DE112015006166T5 - Optische Rechenvorrichtungen, umfassend selektive Breitbandwinkelfilter - Google Patents

Optische Rechenvorrichtungen, umfassend selektive Breitbandwinkelfilter Download PDF

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David L. Perkins
James M. Price
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Abstract

Optische Rechenvorrichtungen, einschließend eine elektromagnetische Strahlungsquelle zum Emittieren elektromagnetischer Strahlung in einen optischen Strahlengang; 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, um die elektromagnetische Strahlung und/oder die modifizierte elektromagnetische Strahlung in dem optischen Strahlengang mit einem Zieleinfallswinkel zu übertragen, wodurch eine nach dem Winkel ausgewählte modifizierte elektromagnetische Strahlung (ASMR) generiert wird, und um eine oder mehrere Streustrahlungsreflexionen mit Winkeln zu reflektieren, die nicht mit dem Zieleinfallswinkel übereinstimmen; 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 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 Bereich, in dem es vorteilhaft sein kann, in Echtzeit ein Charakteristikum einer Substanz, einer Verbindung oder eines Materials zu bestimmen.
  • Streulichtreflexionen in optischen Rechenvorrichtungen können jedoch die Messung der Probe beeinträchtigen, wenn die Reflexionen nicht von der Probe an sich sondern von einer anderen Quelle stammen. Derartige Streulichtreflexionen können einen beträchtlichen Teil des gesamten Lichts (z. B. elektromagnetische Strahlung) ausmachen, das in der optischen Rechenvorrichtung detektiert wird. Wenn es nicht effektiv verringert oder auf andere Weise verhindert wird, kann durch das Streulicht das resultierende Probensignal geändert werden, woraus sich im Wesentlichen eine verringerte Genauigkeit, Präzision, Empfindlichkeit und Detektionsgrenze ergeben. Zum Beispiel schließen derartige Variationen unter anderem hohe Vorspannungen, die in einem Detektor beobachtet werden, eine geringere Auflösung bei räumlichen Bildern, Sättigungseffekte des Detektors, Kombinationen davon, oder dergleichen ein. Herkömmlicherweise werden derartige Streulichtreflexionen unter Verwendung von Abbildungslinsen, Antireflexbeschichtungen, physikalischen Blenden und dergleichen gesteuert oder minimiert. Jedoch werden durch derartige Methoden Streulichtreflexionen möglicherweise nicht ausreichend entfernt, woraus sich in Bezug auf die interessierende Probe verbesserte, jedoch immer noch nicht optimale Signale ergeben.
  • 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.
  • 3A, B veranschaulichen eine optische Rechenvorrichtung, umfassend einen selektiven Breitbandwinkelfilter gemäß einer oder mehreren hierin beschriebenen Ausführungsformen.
  • 4 veranschaulicht ein beispielhaftes System zum Detektieren eines Charakteristikums einer Probe unter Verwendung einer optischen Rechenvorrichtung, umfassend einen selektiven Breitbandwinkelfilter, gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
  • Die hierin enthaltenen Ausführungsformen betreffen im Allgemeinen Systeme und Verfahren des optischen Rechnens und konkreter optische Rechenvorrichtungen, umfassend 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 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. Bei einigen Anwendungen können die hierin offenbarten optischen Rechenvorrichtungen beim Verbessern von Detektionsgrenzen nützlich sein, wenn ein bestimmtes Charakteristikum einer Substanz, einer Verbindung oder eines Materials bestimmt wird, die bzw. das in einem Bohrloch vorliegt, indem Streulichtreflexionen verringert oder beseitigt werden. 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. Zusätzlich können deutliche Vorteile umgesetzt werden, indem in den optischen Rechenvorrichtungen ein oder mehrere selektive Breitbandwinkelfilter eingeschlossen sind, die Streulichtreflexionen verringern oder beseitigen, welche das Ausgabesignal in Bezug auf ein Charakteristikum einer Probe stören können. 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.
  • Zusätzlich können deutliche Vorteile umgesetzt werden, indem die Ausgaben von zwei oder mehr integrierten Rechenelementen und/oder zwei oder mehr BASFs in einer optischen Rechenvorrichtung bei der Analyse einer Probe miteinander, wie weiter unten beschrieben, 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 BASFs miteinander kombiniert werden. Die integrierten Rechenelemente und/oder 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 oder ohne dass das elektromagnetische Spektrum der Probe aufgezeichnet und verarbeitet werden muss. 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 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 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. Jedoch kann die elektromagnetische Strahlungsquelle in mindestens einer Ausführungsform entfallen und stattdessen kann die elektromagnetische Strahlung von der Probe selbst stammen. 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 Stromstärke oder 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“ und „Streustrahlungsreflexionen“ 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. 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 werden bei den hierin enthaltenen Ausführungsformen ein oder integrierte(s) Rechenelement(e) und selektive(r) Breitbandwinkelfilter synergistisch kombiniert, um Streulicht zu verringern oder zu beseitigen und die Empfindlichkeit und das Ausgabesignal der optischen Rechenvorrichtungen, die sie umfassen, im Vergleich zu zuvor verwendeten Mitteln zu verstärken (z. B. das Signal-Rausch-Verhältnis zu verringern).
  • 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 weiterzuleiten/zu reflektieren/zu 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 BASF der vorliegenden Offenbarung kann an einer beliebigen Stelle in dem optischen Strahlengang, nachfolgend ausführlicher beschrieben, verwendet werden, um elektromagnetische Streustrahlung zu reflektieren, wodurch das Signal in dem optischen Strahlengang in Bezug auf die Probe oder das interessierende Charakteristikum der Probe verbessert wird, die von einem Detektor empfangen wird. Im Besonderen überträgt der BASF elektromagnetische Strahlung und reflektiert eine oder mehrere Streulichtreflexionen mit Winkeln, die nicht mit einem Zieleinfallswinkel übereinstimmen. Zusätzlich kann, da der Brechungsindex vieler Arten von Proben gegenüber der Wellenlänge möglicherweise nicht äußerst empfindlich ist, der Zieleinfallswinkel für ein breites Band von Frequenzen unter Verwendung des gleichen BASF gleich sein. Der 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. In einigen Ausführungsformen kann die Fähigkeit eines BASF zum Reflektieren von Streulicht und zum Übertragen von Signalen 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 DE112015006166T5_0002
    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 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. 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 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 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 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), eine Halbleiterverbindung der Gruppe III–V (z. B. Galliumarsenid, Indiumgalliumarsenid, Indiumphosphid und dergleichen), eine Metallverbindung der Gruppe IVB (z. B. Titanoxid, Hafniumoxid, Zirconiumoxid und dergleichen), ein Dielektrikum und eine beliebige Kombination davon einschließen.
  • In Bezug auf 3A wird nun ein Blockdiagramm veranschaulicht, das nichtmechanistisch veranschaulicht, wie eine optische Rechenvorrichtung 300, dazu in der Lage ist, elektromagnetische Strahlung in Bezug auf ein interessierendes Charakteristikum in einer Probe von anderer elektromagnetischer Strahlung zu unterscheiden, und wie ein BASF dazu in der Lage ist, elektromagnetische Strahlung mit einem Zieleinfallswinkel von elektromagnetischer Strahlung zu unterscheiden, die nicht mit dem Zieleinfallswinkel übereinstimmt. Wie in 3A gezeigt, erzeugt eine Probe 302, nachdem sie mit elektromagnetischer Strahlung beleuchtet wurde, eine Ausgabe von elektromagnetischer Strahlung (z. B. mit der Probe interagierendes Licht), wovon ein Teil elektromagnetische Strahlung 304 ist, die dem interessierenden Charakteristikum entspricht und durch einen Zieleinfallswinkel gekennzeichnet ist, und wovon ein Teil elektromagnetische Hintergrundstrahlung 306 ist, die anderen Charakteristika der Probe 302 oder anderer elektromagnetischer Hintergrundstrahlung entsprechen kann.
