(57)【要約】  構造体の較正を可能にするデバイスおよびシステムが、構造体よりも低い温度係数、および構造体の外面の周囲を取り囲むのに十分な長さを有する少なくとも１つの細長いストラップと、構造体と少なくとも同じ高さの温度係数を有する少なくとも１つの回折格子と、を含み、回折格子はストラップに結合され、構造体の外面と直接接触している。構造体の外面の変形は、回折格子において対応する変形を引き起こす。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
構造体の較正を可能にするためのデバイスであって、
前記構造体よりも低い温度係数、および前記構造体の外面の周囲を取り囲むのに十分な長さを有する少なくとも１つの細長いストラップと、
前記構造体と少なくとも同じ高さの温度係数を有する少なくとも１つの回折格子であって、前記回折格子が、前記ストラップに結合され、かつ前記構造体の前記外面と直接接触している、少なくとも１つの回折格子と、を備え、
前記構造体の前記外面における変形が、前記回折格子において対応する変形を引き起こす、デバイス。
【請求項２】
前記少なくとも１つの細長いストラップが、前記構造体の前記外面上の第１の高さに位置付けられた第１のストラップと、前記構造体の前記外面上の第２の高さに位置付けられた第２のストラップとを含む、請求項１に記載のデバイス。
【請求項３】
前記少なくとも１つの細長いストラップのうちの１つ以上が、複数のセグメントを含み、前記複数のセグメントの各々が、回折格子を含んでいる、請求項１に記載のデバイス。
【請求項４】
前記少なくとも１つの回折格子が、２次元であり、かつ垂直方向に整列した周期的特徴を含む、請求項１に記載のデバイス。
【請求項５】
前記少なくとも１つの細長いストラップが、ガラス繊維材料で構成されている、請求項１に記載のデバイス。
【請求項６】
構造体の較正を可能にするためのシステムであって、
前記構造体の外面と接触しているインジケータデバイスであって、前記インジケータデバイスは、
前記構造体よりも低い温度係数、および前記構造体の外面の周囲を取り囲むのに十分な長さを有する少なくとも１つの細長いストラップと、
前記構造体と少なくとも同じ高さの温度係数を有する少なくとも１つの回折格子であって、前記回折格子が、前記ストラップに結合され、かつ前記構造体の前記外面と直接接触している、少なくとも１つの回折格子と、を含み、
前記構造体の前記外面における変形が、前記回折格子において対応する変形を引き起こす、インジケータデバイスと、
前記インジケータデバイスの前記少なくとも１つの回折格子からデータを得ることによって、前記構造体の寸法変化を判定するための検査デバイスと、を備える、システム。
【請求項７】
前記検査デバイスが、
前記構造体の１つのセクションを照射するための放射線源と、
前記構造体の前記セクション内のフォトニック材料から回折された放射線を受信するための放射線センサと、
受信した前記放射線のｉ）強度、ｉｉ）位置、およびｉｉｉ）波長のうちの少なくとも１つの関数として、少なくとも１つの回折グラタンの変形を判定するように構成された前記放射線センサに結合されたプロセッサと、を含む、請求項６に記載のシステム。
【請求項８】
前記インジケータデバイスの前記少なくとも１つの細長いストラップが、前記構造体の前記外面上の第１の高さに位置付けられた第１のストラップと、前記構造体の前記外面上の第２の高さに位置付けられた第２のストラップと、を含む、請求項７に記載のシステム。
【請求項９】
前記放射線源が、単色放射線を放出し、前記少なくとも１つの回折格子の変形が、前記放射線センサで受信した前記放射線の強度の関数として判定される、請求項８に記載のシステム。
【請求項１０】
前記放射線源が、多色放射線を放出し、前記少なくとも１つの回折格子の前記変形が、受信した前記放射線の前記波長の関数として判定される、請求項８に記載のシステム。
【請求項１１】
前記多色放射線が、可視スペクトル内にあり、前記放射線センサが、別個の位置を有する複数のピクセル要素を有するカメラを備える、請求項１０に記載のシステム。
【請求項１２】
前記インジケータデバイスの前記少なくとも１つの細長いストラップのうちの１つ以上が、複数のセグメントを含み、前記複数のセグメントの各々が、回折格子を含んでいる、請求項７に記載のシステム。
【請求項１３】
前記インジケータデバイスの前記少なくとも１つの回折格子が、２次元であり、垂直方向に整列した周期的特徴を含む、請求項７に記載のシステム。
【請求項１４】
前記インジケータデバイスの前記少なくとも１つの細長いストラップが、ガラス繊維材料で構成されている、請求項７に記載のシステム。
【請求項１５】
前記放射線源が、単色放射線を放出し、前記少なくとも１つの回折格子の変形が、前記放射線センサで受信した前記放射線の強度の関数として判定される、請求項７に記載のシステム。
【請求項１６】
前記放射線源が、多色放射線を放出し、前記少なくとも１つの回折格子の前記変形が、受信した前記放射線の前記波長の関数として判定される、請求項７に記載のシステム。
【請求項１７】
多色波長が、可視スペクトル内にあり、前記放射線センサが、別個の位置を有する複数のピクセル要素を有するカメラを備える、請求項１６に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、変形を含む構造変化に対する構造体の監視に関し、特に、そのような構造変化を監視するのに使用できる構造体の表面上に位置付けされ得るデバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
石油およびガス産業で使用されるパイプラインおよび容器構造体は、経時的に応力にさらされ、それが蓄積されて、構造体内に欠陥を生成する可能性がある。あいにく、容易に観察可能な欠陥が発生するまでに、そのような構造体が損傷応力を受けているかどうかを判定することは通常困難である。
【０００３】
