DE112015006212T5 - Optisches Rechnen auf Basis eines spektral programmierbaren Memristors - Google Patents

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Abstract

Ein Memristorelement wird verwendet, um eine spektral programmierbare optische Rechenvorrichtung beispielsweise zur Verwendung in einer Bohrlochumgebung zu schaffen. Ein elektromagnetisches Feld wird über dem Memristorelement angelegt, um seine spektralen Eigenschaften zu verändern. Im Gegenzug werden die spektralen Eigenschaften probeninteragierten Lichts, das mit dem Memristorelement optisch interagiert, auch verändert. Diese Veränderung der spektralen Eigenschaften ermöglicht es, dass der Memristor „programmiert“ werden kann, um eine Vielfalt von Transmissions-/Reflexions-/Absorptionsfunktionen zu erreichen.

Description

  • GEBIET DER OFFENBARUNG
  • Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung betreffen im Allgemeinen optische Sensoren und insbesondere eine optische Rechenvorrichtung, die spektral programmierbare Memristoren verwendet.
  • ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
  • In den letzten Jahren wurden optische Rechentechniken für Anwendungen in der Öl- und Gasindustrie in Form von optischen Sensoren in Bohrloch- oder Oberflächenausrüstung entwickelt, um eine Vielfalt von Fluideigenschaften zu evaluieren. Im Allgemeinen ist eine optische Rechenvorrichtung eine Vorrichtung, die so konfiguriert ist, dass sie einen Eingang von elektromagnetischer Strahlung von einer Probe empfängt und einen Ausgang von elektromagnetischer Strahlung von einem Verarbeitungselement erzeugt, das auch als optisches Element bezeichnet wird, wobei der Ausgang die gemessene Intensität der elektromagnetischen Strahlung widerspiegelt. Das optische Element kann beispielsweise ein integriertes Rechenelement oder ICE (Integrated Computational Element) sein. Ein Typ eines ICE ist eine optische Interferenzvorrichtung mit optischer Dünnschicht, die auch als multivariates optisches Element („Multivariate Optical Element, MOE“) bekannt ist.
  • Grundsätzlich verwenden optische Rechenvorrichtungen die optischen Elemente, um Berechnungen durchzuführen, im Gegensatz zu den festverdrahteten Schaltungen herkömmlicher elektronischer Prozessoren. Wenn Licht aus einer Lichtquelle mit einer Substanz interagiert, werden einzigartige physikalische und chemische Informationen über die Substanz in der elektromagnetischen Strahlung codiert, die von der Probe reflektiert, durch diese transmittiert oder abgestrahlt wird. Somit ist die optische Rechenvorrichtung durch Verwendung des ICE und eines oder mehrerer Detektoren in der Lage, die Informationen von einer oder mehreren Charakteristiken/Analyten innerhalb einer Substanz zu extrahieren und diese Informationen in ein erfassbares Ausgangssignal umzuwandeln, das die Gesamteigenschaften einer Probe widerspiegelt. Solche Charakteristiken können beispielsweise das Vorhandensein bestimmter Elemente, Zusammensetzungen, Fluidphasen usw. beinhalten, die in der Substanz existieren.
  • Historisch gesehen wurden die Dünnschicht-MOEs unter Verwendung von abwechselnden Schichten von Materialien mit hohem Index und niedrigem Index, die auf einem Substrat abgeschieden wurden, entworfen und hergestellt. Sobald die Materialien auf dem Substrat abgeschieden worden sind, sind jedoch die Transmissions-/Reflexions-/Absorptionsfunktionen des MOE aufgrund des fundamentalen Charakters des Design- und Herstellungsprozesses festgelegt. Daher können, sobald der Schichtstapel abgeschieden worden ist, seine spektralen Eigenschaften nicht verändert werden.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1 veranschaulicht ein Memristorelement, das in einer spektral programmierbaren optischen Dünnschichtvorrichtung im Transmissionsmodus eingesetzt werden kann, gemäß bestimmten beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung;
  • 2 ist eine grafische Darstellung, bei der die Spannungs-Strom-Hysterese und die Ausgangslichtintensität eines Memristorelements, das ein Pixel aufweist, aufgetragen sind, gemäß bestimmten beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung;
  • 3A ist eine Blockdiagrammdarstellung eines spektral programmierbaren Memristor-Arrays im Kalibrierungsmodus, gemäß bestimmten beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung;
  • 3B ist eine auseinandergezogene Schnittansicht des Memristorelement-Arrays von 3A;
  • 4 ist eine Blockdiagrammdarstellung eines Memristorelement-Arrays zur Verwendung in einer optischen Rechenvorrichtung, gemäß einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung; und
  • 5 stellt eine Vielzahl von spektral programmierbaren optischen Rechenvorrichtungen dar, die entlang eines Arbeitsstrangs angeordnet sind, der sich entlang eines Bohrlochsystems 500 erstreckt, gemäß bestimmten beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung; und
  • 6 ist ein Blockdiagramm einer spektral programmierbaren optischen Rechenvorrichtung, bei der ein Transmissionsmodus-Design eingesetzt wird, gemäß bestimmten beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung
  • BESCHREIBUNG VON BEISPIELHAFTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • Beispielhafte Ausführungsformen und zugehörige Verfahren der vorliegenden Offenbarung werden nachfolgend beschrieben, wie sie in einer optischen Rechenvorrichtung, die spektral veränderbare Memristoren umfasst, eingesetzt werden könnten. Im Interesse der Klarheit sind in dieser Beschreibung nicht alle Merkmale einer tatsächlichen Implementierung oder eines tatsächlichen Verfahrens beschrieben. Es versteht sich natürlich, dass bei der Entwicklung einer solchen tatsächlichen Ausführungsform zahlreiche implementierungsspezifische Entscheidungen getroffen werden müssen, um die spezifischen Ziele der Entwickler zu erreichen, wie etwa die Einhaltung systembezogener und geschäftsbezogener Einschränkungen, die von einer Implementierung zu einer anderen variieren. Darüber hinaus versteht es sich, dass ein derartiger Entwicklungsaufwand komplex und zeitaufwändig sein könnte, aber dennoch ein Routineunternehmen für einschlägige Durchschnittsfachleute mit dem Vorteil der vorliegenden Offenbarung wäre. Weitere Aspekte und Vorteile der verschiedenen Ausführungsformen und zugehörigen Verfahren der Offenbarung werden aus der Betrachtung der folgenden Beschreibung und der Zeichnungen ersichtlich.
  • Wie hier beschrieben, ist die vorliegende Offenbarung auf eine optische Rechenvorrichtung gerichtet, die ein Memristorelement verwendet, um eine spektral programmierbare optische Vorrichtung zu schaffen. Ein Memristor oder „Memory Resistor (deutsch: Speicher-Widerstand)“ ist eine nichtlineare elektrische Komponente, deren Widerstand mit der an ihr angelegten elektrischen Spannung zusammenhängt. In einer verallgemeinerten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung interagiert elektromagnetische Strahlung optisch mit einer Probe, um probeninteragiertes Licht zu erzeugen, das anschließend zu einem aus spektral veränderbarem Material hergestellten Memristorelement geleitet wird. Ein elektromagnetisches Feld wird über dem Memristorelement angelegt, um seine spektralen Eigenschaften zu verändern. Im Gegenzug werden die spektralen Eigenschaften des probeninteragierten Lichts, das mit dem Memristorelement optisch interagiert, auch verändert, um dadurch optisch interagiertes Licht zu erzeugen. Diese Veränderung der spektralen Eigenschaften ermöglicht es, dass der Memristor „programmiert“ werden kann, um eine Vielfalt von Transmissions-/Reflexions-/Absorptionsfunktionen zu erreichen. Das optisch interagierte Licht wird dann von einem oder mehreren Detektoren erfasst, wodurch die Probencharakteristiken bestimmt werden. Als Ergebnis können die memristorbasierten optischen Rechenvorrichtungen der vorliegenden Offenbarung in einer Vielfalt von Anwendungen eingesetzt werden, einschließlich beispielsweise multifunktionalen optischen Bohrlochsensoren.
  • Wie bereits erwähnt, wurden optische Dünnschichtelemente unter Verwendung von abwechselnden Schichten von Materialien mit hohem Index und niedrigem Index, die auf einem Substrat abgeschieden wurden, entworfen und hergestellt. Die Grundgleichungen, die die Transmissions-, Reflexions- und Absorptionsfunktionen von optischen Dünnfilmelementen beschreiben, sind die Fresnel-Gleichungen, die aus den Maxwell-Gleichungen abgeleitet sind. Die Wahl der Materialien basiert auf der Anwendung und dem Bereich der interessierenden Wellenlängen. Beispielsweise könnte für eine Infrarotanwendung a-Si (amorphes Silizium) als das Material mit hohem Index, SiO2 (Siliziumdioxid) als das Material mit niedrigem Index und Glas als das Substrat gewählt werden. Die Fertigungsverfahren beinhalten typischerweise PVD (physikalische Dampfabscheidung, wie beispielsweise Elektronenstrahlvakuumabscheidung, HF-Magnetron-Sputtern usw.), CVD (chemische Dampfabscheidung, wie MOCVD, PECVD usw.), ALD (Atomschichtabscheidung) usw.