  • Das mit der Probe interagierende Licht 304 und 306 kann in einigen Ausführungsformen auf einen ersten BASF 308 (mit gestrichelten Linien gezeigt) treffen. Der erste BASF 308 kann es dem mit der Probe interagierenden Licht 304, das dem interessierenden Charakteristikum entspricht und mit dem Zieleinfallswinkel, ermöglichen, dahindurch übertragen zu werden, während das Licht 306, das nicht mit dem Zieleinfallswinkel übereinstimmt, reflektiert wird, wodurch das reflektierte Licht 306a gebildet und von der optischen Rechenvorrichtung 300 weggelenkt wird. Dementsprechend kann der erste BASF 308 in der optischen Rechenvorrichtung 300 eingesetzt werden, um die optischen Wellenlängen und/oder Bandbreiten des Systems zu begrenzen, die nicht mit dem Zieleinfallswinkel übereinstimmen, wodurch ungewollte elektromagnetische Strahlung beseitigt wird, die in Wellenlängenbereichen vorliegt, die keine Bedeutung haben.
  • Die Strahlen von elektromagnetischer Strahlung 304 mit dem Zieleinfallswinkel treffen, wenn der erste BASF 308 eingesetzt wird, auf die optische Rechenvorrichtung 300 auf, welche darin ein beispielhaftes ICE 310 enthält. In der veranschaulichten Ausführungsform kann das ICE 310 konfiguriert sein, um das mit der Probe interagierende Licht 304 zu verarbeiten und die modifizierte elektromagnetische Strahlung 312 und 314 zu erzeugen. Die modifizierte elektromagnetische Strahlung 312 entspricht einem Zieleinfallswinkel und die modifizierte elektromagnetische Strahlung 314 entspricht elektromagnetischer Strahlung (oder lediglich „Licht“, wie hierin verwendet), die nicht mit dem Zieleinfallswinkel übereinstimmt. In einigen Ausführungsformen kann der Zieleinfallswinkel von dem mit der Probe interagierenden Licht 304 und der modifizierten elektromagnetischen Strahlung 312 gleich oder unterschiedlich sein, ohne von dem Umfang der vorliegenden Offenbarung abzuweichen. 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. Zum Beispiel kann, wie in 3B und in fortgesetztem Bezug auf 3A gezeigt, die optische Rechenvorrichtung 301 in einigen Fällen so konfiguriert sein, dass das ICE 310 vor der Probe 302 in einem optischen Strahlengang lokalisiert werden kann, wobei die elektromagnetische Strahlung 304 zunächst mit dem ICE 310 optisch interagiert, um optisch interagierende Strahlung (z. B. mit dem ICE interagierendes Licht) in einem optischen Strahlengang zu generieren, wovon ein Teil elektromagnetische Strahlung 304 ist, die dem interessierenden Charakteristikum entspricht und durch einen Zieleinfallswinkel gekennzeichnet ist, und wovon ein Teil elektromagnetische Hintergrundstrahlung 306 ist, die anderen Charakteristika der Probe 302 oder anderer elektromagnetischer Hintergrundstrahlung entsprechen kann. Dann interagiert die optisch interagierende Strahlung optisch mit der Probe 302, um die modifizierte elektromagnetische Strahlung 312, 314 in dem optischen Strahlengang zu generieren. Ein oder mehrere BASFs (zwei gezeigt) 308, 316 können zusätzlich in dem optischen Strahlengang positioniert sein, um das Licht 306a, 314a an verschiedenen Punkten entlang des optischen Strahlengangs zu reflektieren. Die modifizierte elektromagnetische Strahlung 312 kann zu dem Detektor 318 befördert werden. In anderen Ausführungsformen, wie in 3A gezeigt, wird das ICE 310 in dem optischen Strahlengang nach der Probe 302 lokalisiert, wobei die elektromagnetische Strahlung 304 zunächst optisch mit der Probe 302 interagiert, um optisch interagierende Strahlung (z. B. mit der Probe interagierendes Licht) zu generieren, und die optisch interagierende Strahlung dann mit dem ICE 310 optisch interagiert, um die modifizierte elektromagnetische Strahlung 312, 314 in dem optischen Strahlengang zu generieren. Das heißt, dass die Anordnung der Probe 302 in Bezug auf das ICE 310 in dem optischen Strahlengang nicht einschränkend ist und nicht die Fähigkeit der optischen Rechenvorrichtung 300 zum Detektieren eines interessierenden Charakteristikums der Probe 302 beeinträchtigt.
  • Wie in 3A gezeigt, kann in einigen Ausführungsformen ein zweiter BASF 316 in dem optischen Strahlengang nach dem ICE 310 positioniert sein, um die modifizierte elektromagnetische Strahlung 312 zu übertragen, die den Zieleinfallswinkel aufweist und um die modifizierte elektromagnetische Strahlung 314 zu reflektieren, die nicht mit dem Zieleinfallswinkel übereinstimmt, wodurch das reflektierte Licht 314a gebildet und von einem Detektor 318 weggelenkt wird. Der erste BASF 308 und der zweite BASF 316 können im Wesentlichen oder vollständig gleich (z. B. aus dem gleichen Material, mit der gleichen Schichtgröße, auf den gleichen Zieleinfallswinkel abgestimmt und dergleichen) oder im Wesentlichen unterschiedlich sein, ohne von dem Umfang der vorliegenden Offenbarung abzuweichen. Die Art des ausgewählten BASF kann von dem Zieleinfallswinkel abhängen, der an einer bestimmten Stelle in dem optischen Strahlengang gewünscht ist, welcher selbst von der Art der Probe 302, dem interessierenden Charakteristikum der Probe 302, der Reihenfolge des Kontakts elektromagnetischer Strahlung mit den verschiedenen Komponenten der optischen Rechenvorrichtung 300 und dergleichen abhängen kann. Zudem kann der erste BASF 308 oder der zweite BASF 316 in dem optischen Strahlengang jeweils allein oder in Kombination miteinander verwendet werden. Zusätzlich können andere BASFs (z. B. 308, 316) an einer beliebigen Stelle in dem optischen Strahlengang lokalisiert werden, wie etwa um eine Feinabstimmung der Übertragung des Zieleinfallswinkels zu gewährleisten und Streulicht zu reflektieren, das nicht mit dem Zieleinfallswinkel übereinstimmt. Zum Beispiel kann ein BASF in dem optischen Strahlengang, zwischen der elektromagnetischen Strahlungsquelle und der Probe, zwischen der Probe und dem ICE, zwischen dem ICE und dem Detektor und eine beliebige Kombination davon lokalisiert werden.
