(57)【要約】  本開示は、超音波および音響放射装置のためのモード変換に関連するシステムおよび方法を提供する。モード変換構造（ホログラフィックメタマテリアル）は、音響圧力パターンを第１のモードから第２のモードに変換して、入力放射パターンとは異なる目標放射パターンを得るように選択された音響材料特性の分布で形成される。ホログラフィック方程式の解によって音響材料特性の分布の十分に正確な近似が生成され、モード変換装置が形成される。１つ以上の最適化アルゴリズムを使用して、モード変換および音響モード変換器の生成の効率を向上させることができる。
2020521380.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
音響放射（ＡＲ）装置に対して相対的に配置され、有限周波数帯域について、該ＡＲ装置の音場プロファイルを入力モードから出力モードに変更するように構成された、音響材料特性の体積分布を有するモード変換構造を有する装置であって、
上記モード変換構造は、複数のサブ波長ボクセルに分割され、
各ボクセルは、上記有限周波数帯域内の周波数の波長の半分未満である最大寸法を有し、
各ボクセルは、上記モード変換構造の音響材料特性の分布に近似するために、複数の音響材料特性のうちの１つを割り当てられることを特徴とする装置。
【請求項２】
上記音響材料特性の体積分布は、選択された座標系における線形弾性テンソルおよび動的密度テンソルの成分を含む材料特性の体積分布を含むことを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項３】
各ボクセルは、音響材料特性を割り当て、上記音場プロファイルを変更し、目標遠方場または近接場放射パターンを得ることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項４】
上記音響材料特性は、線形弾性テンソルおよび動的密度テンソルの成分の組み合わせを含むことを特徴とする請求項３に記載の装置。
【請求項５】
複数の固有音響材料特性のそれぞれは、ボクセルのサブセット内のボクセルのそれぞれが、該ボクセルを形成する材料の固有体積弾性率、弾性係数、および／または密度に基づいた上記固有音響材料特性を有するように、固有体積弾性率、弾性係数、および／または密度を有する材料からボクセルのサブセットの各上記ボクセルを形成することによって、ボクセルの対応するサブセットに割り当てられることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項６】
上記ＡＲ装置は、音響トランスデューサを備えることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項７】
上記音響材料特性の体積分布は、第１の音響特性を有する第１の材料から形成されたボクセルの第１のサブセットと、該第１の音響特性とは異なる第２の音響特性を有する第２の材料から形成されたボクセルの第２のサブセットとを含むことを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項８】
上記第１の材料および／または上記第２の材料の音響特性は、密度、弾性係数、および体積弾性率のうちの１つ以上を含むことを特徴とする請求項７に記載の装置。
【請求項９】
標準周囲温度・圧力（ＳＡＴＰ）において、上記音響材料特性の体積分布は、第１の音響特性を有する第１の固体材料から形成されたボクセルの第１のサブセットと、該第１の音響特性とは異なる第２の音響特性を有する第２の液体材料から形成されたボクセルの第２のサブセットとを含むことを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項１０】
上記音響材料特性の体積分布を選択し、ホログラフィック解に対応する一次音響屈折率の対応する体積分布を形成することを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項１１】
上記一次音響屈折率の体積分布は、以下の式を用いて選択することを特徴とする請求項１０に記載の装置。
【数１】
2020521380.tif 000019
（式中、ｎ（ｘ，ｙ，ｚ）は、ｘ、ｙ、ｚ座標系における上記一次音響屈折率の体積分布である。
βは、選択可能な規格化定数である。
ｐｉｎは、上記ｘ、ｙ、ｚ座標系に対する上記モード変換構造の表面上の上記ＡＲ装置からの音響放射の入力圧力場分布である。
ｐｇｏａｌは、上記ｘ、ｙ、ｚ座標系に対する上記モード変換構造からの音響放射の出力圧力場分布である。）
【請求項１２】
上記音響屈折率の体積分布は、以下の式を用いて選択することを特徴とする請求項１０に記載の装置。
【数２】
2020521380.tif 000020
（式中、ｎ（ｘ，ｙ，ｚ）は、ｘ、ｙ、ｚ座標系における上記音響屈折率の体積分布である。
βは、選択可能な規格化定数である。
ｐｉｎは、上記ｘ、ｙ、ｚ座標系に対する上記モード変換構造の表面上の上記ＡＲ装置からの音響放射の入力圧力場分布である。
ｐｇｏａｌは、上記ｘ、ｙ、ｚ座標系に対する上記モード変換構造からの音響放射の出力圧力場分布である。）
【請求項１３】
上記音響材料特性の体積分布は、上記音響材料特性が最適化可能な変数として扱われる最適化アルゴリズムを用いて選択されることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項１４】
上記最適化アルゴリズムは、ホログラフィック解に対応する初期推測から開始することを含むことを特徴とする請求項１３に記載の装置。
【請求項１５】
上記音響屈折率の体積分布は、以下の式を用いて選択することを特徴とする請求項１０に記載の装置。
【数３】
2020521380.tif 000021
（式中、ｎ（ｘ，ｙ，ｚ）は、ｘ、ｙ、ｚ座標系における上記音響屈折率の体積分布である。
βは、選択可能な規格化定数である。
ｐｉｎは、上記ｘ、ｙ、ｚ座標系に対する上記モード変換構造の表面上の上記ＡＲ装置からの音響放射の入力圧力場分布である。
ｐｇｏａｌは、上記ｘ、ｙ、ｚ座標系に対する上記モード変換構造からの音響放射の出力フィールド分布である。
αは、最小値ｎを維持するように選択された定数である。）
【請求項１６】
上記モード変換構造はメタマテリアルを含むことを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項１７】
上記モード変換構造は非周期光結晶を含むことを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項１８】
上記モード変換構造は、上記サブ波長ボクセルのそれぞれを、上記割り当てられた音響材料特性を有する材料によって印刷するために、３次元プリンタによって印刷されることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項１９】
上記モード変換構造は、アマルガム配合、材料積層、射出成形プロセス、押出成形、発泡、圧縮成形、真空成形、ブロー成形、回転成形、鋳造、回転鋳造、遠心鋳造、機械加工、層堆積、化学エッチング、および浸漬成形のうちの少なくとも１つによって製造されることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項２０】
有限周波数帯域について、音響放射（ＡＲ）装置の目標放射パターンを特定するステップと、
上記ＡＲ装置に対するモード変換構造を囲むための３次元体積の境界を特定するステップと、
上記ＡＲ装置からの上記モード変換構造の表面上の音響放射の入力圧力場分布を特定するステップと、
上記モード変換構造内の音響材料特性の体積分布を特定して、入力モードの上記音響放射の入力圧力場分布を、出力モードの上記目標放射パターンに近似する音響放射の出力フィールド分布に変換するステップと、
上記モード変換構造の生成のために上記音響材料特性の体積分布を送信するステップとを含むことを特徴とする方法。
【請求項２１】
上記音響材料特性の体積分布を特定するステップは、選択された座標系における線形弾性テンソルおよび動的密度テンソルの成分を含む材料特性の体積分布を特定することを含むことを特徴とする請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
上記音響材料特性の体積分布を特定するステップは、音響材料特性の組み合わせを特定して、上記音場プロファイルを変更し、目標遠方場または近接場放射パターンを得ることを含むことを特徴とする請求項２０に記載の方法。
【請求項２３】
複数の固有音響材料特性のそれぞれを、ボクセルの対応するサブセットに割り当てるステップをさらに含むことを特徴とする請求項２０に記載の方法。
【請求項２４】
ボクセルのサブセット内のボクセルのそれぞれが、該ボクセルを形成する材料の固有体積弾性率、弾性係数、および／または密度に基づいた固有音響材料特性を有するように、固有体積弾性率、弾性係数、および／または密度を有する材料からボクセルのサブセットの各ボクセルを形成するステップをさらに含むことを特徴とする請求項２３記載の方法。
【請求項２５】
上記ＡＲ装置は音響トランスデューサを備えることを特徴とする請求項２０に記載の方法。
【請求項２６】
上記音響材料特性の体積分布を特定するステップは、第１の音響特性を有する第１の材料から形成されるボクセルの第１のサブセットと、該第１の音響特性とは異なる第２の音響特性を有する第２の材料から形成されるボクセルの第２のサブセットとを特定することを含むことを特徴とする請求項２０に記載の方法。
【請求項２７】
上記第１の材料および／または上記第２の材料の音響特性は、密度、弾性係数、および体積弾性率のうちの１つ以上を含むことを特徴とする請求項２６に記載の方法。
【請求項２８】
上記音響材料特性の体積分布を特定するステップは、標準周囲温度・圧力（ＳＡＴＰ）の上記音響材料特性の体積分布を、第１の音響特性を有する第１の固体材料から形成されるボクセルの第１のサブセットと、該第１の音響特性とは異なる第２の音響特性を有する第２の液体材料から形成されるボクセルの第２のサブセットであると特定することを含むことを特徴とする請求項２０に記載の方法。
【請求項２９】
上記音響材料特性の体積分布を特定するステップは、ホログラフィック解に対応する一次音響屈折率の体積分布を選択すること含むことを特徴とする請求項２０に記載の方法。
【請求項３０】
上記一次音響屈折率の体積分布は、以下の式を用いて選択することを特徴とする請求項２９に記載の方法。
【数４】
2020521380.tif 000022
（式中、ｎ（ｘ，ｙ，ｚ）は、ｘ、ｙ、ｚ座標系における上記一次音響屈折率の体積分布である。
βは、選択可能な規格化定数である。
ｐｉｎは、上記ｘ、ｙ、ｚ座標系に対する上記モード変換構造の表面上の上記ＡＲ装置からの音響放射の入力圧力場分布である。
ｐｇｏａｌは、上記ｘ、ｙ、ｚ座標系に対する上記モード変換構造からの音響放射の出力圧力場分布である。）
【請求項３１】
上記音響屈折率の体積分布は、以下の式を用いて選択することを特徴とする請求項２９に記載の方法。
【数５】
2020521380.tif 000023
（式中、ｎ（ｘ，ｙ，ｚ）は、ｘ、ｙ、ｚ座標系における上記音響屈折率の体積分布である。
βは、選択可能な規格化定数である。
ｐｉｎは、上記ｘ、ｙ、ｚ座標系に対する上記モード変換構造の表面上の上記ＡＲ装置からの音響放射の入力圧力場分布である。
ｐｇｏａｌは、上記ｘ、ｙ、ｚ座標系に対する上記モード変換構造からの音響放射の出力圧力場分布である。）
【請求項３２】
上記音響材料特性の体積分布を特定するステップは、上記音響材料特性が最適化可能な変数として扱われる最適化アルゴリズムの使用を含むことを特徴とする請求項２０に記載の方法。
【請求項３３】
上記最適化アルゴリズムは、ホログラフィック解に対応する初期推測から開始することを含むことを特徴とする請求項３２に記載の方法。
【請求項３４】
上記音響屈折率の体積分布は、以下の式を用いて選択することを特徴とする請求項２９に記載の方法。
【数６】
2020521380.tif 000024
（式中、ｎ（ｘ，ｙ，ｚ）は、ｘ、ｙ、ｚ座標系における上記音響屈折率の体積分布である。
βは、選択可能な規格化定数である。
ｐｉｎは、上記ｘ、ｙ、ｚ座標系に対する上記モード変換構造の表面上の上記ＡＲ装置からの音響放射の入力圧力場分布である。
ｐｇｏａｌは、上記ｘ、ｙ、ｚ座標系に対する上記モード変換構造からの音響放射の出力フィールド分布である。
αは、最小値ｎを維持するように選択された定数である。）
【請求項３５】
上記送信された音響材料特性の体積分布を用いて上記モード変換構造を生成するステップをさらに含むことを特徴とする請求項２０に記載の方法。
【請求項３６】
上記モード変換構造はメタマテリアルを含むことを特徴とする請求項３５に記載の方法。
【請求項３７】
上記モード変換構造は非周期光結晶を含むことを特徴とする請求項３５に記載の方法。
【請求項３８】
複数の固有音響材料特性のそれぞれを、ボクセルの対応するサブセットに割り当てるステップと、
上記固有の音響材料特性を有するボクセルの分布として上記モード変換構造を生成するステップとをさらに含むことを特徴とする請求項２０に記載の方法。
【請求項３９】
上記モード変換構造は、上記サブ波長ボクセルのそれぞれを、上記割り当てられた音響材料特性を有する材料によって印刷するために、３次元プリンタによって印刷されることを特徴とする請求項３８に記載の方法。
【請求項４０】
上記モード変換構造は、アマルガム配合、材料積層、射出成形プロセス、押出成形、発泡、圧縮成形、真空成形、ブロー成形、回転成形、鋳造、回転鋳造、遠心鋳造、機械加工、層堆積、化学エッチング、および浸漬成形のうちの少なくとも１つによって製造されることを特徴とする請求項３８に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【発明の詳細な説明】
【０００１】
優先件出願の全ての主題は、該主題が本明細書と矛盾しない範囲で、参照により本明細書に組み込まれる。
【技術分野】
【０００２】
本開示は、音響放射装置のためのモード変換構造に関する。モード変換構造は、有限周波数帯域について、入力音響モードを出力音響モードに変換するために、音響材料特性の体積分布を含んでもよい。
【図面の簡単な説明】
【０００３】
本特許または出願書類は，色を付けて作成された少なくとも１つの図面を含んでいる。カラー図面を伴う本特許または特許出願公開の写しは、請求および必要な手数料の納付をすると、特許庁により提供される。
【図１Ａ】図１Ａは、２次元等方性線源の指向性を向上させるための屈折率の体積分布の実数値を示す体積ホログラフィック媒体の一例を示す。
【図１Ｂ】図１Ｂは、２次元等方性線源の指向性を向上させるための屈折率の体積分布の虚数値を示すホログラフィック解の一例を示す。
【図２Ａ】図２Ａは、図１Ａおよび図１Ｂに示す分布に近似する屈折率分布を有するホログラフィックメタマテリアル（モード変換構造）によって囲まれた線源のフィールド分布の一例を示す。
【図２Ｂ】図２Ｂは、図１Ａおよび図１Ｂに示す屈折率分布を有するモード変換構造によって囲まれた図２Ａの線源の遠方場放射パターンの一例を示す。
【図３】図３は、２次元点双極子アンテナの放射パターンを指向性ビームに変換するための屈折率の体積分布の一例を示す。
【図４Ａ】図４Ａは、図３に示す分布に近似する屈折率分布を有するモード変換構造によって囲まれた２次元点双極子源のフィールド分布の一例を示す。
【図４Ｂ】図４Ｂは、図３に示す屈折率分布を有するモード変換構造によって囲まれた図４Ａの２次元点双極子源の遠方場放射パターンの一例を示す。
【図５】図５は、図１Ａに示す解を最適化することによって生成される屈折率の最適化体積分布の一例を示す。
【図６Ａ】図６Ａは、図５に示す分布に近似する屈折率分布を有するモード変換構造によって囲まれた２次元等方性線源のフィールド分布の一例を示す。
