen Strahlengang angeordnet ist, und wobei der BASF ein Mehrschicht-Filmstapel ist, der auf einer Komponente abgelagert ist, die ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus dem ICE, dem Probenfenster und einer beliebigen Kombination davon.
  • Element A9: Wobei sich der BASF aus photonischen Kristallschichten zusammensetzt.
  • Element A10: Wobei sich der BASF aus photonischen Kristallschichten zusammensetzt, die aus der Gruppe ausgewählt sind, bestehend aus einer Verbindung auf Siliciumbasis, einer Verbindung auf Tantalbasis, einer Halbleiterverbindung der Gruppe III-V, einer Metallverbindung der Gruppe IVB, einem Dielektrikum, einer Dünnfilmabscheidungsverbindung und einer beliebigen Kombination davon.
  • Als ein nicht einschränkendes Beispiel schließen beispielhafte Kombinationen, die für A anwendbar sind, Folgendes ein: Als ein nicht einschränkendes Beispiel schließen beispielhafte Kombinationen, die für A anwendbar sind, Folgendes ein: (Dopplung im A) A mit A1 und A2; A mit A1 und A3; A mit A1 und A4; A mit A1 und A5; A mit A1 und A6; A mit A1 und A7; A mit A1 und A8; A mit A1 und A9; A mit A1 und A10; A mit A2 und A3; A mit A2 und A4; A mit A2 und A5; A mit A2 und A6; A mit A2 und A7; A mit A2 und A8; A mit A2 und A9; A mit A2 und A10; A mit A3 und A4; A mit A3 und A5; A mit A3 und A6; A mit A3 und A7; A mit A3 und A8; A mit A3 und A9; A mit A3 und A10; A mit A4 und A5; A mit A4 und A6; A mit A4 und A7; A mit A4 und A8; A mit A4 und A9; A mit A4 und A10; A mit A5 und A6; A mit A5 und A7; A mit A5 und A8; A mit A5 und A9; A mit A5 und A10; A mit A6 und A7; A mit A6 und A8; A mit A6 und A9; A mit A6 und A10; A mit A7 und A8; A mit A7 und A9; A mit A7 und A10; A mit A8 und A9; A mit A8 und A10; A mit A9 und A10; A mit A1, A2, A3, A4, A5, A6, A7, A8, A9 und A10; A mit A1, A3, A5, und A8; A mit A1, A2, A6 und A7; A mit A2, A4 und A8; A mit A1, A5, A9 und A10.
  • Ausführungsform B: Ein Verfahren, umfassend: Bereitstellen einer Vielzahl elektromagnetischer Strahlungsquellen, jeweils mit einer einzigartigen Winkelverschiebung um einen optischen Strahlengang und jeweils mit mindestens einer einzigartigen Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung; optisches Interagieren der elektromagnetischen Strahlung mit einer Probe, die in dem optischen Strahlengang lokalisiert wird und einem integrierten Rechenelement (ICE), das in dem optischen Strahlengang vor oder nach der Probe lokalisiert wird, um in dem optischen Strahlengang modifizierte elektromagnetische Strahlung zu generieren; Übertragen der elektromagnetischen Strahlung und/oder der modifizierten elektromagnetischen Strahlung durch einen selektiven Breitbandwinkelfilter (BASF), der in dem optischen Strahlengang lokalisiert wird, wobei der BASF um eine Achse zu einer Vielzahl einzigartiger Ausrichtungen in dem optischen Strahlengang mit einem Zieleinfallswinkel drehbar ist, der einer von der Vielzahl elektromagnetischer Strahlungsquellen entspricht, wodurch eine nach dem Winkel ausgewählte modifizierte elektromagnetische Strahlung (ASMR) generiert wird; Empfangen der AMSR mit einem Detektor; und Generieren eines Ausgabesignals, das einem Charakteristikum der Probe entspricht.
  • Ausführungsform B kann eines oder mehrere der folgenden zusätzlichen Elemente in einer beliebigen Kombination aufweisen:
    Element B1: Wobei das ICE nach der Probe lokalisiert wird, sodass die elektromagnetische Strahlung zunächst mit der Probe optisch interagiert, um in dem optischen Strahlengang optisch interagierende Strahlung zu generieren, und die optisch interagierende Strahlung dann mit dem ICE optisch interagiert, um in dem optischen Strahlengang die modifizierte elektromagnetische Strahlung zu generieren, und wobei der BASF in dem optischen Strahlengang lokalisiert wird, um die elektromagnetische Strahlung, die optisch interagierende Strahlung und/oder die modifizierte elektromagnetische Strahlung mit dem Zieleinfallswinkel in den optischen Strahlengang zu überführen.
