DE112015006168T5 - Paralleles optisches Messsystem mit winkelselektiven Breitbandfiltern - Google Patents

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Abstract

Eine optische Rechenvorrichtung beinhaltet eine Lichtquelle, die elektromagnetische Strahlung in einen Strahlengang emittiert, der sich von der Lichtquelle zu einem Detektor erstreckt. Eine Substanz interagiert optisch mit der elektromagnetischen Strahlung. Eine Prozessoranordnung ist in dem Strahlengang positioniert und beinhaltet eine Vielzahl von integrierten Rechenelement-(ICE)-Kernen, die mit der elektromagnetischen Strahlung optisch interagieren, wobei der Detektor modifizierte elektromagnetische Strahlung empfängt, die durch optische Interaktion der elektromagnetischen Strahlung mit der Substanz und dem Prozessor generiert wird. Eine Gewichtungsanordnung ist in dem Strahlengang positioniert und beinhaltet eine Vielzahl von Gewichtungsvorrichtungen, die entsprechende Gewichtungsfaktoren auf die modifizierte elektromagnetische Strahlung optisch anwenden. Eine Anordnung winkelselektiver Breitbandfilter (BASF) ist in dem Strahlengang positioniert, um elektromagnetische Strahlung mit einem vorbestimmten Einfallswinkel selektiv passieren zu lassen. Der Detektor generiert ein Ausgangssignal, das für eine Charakteristik der Substanz bezeichnend ist.

Description

  • ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
  • Optische Rechengeräte, die auch allgemein als „optisch-analytische Vorrichtungen“ bezeichnet werden, können zur Analyse und Überwachung von Substanzen in Echtzeit verwendet werden. Solche optischen Rechenvorrichtungen nutzen oftmals eine Lichtquelle, die elektromagnetische Strahlung emittiert, um mit einer Probensubstanz und einem optischen Verarbeitungselement optisch zu interagieren (d.h. daran reflektieren, dadurch transmittieren usw.), um quantitative und/oder qualitative Werte von einer oder mehreren physikalischen oder chemischen Eigenschaften der Substanz zu bestimmen. Das optische Verarbeitungselement kann beispielsweise ein Kern integrierter Rechenelemente (ICE) sein, auch als multivariates optisches Element (MOE) bekannt. ICE-Kerne sind so ausgelegt, dass sie über ein Kontinuum von Wellenlängen im elektromagnetischen Spektrum im Bereich von UV bis zum mittleren Infrarot (MIR) oder irgendeinem Teilbereich dieses Bereichs betrieben werden können. Elektromagnetische Strahlung, die mit der Probensubstanz optisch interagiert, wird verändert und durch den ICE-Kern verarbeitet, um von einem Detektor gemessen zu werden, und Ausgänge des Detektors können mit der physikalischen oder chemischen Eigenschaft der analysierten Substanz korreliert werden.
  • In einigen Konfigurationen können mehrere ICE-Kerne in einer optischen Rechenvorrichtung verwendet werden, um eine bestimmte Charakteristik oder einen Analyten von Interesse in der Substanz zu erfassen. Die optischen Antworten von jedem ICE-Kern werden sequentiell durch einen einzelnen Detektor gemessen, und ein zugehöriger Signalprozessor kombiniert die verschiedenen Antworten unter Verwendung von codierter Software rechnerisch, sodass eine lineare Kombination der Antworten erhalten und mit dem Analyten von Interesse korreliert wird. Rechnerisches Kombinieren der Antworten kann Bestimmen eines gewichteten Mittelwerts der verschiedenen Antworten beinhalten, um die beste Messung des Analyten von Interesse zu erhalten. Da diese Messungen und Berechnungen sequentiell durchgeführt werden, ist dieser Prozess zeitaufwendig.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Die folgenden Figuren sind enthalten, um bestimmte Aspekte der vorliegenden Offenbarung zu veranschaulichen und sollten nicht als ausschließliche Ausführungsformen betrachtet werden. Der offenbarte Gegenstand ist erheblichen Modifikationen, Änderungen, Kombinationen und Äquivalenten in Form und Funktion zugänglich, ohne vom Umfang dieser Offenbarung abzuweichen.
  • 1 stellt einen beispielhaften Kern eines integrierten Rechenelements dar.
  • 2 stellt eine beispielhafte optische Rechenvorrichtung zum Analysieren einer Substanz dar.
  • 3 stellt eine weitere beispielhafte optische Rechenvorrichtung zum Analysieren einer Substanz dar.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
  • Die vorliegende Offenbarung betrifft optische Rechenvorrichtungen und insbesondere optische Rechenvorrichtungen, die verbesserte Konfigurationen optischer Verarbeitungselemente nutzen, die verwendet werden, um parallele Messungen von Probensubstanzen durchzuführen. Die hier beschriebenen optischen Rechenvorrichtungen beinhalten ferner winkelselektive Breitbandfilter, um optisches Übersprechen zwischen nicht axial ausgerichteten optischen Komponenten zu reduzieren.
  • Die hier beschriebenen Ausführungsformen nutzen verschiedene Konfigurationen von optischen Rechenvorrichtungen für die Echtzeit- oder Nah-Echtzeit-Überwachung einer Probensubstanz. Die hier beschriebenen optischen Rechenvorrichtungen wenden optisch und anderweitig physisch Gewichtungsfaktoren auf abgeleitete Antwortsignale an, im Gegensatz zum digitalen Anwenden der Gewichtungsfaktoren unter Verwendung eines Signalprozessors und zugehöriger Softwareanwendungen. Infolgedessen können Neuronalnetzwerk- oder Linearkombinationsverfahren optischer Messungen parallel und nicht sequentiell durchgeführt werden, was zu schnelleren Abtastzeiten führt. Eine offenbarte optische Rechenvorrichtung beinhaltet eine Anordnung optischer Verarbeitungselemente, auf die verschiedenen Gewichtungsfaktoren direkt angewendet werden. Die Anordnung stellt einen Detektor mit einem modifizierten optischen Signal bereit, auf das bereits Gewichtungsfaktoren angewendet wurden. Eine andere offenbarte optische Rechenvorrichtung beinhaltet eine Anordnung optischer Verarbeitungselemente und eine dynamische Anordnung von Gewichtungsvorrichtungen, die mit der Anordnung optischer Verarbeitungselemente optisch gekoppelt ist. Die dynamische Anordnung von Gewichtungsvorrichtungen kann die Gewichtungsfaktoren, die auf jedes optische Verarbeitungselement angewendet werden, in Echtzeit selektiv ändern, wodurch es der Anordnung optischer Verarbeitungselemente ermöglicht wird, mehrere Analyten gleichzeitig über eine Breitbandwellenlänge zu erfassen und anderweitig zu analysieren.
  • Die hier beschriebenen optischen Rechenvorrichtungen können auch winkelselektive Breitbandfilter (BASF) nutzen, um die Leistungsfähigkeit von anordnungsbasierten optischen Rechenvorrichtungen zu verbessern. Ein BASF reduziert oder eliminiert Übersprechen von Störlicht in solchen anordnungsbasierten optischen Rechenvorrichtungen, und ein Reduzieren des Übersprechens verbessert die Leistungsfähigkeit in Bezug auf Genauigkeit und Empfindlichkeit. Das BASF wird in den Strahlengang der optischen Rechenvorrichtung platziert und so betrieben, dass ein breiter Bereich elektromagnetischer Strahlung mit einem entworfenen oder vorbestimmten Einfallswinkel selektiv transmittiert wird. Elektromagnetische Strahlung, die auf das BASF unter einem von dem vorbestimmten Einfallswinkel versetzten Winkel auftrifft, wird reflektiert und auf andere Weise daran gehindert, sich entlang des Strahlengangs auszubreiten. Infolgedessen kann das BASF die Leistungsfähigkeit von optischen Rechenvorrichtungen verbessern, indem optisches Übersprechen zwischen nicht axial ausgerichteten Komponenten in den Anordnungen optischer Komponenten reduziert oder eliminiert wird.
  • Im hier verwendeten Sinne bezieht sich der Begriff „Charakteristik“ oder „Charakteristik von Interesse“ auf eine chemische, mechanische oder physikalische Eigenschaft einer Substanz oder einer Probe der Substanz. Die Charakteristik einer Substanz kann einen quantitativen oder einen qualitativen Wert eines/einer oder mehrerer darin enthaltener chemischer Komponenten oder Verbindungen oder zugehörigen physikalischen Eigenschaft beinhalten. Solche chemischen Komponenten und Verbindungen können hier als „Analyte“ bezeichnet werden. Beispielhafte Eigenschaften einer Substanz, die mit den hier beschriebenen optischen Rechenvorrichtungen erfasst werden können, können beispielsweise chemische Zusammensetzung (z.B. Identität und Konzentration insgesamt oder individueller Komponenten), Phasenvorhandensein (z.B. Gas, Öl, Wasser usw.), Verunreinigungsgehalt, pH-Wert, Alkalinität, Viskosität, Dichte, Ionenstärke, gelöste Feststoffe gesamt, Salzgehalt (z.B. Salinität), Porosität, Opazität, Bakteriengehalt, Gesamthärte, Durchlässigkeit, Kombinationen davon, Aggregatzustand (fest, flüssig, gasförmig, Emulsion, Mischungen davon usw.) und dergleichen beinhalten.
  • Im hier verwendeten Sinne bezieht sich der Begriff „Substanz“ oder Abwandlungen davon auf mindestens einen Teil von Materie oder Material von Interesse, das unter Verwendung der hier beschriebenen optischen Rechenvorrichtungen getestet oder anderweitig evaluiert werden soll. Die Substanz beinhaltet die Charakteristik von Interesse, wie oben definiert. Die Substanz kann jedes fließfähige Fluid sein, einschließlich teilchenförmiger Feststoffe, Flüssigkeiten, Gase (z.B. Luft, Stickstoff, Kohlendioxid, Argon, Helium, Methan, Ethan, Butan und andere Kohlenwasserstoffgase, Schwefelwasserstoff und Kombinationen davon), Aufschlämmungen, Emulsionen, Pulver, Schlämme, Gläser, Mischungen, Kombinationen davon, und kann wässrige Fluide (z.B. Wasser, Salzlösungen usw.), nicht-wässrige Fluide (z.B. organische Verbindungen, Kohlenwasserstoffe, Öl, eine raffinierte Komponente von Öl, petrochemische Produkte und dergleichen), Säuren, Tenside, Biozide, Bleichmittel, Korrosionsinhibitoren, Schäumer und Schaummittel, Brecher, Scavenger, Stabilisatoren, Klärmittel, Waschmittel, Behandlungsfluide, Frakturfluide, Formationsfluide oder irgendein(e) Ölfeldfluid, -chemikalie oder -substanz, das bzw. die häufig in der Öl- und Gasindustrie gefunden wird, beinhalten, ohne darauf beschränkt zu sein. In einigen Fällen kann sich die Substanz auch auf ein festes Material beziehen, wie etwa, ohne darauf beschränkt zu sein, Felsformationen, Beton, feste Bohrlochoberflächen, Rohre oder Durchflussleitungen und feste Oberflächen eines beliebigen Bohrlochwerkzeugs oder Projektils (z.B. Bälle, Pfeile, Stöpsel usw.).
  • Im hier verwendeten Sinne bezieht sich der Begriff „elektromagnetische Strahlung“ auf Funkwellen, Mikrowellenstrahlung, Terahertz-, Infrarot- und Nahinfrarotstrahlung, sichtbares Licht, Ultraviolettlicht, Röntgenstrahlung und Gammastrahlung.
  • Im hier verwendeten Sinne bezieht sich der Begriff „optisch interagieren“ oder Abwandlungen davon auf die Reflexion, Transmission, Streuung, Beugung oder Absorption elektromagnetischer Strahlung entweder auf einem, durch ein oder von einem oder mehreren Verarbeitungselementen (d.h. einer optischen Verarbeitungsvorrichtung), auf einer, durch eine oder von einer durch die Verarbeitungselemente analysierten Substanz oder auf einem, durch einen oder von einem Polarisator. Dementsprechend bezieht sich optisch interagiertes Licht auf elektromagnetische Strahlung, die reflektiert, transmittiert, gestreut, gebeugt oder absorbiert, emittiert oder erneut abgestrahlt worden ist, beispielsweise unter Verwendung eines Verarbeitungselements, kann aber auch für eine optische Interaktion mit einer Substanz oder einem Polarisator gelten.
  • Im hier verwendeten Sinne werden die Begriffe „optisch gekoppelt“ und „optisch ausgerichtet“ austauschbar verwendet und beziehen sich auf axiales und optisches Ausrichten optischer Komponenten einer optischen Rechenvorrichtung entlang des Strahlengangs der optischen Rechenvorrichtung. Wenn optische Komponenten einer optischen Rechenvorrichtung optisch gekoppelt oder ausgerichtet sind, kann beispielsweise elektromagnetische Strahlung, die mit einem Element einer ersten Anordnung optischer Komponenten optisch interagiert, mit einem koaxial ausgerichteten Element einer zweiten Anordnung optischer Komponenten optisch kommunizieren, während eine Substanz analysiert wird.
