(57)【要約】  物理的構造の構造健全性を監視する目的で、構造を設計すること、及び材料変形を検出することに用いられる複合フォトニック材料についてのシステム及び方法が開示される。１つの態様によれば、基材、光学回折格子、及び局部的な摂動が構造の回折パターンの測定可能な変化を生じるように構築された１つ以上のフルオロフォア材料を備える複合構造が提供される。複合構造内の摂動を検出するように構成された検査装置も提供される。検査装置は、構造内に検査用の放射を放出し、屈折した放射を捕捉し、回折パターンの変化を計測し、回折放射の波長及び角度の情報に基づいて、摂動を定量化するように構成される。
2019511749.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複合フォトニック構造であって、
構造材料の１つ以上の層と、
前記構造材料の１つ以上の層に一致する回折グレーティングであって、前記グレーティングが、少なくとも１次元の周期性を有するように配列される複数の形体を備える前記回折グレーティングと、
前記複合構造の内部に配置されるフルオロフォア材料と、
を備える、前記複合フォトニック構造。
【請求項２】
前記グレーティングが、
前記構造材料の１つ以上の層の全表面にわたって配置される１つ以上のグレーティング材料の離散層、及び
前記構造材料の１つ以上の層の表面によって画定される前記１つ以上のグレーティング材料の前記離散層のうちの１つ以上であって、
前記構造材料が非金属材料である、請求項１に記載の構造。
【請求項３】
前記グレーティングが、前記構造材料の１つ以上の層のうちの少なくとも１つの上面及び底面の１つ以上にわたって延在する、請求項２に記載の構造。
【請求項４】
前記グレーティング層が構造材料の２つの層を分離する、請求項２に記載の構造。
【請求項５】
前記グレーティングの複数の前記形体が、少なくとも２次元の周期性を有するように配置される、請求項１に記載の構造。
【請求項６】
前記フルオロフォアが、第１の波長を有する放射によって励起され、励起時に第２の波長を有する放射を放出する種類のものであり、
前記構造材料の１つ以上の層と前記グレーティングが、前記第１の波長と前記第２の波長を有する放射に対して少なくとも部分的に透明である、請求項１に記載の構造。
【請求項７】
前記フルオロフォアが、少なくとも前記フルオロフォア材料を含む材料の別個の層、及び前記構造材料の１つ以上の層のうちの少なくとも１つの内部の領域に埋め込まれるドーパントまたはナノ材料のうちの１つとして前記構造に組み込まれる、請求項６に記載の構造。
【請求項８】
前記フルオロフォア材料が、少なくとも１次元の一定の周期性を有するように前記複合構造の内部に配置される、請求項７に記載の構造。
【請求項９】
前記フルオロフォア材料が、前記複合構造の断面の領域の全体にわたって広がる、請求項７に記載の構造。
【請求項１０】
前記１つ以上の構造材料層の内部に埋め込まれた前記フルオロフォア材料を含む細長いロッドの第１セットを更に備え、
前記第１セットの前記ロッドが、互いに平行に向けられ、少なくとも１次元の一定の周期性を有するように間隔をおいて配置される、請求項６に記載の構造。
【請求項１１】
前記１つ以上の構造材料層の内部に埋め込まれた前記フルオロフォア材料を含む細長いロッドの第２セットを更に備え、
前記第２セットの前記ロッドが、互いに平行に向けられ、少なくとも１次元の一定の周期性を有するように間隔をおいて配置され、
前記第２セットのロッドが、前記第１セットのロッドに対して垂直に向けられる、請求項１０に記載の構造。
【請求項１２】
前記グレーティングが、１つ以上のグレーティング材料の層であり、
前記フルオロフォア材料が、前記グレーティング層の内部に設けられる、請求項６に記載の構造。
【請求項１３】
前記フルオロフォア層が、前記構造材料の１つ以上の層の間に配置され、前記構造材料の２つの層を分離する、請求項６に記載の構造。
【請求項１４】
前記フルオロフォア材料がフルオロフォアである前記フルオロフォアが、ドーパント及びナノ材料の１つ以上として前記構造材料の内部に埋め込まれる、請求項６に記載の構造。
【請求項１５】
前記グレーティング形体が、第１の値によって画定される周期性を有し、
前記第１の値が、前記複合構造の使用中に検出されるべき摂動の大きさの関数として設定される、請求項１に記載の構造。
【請求項１６】
周期的屈折グレーティングを有するフォトニック構造の非破壊検査用の装置であって、
放射の円錐を試料の部分の方に向けておよび試料の部分の上に放出するように構成されるランプであって、前記放射が波長の範囲にわたって一定の強度を有する前記ランプと、
回折した放射の像を捕捉するように構成されるカメラセンサであって、前記回折した放射が、前記試料の前記部分によって回折されるように前記ランプによって放出される前記放射であり、前記像が、前記捕捉した像上の各点のそれぞれで捕捉される前記放射の１つ以上の波長を与える前記カメラセンサと、
分析モジュールを含んだ１つ以上のソフトウェアモジュールを含むコンピュータ可読記憶媒体であって、各モジュールが実行可能コードを含む前記コンピュータ可読記憶媒体と、
前記ランプ、前記カメラセンサ及び前記記憶媒体に通信可能に結合されたプロセッサであって、前記プロセッサが、前記捕捉された放射の前記像を分析するように前記１つ以上のソフトウェアモジュール内の前記コードを実行することによって構成され、前記試料の前記部分の内部の任意の摂動の変位を、前記捕捉した像上の各点について、
前記点における前記波長を、前記試料に対する前記ランプ及び前記カメラセンサの位置と、前記試料の前記部分の内部の対応点についての回折角との関数として、前記試料の前記部分の内部の前記対応点についての第１の周期性の値に変換すること、ならびに
前記第１の周期性の値と基準周期数に基づいて、前記対応点についての変形量を計算することによって算出する前記プロセッサと、
前記プロセッサと信号通信する視覚表示装置であって、前記プロセッサが、前記表示装置を使用して、前記試料の前記部分の内部の各対応点について計算された前記変形量を表す前記試料の画像を出力するように構成される前記視覚表示装置とを備える、前記装置。
【請求項１７】
特定の波長を有する放射ビームを、前記試料上の特定の場所に放出するように構成されるレーザ放射源と、
少なくとも１つの回折ビームを捕捉し、前記少なくとも１つの捕捉ビームの強度と検出器上の対応位置とを測定するように構成される前記検出器であって、前記少なくとも１つの回折ビームが、前記試料が前記放出ビームを回折することの結果である前記検出器とを更に備え、
前記プロセッサが、前記１つ以上のソフトウェアモジュールを実行することによって、前記測定強度と前記少なくとも１つの捕捉ビームの前記対応位置とを受け取り、前記試料上の前記特定の場所における任意の摂動の変位を、
前記少なくとも１つの捕捉ビームの前記対応位置の関数として、前記試料上の前記特定の場所についての回折角を計算すること、及び
前記計算した回折角と前記試料の所定のグレーティング特性に従って、前記試料上の前記特定の場所についての第２の周期性の値を計算すること、及び
前記第２の周期性の値と前記特定の場所の基準周期数との間の差に基づいて、前記特定の場所の変形量を計算することによって算出するように更に構成される、請求項１６に記載の装置。
【請求項１８】
前記基準周期数が、前記フォトニック構造の所定の周期数と、前記試料の前記部分の周囲の１つ以上の位置について前記プロセッサによって予め算出された周期数とのうちの１つである、請求項１７に記載の装置。
【請求項１９】
前記検出器が、１つ以上のフォトダイオードと、複数のセンサユニットを備えたＣＣＤアレイである、請求項１７に記載の装置。
【請求項２０】
前記レーザ放射源が、複数の波長のうちのいずれか１つを有するレーザビームを放出するように構成され、
前記プロセッサが、前記複数の波長のうちのどの波長が前記レーザ放射源によって放出されるかを制御するように構成される、請求項１７に記載の装置。
【請求項２１】
前記プロセッサが、
前記ランプを最初に作動させること、及び前記捕捉された放射の前記画像に基づいて、前記試料の前記部分の内部の任意の摂動の変位を算出すること、ならびに
閾値変位を超える変位を有する前記試料上の前記特定の場所における摂動の検出時に、前記測定された強度と前記少なくとも１つの回折ビームの前記対応位置の関数として、前記試料上の前記特定の場所における前記摂動の前記変位を算出するために前記レーザを作動させることによって、前記フォトニック構造の検査を制御するように構成される、請求項１７に記載の装置。
【請求項２２】
前記検出器が、複数の回折ビームを捕捉して、前記複数の回折ビームのそれぞれの、前記検出器上の各強度及び各位置を測定するように構成され、
前記プロセッサが、前記複数の回折ビームの相対的な前記各位置の関数として、前記試料上の前記特定の場所の前記回折角を計算するように構成される、請求項１７に記載の装置。
【請求項２３】
前記少なくとも１つの回折ビームの前記強度を低減するように構成されるフィルタと、
前記少なくとも１つの回折ビームを拡散して、それを前記検出器のより大きな検出領域にわたって分布させるように構成されるレンズと、を更に備え、
前記検出器が、前記検出器の前記検出領域にわたる強度分布を測定するように構成されると共に、前記検出器が、前記捕捉ビームの前記強度を、前記プロセッサ用の入力の電流及び電圧の１つ以上に変換するように構成され、
前記プロセッサが、前記強度分布の関数として、前記試料上の前記特定の場所における任意の摂動の前記変位を算出するように構成される、請求項１７に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複合フォトニック構造ならびに非破壊検査のシステム及び方法に関し、特に複合フォトニック構造及び検査システムを構築するシステム及び手法ならびに構造健全性監視の目的で構造の摂動を検出する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
構造材料、例えばパイプラインに使用される非金属パイプに適した非破壊検査技法の有効性は限られている。これまでに利用可能な技法の大半は、材料に対して破壊的であるか、または試験的で信頼できないものである。非破壊検査の現行の試験用の技法を検討しても、現行の技法は欠陥の形成を確実に予測することはできず、一般に既存の欠陥のみを検出するために使用される。
【０００３】
より具体的には、既存の建築材料、ならびに材料検査用の対応するシステム及び技法は、欠陥が発生する前に予測できるような十分な正確度及び精度で、材料上のまたは材料内の引張応力または圧縮応力などの応力の存在を検出するには不十分である。
【０００４】
材料欠陥を検知するのに現在利用可能な技術は、一般に１次元ファイバブラッググレーティングに基づいている。これらのファイバは、１次元の情報を提供する。すなわち、ファイバの長さに沿って生じる応力のみと、構造材料に著しい亀裂及び破断を伴う、既に損傷した材料に相当する実在する応力のみとを検出することができる。
【０００５】
構造材料の摂動を検出するために、光学グレーティングまたはフォトニック結晶などのフォトニック材料を回折発生用の高感度素子として利用するシステム及び方法が必要である。加えて、構造材料の摂動を検出するために、波長変化によって、または光度変化から定量化された回折角変化によってフォトニック材料の変形を定量化するシステム及び方法が必要である。さらに、摂動を検出するために、検査波長と、フォトニック構造材料の対応する周期数との選択によって調整可能な感度を有するシステム及び方法が必要である。加えて、摂動を検出するために、多次元レベルの感度を有するシステム及び方法が必要である。
【０００６】
本明細書に記載される開示が提示するものは、これら及びその他の考慮すべき事項に関してである。
【発明の概要】
【０００７】
本発明の一態様によれば、非金属構造材料の１つ以上の層と、構造材料の少なくとも１つの層に一致する回折性の屈折率グレーティングと、複合構造の内部に配置される１つ以上のフルオロフォア材料とを備える複合フォトニック構造が提供される。グレーティングは、少なくとも１次元の周期性を有するように構成される複数の形体を備える。
【０００８】
更なる態様によれば、グレーティングは、構造材料の少なくとも１つの層の全表面、構造材料の少なくとも１つの層の表面、またはこれらの構造の組合せにわたって配置される１つ以上のグレーティング材料の離散層を備える場合がある。この実施形態または他の実施形態のグレーティングは、構造材料の層の少なくとも１つの上面、底面、または両方の表面にわたって延在する場合がある。また更なる別の態様において、グレーティング層は、構造材料の２つの層を分離する場合があり、グレーティングの複数の形体は、少なくとも２次元の周期性を有するように配列され得る。
【０００９】
更なる態様において、単独でまたは上述のものと組み合わせて、フルオロフォアは、第１の波長を有する放射によって励起され、励起時に第２の波長を有する放射を放出するフルオロフォアを備える場合があり、構造材料の１つ以上の層とグレーティングは、第１の波長と第２の波長を有する放射に対して透明である。いくつかの実施形態において、フルオロフォアは、少なくともフルオロフォア材料を含む材料の別個の層として、構造材料の１つ以上の層のうちの少なくとも１つの内部の領域に埋め込まれるドーパントもしくはナノ材料として、またはこれらの組合せとして、複合構造体に組み込まれ得る。
【００１０】