例えば、パイプラインで使用される非金属パイプなどの構造体材料の非破壊検査技術の利用は限られている。ほとんどの場合、これまでに利用可能な技術は、材料を破壊するものか、または実験的で信頼性の低いものである。非破壊検査の現在の実験技術を考慮しても、現在の技術では、欠陥の形成を確実に予測することはできず、したがって、一般に既存の欠陥のみを検出するために使用される。
【０００４】
より具体的には、既存の建築材料、ならびに材料の検査に対応するシステムおよび技術は、引張応力または圧縮応力などの材料上またはその内部の応力の存在を、欠陥が発生する前に予測され得るように、十分な精度および正確度で検出するには不十分である。材料の欠陥を検知するために現在利用可能な技術は、一般に、１次元ファイバーブラッグ格子に基づいている。これらの繊維は、１次元の情報を提供する。すなわち、それらは、繊維の長さに沿って発生する応力のみ、および構造体材料に重大な亀裂や破断を伴う既に損傷した材料に対応する実質的な応力のみを検出することができる。
【０００５】
複数の次元にわたって大きな構造体の摂動を正確に検出する方法が必要である。また、迅速かつ非破壊的に実行できるそのような方法も必要である。
【０００６】
本明細書でなされた開示が提示するのは、これらおよび他の考察に関するものである。
【発明の概要】
【０００７】
本発明によれば、構造体の較正を可能にするデバイスの実施形態が提供されている。本デバイスの実施形態は、構造体よりも低い温度係数、および構造体の外面の周囲を取り囲むのに十分な長さを有する少なくとも１つの細長いストラップと、構造体と少なくとも同じ高さの温度係数を有する少なくとも１つの回折格子と、を備え、回折格子はストラップに結合され、構造体の外面と直接接触している。構造体の外面の変形は、回折格子において対応する変形を引き起こす。
【０００８】
いくつかの実施形態では、少なくとも１つの細長いストラップが、構造体の外面上の第１の高さに位置付けられた第１のストラップと、構造体の外面上の第２の高さに位置付けられた第２のストラップとを含む。いくつかの実装形態では、少なくとも１つの細長いストラップのうちの１つ以上が、複数のセグメントを含み、複数のセグメントの各々が、回折格子を含んでいる。少なくとも１つの回折格子は２次元であり得、垂直方向に整列した周期的特徴を含むことができる。少なくとも１つの細長いストラップは、ガラス繊維材料で構成することもできる。
【０００９】
他の実施形態では、構造体の較正を可能にするシステムも提供されている。本システムは、構造体の外面と接触するインジケータデバイスを備える。インジケータデバイスは、構造体よりも低い温度係数、および構造体の外面の周囲を取り囲むのに十分な長さを有する少なくとも１つの細長いストラップと、構造体と少なくとも同じ高さの温度係数を有する少なくとも１つの回折格子と、を含み、回折格子はストラップに結合され、構造体の外面と直接接触しており、構造体の外面における変形が、回折格子において対応する変形を引き起こす。本システムはまた、インジケータデバイスの少なくとも１つの回折格子からデータを得ることによって、構造体の寸法変化を判定するための検査デバイスを備える。
【００１０】
検査デバイスの実施形態は、構造体の一セクションを照射するための放射線源と、構造体のセクション内のフォトニック材料から回折された放射線を受信するための放射線センサと、受信した放射線のｉ）強度、ｉｉ）位置、およびｉｉｉ）波長のうちの少なくとも１つの関数として、少なくとも１つの回折グラタンの変形を判定するように構成されたセンサに結合されたプロセッサと、を含む。いくつかの実施形態では、放射線源が、単色放射線を放出し、少なくとも１つの回折格子の変形が、放射線センサで受信した放射線の強度の関数として判定される。他の実施形態では、放射線源が、多色放射線を放出し、少なくとも１つの回折格子の変形が、受信した放射線の波長の関数として判定される。さらに他の実施形態では、単色および多色放射線源の両方を含む２つ以上の放射線源を使用することができる。多色放射線が使用されるいくつかの実装形態では、多色放射線が、可視スペクトル内にあり、放射線センサが、別個の位置を有する複数のピクセル要素を有するカメラを備える。
【００１１】
いくつかの実施形態では、インジケータデバイスの少なくとも１つの細長いストラップが、構造体の外面上の第１の高さに位置付けられた第１のストラップと、構造体の外面上の第２の高さに位置付けられた第２のストラップとを含む。いくつかの実装形態では、インジケータデバイスの少なくとも１つの細長いストラップのうちの１つ以上が、複数のセグメントを含み、複数のセグメントの各々が、回折格子を含んでいる。インジケータデバイスの少なくとも１つの回折格子が、２次元であり、垂直方向に整列した周期的特徴を含む。加えて、インジケータデバイスの少なくとも１つの細長いストラップは、ガラス繊維材料で構成することができる。
【００１２】
これらおよび他の態様、特徴、および利点は、本発明の特定の実施形態の以下の説明、ならびに添付の図面および特許請求の範囲から理解され得る。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１Ａ】例示的な構造体に固定されて示された本発明による、構造体の較正を可能にするデバイスの実施形態の概略正面平面図である。
【図１Ｂ】本発明による、構造体の較正を可能にするデバイスの別の実施形態の概略正面平面図である。
【図２】本発明による、構造体の較正を可能にするデバイスの別の実施形態の概略正面平面図である。
【図３Ａ】本発明による、構造体の較正を可能にするデバイスの実施形態で使用される２次元回折格子の例示的なパターンの概略正面図である。
【図３Ｂ】図３Ａに示した２次元格子パターンによって生成できる回折パターンの模式図である。
【図４】本発明の実施形態による、検査装置の構成要素の概略ブロック図である。
【図５】本発明の実施形態による、角度モードの検査を示す斜視図である。
【図６】本発明の実施形態による、波長モードの検査を示す斜視図である。
【図７】本発明の一実施形態による、フォトニック材料を含む構造体を検査する方法のフローチャートである。
