DE112015006898T5

DE112015006898T5 - Optisch-analytische Vorrichtungen mit kapazitätsbasierten Nanomaterialdetektoren

Info

Publication number: DE112015006898T5
Application number: DE112015006898.8T
Authority: DE
Inventors: James M. Price; Aditya B. Nayak; David L. Perkins; Michael T. Pelletier
Original assignee: Halliburton Energy Services Inc
Current assignee: Halliburton Energy Services Inc
Priority date: 2015-11-13
Filing date: 2015-11-13
Publication date: 2018-05-24
Also published as: WO2017082919A1; GB2556838A; GB201804784D0; MX2018004276A; US10260946B2; BR112018006837A2; US20170268926A1

Abstract

Optische Rechenvorrichtungen können kapazitätsbasierte Nanomaterialdetektoren beinhalten. Beispielsweise kann eine optische Rechenvorrichtung folgendes beinhalten: eine Lichtquelle, die elektromagnetische Strahlung in ein Optiksystem abstrahlt, das sich von der Lichtquelle zu einem kapazitätsbasierten Nanomaterialdetektor erstreckt; ein Material, das im Optiksystem angeordnet ist, um optisch mit der elektromagnetischen Strahlung zu interagieren und Licht mit optischer Interaktion zu erzeugen; und den kapazitätsbasierten Nanomaterialdetektor, der ein oder mehrere Materialien in Nanogröße umfasst, die dazu konfiguriert sind, ein Absorptionsspektrum aufzuweisen, das einer Resonanzabstimmung unterzogen wurde, und dazu konfiguriert sind, das Licht mit optischer Interaktion aufzunehmen, einen Vektor, der mit der interessierenden Charakteristik in Beziehung steht, auf das Licht mit optischer Interaktion anzuwenden unter Verwendung des Absorptionsspektrum, das einer Resonanzabstimmung unterzogen wurde, und ein Ausgangssignal zu erzeugen, das die interessierende Charakteristik angibt.

Description

ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Optische Rechenvorrichtungen, häufig auch als „optisch-analytische Vorrichtungen“ bezeichnet, können zum Analysieren und Überwachen von Stoffen in Echtzeit verwendet werden. Diese optischen Rechenvorrichtungen verwenden häufig eine Lichtquelle, die elektromagnetische Strahlung abstrahlt, um mit einem Material und einem optischen Verarbeitungselement optisch interagiert (d. h. davon reflektiert wird, durchgelassen wird usw.), um quantitative und/oder qualitative Werte von ein oder mehreren physikalischen oder chemischen Eigenschaften des Materials zu bestimmen. Bei dem optischen Verarbeitungselement kann es sich beispielsweise um einen ICE(integrated computational element - integriertes Rechenelement)-Kern, auch als multivariates optisches Element (MOE) bekannt, handeln. ICE-Kerne sind dazu ausgelegt, über ein Wellenlängenkontinuum im elektromagnetischen Spektrum vom UV- bis zum mittleren Infrarot (MIR) -Bereich oder eine Untermenge dieser Region hinweg zu arbeiten. Elektromagnetische Strahlung, die optisch mit dem Material interagiert, wird von dem ICE-Kern verändert und verarbeitet, um von einem Detektor (z. B. einem Raumtemperatur-Infrarot (IR) -Detektor) gemessen zu werden, und Ausgänge des Detektors können mit der physikalischen oder chemischen Eigenschaft des analysierten Materials korreliert werden.
Figurenliste
Die folgenden Figuren sollen bestimmte Aspekte der vorliegenden Offenbarung veranschaulichen und sind nicht als ausschließliche Ausführungsformen zu betrachten. Der offenbarte Gegenstand kann beträchtlichen Modifikationen, Abänderungen und Äquivalenten in Form und Funktion unterliegen, ohne vom Schutzumfang dieser Offenbarung abzuweichen.

1 stellt die Absorptionsspektren von Silicium (Si), Germanium (Ge) und Galliumarsenid (GaAs) bereit.
2 stellt die Absorptionsspektren von Si_xGe_y mit variierendem Ge-Anteil bereit und veranschaulicht, dass diese jeweils unterschiedliche Bandlücken im NIR- bis sichtbaren Bereich aufweisen.
3 stellt ein beispielhaftes integriertes Rechenelement gemäß wenigstens einer hierin beschriebenen Ausführungsform dar.
4 stellt ein Blockdiagramm dar, das in mechanistischer Weise eine optische Rechenvorrichtung gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen veranschaulicht.
5 stellt ein beispielhaftes System zum Erfassen einer Charakteristik eines Materials unter Verwendung einer optischen Rechenvorrichtung gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen dar.
6 stellt ein Blockdiagramm dar, das in mechanistischer Weise eine optische Rechenvorrichtung gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen veranschaulicht.
7 stellt ein Blockdiagramm dar, das in mechanistischer Weise eine optische Rechenvorrichtung gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen veranschaulicht.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Die vorliegende Offenbarung betrifft optische Rechenvorrichtungen und insbesondere optische Rechenvorrichtungen, die kapazitätsbasierte Nanomaterialdetektoren benutzen.
Die hierin beschriebenen Ausführungsformen benutzen verschiedene Konfigurationen optischer Rechenvorrichtungen zur Überwachung eines Materials in Echtzeit oder nahezu in Echtzeit. Die hierin beschriebenen optischen Rechenvorrichtungen wenden auf optische und andere Weise Gewichtungsfaktoren auf abgeleitete Antwortsignale an, im Gegensatz zum digitalen Anwenden der Gewichtungsfaktoren unter Verwendung eines Signalprozessors und zugehöriger Softwareanwendungen. Auf diese Weise können Verfahren optischer Messungen mit neuronalen Netzen oder linearer Kombination parallel und nicht sequenziell vorgenommen werden, was zu einer schnelleren Abtastung führt. In einigen Ausführungsformen ist der Detektorabschnitt der optischen Rechenvorrichtung ein kapazitätsbasierter Nanomaterialdetektor, der wahlweise einer Resonanzabstimmung zum spezifischen Erfassen der elektromagnetischen Strahlung, die optisch mit einem ICE-Kern interagiert hat und der interessierenden Charakteristik entspricht, unterzogen worden sein kann. In einigen Fällen kann Resonanzabstimmung des kapazitätsbasierten Nanomaterialdetektors verwendet werden, um Wellenlängen elektromagnetischer Strahlung auszuschließen oder zurückzuweisen, die nicht einer interessierenden Charakteristik entsprechen. In alternativen Ausführungsformen können die kapazitätsbasierten Nanomaterialdetektoren den ICE-Kern der optischen Rechenvorrichtungen ersetzen.
Im hier verwendeten Sinne bezeichnet der Begriff „in Nanogröße“ das Aufweisen von wenigstens einer Abmessung von weniger als 100 nm.
Im hier verwendeten Sinne bezeichnet der Begriff „Charakteristik“ oder „interessierende Charakteristik“ eine chemische, mechanische oder physikalische Eigenschaft eines Materials. Die Charakteristik eines Materials kann einen quantitativen oder qualitativen Wert von einem oder mehreren chemischen Bestandteilen oder einer oder mehreren chemischen Verbindungen beinhalten, die darin vorkommen, oder eine beliebige andere zugehörige physikalische Eigenschaft. Diese chemischen Bestandteile und Verbindungen können hier als „Analyte“ bezeichnet werden. Veranschaulichende Charakteristiken eines Materials, die mit den hier offenbarten optischen Rechenvorrichtungen überwacht werden können, beinhalten beispielsweise chemische Zusammensetzung (z. B. Identität und Konzentration insgesamt oder von einzelnen Komponenten oder Verbindungen), Phasenpräsenz (z. B. Gas, Öl, Wasser usw.), Gehalt an Verunreinigungen, pH, Alkalinität, Viskosität, Dichte, Ionenstärke, Gesamtmenge gelöster Feststoffe, Salzgehalt (z. B. Salinität), Porosität, Transparenz, Bakteriengehalt, Gesamthärte, Durchlässigkeit, Kombinationen davon, Aggregatzustand (Feststoff, Flüssigkeit, Gas, Emulsion, Gemische usw.) und dergleichen.
Im hier verwendeten Sinne bezeichnet der Begriff „Material“ oder Abwandlungen davon wenigstens einen Teil eines Stoffs, der mit der Hilfe der hier beschriebenen optischen Rechenvorrichtungen getestet oder beurteilt werden soll. Das Material beinhaltet die interessierende Charakteristik wie oben definiert. Bei dem Material kann es sich um ein beliebiges Fluid handeln, das fließfähig ist, darunter partikelförmige Feststoffe, Flüssigkeiten, Gase (z. B. Luft, Stickstoff, Kohlendioxid, Argon, Helium, Methan, Ethane, Butan und andere Kohlenwasserstoffgase, Schwefelwasserstoff und Kombinationen davon), Aufschlämmungen, Emulsionen, Pulver, Schlämme, Glase, Gemische, Kombinationen davon, und können, ohne darauf beschränkt zu sein, wässrige Fluide (z. B. Wasser, Salzlösungen usw.), nicht wässrige Fluide (z. B. organische Verbindungen, Kohlenwasserstoffe, Öl, eine raffinierte Komponente von Öl, petrochemische Produkte und dergleichen), Säuren, Tenside, Biozide, Bleichmittel, Korrosionshemmer, Schaumbildner und Aufschäummittel, Aufbrechmittel, Adsorberharze, Stabilisatoren, Klärungsmittel, Reinigungsmittel, Behandlungsfluide, Frakturierungsfluide, Formationsfluide oder ein beliebiges Ölfeldfluid, eine beliebige Chemikalie oder ein Stoff, die bzw. der allgemein in der Öl- und Gasindustrie zu finden ist, beinhalten. In einigen Fällen kann das Material auch ein Feststoffmaterial wie etwa, ohne darauf beschränkt zu sein, Felsformationen, Beton, Zement, massive Bohrlochflächen, Rohre oder Flussleitungen und massive Flächen eines beliebigen Bohrlochwerkzeugs oder Geschosses (z. B. Kugeln, Pfeile, Stopfen usw.) bezeichnen.
Im hier verwendeten Sinne bezeichnet der Begriff „elektromagnetische Strahlung“ Hochfrequenzwellen, Mikrowellenstrahlung, Terahertz-, Infrarot- und Nahinfrarotstrahlung, sichtbares Licht, Ultraviolettlicht, Röntgenstrahlung und Gammastrahlung.
Im hier verwendeten Sinne bezeichnet der Begriff „optisch interagieren“ oder seine Abwandlungen das Reflektieren, Durchlassen, Streuen, Brechen oder Absorbieren von elektromagnetischer Strahlung an, durch oder von einem oder mehreren Verarbeitungselementen (d. h. einer optischen Verarbeitungsvorrichtung), einem Material, das von den Verarbeitungselementen analysiert wird, oder einem Polarisator. Entsprechend bezeichnet Licht mit optischer Interaktion (auch bezeichnet als elektromagnetische Strahlung mit optischer Interaktion) elektromagnetische Strahlung, die beispielsweise mithilfe eines Verarbeitungselements reflektiert, durchgelassen, gestreut, gebrochen oder absorbiert, abgegeben oder erneut abgestrahlt wurde, kann sich jedoch auch auf optische Interaktion mit einem Material oder einem Polarisator beziehen.
Im hier verwendeten Sinne werden die Begriffe „optisch gekoppelt“ und „optisch ausgerichtet“ miteinander austauschbar verwendet und bezeichnen das axiale und optische Ausrichten optischer Komponenten einer optischen Rechenvorrichtung an der Optikbaugruppe der optischen Rechenvorrichtung. Wenn optische Komponenten einer optischen Rechenvorrichtung optisch gekoppelt oder ausgerichtet sind, kann beispielsweise elektromagnetischen Strahlung, die optisch mit einem Element eines ersten Arrays optischer Komponenten interagiert, optisch mit einem koaxial ausgerichteten Element eines zweiten Arrays optischer Komponenten interagieren, während ein Material analysiert wird.
Die hierin beschriebenen optischen Rechenvorrichtungen beinhalten wenigstens einen kapazitätsbasierten Nanomaterialdetektor. Die hierin beschriebenen kapazitätsbasierten Nanomaterialdetektoren umfassen ein oder mehrere Materialien in Nanogröße. Wie hierin weiter beschrieben, können unter anderem die Größe, Form und Zusammensetzung eines jeden der Materialien in Nanogröße so ausgewählt werden, dass der kapazitätsbasierte Nanomaterialdetektor ein gewünschtes Absorptionsspektrum erhält.