また更なる別の態様において、周期的屈折グレーティングを有するフォトニック構造の非破壊検査用の装置が提供され、装置は、波長の範囲にわたって一定の強度を有する放射の円錐を試料の部分の方に向けておよび試料の部分の上に放出するように構成されるランプを備える。カメラセンサは、回折した放射の像を捕捉するように構成され、回折した放射は、試料の部分によって回折されるようにランプによって放出される放射であり、像は、捕捉した像上の各点のそれぞれで捕捉される放射の１つ以上の波長を与える。分析モジュールを含んだ１つ以上のソフトウェアモジュールを含むコンピュータ可読記憶媒体が備えられ、各モジュールが実行可能コードを含む。プロセッサは、ランプ、カメラセンサ及び記憶媒体に通信可能に結合され、プロセッサが、捕捉された放射の像を分析するように１つ以上のソフトウェアモジュール内のコードを実行することによって構成され、試料の部分の内部の任意の摂動の変位を、捕捉した像上の各点について、点における波長を、試料に対するランプ及びカメラセンサの位置と、試料の部分の内部の対応点についての回折角との関数として、試料の部分の内部の対応点についての第１の周期性の値に変換すること、ならびに第１の周期性の値と基準周期数に基づいて、対応点についての変形量を計算することによって算出する。視覚表示装置は、プロセッサと信号通信し、プロセッサが、表示装置を使用して、試料の部分の内部の各対応点について計算された変形量を表す試料の画像を出力するように構成される。
【００１１】
更なる別の態様による検査装置は、特定の波長を有する放射ビームを、試料上の特定の場所に向けて放出するように構成されるレーザ放射源と、少なくとも１つの回折ビームを捕捉し、少なくとも１つの捕捉ビームの強度と検出器上の対応位置とを測定するように構成される検出器であって、少なくとも１つの回折ビームが、試料が放出ビームを回折することの結果である検出器とを更に備える。このような検査装置では、プロセッサが、１つ以上のソフトウェアモジュールを実行することによって、測定強度と少なくとも１つの捕捉ビームの対応位置とを受け取り、試料上の特定の場所における任意の摂動の変位を、少なくとも１つの捕捉ビームの対応位置の関数として、試料上の特定の場所についての回折角を計算すること、及び計算した回折角と試料の所定のグレーティング特性に従って、試料上の特定の場所についての第２の周期性の値を計算すること、及び第２の周期性の値と特定の場所の基準周期数との間の差に基づいて、特定の場所の変形量を計算することによって算出するように更に構成される。
【００１２】
これら及びその他の態様、特長、ならびに利点は、本発明のいくつかの実施形態の添付の説明と、添付の図面及び特許請求の範囲から理解することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】蛍光層と、１次元の周期性を有する２次元グレーティングとを有する本発明の一実施形態による例示的な複合構造を示す概略図である。
【図２】蛍光層と、１次元の周期性を有する２次元グレーティングとを有する本発明の一実施形態による例示的な複合構造を示す概略図である。
【図３】蛍光層と、２次元の周期性を有する２次元グレーティングとを有する本発明の一実施形態による例示的な複合構造を示す概略図である。
【図４】２つの蛍光層と、２次元の周期性を有する２次元グレーティングとを有する本発明の一実施形態による例示的な複合構造を示す概略図である。
【図５Ａ】蛍光材料の構造化された平行の細片と、１次元の周期性を有する２次元グレーティングとを有する本発明の一実施形態による例示的な複合構造を示す概略図である。
【図５Ｂ】図５Ａの実施形態によって引き起こされる例示的な回折パターンの上面図である。
【図６Ａ】蛍光材料の構造化された細片の２つの直角に交わるセットと、２次元の周期性を有する２次元グレーティングとを有する本発明の一実施形態による例示的な複合構造を示す概略図である。
【図６Ｂ】図６Ａの実施形態によって引き起こされる例示的な回折パターンの上面図である。
【図７】蛍光材料の構造化された平行及び垂直の細片と、２次元の周期性を有する２次元グレーティングとを有する本発明の一実施形態による例示的な管状の複合構造を示す概略図である。
【図８Ａ】３次元のフォトニック結晶をグレーティングとして画定するロッドを備える本発明の一実施形態による例示的な複合構造を示す概略図である。
【図８Ｂ】３次元のフォトニック結晶をグレーティングとして画定するロッドを備える本発明の一実施形態による例示的な複合構造を示す概略図である。
【図９】３次元のフォトニック結晶をグレーティングとして画定するビーズを備える本発明の一実施形態による例示的な複合構造を示す概略図である。
【図１０】３次元グレーティングを画定する空隙と、１つ以上のフルオロフォア材料とを備える本発明の一実施形態による例示的な複合構造を示す概略図である。
【図１１Ａ】回折素子として伸縮性のあるグレーティングを利用する例示的なモノクロメータの構成を示す概略図である。
【図１１Ｂ】波長選択装置として伸縮性のある回折格子を伸長した状態で利用する図１１Ａの例示的なモノクロメータの構成を示す概略図である。
【図１２Ａ】本発明の一実施形態による例示的な検査装置の上面図を示す概略図である。
【図１２Ｂ】本発明の一実施形態による図１２Ａの例示的な検査装置の正面斜視図を示す概略図である。
【図１２Ｃ】本発明の一実施形態による図１２Ａの検査装置のコンピュータハードウェア及びソフトウェアコンポーネントの例示的な構成を示すブロック図である。
【図１３Ａ】本発明の一実施形態によるフォトニック構造の変形を計算するルーチンを示すフローチャートである。
【図１３Ｂ】本発明の一実施形態によるフォトニック構造の変形を計算するルーチンを示すフローチャートである。
【図１４Ａ】本発明の一実施形態による例示的な検査装置の正面斜視図を示す概略図である。
【図１４Ｂ】本発明の一実施形態による図１４Ａの例示的な検査装置の背面斜視図を示す概略図である。
【図１５Ａ】本発明の一実施形態による例示的な検査装置の上面図を示す概略図である。
【図１５Ｂ】本発明の一実施形態による図１５Ａの例示的な検査装置の正面斜視図を示す概略図である。
【図１６Ａ】本発明の一実施形態による例示的な検査装置によって捕捉された例示的な波長マップのスクリーンショットである。
【図１６Ｂ】本発明の一実施形態による例示的な検査装置によって捕捉された例示的な波長マップのスクリーンショットである。
【図１７】少なくとも２度の動きにわたって調整可能な位置を有する放射源を備える本発明の一実施形態による例示的な検査装置の側面斜視図を示す概略図である。
【図１８】位置決め可能な放射源を有する本発明の一実施形態による例示的な検査装置の底面図を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
概要及び導入として、本明細書には、主として構造健全性監視の目的で材料変形を検出するシステム及び手法が開示される。第１の態様によれば、工学的構造を構築するために使用することができる複合材料／複合構造が開示される。複合体は、基材（例えば、非金属板または非金属パイプなどの構造材料）、光学回折格子及び１つ以上のフルオロフォア材料を備える。一部の実施態様では、複合構造は蛍光材料を含まない。一部の実施態様では、グレーティングは、基材の表面または別個の材料の層（例えば、アルミニウムの薄い層）である場合がある。複合構造の材料は、複合構造の１つ以上の材料の変形、例えば、限定はしないが、引張応力、圧縮応力、曲げ、温度変化、ならびに化学組成変化及び他の材料欠陥によって引き起こされる摂動が、グレーティングの周期性、または一方もしくは両方の材料の屈折率を、例えば、形体の大きさ及び／またはグレーティングの形体間の相対距離を変えることによって局所的に変えるように配置される。これにより、複合構造によって引き起こされる回折パターンに、計測可能な変化がもたらされる。この変化は、摂動の大きさに比例して、グレーティングの式によって設定されるグレーティングの期待される回折特性に従った特定の回折角の波長シフトとして、検査装置を使用し、定量化することができる。
【００１５】
１つまたは複数のフルオロフォアは、ドーパント、ナノ材料として基材に挿入される場合があり、または基材から分離した別個の材料層として設けられる場合がある。加えて、または代わりに、１つ以上のフルオロフォア材料の層が、グレーティング材料または周囲の材料層に埋め込まれる場合がある。
【００１６】
別の態様によれば、本明細書には、例示的な複合構造の非破壊検査用の装置及び方法も開示される。検査装置は、検査用の放射の回折と、複合構造内のフルオロフォアによって生成される放射に基づいて、複合構造内の摂動を検出するように構成される。より具体的には、検査装置は、複合構造の上または中に検査用の放射を放出して、回折された放射を入力として捕捉し、回折パターンの期待されるパターンからの変化を計測するように構成される。放射波の１つ以上の境界挙動の変化が起こって、捕捉され、計測され得ることが理解できる。挙動の変化には、放射の回折、反射及び屈折が含まれ、１つ以上の前述の挙動、及びそれらの組合せを測定することができ、例えば、検査用の放射を、反射させて回折させ、または屈折させて反射させて回折させ、または屈折させて回折させるなどとすることができる。したがって、共通の現象は放射の回折であることが理解できる。
【００１７】
検査装置は、複合構造に影響を与える摂動の定量化を出力として提供する。特に、検査装置は、波長情報及び／または角度情報を、変位の計測値に変換する。検査装置は、そのような変換を達成するために２つの類似の原理を利用することと合わせて、１つまたは２つの構成要素で構成される。一方の構成要素は、波長情報を変位に変換するのに対して、他方の構成要素は、角度情報を変位に変換する。各構成要素は、互いに独立して機能することができる。考察される周期構造は、例えば、図１に示されて本明細書に記載される回折格子などであり得る。
【００１８】
複合構造
上述したように、１つ以上の開示される実施形態に従って、複合構造は、基材（例えば、金属または好ましくは非金属の板またはパイプなどの構造材料）、光学回折格子、またはフォトニック結晶を備え、１つ以上のフルオロフォア材料（例えば、・・・）を備えることもできる。一部の実施態様では、グレーティングは、基材の表面または別個の材料の層（例えば、アルミニウムの薄い層、または任意の他の反射性の金属もしくは材料など）である場合がある。
【００１９】
グレーティングは、必ずしもそれ自体が材料である必要はなく、異なった屈折率の材料間に周期的な形体を有する任意の界面によって画定することができ、その一方は空気、または他のガス、または液体であってもよい。より一般には、図１から図７に示す回折格子によって果たされる回折の役割は、フォトニック結晶によって遂行され得る。そのようなフォトニック結晶は、ある特定の空間領域の内部に屈折率の周期的な変調として画定され、結晶質固体または結晶質半導体が電子エネルギ準位構造または電子バンド構造（伝導帯及び価電子帯を有する）を生成する様式と同様のフォトニックバンド構造を生成することができる。延長として、任意の結晶質材料は、スペクトルのＸ線領域にフォトニックバンド構造を生成することが可能なÅほどの周期性サイズを有するフォトニック結晶と考えることもでき、Ｘ線回折によって計測可能である。ほとんどの場合、フォトニックバンドギャップの位置、またはフォトニックバンド構造全体は、回折に対するブラッグの法則と屈折に対するスネルの法則の組合せを用いて、文献に従って計算することができる。人間的なスケール及び関心事を対象にした多くの応用において、欠陥を検出するための構造の周期性の程度は、サブミクロンからミクロンのスケールで調整することができ、電磁スペクトルのＵＶ可視からＮＩＲの範囲で応答を生成する。しかしながら、この範囲を超えるより小さいスケール及びより大きいスケールの両方での応用もまた可能である。システムの次元数は、１ＤからＮＤまでの範囲にわたり得る。実際的な周期性は、１次元、２次元、及び３次元である。１次元でのフォトニック結晶は、ファイバブラッググレーティング、フォトニック結晶ファイバブラッググレーティング、またはその周期性が一方向に沿って変化する何かとして表すことができる。２次元でのフォトニック結晶は、図１から図７に示すような、回折格子、または表面上に周期的に分布する粒子の単層、または２次元に配列された周期的な穴の分布、またはこの場合もフォトニック結晶ファイバブラッググレーティングであり得る。３次元でのフォトニック結晶は、オパール、または屈折率の変調を生成する形体の任意の周期的分布であり得る。
【００２０】
フォトニック構造の内部に挿入される１つ以上のフルオロフォアは、周期的フォトニック構造によって生成されたフォトニックバンド構造と相互作用することができ、最終的に周期性の大きさによって決定される発光波長を有する任意の活性材料であり得る。周期性の大きさは、同様に、要求される感度の程度によって決定される。フルオロフォアの発光プロファイルは、フォトニック構造との相互作用機構に依存して、非常に狭く、または非常に広くなり得る。例えば、変位が回折角の変化と関係がある強度として計測される場合、フルオロフォアの狭い発光プロファイルは、材料内の変位の結果としてより急激な強度変化をもたらす。ただし、ある一定の変位値を超えると強度は失われる（強度は光検出器から離れて逸らされるので、したがってシステムは、更に大きな変位に対して高感度ではなくなる）。フルオロフォアの発光プロファイルが広い場合、強度の変化は急激ではないが、強度は、より大きな変位の範囲について計測可能である。更に感度の高いシナリオでは、フルオロフォアは複数の発光ピークを示すことができ、したがって強度の変化は、小さな変位に対しては鋭い一方で、別の発光ピークが検出器と衝突するので、大きな変位に対しても感度を維持する。同一の構造に種々のフルオロフォアを挿入することによって、同じ結果を得ることができる。これらの理由から、フルオロフォアは、幅広い強力な発光バンドを有する有機分子、または遷移金属イオン、または鋭い発光ピークを有するランタニドイオン、または量子ドット、または量子閉じ込めによって決定され、したがってエネルギとある程度までの幅広さの両方において調整可能な発光バンドを有する半導体ナノ結晶であり得る。
【００２１】
一実施形態では、グレーティングの周期的形体の大きさは、検出される摂動の大きさと同等の大きさである。その上、そのような実施形態では、グレーティングを構成する材料は、それ自体の内部またはその周囲の摂動に応答するのに十分な可撓性を有し得る。
【００２２】
そのような複合構造は、反射モードと透過モードの両方で動作するように構成されてもよい。１つの実施態様では、複合体を画定する材料は、検査用の放射がそこを通過することを可能にする種類のものである。この実施態様または他の実施態様では、グレーティングは、別の材料に近接して取り付けられるかもしくは配置される１つの材料から成形されてもよく、または異なった屈折率を有する２つの材料間の界面として製造されてもよい。