  • Wie ebenfalls bereits erwähnt, setzen beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung spektral programmierbare Memristorelemente ein. Die Memristorelemente sind nichtlineare elektrische Komponenten, die elektrische Ladung und magnetischen Fluss in Beziehung setzen. Die Grundgleichung, die die Verknüpfung von elektrischer Ladung (q) und magnetischem Fluss (Φ) regelt, ist dargestellt als: DΦ = Mdq Gl. (1), auch bekannt als die Schaltungstheorie-Gleichung für einen Memristor. In Gleichung 1 ist Φ der magnetische Fluss, M ist der Widerstand des Memristors, und q ist die Ladung. Dementsprechend zeigt diese Art von Vorrichtung eine Beziehung zwischen dem Widerstand und der elektrischen Spannung, die über dem Memristorelement angelegt wird.
  • 1 stellt ein Memristorelement dar, das in einer spektral programmierbaren optischen Rechenvorrichtung im Transmissionsmodus eingesetzt werden kann, gemäß bestimmten beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung. In einer verallgemeinerten Ausführungsform ist die Grundkomponente der optischen Rechenvorrichtung ein Memristorelement 100, wie in 1 gezeigt. In diesem Beispiel ist das Memristorelement 100 ein einzelnes Memristorpixel, wie gezeigt; in anderen Ausführungsformen kann das Memristorelement jedoch aus einer Vielzahl von Memristorpixeln bestehen. „Memristorpixel“ bezieht sich auf einen einzelnen Memristor. Nichtsdestoweniger besteht das Memristorelement 100 aus einer Metall/Halbleiter-Schnittstelle, die aus einer Isolator/Dielektrikum-Schicht 10, einer reinen Halbleiterschicht 12 mit darauf positionierten Metallkontakten 14, einer Halbleiterschicht 16 mit Defekten darin und einer Metallschicht 18 besteht. Die „Defekte“ in der Halbleiterschicht 16 beziehen sich auf nichtreine Halbleiter mit Defekten im Kristallgitter, die auf vielfältige Weise hergestellt werden können. In weiteren Ausführungsformen kann die gleiche Funktionalität jedoch durch eine Dielektrikum/Halbleiter-Grenzfläche oder eine Metall/Metalloxid-Grenzfläche erreicht werden.
  • In bestimmten Ausführungsformen kann die Metall/Halbleiter-Grenzfläche unter Verwendung von Standardverarbeitungstechniken gefertigt werden, wie beispielsweise PVD, CVD oder ALD. Die Halbleiterschicht 16 wird mit einem hohen Grad an Defekten abgeschieden, die in dem Kristallgitter des Materials vorhanden sind, sodass eine Diffusion von Metallionen erfolgen kann, wenn elektromagnetische Strahlung (z.B. eine elektrische Spannung) über die Vorrichtung über die Metallschicht 18 und die Kontakte 14 aufgebracht wird. Die Auswahl des Metalls, des Halbleiters, des Defektgrads usw. hängt von der Anwendung und dem Bereich der interessierenden Wellenlängen ab.
  • Weiter Bezug nehmend auf 1, wenn die elektromagnetische Strahlung 20 in die defektreiche Halbleiterschicht 16 eintritt, wirkt die Schicht 16 als ein Wellenleiter, der die elektromagnetische Strahlung 20 dämpft, wenn sie durch sie hindurchgeht, was zu dem Ausgang optisch interagierten Lichts 22 führt. Wenn eine elektromagnetische Welle über der Halbleiterschicht 16 erzeugt wird, diffundieren Metallionen in die defektreiche Halbleiterschicht 16 (der Grundmechanismus ähnelt der Halbleiterdotierung). Die elektromagnetische Welle kann auf vielfältige Weise erzeugt werden, wie beispielsweise eine Spannung oder ein Strom, die über der Halbleiterschicht 16 angelegt werden. Nichtsdestoweniger nimmt die Anzahl der Metallionen aus der Metallschicht 18, die in die Halbleiterschicht 16 diffundieren, mit einer Zunahme des Energiepegels der elektromagnetischen Welle(n) zu, was zu einer Verringerung der elektromagnetischen Strahlung führt, die durch die Schicht 16 hindurchgeht. Die Menge an elektromagnetischer Strahlung 20, die durch die Halbleiterschicht 16 hindurchgeht, nimmt mit einer Abnahme des Energiepegels der elektromagnetischen Welle(n) zu. Dieses Phänomen tritt aufgrund von Streuungs- und Absorptionseffekten auf, die durch die in die Halbleiterschicht 16 diffundierten Metallionen hervorgerufen werden. Entsprechend kann die Halbleiterschicht 16 auch als „spektral veränderbares Material“ bezeichnet werden.
  • Wie bereits erwähnt, besteht das Memristorelement 100 aus einem einzigen Pixel, in weiteren Ausführungsformen kann das Memristorelement 100 jedoch aus einer Vielzahl von Pixeln bestehen. 2 ist eine grafische Darstellung, bei der die Spannungs-Strom-Hysterese und die Ausgangslichtintensität eines Memristorelements, das ein Pixel aufweist, aufgetragen sind, gemäß bestimmten beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung. Die Spannungs-Strom-Hysterese (ii) des Memristorelements ist gegen die Ausgangslichtintensität (i) aufgetragen. Durch Verwendung der Hysteresekurve kann die prozentuale Transmission von elektromagnetischer Strahlung durch die defektreiche Halbleiterschicht gesteuert werden. Ein solches Diagramm kann verwendet werden, um das Memristorelement zu kalibrieren, sodass die erforderliche Menge an elektromagnetischer Energie (z.B. Spannung, Strom usw.) über jedem Pixel angelegt wird, um den gewünschten spektralen Ausgang zu erzeugen. Sobald die Spannung/optische Transmission-Beziehung über alle Wellenlängen für das Memristorelement bekannt ist, kann es „programmiert“ werden, um eine beliebige Transmissions-/Reflexions-/Absorptionsfunktion zu erreichen.
  • Weiter Bezug nehmend auf 1, wenngleich nicht gezeigt, ist ein ein elektromagnetisches Feld erzeugendes Element kommunikativ mit den Kontakten 14 und der Metallschicht 18 gekoppelt, um das elektromagnetische Feld/ die elektromagnetischen Felder über der Halbleiterschicht 16 zu erzeugen. Das ein elektromagnetisches Feld erzeugende Element kann auf eine Reihe von Wegen kommunikativ gekoppelt sein, wie zum Beispiel über eine drahtgebundene oder drahtlose Verbindung. Wenn drahtlose Verfahren eingesetzt werden, sind die Kontakte 14 möglicherweise nicht erforderlich. Das ein elektromagnetisches Feld erzeugende Element kann eine Vielfalt von Vorrichtungen sein, wie beispielsweise eine Stromquelle, eine Spannungsquelle, eine elektromagnetische Quelle, eine magnetische Quelle, eine thermische Quelle oder eine ionische Quelle. Unabhängig von der verwendeten Quelle ist das Ergebnis die Diffusion von Metallionen in die defektreiche Halbleiterschicht 16, die wiederum den spektralen Ausgang des Memristorelements 100 beeinflusst.
  • 3A ist eine Blockdiagrammdarstellung eines spektral programmierbaren Memristor-Arrays im Kalibrierungsmodus, gemäß bestimmten beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung. Das Kalibriersystem 300 beinhaltet ein Memristorelement 302, das selbst aus einem Memristor-Array besteht, das vier Memristorelemente MR1, MR2, MR3 und MR4 beinhaltet. Jedes Memristorelement MR1...MR4 kann aus einem oder mehreren Pixeln gefertigt sein. Das Kalibriersystem 300 beinhaltet eine elektromagnetische Quelle 304 (die auf Grundlage der gewünschten Anwendung ausgewählt wird), die die elektromagnetische Strahlung 310 erzeugt, die optische Separationsvorrichtung 306 und das Memristorelement-Array 302, das so gefertigt ist, dass die Memristorelemente MR1...MR4 parallel in Bezug auf ankommende Strahlung sind.
  • Die optische Separationsvorrichtung 306 ist eine beliebige Vorrichtung, die verwendet wird, um die elektromagnetische Strahlung 310 in Komponentenwellenlängen zu separieren, wie beispielsweise ein Beugungsgitter oder ein spektrales Zerlegungselement. Ein Beugungsgitter verwendet das Prinzip der Beugung, um Licht in seine Komponentenwellenlängen aufzuspalten, während ein spektrales Zerlegungselement Brechung (wie beispielsweise Prismen) verwendet oder speziell entworfene Bandpassfilter oder Kerbfilter, Ringresonatoren usw. verwenden kann.
  • Während des Betriebs des Kalibrierungssystems 300 spaltet das optische Separationselement 306 die elektromagnetische Strahlung 310 in ihre einzelnen Komponentenwellenlängen 310 CW auf. Jedes Memristorelement MR1...MR4 im Array 302 ist so gefertigt, dass jede Komponentenwellenlänge 310 CW in mindestens ein Memristorelement MR1...MR4 eintritt, wodurch optisch interagiertes Licht 312 erzeugt wird. Jedes Memristorelement MR1...MR4 wird unter Verwendung einer Vielfalt von Techniken so ausgelegt, dass es der Komponentenwellenlänge entspricht. Beispielsweise sind bei bestimmten Ausführungsformen das Beugungsgitter (wenn es als Element 306 verwendet wird), das Memristor-Array 302 und das Detektor-Array 308 unter Verwendung von Nanoskala-Positionierern so ausgerichtet, dass nur eine Wellenlänge oder ein enger Wellenlängenbereich in jedes Memristorelement MR1...MR4 eintritt. Alternativ können, sobald das Licht durch das Beugungsgitter aufgespalten worden ist, auch Wellenleiter verwendet werden, um das aufgespaltene Licht in jedes Memristorelement MR1...MR4 zu führen. In dem dargestellten Beispiel überträgt die optische Separationsvorrichtung 306 nur eine Wellenlänge zu jedem Memristorelement MR1...MR4. In weiteren Beispielen können jedoch mehr als eine Wellenlänge oder ein schmaler Wellenlängenbereich übertragen werden.