  • Die hier beschriebenen optischen Rechenvorrichtungen können einen oder mehrere Kerne integrierter Rechenelemente (ICE) nutzen. Bei Betrieb ist ein ICE-Kern so ausgelegt, dass er elektromagnetische Strahlung, die mit einer Charakteristik von Interesse einer Substanz zusammenhängt, von elektromagnetischer Strahlung, die mit anderen Komponenten des Stoffes zusammenhängt, unterscheidet. Unter Bezugnahme auf 1 ist ein beispielhafter ICE-Kern 100 dargestellt, der in den hier beschriebenen Systemen verwendet werden kann. Wie dargestellt, kann der ICE-Kern 100 eine Vielzahl von alternierenden Dünnfilmschichten 102 und 104, wie Silizium (Si) bzw. SiO2 (Quarz) beinhalten. Im Allgemeinen bestehen diese Schichten 102, 104 aus Materialien, deren Brechungsindex hoch bzw. niedrig ist. Weitere Beispiele von Materialien könnten Nioboxid und Niob, Germanium und Germaniumoxid, MgF, SiO und andere Materialien mit hohem und niedrigem Index, die im Fach bekannt sind, beinhalten. Die Schichten 102, 104 können strategisch auf einem optischen Substrat 106 abgeschieden sein. In einigen Ausführungsformen ist das optische Substrat 106 optisches BK-7-Glas. In weiteren Ausführungsformen kann das optische Substrat 106 ein anderer Typ eines optischen Substrats sein, wie ein anderes optisches Glas, Siliziumdioxid, Saphir, Silizium, Germanium, Zinkselenid, Zinksulfid oder verschiedene Kunststoffe wie Polycarbonat, Polymethylmethacrylat (PMMA), Polyvinylchlorid (PVC), Diamant, Keramik, Kombinationen davon und dergleichen.
  • Am gegenüberliegenden Ende (z.B. gegenüber dem optischen Substrat 106 in 1) kann der ICE-Kern 100 eine Schicht 108 beinhalten, die im Allgemeinen der Umgebung der Vorrichtung oder der Anlage ausgesetzt ist und in der Lage sein kann, mit einer Probensubstanz optisch zu interagieren. Die Anzahl der Schichten 102, 104 und die Dicke jeder Schicht 102, 104 werden aus den Spektralattributen bestimmt, die aus einer spektroskopischen Analyse einer Charakteristik der analysierten Substanz unter Verwendung eines herkömmlichen spektroskopischen Instruments gewonnen wurden. Das Spektrum von Interesse einer gegebenen Charakteristik beinhaltet typischerweise eine beliebige Anzahl unterschiedlicher Wellenlängen.
  • Es versteht sich, dass der in 1 gezeigte ICE-Kern 100 tatsächlich keinen bestimmten ICE-Kern darstellt, der verwendet wird, um eine bestimmte Charakteristik einer gegebenen Substanz zu erfassen, sondern nur zu Zwecken der Veranschaulichung bereitgestellt wird. Folglich steht die Anzahl der Schichten 102, 104 und ihre relativen Dicken, wie in 1 gezeigt, in keiner Beziehung zu irgendeiner bestimmten Substanz oder Charakteristik davon. Auch sind die Schichten 102, 104 und ihre relativen Dicken nicht notwendigerweise maßstäblich gezeichnet und sollten daher nicht als Beschränkung der vorliegenden Offenbarung betrachtet werden.
  • In einigen Ausführungsformen kann das Material jeder Schicht 102, 104 dotiert sein oder zwei oder mehr Materialien können in einer Weise kombiniert werden, um die gewünschte optische Charakteristik zu erreichen. Neben Feststoffen kann der beispielhafte ICE-Kern 100 auch Flüssigkeiten und/oder Gase, gegebenenfalls in Kombination mit Feststoffen, enthalten, um eine gewünschte optische Charakteristik zu erzeugen. Im Falle von Gasen und Flüssigkeiten kann der ICE-Kern 100 einen entsprechenden Behälter (nicht gezeigt) enthalten, der die Gase oder Flüssigkeiten aufnimmt. Beispielhafte Abwandlungen des ICE-Kerns 100 können auch holographische optische Elemente, Gitter, Piezoelektrizität, Lichtleiter und/oder akustooptische Elemente beinhalten, die beispielsweise Transmissions-, Reflexions- und/oder Absorptionseigenschaften von Interesse erzeugen können.
  • Die mehreren Schichten 102, 104 können unterschiedliche Brechungsindizes aufweisen. Durch richtiges Auswählen der Materialien der Schichten 102, 104 und ihrer relativen Dicke und ihres Abstandes kann der ICE-Kern 100 so konfiguriert werden, dass er vorbestimmte Fraktionen von elektromagnetischer Strahlung bei verschiedenen Wellenlängen selektiv transmittiert oder reflektiert. Jede Wellenlänge erhält einen vorbestimmten Gewichtungs- oder Belastungsfaktor. Die Dicke und der Abstand der Schichten 102, 104 können unter Verwendung einer Vielfalt von Näherungsverfahren aus dem Spektrum der Charakteristik oder dem Analyten von Interesse bestimmt werden. Diese Verfahren können eine inverse Fourier-Transformation (Inverse Fourier Transform, IFT) des optischen Transmissionsspektrums und Strukturieren des ICE-Kerns 100 als physische Darstellung der IFT beinhalten. Die Näherungen wandeln die IFT in eine Struktur um, die auf bekannten Materialien mit konstanten Brechungsindizes basiert.
  • Die Gewichtungen, die die Schichten 102, 104 des ICE-Kerns 100 bei jeder Wellenlänge anwenden, können auf die Regressionsgewichtungen eingestellt werden, die in Bezug auf eine bekannte Gleichung, bekannte Daten oder eine bekannte spektrale Signatur beschrieben sind. Wenn beispielsweise elektromagnetische Strahlung mit einer Substanz interagiert, werden einzigartige physikalische und chemische Informationen über die Substanz in der elektromagnetischen Strahlung codiert, die von der Substanz reflektiert, durch diese transmittiert oder von dieser abgestrahlt wird. Diese Informationen werden oft als der spektrale „Fingerabdruck“ der Substanz bezeichnet. Der ICE-Kern 100 kann so konfiguriert sein, dass er das Punktprodukt der empfangenen elektromagnetischen Strahlung und der wellenlängenabhängigen Transmissionsfunktion des ICE-Kerns 100 bildet. Die wellenlängenabhängige Übertragungsfunktion des ICE-Kerns 100 hängt von dem Brechungsindex des Materials jeder Schicht, der Anzahl an Schichten 102, 104 und der Dicke jeder Schicht 102, 104 ab.
  • Ein Typ oder eine Abwandlung eines ICE-Kerns 100 ist ein ICE-Kern mit frequenzselektiver Oberfläche (Frequency Selective Surface, FSS). Der FSS-ICE-Kern ähnelt in gewisser Hinsicht dem oben beschriebenen ICE-Kern 100, wobei allerdings ein FSS-ICE-Kern eine einzelne, periodisch gemusterte metallische Dünnfilmschicht anstelle eines Stapels von dielektrischen Dünnfilmschichten 102, 104 beinhaltet. Bei optischer Interaktion mit elektromagnetischer Strahlung generiert der FSS-ICE-Kern eine optische Verarbeitungsfunktion, die von der Form der FSS-Struktur, der Art des für die Dünnfilmschicht verwendeten Metalls und der Dicke der Metallschicht abhängt.
  • Unter Bezugnahme auf 2 ist eine beispielhafte optische Rechenvorrichtung 200 (nachfolgend „die Vorrichtung 200“) dargestellt, die beim Analysieren einer Substanz 202 verwendet werden kann, gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen. Die Vorrichtung 200 kann so konfiguriert sein, dass sie eine Charakteristik der Substanz 202 bestimmt, wie etwa die Konzentration eines bestimmten Analyten von Interesse, der darin vorhanden ist. In einigen Ausführungsformen kann die Substanz 202 in einer Fluidprobenahmekammer oder dergleichen enthalten sein. In weiteren Ausführungsformen kann die Substanz 202 ein Fluid sein, das in einer Strömungsleitung, einer Rohrleitung, einem Bohrloch, einem in einem Bohrloch definierten Ringraum oder irgendwelchen Strömungsleitungen oder Rohrleitungen, die sich zu einem Bohrloch oder von diesem weg erstrecken, fließt. In weiteren Ausführungsformen kann die Substanz 202 in irgendeinem anderen Behältnis oder Lagerbehälter angeordnet sein, der dem Fachmann in der Öl- und Gasindustrie bekannt ist. Es wird hier in Betracht gezogen, dass die Vorrichtung 200 sowohl unter Laborbedingungen als auch in Verbindung mit Feldanwendungen verwendet werden kann, ohne vom Umfang der Offenbarung abzuweichen.
  • Die Vorrichtung 200 beinhaltet eine Lichtquelle 204, die so konfiguriert ist, dass sie elektromagnetische Strahlung 206 emittiert oder anderweitig generiert. Die Lichtquelle 204 kann beispielsweise eine Glühbirne, eine Leuchtdiode (Light Emitting Diode, LED), ein Laser, ein Schwarzkörper, ein photonischer Kristall, eine Röntgenstrahlquelle, eine Superkontinuumquelle, Kombinationen davon oder dergleichen sein. In einigen Ausführungsformen kann ein erster Kollimator 208 so konfiguriert sein, dass er die elektromagnetische Strahlung 206 sammelt oder anderweitig empfängt und einen kollimierten Strahl elektromagnetischer Strahlung 206 auf die Substanz 202 richtet. In weiteren Ausführungsformen kann der erste Kollimator 208 von der Vorrichtung 200 weggelassen werden, und die elektromagnetische Strahlung 206 kann stattdessen direkt von der Lichtquelle 204 auf die Substanz 202 gerichtet werden.
  • In der dargestellten Ausführungsform wird die elektromagnetische Strahlung 206 durch die Substanz 202 transmittiert, wo sie mit der Substanz 202 einschließlich aller in der Substanz 202 vorhandenen Analyten optisch interagiert. Infolgedessen wird durch die Substanz 202 probeninteragierte Strahlung 210 generiert und weiter stromabwärts in dem Strahlengang übertragen. Alternativ kann die probeninteragierte Strahlung 210 generiert werden, indem sie von der Substanz 202 reflektiert, gestreut, gebeugt, absorbiert, emittiert oder erneut abgestrahlt wird, ohne vom Umfang der Offenbarung abzuweichen.
  • In mindestens einer Ausführungsform wird die probeninteragierte Strahlung 210 durch eine evaneszente Welle generiert, die durch attenuierte Gesamtreflexions-(Attenuated Total Reflectance, ATR)-Abtasttechniken, die dem Fachmann bekannt sind, generiert werden kann. Insbesondere werden evaneszente Wellen gebildet, wenn Lichtwellen oder -strahlen, die sich in einem Medium (z.B. einem ATR-Kristall oder dergleichen) bewegen, einer internen Totalreflexion an den Grenzen des Mediums unterliegen, weil sie auf die Grenzen unter einem Winkel auftreffen, der größer als der „kritische“ Winkel ist. Eine evaneszente Welle wird anschließend von dem Medium erzeugt und auf eine Probe (d.h. die Substanz 202) gerichtet, und die Interaktion der evaneszenten Welle mit der Probe induziert eine Absorption und ermöglicht eine Untersuchung spektroskopischer Fragestellungen der Probe.
  • In einigen Ausführungsformen kann die von der Interaktion mit der Substanz 202 generierte probeninteragierte Strahlung 210 auf einen Expander 212, der auch als „Strahlexpander“ bekannt ist, gerichtet oder auf andere Weise von diesem empfangen werden. Der Expander 212 kann eine beliebige Vorrichtung sein, die die Größe eines Lichtstrahls, wie etwa die probeninteragierte Strahlung 210, expandieren kann. Ein zweiter Kollimator 214 kann innerhalb des Strahlengangs angeordnet sein, um die von dem Expander 212 empfangene probeninteragierte Strahlung 210 zu empfangen und zu kollimieren. Ähnlich wie bei dem ersten Kollimator 208 kann der zweite Kollimator 214 einen im Wesentlichen kollimierten oder parallelen Strahl elektromagnetischer Strahlung erzeugen.
  • Der zweite Kollimator 214 kann so konfiguriert sein, dass er die probeninteragierte Strahlung 210 an einen Detektor 216 innerhalb des Strahlengangs der Vorrichtung 200 überträgt. Im hier verwendeten Sinne bezieht sich der Begriff „Strahlengang“ auf den Lichtweg, der sich von der Lichtquelle 204 zu dem Detektor 216 erstreckt und jegliche optische Komponenten der Vorrichtung 200, die dazwischen angeordnet sind, einschließt oder anderweitig durchquert. In der dargestellten Ausführungsform beinhalten die optischen Komponenten der Vorrichtung 200 mindestens eines oder mehrere von einer Anordnung winkelselektiver Breitbandfilter (BASF) 218, einer Gewichtungsanordnung 220 und einer Prozessoranordnung 222, ohne darauf beschränkt zu sein. Wie nachfolgend erörtert kann in einigen Ausführungsformen die Gewichtungsanordnung 220 mit der Prozessoranordnung 222 monolithisch ausgebildet sein. In weiteren Ausführungsformen kann die Gewichtungsanordnung 220 vollständig von der Vorrichtung 200 weggelassen werden, ohne vom Umfang der Offenbarung abzuweichen.