【図８】本発明の実施形態による、波長モードの検査の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
１つ以上の実施形態において、構造体の較正を可能にするデバイスが開示されている。このアプリケーションの目的のために、構造体を「較正すること」は、構造体のあらゆる寸法（すなわち、幅、長さ、高さ）の正確な大きさ、およびそのような寸法の任意の変化（そのような変化の配置を含めて）を含む、構造体の正確なサイズを判定することを意味する。
【００１５】
デバイスの実施形態は、少なくとも１つの回折格子に結合された細長いストラップを含む。ストラップは、構造体の周囲を取り囲むのに十分な長さに設計されており、より具体的には、構造体の周囲が変化しても、ストラップは構造体の外面の周囲を取り囲むように設計されている。いくつかの実施形態では、ストラップは構造体の周りにしっかりと巻き付けられ、特定の高さに固定されている。他の実施形態では、複数のストラップを使用することができ、複数のストラップを構造体上に異なる高さで固定することができる。加えて、個々のストラップは、互いに接続された複数のセグメントで構成することができる。ストラップの材料は、比較的低い温度係数（好ましくは、監視対象構造体の温度係数よりも低い）を有するように選択され、一方、回折格子は一般に、高い温度係数（好ましくは、監視対象構造体の温度係数よりも高い）を有するように選択されたフォトニック材料の上にパターン化される。
【００１６】
ストラップデバイスが構造体に固定されている場合、構造体が温度変動または他の原因により伸縮するとき、ストラップおよびストラップに結合された回折格子は、同じ変動を受け、温度膨張係数によって指示される等しい、より小さい、またはより大きい程度に相応して伸縮する。回折格子の材料は、下にある構造体の変形を完全に記録するように、高い係数を持つように選択される。回折格子は、回折技術を使用して非常に正確な限界で回折格子の変形を判定できるので、「スマート材料」の機能を提供できる。格子は、少なくとも下にある構造体と同じくらい高い温度膨張係数を持っているので、格子の任意の変形の程度は下にある構造体の変形の程度に上限を置く。加えて、構造体の変形の程度を正確に判定するために、格子とその下にある構造体に対する温度の差動効果を補償できる。同様に、構造体の表面が、他の原因、例えば内圧により変形を受ける場合、変形は、構造体の表面と直接接触しているストラップおよび格子に伝達される。
【００１７】
検査装置を使用して、１つ以上の固定されたストラップを介して監視構造体上のさまざまな配置に位置付けられた１つ以上の回折格子から「データを得る」ことができる。検査装置は、１つ以上の回折格子上に放射線を放出するための放射線源と、１つ以上の回折格子によって回折された放射線を受信するように適合されたカメラなどの放射線センサとを含む。適用される検査モードに応じて、１つ以上の格子の任意の変形または変位の大きさを判定することができる。構造体の変形の対応する大きさは、１つ以上の格子の変形から直接判定される。
【００１８】
図１Ａは、特定の高さ（ｈ１）で構造体１０５の外面上に配設されて示される構造体を較正するためのデバイス１００の実施形態を示す。デバイス１００は、ストラップ１０２と、ストラップ１０２に結合された回折格子１０４とを含む。格子１０４は、ストラップに接着剤で接着するか、ピン、クリップ、ステッチング、または格子をストラップ１０２にしっかりと結合する任意の他の技術を介して機械的に接着することができる。以下により詳細に説明されるように、検査装置（図１Ａには示されていない）を使用して変位または変形を受けているかどうかを判定するために回折格子からデータを得ることができる。デバイス１００のストラップ１０２は、多くの異なる方法で構造体１０５に固定することができる。例えば、ストラップ１０２は、接着剤、さらに棚、ブラケットまたは締結部材などの構造体に結合する追加の結合要素を使用して、または当業者に知られている任意の便利で非破壊的かつ低コストの技術によって構造体１０５に固定することができる。ストラップ１０２は、監視される構造体の材料よりも低い温度膨張係数を有する材料から作成することができ、後者は通常、様々なタイプの鋼から作成されている。いくつかの実装形態では、４．０〜８．０ｘ１０−６ｍ／ｍＫの範囲の温度膨張係数を持つガラス繊維を使用できるが、同様の適切な特性を有する他の材料も使用できる。回折格子１０４は、限定はされないが、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、またはポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）などの光学格子を埋め込むことができる大きな温度膨張係数（例えば、＞５０×１０−６ｍ／ｍＫ）を有する任意のフォトニック材料から作成することができる。
【００１９】
図１Ｂは、同様のストラップおよび回折格子要素を含む２つのデバイス１２０、１３０が、構造体１０５上の異なる高さに配設されている別の実施形態を示す。第１のデバイス１２０を第１の高さ（ｈ１）に固定し、第２のデバイス１３０を第２の高さ（ｈ２）に固定することにより、デバイスは、構造体上の異なる高さでの構造変化の可能な差異を捕捉できる。例えば、日光への露出の差異により、構造体の異なる高さで温度によって誘発される膨張に差異があり得る可能性がある。図１Ｂの実施形態は、そのような差異を監視するのを助けることができる。
【００２０】
図２は、複数の回折格子、例えば２０２、２０４、２０６および複数のストラップセグメント２１２および２１４を備える構造体の較正を可能にするデバイス２００の別の実施形態を示す。図示されているように、格子２０２は、ストラップセグメント２１２の第１の端部に結合されている。格子２０４は、ストラップセグメント２１２の第２の端部と、ストラップセグメント２１４の第１の端部とに結合されている。格子２０６は、ストラップ２１４の第２の端部に結合されている。デバイス２００は、同様のサイズの２つのストラップによって結合された同様のサイズの３つの回折格子を含むが、デバイスは、より多数の格子およびストラップセグメントを含むことができ、ストラップセグメントおよび格子は、異なるサイズであることができる。図２に図示するような実施形態は、構造体の外面上の異なる円周位置に格子を位置付けして、異なる位置で起こり得る変形の変動を捕捉することを可能にする。