  • Um das Memristor-Array 302 zu kalibrieren, um das gewünschte Transmissions-/Reflexions-/Absorptionsmuster zu erhalten, wird ein optisches Detektor-Array 308 verwendet, das die Detektoren D1–D4 aufweist. In diesem Beispiel besteht jedes Memristorelement MR1...MR4 aus einem einzelnen Memristorpixel und daher beinhaltet das Detektor-Array 308 eine passende Anzahl von Detektoren. Wie in 3A gezeigt, wird während der Kalibrierung die Verarbeitungsschaltung 314 mit dem Memristorelement-Array 302 gekoppelt, um jedes Memristorelement MR1...MR4 zu programmieren. Im hier verwendeten Sinne ist Kalibrierung der Prozess, der durchgeführt wird, um die optische Antwort (Ausgangslichtintensität) jedes Memristorelements zu finden. Bei diesem Prozess wird beispielsweise ein Bereich von Spannungen an das Memristorelement angelegt und die Ausgangslichtintensität gemessen, wie in 2 gezeigt. Sobald die optische Antwort bestimmt worden ist, kann die optische Antwort dann beispielsweise unter Verwendung eines programmierbaren Mikrochips eines Logik-Arrays (dargestellt durch die Verarbeitungsschaltung 314) programmiert werden.
  • 3B ist eine auseinandergezogene Schnittansicht des Memristorelement-Arrays 302. Im Gegensatz zu dem Memristorelement 100, das parallel zu der elektromagnetischen Strahlung 20 angeordnet ist (sodass sich die Strahlung 20 durch die Schicht 16 entlang ihrer Achse bewegt), ist das Memristorelement-Array 302 senkrecht zur Komponentenwellenlänge 310 CW angeordnet. Alternativ gibt es eine Vielfalt von Möglichkeiten, um ein Memristorelement abzuscheiden, ohne vom Schutzbereich dieser Offenbarung abzuweichen. Nichtsdestoweniger sind, wie zuvor beschrieben, der/die Kontakt(e) 14 und die Metallschicht 18 jedes Memristorelements MR1...MR4 über die Leitungen 316 1–316 4 mit einem ein elektromagnetisches Feld erzeugenden Element (nicht gezeigt) kommunikativ gekoppelt. In weiteren Beispielen kann jedoch das ein elektromagnetisches Feld erzeugende Element über drahtlose Mittel kommunikativ gekoppelt sein. Nichtsdestoweniger sind in diesem Beispiel die Drahtleitungen 316 1–316 4 mit einer Spannungsquelle, die als das ein elektromagnetisches Feld erzeugende Element wirkt, sowie einer Verarbeitungsschaltung 314 kommunikativ gekoppelt.
  • Unter Bezugnahme auf 3B interagiert die Komponentenwellenlänge 310 CW der elektromagnetischen Strahlung optisch mit der defektreichen Halbleiterschicht 16, um die Kalibrierung des Memristor-Arrays 302 durchzuführen. Die Schicht 16 wirkt als ein Wellenleiter, der das Licht dämpft, während es durch ihn hindurchgeht, wodurch ein optisch interagiertes Licht 312 erzeugt wird. In diesem Beispiel wird eine Spannungsquelle als das ein elektromagnetisches Feld erzeugende Element verwendet, wie zuvor beschrieben. Wenn also eine Spannung über der defektreichen Halbleiterschicht 16 angelegt wird, diffundieren Metallionen in die Schicht-16-Schicht, wodurch das Halbleitermaterial in der Schicht 16 spektral verändert wird. Die Anzahl der Metallionen aus der Metallschicht 18, die in die Halbleiterschicht 16 diffundieren, nimmt mit einer Zunahme des Energiepegels der elektromagnetischen Welle(n) zu, was zu einer Verringerung der elektromagnetischen Strahlung führt, die durch die Schicht 16 hindurchgeht. Die Menge der elektromagnetischen Strahlung 20, die durch die Halbleiterschicht 16 hindurchgeht, nimmt mit einer Abnahme des Energiepegels der elektromagnetischen Welle(n) zu. Der Detektor (nicht gezeigt) wird verwendet, um die optische Antwort (Ausgangslichtintensität) zu messen, die aus dem Memristorelement-Array 302 herauskommt, die dann verwendet wird, um das Array 302 unter Verwendung der Verarbeitungsschaltung 314 zu programmieren.
  • Wiederum tritt dieses Phänomen aufgrund von Streuungs- und Absorptionseffekten auf, die durch die in die Halbleiterschicht 16 diffundierten Metallionen hervorgerufen werden. Durch Verwendung der Hysteresekurve (z.B. 2) kann die prozentuale Transmission von Licht durch die defektreiche Halbleiterschicht 16 gesteuert werden. Sobald die Spannung/optische Transmission-Beziehung über alle Wellenlängen für das Memristorelement-Array 302 bekannt ist, kann das Array 302 „programmiert“ werden, um eine beliebige Transmissions-/Reflexions-/Absorptionsfunktion zu erreichen. Ein solches Verfahren kann auch für jedes andere ein elektromagnetisches Feld erzeugende Element, das verwendet wird, verwendet werden.
  • Jedes Memristorelement MR1...MR4 ist in einer Reihenfolge angeordnet, die die gewünschte Anwendung erfordert. Zum Beispiel weist dieses spezielle Beispiel 4 Memristorpixel MR1...MR4 auf. Dies kann jedoch auf ein „n × n“-Pixel-Array erweitert werden. Darüber hinaus kann sich die Anzahl der Pixel in horizontaler und vertikaler Richtung mit der Anwendung ebenfalls ändern.
  • Wenn das Memristorelement-Array 302 in einer gewünschten Anwendung eingesetzt wird, kann jedes Memristorelement MR1...MR4 über Leitungen 316 oder drahtlose Mittel mit seinem eigenen ein elektromagnetisches Feld erzeugenden Element kommunikativ gekoppelt sein. In bestimmten beispielhaften Ausführungsformen kann jedes ein elektromagnetisches Feld erzeugende Element (gekoppelt mit der Verarbeitungsschaltung 314) programmiert werden, um elektromagnetische Felder zu erzeugen, die unterschiedliche Energiepegel aufweisen, wodurch die Möglichkeit bereitgestellt wird, die Halbleiterschicht 16 jedes Memristorelements wie gewünscht zu verändern. Als Ergebnis kann jedes Memristorelement MR1...MR4 eine andere spektrale Eigenschaft aufweisen.
  • 4 ist eine Blockdiagrammdarstellung eines Memristorelement-Arrays zur Verwendung in einer optischen Rechenvorrichtung, gemäß einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung. In diesem Beispiel beinhaltet das Memristorelement-Array 400 die Memristorelemente MR1...MR4, die in Reihe angeordnet oder gefertigt sind, sodass das Array 400 einen herkömmlichen Dünnfilmstapel emuliert, der aus alternierenden Materialien mit hohem und niedrigem Index besteht. In diesem Fall wird jedes Memristorelement MR1...MR4 unter Verwendung einer Metallschicht 18, einer defektreichen Halbleiterschicht 16, Leitungen 416 1–416 4 und der reinen Halbleiterschicht 12 gefertigt, wobei jedes Memristorelement MR1...MR4 durch eine dielektrische Schicht 10 getrennt ist. Jedes Memristorelement MR1...MR4 enthält die Leitungen 316 1–316 4, wie zuvor beschrieben, die mit einem ein elektromagnetisches Feld erzeugenden Element (nicht gezeigt) kommunikativ gekoppelt sind.
  • In diesem Beispiel wird eine Spannungsquelle als das ein elektromagnetisches Feld erzeugende Element verwendet. Wenn die elektromagnetische Breitbandstrahlung 410 sequentiell durch jedes Memristorelement MR1...MR4 hindurchgeht, interagiert die Strahlung 410 optisch mit jedem, um das optisch interagierte Licht 412 zu erzeugen. Wenn also eine veränderliche Spannung über jedem Memristorelement MR1...MR4 angelegt wird, treten die Ionen von der Metallschicht 18 in die defektreiche Halbleiterschicht 16 ein, wodurch der Brechungsindex der defektreichen Halbleiterschichten 16 effektiv verringert und/oder erhöht wird. Dies schafft ein Szenario eines Materials mit hohem Index, gefolgt von einem Material mit niedrigem Index, das einem herkömmlichen Dünnfilmdesign ähnlich ist.
  • Die Anzahl an Ionen, die in die defektreiche Halbleiterschicht 16 diffundieren, wird durch die Spannung-Strom-Hysteresekurve für das Memristorelement geregelt, wie zuvor beschrieben. Darüber hinaus kann jedes Memristorelement MR1...MR4 ebenso wie bei früheren Ausführungsformen mit einem ein elektromagnetisches Feld erzeugenden Element kommunikativ gekoppelt sein, um dadurch das spektral veränderbare Material der Schicht 16 zu verändern.