【図６Ｂ】図６Ｂは、図５に示す屈折率分布を有するモード変換構造によって囲まれた図６Ａの２次元等方性線源の遠方場放射パターンの一例を示す。
【図７】図７は、図３に示す解を最適化することによって生成される屈折率の最適化体積分布の一例を示す。
【図８Ａ】図８Ａは、図７に示す分布に近似する屈折率分布を有するモード変換構造によって囲まれた２次元点双極子源のフィールド分布の一例を示す。
【図８Ｂ】図８Ｂは、図７に示す屈折率分布を有するモード変換構造によって囲まれた図８Ａの２次元点双極子源の遠方場放射パターンの一例を示す。
【図９】図９は、音響放射を第１モードから第２モードに変換する音響モード変換構造の例を示す。
【図１０Ａ】図１０Ａは、最適化された２値モード変換構造で改良された円形超音波ホーンの音圧強度パターンの一例を示す。
【図１０Ｂ】図１０Ｂは、超音波ホーンに挿入されるように構成された屈折率の２値体積分布で最適化されたモード変換構造の一例を示す。
【図１０Ｃ】図１０Ｃは、超音波ホーンに挿入された２値最適化モード変換構造を示す。
【図１１Ａ】図１１Ａは、音響材料特性の体積分布の複数の離散音響材料特性への離散化の表現を示す。
【図１１Ｂ】図１１Ｂは、図１１Ａの部分拡大図を示す。
【図１１Ｃ】図１１Ｃは、個々のボクセルが離散音響材料特性を割り当てられた円筒モード変換構造の考えられる実施形態の表現を示す。
【図１２】図１２は、サブ波長寸法を有するボクセルに対するモード変換構造の音響材料特性の有効分布の表現を示す。
【図１３】図１３は、超音波エネルギーを第１モードから第２モードに変換するように構成された第１導波路内のモード変換構造の表現の一実施形態を示す。
【図１４】図１４は、第１モードの第１導波路がモード変換構造によって第２導波路内の第２モードに変換された、超音波エネルギーのシミュレートした実施形態を示す。
【０００４】
〔詳細な説明〕
様々な実施形態によれば、本明細書において、電磁放射（ＥＭＲ）装置のフィールドパターンおよび／または音響放射（ＡＲ）の圧力場を変更するように構成されたモード変換構造に関連するシステム、装置、および方法が記載される。電磁放射については、元のＥＭＲ装置によって生成された第１モードから第２モードに電磁場を変換するために使用することができる屈折率の体積分布を用いて、モード変換構造を生成してもよい。音響放射については、モード変換構造は、音波の屈折率に影響を及ぼす音響材料特性（例えば線形弾性テンソルおよび動的密度テンソルに関連する特性など）の体積分布を用いて生成してもよい。音響モード変換構造は、圧力場を、ＡＲ装置によって生成された第１モードから第２モードに変換してもよい。
【０００５】
本明細書に記載されるモード変換構造の実施形態のうちのいくつかは、ＡＲ装置およびＥＭＲ装置に等しく適用可能である。他の実施形態および記載は、一方のタイプの放射に対して、他方のタイプの放射に対してよりもより好適であり得る。例えば、誘電率分布を説明する、または、電気誘電率に関連する実施形態は、ＥＭＲ装置により好適であり得る。一方、音響材料特性の分布を説明する実施形態は、ＡＲ装置により好適であり得る。それにもかかわらず、両者が本明細書に記載される。これは、多くの場合、様々な実施形態の素子および構成は互換性があるためである。特に、屈折率の概念は、ＥＭＲ装置およびＡＲ装置の両方に適用可能である。屈折率の記述を使用するための数学的基礎には、波動方程式、ヘルムホルツ方程式、および光線近似（光線音響学、光線光学など）が含まれる。いくつかの実施形態において、ＥＭＲ装置のための第１目標モード変換と、ＡＲ装置のための第２目標モード変換とを実現するモード変換構造を形成してもよい。さらに、ＡＲ装置の波長は、本明細書に記載される方法に基づいて、ＥＭＲ装置の波長と一致してもよい。
【０００６】
例えば、第２モードは、放射近接場において、より狭いビーム幅、より高い指向性利得、より低い遠方場副ローブ、および／またはより均一な放射プロファイルを有していてもよい。いくつかの実施形態において、モード変換構造は、放射装置（ＥＭＲまたはＡＲ）の近接場または遠方場における再放射物体、反射物体、または屈折物体の影響を補償または打ち消す圧力場を変更してもよい。
【０００７】
超音波ＡＲ装置は、ラウドスピーカ、静電ラウドスピーカ、圧電トランスデューサ、ＭＥＭＳトランスデューサ、磁歪トランスデューサ、電磁音響トランスデューサ（ＥＭＡＴ）、可動コイル拡声器、およびパッシブラジエータの音響近接場分布に対応する超音波放射を生成してもよい。モード変換構造は、該モード変換構造の入力側で圧力場パターンを受信し、第２モードで出力音響放射に対応する出力側で圧力場パターンを出力してもよい。第２モードにおける出力音響放射は、異なる音響近接場分布に対応してもよい。
【０００８】
モード変換構造の屈折率、誘電率、または音響材料特性の分布は、有限周波数帯域について放射装置の場または圧力パターンを変更し、放射を第１モードから第２モードに変換するように選択してもよい。
【０００９】
ＥＭＲモード変換構造の様々な実施形態において、モード変換構造は、構造全体にわたる誘電率の急激な変化がないように、誘電率の連続分布を有する段階的誘電率構造として理想化してもよい。波長の有限範囲を考慮すると、段階的誘電率構造の離散化区分連続近似は、所定の帯域幅に対して電磁的に等価であってもよい。同様に、段階的密度または他の段階的音響材料特性構造を生成および／または使用して、音響材料特性の体積分布を有するモード変換構造の離散化区分連続近似を生成してもよい。
【００１０】
したがって、様々な実施形態において、モード変換構造を複数のサブ波長ボクセルに分割してもよい。すなわち、モード変換構造は、概念上、関連帯域幅内の波長よりも最大寸法が小さい複数のボクセル（３次元画素）を含むものと考えてもよい。例えば、各ボクセルは、所定の周波数帯域内の波長（例えば、最小波長）の半分未満である最大寸法を有していてもよい。モード変換構造は、メタマテリアルを含み、特定の周波数帯域についてＥＭＲまたはＡＲ装置の近接場および／または遠方場を変更するのに有用なホログラフィックメタマテリアル装置と称されてもよい。
【００１１】
いくつかの実施形態において、ボクセルは、立方体、平行六面体、四面体、錐体、角柱、様々な正多面体、または他の多面体であってもよい。いくつかの実施形態において、ボクセルは、サブ波長である１つまたは２つの寸法を有していてもよく、一方、他の寸法は波長よりも大きい。モード変換構造は、平坦であっても湾曲していてもよく、畝状または可変性であってもよい（または少なくとも可変性部分を有していてもよい）。モード変換構造は、不均一な厚さを有していてもよく、および／または、不変換材料で均一な厚さを作り出すために空隙を充填してもよい。
【００１２】
様々な実施形態において、ボクセルの形状および／またはサイズの組み合わせを使用してもよい。さらに、ボクセルは、ボクセル間に空間、隙間、または空隙がほとんどまたは全く存在しないような形状および／またはサイズであってもよい。あるいは、ボクセルは、様々なサイズおよび／または形状の隙間または空隙が存在するように配置されてもよい。いくつかの実施形態において、体積音響材料特性を計算する際に、隙間もしくは空隙は、無視してもよい、および／または、無視できるほど小さくてもよい。あるいは、隙間または空隙は、真空に対応する、または、隙間または空隙を充填する空気または別の流体（液体または気体）に対応する、１つ以上の音響材料特性を割り当てられてもよい。材料の例としては、浸液、鉱油、合成油、および高分子油が挙げられる。材料の他の例としては、様々な音響材料特性を有する１つ以上のメタマテリアル、非周期的光結晶、複合材料、多孔質材料、発泡材料、層状複合材料、成層複合材料、繊維束材料、マイクロロッド材料、ナノロッド材料が挙げられる。
【００１３】
温度および圧力が音響材料特性に及ぼす可能性がある影響のため、いくつかの実施形態において、モード変換構造を、特定の温度および／または圧力範囲または組み合わせについて評価してもよい。いくつかの実施形態において、標準的な周囲温度および圧力（ＳＡＴＰ）を、セ氏２５℃および１００ｋＰａの圧力として使用してもよい。
【００１４】
様々な実施形態において、音響材料特性の目標体積分布を得るために、モード変換構造は、固有音響材料特性を有する１つ以上の材料を含むように選択してもよい。音響材料特性の例としては、線形弾性テンソル、動的密度テンソル、体積弾性率、弾性係数、および密度が挙げられるが、これらに限定されない。特定の材料の音響材料特性は、超音波モード変換器が機能するように構成される有限周波数帯域に応じて変化してもよい。
【００１５】
本開示全体を通して、モード変換構造を離散化することについての議論は、様々な実施形態において異なるものを意味してもよい。例えば、いくつかの実施形態において、モード変換構造の概念的離散化は、最適化アルゴリズムのために使用されてもよく、一方、モード変換構造は物理的に離散化されなくてもよい。いくつかの実施形態において、モード変換構造の離散化は、モード変換構造の物理的離散化であってもよい。物理的離散化は、製造の単純化（例えば、モード変換構造の３次元印刷）に有用であってもよい。したがって、離散化、ボクセルへの分割などへの言及は、製造または最適化のいずれか、そして、時にはその両方との関連において理解されるべきである。明示的な関連がない場合、議論は、製造および最適化を個々に意味するものとして、かつ、製造および最適化の両方のための離散化の可能性を意味するものとして解釈されるべきである。
【００１６】
製造されたモード変換構造は、放射装置（ＥＭＲまたはＡＲ）に対して相対的に配置されてもよく、取り外し可能であってもよく、および／または、既存のアンテナシステムの改良法として構成されてもよい。モード変換構造の形状および寸法は、使用される放射装置に基づいて適合させてもよい。
【００１７】
様々な実施形態において、ＥＭＲ装置は、限定ではなく例示の目的で、無線周波数アンテナ、光放射送信機、および光放射受信機、ならびに／または、電流から光放射に、もしくは光放射から電流に変換するように構成された電気光学ＥＭＲ装置を備えてもよい。
【００１８】
様々な実施形態において、ＡＲ装置は、限定ではなく例示の目的で、音響トランスデューサ、音響送信機、音響受信機、超音波トランスデューサ、超低周波不可聴音トランスデューサ、可聴音響放射装置、振動装置、音波放射装置、および／または音響振動と電流との間で変換が行われるように構成された光放射アンテナを備えてもよい。
【００１９】
ＥＭＲモード変換構造を使用して、ＥＭＲ装置のフィールド分布を変更してもよい。ＡＲモード変換構造を使用して、ＥＭＲ装置の圧力場分布を変更してもよい。例えば、モード変換構造を使用して、低指向性アンテナの場または圧力分布を変更し、高指向性の狭ビーム幅アンテナの場または圧力分布に対応させてもよい。モード変換構造によって、放射装置、放射供給、または放射装置の環境に対していかなる変更または少なくともいかなる重大な変更もすることなく、放射装置のビームパターンを変更することができる。したがって、本明細書に開示されるモード変換構造によって、既存の放射装置の改良変更が可能である。具体的な例として、モード変換構造は、通常、２、５、１０、１５、または２０＋ｄＢｉの間の指向性を有するＡＲ装置の指向性を改善することができる。
【００２０】
他の実施形態において、音響モード変換構造は、主ローブまたは副ローブの遠方場ビーム幅を狭めるか、特定の場所に最大圧力場を作り出すか、特定の場所に圧力ヌル（ｎｕｌｌ）を作り出すように構成されてもよい。モード変換構造は、音響材料特性の体積分布で構成され、遠方場放射パターンを変更し、ＡＲ装置の反応性／フレネルまたは放射／フラウンホーファー近接場に配置された再放射物体を補償してもよい。
【００２１】
以下の具体例では、一般的にＥＭＲ装置の一例として無線周波数（ＲＦ）アンテナを使用する。しかしながら、本明細書に記載されるシステムおよび方法の同じ概念、実施形態、および一般的な機能の多くは、低周波ＲＦ、マイクロ波、ミリメートル波、テラヘルツ、遠赤外線および中赤外線、近赤外線、可視光、紫外線、ｘ線、ガンマ線などを利用するものを含む、ＥＭＲの他の周波数範囲に等しく適用可能であることが理解される。サイズ、屈折率値、材料、および他の変数は、使用中の特定のスペクトルに基づいて調整されてもよいことが理解される。さらに、同じ概念の多くが、例えば、アンテナの代わりにトランスデューサに、かつ、電磁エネルギーの代わりに超音波に、適用できることが理解される。
【００２２】
電気的に小さいダイポール、モノポール、およびループアンテナなどの多くのアンテナは、基本的にその指向性が制限される。角形アンテナは、それらの寸法が著しくサブ波長でない限り、より良好な指向性を有することができる。いずれにしても、一旦製造され、設置されると、固定形状の単一フィードアンテナは、一般的に、固定放射パターンおよび周波数に基づいて変化することはあるが特定のビーム幅を有する。
【００２３】
さらに、上記のように、モード変換構造は、特定の周波数範囲の波長（例えば、４分の３、２分の１、３分の１、４分の１、１０分の１波長）未満の最大寸法をそれぞれが有する複数のサブ波長ボクセルに分割されてもよい。上記のように、次に、各ボクセルに複数の誘電率（または音響材料特性）のうちの１つを割り当てて、誘電率（または音響材料特性）の特定された分布に近似してもよい。モード変換構造は、自由空間送信および／または受信のために使用されてもよい。代替的にまたは追加的に、モード変換を利用して、第１の導波路内で、２つの導波路間で、導波路と自由空間との間で、および／または自由空間と導波路との間で、音響または電磁エネルギーを第１のモードから第２のモードに変換してもよい。
【００２４】
例えば、音響材料特性の分布は、第１のモードの導波路内の音響エネルギーを第２のモードに変換してもよい。別の例として、音響材料特性の分布は、第１の導波路内の音響エネルギーを、第１のモードから第２のモードに変換して、１つ以上の追加の導波路を介して伝送するように構成されてもよい。
【００２５】
同様に、誘電率分布は、第１のモードの導波路内の電磁エネルギーを第２のモードに変換してもよい。別の例として、誘電体構造は、第１の導波路内の電磁エネルギーを、第１のモードから第２のモードに変換して、１つ以上の追加の導波路を介して伝送するように構成されてもよい。
【００２６】
また、本明細書に記載される実施形態のそれぞれにおいて、実施形態、変更、改変、式、アルゴリズム、および／または他の変形例は、自由空間用途において、送信アンテナにおいて、受信アンテナにおいて、導波路内において、２つの異なる導波路間において、伝送線路から自由空間へ、第１の伝送線路から第２の伝送線路へ、導波路伝送線路から非導波路伝送線路へ、非導波路伝送線路から導波路伝送線路へ、広範囲の周波数および帯域幅のいずれかのために、および／または、上記のいずれかを組み合わせかつ置換して、使用するのに適していてもよい。
【００２７】
したがって、放射装置、アンテナ、および自由空間アプリケーションがモード変換装置のための例示的な用途として使用される実施形態は、本明細書で明示的に述べられていなくても、導波路および他の伝送線路に関連する実施形態に等しく適用可能である。
【００２８】
上記のように、モード変換構造を使用して、放射装置、設置、および／または周囲環境を必ずしも変更することなく、固定放射装置の近接場および／または遠方場を変換してもよい。様々な実施形態によれば、ホログラフィック解を使用して、自由空間用途および導波路／伝送線路用途問わず所望のフィールド変換およびモード変換を実現することができる誘電率の体積分布を決定してもよい。同様に、ホログラフィック解を使用して、自由空間用途、導波路／伝送線路用途問わず所望の圧力変換およびモード変換を実現することができる音響材料特性の体積分布を決定してもよい。
【００２９】
例えば、モード変換構造は、一次音響屈折率の体積分布を含んでもよい。一次音響屈折率ｎｐは、直接波またはｐ音の速度に対応してもよい。具体的には、ｎｐ＝ｃ０／ｃｐであり、ｃ０は周囲流体中の音速であり、ｃｐはその媒体中のｐ音の速度である。