【００２１】
図２の実施形態では、回折格子は、１次元回折格子を示す一連の刻まれた線として概略的に示されている。しかしながら、２次元および３次元の格子も使用することができる。図３Ａは、本発明のデバイスで使用することができる２次元回折格子３００の例示的なパターンを示している。回折格子は、周期的な特徴の行と列を含む。例えば、第１の行は一連の周期的特徴、例えば３０２ａ、３０２ｂを含み、第３の行は別の一連の周期的特徴、例えば３０６ａ、３０６ｂを含む。図３Ｂは、回折格子３００を使用して生成することができる例示的な２次元回折パターンを示す。垂直方向に沿った変位の変化は、垂直方向に沿った回折点の距離を変化させ、水平方向の変位は、水平方向に沿った回折スポットの距離を変化させる。これにより、２次元格子を使用すると、構造体の表面に沿ったより広い範囲の表面変形を捕捉することができる。
【００２２】
検査装置は、例えば、角度モードおよび波長モードなどの異なる検査モードで動作することができる。検査方法およびモードは、“Ａｐｐａｒａｔｕｓ  ａｎｄ  Ｍｅｔｈｏｄ  ｆｏｒ  Ｓｍａｒｔ  Ｍａｔｅｒｉａｌ  Ａｎａｌｙｓｉｓ”と題された、共同譲渡され同時係属中の米国特許出願第１５／５９４，１１６号で考察されている。‘１１６出願で考察されているように、角度モードでは、回折放射線は放射線センサで受信され、変形は、回折光ビームがセンサに当たる位置、またはより具体的には、センサ上の位置での強度の分散の関数として判定される。配置による強度の分散は、変位距離を判定するために使用される。波長モードでは、光センサ上の１つ以上の特定の位置で受信した光の強度とは対照的に、光の波長を使用して、変位を定量化する。検査の感度は、検査波長の選択と、フォトニック材料の対応する周期性によって、調整可能である。１つ以上の実施形態では、以下の説明から理解されるように、埋め込まれたフォトニック材料１０３を有する構造体１０２の変形の判定を支援するために、複数の検査モードを組み合わせることができる。
【００２３】
図４は、埋め込まれたフォトニック材料４０３を有する構造体４０２を検査するために使用される、本発明に係る検査装置４００の例示的な実施形態を示す。フォトニック材料４０３は、（好ましくは）回折格子を含むことができるが、屈折率などの光学特性の周期的変動を示す、他の構造体も含むことができる。装置４００は、構造体４０２の長さに沿ってユニットとして位置付けされ、かつ移動することができる、構造体の検査に使用されるいくつかの構成要素を含む、ハウジング４０５を備える。この目的のために、ハウジング４０５は、ロボットまたは無人機などの車両に結合されてもよく、または代替的に、ハウジングは、自動移動のための駆動機構および車輪を含むことができる。ハウジング４０５は、放射線源および検出器のための開口部４０７を含む。
【００２４】
ハウジング４０５内に位置付けられているのは、放射線を構造体４０２のセクションに向けるように位置付けられた、放射線源４１０、４１５である。２つの放射線源が示されているが、いくつかの実施形態では、単一の放射線源を使用することができ、代替的な実施形態では、３つ以上の放射線源を使用することができる。例示的な実装形態では、放射線源４１０はレーザー源（例えば、単一波長を有する、例えば、平行ビーム）であり、放射線源４１５は、複数の異なる波長を放出する拡散放射線源である。拡散放射線源４１５は、広範囲の形態をとることができ、可視スペクトル内および／または可視スペクトル外の波長の広いまたは狭い範囲にわたって、放射線を放出することができる。例えば、拡散放射線源は、白色ＬＥＤ、フラッシュライト、Ｘ線エミッタ、または自然環境放射線を使用して実装され得る。１つ以上のレンズ、例えば、４２０は、検査のために、拡散放射線源４１０によって放出された放射線を、構造体４０２に集束させるように構成され得る。
【００２５】
フォトニック材料４０３で受信した放射線は、回折され、検査装置の開口部４０７に向かって反射される。いくつかの実施形態では、装置１００は、フォトニック材料４０３から回折された放射線を受信するように位置付けられた、（図示されているような）反射器４２５を含む。反射器４２５および１つ以上の集束構成要素４２８は、入ってくる放射線を、放射線センサ４３０に向けて、かつ集束させるように配向されている。放射線センサ４３０は、デジタルカメラ、赤外線検出器、電荷結合素子（ＣＣＤ）光電子増倍管、写真フィルムなどを含む多くの方法で実装され得る。センサが単一の要素を構成する実装形態では、センサが出力する信号の大きさまたは強度は、変位を判定するために使用される。ＣＣＤアレイなどの要素のアレイを含むセンサの場合、特定のアレイ要素の応答（すなわち、位置）は、変位を判定することができる情報を提供する。図示された実施形態では、放射線センサは、ローカルプロセッサ４４０に結合され、かつ捕捉されたセンサデータを、ローカルプロセッサ４４０に送信する。代替的な実施形態では、プロセッサは、遠隔に配置され、装置は、センサデータを、遠隔ベースのプロセッサに送信するための無線通信モジュール（図２に示す）を含む。
【００２６】