Die hierin beschriebenen kapazitätsbasierten Nanomaterialdetektoren benutzen im Gegensatz zu dem Leitwertmechanismus, auf dem IR-Detektoren beruhen, einen Kapazitätsmechanismus zum Messen der einfallenden elektromagnetischen Strahlung. Ein Leitwertmechanismus greift im Allgemeinen auf Lichtanregung von Ladungsträgern an der Bandlücke eines Halbleitermaterials zurück, um die Ladungstransporteigenschaften (d. h. den elektrischen Leitwert) des Halbleitermaterials zu ändern. Dagegen greift der Kapazitätsmechanismus auf durch Licht angeregte Elektron-Loch-Paare an der Bandlücke eines Halbleitermaterials in Nanogröße zurück, um das lokale elektrische Feld zu verändern und das Messen von Ladungsdichteänderungen in dem Halbleitermaterial in Nanogröße zu ermöglichen. Ladungsdichteänderungen finden nahezu sofort statt (z. B. im Bereich von Nanosekunden), während Änderungen der Ladungstransporteigenschaften eines Halbleitermaterials wesentlich langsamer stattfinden (z. B. etwa drei Größenordnungen langsamer).
Außerdem ermöglicht der Kapazitätsmechanismus der Erfassung, dass die kapazitätsbasierten Nanomaterialdetektoren höhere Temperaturen mit breitem Signal-Rausch-Verhältnis tolerieren, was die für traditionelle IR-Detektoren erforderliche Kühlung reduzieren oder eliminieren kann. Entsprechend können optische Rechenvorrichtungen, die die kapazitätsbasierten Nanomaterialdetektoren aufweisen, bei höheren Temperaturen (z. B. Bohrlochtemperaturen in Öl- und Gasbetriebsvorgängen) ohne ein Kühlsystem benutzt werden.
In einigen Fällen können die Halbleitermaterialien in Nanogröße der hierin beschriebenen kapazitätsbasierten Nanomaterialdetektoren so ausgewählt sein, dass sie einer Resonanzabstimmung für die einfallende elektromagnetische Strahlung unterzogen werden, die der interessierenden Charakteristik entspricht, was die Empfindlichkeit des Detektors erhöhen kann. Das heißt, die Bandlücke des einen oder der mehreren Halbleitermaterialien in Nanogröße kann dazu konfiguriert sein, (1) dem Spektrum der elektromagnetischen Strahlung, das optisch mit einem ICE-Kern interagiert hat, oder (2) einer optischen Verarbeitungsfunktion zu entsprechen, die einen Gewichtungs- oder Ladungsfaktor auf die elektromagnetischen Strahlung anwendet, die optisch mit einem Material interagiert hat, wodurch der kapazitätsbasierte Nanomaterialdetektor sowohl die Funktionen des ICE-Kerns und als auch des Detektors aufweisen kann
Die Bandlücke der Halbleitermaterialien in Nanogröße kann verändert werden, um die gewünschte Resonanzabstimmung zu erreichen, indem (1) die Zusammensetzung der Halbleitermaterialien in Nanogröße verändert wird, (2) der Elektroneneinschluss in einer, zwei oder drei Dimensionen der Halbleitermaterialien in Nanogröße verändert wird, (3) ein elektrisches Feld an den kapazitätsbasierten Nanomaterialdetektor angelegt wird, oder eine Kombination davon.
Die chemische Zusammensetzung eines Halbleitermaterials in Nanogröße beeinflusst die Bandlücke, die die Wellenlänge des absorbierten Lichts vorgibt. Beispielsweise stellt 1 die Absorptionsspektren von Silicium (Si), Germanium (Ge), Galliumarsenid (GaAs), und Galliumantimon (GaSb) bereit und veranschaulicht, dass diese jeweils unterschiedliche Bandlücken im NIR-Bereich aufweisen, die zu Beginn der Absorption angegeben sind. Ferner kann die Bandlücke des Halbleitermaterials in Nanogröße durch Legieren von Halbleitern miteinander geändert werden. Beispielsweise ermöglicht das Legieren von Si und Ge (Si_xGe_y) eine Veränderung der Bandlücke von 1127 nm zu 1850 nm in Abhängigkeit vom Ge-Gehalt. Beispielsweise stellt 2 stellt die Absorptionsspektren von Si_xGe_y mit variierendem Ge-Anteil bereit und veranschaulicht, dass diese jeweils unterschiedliche Bandlücken im NIR- bis sichtbaren Bereich aufweisen.
Zu beispielhaften Halbleitern und Legierungen derselben, die zur Verwendung in den hierin beschriebenen kapazitätsbasierten Nanomaterialdetektoren geeignet sind, können, ohne darauf beschränkt zu sein, Si, Ge, Si_xGe_y (x+y=l, 0<x<1), GaAs, GaSb und dergleichen gehören.
Die Größe und Form eines Halbleitermaterials in Nanogröße beeinflusst seine Bandlücke aufgrund von Quanteneinschluss. Aufgrund des Quanteneinschlusses erfolgt eine Blauverschiebung der Bandlücke des Materials (d. h. zu niedrigeren Wellenlängen) (ΔE) gemäß Gleichung 1, der Eigenwertlösung der Schrödingergleichung für ein Elektron in einem periodischen Quanteneinschlusspotenzial, wobei E_g die direkte Bandlücke des Bulk-Halbleiters ist, ħ die Planck-Konstante ist, m* die effektive Masse oder das Elektron im Halbleiter ist und L die Größe der Einschlussabmessung (d. h. der kleinste Durchmesser des Halbleiters in Nanogröße, beispielsweise der Durchmesser eines Nanodrahts) ist. $Δ E = E_{g} + \frac{{(π ћ)}^{2}}{2 m * L^{2}}$
Zu beispielhaften Formen von Halbleitermaterialien in Nanogröße des kapazitätsbasierten Nanomaterialdetektor können, ohne darauf beschränkt zu sein, Schichten, Drähte (z. B. längliche Strukturen mit einem Seitenverhältnis von 5 oder größer), Stäbe (z. B. längliche Strukturen mit einem Seitenverhältnis von kleiner als 5), Röhren (z. B. hohle Drähte oder Stäbe), Sterne (z. B. ein Partikel, von dem sich drei oder mehr Vorsprünge erstrecken, wobei ein Vorsprung wenigstens 1/5 des Durchmessers des Sterns beträgt) (z. B. Nanosterne, Tetrapoden und dergleichen), Partikel (z. B. kreisförmige, ovale, abgeplattete und dergleichen), Scheiben und dergleichen gehören.
Zusätzlich zur Bandlückenenergieverschiebung (ΔE) wird die Zustandsdichte der Bandlücke durch Quanteneinschluss verändert, was sich in einer Formveränderung des Absorptionsspektrums zeigt. Das Erhöhen der Anzahl von Dimensionen, in denen ein Quanteneinschluss des Halbleitermaterials in Nanogröße vorliegt, steigert die Zustandsdichte der Bandlücke und schärft oder verengt daher die Form des Absorptionsspektrums. Beispielsweise erfolgt der Quanteneinschluss eines Dünnfilms in einer Dimension, weshalb er ein breiteres Absorptionsspektrum als ein Nanodraht mit Quanteneinschluss in zwei Dimensionen aufweist.
Daher können die Größe und Form des Halbleitermaterials in Nanogröße und die entsprechenden Prinzipien des Quanteneinschlusses verwendet werden, um sowohl das Einsetzen als auch die Form der Absorption zu verändern, was eine Abstimmung der Absorptionsspektren des kapazitätsbasierten Nanomaterialdetektors auf eine Resonanzabstimmung mit der einfallenden elektromagnetischen Strahlung (z. B. vom ICE-Kern oder vom Material) ermöglicht, die der interessierenden Charakteristik entspricht.
Ein drittes Verfahren der Resonanzabstimmung des kapazitätsbasierten Nanomaterialdetektors ist das Anlegen eines elektrischen Felds an das Halbleitermaterial in Nanogröße. Ein elektrisches Feld kann beispielsweise an einen Nanodraht angelegt werden, wobei die Spannung angepasst werden kann, um eine Resonanzabstimmung der Absorptionsspektren des Nanodrahts mit der einfallenden elektromagnetischen Strahlung durchzuführen, die der interessierenden Charakteristik entspricht.
Die vorstehenden drei Variablen können unabhängig oder in Kombination verwendet werden, um das Absorptionsspektrum des kapazitätsbasierten Nanomaterialdetektors mit der einfallenden elektromagnetischen Strahlung zu korrelieren, die der interessierenden Charakteristik entspricht.
In einigen Ausführungsformen können die hierin beschriebenen optischen Rechenvorrichtungen einen oder mehrere ICE(integriertes Rechenelement)-Kerne verwenden. Ein ICE-Kern ist dazu ausgelegt, im Betrieb elektromagnetische Strahlung im Zusammenhang mit einer interessierenden Charakteristik eines Materials von elektromagnetischen Strahlung im Zusammenhang mit anderen Komponenten des Materials zu unterscheiden. Unter Bezugnahme auf 3 ist ein beispielhafter ICE-Kern 100 dargestellt, der in den hierin beschriebenen Systemen verwendet werden kann. Wie dargestellt, kann der IRE-Kern 100 eine Vielzahl von alternierenden Dünnfilmschichten 102 und 104 wie etwa Silicium (Si) bzw. SiO₂ (Quarz) beinhalten. Allgemein bestehen diese Schichten 102, 104 aus Materialien, deren Brechungsindex jeweils hoch bzw. niedrig ist. Andere Beispiele von Materialien können Niobdioxid und Niob, Germanium und Germaniumdioxid, MgF, SiO und andere auf dem Gebiet bekannte Materialien mit hohem und niedrigem Index 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 anderen Ausführungsformen kann das optische Substrat 106 eine andere Art von optischem Substrat sein, etwa ein anderes optisches Glas, Silica, Saphir, Silicium, 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 aus 3) kann der IRE-Kern 100 eine Schicht 108 beinhalten, die allgemein der Umgebung der Vorrichtung oder Installation ausgesetzt ist, und kann auch fähig sein, optisch mit einem Material zu interagieren. Die Anzahl von Schichten 102, 104 und die Dicke jeder Schicht 102, 104 werden anhand von spektralen Attributen bestimmt, die aus einer spektroskopischen Analyse einer Charakteristik des analysierten Materials mithilfe eines üblichen spektroskopischen Instruments erlangt werden. Das interessierende Spektrum einer jeweiligen Eigenschaft beinhaltet in der Regel eine beliebige Anzahl unterschiedlicher Wellenlängen.
Es versteht sich, dass der ICE-Kern 100 aus 3 in Wirklichkeit keinen bestimmten ICE-Kern darstellt, der zum Erfassen einer spezifischen Charakteristik eines gegebenen Materials verwendet wird, sondern nur der Veranschaulichung dient. Somit stehen die Anzahl von Schichten 102, 104 und ihre relativen Dicken, wie in 3 gezeigt, nicht mit einer bestimmten Material oder einer Charakteristik davon in Zusammenhang. Auch sind die Schichten 102, 104 und ihre relativen Dicken nicht unbedingt maßstabsgetreu gezeichnet und sind daher nicht als Einschränkung der vorliegenden Offenbarung zu verstehen.
In einigen Ausführungsformen kann das Material der einzelnen Schichten 102, 104 dotiert sein, oder zwei oder mehr Materialien können in einer Weise kombiniert werden, um die gewünschte optische Charakteristik zu erzielen. Neben Feststoffen kann der beispielhafte IRE-Kern 100 auch Flüssigkeiten und/oder Gase enthalten, wahlweise in Kombination mit Feststoffen, um eine gewünschte optische Charakteristik zu erzeugen. Im Fall von Gasen und Flüssigkeiten kann der IRE-Kern 100 einen entsprechenden Behälter (nicht dargestellt) enthalten, in dem die Gase oder Flüssigkeiten aufgenommen sind. Beispielhafte Variationen des IRE-Kerns 100 können auch holografische optische Elemente, Gitter, piezoelektrische, Hohllichtleiter- und/oder akustisch-optische Elemente beinhalten, die beispielsweise Durchlass-, Reflexions- und/oder absorbierende interessierende Eigenschaften erzeugen können.
Die mehreren Schichten 102, 104 können verschiedene Brechungsindizes aufweisen. Durch geeignetes Auswählen der Materialien der Schichten 102, 104 und ihrer relativen Dicke und ihres Abstands kann der IRE-Kern 100 dazu konfiguriert sein, vorgegebene Anteile von elektromagnetischer Strahlung auf verschiedenen Wellenlängen selektiv durchzulassen oder zu reflektieren. Jede Wellenlänge erhält einen vorgegebenen Gewichtungs- oder Ladungsfaktor. Die Dicke und der Abstand der Schichten 102, 104 können anhand verschiedener Näherungsverfahren aus dem Spektrum der interessierenden Charakteristik oder des Analyts bestimmt werden. Diese Verfahren können inverse Fourier-Transformation (IFT) des optischen Durchlassspektrums und Strukturieren des IRE-Kerns 100 als physische Darstellung der IFT beinhalten. Die Näherungen wandeln die IFT auf Grundlage bekannter Materialien mit konstanten Brechungsindizes in eine Struktur um.
