✖


Jump to content

Многомерные оптические вычисления

Многомерные оптические вычисления , также известные как вычисления молекулярных факторов, представляют собой подход к разработке спектроскопических инструментов с сжатыми датчиками , 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 разных длинах волн. Многомерные оптические вычисления используют оптический компьютер для анализа данных по мере их сбора. Целью этого подхода является создание простых и надежных инструментов, сохраняющих при этом преимущества многомерных методов в плане точности и точности результатов.

Прибор, реализующий этот подход, можно назвать многомерным оптическим компьютером . 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 ) [1] и Раман [2] ).

«Программное обеспечение» в многомерных оптических вычислениях кодируется непосредственно в механизме спектрального расчета оптических элементов, таком как интерференционного фильтра на основе многомерный оптический элемент (MOE), голографическая решетка , жидкокристаллический настраиваемый фильтр , пространственный модулятор света (SLM) или цифровое микрозеркальное устройство. (DMD) и специфичен для конкретного приложения. Оптическая диаграмма для механизма спектральных вычислений разработана специально для измерения величины этой многоволновой диаграммы в спектре образца без фактического измерения спектра. [3]

Многомерные оптические вычисления позволяют создавать инструменты с использованием математики распознавания образов, встроенной непосредственно в оптический компьютер, который извлекает информацию из света без записи спектра. Это позволяет достичь скорости, надежности и прочности, необходимых для поточных приборов управления технологическими процессами, работающими в режиме реального времени.

Многомерные оптические вычисления кодируют аналоговый оптической регрессии вектор функции передачи оптического элемента. Свет, исходящий от образца, содержит спектральную информацию об этом образце, независимо от того, обнаружен ли спектр или нет. Когда свет проходит от образца через элемент, нормализованная интенсивность, которая обнаруживается широкополосным детектором, пропорциональна скалярному произведению вектора регрессии с этим спектром, т.е. пропорциональна концентрации аналита, для которого регрессия был разработан вектор. Тогда качество анализа будет равно качеству закодированного вектора регрессии. Если разрешение вектора регрессии закодировано в разрешении лабораторного прибора, на основе которого был разработан этот вектор регрессии, и разрешение детектора эквивалентно, то измерение, выполненное с помощью многомерных оптических вычислений, будет эквивалентно измерению этого лабораторного прибора обычными способами. . Эта техника продвигается вперед на нишевом рынке 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. [4]

История

[ редактировать ]

Хотя концепция использования одного оптического элемента для регрессии и обнаружения аналитов была предложена в 1986 году, [5] первое полноценное концептуальное устройство MOC было опубликовано в 1997 году группой Myrick в Университете Южной Каролины , [6] с последующей демонстрацией в 2001 году. [7] Этот метод получил широкое признание в оптической промышленности как новый метод проведения оптического анализа с преимуществами для измерения в суровых условиях окружающей среды. [4] [7] [8] [9] [10] Этот метод был применен к рамановской спектроскопии. [2] [11] [12] флуоресцентная спектроскопия , [12] [13] [14] [15] [16] [17] [18] [19] абсорбционная спектроскопия в УФ-ВИДе , [7] [20] НИР [21] [22] [23] и МИР , [24] [25] микроскопия , [26] спектроскопия отражения [27] и гиперспектральная визуализация . [11] [20] [22] [23] [27] [28] [29] За годы, прошедшие с момента первой демонстрации, были продемонстрированы приложения для защиты, [30] судебная экспертиза, [31] мониторинг химических реакций, [6] [32] экологический мониторинг , [8] [33] [34] переработка, [21] [35] еда и лекарства, [28] [36] медицинские и биологические науки, [14] [15] [16] [17] [18] [19] и нефтяная промышленность. [4] [10] [25] [32] [37] [38] [39] [40] [41] [42] Первая опубликованная демонстрация использования MOC в суровых условиях была проведена в 2012 году с лабораторным исследованием при температуре от 150 до 350 F и давлении от 3000 до 20 000 фунтов на квадратный дюйм. [10] за ними последовали полевые испытания в 2013 году на нефтяных скважинах. [42]

