الحوسبة البصرية متعددة المتغيرات

الحوسبة البصرية متعددة المتغيرات ، والمعروفة أيضًا باسم الحوسبة الجزيئية، هي منهجية لتطوير أجهزة التحليل الطيفي بتقنية الاستشعار المضغوط ، لا سيما للتطبيقات الصناعية مثل دعم التحليل العملياتي . غالبًا ما تستخدم طرق التحليل الطيفي التقليدية أساليب متعددة المتغيرات وكيميائية قياسية ، مثل المعايرة متعددة المتغيرات ، والتعرف على الأنماط ، والتصنيف ، لاستخلاص المعلومات التحليلية (بما في ذلك التركيز) من البيانات التي يتم جمعها عند أطوال موجية مختلفة. تستخدم الحوسبة البصرية متعددة المتغيرات حاسوبًا بصريًا لتحليل البيانات أثناء جمعها. يهدف هذا النهج إلى إنتاج أجهزة بسيطة ومتينة، مع الحفاظ على مزايا تقنيات التحليل متعدد المتغيرات من حيث دقة النتائج.

يمكن وصف الجهاز الذي يطبق هذا النهج بأنه حاسوب بصري متعدد المتغيرات . ولأنه يصف نهجًا، وليس نطاقًا محددًا للطول الموجي، يمكن بناء الحواسيب البصرية متعددة المتغيرات باستخدام مجموعة متنوعة من الأجهزة المختلفة (بما في ذلك مطياف الأشعة تحت الحمراء بتحويل فورييه ( FTIR ) ^{[ 1 ]} ومطياف رامان ^{[ 2 ]} ).

تُشفّر "البرمجيات" في الحوسبة البصرية متعددة المتغيرات مباشرةً في محرك حساب طيفي لعنصر بصري، مثل عنصر بصري متعدد المتغيرات قائم على مرشح تداخل (MOE)، أو محزز هولوغرافي ، أو مرشح بلوري سائل قابل للضبط ، أو مُعدِّل ضوئي مكاني (SLM)، أو جهاز مصفوفة المرايا الرقمية (DMD)، وهي مُصممة خصيصًا لتطبيق مُحدد. يُصمم النمط البصري لمحرك الحساب الطيفي لغرض قياس مقدار هذا النمط متعدد الأطوال الموجية في طيف العينة ، دون قياس الطيف فعليًا. ^{[ 3 ]}

تتيح الحوسبة البصرية متعددة المتغيرات تصنيع أجهزة تتضمن رياضيات التعرف على الأنماط مدمجةً مباشرةً في الحاسوب البصري، الذي يستخلص المعلومات من الضوء دون تسجيل الطيف. وهذا يُمكّن من تحقيق السرعة والموثوقية والمتانة اللازمة لأجهزة التحكم في العمليات في الوقت الفعلي والمُدمجة في خط الإنتاج.

تقوم الحوسبة البصرية متعددة المتغيرات بتشفير متجه انحدار بصري تناظري لدالة نقل عنصر بصري. يحتوي الضوء المنبعث من العينة على معلوماتها الطيفية، سواء تم اكتشاف الطيف أم لا. عند مرور الضوء من العينة عبر العنصر، تتناسب شدة الضوء المعيارية، التي يكشفها كاشف واسع النطاق، مع حاصل الضرب النقطي لمتجه الانحدار مع ذلك الطيف، أي أنها تتناسب مع تركيز المادة المراد تحليلها والتي صُمم متجه الانحدار من أجلها. وبالتالي، تكون جودة التحليل مساوية لجودة متجه الانحدار المُشفّر. إذا تم تشفير دقة متجه الانحدار لتتوافق مع دقة الجهاز المختبري الذي صُمم بناءً عليه، وكانت دقة الكاشف مكافئة، فإن القياس الذي تُجريه الحوسبة البصرية متعددة المتغيرات سيكون مكافئًا للقياس الذي يُجريه ذلك الجهاز المختبري بالطرق التقليدية. تُحرز هذه التقنية تقدمًا في سوق متخصصة للكشف في البيئات القاسية. على وجه التحديد، تم اعتماد هذه التقنية للاستخدام في صناعة النفط للكشف عن تركيب الهيدروكربونات في آبار النفط ومراقبة خطوط الأنابيب. في مثل هذه الحالات، تكون قياسات الجودة المختبرية ضرورية، ولكن في بيئات قاسية. ^{[ 4 ]}

على الرغم من أن مفهوم استخدام عنصر بصري واحد لانحدار التحليل والكشف عنه قد تم اقتراحه في عام 1986، ^{[ 5 ]} فقد تم نشر أول جهاز كامل لمفهوم MOC في عام 1997 من قبل مجموعة مايريك في جامعة ساوث كارولينا ، ^{[ 6 ]} مع عرض توضيحي لاحق في عام 2001. ^{[ 7 ]} وقد حظيت هذه التقنية باعتراف كبير في صناعة البصريات كطريقة جديدة لإجراء التحليل البصري مع مزايا للاستشعار في البيئات القاسية. ^{[ 4 ] [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ] [ 10 ]} تم تطبيق هذه التقنية على مطيافية رامان، ^{[ 2 ] [ 11 ] [ 12 ]} مطيافية التألق ^، [ ^{12 ] [ 13 ] [ 14 ] [ 15 ] [ 16 ] [17 ] [ 18 ] [ 19 ]} مطيافية الامتصاص في نطاق الأشعة فوق البنفسجية والمرئية ، ^{[ 7 ] [ 20 ]} الأشعة تحت الحمراء القريبة ^{[ 21 ] [ 22 ] [ 23 ]} والأشعة تحت الحمراء المتوسطة ^{، [ 24 ] [ 25 ] المجهر} ، [ ^{26 ] مطيافية} الانعكاس [ ^{27 ] والتصوير} الطيفي الفائق . ^{[ 11 ] [ 20 ] [ 22 ] [ 23 ] [ 27 ] [ 28 ] [ 29 ]} في السنوات التي تلت العرض التوضيحي الأول، تم إثبات تطبيقات في مجالات الدفاع، ^{[ 30 ]} والطب الشرعي، ^{[ 31 ]} ومراقبة التفاعلات الكيميائية، ^{[ 6 ] [ 32 ]} والرصد البيئي ، ^{[ 8 ] [ 33 ] [ 34 ]} وإعادة التدوير، ^{[ 21][ 35 ]} الأغذية والأدوية، ^{[ 28 ] [ 36 ]} العلوم الطبية وعلوم الحياة، ^{[ 14 ] [ 15 ] [ 16 ] [ 17 ] [ 18 ] [ 19 ]} وصناعة البترول. ^{[ 4 ] [ 10 ] [25 ] [ 32 ] [ 37 ] [ 38 ] [ 39 ] [ 40 ] [ 41 ] [ 42 ] أُجريت أول دراسة منشورة لاستخدام مادة MOC في البيئات القاسية عام 2012، وشملت دراسة مخبرية بدرجات حرارة تتراوح بين 150 و350 درجة فهرنهايت وضغوط تتراوح بين 3000 و20000 رطل} لكل بوصة مربعة، ^{[ 10 ]} تلتها في عام 2013 تجارب ميدانية في آبار النفط. ^{[ 42 ]}