  • Die BASF-Anordnung 218 kann ein optisches Element umfassen, das optisches Übersprechen innerhalb des Strahlengangs reduziert oder im Wesentlichen eliminiert und dadurch die Leistungsfähigkeit der Vorrichtung 200 beim Messen von Charakteristiken der Substanz 202 verstärkt. Die BASF-Anordnung 218 kann aus einer Vielzahl von Materialschichten hergestellt sein, wie einer Reihe von Viertelwellen-Heterostrukturen photonischer Kristalle oder Metamaterialien. Das BASF-Anordnung 218 kann so ausgelegt und anderweitig konfiguriert sein, dass sie eine Transmission von Licht (z.B. der elektromagnetischen Strahlung 206, der probeinteragierten Strahlung 210 usw.) ermöglicht, die auf die BASF-Anordnung 218 unter einem vorbestimmten Einfallswinkel 224 auftrifft, während sie gleichzeitig Licht, das auf die BASF-Anordnung unter einem von dem vorbestimmten Einfallswinkel 224 versetzten Winkel auftrifft, reflektiert. In der dargestellten Ausführungsform ist der vorbestimmte Einfallswinkel 224 für die BASF-Anordnung 218 im Wesentlichen orthogonal zu der Ebene der BASF-Anordnung 218, wobei „im Wesentlichen orthogonal“ Einfallswinkel im Bereich von etwa 85° bis etwa 95° von der Ebene der BASF-Anordnung 218 umschließt. In weiteren Ausführungsformen kann der vorbestimmte Einfallswinkel 224 orthogonal zur Achse des Strahlengangs sein und ansonsten jeden Winkel von der Ebene der BASF-Anordnung 218 umschließen. Demgemäß kann der vorbestimmte Einfallswinkel 224 von der strukturellen Konfiguration der BASF-Anordnung 218 und seiner konkreten strukturellen Orientierung im Strahlengang abhängen. In weiteren Ausführungsformen kann die BASF-Anordnung 218 um eine zentrale Achse drehbar sein, um den vorbestimmten Einfallswinkel 224 selektiv und/oder dynamisch zu bestimmen.
  • In der dargestellten Ausführungsform kann die sich von dem zweiten Kollimator 214 ausbreitende und auf die BASF-Anordnung 218 unter dem vorbestimmten Einfallswinkel 224 auftreffende probeninteragierte Strahlung 210 als winkelselektive Strahlung 226 (gezeigt als Strahlen der winkelselektiven Strahlung 226a, 226b, ... und 226n) durch diese hindurchgehen. Im Gegensatz dazu kann die probeninteragierte Strahlung 210, die auf die BASF-Anordnung unter einem von dem vorbestimmten Einfallswinkel 224 versetzten Winkel auftrifft, daran gehindert werden, durch die BASF-Anordnung 218 hindurchzugehen, und wird ansonsten von der BASF-Anordnung 218 als reflektierte Strahlung 228 reflektiert (gezeigt als reflektierte Strahlung 228a, 228b, ... und 228n). Dementsprechend kann sich die BASF-Anordnung 218 beim Eliminieren oder im Wesentlichen Eliminieren von Lichtstrahlen innerhalb des Strahlengangs als vorteilhaft erweisen, die von dem vorbestimmten Einfallswinkel 224 versetzt sind, was in einer Reduzierung von optischem Übersprechen entlang des Strahlengangs resultieren kann.
  • Die winkelselektive Strahlung 226a–n kann in Richtung der Gewichtungsanordnung 220 und der Prozessoranordnung 222 übertragen werden, um damit optisch zu interagieren. Die Prozessoranordnung 222 kann mehrere ICE-Kerne 230 (gezeigt als ICE-Kerne 230a, 230b, ... und 230n) beinhalten, die strategisch und einzeln auf einem Substrat 232 angeordnet sind. Das Substrat 232 kann ein beliebiges optisches Substrat sein, einschließlich, ohne darauf beschränkt zu sein, optisches Glas (z.B. optisches BK-7-Glas), Quarz, Saphir, Silizium, Germanium, Zinkselenid, Zinksulfid oder verschiedene Kunststoffe wie Polycarbonat, Polymethylmethacrylat (PMMA), Polyvinylchlorid (PVC), Diamant, Keramik, Kombinationen davon und dergleichen.
  • Jeder ICE-Kern 230a–n kann eine optische Verarbeitungsvorrichtung ähnlich dem oben unter Bezugnahme auf 1 beschriebenen ICE-Kern 100 sein. In weiteren Ausführungsformen können die ICE-Kerne 230a–n jede andere Art von optischer Verarbeitungsvorrichtung sein, wie etwa ein FSS-ICE-Kern, wie oben beschrieben. Wie dargestellt, sind die ICE-Kerne 230a–n separat und einzeln auf dem Substrat 232 in einer quadratischen Vier-Reihen-Vier-Spalten-Matrix angeordnet. Die ICE-Kerne 230a–n können jedoch auch in irgendeinem vorbestimmten Muster oder einer vorbestimmten Reihenfolge angeordnet sein, ohne vom Umfang der Offenbarung abzuweichen. Darüber hinaus muss die Prozessoranordnung 222 und das zugehörige Substrat 232 nicht notwendigerweise quadratisch sein, sondern könnte auch in einer beliebigen polygonalen Form (z.B. rechteckig, sechseckig, fünfeckig, linear usw.) ausgebildet sein oder kann alternativ eine kreisförmige, ovale oder eiförmige Form annehmen, ohne vom Umfang der Offenbarung abzuweichen.
  • Während eine bestimmte Anzahl von ICE-Kernen 230a–n als auf dem Substrat 232 angeordnet dargestellt sind, erkennt der Fachmann ohne Weiteres, dass mehr oder weniger ICE-Kerne 230a–n als die dargestellten in der Vorrichtung 200 genutzt werden können. Jeder auf dem Substrat 232 angeordnete ICE-Kern 230a–n kann so konfiguriert sein, dass er eine bestimmte Charakteristik der Substanz 202 erfasst. In einigen Ausführungsformen können zwei oder mehr der ICE-Kerne 230a–n so konfiguriert sein, dass sie die gleiche Charakteristik der Substanz 202 erfassen. In weiteren Ausführungsformen kann jedoch jeder ICE-Kern 230a–n so konfiguriert sein, dass er eine unterschiedliche oder bestimmte Charakteristik erfasst.
  • Einer oder mehrere der ICE-Kerne 230a–n weist einen zugehörigen Gewichtungsfaktor auf. In einigen Ausführungsformen kann beispielsweise der Gewichtungsfaktor direkt auf die ICE-Kerne 230a–n in Form einer Gewichtungsvorrichtung angewendet werden, die einen integralen Teil der gegebenen ICE-Kerne 230a–n bildet. Wie dargestellt, kann der Gewichtungsfaktor in weiteren Ausführungsformen auf den einen oder die mehreren ICE-Kerne 230a–n über die Gewichtungsanordnung 220 angewendet werden, die eine Vielzahl von Gewichtungsvorrichtungen 234 (dargestellt als Gewichtungsvorrichtungen 234a, 234b, ... und 234n) umfassen kann, die strategisch auf einem Gewichtungssubstrat 236 angeordnet sind. Das Gewichtungssubstrat 236 kann dem Substrat 232 ähnlich sein und wird daher nicht nochmals beschrieben.
  • Die Gewichtungsanordnung 220 kann mit der Prozessoranordnung 222 optisch gekoppelt sein. Insbesondere können die Gewichtungsvorrichtungen 234a–n einzeln und separat auf dem Gewichtungssubstrat 236 angeordnet sein, sodass jede an einem entsprechenden der ICE-Kerne 230a–n axial und optisch ausgerichtet ist. In der dargestellten Ausführungsform sind die Gewichtungsvorrichtungen 234a–n auf dem Gewichtungssubstrat 236 in einer quadratischen Vier-mal-Vier-Matrix angeordnet, sodass die erste Gewichtungsvorrichtung 234a an dem ersten ICE-Kern 230a optisch ausgerichtet ist, die zweite Gewichtungsvorrichtung 234b an dem zweiten ICE-Kern 230b optisch ausgerichtet ist und so weiter, bis die n-te Gewichtungsvorrichtung 234n an dem n-ten ICE-Kern 230n optisch ausgerichtet ist. Infolgedessen kann die Anzahl an ICE-Kernen 230a–n im Allgemeinen die gleiche wie die Anzahl an Gewichtungsvorrichtungen 234a–n sein. Darüber hinaus können irgendwelche Änderungen an der strukturellen Konfiguration der Prozessoranordnung 222 im Wesentlichen durch die Gewichtungsanordnung 220 nachgeahmt werden, sodass koaxiale ICE-Kerne 230a–n und Gewichtungsvorrichtungen 234a–n optisch gekoppelt bleiben, was bedeutet, dass sie innerhalb des Strahlengangs axial und optisch ausgerichtet bleiben, während die Substanz 202 analysiert wird.
  • Die Gewichtungsvorrichtungen 234a–n können so konfiguriert sein, dass sie die Intensität von Licht (z.B. der elektromagnetischen Strahlung 206, der probeninteragierten Strahlung 210 usw.), das sich entlang des Strahlengangs ausbreitet, um einen vorbestimmten oder konkreten Betrag reduzieren. Eine geeignete Gewichtungsvorrichtung 234a–n kann, ohne darauf beschränkt zu sein, ein Neutraldichtefilter, eine Irisblende, eine Aperturblende, eine Blende oder irgendeine Kombination davon beinhalten. Jede Gewichtungsvorrichtung 234a–n wirkt als ein Neutraldichtebreitbandfilter, das einen zugehörigen konkreten und vorbestimmten Gewichtungsfaktor aufweist. Zum Beispiel können in mindestens einer Ausführungsform die Gewichtungsvorrichtungen 234a–n jeweils einen Neutraldichtefilter aufweisen, der einen bestimmten Gewichtungsfaktor aufweist, der so konfiguriert ist, dass er die normierte Intensität der optischen Antworten jedes ICE-Kerns 230a–n im Bereich von 0 bis 1 reduziert, wobei 0 eine minimale Intensität transmittierten Lichts ist und 1 die maximale Intensität transmittierten Lichts ist. Abhängig von der Auslegung und Konfiguration der gegebenen Gewichtungsvorrichtung 234a–n wird ein bestimmter statischer Gewichtungsfaktor auf die ICE-Kerne 230a–n angewendet, um das Ausgangssignal der entsprechenden ICE-Kerne 230a–n in Bezug auf eine konkrete oder vorbestimmte Charakteristik oder einen Analyten von Interesse zu verändern. Infolgedessen kann die Intensität der optischen Antwort von jedem ICE-Kern 230a–n durch die entsprechende Gewichtungsvorrichtung 234a–n reduziert und anderweitig beeinflusst werden, was in einem gewichteten Ausgang resultiert, der auf die Charakteristik von Interesse zugeschnitten werden kann.
  • Die Prozessoranordnung 222 und die Gewichtungsanordnung 220 sind in 2 als axial um einen kurzen Abstand zueinander versetzt dargestellt. Während die Prozessoranordnung 222 und die Gewichtungsanordnung 220 in irgendeinem axialen Versatzabstand voneinander angeordnet sein können, kann es sich als vorteilhaft erweisen, die Prozessoranordnung 222 und die Gewichtungsanordnung 220 ziemlich nahe beieinander und anderweitig im Wesentlichen benachbart zueinander anzuordnen. Dies kann dazu führen, dass optisches Übersprechen der ICE-Kerne 230a–n mit den falschen (nicht axial benachbarten) Gewichtungsvorrichtungen 234a–n vermieden oder anderweitig gemildert wird. Dementsprechend ist die auseinandergezogene Ansicht der Prozessoranordnung 222 und der Gewichtungsanordnung 220 lediglich zu illustrativen Zwecken dargestellt und ist daher nicht als den Umfang der Offenbarung beschränkend anzusehen. In einigen Ausführungsformen können die Position der Prozessoranordnung 222 und die Gewichtungsanordnung 220 in dem Strahlengang vertauscht werden. Darüber hinaus können in mindestens einer Ausführungsform die Prozessoranordnung 222 und die Gewichtungsanordnung 220 alternativ integral als monolithische Struktur ausgebildet sein, ohne vom Umfang der Offenbarung abzuweichen.