Die Gewichtungen, die die Schichten 102, 104 des IRE-Kerns 100 auf jeder Wellenlänge anwenden, können auf die Regressionsgewichtungen festgelegt sein, die in Bezug auf eine bekannte Gleichung, Daten oder Spektralsignatur beschrieben werden. Wenn zum Beispiel elektromagnetische Strahlung mit einem Material interagiert, werden einzigartige physikalische und chemische Informationen zu dem Material in der elektromagnetischen Strahlung codiert, die von dem Material reflektiert, durchgelassen oder abgestrahlt wird. Diese Informationen werden oft als spektraler „Fingerabdruck“ des Materials bezeichnet. Der ICE-Kern 100 kann so konfiguriert sein, dass er eine wellenlängenabhängige Antwortfunktion aufweist. Beispielsweise kann der ICE-Kern 100 dazu konfiguriert sein, einen Vektor (z. B. einen geladenen Regressionsvektor, einen Ladungsvektor oder dergleichen) auf die aufgenommene elektromagnetische Strahlung anzuwenden, der eine wellenlängenabhängige Durchlässigkeitsfunktion des ICE-Kerns 100 ist. Die wellenlängenabhängige Durchlässigkeitsfunktion des ICE-Kerns 100 hängt vom Materialbrechungsindex jeder Schicht, der Anzahl der Schichten 102, 104 und der Dicke jeder Schicht 102, 104 ab. Beispielsweise beschreibt die US-Patentschrift Nr. 9,019,501 die Anwendung eines Vektors auf die aufgenommene elektromagnetische Strahlung unter Verwendung eines ICE.
Eine Art oder Abwandlung eines ICE-Kerns 100 ist ein ICE-Kern mit frequenzselektiver Oberfläche (frequency selective surface, FSS). Der FSS-ICE-Kern ähnelt in einigen Punkten dem oben beschriebenen ICE-Kern 100, doch der FSS-ICE-Kern beinhaltet anstelle eines Stapels dielektrischer Dünnfilmschichten 102, 104, an eine einzelne, periodisch strukturierte metallische Dünnfilmschicht. Nach dem optischen Interagieren mit elektromagnetischer Strahlung erzeugt der FSS-ICE-Kern eine optische Verarbeitungsfunktion, die von der Form der FSS-Struktur, der Art des für die Dünnfilmschicht verwendeten Materials und der Dicke der Metallschicht abhängt.
Eine weitere Abwandlung des ICE-Kerns 100 ist der kapazitätsbasierte Nanomaterialdetektor. Wie zuvor beschrieben, kann das Detektionsspektrum des kapazitätsbasierten Nanomaterialdetektors einer Resonanzabstimmung auf die optische Verarbeitungsfunktion unterzogen werden, die einen Gewichtungs- oder Ladungsfaktor auf die elektromagnetische Strahlung anwendet, die optisch mit einem Material interagiert hat.
Bezug nehmend auf 4 wird ein Blockdiagramm dargestellt, das in nicht mechanistischer Weise veranschaulicht, wie eine optische Rechenvorrichtung 200 zwischen elektromagnetischer Strahlung im Zusammenhang mit einer interessierenden Charakteristik und anderer elektromagnetischer Strahlung unterscheiden kann. Wie in 4 gezeigt, erzeugt ein Material 202 nach dem Beleuchten mit einfallender elektromagnetischer Strahlung eine Ausgabe elektromagnetischer Strahlung (z. B. Interaktionslicht), von dem ein Teil Licht mit optischer Interaktion 204 ist, das der interessierenden Charakteristik entspricht, und ein Teil Hintergrundlicht mit optischer Interaktion 206 ist, das anderen Charakteristiken des Materials 202 entspricht. In einigen Ausführungsformen kann das Material 202 eine oder mehrere interessierende Charakteristiken beinhalten, die dem einen oder den mehreren Analyten des Materials 202 entsprechen.
Obwohl nicht spezifisch dargestellt, können ein oder mehrere Verarbeitungselemente in der optischen Rechenvorrichtung 200 benutzt werden, um die optischen Wellenlängen und/oder Bandbreiten des Systems einzuschränken und dadurch unerwünschte elektromagnetische Strahlung zu eliminieren, die in nicht relevanten Wellenlängenregionen vorliegt. Diese Verarbeitungselemente können an beliebiger Stelle im Optiksystem angeordnet sein, werden jedoch in der Regel direkt nach einer Lichtquelle benutzt, die die anfängliche elektromagnetische Strahlung bereitstellt.
Die Lichtstrahlen mit optischer Interaktion 204,206 fallen auf die optische Rechenvorrichtung 200, die ein beispielhaftes ICE 208 enthält. In der dargestellten Ausführungsform kann das ICE 208 dazu konfiguriert sein, Licht mit optischer Interaktion zu erzeugen, beispielsweise durchgelassene modifizierte elektromagnetische Strahlung 210 und reflektiertes Licht mit optischer Interaktion 214. Das ICE 208 kann dazu konfiguriert sein, im Betrieb Licht mit optischer Interaktion 204 von dem Hintergrundlicht mit optischer Interaktion 206 zu unterscheiden. Im hier verwendeten Sinne bezeichnet der Begriff „modifizierte elektromagnetische Strahlung“ elektromagnetische Strahlung, die in beliebiger Reihenfolge sowohl mit einem Material als auch einem ICE optisch interagiert hat.
Die durchgelassene modifizierte elektromagnetische Strahlung 210, die mit der interessierenden Charakteristik des Materials 202 in Zusammenhang stehen kann, kann zur Analyse und Quantifizierung an einen kapazitätsbasierten Nanomaterialdetektor 212 wie hierin beschrieben geleitet werden. In einigen Ausführungsformen ist der kapazitätsbasierte Nanomaterialdetektor 212 dazu konfiguriert, ein Ausgangssignal in der Form einer Spannung zu erzeugen, das der bestimmten Charakteristik des Materials 202 (d. h. einer interessierenden Charakteristik) entspricht. In wenigstens einer Ausführungsform können das Signal, das von dem kapazitätsbasierten Nanomaterialdetektor 212 erzeugt wird, und die Charakteristik eines Materials 202 (z. B. Konzentration eines Analyten) direkt proportional sein. In anderen Ausführungsformen kann die Beziehung eine ganzrationale Funktion, eine Exponentialfunktion und/oder eine Logarithmusfunktion sein. Das reflektierte Licht mit optischer Interaktion 214, das mit anderen Charakteristiken des Materials 202 in Zusammenhang stehen kann, kann von dem kapazitätsbasierten Nanomaterialdetektor 212 weg gelenkt werden. In alternativen Konfigurationen kann das ICE 208 so konfiguriert sein, dass das reflektierte Licht mit optischer Interaktion 214 mit der interessierenden Charakteristik in Zusammenhang stehen kann und die durchgelassene modifizierte elektromagnetische Strahlung 210 mit den anderen Charakteristiken im Material 202 in Zusammenhang stehen kann.
In einigen Ausführungsformen können die Materialien in Nanogröße des kapazitätsbasierten Nanomaterialdetektors 212 dazu konfiguriert sein, ein derartiges Absorptionsspektrum aufzuweisen, dass das Ausgangssignal mit wenigstens einem Teil der von dem ICE 208 erzeugten modifizierten elektromagnetischen Strahlung 210 positiv oder negativ korreliert. Beispielsweise kann die Spannung des Ausgangssignals bei einer positiven Korrelation dazu tendieren, anzusteigen, wenn die Konzentration der interessierenden Charakteristik zunimmt. Bei einer negativen Korrelation kann die Spannung des Ausgangssignals mit abnehmender Konzentration der interessierenden Charakteristik dazu tendieren, abzufallen.
Das dargestellte System in 4 beinhaltet einen zweiten Detektor 216. Der zweite Detektor 216 kann in einigen Fällen ein zweiter kapazitätsbasierter Nanomaterialdetektor sein. In alternativen Ausführungsformen kann der zweite Detektor 216, ohne darauf beschränkt zu sein, ein Wärmedetektor wie etwa eine Thermosäule oder ein fotoakustischer Detektor, ein Halbleiterdetektor, ein piezoelektrischer Detektor, ein Detektor mit ladungsgekoppelter Vorrichtung (CCD, charge coupled device), ein Video- oder Array-Detektor, ein geteilter Detektor, ein Vierquadrantendetektor, ein Photonendetektor (etwa ein Photoelektronenvervielfacher), Fotodioden, Kombinationen davon oder dergleichen oder andere Detektoren sein, die dem Fachmann bekannt sind.
In einigen Ausführungsformen kann ein zweiter Detektor 216 vorhanden sein und dazu angeordnet sein, das reflektierte Licht mit optischer Interaktion 214 zu erfassen. In anderen Ausführungsformen kann der zweite Detektor 216 dazu angeordnet sein, das Licht mit optischer Interaktion 204, 206, das von dem Material 202 erlangt wird, oder elektromagnetische Strahlung zu erfassen, die zum oder vor das Material 202 gelenkt wird. Ohne Einschränkung kann der zweite Detektor 216 verwendet werden, um Abstrahlungsabweichungen zu erfassen, die auf eine Quelle elektromagnetischer Strahlung (nicht dargestellt) zurückgehen, die die elektromagnetische Strahlung (d. h. Licht) an die Vorrichtung 200 bereitstellt. Abstrahlungsabweichungen können beispielsweise, ohne darauf beschränkt zu sein, Intensitätsschwankungen der elektromagnetischen Strahlung, Interferenzschwankungen (z. B. Staub oder andere Störeinflüsse, die sich vor der Quelle elektromagnetischer Strahlung vorbei bewegen), Beschichtungen auf Fenstern, die die optische Rechenvorrichtung 200 beinhaltet, Kombinationen davon oder dergleichen beinhalten. In einigen Ausführungsformen kann ein Strahlteiler (nicht dargestellt) benutzt werden, um die elektromagnetische Strahlung 204, 206 zu teilen, und die durchgelassene oder reflektierte elektromagnetischen Strahlung kann dann zu zwei oder mehr ICE 208 gelenkt werden. Das heißt, in diesen Ausführungsformen funktioniert das ICE 208 nicht als eine Art von Strahlteiler, wie in 4 gezeigt, und die durchgelassene oder reflektierte elektromagnetische Strahlung tritt einfach durch das ICE 208, in dem sie rechnerisch verarbeitet wird, bevor sie dann zum kapazitätsbasierten Nanomaterialdetektor 212 gelangt.
Bezug nehmend auf 5 ist ein beispielhaftes System 300 zum Überwachen oder Bestimmen einer bestimmten Charakteristik eines Materials 302 gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen dargestellt. In der dargestellten Ausführungsform kann sich das Material 302 in einem Strömungsweg 304 befinden, obwohl das Material 302 nicht in einem Strömungsweg 304 aufgenommen sein muss, um mit den hierin beschriebenen Ausführungsformen übereinzustimmen. Der Strömungsweg 304 kann beispielsweise ein Abschnitt einer Probenkammer in einer Formationsprüfvorrichtung oder ein Abschnitt eines Bohrlochs oder dergleichen sein. Das Material 302 kann im Strömungsweg 304 fließen oder sich anderweitig darin bewegen und in der allgemeinen Richtung strömen, die durch die Pfeile A angezeigt ist (d. h. stromaufwärts nach stromabwärts). Es versteht sich jedoch, dass der Strömungsweg 304 in beliebiger Richtung erfolgen kann, darunter einer kreisförmigen Richtung, ohne vom Umfang der vorliegenden Offenbarung abzuweichen.
Das System 300 kann wenigstens eine optische Rechenvorrichtung 306 beinhalten, die in einigen Aspekten der optischen Rechenvorrichtung 200 aus 4 gleichen kann. Obwohl nicht dargestellt, kann die Vorrichtung 306 in einer Einschließung oder einem Gehäuse aufgenommen sein, die bzw. das dazu konfiguriert ist, die internen Komponenten der Vorrichtung 306 vor Beschädigung oder Kontamination durch die Außenumgebung im Wesentlichen zu schützen. Das Gehäuse kann wirksam sein, um die Vorrichtung 306 beispielsweise durch mechanische Befestiger, Löt- oder Schweißtechniken, Klebstoffe, Magnete, andere Befestigungsvorrichtungen, Kombinationen davon oder dergleichen mechanisch an den Strömungsweg 304 zu koppeln oder in anderer Weise damit in Verbindung zu setzen.
