(57)【要約】  移動可能な検査装置を使用して、フォトニック材料を含む構造体を検査する方法は、構造体の一セクションを照射することと、構造体のセクションで、フォトニック材料から回折された放射線を受信することと、ｉ）受信した放射線の強度、ｉｉ）受信した放射線の位置、およびｉｉｉ）受信した放射線の波長のうちの少なくとも１つの関数として、フォトニック材料の変形を判定することと、変形の大きさが閾値よりも高いかどうかを判定することと、を含む。変形の大きさが閾値よりも高い場合に、フォトニック材料の変形に関するデータが記憶され、反対に、変形の大きさが閾値よりも高くない場合に、フォトニック材料の位置で、検査が停止され、構造体の別のセクションを検査するために、検査装置が移動される。
2020519879.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
移動可能な検査装置を使用して、フォトニック材料を含む構造体を検査する方法であって、
前記構造体の一セクションを照射することと、
前記構造体の前記セクションで、フォトニック材料から回折された放射線を受信することと、
ｉ）前記受信した放射線の強度、ｉｉ）前記受信した放射線の位置、およびｉｉｉ）前記受信した放射線の波長のうちの少なくとも１つの関数として、前記フォトニック材料の変形を判定することと、
前記変形の大きさが閾値よりも高いかどうかを判定することと、
前記変形の前記大きさが前記閾値よりも高い場合に、
前記フォトニック材料の前記変形に関するデータを記憶することと、
前記変形の前記大きさが前記閾値よりも高くない場合に、
ｉ）前記フォトニック材料の前記位置で、前記検査を停止し、かつ
ｉｉ）前記検査装置を移動して、前記構造体の別のセクションを検査することと、を含む、方法。
【請求項２】
前記フォトニック材料の前記セクションに、単色放射線が照射され、前記変形が、前記受信した放射線の強度の関数として判定される、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記検査装置が、放射線源および放射線センサを含み、前記変形が、（ｉ）前記放射線源によって放出された前記波長、（ｉｉ）前記照射された構造体の前記セクションに対する前記放射線源の位置、および（ｉｉｉ）前記放射線源と前記放射線センサとの間の距離の関数としてさらに判定される、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記フォトニック材料の前記セクションに、多色放射線が照射され、前記変形が、前記受信した放射線の前記波長の関数としてさらに判定される、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記フォトニック材料が、３次元であり、前記変形が、測定された波長阻止帯の関数としてさらに判定される、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記回折された放射線が、カメラセンサによって受信される、請求項４に記載の方法。
【請求項７】
前記変形が、前記受信した波長の前記カメラセンサでの位置の関数としてさらに判定される、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記検査装置が、放射線源を含み、前記変形が、前記放射線の波長および前記受信した放射線の前記位置の関数として判定され、前記受信した放射線の前記位置が、前記カメラセンサで捕捉された放射線のピクセル位置を含み、前記変形が、（ｉ）前記照射された構造体の前記セクションに対する放射線源の位置、および（ｉｉ）前記放射線源と前記カメラセンサとの間の距離の関数としてさらに判定される、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記カメラセンサが、色相を表現することによって、受信した放射線に応答する複数のピクセル要素を含み、前記受信した放射線の波長が、前記表現された色相の関数として判定される、請求項６に記載の方法。
【請求項１０】
前記波長が、前記表現された色相の線形関数として判定される、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記多色放射線が、可視スペクトル内にある、請求項４に記載の方法。
【請求項１２】
前記多色放射線の少なくとも一部分が、可視スペクトル外にある、請求項４に記載の方法。
【請求項１３】
コンピュータにロードされたときに、請求項１に記載の方法を実行するために前記コンピュータを制御するプログラムコードを含む、非一時的コンピュータ可読媒体を含む、コンピュータプログラム製品。
【請求項１４】
フォトニック材料を含む物体を検査するための移動可能な装置であって、
前記構造体の一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で、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、
前記受信した放射線の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、前記フォトニック材料の変形を判定し、かつ前記変形の大きさが閾値よりも高いかどうかを判定するように構成されている、前記センサに結合された、プロセッサと、
前記プロセッサに結合された、記憶媒体と、を備え、
前記変形の前記大きさが前記閾値よりも高い場合に、前記プロセッサが、前記フォトニック材料の前記変形に関するデータを、前記記憶媒体に向け、