  • Bei beispielhaftem Betrieb können die Gewichtungsanordnung 220 und die Prozessoranordnung 222 Licht (z.B. die elektromagnetische Strahlung 106, die probeninteragierte Strahlung 210 usw.), das sich innerhalb des Strahlengangs ausbreitet, empfangen und optisch damit interagieren. Genauer gesagt und im Hinblick auf 2, können die Gewichtungsanordnung 220 und die Prozessoranordnung 222 die winkelselektive Strahlung 226a–n, die von der BASF-Anordnung 218 emittiert wird, empfangen und optisch damit interagieren. Jede Gewichtungsvorrichtung 234a–n der Gewichtungsanordnung 220 kann mit der winkelselektiven Strahlung 226a–n optisch interagieren und dadurch entsprechende optische Antworten 238 (gezeigt als optische Antworten 238a, 238b, ... und 238n) generieren. Jede optische Antwort 238a–n kann dann von einem entsprechenden der ICE-Kerne 230a–n, die auf der Prozessoranordnung 222 angeordnet sind, empfangen werden und an diesem optisch ausgerichtet werden. Insbesondere kann die erste optische Antwort 238a von dem ersten ICE-Kern 230a empfangen werden, die zweite optische Antwort 238b kann von dem zweiten ICE-Kern 230b empfangen werden, und die n-te optische Antwort 238n kann von dem n-ten ICE-Kern 230n empfangen werden.
  • Jeder ICE-Kern 230a–n interagiert optisch mit den optischen Antworten 238a–n und generiert entsprechende Strahlen modifizierter elektromagnetischer Strahlung 240 (gezeigt als modifizierte elektromagnetische Strahlung 240a, 240b, ... und 240n). Jeder Strahl modifizierter elektromagnetischer Strahlung 240a–n ist elektromagnetische Strahlung, die mit ihrer entsprechenden Gewichtungsvorrichtung 234a–n und ihrem entsprechenden ICE-Kern 230a–n (falls zutreffend) interagiert hat, wobei eine Näherung des Regressionsvektors, der der Charakteristik der dem jeweiligen ICE-Kern 230a–n zugehörigen Substanz 202 entspricht, berechnet und anderweitig erhalten wird.
  • Die modifizierte elektromagnetische Strahlung 240a–n kann dann auf ein optisches Fokussierelement 242 gerichtet werden, das innerhalb des Strahlengangs angeordnet ist. Das optische Fokussierelement 242 kann eine beliebige Art von optischem Element sein, das die modifizierte elektromagnetische Strahlung 240a–n auf einen Brennpunkt fokussieren kann. Das optische Fokussierelement 242 kann ähnlich dem Expander 212 sein, außer dass es umgekehrt verwendet wird, um die Größe eines Lichtstrahls zu reduzieren. Das optische Fokussierelement 242 fokussiert die Strahlen modifizierter elektromagnetischer Strahlung 240a–n in Richtung des Detektors 216, um die verschiedenen optischen Antworten von den ICE-Kernen 230a–n zu integrieren. In einigen Ausführungsformen kann das optische Fokussierelement 242 von der Vorrichtung 200 weggelassen werden, und die einzelnen Strahlen modifizierter elektromagnetischer Strahlung 240a–n können von dem Detektor 216 oder einer Vielzahl von Detektoren empfangen werden, die an jedem Strahl modifizierter elektromagnetischer Strahlung 240a–n optisch ausgerichtet sind.
  • Der Detektor 216 kann eine beliebige Vorrichtung sein, die elektromagnetische Strahlung erfassen kann, und kann allgemein als ein optischer Wandler charakterisiert werden. Geeignete Detektoren 216 beinhalten, ohne darauf beschränkt zu sein, einen thermischen Detektor, wie einen Thermopile- oder photoakustischen Detektor, einen Halbleiterdetektor, einen piezoelektrischen Detektor, einen ladungsgekoppelten(Charge Coupled Device, CCD) Detektor, einen Video- oder Array-Detektor, einen Spaltdetektor, einen Photonendetektor (wie eine Photovervielfacherröhre), Photodioden, Kombinationen davon oder dergleichen oder andere Detektoren, die dem Fachmann bekannt sind.
  • Der Detektor 216 kann ein Ausgangssignal 244 in Echtzeit oder Nahe-Echtzeit in Form einer Spannung (oder eines Stroms) erzeugen, die einer bestimmten Charakteristik von Interesse in der Substanz 202 entspricht. Die vom Detektor 216 zurückgegebene Spannung ist im Wesentlichen das Punktprodukt der optischen Interaktion der probeninteragierten Strahlung 210 mit den jeweiligen ICE-Kernen 230a–n in Abhängigkeit von der Größe der Charakteristik der Substanz 202, wie etwa eine Analytkonzentration. Von daher können das von dem Detektor 216 erzeugte Ausgangssignal 244 und die Konzentration der Charakteristik direkt proportional sein. In weiteren Ausführungsformen kann die Beziehung jedoch einer Polynomfunktion, einer Exponentialfunktion, einer logarithmischen Funktion und/oder einer Kombination davon entsprechen.
  • Das Ausgangssignal 244 kann an einen Signalprozessor 246, der mit dem Detektor 216 kommunikativ gekoppelt ist, übertragen oder anderweitig von diesem empfangen werden. Der Signalprozessor 246 kann ein Computer sein, der einen Prozessor und ein maschinenlesbares Speichermedium mit darauf gespeicherten Anweisungen beinhaltet, die, wenn sie von dem Prozessor ausgeführt werden, die Vorrichtung 200 veranlassen eine Anzahl von Vorgängen auszuführen, wie etwa Bestimmen einer Charakteristik der Substanz 202. Zum Beispiel kann die Konzentration der mit der Vorrichtung 200 erfassten Charakteristik in einen von dem Signalprozessor 246 betriebenen Algorithmus eingegeben werden, und der Algorithmus kann Teil eines künstlichen neuronalen Netzwerks sein, das die Konzentration der erfassten Charakteristik verwendet, um die Gesamtqualität der Substanz 202 zu evaluieren.
  • In Echtzeit oder Nahe-Echtzeit kann der Signalprozessor 246 so programmiert werden, dass er ein resultierendes Ausgangssignal 248 bereitstellt, das der Charakteristik von Interesse in der Substanz 202 entspricht, wie zusammenwirkend durch die mehreren ICE-Kerne 230a–n gemessen. Da die Gewichtungsfaktoren bereits über die Gewichtungsvorrichtungen 234a–n der Gewichtungsanordnung 220 auf die ICE-Kerne 230a–n angewendet wurden, empfängt der Detektor 216 vorteilhafterweise automatisch das gewichtete Mittel der modifizierten elektromagnetischen Strahlung 240a–n, und das daraus generierte Ausgangssignal 244 ist bezeichnend für diese. Infolgedessen ist es nicht erforderlich, dass der Signalprozessor 246 die Gewichtungsfaktoren auf die von jedem ICE-Kern 230a–n abgeleiteten Signale digital anwendet. Vielmehr werden die Gewichtungsfaktoren physisch und/oder optisch auf das resultierende Ausgangssignal 248 angewendet, wenn die probeninteragierte Strahlung 210 (z.B. die winkelselektive Strahlung 226a–n) mit den auf der Gewichtungsanordnung 220 positionierten Gewichtungsvorrichtungen 234a–n optisch interagiert.
  • Als weitere Erläuterung, in früheren optischen Rechenvorrichtungen würde eine Charakteristik der Substanz 202 typischerweise durch sequentielles Kombinieren der Ausgänge von mehreren ICE-Kernen in dem Signalprozessor 246 identifiziert. Die optischen Ausgänge von jedem ICE-Kern würden sequentiell gemessen, und eine Linearkombination der von dem Signalprozessor 246 generierten Ausgänge würde verwendet werden, um die konkrete Charakteristik der Substanz 202 zu bestimmen. Mathematisch kann dies unter Verwendung der folgenden Gleichung erfolgen: Ausgang = Σ n / i=1Wi∫Ai(λ)Ii(λ)dλ Gleichung (1) wobei Wi ein in dem Signalprozessor 246 digital anzuwendender Gewichtungsfaktor ist, Ai(λ) die optische Transmissionsfunktion für jeden ICE-Kern ist, Ii(λ) das Transmissionsspektrum von Licht ist, das mit der Substanz 202 optisch interagiert hat und n die Anzahl der im Modell verwendeten ICE-Kerne ist. Bei traditionellen Rechenverfahren sind die einzelnen Punktprodukte der optischen Transmissionsfunktion Ai(λ) und des Transmissionsspektrums Ii(λ) im Allgemeinen proportional zur Konzentration der Charakteristik von Interesse, wobei jeweils vorgegebene Gewichtungsfaktoren (Wi) auf jedes Ausgangssignal 244 in dem Signalprozessor 246 angewendet werden, um ein einzelnes resultierendes Ausgangssignal 248 zu erhalten, das einer einzelnen Charakteristik von Interesse entspricht. Insbesondere nimmt die von dem Signalprozessor 246 genutzte Software die mehreren Ausgangssignale 228 von dem Detektor 216 und addiert sie zusammen mit den vorbestimmten Gewichtungsfaktoren für jedes Ausgangssignal 244. Demzufolge stellt das resultierende Ausgangssignal 248 eine digitale Darstellung der Gewichtungsfaktoren dar, die auf die Ausgangssignale 228 angewendet wurden.
  • Gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung werden die Gewichtungsfaktoren jedoch optisch (z.B. physikalisch) auf die optischen Antworten für jeden ICE-Kern 230a–n vor dem Erreichen des Detektors 216 angewendet, wodurch eine neue Filterfunktion (Fi) erzeugt wird. Durch die Definition der neuen Filterfunktion (Fi) als der Gewichtungsfaktor (Wi) multipliziert mit der optischen Transmissionsfunktion für jeden ICE-Kern (Ai) kann die obige Gleichung (1) wie folgt umgeschrieben werden: Ausgang = Σ n / i=1∫Fi(λ)Ii(λ)dλ Gleichung (2) wobei die Gewichtungsfaktoren Wi und die optischen Übertragungsfunktionen Ai(λ) für jeden ICE-Kern 230a–n kombiniert werden, um die neue Filterfunktion Fi(λ) zu erhalten. Infolgedessen werden die Gewichtungsfaktoren optisch auf die optischen von jedem ICE-Kern 230a–n generierten Antworten angewendet, anstatt digital durch eine Softwaremanipulation, die in dem Signalprozessor 246 ausgeführt wird. Anstatt dass es erforderlich ist, die optische Antwort jedes ICE-Kerns 230a–n im Zeitverlauf sequentiell zu messen und anschließend einen Gewichtungsfaktor darauf digital anzuwenden, stellt die vorliegende Offenbarung dementsprechend ein Mittel bereit, um die optische Antwort jedes ICE-Kerns 230a–n in Anbetracht eines vorbestimmten Gewichtungsfaktors gleichzeitig zu messen. Darüber hinaus sieht der Detektor 216 mathematisch die Antworten gleichzeitig und nicht im Zeitverlauf. Daher beinhaltet das von dem Detektor 216 gemessene Signal bereits alle darauf angewendeten Gewichtungsfaktoren, und es ist daher nicht erforderlich, dass der Signalprozessor 246 die Gewichtungsfaktoren anschließend während der Berechnung anwendet.
  • Gemäß der vorliegenden Offenbarung kann sich die BASF-Anordnung 218 beim Reduzieren oder anderweitigen Eliminieren von optischem Übersprechen über benachbarte optische Kanäle entlang des Strahlenganges als vorteilhaft erweisen, sodass das Licht (z.B. die elektromagnetische Strahlung 206, die probeninteragierte Strahlung 210, die winkelselektive Strahlung 226a–n usw.) axial ausgerichtet bleibt, während es sich in Richtung und durch die Gewichtungsanordnung 220 und die Prozessoranordnung 222 ausbreitet. Es versteht sich, dass optisches Übersprechen aus Störlicht oder Spiegelreflexionen entstehen kann, die von der Lichtquelle 204 herrühren (oder irgendeiner anderen Lichtquelle), die nicht unter normalem Einfall auf einzelne Gewichtungsvorrichtungen 234a–n der Gewichtungsanordnung 220 und/oder die einzelnen ICE-Kerne 230a–n der Prozessoranordnung 222 auftreffen. Ein solches Störlicht kann zu Fällen führen, in denen eine Gewichtungsvorrichtung 234a–n auf der Gewichtungsanordnung 220 unbeabsichtigt Licht zu einem nicht koaxial positionierten ICE-Kern 230a–n auf der Prozessoranordnung 222 (oder umgekehrt, je nach Konfiguration) leiten kann. In solchen Fällen kann dies dazu führen, dass Lichtanteile nicht richtig gewichtet werden, wenn sie von einem gegebenen ICE-Kern 230a–n verarbeitet werden. Insbesondere kann Störlicht zu einer spektralen Verschiebung des optischen Profils eines gegebenen ICE-Kerns 230a–n führen, und eine solche spektrale Verschiebung kann die Verarbeitungsleistung des gegebenen ICE-Kerns 230a–n in Bezug auf die Charakteristik, für deren Messung und/oder Erfassung er ausgelegt wurde, verschlechtern.