  • Element B2: Wobei das ICE vor der Probe lokalisiert wird, sodass die elektromagnetische Strahlung zunächst mit dem ICE optisch interagiert, um in dem optischen Strahlengang optisch interagierende Strahlung zu generieren, und die optisch interagierende Strahlung dann mit der Probe optisch interagiert, um in dem optischen Strahlengang die modifizierte elektromagnetische Strahlung zu generieren, und wobei der BASF in dem optischen Strahlengang lokalisiert wird, um die elektromagnetische Strahlung, die optisch interagierende Strahlung und/oder die modifizierte elektromagnetische Strahlung mit dem Zieleinfallswinkel in den optischen Strahlengang zu überführen.
  • Element B3: Ferner umfassend das Empfangen einer Vielzahl von ASMR mit dem Detektor von einer Vielzahl einzigartiger Ausrichtungen des drehbaren BASF.
  • Element B4: Ferner umfassend das Enthaltensein der Probe in einem Flusspfad, der eine optische Interaktion mit der elektromagnetischen Strahlung oder der optisch interagierenden Strahlung damit ermöglicht.
  • Element B5: Wobei die Vielzahl elektromagnetischer Strahlungsquellen ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus Schmalbandquellen, Breitbandquellen und einer beliebigen Kombination davon.
  • Element B6: Wobei der BASF ein Mehrschicht-Filmstapel ist, der auf dem ICE abgelagert ist.
  • Element B7: Wobei ein Probenfenster angrenzend an die Probe in dem optischen Strahlengang angeordnet ist.
  • Element B8: Wobei ein Probenfenster angrenzend an die Probe in dem optischen Strahlengang angeordnet ist, und wobei der BASF ein Mehrschicht-Filmstapel ist, der auf einer Komponente abgelagert ist, die ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus dem ICE, dem Probenfenster und einer beliebigen Kombination davon.
  • Element B9: Wobei sich der BASF aus photonischen Kristallschichten zusammensetzt.
  • Element B10: Wobei sich der BASF aus photonischen Kristallschichten zusammensetzt, die aus der Gruppe ausgewählt sind, bestehend aus einer Verbindung auf Siliciumbasis, einer Verbindung auf Tantalbasis, einer Halbleiterverbindung der Gruppe III-V, einer Metallverbindung der Gruppe IVB, einem Dielektrikum, einer Dünnfilmabscheidungsverbindung und einer beliebigen Kombination davon.
  • Als ein nicht einschränkendes Beispiel schließen beispielhafte Kombinationen, die für B anwendbar sind, Folgendes ein: B mit B1 und B2; B mit B1 und B3; B mit B1 und B4; B mit B1 und B5; B mit B1 und B6; B mit B1 und B7; B mit B1 und B8; B mit B1 und B9; B mit B1 und B10; B mit B2 und B3; B mit B2 und B4; B mit B2 und B5; B mit B2 und B6; B mit B2 und B7; B mit B2 und B8; B mit B2 und B9; B mit B2 und B10; B mit B3 und B4; B mit B3 und B5; B mit B3 und B6; B mit B3 und B7; B mit B3 und B8; B mit B3 und B9; B mit B3 und B10; B mit B4 und B5; B mit B4 und B6; B mit B4 und B7; B mit B4 und B8; B mit B4 und B9; B mit B4 und B10; B mit B5 und B6; B mit B5 und B7; B mit B5 und B8; B mit B5 und B9; B mit B5 und B10; B mit B6 und B7; B mit B6 und B8; B mit B6 und B9; B mit B6 und B10; B mit B7 und B8; B mit B7 und B9; B mit B7 und B10; B mit B8 und B9; B mit B8 und B10; B mit B9 und B10; B mit B1, B2, B3, B4, B5, B6, B7, B8, B9 und B10; B mit B1, B2, B7 und B8; B mit B1, B3, B4 und B6; B mit B4, B5 und B7; B mit B3, B5, B9 und B10.