  • Die modifizierte elektromagnetische Strahlung 312 kann für eine Analyse und Quantifizierung zu dem Detektor 318 befördert werden. In einigen Ausführungsformen kann der Detektor 318 konfiguriert sein, um ein Ausgabesignal in Form einer Stromstärke oder Spannung zu erzeugen, das einem bestimmten Charakteristikum der Probe 302 entspricht. In mindestens einer Ausführungsform können das Signal, das von dem Detektor 318 erzeugt wird und das Charakteristikum der Probe 302 (z. B. Konzentration eines Analyten der Probe 302) direkt proportional sein. In anderen Ausführungsformen kann die Beziehung eine Polynomfunktion, eine Exponentialfunktion und/oder eine Logarithmusfunktion sein. Das reflektierte Streulicht 306a, 314a, welches mit anderen Charakteristika der Probe 302 oder nicht auf die Probe 302 bezogenem Licht in Zusammenhang stehen kann, kann von dem Detektor 318 weggelenkt werden. In alternativen Konfigurationen (nicht gezeigt) kann bzw. können das ICE 310 und/oder die BASFs 308, 316 so konfiguriert sein, dass das reflektierte optisch interagierende Licht 306a, 314a mit einem Charakteristikum der Probe 302 in Zusammenhang gebracht werden kann und die übertragene optisch interagierende und/oder modifizierte Strahlung 304, 312 mit einem anderen Charakteristikum der Probe 302 in Zusammenhang gebracht werden kann, ohne von dem Umfang der vorliegenden Offenbarung abzuweichen, und das reflektierte optisch interagierende Licht 306a, 314a kann zur Analyse und Quantifizierung zu einem zweiten Detektor (nicht gezeigt) befördert werden.
  • In einigen Ausführungsformen kann das reflektierte optisch interagierende Licht 306a, 314a mit Charakteristika der Probe 302 in Zusammenhang stehen, 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 300 eingeschlossen sind (z. B. Probenfenster), Kombinationen davon oder dergleichen.
  • 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 302 oder ein Analyt davon bereitzustellen. In einigen Ausführungsformen können die Identifizierung und die Konzentration von einem oder mehreren Analyten einer Probe 302 verwendet werden, um bestimmte physikalische Charakteristika der Probe 202 oder des Analyten davon vorherzusagen. Zum Beispiel kann die Menge der Probe 202 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 302 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 302 oder das interessierende Charakteristikum der Probe 302 innerhalb programmierter akzeptabler Grenzen liegt, die in Abhängigkeit von einem bestimmten Betrieb beschränkt 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 302 oder des interessierenden Charakteristikums der Probe 302 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 302 oder ein interessierendes Charakteristikum der Probe 302, 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 302 oder das interessierende Charakteristikum der Probe 302 genau vorherzusagen. Ferner kann das künstliche neuronale Netzwerk, auch in Gegenwart von unbekannten Analyten, mit ausreichend Training genauer die Probe 302 oder das interessierende Charakteristikum der Probe 302 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 Bezug auf 4 wird nun ein beispielhaftes System 400 zum Überwachen oder Bestimmen eines bestimmten Charakteristikums einer Probe 402 gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen veranschaulicht. In der veranschaulichten Ausführungsform kann sich die Probe 402 in einem Flusspfad 404 befinden, obwohl die Probe 402 nicht in einem Flusspfad 404 aufgenommen sein muss, um mit den hierin beschriebenen Ausführungsformen übereinzustimmen. Der Flusspfad 404 kann zum Beispiel ein Teil einer Probenkammer in einem Formationstester oder ein Teil eines Bohrlochs und dergleichen sein. Die Probe 402 kann in dem Flusspfad 404 fließen oder sich auf andere Weise darin bewegen und sie kann in der allgemeinen Richtung fließen, die durch die Pfeile A (d. h. stromaufwärts nach stromabwärts) angezeigt wird. Es versteht sich jedoch, dass der Flusspfad 404 in einer beliebigen Richtung einschließend eine Kreisrichtung, vorliegen kann, ohne von dem Umfang der vorliegenden Offenbarung abzuweichen.
  • Das System 400 kann mindestens eine optische Rechenvorrichtung 406 einschließen, die in mancher Hinsicht der optischen Rechenvorrichtung 300 aus 3A, B ähneln kann. Obwohl nicht gezeigt, kann die Vorrichtung 406 in einem Futterrohr oder Gehäuse aufgenommen werden, das konfiguriert ist, um im Wesentlichen die inneren Komponenten der Vorrichtung 406 vor Schäden oder einer Verunreinigung aus der äußeren Umgebung zu schützen. Das Gehäuse kann betrieben werden, um die Vorrichtung 406 zum Beispiel mit mechanischen Befestigungselementen, Hartlöt- oder Schweißmethoden, Klebstoffen, Magneten, anderen Befestigungsvorrichtungen, Kombinationen davon oder dergleichen mechanisch an den Flusspfad 404 zu koppeln oder anderweitig in Kommunikation zu platzieren.
  • Wie nachfolgend ausführlicher beschrieben, kann die optische Rechenvorrichtung 406 bei der Bestimmung eines bestimmten Charakteristikums einer Probe 402, wie etwa einer innerhalb des Flusspfads 404, nützlich sein. Zum Beispiel kann das Charakteristikum der Probe 402 die Konzentration eines Analyten sein, der in der Probe 402 vorliegt. In einigen Ausführungsformen kann die Vorrichtung 406 eine elektromagnetische Strahlungsquelle 408 einschließen, die konfiguriert ist, um elektromagnetische Strahlung 410 zu emittieren oder auf andere Weise zu generieren. Die elektromagnetische Strahlungsquelle 408 kann eine beliebige Vorrichtung sein, die dazu in der Lage ist, elektromagnetische Strahlung, wie hierin definiert, zu emittieren oder zu generieren. Zum Beispiel kann die elektromagnetische Strahlungsquelle 408 eine Glühbirne, eine lichtemittierende Vorrichtung (LED), ein Laser, ein Schwarzer Körper, ein photonischer Kristall, eine Röntgenstrahlenquelle, eine Gammastrahlenquelle, Kombinationen davon oder dergleichen sein. In einigen Ausführungsformen kann eine Linse 412 konfiguriert sein, um die elektromagnetische Strahlung 410 zu sammeln oder auf andere Weise zu empfangen und einen Strahl 414 von elektromagnetischer Strahlung 410 zu der Probe 402 in einem optischen Strahlengang zu lenken. Die Linse 412 kann eine beliebige Art einer optischen Vorrichtung sein, die konfiguriert ist, um die elektromagnetische Strahlung 410, wie gewünscht, zu übertragen oder auf andere Weise zu befördern. Zum Beispiel kann die Linse 412 eine normale Linse, eine Fresnel-Linse, ein diffraktives optisches Element, ein holographisches graphisches Element, ein Spiegel (z. B. ein Fokussierspiegel), eine Art eines Kollimators oder eine beliebige andere elektromagnetische Strahlung übertragende Vorrichtung sein, die einem Fachmann bekannt ist. In anderen Ausführungsformen kann die Linse 412 hinsichtlich der Vorrichtung 406 weggelassen werden und die elektromagnetische Strahlung 410 kann stattdessen direkt von der elektromagnetischen Strahlungsquelle 408 in dem optischen Strahlengang zu der Probe 402 befördert werden.
  • In einer oder mehreren Ausführungsformen kann die Vorrichtung 406 außerdem ein Probenfenster 416 einschließen, das zum Zwecke der Detektion angrenzend an die Probe 402 oder anderweitig in Kontakt damit angeordnet ist. Das Probenfenster 416 kann aus einer Vielzahl von transparenten starren oder halbstarren Materialien bestehen, die konfiguriert sind, um eine Übertragung der elektromagnetischen Strahlung 410 dahindurch zu ermöglichen. Zum Beispiel kann das Probenfenster 416 unter anderem aus Glas, Kunststoffen, Halbleitern, kristallinen Materialien, polykristallinen Materialien, heiß- oder kaltgepressten Pulvern, Kombinationen davon, oder dergleichen bestehen. Obwohl ein Probenfenster 416 in 4 als Teil des Systems 400 abgebildet wird, versteht es sich, dass ein Probenfenster 416 hinsichtlich des Systems 400 weggelassen werden und die elektromagnetische Strahlung 410 direkt optisch mit einer Probe 402 interagieren kann, ohne dass sie zunächst durch ein Probenfenster 416 hindurchgeht, ohne von dem Umfang der vorliegenden Offenbarung abzuweichen.