【００２３】
１つの例示的な構成において、フルオロフォアは、励起されるときにフルオロフォアの検出を向上させるように狭い発光バンドを有する。加えて、フルオロフォアは、検査装置に対して基材の反対側に配置することができる。したがって、基材、グレーティング及びフルオロフォアは、検査用の放射及びフルオロフォアによって放出される放射の透過を可能にするように選択される。この例示的な複合構造構成は、感度を高め、材料内の摂動の検出を簡単なものにすることができる。その理由は、準単色放射の前述の波長シフトが、小さな摂動の結果として放射の存在または不在をもたらすからである。そのような変化は検出し易い。なぜなら、より高い感度コントラストを提供するからである。波長シフトではなく、強度の単純な変化として検出することができて、それによって検出システムを単純化し、コストを削減することができる。そのような変化は、広帯域励起源の必要性を排除する。励起源及び検出システムは、グレーティングに対して同じ側に配置することができ、角分解能または感度コントラストを失うことなく、単一の装置に組み込むことができる。
【００２４】
基材、フルオロフォア及びグレーティング面の１つ以上の層が重層化されるこれら及びその他の例示的な構成を、本明細書で、より具体的に、更に説明する。これらの構成は、複合体の内部に、１つ以上のフルオロフォアの２次元及び３次元の様々な配列を、例えば、平行ロッド、垂直メッシュ及び３次元格子として備える。更なる態様によれば、複合体は、グレーティング層を画定するための１つ以上のフォトニック結晶及び量子ドットを備えてもよく、実施態様によっては、加えて蛍光層を備えてもよい。
【００２５】
開示される１つ以上の実施形態によれば、複合体の例示的な構成は、一方向に沿って周期性を有する規則的な２次元グレーティングを備えてもよく、１つ以上のフルオロフォアは、グレーティングの表面に平行な材料層に埋め込まれてもよい。このような構成を有する複合構造１００を図１に示す。
【００２６】
図１の実施形態から、本発明の利点のほんの少数を理解することが可能である。この場合、グレーティング１２０は、材料１１０と材料１３０の間に形成される。材料１１０及び１３０は、異なった屈折率を示す。材料１１０は空気であってもよいが、材料１３０は、原理上は空気であり得るが、より一般には固体材料であり得る。グレーティング面１２０は、２つの材料の間の単純な界面であってもよく、または例えばアルミニウムなどの別の材料の薄層によって形成されてもよい。材料１４０は装置の目的には必要ではないが、製造手順に、材料１３０で作られる独立型の部品としてのグレーティングの製造が含まれる場合は、材料１４０が画定される。材料１５０は、１つ以上のフルオロフォアを包含する。材料１５０は、材料１４０と同じ材料であってもよく、同様に、上述のように、材料１３０と同じ材料であってもよい。１つ以上のフルオロフォアは、ドーパント、ナノ材料として材料１５０に挿入されてもよく、または材料１５０は、それ自体が蛍光性であってもよい。材料１７０は、蛍光層の保護層であってもよいし、または無くてもよい。いくつかの実施態様において、材料１１０、１３０、１４０、１５０、及び１７０の光学特性は、１つ以上のフルオロフォアの励起波長のところに、かつその発光波長のところにも、少なくとも部分的な透明性を有する。
【００２７】
動作中、λｅｘ（例えば、検査装置によって放出される放射）で表される励起の放射が、グレーティング面１２０に到達すると、反射モード及び透過モードの両方で回折パターンが生成される。当業者には理解されるように、グレーティングは、白色光を異なる波長へと分解することによって白色光源に応答する一方で、グレーティングは、レーザビームを回折次数に応じて異なる角度でグレーティングから出てくる別々のビームへと回折することによって、レーザビームに応答する。図１に示すように、検査放射は、検査装置（図示せず）のレーザ源によって放出されるビームλｅｘである。図１に示す例示的な実施形態では、反射モードのみを考慮し、図中の「ｍ」は各回折ビームの回折次数を表している。図示のように、回折されたビーム（例えば、ｍ＝０，１，２）は、グレーティングの構造によって決定される種々の位置で蛍光層に到達する。これらの位置において蛍光層は、以下に更に説明するように、特別に構成された検査装置によって撮像／捕捉され得るそのようなパターンの１次元または２次元の画像を生成する放射を放出する。欠陥、圧縮応力及び引張応力、曲げ、ならびに捩れなどの材料のあらゆる摂動は、回折パターンひいては蛍光層によって形成される画像に影響を及ぼす。図１に示すスポット１６０Ａ〜１６０Ｅは蛍光層の領域であり、回折された放射がその領域を経て通過し、または吸収されて、回折された放射によって励起された結果としてその領域が放射を放出する。
【００２８】
このように構築された複合構造の摂動、及びより具体的にはグレーティング面２０の周期性に影響する摂動の結果として、回折パターンにおいて変化し得るパラメータは、各スポット間の距離、各スポットの大きさ及び形状、ならびにスポットに伴う強度分布である。結果として、そのような摂動を検出するための反射の分析には、特定の点において、１つ以上の放出スポットの範囲内で、特定の距離で、または励起ビームと相対的に、強度または放射を監視することが含まれ得る。このように、検出器は、励起源を包含する同一の装置に搭載されて取り付けられてもよい。その特定の点で計測される強度の変化は、摂動の存在を示すだけでなく、摂動の程度、及び摂動の種類も示す。例えば、引張応力は、スポット１６０Ａ〜１６０Ｅを互いに離間させることができるので、スポット６Ａの左側（図１の右端）の放射の強度の減少をもたらし、またはそのスポットの右側の増加をもたらす。同様の応答は、グレーティング内に凸状のまたは負の湾曲を生成する曲げ力によって引き起こされ得る。反対の応答は、応力が圧縮性である場合、または曲げがグレーティングに正の湾曲を引き起こしている場合に起こり得る。捻れの場合、スポットは横向きに移動して、強度が同じ原理に従って変化する。
【００２９】
図２は、本発明の１つ以上の実施形態に従う複合体の別の例示的な構成を示す。特に、図２に示すように、蛍光層２５０は、グレーティング面２２０の下に配置される。材料２１０は複合構造全体の支持体であってもよく、材料２５０は蛍光材料を含む材料層である。一部の実施態様では、蛍光材料は、１つ以上のフルオロフォアを包含する材料であってもよく、またはそれ自体が蛍光体であってもよい。加えて、または代わりに、材料２５０が基材の機能を遂行することができて、１つ以上のフルオロフォアが材料２５０内に包含され得るので、材料２１０は必ずしも備わっていない。材料層２３０は、蛍光層とグレーティングの間の分離をもたらす。また、この材料は厳密には必要ではないが、実際の適用の際には材料層２３０は有用な分離と更なる支持体層をもたらし得る。最終的に、グレーティング面２２０は、頂部にあり、実施態様によっては、材料２３０とは別個の材料で作られてもよく、または材料２３０から成形されてもよい。
【００３０】
図３は、本発明の１つ以上の実施形態に従う複合構造３００の別の例示的な構成を示す。図３に示すように、蛍光層３５０は、グレーティング３８０の下に配置される。材料３１０は複合構造全体の基部支持体であってもよく、材料層３３０は構造材料であってもよい。示すように、材料層３５０は、蛍光材料を含む層である。さらに、図３に示すように、利用されるグレーティング３８０は、例えば、別材料の平板中の穴の周期的分布など、２次元である。その結果、これは２次元回折パターンを生成し、グレーティング内またはグレーティングが接触している材料内の摂動の異方性を更に直接的に検出することを可能にする。図に示された穴（例えば穴３８５）は、実際の穴であってもよく、またはグレーティングを画定する残りの材料と異なった屈折率を有する材料で作られる領域であってもよい。１つ以上の実施態様において、穴または上記の領域を有するこの最上層の光学特性には、放射がその中のギャップを通過するように向けられない限り、励起放射に対して透明な材料と、層の残りの部分に対して異なった屈折率を有する材料と、放出される放射の波長に対して少なくとも部分的に透明な材料とが含まれる。
【００３１】
図１、図２及び図３において、種々の回折次数ｍ＝１，・・・，ｎが示されており、図の描写を容易にするために、「ｎ」は２までに切り捨てられているが、有用な回折次数は、グレーティングの構造、蛍光層とグレーティングの間の距離、グレーティングと観察者（例えば、検査装置）の間の距離、及び一般に装置と検出システムのアーキテクチャに応じて、高次に達し得る。図１に示されるグレーティングは１次元の周期性を提示し、図３のグレーティングは２次元の周期性を提示するが、所望の回折特性に応じて、任意の様式の周期性を有するグレーティングを、２つの例示的な複合体のアーキテクチャに使用してもよい。２次元の周期性を有するグレーティングの利点は、それが応力の２次元異方性についての情報を有する回折パターンを生成することである。例えば、特定の方向に沿った引張応力については、回折スポット間の距離の増加は、その特定の方向に沿ったものに過ぎない。
【００３２】
本発明の別の例示的な実施形態では、図４に示すように、複合構造４００は２つの蛍光層を備えてもよい。図４に示す複合体４００の構造は、グレーティング面の下に蛍光層を有する図２に示す例示的な構成と同様であるが、グレーティングの上に第２の蛍光層４９０をも備える。より具体的には、底層４１０は蛍光層４５０の支持体として機能することができ、一部の変形例において、１つ以上のフルオロフォアを備える材料層４５０が、その中に１つ以上のフルオロフォアを備える構造材料層であるように構成される場合には、底層４１０は不要である。層４３０は、蛍光層４５０とグレーティング層４８０の間の分離層である。層４８０はグレーティングであり、示されているように、別個の材料層としてもよい。しかし、実施態様によっては、グレーティング層４８０に示される穴が、異なる屈折率を有する材料を備え得ることを除けば、分離層４３０とグレーティング層４８０を一緒にしてもよい。層４４０は、グレーティングと第２の蛍光層の間の分離層であり、構造材料層であってもよいし、それとも実施態様によっては空気であってもよい。最後に、層４９０は追加の上部蛍光材料層である。
【００３３】
この追加された蛍光層４９０の目的は、回折パターンの視覚化ひいては複合構造システムの摂動の検出を単純化することである。動作の際に、放射λｅｘは、構造４００を通って、蛍光層４５０のスポット４６０に向けて照射され得る。励起された蛍光スポット４６０は全方向に光を放出し、層４３０を部分的に通過してグレーティング４８０を横切る。この時点で、回折格子のために放射は回折され、ｍ＝０からｍ＝２までとして示される個々のビームとして、層４４０の中を層４９０に向かって進む。追加の蛍光層４９０のために、これらのビームは、上部蛍光層４９０によって表示される蛍光スポット４６５として視覚化される。この上部蛍光層４９５の目的は、これらのビームの視覚化を促進することである。
【００３４】
励起放射は、その波長が、放射が通過する複合体４００を構成する、フルオロフォア層４５０を除く材料の層によって完全に吸収されないように選択される。蛍光層４５０が励起放射を確実に受け取るためには、非蛍光層（複数可）での放射吸収が最小限であるか、または全く無いことが好ましい。蛍光材料４５０は、層４５０からの放出（「第１の放出放射」）のその波長が、層４３０の中も邪魔されずに通過するようにも選択され、この放射の波長に対して少なくとも部分的に透明であることが好ましい。層４８０は、異なった屈折率を有する２つの材料から形成してもよく、または円筒状の穴は、単に空であってもよい。両方の材料は、好ましくは、励起放射に対して透明であるが、放出放射に関しては、それらは透明であり得るか、それとも少なくとも図中の円筒状の穴を構成する材料が、少なくとも部分的に透明である必要がある。
【００３５】
図４に示すように、グレーティング４８０が、２次元フォトニック結晶ではないが、その代わりとして図１に示すグレーティング１２０のようなグレーティング面である場合、材料４３０及び４４０の両方が、第１の放出放射に対して少なくとも部分的に透明であることが要求される。このようなアーキテクチャでは、層４８０は別個の層である必要はなく、層４３０と層４４０を分離する（例えば、間に界面を画定する）グレーティング面とすることができる。いずれの場合にも、層４４０は、層４５０によって放出される同じ放射に対して透明でなければならない。層４８０は３次元フォトニック構造であってもよく、この場合、図４に示されたグレーティングと同様の考察が、２つの構成材料の透明性に関して当てはまる。蛍光層４９０は、層４５０からの放出放射を吸収して、放出放射によって励起され、そのため、第１の放出放射とは異なった波長を有する第２の放出放射を放出するように、選択することができる。あるいは、上部層４９０は、蛍光層である代わりに、単に画像が可視化されるスクリーンであってもよい。
【００３６】
一部の例示的な構成において、グレーティングが１つ以上のフルオロフォアの上にあるように複合体を構築してもよく、１つ以上のフルオロフォアは、それらがグレーティングの下の材料の表面の全領域にかけて延在しないように、材料の内部に配置される。そのような構成を有する本発明の１つ以上の実施形態に従う複合構造５００の例示的な構成を、図５Ａに示す。
【００３７】
図５Ａに示すように、材料の蛍光部分は、構造材料５１０の内部であって、材料層５１０の上面を画定するグレーティング面５２０の下である部分に埋め込まれた平行な細片５３０の配列である。この場合の検査照明は、レーザである必要はないが、利用される１つ以上のフルオロフォアに基づいて（例えば、その特定の励起波長に基づいて）選択される励起波長を含む光を放出するランプであってもよい。このようにして、材料５３０内の蛍光材料の細片は、励起の際に光を発するように見える。図５Ｂは、グレーティングの下に周期的に埋め込まれた平行な蛍光性ロッドのセットによって形成される回折パターンの上面図を示す。示されるように、励起された蛍光性ロッドの各々からの放射は、個別の細片５１１として示される。さらに、蛍光ストライプ（例えば、細片５１２）の間の領域には、グレーティングからの蛍光線の回折のために、放出の線も現れる。これらの線及び形成されたパターンを監視することにより、材料の変形が、移動、形状の変化、またはこれらの線の予測されるパターンからの変動を引き起こすので、あらゆる変形を検出することが可能である。これらの理由で、検出の観点から、１つのスポットのみを監視して、その特定のスポットから届く放出の強度の変化を検出することが可能である。その結果、信号の中断または信号の発端として変形が検出され得る。