  • Ausführungsform C: System, umfassend: eine Probe, die in einem optischen Strahlengang angeordnet ist; und eine optische Rechenvorrichtung, die in dem optischen Strahlengang angeordnet ist, um mit der Probe optisch zu interagieren, wobei die optische Rechenvorrichtung Folgendes umfasst: eine Vielzahl elektromagnetischer Strahlungsquellen, jeweils mit einer einzigartigen Winkelverschiebung um einen optischen Strahlengang und jeweils mit mindestens einer einzigartigen Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung; ein integriertes Rechenelement (ICE), das in dem optischen Strahlengang vor oder nach einer Probe lokalisiert wird, die in dem optischen Strahlengang lokalisiert wird, um in dem optischen Strahlengang modifizierte elektromagnetische Strahlung zu generieren; einen selektiven Breitbandwinkelfilter (BASF), der in dem optischen Strahlengang lokalisiert wird und um eine Achse zu einer Vielzahl einzigartiger Ausrichtungen drehbar ist, um die elektromagnetische Strahlung und/oder die modifizierte elektromagnetische Strahlung in dem optischen Strahlengang mit einem Zieleinfallswinkel zu übertragen, der einer von der Vielzahl elektromagnetischer Strahlungsquellen entspricht, um eine nach dem Winkel ausgewählte modifizierte elektromagnetische Strahlung (ASMR) zu generieren; und einen Detektor, der die ASMR empfängt und ein Ausgabesignal generiert, das einem Charakteristikum der Probe entspricht. Ausführungsform C kann eines oder mehrere der folgenden zusätzlichen Elemente in einer beliebigen Kombination aufweisen:
    Element C1: Wobei das ICE nach der Probe lokalisiert wird, sodass die elektromagnetische Strahlung zunächst mit der Probe optisch interagiert, um in dem optischen Strahlengang optisch interagierende Strahlung zu generieren, und die optisch interagierende Strahlung dann mit dem ICE optisch interagiert, um in dem optischen Strahlengang die modifizierte elektromagnetische Strahlung zu generieren, und wobei der BASF in dem optischen Strahlengang lokalisiert wird, um die elektromagnetische Strahlung, die optisch interagierende Strahlung und/oder die modifizierte elektromagnetische Strahlung mit dem Zieleinfallswinkel in den optischen Strahlengang zu überführen.
  • Element C2: Wobei das ICE vor der Probe lokalisiert wird, sodass die elektromagnetische Strahlung zunächst mit dem ICE optisch interagiert, um in dem optischen Strahlengang optisch interagierende Strahlung zu generieren, und die optisch interagierende Strahlung dann mit der Probe optisch interagiert, um in dem optischen Strahlengang die modifizierte elektromagnetische Strahlung zu generieren, und wobei der BASF in dem optischen Strahlengang lokalisiert wird, um die elektromagnetische Strahlung, die optisch interagierende Strahlung und/oder die modifizierte elektromagnetische Strahlung mit dem Zieleinfallswinkel in den optischen Strahlengang zu überführen.
  • Element C3: Wobei sich die Probe in einem Flusspfad befindet.
  • Element C4: Wobei sich die Probe in einem Flusspfad befindet, und wobei der Flusspfad in einem Bohrloch in einer unterirdischen Formation lokalisiert wird.
  • Element C5: Wobei sich der Detektor in dem optischen Strahlengang befindet, um eine Vielzahl von ASMR von einer Vielzahl einzigartiger Ausrichtungen des drehbaren BASF zu empfangen.
  • Element C6: Wobei die Vielzahl elektromagnetischer Strahlungsquellen ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus Schmalbandquellen, Breitbandquellen und einer beliebigen Kombination davon.
  • Element C7: Wobei der BASF ein Mehrschicht-Filmstapel ist, der auf dem ICE abgelagert ist.
  • Element C8: Wobei ein Probenfenster angrenzend an die Probe in dem optischen Strahlengang angeordnet ist.
  • Element C9: Wobei ein Probenfenster angrenzend an die Probe in dem optischen Strahlengang angeordnet ist, und wobei der BASF ein Mehrschicht-Filmstapel ist, der auf einer Komponente abgelagert ist, die ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus dem ICE, dem Probenfenster und einer beliebigen Kombination davon.
  • Element C10: Wobei sich der BASF aus photonischen Kristallschichten zusammensetzt.
  • Element C11: Wobei sich der BASF aus photonischen Kristallschichten zusammensetzt, die aus der Gruppe ausgewählt sind, bestehend aus einer Verbindung auf Siliciumbasis, einer Verbindung auf Tantalbasis, einer Halbleiterverbindung der Gruppe III-V, einer Metallverbindung der Gruppe IVB, einem Dielektrikum, einer Dünnfilmabscheidungsverbindung und einer beliebigen Kombination davon.