前記変形の前記大きさが前記閾値よりも高くない場合に、前記プロセッサが、前記フォトニック材料の前記位置で、前記検査を停止させ、かつ前記検査装置を移動させ、前記構造体の別のセクションを検査させる信号を送信する、装置。
【請求項１５】
前記放射線源が、単色放射線を放出し、前記フォトニック材料の変形が、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１４に記載の装置。
【請求項１６】
前記放射線源が、多色放射線を放出し、前記フォトニック材料の前記変形が、前記受信した放射線の前記波長の関数として判定される、請求項１４に記載の装置。
【請求項１７】
前記多色波長が、可視スペクトル内にあり、前記放射線センサが、異なる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に記載の装置。
【請求項１８】
プロセッサが、（ｉ）前記受信した放射線の波長、（ｉｉ）前記カメラセンサで捕捉された放射線のピクセル要素位置、（ｉｉｉ）前記照射された構造体の前記セクションに対する、前記放射線源の位置、および（ｉｖ）前記放射線源と前記カメラとの間の距離の関数として、変形を判定するように構成されている、請求項１７に記載の装置。
【請求項１９】
前記複数のピクセル要素が、色相を表現することによって、受信した放射線に応答し、前記受信した放射線の波長が、前記表現された色相の関数として判定される、請求項１８に記載の装置。
【請求項２０】
前記フォトニック材料が、３次元であり、前記プロセッサが、測定された波長阻止帯の関数として、前記フォトニック材料の変形をさらに判定するように構成されている、請求項１４に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、監視および検出に使用される埋め込まれたスマート材料に関し、具体的には、スマート材料分析のための装置および方法に関する。
【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、それは、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】
回折生成の敏感な要素として、光学格子またはフォトニック結晶などのフォトニック材料を利用する、構造体材料の摂動を検出するためのシステムおよび方法が必要である。さらに、波長の変化、または強度の変化から定量化された回折角の変化を通じて、フォトニック材料の変形を定量化する、構造体材料の摂動を検出するためのシステムおよび方法が必要である。さらに、検査波長の選択とフォトニック構造体材料の対応する周期性によって調整可能な感度で、摂動を検出するためのシステムおよび方法が必要である。さらに、多次元レベルの感度を有する摂動を検出するためのシステムと方法が必要である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【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。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明によれば、移動可能な検査装置を使用して、フォトニック材料を含む構造体を検査する方法が提供される。方法は、構造体の一セクションを照射することと、構造体のセクションで、フォトニック材料から回折された放射線を受信することと、ｉ）受信した放射線の強度、ｉｉ）受信した放射線の位置、およびｉｉｉ）受信した放射線の波長のうちの少なくとも１つの関数として、フォトニック材料の変形を判定することと、変形の大きさが閾値よりも高いかどうかを判定することと、を含む。変形の大きさが閾値よりも高い場合に、フォトニック材料の変形に関するデータが記憶され、反対に、変形の大きさが閾値よりも高くない場合に、フォトニック材料の位置で、検査が停止され、構造体の別のセクションを検査するために、検査装置が移動される。
【０００８】
いくつかの実施形態では、構造体のセクションに、単色放射線が照射され、変形は、受信した放射線の強度の関数として判定される。検査装置は、放射線源および放射線センサを含むことができ、変形は、（ｉ）放射線源によって放出された波長の関数、（ｉｉ）照射された構造体のセクションに対する放射線源の位置、および（ｉｉｉ）放射線源と放射線センサとの間の距離としてさらに判定され得る。
【０００９】
他の実施形態では、構造体のセクションに、多色放射線が照射され、変形は、受信した放射線の波長の関数として判定される。フォトニック材料が３次元である実装形態では、変形は、測定された波長阻止帯の関数としてさらに判定される。
【００１０】
いくつかの実装形態では、回折された放射線は、カメラセンサによって受信され、変形は、受信した波長のカメラセンサでの位置の関数としてさらに判定され得る。検査装置は、放射線源を含むことができ、変形は、受信した放射線の波長および位置の関数として判定され得、受信した放射線の位置は、カメラセンサで捕捉された放射線のピクセル位置を含み、変形は、（ｉ）照射された構造体のセクションに対する放射線源の位置、および（ｉｉ）放射線源とカメラセンサとの間の距離の関数としてさらに判定される。いくつかの実施形態では、カメラセンサは、色相を表現することによって、受信した放射線に応答する複数のピクセル要素を含み、受信した放射線の波長は、表現された色相の関数として判定される。いくつかの実装形態では、多色放射線は、可視スペクトル内にあるが、他の実装形態では、多色放射線の少なくとも一部分は、可視スペクトル外にある。
【００１１】