【００３８】
蛍光材料が、一方向に周期性を有したパターンに従って構造材料内に配列される先の例に加えて、種々の蛍光パターンを使用して、期待する情報の異方性に応じた複合構造を作成することができる。図６Ａは、上部グレーティング面６２０と、内部に埋め込まれた蛍光材料６３０とを有する構造材料６１０で形成された複合構造６００の例示的な構成を示す。図示されているように、蛍光材料は、互いに垂直な２組の平行線（それぞれ幅と厚さを有する）として配列され、グレーティング面は２次元の周期性を有する２次元グレーティングである。図６Ｂは、複合構造の上面図を示し、また互いに垂直に向けられた２組の平行な蛍光線によって形成される回折パターンを示す。特に、線６１１は、構造６００の縦を横切って向けられた蛍光線から放出される放射に対応し、蛍光ストライプの間の領域に形成される線６１２は、グレーティング６２０からの蛍光線の回折による放出の線である。同様の放射の線６１４のパターンも、縦方向の蛍光細片によって放出される。使用中、蛍光材料の平行線は、同じ方向に沿った摂動がそれらにほとんど影響を及ぼさないので、それらに垂直な摂動を検出するのに有用であり得る。一方、互いに直交する２セットの平行線で作られたグレーティングは、空間の２つの方向のうちの１つ以上において、材料に影響を及ぼす摂動についての情報を提供することができる。
【００３９】
したがって、そのように構築された材料を監視し、その特定の構成を使用して、材料が曝される摂動、応力、または変形の量を検出することができる。特に、例示的な構造は、変形の程度を定量化することを可能にする。例えば、材料がグレーティングのみを備える場合、あらゆる変形は波長変化をもたらす。その一方で、グレーティングに加えて１つ以上のフルオロフォアが有ると、変形は、回折線間の間隔またはグレーティングから回折されるビーム間の角度を変化させる。
【００４０】
開示される１つ以上の実施形態の実際的応用を、図７に示す。図７に示すように、周期的に構造化された表面７２０、またはグレーティングは、パイプ７００などの工学的構造を画定するように成形された構造材料７１０の表面上に画定される。図７は、構造材料７１０が、その中に埋め込まれた１つ以上の蛍光ロッド７３０を備えることを更に示す。前述の例示的な実施形態と違って、この場合は、表面７２０は平坦ではなく湾曲している。しかしながら、ここでの原理は、概して先の例示的な実施形態に関して説明したものと依然として同じである。使用時、材料７１０内の摂動は、蛍光ロッド７３０の放出に際してグレーティング７２０によって生成される回折パターンの変容をもたらす。
【００４１】
図７に示される例示的な構成の構成要素は、図示された複合構造７００が必ずしも一定の縮尺ではなく、実際的な実施態様に正確なものではない相対的な縮尺で表されているということに注意すべきである。特に、グレーティング７２０は、線のメッシュによって表される。この線のメッシュは、周期的に画定される溝、間隔、もしくは穴を有する、図１〜図６Ｂに関連して説明したものと同様のグレーティング、または任意の２次元グレーティングを表すことを意図している。加えて、そのようなメッシュ内の線の間の相対距離は、例えばパイプラインで使用されるパイプなどの物体の大きさに対するグレーティングの形体間の実際的な距離を表すものではない。上述のように、グレーティングまたは２次元フォトニック結晶配列の形体の大きさは、検査によって明らかにされる摂動の大きさを考慮して設定することができる。同様に、図７に示すように、蛍光材料７３０はロッドとして示されているが、複合構造内の蛍光材料の形状または配置は必ずしもロッド形状である必要はなく、個々の形状、大きさ及び向きは、システムの幾何図形的配列と、検査によって明らかになる空間的情報の類型に適合し得ることが理解できる。図７に示されるように、平行な蛍光ロッドの特定の場合において、中心軸の周りの方向のパイプ部分の検査によって生成される回折パターンは、図６Ｂに示されるものと同様である。
【００４２】
先に述べたように、グレーティングの周期数または次元数は２より大きくてもよい。先出の例示的な構成では、２次元グレーティングのみが、図１、図２、図５Ａ〜図５Ｂ、図６Ａ〜図６Ｂのものなどの１次元の周期性を有する２次元グレーティング、または図３、図４、図７のものなどの２次元の周期性を有する２次元グレーティングのいずれかで示されていた。３次元フォトニック結晶としても知られ、３次元の周期性を有し、３次元グレーティングを含むように構築される複合構造の追加の例示的な構成を、本明細書で更に説明する。
【００４３】
図８Ａ〜図８Ｂは、開示される１つ以上の実施形態に従って構築され、グレーティングまたは回折素子としてロッド状の３次元フォトニック結晶を備える例示的な複合構造８００を示す。図８Ａ〜図８Ｂに示されるフォトニック結晶は、３次元周期格子を形成するように分布し、正方形の断面を有する材料８１４のロッドで構成される。別の３次元形状を有する細長い「ロッド」も、同様にうまく組み込み得ることが理解できる。構造材料８１０は、異なった屈折率を有する格子のための支持体とすることができる。しかしながら、実施態様によっては、格子がそれ自体を支持することができ、格子が、その近傍の材料の摂動を検出するように、その近傍の構造材料に結合される場合には、材料は無くてもよい。
【００４４】
例示的な格子は、フォトニック結晶の理論で説明され、当業者には理解されるように、スネルの屈折の法則とブラッグの回折の法則の組合せに従って、許容されるバンド及び禁制のギャップの領域を作り出す検査用の放射に応答するので、フルオロフォアを添加することなく、それ自体で機能することができる。これらのバンド構造のエネルギ及び角度分布を監視することにより、摂動が格子の周期数、したがって回折及び屈折の条件を変化させるので、材料のそのような摂動を定量化することが可能である。
【００４５】
しかしながら、２次元格子を備えた前述の実施形態と同様に、放出している１つまたは複数のフルオロフォアの３次元格子によって引き起こされる回折パターンの変化を、更に容易に検出することを促進するように、構造内に１つ以上のフルオロフォアを加えてもよい。そのような１つまたは複数のフルオロフォアは、図８Ａに示すように、３次元格子の体積８５０の内側に、または観察者に対して反対側に加えてもよい。
【００４６】
１つまたは複数のフルオロフォアがフォトニック結晶格子内に加えられる場合、好ましくは観察者から数えられた少なくとも１０個のフォトニック結晶格子面よりも小さいとすれば、その分布はランダムであり得る。図８Ｂは、図８Ａに示された例示的な構造８００の実施形態の断面を示し、蛍光成分の存在し得る位置が黒丸８６０で示される。図８Ｂに示す構造の上面８６５は、観察者と向き合う面である。図の縮尺は正確ではなく、フルオロフォア及び格子要素の相対的な大きさは、明瞭さのためだけに選択されていることが理解できる。実際の実施態様では、個々の蛍光成分の大きさは、格子面に比べて桁違いに小さくなり得る。また、図８Ｂの網掛領域８７０によっておおよそ区別される容積を占める１つまたは複数のフルオロフォアは、グレーティングの下またはグレーティング内の構造８００の一部にわたって均一に分布することもあり得るので、蛍光成分の数は必ずしも実際の状況を表すものではない。
【００４７】
図８Ｂに示されるように、１つまたは複数のフルオロフォアによって占有され得る体積８７０は、観察者の反対側の、フォトニック構造より十分に下方に広がることもあり得る。結果として、１つ以上のフルオロフォアの放出放射に対して格子は、図８Ａ及び図８Ｂに破線の矢印、例えば８１５で示す回折線を形成する効果をもたらす。このような回折線は、結晶材料のＸ線回折で観察されるものと類似している。実際、物理学的な観点から、格子８００は結晶のように振る舞う。違いは、１つ以上のフルオロフォアの存在と、この格子の大きさ及び検査波長に関連する材料特性を、用途に応じて設定できることである。したがって、例示的な格子構造及び格子構成に応じて、これらの回折線の位置、存在、または不在を監視することによって、材料に影響を及ぼす摂動に関する情報を計測することが可能である。
【００４８】
３次元格子の特定の幾何図形的配列は、必ずしも図８Ａ〜図８Ｂに示されるものである必要はないことが理解できる。例えば限定するものではないが、格子は、図９に示されるようなビーズの３次元周期的分布によって、または図１０に示されるような穴の３次元分布を備える材料の３次元周期的分布によって、構成することができる。
【００４９】
図９に示されるフォトニック結晶９００は、図８Ａ〜図８Ｂに示される例示的なフォトニック結晶８００と同様の機能を有するが、格子は、支持材料９１０内のビーズ９１６の周期的分布によって画定される。支持材料９１０は、格子を支持することができて、異なった屈折率を有し得る。この例示的な実施形態において、支持材料９１０内に配置された周期的格子の体積９５０の内部に、１つ以上のフルオロフォアを備えてもよい。１つまたは複数のフルオロフォアの位置及び分布に関して、図８Ａ及び図８Ｂの実施形態に対するものと同様の考察は、図９及び図１０に示される構成に対しても有効である。この例示的な構成の１つの相違は、ビーズ９１６自体がフルオロフォアとして構成され得ることである。例えば、ビーズは、発光性のナノ粒子、量子ドット、またはドーパントとして添加されたフルオロフォアで活性化した微粒子であってもよい。加えて、または代わりに、フルオロフォアは、ビーズ９１６の格子によって形成された空隙の中の充填剤であってもよい。検査及び分析は、図８Ａ〜図８Ｂに示す実施形態について説明したのと同様にして行うことができる。例示的な格子構造の結果として、１つまたは複数のフルオロフォアの放出放射に対して、格子は、図９に破線の矢印、例えば９１５で示す回折線または方向性の禁制ギャップ（もしくはストップバンド）を形成する効果をもたらす。
【００５０】
図１０は、別の例示的なフォトニック結晶１０００の構成を示す。図示のように、結晶１０００は、支持材料１０１０の内部に形成された穴１０１６の周期的分布によって形成される３次元格子を備える。しかしながら、実施態様によっては、そのような穴は、必ずしも穴である必要はなく、それらが材料１０１０とは異なった屈折率を有する材料の領域であってもよい。この場合は、材料１０１０は支持体として必要である。
【００５１】
図１０において、材料１０１０の内部の、１つまたは複数のフルオロフォアが含まれる体積／領域は、点で描いた体積１０５０によって区別される。周期的要素によって識別されるフォトニック格子面の数に関して比較するとき、材料の表面に対する点線の体積の近傍は、縮尺通りではなく、実際の装置を表すものではない。この特定の構成の機能性も、図８Ａ〜図８Ｂ、及び図９との関連で説明した実施形態と同様である。回折線１０１５の位置を監視することによって、格子に影響を及ぼす摂動についての情報であって、同様に、構成材料に影響を及ぼす摂動の関数である情報を獲得することが可能である。
【００５２】
開示された１つ以上の実施形態に従って構築される例示的なフォトニック結晶の関数として検出可能な摂動の種類は、物理的変形に限定されず、温度変化及び化学組成の変化、液体吸収、または複合構造の機能化を含むこともできる。これらの変化は、グレーティングの周期的な形体間の間隔を変更しない場合があるが、屈折率の変化を引き起こし得る。そしてまた、このような変化は、屈折角、したがって回折の方向を変更することによって、回折パターンを変更する。フルオロフォアを含まない例示的な構成において、このような材料の変化は、特定の観察角度に対して波長の変化を引き起こし得る。１つ以上のフルオロフォアを含む例示的な構成において、材料の変化は、回折方向間の角度の変化、したがって回折線間の間隔の変化を引き起こし得る。
【００５３】
物理的変化と温度の変化または化学組成の変化との間の区別は、物理的変化は一般に物体の小さな部分に局在するが、残りはより広い領域にわたって非局在化するため、簡単明瞭である。それにもかかわらず、異なる種類の摂動が同じ領域に影響を与える事例があり得る。この場合、異なる種類の摂動は、化学組成または温度の変化に伴う屈折率の任意の変化を検出するために、グレーティング無しで基準物質を比較的に分析することによって区別することができる。
【００５４】
一旦、変形と光信号の間のこの対応関係が確立されると、検出システムを使用して、一方を他方で定量化することができる。より具体的には、上述のように検出装置を使用して、摂動を光信号で明らかにし、定量化することができる。逆に言えば、材料の変形としての波長または回折角の変化を明らかにし、定量化するために、検出装置を使用することができる。
【００５５】