  • Wie gezeigt, trifft die elektromagnetische Strahlung 410, nachdem sie durch das Probenfenster 416 hindurchgegangen ist, auf die Probe 402 in dem Flusspfad 404 auf und interagiert optisch damit. Infolgedessen wird optisch interagierende Strahlung 418 durch die Probe 402 generiert und davon reflektiert. Ein Fachmann wird jedoch ohne Weiteres erkennen, dass es alternative Variationen der Vorrichtung 406 ermöglichen können, dass die optisch interagierende Strahlung 418 generiert wird, indem sie durch die und/oder von der Probe 402 oder einen bzw. einem oder mehrere(n) Analyten der Probe 402 übertragen, gestreut, gebeugt, absorbiert, emittiert oder wiederausgestrahlt wird, ohne von dem Umfang der vorliegenden Offenbarung abzuweichen.
  • Die optisch interagierende Strahlung 418, die durch die Interaktion mit der Probe 402 generiert wird, kann zu einem ICE 420, das in der Vorrichtung 406 angeordnet ist, gerichtet oder anderweitig davon empfangen werden. Das ICE 420 kann eine Spektralkomponente sein, die im Wesentlichen dem zuvor in Bezug auf 1 beschriebenen ICE 100 ähnelt. Dementsprechend kann das ICE 420 im Betrieb konfiguriert sein, um die optisch interagierende Strahlung 418 zu empfangen und die modifizierte elektromagnetische Strahlung 422 zu erzeugen, die einem bestimmten interessierenden Charakteristikum der Probe 402 entspricht.
  • Es ist anzumerken, wie zuvor erörtert, dass obwohl das ICE 420 in 4 so abgebildet ist, dass es optisch interagierende Strahlung 418 von der Probe 402 empfängt, das ICE 420 an einem beliebigen Punkt entlang des optischen Strahlengangs der Vorrichtung 406 angeordnet sein kann, ohne von dem Umfang der Offenbarung abzuweichen. Zum Beispiel kann das ICE 420a (mit gestrichelten Linien gezeigt) in dem optischen Strahlengang vor der Probe 402 und der Vorrichtung 406 angeordnet sein und gleichermaßen im Wesentlichen die gleichen Ergebnisse erhalten. Dementsprechend kann die modifizierte elektromagnetische Strahlung 422 durch eine optische Interaktion mit mindestens einem ICE und der Probe 402 in einer beliebigen Reihenfolge generiert werden, ohne von dem Umfang der vorliegenden Offenbarung abzuweichen. In anderen Ausführungsformen kann das Probenfenster 416 sowohl als ein Übertragungsfenster als auch als ein ICE (d. h. eine Spektralkomponente) einem doppelten Zweck dienen. In weiteren Ausführungsformen kann das ICE 420 die modifizierte elektromagnetische Strahlung 322 durch eine Reflexion anstelle einer Übertragung dahindurch generieren.
  • Zudem werden hierin, obwohl lediglich ein ICE 420 in der Vorrichtung 406 gezeigt ist, Ausführungsformen in Erwägung gezogen, welche die Verwendung von mindestens zwei ICE-Komponenten in der Vorrichtung 406 einschließen, die konfiguriert sind, um zusammenwirkend das interessierende Charakteristikum in der Probe 402 zu bestimmen. Zum Beispiel können zwei oder mehr ICE-Komponenten in der Vorrichtung 406 an einem beliebigen Punkt entlang des optischen Strahlengangs in Reihe oder parallel angeordnet und konfiguriert sein, um die elektromagnetische Strahlung 410 oder die optisch interagierende Strahlung 418 zu empfangen, um Empfindlichkeiten und Detektorgrenzen der Vorrichtung 406 zu verbessern. In anderen Ausführungsformen können zwei oder mehr ICE-Komponenten auf einer beweglichen Baugruppe, wie etwa einer drehbaren Scheibe oder einem schwingenden linearen Array, angeordnet sein, welche sich so bewegt, dass die einzelnen ICE-Komponenten dazu in der Lage sind, für einen unterschiedlichen kurzen Zeitraum freigelegt zu werden oder auf andere Weise optisch mit elektromagnetischer Strahlung 410 zu interagieren. Die zwei oder mehr ICE-Komponenten in beliebigen dieser Ausführungsformen können konfiguriert sein, um entweder mit dem interessierenden Charakteristikum in der Probe 402 verknüpft oder davon getrennt zu sein. In anderen Ausführungsformen können die zwei oder mehr ICE-Komponenten konfiguriert sein, um eine positive oder negative Korrelation zu dem interessierenden Charakteristikum aufzuweisen.
  • In einigen Ausführungsformen kann es wünschenswert sein, mehr als ein interessierendes Charakteristikum auf einmal unter Verwendung der Vorrichtung 406 zu überwachen. In derartigen Ausführungsformen können verschiedene Konfigurationen für mehrere ICE-Komponenten verwendet werden, wobei jede ICE-Komponente konfiguriert ist, um ein bestimmtes und/oder unterschiedliches interessierendes Charakteristikum zu detektieren, das zum Beispiel einem Charakteristikum der Probe 402 entspricht. In einigen Ausführungsformen kann dass interessierende Charakteristikum sequenziell unter Verwendung mehrerer ICE-Komponenten analysiert werden, in denen ein einziger Strahl von optisch interagierender Strahlung 418 von der Probe 402 reflektiert oder dadurch übertragen wird. In einigen Ausführungsformen können mehrere ICE-Komponenten 320 auf einer drehbaren Scheibe angeordnet sein, wobei die einzelnen ICE-Komponenten gegenüber dem Strahl von optisch interagierender Strahlung 418 lediglich für kurze Zeit freigelegt sind. Vorteile dieses Ansatzes können die Fähigkeit zum Analysieren mehrerer interessierender Charakteristika einer Probe 402 (oder mehrerer Arten von Proben 402) unter Verwendung einer einzigen Vorrichtung 406 und die Möglichkeit zum Untersuchen zusätzlicher Eigenschaften einschließen, indem lediglich zusätzliche ICE-Komponenten hinzugegeben werden, die diesen zusätzlichen Charakteristika entsprechen oder unterschiedlichen Arten von Proben 402 entsprechen. Es ist wiederum anzumerken, dass die eine oder die mehreren ICE-Komponente(n) vor, nach, oder vor und nach (d. h. wenn mehrere ICE-Komponenten verwendet werden) der Probe 402 lokalisiert werden kann bzw. können, ohne von dem Umfang der vorliegenden Offenbarung abzuweichen.
  • In anderen Ausführungsformen können mehrere Vorrichtungen 406 an einer einzigen Stelle entlang des Flusspfades 404 platziert werden, wobei jede Vorrichtung 406 ein einzigartiges ICE enthält, das konfiguriert ist, um ein bestimmtes interessierendes Charakteristikum der Probe 402 zu detektieren. In derartigen Ausführungsformen kann ein Strahlteiler einen Teil der optisch interagierenden Strahlung 418 umlenken, die von der Probe 402 und in jede Vorrichtung 406 reflektiert, davon emittiert oder durch diese übertragen wird. Wie nachfolgend ausführlicher beschrieben, kann ein BASF gemäß den hierin beschriebenen Ausführungsformen ebenso als ein Strahlteiler verwendet werden, um diesen Zweck zu erfüllen. Jede Vorrichtung 406 kann wiederum an einen entsprechenden Detektor oder ein entsprechendes Detektor-Array gekoppelt sein, das konfiguriert ist, um eine Ausgabe von elektromagnetischer Strahlung von der entsprechenden Vorrichtung 406 zu detektieren und zu analysieren. Parallele Konfigurationen optischer Rechenvorrichtungen 406 können insbesondere für Anwendungen vorteilhaft sein, die geringe Stromeingänge und/oder keine beweglichen Teile erforderlich machen.