検査装置４００は、検査デバイスの動作を可能にし、より具体的には、放射線センサ４３０によって捕捉された情報の分析に関連する動作を実行する働きをする、様々なコンピュータハードウェアおよびソフトウェア構成要素とともに構成することができる。図５は、プロセッサ４４０および回路基板１５０を含む検査デバイス４００の例示的なコンピュータハードウェアおよびソフトウェア構成要素を図示するブロック図である。図２に示されるように、回路基板は、プロセッサ１４０によってアクセス可能なメモリ４５５、通信インターフェース４６０、およびコンピュータ可読記憶媒体４６５を含むことができる。プロセッサ４４０および／または回路基板４５０はまた、当業者によって理解されるように、オペレータ（ユーザ）に情報を視覚的に出力するためのディスプレイ４７０、オペレータ入力を受信するためのユーザインターフェース４７５、および音声フィードバックを提供するための音声出力４８０に結合され得る。一例として、装置４００は、一定の閾値を上回る欠陥または変形に遭遇したときに、ディスプレイ４７０から視覚信号を、または音声出力４８０から音を発し得る。閾値は、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ーフェース４７５を通して、測定の前に手動またはデフォルトで設定され得る。様々な構成要素は、回路基板４５０から独立して、または回路基板４５０の一部としてのいずれかで図示されているが、構成要素は、本明細書の開示から逸脱することなく、様々な構成で構成され得ることを理解することができる。
【００２７】
プロセッサ４４０は、メモリにロードされ得るソフトウェア命令を実行する役割を果たす。プロセッサ４４０は、複数のプロセッサ、マルチプロセッサコア、または他の何らかのタイプのプロセッサを使用して、ならびに本開示の目的で集合的に「プロセッサ」と呼ばれる分散プロセッサによって実装され得る。メモリ４５５は、プロセッサ４４０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、メモリ上および／または記憶装置上に記憶された命令を受信および実行することが可能になる。メモリ４５５は、例えば、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、または任意の他の好適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を使用して、実装され得る。加えて、メモリ４５５は、固定式でも取り外し可能でもよい。記憶媒体４６５はまた、特定の実装形態に応じて、様々な形態をとることもできる。例えば、記憶媒体４６５は、ハードドライブ、フラッシュメモリ、書き換え可能な光ディスク、書き換え可能な磁気テープ、または上記の何らかの組み合わせなどの１つ以上の構成要素またはデバイスを含むことができる。記憶媒体４６５はまた、固定式でも、取り外し可能でも、またはクラウドベースデータ記憶システムなどのリモート式であってもよい。回路基板４５０はまた、検査デバイスに電力を供給するための電源（図示せず）ソースを含むか、またはそれに結合され得る。
【００２８】
１つ以上のソフトウェアモジュール４８５が、メモリ４５５内および／または記憶媒体４６５内にエンコードされている。ソフトウェアモジュールは、プロセッサ４４０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むことができる。本明細書に開示されたシステムおよび方法の動作を実行し、態様を実施するための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み合わせで記述され得る。ソフトウェアモジュール４８５は、プロセッサ４４０にローカルに保存されるが、プロセッサは、好ましくは無線で、ローカルまたはワイドエリアネットワークを介してリモートベースのコンピューティングプラットフォームと相互作用して、通信インターフェース４６０を介して計算または分析を実行することができる。
【００２９】
ソフトウェアモジュール４８５の実行中、プロセッサ４４０は、以下でより詳細に説明されるように、回折パターンの関数として検査される材料の摂動を検出および定量化するために、センサ４３０によって捕捉された放射線の分析に関連する様々な動作を実行するように構成されている。当業者には既知であるように、ソフトウェアモジュール４８５および非一時的コンピュータ可読記憶デバイス（メモリ４５５および／または記憶装置４６５など）の１つ以上のプログラムコードは、本開示に従って製造および／または分配され得るコンピュータプログラム製品を形成する。加えて、本装置および方法の構成および動作に関連する情報および／またはデータはまた、ソフトウェアモジュールと関連付けられて記憶されてもよい。そのような情報には、装置に関連する所定の設定およびパラメータ、ならびに予想される回折パターンなどの検査可能な様々な材料およびフォトニック材料が含まれ得る。同様に、検査装置および動作の様々なモードに固有の動作パラメータ（例えば、装置構成要素の関連寸法、変形の閾値、放射強度）も記憶することができる。
【００３０】
本発明のいくつかの実施形態によれば、ソフトウェアモジュール４８５は、検査装置を操作し、かつ角度モード４８６、波長モード４８７、および３次元モード４８８でのデータを分析するためのサブモジュールを含む。図６は、角度検査モードを示す概略斜視図である。図６に示すように、検査装置４００の実施形態は、好ましくは、レーザー（単色）源である放射線源４１０を使用して、基板４０２の一セクションを最初に照射することによって、角度モードサブモジュール４８６の指示どおりに検査を開始する。単色源を使用すると、分析において、波長を固定パラメータにすることができる。図６では、放射線源４１０は、構造体４０２のフォトニック格子上に活性化ビーム５０２を放出する。入射ビーム５０２は、単一ビーム５０４を経て反射され、また異なる次数のいくつかのビーム経路５０６、５０８、５１０、５１２に沿って、格子によって回折される。ビーム５０６および５０８は、それぞれ次数１および−１であり、ビーム５１０および５１２は、次数２および−２である。格子の特徴と回折のパラメータとの間の関係は次のように与えられる。
【００３１】
【数１】
2020526743.tif 000003
【００３２】
ここで、ｄは格子の溝間の距離であり、αはビーム５０２の入射角であり、βはセンサ４３０で検出される１つのビーム５１２の回折角であり、ｎは回折の次数であり、λは放射線の波長である。この様式では、一定の波長（λ）、次数（ｎ）、および活性化ビーム角（α）が与えられた場合、格子間隔（ｄ）の何らかの変化は、検出された回折角（β）のみに依存する。