Wie nachstehend ausführlicher beschrieben, kann die optische Rechenvorrichtung 306 nützlich sein, um eine bestimmte Charakteristik eines Materials 302, etwas eines Materials im Strömungsweg 304, zu bestimmen. Beispielsweise kann die Charakteristik des Materials 302 die Konzentration eines im Material 302 vorhandenen Analyten sein. In einigen Ausführungsformen kann die Vorrichtung 306 eine Quelle elektromagnetischer Strahlung 308 beinhalten, die dazu konfiguriert ist, elektromagnetische Strahlung 310 abzugeben oder in anderer Weise zu erzeugen. Die Quelle elektromagnetischer Strahlung 308 kann eine beliebige Vorrichtung sein, die elektromagnetische Strahlung wie hier definiert abgeben oder erzeugen kann. Beispielsweise kann die Quelle elektromagnetischer Strahlung 308 eine Glühbirne, eine Leuchtvorrichtung (LED), ein Laser, ein Schwarzkörper, ein photonischer Kristall, eine Röntgenquelle, Kombinationen davon oder dergleichen sein. In einigen Ausführungsformen kann eine Linse 312 dazu konfiguriert sein, die elektromagnetische Strahlung 310 aufzufangen oder in anderer Weise aufzunehmen und einen Strahl 314 elektromagnetischer Strahlung 310 in einem Optiksystem zum Material 302 zu lenken. Bei der Linse 312 kann es sich um eine beliebige Art optischer Vorrichtung handeln, die dazu konfiguriert ist, die elektromagnetische Strahlung 310 wie gewünscht durchzulassen oder in anderer Weise zu leiten. Beispielsweise kann die Linse 312 eine normale Linse, eine Fresnel-Linse, ein optisches Brechungselement, ein holografisches grafisches Element, ein Spiegel (z. B. Fokussierungsspiegel), eine Art Kollimator oder eine beliebige andere elektromagnetische Strahlung durchlassende Vorrichtung sein, die dem Fachmann bekannt ist. In anderen Ausführungsformen kann die Linse 312 aus der Vorrichtung 306 wegfallen und die elektromagnetische Strahlung 310 kann stattdessen direkt von der Quelle 308 elektromagnetischer Strahlung im Optiksystem zum Material 302 geleitet werden.
In einer oder mehreren Ausführungsformen kann die Vorrichtung 306 auch ein Abtastfenster 316 beinhalten, das benachbart zu dem Material 302 angeordnet ist oder in anderer Weise zu Erfassungszwecken damit in Kontakt steht. Das Abtastfenster 316 kann aus verschiedenen transparenten, starren oder halbstarren Materialien gebildet sein, die dazu konfiguriert sind, das Durchlassen der elektromagnetische Strahlung 310 zuzulassen. Beispielsweise kann das Abtastfenster 316, ohne darauf beschränkt zu sein, aus Glasen, Kunststoffen, Halbleitern, Kristallmaterialien, Polykristallmaterialien, heiß- oder kaltverpresssten Pulvern, Kombinationen davon oder dergleichen gebildet sein. Obwohl ein Abtastfenster 316 in 5 als Teil des Systems 300 gezeigt ist, versteht es sich, dass ein Abtastfenster 316 aus dem System 300 wegfallen kann und die elektromagnetische Strahlung 310 direkt optisch mit dem Material 302 interagieren kann, ohne zuerst durch ein Abtastfenster 316 zu treten, ohne vom Umfang der vorliegenden Offenbarung abzuweichen.
Wenn die elektromagnetische Strahlung 310 wie gezeigt durch das Abtastfenster 316 getreten ist, trifft sie auf das Material 302 im Strömungsweg 304 und interagiert optisch damit. Auf diese Weise wird Strahlung mit optischer Interaktion 318 von dem Material 302 erzeugt und reflektiert. Der Fachmann wird jedoch erkennen, dass alternative Abwandlungen der Vorrichtung 306 zulassen können, dass die Strahlung mit optischer Interaktion 318 erzeugt wird, indem sie von dem Material 302 oder einem oder mehreren Analyten des Materials 302 durchgelassen, gestreut, gebrochen, absorbiert, abgestrahlt oder erneut abgestrahlt wird, ohne vom Umfang der vorliegenden Offenbarung abzuweichen.
Die Strahlung mit optischer Interaktion 318, die durch die Interaktion mit dem Material 302 erzeugt wird, kann zu einem IRE 320, das in der Vorrichtung 306 angeordnet ist, gelenkt werden oder in anderer Weise davon aufgenommen werden. Das IRE 320 kann eine Spektralkomponente sein, die im Wesentlichen dem IRE 100 gleicht, das oben unter Bezugnahme auf 3 beschrieben wurde. Entsprechend kann das IRE 320 dazu konfiguriert sein, die Strahlung mit optischer Interaktion 318 im Betrieb aufzunehmen und modifizierte elektromagnetische Strahlung 322 zu erzeugen, die einer bestimmten Charakteristik des interessierenden Materials 302 entspricht.
Es sei angemerkt, dass, wie zuvor erörtert, 5 zwar zeigt, dass das ICE 320 Strahlung mit optischer Interaktion 318 von dem Material 302 aufnimmt, das ICE 320 jedoch an einem beliebigen Punkt im Optiksystem der Vorrichtung 306 angeordnet sein kann, ohne vom Umfang der Offenbarung abzuweichen. Beispielsweise kann das IRE 320a in einer oder mehreren Ausführungsformen (wie durch Phantomlinien gezeigt) im Optiksystem vor dem Material 302 und der Vorrichtung 306 angeordnet sein und ebenfalls im Wesentlichen die gleichen Ergebnisse erzielen. Entsprechend kann die modifizierte elektromagnetische Strahlung 322 durch optisches Interagieren mit wenigstens einem ICE und dem Material 302 in beliebiger Reihenfolge erzeugt werden, ohne vom Umfang der vorliegenden Offenbarung abzuweichen. In anderen Ausführungsformen kann das Abtastfenster 316 einen doppelten Zweck als Durchlassfenster und als ICE (d. h. eine Spektralkomponente) erfüllen. In wieder anderen Ausführungsformen kann das IRE 320 die modifizierte elektromagnetische Strahlung 322 durch Reflexion anstelle von Durchlassen erzeugen.
Darüber hinaus ist zwar nur ein IRE 320 in der Vorrichtung 306 gezeigt, doch sind Ausführungsformen vorgesehen, die die Verwendung von wenigstens zwei IRE-Komponenten in der Vorrichtung 306 beinhalten, die dazu konfiguriert sind, zusammenwirkend die interessierende Charakteristik im Material 302 zu bestimmen. Beispielsweise können zwei oder mehr IRE-Komponenten an einem beliebigen Punkt im Optiksystem in Reihe oder parallel in der Vorrichtung 306 angeordnet und dazu konfiguriert sein, die elektromagnetische Strahlung 310 oder die Strahlung mit optischer Interaktion 318 aufzunehmen, um Empfindlichkeiten und Detektorbegrenzungen der Vorrichtung 306 zu verbessern. In anderen Ausführungsformen können zwei oder mehr IRE-Komponenten an einer beweglichen Baugruppe angeordnet sein, etwa einer Drehscheibe oder einem linearen Schwingungsarray, die bzw. das sich derart bewegt, dass die einzelnen IRE-Komponenten der elektromagnetischen Strahlung 310 für einen bestimmten kurzen Zeitraum ausgesetzt werden oder in anderer Weise optisch damit interagieren können. Die zwei oder mehr IRE-Komponenten können in beliebigen dieser Ausführungsformen dazu konfiguriert sein, der interessierenden Charakteristik im Material 302 zugeordnet oder nicht zugeordnet zu sein.
In einigen Ausführungsformen kann es wünschenswert sein, mehr als eine interessierende Charakteristik zugleich unter Verwendung der Vorrichtung 306 zu überwachen. In diesen Ausführungsformen können verschiedene Konfigurationen für mehrere IRE-Komponenten verwendet werden, wobei jede IRE-Komponente dazu konfiguriert ist, eine bestimmte und/oder separate interessierende Charakteristik zu erfassen, die beispielsweise einer Charakteristik des Materials 302 entspricht. In einigen Ausführungsformen kann die interessierende Charakteristik sequenziell unter Verwendung mehrerer ICE-Komponenten analysiert werden, wobei ein einzelner Strahl von Strahlung mit optischer Interaktion 318 von dem Material 302 reflektiert oder durchgelassen wird. In einigen Ausführungsformen können mehrere IRE-Komponenten 320 auf einer Drehscheibe angeordnet sein, wobei die einzelnen IRE-Komponenten dem Strahl von Strahlung mit optischer Interaktion 318 nur für eine kurze Zeit ausgesetzt werden. Zu den Vorteilen dieses Ansatz können die Fähigkeit, mehrere interessierende Charakteristiken eines Materials 302 (oder mehrerer Arten interessierender Materialien 302) unter Verwendung einer einzelnen Vorrichtung 306 und die Möglichkeit gehören, weitere Charakteristiken durch einfaches Hinzufügen weiterer ICE-Komponenten zu prüfen, die diesen weiteren Charakteristiken entsprechen oder unterschiedlichen Arten von interessierenden Materialien 302 entsprechen. Erneut sei angemerkt, dass die eine oder die mehreren ICE-Komponenten vor, nach oder vor und nach (d. h. wenn mehrere ICE-Komponenten verwendet werden) dem Material 302 angeordnet sein können, ohne vom Umfang der vorliegenden Offenbarung abzuweichen.
In anderen Ausführungsformen können mehrere Vorrichtungen 306 an einer einzelnen Stelle am Strömungsweg 304 angeordnet sein, wenn jede Vorrichtung 306 ein eigenes ICE enthält, das dazu konfiguriert ist, eine bestimmte interessierende Charakteristik des Materials 302 zu erfassen. In diesen Ausführungsformen kann ein Strahlteiler einen Teil der Strahlung mit optischer Interaktion 318 ablenken, die von dem Material 302 reflektiert, abgestrahlt oder davon in die jeweilige Vorrichtung 306 durchgelassen wird. Jede Vorrichtung 306 kann wiederum an einen entsprechenden kapazitätsbasierten Nanomaterialdetektor oder ein kapazitätsbasiertes Nanomaterialdetektorarray gekoppelt sein, der bzw. das dazu konfiguriert ist, eine Ausgabe elektromagnetischer Strahlung aus der jeweiligen Vorrichtung 306 zu erfassen und zu analysieren. Parallelkonfigurationen von optischen Rechenvorrichtungen 306 können besonders für Anwendungen nützlich sein, die Eingänge mit niedriger Leistung und/oder keine beweglichen Teile verlangen.
Die modifizierte elektromagnetische Strahlung 322, die vom IRE 320 erzeugt wird, kann anschließend zur Quantifizierung des Signals an einen kapazitätsbasierten Nanomaterialdetektor 324 geleitet werden.
In einigen Ausführungsformen kann der kapazitätsbasierte Nanomaterialdetektor 324 dazu konfiguriert sein, ein Ausgangssignal 326 in Echtzeit oder nahezu in Echtzeit in der Form einer Spannung (oder eines Stroms) zu erzeugen, die positiv oder negativ der bestimmten interessierenden Charakteristik des Materials 302 entspricht (d. h. ein Ausgangssignal 326, das die interessierende Charakteristik des Materials angibt). Auf diese Weise können das von dem kapazitätsbasierten Nanomaterialdetektor 324 erzeugte Ausgangssignal 326 und die interessierende Charakteristik eine Beziehung aufweisen, die direkt proportional ist oder einer ganzrationalen Funktion, einer Exponentialfunktion, einer logarithmischen Funktion, einer Kombinationen davon oder dergleichen entspricht.
In einigen Ausführungsformen kann die Vorrichtung 306 einen zweiten Detektor 328 beinhalten, der eine beliebige Vorrichtung sein kann, die elektromagnetische Strahlung erfassen kann. Der zweite Detektor 328, der dem zweiten Detektor 216 aus 3 gleichen kann, kann zum Erfassen von Strahlungsabweichungen verwendet werden, die auf die Quelle elektromagnetischer Strahlung 308 zurückgehen. Unerwünschte Variationen in der Stärke der elektromagnetischen Strahlung 310 können aus vielen verschiedenen Gründen auftreten und verschiedene negative Auswirkungen auf den Ausgang der Vorrichtung 306 haben. Diese negativen Auswirkungen können besonders für Messungen über Zeiträume hinweg nachteilig sein. In einigen Ausführungsformen können die Variationen aufgrund des Aufbaus von Film oder Material am Abtastfenster 316 auftreten, das derart wirken kann, dass es die Menge und Qualität des Lichts reduziert, das schließlich den ersten kapazitätsbasierten Nanomaterialdetektor 324 erreicht. Ohne angemessene Korrektur können Strahlungsabweichungen zu falschen Messwerten führen, und das Ausgangssignal 326 stünde dann nicht mehr primär oder genau mit der interessierenden Charakteristik in Beziehung.