  • Die modifizierte elektromagnetische Strahlung 422, die durch das ICE 420 generiert wird, kann anschließend zur Quantifizierung des Signals zu einem Detektor 424 befördert werden. Der Detektor 424 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 424 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, oder dergleichen, oder andere Detektoren, die einem Fachmann bekannt sind.
  • In einigen Ausführungsformen kann der Detektor 424 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 402 entspricht. Die Spannung, die von dem Detektor 424 zurückgeschickt wird, ist im Wesentlichen das Skalarprodukt der optischen Interaktion der modifizierten elektromagnetischen Strahlung 422 in Bezug auf das ICE 420 als eine Funktion des interessierenden Charakteristikums. Von daher können das Ausgabesignal 426, das von dem Detektor 424 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 die Vorrichtung 406 einen zweiten Detektor 428 einschließen, welcher dem ersten Detektor 424 dahingehend ähneln kann, dass er eine beliebige Vorrichtung sein kann, die dazu in der Lage ist, elektromagnetische Strahlung zu detektieren. Der zweite Detektor 428 kann verwendet werden, um Abweichungen hinsichtlich der Strahlung zu detektieren, die von der elektromagnetischen Strahlungsquelle 408 stammen. Es können aufgrund einer Vielzahl von Gründen unerwünschte Variationen hinsichtlich der Intensität der elektromagnetischen Strahlung 410 auftreten und möglicherweise verschiedene negative Auswirkungen auf die Ausgabe der Vorrichtung 406 haben. Diese negativen Auswirkungen können insbesondere für Messungen nachteilig sein, die über einen Zeitraum hinweg ausgeführt werden. In einigen Ausführungsformen können die Variationen als eine Folge einer Ansammlung von Film oder Material an dem Probenfenster 416 auftreten, was den Effekt haben kann, dass die Menge und Qualität von Licht, das den ersten Detektor 424 schließlich erreicht, verringert wird. Ohne eine sachgemäße Kompensation können derartige Abweichungen hinsichtlich der Strahlung zu falschen Ablesungen führen und das Ausgabesignal 426 würde sich nicht mehr primär oder genau auf das interessierende Charakteristikum beziehen.
  • Um diese Variationen hinsichtlich der Lichtintensität zu kompensieren, kann der zweite Detektor 428 konfiguriert sein, um ein Kompensationssignal 430 zu generieren, das im Allgemeinen für die Abweichungen hinsichtlich der Strahlung der elektromagnetischen Strahlungsquelle 408 bezeichnend ist, und dadurch das Ausgabesignal 426 normieren, das durch den ersten Detektor 424 generiert wird. Wie veranschaulicht, kann der zweite Detektor 428 konfiguriert sein, um einen Teil der optisch interagierenden Strahlung 418 über einen Strahlteiler 432 zu empfangen, um diese Variationen zu detektieren. In anderen Ausführungsformen kann der zweite Detektor 428 jedoch angeordnet sein, um elektromagnetische Strahlung aus einem beliebigen Teil des optischen Strahlengangs in der Vorrichtung 406 zu empfangen, um die Variationen hinsichtlich der Quellenintensität zu detektieren, ohne von dem Umfang der Offenbarung abzuweichen.
  • In einigen Anwendungen können das Ausgabesignal 426 und das Kompensationssignal 430 zu einem Signalprozessor 434, der kommunikativ an beide Detektoren 424, 428 gekoppelt ist, befördert oder auf andere Weise davon empfangen werden. Der Signalprozessor 434 kann ein Computer sein, einschließend ein nicht-transitorisches maschinenlesbares Medium, und kann konfiguriert sein, um rechnerisch das Kompensationssignal 430 mit dem Ausgabesignal 426 zu kombinieren, um das Ausgabesignal 426 im Hinblick auf beliebige Variationen einer Lichtquellenintensität zu normieren, die von dem zweiten Detektor 428 detektiert werden und ein resultierendes Ausgabesignal 436 zu erzeugen. In einigen Ausführungsformen kann das rechnerische Kombinieren des Ausgabe- und Kompensationssignals 426, 430 das Berechnen eines Verhältnisses der zwei Signale 426, 430 beinhalten. Zum Beispiel kann die Konzentration oder Größenordnung jedes interessierenden Charakteristikums, das unter Verwendung der optischen Rechenvorrichtung 406 bestimmt wird, in einen Algorithmus eingepflegt werden, der von dem Signalprozessor 434 ausgeführt wird.
  • In Echtzeit oder nahezu in Echtzeit kann der Signalprozessor 434 konfiguriert sein, um das resultierende Ausgabesignal 436 bereitzustellen, das einem interessierenden Charakteristikum in der Probe 402 entspricht. Das resultierende Ausgabesignal 436 kann von einem Bediener lesbar sein, der die Ergebnisse bei Bedarf auf Grundlage des Ausgabesignals in Bezug auf die Probe 402 (z. B. einer Konzentration der Probe 402 oder einer Konzentration eines Charakteristikums der Probe 402) untersuchen und ordnungsgemäße Einstellungen vornehmen oder eine geeignete Maßnahme ergreifen kann. In einigen Ausführungsformen kann die resultierende Signalausgabe 436 entweder verdrahtet oder drahtlos für eine Untersuchung zu einem Bediener befördert werden. In anderen Ausführungsformen kann das resultierende Ausgabesignal 436 des interessierenden Charakteristikums von dem Signalprozessor 434 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 Ausgabesignal 436 zu einem Wert innerhalb des vorher festgelegten oder vorprogrammierten Bereichs eines geeigneten Betriebs zurückkehrt.
  • Das Potenzial für Streustrahlung ist nicht auf eine bestimmte Stelle in dem optischen Strahlengang begrenzt und kann an einem beliebigen Punkt in dem optischen Strahlengang auftreten, wodurch sich eine potenzielle Verringerung hinsichtlich der Empfindlichkeit der Vorrichtung 406 zum Detektieren eines Charakteristikums der Probe 402, wie zuvor erörtert, ergibt. Zum Beispiel kann das Probenfenster 416 eine oder mehrere Flächen aufweisen, die mindestens eine oder mehrere Streustrahlungsreflexionen generieren. Dementsprechend können unabhängig von der bestimmten Ausführungsformanordnung, die für die Vorrichtung 406, wie hierin beschrieben, ausgewählt ist, ein oder mehrere BASFs in einem beliebigen Teil des optischen Strahlengangs der Vorrichtung 406 platziert werden, um Streulicht von dem optischen Strahlengang wegzureflektieren, das nicht mit einem bestimmten Zieleinfallswinkel (gegebenenfalls einschließend ein Breitband von Winkeln) übereinstimmt und elektromagnetische Strahlung zu übertragen, die mit dem Zieleinfallswinkel übereinstimmt. Zum Beispiel kann, wie in 4 mit gestrichelten Linien gezeigt, der BASF an einer oder mehreren Stellen in dem optischen Strahlengang zwischen der elektromagnetischen Strahlungsquelle 408 und der Probe 402 lokalisiert werden. Zum Beispiel kann der BASF 440a zwischen der elektromagnetischen Strahlungsquelle 408 und der Probe 402 in der Nähe der elektromagnetischen Strahlungsquelle 408 (z. B. genau nach der optionalen Linse 412) lokalisiert werden. In anderen Ausführungsformen kann der BASF 440b zwischen der elektromagnetischen Strahlungsquelle 408 und der Probe 402 in der Nähe der Probe 402 (z. B. in der Nähe des Probenfensters 416) lokalisiert werden. Die BASFs der vorliegenden Offenbarung können zusätzlich zwischen der Probe 402 und dem ICE 420, wie etwa an einer Stelle nach dem Probenfenster 416 (BASF 440c) oder genau vor dem ICE 420 (BASF 440d) lokalisiert werden. In einigen Ausführungsformen können ein oder mehrere BASFs zwischen dem ICE 420 und dem Detektor 424 (BASF 440e) lokalisiert werden.