本発明の他の態様によれば、コンピュータにロードされたときに、上述の方法を実行するためにコンピュータを制御するプログラムコードを含む、非一時的コンピュータ可読媒体を含む、コンピュータプログラム製品が提供される。
【００１２】
本発明の他の態様によれば、フォトニック材料を含む物体を検査するための移動可能な装置が提供される。装置は、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で、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、ｉ）受信した放射線の強度、ｉｉ）受信した放射線の位置、およびｉｉｉ）受信した放射線の波長のうちの少なくとも１つの関数として、フォトニック材料の変形を判定し、かつ変形の大きさが閾値よりも高いかどうかを判定するように構成されているセンサに結合された、プロセッサと、プロセッサに結合された、記憶媒体と、を備える。変形の大きさが閾値よりも高い場合に、プロセッサは、フォトニック材料の変形に関するデータを、記憶媒体に向け、反対に、変形の大きさが閾値よりも高くない場合に、プロセッサは、フォトニック材料の位置で検査を停止させ、かつ検査装置を移動させ、構造体の別のセクションを検査させる信号を送信する。
【００１３】
いくつかの実施形態では、放射線源は、単色放射線を放出し、フォトニック材料の変形は、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、放射線源は、多色放射線を放出し、フォトニック材料の変形は、受信した放射線の波長の関数としてさらに判定される。いくつかの実装形態では、多色波長は、可視スペクトル内にあり、放射線センサは、異なる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。そのような実装形態では、プロセッサは、（ｉ）受信した放射線の波長、（ｉｉ）カメラセンサで捕捉された放射線のピクセル要素位置、（ｉｉｉ）フォトニック材料のセクションに対する、放射線源の位置、および（ｉｖ）放射線源とカメラとの間の距離の関数として、変形を判定するように構成されている。複数のピクセル要素は、色相を表現することによって、受信した放射線に応答し、受信した放射線の波長は、表現された色相の関数として判定される。
【００１４】
いくつかの実施形態では、フォトニック材料は３次元であり、プロセッサは、測定された波長阻止帯の関数として、フォトニック材料の変形をさらに判定するように構成されている。
【００１５】
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することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の一実施形態に係る検査装置の概略図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る、検査装置の構成要素の概略ブロック図である。
【図３】本発明の一実施形態に係る、検査の角度モードを示す斜視図である。
【図４】本発明の一実施形態に係る、検査の波長モードを示す斜視図である。
【図５】本発明の一実施形態に係る、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。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
１つ以上の実施形態では、埋め込まれた「スマート」材料を有する構造体を検査する方法が提供される。検査装置は、構造体の表面の一セクションに放射線を放出するように位置付けられている。構造体の表面に埋め込まれたスマート材料から回折された放射線は、放射線センサを使用して検出される。適用される特定の検査モードに応じて、検出された回折光の特性に基づいて、検査対象の表面のセクションが変形の閾値レベル（すなわち、一定の長さの変形）の対象となるかどうかの判定が行われる。変形が閾値レベルを上回っている場合、検出されたセンサデータは保存され、さらなる分析が実行される。変形が閾値レベルを下回っている場合、装置を移動させて、構造体の表面の別のセクションを検査する。
【００１８】
パイプラインや貯蔵容器などの現場の大きな構造体の状態を監視するために、構造体の状態の指標として機能するスマート材料を構造体に埋め込むか、または取り付けることができる。スマート材料には、変形に応じて、インデックスパラメータの変化を受ける構造体が含まれる。スマート材料の重要なクラスの１つは、光学格子およびフォトニック結晶を含む、周期的なフォトニック材料を含む。照射に応じてフォトニック材料が送信する回折パターンは、それらの構成要素の周期的な間隔に非常に敏感である。したがって、例えば、引張応力、圧縮応力、曲げ、温度変動などにより、埋め込まれたフォトニック材料が受ける標準状態からのいかなる変形または摂動も、摂動構造体の回折パターンの、標準状態との対応する相違において明らかにされ得る。回折パターンの変化は、摂動の大きさに比例し、検査装置を使用して測定され得る。
【００１９】
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。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。
【００２０】
