JP2013029416A

JP2013029416A - 映像取得装置

Info

Publication number: JP2013029416A
Application number: JP2011165461A
Authority: JP
Inventors: Sayuri Matsumoto; さゆり松本; Kageyoshi Katakura; 景義片倉
Original assignee: National Institute of Maritime Port and Aviation Technology
Current assignee: National Institute of Maritime Port and Aviation Technology
Priority date: 2011-07-28
Filing date: 2011-07-28
Publication date: 2013-02-07

Abstract

【課題】焦点位置以外であっても方位分解能が優れ、水の濁度や照度に関わらず広い視野の映像を取得することができる映像取得装置を提供する。
【解決手段】方位方向に周波数の異なる超音波を送波する送波器と、前記送波器から送波された超音波の対象物からの反射波を受波する受波器と、を備える映像取得装置において、前記送波器と前記対象物の間に、前記反射波を収束させる可動音響レンズを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、映像取得装置に係り、海などの水中において超音波等を送波し、その対象物からの反射波を音響レンズで収束するとともに、信号処理を行うことで水の濁度や照度に関わらず広い視野の映像を取得することができる映像取得装置に関する。

従来から、空間の三次元情報を、超音波により映像化する構成は、種々知られている。それらにおいて、最も有効な方法の一例として、特許文献１及び２に記載されているように分極軸を反転した配列送波器に周波数の異なる信号を印加することにより、三次元空間に超音波信号を掃引照射し、対象物からの反射信号を受信する事により三次元空間の情報を収集する構成がある。

超音波信号による計測装置において、方位と距離の高い分解能を同時に可能とする目的は、分極を交互に反転させて配列した、圧電振動子の一次元配列による超音波送受波器を使用する構成により、最も簡便な装置として実現される。

特開昭４７−２６１６０号公報特公昭５１−４４７７３号公報

従来の映像取得装置１´は、図１１に示すように、送波器１０´から送波される平面波である超音波４１´が、送波用の円筒型音響レンズ１１´により収束点５０´に収束される。この場合、送波用の円筒型音響レンズ１１´の焦点距離ｆは固定であり、焦点位置を変化させることは不可能であるから、収束点５０´以外においては分解能が低下することとなる。

従って、従来の映像取得装置１´の構成によると、超音波信号の掃引照射による三次元計測装置において、送波における焦点位置（収束点）が固定されていることにより、焦点位置以外において方位分解能が低下してしまい、高度な空間分解能を実現することは困難であるという問題があった。

そこで、本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、焦点位置以外であっても方位分解能が優れ、水の濁度や照度に関わらず広い視野の映像を取得することができる映像取得装置を提供することを主たる課題とする。

本発明に係る映像取得装置は、方位方向に周波数の異なる超音波を送波する送波器と、前記送波器から送波された超音波の対象物からの反射波を受波する受波器と、を備える映像取得装置において、前記送波器と前記対象物の間に、前記反射波を収束させる可動音響レンズを備えることを特徴とする。

また、本発明に係る映像取得装置において、前記送波器の形状が断面円弧状であると好適である。

また、本発明に係る映像取得装置において、前記可動音響レンズは凸レンズ又は凹レンズであると好適である。

また、本発明に係る映像取得装置において、前記送波器と、前記可動音響レンズの間に固定音響レンズを有すると好適である。

また、本発明に係る映像取得装置において、前記固定音響レンズは凸レンズ又は凹レンズであると好適である。

本発明は、分極軸方向を交互に反転させて配列した圧電振動子一次元配列による超音波送波器に、送波用の収束系を可動とする可動音響レンズを備えるので、送波における収束位置を可変とすることができ、空間全域における高度の指向特性を実現し、高解像度の撮像を可能とすることができる。