Ссылки

[ редактировать ]
  1. ^ 1 Мирик, Майкл Л.; Хайбах, Фредерик Г. (01 апреля 2004 г.), «Точность в многомерных оптических вычислениях», Applied Optics , 43 (10): 2130–2140, Bibcode : 2004ApOpt..43.2130H , doi : 10.1364/AO.43.002130 , PMID   15074423
  2. ^ Перейти обратно: а б Нельсон, член парламента; Ост, Дж. Ф.; Добровольский, Ю.А.; Верли, П.Г.; Майрик, Майкл Л. (1998), «Многомерные оптические вычисления для прогнозирующей спектроскопии», Analytical Chemistry , 70 (1): 73–82, Bibcode : 1998SPIE.3261..232N , doi : 10.1021/ac970791w , PMID   21644602
  3. ^ Ворнем, Дж. Э. младший; Донг, Эй Джей; Бойд, RW; и др. (2014). «Многовыходные многомерные оптические вычисления для распознавания спектра» . Оптика Экспресс . 22 (21): 25005–14. Бибкод : 2014OExpr..2225005V . дои : 10.1364/OE.22.025005 . ПМИД   25401534 . S2CID   28584987 .
  4. ^ Перейти обратно: а б с Джонс, Кристофер М.; и др. (30 августа 2014 г.), «Многомерные оптические вычисления обеспечивают точное определение суровых условий окружающей среды в нефтегазовой промышленности» , Laser Focus World , 50 (8): 27–31 , получено 30 августа 2014 г.
  5. ^ Бялковский, С (1986). «Дискриминация видов и количественная оценка с использованием некогерентной линейной оптической обработки сигналов излучения». Аналитическая химия . 58 (12): 2561–2563. дои : 10.1021/ac00125a043 .
  6. ^ Перейти обратно: а б Добровольский, Ежи А.; Верли, Пьер Г.; Мирик, Майкл Л.; Нельсон, Мэтью П.; Ост, Джеффри Ф. (1997). «Проектирование тонкопленочных фильтров для контроля химических реакций». Ин Холл, Рэндольф Л. (ред.). Оптические тонкие пленки V: новые разработки . Том. 3133. с. 38. дои : 10.1117/12.290200 . S2CID   135787454 .
  7. ^ Перейти обратно: а б с Соеми, О.; Иствуд, Д.; Чжан, Л.; и др. (2001). «Проектирование и тестирование многомерного оптического элемента: первая демонстрация многомерных оптических вычислений для прогнозирующей спектроскопии». Аналитическая химия . 73 (6): 1069–1079. дои : 10.1021/ac0012896 .
  8. ^ Перейти обратно: а б Иствуд, Делил; Соеми, Олусола О.; Карунамуни, Дживанандра; Чжан, Лися; Ли, Хунли; Мирик, Майкл Л. (2001). «Полевые применения дистанционного зондирования с использованием многомерных оптических вычислений в видимом / ближнем ИК-диапазоне». В Во-Динь, Туан; Спеллиси, Роберт Л. (ред.). Мониторинг и устранение загрязнения воды, земли и воздуха . Том. 4199. с. 105. дои : 10.1117/12.417366 . S2CID   93350247 .
  9. ^ Мирик, ML (2002). «Многомерные оптические элементы упрощают спектроскопию». Мир лазерного фокуса. 38 (3): 91–94.
  10. ^ Перейти обратно: а б с Джонс К.М., Фриз Б., Пеллетье М. и др. 2012. Оптический анализ лабораторного качества в суровых условиях. Представлено на Кувейтской международной нефтяной конференции и выставке SPE.
  11. ^ Перейти обратно: а б Дэвис, Б.М.; Хемфилл, Эй Джей; Мальташ, округ Колумбия; и др. (2011). «Многомерная гиперспектральная рамановская визуализация с использованием компрессионного обнаружения». Аналитическая химия . 83 (13): 5086–5092. дои : 10.1021/ac103259v . ПМИД   21604741 .
  12. ^ Перейти обратно: а б Смит, З.Дж.; Стромбом, С.; Ваксманн-Хогиу, С. (2011). «Многомерные оптические вычисления с использованием цифрового микрозеркального устройства для флуоресценции и рамановской спектроскопии» . Оптика Экспресс . 19 (18): 16950–16962. Бибкод : 2011OExpr..1916950S . дои : 10.1364/OE.19.016950 . ПМИД   21935055 .
  13. ^ Прайор, Райан Дж.; Суонстрем, Джозеф А. (2015). «Многомерные оптические вычисления для дискриминации флуорохромов». В Коте, Жерар Л. (ред.). Оптическая диагностика и зондирование XV: На пути к диагностике на месте оказания медицинской помощи . Том. 9332. с. 933212. дои : 10.1117/12.2080996 . S2CID   120527052 .