  • Nachdem nun die grundlegenden Prinzipien der vorliegenden Offenbarung oben bereitgestellt worden sind, werden nun beispielhafte optische Rechenvorrichtungen beschrieben. In der am meisten bevorzugten Ausführungsform setzen die hier beschriebenen optischen Rechenvorrichtungen ein oder mehrere Memristorelemente ein, um die Charakteristiken einer Probe zu bestimmen. Wie zuvor beschrieben, sind das oder die Memristorelemente so konfiguriert, dass sie einen Eingang elektromagnetischer Strahlung von einer Substanz oder Probe der Substanz empfangen und einen Ausgang elektromagnetischer Strahlung erzeugen, der einer Charakteristik der Probe entspricht. Wenn elektromagnetische Strahlung mit einer Substanz interagiert, werden einzigartige physikalische und chemische Informationen über die Substanz in der elektromagnetischen Strahlung codiert, die von der Probe reflektiert, durch diese transmittiert oder von dieser abgestrahlt wird. Somit ist die optische Rechenvorrichtung durch die Verwendung des oder der Memristorelemente in der Lage, die Informationen von einer oder mehreren Charakteristiken/Eigenschaften oder Analyten innerhalb einer Probe zu extrahieren und diese Informationen in einen erfassbaren Ausgang in Bezug auf die Gesamteigenschaften einer Probe zu konvertieren.
  • Die hier beschriebenen optischen Rechenvorrichtungen können in einer Vielfalt von Umgebungen eingesetzt werden. Solche Umgebungen können beispielsweise Bohrloch- oder Komplettierungsanwendungen beinhalten. Weitere Umgebungen können solche beinhalten, die so verschieden sind wie diejenigen, die mit Oberflächen- und Unterwasserüberwachung, Satelliten- oder Drohnenbeobachtung, Pipelineüberwachung oder sogar Sensoren, die eine Körperhöhle wie einen Verdauungstrakt durchlaufen, assoziiert sind. Innerhalb dieser Umgebungen werden die optischen Rechenvorrichtungen eingesetzt, um Probencharakteristiken in Echtzeit zu erfassen/überwachen.
  • Obwohl die hier beschriebenen optischen Rechenvorrichtungen in einer Vielfalt von Umgebungen eingesetzt werden können, konzentriert sich die folgende Beschreibung auf Bohrlochanwendungen. 5 stellt eine Vielzahl spektral programmierbarer optischer Rechenvorrichtungen 522 dar, die entlang eines Arbeitsstrangs 521 positioniert sind, der sich entlang eines Bohrlochsystems 500 erstreckt, gemäß bestimmten beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung. Der Arbeitsstrang 521 kann beispielsweise eine Vermessungsbaugruppe, ein Förderstrang oder eine Bohrbaugruppe sein (z.B. Vermessen während des Bohrens („Logging While Drilling, LWD“), Messen während des Bohrens („Measurement While Drilling, MWD“) usw.). Alternativ können die optischen Rechenvorrichtungen 522 auch in einer Wireline-Anwendung eingesetzt werden. Nichtsdestoweniger umfasst das Bohrlochsystem 500 eine vertikale Bohrung 512, die sich in eine Kohlenwasserstoffformation 514 hinein erstreckt (obwohl nicht dargestellt, kann die Bohrung 512 auch einen oder mehrere Seitenabschnitte umfassen). Die Bohrausrüstung 520 ist oben auf der vertikalen Bohrung 512 positioniert, wie es sich in der Technik versteht. Die Bohrausrüstung kann beispielsweise ein Blowout-Preventer, ein Derrick, eine schwimmende Plattform usw. sein. Wie es sich in der Technik versteht, werden nach der Bildung der vertikalen Bohrung 512 Rohrelemente 516 (beispielsweise Verrohrung) darin ausgebreitet, um die Bohrung 512 zu vervollständigen.
  • Eine oder mehrere spektral programmierbare optische Rechenvorrichtungen 522 können entlang der Bohrung 512 an einer beliebigen gewünschten Stelle positioniert sein. In bestimmten Ausführungsformen sind die optischen Rechenvorrichtungen 522 entlang der Innen- oder Außenflächen des Bohrlochwerkzeugs 518 (wie in 5 gezeigt) positioniert, wobei es sich beispielsweise um Eingriffsausrüstung, Vermessungsausrüstung oder Komplettierungsausrüstung handeln kann, darunter Ventile, Packer, Siebe, Dorne, Lehrdorne, neben Verrohrung oder Rohrelementen/Verbindungen. Alternativ können die optischen Rechenvorrichtungen 522 jedoch dauerhaft oder lösbar an den Rohrelementen 516 angebracht sein und über die gesamte Bohrung 512 in jenen Bereichen verteilt sein, in denen eine Probenevaluierung gewünscht ist. Die optischen Rechenvorrichtungen 522 können mit einer entfernten Stromversorgung (beispielsweise angeordnet an der Oberfläche, oder einen Stromgenerator, der untertage entlang der Bohrung angeordnet ist) gekoppelt sein, während in weiteren Ausführungsformen jede optische Rechenvorrichtung 522 eine eingebaute Batterie umfasst. Darüber hinaus sind die optischen Rechenvorrichtungen 522 über eine Kommunikationsverbindung 26, wie beispielsweise eine Wireline, induktive Kopplung oder eine andere geeignete Kommunikationsverbindung, mit einer CPU-Station 524 kommunikativ gekoppelt. Die Anzahl und Position der optischen Rechenvorrichtungen 522 können wie gewünscht verändert werden.
  • Jede optische Rechenvorrichtung 522 umfasst ein oder mehrere Memristorelemente, die mit einer Probe von Interesse (Bohrlochfluid, Bohrlochwerkzeugkomponente, Rohrelement, Formation) optisch interagieren, um eine Probencharakteristik zu bestimmen. In bestimmten beispielhaften Ausführungsformen können die optischen Rechenvorrichtungen 522 zur Erfassung der Probencharakteristiken sowie zur Formationsevaluierung dediziert sein. Die optischen Rechenvorrichtungen 522 können auch das Vorhandensein und die Menge spezifischer anorganischer Gase wie z.B. CO2 und H2S, organischer Gase wie Methan (C1), Ethan (C2) und Propan (C3) und Salzwasser zusätzlich zu gelösten Ionen (beispielsweise Ba, Cl, Na, Fe oder Sr) oder verschiedenen anderen Eigenschaften (pH, Dichte und spezifisches Gewicht, Viskosität, Gesamtmenge der gelösten Feststoffe, Sandgehalt usw.) bestimmen. Weiterhin kann auch das Vorhandensein von Formationscharakteristikdaten (Porosität, chemische Zusammensetzung der Formation usw.) bestimmt werden. In bestimmten Ausführungsformen kann eine einzelne optische Rechenvorrichtung 522 eine einzelne Charakteristik erfassen, während in anderen eine einzige optische Rechenvorrichtung 522 mehrere Charakteristiken bestimmen kann.
  • Die CPU-Station 524 umfasst einen Signalprozessor (nicht gezeigt), ein Kommunikationsmodul (nicht gezeigt) und weitere Schaltungen, die zum Erfüllen der Aufgaben der vorliegenden Offenbarung erforderlich sind. Außerdem ist ersichtlich, dass die Softwareanweisungen, die zum Erfüllen der Aufgaben der vorliegenden Offenbarung erforderlich sind, in einem Speicher, der sich in der CPU-Station 524 befindet, gespeichert sein oder von einer CD-ROM oder einem anderen geeigneten Speichermedium über drahtgebundene oder drahtlose Verfahren in den Speicher geladen werden können. Die Kommunikationsverbindung 526 stellt ein Kommunikationsmedium zwischen der CPU-Station 524 und den optischen Rechenvorrichtungen 522 bereit. Die Kommunikationsverbindung 526 kann eine drahtgebundene Verbindung wie beispielsweise eine Wireline oder ein Faseroptikkabel sein, die bzw. das sich in die vertikale Bohrung 512 erstreckt. Alternativ kann die Kommunikationsverbindung 526 jedoch eine drahtlose Verbindung sein, wie beispielsweise eine elektromagnetische Vorrichtung mit geeigneter Frequenz, oder andere Verfahren, darunter akustische Kommunikations- und ähnliche Vorrichtungen.
  • In bestimmten beispielhaften Ausführungsformen steuert die CPU-Station 524 über ihren Signalprozessor den Betrieb der einzelnen optischen Rechenvorrichtungen 522. Neben Messvorgängen kann die CPU-Station 524 auch die Aktivierung und Deaktivierung der optischen Rechenvorrichtungen 522 steuern. Die optischen Rechenvorrichtungen 522 beinhalten jeweils einen Sender und einen Empfänger (beispielsweise Transceiver) (nicht gezeigt), der eine bidirektionale Kommunikation über die Kommunikationsverbindung 526 in Echtzeit ermöglicht. In bestimmten beispielhaften Ausführungsformen übertragen die optischen Rechenvorrichtungen 522 alle Probencharakteristikdaten oder einen Teil davon zur weiteren Analyse an die CPU-Station 524. In weiteren Ausführungsformen wird dagegen eine solche Analyse vollständig von der jeweiligen optischen Rechenvorrichtung 522 übernommen, und die resultierenden Daten werden dann zur Speicherung oder anschließenden Analyse an die CPU-Station 524 übertragen. In beiden Ausführungsformen analysiert der Prozessor, der die Berechnungen übernimmt, die Charakteristikdaten und leitet mittels Zustandsgleichung („ZG”) oder anderen optischen Analysetechniken die von den übertragenen Daten angegebene Charakteristik her.