【００３０】
このような実施形態において、一次音響屈折率の体積分布が以下の式１、またはその変形例によって決定することができる。
【００３１】
【数１】
2020521380.tif 000003
【００３２】
式１において、ｎ２（ｘ，ｙ，ｚ）は、ｘ、ｙ、ｚ座標系における一次音響屈折率の体積分布を表す。本明細書に記載される多くの実施形態において、標準的な例としてデカルト座標系が使用されるが、円柱座標系、極座標系、重心座標系、三線座標系、および他の座標系を含む、多種多様な座標系のいずれかが好適である。実際、いくつかの実施形態において、計算を単純化し、および／または、製造を容易にするために、代替の座標系が好ましい場合がある。例えば、円筒座標系は、誘電率の体積分布が２次元平面断面の回転軸の周りの等速回転に対応する製造技術に有用である場合がある。
【００３３】
式１において、βは、規格化定数を表し、ｐｉｎは、（１）ｘ、ｙ、ｚ座標系に対するモード変換構造の表面上のＡＲ装置、（２）ｘ、ｙ、ｚ座標系に対する第１の導波路または第１の導波路部分（例えば、音響伝送媒体）内の放射の入力圧力場分布、または（３）ｘ、ｙ、ｚ座標系に対する自由空間（例えば、空気）から導波路または他の伝送媒体への放射の入力圧力場分布からの音響放射の入力圧力場分布を表す。ＡＲ装置への適用を伴う後続の式１の説明は、導波路、様々な伝送媒体、および自由空間（例えば、空気）用途に等しく適用可能である。フィールドｐｇｏａｌは、ｘ、ｙ、ｚ座標系に対するモード変換構造からの放射の「目的の」または選択された所望の目標出力圧力場分布を表す。
【００３４】
算出された誘電率分布は、概念上、モード変換構造を複数のボクセルに分割することによって、近似してもよい。次に、各ボクセルに音響屈折率を割り当ててもよい。いくつかの実施形態において、各ボクセルに、ボクセルの体積について計算された平均音響屈折率に対応する空間平均値を割り当ててもよい。
【００３５】
離散化が２進、３進、またはＮ進である実施形態では、各ボクセルに、Ｎ個（Ｎは１より大きい整数である（２進では２、３進では３など））の離散音響屈折率の選択から音響屈折率を割り当ててもよい。
【００３６】
具体的な例として、超音波放射の周波数で特定可能なサイズを有する領域は、複数のボクセルを含んでもよい。上記領域が平均して０．４８６の音響屈折率を有するべきである場合、これは、概念上、該領域を１００個のボクセルに分割し、０．９の音響屈折率を有する第１の材料を使用してこれらのボクセルのうちの３１個を充填し、０．３の音響屈折率を有する第２の材料を使用して残りの６９個のボクセルを充填することによって、満たされてもよい。したがって、この領域の平均音響屈折率は約０．４８６である。任意の数の音響屈折率を有する任意の数の材料を使用して、同様の近似を行うことができる。いくつかの実施形態では、１より大きく、１より小さく、さらには０より小さい有効音響屈折率を有する周波数依存メタマテリアルを利用してもよい。
【００３７】
様々な実施形態において、音響屈折率の体積分布は、モード変換構造の体積分布が、物理的に３次元物体であっても事実上２次元であるように、座標系における１つの空間次元において実質的に均一であってもよい。例えば、体積分布は、平面に垂直な平面２次元分布の均一の突出に対応してもよい。
【００３８】
様々な実施形態において、音響モード変換装置は、１つ以上の透明材料を含んでもよい。様々な可能な材料の例としては、透明無機ガラス、透明ポリマー、ガラスポリマー、熱可塑性樹脂、無機ガラス、ドープ無機ガラス、ナノ粒子埋め込みガラス、ナノ粒子埋め込みポリマー、様々な重合数を有するポリマーなどが挙げられるが、これらに限定されない。いくつかの実施形態において、モード変換構造が機能的またはさらに構造的な要素の形をとってもよい。例えば、透明モード変換構造は、自動車または建物の窓として使用してもよい。不透明モード変換構造は、壁カバー、ドア、床、ミラーなどとして使用してもよい。
【００３９】
前述のように、本明細書に記載されるモード変換構造の実施形態の多くは、ＡＲ装置およびＥＭＲ装置に適用可能である。もちろん、電磁特性と音響特性とが異なるため、異なる変数および式に対する修正が適切であり得る。しかしながら、音響放射に関して記載された例は、電磁放射に適用可能であることが多く、逆もまた同様である。以下の表は、音響学および電磁気学のいくつかの類似点および相似点を示す。以下の表１は、その全体が参照により本明細書に組み込まれる、「Ａｃｏｕｓｔｉｃ  Ｍｅｔａｍａｔｅｒｉａｌ  Ｄｅｓｉｇｎ  ａｎｄ  Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ」（Ｓｈｕ  Ｚｈａｎｇ、イリノイ大学アーバナ・シャンペーン校、２０１０年）にある。
【００４０】
【表１】
2020521380.tif 000004
【００４１】
図１Ａは、電場に上記の式１の修正版によって誘電率１００の体積分布の実際の値を示すホログラフィック解の一例を示す。
【００４２】
【数２】
2020521380.tif 000005
【００４３】
理想化された２次元等方性線源ＥＭＲ装置について、図示された誘電率の体積分布を計算した。対応する誘電率分布を有するモード変換構造（すなわち、ホログラフィックメタマテリアル）を線源ＥＭＲ装置用のカバーとして使用して、線源ＥＭＲ装置の指向性を向上させてもよい。
【００４４】
図１Ａと同様に、音響屈折率の分布を決定するために、上記の式１を使用してもよい。あるいは、様々な線形弾性テンソル、動的密度テンソル、体積弾性率、弾性係数、および密度を有する材料の組み合わせの体積分布を決定するために、式１の修正版を使用してもよい。
【００４５】
図１Ｂは、上記の図１Ａに関連して記載した同じ線源ＥＭＲ装置の誘電率１５０の体積分布の虚数値を示す。
【００４６】
図１Ａおよび１Ｂを生成するために使用される「目的」または「目標」電磁場は、無限の指向性を有する平面波である。この例は、理想化されているが、ＥＭＲ装置によって生成された電磁場を、改善された放射特性を有する第２のモードに変換するためのモード変換構造を生成するための１つの方法を示す。実際には、ホログラフィックメタマテリアル領域の有限アパーチャによって、実現可能な実際の指向性が制限される。アパーチャ効果を考慮するために、別の選択肢として、ウエストがホログラフィックメタマテリアル領域の直径以下のガウスビームを使用することも考えられる。
【００４７】
図２Ａは、図１Ａおよび図１Ｂに示す分布（実数および虚数）に近似する誘電率分布を有するホログラフィックメタマテリアル（モード変換構造）によって囲まれた線源ＥＭＲ装置のフィールド分布２００の一例を示す。
【００４８】
図２Ｂは、図１Ａおよび図１Ｂに示す誘電率（実数および虚数）の分布を有するモード変換構造によって囲まれた線源ＥＭＲ装置の遠方場放射パターン２５０の一例を示す。
【００４９】
活性利得媒体に対応する半平面、および場合によっては受動負誘電率媒体に対応する象限を含む、錯体可変平面の４つの象限全てにおける錯体誘電率値を有する誘電率分布を特定するために、電界および誘電率値の式１．１を使用してもよい。このような実施形態において、メタマテリアルを使用して、活性利得誘電率値および負の誘電率値は、達成し得る。例えば、誘電率分布は、それぞれが特定の誘電率値を割り当てられているサブ波長ボクセルに離散化することができる。これらのボクセルの一部に、従来の低損失誘電体によって実現可能な誘電率値を割り当ててもよく、他のボクセルに、メタマテリアルによって実現可能な誘電率値（活性利得および負の誘電率値）を割り当ててもよい。
【００５０】
いくつかの状況において、ε'≧１かつε''≪１である低損失誘電体を利用することが望ましい場合がある。このような材料は、非超光速低損失誘電体（ＮＳＬＬＤ）と称することがある。ある材料は、特定の周波数帯域についてのみＮＳＬＬＤであるとみなされる場合がある。したがって、モード変換構造を生成するために使用される材料は、特定のＥＭＲ装置によって利用される特定の周波数および帯域幅に大きく依存する場合がある。
【００５１】
音響モード変換構造については、式１に取って代わる式を以下のように使用してもよい。
【００５２】
【数３】
2020521380.tif 000006
【００５３】
上記の式（２）において、ｎ２（ｘ，ｙ，ｚ）は、ｘ、ｙ、ｚ座標系における音響屈折率の体積分布を表す。この場合も、音響屈折率の分布の計算に適した、および／または、製造プロセスのマッピングに有用な任意の座標系を使用してもよい。定数βは、非ゼロ規格化定数を表し、フィールドｐｉｎは、導波路または他の伝送媒体内および／またはｘ、ｙ、ｚ座標系に対するモード変換構造の表面上の導波路と自由空間との結合上の、ＡＲ装置からの音響放射の入力圧力場分布を表す。フィールドｐｇｏａｌは、ｘ、ｙ、ｚ座標系に対するモード変換構造からの音響放射の「目的の」または選択された／所望の／目標出力フィールド分布を表す。
【００５４】
上記の式および／または本明細書に記載される他の式は、音響屈折率が最適化可能な変数として扱われる最適化アルゴリズムによって解いてもよい。音響屈折率の実数部および／または虚数部は、独立して最適化可能な変数として扱われてもよく、または、複素数値が選択され、最適化可能な変数として使用されてもよい。（１）変更または変更のグループごとに費用関数が決定されるアルゴリズム、（２）最適化可能な変数のそれぞれに関して偏導関数に基づく費用関数の勾配が生成されるアルゴリズム、および（３）随伴解に基づく感度計算によって感度ベクトルが計算されるアルゴリズムを含む、多種多様な最適化アルゴリズムのいずれかを使用してもよい。
【００５５】
いくつかの実施形態において、音響屈折率が、ほぼＮ以上の実数部とほぼＭに等しい虚数部と（ＮとＭは実数）を有するように制約された最適化変数として扱われる、条件付き最適化アルゴリズムを使用してもよい。他の実施形態において、初期推測を使用して、本明細書に記載される式のいずれか１つによってホログラフィック解を出すゲスアンドチェック（ｇｕｅｓｓ−ａｎｄ−ｃｈｅｃｋ）アプローチを使用してもよい。特定の最適化アルゴリズムの非網羅的な例について、以下においてより詳細に説明する。
【００５６】
図３は、電磁放射モード変換構造の一例に戻り、２次元点双極子アンテナの放射パターンを指向性ビームに変換するための誘電率３００の体積分布の一例を示す。図３に示す誘電率分布は、平面波として設定された目標または目的の出力場を用いて、上記の式２の電磁変動によって求めることができる。
【００５７】
【数４】
2020521380.tif 000007
【００５８】
この計算の目的上、平面波は、使用されるメタマテリアル領域の有限直径を考えると、有限幅ビームと区別できないだろう。
【００５９】
図４Ａは、図３に示す分布に近似する誘電率分布を有するモード変換構造によって囲まれた２次元点双極子アンテナのフィールド分布４００の一例を示す。
【００６０】
図４Ｂは、図３に示す誘電率分布を有するモード変換構造によって囲まれた図４Ａにおける２次元点双極子アンテナの遠方場放射パターン４５０の一例を示す。
【００６１】
上記の式１および式２は、モード変換構造を生成するための音響屈折率の分布を求めるための適切な解を提供する。しかしながら、さらなる最適化は、モード変換の効率を向上させ、有限メタマテリアルドメインを補償し得る。メタマテリアルドメインは、概念上、複数のボクセルに分割してもよく、各ボクセルは約２分の１波長未満（例えば、１０分の１波長）である。各ボクセルには、概念上、上記の式１または式２によって求めた連続音響屈折率の空間平均が入力されてもよい。この誘電率の離散分布は、最適化アルゴリズムにおける初期推測として使用してもよい。最適化アルゴリズムは、各ボクセル内の音響屈折率の実数値および虚数値を独立制御変数として扱ってもよい。あるいは、各ボクセルにおける複素数（または実数）値は、独立した値として扱われてもよい。
【００６２】
多種多様な最適化アルゴリズムのいずれかを使用してもよい。例えば、制御変数の１つに対して小さな摂動を行ってもよく、次いで、前進波伝搬問題を解決して、その摂動の影響を決定してもよい。これは、費用関数が目標または目的フィールドと最適化変数の現在の状態によって生成されるフィールドとの間の差である費用関数最適化と称されてもよい。制御変数の小さな摂動値で除算された目的の有限差分は、費用関数偏導関数の有限差分推定値と称されてもよい。全ての制御変数に関して偏導関数の全てを計算した後、組み合わされたベクトルは、「感度ベクトル」としても知られる費用関数の「勾配」と称されてもよい。
【００６３】
他の実施形態として、または、同じ実施形態における代替として、順問題を記述する式の解析導関数に基づく随伴方法を使用してもよい。随伴方法を使用して、随伴問題として知られる１つの付加的な問題のみを解いた後に感度ベクトル全体を生成してもよく、その計算の複雑さは同じサイズの１つの順問題の複雑さと同じである。いくつかの用途において、これは、最適化ステップ当たりの計算量をＮ（Ｎは制御変数の数）の因数だけ減少させてもよい。
【００６４】
一旦、感度ベクトルが得られると、標準ニュートン、減衰ニュートン、共役勾配、または任意の他の勾配ベースの反復非線形ソルバーの反復は、次の構成を決定するために、使用してもよい。
【００６５】
いくつかの実施形態において、最適化アルゴリズムが最適化プロセスの一部としてヒューリスティックを使用してもよい。これは、制御変数が微分不能である実施形態において有用であり得る。これらの実施形態において、感度ベクトルまたは解析導関数の勾配を決定することが困難であり得る。例えば、いくつかの実施形態において、最適化アルゴリズムは、粒子群最適化（ＰＳＯ）または遺伝的最適化などの反復ヒューリスティック最適化技術を使用して、最適解を決定してもよい。
【００６６】
一実施形態において、反復ヒューリスティック最適化は、考えられる解の集合を生成することによって、開始されてもよい。考えられる解の集合は、数千または数百万の考えられる最適解を含んでもよい。考えられる解のそれぞれは、最適解領域の所定の表現に従って生成されてもよい。他の実施形態において、所定の解は、ランダムに生成されてもよい。所定の表現は、最適解の特性（例えば、透過モード、製造制約、音響材料特性、境界条件、または最適化変数）を含んでもよい。
【００６７】
ヒューリスティック最適化処理の各反復により、考えられる解は、適合関数によって評価されてもよい。適合関数によって決定される「より適合する」解は、次の反復に続くために確率的に選択されてもよい。各反復によって、新しい解を追加するか、または、あまり適合しない解を除去してもよい。さらに、連続反復ごとに、各解の特性は、最適解を決定するのに有用な任意の方法または方法の組み合わせにおいて、修正、改変、変異、交換、更新、または変更してもよい。アルゴリズムは、有限回数反復してもよく、または、許容可能な解に達するまで反復してもよい。
【００６８】
最適化アルゴリズムは、所定の終端許容誤差が満足するまで利用してもよい。終了条件は、感度ベクトルのなんらかのノルムに課すことができ、その場合、最適化アルゴリズムは収束することが保証される。終了条件は、費用関数のスカラー値に不等式として課すことができ、この場合、アルゴリズムは課された条件を満たせない場合がある。様々な実施形態において、感度ベクトルに終了条件を適用し、アルゴリズムへの入力の代わりにアルゴリズムの出力として最適化費用関数の最終値を取ることが有用であり得る。
【００６９】
費用関数の最終値が特定の許容範囲を下回ることを必要とする用途については、そのような結果を生成できなかった最適化ループを、異なる初期推測で繰り返すことができる。式１および２のそれぞれは、初期推測の集合を定義し、該初期推測それぞれを使用して、異なる最適化ループを開始することができる。このようなループは完全に独立しており、分散コンピューティングによって、並行して計算することができる。