  • In einigen Ausführungsformen können ein oder mehrere BASFs vor oder nach dem optionalen Strahlteiler 432 lokalisiert werden (z. B. BASF 440c, 440d) oder der Strahlteiler 432 an sich kann ein BASF gemäß den Verfahren der vorliegenden Offenbarung sein, sodass der BASF-Strahlteiler 432 konzipiert ist, um bestimmte Zieleinfallswinkel zu übertragen und andere zu reflektieren, die nicht mit einem Zieleinfallswinkel übereinstimmen, wie zuvor beschrieben. Ein oder mehrere BASFs können ebenso in dem optischen Pfad nach dem Strahlteiler 432 und vor dem zweiten Detektor 428 lokalisiert werden, ohne von dem Umfang der vorliegenden Offenbarung abzuweichen.
  • In jedem Fall, in dem ein BASF in dem optischen Strahlengang der Vorrichtung 406 positioniert ist, kann er dazu dienen, bestimmte elektromagnetische Strahlung mit bestimmten Einfallswinkeln zu übertragen oder zu reflektieren. Das heißt, dass ein interessierendes Charakteristikum einer Probe 402 oder ein bestimmtes ICE 420 Licht mit einem bestimmten Einfallswinkel übertragen oder reflektieren können und der BASF, wie zuvor erörtert, konzipiert sein kann, um diesen Einfallswinkel zu übertragen oder zu reflektieren, wobei Einfallswinkel, die nicht mit dem Zielwinkel übereinstimmen, jeweils umgekehrt reflektiert oder übertragen werden. In jedem Fall kann bei der Auswahl und Gestaltung des BASF in Abhängigkeit von seiner Position in dem optischen Strahlengang ebenso berücksichtigt werden, ob die elektromagnetische Strahlung zunächst mit dem ICE 420 oder der Probe 402 reagiert, weder mit der Probe 402 noch mit dem ICE 420 reagiert hat, sowohl mit dem ICE 420 als auch der Probe 402 reagiert hat und dergleichen. Auf eine solche Art und Weise bleibt lediglich oder im Wesentlichen lediglich die interessierende elektromagnetische Strahlung 410 in dem optischen Strahlengang oder sie wird anderweitig gesteuert, um in dem optischen Strahlengang zu bleiben, sodass sie beim Bestimmen des Ausgabesignals 422, 430 berücksichtigt werden kann.
  • In einigen Ausführungsformen kann der BASF der vorliegenden Offenbarung ein eigenständiger Filter sein. Wie hierin verwendet, beziehen sich der Begriff „eigenständiger Filter“ und grammatische Varianten davon auf einen 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 410, der optisch interagierenden Strahlung 418 (oder optisch interagierender Strahlung, die mit einem ICE und noch nicht mit der Probe interagiert hat), der modifizierten elektromagnetischen Strahlung 422 (die mit mindestens einem ICE und der Probe in einer beliebigen Reihenfolge interagiert hat) und einer beliebigen Kombination davon interagieren. Nach der elektromagnetischen Strahlung 410 interagiert bzw. interagieren die optisch interagierende Strahlung 418 und/oder die modifizierte elektromagnetische Strahlung 422 optisch mit dem BASF, er kann nach dem Winkel ausgewählte modifizierte elektromagnetische Strahlung (ASMR) generieren, die von dem Detektor 424 (und/oder 428) empfangen wird, welcher dann Ausgabesignale generieren kann, die einem Charakteristikum der Probe 402 entsprechen.
  • Wie hierin beschrieben, kann der BASF 440a–f zusätzlich ein Mehrschicht-Filmstapel sein, der auf einer Komponente der Vorrichtung 406 als ein Film abgelagert wird. Derartige Mehrschicht-Filmstapel-BASFs können auf einer Komponente abgelagert werden, einschließend unter anderem den ICE 420, den Detektor 424, 428, das Probenfenster 416, und eine beliebige Kombination davon, sofern sie sich in dem optischen Strahlengang befindet. Es können standardmäßige Dünnfilmabscheidungsverfahren zum Ablagern der Mehrstapel-Filmschicht auf einer oder mehreren Komponenten der Vorrichtung 406 verwendet werden, ohne von dem Umfang der vorliegenden Offenbarung abzuweichen. In einigen Ausführungsformen kann die Ablagerung durch eine Fertigung des BASF aus einem optischen Substrat erreicht werden, welches dann als das ICE 420 arbeiten kann. In anderen Ausführungsformen kann der Mehrschicht-Filmstapel auf einer oder mehreren Komponenten der Vorrichtung 406 unter Verwendung des reaktiven Magnetronsputterns, des Elektronenstrahlverdampfens, der chemischen Gasphasenabscheidung, und dergleichen, und einer beliebigen Kombination davon abgelagert 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 elektromagnetische Strahlungsquelle zum Emittieren elektromagnetischer Strahlung in einen optischen Strahlengang; 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, um die elektromagnetische Strahlung und/oder die modifizierte elektromagnetische Strahlung in dem optischen Strahlengang mit einem Zieleinfallswinkel zu übertragen, wodurch eine nach dem Winkel ausgewählte modifizierte elektromagnetische Strahlung (ASMR) generiert wird, und um eine oder mehrere Streustrahlungsreflexionen mit Winkeln zu reflektieren, die nicht mit dem Zieleinfallswinkel übereinstimmen; 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 einem 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 einem Zieleinfallswinkel in den optischen Strahlengang zu überführen.
  • Element A3: Wobei der BASF ein eigenständiger Filter ist.
  • Element A4: Wobei der BASF ein eigenständiger Filter ist, der in dem optischen Strahlengang an einer Stelle angeordnet ist, die ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus zwischen der elektromagnetischen Strahlungsquelle und der Probe, zwischen der Probe und dem ICE, zwischen dem ICE und dem Detektor und einer beliebigen Kombination davon.
  • Element A5: Wobei der BASF ein Mehrschicht-Filmstapel ist, der auf einer Komponente abgelagert ist, die ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus dem ICE, dem Detektor und einer beliebigen Kombination davon.
  • Element A6: Wobei ein Probenfenster angrenzend an die Probe in dem optischen Strahlengang angeordnet ist, wobei das Probenfenster eine oder mehrere Flächen aufweist, um mindestens eine der einen oder der mehreren der Streustrahlungsreflexion(en) zu generieren.
  • Element A7: Wobei ein Probenfenster angrenzend an die Probe in dem optischen Strahlengang angeordnet ist, wobei das Probenfenster eine oder mehrere Flächen aufweist, um mindestens eine der einen oder der mehreren der Streustrahlungsreflexion(en) zu generieren, 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 Detektor, dem Probenfenster und einer beliebigen Kombination davon.