  • Immer noch unter Bezugnahme auf die beispielhafte Ausführungsform von 5 sind die optischen Rechenvorrichtungen 522 entlang des Arbeitsstrangs 521 an einer beliebigen gewünschten Stelle positioniert. In diesem Beispiel sind die optischen Rechenvorrichtungen 522 entlang des Außendurchmessers des Bohrlochwerkzeugs 518 positioniert. Die optischen Rechenvorrichtungen 522 weisen ein temperatur- und druckbeständiges Gehäuse auf, das ausreicht, um der rauen Bohrlochumgebung standzuhalten. Eine Vielfalt von Materialien kann für das Gehäuse eingesetzt werden, einschließlich beispielsweise rostfreier Stähle und deren Legierungen, Titan und anderer hochfester Metalle und sogar Kohlenstofffaser-Verbundwerkstoffe und Saphir- oder Diamantstrukturen, wie es sich in der Technik versteht. In bestimmten Ausführungsformen sind die optischen Rechenvorrichtungen 522 kuppelförmige Module (ähnlich einem Innenlicht eines Fahrzeugs), die unter Verwendung eines geeigneten Verfahrens (Schweißen, Magnete usw.) dauerhaft oder lösbar an einer Oberfläche angebracht werden können. Modulgehäuseformen können stark variieren, vorausgesetzt, sie isolieren Komponenten von der rauen Bohrlochumgebung, während sie nach wie vor einen unidirektionalen oder bidirektionalen Strahlengang (oder elektromagnetische Strahlung) von Sensor zu der Probe von Interesse ermöglichen. Abmessungen würden durch die konkreten Anwendungs- und Umgebungsbedingungen bestimmt.
  • Alternativ können die optischen Rechenvorrichtungen 522 einen Teil des Bohrlochwerkzeugs 518 (wie in 5 gezeigt) entlang seines Innendurchmessers (um beispielsweise das Vorhandensein von Fluiden, die durch das Werkzeug 518 strömen, zu erfassen) oder seines Außendurchmessers bilden (um beispielsweise das Vorhandensein von Fluiden, die durch den Ringraum zwischen dem Arbeitsstrang 521 und den Rohrelementen 516 strömen, oder Formationscharakteristikdaten zu erfassen). In weiteren Ausführungsformen, wie nachfolgend beschrieben, können die optischen Rechenvorrichtungen 522 mit dem Bohrlochwerkzeug 518 unter Verwendung eines ausfahrbaren Arms (beispielsweise eines einstellbaren Stabilisators, einer Verrohrungsschabe, eines Bohrlochtraktors) verbunden sein, um die optische Rechenvorrichtung 522 nahe an eine andere Oberfläche (Verrohrung, Werkzeugkörper, Formation usw.) auszufahren, um dadurch Probencharakteristiken zu erfassen. Wie zuvor beschrieben, können die optischen Rechenvorrichtungen 522 auch dauerhaft an dem Innendurchmesser des Rohrelements 516 durch Schweißen oder einen anderen geeigneten Prozess befestigt werden. In einer weiteren Ausführungsform sind die optischen Rechenvorrichtungen 522 jedoch lösbar an dem Innendurchmesser der Rohrelemente 516 unter Verwendung von Magneten oder physikalischen Strukturen befestigt, sodass die optischen Rechenvorrichtungen 522 periodisch für Instandhaltungszwecke oder Sonstiges entfernt werden können.
  • 6 ist ein Blockdiagramm einer spektral programmierbaren optischen Rechenvorrichtung 600, bei der ein Transmissionsmodus-Design eingesetzt wird, gemäß bestimmten beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung. Eine Quelle elektromagnetischer Strahlung 608 kann so konfiguriert sein, dass sie elektromagnetische Strahlung 610 emittiert oder in anderer Weise generiert. Wie es sich in der Technik versteht, kann es sich bei der Quelle elektromagnetischer Strahlung 608 um eine beliebige Vorrichtung handeln, die elektromagnetische Strahlung emittieren oder generieren kann. Beispielsweise kann die Quelle elektromagnetischer Strahlung 608 eine Glühbirne, eine Leuchtvorrichtung, ein Laser, ein Schwarzkörper, ein photonischer Kristall oder eine Röntgenquelle usw. sein. In einer Ausführungsform kann die elektromagnetische Strahlung 610 so konfiguriert sein, dass sie mit der Probe 606 (beispielsweise Bohrlochfluid, das durch das Bohrloch 512 strömt, oder einem Teil der Formation 514) optisch interagiert und ein zu einem Strahlteiler 602 gerichtetes probeninteragiertes Licht 612 generiert. Die Probe 606 kann ein beliebiges Fluid (flüssig oder gasförmig), eine beliebige feste Substanz oder ein beliebiges festes Material sein, wie etwa Bohrlochwerkzeugkomponenten, Rohrelemente, Felsformationen, Schlicker, Sande, Schlämme, Bohrklein, Beton, andere feste Oberflächen usw. In weiteren Ausführungsformen ist die Probe 606 jedoch ein mehrphasiges Bohrlochfluid (beispielsweise umfassend Öl, Gas, Wasser, Feststoffe), das aus einer Vielfalt von Fluidcharakteristiken besteht, wie beispielsweise C1–C4- und höhere Kohlenwasserstoffe, Gruppierungen solcher Elemente und Salzwasser. Wenn es sich bei der Probe jedoch um eine Bohrlochwerkzeugkomponente handeln würde, können die charakteristischen Daten physikalischen Defekten in der Oberfläche der Komponente entsprechen, wie beispielsweise Pitting.
  • Die Probe 606 kann an die optische Rechenvorrichtung 600 beispielsweise durch eine Leitung oder Probenzelle bereitgestellt werden, die die Probe 606 enthält, wodurch sie der elektromagnetischen Strahlung 610 ausgesetzt wird. Alternativ kann die optische Rechenvorrichtung 600 eine optische Konfiguration einsetzen, die aus einem internen reflektierenden Element besteht, welches das vorbeiströmende Bohrlochfluid analysiert oder welches die Oberfläche der Probe (beispielsweise die Oberfläche einer Formation) analysiert. Obwohl 6 zeigt, dass elektromagnetische Strahlung 610 durch die Probe 606 hindurchgeht oder darauf einfällt, um probeninteragiertes Licht 612 zu erzeugen (d.h. Transmissions- oder Fluoreszenzmodus), ist hier auch vorgesehen, dass die elektromagnetische Strahlung 610 von der Probe 606 reflektiert wird (d.h. Reflexionsmodus), wie etwa im Falle einer Probe 606, die durchscheinend, lichtundurchlässig oder massiv ist, wodurch gleichermaßen probeninteragiertes Licht 612 erzeugt wird.
  • Nach einer Beleuchtung mit der elektromagnetischen Strahlung 610 erzeugt die Probe 606, die einen Analyten von Interesse enthält (beispielsweise eine Charakteristik der Probe), einen Ausgang elektromagnetischer Strahlung (beispielsweise probeninteragiertes Licht 612). Letztlich analysiert die CPU-Station 524 (oder ein in Vorrichtung 600 eingebauter Prozessor) diese Spektralinformationen, um eine oder mehrere Probencharakteristiken zu bestimmen. Obwohl nicht speziell gezeigt, können ein oder mehrere Spektralelemente in der optischen Rechenvorrichtung 600 eingesetzt werden, um die optischen Wellenlängen und/oder Bandbreiten des Systems einzuschränken und dadurch unerwünschte elektromagnetische Strahlung, die in Wellenlängenbereichen existiert, die keine Bedeutung haben, zu eliminieren. Wie der Durchschnittsfachmann auf dem Gebiet mit dem Vorteil dieser Offenbarung versteht, können sich solche Spektralelemente irgendwo entlang des Strahlengangs befinden, werden aber typischerweise direkt nach der Lichtquelle eingesetzt, die die anfängliche elektromagnetische Strahlung bereitstellt.
  • Immer noch unter Bezugnahme auf die beispielhafte Ausführungsform von 6 wird der Strahlteiler 602 eingesetzt, um das probeninteragierte Licht 612 in eine transmittierte elektromagnetische Strahlung 614 und eine reflektierte elektromagnetische Strahlung 620 zu zerlegen. Die transmittierte elektromagnetische Strahlung 614 wird dann auf das Memristorelement 604 gerichtet. Das Memristorelement 604 kann irgendeines der hier beschriebenen Memristorelemente sein, wobei das Memristorelement so konfiguriert worden ist, dass es mit einer bestimmten Charakteristik der Probe 606 assoziiert ist oder so ausgelegt sein kann, dass es den Regressionsvektor der Charakteristik in einer gewünschten Weise annähert oder nachahmt.
  • Das Memristorelement 604 ist über Drahtleitungen 626 mit einem ein elektromagnetisches Feld erzeugenden Element 606 kommunikativ gekoppelt. Obwohl als ein einziges ein elektromagnetisches Feld erzeugendes Element gezeigt, kann es aus mehreren ein elektromagnetisches Feld erzeugenden Elementen bestehen, wenn das Memristorelement 604 eine Vielzahl von Pixeln beinhaltet oder ein Array ist. In solchen Ausführungsformen kann jedes Memristorelement in dem Array seine eigenen dedizierten Drahtleitungen oder einen anderen geeigneten Kopplungsmechanismus aufweisen. Alternativ kann das ein elektromagnetisches Feld erzeugende Element 606 über drahtlose Mittel mit dem Memristorelement 604 kommunikativ gekoppelt sein. Das ein elektromagnetisches Feld erzeugende Element 606 kann eine Vielfalt von Vorrichtungen sein, wie beispielsweise eine Stromquelle, eine Spannungsquelle, eine elektromagnetische Quelle, eine magnetische Quelle, eine thermische Quelle oder eine ionische Quelle. Beispielsweise kann das ein elektromagnetisches Feld erzeugende Element 606 eine Quelle eines elektromagnetischen Felds sein, die eine elektromagnetische Welle erzeugt und sie in Richtung des Memristorelements 604 emittiert. Die elektromagnetische Welle induziert wiederum einen Strom über dem Memristorelement 604, der die spektralen Eigenschaften der defektreichen Halbleiterschicht verändert, wie hier beschrieben.