【００７０】
一例として電磁変動を用いて、図５は、随伴感度法および共役勾配非線形ソルバーを用いた、図１Ａに示す誘電率分布の実数部の最適化５００を示す。図示された最適化された誘電率分布では、図１Ａからの離散化された値が初期推測として使用される。最適化アルゴリズムは、図５に示す解に収束した。
【００７１】
図６Ａは、図５に示す最適化された分布に近似する誘電率分布を有するモード変換構造によって囲まれた２次元等方性線源ＥＭＲ装置のフィールド分布６００の一例を示す。
【００７２】
図６Ｂは、図５に示す誘電率の最適化された分布を有するモード変換構造によって囲まれた２次元等方性線源ＥＭＲ装置の遠方場放射パターン６５０の一例を示す。図６Ａを図２Ａと比較し、図６Ｂを図２Ｂと比較すると、最適化された解のモード変換効率の向上が見られる。
【００７３】
図７は、随伴感度法および共役勾配非線形ソルバーを用いた、図３に示す誘電率分布の最適化７００を示す。図示された最適化された誘電率分布では、図３からの離散化された値が初期推測として使用される。最適化アルゴリズムは、図７に示す解に収束した。
【００７４】
図８Ａは、図７に示す最適化された分布に近似する誘電率分布を有するモード変換構造によって囲まれた２次元点双極子アンテナのフィールド分布８００の一例を示す。
【００７５】
図８Ｂは、図７に示す誘電率の最適化された分布を有するモード変換構造によって囲まれた、図８Ａの２次元点双極子アンテナの遠方場放射パターン８５０の一例を示す。図８Ａを図４Ａと比較し、図８Ｂを図４Ｂと比較すると、最適化された解のモード変換効率の向上が見られる。
【００７６】
上記の概念的ボクセルには離散誘電率値が割り当てられるが、固有値の総数は、各値が任意の実数（または場合によっては複素数）値であってもよいため、無制限である。いくつかの実施形態において、固有値の総数を制限することが有用であり得る。
【００７７】
したがって、各ボクセルに、その領域にわたる連続分布の空間平均εavに基づく値を割り当てる代わりに、各ボクセルに、２値の例として、２つの値のうちの１つであるε1またはε２を割り当てることができる。例えば、各ボクセルに「１」または「Ｘ」の誘電率値を割り当ててもよく、１は真空を表し、Ｘは１より大きい誘電率値を表す。このような２値離散化は、白と黒のディザリングのみが使用されるグレースケール撮像と同様であると考えてもよい。
【００７８】
各ボクセルをε１かε２のいずれかに割り当てるブールの決定は、εavが閾値を上回るか下回るかに基づいてもよい。第１の音響材料特性値を有する第１の材料を１つのタイプのボクセルとして使用してもよく、異なる音響材料特性値を有する第２の材料を別のタイプのボクセルとして使用してもよい、同様の２値離散化アプローチを音響実施形態に使用してもよい。
【００７９】
その結果は、誘電率または音響材料特性の区分的定値分布と考えてもよい。各ボクセルの特徴サイズが十分に小さい（例えば、サブ波長である）限り、モード変換構造は、ＥＭＲまたはＡＲの所定の帯域幅に関する連続分布と電磁的または音響的に同等であってもよい。様々な実施形態において、誘電定数または音響材料特性の区分的定値分布は、本質的に２値、３値、または４値であってもよく、または、そうでなければ、特定の数の固有誘電率値に限定されてもよい。
【００８０】
したがって、いくつかの実施形態において、式１および／または式２を使用して、音響材料特性の連続分布を決定してもよい。次いで、離散化された平均音響材料特性値（例えば、音響屈折率）を使用して、最適化アルゴリズムを採用してもよい。次いで、最適化された平均音響材料特性の離散化された分布を使用して、モード変換構造を製造してもよい。
【００８１】
いくつかの実施形態において、式１および／または式２を使用して、音響材料特性の連続分布を決定してもよい。次いで、離散化された平均音響材料特性を使用して、最適化アルゴリズムを採用してもよい。次いで、離散化された平均音響材料特性は、Ｎ値離散化のためのＮ個の値に離散化されてもよい（Ｎは２値離散化のための２であり、３値離散化のための３であり、以下同様）。次いで、最適化されたＮ値音響材料特性の離散化された分布を使用して、モード変換構造を製造してもよい。例えば、Ｎ材料３次元プリンタを使用して、それぞれのボクセル内に、Ｎ個の音響材料特性のうちの１つを有する材料を堆積させてもよい。
【００８２】
区分的定値分布が最適化アルゴリズムに使用される実施形態において、最適化される構造のＮ値の性質を考慮しながら、実数値制御変数を使用する能力を維持することが望ましい場合がある。代数変換を使用して、実数値制御変数をＮ進値の誘電率にマッピングしてもよい。誘電率値ε1およびε２を有する２値区分的定値分布に対するこのような変換の例は、以下の通りである。
【００８３】
【数５】
2020521380.tif 000008
【００８４】
変換式１において、l（ｘ，ｙ，ｚ）は、値が[-１；１]区間に限定された座標の実数値関数（レベルセット関数と呼ばれる）であり、θδ(l)は、定義上は、l<-δについてはゼロに等しく、l>δについては１に等しく、全てのlについてはその第１の（および場合によっては第２の）導関数と連続している、平滑化されたヘビサイド関数である。平滑化パラメータの値δは、０．１として選択してもよいが、この値は、より正確な結果を得るために、特定の用途に基づいて、異なるように選択することができる。
【００８５】
この変換により、Ｎ進値に対する現実的な近似としてＮ進値に近い値を使用することによって、連続的な実数値制御変数のために設計された最適化アルゴリズムをＮ値離散化近似に使用することができる。
【００８６】
最適化が実行された後、値は、最適化された値それぞれが１つ以上の閾値を上回るか下回るかに基づいて、離散化されたＮ進値に変換されてもよく、ここで、閾値の数はＮ−１に等しい。
【００８７】
音響材料特性の区分的定値分布が最適化アルゴリズムで使用される音響実施形態において、先と同様に、最適化される構造のＮ値の性質を考慮しながら、実数値制御変数を使用する能力を維持することが望ましい場合がある。同様の代数変換を使用して、実数値制御変数をＮ進値の音響材料特性にマッピングしてもよい。動的圧縮性b1およびb２を有する２値区分的定値分布に対する音響屈折率のこのような変換の例は、以下の通りである。
【００８８】
【数６】
2020521380.tif 000009
【００８９】
変換式１．１において、l（ｘ，ｙ，ｚ）は、先と同様に、値が[-１；１]区間に限定された座標の実数値関数であり、θδ(l)は、平滑化されたヘビサイド関数である。いくつかの実施形態において、平滑化パラメータδの値は、０．１として選択される。この場合も、この値は、より正確な結果を得るために、特定の用途に基づいて、異なるように選択することができる。
【００９０】
図９は、入力音響放射９１０を第１のモードから変換し、音響放射９３０を第２のモードで出力する音響モード変換構造９２０の例９００を示す。
【００９１】
図１０Ａは、最適化された２値モード変換構造１０７０（すなわち、ホログラフィックメタマテリアル）で改良された円形ホーン１０６０の放射強度パターン１０００の一例を示す。
【００９２】
図１０Ｂは、ホーン１０６０に挿入されるように構成された誘電率または音響材料特性の２値体積分布で最適化されたモード変換構造１０７０の表現を示す。誘電率の２値体積分布は、任意の所定の領域にわたる平均値が、ε1またはｂ１（白色として示される）とε２またはｂ２（黒色として示される）とが割り当てられたボクセルの比率の因数であってもよいことを示すために、様々なグレースケールパターンとして示される。３値または他のＮ値の実施形態については、追加の色を使用して、様々な考えられる離散化の代替および近似を表してもよいことを理解することができる。
【００９３】
図１０Ｃは、ホーン１０６０に挿入された２値最適化モード変換構造１０７０を示す。図示されるように、モード変換構造１０７０は、全幅をホーン１０６０の最大幅以下に制限するように、特に製造されてもよい（すなわち、体積境界を定めてもよい）。図示された実施形態において、体積境界によって、モード変換構造９７０が少量だけホーンから突出することができる。
【００９４】
上記の式は、ｘ、ｙ、ｚ座標系を記述する。式１および式２の多くの考えられる変形例が可能であり、本明細書に記載する離散化および最適化技術と組み合わせて利用してもよい。使用してもよい式１の変形例を以下に示す：
【００９５】
【数７】
2020521380.tif 000010
【００９６】
上記の式３において、n２holは、多種多様な３次元座標系のいずれかにおける音響材料特性の体積分布を表す。式１と同様に、βは、規格化定数を表し、pinは、モード変換導波路接合部（自由空間または他の伝送媒体）上の、または、３次元座標系に対するモード変換構造の表面上の装置からの入力圧力場分布を表す。pgoalは、３次元座標系に対するモード変換構造からの選択された、または、所望の出力圧力場分布を表す。
【００９７】
いくつかの実施形態において、式２の変形例を、以下に示すように使用しもよい。
【００９８】
【数８】
2020521380.tif 000011
【００９９】
上記の式４において、多種多様な３次元座標系のいずれかにおける誘電率の体積分布を表す。式１と同様に、βは、規格化定数を表し、pinは、モード変換導波路接合部上の、導波路終端における、または、３次元座標系に対するモード変換構造の表面上のＡＲ装置からの入力圧力場分布を表す。pgoalは、３次元座標系に対するモード変換構造からの選択された、または、所望の出力圧力場分布を表す。
【０１００】
本明細書に記載される実施形態のいずれにおいても、最小閾値を下回るn２holの値を所定の最小値に設定してもよい。同様に、最大閾値を上回る値を所定の最大値に設定してもよい。他の実施形態において、n２holの複数の離散値が利用可能であってもよく、n２holの計算値はそれぞれ、最も近い利用可能な値に切り捨てる、最も近い利用可能な値に切り上げる、および／または、最も近い一致する値とされることによって、利用可能な離散値のうちの１つを割り当てられてもよい。
【０１０１】
前述のように、式１および２の多くの変形例を使用して、ホログラフィック解を見つけ、誘電率の体積分布を計算してもよい。このような式の別の例を以下に示す。
【０１０２】
【数９】
2020521380.tif 000012
【０１０３】
上記の式（５）において、ｘ、ｙ、ｚ座標系における誘電率の体積分布を表す。αおよびβは、選択可能な定数を表し、pinは、ｘ、ｙ、ｚ座標系に対するモード変換構造の表面上のＡＲ装置からの放射の入力フィールド分布を表す。pgoalは、ｘ、ｙ、ｚ座標系に対するモード変換構造からの放射の「目的の」または選択された／所望の出力場圧力分布を表す。
【０１０４】
本明細書に記載されるホログラフィック解もしくは式を解くための変形例、実施形態、または方法のいずれも、任意の他のホログラフィック解もしくは式の他の変形例、実施形態、または方法のいずれかと併用してもよいことは、本明細書に網羅的に記載することなく、理解される。
【０１０５】
式５において、αの値を選択して、入力モードとモード変換媒体との間のインピーダンス整合を最適化してもよい。値αを選択して、モード変換媒体と出力モードとの間のインピーダンス整合を最適化してもよい。値αを選択して、n2holの最小値を維持するか、０よりも大きいn2holを維持するか、または、１よりも大きいn2holを維持してもよい。
【０１０６】
前述のように、モード変換構造は、特定の周波数範囲に対して音響材料特性および／または誘電率を有する１つ以上のメタマテリアルを含んでもよい。いくつかの実施形態において、物理的に小さなメタマテリアルを集合させて、特定の音響材料特性を有するサブ波長メタマテリアル集合体を生成してもよい。
【０１０７】
様々な実施形態において、モード変換構造は、アマルガム配合、材料積層、射出成形プロセス、押出成形、発泡、圧縮成形、真空成形、ブロー成形、回転成形、鋳造、回転鋳造、遠心鋳造、機械加工、層堆積、化学エッチング、および浸漬成形のうちの１つ以上によって、計算された屈折率分布を用いて、製造してもよい。モード変換構造は、シリカ、ポリマー、ガラス形成材料、メタマテリアル、磁器、ガラス、プラスチック、空気、窒素、六フッ化硫黄、パリレン、鉱油、セラミック、紙、マイカ、ポリエチレン、酸化アルミニウム、および／または他の材料のうちの１つ以上を使用して、製造してもよい。音響モード変換構造は、特定の用途に有用な様々な金属および合金を含んでもよい。
【０１０８】
様々な実施形態において、最初のステップがＡＲ装置の目標フィールドパターンを特定することであってもよい。寸法上の制約は、モード変換構造について特定されてもよい。例えば、モード変換構造は、下層にあるＡＲ装置と実質的に同じ輪郭または形状を有することが望ましい場合がある。具体例として、モード変換構造は、上記の図１０Ａ〜１０Ｃに関連して示され、説明されるように、ホーンのキャビティに適合することが望ましい場合がある。別の実施形態において、モード変換構造が既存のトランスデューサを置換または補足するように構成されることが望ましい場合がある。多種多様な容量制約のいずれかを課してもよい。モード変換構造は、３次元体積の特定された境界に対応するように、製造することができる。
【０１０９】
モード変換構造の表面と相互作用する入力圧力場分布を特定してもよい。すなわち、入力圧力場は、生成されたモード変換構造が配置されるか、または配置されてもよい、特定された３次元境界内の任意の数の点、平面、または他のポテンシャル面で特定されてもよい。
【０１１０】
特定された３次元体積内に適合する物理的寸法と、フィールドを目標圧力フィールドパターンに近似する第２のモードに変換する音響材料特性の体積分布とを有するモード変換構造を製造することができる。いくつかの実施形態において、計算、測定、特定、および決定を行う主体は、モード変換構造を実際に製造する主体とは異なっていてもよい。
【０１１１】
例えば、第１の主体は、目標フィールドパターン、所望のモード変換構造の物理的寸法、および／または入力フィールド分布を特定するのに役立つ情報を提供してもよい。第２の主体は、この提供された情報を使用して、計算のために、実際の目標フィールド、入力フィールド、および寸法上の制約を特定してもよい。次いで、第２の主体は、音響材料特性の体積分布を特定し（すなわち、算出し、推定し、および／または、そうでなければ決定し）てもよい。
【０１１２】
音響材料特性の体積分布は、モード変換構造の製造のために、第１の当事者または第３の当事者に送信されてもよい。あるいは、第２の当事者がモード変換構造を製造してもよい。さらに他の実施形態において、単一の当事者が特定、決定、および製造ステップの全てを実施してもよい。要するに、任意の数の主体が、本明細書で説明するモード変換構造の製造を支援する任意の数のタスクおよびサブタスクを実行してもよい。
【０１１３】
音響材料特性の分布は、数学的に連続的な分布であってもよく、区分的な分布に数学的／概念的に分割されてもよく（例えば、最適化のために）、および／または、区分的な分布に物理的に分割されてもよい（例えば、製造のために）。すなわち、モード変換構造は、（概念的および／または実際に）複数のサブ波長ボクセルに分割されてもよい。各ボクセルは、特定の周波数範囲について直径が半波長未満である最大寸法を有する１つ以上の寸法を有していてもよい。各ボクセルには、決定された分布に基づいて、屈折率（ＡＲおよび／またはＥＭＲ装置の場合）、誘電率（ＥＭＲ装置の場合）、または音響材料特性（ＡＲ装置の場合）を割り当ててもよい。一旦、製造されると、モード変換構造は、放射を第１のモードから、目標または目的のフィールドパターンに近似する第２のモードに変換してもよい。
【０１１４】