本発明の第１の実施形態に係る映像取得装置の構成を示した説明図。受波検出面上の物体像を示した説明図。送波器の構成を示した説明図。傾斜波面形成の原理を示した説明図。送波面が平面となることを示した説明図。送波音響レンズの構成を示した説明図。第２の実施形態に係る映像取得装置の送波音響レンズの構成を示した説明図。第２の実施形態に係る映像取得装置の送波音響レンズの変形例の構成を示した説明図。第３の実施形態に係る映像取得装置の送波音響レンズの構成を示した説明図。第４の実施形態に係る映像取得装置の送波音響レンズの構成を示した説明図。従来の映像取得装置の構成を示した説明図。

以下、本発明を実施するための好適な実施形態について、図面を用いて説明する。なお、以下の実施形態は、各請求項に係る発明を限定するものではなく、また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。

［第１の実施形態］
図１は、本発明の第１の実施形態に係る映像取得装置の構成を示した説明図であり、図２は、受波検出面上の物体像を示した説明図であり、図３は、送波器の構成を示した説明図であり、図４は、傾斜波面形成の原理を示した説明図であり、図５は、送波面が平面となることを示した説明図であり、図６は、送波音響レンズの構成を示した説明図である。

図１に示すように、本実施形態における映像取得装置１の送受信構成は、送波器１０が方位ごとに周波数の異なる超音波を送出する。該超音波は、送波用の円筒型の固定音響レンズ１２及び可動音響レンズ１３により一次元方向にのみ収束され、扇形超音波ビーム４１となり、対象領域３０を方位方向に掃引照射する。この時、対象領域３０中に存在する対象物３１からの反射波４２は、反射信号として受波音響レンズ２１により、垂直方向に分割された受波検出面２２を有する受波器２０上に結像され物体像２７を得る。

本実施形態に係る映像取得装置１の構成においては、対象領域３０を照射する信号の周波数が水平方向位置により異なる事から、受波検出面２２上の物体像２７における水平方向位置は、図２に示すように、受波検出面２２に配置された各素子出力２８中の信号周波数成分強度２９により知られる。一方、垂直方向位置は、分割された受波検出面２２上における、信号の出現位置として知られることから、これら二つの情報により物体の二次元形状の情報を得ることができる。

また、本実施形態に係る映像取得装置１から対象物３１までの距離は、超音波の送受波にともなう超音波の往復時間で知られる事から、これらの情報により、三次元空間内における対象物３１の形状が完全に把握される。

方位ごとに周波数の異なる超音波を送出する送波器１０の最も簡便な構成は、図３に示すように圧電素子１６の分極軸１６ａを交互に反転して配列し、その両面に、グランド電極１７とホット電極１８からなる、共通電極を形成した配列送受波器を用いることである。

この共通電極１７，１８間に駆動信号１５を印加すると、その信号周波数に応じて異なる方向θ（θは超音波の放射あるいは入射面、即ち振動子アレー面の法線方向と超音波の放射あるいは入射方向とのなす角度）に超音波ビーム４１を放射、あるいはその方向からの超音波を受波できるものである。

ここで、電極１７，１８間にバースト波駆動信号を印加すると、図４の円弧に示す波面が形成される。ここで、図４において、実線と破線では超音波の位相が１８０度異なることを示している。この場合、同時刻の隣接した波面の位相が反転しているため、法線方向では放射音波が相殺され、超音波ビーム４１の放射は、超音波の放射面の法線方向に対し傾斜した方向Ｆに行われる。

図４において、周波数が高い場合には波長が短い事から、図４（ａ)に示すように正面近傍方向へ、一方、周波数が低い場合には波長が長い事から、図４（ｂ）に示すように、より傾斜した方向へ波面が形成されることになるが、この入放射角度θは、振動子ピッチｄと駆動信号波長λ（周波数：ｆ）として、数１により与えられる。

また、この時の遠距離音場指向特性Ｒ（θ）は、素子数をｎとして、数２により与えられる。

本構成は、これらの関係を利用して超音波ビームを走査するものであり、１本の信号線で周波数掃引することにより超音波ビームをセクタ走査できる。

ここで、上述した動作原理から、口径全体による高い空間分解能を実現するためには、全素子からの信号が寄与する必要があり、図５に示すように素子総数程度の波数を有する駆動信号１５が必要となり、目的方向へ送出される超音波信号は平面波となる。なお、図５では位相反転のため半分のみ波数が記載されており、周期は５周期となっている。