図１は、埋め込まれたフォトニック材料１０３を有する構造体１０２を検査するために使用される、本発明に係る検査装置１００の例示的な実施形態を示す。フォトニック材料１０３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１００は、構造体１０２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１０５を備える。この目的のために、ハウジング１０５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１０５は、放射線源および検出器のための開口部１０７を含む。
【００２１】
ハウジング１０５内に位置付けられているのは、放射線を構造体１０２のセクションに向けるように位置付けられた、放射線源１１０、１１５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１１０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１１５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１１５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、１２０は、検査のために、拡散放射線源１１５によって放出された放射線を、構造体１０２に集束させるように構成され得る。
【００２２】
フォトニック材料１０３で受信した放射線は、回折され、検査装置の開口部１０７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１０３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１２５を含む。反射器１２５および１つ以上の集束構成要素１２８は、入ってくる放射線を、放射線センサ１３０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１３０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１４０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１４０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。
【００２３】
検査装置１００には、検査装置の動作を可能にし、より具体的には、放射線センサ１３０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が配設され得る。図２は、プロセッサ１４０および回路基板１５０を含む検査装置１００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示すブロック図である。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１５５、通信インターフェース１６０、およびコンピュータ可読記憶媒体１６５を含むことができる。プロセッサ１４０および／または回路基板１５０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）に視覚的に情報を出力するためのディスプレイ１７０、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１７５、および音声フィードバックを提供するための音声出力１８０に結合され得る。一実施例として、装置１００は、特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１７０から視覚信号を、または音声出力１８０から音を発し得る。閾値は、手動またはデフォルトで、タッチスクリーンまたは好適なキーボードであり得るユーザインターフェース１７５を介した測定の前に設定され得る。様々な構成要素は、回路基板１５０から独立して、または回路基板１５０の一部としてのいずれかで示されているが、構成要素は、本明細書の開示から逸脱することなく、様々な構成で配設され得ることを理解することができる。
【００２４】
プロセッサ１４０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１４０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１５５は、プロセッサ１４０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１５５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１５５は、固定式でも取り外し可能でもよい。記憶媒体１６５はまた、特定の実装形態に応じて、様々な形態を採り得る。例えば、記憶媒体１６５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１６５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装置であってもよい。回路基板１５０はまた、検査装置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。
【００２５】
１つ以上のソフトウェアモジュール１８５は、メモリ１５５内および／または記憶媒体１６５内に符号化されている。このソフトウェアモジュールは、コンピュータプログラムコード、またはプロセッサ１４０内で実行される一組の命令を有する、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み得る。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１８５はプロセッサ１４０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１６０を介して、計算または分析を実行することができる。