  • Als ein nicht einschränkendes Beispiel schließen beispielhafte Kombinationen, die für C anwendbar sind, Folgendes ein: C mit C1 und C2; C mit C1 und C3; C mit C1 und C4; C mit C1 und C5; C mit C1 und C6; C mit C1 und C7; C mit C1 und C8; C mit C1 und C9; C mit C1 und C10; C mit C1 und C11; C mit C2 und C3; C mit C2 und C4; C mit C2 und C5; C mit C2 und C6; C mit C2 und C7; C mit C2 und C8; C mit C2 und C9; C mit C2 und C10; C mit C2 und C11; C mit C3 und C4; C mit C3 und C5; C mit C3 und C6; C mit C3 und C7; C mit C3 und C8; C mit C3 und C9; C mit C3 und C10; C mit C3 und C11; C mit C4 und C5; C mit C4 und C6; C mit C4 und C7; C mit C4 und C8; C mit C4 und C9; C mit C4 und C10; C mit C4 und C11; C mit C5 und C6; C mit C5 und C7; C mit C5 und C8; C mit C5 und C9; C mit C5 und C10; C mit C5 und C11; C mit C6 und C7; C mit C6 und C8; C mit C6 und C9; C mit C6 und C10; C mit C6 und C11; C mit C7 und C8; C mit C7 und C9; C mit C7 und C10; C mit C7 und C11; C mit C8 und C9; C mit C8 und C10; C mit C8 und C11; C mit C9 und C10; C mit C9 und C11; C mit C10 und C11; C mit C1, C2, C3, C4, C5, C6, C7, C8, C9, C10 und C11; C mit C1, C3, C7 und C8; C mit C1, C4, C6 und C9; C mit C5, C7 und C8; C mit C1, C4 und C9; C mit C2, C6 und C7; C mit C5, C6, C10 und C11.
  • Folglich sind die hierin beschriebenen Ausführungsbeispiele gut geeignet, um die erwähnten Ziele und Vorteile sowie diejenigen, die damit zusammenhängen, zu erreichen. Die oben offenbarten bestimmten Ausführungsformen sind lediglich veranschaulichend, da die hierin beschriebenen Ausführungsbeispiele modifiziert und auf verschiedene, jedoch äquivalente Arten umgesetzt werden können, welche für den Fachmann, für den die in dieser Patentschrift enthaltenen Lehren von Vorteil sind, ersichtlich sind. Ferner sind keine Einschränkungen bezüglich der hierin gezeigten Details zu Aufbau oder Gestaltung beabsichtigt, sofern nicht in den nachfolgenden Ansprüchen beschrieben. Demnach versteht sich, dass die bestimmten veranschaulichenden Ausführungsformen, welche vorangehend offenbart wurden, abgeändert, kombiniert oder modifiziert werden können, und alle derartigen Abwandlungen in dem Umfang und Geist der vorliegenden Offenbarung berücksichtigt werden. Die hierin veranschaulichend offenbarten Ausführungsformen können in Abwesenheit eines beliebigen Elements, das hierin nicht spezifisch offenbart wird, und/oder eines beliebigen hierin offenbarten optionalen Elements auf geeignete Weise ausgeführt werden. Während Zusammensetzungen und Verfahren als verschiedene Komponenten oder Schritte „umfassend“, „enthaltend“ oder „einschließend“ beschrieben werden, können die Zusammensetzungen und Verfahren auch „im Wesentlichen bestehen aus“ den verschiedenen Komponenten und Schritten oder daraus „bestehen“. Alle vorangehend offenbarten Zahlen und Bereiche können in gewissem Maße variieren. In jedem Fall, in dem ein numerischer Bereich mit einer Untergrenze und einer Obergrenze offenbart wird, sind alle Zahlen und alle eingeschlossenen Bereiche, die in den Bereich fallen, spezifisch offenbart. Insbesondere ist jeder hierin offenbarte Wertebereich (in der Form „von etwa a bis etwa b“ oder ebenso „von ungefähr a bis b“ oder ebenso „von ungefähr a–b) so zu verstehen, dass er alle Zahlen und Bereiche, die in dem breiteren Wertebereich eingeschlossen sind, darlegt. Zudem haben die in den Ansprüchen verwendeten Begriffe ihre gewöhnliche, herkömmliche Bedeutung, sofern sie durch den Patentinhaber nicht ausdrücklich und eindeutig anders definiert sind. Des Weiteren sind die wie in den Patentansprüchen verwendeten unbestimmten Artikel „ein“ oder „eine“ hierin derart definiert, dass sie ein oder mehr als eines des Elements bezeichnen, das sie einleiten.