  • Der Fachmann versteht ohne Weiteres, dass verschiedene strukturelle Konfigurationen der Vorrichtung 200 genutzt werden können, ohne vom Umfang der Offenbarung abzuweichen. Während 2 die BASF-Anordnung 218, die Gewichtungsanordnung 220 und die Prozessoranordnung 222 in einer bestimmten linearen Kombination innerhalb des Strahlengangs der Vorrichtung 200 optisch ausgerichtet darstellt, kann beispielsweise die Position irgendeiner der vorgenannten optischen Komponenten an irgendeiner Stelle getauscht oder irgendwo entlang des Strahlengangs platziert werden, ohne vom Umfang der Offenbarung abzuweichen. Beispielsweise kann in einer oder mehreren Ausführungsformen die Prozessoranordnung 222 innerhalb des Strahlengangs zwischen der Lichtquelle 204 und der Substanz 202 angeordnet sein und gleichermaßen im Wesentlichen die gleichen Ergebnisse erzielen. Darüber hinaus kann in weiteren Ausführungsformen die Prozessoranordnung 222 die modifizierte elektromagnetische Strahlung 240 durch Reflexion anstelle von Transmission generieren.
  • In weiteren Ausführungsformen können ein oder alle von dem ersten und dem zweiten Kollimator 208, 214, dem Expander 212 und dem optischen Fokussierelement 242 von der Vorrichtung 200 weggelassen oder anderweitig umgeordnet werden, um die Position der Prozessoranordnung 222 im Strahlengang aufzunehmen. Beispielsweise kann in mindestens einer Ausführungsform der Expander 212 vor der Substanz 202 in dem Strahlengang angeordnet sein, sodass die elektromagnetische Strahlung 206 vor der Transmission durch oder Reflexion an der Substanz 202 expandiert wird.
  • In weiteren Ausführungsformen kann die BASF-Anordnung 218 zwischen oder nach der Gewichtungsanordnung 220 und der Prozessoranordnung 222 positioniert sein. In einigen Ausführungsformen kann die BASF-Anordnung 218 mit der Gewichtungsanordnung 220 gekoppelt sein und anderweitig einen integralen, monolithischen Teil dieser bilden. Alternativ kann die BASF-Anordnung 218 mit der Prozessoranordnung 222 gekoppelt sein und anderweitig einen integralen, monolithischen Teil dieser bilden. Der Fachmann versteht, dass verschiedene optische Konfigurationen der Vorrichtung 200 möglich sind, ohne vom Umfang dieser Offenbarung abzuweichen.
  • In einigen Ausführungsformen kann die Gewichtungsanordnung 220 eine statische Komponente der Vorrichtung 200 sein, wobei die Gewichtungsvorrichtungen 234a–n statisch bleiben und ansonsten während des Betriebs eine konstante Menge oder einen Prozentsatz an Licht filtern. In weiteren Ausführungsformen kann die Gewichtungsanordnung jedoch eine dynamische Komponente der Vorrichtung 200 umfassen. Insbesondere kann die Gewichtungsanordnung 220 beweglich und anderweitig selektiv veränderbar sein, um die Gewichtungsfaktoren jeder Gewichtungsvorrichtung 234a–n in Echtzeit für eine gegebene Prozessoranordnung 222 zu variieren. Infolgedessen und unter erneuter Bezugnahme auf die obigen Gleichungen (1) und (2) können die Gewichtungsfaktoren Wi für die optischen Transmissionsfunktionen Ai(λ) jedes ICE-Kerns 230a–n selektiv variiert werden, was zu einer neuen Filterfunktion Fi(λ) für jede auf die Gewichtungsanordnung 220 angewendete dynamische Änderung führt.
  • Es versteht sich, dass ein dynamisches Variieren der Gewichtungsanordnung 220 es der Vorrichtung 200 ermöglichen kann, mehrere Charakteristiken der Substanz 202 mit einer einzigen Prozessoranordnung 222 zu erfassen. Beispielsweise können in einer ersten Konfiguration die Gewichtungsvorrichtungen 234a–n jeweils einen bestimmten Gewichtungsfaktor aufweisen und die Prozessoranordnung 222 kann so konfiguriert sein, dass sie eine erste Charakteristik der Substanz 202 erfasst, wie etwa die Konzentration eines ersten Analyten. In einer zweiten Konfiguration jedoch kann der Gewichtungsfaktor der Gewichtungsvorrichtungen 234a–n so geändert werden, dass die Prozessoranordnung 222 so konfiguriert sein kann, dass sie eine zweite Charakteristik der Substanz 202 erfasst, wie etwa die Konzentration eines zweiten Analyten. Dementsprechend können die Gewichtungsfaktoren in der Gewichtungsanordnung 220 dynamisch verändert werden, um eine beliebige Anzahl von Charakteristiken der Substanz 202 zu erfassen oder anderweitig zu analysieren.
  • In einigen Ausführungsformen können die Gewichtungsvorrichtungen 234a–n für die Gewichtungsanordnung 220 einstellbare optische Irisblenden sein, die eine mechanische Blende aufweisen, oder anderweitig die Verwendung solcher einbeziehen. Bei Betrieb kann jede Irisblende in Echtzeit von einem Bediener bewegt oder verändert werden, wodurch der Durchmesser jeder entsprechenden mechanischen Blende verändert wird. Jede Irisblende kann beispielsweise mit einer Betätigungsvorrichtung oder dergleichen in Wirkbeziehung gekoppelt sein, wobei die Betätigungsvorrichtung so konfiguriert ist, dass sie die Größe (d.h. den Durchmesser, die Öffnung usw.) der mechanischen Blende beeinflusst. Es versteht sich, dass eine Änderung der Größe der mechanischen Blenden in einer entsprechenden Änderung der Lichtintensität resultieren kann, die durch jede Gewichtungsvorrichtung 234a–n hindurchgehen kann und wodurch die Intensität der modifizierten elektromagnetischen Strahlung 240a–n selektiv gesteuert wird. Variieren der Intensität der modifizierten elektromagnetischen Strahlung 240a–n kann es der Vorrichtung 200 ermöglichen, unterschiedliche Charakteristiken der Substanz 202 zu analysieren.
  • In weiteren Ausführungsformen kann eines von der Gewichtungsanordnung 220 und der Prozessoranordnung 222 auf einer beweglichen Baugruppe (nicht gezeigt) angeordnet sein. Die bewegliche Baugruppe kann ein Rad sein, das so konfiguriert ist, dass es sich um eine zentrale Achse dreht, und die Gewichtungsvorrichtungen 234a–n können Neutraldichtefilter, Aperturblenden oder Blenden einer bestimmten Größe sein, die entsprechende vorbestimmte Gewichtungsfaktoren aufweisen. Wenn sich die bewegliche Baugruppe dreht, können die Gewichtungsvorrichtungen 234a–n mit verschiedenen ICE-Kernen 230a–n optisch gekoppelt werden und es dadurch den ICE-Kernen 230a–n ermöglichen, mit unterschiedlichen optischen Antworten 238a–n optisch zu interagieren. In mindestens einer Ausführungsform kann die bewegliche Baugruppe die Gewichtungsanordnung 220 oder die Prozessoranordnung 222 inkrementell bewegen, sodass einzelne ICE-Kerne 230a–n mit mehr als einer optischen Antwort 238a–n je nach der Winkeldrehung der beweglichen Baugruppe optisch interagieren können. Infolgedessen können verschiedene Charakteristiken von Interesse der Substanz 202 erfassbar sein, wenn sich die bewegliche Baugruppe dreht.
  • In weiteren Ausführungsformen kann die Gewichtungsanordnung 220 eine erste Gewichtungsanordnung sein, die auf der beweglichen Baugruppe (nicht gezeigt) angeordnet ist, und die bewegliche Baugruppe kann mindestens eine zweite oder zusätzliche Gewichtungsanordnung (nicht gezeigt) beinhalten. Die bewegliche Baugruppe kann so konfiguriert sein, dass sie die erste und die zweite Gewichtungsanordnung selektiv in den Strahlengang bewegt, sodass jede Gewichtungsanordnung einen unterschiedlichen Satz von Gewichtungsfaktoren auf die optischen Antworten der ICE-Kerne 230a–n anwenden kann. Infolgedessen kann die Intensität jeder optischen Antwort 238a–n selektiv beeinflusst und anderweitig verändert werden, wodurch es der Vorrichtung 200 ermöglicht wird, eine zusätzliche oder unterschiedliche Charakteristik der Substanz 202 zu erfassen. In solchen Ausführungsformen können die Gewichtungsvorrichtungen 234a–n jeder Gewichtungsanordnung (z.B. der ersten und der zweiten Gewichtungsanordnung) Neutraldichtefilter sein, die entsprechende vorbestimmte Gewichtungsfaktoren aufweisen. Ebenso können in derartigen Ausführungsformen die Gewichtungsvorrichtungen 234a–n jeder Gewichtungsanordnung entsprechende Aperturblenden oder Blenden einer bestimmten Größe sein, die entsprechende vorbestimmte Gewichtungsfaktoren aufweisen.
  • In Ausführungsformen, in denen die bewegliche Baugruppe ein drehbares Rad ist, kann die bewegliche Baugruppe so bewegt werden, dass die verschiedenen Gewichtungsanordnungen (z.B. die erste und die zweite Gewichtungsanordnung) entsprechende optische Antworten 238a–n in vorgewählten Intervallen zu den ICE-Kernen 230a–n übertragen können. In weiteren Ausführungsformen kann die bewegliche Baugruppe eine lineare Anordnung oder Struktur sein, auf der die verschiedenen Gewichtungsanordnungen (z.B. die erste und die zweite Gewichtungsanordnung) strategisch darauf angeordnet sind. Wenn die lineare Struktur auf einem linearen Pfad oszilliert, können die verschiedenen zugehörigen Gewichtungsanordnungen die optischen Antworten 238a–n in vorgewählten Intervallen an die ICE-Kerne 230a–n übertragen.
  • In weiteren Ausführungsformen kann die Gewichtungsanordnung 220 im Allgemeinen innerhalb des Strahlengangs statisch sein, die zugehörigen Gewichtungsvorrichtungen 234a–n können jedoch abstimmbare Filter umfassen und können anderweitig in Echtzeit durch den Bediener veränderbar sein. Beispielsweise können in mindestens einer Ausführungsform die Gewichtungsvorrichtungen 234a–n Spiegel eines mikroelektromechanischen Systems (MEMS) sein. In weiteren Ausführungsformen können die abstimmbaren Filter andere optoelektrische Filter sein, wie etwa, ohne darauf beschränkt zu sein, abstimmbare Fabry-Perot-Etalons oder -Hohlräume, akustisch abstimmbare optische Filter oder Lithiumniobat-Modulatoren. In weiteren Ausführungsformen können die Gewichtungsvorrichtungen 234a–n mit Flüssigkristall abstimmbare Filter sein, ohne vom Umfang der Offenbarung abzuweichen. In solchen Ausführungsformen können die abstimmbaren Gewichtungsvorrichtungen 234a–n durch den Bediener selektiv abgestimmt oder verändert werden, sodass ein vorbestimmter Gewichtungsfaktor bei jeder Gewichtungsvorrichtung 234a–n angewendet wird und dadurch die Intensität der modifizierten elektromagnetischen Strahlung 240a–n durch den Detektor 216 gesteuert wird.
  • In einigen Ausführungsformen kann die Gewichtungsanordnung 220 ferner eine Anordnung von Polarisationsfiltern (nicht gezeigt) beinhalten, die mit jeder Gewichtungsvorrichtung 234a–n gekoppelt sind oder anderweitig einen integralen Teil davon bilden. Die Polarisation der einzelnen Gewichtungsvorrichtungen 234a–n kann unterschiedliche Ausrichtungen aufweisen. Wenn ein Linearpolarisator (nicht gezeigt) entweder vor oder hinter der Gewichtungsanordnung 220 innerhalb des Strahlengangs gedreht wird, wird die Intensität der modifizierten elektromagnetischen Strahlung 240a–n, die durch jede Gewichtungsvorrichtung 234a–n von dem Detektor 216 empfangen wird, infolgedessen von der relativen Winkelverschiebung der Gewichtungsanordnung 220 und des Linearpolarisators abhängen. Es versteht sich, dass darüber hinaus zwei Polarisationsfilme wie ein Neutraldichtefilter wirken können, dessen Transmissionsintensität sich in Bezug auf den Winkel ändert. Darüber hinaus können FSS-basierte Filter mit polarisationsabhängigen Spektren hergestellt werden. Beispielsweise kann ein FSS-ICE-Kern aufgebaut werden, um auf verschiedene Analyte je nach Polarisationszustand des einfallenden Lichts reagieren zu können.