Um diese Variationen der Lichtintensität zu korrigieren, kann der zweite Detektor 328 dazu konfiguriert sein, ein Korrektursignal 330 zu erzeugen, das allgemein die Strahlungsabweichungen der Quelle elektromagnetischer Strahlung 308 angibt, und dadurch das Ausgangssignal 326 zu normieren, das vom ersten kapazitätsbasierten Nanomaterialdetektor 324 erzeugt wird. Wie dargestellt, kann der zweite Detektor 328 dazu konfiguriert sein, einen Teil der Strahlung mit optischer Interaktion 318 über einen Strahlteiler 332 aufzunehmen, um diese Variationen zu erkennen. In anderen Ausführungsformen aber kann der zweite Detektor 328 dazu angeordnet sein, elektromagnetische Strahlung von einem beliebigen Abschnitt des Optiksystems in der Vorrichtung 306 aufzunehmen, um die Variationen der Quellenintensität zu erfassen, ohne vom Umfang der Offenbarung abzuweichen.
In einigen Anwendungen können das Ausgangssignal 326 und das Korrektursignal 330 an eine Signalverarbeitungseinheit 334, die kommunizierend an beide kapazitätsbasierte Nanomaterialdetektoren 324, 328 gekoppelt ist, gesendet oder in anderer Weise davon empfangen werden. Bei dem Signalprozessor 334 kann es sich um einen Computer mit einem nicht transitorischen maschinelesbaren Medium handeln, und er kann dazu konfiguriert sein, das Kompensationssignal 330 rechnerisch mit dem Ausgangssignal 326 zu kombinieren, um das Ausgangssignal 326 in Anbetracht etwaiger Lichtquellenintensitätsvariationen zu normieren, die von dem zweiten Detektor 328 erfasst werden, und ein resultierendes Ausgangssignal 336 zu erzeugen. In einigen Ausführungsformen kann das rechnerische Kombinieren der Ausgangs- und Korrektursignale 326, 330 das Berechnen eines Verhältnisses der zwei Signale 326, 330 einschließen. Beispielsweise kann die Konzentration oder Größe jeder interessierenden Charakteristik, die mit der optischen Rechenvorrichtung 306 bestimmt wurde, in einen Algorithmus eingegeben werden, der von dem Signalprozessor 334 ausgeführt wird.
Der Signalprozessor 334 kann dazu konfiguriert sein, das resultierende Ausgangssignal 336 bereitzustellen, das positiv oder negativ einer interessierenden Charakteristik im Material 302 entspricht. Das resultierende Ausgangssignal 336 kann von einem Bediener lesbar sein, der die Ergebnisse auswerten und, auf Grundlage des Ausgangssignals geeignete Anpassungen oder bei Bedarf notwendige Maßnahmen im Zusammenhang mit dem Material 302 vornehmen kann (z. B. eine Konzentration des Materials 302 oder eine Konzentration einer Charakteristik des Materials 302). In einigen Ausführungsformen kann der resultierende Signalausgang 336 drahtgebunden oder drahtlos zur Auswertung an einen Bediener übermittelt werden. In anderen Ausführungsformen kann das resultierende Ausgangssignal 336 der interessierenden Charakteristik vom Signalprozessor 334 als innerhalb oder außerhalb eines akzeptablen Grenzbereichs für einen bestimmten Betriebsvorgang liegend erkannt werden, und den Bediener über einen Messwert außerhalb des Bereichs informieren, damit Korrekturmaßnahmen ergriffen werden können, oder kann in anderer Weise autonom die geeignete Korrekturmaßnahme ergreifen, derart, dass das resultierende Ausgangssignal 336 zu einem Wert innerhalb des vorgegebenen oder vorprogrammierten Bereichs des geeigneten Betriebs zurückkehrt.
Bezug nehmend auf 6 wird ein Blockdiagramm dargestellt, das in nicht mechanistischer Weise veranschaulicht, wie eine optische Rechenvorrichtung 400 zwischen elektromagnetischer Strahlung im Zusammenhang mit einer interessierenden Charakteristik und anderer elektromagnetischer Strahlung unterscheiden kann. Wie in 6 gezeigt, erzeugt ein Material 402 nach dem Beleuchten mit einfallender elektromagnetischer Strahlung eine Ausgabe elektromagnetischer Strahlung (z. B. Licht mit optischer Interaktion), von der ein Teil elektromagnetische Strahlung 404 ist, die der interessierenden Charakteristik entspricht, und ein Teil elektromagnetische Hintergrundstrahlung 406 ist, die anderen Charakteristiken des Materials 402 entspricht. In einigen Ausführungsformen kann das Material 402 eine oder mehrere interessierende Charakteristiken beinhalten, die dem einen oder den mehreren Analyten des Materials 402 entsprechen.
Obwohl nicht spezifisch dargestellt, können ein oder mehrere Verarbeitungselemente in der optischen Rechenvorrichtung 400 benutzt werden, um die optischen Wellenlängen und/oder Bandbreiten des Systems einzuschränken und dadurch unerwünschte elektromagnetische Strahlung zu eliminieren, die in nicht relevanten Wellenlängenregionen vorliegt. Diese Verarbeitungselemente können an beliebiger Stelle im Optiksystem angeordnet sein, werden jedoch in der Regel direkt nach einer Lichtquelle benutzt, die die anfängliche elektromagnetische Strahlung bereitstellt.
Die Strahlen der elektromagnetischen Strahlung 404,406 fallen auf die optische Rechenvorrichtung 400, die ein beispielhaftes kapazitätsbasiertes Nanomaterial-ICE/einen beispielhaften kapazitätsbasierten Detektor 408 enthält. In der dargestellten Ausführungsform können die Materialien in Nanogröße des kapazitätsbasierten Nanomaterial-ICE/Detektors 408 so ausgewählt sein, dass sie eine gewünschte wellenlängenabhängige Antwortfunktion, die der interessierenden Charakteristik des Materials 402 entspricht. Beispielsweise kann das Absorptionsspektrum eine wellenlängenabhängige Antwortfunktion sein, die einen Vektor (z. B. einen geladenen Regressionsvektor, einen Ladungsvektor oder dergleichen) auf die elektromagnetische Strahlung 404 anwendet, die der interessierenden Charakteristik entspricht. Beispielsweise beschreibt die US-Patentschrift Nr. 9,019,501 die Anwendung eines Vektors auf die aufgenommene elektromagnetische Strahlung unter Verwendung eines ICE, wobei das Absorptionsspektrum des kapazitätsbasierten Nanomaterial-ICE/Detektors 408 mittels Resonanzverstärkung konfiguriert wird, um auf jeder Wellenlänge einen Satz auf die Regressionsgewichtungen anzuwenden, die in Bezug auf eine bekannte Gleichung oder Daten oder eine Spektralsignatur beschrieben werden, derart, dass die Intensität jeder Wellenlänge, die von dem kapazitätsbasierten Nanomaterial-ICE/Detektor 408 erfasst wird, mit der interessierenden Charakteristik in Beziehung steht.
Im Betrieb kann das gewünschte Absorptionsspektrum ausgewählt werden, um die elektromagnetische Strahlung 404 unter Verwendung der hierin beschriebenen Resonanzabstimmungsprinzipien von der elektromagnetischen Hintergrundstrahlung 406 zu unterscheiden. Das kapazitätsbasierte Nanomaterial-ICE/der kapazitätsbasierte Detektor 408 kann auch die elektromagnetische Strahlung 404 analysieren und quantifizieren, die der interessierenden Charakteristik des Materials 402 entspricht (z. B. auf Grundlage des Absorptionsspektrums).
Das kapazitätsbasierte Nanomaterial-ICE/der kapazitätsbasierte Detektor 408 kann dazu konfiguriert sein, ein Ausgangssignal in der Form einer Spannung zu erzeugen, das der bestimmten Charakteristik des Materials 402 entspricht. In wenigstens einer Ausführungsform kann das Signal, das von dem kapazitätsbasierten Nanomaterial-ICE/Detektor 408 erzeugt wird, direkt proportional zur Charakteristik eines Materials 402 (z. B. Konzentration eines Analyten) sein. In anderen Ausführungsformen kann die Beziehung eine ganzrationale Funktion, eine Exponentialfunktion und/oder eine Logarithmusfunktion sein.
Bezug nehmend auf 7 ist ein beispielhaftes System 500 zum Überwachen oder Bestimmen einer bestimmten Charakteristik eines Materials 502 gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen dargestellt. In der dargestellten Ausführungsform kann sich das Material 502 in einem Strömungsweg 504 befinden, obwohl das Material 502 nicht in einem Strömungsweg 504 aufgenommen sein muss, um mit den hierin beschriebenen Ausführungsformen übereinzustimmen. Der Strömungsweg 504 kann beispielsweise ein Abschnitt einer Probenkammer in einer Formationsprüfvorrichtung oder ein Abschnitt eines Bohrlochs oder dergleichen sein. Das Material 502 kann im Strömungsweg 504 fließen oder sich anderweitig darin bewegen und in der allgemeinen Richtung strömen, die durch die Pfeile A angezeigt ist (d. h. stromaufwärts nach stromabwärts). Es versteht sich jedoch, dass der Strömungsweg 504 in beliebiger Richtung erfolgen kann, darunter einer kreisförmigen Richtung, ohne vom Umfang der vorliegenden Offenbarung abzuweichen.
Das System 500 kann wenigstens eine optische Rechenvorrichtung 506 beinhalten, die in einigen Aspekten der optischen Rechenvorrichtung 200 aus 4 gleichen kann. Obwohl nicht dargestellt, kann die Vorrichtung 506 in einer Einschließung oder einem Gehäuse aufgenommen sein, die bzw. das dazu konfiguriert ist, die internen Komponenten der Vorrichtung 506 vor Beschädigung oder Kontamination durch die Außenumgebung im Wesentlichen zu schützen. Das Gehäuse kann wirksam sein, um die Vorrichtung 506 beispielsweise durch mechanische Befestiger, Löt- oder Schweißtechniken, Klebstoffe, Magnete, andere Befestigungsvorrichtungen, Kombinationen davon oder dergleichen mechanisch an den Strömungsweg 504 zu koppeln oder in anderer Weise damit in Verbindung zu setzen.
Die optische Rechenvorrichtung 506 kann beim Bestimmen einer bestimmten Charakteristik eines Materials 502 nützlich sein, wie hierin beschrieben. In einigen Ausführungsformen kann die Vorrichtung 506 eine Quelle elektromagnetischer Strahlung 508 beinhalten, die dazu konfiguriert ist, elektromagnetische Strahlung 510 abzugeben oder in anderer Weise zu erzeugen. Die Quelle elektromagnetischer Strahlung 508 kann eine beliebige Vorrichtung sein, die elektromagnetische Strahlung wie hier definiert abgeben oder erzeugen kann. In einigen Ausführungsformen kann eine Linse 512 dazu konfiguriert sein, die elektromagnetische Strahlung 510 aufzufangen oder in anderer Weise aufzunehmen und einen Strahl 514 elektromagnetischer Strahlung 510 in einem Optiksystem zum Material 502 zu lenken. In anderen Ausführungsformen kann die Linse 512 aus der Vorrichtung 506 wegfallen und die elektromagnetische Strahlung 510 kann stattdessen direkt von der Quelle 508 elektromagnetischer Strahlung im Optiksystem zum Material 502 geleitet werden.
In einer oder mehreren Ausführungsformen kann die Vorrichtung 506 auch ein Abtastfenster 516 beinhalten, das benachbart zu dem Material 502 angeordnet ist oder in anderer Weise zu Erfassungszwecken damit in Kontakt steht. Obwohl ein Abtastfenster 516 in 7 als Teil des Systems 500 gezeigt ist, versteht es sich, dass ein Abtastfenster 516 aus dem System 500 wegfallen kann und die elektromagnetische Strahlung 510 direkt optisch mit dem Material 502 interagieren kann, ohne zuerst durch ein Abtastfenster 516 zu treten, ohne vom Umfang der vorliegenden Offenbarung abzuweichen.
Wenn die elektromagnetische Strahlung 510 wie gezeigt durch das Abtastfenster 516 getreten ist, trifft sie auf das Material 502 im Strömungsweg 504 und interagiert optisch damit. Auf diese Weise wird Strahlung mit optischer Interaktion 518 von dem Material 502 erzeugt und reflektiert. Der Fachmann wird jedoch erkennen, dass alternative Abwandlungen der Vorrichtung 506 zulassen können, dass die Strahlung mit optischer Interaktion 518 erzeugt wird, indem sie von dem Material 502 oder einem oder mehreren Analyten des Materials 502 durchgelassen, gestreut, gebrochen, absorbiert, abgestrahlt oder erneut abgestrahlt wird, ohne vom Umfang der vorliegenden Offenbarung abzuweichen.