次に、本実施形態に係る映像取得装置１の送波音響レンズ１１について説明を行う。本実施形態に係る映像取得装置１は、図６に示すように、固定音響レンズ１２と可動音響レンズ１３からなる２枚の収束性音響レンズ（光学における凸レンズ）を備えている。ここで、可動音響レンズ１３の焦点距離をｆ₁、固定音響レンズ１２の焦点距離をｆ₂、送波音響レンズ１１の最終収束点５０までの距離をｂとすると、次の数３及び数４の関係が成り立つ。

送波音響レンズ１１は、図６に示すように固定音響レンズ１２によって一次集束された超音波４３が凹状に屈曲した平面波となるため、可動音響レンズ１３による収束に収束効果が加算されることとなり、最終収束点５０を送波音響レンズ１１の近傍に設定することが可能となる。

このように、本実施形態に係る映像取得装置１は、固定音響レンズ１２と可動音響レンズ１３からなる２枚の収束性音響レンズの間隔ｃを変化させることにより、最終収束点５０までの距離ｂを変化させることが可能となる。この距離ｂを観察対象までの距離と一致させることにより、対象の高解像度観察が可能となる。

以上説明した第１の実施形態に係る映像取得装置１は、送波音響レンズ１１に用いる固定音響レンズ１２及び可動音響レンズ１３共に収束性音響レンズを用いた場合について説明したが、本発明に係る送波音響レンズは、第１の実施形態で示したようにこのような場合に限られない。そこで、次に第２の実施形態に係る映像取得装置について説明を行う。

［第２の実施形態］
図７は、第２の実施形態に係る映像取得装置の送波音響レンズの構成を示した説明図であり、図８は、第２の実施形態に係る映像取得装置の送波音響レンズの変形例の構成を示した説明図である。なお、上述した第１の実施形態と同一または類似の部材については同一の符号を付してその詳細な説明を省略する。

図８に示されるように、本実施形態に係る送波音響レンズ１１ａは、可動音響レンズ１３を収束性音響レンズ（光学における凸レンズ）で構成し、固定音響レンズ１２ａを拡散性音響レンズ（光学における凹レンズ）で構成している。ここで、可動音響レンズ１３の焦点距離をｆ₁、固定音響レンズ１２ａの焦点距離をｆ₃とすると、以下の関係が成り立つ。

となる。

したがって

となり、可動音響レンズ１３及び固定音響レンズ１２ａの間隔ｃを変化させることにより、収束点５０までの距離ｂを変化させることが可能となる。

ここで、本実施形態に係る送波音響レンズは、固定音響レンズに拡散性音響レンズを用いているので、可動音響レンズ１３の収束効果と、固定音響レンズ１２ａの拡散効果を一致させる設定をとることが可能となり、無限遠への収束を行うことも可能となる。

なお、本実施形態に係る送波音響レンズ１１ａは、収束性音響レンズ及び拡散性音響レンズを一対備えていればよく、図８に示すように、固定音響レンズ１２を収束性音響レンズで構成し、可動音響レンズ１３ａを拡散性音響レンズで構成しても同様の効果を得ることができる。また、この構成によると、固定音響レンズ１２によって収束波面４３が形成されるので、可動音響レンズ１３ａの口径を超音波４１の幅よりも小さく設定することが可能となる。

以上説明した第１及び第２の実施形態に係る映像取得装置は、送波音響レンズ１１，１１ａ，１１ａ´に一対の音響レンズを用いた場合について説明したが、本発明に係る送波音響レンズは、第１及び第２の実施形態で示したようにこのような場合に限られない。そこで、次に第３の実施形態に係る映像取得装置について説明を行う。