  • Unter weiterer Bezugnahme auf 6 beinhaltet die spektral programmierbare optische Rechenvorrichtung 600 auch ein Energieverwaltungsmodul 630, das über die Verbindung 632 mit dem ein elektromagnetisches Feld erzeugenden Element 606 kommunikativ gekoppelt ist, um dadurch den Energieausgang des ein elektromagnetisches Feld erzeugenden Elements 606 an das Memristorelement 604 zu steuern. In bestimmten beispielhaften Ausführungsformen ist das Energieverwaltungsmodul 630 ein vorprogrammierter Energieverwaltungs-Chip, der die Spannung über jedem Memristorelement (wenn ein Memristor-Array verwendet wird) steuert, um dadurch die gewünschte(n) Transmissionsfunktion(en) zu erreichen. In derartigen Ausführungsformen beinhaltet das Energieverwaltungsmodul eine Verarbeitungsschaltung, die den Betrieb des ein elektromagnetisches Feld erzeugenden Elements 606 steuert, um dadurch jedes Memristorelement mit der erforderlichen Spannung (oder einem anderen Elektromagnetismus) zu versorgen, um die Ausgangsfunktion zu beeinflussen. Das Energieverwaltungsmodul kann in der CPU-Station 524 enthalten sein, oder es kann sein eigenes eigenständiges Modul sein, das in Vorrichtung 600 eingebaut ist.
  • Sobald der spektrale Ausgang des Memristorelements 604 durch das Energieverwaltungsmodul 606 programmiert worden ist, interagiert die transmittierte elektromagnetische Strahlung 614 optisch mit dem Memristorelement 604, um ein optisch interagiertes Licht 622 zu erzeugen. Bei dieser Ausführungsform wird das optisch interagierte Licht 622, das mit der Charakteristik oder dem Analyten von Interesse assoziiert ist, an den Detektor 616 zur Analyse und Quantifizierung übertragen. Der Detektor 616 kann eine beliebige Vorrichtung sein, die elektromagnetische Strahlung erfassen kann, und kann allgemein als ein optischer Wandler charakterisiert werden. Bei Detektor 616 kann es sich um einen thermischen Detektor, wie einen Thermopile- oder photoakustischen Detektor, einen Halbleiterdetektor, einen piezoelektrischen Detektor, einen ladungsgekoppelten Detektor, einen Video- oder Array-Detektor, einen Spaltdetektor, einen Photonendetektor (wie eine Photovervielfacherröhre), Photodioden, beliebige Arrays und/oder Kombinationen davon oder dergleichen oder andere Detektoren handeln, die dem Durchschnittsfachmann auf dem Gebiet bekannt sind, ohne darauf beschränkt zu sein. Der Detektor 616 ist ferner so konfiguriert, dass er ein Ausgangssignal 628 in Form einer Spannung erzeugt, das der Charakteristik der Probe 606 entspricht. In mindestens einer Ausführungsform können das von dem Detektor 616 erzeugte Ausgangssignal 628 und die charakteristische Konzentration der Probe 606 direkt proportional sein. In weiteren Ausführungsformen kann die Beziehung eine Polynomfunktion, eine Exponentialfunktion und/oder eine logarithmische Funktion sein.
  • Die optische Rechenvorrichtung 600 beinhaltet einen zweiten Detektor 618, der angeordnet ist, um reflektierte elektromagnetische Strahlung zu empfangen und zu erfassen und ein Normierungssignal 624 auszugeben. Wie es sich in der Technik versteht, kann die reflektierte elektromagnetische Strahlung 620 eine Vielfalt von Strahlungsabweichungen beinhalten, die von der Quelle elektromagnetischer Strahlung 608 herrühren, wie beispielsweise Intensitätsfluktuationen bei der elektromagnetischen Strahlung, Interferentenfluktuationen (z.B. Staub oder andere Interferenten, die vor der Quelle elektromagnetischer Strahlung vorbeiziehen), Kombinationen davon oder dergleichen. Somit erfasst der zweite Detektor 618 auch solche Strahlungsabweichungen. In einer alternativen Ausführungsform kann der zweite Detektor 618 so angeordnet sein, dass er einen Teil des probeninteragierten Lichts 612 anstelle der reflektierten elektromagnetischen Strahlung 620 empfängt und dadurch elektromagnetische Strahlungsabweichungen kompensiert, die von der Quelle elektromagnetischer Strahlung 608 stammen. In weiteren Ausführungsformen kann der zweite Detektor 618 so angeordnet sein, dass er einen Teil der elektromagnetischen Strahlung 610 anstelle der reflektierten elektromagnetischen Strahlung 620 empfängt und dadurch ebenfalls elektromagnetische Strahlungsabweichungen kompensiert, die von der Quelle elektromagnetischer Strahlung 608 herrühren. Jede Vielfalt von Designänderungen kann in Verbindung mit der vorliegenden Offenbarung eingesetzt werden.
  • Obwohl in 6 nicht gezeigt, können in bestimmten beispielhaften Ausführungsformen der Detektor 616 und der zweite Detektor 618 mit dem Energieverwaltungsmodul 630 oder einem anderen Signalprozessor, der in die Rechenvorrichtung 200 eingebaut ist, kommunikativ gekoppelt sein, sodass ein Normierungssignal 624 bereitgestellt oder anderweitig dorthin übertragen werden kann, das elektromagnetische Strahlungsabweichungen anzeigt. Der Signalprozessor kann dann so konfiguriert sein, dass er das Normierungssignal 624 mit dem Ausgangssignal 628 rechnerisch kombiniert, um eine genauere Bestimmung der Charakteristik der Probe 606 bereitzustellen. In weiteren Ausführungsformen, die nur einen Detektor einsetzen, würde der Signalprozessor mit dem einen Detektor gekoppelt sein. Nichtsdestoweniger kombiniert der Signalprozessor in der Ausführungsform von 6 beispielsweise das Normierungssignal 624 mit dem Ausgangssignal 628 über Hauptkomponentenanalysetechniken, wie beispielsweise standardmäßige partielle kleinste Quadrate, die in den meisten statistischen Analyse-Softwarepaketen zur Verfügung stehen (z.B. XL Stat für MICROSOFT® EXCEL®; UNSCRAMBLER® von CAMO Software und MATLAB® von MATHWORKS®). Danach werden die resultierenden Daten dann über die Kommunikationsverbindung 526 für weitere Vorgänge an die CPU-Station 524 übertragen.
  • Durchschnittsfachleute auf dem Gebiet mit dem Vorteil dieser Offenbarung verstehen, dass die vorstehend erwähnte optische Rechenvorrichtung in ihrer Art beispielhaft ist und es eine Vielfalt weiterer optischer Konfigurationen gibt, die eingesetzt werden können. Diese optischen Konfigurationen beinhalten nicht nur die hier beschriebenen Reflexions-, Absorptions- oder Transmissionsverfahren, sondern können auch Streuung (beispielsweise Raleigh und Raman) sowie Emission (beispielsweise Fluoreszenz, Röntgenanregung usw.) beinhalten. Zusätzlich können die optischen Rechenvorrichtungen eine Parallelverarbeitungskonfiguration umfassen, wobei das probeninteragierte Licht in mehrere Strahlen zerlegt wird. Die mehreren Strahlen können dann gleichzeitig durch entsprechende Memristorelemente hindurchgehen, wobei mehrere Charakteristiken und/oder Analyten von Interesse gleichzeitig erfasst werden.
  • Die Parallelverarbeitungskonfiguration ist besonders nützlich bei Anwendungen, die extrem niedrige Energie oder keine beweglichen Teile erfordern. In einer weiteren alternativen Ausführungsform können verschiedene Memristorelemente in einer einzelnen optischen Rechenvorrichtung in Reihe geschaltet werden. Diese Ausführungsform ist besonders dann nützlich, wenn es erforderlich ist, die Konzentrationen der Analyten an verschiedenen Stellen zu messen (beispielsweise in jedem einzelnen Mischrohr). Es ist manchmal auch hilfreich, wenn jedes der Memristorelemente zwei wesentlich unterschiedliche Lichtquellen (beispielsweise UV und IR) verwendet, um die optische Aktivität aller Charakteristiken oder Analyten von Interesse abzudecken (d.h. einige Analyten könnten nur UV-aktiv sein, während andere IR-aktiv sind). Nichtsdestoweniger hängt die Wahl einer spezifischen optischen Konfiguration hauptsächlich von der konkreten Anwendung und den Analyten von Interesse ab.
  • Darüber hinaus können die in bestimmten Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung eingesetzten Memristorelemente nicht auf Halbleiter basieren. Beispielsweise können auch kunststoffbasierte Memristorelemente oder graphenbasierte Elemente eingesetzt werden.
  • Die hier beschriebenen Ausführungsformen beziehen sich jeweils auf einen oder mehrere der folgenden Absätze:
    • 1. Eine spektral programmierbare optische Rechenvorrichtung, umfassend: elektromagnetische Strahlung, die mit einer Probe optisch interagiert, um probeninteragiertes Licht zu erzeugen; ein Memristorelement, das spektral veränderbares Material umfasst, wobei das Memristorelement so positioniert ist, dass es mit dem probeninteragierten Licht optisch interagiert, um optisch interagiertes Licht zu erzeugen, das einem Charakteristikum der Probe entspricht; ein über dem Memristorelement erzeugtes elektromagnetisches Feld, um das spektral veränderbare Material zu verändern, wodurch eine spektrale Eigenschaft der elektromagnetischen Strahlung verändert wird, um das optisch interagierte Licht zu erzeugen; und einen Detektor, positioniert, um das optisch interagierte Licht zu messen und ein Signal zu erzeugen, wobei das Signal eingesetzt wird, um die Charakteristik der Probe zu bestimmen.