【００３３】
次数ｎ＝−２を有するビーム５１２は、放射線センサ４３０で受信される。パラメータαは、ビーム５０２が垂直軸に対して方向付けされた角度であり、したがって、放射線源４１０の構成および位置から既知である。パラメータβは、放射線源４１０と放射線センサ４３０との間の距離ｅを考慮することによって計算され得、それはまた、装置４００のこれらの構成要素の構成、ならびに装置１００と構造体表面との間の距離ｓからも既知である。具体的には、βの式は次のとおりである。
【００３４】
【数２】
2020526743.tif 000004
【００３５】
したがって、レーザーの波長（λ）が与えられた場合、格子方程式（１）に残っている未知の要素は、特徴間の間隔（ｄ）だけである。この距離の定量化は、材料の変形に関する相対的および絶対的な情報を提供する。距離は周囲の値に対して相対的であり、絶対値でもある。これは、提供された値が、比率ではなく特定のスポット内の材料の状態の直接的な測定値だからである。
【００３６】
特徴間の間隔が変化すると、式（２）のｓの値も対応する様式で変化する。記録されるｓの値は、用いられた放射線センサのタイプに依存する。放射線センサが強度計などの単一の要素であるいくつかの実施形態では、ｓの変化は、信号強度の減少として捕捉される（ここにおいて、センサ位置は、ゼロ変形の最大強度に対して較正される）。単一要素センサは、変位の変化が伸長の圧縮であるかどうかを示さない。より好ましくは、放射線センサは、ＣＣＤアレイなどの複数の感光要素を含む。いくつかの個々の要素の強度の変化を判定することにより、マルチ要素センサは、変化の方向（伸長または圧縮）、ならびに変形の大きさを示すことができる。
【００３７】
一般に、測定の感度は、フォトニック材料の特徴間の間隔によって決定される。したがって、ナノメートルのオーダの変形を検出するためには、間隔の大きさのオーダもナノメートルの範囲にある必要があり、その結果、検査に利用される放射線の波長もナノメートルの範囲にある必要がある。例えば、角度モードで８００ｎｍの間隔の格子、λ＝５００ｎｍの検査放射線、入射角α＝４５°を考慮すると、１０ｎｍの変形は、回折角を４．７°から５．１５°に変化させる。したがって、この構成の場合、材料の長さよりも１００倍小さい変位が、０．５度よりもわずかに小さい回折角の変化を判定する。これは、材料から１メートルの距離でほぼ１ｃｍのビームシフトになるため、簡単に測定できる。この技術の感度には理論的な制限はないが、分析対象のサイズより１０００倍小さい変位の感度は簡単に達成できる。したがって、貯蔵タンクのような物体の直径が１５０メートルの場合、開示された方法は、直径全体に沿って分布する１０ｃｍの増加を容易に検出できる。
【００３８】
装置１００はまた、放射線源と構造体表面との間の距離ｅを自動的に判定するための近接センサ（図示せず）を含むことができる。
【００３９】
上記のように、角度モードに加えて、フォトニック材料の変形はまた、波長モードで検査装置を操作することによって判定され得る。波長モードでは、回折光の波長は、変位を定量化するために使用される信号である。このモードでは、複数の波長を有する光（例えば、白色光などの多色放射線源）が、サンプルに方向付けられ、格子方程式（１）に従ってさらに回折される。図７は、波長検査モードを示す概略斜視図である。検査装置７００の別の実施形態が、図７に示されている。検査装置は、多色光源７１０と、可視光またはＩＲカメラなどのスペクトルの関連部分における異なる波長を検知することができる放射線センサ７３０と、を含む。放射線センサ７３０は、複数の波長を同時に検出することができる、個別の検知要素のアレイとすることができる。前述のように、特定の実施形態では、複数の動作モードを、各アプローチから返される結果の平均として、加重平均として行われた変形の判定と組み合わせることができ、または複数の動作モードで、結果を検証するために結果を比較することができ、または特定の動作モードの結果を、一般的な条件（例えば、測定時の湿度）に基づいて選択することができる。
【００４０】
図８は、波長モードの一般的な概略図を示している。多色放射源７１０、または白色光源（この図では左側に示されている）は、感応ストリップの特定の拡張された部分を照射する。回折された放射線は、ストリップによってすべての可能な方向に散乱され、しかしながら、その方向は、放射線センサ７３０が載置される限られた領域に収束する。放射線センサ７３０は、単純にカメラセンサであり得る。カメラセンサ７３０の観点から、センサに向かって放射線を送ることに関与するストリップ上の各回折点が異なる回折条件を満たすので、回折ストリップは異なる位置で異なる色として現れる。測定の形状を考慮することにより、ストリップの全長に沿った回折ストリップの伸びのレベルを判定することが可能である。この構成は、回折ストリップ内の相対的な差異も明らかにすることができる。相対差測定では、回折パターンの規則的な角度変化にわたって不規則な回折変化を明らかにすることが可能であるので、システムの正確なジオメトリを考慮する必要はない。
【００４１】
図７に概略的に示された構成の追加の利点は、白色ランプなどの連続放射線源およびカメラセンサなどの非常に単純な要素を利用して、光源から検出点まで拡張できる検出システムの単純さである。検出システムのサイズは、これら２つの前述の要素間の距離によって決定される。入射放射線と回折放射線が非常に近い角度で出現する特定の回折条件を選択できるので、この距離は、必ずしも回折ストリップのサイズと同等または大きい必要はなく、場合によっては入射放射線と回折放射線が収束することさえあり得る。
【００４２】