  • Element A8: Wobei sich der BASF aus photonischen Kristallschichten zusammensetzt.
  • Element A9: 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 und einer beliebigen Kombination davon.
  • Element A10: Wobei die elektromagnetische Strahlungsquelle aus der Gruppe ausgewählt ist, bestehend aus einer Glühbirne, einer lichtemittierenden Vorrichtung, einem Laser, einem Schwarzen Körper, einem photonischen Kristall, einer Röntgenstrahlenquelle, einer Gammastrahlenquelle und einer beliebigen Kombination davon.
  • Element A11: Wobei die elektromagnetische Strahlungsquelle zumindest eine ist, die aus der Gruppe ausgewählt ist, bestehend aus Infrarotstrahlung, naher Infrarotstrahlung, sichtbarem Licht, ultraviolettem Licht, Vakuum-UV-Licht, Röntgenstrahlung, Gammastrahlung und einer beliebigen Kombination davon.
  • Als ein nicht einschränkendes Beispiel schließen beispielhafte Kombinationen, die für A anwendbar sind, Folgendes ein: 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 A1 und A11; 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 A2 und A11; 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 A3 und A11; 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 A4 und A11; 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 A5 und A11; A mit A6 und A7; A mit A6 und A8; A mit A6 und A9; A mit A6 und A10; A mit A6 und A11; A mit A7 und A8; A mit A7 und A9; A mit A8 und A9; A mit A8 und A10; A mit A8 und A11; A mit A9 und A10; A mit A9 und A11; A mit A10 und A11; A mit A1, A2, A3, A4, A5, A6, A7, A8, A9, A10 und A11; A mit A1, A3, A5 und A8; A mit A1, A2, A6 und A9; A mit A5, A7 und A8; A mit A1, A2, A10 und A11.
  • Ausführungsform B: Ein Verfahren, umfassend: Bereitstellen einer elektromagnetischen Strahlungsquelle, die elektromagnetische Strahlung in einen optischen Strahlengang emittiert; 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 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, mit einem Zieleinfallswinkel, wodurch eine nach dem Winkel ausgewählte modifizierte elektromagnetische Strahlung (ASMR) generiert wird; Reflektieren von einer oder mehreren Streustrahlungsreflexionen mit dem BASF in dem optischen Strahlengang mit Winkeln, die nicht mit dem Zieleinfallswinkel übereinstimmen; Empfangen von ASMR 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 einem 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 einem Zieleinfallswinkel in den optischen Strahlengang zu überführen.
  • Element B3: Wobei der BASF ein eigenständiger Filter ist.
  • Element B4: Wobei der BASF ein eigenständiger Filter ist, und ferner umfassend das Anordnen des eigenständigen BASF-Filters an einer Stelle, die ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus zwischen der elektromagnetischen Strahlungsquelle und der Probe, zwischen der Probe und dem ICE, zwischen dem ICE und dem Detektor und einer beliebigen Kombination davon.
  • Element B5: Wobei der BASF ein Mehrschicht-Filmstapel ist, und ferner umfassend das Ablagern des BASF-Mehrschichtfilms auf einer Komponente, die ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus dem ICE, dem Detektor und einer beliebigen Kombination davon.
  • Element B6: Ferner umfassend das Anordnen eines Probenfensters angrenzend an die Probe und das Übertragen der elektromagnetischen Strahlung dahindurch, um optisch mit der Probe zu interagieren, wobei das Probenfenster eine oder mehrere Flächen aufweist, die mindestens eine der einen oder der mehreren der Streustrahlungsreflexion(en) generieren.
  • Element B7: Wobei der BASF ein Mehrschicht-Filmstapel ist, der auf einer abgelagert ist, die ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus dem ICE, dem Detektor, dem Probenfenster und einer beliebigen Kombination davon.
  • Element B8: Wobei sich der BASF aus photonischen Kristallschichten zusammensetzt.
  • Element B9: 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 und einer beliebigen Kombination davon.
  • Element B10: Wobei die elektromagnetische Strahlungsquelle aus der Gruppe ausgewählt ist, bestehend aus einer Glühbirne, einer lichtemittierenden Vorrichtung, einem Laser, einem Schwarzen Körper, einem photonischen Kristall, einer Röntgenstrahlenquelle, einer Gammastrahlenquelle und einer beliebigen Kombination davon.
  • Element B11: Wobei die elektromagnetische Strahlungsquelle zumindest eine ist, die aus der Gruppe ausgewählt ist, bestehend aus Infrarotstrahlung, naher Infrarotstrahlung, sichtbarem Licht, ultraviolettem Licht, Vakuum-UV-Licht, Röntgenstrahlung, Gammastrahlung 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 B1 und B11; 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 B2 und B11; 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 B3 und B11; 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 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 B5 und B11; B mit B6 und B7; B mit B6 und B8; B mit B6 und B9; B mit B6 und B10; B mit B6 und B11; B mit B7 und B8; B mit B7 und B9; B mit B7 und B10; B mit B7 und B11; B mit B8 und B9; B mit B8 und B10; B mit B8 und B11; B mit B9 und B10; B mit B9 und B11; B mit B10 und B11; B mit B1, B2, B3, B4, B5, B6, B7, B8, B9, B10 und B11; B mit B1, B2, B7 und B9; B mit B1, B3, B6 und B8; B mit B4, B7 und B9; B mit B1, B10 und B11.
  • Ausführungsform C: Ein 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 elektromagnetische Strahlungsquelle zum Emittieren elektromagnetischer Strahlung in den optischen Strahlengang; ein integriertes Rechenelement (ICE), das in dem optischen Strahlengang vor oder nach der 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, um die elektromagnetische Strahlung und/oder die modifizierte elektromagnetische Strahlung in dem optischen Strahlengang mit einem Zieleinfallswinkel zu übertragen, wodurch eine nach dem Winkel ausgewählte modifizierte elektromagnetische Strahlung (ASMR) generiert wird, und um eine oder mehrere Streustrahlungsreflexionen mit Winkeln zu reflektieren, die nicht mit dem Zieleinfallswinkel übereinstimmen; 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 einem 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 einem 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, der in einem Bohrloch in einer unterirdischen Formation lokalisiert wird.
  • Element C5: Wobei der BASF ein eigenständiger Filter ist.
  • Element C6: Wobei der BASF ein eigenständiger Filter ist, der in dem optischen Strahlengang an einer Stelle angeordnet ist, die ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus zwischen der elektromagnetischen Strahlungsquelle und der Probe, zwischen der Probe und dem ICE, zwischen dem ICE und dem Detektor und einer beliebigen Kombination davon.
  • Element C7: Wobei der BASF ein Mehrschicht-Filmstapel ist, der auf einer Komponente abgelagert ist, die ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus dem ICE, dem Detektor und einer beliebigen Kombination davon.
  • Element C8: Wobei ein Probenfenster angrenzend an die Probe in dem optischen Strahlengang angeordnet ist, wobei das Probenfenster eine oder mehrere Flächen aufweist, um mindestens eine der einen oder der mehreren der Streustrahlungsreflexion(en) zu generieren.
  • Element C9: Wobei ein Probenfenster angrenzend an die Probe in dem optischen Strahlengang angeordnet ist, wobei das Probenfenster eine oder mehrere Flächen aufweist, um mindestens eine der einen oder der mehreren der Streustrahlungsreflexion(en) zu generieren, 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 Detektor, 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 und einer beliebigen Kombination davon.