一部の例示的な実施形態において、複合材料を構築して材料内の摂動を検出する本明細書に開示された同じ動作原理の下で、既知の波長帯域を制御して選択するように検査装置を逆較正することができる。より具体的には、既知の波長帯域の制御及び選択は、材料に加えられる圧力、または材料が受ける任意の変形の関数として行われてもよい。この応用は、モノクロメータまたは分光計に要求される光学分散素子を提供することができ、動作原理は、圧縮または伸長のいずれかの線形応力に基づいていて、回転を必要としない。一般に、モノクロメータは、スリットと結合したグレーティングで構成される。グレーティングは放射を、様々な角度で、その異なった波長に分ける。グレーティングからある一定の距離に位置するスリットは、１つの波長のみを通過させる。スリットを通過する波長を変化させるためには、異なる回折角がスリットに向けられるようにグレーティングを回転させる。本明細書に記載のようなフォトニック構造か、またはグレーティングを、伸縮可能なポリマーまたは材料に適用することによって、観察角度ではなく周期構造の間隔を変化させることによって波長選択を行うことができる。したがって、この構成では、波長を変化させるためにグレーティングを回転させる必要はない。モノクロメータに使用されて、この相補的な応用の技術を提供するフォトニック構造の例示的な構成を、図１１Ａ及び図１１Ｂに示す。図１１Ａは、入射白色光１１１０（または、更に一般には多数の波長を含む放射）が、この例では変形していないグレーティング面１１０５を有するフォトニック構造１１００によって、反射されて回折される状況の、開示される実施形態に従って構築される例示的なフォトニック構造１１００を示す。したがって、異なった波長１１２０は異なった角度で出現して、それらの限られた部分だけがモノクロメータのスリット１１３０を通過することができる。図１１Ｂは、フォトニック素子またはグレーティング１１３０Ｂが（例えば、構造に加えられる応力がもとで）引き伸ばされた状況の構造１１００（１１００Ｂとして示される）を表しており、そのため、グレーティングの周期的な形体の間隔が増加して、それによって回折パターン１１２０Ｂが変化する。結果として、スリット１１３０Ｂから出てくる波長は、前のもの（例えば、緩んだフォトニック構造）とは異なる。このようにして、モノクロメータによって実行されるのと同じ波長選択を達成することが可能であるが、モノクロメータで使用されるフォトニック構造の圧縮または伸張に基づく線形システムが用いられる。そのため、例えば、モノクロメータに用いられるグレーティング材料がＰＤＭＳなどの軟質性ポリマーであれば、それに圧力をかけるか、または引張力を加えることによって、波長選択を行うことができる。
【００５６】
上述の実施形態に利用される実行可能な製造方法には多くのものがあり得る。図１から図６に示す種々の層を構成する材料の堆積は、スピンコーティング、ドロップキャスティング、スパッタリング、物理気相成長、化学気相成長、分子線エピタキシなどによって行うことができる。１Ｄかそれとも２Ｄの周期性を有する２次元フォトニック結晶を得るための複合構造の構造化は、用途や所望の周期性の大きさに応じて、多様な方法で達成することもできる。１つの実現可能な手段は、フォトレジスト層上にパターンを印して、引き続いてそれを基板上でエッチングするように、レーザ干渉リソグラフィを使用することである。別の実現可能な手段は、フォトレジスト層上にも所望のパターンを生成するように、マスクを使用することである。これらの方式の両方は、マイクロメートル以下の周期性の大きさを達成する機能を提供する。より小さなスケールの場合には、構造化は、電子ビームリソグラフィまたはステンシルリソグラフィによって行うことができる。回折格子を製造する別の一般的な方法は、ルーリングエンジンを使用してパターンを刻線することである。より大きなスケールを適用する場合には、射出成形、熱エンボス加工などの成形技術を使用することが可能である。
【００５７】
なお、フォトニック材料が反射において機能するだけでよく、透過させる必要がない場合には、異なった屈折率を有する２つの材料間の界面を、アルミニウム、銅、クロム、金などの反射層を堆積させることにより増強してもよい。
【００５８】
１つまたは複数のフルオロフォアは、多様な方法で複合構造に導入することもできる。例えば、ポリマーに溶解できるフルオロフォアは、エラストマまたは硬化剤のいずれかにおいて、硬化する前にポリマーに簡単に混合することができる。例えば、フルオロフォア、フルオレセインは、硬化前にエラストマ部分に溶解し、次いでそれを室温で硬化させることによって、様々なエポキシポリマーに溶かすことができる。別の例には、フルオロフォアとしての銀または金などの金属ナノ粒子の利用があり得る。これらは、安息香酸エステルなどの適切なリガンドで安定化させることができて、その後、Ｄｏｗ  ＣｏｒｎｉｎｇのＳｙｌｇａｒｄ  １８４ポリマーキットの硬化剤などのポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）の硬化剤に分散させることができる。
【００５９】
より鋭いピークの放出遷移が必要とされる場合、そのときはランタニドイオンを、ポリマー、ガラス、または結晶格子中にドーパントとして導入してもよい。それらをポリマー中に導入する必要がある場合には、それらを配位化合物と同様に錯体としてその中で安定化させることができる一方、それらをガラスまたは結晶中に導入する必要がある場合は、成長中にイオン形態で添加することができる。例えば、フラックス成長などの結晶成長技術の開始前に、ランタニドの酸化物を、結晶を形成する酸化物の混合物に添加してもよい。ドーピングされた結晶を成長させる他のなし得る技術には、チョクラルスキー法、水熱成長などが含まれる。
【００６０】
この場合、図１、図２、図３及び図４と同じように蛍光層は連続していないが、蛍光層は離散構造を呈しており、そのような構造化された堆積は、フォトニック構造の製造のための上述のリソグラフィ技術の１つによって達成することができる。例えば、フォトレジストを介して基板をエッチングした後、フォトレジストを除去する前に、フルオロフォアを基板に添加することができる。
【００６１】
図８Ａに示す実施形態は、基板上に垂直に配向した形体を交互にエッチングして充填するのと同様の方法で製造することもできる。
【００６２】
これらの複合構造がマイクロスケールよりも大きな大きさであれば、システムが、マイクロ波または電波などの長波長放射と相互作用するように設計されている場合、製造方法は、一般にミクロスケールよりも小さな場合に比べて単純であり、従来の成形、またはラピッドプロトタイピングプロセスで達成することができる。
【００６３】
図９に示す構造などの３次元フォトニック構造の製造のために、利用し得る様々な手法もある。ナノスケール及びマイクロスケールについては、簡単な手法は自己集合である。例えば、シリカ、ポリスチレン、またはポリ（メチルメタクリレート）（ＰＭＭＡ）のビーズは、ビーズの分散液のゆっくりとした蒸発から、垂直堆積または水平堆積の手法で、それ自体を自己組織化させることができる。代替的方法は、ポリマー中のビーズのせん断に基づくナノアセンブリによってフォトニック結晶を形成することである。
【００６４】
検査装置
開示される実施形態の１つ以上に従って、摂動を検出して定量化するための構造の非破壊検査に適した様々な例示的なシステム及び方法が、本明細書で更に説明される。
【００６５】
一部の実施態様において、検査装置は、引張応力、圧縮応力、曲げ、変形、温度変化、化学組成の変化、及び屈折率変化などの摂動に対するフォトニック材料の応答を分析することに使用してもよい。例示的な検査装置は、図１〜図１０Ａに関して先に説明した例示的な複合構造とは独立して使用することができるが、非破壊検査用の例示的なシステム及び方法を、前述の複合構造に関連して本明細書で更に説明する。
【００６６】
より具体的には、検査装置は、検査される材料の中に検査用の放射を放出するように構成される。上述のように、先に説明した複合構造は、周期性がその周囲の摂動によって影響され得るフォトニック材料からなる。このような周期性の変化は、そのような周期格子によって生成される回折パターンまたはフォトニックバンド構造の変化をもたらす。格子は、１次元、２次元、または３次元であってもよいことが理解できる。検査装置は、結果として生じる回折パターンの特性を計測し、それに応じて、予測されるパターンに対する回折パターンの変化を計測するように更に構成される。
【００６７】
さらに、検査装置は、入力として、回折パターンの変化を使用し、出力として、材料に影響を及ぼす摂動の定量化を提供するように構成される。特に、検査装置は、回折された放射線に関する波長及び角度の情報を変位の尺度に変換するように構成される。検査装置は、そのような変換を達成するために２つの類似の原理を利用することと合わせて、１つまたは２つの構成要素で構成される。一方の構成要素は、波長情報を変位に変換するのに対して、他方の構成要素は、角度情報を変位に変換する。考察される被検査周期構造は、例えば、図２に関連して説明した回折格子などを備える複合構造であり得る。
【００６８】
顕著な態様によれば、検査装置は、波長変化によって、または強度変化から定量化された回折角変化によって、フォトニック材料の変形を定量化するように構成される。結果として、検査装置は、検査波長と、フォトニック材料の対応する周期数との選択によって調整できる感度で、摂動を検出する機能を提供する。さらに、検査装置は、多次元レベルの感度を提供する。
【００６９】
フォトニック材料及び検査装置を備えるシステムは、検出が必要な変形または欠陥の大きさに調整可能である。例えば、ユーザが数百ナノメートル程度の欠陥を検出することに関心がある場合、フォトニック構造内の周期的形体間の距離は、少なくともサブミクロンスケールである必要がある。間隔がマイクロスケールよりもかなり大きいと、１００ｎｍ程度の変形を見つけられない場合がある。間隔が数十ナノメートルの程度であるとしても、感度はほぼ同じスケールの欠陥に合わせるものであり、したがって、関心のある欠陥を検出するには適しているが、敏感過ぎるため、必要とされない。
【００７０】
それに加えて、検査装置で利用される検査用の放射及び装置の感度の範囲は、材料の形体と相互に作用することができる必要がある。したがって、ナノメートルスケールの感度については、装置の放射は、電磁スペクトルの可視範囲を含む必要があり、センサは、同じ範囲に対して高感度でなければならない。例えばミリメートルの、より大きなスケールの欠陥の検出のためには、材料内の周期構造の間隔は、ミリメートルからサブミリメートルの範囲であり得るので、したがって装置の検査用の放射が赤外線からマイクロ波の波長を含めば十分である。
【００７１】
感度の多次元性は、フォトニック材料及び検査用装置の構成によっても決定される。例えば、図４、図６、及び図７に示す２次元周期性を有するフォトニック材料などの実施形態については、一方の軸（例えば図４においてページ面に垂直な軸）が他方の軸（図４においてページ面上の軸）よりも大きい材料の異方性変形は、最初の軸に沿った形体によって引き起こされる回折角が、後者の軸に沿った形体によって引き起こされるものよりも大きくなる結果をもたらす。そのため、ページ面に垂直に整列した図４の上面のスポット４６５は、ページ面に平行な方向に沿って整列したスポットに比べて、互いに離れている。
【００７２】
図４の実施形態の肉眼で観察できるこの２次元の感度は、検査装置によって定量化することもできる。例えば、回折線間の間隔の変化は、装置１２６０のカメラセンサによって捕捉される画像、またはＣＣＤアレイ１２１４によって測定される指向性強度変化として観察することができる。
【００７３】
図２に示された例示的な複合構造を手短に振り返ると、グレーティング２２０は回折を担当しており、層２５０は蛍光性である。摂動の検出を向上させるために１つ以上のフルオロフォアを組み込むことができるとはいえ、例示的な検査装置の動作には必須ではない。実際には、グレーティングは、白色光源に対して、白色光を全ての異なる波長に分解することによって応答し、一方でグレーティングは、レーザビームを回折次数に応じて異なる角度でグレーティングから出現する別々のビームに回折することによって、レーザビームに応答する。回折次数は、図中にｍとして示される。したがって、検査装置は、（例えば、構造がフルオロフォアを含むかどうかと無関係に）様々な異なった複合構造構成と共に使用できるように、拡散放射源（白色光源など）及びレーザを含む１つ以上の電磁放射源を放出させるように構成してもよい。
【００７４】
材料が、ＬＥＤランプから届く光などの白色光源に曝されると、異なる波長または色が、異なる角度で反射されて回折される回折パターンが生成される。特定の観測角に対するこれらの波長の各々は、例えば、回折される放射が、（図２に示すように）観察者に対してグレーティングの反対側に位置する蛍光層から来るか、または検査放射が観察者に対して反対側のグレーティングに単に当たる場合、
反射グレーティングの場合の回折格子の式
ｎλ＝ｄ（ｓｉｎβ−ｓｉｎα）  （１）、または
透過グレーティングの場合の回折格子の式
ｎλ＝ｄ（ｓｉｎβ＋ｓｉｎα）  （２）
によるグレーティングの周期的形体の間の間隔に関係している。
【００７５】
式（１）及び式（２）において、ｎは波長の整数を示す整数、λは波長、ｄは２つの隣接する周期的形体間の間隔、αは入射角であり、βは反射角であって、これらの式を満足するとき、回折角と一致する。
【００７６】
標準状態では、試料が欠陥によって変形していない場合、グレーティングの周期性は全領域にわたって同じであり、したがってグレーティングは滑らかな回折パターンを生成する。回折パターンは、いずれの位置においても、観察角度に応じて波長が滑らかに変化し、または単一の観測点については、異なる位置が依然としてα及びβの異なる値に対応するので、照射される領域にわたって角度が滑らかに変化する。一方、欠陥の場合には、グレーティングの周期性が局所的に変更されるので、欠陥の近傍の波長（または色）と欠陥に一致する波長（または色）の変化は不規則性を示す。装置のアーキテクチャ（以下に説明する）に関係する回折角を知ること、及び観測された波長を計測することによって、検査装置は、式（１）と式（２）を用いて、周期的形体間の距離ｄを計算し、それを試料の事前に定義された非摂動ｄ（間隔）と比較することができる。入射角は、照射源と材料上の観察されるスポットとの相対位置に基づいて知られている。回折角度は、材料上に観察されるスポットと装置内のセンサの相対的な位置、または材料上のフォトニック構造の周期性の大きさを考慮することによって知られている。あるいは、放射源とセンサスリットの間の距離、及びフォトニック材料からの装置の距離から、同じ情報を得ることができる。これらはすべて、特定の装置及び／または特定の材料のための初期化、変更、または固定し得るパラメータである。
【００７７】