  • Während die hier beschriebene(n) und dargestellte(n) dynamische(n) Gewichtungsanordnung(en) 220 als mit der Prozessoranordnung 222 optisch gekoppelt dargestellt sind, versteht es sich, dass die Gewichtungsanordnung 220 an irgendeiner Stelle entlang des Strahlengangs zwischen der Lichtquelle 204 und dem Detektor 216 angeordnet sein kann und gleichermaßen die gleichen Ergebnisse erhalten werden. In einigen Ausführungsformen kann die Gewichtungsanordnung 220 beispielsweise zwischen der Lichtquelle 204 und der Substanz 202 angeordnet sein. In weiteren Ausführungsformen kann die Gewichtungsanordnung 220 nach der Prozessoranordnung 222 in dem Strahlengang positioniert sein. In weiteren Ausführungsformen kann die Gewichtungsanordnung 220 eine erste Gewichtungsanordnung sein, und die Vorrichtung 200 kann eine oder mehrere zusätzliche Gewichtungsanordnungen (nicht gezeigt) beinhalten. Die zusätzlichen Gewichtungsanordnungen können an irgendeiner Stelle entlang des Strahlengangs (d.h. zwischen der Lichtquelle 204 und dem Detektor 216) angeordnet sein, um die Intensität der modifizierten elektromagnetischen Strahlung 240a–n, die von dem Detektor 216 empfangen wird, weiter zu beeinflussen. Für den Fachmann liegen die mehreren verschiedenen Konfigurationen und Anordnungen der Gewichtungsanordnung 220 innerhalb der Vorrichtung 200 ohne Weiteres auf der Hand, ohne vom Umfang der Offenbarung abzuweichen.
  • Unter Bezugnahme auf 3 und weiterer Bezugnahme auf 2 ist eine weitere beispielhafte optische Rechenvorrichtung 300 (nachfolgend „die Vorrichtung 300“) dargestellt, die beim Analysieren der Substanz 202 verwendet werden kann, gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen. Gleiche Bezugszeichen in den 2 und 3 repräsentieren gleiche Komponenten, die nicht nochmals detailliert beschrieben werden. Wie dargestellt, kann die Vorrichtung 300 mindestens die BASF-Anordnung 218 und die Prozessoranordnung 222 beinhalten, wobei die ICE-Kerne 230a–n einzeln auf dem Substrat 232 der Prozessoranordnung 222 angeordnet sind. Außerdem ist die Substanz 202 innerhalb des Strahlenganges nach der BASF-Anordnung 218 und der Prozessoranordnung 222 positioniert, kann jedoch auch an irgendeinem Punkt entlang des Strahlengangs positioniert sein, ohne vom Umfang der Offenbarung abzuweichen.
  • In einigen Ausführungsformen kann die Vorrichtung 300 ferner die Gewichtungsanordnung 220 beinhalten, die mit einem von der BASF-Anordnung 218 und der Prozessoranordnung 222 monolithisch ausgebildet sein kann oder nicht. In weiteren Ausführungsformen kann die Gewichtungsanordnung 220 jedoch von der Vorrichtung weggelassen werden, und die Lichtquelle 204 kann alternativ unterschiedliche Gewichtungsfaktoren für die ICE-Kerne 230a–n bereitstellen. Insbesondere kann die Lichtquelle 204 eine Lichtquellenanordnung umfassen, die mehrere einzelne Lichtquellenelemente 302 (gezeigt als Lichtquellenelemente 302a, 302b, ... und 302n) beinhaltet, die so konfiguriert sind, dass sie entsprechende Strahlen elektromagnetischer Strahlung 304 (gezeigt als elektromagnetische Strahlung 304a, 304b, ... und 304n) emittieren. Jedes Lichtquellenelement 302a–n kann mit einem entsprechenden ICE-Kern 230a–n optisch gekoppelt sein. Dementsprechend kann das erste Lichtquellenelement 302a so konfiguriert sein, dass es die elektromagnetische Strahlung 304a an den ersten ICE-Kern 230a bereitstellt, das zweite Lichtquellenelement 302b kann so konfiguriert sein, dass es die elektromagnetische Strahlung 304b an den zweiten ICE-Kern 230b bereitstellt und das n-te Lichtquellenelement 302n kann so konfiguriert sein, dass es die elektromagnetische Strahlung 304n an den n-ten ICE-Kern 230n bereitstellt.
  • Bei Betrieb kann die Intensität jedes Lichtquellenelements 302a–n dynamisch eingestellt oder anderweitig von einem Bediener in Echtzeit beeinflusst werden, um die entsprechenden Gewichtungsfaktoren für jeden ICE-Kern 230a–n zu verändern. Infolgedessen kann der Bediener in der Lage sein, jedes Lichtquellenelement 302a–n selektiv so abzustimmen, dass ein vorbestimmter Gewichtungsfaktor physisch und anderweitig optisch an jedem ICE-Kern 230a–n angewendet und dadurch die Intensität der modifizierten elektromagnetischen Strahlung 240a, die anschließend von dem Detektor 216 empfangen wird, zu steuern.
  • In Ausführungsformen, in denen die Gewichtungsanordnung 220 in der Vorrichtung 300 enthalten ist, können die Lichtquellenelemente 302a–n mit entsprechenden Gewichtungsvorrichtungen 234a–n der Gewichtungsanordnung 220 und entsprechenden ICE-Kernen 230a–n der Prozessoranordnung 222 gekoppelt sein. Dementsprechend kann das erste Lichtquellenelement 302a so konfiguriert sein, dass es die elektromagnetische Strahlung 304a an die erste Gewichtungsvorrichtung 234a und an den ersten ICE-Kern 230a bereitstellt, kann das zweite Lichtquellenelement 302b so konfiguriert sein, dass es die elektromagnetische Strahlung 304b an die zweite Gewichtungsvorrichtung 234b und an den zweiten ICE-Kern 230b bereitstellt und so weiter, wobei das n-te Lichtquellenelement 302n die elektromagnetische Strahlung 304n an die n-te Gewichtungsvorrichtung 234n und an den n-ten ICE-Kern 230n bereitstellt. Die Gewichtungsanordnung 220 kann entweder eine statische Gewichtungsanordnung sein und es der Vorrichtung 300 ermöglichen, eine einzelne Charakteristik der Substanz 202 zu analysieren, oder die Gewichtungsanordnung 220 kann eine dynamische Gewichtungsanordnung sein und es der Vorrichtung 300 ermöglichen, mehrere Charakteristiken der Substanz 202 zu analysieren.
  • Bei Betrieb kann jedes Lichtquellenelement 302a–n in Verbindung mit der Gewichtungsanordnung 220 betrieben werden, sodass die verschiedenen gewichteten Strahlen modifizierter elektromagnetischer Strahlung 240a–n schließlich generiert und dem Detektor 216 zur Quantifizierung bereitgestellt werden. In einigen Ausführungsformen können beispielsweise ein oder mehrere der Lichtquellenelemente 302a–n so konfiguriert sein, dass sie einen vorbestimmten Gewichtungsfaktor auf ihren entsprechenden Strahl elektromagnetischer Strahlung 304a–n anwenden. In weiteren Ausführungsformen werden keine bestimmbaren Gewichtungsfaktoren durch die Lichtquellenelemente 302a–n angewendet. Vielmehr können die Gewichtungsfaktoren hauptsächlich über die Gewichtungsanordnung 220 angewendet werden, wie dies allgemein unter Bezugnahme auf 2 oben beschrieben wurde.
  • Die Anordnung von Lichtquellenelementen 302a–n kann sich bei der Eliminierung des Erfordernisses einer Sammel- und Kollimationsoptik (z.B. des ersten Kollimators 208, des Expanders 212 und des zweiten Kollimators 214 von 2) als vorteilhaft erweisen und kann dadurch die Größe der Vorrichtung 300 verringern. Ein weiterer Vorteil der Anordnung von Lichtquellenelementen 302a–n ist ihre Fähigkeit, die Lichtintensität und das Intensitätsprofil zu erhöhen, die in jedes Element des Gewichtungsanordnung 220 und der Prozessoranordnung 222 transmittiert werden. Dies kann dazu beitragen, die Leistung der Vorrichtung 300 zu verbessern, indem das Signal-Rausch-Verhältnis und die Empfindlichkeit der Messung erhöht werden.
  • In der dargestellten Ausführungsform können sich Strahlen der elektromagnetischen Strahlung 304a–n in Richtung der BASF-Anordnung 218 ausbreiten und auf diese auftreffen, bevor sie mit der Gewichtungsanordnung 220 oder der Prozessoranordnung 222 optisch interagieren. Die elektromagnetische Strahlung 304a–n, die sich unter dem vorbestimmten Einfallswinkel 224 ausbreitet, kann als winkelelektive Strahlung 226a–n durch die BASF-Anordnung 218 hindurchgehen, während die elektromagnetische Strahlung 304a–n, die unter einem von dem vorbestimmten Einfallswinkel 224 versetzten Winkel auf die BASF-Anordnung 218 auftrifft, von der BASF-Anordnung 218 als reflektierte Strahlung 228a–n reflektiert werden kann. Die BASF-Anordnung 218 kann daher betrieben werden, um zu ermöglichen, dass beim optischen Interagieren mit der Substanz 202 nur die elektromagnetische Strahlung 304a–n von einem optisch gekoppelten Lichtquellenelement 302a–n mit entsprechend optisch gekoppelten Gewichtungsvorrichtungen 234a–n und ICE-Kernen 230a–n interagiert. Es versteht sich, dass dies optisches Übersprechen von nicht gekoppelten optischen Kanälen in der Gewichtungsanordnung 220 und der Prozessoranordnung 222 reduzieren oder eliminieren kann, wenn sich die elektromagnetische Strahlung 304a–n von der Anordnung von Lichtquellenelementen 302a–n zu dem Detektor 216 ausbreitet.
  • Wie bei früheren Ausführungsformen können das BASF 218, die Gewichtungsanordnung 220 und die Prozessoranordnung 220 jeweils an verschiedenen Stellen entlang des Strahlengangs positioniert sein, ohne vom Umfang der Offenbarung abzuweichen. Während 3 die BASF-Anordnung 218, die Gewichtungsanordnung 220 und die Prozessoranordnung 222 in einer bestimmten linearen Kombination innerhalb des Strahlengangs der Vorrichtung 300 darstellt, kann beispielsweise die Position irgendeiner der vorgenannten optischen Komponenten an irgendeiner Stelle getauscht oder irgendwo entlang des Strahlengangs platziert werden. In mindestens einer Ausführungsform kann beispielsweise die Prozessoranordnung 222 innerhalb des Strahlengangs nach der Lichtquelle 204 und vor der BASF-Anordnung 218 angeordnet sein. In weiteren Ausführungsformen kann die BASF-Anordnung 218 zwischen oder nach sowohl der Gewichtungsanordnung 220 und der Prozessoranordnung 222 positioniert sein. Für den Fachmann liegt auf der Hand, dass verschiedene optische Konfigurationen der Vorrichtung 300 möglich sind, ohne vom Umfang der Offenbarung abzuweichen.
  • Hier offenbarte Ausführungsformen beinhalten Folgendes:
    • A. Eine optische Rechenvorrichtung, die Folgendes beinhaltet: eine Lichtquelle, die elektromagnetische Strahlung in einen Strahlengang emittiert, der sich von der Lichtquelle zu einem Detektor erstreckt, eine Substanz, die in dem Strahlengang positioniert ist, um mit der elektromagnetischen Strahlung optisch zu interagieren und probeninteragierte Strahlung zu erzeugen, eine Prozessoranordnung, die in dem Strahlengang angeordnet ist und eine Vielzahl von integrierten Rechenelement-(Integrated Computational Elelement, ICE)-Kernen beinhaltet, die auf einem Substrat angeordnet sind, um mit der elektromagnetischen Strahlung optisch zu interagieren, wobei der Detektor eine Vielzahl von Strahlen modifizierter elektromagnetischer Strahlung empfängt, die durch optische Interaktion der elektromagnetischen Strahlung mit der Substanz und der Prozessoranordnung generiert wurde, eine Gewichtungsanordnung, die in dem Strahlengang positioniert ist und eine Vielzahl von Gewichtungsvorrichtungen beinhaltet, die entsprechende Gewichtungsfaktoren für jeden Strahl modifizierter elektromagnetischer Strahlung vor der Erfassung mit dem Detektor optisch anwenden, wobei jede Gewichtungsvorrichtung an einem entsprechenden der Vielzahl von ICE-Kernen im Strahlengang optisch ausgerichtet ist; sowie eine winkelselektive Breitband-(Broadband Angle Selective Filter, BASF)-Anordnung, die in dem Strahlengang positioniert ist und an der Prozessoranordnung und der Gewichtungsanordnung optisch ausgerichtet ist, wobei zugelassen wird, dass elektromagnetische Strahlung, die unter einem vorbestimmten Einfallswinkel auf die BASF-Anordnung auftrifft, durch die BASF-Anordnung transmittiert wird, und elektromagnetische Strahlung, die unter einem von dem vorbestimmten Einfallswinkel versetzten Winkel auf die BASF-Anordnung auftrifft, daran gehindert wird, durch die BASF-Anordnung transmittiert zu werden, und wobei der Detektor ein Ausgangssignal, das für eine Charakteristik der Substanz bezeichnend ist, auf Grundlage der Vielzahl von Strahlen modifizierter elektromagnetischer Strahlung generiert.