【００２６】
ソフトウェアモジュール１８５の実行中、プロセッサ１４０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１３０によって捕捉された放射線の分析に関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１８５のプログラムコード、および非一時的コンピュータ可読記憶装置（メモリ１５５および／または記憶装置１６５など）の１つ以上は、本開示に従って製造および／または販売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。
【００２７】
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１８５は、検査装置を操作し、かつ角度モード１８６、波長モード１８７、および３次元モード１８８でデータを分析するためのサブモジュールを含む。図３は、角度検査モードを示す概略斜視図である。図３に示すように、検査装置１００の一実施形態は、好ましくは、レーザー（単色）源である放射線源１１０を使用して、基板１０２の一セクションを最初に照射することにより、角度モードサブモジュール１８６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３では、放射線源１１０は、構造体１０２のフォトニック格子１０３に活性化ビーム３０２を放出する。入射ビーム３０２は、単一ビーム３０４を介して反射され、異なる次数のいくつかのビーム経路３０６、３０８、３１０、３１２に沿って、格子によってさらに回折される。ビーム３０６および３０８は、それぞれ次数１および−１であり、ビーム３１０および３１２は、次数２および−２である。格子１０３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。
【００２８】
【数１】
2020519879.tif 000003
ここで、ｄは格子１０３の溝間の距離であり、αはビーム３０２の入射角であり、βはセンサ１３０で検出される１つのビーム３１２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。
【００２９】
次数ｎ＝−２を有するビーム３１２は、放射線センサ１３０で受信される。パラメータαは、ビーム３０２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１１０の構成および位置から既知である。パラメータβは、装置１００と構造体表面との間の距離ｓだけでなく、装置１００のこれらの構成要素の構成からも既知である、放射線源１１０と放射線センサ１３０との間の距離ｅを考慮することによって計算され得る。具体的には、βの式は次のとおりである。
【００３０】
【数２】
2020519879.tif 000004
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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４は、波長検査モードを示す概略斜視図である。検査装置４００の別の実施形態が、図４に示されている。検査装置は、多色光源４１０と、紫外線、または可視光、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４３０と、を含む。放射線センサ４３０は、複数の波長を同時に検出することができる、個々の検知要素のアレイであることができる。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。
【００３５】
図４に示す方式では、構造体表面の照射領域は、角度α１とα２との間で包含される。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、放射線センサ４３０によって収集される放射線の範囲は限られている。この範囲の幅は、放射線センサ４３０および／またはセンサにつながる装置４００の開口部のサイズによって判定される。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。放射線センサ４３０で生成された結果的な画像の各ピクセルまたはポイントに、単一の波長を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４において破線４２２および４２４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４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。
【００３６】
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。したがって、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４３０によって検出される色（波長）である。
【００３７】
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、装置全体に対する照射スポット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。