しかし、装置のアーキテクチャ（放射線源と検出器の相対的な位置）及びフォトニック構造の周期性の大きさを考慮していないか、または知らなくても。装置の有無にかかわらず、波長または回折角の変化を観察することによって、摂動または欠陥を依然として定量化することができる。その理由は、必要とされる情報が、必ずしも変位の絶対値ではなく、その相対的な変化であるからである。したがって、分析された材料の領域の全体にわたって変位がある一定の値として現れ、特定の領域で異なる値として現れる場合、より関連性の高い情報は絶対値ではなく、これらの２つの値の差である。これらの理由から、ある特定の状況においては、上記の全てのパラメータを考慮する必要はなく、相対的な変化だけを考慮すればよい。逆に、変位の正確な値の知識が必要な場合は、全ての構成パラメータを考慮するか、変位した値を既知の周期数の大きさで較正してもよい（周期数の初期値すら分かっていなくても、それは顕微鏡技術で計測することができる）。
【００７８】
さらに、上記のパラメータのいずれもが知られていない場合、または（例えば、そもそも滑らかでない表面で）初期変動も大き過ぎて不規則である場合、回折パターンまたは波長画像（カラー画像または写真）を、構造が加えられたときかまたは重要な時点で取得された基準画像と比較することによって、定量化を確認してもよい。
【００７９】
拡散放射の代わりに、材料がレーザビームに曝される場合、レーザビームも式（１）及び式（２）に従って回折される。この場合の違いは、波長が一定であり、回折条件がある特定の角度でのみ満たされ、回折ビームの断片的で対称的な分布をもたらすことである。材料に摂動が起こっていない場合、これらの回折されたビーム間の角度差は、材料全体にわたって同じになる。しかしながら、材料に変形があり、したがってグレーティングの周期性に変形がある場合、ビーム間の回折角が変化する。この角度を材料全体にわたって監視することにより、式（１）及び式（２）からｄを計算し、λを知り、角度を計測することによって、変形領域を特定することができる。
【００８０】
上記の考察に鑑みて、例示的な検査装置１２００の基本的構成要素の構成について、図１２Ａ〜図１２Ｃに関係して、本明細書で更に説明する。
【００８１】
図１２Ａに示す例示的な実施形態において、検査装置１２００は、レーザ１２２０と、ＬＥＤ白色光源などの拡散放射源１２５０とを備える。放射源１２５０は、拡散電磁放射源として記載されるが、放射源は、ある波長範囲にわたって一定の強度を有する放射を放出するように構成することもでき、この範囲は広い場合もあれば、狭い範囲の波長に限定される場合もあり、可視範囲または電磁スペクトルの他の任意の範囲にあってもよい。また、拡散放射源１２５０によって放出されて、検査される試料によって回折される放射を集束するためのレンズ１２８０も示される。レンズは、回折された放射をカメラセンサ１２６０内に集束させるように構成され、カメラセンサ１２６０は、放射を集めて、捕捉した画像をプロセッサ１２１６に与えるように更に構成される。
【００８２】
検査装置には、検査装置の動作を可能にして、検出器１２１４によって捕捉される情報の分析に関連する動作を実行するのに有用である様々なコンピュータハードウェア及びソフトウェアコンポーネントが配備され得る。図１２Ｃは、検査装置１２００のこれらの例示的なコンピュータハードウェア及びソフトウェアコンポーネントを示すブロック図であり、検査装置１２００はプロセッサ１２１６及び回路基板１２１５を備える。図１２Ｃに示すように、回路基板は、プロセッサ１２１６によってアクセス可能なメモリ１２３０、通信インタフェース１２５５及びコンピュータ可読記憶媒体１２３５を備えることもできる。回路基板及び／またはプロセッサは、当業者には理解されるように、ユーザに情報を視覚的に出力するために、ディスプレイ１２１７に結合されてもよく、ユーザ入力を受信するユーザインタフェース１２２５と、ユーザにオーディオフィードバックを提供するオーディオ出力１２７０に結合されてもよい。例えば、装置は、ある閾値を超える欠陥または変形に遭遇したときに、ディスプレイまたは別個の表示灯からオーディオ信号または視覚信号を発してもよい。閾値は、計測の前に、タッチスクリーンまたは適切なキーボードであり得るユーザインタフェースによって、手動でまたは初期設定に設定されてもよい。様々な構成要素は、回路基板１２１５とは独立して、または回路基板１２１５の一部として示されているが、構成要素は様々な配置に配し得ることが理解できる。
【００８３】
プロセッサ１２１６は、メモリにロードすることができるソフトウェア命令を実行する働きをする。プロセッサは、個々の実装に応じて、数個のプロセッサ、マルチプロセッサコア、または他の型のプロセッサであってもよい。
【００８４】
メモリ１２３０及び／または記憶装置１２３５は、プロセッサ１２１６によってアクセス可能であり、それによってプロセッサが、メモリ及び／または記憶装置に格納された命令を受信して実行することができるようにする。メモリは、例えば、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、または他の任意の適切な揮発性もしくは不揮発性のコンピュータ可読記憶媒体であってもよい。加えて、メモリは、固定されてもよく、または取り外しできてもよい。記憶装置は、個々の実装に応じて、様々な形態を取ることもできる。例えば、記憶装置は、１つ以上の部品か、またはハードドライブ、フラッシュメモリ、書換型光ディスク、書換型磁気テープ、もしくは上記の何らかの組合せなどの装置を含んでもよい。記憶装置は、固定されてもよく、または取り外しできてもよく、またはクラウドベースのデータストレージシステムなどのリモートであってもよい。
【００８５】
１つ以上のソフトウェアモジュール１２４５は、記憶装置１２３５及び／またはメモリ１２３０に符号化される。ソフトウェアモジュールは、プロセッサ１２１６で実行されるコンピュータプログラムコードまたは命令セットを有する１つ以上のソフトウェアプログラムまたはアプリケーションを含んでもよい。本明細書で開示されるシステム及び方法の動作を実行して態様を実施するそのようなコンピュータプログラムコードまたは命令は、１つ以上のプログラミング言語の任意の組合せで書くことができる。プログラムコードは、スタンドアロンのソフトウェアパッケージとして、完全にＨＭＩ１０５上で実行されてもよく、部分的にＨＭＩ上で実行され、部分的にリモートコンピュータ／装置（例えば、制御コンピュータ１１０）上で実行されてもよく、または完全に上記のリモートコンピュータ／装置上で実行されてもよい。後者のシナリオでは、リモートコンピュータシステムは、ローカルエリアネットワーク（ＬＡＮ）またはワイドエリアネットワーク（ＷＡＮ）を含む任意の種類のネットワークを介して検査装置に接続することができ、または外部コンピュータを介して（例えば、インターネットサービスプロバイダを利用するインターネットを介して）接続することができる。
【００８６】
ソフトウェアモジュール１２４５の中には、プロセッサ１２１６によって実行することができる１つ以上の分析プログラムが含まれる。以下に更に詳細に説明するように、ソフトウェアモジュールの実行中、プロセッサは、被検査材料の回折パターンの関数としての摂動を検出して定量化するために、検出器１２１４によって捕捉された放射の分析に関する様々な動作を実行するように構成される。当業者に知られているように、ソフトウェアモジュール１２４５のプログラムコード及び１つ以上の非一時的なコンピュータ可読記憶装置（例えば、メモリ１２３０及び／または記憶装置１２３５）が、本開示に従って製造及び／または配布され得るコンピュータプログラム製品を形成するとも言える。
【００８７】
加えて、本システム及び本方法の動作に関連する他の情報及び／またはデータを、記憶装置１２３５に格納することもできることに着目すべきである。以下で更に詳細に論ずるように、例えば、データベース１２８５は、期待される回折パターン、材料、任意の周期的グレーティングの特性（例えば、配向、周期、形体の間隔、光学パラメータ、透過波長など）、または材料中に存在する任意のフルオロフォアの特性（例えば、励起波長、及び放出される放射の波長）など、検査装置を使用して検査することができる様々な材料及び構造に関連する所定の設定ならびにパラメータを含むことができる。同様に、データベースは、検査装置及び様々な動作モード（例えば、拡散放射に基づく検査、及びレーザに基づく検査）に特化した他の動作パラメータを格納することができる。記憶装置１２８５は、検査装置の記憶装置に局所的に配置されているように示されるが、いくつかの実施態様では、データベース及び／またはそこに記憶されている様々なデータ要素を遠隔（リモートコンピュータまたはネットワークサーバなど（図示せず））に配置し、当業者に知られている方法でネットワークを介して検査装置に接続することができることに留意すべきである。また、基板１２１５は、検査装置に電力を供給する電源（図示せず）を備えることもでき、またはその電源に結合されることもできることが理解できる。
【００８８】
通信インタフェース１２５５は、プロセッサ１２１６に動作可能に接続することもでき、制御コンピュータまたはネットワーク化されたサーバ（図示せず）などの外部装置、機械及び／または素子と、検査装置との間の通信を可能にする任意のインタフェースであってもよい。通信インタフェースには、モデム、ネットワークインタフェースカード（ＮＩＣ）、統合ネットワークインタフェース、無線周波数送信機／受信機（例えば、ブルートゥース（登録商標）、セルラ、ＮＦＣ）、衛星通信用送信機／受信機、赤外線ポート、ＵＳＢ接続、及び／またはプライベートネットワークやインターネットなど、検査装置を他のコンピューティング装置及び／または通信ネットワークに接続するそのような他の任意のインタフェースが含まれるが、これらに限定されない。そのような接続には、有線接続または無線接続（例えば、ＩＥＥＥ８０２．１１規格を使用）が含まれ得るが、通信インタフェースは、検査装置との／検査装置からの通信を可能にする実用的に任意のインタフェースであってもよいことが理解されるべきである。
【００８９】
図１２Ａに戻ると、実施態様によっては、検査装置１２００は、拡散放射源１２５０を使用して試料の予備分析を行って、変形が存在する試料の領域を特定するように構成してもよい。それに加えて、検査装置は、レーザ源１２２０を使用して、特定された領域の更に詳細な分析を行い、変形の定量的な計測結果を得るように更に構成してもよい。しかしながら、検査装置は、これらの２つの放射源のうちの１つのみで構成してもよく、信頼できる結果を提供できることが理解できる。例えば、拡散放射源を使用して行われる波長分析は、上述のように、摂動の及ぶ範囲に関しての定量的な情報を提供することもできる。
【００９０】
具体的には、拡散放射源１２５０は、円錐状の放射１２４０（図１２Ａの点線によって区切られる）を放出するように構成される。この放射（例えば白色光など）に応答するフォトニック材料は、種々の方向に沿って異なった波長を反射して回折することによって、回折パターンを生成する。この回折パターンは、レンズ１２８０を通してカメラセンサ１２６０内に集束され、カメラセンサ１２６０は、集束されたパターンを収集して、捕捉した画像を更なる分析のためにプロセッサ１２１６に与える。
【００９１】
局所的な摂動の場合、波長の角度変化は、摂動が無い場合のように一様には変化しない。この急な色の変化は、分析ソフトウェアプログラムを含む１つ以上のソフトウェアモジュールを実行することによって構成されるプロセッサ１２１６によって識別することができる。プロセッサを、それに応じて通知を生成するように更に構成してもよい。例えば、捕捉された画像の色の変化の勾配に基づいて、プロセッサは、オーディオまたは発光器１２７０などを介して、音声などの警告信号を送信してもよい。プロセッサは、分析ソフトウェアを実行することによって、システムによって識別された急激な色変化を分析するように、更に構成されてもよい。そのうえ、プロセッサは、（上記のように）計測した特定の波長に周期性サイズを関係させて、それを非摂動領域で計測した周期性の標準サイズなどの基準と比較することによって、摂動の大きさを取得するように構成してもよい。
【００９２】
図１３Ａは、引き続き図１２Ａ〜図１２Ｃの検査装置１２００に関して、計測された特定の波長の周期性サイズを決定するために色の変化を分析する例示的なルーチン１３００を示す。具体的には、ステップ１３０５において、分析ソフトウェアプログラムを含む１つ以上のソフトウェアモジュール１２４５を実行することによって構成されるプロセッサ１２１６は、捕捉された画像上の各特定点の波長を、フォトニック材料の周期性のサイズに変換する。上述のように、変換は、装置の幾何図形的配列と、分析された特定の波長スポットに対応する特定の回折角の関数として行ってもよい。周期性のサイズが決定されると、構成されたプロセッサは、ステップ１３１０において、周期性のサイズを標準状態の既知の周期数と比較することによって変形の量を計算することができる。加えて、または代わりに、例えば、所定の閾値を超える差異を識別するために、周期性を、周囲の測定された周期性に対して比較してもよい。次に、ステップ１３１５において、構成されたプロセッサは、計算した変形値を使用して、プロセッサに結合されたディスプレイ１２１７に結果を出力することができる。なお、ステップ１３１５において、ディスプレイ１２１７を使用して、構成されたプロセッサによって完全な画像または波長マップを出力させてもよい。また、情報は、プロセッサによって記憶装置１２３５に格納されるか、及び／または通信インタフェース１２５５を介してコンピューティング装置に、またはネットワークを介して、更なる解析及び／または記憶のために中央処理センターサーバ（図示せず）へ送られる。図１１は、被検査試料について検査装置によって生成されて出力された波長マップを２つ並べた視覚画像を示す。具体的に、画像の左側には、試料に応力を加えない場合のマップを示し、画像の右側には、試料に応力を加える場合の試料のマップを示す。
【００９３】
試料材料の摂動を検出して分析する別の方法は、レーザビーム１２３０の回折に基づいている。図１２Ａに示すように、入射ビーム１２９０は、放出されたレーザビーム１２３０とフォトニック試料材料との相互作用の結果として生じる回折ビームである。このビーム１２９０は、検出器１２１４によって検出することができて、検出器上のビームの位置は、上記の式（１）によるフォトニック材料の周期性のサイズに関連する回折角を示す。図１２には、ミラー１２１２と、ビームの強度を変調するレンズまたは光学フィルタ１２１３とを含む２つの追加素子が示される。これらの素子は両方とも、検査装置１２００の基本機能に必要ではないが、より効率的な測定を実現することができるという点で有益であり得る。特に、ミラー１２１２の存在は、光路を延ばして、ビームを検出器の位置に向けることができ、例えば、装置のサイズを最小化するという目的と共に、意味が明確にされ得る。さらに、検査装置１２００は、この目的のために２つ以上のミラーを備えるように構成してもよい。