  • Wie hierin verwendet, wird durch die Wendung „mindestens eine(s) von“, die einer Reihe von Elementen mit den Begriffen „und“ oder „oder“, um beliebige der Elemente zu trennen, vorausgeht, die Liste als Ganzes und nicht jedes Glied der Liste (d. h. jedes Element) modifiziert. Die Wendung „mindestens eine(s) von“ macht keine Auswahl von mindestens einem Element erforderlich; vielmehr ermöglicht die Wendung eine Bedeutung, die mindestens eines von einem beliebigen der Elemente und/oder mindestens eine von einer beliebigen Kombination der Elemente und/oder mindestens eines von jedem der Elemente einschließt. Beispielsweise beziehen sich die Wendungen „mindestens eines von A, B und C“ oder „mindestens eines von A, B oder C“ jeweils auf lediglich A, lediglich B oder lediglich C; eine beliebige Kombination von A, B und C; und/oder mindestens eines von jedem von A, B und C.

Claims (26)

  1. Optische Rechenvorrichtung, umfassend: eine Vielzahl elektromagnetischer Strahlungsquellen, jeweils mit einer einzigartigen Winkelverschiebung um einen optischen Strahlengang und jeweils mit mindestens einer einzigartigen Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung; ein integriertes Rechenelement (ICE), das in dem optischen Strahlengang vor oder nach einer Probe lokalisiert wird, die in dem optischen Strahlengang lokalisiert wird, um in dem optischen Strahlengang modifizierte elektromagnetische Strahlung zu generieren; einen selektiven Breitbandwinkelfilter (BASF), der in dem optischen Strahlengang lokalisiert wird und um eine Achse zu einer Vielzahl einzigartiger Ausrichtungen drehbar ist, um die elektromagnetische Strahlung und/oder die modifizierte elektromagnetische Strahlung in dem optischen Strahlengang mit einem Zieleinfallswinkel zu übertragen, der einer von der Vielzahl elektromagnetischer Strahlungsquellen entspricht, um eine nach dem Winkel ausgewählte modifizierte elektromagnetische Strahlung (ASMR) zu generieren; und einen Detektor, der die ASMR empfängt und ein Ausgabesignal generiert, das einem Charakteristikum der Probe entspricht.
  2. Optische Rechenvorrichtung nach Anspruch 1, wobei das ICE nach der Probe lokalisiert wird, sodass die elektromagnetische Strahlung zunächst optisch mit der Probe interagiert, um in dem optischen Strahlengang optisch interagierende Strahlung zu generieren, und die optisch interagierende Strahlung dann mit dem ICE optisch interagiert, um die modifizierte elektromagnetische Strahlung in dem optischen Strahlengang zu generieren, und wobei der BASF in dem optischen Strahlengang lokalisiert wird, um die elektromagnetische Strahlung, die optisch interagierende Strahlung und/oder die modifizierte elektromagnetische Strahlung mit dem Zieleinfallswinkel in den optischen Strahlengang zu überführen.
  3. Optische Rechenvorrichtung nach Anspruch 1, wobei das ICE vor der Probe lokalisiert wird, sodass die elektromagnetische Strahlung zunächst optisch mit dem ICE interagiert, um in dem optischen Strahlengang optisch interagierende Strahlung zu generieren, und die optisch interagierende Strahlung dann mit der Probe optisch interagiert, um die modifizierte elektromagnetische Strahlung in dem optischen Strahlengang zu generieren, und wobei der BASF in dem optischen Strahlengang lokalisiert wird, um die elektromagnetische Strahlung, die optisch interagierende Strahlung und/oder die modifizierte elektromagnetische Strahlung mit dem Zieleinfallswinkel in den optischen Strahlengang zu überführen.
  4. Optische Rechenvorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, wobei sich der Detektor in dem optischen Strahlengang befindet, um eine Vielzahl von ASMR von einer Vielzahl einzigartiger Ausrichtungen des drehbaren BASF zu empfangen.