    • B. Ein Verfahren, das Folgendes beinhaltet: Emittieren elektromagnetischer Strahlung mit einer Lichtquelle in einen Strahlengang, der sich von der Lichtquelle zu einem Detektor erstreckt, optisches Interagieren der elektromagnetischen Strahlung mit einer Substanz, die in dem Strahlengang positioniert ist und dadurch Erzeugen probeninteragierter Strahlung, optisches Interagieren der elektromagnetischen Strahlung mit einer Prozessoranordnung, die in dem Strahlengang angeordnet ist, wobei die Prozessoranordnung eine Vielzahl von integrierten Rechenelement-(ICE)-Kernen beinhaltet, die auf einem Substrat angeordnet sind, Generieren einer Vielzahl von Strahlen modifizierter elektromagnetischer Strahlung durch optische Interaktion der elektromagnetischen Strahlung mit der Substanz und der Prozessoranordnung, optisches Anwenden eines Gewichtungsfaktors auf jeden Strahl modifizierter elektromagnetischer Strahlung mit einer Gewichtungsanordnung, die in dem Strahlengang positioniert ist, vor der Erfassung mit dem Detektor, wobei die Gewichtungsanordnung eine Vielzahl von Gewichtungsvorrichtungen beinhaltet, die an einem entsprechenden der Vielzahl von ICE-Kernen optisch ausgerichtet sind, Reduzieren von optischem Übersprechen mit einer Anordnung winkelselektiver Breitbandfilter (BASF), die in dem Strahlengang positioniert ist und an der Prozessoranordnung und der Gewichtungsanordnung optisch ausgerichtet ist, wobei zugelassen wird, dass elektromagnetische Strahlung, die unter einem vorbestimmten Einfallswinkel auf die BASF-Anordnung auftrifft, durch die BASF-Anordnung transmittiert wird, und elektromagnetische Strahlung, die unter einem von dem vorbestimmten Einfallswinkel versetzten Winkel auf die BASF-Anordnung auftrifft, daran gehindert wird, durch die BASF-Anordnung transmittiert zu werden, sowie Empfangen der Vielzahl von Strahlen modifizierter elektromagnetischer Strahlung mit dem Detektor und Generieren eines Ausgangssignals, das für eine Charakteristik der Substanz bezeichnend ist, mit dem Detektor auf Grundlage der Vielzahl von Strahlen modifizierter elektromagnetischer Strahlung.
  • Jede der Ausführungsformen A und B kann eines oder mehrere der folgenden zusätzlichen Elemente in einer beliebigen Kombination aufweisen: Element 1: wobei die BASF-Anordnung eine Vielzahl von Schichten von Materialien umfasst, die aus der Gruppe bestehend aus Viertelwellen-Heterostrukturen von photonischen Kristallen und Metamaterialien ausgewählt sind. Element 2: wobei die BASF-Anordnung drehbar ist, um den vorbestimmten Einfallswinkel selektiv zu bestimmen. Element 3: wobei die Gewichtungsanordnung einen integralen Teil der Prozessoranordnung bildet und jede Gewichtungsvorrichtung mit dem entsprechenden der Vielzahl von ICE-Kernen gekoppelt ist. Element 4: wobei die Vielzahl von Gewichtungsvorrichtungen auf einem Substrat angeordnet ist. Element 5: wobei einer oder mehrere der Vielzahl von ICE-Kernen ein frequenzselektiver Oberflächen-ICE-Kern ist. Element 6: wobei die Vielzahl von Gewichtungsvorrichtungen eine Gewichtungsvorrichtung umfasst, die aus der Gruppe bestehend aus einem Neutraldichtefilter, einer Irisblende, einer Aperturblende, einer Blende, einer einstellbaren Irisblende, einem Spiegel eines mikroelektromechanischen Systems (MEMS), einem abstimmbaren Fabry-Perot-Etalon oder -Hohlraum, einem Lithium-Niobat-Modulator, einem akustisch abstimmbaren optischen Filter und einem mit Flüssigkristall abstimmbaren Filter ausgewählt ist. Element 7: wobei die Gewichtungsanordnung eine dynamische Gewichtungsanordnung ist und eine oder mehrere der Vielzahl von Gewichtungsvorrichtungen selektiv abstimmbar sind, sodass der entsprechende Gewichtungsfaktor der einen oder mehreren der Vielzahl von Gewichtungsvorrichtungen variabel ist. Element 8: wobei die Gewichtungsanordnung auf einer beweglichen Baugruppe angeordnet ist, die so konfiguriert ist, dass es jeder Gewichtungsvorrichtungen ermöglicht wird, mit zwei oder mehr der Vielzahl von ICE-Kernen optisch zu interagieren. Element 9: wobei die Lichtquelle eine Vielzahl von Lichtquellenelementen umfasst, wobei jedes Lichtquellenelement an einer entsprechenden der Vielzahl von Gewichtungsvorrichtungen und dem entsprechenden der Vielzahl von ICE-Kernen in dem Strahlengang optisch ausgerichtet ist. Element 10: ferner umfassend einen Signalprozessor, der das Ausgangssignal von dem Detektor empfängt und die Charakteristik der Substanz bestimmt, wobei der Signalprozessor einen Prozessor und ein maschinenlesbares Speichermedium mit darauf gespeicherten Anweisungen beinhaltet, die, wenn sie von dem Prozessor ausgeführt werden, den Signalprozessor veranlassen, die Charakteristik der Substanz zu bestimmen.
  • Element 11: wobei optisches Interagieren der Substanz mit der elektromagnetischen Strahlung mindestens eines von Transmittieren der elektromagnetischen Strahlung durch die Substanz und Reflektieren der elektromagnetischen Strahlung von der Substanz umfasst. Element 12: wobei die BASF-Anordnung eine Vielzahl von Schichten von Materialien umfasst, die aus der Gruppe bestehend aus Viertelwellen-Heterostrukturen von photonischen Kristallen und Metamaterialien ausgewählt sind. Element 13: ferner umfassend Drehen der BASF-Anordnung, um den vorbestimmten Einfallswinkel selektiv zu bestimmen. Element 14: wobei die Vielzahl von Gewichtungsvorrichtungen eine Gewichtungsvorrichtung umfasst, die aus der Gruppe bestehend aus einer einstellbaren Irisblende, einem Spiegel eines mikroelektromechanischen Systems, einem abstimmbaren Fabry-Perot-Etalon oder -Hohlraum, ein Lithium-Niobat-Modulator, einem akustisch abstimmbaren optischen Filter und einem mit Flüssigkristall abstimmbaren Filter ausgewählt ist, wobei das Verfahren ferner selektives Abstimmen einer oder mehrerer der Vielzahl von Gewichtungsvorrichtungen, um einen entsprechenden Gewichtungsfaktor zu variieren, und Empfangen der Vielzahl von Strahlen modifizierter elektromagnetischer Strahlung mit dem Detektor und Generieren eines zweiten Ausgangssignals, das für eine zweite Charakteristik der Substanz bezeichnend ist, mit dem Detektor auf Grundlage der Vielzahl von Strahlen modifizierter elektromagnetischer Strahlung umfasst. Element 15: wobei die Gewichtungsanordnung auf einer beweglichen Baugruppe angeordnet ist, wobei das Verfahren ferner Bewegen der beweglichen Anordnung im Strahlengang und optisches Interagieren jeder Gewichtungsvorrichtung mit zwei oder mehr der Vielzahl von ICE-Kernen, wenn sich die bewegliche Baugruppe bewegt, umfasst. Element 16: wobei die Gewichtungsanordnung eine erste Gewichtungsanordnung ist, die auf einer beweglichen Baugruppe angeordnet ist, wobei das Verfahren ferner Folgendes umfasst: optisches Interagieren jeder Gewichtungsvorrichtung der ersten Gewichtungsanordnung mit einem entsprechenden der Vielzahl von Strahlen modifizierter elektromagnetischer Strahlung und dadurch optisches Anwenden der entsprechenden Gewichtungsfaktoren darauf, Bewegen der beweglichen Baugruppe im Strahlengang, sodass eine zweite Gewichtungsanordnung, die auf der beweglichen Baugruppe angeordnet ist, in den Strahlengang bewegt wird, wobei die zweite Gewichtungsanordnung eine zweite Vielzahl von Gewichtungsvorrichtungen beinhaltet, die auf einem zweiten Gewichtungssubstrat angeordnet sind; sowie optisches Anwenden entsprechender zweiter Gewichtungsfaktoren auf jeden Strahl modifizierter elektromagnetischer Strahlung mit der zweiten Vielzahl von Gewichtungsvorrichtungen. Element 17: wobei ein Polarisationsfilm auf eine oder mehrere der Gewichtungsvorrichtungen aufgebracht wird, wobei das Verfahren ferner Drehen eines Polarisators, der in dem Strahlengang positioniert ist, vor der Gewichtungsanordnung sowie Ändern der entsprechenden Gewichtungsfaktoren der einen oder mehreren der Gewichtungsvorrichtungen mit dem Polarisator umfasst. Element 18: wobei die Lichtquelle eine Vielzahl von Lichtquellenelementen umfasst, wobei das Verfahren ferner Folgendes umfasst: Generieren eines entsprechenden Strahls elektromagnetischer Strahlung von jedem Lichtquellenelement, wobei jeder Strahl elektromagnetischer Strahlung an einer entsprechenden der Vielzahl von Gewichtungsvorrichtungen und dem entsprechenden der ICE-Kerne optisch ausgerichtet ist, sowie dynamisches Einstellen einer Intensität von mindestens einem der entsprechenden Strahlen elektromagnetischer Strahlung und dadurch Ändern des Gewichtungsfaktors, der auf einen oder mehrere der Vielzahl von Strahlen modifizierter elektromagnetischer Strahlung angewendet wird. Element 19: ferner umfassend Empfangen des Ausgangssignals von dem Detektor mit einem Signalprozessor, wobei der Signalprozessor einen Prozessor und ein maschinenlesbares Speichermedium mit darauf gespeicherten Anweisungen beinhaltet, die, wenn sie von dem Prozessor ausgeführt werden, den Signalprozessor veranlassen, die Charakteristik der Substanz zu bestimmen, sowie Bestimmen der Charakteristik der Substanz mit dem Signalprozessor.
  • Daher eignen sich die offenbarten Systeme und Verfahren gut, um die genannten sowie darin inhärenten Ziele und Vorteile zu erreichen. Die jeweiligen vorstehend offenbarten Ausführungsformen sind nur veranschaulichend, da die Lehren der vorliegenden Offenbarung in unterschiedlicher, aber äquivalenter Weise abgewandelt und ausgeübt werden kann, wie es für den Fachmann mit dem Vorteil der vorliegenden Lehren auf der Hand liegt. Hinsichtlich der Einzelheiten der hier gezeigten Konstruktion oder Auslegung sind keine anderen Beschränkungen als die in den nachfolgenden Ansprüchen beschriebenen vorgesehen. Es ist daher offensichtlich, dass die bestimmten, vorstehend offenbarten, veranschaulichenden Ausführungsformen verändert, kombiniert oder modifiziert werden können und dass alle diese Abwandlungen als innerhalb des Umfangs der vorliegenden Offenbarung liegend angesehen werden. Die hier veranschaulichend offenbarten Systeme und Verfahren können zweckmäßigerweise in Abwesenheit irgendeines Elements, das hier nicht spezifisch offenbart ist, und/oder irgendeines hier offenbarten optionalen Elements praktiziert werden. Während Zusammensetzungen und Verfahren als verschiedene Komponenten oder Schritte „umfassend“, „enthaltend“ oder „beinhaltend“ beschrieben werden, können die Zusammensetzungen und Verfahren aus den verschiedenen Komponenten und Schritten auch „im Wesentlichen bestehen“ oder „bestehen“. Alle oben offenbarten Zahlen und Bereiche können um einen gewissen Betrag variieren. Immer, wenn ein numerischer Bereich mit einer unteren Grenze und einer oberen Grenze offenbart wird, ist jede beliebige Zahl und jeder enthaltene Bereich, die in den Bereich fallen, konkret offenbart. Insbesondere versteht es sich, dass jeder hier offenbarte Wertebereich (von der Form „von etwa a bis etwa b“ oder äquivalent „von ungefähr a bis b“ oder äquivalent von „ungefähr a–b“) als jede Zahl und jeden Bereich zu verstehen ist, die innerhalb des breiteren Wertebereichs eingeschlossen sind. Außerdem tragen die Begriffe in den Ansprüchen ihre einfache, gewöhnliche Bedeutung, soweit nicht durch die Patentinhaberin ausdrücklich und deutlich anders definiert. Die unbestimmten Artikel „ein“, „eine“, „einer“, „eines“, „einem“ in den Ansprüchen sind darüber hinaus hier derart definiert, dass sie ein oder mehr als eines der Elemente bezeichnen, denen sie vorangestellt sind. Falls es irgendwelche Widersprüche bei den Verwendungen eines Wortes oder Begriffs in dieser Beschreibung mit einem oder mehreren Patent- oder anderen Dokumenten gibt, die möglicherweise hier durch Bezugnahme aufgenommen werden, sind die Definitionen, die mit dieser Beschreibung übereinstimmen, maßgeblich.