図１１Ａは、音響材料特性の体積分布の複数の離散音響材料特性への離散化の表現１１００を示す。図示の実施形態において、ボックスのそれぞれにおけるグレースケールパターンは、音響屈折率などのＮ個の離散音響材料特性のうちの１つをそれぞれ表してもよく、この場合、ボクセルは、例示目的のために比較的大きいものとして示されている。あるいは、グレースケールパターンが基礎となる２値誘電率値の比率を表してもよく、この場合、個々のボックスは、数十、数百、またはさらには数千の下層となるボクセルの平均領域を表してもよい。
【０１１５】
すなわち、図１１Ａは、画像全体に数百個のボクセルを有する２９個の固有値（凡例１１２５参照）に離散化された音響材料特性の分布を表すと考えてもよい。あるいは、凡例１１２５は、値が平均化された複数の下層となるボクセルを各領域が含む数百の領域が画像に示された２値離散化において２９の考えられる値の比率を表すと考えてもよい。
【０１１６】
図１１Ｂは、図１１Ａに示す分布の個々の離散ボクセルの表現の拡大図１１５０を示す。２値離散化を仮定すると、図１１Ｂにおける各正方形は、多くの下層となるボクセルの平均を表してもよい。
【０１１７】
図１１Ｃは、個々のボクセルが離散音響材料特性値を割り当てられた円筒モード変換構造１１３０の考えられる実施形態の表現を示す。
【０１１８】
図１２は、サブ波長寸法を有するボクセルに対する図１１Ｃのモード変換構造の音響材料特性の有効分布の表現を示す。図示されているように、各ボクセルの特徴サイズが十分に小さい場合、音響材料特性の離散化された分布は、音響材料特性の連続分布に近似し、また、ＡＲ装置の所定の帯域幅のために、音響材料特性の連続分布と機能的に同等であってもよい。しかしながら、最適化アルゴリズムの実装のために、および／または、製造プロセスにおける円滑化のために、Ｎ個の離散値を含むように音響材料特性の分布を離散化することが有益であり得る（Ｎは、採用される製造技術、固有音響材料特性を有する利用可能な材料の数、および／またはそのような材料の均質または不均質な性質に基づいて選択される）。
【０１１９】
モード変換構造を生成する１つの方法は、３次元プリンタを使用して、固有音響材料特性を有する１つ以上の材料を堆積させることを含む。上述したように、各ボクセルには、計算された音響材料特性の分布に基づいて音響材料特性を割り当ててもよい。３次元プリンタを使用して、割り当てられた音響材料特性に対応する（おそらく等しいか、または、近似する）材料でボクセルを「充填」または「印刷」してもよい。
【０１２０】
複数の材料を用いた３次元印刷によって、様々な屈折率の印刷が可能となり得る。他の実施形態において、材料が印刷されない空間または空隙が形成されてもよい。空間または空隙は流体満たされるか、もしくは、真空であってもよく、または、周囲の流体が空隙（例えば、空気）に入ってもよい。
【０１２１】
いくつかの実施形態において、多材料３次元プリンタを使用して、複数の材料の混合物または組み合わせを用いて各ボクセルを印刷してもよい。複数の材料の混合物または組み合わせは、均質または不均質混合物として印刷されてもよい。均質混合物が印刷される実施形態において、プリンタ解像度は、ボクセルサイズにほぼ等しくてもよい。不均質混合物が印刷される実施形態では、プリンタ解像度は、ボクセルサイズよりもはるかに小さくてもよく、各ボクセルは、平均音響材料特性が特定のボクセルに割り当てられた音響材料特性に近似する材料の組み合わせを用いて印刷してもよい。
【０１２２】
いくつかの実施形態において、モード変換構造は、複数の層に分割されてもよい。次いで、各層を個別に製造し、その後接合して、完全なモード変換構造を形成してもよい。いくつかの実施形態において、各層は、第１の音響材料特性値を有する材料の固体平面層内の複数のボクセルから材料を除去することによって形成されてもよい。
【０１２３】
次いで、除去されたボクセルは、１つ以上の異なる音響材料特性値を有する材料で満たされてもよい。いくつかの実施形態において、モード変換構造が第１の平面部分を生成し、それを軸の周りに回転させることによって製造することができるように、回転対称であってもよい。
【０１２４】
上述したように、２値離散化によって、それぞれが２つの可能な誘電率値のうちの１つを割り当てられる複数のボクセルとなってもよい。選択されるボクセルの解像度およびサイズは、使用される周波数範囲の波長サイズに基づいていてもよい。
【０１２５】
多種多様な材料および製造方法のいずれかを採用してもよい。例えば、モード変換構造は、少なくとも部分的に、ガラス形成材料、ポリマー、メタマテリアル、非周期的フォトニック結晶、シリカ、複合メタマテリアル、多孔質材料、発泡材料、層状複合材料、成層複合材料、繊維束材料、マイクロロッド材料、ナノロッド材料、非超光速低損失誘電材料、磁器、ガラス、プラスチック、空気、窒素、鉄、鋼、アルミニウム、銅、他の金属、合金、六フッ化硫黄、パリレン、鉱油、セラミック、紙、マイカ、ポリエチレン、および酸化アルミニウムを使用して、製造してもよい。
【０１２６】
モード変換構造は、材料を、ガラス転移温度を上回る温度に加熱し、溶融した材料を、マスクを通して押し出すことによって、製造してもよい。マスクは、剛性マスクであってもよい。射出成形、化学エッチング、化学蒸着、加熱、超音波処理、および／または当技術分野で知られている他の製造技術を含む、任意の他の製造方法または製造技術の組み合わせを使用してもよい。
【０１２７】
図１３では、モード変換構造１３７５のグレースケールシェーディングの図示は、単に例示目的であり、音響材料特性の有用な分布に対応せず、音響材料特性の実際の分布またはさらに妥当な分布を表すことを意図しない。音響材料特性の実際の寸法および分布は、本明細書に記載される様々なアルゴリズム、方法、およびアプローチによって計算および／または最適化することができる。
【０１２８】
図１３は、放射を第１のモード１３５０から第２のモード１３５０’に変換するように構成された第１の導波路または伝送媒体１３１０内のモード変換構造１３７５の一実施形態１３００を示す。モード変換構造１３７５は、第１の媒体を第１のモード１３５０の放射線と結合させ、第２の媒体を第２のモード１３５０’の放射線と結合させると言ってもよい。あるいは、モード変換構造１３７５が単一の導波路内の挿入物または構成要素と称されるか、または、２つの媒体を分離すると言われてもよい。図示されているように、放射が第１のモード１３５０である導波路の第１の部分（または第１の導波路もしくは第１の媒体）は、第２のモード１３５０’の導波路の第２の部分（または第２の導波路もしくは第２の媒体）とは異なる寸法を有していてもよい。
【０１２９】
図１４は、第１のモード１４５０における超音波のシミュレートした実施形態１４０１を示す。モード変換構造１４７５は、超音波を第１の導波路１４１０の第１のモード１４５０からの第２の導波路１４２０の第２のモード１４５０’の超音波に変換する。
【０１３０】
多くの既存の演算装置およびインフラストラクチャを、本明細書で説明するシステムおよび方法と組み合わせて使用してもよい。汎用コンピュータ、コンピュータプログラミングツールおよび技術、デジタル記憶媒体、および通信リンクなど、本明細書で開示される実施形態で使用することができるインフラストラクチャのいくつかは、既に利用可能である。演算装置またはコントローラは、マイクロプロセッサ、マイクロコントローラ、または論理回路などのプロセッサを含んでもよい。プロセッサは、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、プログラマブルアレイロジック（ＰＡＬ）、プログラマブルロジックアレイ（ＰＬＡ）、プログラマブルロジックデバイス（ＰＬＤ）、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）、または他のカスタマイズ可能な、および／または、プログラマブルデバイスなどの専用処理デバイスを含んでもよい。演算装置はまた、不揮発性メモリ、スタティックＲＡＭ、動的ＲＡＭ、ＲＯＭ、ＣＤ−ＲＯＭ、ディスク、テープ、磁気、光学、フラッシュメモリ、または他の機械可読記憶媒体などの機械可読記憶装置を含んでもよい。特定の実施形態の様々な態様は、ハードウェア、ソフトウェア、ファームウェア、またはそれらの組み合わせによって実施されてもよい。
【０１３１】
開示された実施形態の構成要素は、本明細書で概して説明され、図に示すように、多種多様な異なる構成で配置され、設計され得る。さらに、一実施形態に関連付けられた特徴、構造、および動作は、別の実施形態に関連して説明された特徴、構造、または動作に適用可能であってもよいか、または、それらと組み合わせてもよい。多くの場合、周知の構造、材料、または動作は、本開示の態様を曖昧にすることを回避するために、詳細には示されず、説明されない。
【０１３２】
本開示内で提供されるシステムおよび方法の実施形態は、本開示の範囲を限定することを意図するものではなく、考えられる実施形態を単に代表するにすぎない。さらに、方法のステップは、必ずしも特定の順序で実行される必要はなく、連続的に実行される必要もなく、また、ステップは一度だけ実行される必要もない。上述したように、送信機に関して説明した記載および変形例は、受信機に等しく適用可能であり、逆もまた同様である。
【０１３３】
本開示は、最良の形態を含む様々な例示的な実施形態を参照してなされた。しかし、当業者は、本開示の範囲から逸脱することなく、例示的な実施形態に変更および修正を加えてもよいことを認識するだろう。本開示の原理を様々な実施形態で示したが、本開示の原理および範囲から逸脱することなく、構造、配置、比率、要素、材料、および部品の多くの修正を、特定の環境および／または動作要件に適合させてもよい。これらおよび他の変更または修正は、本開示の範囲内に含まれることが意図される。
【０１３４】
本明細書に記載される主題の態様は、以下の付番された各項に記載される。
【０１３５】
１．音響放射（ＡＲ）装置に対して相対的に配置され、有限周波数帯域について、該ＡＲ装置の音場プロファイルを入力モードから出力モードに変更するように構成された、音響材料特性の体積分布を有するモード変換構造を有する装置であって、
上記モード変換構造は、複数のサブ波長ボクセルに分割され、
各ボクセルは、上記有限周波数帯域内の周波数の波長の半分未満である最大寸法を有し、
各ボクセルは、上記モード変換構造の音響材料特性の分布に近似するために、複数の音響材料特性のうちの１つを割り当てられることを特徴とする装置。
【０１３６】
２．上記音響材料特性の体積分布は、選択された座標系における線形弾性テンソルおよび動的密度テンソルの成分を含む材料特性の体積分布を含むことを特徴とする第１項に記載の装置。
【０１３７】
３．各ボクセルに音響材料特性を割り当て、上記音場プロファイルを変更し、目標遠方場放射パターンを得ることを特徴とする第１項に記載の装置。
【０１３８】
４．上記音響材料特性は、線形弾性テンソルおよび動的密度テンソルの成分の組み合わせを含むことを特徴とする第３項に記載の装置。
【０１３９】
５．各ボクセルに音響材料特性を割り当て、上記音場プロファイルを変更し、目標近接場放射パターンを得ることを特徴とする第１項に記載の装置。
【０１４０】
６．上記音響材料特性は、線形弾性テンソルおよび動的密度テンソルの成分の組み合わせを含むことを特徴とする第５項に記載の装置。
【０１４１】
７．複数の固有音響材料特性のそれぞれは、ボクセルのサブセット内のボクセルのそれぞれが、該ボクセルを形成する材料の固有体積弾性率に基づいた固有音響材料特性を有するように、固有体積弾性率を有する材料からボクセルのサブセットの各ボクセルを形成することによって、ボクセルの対応するサブセットに割り当てられることを特徴とする第１項に記載の装置。
【０１４２】
８．複数の固有音響材料特性のそれぞれは、ボクセルのサブセット内のボクセルのそれぞれが、該ボクセルを形成する材料の固有弾性係数に基づいた固有音響材料特性を有するように、固有弾性係数を有する材料からボクセルのサブセットの各ボクセルを形成することによって、ボクセルの対応するサブセットに割り当てられることを特徴とする第１項に記載の装置。
【０１４３】
９．複数の固有音響材料特性のそれぞれは、ボクセルのサブセット内のボクセルのそれぞれが、該ボクセルを形成する材料の固有密度に基づいた固有音響材料特性を有するように、固有密度を有する材料からボクセルのサブセットの各ボクセルを形成することによって、ボクセルの対応するサブセットに割り当てられることを特徴とする第１項に記載の装置。
【０１４４】
１０．複数の固有音響材料特性のそれぞれは、ボクセルのサブセット内のボクセルのそれぞれが、該ボクセルを形成する材料の固有音響関連特性に基づいた固有音響材料特性を有するように、固有音響特性を有する材料からボクセルのサブセットの各ボクセルを形成することによって、ボクセルの対応するサブセットに割り当てられることを特徴とする第１項に記載の装置。
【０１４５】
１１．上記材料の固有音響特性は、上記材料の密度、上記材料の弾性係数、および上記材料の体積弾性率のうちの少なくとも２つを含むことを特徴とする第１０項に記載の装置。
【０１４６】
１２．上記材料の固有音響特性は、上記材料の密度、上記材料の弾性係数、および上記材料の体積弾性率の組み合わせを含むことを特徴とする第１０項に記載の装置。
【０１４７】
１３．上記ＡＲ装置は音響トランスデューサを備えることを特徴とする第１項に記載の装置。
【０１４８】
１４．上記モード変換構造は、上記音響トランスデューサに対して相対的に配置されることを特徴とする第１３項に記載の装置。
【０１４９】
１５．上記ＡＲ装置は音響送信機を備えることを特徴とする第１項に記載の装置。
【０１５０】
１６．上記ＡＲ装置は音響受信機を備えることを特徴とする第１項に記載の装置。
【０１５１】
１７．上記ＡＲ装置は超音波トランスデューサを備えることを特徴とする第１項に記載の装置。
【０１５２】
１８．上記ＡＲ装置は超低周波不可聴音トランスデューサを備えることを特徴とする第１項に記載の装置。
【０１５３】
１９．上記ＡＲ装置は可聴音響放射装置を備えることを特徴とする第１項に記載の装置。
【０１５４】
２０．上記ＡＲ装置は振動装置を備えることを特徴とする第１項に記載の装置。
【０１５５】
２１．上記ＡＲ装置は音波放射装置を備えることを特徴とする第１項に記載の装置。
【０１５６】
２２．上記ＡＲ装置は、音響振動と電流との間で変換が行われるように構成された光放射アンテナを備えることを特徴とする第１項に記載の装置。
【０１５７】
２３．第１のモードは、電気音響トランスデューサ、ラウドスピーカ、静電ラウドスピーカ、圧電トランスデューサ、ＭＥＭＳトランスデューサ、磁歪トランスデューサ、電磁音響トランスデューサ（ＥＭＡＴ）、可動コイル拡声器、ダイナミックスピーカ、およびパッシブラジエータのうちの１つによって生成されるものに対応する音響近接場分布を有することを特徴とする第１項に記載の装置。
【０１５８】
２４．第２のモードは、ラウドスピーカ、静電ラウドスピーカ、圧電トランスデューサ、ＭＥＭＳトランスデューサ、磁歪トランスデューサ、電磁音響トランスデューサ（ＥＭＡＴ）、可動コイル拡声器、およびパッシブラジエータのうちの１つによって生成されるものに対応する音響近接場分布を有することを特徴とする第２３項に記載の装置。
【０１５９】
２５．上記体積分布は、上記モード変換構造の体積分布が事実上２次元であるように、座標系における１つの空間次元においてほぼ均一であることを特徴とする第１項に記載の装置。
【０１６０】
２６．上記座標系はデカルト座標系であり、上記体積分布は、その平面に垂直な平面２次元分布の均一の突出に対応することを特徴とする第２５項に記載の装置。
【０１６１】
２７．上記座標系は、円筒座標系であり、上記体積分布は、２次元平面断面の選択された回転軸の周りの等速回転に対応することを特徴とする第２５項に記載の装置。
【０１６２】
２８．上記モード変換構造は、上記ＡＲ装置の音響伝送線路の端部に配置されるように構成されていることを特徴とする第１項に記載の装置。
【０１６３】