Die Strahlung mit optischer Interaktion 518, die durch die Interaktion mit dem Material 502 erzeugt wird, kann zu einem hier beschriebenen kapazitätsbasierten Nanomaterial-ICE/Detektor 520 (z. B. gleich oder ähnlich dem kapazitätsbasierten Nanomaterial-ICE/Detektor 408), das bzw. der in der Vorrichtung 506 angeordnet ist, gelenkt oder anderweitig davon aufgenommen werden. Obwohl nur ein kapazitätsbasiertes Nanomaterial-ICE/ein kapazitätsbasierter Detektor 520 in der Vorrichtung 506 gezeigt ist, sind Ausführungsformen hierin vorgesehen, die die Verwendung von wenigstens zwei kapazitätsbasierten Nanomaterial-ICE/Detektoren in der Vorrichtung 506 beinhalten, die dazu konfiguriert sind, zusammenwirkend die interessierende Charakteristik im Material 502 zu bestimmen. Beispielsweise können zwei oder mehr kapazitätsbasierte Nanomaterial-ICE/Detektoren an einem beliebigen Punkt im Optiksystem parallel in der Vorrichtung 506 angeordnet und dazu konfiguriert sein, die Strahlung mit optischer Interaktion 518 aufzunehmen, um Empfindlichkeiten und Detektorbegrenzungen der Vorrichtung 506 zu verbessern. In anderen Ausführungsformen können zwei oder mehr kapazitätsbasierte Nanomaterial-ICE/Detektoren an einer beweglichen Baugruppe angeordnet sein, etwa einer Drehscheibe oder einem linearen Schwingungsarray, die bzw. das sich derart bewegt, dass die einzelnen kapazitätsbasierten Nanomaterial-ICE/Detektoren der elektromagnetischen Strahlung 510 für einen bestimmten kurzen Zeitraum ausgesetzt werden oder in anderer Weise optisch damit interagieren können. Die zwei oder mehr kapazitätsbasierten Nanomaterial-ICE/Detektoren können in beliebigen dieser Ausführungsformen dazu konfiguriert sein, der interessierenden Charakteristik im Material 502 zugeordnet oder nicht zugeordnet zu sein. In einigen Ausführungsformen können mehrere kapazitätsbasierte Nanomaterial-ICE/Detektoren 520 auf einer Drehscheibe angeordnet sein, wobei die einzelnen IRE-Komponenten dem Strahl von Strahlung mit optischer Interaktion 518 nur für eine kurze Zeit ausgesetzt werden.
In anderen Ausführungsformen können mehrere Vorrichtungen 506 an einer einzelnen Stelle am Strömungsweg 504 angeordnet sein, wenn jede Vorrichtung 506 ein eigenes kapazitätsbasiertes Nanomaterial-ICE/einen eigenen kapazitätsbasierten Detektor 420 enthält, das bzw. der dazu konfiguriert ist, eine bestimmte interessierende Charakteristik des Materials 502 zu erfassen. In diesen Ausführungsformen kann ein Strahlteiler einen Teil der Strahlung mit optischer Interaktion 518 ablenken, die von dem Material 502 reflektiert, abgestrahlt oder davon in die jeweilige Vorrichtung 506 durchgelassen wird. Jede Vorrichtung 506 erfasst und analysiert eine Ausgabe elektromagnetischer Strahlung von der jeweiligen Vorrichtung 506. Parallelkonfigurationen von optischen Rechenvorrichtungen 506 können besonders für Anwendungen nützlich sein, die Eingänge mit niedriger Leistung und/oder keine beweglichen Teile verlangen.
In einigen Ausführungsformen kann die Vorrichtung 506 einen zweiten Detektor 528 beinhaltet, der wahlweise ein kapazitätsbasierter Nanomaterialdetektor ähnlich dem ersten kapazitätsbasierten Nanomaterialdetektor 520 oder eine andere Art von Detektor (z. B. ähnlich dem zweiten Detektor 216 aus 4) sein kann. Der zweite Detektor 528 kann dazu verwendet werden, Strahlungsabweichungen zu erkennen, die von der elektromagnetischen Strahlungsquelle 508 herrühren. Unerwünschte Variationen in der Stärke der elektromagnetischen Strahlung 510 können aus vielen verschiedenen Gründen auftreten und verschiedene negative Auswirkungen auf den Ausgang der Vorrichtung 506 haben. Diese negativen Auswirkungen können besonders für Messungen über Zeiträume hinweg nachteilig sein. In einigen Ausführungsformen können die Variationen aufgrund des Aufbaus von Film oder Material am Abtastfenster 516 auftreten, das derart wirken kann, dass es die Menge und Qualität des Lichts reduziert, das schließlich den ersten kapazitätsbasierten Nanomaterialdetektor 520 erreicht. Ohne angemessene Korrektur können Strahlungsabweichungen zu falschen Messwerten führen, und das Ausgangssignal 526 stünde dann nicht mehr primär oder genau mit der interessierenden Charakteristik in Beziehung.
Um diese Variationen der Lichtintensität zu korrigieren, kann der zweite Detektor 528 dazu konfiguriert sein, ein Korrektursignal 530 zu erzeugen, das allgemein die Strahlungsabweichungen der Quelle elektromagnetischer Strahlung 508 angibt, und dadurch das Ausgangssignal 526 zu normieren, das vom ersten kapazitätsbasierten Nanomaterialdetektor 520 erzeugt wird. Wie dargestellt, kann der zweite Detektor 528 dazu konfiguriert sein, einen Teil der Strahlung mit optischer Interaktion 518 über einen Strahlteiler 532 aufzunehmen, um diese Variationen zu erkennen. In anderen Ausführungsformen aber kann der zweite Detektor 528 dazu angeordnet sein, elektromagnetische Strahlung von einem beliebigen Abschnitt des Optiksystems in der Vorrichtung 506 aufzunehmen, um die Variationen der Quellenintensität zu erfassen, ohne vom Umfang der Offenbarung abzuweichen.
In einigen Anwendungen können das Ausgangssignal 526 und das Korrektursignal 530 an eine Signalverarbeitungseinheit 534, die kommunizierend an sowohl an die kapazitätsbasierten Nanomaterialdetektoren 520 als auch den zweiten Detektor 528 gekoppelt ist, gesendet oder in anderer Weise davon empfangen werden. Bei dem Signalprozessor 534 kann es sich um einen Computer mit einem nicht transitorischen maschinelesbaren Medium handeln, und er kann dazu konfiguriert sein, das Kompensationssignal 530 rechnerisch mit dem Ausgangssignal 526 zu kombinieren, um das Ausgangssignal 526 in Anbetracht etwaiger Lichtquellenintensitätsvariationen zu normieren, die von dem zweiten Detektor 528 erfasst werden, und ein resultierendes Ausgangssignal 536 zu erzeugen. In einigen Ausführungsformen kann das rechnerische Kombinieren der Ausgangs- und Korrektursignale 526, 530 das Berechnen eines Verhältnisses der zwei Signale 526, 530 einschließen. Beispielsweise kann die Konzentration oder Größe jeder interessierenden Charakteristik, die mit der optischen Rechenvorrichtung 506 bestimmt wurde, in einen Algorithmus eingegeben werden, der von dem Signalprozessor 534 ausgeführt wird.
Der Signalprozessor 534 kann dazu konfiguriert sein, das resultierende Ausgangssignal 536 bereitzustellen, das einer interessierenden Charakteristik im Material 502 entspricht. Das resultierende Ausgangssignal 536 kann von einem Bediener lesbar sein, der die Ergebnisse auswerten und, auf Grundlage des Ausgangssignals geeignete Anpassungen oder bei Bedarf notwendige Maßnahmen im Zusammenhang mit dem Material 502 vornehmen kann (z. B. eine Konzentration des Materials 502 oder eine Konzentration einer Charakteristik des Materials 502). In einigen Ausführungsformen kann der resultierende Signalausgang 536 drahtgebunden oder drahtlos zur Auswertung an einen Bediener übermittelt werden. In anderen Ausführungsformen kann das resultierende Ausgangssignal 536 der interessierenden Charakteristik vom Signalprozessor 534 als innerhalb oder außerhalb eines akzeptablen Grenzbereichs für einen bestimmten Betriebsvorgang liegend erkannt werden, und den Bediener über einen Messwert außerhalb des Bereichs informieren, damit Korrekturmaßnahmen ergriffen werden können, oder kann in anderer Weise autonom die geeignete Korrekturmaßnahme ergreifen, derart, dass das resultierende Ausgangssignal 536 zu einem Wert innerhalb des vorgegebenen oder vorprogrammierten Bereichs des geeigneten Betriebs zurückkehrt.
In einigen Ausführungsformen kann die Größe der interessierenden Charakteristik, die unter Verwendung einer hierin beschriebenen optischen Rechenvorrichtung 200, 300, 400, 500 bestimmt wird, in einen Algorithmus eingegeben werden, der unter der Steuerung eines Computers arbeitet. Der Algorithmus kann dazu konfiguriert sein, zu bestimmen, ob das Material oder die interessierende Charakteristik des Materials innerhalb programmierter akzeptabler Grenze liegt, die abhängig von einem bestimmten Betriebsvorgang enger gesetzt werden können. In einigen Ausführungsformen kann der Algorithmus eine Ausgabe erzeugen, die von einem Bediener lesbar ist, der bei Bedarf manuell geeignete Anpassungen oder notwendige Maßnahmen auf Grundlage der gemeldeten Ausgabe vornehmen kann. In einigen Ausführungsformen kann der Algorithmus dazu anweisen, wie eine Korrekturmaßnahme zu ergreifen ist (z. B. wie die Menge des Materials oder der interessierenden Charakteristik des Materials in akzeptable Grenzen gebracht werden kann). In anderen Ausführungsformen kann der Algorithmus eine aktive Prozesssteuerung übernehmen (z. B. den Betrieb anhalten, eine Zusammensetzung ändern, die das Material oder die interessierende Charakteristik des Materials umfasst, und dergleichen). Es sei angemerkt, dass der Algorithmus (z. B. ein künstliches neuronales Netz) unter Verwendung von Materialien mit vorgegebenen interessierenden Charakteristiken eingelernt werden und dadurch eine virtuelle Bibliothek erzeugt werden kann. Wenn die dem neuronalen Netz zur Verfügung stehende virtuelle Bibliothek größer wird, kann sich die Fähigkeit des neuronalen Netzes zur genauen Vorhersage des Materials oder der interessierenden Charakteristik des Materials verbessern. Mit ausreichender Einlernung kann das künstliche neuronale Netz das Material oder die interessierende Charakteristik des Materials selbst bei Vorliegen unbekannter Analyten genauer vorhersagen.
In einigen Ausführungsformen können die Daten, die unter Verwendung einer oder mehrerer hierin beschriebener optischer Rechenvorrichtungen 200, 300, 400, 500 gesammelt werden, zusammen mit Daten im Zusammenhang mit Betriebsparametern archiviert werden, die an einem Einsatzort gemessen werden. Die Leistungsbeurteilung des Einsatzes kann dann durchgeführt und für künftige Betriebsvorgänge verbessert werden, oder die Informationen können zum Gestalten nachfolgender Betriebsvorgänge verwendet werden. Außerdem können die Daten und Informationen durch ein Kommunikationssystem (z. B. Satellitenkommunikation oder Fernnetzkommunikation) (drahtgebunden oder drahtlos) zur weiteren Analyse an einen entfernten Standort übermittelt werden. Das Kommunikationssystem kann auch eine Überwachung aus der Ferner ermöglichen. Die automatische Steuerung mit einem Kommunikationssystem hoher Reichweite kann die Ausführung der entfernten Einsatzvorgänge weiter erleichtern. Insbesondere kann in einigen Ausführungsformen ein künstliches neuronales Netz verwendet werden, um die Ausführung entfernter Einsatzvorgänge zu erleichtern. Das heißt, entfernte Einsatzvorgänge können in einigen Ausführungsformen automatisch ausgeführt werden. In anderen Ausführungsformen können entfernte Einsatzvorgänge jedoch unter direkter Steuerung durch einen Bediener stattfinden, wobei der Bediener nicht am Einsatzstandort anwesend ist (z. B. über Funktechnik).
Es versteht sich, dass die verschiedenen vorliegenden Ausführungsformen, die Computersteuerungs- und künstliche neuronale Netze betreffen, welche verschiedene Blöcke, Module, Elemente, Komponenten, Verfahren und Algorithmen beinhalten, mithilfe von Computerhardware, Software, Kombinationen davon und dergleichen implementiert werden können. Um diese Austauschbarkeit von Hardware und Software zu verdeutlichen, wurden verschiedene veranschaulichende Blöcke, Module, Elemente, Komponenten, Verfahren und Algorithmen allgemein hinsichtlich ihrer Funktionsweise beschrieben. Ob eine solche Funktionsweise is als Hardware oder Software implementiert wird, hängt von der jeweiligen Anwendung und etwaigen dafür geltenden Auslegungsbeschränkungen ab. Aus diesem Grund allein versteht es sich, dass ein einschlägiger Durchschnittsfachmann die beschriebenen Funktionen in unterschiedlicher Weise für eine bestimmte Anwendung implementieren kann. Darüber hinaus können verschiedene Komponenten und Blöcke beispielsweise in anderer Reihenfolge angeordnet oder anders partitioniert werden, ohne vom Umfang der ausdrücklich beschriebenen Ausführungsformen abzuweichen.