【００３８】
【数３】
2020519879.tif 000005
【００３９】
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。
【００４０】
【数４】
2020519879.tif 000006
【００４１】
Ｐｙを代入すると、式（３）は次のようになる。
【００４２】
【数５】
2020519879.tif 000007
【００４３】
同様に、角度βは次のように表現され得る。
【００４４】
【数６】
2020519879.tif 000008
【００４５】
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。
【００４６】
【数７】
2020519879.tif 000009
【００４７】
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。
【００４８】
【数８】
2020519879.tif 000010
【００４９】
式（８）を組み込むと、式（７）は次のようになる。
【００５０】
【数９】
2020519879.tif 000011
【００５１】
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。
【００５２】
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の組み合わせとして、次のように表現することができる。
【００５３】
【数１０】
2020519879.tif 000012
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
【数１１】
2020519879.tif 000013
【００５７】
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。
【００５８】
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、３６０の弧を赤から黄色などを経て、赤に戻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。
【００５９】
【数１２】
2020519879.tif 000014
【００６０】
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。
【００６１】
図５は、本発明の一実施形態に係る、フォトニック材料を含む構造体を検査する方法５００のフローチャートである。ステップ５０２において、構造体の検査を可能にするために、構造体に対して検査装置を位置付けることによって、方法が開始される。位置付けには、ロボットのクローリング検査機、または無人機、または検出装置が装着され得るその他の機構を、前進または操作するための多数のステップを含めることができる。ステップ５０４において、フォトニック材料を含む構造体の一セクションが照射される。ステップ５０６において、フォトニック材料から回折された放射線が受信される。次のステップ５０８において、フォトニック材料の変形は、ｉ）強度、ｉｉ）位置、およびｉｉｉ）受信した放射線の波長のうちの１つの関数として判定される。ステップ５１０において、変形の大きさが閾値よりも高いかどうかが判定される。変形が閾値よりも高い場合、ステップ５１２において、フォトニック材料の変形に関するデータが記憶される。変形が閾値よりも低い場合、ステップ５１４において、構造体のセクションの検査が停止され、ステップ５１６において、検査装置が、構造体の別のセクションに移動され、検査される。
【００６２】
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、スマート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構成によるシステム、方法、およびコンピュータプログラム製品の可能な実施態様のアーキテクチャ、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。また、ブロック図および／またはフローチャート説明の各ブロック、ならびにブロック図および／またはフローチャート説明内のブロックの組み合わせは、特定の機能もしくは動作を実行する特定用途ハードウェアベースシステム、または特定用途ハードウェアおよびコンピュータ命令の組み合わせによって実施され得ることにも留意されたい。
【００６３】
本明細書に開示される任意の構造および機能の詳細は、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、当業者に方法を実装するための１つ以上の方法を教示するための代表的な実施形態および／または構成として提供されることを理解されたい。
【００６４】
前述の説明の多くは、フォトニック材料を検査するためのシステムおよび方法を対象としたが、本明細書に開示される方法は、言及されたシナリオを超えるシナリオ、状況、および設定で他の「スマート」構造体に同様に展開することができることを理解されたい。任意のそのような実装態様および／または展開は、本明細書で説明されるシステムおよび方法の範囲内であることをさらに理解されたい。
【００６５】
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、図面を参照して説明および例示されたすべての構成要素および／またはステップが、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。