２９．上記モード変換構造は、上記音響伝送線路に沿った音響伝送に関連する第１のモードから、自由空間音響放射モードである第２のモードに変換するように構成されていることを特徴とする第２８項に記載の装置。
【０１６４】
３０．上記モード変換構造は、自由空間音響放射に関連する第１のモードから、上記ＡＲ装置の音響伝送線路に沿った音響伝送用の第２のモードに変換するように構成されていることを特徴とする第２８項に記載の装置。
【０１６５】
３１．上記音響材料特性の体積分布は、第１の音響特性を有する第１の材料から形成されたボクセルの第１のサブセットと、該第１の音響特性とは異なる第２の音響特性を有する第２の材料から形成されたボクセルの第２のサブセットとを含むことを特徴とする第１項に記載の装置。
【０１６６】
３２．上記第１の材料の音響特性は、密度、弾性係数、および体積弾性率のうちの１つ以上を含むことを特徴とする第３１項に記載の装置。
【０１６７】
３３．上記第１の材料の音響特性は弾性係数を含み、上記第２の材料の音響特性は該材料の密度および該材料の体積弾性率のうちの１つ以上を含むことを特徴とする第３２項に記載の装置。
【０１６８】
３４．上記第２の材料の音響特性は、該材料の密度、該材料の弾性係数、および該材料の体積弾性率のうちの１つ以上を含むことを特徴とする第３２項に記載の装置。
【０１６９】
３５．上記音響材料特性の体積分布は、第３の音響特性を有する第３の材料から形成されたボクセルの第３のサブセットをさらに含むことを特徴とする第３１項に記載の装置。
【０１７０】
３６．上記第１の材料は、上記第１の音響特性を有する光学的に透明な材料を含み、上記第２の材料は、第２の音響特性を有する光学的に透明な材料を含むことを特徴とする第３１項に記載の装置。
【０１７１】
３７．上記第１の材料は透明無機ガラスを含み、第２の材料は透明ポリマーを含むことを特徴とする第３６項に記載の装置。
【０１７２】
３８．上記透明ポリマーは、ガラスポリマーおよび熱可塑性樹脂のうちの１つを含むことを特徴とする第３７項に記載の装置。
【０１７３】
３９．上記第１の材料は無機ガラスを含み、上記第２の材料はドープ無機ガラスを含むことを特徴とする第３６項に記載の装置。
【０１７４】
４０．上記第１の材料はガラスを含み、上記第２の材料はナノ粒子埋め込みガラスを含むことを特徴とする第３６項に記載の装置。
【０１７５】
４１．上記第１の材料はポリマーを含み、上記第２の材料はナノ粒子埋め込みポリマーを含むことを特徴とする第３６項に記載の装置。
【０１７６】
４２．上記第１の材料は第１の重合数を有する第１のポリマーを含み、上記第２の材料は第２の重合数を有する第２のポリマーを含むことを特徴とする第３６項に記載の装置。
【０１７７】
４３．上記第１および第２の材料を含む上記モード変換構造を使用して、光学的に透明な窓の少なくとも一部を形成することを特徴とする第３６項に記載の装置。
【０１７８】
４４．上記第１および第２の材料を含む上記モード変換構造を使用して、光学的に透明な自動車窓の少なくとも一部を形成することを特徴とする第３６項に記載の装置。
【０１７９】
４５．上記第１および第２の材料を含む上記モード変換構造を使用して、構造内の光学的に透明な窓の少なくとも一部を形成することを特徴とする第３６項に記載の装置。
【０１８０】
４６．上記第１および第２の材料を含む上記モード変換構造を使用して、ミラーの少なくとも一部を形成することを特徴とする第３６項に記載の装置。
【０１８１】
４７．上記第１の材料は、上記第１の音響特性を有する光学的に透明な材料を含むことを特徴とする第３１項に記載の装置。
【０１８２】
４８．上記第１の材料は浸液を含むことを特徴とする第４７項に記載の装置。
【０１８３】
４９．上記浸液は、鉱油、合成油、および高分子油のうちの少なくとも１つを含むことを特徴とする第４８項に記載の装置。
【０１８４】
５０．標準周囲温度・圧力（ＳＡＴＰ）において、上記音響材料特性の体積分布は、第１の音響特性を有する第１の固体材料から形成されたボクセルの第１のサブセットと、該第１の音響特性とは異なる第２の音響特性を有する第２の液体材料から形成されたボクセルの第２のサブセットとを含むことを特徴とする第１項に記載の装置。
【０１８５】
５１．上記モード変換構造の外層は、上記第１の固体材料を含み、上記第２の液体材料が流出するのを防止することを特徴とする第５０項に記載の装置。
【０１８６】
５２．上記モード変換構造の外層は、上記第１および第２の材料を封止する第３の材料を含むことを特徴とする第５０項に記載の装置。
【０１８７】
５３．上記第３の材料の外層は、上記有限周波数帯域内において音響上不活性であることを特徴とする第５２項に記載の装置。
【０１８８】
５４．上記第２の液体材料は高屈折率液体を含むことを特徴とする第５０項に記載の装置。
【０１８９】
５５．上記第２の液体材料は、ほぼ０の剪断弾性率を有し、上記第１の固体材料は、無視できない剪断弾性率を有することを特徴とする第５０項に記載の装置。
【０１９０】
５６．上記音響材料特性の体積分布を選択し、ホログラフィック解に対応する一次音響屈折率の対応する体積分布を形成することを特徴とする第１項に記載の装置。
【０１９１】
５７．上記一次音響屈折率の体積分布は、以下の式を用いて選択することを特徴とする第５６項に記載の装置。
【０１９２】
【数１０】
2020521380.tif 000013
【０１９３】
（式中、ｎ（ｘ，ｙ，ｚ）は、ｘ、ｙ、ｚ座標系における上記一次音響屈折率の体積分布である。
βは、選択可能な規格化定数である。
ｐｉｎは、上記ｘ、ｙ、ｚ座標系に対する上記モード変換構造の表面上の上記ＡＲ装置からの音響放射の入力圧力場分布である。
ｐｇｏａｌは、上記ｘ、ｙ、ｚ座標系に対する上記モード変換構造からの音響放射の出力圧力場分布である。）
５８．上記音響屈折率の体積分布は、以下の式を用いて選択することを特徴とする第５６項に記載の装置。
【０１９４】
【数１１】
2020521380.tif 000014
【０１９５】
（式中、ｎ（ｘ，ｙ，ｚ）は、ｘ、ｙ、ｚ座標系における上記音響屈折率の体積分布である。
βは、選択可能な規格化定数である。
pinは、上記ｘ、ｙ、ｚ座標系に対する上記モード変換構造の表面上の上記ＡＲ装置からの音響放射の入力圧力場分布である。
pgoalは、上記ｘ、ｙ、ｚ座標系に対する上記モード変換構造からの音響放射の出力圧力場分布である。）
５９．上記音響材料特性の体積分布は、上記音響材料特性が最適化可能な変数として扱われる最適化アルゴリズムを用いて選択されることを特徴とする第１項に記載の装置。
【０１９６】
６０．上記音響材料特性の実数部および虚数部は、個別に最適化可能な変数として扱われることを特徴とする第５９項に記載の装置。
【０１９７】
６１．上記最適化アルゴリズムは、少なくとも１つの最適化可能な変数の変更と、該変更のための費用関数の決定とを含むことを特徴とする第５９項に記載の装置。
【０１９８】
６２．上記最適化アルゴリズムは、上記最適化可能な変数のそれぞれに関してその偏導関数に基づいて上記費用関数の勾配を決定することを含むことを特徴とする第６１項に記載の装置。
【０１９９】
６３．上記最適化アルゴリズムは、随伴感度アルゴリズムによって所定の構成の感度ベクトルを決定することを含むことを特徴とする第５９項に記載の装置。
【０２００】
６４．上記最適化アルゴリズムは、上記音響材料特性が、ほぼ１以上の実数部とほぼ０に等しい虚数部とを有するように制約された最適化変数として扱われる、条件付き最適化アルゴリズムを含むことを特徴とする第５９項に記載の装置。
【０２０１】
６５．上記最適化アルゴリズムは、ホログラフィック解に対応する初期推測から開始することを含むことを特徴とする第５９項に記載の装置。
【０２０２】
６６．上記音響屈折率の体積分布は、以下の式を用いて選択することを特徴とする第５６項に記載の装置。
【０２０３】
【数１２】
2020521380.tif 000015
【０２０４】
（式中、ｎ（ｘ，ｙ，ｚ）は、ｘ、ｙ、ｚ座標系における上記音響屈折率の体積分布である。
βは、選択可能な規格化定数である。
ｐｉｎは、上記ｘ、ｙ、ｚ座標系に対する上記モード変換構造の表面上の上記ＡＲ装置からの音響放射の入力圧力場分布である。
ｐｇｏａｌは、上記ｘ、ｙ、ｚ座標系に対する上記モード変換構造からの音響放射の出力フィールド分布である。
αは、最小値ｎを維持するように選択された定数である。）
６７．αの値は、０より大きいｎを維持するように選択することを特徴とする第６６項に記載の装置。
【０２０５】
６８．αの値は、１より大きいｎを維持するように選択することを特徴とする第６６項に記載の装置。
【０２０６】
６９．最小閾値を下回るｎの値については、上記式は、所定の最小値であるｎｍｉｎに設定されたｎを用いて解くことを特徴とする第６６項に記載の装置。
【０２０７】
７０．最大閾値を上回るｎの値については、上記式は、所定の最大値であるｎｍａｘに設定されたｎを用いて解くことを特徴とする第６６項に記載の装置。
【０２０８】
７１．上記モード変換構造はメタマテリアルを含むことを特徴とする第１項に記載の装置。
【０２０９】
７２．上記モード変換構造は非周期光結晶を含むことを特徴とする第１項に記載の装置。
【０２１０】
７３．上記モード変換構造は複合材料を含むことを特徴とする第１項に記載の装置。
【０２１１】
７４．上記モード変換構造は多孔質材料を含むことを特徴とする第１項に記載の装置。
【０２１２】
７５．上記モード変換構造は発泡材料を含むことを特徴とする第１項に記載の装置。
【０２１３】
７６．上記モード変換構造は層状複合材料を含むことを特徴とする第１項に記載の装置。
【０２１４】
７７．上記モード変換構造は成層複合材料を含むことを特徴とする第１項に記載の装置。
【０２１５】
７８．上記モード変換構造は繊維束材料を含むことを特徴とする第１項に記載の装置。
【０２１６】
７９．上記モード変換構造はマイクロロッド材料を含むことを特徴とする第１項に記載の装置。
【０２１７】
８０．上記モード変換構造はナノロッド材料を含むことを特徴とする第１項に記載の装置。
【０２１８】
８１．上記モード変換構造は、上記有限周波数帯域について、１未満の有効音響屈折率を有するメタマテリアルを含むことを特徴とする第１項に記載の装置。
【０２１９】
８２．上記モード変換構造は少なくとも２つのメタマテリアルを含み、該メタマテリアルのそれぞれは、異なる音響屈折率を有することを特徴とする第１項に記載の装置。
【０２２０】
８３．上記メタマテリアルのうちの少なくとも１つは、上記有限周波数帯域について、１未満の有効音響屈折率を有することを特徴とする第８２項に記載の装置。
【０２２１】
８４．上記モード変換構造は、上記ＡＲ装置の幅および長さに対応する最大幅および長さを有することを特徴とする第１項に記載の装置。
【０２２２】
８５．上記モード変換構造は、上記有限周波数帯域内の上記最低周波数の１波長未満の厚さを有することを特徴とする第１項に記載の装置。
【０２２３】
８６．上記モード変換構造は、上記有限周波数帯域内の上記最低周波数の１０分の１波長〜５波長の間の最大厚さを有することを特徴とする第１項に記載の装置。
【０２２４】
８７．上記モード変換構造は、不均一な厚さを有することを特徴とする第１項に記載の装置。
【０２２５】
８８．上記モード変換構造は、概ね球形状の不均一な厚さを有することを特徴とする第１項に記載の装置。
【０２２６】
８９．上記モード変換構造は、部分的に放物線状の形状である構造要素を含むことを特徴とする第１項に記載の装置。
【０２２７】
９０．上記変更された音場プロファイルは、約２〜５ｄＢｉの間の指向性を有するＡＲ装置のものと同様であることを特徴とする第１項に記載の装置。
【０２２８】
９１．上記変更された音場プロファイルは、約１０〜２０ｄＢｉの間の指向性を有するＡＲ装置のものと同様であることを特徴とする第１項に記載の装置。
【０２２９】
９２．上記変更された音場プロファイルは、１０ｄＢｉより大きい指向性を有するＡＲ装置のものと同様であることを特徴とする第１項に記載の装置。
【０２３０】
９３．上記モード変換構造は、上記ＡＲ装置の主ローブの遠方場ビーム幅を狭めるように構成されていることを特徴とする第１項に記載の装置。
【０２３１】
９４．上記モード変換構造は、上記ＡＲ装置の指向性利得を向上させるように構成されていることを特徴とする第１項に記載の装置。
【０２３２】
９５．上記モード変換構造は、遠方場指向性パターンにおいて少なくとも１つのディープミニマム（ｄｅｅｐ  ｍｉｎｉｍｕｍ）またはヌルを生成するための音響材料特性の体積分布で構成されていることを特徴とする第１項に記載の装置。
【０２３３】
９６．上記モード変換構造は、変更されていない上記ＡＲ装置によって上記遠方場におけるヌルが生じる方向を変更するための音響材料特性の体積分布で構成されていることを特徴とする第１項に記載の装置。
【０２３４】
９７．上記モード変換構造は、上記ＡＲ装置の遠方場副ローブを低下させるように構成されていることを特徴とする第１項に記載の装置。
【０２３５】
９８．上記モード変換構造は、上記最大副ローブレベルを低下させるように構成されていることを特徴とする第１項に記載の装置。
【０２３６】
９９．上記モード変換構造は、少なくとも１つの方向の指向性を低下させるように構成されていることを特徴とする第１項に記載の装置。
【０２３７】
１００．上記モード変換構造は、少なくとも１つの副ローブのパワーレベルを低下させるように構成されていることを特徴とする第１項に記載の装置。
【０２３８】
１０１．上記モード変換構造は、特定の立体角に放射される電力を低下させるように構成されていることを特徴とする第１項に記載の装置。
【０２３９】
１０２．上記モード変換構造は、最強の副ローブの方向を変更するように構成されていることを特徴とする第１項に記載の装置。
【０２４０】
１０３．上記モード変換構造は、照準器に最も近い副ローブの方向を変更するように構成されていることを特徴とする第１項に記載の装置。
【０２４１】
１０４．上記モード変換構造は、主ローブ方向とほぼ反対方向の放射を低減するように構成されていることを特徴とする第１項に記載の装置。
【０２４２】
１０５．上記モード変換構造は、上記照準器に対して約１８０°〜２７０°の間の方向として定義される後方半空間内の放射を低減するように構成されていることを特徴とする第１項に記載の装置。
【０２４３】
１０６．上記モード変換構造は、近接場における上記ＡＲ装置の放射プロファイルの均一性を高めるように構成されていることを特徴とする第１項に記載の装置。
【０２４４】
１０７．上記モード変換構造は、上記ＡＲ装置の近接場にヌルを生成するように構成されていることを特徴とする第１項に記載の装置。
【０２４５】
１０８．上記モード変換構造は、上記ＡＲ装置の近接場に音響エネルギー密度の集中を生成するように構成されていることを特徴とする第１項に記載の装置。
【０２４６】
１０９．上記モード変換構造は、上記ＡＲ装置の近接場における上記音場のピーク値を低下させるように構成されていることを特徴とする第１項に記載の装置。
【０２４７】
１１０．上記モード変換構造は、上記遠方場放射パターンを変更して、上記ＡＲ装置の反応性または放射性近接場に配置された再放射物体を補償するように、音響材料特性の体積分布で構成されていることを特徴とする第１項に記載の装置。
【０２４８】
１１１．上記再放射物体は、上記ＡＲ装置の一部を含むことを特徴とする第１１０項に記載の装置。
【０２４９】
１１２．上記再放射物体は、上記ＡＲ装置の反応性または放射性近接場内の物体を含むことを特徴とする第１１０項に記載の装置。
【０２５０】
１１３．上記再放射物体は、上記ＡＲ装置に関連付けられた支持体を含むことを特徴とする第１１０項に記載の装置。
【０２５１】
１１４．上記モード変換構造は、上記サブ波長ボクセルのそれぞれを、上記割り当てられた音響材料特性を有する材料によって印刷するために、３次元プリンタによって印刷されることを特徴とする第１項に記載の装置。
【０２５２】