Computerhardware, die zum Implementieren der verschiedenen veranschaulichenden hier beschriebenen Blöcke, Module, Elemente, Komponenten, Verfahren und Algorithmen verwendet wird, kann einen Prozessor beinhalten, der dazu konfiguriert ist, eine oder mehrere Sequenzen von Anweisungen, Programmierungsstandpunkte [sic!] oder Code auszuführen, die bzw. der auf einem nicht flüchtigen, computerlesbaren Medium gespeichert sind bzw. ist. Der Prozessor kann beispielsweise ein allgemeiner Mikroprozessor, ein Mikrocontroller, eine digitale Signalverarbeitungseinheit, eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung, ein feldprogrammierbares Gate-Array, eine programmierbare Logikvorrichtung, ein Controller, eine Zustandsmaschine, eine Gate-Logik, separate Hardwarekomponenten, ein künstliches neuronales Netz oder beliebige ähnliche geeignete Einheiten sein, die Berechnungen oder andere Verarbeitungen von Daten durchführen können. In einigen Ausführungsformen kann Computerhardware ferner Elemente wie beispielsweise einen Speicher (z. B. Direktzugriffspeicher (RAM), Flash-Speicher, Nurlesespeicher (ROM), programmierbaren Nurlesespeicher (PROM), löschbaren programmierbaren Nurlesespeicher (EPROM)), Register, Festplatten, Wechseldatenträger, CD-ROMS, DVDs oder eine beliebige andere ähnliche geeignete Speichervorrichtung oder ein beliebiges anderes ähnliches geeignetes Speichermedium beinhalten.
Hier beschriebene ausführbare Sequenzen können mit einer oder mehreren Codesequenzen implementiert werden, die in einem Speicher enthalten sind. In einigen Ausführungsformen kann dieser Code von einem anderen maschinenlesbare Medium in den Speicher eingelesen werden. Die Ausführung der Sequenzen von Anweisungen, die im Speicher enthalten sind, kann einen Prozessor veranlassen, die hier beschriebenen Prozessschritte auszuführen. Ein oder mehrere Prozessoren in einer Multiprozessoranordnung können ebenfalls verwendet werden, um Anweisungssequenzen im Speicher auszuführen. Außerdem können fest verdrahtete Schaltungen anstelle von oder in Kombination mit Softwareanweisungen verwendet werden, um verschiedene hier beschriebene Ausführungsformen zu implementieren. Somit sind die vorliegenden Ausführungsformen nicht auf eine spezifische Kombination von Hardware und/oder Software beschränkt.
Im hier verwendeten Sinne bezeichnet ein maschinenlesbare Medium ein beliebiges Medium, das direkt oder indirekt Anweisungen zur Ausführung an einen Prozessor bereitstellt. Ein maschinenlesbares Medium kann viele Formen annehmen, darunter beispielsweise nicht flüchtige Medien, flüchtige Medien und Übertragungsmedien. Nicht flüchtige Medien können beispielsweise optische und magnetische Disks beinhalten. Flüchtige Medien können beispielsweise dynamischen Speicher beinhalten. Übertragungsmedien können beispielsweise Koaxialkabel, Draht, Glasfaser und Drähte beinhalten, die einen Datenbus bilden. Häufige Formen maschinenlesbarer Medien können beispielsweise Disketten, flexible Disks, Festplatten, Magnetbänder, andere ähnliche magnetische Medien, CD-ROMs, DVDs, andere ähnliche optische Medien, Lochkarten, Papierbänder und ähnliche physische Medien mit strukturierter Lochung, RAM, ROM, PROM, EPROM und Flash-EPROM beinhalten.
Es ist auch zu beachten, dass die verschiedenen hier bereitgestellten Zeichnungen weder unbedingt maßstabsgetreu noch optisch korrekt nach dem Verständnis eines Fachmanns auf dem Gebiet der Optik sind. Stattdessen sind die Zeichnungen nur veranschaulichend und werden hier allgemein verwendet, um das Verständnis der hier bereitgestellten Systeme und Verfahren zu fördern. Obwohl die Zeichnungen zwar nicht optisch genau sein mögen, spiegeln die darin abgebildeten konzeptuellen Interpretationen jedoch die beispielhafte Natur der verschiedenen offenbarten Ausführungsformen korrekt wider.
Die hierin beschriebenen Ausführungsformen beinhalten die Ausführungsformen A, B, C und D.
Ausführungsform A ist eine optische Rechenvorrichtung, umfassend: eine Lichtquelle, die elektromagnetische Strahlung in ein Optiksystem abstrahlt, das sich von der Lichtquelle zu einem kapazitätsbasierten Nanomaterialdetektor erstreckt, der ein oder mehrere Materialien in Nanogröße umfasst, die ein Absorptionsspektrum aufweisen; ein Material und einen integrierten Rechenelement(ICE)-Kern, die im Optiksystem angeordnet sind, um optisch mit der elektromagnetischen Strahlung zu interagieren und dadurch modifizierte elektromagnetische Strahlung zu interagieren, wobei das Material eine interessierende Charakteristik beinhaltet und der ICE-Kern einen Vektor auf die elektromagnetische Strahlung anwendet, die mit der interessierenden Charakteristik in Beziehung steht, und wobei der kapazitätsbasierte Nanomaterialdetektor die modifizierte elektromagnetische Strahlung aufnimmt und ein Ausgangssignal erzeugt, das die interessierende Charakteristik angibt.
Ausführungsform A kann wahlweise ein oder mehrere der folgenden beinhalten: Element 1: wobei das Ausgangssignal des kapazitätsbasierten Nanomaterialdetektors positiv mit der interessierenden Charakteristik korreliert ist; Element 2: wobei das Ausgangssignal des kapazitätsbasierten Nanomaterialdetektors negativ mit der interessierenden Charakteristik korreliert ist; Element 3: wobei der kapazitätsbasierte Nanomaterialdetektor ein erster Detektor ist und wobei die optische Rechenvorrichtung ferner einen zweiten Detektor und einen Strahlteiler umfasst, wobei der Strahlteiler im Optiksystem angeordnet ist, um die modifizierte elektromagnetische Strahlung aufzunehmen und die modifizierte elektromagnetische Strahlung zum ersten und zweiten Detektor zu lenken; Element 4: Element 3 und wobei der zweite Detektor ein zweiter kapazitätsbasierter Nanomaterialdetektor ist; Element 5: wobei das eine oder die mehreren Materialien in Nanogröße wenigstens eins umfassen, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Si, Ge, Si_xGe_y (x+y=1, 0<x<1), GaAs und GaSb; und Element 6: wobei das eine oder die mehreren Materialien in Nanogröße wenigstens ein Nanopartikel umfassen, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus einem Film, einem Draht, einem Stab, einer Röhre, einem Stern und einer Scheibe. Beispielhafte Kombinationen können ohne Beschränkungen folgendes beinhalten: Element 1 oder 2 in Kombination mit Element 3 und wahlweise Element 4; Elements 5 und/oder 6 in Kombination mit Element 1 oder Element 2; Element 5 und/oder 6 in Kombination mit Element 3 und wahlweise Element 4 und wahlweise ferner in Kombination mit Element 1 oder 2; und Element 5 und 6 in Kombination.
Ausführungsform B ist ein Verfahren, umfassend: Abstrahlen elektromagnetischer Strahlung mit einer Lichtquelle in ein Optiksystem, das sich von der Lichtquelle zu einem kapazitätsbasierten Nanomaterialdetektor erstreckt, umfassend ein oder mehrere Materialien in Nanogröße, die dazu konfiguriert sind, ein Absorptionsspektrum aufzuweisen; optisches Interagierenlassen der elektromagnetischen Strahlung mit einem Material und einem integrierten Rechenelement(ICE)-Kern, die im Optiksystem angeordnet sind, wodurch modifizierte elektromagnetische Strahlung erzeugt wird, wobei das Material eine interessierende Charakteristik beinhaltet und der ICE-Kern einen Vektor auf die elektromagnetische Strahlung anwendet, der mit der interessierenden Charakteristik in Beziehung steht; Aufnehmen der modifizierten elektromagnetischen Strahlung mit dem kapazitätsbasierten Nanomaterialdetektor; und Erzeugen eines Ausgangssignals aus dem kapazitätsbasierten Nanomaterialdetektor, das die interessierende Charakteristik angibt.
Ausführungsform B kann wahlweise ein oder mehrere der folgenden beinhalten: Element 1; Element 2; Element 5; Element 6; Element 7: wobei der kapazitätsbasierte Nanomaterialdetektor ein erster Detektor ist und wobei das Verfahren ferner Lenken der modifizierten elektromagnetischen Strahlung mit einem Strahlteiler zu dem ersten Detektor und einem zweiten Detektor umfasst; Element 8: Element 7 und wobei der zweite Detektor ein zweiter kapazitätsbasierter Nanomaterialdetektor ist. Beispielhafte Kombinationen können ohne Beschränkungen folgendes beinhalten: Element 5 und/oder 6 in Kombination mit Element 7 und wahlweise Element 8; Element 1 oder 2 in Kombination mit Element 7 und wahlweise Element 8; und Elements 1 oder 2 in Kombination mit Elements 5 und/oder 6 und wahlweise in weiterer Kombination mit Element 7 und wahlweise Element 8.
Ausführungsform C ist eine optische Rechenvorrichtung, umfassend: eine Lichtquelle, die elektromagnetische Strahlung in ein Optiksystem abstrahlt, das sich von der Lichtquelle zu einem kapazitätsbasierten Nanomaterialdetektor erstreckt; ein Material mit einer interessierenden Charakteristik, das im Optiksystem angeordnet ist, um optisch mit der elektromagnetischen Strahlung zu interagieren und Licht mit optischer Interaktion zu erzeugen; und den kapazitätsbasierten Nanomaterialdetektor, der ein oder mehrere Materialien in Nanogröße umfasst, die dazu konfiguriert sind, ein Absorptionsspektrum aufzuweisen, das einer Resonanzabstimmung unterzogen wurde, und dazu konfiguriert sind, das Licht mit optischer Interaktion aufzunehmen, einen Vektor, der mit der interessierenden Charakteristik in Beziehung steht, auf das Licht mit optischer Interaktion anzuwenden unter Verwendung des Absorptionsspektrum, das einer Resonanzabstimmung unterzogen wurde, und ein Ausgangssignal zu erzeugen, das die interessierende Charakteristik angibt.
Ausführungsform D ist ein Verfahren, umfassend: Abstrahlen elektromagnetischer Strahlung mit einer Lichtquelle in ein Optiksystem, das sich von der Lichtquelle zu einem kapazitätsbasierten Nanomaterialdetektor erstreckt, umfassend ein oder mehrere Materialien in Nanogröße, die dazu konfiguriert sind, ein Absorptionsspektrum aufzuweisen, das einer Resonanzabstimmung unterzogen wurde; optisches Interagierenlassen der elektromagnetischen Strahlung mit einem Material, das eine interessierende Charakteristik aufweist und im Optiksystem angeordnet ist, wodurch Licht mit optischer Interaktion erzeugt wird; Aufnehmen des Lichts mit optischer Interaktion mit dem kapazitätsbasierte Nanomaterialdetektor; Anwenden eines Vektors, der mit der interessierenden Charakteristik in Beziehung steht, auf das Licht mit optischer Interaktion unter Verwendung des einer Resonanzabstimmung unterzogenen Absorptionsspektrums; und Erzeugen eines Ausgangssignals aus dem kapazitätsbasierten Nanomaterialdetektor, das die interessierende Charakteristik angibt.
Die Ausführungsformen C und D können wahlweise ein oder mehrere der folgenden beinhalten: Element 5; Element 6; Element 9: wobei das Ausgangssignal des kapazitätsbasierten Nanomaterialdetektors positiv mit der interessierenden Charakteristik korreliert ist; Element 10: wobei das Absorptionsspektrum des kapazitätsbasierten Nanomaterialdetektor einer Resonanzabstimmung unterzogen wurde, um negativ mit der interessierenden Charakteristik zu korrelieren; Element 11: wobei der kapazitätsbasierte Nanomaterialdetektor ein erster Detektor ist und wobei die optische Rechenvorrichtung ferner einen zweiten Detektor und einen Strahlteiler umfasst, wobei der Strahlteiler im Optiksystem angeordnet ist, um das Licht mit optischer Interaktion aufzunehmen und das Licht mit optischer Interaktion zum ersten und zweiten Detektor zu lenken; Element 12: Element 11 und wobei der zweite Detektor ein zweiter kapazitätsbasierter Nanomaterialdetektor ist, der ein oder mehrere Materialien in Nanogröße umfasst, die dazu konfiguriert sind, ein Absorptionsspektrum aufzuweisen, das einer Resonanzabstimmung unterzogen wurde, und konfiguriert sind, um das Licht mit optischer Interaktion aufzunehmen, einen Vektor, der mit der interessierenden Charakteristik in Beziehung steht, unter Verwendung des einer Resonanzabstimmung unterzogenen Absorptionsspektrums auf das Licht mit optischer Interaktion anzuwenden, und ein Ausgangssignal zu erzeugen, das die interessierende Charakteristik angibt und negativ damit korreliert ist, und wobei der erste Detektor positiv mit der interessierenden Charakteristik korreliert ist. Beispielhafte Kombinationen können ohne Beschränkungen folgendes beinhalten: Element 5 und/oder 6 in Kombination mit Element 11 und wahlweise Element 12 und wahlweise in weiterer Kombination mit Elements 9 oder 10; Elements 5 und/oder 6 in Kombination mit Element 9 oder 10; und Elemente 5 und 6 in Kombination.
