Многомерные оптические вычисления - Multivariate optical computing
Многомерные оптические вычисления , также известные как вычисление молекулярных факторов, представляют собой подход к разработке спектроскопических приборов со сжатым зондированием , особенно для промышленных приложений, таких как аналитическая поддержка процессов . «Обычные» спектроскопические методы часто используют многомерные и хемометрические методы, такие как многомерная калибровка , распознавание образов и классификация , для извлечения аналитической информации (включая концентрацию) из данных, собранных на многих различных длинах волн. В многомерных оптических вычислениях используется оптический компьютер для анализа данных по мере их сбора. Целью этого подхода является создание инструментов, которые являются простыми и прочными, но при этом сохраняют преимущества многомерных методов для точности и точности результата.
Прибор, реализующий этот подход, можно описать как многомерный оптический компьютер . Поскольку он описывает подход, а не какой-либо конкретный диапазон длин волн, многомерные оптические компьютеры могут быть построены с использованием множества различных инструментов (включая инфракрасное преобразование Фурье ( FTIR ) и комбинационное рассеивание ).
«Программное обеспечение» в многомерных оптических вычислениях кодируется непосредственно в механизме вычисления спектра оптических элементов, таком как многомерный оптический элемент (MOE) на основе интерференционного фильтра , голографическая решетка , перестраиваемый жидкокристаллический фильтр , пространственный модулятор света (SLM) или цифровое микрозеркальное устройство. (DMD) и специфичен для конкретного приложения. Оптическая диаграмма для механизма вычисления спектра разработана для конкретной цели измерения величины этой многоволновой диаграммы в спектре образца без фактического измерения спектра.
Многомерные оптические вычисления позволяют создавать инструменты с математикой распознавания образов, разработанной непосредственно в оптическом компьютере, который извлекает информацию из света без записи спектра. Это позволяет достичь скорости, надежности и прочности, необходимых для встроенных приборов управления технологическим процессом в реальном времени.
Многомерные оптические вычисления кодируют вектор аналоговой оптической регрессии функции передачи для оптического элемента. Свет, который исходит от образца, содержит спектральную информацию об этом образце, независимо от того, обнаружен спектр или нет. Когда свет проходит от образца через элемент, нормализованная интенсивность, которая обнаруживается широкополосным детектором, пропорциональна скалярному произведению вектора регрессии с этим спектром, то есть пропорциональна концентрации аналита, для которой регрессия вектор был разработан. Тогда качество анализа будет равно качеству закодированного вектора регрессии. Если разрешение вектора регрессии закодировано в разрешении лабораторного прибора, из которого был разработан этот вектор регрессии, и разрешение детектора эквивалентно, тогда измерение, выполненное с помощью многомерных оптических вычислений, будет эквивалентно этому лабораторному прибору обычными средствами. . Этот метод завоевывает нишу рынка для обнаружения суровых условий окружающей среды. В частности, метод был принят для использования в нефтяной промышленности для определения углеводородного состава в нефтяных скважинах и мониторинга трубопроводов. В таких ситуациях необходимы лабораторные измерения качества, но в суровых условиях.
История
Хотя концепция использования единого оптического элемента для регрессии и обнаружения аналитов была предложена в 1986 году, первое полностью концептуальное устройство MOC было опубликовано в 1997 году группой Myrick из Университета Южной Каролины с последующей демонстрацией в 2001 году. получил широкое признание в оптической промышленности как новый метод оптического анализа с преимуществами для зондирования в суровых условиях окружающей среды. Этот метод был применен в спектроскопии комбинационного рассеяния света, флуоресцентной спектроскопии , спектроскопии поглощения в УФ-видимой , ближней и ближней инфракрасной областях , микроскопии , спектроскопии отражения и гиперспектральной визуализации . За годы, прошедшие с момента первой демонстрации, были продемонстрированы приложения для защиты, криминалистики, мониторинга химических реакций, мониторинга окружающей среды, переработки, пищевых продуктов и лекарств, медицины и наук о жизни, а также в нефтяной промышленности. Первая опубликованная демонстрация использования MOC в суровых условиях была проведена в 2012 году с лабораторным исследованием при температурах от 150F до 350F и давлении от 3000psi до 20,000psi, за которым в 2013 году последовали полевые испытания в нефтяных скважинах.