１１５．各ボクセルに、Ｎ個（Ｎは１より大きい整数）の離散音響材料特性のセットから選択された音響材料特性が割り当てられることを特徴とする第１項に記載の装置。
【０２５３】
１１６．各ボクセルに、２つの離散音響材料特性のうちの１つから選択された音響材料特性が割り当てられることを特徴とする第１項に記載の装置。
【０２５４】
１１７．上記モード変換構造は、上記サブ波長ボクセルのそれぞれを、２つの材料のうちの１つによって印刷するように構成された３次元プリンタによって印刷され、各材料は上記２つの離散音響材料特性のうちの１つに対応することを特徴とする第１１６項に記載の装置。
【０２５５】
１１８．上記２つの離散音響材料特性のうちの１つは、摂氏０度〜摂氏１００度の間の温度における蒸留水の音響材料特性にほぼ等しいことを特徴とする第１１７項に記載の装置。
【０２５６】
１１９．上記２つの離散音響材料特性のうちの１つは、約１である音響屈折率を含むことを特徴とする第１１６項に記載の装置。
【０２５７】
１２０．上記モード変換構造は、１より大きい音響屈折率を有する材料によって上記サブ波長ボクセルのそれぞれを印刷し、その他のサブ波長ボクセルのそれぞれの材料を堆積させないように構成された３次元プリンタによって印刷されることを特徴とする第１１９項に記載の装置。
【０２５８】
１２１．上記モード変換構造は、１より小さい音響屈折率を有する材料によって上記サブ波長ボクセルのそれぞれを印刷し、その他のサブ波長ボクセルのそれぞれの材料を堆積させないように構成された３次元プリンタによって印刷されることを特徴とする第１１９項に記載の装置。
【０２５９】
１２２．上記モード変換構造は、上記２つの音響材料特性のうちの第１の特性を有する材料によって上記サブ波長ボクセルのそれぞれを印刷し、上記２つの音響材料特性のうちの第２の特性を割り当てられた上記サブ波長ボクセルのそれぞれの材料を堆積させないように構成された３次元プリンタによって印刷されることを特徴とする第１１６項に記載の装置。
【０２６０】
１２３．上記第２の音響材料特性は、印刷されたボクセル間の空隙の少なくともいくつかを満たすように構成された流体の音響屈折率に対応することを特徴とする第１２２項に記載の装置。
【０２６１】
１２４．上記２つの離散音響材料特性のうちの１つは、摂氏０度〜摂氏１００度の間の温度における蒸留水の音響材料特性にほぼ等しいことを特徴とする第１２２項に記載の装置。
【０２６２】
１２５．上記モード変換構造は、アマルガム配合、材料積層、射出成形プロセス、押出成形、発泡、圧縮成形、真空成形、ブロー成形、回転成形、鋳造、回転鋳造、遠心鋳造、機械加工、層堆積、化学エッチング、および浸漬成形のうちの少なくとも１つによって製造されることを特徴とする第１項に記載の装置。
【０２６３】
１２６．上記モード変換構造は、ガラス形成材料のうちの少なくとも１つを使用して製造されることを特徴とする第１項に記載の装置。
【０２６４】
１２７．上記ガラス形成材料は、シリカおよび高分子のうちの少なくとも１つを含むことを特徴とする第１２６項に記載の装置。
【０２６５】
１２８．上記モード変換構造は、材料を、ガラス転移温度を上回る温度に加熱し、溶融した材料を、マスクを通して押し出すことによって、製造されることを特徴とする第１項に記載の装置。
【０２６６】
１２９．上記マスクは剛性マスクを含むことを特徴とする第１２８項に記載の装置。
【０２６７】
１３０．上記モード変換構造は、形成材料の射出成形によって製造され、型材料は、上記形成材料の凝固後に除去されることを特徴とする第１項に記載の装置。
【０２６８】
１３１．上記型材料は、化学試薬による溶解によって、少なくとも部分的に除去されることを特徴とする第１３０項に記載の装置。
【０２６９】
１３２．上記型材料の除去は、加熱および超音波処理のうちの少なくとも１つによって補助されることを特徴とする第１３１項に記載の装置。
【０２７０】
１３３．有限周波数帯域について、音響放射（ＡＲ）装置の目標放射パターンを特定するステップと、
上記ＡＲ装置に対するモード変換構造を囲むための３次元体積の境界を特定するステップと、
上記ＡＲ装置からの上記モード変換構造の表面上の音響放射の入力圧力場分布を特定するステップと、
上記モード変換構造内の音響材料特性の体積分布を特定して、入力モードの上記音響放射の入力圧力場分布を、出力モードの上記目標放射パターンに近似する音響放射の出力フィールド分布に変換するステップと、
上記モード変換構造の生成のために上記音響材料特性の体積分布を送信するステップとを含むことを特徴とする方法。
【０２７１】
１３４．上記音響材料特性の体積分布を特定するステップは、選択された座標系における線形弾性テンソルおよび動的密度テンソルの成分を含む材料特性の体積分布を特定することを含むことを特徴とする第１３３項に記載の方法。
【０２７２】
１３５．上記音響材料特性の体積分布を特定するステップは、音響材料特性の組み合わせを特定して、上記音場プロファイルを変更し、目標遠方場放射パターンを得ることを含むことを特徴とする第１３３項に記載の方法。
【０２７３】
１３６．上記音響材料特性の組み合わせは、線形弾性テンソルおよび動的密度テンソルの成分の組み合わせを含むことを特徴とする第１３５項に記載の方法。
【０２７４】
１３７．上記音響材料特性の体積分布を特定するステップは、音響材料特性の組み合わせを特定して、上記音場プロファイルを変更し、目標近接場放射パターンを得ることを含むことを特徴とする第１３３項に記載の方法。
【０２７５】
１３８．上記音響材料特性の組み合わせは、線形弾性テンソルおよび動的密度テンソルの成分の組み合わせを含むことを特徴とする第１３７項に記載の方法。
【０２７６】
１３９．複数の固有音響材料特性のそれぞれを、ボクセルの対応するサブセットに割り当てるステップをさらに含むことを特徴とする第１３３項に記載の方法。
【０２７７】
１４０．ボクセルのサブセット内のボクセルのそれぞれが、該ボクセルを形成する材料の固有体積弾性率に基づいた固有音響材料特性を有するように、固有体積弾性率を有する材料からボクセルのサブセットの各ボクセルを形成するステップをさらに含むことを特徴とする第１３９項に記載の方法。
【０２７８】
１４１．ボクセルのサブセット内のボクセルのそれぞれが、該ボクセルを形成する材料の固有弾性係数に基づいた固有音響材料特性を有するように、固有弾性係数を有する材料からボクセルのサブセットの各ボクセルを形成するステップをさらに含むことを特徴とする第１３９項に記載の方法。
【０２７９】
１４２．ボクセルのサブセット内のボクセルのそれぞれが、該ボクセルを形成する材料の固有密度に基づいた固有音響材料特性を有するように、固有密度を有する材料からボクセルのサブセットの各ボクセルを形成するステップをさらに含むことを特徴とする第１３９項に記載の方法。
【０２８０】
１４３．ボクセルのサブセット内のボクセルのそれぞれが、該ボクセルを形成する材料の固有音響関連特性に基づいた固有音響材料特性を有するように、固有音響特性を有する材料からボクセルのサブセットの各ボクセルを形成するステップをさらに含むことを特徴とする第１３９項に記載の方法。
【０２８１】
１４４．上記材料の固有音響特性は、上記材料の密度、上記材料の弾性係数、および上記材料の体積弾性率のうちの少なくとも２つを含むことを特徴とする第１４３項に記載の方法。
【０２８２】
１４５．上記材料の固有音響特性は、上記材料の密度、上記材料の弾性係数、および上記材料の体積弾性率の組み合わせを含むことを特徴とする第１４３項に記載の方法。
【０２８３】
１４６．上記ＡＲ装置は音響トランスデューサを備えることを特徴とする第１３３項に記載の方法。
【０２８４】
１４７．上記モード変換構造は、上記音響トランスデューサに対して相対的に配置されることを特徴とする第１４６項に記載の方法。
【０２８５】
１４８．上記ＡＲ装置は音響送信機を備えることを特徴とする第１３３項に記載の方法。
【０２８６】
１４９．上記ＡＲ装置は音響受信機を備えることを特徴とする第１３３項に記載の方法。
【０２８７】
１５０．上記ＡＲ装置は超音波トランスデューサを備えることを特徴とする第１３３項に記載の方法。
【０２８８】
１５１．上記ＡＲ装置は超低周波不可聴音トランスデューサを備えることを特徴とする第１３３項に記載の方法。
【０２８９】
１５２．上記ＡＲ装置は可聴音響放射装置を備えることを特徴とする第１３３項に記載の方法。
【０２９０】
１５３．上記ＡＲ装置は振動装置を備えることを特徴とする第１３３項に記載の方法。
【０２９１】
１５４．上記ＡＲ装置は音波放射装置を備えることを特徴とする第１３３項に記載の方法。
【０２９２】
１５５．上記ＡＲ装置は、音響振動と電流との間で変換が行われるように構成された光放射アンテナを備えることを特徴とする第１３３項に記載の方法。
【０２９３】
１５６．第１のモードは、ラウドスピーカ、静電ラウドスピーカ、圧電トランスデューサ、ＭＥＭＳトランスデューサ、磁歪トランスデューサ、電磁音響トランスデューサ（ＥＭＡＴ）、可動コイル拡声器、およびパッシブラジエータのうちの１つによって生成されるものに対応する音響近接場分布を有することを特徴とする第１３３項に記載の方法。
【０２９４】
１５７．第２のモードは、ラウドスピーカ、静電ラウドスピーカ、圧電トランスデューサ、ＭＥＭＳトランスデューサ、磁歪トランスデューサ、電磁音響トランスデューサ（ＥＭＡＴ）、可動コイル拡声器、およびパッシブラジエータのうちの１つによって生成されるものに対応する音響近接場分布を有することを特徴とする第１５６項に記載の方法。
【０２９５】
１５８．上記体積分布は、上記モード変換構造の体積分布が事実上２次元であるように、座標系における１つの空間次元においてほぼ均一であることを特徴とする第１３３項に記載の方法。
【０２９６】
１５９．上記座標系はデカルト座標系であり、上記体積分布は、その平面に垂直な平面２次元分布の均一の突出に対応することを特徴とする第１５８項に記載の方法。
【０２９７】
１６０．上記座標系は、円筒座標系であり、上記体積分布は、２次元平面断面の選択された回転軸の周りの等速回転に対応することを特徴とする第１５８項に記載の方法。
【０２９８】
１６１．上記モード変換構造は、上記ＡＲ装置の音響伝送線路の端部に配置されるように構成されていることを特徴とする第１３３項に記載の方法。
【０２９９】
１６２．上記モード変換構造は、上記音響伝送線路に沿った音響伝送に関連する第１のモードから、自由空間音響放射モードである第２のモードに変換するように構成されていることを特徴とする第１６１項に記載の方法。
【０３００】
１６３．上記モード変換構造は、自由空間音響放射に関連する第１のモードから、上記ＡＲ装置の音響伝送線路に沿った音響伝送用の第２のモードに変換するように構成されていることを特徴とする第１６１項に記載の方法。
【０３０１】
１６４．上記音響材料特性の体積分布を特定するステップは、第１の音響特性を有する第１の材料から形成されるボクセルの第１のサブセットと、該第１の音響特性とは異なる第２の音響特性を有する第２の材料から形成されるボクセルの第２のサブセットとを特定することを含むことを特徴とする第１３３項に記載の方法。
【０３０２】
１６５．上記第１の材料の音響特性は、密度、弾性係数、および体積弾性率のうちの１つ以上を含むことを特徴とする第１６４項に記載の方法。
【０３０３】
１６６．上記第１の材料の音響特性は弾性係数を含み、上記第２の材料の音響特性は該材料の密度および該材料の体積弾性率のうちの１つ以上を含むことを特徴とする第１６５項に記載の方法。
【０３０４】
１６７．上記第２の材料の音響特性は、該材料の密度、該材料の弾性係数、および該材料の体積弾性率のうちの１つ以上を含むことを特徴とする第１６５項に記載の方法。
【０３０５】
１６８．上記音響材料特性の体積分布を特定するステップは、第３の音響特性を有する第３の材料から形成されるボクセルの第３のサブセットを特定することをさらに含むことを特徴とする第１６４項に記載の方法。
【０３０６】
１６９．上記第１の材料は、上記第１の音響特性を有する光学的に透明な材料を含み、上記第２の材料は、第２の音響特性を有する光学的に透明な材料を含むことを特徴とする第１６４項に記載の方法。
【０３０７】
１７０．上記第１の材料は透明無機ガラスを含み、第２の材料は透明ポリマーを含むことを特徴とする第１６９項に記載の方法。
【０３０８】
１７１．上記透明ポリマーは、ガラスポリマーおよび熱可塑性樹脂のうちの１つを含むことを特徴とする第１７０項に記載の方法。
【０３０９】
１７２．上記第１の材料は無機ガラスを含み、上記第２の材料はドープ無機ガラスを含むことを特徴とする第１６９項に記載の方法。
【０３１０】
１７３．上記第１の材料はガラスを含み、上記第２の材料はナノ粒子埋め込みガラスを含むことを特徴とする第１６９項に記載の方法。
【０３１１】
１７４．上記第１の材料はポリマーを含み、上記第２の材料はナノ粒子埋め込みポリマーを含むことを特徴とする第１６９項に記載の方法。
【０３１２】
１７５．上記第１の材料は第１の重合数を有する第１のポリマーを含み、上記第２の材料は第２の重合数を有する第２のポリマーを含むことを特徴とする第１６９項に記載の方法。
【０３１３】
１７６．上記第１および第２の材料を使用して、光学的に透明な窓の少なくとも一部を形成するステップをさらに含むことを特徴とする第１６９項に記載の方法。
【０３１４】
１７７．上記第１および第２の材料を使用して、光学的に透明な自動車窓の少なくとも一部を形成するステップをさらに含むことを特徴とする第１６９項に記載の方法。
【０３１５】
１７８．上記第１および第２の材料を使用して、構造における光学的に透明な窓の少なくとも一部を形成するステップをさらに含むことを特徴とする第１６９項に記載の方法。
【０３１６】
１７９．上記第１および第２の材料を使用して、ミラーの少なくとも一部を形成するステップをさらに含むことを特徴とする第１６９項に記載の方法。
【０３１７】
１８０．上記第１の材料は、上記第１の音響特性を有する光学的に透明な材料を含むことを特徴とする第１６５項に記載の方法。
【０３１８】
１８１．上記第１の材料は浸液を含むことを特徴とする第１８０項に記載の方法。
【０３１９】
１８２．上記浸液は、鉱油、合成油、および高分子油のうちの少なくとも１つを含むことを特徴とする第１８１項に記載の方法。
【０３２０】
１８３．上記音響材料特性の体積分布を特定するステップは、標準周囲温度・圧力（ＳＡＴＰ）の上記音響材料特性の体積分布を、第１の音響特性を有する第１の固体材料から形成されるボクセルの第１のサブセットと、該第１の音響特性とは異なる第２の音響特性を有する第２の液体材料から形成されるボクセルの第２のサブセットであると特定することを含むことを特徴とする第１３３項に記載の方法。
【０３２１】
１８４．上記モード変換構造の特定された音響材料特性の体積分布の外層は、上記第１の固体材料であると特定され、上記第２の液体材料が流出するのを防止することを特徴とする第１８３項に記載の方法。
【０３２２】
１８５．上記モード変換構造の特定された音響材料特性の体積分布の外層は、上記第１および第２の材料を封止する第３の材料であると特定されることを特徴とする第１８３項に記載の方法。
【０３２３】
１８６．上記第３の材料の特定された音響材料特性の体積分布の外層は、上記有限周波数帯域内において音響上不活性であることを特徴とする第１８５項に記載の方法。
【０３２４】
１８７．上記第２の液体材料は高屈折率液体を含むことを特徴とする第１８３項に記載の方法。
【０３２５】
１８８．上記第２の液体材料は、ほぼ０の剪断弾性率を有し、上記第１の固体材料は、無視できない剪断弾性率を有することを特徴とする第１８３項に記載の方法。
【０３２６】
１８９．上記音響材料特性の体積分布を特定するステップは、ホログラフィック解に対応する一次音響屈折率の体積分布を選択すること含むことを特徴とする第１３３項に記載の方法。
【０３２７】
１９０．上記一次音響屈折率の体積分布は、以下の式を用いて選択することを特徴とする第１８９項に記載の方法。
【０３２８】