【００６６】
本明細書で使用する用語は、特定の実施形態のみを説明する目的のためであり、本発明を限定することを意図するものではない。本明細書で使用するとき、「ａ」、「ａｎ」、および「ｔｈｅ」という単数形は、文脈で別に明示していない限り、複数形も含むことを意図している。さらに、本明細書で使用するとき、「備える」および／または「備えている」という用語は、記載する特徴、整数、ステップ、動作、要素、および／または構成要素の存在を特定するが、１つ以上の他の特徴、整数、ステップ、動作、要素、構成要素、および／またはそれらのグループの存在または追加を排除しないことをさらに理解されたい。
【００６７】
方向に関する用語は、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。しかしながら、これらの用語は、見る人を基準にして使用され得ることが認識される。したがって、制限が示唆されることも、推測されることもない。
【００６８】
また、本明細書で使用する表現および用語は、説明の目的のためであり、限定されたものとみなすべきではない。本明細書内の「含む」、「備える」または「有する」、「包含する」、「伴う」、およびこれらの変形の使用は、それ以降に列挙された項目およびその等価物、ならびに追加項目を包含することを意味する。
【００６９】
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、本発明は、本発明を実施するために考えられる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に含まれるすべての実施形態を含むものとすることを意図している。
【符号の説明】
【００７０】
１００  ・・・検査装置
１０２  ・・・構造体
１０３  ・・・フォトニック材料
１０５  ・・・ハウジング
１０７  ・・・開口部
１１０、１１５  ・・・放射線源
１２０  ・・・レンズ
１２５  ・・・反射器
１２８  ・・・集束構成要素
１３０  ・・・放射線センサ
１４０  ・・・ローカルプロセッサ
１５０  ・・・回路基板
１５５  ・・・メモリ
１６０  ・・・通信インターフェース
１６５  ・・・コンピュータ可読記憶媒体
１７０  ・・・ディスプレイ
１７５  ・・・ユーザインターフェース
１８０  ・・・音声出力
１８５  ・・・ソフトウェアモジュール
１８６  ・・・角度モード
１８７  ・・・波長モード
１８８  ・・・３次元モード
【図１】
2020519879.tif 000015
【図２】
2020519879.tif 000016
【図３】
2020519879.tif 000017
【図４】
2020519879.tif 000018
【図５】
2020519879.tif 000019
【手続補正書】
【提出日】平成31年3月12日(2019.3.12)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
移動可能な検査装置を使用して、フォトニック材料を含む構造体を検査する方法であって、
前記構造体の一セクションを照射することと、
前記構造体の前記セクションで、フォトニック材料から回折された放射線を受信することと、
ｉ）前記受信した放射線の強度、ｉｉ）前記受信した放射線の位置、およびｉｉｉ）前記受信した放射線の波長のうちの少なくとも１つの関数として、前記フォトニック材料の変形を判定することと、
前記変形の大きさが閾値よりも高いかどうかを判定することと、
前記変形の前記大きさが前記閾値よりも高い場合に、
前記フォトニック材料の前記変形に関するデータを記憶することと、
前記変形の前記大きさが前記閾値よりも高くない場合に、
ｉ）前記フォトニック材料の前記位置で、前記検査を停止し、かつ
ｉｉ）前記検査装置を移動して、前記構造体の別のセクションを検査することと、を含み、
変形が、放射線源と放射線センサとの間の距離の関数としてさらに判定される、方法。
【請求項２】
前記フォトニック材料の前記セクションに、単色放射線が照射され、前記変形が、前記受信した放射線の強度の関数として判定される、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記検査装置が、放射線源および放射線センサを含み、前記変形が、（ｉ）前記放射線源によって放出された前記波長、（ｉｉ）前記照射された構造体の前記セクションに対する前記放射線源の位置、および（ｉｉｉ）前記放射線源と前記放射線センサとの間の距離の関数としてさらに判定される、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記フォトニック材料の前記セクションに、多色放射線が照射され、前記変形が、前記受信した放射線の前記波長の関数としてさらに判定される、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記フォトニック材料が、３次元であり、前記変形が、測定された波長阻止帯の関数としてさらに判定される、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記回折された放射線が、カメラセンサによって受信される、請求項４に記載の方法。
【請求項７】