  14. ^ Перейти обратно: а б Прайор, Райан Дж.; Суонстрем, Джозеф А. (2014). «Многомерная платформа оптических элементов для сжатого обнаружения флуоресцентных маркеров». В Друи, Марк А; Крокомб, Ричард А. (ред.). Спектроскопические технологии нового поколения VII . Том. 9101. стр. 91010E. дои : 10.1117/12.2053570 . S2CID   120097929 .
  15. ^ Перейти обратно: а б Прайор, Р.Дж. (2013). «ОПТИКА ДЛЯ БИОФОТОНИКИ: Многомерные оптические элементы превосходят полосовые фильтры в флуоресцентном анализе». Мир лазерного фокуса. 49 (6): 49–52.
  16. ^ Перейти обратно: а б Суонстрем, Дж.А.; Брукман, Л.С.; Перл, MR; и др. (2013). «Таксономическая классификация фитопланктона с помощью многомерных оптических вычислений, Часть I: Конструкция и теоретические характеристики многомерных оптических элементов». Прикладная спектроскопия . 67 (6): 220–229. Бибкод : 2013ApSpe..67..620S . дои : 10.1366/12-06783 . ПМИД   23735247 . S2CID   5400202 .
  17. ^ Перейти обратно: а б Суонстрем, Дж.А.; Брукман, Л.С.; Перл, MR; и др. (2013). «Таксономическая классификация фитопланктона с помощью многомерных оптических вычислений, Часть II: Конструкция и протокол экспериментов судового фотометра с флуоресцентной визуализацией». Прикладная спектроскопия . 67 (6): 230–239. Бибкод : 2013ApSpe..67..630S . дои : 10.1366/12-06784 . ПМИД   23735248 . S2CID   25533573 .
  18. ^ Перейти обратно: а б Перл, MR; Суонстрем, Дж.А.; Брукман, Л.С.; и др. (2013). «Таксономическая классификация фитопланктона с помощью многомерных оптических вычислений, Часть III: Демонстрация». Прикладная спектроскопия . 67 (6): 240–247. Бибкод : 2013ApSpe..67..640P . дои : 10.1366/12-06785 . ПМИД   23735249 . S2CID   12109872 .
  19. ^ Перейти обратно: а б Цюй, JY; Чанг, Х.; Сюн, С. (2002). «Спектральная визуализация флуоресценции для характеристики тканей на основе многомерного статистического анализа». Журнал Оптического общества Америки А. 19 (9): 1823–1831. Бибкод : 2002JOSAA..19.1823Q . дои : 10.1364/JOSAA.19.001823 . ПМИД   12216876 . S2CID   12214976 .
  20. ^ Перейти обратно: а б Прайоре Р.Дж., Грир А.Е., Хайбах Ф.Г. и др. 2003. Новые системы визуализации: многомерные оптические вычисления в UV-VIS. В материалах IS&T's NIP19: Международная конференция по технологиям цифровой печати, Vol. 19, 906–910. Новый Орлеан, Луизиана.
  21. ^ Перейти обратно: а б Пруэтт, Эрик (2015). «Последние разработки в области DLP-спектрометров ближнего инфракрасного диапазона от Texas Instruments позволяют создать новое поколение встраиваемых компактных портативных систем». В Друи, Марк А; Крокомб, Ричард А; Бэннон, Дэвид П. (ред.). Спектроскопические технологии нового поколения VIII . Том. 9482. стр. 94820C. дои : 10.1117/12.2177430 . S2CID   114904996 .
  22. ^ Перейти обратно: а б Мирик, Майкл Л.; Соеми, Олусола О.; Хайбах, Фред; Чжан, Лися; Грир, Эшли; Ли, Хунли; Прайор, Райан; Шиза, Мария Владимировна; Фарр, младший (2002). «Применение многомерных оптических вычислений для получения изображений в ближнем инфракрасном диапазоне». В Кристесене, Стивен Д.; Седлачек III, Артур Дж (ред.). Сенсорные системы на основе вибрационной спектроскопии . Том. 4577. с. 148. дои : 10.1117/12.455732 . S2CID   109007082 .