  • Element C12: Wobei die elektromagnetische Strahlungsquelle aus der Gruppe ausgewählt ist, bestehend aus einer Glühbirne, einer lichtemittierenden Vorrichtung, einem Laser, einem Schwarzen Körper, einem photonischen Kristall, einer Röntgenstrahlenquelle, einer Gammastrahlenquelle und einer beliebigen Kombination davon.
  • Element C13: Wobei die elektromagnetische Strahlungsquelle zumindest eine ist, die aus der Gruppe ausgewählt ist, bestehend aus Infrarotstrahlung, naher Infrarotstrahlung, sichtbarem Licht, ultraviolettem Licht, Vakuum-UV-Licht, Röntgenstrahlung, Gammastrahlung 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 C1 und C12; C mit C1 und C13; 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 C2 und C12; C mit C2 und C13; 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 C3 und C12; C mit C3 und C13; 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 C4 und C12; C mit C4 und C13; 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 C5 und C12; C mit C5 und C13; 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 C6 und C12; C mit C6 und C13; C mit C7 und C8; C mit C7 und C9; C mit C7 und C10; C mit C7 und C11; C mit C7 und C12; C mit C7 und C13; C mit C8 und C9; C mit C8 und C10; C mit C8 und C11; C mit C8 und C12; C mit C8 und C13; C mit C9 und C10; C mit C9 und C11; C mit C9 und C12; C mit C9 und C13; C mit C10 und C11; C mit C10 und C12; C mit C10 und C13; C mit C11 und C12; C mit C11 und C13; C mit C12 und C13; C mit C1, C2, C3, C4, C5, C6, C7, C8, C9, C10, C11, C12 und C13; 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 C10; C mit C7, C8 und C11; C mit C1, C5, C12 und C13.
  • 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 elektromagnetische Strahlungsquelle zum Emittieren elektromagnetischer Strahlung in einen optischen Strahlengang; 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, um die elektromagnetische Strahlung und/oder die modifizierte elektromagnetische Strahlung in dem optischen Strahlengang mit einem Zieleinfallswinkel zu übertragen, wodurch eine nach dem Winkel ausgewählte modifizierte elektromagnetische Strahlung (ASMR) generiert wird, und um eine oder mehrere Streustrahlungsreflexionen mit Winkeln zu reflektieren, die nicht mit dem Zieleinfallswinkel übereinstimmen; 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 der BASF ein eigenständiger Filter ist.
  5. Optische Rechenvorrichtung nach Anspruch 4, wobei der eigenständige BASF-Filter in dem optischen Strahlengang an einer Stelle angeordnet ist, die ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus zwischen der elektromagnetischen Strahlungsquelle und der Probe, zwischen der Probe und dem ICE, zwischen dem ICE und dem Detektor und einer beliebigen Kombination davon.
  6. Optische Rechenvorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, wobei der BASF ein Mehrschicht-Filmstapel ist, der auf einer Komponente abgelagert ist, die ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus dem ICE, dem Detektor und einer beliebigen Kombination davon.
  7. Optische Rechenvorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, wobei ein Probenfenster angrenzend an die Probe in dem optischen Strahlengang angeordnet ist, wobei das Probenfenster eine oder mehrere Flächen aufweist, um mindestens eine der einen oder der mehreren der Streustrahlungsreflexion(en) zu generieren.
  8. Optische Rechenvorrichtung nach Anspruch 7, wobei der BASF ein Mehrschicht-Filmstapel ist, der auf einer Komponente abgelagert ist, die ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus dem ICE, dem Detektor, dem Probenfenster und einer beliebigen Kombination davon.
  9. Optische Rechenvorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, wobei sich der BASF aus photonischen Kristallschichten zusammensetzt.
  10. Optische Rechenvorrichtung nach Anspruch 9, 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 und einer beliebigen Kombination davon.
  11. Optische Rechenvorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, wobei die elektromagnetische Strahlungsquelle aus der Gruppe ausgewählt ist, bestehend aus einer Glühbirne, einer lichtemittierenden Vorrichtung, einem Laser, einem Schwarzen Körper, einem photonischen Kristall, einer Röntgenstrahlenquelle, einer Gammastrahlenquelle und einer beliebigen Kombination davon.
  12. Optische Rechenvorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, wobei die elektromagnetische Strahlungsquelle zumindest eine ist, die aus der Gruppe ausgewählt ist, bestehend aus Infrarotstrahlung, naher Infrarotstrahlung, sichtbarem Licht, ultraviolettem Licht, Vakuum-UV-Licht, Röntgenstrahlung, Gammastrahlung und einer beliebigen Kombination davon.
  13. Verfahren, umfassend: Bereitstellen einer elektromagnetischen Strahlungsquelle, die elektromagnetische Strahlung in einen optischen Strahlengang emittiert; 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 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, mit einem Zieleinfallswinkel, wodurch eine nach dem Winkel ausgewählte modifizierte elektromagnetische Strahlung (ASMR) generiert wird; Reflektieren von einer oder mehreren Streustrahlungsreflexionen mit dem BASF in dem optischen Strahlengang mit Winkeln, die nicht mit dem Zieleinfallswinkel übereinstimmen; Empfangen von ASMR mit einem Detektor; und Generieren eines Ausgabesignals, das einem Charakteristikum der Probe entspricht.
  14. Verfahren nach Anspruch 13, 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.
  15. Verfahren nach Anspruch 13, 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.
  16. Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, wobei der BASF ein eigenständiger Filter ist, und ferner umfassend das Anordnen des eigenständigen BASF-Filters an einer Stelle, die ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus zwischen der elektromagnetischen Strahlungsquelle und der Probe, zwischen der Probe und dem ICE, zwischen dem ICE und dem Detektor und einer beliebigen Kombination davon.
  17. Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, wobei der BASF ein Mehrschicht-Filmstapel ist, und ferner umfassend das Ablagern des BASF-Mehrschichtfilms auf einer Komponente, die ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus dem ICE, dem Detektor und einer beliebigen Kombination davon.
  18. Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, ferner umfassend das Anordnen eines Probenfensters angrenzend an die Probe und das Übertragen der elektromagnetischen Strahlung dahindurch, um optisch mit der Probe zu interagieren, wobei das Probenfenster eine oder mehrere Flächen aufweist, die mindestens eine der einen oder der mehreren der Streustrahlungsreflexion(en) generieren.
  19. Verfahren nach Anspruch 18, wobei der BASF ein Mehrschicht-Filmstapel ist, der auf einer abgelagert ist, die ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus dem ICE, dem Detektor, dem Probenfenster und einer beliebigen Kombination davon.
  20. Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, wobei sich der BASF aus photonischen Kristallschichten zusammensetzt.
  21. Verfahren nach Anspruch 20, 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 und einer beliebigen Kombination davon.
  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 elektromagnetische Strahlungsquelle zum Emittieren elektromagnetischer Strahlung in den optischen Strahlengang; ein integriertes Rechenelement (ICE), das in dem optischen Strahlengang vor oder nach der 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, um die elektromagnetische Strahlung und/oder die modifizierte elektromagnetische Strahlung in dem optischen Strahlengang mit einem Zieleinfallswinkel zu übertragen, wodurch eine nach dem Winkel ausgewählte modifizierte elektromagnetische Strahlung (ASMR) generiert wird, und um eine oder mehrere Streustrahlungsreflexionen mit Winkeln zu reflektieren, die nicht mit dem Zieleinfallswinkel übereinstimmen; 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.
DE112015006166.5T 2015-04-15 2015-04-15 Optische Rechenvorrichtungen, umfassend selektive Breitbandwinkelfilter Withdrawn DE112015006166T5 (de)

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