［第３の実施形態］
図９は、第３の実施形態に係る映像取得装置の送波音響レンズの構成を示した説明図である。

本実施形態に係る映像取得装置は、第１及び第２の実施形態に係る映像取得装置と異なり、断面が円弧状に湾曲した送波器１０ａを備えている。このように、送波器１０ａを断面円弧状に湾曲させると、送波器１０ａから送波される超音波４１ａは、図９に示すように湾曲した平面波として送波される。

このように構成することで、第１及び第２の実施形態に係る送波音響レンズ１１，１１ａ，１１ａ´に適用された固定音響レンズ１２，１２ａがなくとも、送波器１０ａと収束性音響レンズである可動音響レンズ１３との間隔ｃを変化させることにより、収束点５０までの距離ｂを変化させることが可能となり、空間全域における高度の指向特性を実現し、高解像度の撮像を可能とすることができる。

以上説明した第１から第３の実施形態に係る映像取得装置は、送波音響レンズ１１，１１ａ，１１ａ´に可動音響レンズ１３，１３ａを備える場合について説明したが、送波音響レンズ１１，１１ａ，１１ａ´の具体例を示した第４の実施形態に係る映像取得装置について説明を行う。

［第４の実施形態］
図１０は、第４の実施形態に係る映像取得装置の送波音響レンズの構成を示した説明図である。

図１０に示すように、本実施形態に係る送波音響レンズ１１ｂは、可動音響レンズ１３が取り付けられたケース６３と、固定音響レンズ１２が取り付けられると共に内部に送波器１０を収納する内部ケース６２とを備えている。

内部ケース６２は、超音波４１の放射方向に沿って移動可能に配置されており、内部ケース６２の底面に取り付けられた車輪によって円滑に案内されている。また、内部ケース６２とケース６３とは、伸縮機構６０によって連結されており、伸縮機構６０が伸縮することで内部ケース６２をケース６３内で移動可能に制御している。

なお、伸縮機構６０は、ラックアンドピニオン等の歯車機構を用いることができ、内部ケース６２の移動距離は数１０ｃｍ程度に設定される。

このような構成によって、第１から第３の実施形態に係る送波音響レンズを実現することが可能となる。

また、本実施形態に係る送波音響レンズ１１ｂは２枚の収束性音響レンズ及び平板状の送波器１０を用いた場合について説明したが、第２及び第３の実施形態に係る送波音響レンズを参照して一方の音響レンズに拡散性音響レンズを適用することが可能であるし、断面円弧状の送波器を用いることも可能である。その様な変更又は改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれうることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。

本発明によると、送波された超音波の焦点位置を可変とすることができ、焦点位置以外であっても方位分解能が優れ、水の濁度や照度に関わらず広い視野の映像を取得することができる。

１映像取得装置，１０，１０ａ送波器，１１，１１ａ，１１ａ´，１１ｂ送波音響レンズ，１２固定音響レンズ，１３可動音響レンズ，２０受波器，２１受波音響レンズ，３０対象領域，３１対象物，４１超音波，４２反射波，５０収束点，６０伸縮機構。

Claims

方位方向に周波数の異なる超音波を送波する送波器と、
前記送波器から送波された超音波の対象物からの反射波を受波する受波器と、を備える映像取得装置において、
前記送波器と前記対象物の間に、前記反射波を収束させる可動音響レンズを備えることを特徴とする映像取得装置。
請求項１に記載の映像取得装置において、
前記送波器の形状が断面円弧状であることを特徴とする映像取得装置。
請求項１または２に記載の映像取得装置において、
前記可動音響レンズは凸レンズ又は凹レンズであることを特徴とする映像取得装置。
請求項１から３のいずれか１項に記載の映像取得装置において、
前記送波器と、前記可動音響レンズの間に固定音響レンズを有することを特徴とする映像取得装置。
請求項４に記載の映像取得装置において、
前記固定音響レンズは凸レンズ又は凹レンズであることを特徴とする映像取得装置。