    • 2. Eine optische Rechenvorrichtung nach Absatz 1, ferner umfassend ein ein elektromagnetisches Feld erzeugendes Element, das mit dem Memristorelement kommunikativ gekoppelt ist, um das elektromagnetische Feld über dem Memristorelement zu erzeugen.
    • 3. Eine optische Rechenvorrichtung nach Absätzen 1 oder 2, wobei das ein elektromagnetisches Feld erzeugende Element eine Stromquelle, eine Spannungsquelle, eine elektromagnetische Quelle, eine magnetische Quelle, eine thermische Quelle oder eine ionische Quelle ist.
    • 4. Eine optische Rechenvorrichtung nach einem der Absätze 1–3, ferner umfassend ein Energieverwaltungsmodul, das mit dem ein elektromagnetisches Feld erzeugenden Element kommunikativ gekoppelt ist, um dadurch unterschiedliche Energiepegel zu erzeugen.
    • 5. Eine optische Rechenvorrichtung nach einem der Absätze 1–4, wobei das Memristorelement ein oder mehrere Memristorpixel umfasst.
    • 6. Eine optische Rechenvorrichtung nach einem der Absätze 1–5, wobei das Memristorelement ein Memristorelement-Array ist, das eine Vielzahl von Memristorelementen umfasst.
    • 7. Eine optische Rechenvorrichtung nach einem der Absätze 1–6, wobei jedes Memristorelement mit einem ein elektromagnetisches Feld erzeugenden Element kommunikativ gekoppelt ist, um dadurch das elektromagnetische Feld über jedem Memristorelement zu erzeugen.
    • 8. Eine optische Rechenvorrichtung nach einem der Absätze 1–7, wobei jedes Memristorelement eine andere spektrale Eigenschaft umfasst, die durch das darüber angelegte elektromagnetische Feld erzeugt wird.
    • 9. Eine optische Rechenvorrichtung nach einem der Absätze 1–8, ferner umfassend: eine Quelle elektromagnetischer Strahlung zum Generieren der elektromagnetischen Strahlung; und ein optisches Separationselement, das positioniert ist, um die elektromagnetische Strahlung in Komponentenwellenlängen zu separieren und die Komponentenwellenlängen zu einem entsprechenden Memristorelement zu leiten.
    • 10. Eine optische Rechenvorrichtung nach einem der Absätze 1–9, wobei das optische Separationselement ein Beugungselement oder ein spektrales Zerlegungselement ist.
    • 11. Eine optische Rechenvorrichtung nach einem der Absätze 1–10, wobei jedes Memristorelement in dem Memristor-Array einer unterschiedlichen Komponentenwellenlänge der elektromagnetischen Strahlung entspricht.
    • 12. Eine optische Rechenvorrichtung nach einem der Absätze 1–11, wobei das Memristorelement ein Memristorelement-Array ist, das eine Vielzahl von Memristorelementen umfasst, die so positioniert ist, dass sie mit der elektromagnetischen Strahlung sequentiell optisch interagiert.
    • 13. Eine optische Rechenvorrichtung nach einem der Absätze 1–12, wobei jedes Memristorelement mit einem ein elektromagnetisches Feld erzeugenden Element kommunikativ gekoppelt ist, um dadurch das elektromagnetische Feld über jedem Memristorelement des Memristorelement-Arrays zu erzeugen.
    • 14. Eine optische Rechenvorrichtung nach einem der Absätze 1–13, wobei jedes Memristorelement des Memristorelement-Arrays eine andere spektrale Eigenschaft umfasst, die durch das elektromagnetische Feld erzeugt wird.
    • 15. Eine optische Rechenvorrichtung nach einem der Absätze 1–14, ferner umfassend einen Signalprozessor, der mit dem Detektor kommunikativ gekoppelt ist, um die Charakteristik der Probe rechnerisch zu bestimmen.
    • 16. Eine optische Rechenvorrichtung nach einem der Absätze 1–15, wobei die optische Rechenvorrichtung einen Teil einer Lagerstättenentschlüsselungsvorrichtung umfasst.
    • 17. Ein optisches Rechenverfahren, umfassend: optisches Interagieren elektromagnetischer Strahlung mit einer Probe, um probeninteragiertes Licht zu erzeugen; Anlegen eines elektromagnetischen Feldes über einem Memristorelement, das spektral veränderbares Material umfasst, wodurch das spektral veränderbare Material verändert wird; optisches Interagieren des probeninteragierten Lichts mit dem Memristorelement, um optisch interagiertes Licht zu erzeugen, das einer Charakteristik der Probe entspricht; Erfassen des optisch interagierten Lichts und dadurch Erzeugen eines Signals, das dem optisch interagierten Licht entspricht; und Bestimmen der Charakteristik der Probe unter Verwendung des Signals.
    • 18. Ein optisches Rechenverfahren nach Absatz 17, wobei ein ein elektromagnetisches Feld erzeugendes Element eingesetzt wird, um das elektromagnetische Feld zu generieren, das über dem Memristorelement angelegt wird.
    • 19. Ein optisches Rechenverfahren nach Absätzen 17 oder 18, wobei das ein elektromagnetisches Feld erzeugende Element eine Stromquelle, eine Spannungsquelle, eine elektromagnetische Quelle, eine magnetische Quelle, eine thermische Quelle oder eine ionische Quelle ist.
    • 20. Ein optisches Rechenverfahren nach einem der Absätze 17–19, ferner umfassend Einsetzen eines Energieverwaltungsmoduls, um unterschiedliche Energiepegel von elektromagnetischen Feldern zu erzeugen.
    • 21. Ein optisches Rechenverfahren nach einem der Absätze 17–20, wobei: das Memristorelement ein Memristorelement-Array ist, das eine Vielzahl von Memristorelementen umfasst, wobei jedes Memristorelement mit einem ein elektromagnetisches Feld erzeugenden Element kommunikativ gekoppelt ist; und das Verfahren ferner Verwenden der ein elektromagnetisches Feld erzeugenden Elemente umfasst, um ein elektromagnetisches Feld über jedem Memristorelement zu erzeugen.
    • 22. Ein optisches Rechenverfahren nach einem der Absätze 17–21, ferner umfassend Verändern einer spektralen Eigenschaft jedes Memristorelements, so dass jede spektrale Eigenschaft unterschiedlich ist.
    • 23. Ein optisches Rechenverfahren nach Absätzen 17–22, ferner umfassend: Separieren der elektromagnetischen Strahlung in Komponentenwellenlängen; und Leiten der Komponentenwellenlängen zu einem entsprechenden Memristorelement.
    • 24. Ein optisches Rechenverfahren nach einem der Absätze 17–23, wobei: das Memristorelement ein Memristorelement-Array ist, das eine Vielzahl von Memristorelementen umfasst; und das Verfahren ferner sequentielles optisches Interagieren der elektromagnetischen Strahlung mit den Memristorelementen umfasst.
    • 25. Ein optisches Rechenverfahren nach einem der Absätze 17–24, wobei: jedes Memristorelement mit einem ein elektromagnetisches Feld erzeugenden Element kommunikativ gekoppelt ist; und das Verfahren ferner Verwenden der ein elektromagnetisches Feld erzeugenden Elemente umfasst, um elektromagnetische Felder über jedem Memristorelement zu erzeugen.
    • 26. Ein optisches Rechenverfahren nach einem der Absätze 17–25, ferner umfassend Verwenden der elektromagnetischen Felder, um in jedem Memristorelement eine andere spektrale Eigenschaft zu erzeugen.
    • 27. Ein optisches Rechenverfahren nach einem der Absätze 17–26, ferner umfassend Einsetzen des optischen Rechenverfahrens, um eine unterirdische Lagerstätte zu entschlüsseln.
    • 28. Ein optisches Rechenverfahren, umfassend: optisches Interagieren elektromagnetischer Strahlung mit einer Probe, um probeninteragiertes Licht zu erzeugen; optisches Interagieren des probeninteragierten Lichts mit einem Memristorelement, um optisch interagiertes Licht zu erzeugen, das einer Charakteristik der Probe entspricht; und Bestimmen der Charakteristik der Probe unter Verwendung des optisch interagierten Lichts.
    • 29. Ein optisches Rechenverfahren nach Absatz 28, wobei: das Memristorelement spektral veränderbares Material umfasst; und das Verfahren ferner Verändern des spektral veränderbaren Materials umfasst, wodurch eine spektrale Eigenschaft des optisch interagierten Lichts verändert wird.
    • 30. Ein optisches Rechenverfahren nach Absätzen 28 oder 29, wobei ein elektromagnetisches Feld über dem Memristorelement erzeugt wird, um das spektral veränderbare Material zu verändern.
    • 31. Ein optisches Rechenverfahren nach einem der Absätze 28–30, wobei über dem Memristorelement unterschiedliche Energiepegel des elektromagnetischen Feldes erzeugt werden.
    • 32. Ein optisches Rechenverfahren nach einem der Absätze 28–31, ferner umfassend Verwenden des optischen Rechenverfahrens, um eine unterirdische Lagerstätte zu entschlüsseln.
  • Obwohl verschiedene Ausführungsformen und Methodiken gezeigt und beschrieben wurden, ist die Offenbarung nicht auf derartige Ausführungsformen und Methodiken beschränkt und es versteht sich, dass sie alle Modifikationen und Abwandlungen beinhaltet, wie sie für einen Fachmann auf dem Gebiet auf der Hand liegen würden. Daher versteht es sich, dass die Offenbarung nicht auf die offenbarten konkreten Formen zu beschränken ist. Vielmehr ist es beabsichtigt, alle Modifikationen, Äquivalente und Alternativen abzudecken, die in den Geist und Schutzbereich der Offenbarung fallen, wie durch die beigefügten Ansprüche definiert.