前記変形が、前記受信した波長の前記カメラセンサでの位置の関数としてさらに判定される、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記検査装置が、放射線源を含み、前記変形が、前記放射線の波長および前記受信した放射線の前記位置の関数として判定され、前記受信した放射線の前記位置が、前記カメラセンサで捕捉された放射線のピクセル位置を含み、前記変形が、（ｉ）前記照射された構造体の前記セクションに対する放射線源の位置、および（ｉｉ）前記放射線源と前記カメラセンサとの間の距離の関数としてさらに判定される、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記カメラセンサが、色相を表現することによって、受信した放射線に応答する複数のピクセル要素を含み、前記受信した放射線の波長が、前記表現された色相の関数として判定される、請求項６に記載の方法。
【請求項１０】
前記波長が、前記表現された色相の線形関数として判定される、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記多色放射線が、可視スペクトル内にある、請求項４に記載の方法。
【請求項１２】
前記多色放射線の少なくとも一部分が、可視スペクトル外にある、請求項４に記載の方法。
【請求項１３】
コンピュータにロードされたときに、請求項１に記載の方法を実行するために前記コンピュータを制御するプログラムコードを含む、非一時的コンピュータ可読媒体を含む、コンピュータプログラム製品。
【請求項１４】
フォトニック材料を含む物体を検査するための移動可能な装置であって、
前記構造体の一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で、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、
前記受信した放射線の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、前記フォトニック材料の変形を判定し、かつ前記変形の大きさが閾値よりも高いかどうかを判定するように構成されている、前記センサに結合された、プロセッサと、
前記プロセッサに結合された、記憶媒体と、を備え、
前記変形の前記大きさが前記閾値よりも高い場合に、前記プロセッサが、前記フォトニック材料の前記変形に関するデータを、前記記憶媒体に向け、
前記変形の前記大きさが前記閾値よりも高くない場合に、前記プロセッサが、前記フォトニック材料の前記位置で、前記検査を停止させ、かつ前記検査装置を移動させ、前記構造体の別のセクションを検査させる信号を送信し、
前記プロセッサが、前記放射線源と前記放射線センサとの間の距離の関数として、変形をさらに判定する、装置。
【請求項１５】
前記放射線源が、単色放射線を放出し、前記フォトニック材料の変形が、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１４に記載の装置。
【請求項１６】
前記放射線源が、多色放射線を放出し、前記フォトニック材料の前記変形が、前記受信した放射線の前記波長の関数として判定される、請求項１４に記載の装置。
【請求項１７】
前記多色波長が、可視スペクトル内にあり、前記放射線センサが、異なる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に記載の装置。
【請求項１８】
プロセッサが、（ｉ）前記受信した放射線の波長、（ｉｉ）前記カメラセンサで捕捉された放射線のピクセル要素位置、（ｉｉｉ）前記照射された構造体の前記セクションに対する、前記放射線源の位置、および（ｉｖ）前記放射線源と前記カメラとの間の距離の関数として、変形を判定するように構成されている、請求項１７に記載の装置。
【請求項１９】
前記複数のピクセル要素が、色相を表現することによって、受信した放射線に応答し、前記受信した放射線の波長が、前記表現された色相の関数として判定される、請求項１８に記載の装置。
【請求項２０】
前記フォトニック材料が、３次元であり、前記プロセッサが、測定された波長阻止帯の関数として、前記フォトニック材料の変形をさらに判定するように構成されている、請求項１４に記載の装置。
【請求項２１】
移動可能な検査装置を使用して、フォトニック材料を含む構造体を検査する方法であって、
前記構造体の一セクションを照射することと、
前記構造体の前記セクションで、フォトニック材料から回折された放射線を受信することと、
前記受信した放射線の位置および波長のうちの少なくとも１つの関数として、前記フォトニック材料の変形を判定することと、
前記変形の大きさが閾値よりも高いかどうかを判定することと、
前記変形の前記大きさが前記閾値よりも高い場合に、
前記フォトニック材料の前記変形に関するデータを記憶することと、
前記変形の前記大きさが前記閾値よりも高くない場合に、
ｉ）前記フォトニック材料の前記位置で、前記検査を停止し、かつ
ｉｉ）前記検査装置を移動して、前記構造体の別のセクションを検査することと、を含み、
前記フォトニック材料の前記セクションが、多色放射線で照射され、かつカメラセンサによって受信され、前記検査装置が、放射線源を含み、前記受信した放射線の前記位置が、前記カメラセンサで捕捉された放射線のピクセル位置を含み、前記変形が、（ｉ）前記照射された構造体の前記セクションに対する放射線源の位置、および（ｉｉ）前記放射線源と前記カメラセンサとの間の距離の関数としてさらに判定され、前記カメラセンサが、色相を表現することによって、受信した放射線に応答する複数のピクセル要素を含み、前記受信した放射線の波長が、前記表現された色相の関数として判定される、方法。
【国際調査報告】
2020519879.tif 000020
2020519879.tif 000021
2020519879.tif 000022