  23. ^ Перейти обратно: а б Мирик, Майкл Л.; Соеми, Олусола О.; Шиза, МВ; Фарр, младший; Хайбах, Фред; Грир, Эшли; Ли, Хун; Прайор, Райан (2002). «Применение многомерных оптических вычислений для простых точечных измерений в ближнем инфракрасном диапазоне». В Дженсене, Джеймс О; Спеллиси, Роберт Л. (ред.). Приборы для мониторинга загрязнения воздуха и глобального мониторинга атмосферы . Том. 4574. стр. 208–215. дои : 10.1117/12.455161 . S2CID   110288509 .
  24. ^ Коутс, Дж (2005). «Новый подход к анализу процессов в ближнем и среднем инфракрасном диапазоне - технология кодированного фотометрического инфракрасного излучения способна удовлетворить потребности современных технологических приложений, в том числе в рамках инициативы PAT». Спектроскопия . 20 (1): 32–35.
  25. ^ Перейти обратно: а б Джонс К., Гао Л., Перкинс Д. и др. 2013. Полевые испытания интегрированных вычислительных элементов: новый оптический датчик для анализа скважинных флюидов. Представлено на 54-м ежегодном симпозиуме по лесозаготовкам SPWLA, Новый Орлеан, Луизиана, 22–26 июня. SPWLA-2013-ГГ.
  26. ^ Нельсон, Мэтью П.; Ост, Джеффри Ф.; Добровольский, Ежи А.; Верли, Пьер Г.; Майрик, Майкл Л. (1998). «Многомерные оптические вычисления для прогнозирующей спектроскопии». В Когсвелле, Кэрол Дж; Кончелло, Хосе-Анхель; Лернер, Джереми М; Лу, Томас Т; Уилсон, Тони (ред.). Трехмерная и многомерная микроскопия: получение и обработка изображений V . Том. 3261. стр. 232–243. дои : 10.1117/12.310558 . S2CID   108965881 .
  27. ^ Перейти обратно: а б Бойсворт, МК; Банерия, С.; Уилсон, DM; и др. (2007). «Обобщение многомерных оптических вычислений как метод повышения скорости и точности спектроскопического анализа». Журнал хемометрики . 22 (6): 355–365. дои : 10.1002/cem.1132 . S2CID   122073990 .
  28. ^ Перейти обратно: а б Мендендорп, Дж.; Лоддер, РА (2005). «Применение интегрированного зондирования и обработки в спектроскопических изображениях и зондировании». Журнал хемометрики . 19 (10): 533–542. CiteSeerX   10.1.1.141.4078 . дои : 10.1002/cem.961 . S2CID   17681571 .
  29. ^ Прайор, Р.Дж.; Хайбах, ФГ; Шиза, МВ; и др. (2004). «Миниатюрная система стереоспектральной визуализации для многомерных оптических вычислений». Прикладная спектроскопия . 58 (7): 870–873. Бибкод : 2004ApSpe..58..870P . дои : 10.1366/0003702041389418 . ПМИД   15282055 . S2CID   39015203 .
  30. ^ Соеми, Олусола О.; Чжан, Лися; Иствуд, Делил; Ли, Хунли; Гемперлин, Пол Дж .; Мирик, Майкл Л. (2001). «Простое оптическое вычислительное устройство для химического анализа». В Дескуре Майкл Р.; Рантала, Юха Т. (ред.). Функциональная интеграция оптико-электромеханических устройств и систем . Том. 4284. стр. 17–28. дои : 10.1117/12.426870 . S2CID   137444406 .
  31. ^ Мирик, ML; Соеми, О.; Ли, Х.; и др. (2001). «Определение спектрального допуска при проектировании многомерных оптических элементов». Журнал аналитической химии Фрезениуса . 369 (3–4): 351–355. дои : 10.1007/s002160000642 . ПМИД   11293715 . S2CID   19109 .
  32. ^ Перейти обратно: а б Фраткин, М. 2008. Оперативные датчики качества масла. Представлено на симпозиуме CTMA, Балтимор, Мэриленд, 7–9 апреля.
  33. ^ Соеми, Олусола О.; Гемперлин, Пол Дж .; Чжан, Лися; Иствуд, Делил; Ли, Хун; Мирик, Майкл Л. (2001). «Новый алгоритм проектирования фильтров для многомерных оптических вычислений». В Во-Динь, Туан; Бюттгенбах, Стефанус (ред.). Передовая технология экологического и химического зондирования . Том. 4205. с. 288. дои : 10.1117/12.417462 . S2CID   110391915 .
  34. ^ Майрик, Майкл Л. (1999). «Новые подходы к реализации предсказательной спектроскопии». В Сиддики Халид Дж.; Иствуд, Делайл (ред.). Распознавание образов, хемометрика и визуализация для оптического мониторинга окружающей среды . Том. 3854. стр. 98–102. дои : 10.1117/12.372890 . S2CID   119947119 .