【数１３】
2020521380.tif 000016
【０３２９】
（式中、ｎ（ｘ，ｙ，ｚ）は、ｘ、ｙ、ｚ座標系における上記一次音響屈折率の体積分布である。
βは、選択可能な規格化定数である。
ｐｉｎは、上記ｘ、ｙ、ｚ座標系に対する上記モード変換構造の表面上の上記ＡＲ装置からの音響放射の入力圧力場分布である。
ｐｇｏａｌは、上記ｘ、ｙ、ｚ座標系に対する上記モード変換構造からの音響放射の出力圧力場分布である。）
１９１．上記音響屈折率の体積分布は、以下の式を用いて選択することを特徴とする第１８９項に記載の方法。
【０３３０】
【数１４】
2020521380.tif 000017
【０３３１】
（式中、ｎ（ｘ，ｙ，ｚ）は、ｘ、ｙ、ｚ座標系における上記音響屈折率の体積分布である。
βは、選択可能な規格化定数である。
ｐｉｎは、上記ｘ、ｙ、ｚ座標系に対する上記モード変換構造の表面上の上記ＡＲ装置からの音響放射の入力圧力場分布である。
ｐｇｏａｌは、上記ｘ、ｙ、ｚ座標系に対する上記モード変換構造からの音響放射の出力圧力場分布である。）
１９２．上記音響材料特性の体積分布を特定するステップは、上記音響材料特性が最適化可能な変数として扱われる最適化アルゴリズムの使用を含むことを特徴とする第１３３項に記載の方法。
【０３３２】
１９３．上記音響材料特性の実数部および虚数部は、個別に最適化可能な変数として扱われることを特徴とする第１９２項に記載の方法。
【０３３３】
１９４．上記最適化アルゴリズムは、少なくとも１つの最適化可能な変数の変更と、該変更のための費用関数の決定とを含むことを特徴とする第１９２項に記載の方法。
【０３３４】
１９５．上記最適化アルゴリズムは、上記最適化可能な変数のそれぞれに関してその偏導関数に基づいて上記費用関数の勾配を決定することを含むことを特徴とする第１９４項に記載の方法。
【０３３５】
１９６．上記最適化アルゴリズムは、随伴感度アルゴリズムによって所定の構成の感度ベクトルを決定することを含むことを特徴とする第１９２項に記載の方法。
【０３３６】
１９７．上記最適化アルゴリズムは、上記音響材料特性が、ほぼ１以上の実数部とほぼ０に等しい虚数部とを有するように制約された最適化変数として扱われる、条件付き最適化アルゴリズムを含むことを特徴とする第１９２項に記載の方法。
【０３３７】
１９８．上記最適化アルゴリズムは、ホログラフィック解に対応する初期推測から開始することを含むことを特徴とする第１９２項に記載の方法。
【０３３８】
１９９．上記音響屈折率の体積分布は、以下の式を用いて選択することを特徴とする第１８９項に記載の方法。
【０３３９】
【数１５】
2020521380.tif 000018
【０３４０】
（式中、ｎ（ｘ，ｙ，ｚ）は、ｘ、ｙ、ｚ座標系における上記音響屈折率の体積分布である。
βは、選択可能な規格化定数である。
ｐｉｎは、上記ｘ、ｙ、ｚ座標系に対する上記モード変換構造の表面上の上記ＡＲ装置からの音響放射の入力圧力場分布である。
ｐｇｏａｌは、上記ｘ、ｙ、ｚ座標系に対する上記モード変換構造からの音響放射の出力フィールド分布である。
αは、最小値ｎを維持するように選択された定数である。）
２００．αの値は、０より大きいｎを維持するように選択することを特徴とする第１９９項に記載の方法。
【０３４１】
２０１．αの値は、１より大きいｎを維持するように選択することを特徴とする第１９９項に記載の方法。
【０３４２】
２０２．最小閾値を下回るｎの値については、上記式は、所定の最小値であるｎｍｉｎに設定されたｎを用いて解くことを特徴とする第１９９項に記載の方法。
【０３４３】
２０３．最大閾値を上回るｎの値については、上記式は、所定の最大値であるｎｍａｘに設定されたｎを用いて解くことを特徴とする第１９９項に記載の方法。
【０３４４】
２０４．上記送信された音響材料特性の体積分布を用いて上記モード変換構造を生成するステップをさらに含むことを特徴とする第１３３項に記載の方法。
【０３４５】
２０５．上記モード変換構造はメタマテリアルを含むことを特徴とする第２０４項に記載の方法。
【０３４６】
２０６．上記モード変換構造は非周期光結晶を含むことを特徴とする第２０４項に記載の方法。
【０３４７】
２０７．上記モード変換構造は複合材料を含むことを特徴とする第２０４項に記載の方法。
【０３４８】
２０８．上記モード変換構造は多孔質材料を含むことを特徴とする第２０４項に記載の方法。
【０３４９】
２０９．上記モード変換構造は発泡材料を含むことを特徴とする第２０４項に記載の方法。
【０３５０】
２１０．上記モード変換構造は層状複合材料を含むことを特徴とする第２０４項に記載の方法。
【０３５１】
２１１．上記モード変換構造は成層複合材料を含むことを特徴とする第２０４項に記載の方法。
【０３５２】
２１２．上記モード変換構造は繊維束材料を含むことを特徴とする第２０４項に記載の方法。
【０３５３】
２１３．上記モード変換構造はマイクロロッド材料を含むことを特徴とする第２０４項に記載の方法。
【０３５４】
２１４．上記モード変換構造はナノロッド材料を含むことを特徴とする第２０４項に記載の方法。
【０３５５】
２１５．上記モード変換構造は、上記有限周波数帯域について、１未満の有効音響屈折率を有するメタマテリアルを含むことを特徴とする第２０４項に記載の方法。
【０３５６】
２１６．上記モード変換構造は少なくとも２つのメタマテリアルを含み、該メタマテリアルのそれぞれは、異なる音響屈折率を有することを特徴とする第２０４項に記載の方法。
【０３５７】
２１７．上記メタマテリアルのうちの少なくとも１つは、上記有限周波数帯域について、１未満の有効音響屈折率を有することを特徴とする第２１６項に記載の方法。
【０３５８】
２１８．上記モード変換構造は、上記ＡＲ装置の幅および長さに対応する最大幅および長さを有することを特徴とする第２０４項に記載の方法。
【０３５９】
２１９．上記モード変換構造は、上記有限周波数帯域内の上記最低周波数の１波長未満の厚さを有することを特徴とする第２０４項に記載の方法。
【０３６０】
２２０．上記モード変換構造は、上記有限周波数帯域内の上記最低周波数の１０分の１波長〜５波長の間の最大厚さを有することを特徴とする第２０４項に記載の方法。
【０３６１】
２２１．上記モード変換構造は、不均一な厚さを有することを特徴とする第２０４項に記載の方法。
【０３６２】
２２２．上記モード変換構造は、概ね球形状の不均一な厚さを有することを特徴とする第２０４項に記載の方法。
【０３６３】
２２３．上記モード変換構造は、部分的に放物線状の形状である構造要素を含むことを特徴とする第２０４項に記載の方法。
【０３６４】
２２４．上記目標放射パターンは、約２〜５ｄＢｉの間の指向性を有するＡＲ装置のものと同様であることを特徴とする第１３３項に記載の方法。
【０３６５】
２２５．上記目標放射パターンは、約１０〜２０ｄＢｉの間の指向性を有するＡＲ装置のものと同様であることを特徴とする第１３３項に記載の方法。
【０３６６】
２２６．上記目標放射パターンは、１０ｄＢｉより大きい指向性を有するＡＲ装置のものと同様であることを特徴とする第１３３項に記載の方法。
【０３６７】
２２７．上記目標放射パターンは、上記ＡＲ装置の主ローブの遠方場ビーム幅を狭めるように構成されていることを特徴とする第１３３項に記載の方法。
【０３６８】
２２８．上記目標放射パターンは、上記ＡＲ装置の指向性利得を向上させるように構成されていることを特徴とする第１３３項に記載の方法。
【０３６９】
２２９．上記目標放射パターンは、遠方場指向性パターンにおいて少なくとも１つのディープミニマムまたはヌルを生成するために構成されていることを特徴とする第１３３項に記載の方法。
【０３７０】
２３０．上記目標放射パターンは、変更されていない上記ＡＲ装置によって上記遠方場におけるヌルが生じる方向を変更するために構成されていることを特徴とする第１３３項に記載の方法。
【０３７１】
２３１．上記目標放射パターンは、上記ＡＲ装置の遠方場副ローブを低下させるように構成されていることを特徴とする第１３３項に記載の方法。
【０３７２】
２３２．上記目標放射パターンは、上記最大副ローブレベルを低下させるように構成されていることを特徴とする第１３３項に記載の方法。
【０３７３】
２３３．上記目標放射パターンは、少なくとも１つの方向の指向性を低下させるように構成されていることを特徴とする第１３３項に記載の方法。
【０３７４】
２３４．上記目標放射パターンは、少なくとも１つの副ローブのパワーレベルを低下させるように構成されていることを特徴とする第１３３項に記載の方法。
【０３７５】
２３５．上記目標放射パターンは、特定の立体角に放射される電力を低下させるように構成されていることを特徴とする第１３３項に記載の方法。
【０３７６】
２３６．上記目標放射パターンは、最強の副ローブの方向を変更するように構成されていることを特徴とする第１３３項に記載の方法。
【０３７７】
２３７．上記目標放射パターンは、照準器に最も近い副ローブの方向を変更するように構成されていることを特徴とする第１３３項に記載の方法。
【０３７８】
２３８．上記目標放射パターンは、主ローブ方向とほぼ反対方向の放射を低減するように構成されていることを特徴とする第１３３項に記載の方法。
【０３７９】
２３９．上記目標放射パターンは、上記照準器に対して約１８０°以上２７０°以下の方向として定義される後方半空間内の放射を低減するように構成されていることを特徴とする第１３３項に記載の方法。
【０３８０】
２４０．上記目標放射パターンは、近接場における上記ＡＲ装置の放射プロファイルの均一性を高めるように構成されていることを特徴とする第１３３項に記載の方法。
【０３８１】
２４１．上記目標放射パターンは、上記ＡＲ装置の近接場にヌルを生成するように構成されていることを特徴とする第１３３項に記載の方法。
【０３８２】
２４２．上記目標放射パターンは、上記ＡＲ装置の近接場に音響エネルギー密度の集中を生成するように構成されていることを特徴とする第１３３項に記載の方法。
【０３８３】
２４３．上記目標放射パターンは、上記ＡＲ装置の近接場における上記音場のピーク値を低下させるように構成されていることを特徴とする第１３３項に記載の方法。
【０３８４】
２４４．上記目標放射パターンは、上記遠方場放射パターンを変更して、上記ＡＲ装置の反応性または放射性近接場に配置された再放射物体を補償するように構成されていることを特徴とする第１３３項に記載の方法。
【０３８５】
２４５．上記再放射物体は、上記ＡＲ装置の一部を含むことを特徴とする第２４４項に記載の方法。
【０３８６】
２４６．上記再放射物体は、上記ＡＲ装置の反応性または放射性近接場内の物体を含むことを特徴とする第２４４項に記載の方法。
【０３８７】
２４７．上記再放射物体は、上記ＡＲ装置に関連付けられた支持体を含むことを特徴とする第２４４項に記載の方法。
【０３８８】
２４８．複数の固有音響材料特性のそれぞれを、ボクセルの対応するサブセットに割り当てるステップと、
上記固有の音響材料特性を有するボクセルの分布として上記モード変換構造を生成するステップとをさらに含むことを特徴とする第１３３項に記載の方法。
【０３８９】
２４９．上記モード変換構造は、上記サブ波長ボクセルのそれぞれを、上記割り当てられた音響材料特性を有する材料によって印刷するために、３次元プリンタによって印刷されることを特徴とする第２４８項に記載の方法。
【０３９０】
２５０．各ボクセルに、Ｎ個（Ｎは１より大きい整数）の離散音響材料特性のセットから選択された音響材料特性が割り当てられることを特徴とする第２４８項に記載の方法。
【０３９１】
２５１．各ボクセルに、２つの離散音響材料特性のうちの１つから選択された音響材料特性が割り当てられることを特徴とする第２４８項に記載の方法。
【０３９２】
２５２．上記モード変換構造は、上記サブ波長ボクセルのそれぞれを、２つの材料のうちの１つによって印刷するように構成された３次元プリンタによって印刷され、各材料は上記２つの離散音響材料特性のうちの１つに対応することを特徴とする第２５１項に記載の方法。
【０３９３】
２５３．上記２つの離散音響材料特性のうちの１つは、摂氏０度〜摂氏１００度の間の温度における蒸留水の音響材料特性にほぼ等しいことを特徴とする第２５２項に記載の方法。
【０３９４】
２５４．上記モード変換構造は、アマルガム配合、材料積層、射出成形プロセス、押出成形、発泡、圧縮成形、真空成形、ブロー成形、回転成形、鋳造、回転鋳造、遠心鋳造、機械加工、層堆積、化学エッチング、および浸漬成形のうちの少なくとも１つによって製造されることを特徴とする第２４８項に記載の方法。
【０３９５】
２５５．上記モード変換構造は、ガラス形成材料のうちの少なくとも１つを使用して製造されることを特徴とする第２４８項に記載の方法。
【０３９６】
２５６．上記ガラス形成材料は、シリカおよび高分子のうちの少なくとも１つを含むことを特徴とする第２５５項に記載の方法。
【０３９７】
２５７．材料を、ガラス転移温度を上回る温度に加熱し、溶融した材料を、マスクを通して押し出すことによって、上記モード変換構造を製造するステップをさらに含むことを特徴とする第１３３項に記載の方法。
【０３９８】
２５８．上記マスクは剛性マスクを含むことを特徴とする第２５７項に記載の方法。
【０３９９】
２５９．上記モード変換構造を、形成材料の射出成形によって製造し、型材料を、上記形成材料の凝固後に除去するステップをさらに含むさらに含むことを特徴とする第１３３項に記載の方法。
【０４００】
２６０．上記型材料を除去するステップは、化学試薬を用いて該型材料を溶解することを含むことを特徴とする第２５９項に記載の方法。
【０４０１】
２６１．化学試薬を用いた上記型材料の除去は、該型材料の加熱および超音波処理の実施をさらに含むことを特徴とする第２６０項に記載の方法。
【０４０２】
本開示は限定的というよりむしろ例示的な意味で考えられるべきであり、このような変更は全て本開示の範囲に含まれることが意図されている。同様に、様々な実施形態に関して、利益、他の利点、および課題を解決するための手段について上述した。しかしながら、利益、利点、課題を解決するための手段、およびなんらかの利益、利点、または解決策をもたらすもしくはより際立たせるいかなる要素も、重大な、必要な、または不可欠な構成もしくは要素として解釈されるべきではない。したがって、本発明の範囲は、以下の特許請求の範囲によって決定されるべきである。
【図１Ａ】
2020521380.tif 000025
【図１Ｂ】
2020521380.tif 000026
【図２Ａ】
2020521380.tif 000027
【図２Ｂ】
2020521380.tif 000028
【図３】
2020521380.tif 000029
【図４Ａ】
2020521380.tif 000030
【図４Ｂ】
2020521380.tif 000031
【図５】
2020521380.tif 000032
【図６Ａ】
2020521380.tif 000033
【図６Ｂ】
2020521380.tif 000034
【図７】
2020521380.tif 000035
【図８Ａ】
2020521380.tif 000036
【図８Ｂ】
2020521380.tif 000037
【図９】
2020521380.tif 000038
【図１０Ａ】
2020521380.tif 000039
【図１０Ｂ】
2020521380.tif 000040
【図１０Ｃ】
2020521380.tif 000041
【図１１Ａ】
2020521380.tif 000042
【図１１Ｂ】
2020521380.tif 000043
【図１１Ｃ】
2020521380.tif 000044
【図１２】
2020521380.tif 000045
【図１３】
2020521380.tif 000046
【図１４】
2020521380.tif 000047
【国際調査報告】
2020521380.tif 000048
2020521380.tif 000049