Claims (32)

  1. Spektral programmierbare optische Rechenvorrichtung, umfassend: elektromagnetische Strahlung, die mit einer Probe optisch interagiert, um probeninteragiertes Licht zu erzeugen; ein Memristorelement, das spektral veränderbares Material umfasst, wobei das Memristorelement so positioniert ist, dass es mit dem probeninteragierten Licht optisch interagiert, um optisch interagiertes Licht zu erzeugen, das einem Charakteristikum der Probe entspricht; ein über dem Memristorelement erzeugtes elektromagnetisches Feld, um das spektral veränderbare Material zu verändern, wodurch eine spektrale Eigenschaft der elektromagnetischen Strahlung verändert wird, um das optisch interagierte Licht zu erzeugen; und einen Detektor, positioniert, um das optisch interagierte Licht zu messen und ein Signal zu erzeugen, wobei das Signal eingesetzt wird, um die Charakteristik der Probe zu bestimmen.
  2. Optische Rechenvorrichtung nach Anspruch 1, ferner umfassend ein ein elektromagnetisches Feld erzeugendes Element, das mit dem Memristorelement kommunikativ gekoppelt ist, um das elektromagnetische Feld über dem Memristorelement zu erzeugen.
  3. Optische Rechenvorrichtung nach Anspruch 2, wobei das ein elektromagnetisches Feld erzeugende Element eine Stromquelle, eine Spannungsquelle, eine elektromagnetische Quelle, eine magnetische Quelle, eine thermische Quelle oder eine ionische Quelle ist.
  4. Optische Rechenvorrichtung nach Anspruch 2, ferner umfassend ein Energieverwaltungsmodul, das mit dem ein elektromagnetisches Feld erzeugenden Element kommunikativ gekoppelt ist, um dadurch unterschiedliche Energiepegel zu erzeugen.
  5. Optische Rechenvorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Memristorelement ein oder mehrere Memristorpixel umfasst.
  6. Optische Rechenvorrichtung nach Anspruch 5, wobei das Memristorelement ein Memristorelement-Array ist, das eine Vielzahl von Memristorelementen umfasst.
  7. Optische Rechenvorrichtung nach Anspruch 6, wobei jedes Memristorelement mit einem ein elektromagnetisches Feld erzeugenden Element kommunikativ gekoppelt ist, um dadurch das elektromagnetische Feld über jedem Memristorelement zu erzeugen.
  8. Optische Rechenvorrichtung nach Anspruch 7, wobei jedes Memristorelement eine andere spektrale Eigenschaft umfasst, die durch das darüber angelegte elektromagnetische Feld erzeugt wird.
  9. Optische Rechenvorrichtung nach Anspruch 6, ferner umfassend: eine Quelle elektromagnetischer Strahlung zum Generieren der elektromagnetischen Strahlung; und ein optisches Separationselement, das positioniert ist, um die elektromagnetische Strahlung in Komponentenwellenlängen zu separieren und die Komponentenwellenlängen zu einem entsprechenden Memristorelement zu leiten.
  10. Optische Rechenvorrichtung nach Anspruch 9, wobei das optische Separationselement ein Beugungselement oder ein spektrales Zerlegungselement ist.
  11. Optische Rechenvorrichtung nach Anspruch 9, wobei jedes Memristorelement in dem Memristor-Array einer unterschiedlichen Komponentenwellenlänge der elektromagnetischen Strahlung entspricht.
  12. Optische Rechenvorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Memristorelement ein Memristorelement-Array ist, das eine Vielzahl von Memristorelementen umfasst, die so positioniert ist, dass sie mit der elektromagnetischen Strahlung sequentiell optisch interagiert.
  13. Optische Rechenvorrichtung nach Anspruch 12, wobei jedes Memristorelement mit einem ein elektromagnetisches Feld erzeugenden Element kommunikativ gekoppelt ist, um dadurch das elektromagnetische Feld über jedem Memristorelement des Memristorelement-Arrays zu erzeugen.
  14. Optische Rechenvorrichtung nach Anspruch 13, wobei jedes Memristorelement des Memristorelement-Arrays eine andere spektrale Eigenschaft umfasst, die durch das elektromagnetische Feld erzeugt wird.
  15. Optische Rechenvorrichtung nach Anspruch 1, ferner umfassend einen Signalprozessor, der mit dem Detektor kommunikativ gekoppelt ist, um die Charakteristik der Probe rechnerisch zu bestimmen.
  16. Optische Rechenvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die optische Rechenvorrichtung einen Teil einer Lagerstättenentschlüsselungsvorrichtung umfasst.
  17. Optisches Rechenverfahren, umfassend: optisches Interagieren elektromagnetischer Strahlung mit einer Probe, um probeninteragiertes Licht zu erzeugen; Anlegen eines elektromagnetischen Feldes über einem Memristorelement, das spektral veränderbares Material umfasst, wodurch das spektral veränderbare Material verändert wird; optisches Interagieren des probeninteragierten Lichts mit dem Memristorelement, um optische interagiertes Licht zu erzeugen, das einer Charakteristik der Probe entspricht; Erfassen des optisch interagierten Lichts und dadurch Erzeugen eines Signals, das dem optisch interagierten Licht entspricht; und Bestimmen der Charakteristik der Probe unter Verwendung des Signals.
  18. Optisches Rechenverfahren nach Anspruch 17, wobei ein ein elektromagnetisches Feld erzeugendes Element eingesetzt wird, um das elektromagnetische Feld zu generieren, das über dem Memristorelement angelegt wird.
  19. Optisches Rechenverfahren nach Anspruch 18, wobei das ein elektromagnetisches Feld erzeugende Element eine Stromquelle, eine Spannungsquelle, eine elektromagnetische Quelle, eine magnetische Quelle, eine thermische Quelle oder eine ionische Quelle ist.
  20. Optisches Rechenverfahren nach Anspruch 18, ferner umfassend Einsetzen eines Energieverwaltungsmoduls, um unterschiedliche Energiepegel von elektromagnetischen Feldern zu erzeugen.
  21. Optisches Rechenverfahren nach Anspruch 17, wobei: das Memristorelement ein Memristorelement-Array ist, das eine Vielzahl von Memristorelementen umfasst, wobei jedes Memristorelement mit einem ein elektromagnetisches Feld erzeugenden Element kommunikativ gekoppelt ist; und das Verfahren ferner Verwenden der ein elektromagnetisches Feld erzeugenden Elemente umfasst, um ein elektromagnetisches Feld über jedem Memristorelement zu erzeugen.
  22. Optisches Rechenverfahren nach Anspruch 21, ferner umfassend Verändern einer spektralen Eigenschaft jedes Memristorelements, so dass jede spektrale Eigenschaft unterschiedlich ist.
  23. Optisches Rechenverfahren nach Anspruch 21, ferner umfassend: Separieren der elektromagnetischen Strahlung in Komponentenwellenlängen; und Leiten der Komponentenwellenlängen zu einem entsprechenden Memristorelement.
  24. Optisches Rechenverfahren nach Anspruch 17, wobei: das Memristorelement ein Memristorelement-Array ist, das eine Vielzahl von Memristorelementen umfasst; und das Verfahren ferner sequentielles optisches Interagieren der elektromagnetischen Strahlung mit den Memristorelementen umfasst.
  25. Optisches Rechenverfahren nach Anspruch 24, wobei: jedes Memristorelement mit einem ein elektromagnetisches Feld erzeugenden Element kommunikativ gekoppelt ist; und das Verfahren ferner Verwenden der ein elektromagnetisches Feld erzeugenden Elemente umfasst, um elektromagnetische Felder über jedem Memristorelement zu erzeugen.
  26. Optisches Rechenverfahren nach Anspruch 25, ferner umfassend Verwenden der elektromagnetischen Felder, um in jedem Memristorelement eine andere spektrale Eigenschaft zu erzeugen.
  27. Optisches Rechenverfahren nach Anspruch 17, ferner umfassend Einsetzen des optischen Rechenverfahrens, um eine unterirdische Lagerstätte zu entschlüsseln.
  28. Optisches Rechenverfahren, umfassend: optisches Interagieren elektromagnetischer Strahlung mit einer Probe, um probeninteragiertes Licht zu erzeugen; optisches Interagieren des probeninteragierten Lichts mit einem Memristorelement, um optisch interagiertes Licht zu erzeugen, das einer Charakteristik der Probe entspricht; und Bestimmen der Charakteristik der Probe unter Verwendung des optisch interagierten Lichts.
  29. Optisches Rechenverfahren nach Anspruch 28, wobei: das Memristorelement spektral veränderbares Material umfasst; und das Verfahren ferner Verändern des spektral veränderbaren Materials umfasst, wodurch eine spektrale Eigenschaft des optisch interagierten Lichts verändert wird.
  30. Optisches Rechenverfahren nach Anspruch 29, wobei ein elektromagnetisches Feld über dem Memristorelement erzeugt wird, um das spektral veränderbare Material zu verändern.
  31. Optisches Rechenverfahren nach Anspruch 30, wobei über dem Memristorelement unterschiedliche Energiepegel des elektromagnetischen Feldes erzeugt werden.
  32. Optisches Rechenverfahren nach Anspruch 28, ferner umfassend Verwenden des optischen Rechenverfahrens, um eine unterirdische Lagerstätte zu entschlüsseln.
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