  5. Optische Rechenvorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, wobei die Probe in einem Flusspfad enthalten ist, um eine optische Interaktion mit der elektromagnetischen Strahlung oder der optisch interagierenden Strahlung damit zu ermöglichen.
  6. Optische Rechenvorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, wobei die Vielzahl elektromagnetischer Strahlungsquellen ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus Schmalbandquellen, Breitbandquellen und einer beliebigen Kombination davon.
  7. Optische Rechenvorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, wobei der BASF ein Mehrschicht-Filmstapel ist, der auf dem ICE abgelagert ist.
  8. Optische Rechenvorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, wobei ein Probenfenster angrenzend an die Probe in dem optischen Strahlengang angeordnet ist.
  9. Optische Rechenvorrichtung nach Anspruch 8, wobei der BASF ein Mehrschicht-Filmstapel ist, der auf einer Komponente abgelagert ist, die ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus dem ICE, dem Probenfenster und einer beliebigen Kombination davon.
  10. Optische Rechenvorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, wobei sich der BASF aus photonischen Kristallschichten zusammensetzt.
  11. Optische Rechenvorrichtung nach Anspruch 10, wobei die photonischen Kristallschichten aus der Gruppe ausgewählt sind, bestehend aus einer Verbindung auf Siliciumbasis, einer Verbindung auf Tantalbasis, einer Halbleiterverbindung der Gruppe III-V, einer Metallverbindung der Gruppe IVB, einem Dielektrikum, einer Dünnfilmabscheidungsverbindung und einer beliebigen Kombination davon.
  12. Verfahren, umfassend: Bereitstellen einer Vielzahl elektromagnetischer Strahlungsquellen, jeweils mit einer einzigartigen Winkelverschiebung um einen optischen Strahlengang und jeweils mit mindestens einer einzigartigen Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung; optisches Interagieren der elektromagnetischen Strahlung mit einer Probe, die in dem optischen Strahlengang lokalisiert wird und einem integrierten Rechenelement (ICE), das in dem optischen Strahlengang vor oder nach der Probe lokalisiert wird, um in dem optischen Strahlengang modifizierte elektromagnetische Strahlung zu generieren; Übertragen der elektromagnetischen Strahlung und/oder der modifizierten elektromagnetischen Strahlung durch einen selektiven Breitbandwinkelfilter (BASF), der in dem optischen Strahlengang lokalisiert wird, wobei der BASF um eine Achse zu einer Vielzahl einzigartiger Ausrichtungen in dem optischen Strahlengang mit einem Zieleinfallswinkel drehbar ist, der einer von der Vielzahl elektromagnetischer Strahlungsquellen entspricht, wodurch eine nach dem Winkel ausgewählte modifizierte elektromagnetische Strahlung (ASMR) generiert wird; Empfangen der AMSR mit einem Detektor; und Generieren eines Ausgabesignals, das einem Charakteristikum der Probe entspricht.
  13. Verfahren nach Anspruch 12, wobei das ICE nach der Probe lokalisiert wird, sodass die elektromagnetische Strahlung zunächst optisch mit der Probe interagiert, um in dem optischen Strahlengang optisch interagierende Strahlung zu generieren, und die optisch interagierende Strahlung dann mit dem ICE optisch interagiert, um die modifizierte elektromagnetische Strahlung in dem optischen Strahlengang zu generieren, und wobei der BASF in dem optischen Strahlengang lokalisiert wird, um die elektromagnetische Strahlung, die optisch interagierende Strahlung und/oder die modifizierte elektromagnetische Strahlung mit dem Zieleinfallswinkel in den optischen Strahlengang zu überführen.
  14. Verfahren nach Anspruch 12, wobei das ICE vor der Probe lokalisiert wird, sodass die elektromagnetische Strahlung zunächst optisch mit dem ICE interagiert, um in dem optischen Strahlengang optisch interagierende Strahlung zu generieren, und die optisch interagierende Strahlung dann mit der Probe optisch interagiert, um die modifizierte elektromagnetische Strahlung in dem optischen Strahlengang zu generieren, und wobei der BASF in dem optischen Strahlengang lokalisiert wird, um die elektromagnetische Strahlung, die optisch interagierende Strahlung und/oder die modifizierte elektromagnetische Strahlung mit dem Zieleinfallswinkel in den optischen Strahlengang zu überführen.