  • Im hier verwendeten Sinne modifiziert der Ausdruck „mindestens eines von“, der einer Reihe von Elementen vorausgeht, mit den Begriffen „und“ oder „oder“, um irgendwelche der Elemente zu trennen, die Liste als Ganzes, anstatt jedes Mitglieds der Liste (d.h. jedes Element). Der Ausdruck „mindestens eines von“ lässt eine Bedeutung zu, 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 beinhaltet. Beispielsweise beziehen sich die Ausdrücke „mindestens eines von A, B und C“ oder „mindestens eines von A, B oder C“ jeweils auf nur A, nur B oder nur C; eine beliebige Kombination von A, B und C; und/oder mindestens eines von A, B und C.

Claims (21)

  1. Optische Rechenvorrichtung, umfassend: eine Lichtquelle, die elektromagnetische Strahlung in einen Strahlengang emittiert, der sich von der Lichtquelle zu einem Detektor erstreckt; eine Substanz, die in dem Strahlengang positioniert ist, um mit der elektromagnetischen Strahlung optisch zu interagieren und probeninteragierte Strahlung zu erzeugen; eine Prozessoranordnung, die in dem Strahlengang angeordnet ist und eine Vielzahl von integrierten Rechenelement-(Integrated Computational Elelement, ICE)-Kernen beinhaltet, die auf einem Substrat angeordnet sind, um mit der elektromagnetischen Strahlung optisch zu interagieren, wobei der Detektor eine Vielzahl von Strahlen modifizierter elektromagnetischer Strahlung empfängt, die durch optische Interaktion der elektromagnetischen Strahlung mit der Substanz und der Prozessoranordnung generiert wurde; eine Gewichtungsanordnung, die in dem Strahlengang positioniert ist und eine Vielzahl von Gewichtungsvorrichtungen beinhaltet, die entsprechende Gewichtungsfaktoren für jeden Strahl modifizierter elektromagnetischer Strahlung vor der Erfassung mit dem Detektor optisch anwenden, wobei jede Gewichtungsvorrichtung an einem entsprechenden der Vielzahl von ICE-Kernen im Strahlengang optisch ausgerichtet ist; und eine winkelselektive Breitband-(Broadband Angle Selective Filter, BASF)-Anordnung, die in dem Strahlengang positioniert ist und an der Prozessoranordnung und der Gewichtungsanordnung optisch ausgerichtet ist, wobei zugelassen wird, dass elektromagnetische Strahlung, die unter einem vorbestimmten Einfallswinkel auf die BASF-Anordnung auftrifft, durch die BASF-Anordnung transmittiert wird, und elektromagnetische Strahlung, die unter einem von dem vorbestimmten Einfallswinkel versetzten Winkel auf die BASF-Anordnung auftrifft, daran gehindert wird, durch die BASF-Anordnung transmittiert zu werden, und wobei der Detektor ein Ausgangssignal, das für eine Charakteristik der Substanz bezeichnend ist, auf Grundlage der Vielzahl von Strahlen modifizierter elektromagnetischer Strahlung generiert.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die BASF-Anordnung eine Vielzahl von Schichten von Materialien umfasst, die aus der Gruppe bestehend aus Viertelwellen-Heterostrukturen von photonischen Kristallen und Metamaterialien ausgewählt sind.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die BASF-Anordnung drehbar ist, um den vorbestimmten Einfallswinkel selektiv zu bestimmen.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Gewichtungsanordnung einen integralen Teil der Prozessoranordnung bildet und jede Gewichtungsvorrichtung mit dem entsprechenden der Vielzahl von ICE-Kernen gekoppelt ist.
  5. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Vielzahl von Gewichtungsvorrichtungen auf einem Substrat angeordnet ist.
  6. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei einer oder mehrere der Vielzahl von ICE-Kernen ein frequenzselektiver Oberflächen-ICE-Kern ist.
  7. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Vielzahl von Gewichtungsvorrichtungen eine Gewichtungsvorrichtung umfasst, die aus der Gruppe bestehend aus einem Neutraldichtefilter, einer Irisblende, einer Aperturblende, einer Blende, einer einstellbaren Irisblende, einem Spiegel eines mikroelektromechanischen Systems (MEMS), einem abstimmbaren Fabry-Perot-Etalon oder -Hohlraum, einem Lithium-Niobat-Modulator, einem akustisch abstimmbaren optischen Filter und einem mit Flüssigkristall abstimmbaren Filter ausgewählt ist.
  8. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Gewichtungsanordnung eine dynamische Gewichtungsanordnung ist und eine oder mehrere der Vielzahl von Gewichtungsvorrichtungen selektiv abstimmbar sind, sodass der entsprechende Gewichtungsfaktor der einen oder mehreren der Vielzahl von Gewichtungsvorrichtungen variabel ist.
  9. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Gewichtungsanordnung auf einer beweglichen Baugruppe angeordnet ist, die so konfiguriert ist, dass es jeder Gewichtungsvorrichtung ermöglicht wird, mit zwei oder mehr der Vielzahl von ICE-Kernen optisch zu interagieren.
  10. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Lichtquelle eine Vielzahl von Lichtquellenelementen umfasst, wobei jedes Lichtquellenelement an einer entsprechenden der Vielzahl von Gewichtungsvorrichtungen und dem entsprechenden der Vielzahl von ICE-Kernen in dem Strahlengang optisch ausgerichtet ist.
  11. Vorrichtung nach Anspruch 1, ferner umfassend einen Signalprozessor, der das Ausgangssignal von dem Detektor empfängt und die Charakteristik der Substanz bestimmt, wobei der Signalprozessor einen Prozessor und ein maschinenlesbares Speichermedium mit darauf gespeicherten Anweisungen beinhaltet, die, wenn sie von dem Prozessor ausgeführt werden, den Signalprozessor veranlassen, die Charakteristik der Substanz zu bestimmen.
  12. Verfahren, umfassend: Emittieren elektromagnetischer Strahlung mit einer Lichtquelle in einen Strahlengang, der sich von der Lichtquelle zu einem Detektor erstreckt; optisches Interagieren der elektromagnetischen Strahlung mit einer Substanz, die in dem Strahlengang positioniert ist, und dadurch Erzeugen probeninteragierter Strahlung; optisches Interagieren der elektromagnetischen Strahlung mit einer Prozessoranordnung, die in dem Strahlengang angeordnet ist, wobei die Prozessoranordnung eine Vielzahl von integrierten Rechenelement-(ICE)-Kernen beinhaltet, die auf einem Substrat angeordnet sind; Generieren einer Vielzahl von Strahlen modifizierter elektromagnetischer Strahlung durch optische Interaktion der elektromagnetischen Strahlung mit der Substanz und der Prozessoranordnung; optisches Anwenden eines Gewichtungsfaktors auf jeden Strahl modifizierter elektromagnetischer Strahlung mit einer Gewichtungsanordnung, die in dem Strahlengang positioniert ist, vor der Erfassung mit dem Detektor, wobei die Gewichtungsanordnung eine Vielzahl von Gewichtungsvorrichtungen beinhaltet, die an einem entsprechenden der Vielzahl von ICE-Kernen optisch ausgerichtet sind; Reduzieren von optischem Übersprechen mit einer Anordnung winkelselektiver Breitbandfilter (BASF), die in dem Strahlengang positioniert ist und an der Prozessoranordnung und der Gewichtungsanordnung optisch ausgerichtet ist, wobei zugelassen wird, dass elektromagnetische Strahlung, die unter einem vorbestimmten Einfallswinkel auf die BASF-Anordnung auftrifft, durch die BASF-Anordnung transmittiert wird, und elektromagnetische Strahlung, die unter einem von dem vorbestimmten Einfallswinkel versetzten Winkel auf die BASF-Anordnung auftrifft, daran gehindert wird, durch die BASF-Anordnung transmittiert zu werden; und Empfangen der Vielzahl von Strahlen modifizierter elektromagnetischer Strahlung mit dem Detektor und Generieren eines Ausgangssignals, das für eine Charakteristik der Substanz bezeichnend ist, mit dem Detektor auf Grundlage der Vielzahl von Strahlen modifizierter elektromagnetischer Strahlung.
  13. Verfahren nach Anspruch 12, wobei optisches Interagieren der Substanz mit der elektromagnetischen Strahlung mindestens eines von Transmittieren der elektromagnetischen Strahlung durch die Substanz und Reflektieren der elektromagnetischen Strahlung von der Substanz umfasst.
  14. Verfahren nach Anspruch 12, wobei die BASF-Anordnung eine Vielzahl von Schichten von Materialien umfasst, die aus der Gruppe bestehend aus Viertelwellen-Heterostrukturen von photonischen Kristallen und Metamaterialien ausgewählt sind.
  15. Verfahren nach Anspruch 12, ferner umfassend Drehen der BASF-Anordnung, um den vorbestimmten Einfallswinkel selektiv zu bestimmen.
  16. Verfahren nach Anspruch 12, wobei die Vielzahl von Gewichtungsvorrichtungen eine Gewichtungsvorrichtung umfasst, die aus der Gruppe bestehend aus einer einstellbaren Irisblende, einem Spiegel eines mikroelektromechanischen Systems (MEMS), einem abstimmbaren Fabry-Perot-Etalon oder -Hohlraum, einem Lithium-Niobat-Modulator, einem akustisch abstimmbaren optischen Filter und einem mit Flüssigkristall abstimmbaren Filter ausgewählt ist, wobei das Verfahren ferner Folgendes umfasst: selektives Abstimmen einer oder mehrerer der Vielzahl von Gewichtungsvorrichtungen, um einen entsprechenden Gewichtungsfaktor zu variieren; und Empfangen der Vielzahl von Strahlen modifizierter elektromagnetischer Strahlung mit dem Detektor und Generieren eines zweiten Ausgangssignals, das für eine zweite Charakteristik der Substanz bezeichnend ist, mit dem Detektor auf Grundlage der Vielzahl von Strahlen modifizierter elektromagnetischer Strahlung.
  17. Verfahren nach Anspruch 12, wobei die Gewichtungsanordnung auf einer beweglichen Baugruppe angeordnet ist, wobei das Verfahren ferner Folgendes umfasst: Bewegen der beweglichen Anordnung im Strahlengang; und optisches Interagieren jeder Gewichtungsvorrichtung mit zwei oder mehr der Vielzahl von ICE-Kernen, wenn sich die bewegliche Baugruppe bewegt.
  18. Verfahren nach Anspruch 12, wobei die Gewichtungsanordnung eine erste Gewichtungsanordnung ist, die auf einer beweglichen Baugruppe angeordnet ist, wobei das Verfahren ferner Folgendes umfasst: optisches Interagieren jeder Gewichtungsvorrichtung der ersten Gewichtungsanordnung mit einem entsprechenden der Vielzahl von Strahlen modifizierter elektromagnetischer Strahlung und dadurch optisches Anwenden der entsprechenden Gewichtungsfaktoren darauf; Bewegen der beweglichen Baugruppe im Strahlengang, sodass eine zweite Gewichtungsanordnung, die auf der beweglichen Baugruppe angeordnet ist, in den Strahlengang bewegt wird, wobei die zweite Gewichtungsanordnung eine zweite Vielzahl von Gewichtungsvorrichtungen beinhaltet, die auf einem zweiten Gewichtungssubstrat angeordnet sind; und optisches Anwenden entsprechender zweiter Gewichtungsfaktoren auf jeden Strahl modifizierter elektromagnetischer Strahlung mit der zweiten Vielzahl von Gewichtungsvorrichtungen.
  19. Verfahren nach Anspruch 12, wobei ein Polarisationsfilm auf eine oder mehrere der Gewichtungsvorrichtungen aufgebracht wird, wobei das Verfahren ferner Folgendes umfasst: Drehen eines Polarisators, der in dem Strahlengang positioniert ist, vor der Gewichtungsanordnung; und Ändern der entsprechenden Gewichtungsfaktoren der einen oder mehreren der Gewichtungsvorrichtungen mit dem Polarisator.
  20. Verfahren nach Anspruch 12, wobei die Lichtquelle eine Vielzahl von Lichtquellenelementen umfasst, wobei das Verfahren ferner Folgendes umfasst: Generieren eines entsprechenden Strahls elektromagnetischer Strahlung von jedem Lichtquellenelement, wobei jeder Strahl elektromagnetischer Strahlung an einer entsprechenden der Vielzahl von Gewichtungsvorrichtungen und dem entsprechenden der ICE-Kerne optisch ausgerichtet ist; und dynamisches Einstellen einer Intensität von mindestens einem der entsprechenden Strahlen elektromagnetischer Strahlung und dadurch Ändern des Gewichtungsfaktors, der auf einen oder mehrere der Vielzahl von Strahlen modifizierter elektromagnetischer Strahlung angewendet wird.
  21. Verfahren nach Anspruch 12, ferner umfassend: Empfangen des Ausgangssignals von dem Detektor mit einem Signalprozessor, wobei der Signalprozessor einen Prozessor und ein maschinenlesbares Speichermedium mit darauf gespeicherten Anweisungen beinhaltet, die, wenn sie von dem Prozessor ausgeführt werden, den Signalprozessor veranlassen, die Charakteristik der Substanz zu bestimmen; und Bestimmen der Charakteristik der Substanz mit dem Signalprozessor.
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