【００９４】
素子１２１３の機能は、検出器を飽和させないためにレーザの強度を減少させるフィルタ、またはビームを拡散させる凹レンズのうちの１つ以上であり得る。このような構成は、ビーム１２９０の強度を減少させること、及び検出器１２１４上のより広い検出領域にわたってビーム１２９０を分散させることのために使用されてもよい。例えば、検出器１２１４を特徴づける種々のセンサユニットからの複数同時測定を可能にする。一部の実施形態において、１つまたは複数の検出器１２１４は、材料が標準状態にあるときにビームの経路に配置されるフォトダイオードであるか、または種々の高感度素子を有するＣＣＤアレイであってもよく、したがって回折角のあらゆる変化が、異なる位置でビームが検出器に当たることに帰する。フォトダイオードまたはＣＣＤアレイは、放射の強度を電流の強度に変換するように構成してもよい。さらに、この電流を電圧に変換してもよく、次にプロセッサの入力として使用してもよい。それに応じて、プロセッサは、電圧入力を、被検査試料の変形の単位に変換するように構成することができる。
【００９５】
より具体的に、図１３Ｂに、材料の変形を定量化するためにプロセッサによって実行される例示的なルーチン１３５０を示す。具体的には、ステップ１３５５において、分析ソフトウェアを含む１つ以上のソフトウェアモジュール１２４５を実行することによって構成されるプロセッサは、受信した電圧を検出器上のビームの位置に変換する。例えば、この変換は、検出器１２１４を含むセンサ素子の既知の位置の関数として行ってもよい。次に、上述のように、ステップ１３６０において、構成されたプロセッサは、装置の幾何図形的配列に基づいて、計算した位置を回折角に変換してもよい。次に、ステップ１３６５において、プロセッサは、回折角をフォトニック材料の周期数に変換する。ステップ１３７０において、プロセッサは、この算出した周期数を、変形が無い場合の既知の周期数と比較し、ステップ１３７５において、任意の変形の定量化した値を出力して保存する。
【００９６】
図１６Ａ〜図１６Ｂを手短に振り返ると、これらは、開示された実施形態に従って構築された複合構造の検査の結果、例示的な検査装置によって捕捉された光の例示的な画像（例えば、波長マップ）を示す。図１６Ａ及び図１６Ｂは、開示された実施形態に従って構築された例示的な構造材料が、それに加えられる力の非存在下及び存在下で、どのように光を回折するかの更なる例である。図１６Ａ〜図１６Ｂに示すように、材料上の各特定点の色／陰または回折波長は、材料に加えられる力と材料の変形に応じて変化し得る。より具体的には、図１６Ａは、本明細書にグレーティングとして記載され、本例では応力を受けていないフォトニック構造によって、入射白色光（または更に一般には多数の波長を含む放射）が、反射されて回折される状況の被検査材料の画像を表す。図１６Ｂは、同じ光素子またはグレーティングが（例えば、応力がもとで）伸ばされ、間隔が増加し、結果として回折パターンが変化する状況を表す。
【００９７】
図１６Ａ〜図１６Ｂに示す視覚マップは、検査装置の入力として捕捉された屈折放射情報の一例を構成する。処理して波長を変位に変換した後、各色がある変位の値に対応するように設定されている場合は、検査装置の出力を２次元のカラーマップとして表すこともできる。ただし、２つの例示的な画像の見かけの色または濃淡に関する情報は、一例として提供され、違うものであり得ることに注意すべきである。そのため、入力と出力は、異なる情報を含みながらも、ほぼ同じに見える場合がある。
【００９８】
分析が拡散放射を用いる代わりにレーザビームを用いて行われる場合、パターンは、均一ではなく、図１及び図４に視覚化されたスポット（例えば、１６０Ａ、１６０Ｂ、１６０Ｃ、１６０Ｄ、１６０Ｅ、及び４６５）など、規則的に分布したスポットからなる。拡散した照射のために、捕捉される２Ｄ画像は、照らされる領域が大きいほど、試料のより大きな領域に関する情報を同時に提供する。その反対に、レーザビームの回折によって生成される回折パターンの画像は、レーザによって照らされる領域に関する情報を提供する。この後者の構成は、より高感度であり、小さな変位が試料のより広い領域にわたって均一に生じることが予想される場合に有利であり得る。あるいは、拡散した照射を、予備的な分析として使用してもよく、レーザ照射を、それに続くより詳細な分析として使用してもよい。
【００９９】
図１２Ｂは、検査装置１２００に放射が出入りできるように配置された窓１２１８を視覚化する目的で、図１２Ａの検査装置１２００を正面からの斜視図で示す。具体的には、回折されたレーザビーム収集用の窓は１２１８Ａとして識別し、画像収集用の窓は波長マップ１２１８Ｂとして、装置を出て行くための拡散放射用の窓は１２１８Ｃとして識別し、装置を出て行くためのレーザビーム用の窓は１２１８Ｄとして識別する。
【０１００】
代替として、検査装置１２００の構成要素の、より小型の構成が、図１４Ａ及び図１４Ｂに示される。図１４Ａは、より小型の構成の装置１２００の、この変形例の正面斜視図であり、図１４Ｂは、後方斜視図である。例示的な小型検査装置構成及び動作原理に組み込まれる個々の要素に関して、この例示的な変形物は、図１２Ａ及び図１２Ｂに示される検査装置１２００と実質的に同等である。そのため、それぞれの構成要素には変わることなく番号が付けられている。ただし、利用されるスペースを最小限に抑えるために、２つの光源を互いに重ねて配置してある。具体的には、ランプ１２５０はレーザ放射源１２２０の上部に示されるが、光源１２５０及び１２２０は反対に配置することもできることが理解できる。底部にレーザがある利点の１つは、レーザがレーザ検出システムと同じ高さにあることであり、それによってビームが同じ平面上にある場合には、ビームを集めてビームを検出器に向けることが簡単になる。それにもかかわらず、光源が検出器と正確に同一の平面上にない場合、検出システムにビームを向けるための追加の構成要素を検査装置に容易に組み込めることが理解できる。加えて、図１４Ａ〜図１４Ｂに示す検査装置１２００の例示的な構成は、電源としてバッテリー１２１９を有するものとしても示される。
【０１０１】
例示的な実施形態は、図１２Ａ〜図１４Ｂに高水準の（例えば、簡略化された）形式で示されるが、１つ以上の実施形態に従って、検査装置は、より基本的な構成を有するように構成してもよい。前述のように、検査装置は、１つの光源のみ（例えば、１２２０または１２５０）と対応する検出構成要素を備えることができ、摂動に関する量的な情報を提供するためにシステムのそれぞれが独立して使用され得るので、必ずしも両方の種類の光源を同時に必要とするものではない。そのうえ、開示された実施形態の範囲から逸脱することなく、ミラー及びレンズなどの１つ以上の光学素子を除去してもよい。
【０１０２】
しかしながら、検出のための種々のシステム及び方法を実施するように構成される他の考え得る実施形態があり、ある特定の実用的な用途に対して有利であり得る。特に、回折されたレーザ放射を収集して、それらを単純に強度を測定する検出器に向ける１つの例示的な代替の選択肢は、複数の回折ビームを収集して、それらをレンズまたはレンズシステムで検出器に集束させることである。そのような構成を有する例示的な検査装置１５００の概略図が、図１５Ａ及び図１５Ｂに示される。具体的には、図１５Ａは検査装置１５００の上面図であり、図１５Ｂは検査装置１５００の正面斜視図である。
【０１０３】
検査装置のこの特定の構成は、図１２Ａ〜図１４Ｂに関して説明した構成に概ね類似している。また一方、追加の特徴は、２つの入射レーザビーム１５９０及び１５９５の経路上に配置される２つのレンズ１５１１及び１５１３の存在である。この構成において、両方のビームは、それらの発散を低減させ、または可能であれば、ある程度の収斂をも起こし得るレンズ１５１１によって集められる。次に両方のビームは、別のレンズ１５１３を通り抜けてミラー１５１２によって反射される。レンズ１５１３は、ビームの当初の発散とレンズ１５１１の能力しだいで、必要であってもなくてもよい。追加のレンズ１５１３の目的は、レンズ１５１１によってまだ達成されていない場合、２つのビームを、放射の強度を電流に変換するフォトダイオード１５１４の高感度部分に集束させることである。
【０１０４】
フォトニック材料の変形が生じた場合は、フォトダイオード上へのビームの収斂が損なわれるはずである。特に、ビーム１５９０及び１５９５の発散が変わる場合、２つのビームの焦点または交点は、フォトダイオードの前か後ろかのどちらかに出現する。このことは、フォトダイオード１５１４によって生成される電流の強度変化を引き起こす。よって、フォトダイオードに結合されたプロセッサ１５１６を、較正によって、フォトダイオードで測定された所与の強度変化に試料物質の変形の大きさを対応付けるように構成することができる。強度を変形サイズに変換するために、分析ソフトウェアプログラムを実行することによって構成されるプロセッサ１５１６によって行われるステップの概要は、フォトダイオード上の２つの回折されたレーザビームの焦点と、レンズ１５１１の位置でのビームの明確な発散角に基づいて、ビームの回折角を計算することを含んでもよい。次に、式（１）及び回折角を使用して、構成されたプロセッサは、そのような計算された回折角の要因である周期性間隔を計算することができる。
【０１０５】
したがって、摂動によって引き起こされるグレーティングの周期性の変化は、検出器上の強度の変化をもたらす。放射の強度に比例するフォトダイオードによって生成される電流の強度は、電圧に変換することができ、電圧はプロセッサユニット１５１６によって処理されて、電圧を標準状態で収集された強度と比較することによって材料の変形の値を生成することができる。プロセッサによって実行される計算は、先の段落で説明した通りである。プロセッサからの、摂動に関して定量的情報を示すこの情報は、次にディスプレイ１５１７に送られてもよい。
【０１０６】
図１５Ａ及び図１５Ｂには、２つのレンズと１つのミラーがあり、先に述べたように、これらは検査装置１５００の動作に必ずしも必要ではない。それにもかかわらず、同じ機能を実現するために、場合によっては、より効果的な方法で、より多くの数のレンズ及びミラーが存在することもあり得る。例えば、２つのレーザビームの発散が非常に大きい場合、ビームを検出器１５１４に集中させるために、より多くのレンズが必要とされ得る。同じ理由から、所望の収束を達成する目的で、装置内のレーザビームの光路を単純に増加させるために、より多くのミラーが必要になることがある。あるいは、仮に、装置内のスペースの最小化と、装置内の様々な素子の位置の最適化のために、検出器が、届きにくい位置にあるか、または別の素子の後ろに隠れている場合がある。この理由から、１つまたは複数のビームが、検出器または所望の素子に到達するために、より多くのミラーが必要になる場合がある。
【０１０７】
加えて、例示的な検査装置の別の構成は、行われる摂動の計測において、より多くの自由度と、より高次の次元性をもたらし得る。フォトニック材料、例えば先に説明した例示的な複合構造は、様々な次元（例えば、１次元、２次元または３次元のグレーティング）を有するように構成することができるので、検査装置を、より高い次元性を検出して呈示させるように構成することもできる。例えば、フォトニック材料が２次元格子からなる場合、検査装置は、１つの平面内だけでなく、２つの平面内の回折角の変化を検出するように構成することができる。そのような構成では、回折されたレーザ（例えば、図１２のビーム１２９０）は、検出器に対して水平方向に移動することができ、摂動の関数として垂直方向に移動することもできる。この場合、回折されたビームの角度変化は、装置の平面内だけでなく、それに垂直な平面内でも分析される。そのために、装置は、図１３Ａ及び図１６Ａの平面に垂直に整列したビームを受け取り、作用し、分析するためのミラー、レンズ、及び検出器構成を提供する。それに応じて、検査装置を、回折されたレーザのこの２次元の移動を検出するように構成してもよい。より具体的には、実施形態によっては、検査装置の検出器１２１４は、例えば互いに重ね合わせたＣＣＤアレイの平面群、または任意の他の２次元検出構成のＣＣＤアレイの平面群で構成してもよい。システムの図は、検出器の個々の設計の差異に起因して装置の感度が向上するという唯一の違いを除けば、図１２のシステム（また、例えば、図１４Ａまたは図１５Ａの検査装置）に概ね類似している。その結果、検査装置は、上述の装置及びフォトニック構造の２次元構成に従って、２つの異なる方向に沿って変位を計測することにより、変形の存在を検出して、それを定量化することができるだけでなく、そのような変形の異方性の形状または方向性を定義することもできる。
【０１０８】
さらに、検査装置を、例えば図８Ａ〜図１０Ａに関連して説明したフォトニック結晶などの３次元フォトニックシステムで用いるために、検査装置は、異なるウィンドウを通して複数の回折線を同時に捕捉して分析し、回折角の変化を検出するように構成してもよい。検査用ビームに対する窓の相対位置は、検討される３次元格子または３次元フォトニック結晶の具体的な構造との関係で画定される。例えば、フォトニックバンドギャップを有する三次元フォトニック構造は、種々の格子面によって決定される別々の方向に沿って許容バンド及び禁制ギャップの回折パターンを生成する。そのため、ある方向に沿って、ある波長の放射の欠如または減少を監視することが可能になる。例えば、面心立方（ｆｃｃ）格子を有する３Ｄオパールを考えると、これは、格子の品質が非常に高い場合には、フォトニックストップバンドまたはバンドギャップのセットを生じさせる。この種のストップバンドまたはバンドギャップは、他のものよりも強いものは少なく、互いにあまり相違しない角度で収集することはほとんどできない。特別に、ミラー指数が例えば１１１、２２０、及び２００である格子面に対応するストップバンドを全て（上述のように）集めて、装置によって監視してもよい。その結果、特定の方向に沿った特定のストップバンドに対応する強度の増加がある場合、このことは、対応する格子面の間隔が変化したことを示す。さらに、ストップバンドについての挙動が２つ以上のＣＣＤアレイなどの２Ｄ検出器によって監視され得る場合、これは、格子変位が圧縮または伸長にあるかどうかをも示す。種々のストップバンドまたはバンドギャップについての（角度と強度の）挙動を別々に監視するこの可能性によると、この分析は、分析されるそれぞれの方向に沿って格子内部で起こる変形の異方性に関する（分析されるストップバンドの数と同数の次元の）多次元情報を提供する。