図７に戻ると、構造体表面の照射領域は、角度α１とα２との間に包含される。照射される表面上の各点は、様々な方向に放射線を回折するが、限られた範囲の放射線のみが放射線センサ７３０によって収集される。この範囲の幅は、放射線センサ７３０および／またはセンサにつながる装置７００の開口部のサイズによって決定される。いずれの場合においても、一般的に製造された格子の典型的な形状により、範囲はかなり狭くなる。単一の波長を、放射線センサ７３０で生成された結果画像の各ピクセルまたはポイントに関連付けることができるため、この狭さは検出に有利に使用される。センサによって収集された画像は、センサ自体の視野によって区切られ、図７において破線７２２および７２４によって区切られて示されている。この視野はまた、回折角β１＝β２＝γによって区切られる。図７に示されるように、画像内の異なる位置での異なる波長は、同じ変位ｄに対応し得る。より具体的には、センサ４３０によって収集されたすべての放射線は、同じ変位ｄによって生成され、異なる波長の異なる角度（α１、β１〜α２、β２）から到達する。
【００４３】
したがって、均一な間隔（すなわち、引張応力または圧縮応力による変形がない）を有するフォトニック材料は、異なる角度で異なる波長を回折し、センサ画像の回折角および検出位置は、波長によって均一に変化する。変位により、特定の角度での回折波長の局所的な変化、または照射領域にわたる波長の不均一な変化が生じる。このため、この変位を定量化するためには、いくつかのパラメータを考慮することが重要であり、最も重要なのは、検査装置に対する照射スポットの相対位置、および放射線センサ７３０によって検出された色（波長）である。
【００４４】
収集された画像内の捕捉された波長のピクセルの位置を使用して、装置全体に関する照射スポットの位置の位置を正確に判定することができる。例えば、一般的な点の回折に対応する角度α、βを、収集された画像内のその特定の点に対応するピクセルの座標の関数として表現することが可能である。角度αは、以下を観察することにより、三角法を考慮して計算することができる。
【００４５】
【数３】
2020526743.tif 000005
【００４６】
式（３）において、ｔｇａはαの接線であり、ｙは材料の表面上の画像のサイズであり、Ｐｙはピクセル座標０に対応する画像の先端から測定された分析スポットの位置である。Ｐｙは、ピクセルｐｙの座標、ピクセルＰの画像のサイズ、および長さｙの画像の実際のサイズから次のように計算され得る。
【００４７】
【数４】
2020526743.tif 000006
【００４８】
Ｐｙを代入すると、式（３）は次のようになる。
【００４９】
【数５】
2020526743.tif 000007
【００５０】
同様に、角度βは次のように表現され得る。
【００５１】
【数６】
2020526743.tif 000008
【００５２】
式（５）および（６）を格子方程式（１）に結合すると、波長モードの格子方程式（７）が得られる。
【００５３】
【数７】
2020526743.tif 000009
【００５４】
式（７）は、通常、装置から一定の距離にある画像の実際のサイズを簡単に測定できるため、好都合な形態で記述される。とは言え、式（７）は、画像収集の角度（γ）を考慮して表現することもできる。まず、距離（ｙ）は次のように表現できる。
【００５５】
【数８】
2020526743.tif 000010
【００５６】
式（８）を組み込むと、式（７）は次のようになる。
【００５７】
【数９】
2020526743.tif 000011
【００５８】
式（７）および式（９）は、ｄの正確な値を提供する。これは、材料のすべての変位を定量化するために使用される。すべてのパラメータは、測定セットアップとデバイスのアーキテクチャから既知であるため、測定される変数はλのみである。
【００５９】
これまでに説明した２つのモードは、平面周期性を備えた格子または任意の他の２次元構造体の形態の技術に適合している。しかしながら、分析は、３次元周期構造体にも拡張できる。３次元フォトニック材料の場合、角度モードと波長モードの両方の分析は、異なるメカニズムによって管理される。３次元フォトニック結晶では、周期構造体は、誘電率の周期変調と関連付けられている。フォトニック材料には、半導体が電子バンド構造体にまたがるのと同様の方法で、波長の許容帯と禁制阻止帯の領域がある。阻止帯の波長の近似値は、スネルの屈折法則を組み合わされたブラッグの回折法則の修正バージョンの組み合わせとして、次のように表現することができる。
【００６０】
【数１０】
2020526743.tif 000012
【００６１】
式（１０）で、Ｓは形成中の格子構造体の最終的な収縮を考慮した収縮係数であり、考慮される特定の阻止帯の原因となるフォトニック結晶のパラメータであり、ｍは回折次数であり、ｈ、ｋおよびｌはミラーインデックスであり、Φは格子を構成する材料のうちの１つの体積分率であり、ｎ１、ｎ２は、２つの材料の屈折率である。フォトニック材料に変形がある場合、パラメータａは変化する。結果として、阻止帯の波長の変動を監視することにより、材料の歪みを監視することができる。通常、３次元周期構造体での観察角度の変化は、２次元フォトニック材料と同程度の波長の変化には影響しない。一般に、阻止帯の波長が一定になる角度の範囲が存在する。しかしながら、角度が一定の大きさだけ変化すると、別の格子面と格子定数が作用し、阻止帯が変化する。
【００６２】
測定は、上述のような装置で簡単に実行することができる。測定は、反射モード（すなわち、フォトニック結晶からの反射ビームの受信による）、または代替的に透過モードのいずれでも実行することができる。反射モードでは、放射線センサによって測定された波長は、阻止帯の波長に対応する。透過モードでは、測定される波長は、阻止帯を補完する。入射放射線の角度は、測定に影響しない。３次元フォトニック材料の変形を監視するための式（１０）の１つの有用な形態は、次のとおりである。
【００６３】
【数１１】
2020526743.tif 000013
【００６４】
他の実施形態において、阻止帯波長は、構造体の吸収スペクトルを使用して判定され得る。吸収スペクトル測定の場合、帯のピークの測定値は、相補的な波長ではなく、阻止帯の波長に対応する。
【００６５】