  15. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, ferner umfassend das Empfangen einer Vielzahl von ASMR mit dem Detektor von einer Vielzahl einzigartiger Ausrichtungen des drehbaren BASF.
  16. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, ferner umfassend das Enthaltensein der Probe in einem Flusspfad, der eine optische Interaktion mit der elektromagnetischen Strahlung oder der optisch interagierenden Strahlung damit ermöglicht.
  17. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, wobei die Vielzahl elektromagnetischer Strahlungsquellen ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus Schmalbandquellen, Breitbandquellen und einer beliebigen Kombination davon.
  18. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, wobei der BASF ein Mehrschicht-Filmstapel ist, der auf dem ICE abgelagert ist.
  19. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, wobei ein Probenfenster angrenzend an die Probe in dem optischen Strahlengang angeordnet ist.
  20. Verfahren nach Anspruch 19, wobei der BASF ein Mehrschicht-Filmstapel ist, der auf einer Komponente abgelagert ist, die ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus dem ICE, dem Probenfenster und einer beliebigen Kombination davon.
  21. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, wobei sich der BASF aus photonischen Kristallschichten zusammensetzt.
  22. System, umfassend: eine Probe, die in einem optischen Strahlengang angeordnet ist; und eine optische Rechenvorrichtung, die in dem optischen Strahlengang angeordnet ist, um mit der Probe optisch zu interagieren, wobei die optische Rechenvorrichtung Folgendes umfasst: eine Vielzahl elektromagnetischer Strahlungsquellen, jeweils mit einer einzigartigen Winkelverschiebung um einen optischen Strahlengang und jeweils mit mindestens einer einzigartigen Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung; ein integriertes Rechenelement (ICE), das in dem optischen Strahlengang vor oder nach einer Probe lokalisiert wird, die in dem optischen Strahlengang lokalisiert wird, um in dem optischen Strahlengang modifizierte elektromagnetische Strahlung zu generieren; einen selektiven Breitbandwinkelfilter (BASF), der in dem optischen Strahlengang lokalisiert wird und um eine Achse zu einer Vielzahl einzigartiger Ausrichtungen drehbar ist, um die elektromagnetische Strahlung und/oder die modifizierte elektromagnetische Strahlung in dem optischen Strahlengang mit einem Zieleinfallswinkel zu übertragen, der einer von der Vielzahl elektromagnetischer Strahlungsquellen entspricht, um eine nach dem Winkel ausgewählte modifizierte elektromagnetische Strahlung (ASMR) zu generieren; und einen Detektor, der die ASMR empfängt und ein Ausgabesignal generiert, das einem Charakteristikum der Probe entspricht.
  23. System nach Anspruch 22, wobei das ICE nach der Probe lokalisiert wird, sodass die elektromagnetische Strahlung zunächst optisch mit der Probe interagiert, um in dem optischen Strahlengang optisch interagierende Strahlung zu generieren, und die optisch interagierende Strahlung dann mit dem ICE optisch interagiert, um die modifizierte elektromagnetische Strahlung in dem optischen Strahlengang zu generieren, und wobei der BASF in dem optischen Strahlengang lokalisiert wird, um die elektromagnetische Strahlung, die optisch interagierende Strahlung und/oder die modifizierte elektromagnetische Strahlung mit dem Zieleinfallswinkel in den optischen Strahlengang zu überführen.
  24. System nach Anspruch 22, wobei das ICE vor der Probe lokalisiert wird, sodass die elektromagnetische Strahlung zunächst optisch mit dem ICE interagiert, um in dem optischen Strahlengang optisch interagierende Strahlung zu generieren, und die optisch interagierende Strahlung dann mit der Probe optisch interagiert, um die modifizierte elektromagnetische Strahlung in dem optischen Strahlengang zu generieren, und wobei der BASF in dem optischen Strahlengang lokalisiert wird, um die elektromagnetische Strahlung, die optisch interagierende Strahlung und/oder die modifizierte elektromagnetische Strahlung mit dem Zieleinfallswinkel in den optischen Strahlengang zu überführen.
  25. System nach Anspruch 23 oder 24, wobei sich die Probe in einem Flusspfad befindet.
  26. System nach Anspruch 25, wobei der Flusspfad in einem Bohrloch in einer unterirdischen Formation lokalisiert wird.
DE112015006146.0T 2015-04-15 2015-04-15 Optische Rechenvorrichtungen, umfassend drehbare selektive Breitbandwinkelfilter Withdrawn DE112015006146T5 (de)

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