【０１０９】
この方法は、上述のようなフルオロフォアが無くとも機能するが、フルオロフォアの存在は、測定を大幅に簡単にする。１つ以上のフルオロフォアの存在下で、入射放射はフルオロフォアの光学励起を標的にしてもよく、その結果、その放出について分析を行ってもよい。そのようなシナリオでは、フルオロフォアの放出は、励起の方向に独立して全方向に等方的に照射される。しかし、その強度は、格子定数または個別の平面、及び波長または１つ以上のフルオロフォアの放出によって決定される特定の方向に沿ったストップバンドまたはバンドギャップの存在によって、極端に減少する。そのため、それらの方向のいずれかまたは全てに沿って強度の欠如を監視するように装置を適合させることにより、強度変化を監視することによって変位の存在を測定することが可能になる。したがって、これにより、材料の変形と、システムに含まれる１つ以上の材料の屈折率または放射特性の変化を決定する任意の変化の多次元（分析されるストップバンドと同数の次元の）異方性分析が提供される。これらの変化は、例えば、限定はしないが、温度変化、化学吸収、機能化、磁場の存在、他の種類の放射に曝されることであり得る。
【０１１０】
本発明の開示された実施形態の他の２つの実際的な実施態様が、図１６及び図１７に示される。これらの例示的な検査装置と前述の検査装置との主な違いは、光源を移動させる機能である。図１６において、光源は、拡散放射源１７０１もしくはレーザ１７０４、または同時にその両方であってもよい。そのような光源は、可動アーム１７０３に取り付けられており、可動アーム１７０３は、この図に円筒形で表される装置の本体からのそれ自体の距離を調整するために、別のアーム１７０２の上を摺動することができる。アーム１７０２は、装置の周りを回転することができ、装置の周りに配置されたレールシステム１６０１によって所定の位置に保持される。光源１７０４によって放出された放射は１７０５として示され、これは、材料から回折され、点線１７０５によって引かれるあり得る経路に従って装置に送られる。そのような放射は、窓１７０６から装置に入り、潜在的に１つ以上のミラー１７０７によって反射されて検出器１７０８に到達する。この場合であっても、ミラーの存在は必要ではないが、ミラーは装置のアーキテクチャの最適化を促進し得る。１７０９はプロセッサであり、１７１０はタッチスクリーンか、またはデータ及び結果の視覚化用の簡単なスクリーンである。センサに対してカメラを動かすことの利点は、様々な方向からの放射を集め易くし、結果として（２次元フォトニック材料の）種々の回折条件、または（３次元フォトニック材料の）種々のストップバンド／バンドギャップを監視し易くすることである。この場合も、光源が拡散されるとすれば、窓１７０６の近傍に配置し得るカメラセンサが、各点で回折された波長の変化を監視し、また一方で光源がレーザであるとすれば、放射の不在及び存在、または放射の強度が、材料の変位に関する情報を提供する。
【０１１１】
図１７において利用される原理は同じであるが、主な違いは、この実施形態がユーザインタフェースに焦点を置いていることである。システム全体は、この図に表現されているタブレットに似たデバイスに合うように変えて、小型化することができる。破線１８０６は、現在の図に対して反対側の、デバイス上のタッチスクリーンを表す。この図の上部に示される装置の裏側には、可動アーム上の光源１８０２及び１８０８が備えられており、これらの光源は、ある点を中心にして円状に回転できる。この点は必ずしも装置の中心にある必要はないが、より便利であるように配置してもよい。光源は、円形領域１８０５のどこへでも配置することができ、したがっていくつかの回折角を範囲に含み得るように、光源を可動アーム１８０１に沿って摺動することもできる。回転アームは、円形支持体１８０３の周りを動くことができる。放射源がレーザ１８０２である場合、ビームのあり得る経路の１つが破線によって引かれる。ビームは、フォトニック材料によって反射されて回折され、装置の窓１８０４の方へ向け直される。窓１８０４は、検出器自体の高感度素子であってもよく、または検出器もしくは先の実施形態に示すような１つ以上のミラーにビームを通す窓であってもよい。拡散光源が利用される場合、回折パターンの画像は、カメラセンサ１８０４によって分析される。素子１８０４は、カメラセンサかそれとも光検出器、またはその両方、または放射が、直接か、ミラーのセットもしくは他の光学素子を用いるかのいずれかで、適切な高感度素子へ到達できるように放射を通過させる窓であってもよいことに注意すべきである。
【０１１２】
この際、先の説明の多くは、複合構造を提供するシステム及び方法を対象としてきたが、本明細書に開示されたシステム及び方法は、シナリオ、状況、及び参照されるシナリオを遥かに超える環境において、同様に展開及び／または実装され得ることに留意すべきである。
【０１１３】
図面に示され説明されているよりも多くのまたは少ない動作が実行され得ることが理解される。これらの動作は、説明した順序とは異なる順序で行うこともできる。図面中の同様の数字は、いくつかの図面を通して同様の要素を表しており、図面を参照して説明され、図示された全ての構成要素及び／またはステップが、全ての実施形態または構成に対して必要とされるわけではないことを理解すべきである。
【０１１４】
このように、本システム及び本方法の説明的な実施形態及び構成は、フィールドデバイスを無線で構成するためのシステム及びコンピュータ実装方法、コンピュータシステム、及びコンピュータプログラム製品を提供する。図面のフローチャート及びブロック図は、様々な実施形態及び構成によるシステム、方法、及びコンピュータプログラム製品のあり得る実装に関するアーキテクチャ、機能性、及び操作を示す。この関連で、フローチャートまたはブロック図の各ブロックは、モジュール、セグメント、またはコードの一部を表すことがあり、指定された論理機能（複数可）を実装するための１つ以上の実行可能命令を含む。いくつかの代替の実施態様では、ブロックに記された機能は、図に示された順序を外れて発生することがあることにも留意すべきである。例えば、順次に示される２つのブロックは、実際には、ほぼ同時に実行される場合があり、またはブロックは、必要とされる機能性しだいで、時には逆の順序で実行される場合がある。ブロック図及び／またはフローチャート図の各ブロックと、ブロック図及び／またはフローチャート図のブロックの組合せとは、指定された機能もしくは動作を実行する専用ハードウェアベースのシステムによって実装されるか、または専用ハードウェアとコンピュータ命令の組合せによって実施されることができることも留意されたい。
【０１１５】
本明細書で使用される用語は、特定の実施形態を説明するためのものに過ぎず、本開示を限定することを意図するものではない。本明細書では、単数形「ａ」、「ａｎ」及び「ｔｈｅ」は、別様に文脈が明らかに指示しない限り、同様に複数形を含むことを意図する。本明細書で使用される際に、用語「ｃｏｍｐｒｉｓｅ（備える）」及び／または「ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ（備えている）」は、記述された特徴、整数、ステップ、操作、要素、及び／またはコンポーネントの存在を指定するものであって、１つ以上の他の特徴、整数、ステップ、操作、要素、コンポーネント、及び／またはそれらのグループの存在または追加を排除するものではない。
【０１１６】
また、本明細書で使用される表現及び用語は、記述のためのものであって、限定するものとして見なされるべきではない。本明細書で「ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ（含んでいる）」、「ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ（備えている）」、または「ｈａｖｉｎｇ（有している）」、「ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇ（含んでいる）」、「ｉｖｏｌｖｉｎｇ（含んでいる）」、及びそれらの変形の使用は、それ以降に列挙される項目及びその均等物ならびに追加項目を包含することを意味する。
【０１１７】
上記の内容は、例示のために提供されたものに過ぎず、限定するものとして解釈されるべきではない。本明細書に記載された内容を、説明し、記述した例示の実施形態と応用によらず、下記の特許請求の範囲に係る本開示の真の趣旨及び範囲から逸脱することなく、様々に修正し、変更することができる。
【符号の説明】
【０１１８】
１１０  材料
１２０  グレーティング
１３０  材料
１４０  材料
１５０  材料
１６０Ａ、１６０Ｂ、１６０Ｃ、１６０Ｄ、１６０Ｅ  スポット
１７０  材料
２１０  材料
２２０  グレーティング
２３０  材料層
２５０  蛍光層
３００  複合構造
３１０  材料
３３０  材料層
３５０  蛍光層
３８０  グレーティング
３８５  穴
４００  複合構造
４１０  底層
４３０  材料
４４０  材料
４５０  蛍光層
４６０  スポット
４６５  蛍光スポット
４８０  グレーティング層
４９０  蛍光層
５００  複合構造
５１０  材料層
５１１  個別の細片
５１２  細片
５２０  グレーティング面
５３０  細片
６１０  構造材料
６１１、６１２、６１４  線
６２０  グレーティング
６３０  蛍光材料
７００  複合構造
７１０  構造材料
７２０  グレーティング
７３０  蛍光材料
８００  複合構造
８１０  構造材料
８１４  材料
８１５  回折線
８５０  体積
８６０  蛍光成分の存在し得る位置
８６５  上面
８７０  フルオロフォアによって占有され得る体積
９００  フォトニック結晶
９１０  支持材料
９１５  回折線
９１６  ビーズ
９５０  体積
１０００  フォトニック結晶
１０１０  材料
１０１５  回折線
１０１６  穴
１０５０  体積
１１００  フォトニック構造
１１０５  グレーティング面
１１１０  入射白色光
１１２０  異なった波長
１１２０Ｂ  回折パターン
１１３０  スリット
１１３０Ｂ  スリット
１２００  検査装置
１２１２  ミラー
１２１３  光学フィルタ
１２１４  検出器
１２１５  回路基板
１２１６  プロセッサ
１２１７  ディスプレイ
１２１８  窓
１２１８Ａ  レーザビーム収集用の窓
１２１８Ｂ  画像収集用の窓
１２１８Ｃ  拡散放射用の窓
１２１８Ｄ  レーザビーム用の窓
１２１９  バッテリー
１２２０  光源
１２２５  ユーザインタフェース
１２３０  レーザビーム
１２３０  メモリ
１２３５  記憶装置
１２４０  円錐状の放射
１２４５  ソフトウェアモジュール
１２５０  光源
１２５５  通信インタフェース
１２６０  カメラセンサ
１２７０  オーディオ出力
１２８０  レンズ
１２８５  データベース
１２９０  入射ビーム
１５００    検査装置
１５１１  レンズ
１５１２  ミラー
１５１３  レンズ
１５１４  フォトダイオード
１５１６  プロセッサ
１５１７  ディスプレイ
１５９０  ビーム
１５９５  ビーム
１７０１  拡散放射源
１７０２  アーム
１７０３  可動アーム
１７０４  光源
１７０５  放射
１７０６  窓
１７０７  ミラー
１７０８  検出器
１８０１  可動アーム
１８０２  光源
１８０３  円形支持体
１８０４  窓
１８０５  円形領域
１８０６  タッチスクリーン
１８０８  光源
【図１】
2019511749.tif 000003
【図２】
2019511749.tif 000004
【図３】
2019511749.tif 000005
【図４】
2019511749.tif 000006
【図５Ａ】
2019511749.tif 000007
【図５Ｂ】
2019511749.tif 000008
【図６Ａ】
2019511749.tif 000009
【図６Ｂ】
2019511749.tif 000010
【図７】
2019511749.tif 000011
【図８Ａ】
2019511749.tif 000012
【図８Ｂ】
2019511749.tif 000013
【図９】
2019511749.tif 000014
【図１０】
2019511749.tif 000015
【図１１Ａ】
2019511749.tif 000016
【図１１Ｂ】
2019511749.tif 000017
【図１２Ａ】
2019511749.tif 000018
【図１２Ｂ】
2019511749.tif 000019
【図１２Ｃ】
2019511749.tif 000020
【図１３Ａ】
2019511749.tif 000021
【図１３Ｂ】
2019511749.tif 000022
【図１４Ａ】
2019511749.tif 000023
【図１４Ｂ】
2019511749.tif 000024
【図１５Ａ】
2019511749.tif 000025
【図１５Ｂ】
2019511749.tif 000026
【図１６Ａ】
2019511749.tif 000027
【図１６Ｂ】
2019511749.tif 000028
【図１７】
2019511749.tif 000029
【図１８】
2019511749.tif 000030
【国際調査報告】
2019511749.tif 000031
2019511749.tif 000032
2019511749.tif 000033