カメラが放射線センサとして実装される本発明の方法のいくつかの実施形態では、カメラの色相スケールを使用して、波長測定値を判定することができる。カメラのピクセルの色相（Ｈ）は、波長の近似値として使用することができる。例えば、一部のカメラでは、色相は、赤から黄色などを経て赤に戻る３６０円弧を横断するようにモデル化され得る。可視域の波長が減少すると、色相は増加する。したがって、約６５０ｎｍ〜４３０ｎｍの可視域の波長に一致する色相の限られた範囲を考慮することにより、経験的な対応を次のように記述することができる。
【００６６】
【数１２】
2020526743.tif 000014
【００６７】
色相（Ｈ）を介した波長の定量化は、必ずしも正確ではないが、波長と色相との間には機能的な比例関係がある。したがって、式（１２）には強い経験的特性があり、較正が必要になる場合がある。色相スケールのこのレベルの精度は、変形の局所的な変動が絶対値よりも著しいアプリケーションには十分である。
【００６８】
本システムおよび方法の例示的な実施形態および構成は、本発明による較正を可能にするデバイスを含む、構造体を検査するためのシステムおよびコンピュータ実装方法、コンピュータシステム、ならびにコンピュータプログラム製品を提供する。図中のフローチャートおよびブロック図は、様々な実施形態および配設によるシステム、方法、およびコンピュータプログラム製品の可能な実装形態のアーキテクチャ、機能性、および動作を示す。この点について、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し得、これらは、指定された論理機能（複数可）を実装するための１つ以上の実行可能な命令を含む。また、いくつかの代替的な実装形態では、ブロック中に記載された機能は、図中に記載された順序とは異なる順序で行われ得ることにも留意されたい。例えば、連続して示された２つのブロックは、実際には、実質的に同時に実行されてもよく、または各ブロックは、場合によっては、含まれる機能性に応じて、逆の順序で実行されてもよい。ブロック図および／またはフローチャート図の各ブロック、ならびにブロック図および／またはフローチャート図におけるブロックの組み合わせは、特定の機能もしくは動作を行う特殊目的ハードウェアベースシステム、または特殊目的ハードウェアとコンピュータ命令との組み合わせによって実装され得ることにも留意することになる。
【００６９】
本明細書に開示されたいずれの構造および機能の細目も、システムおよび方法を限定するものとして解釈されるべきではなく、むしろ、当業者に、方法を実装するための１つ以上のやり方を教示するための典型的な実施形態および／または構成として提供されていることを理解されたい。
【００７０】
図面中の類似の数字が、いくつかの図を通して類似の要素を表し、図に関連して説明され、示された構成要素および／またはステップのすべてが、すべての実施形態または構成に必要とされるわけではないことをさらに理解されたい。
【００７１】
本明細書に使用されている専門用語は、特定の実施形態のみを説明する目的のものであり、本発明を限定することを意図されるものではない。本明細書で使用される際、単数形「ａ」、「ａｎ」、および「ｔｈｅ」は、文脈上、他の意味を示すことが明らかな場合を除き、複数形も含むことが意図されるものである。「ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ（備える）」および／または「ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ（備える）」という用語は、本明細書で使用する際、述べた特徴、整数、ステップ、作業、要素、および／または構成要素の存在を明示するが、１つ以上の他の特徴、整数、ステップ、作業、要素、構成要素、および／またはそれらの群の存在または追加を排除しないことがさらに理解されるであろう。
【００７２】
向きの用語は、本明細書では、単に慣例および参照の目的で使用され、限定するものとして解釈されるべきではない。ただし、これらの用語が見る人を基準にして使用されている可能性があることが分かる。したがって、限定が暗に意味されることもなく、推察されるべきでもない。
【００７３】
また、本明細書に使用されている表現および専門用語は、説明目的のものであり、限定するものと見なされるべきではない。本明細書における「ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ（含む）」、「ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ（備える）」、または「ｈａｖｉｎｇ（有する）」、「ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇ（含む）」、「ｉｎｖｏｌｖｉｎｇ（伴う）」、およびそれらの異形の使用は、それ以降に挙げられた項目、およびその均等物、ならびに追加項目を包含することを目的としている。
【００７４】
例示的な実施形態を参照して本発明を説明したが、本発明の範囲から逸脱することなく、様々な変更を行い、その要素を等価物で置き換えることができることを当業者は理解するであろう。さらに、本発明の本質的な範囲から逸脱することなく、特定の機器、状況、または材料を本発明の教示に適合させるための多くの修正が当業者には理解されよう。したがって、本発明が、本発明を実施するのに向けて考えられた最良の形態として開示された特定の実施形態に限定されず、添付の特許請求の範囲の範囲内に含まれるすべての実施形態を含むようになることが意図されている。
【図１Ａ】
2020526743.tif 000015
【図１Ｂ】
2020526743.tif 000016
【図２】
2020526743.tif 000017
【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【国際調査報告】
2020526743.tif 000025
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