  35. ^ Пруэтт, Э. 2015. Методы и применение кодирования программируемых спектральных образов в DLP-спектроскопии Texas Instruments. В Proc. SPIE 9376, Новые системы и приложения на основе цифровых микрозеркальных устройств VII, 93760H, ред. М-р Дуглас, П.С. Кинг и Б.Л. Ли. Сан-Франциско, Калифорния, 10 марта.
  36. ^ Дай, Б.; Урбас, А.; Дуглас, CC; и др. (2007). «Вычисление молекулярных факторов для прогнозирующей спектроскопии». Фармацевтические исследования . 24 (8): 1441–1449. CiteSeerX   10.1.1.141.5296 . дои : 10.1007/s11095-007-9260-1 . ПМИД   17380265 . S2CID   3223005 .
  37. ^ Джонс, К.М., ван Зуйлеком, Т. и Искандер, Ф. 2016. Насколько точен расширенный оптический анализ жидкости по сравнению с лабораторными измерениями PVT? Представлено на 57-м ежегодном симпозиуме SPWLA, Рейкьявик, Исландия, 25–29 июня. SPWLA-2016-JJJ.
  38. ^ Джонс, CM, Хе, Т., Дай, Б. и др. 2015. Измерение и использование пластового флюида, насыщенных и ароматических веществ с помощью каротажных тестеров пластов. Представлено на 56-м ежегодном симпозиуме SPWLA, Лонг-Бич, Калифорния, 18–22 июля. SPWLA-2015-EE.
  39. ^ Хант, И. 2014. Основная технология ICE в Восточной Африке. Трубопроводный ноябрь (209): 142–145.
  40. ^ Чемали, Р.; Семак, В.; Баллиет, Р.; и др. (2014). «Проблемы и возможности оценки пластов на глубокой воде». Петрофизика . 55 (2): 124–135.
  41. ^ Джонс, К. 2014. Оптические датчики анализируют жидкости на месте. Американский нефтегазовый репортер, сентябрь: 117–123.
  42. ^ Перейти обратно: а б Эриксен, К.О. (Statoil), Джонс, CM, Фриз, Р. и др. 2013. Полевые испытания нового оптического датчика на основе интегрированных вычислений. Представлено на ежегодной технической конференции и выставке SPE, Новый Орлеан, Луизиана, 30 сентября – 2 октября. SPE-166415-MS.
Retrieved from "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Multivariate_optical_computing&oldid=1194344977"
Arc.Ask3.Ru: конец переведенного документа.
Arc.Ask3.Ru
Номер скриншота №: 3de3cc6d2e58216ae6469d5f03a982dd__1704714420
URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/3d/dd/3de3cc6d2e58216ae6469d5f03a982dd.html
Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1:
Multivariate optical computing - Wikipedia
Данный printscreen веб страницы (снимок веб страницы, скриншот веб страницы), визуально-программная копия документа расположенного по адресу URL1 и сохраненная в файл, имеет: квалифицированную, усовершенствованную (подтверждены: метки времени, валидность сертификата), открепленную ЭЦП (приложена к данному файлу), что может быть использовано для подтверждения содержания и факта существования документа в этот момент времени. Права на данный скриншот принадлежат администрации Ask3.ru, использование в качестве доказательства только с письменного разрешения правообладателя скриншота. Администрация Ask3.ru не несет ответственности за информацию размещенную на данном скриншоте. Права на прочие зарегистрированные элементы любого права, изображенные на снимках принадлежат их владельцам. Качество перевода предоставляется как есть. Любые претензии, иски не могут быть предъявлены. Если вы не согласны с любым пунктом перечисленным выше, вы не можете использовать данный сайт и информация размещенную на нем (сайте/странице), немедленно покиньте данный сайт. В случае нарушения любого пункта перечисленного выше, штраф 55! (Пятьдесят пять факториал, Денежную единицу (имеющую самостоятельную стоимость) можете выбрать самостоятельно, выплаичвается товарами в течение 7 дней с момента нарушения.)