Daher eignen sich die offenbarten Systeme und Verfahren gut, um die genannten sowie darin inhärenten Ziele und Vorteile zu erreichen. Die jeweiligen offenbarten Ausführungsformen sind nur veranschaulichend, und die Lehren der vorliegenden Offenbarung können in unterschiedlicher, aber äquivalenter Weise abgewandelt und ausgeübt werden, wie es für einen Fachmann mit dem Vorteil der vorliegenden Lehren auf der Hand liegen wird. Darüber hinaus sind hinsichtlich der Einzelheiten der hier gezeigten Konstruktion oder Auslegung keine anderen Einschränkungen als die in den nachfolgenden Ansprüchen beschriebenen vorgesehen. Es ist somit deutlich, dass die oben offenbarten jeweiligen veranschaulichenden Ausführungsformen geändert, kombiniert oder abgewandelt werden können und dass alle derartigen Variationen als in den Schutzumfang der vorliegenden Offenbarung fallend betrachtet werden. Die hier veranschaulichend offenbarten Systeme und Verfahren können in geeigneter Weise unter Weglassung beliebiger Elemente, die hier nicht spezifisch offenbart wurden, und/oder beliebiger hier offenbarter fakultativer Elemente ausgeübt werden. Obwohl Zusammenstellungen und Verfahren als verschiedene Komponenten oder Schritte „umfassend“, „enthaltend“ oder „beinhaltend“ beschrieben wurden, können die Zusammenstellungen und Verfahren auch aus den verschiedenen Komponenten und Schritte „im Wesentlichen bestehen“ oder „bestehen“. Alle oben offenbarten Zahlen und Bereiche können um eine gewisse Menge variieren. Immer wenn ein numerischer Bereich mit einem unteren Grenzwert und einem oberen Grenzwert offenbart ist, ist auch jede Zahl und jeder darin enthaltene Bereich, die bzw. der in diesen Bereich fällt, ausdrücklich offenbart. Insbesondere gilt jeder hier offenbarte Wertebereich (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 aufführend, die bzw. der in den breiter gefassten Wertebereich fällt. Außerdem tragen die Begriffe in den Ansprüchen ihre einfache, gewöhnliche Bedeutung, sowie nicht durch den Patentinhaber ausdrücklich und deutlich anders definiert. Die unbestimmten Artikel „ein“, „eine“, „einer“, „eines“, „einem“ in den Ansprüchen sind dabei derart definiert, dass sie eins oder mehr als eins der Elemente bezeichnen, denen sie vorangestellt sind. Falls ein Widerspruch in der Verwendung eines Worts oder Begriffs in dieser Beschreibung und einem oder mehreren Patent- oder anderen Dokumenten auftritt, die durch Querverweis einbezogen wurden, sind die Definitionen in Übereinstimmung mit dieser Beschreibung anzuwenden.
Im hier verwendeten Sinne modifiziert der Ausdruck „wenigstens eins von“ vor einer Reihe von Elementen mit den Begriffen „und“ oder „oder“ zum Trennen der Elemente die Liste insgesamt und nicht die einzelnen Teile der Liste (d. h. jedes Element). Der Ausdruck „wenigstens eins von“ lässt eine Bedeutung zu, die wenigstens eins von beliebigen der Elemente und/oder wenigstens eine einer beliebigen Kombination der Elemente und/oder wenigstens eines von jedem der Elemente beinhaltet. Beispielsweise beziehen sich die Ausdrücke „wenigstens eins von A, B und C“ oder „wenigstens eins von A, B oder C“ jeweils nur auf A, nur auf B oder nur auf C; eine beliebige Kombination von A, B und C; und/oder wenigstens eins von jedem von A, B und C.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 9019501 [0029, 0057]

Claims

Optische Rechenvorrichtung, umfassend: eine Lichtquelle, die elektromagnetische Strahlung in ein Optiksystem abstrahlt, das sich von der Lichtquelle zu einem kapazitätsbasierten Nanomaterialdetektor erstreckt, der ein oder mehrere Materialien in Nanogröße umfasst, die ein Absorptionsspektrum aufweisen; ein Material und einen integrierten Rechenelement(ICE)-Kern, die im Optiksystem angeordnet sind, um optisch mit der elektromagnetischen Strahlung zu interagieren und dadurch modifizierte elektromagnetische Strahlung zu erzeugen, wobei das Material eine interessierende Charakteristik beinhaltet und der ICE-Kern einen Vektor auf die elektromagnetische Strahlung anwendet, der mit der interessierenden Charakteristik in Beziehung steht, und wobei der kapazitätsbasierte Nanomaterialdetektor die modifizierte elektromagnetische Strahlung aufnimmt und ein Ausgangssignal erzeugt, das die interessierende Charakteristik angibt.
Optische Rechenvorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Ausgangssignal des kapazitätsbasierten Nanomaterialdetektors positiv mit der interessierenden Charakteristik korreliert ist.
Optische Rechenvorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Ausgangssignal des kapazitätsbasierten Nanomaterialdetektors negativ mit der interessierenden Charakteristik korreliert ist.
Optische Rechenvorrichtung nach Anspruch 1, wobei der kapazitätsbasierte Nanomaterialdetektor ein erster Detektor ist und wobei die optische Rechenvorrichtung ferner einen zweiten Detektor und einen Strahlteiler umfasst, wobei der Strahlteiler im Optiksystem angeordnet ist, um die modifizierte elektromagnetische Strahlung zum ersten und zweiten Detektor zu lenken.
Optische Rechenvorrichtung nach Anspruch 4, wobei der zweite Detektor ein zweiter kapazitätsbasierter Nanomaterialdetektor ist.
Optische Rechenvorrichtung nach Anspruch 1, wobei das eine oder die mehreren Materialien in Nanogröße wenigstens eins, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Si, Ge, Si_xGe_y (x+y=l, 0<x<1), GaAs und GaSb, umfassen.
Optische Rechenvorrichtung nach Anspruch 1, wobei das eine oder die mehreren Materialien in Nanogröße wenigstens ein Nanopartikel umfassen, das eine Form aufweist, die ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus einem Film, einem Draht, einem Stab, einer Röhre, einem Stern und einer Scheibe.
Verfahren, umfassend: Abstrahlen elektromagnetischer Strahlung mit einer Lichtquelle in ein Optiksystem, das sich von der Lichtquelle zu einem kapazitätsbasierten Nanomaterialdetektor erstreckt, umfassend ein oder mehrere Materialien in Nanogröße, die dazu konfiguriert sind, ein Absorptionsspektrum aufzuweisen; optisches Interagierenlassen der elektromagnetischen Strahlung mit einem Material und einem integrierten Rechenelement(ICE)-Kern, die im Optiksystem angeordnet sind, wodurch modifizierte elektromagnetische Strahlung erzeugt wird, wobei das Material eine interessierende Charakteristik beinhaltet und der ICE-Kern einen Vektor auf die elektromagnetische Strahlung anwendet, die mit der interessierenden Charakteristik in Beziehung steht; Aufnehmen der modifizierten elektromagnetischen Strahlung mit dem kapazitätsbasierten Nanomaterialdetektor; und Erzeugen eines Ausgangssignals aus dem kapazitätsbasierten Nanomaterialdetektor, das die interessierende Charakteristik angibt.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei der kapazitätsbasierte Nanomaterialdetektor ein erster Detektor ist und wobei das Verfahren ferner Lenken der modifizierten elektromagnetischen Strahlung mit einem Strahlteiler zu dem ersten Detektor und einem zweiten Detektor umfasst.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei der zweite Detektor ein zweiter kapazitätsbasierter Nanomaterialdetektor ist.
Optische Rechenvorrichtung, umfassend: eine Lichtquelle, die elektromagnetische Strahlung in ein Optiksystem abstrahlt, das sich von der Lichtquelle zu einem kapazitätsbasierten Nanomaterialdetektor erstreckt; ein Material mit einer interessierenden Charakteristik, das im Optiksystem angeordnet ist, um optisch mit der elektromagnetischen Strahlung zu interagieren und Licht mit optischer Interaktion zu erzeugen; und den kapazitätsbasierten Nanomaterialdetektor, der ein oder mehrere Materialien in Nanogröße umfasst, die dazu konfiguriert sind, ein Absorptionsspektrum aufzuweisen, das einer Resonanzabstimmung unterzogen wurde, und dazu konfiguriert sind, das Licht mit optischer Interaktion aufzunehmen, einen Vektor, der mit der interessierenden Charakteristik in Beziehung steht, auf das Licht mit optischer Interaktion anzuwenden unter Verwendung des Absorptionsspektrum, das einer Resonanzabstimmung unterzogen wurde, und ein Ausgangssignal zu erzeugen, das die interessierende Charakteristik angibt.
Optische Rechenvorrichtung nach Anspruch 11, wobei das Ausgangssignal des kapazitätsbasierten Nanomaterialdetektors positiv mit der interessierenden Charakteristik korreliert ist.
Optische Rechenvorrichtung nach Anspruch 11, wobei das Absorptionsspektrum des kapazitätsbasierten Nanomaterialdetektors einer Resonanzabstimmung unterzogen wurde, um negativ mit der interessierenden Charakteristik zu korrelieren.
Optische Rechenvorrichtung nach Anspruch 11, wobei der kapazitätsbasierte Nanomaterialdetektor ein erster Detektor ist und wobei die optische Rechenvorrichtung ferner einen zweiten Detektor und einen Strahlteiler umfasst, wobei der Strahlteiler im Optiksystem angeordnet ist, um das Licht mit optischer Interaktion aufzunehmen und das Licht mit optischer Interaktion zu dem ersten und zweiten Detektor zu lenken.
Optische Rechenvorrichtung nach Anspruch 14, wobei der zweite Detektor ein zweiter kapazitätsbasierter Nanomaterialdetektor ist, der ein oder mehrere Materialien in Nanogröße umfasst, die dazu konfiguriert sind, ein Absorptionsspektrum aufzuweisen, das einer Resonanzabstimmung unterzogen wurde, und konfiguriert sind, um das Licht mit optischer Interaktion aufzunehmen, einen Vektor, der mit der interessierenden Charakteristik in Beziehung steht, unter Verwendung des einer Resonanzabstimmung unterzogenen Absorptionsspektrums auf das Licht mit optischer Interaktion anzuwenden, und ein Ausgangssignal zu erzeugen, das die interessierende Charakteristik angibt und negativ damit korreliert ist, und wobei der erste Detektor positiv mit der interessierenden Charakteristik korreliert ist.
Optische Rechenvorrichtung nach Anspruch 11, wobei das eine oder die mehreren Materialien in Nanogröße wenigstens eins, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Si, Ge, Si_xGe_y (x+y=l, 0<x<1), GaAs und GaSb, umfassen.
Optische Rechenvorrichtung nach Anspruch 11, wobei das eine oder die mehreren Materialien in Nanogröße wenigstens ein Nanopartikel umfassen, das eine Form aufweist, die ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus einem Film, einem Draht, einem Stab, einer Röhre, einem Stern und einer Scheibe.
Verfahren, umfassend: Abstrahlen elektromagnetischer Strahlung mit einer Lichtquelle in ein Optiksystem, das sich von der Lichtquelle zu einem kapazitätsbasierten Nanomaterialdetektor erstreckt, umfassend ein oder mehrere Materialien in Nanogröße, die dazu konfiguriert sind, ein Absorptionsspektrum aufzuweisen, das einer Resonanzabstimmung unterzogen wurde; optisches Interagierenlassen der elektromagnetischen Strahlung mit einem Material, das eine interessierende Charakteristik aufweist und im Optiksystem angeordnet ist, wodurch Licht mit optischer Interaktion erzeugt wird; Aufnehmen des Lichts mit optischer Interaktion mit dem kapazitätsbasierten Nanomaterialdetektor; Anwenden eines Vektors, der mit der interessierenden Charakteristik in Beziehung steht, auf das Licht mit optischer Interaktion unter Verwendung des einer Resonanzabstimmung unterzogenen Absorptionsspektrums; und Erzeugen eines Ausgangssignals aus dem kapazitätsbasierten Nanomaterialdetektor, das die interessierende Charakteristik angibt.