JP2017021034A

JP2017021034A - 超音波格子化３次元電気化撮像装置

Info

Publication number: JP2017021034A
Application number: JP2016151854A
Authority: JP
Inventors: 片倉　景義; Kageyoshi Katakura; 景義片倉; さゆり松本; Sayuri Matsumoto
Original assignee: National Institute of Maritime Port and Aviation Technology
Current assignee: National Institute of Maritime Port and Aviation Technology
Priority date: 2016-08-02
Filing date: 2016-08-02
Publication date: 2017-01-26
Anticipated expiration: 2031-09-07
Also published as: JP6331200B2

Abstract

【課題】重量物となる２次元収束音響レンズを必要としない、超音波３次元計測装置を提供する。
【解決手段】音響トランスジューサ素子を１次元方向に配列した送波器８と、送波器配列軸方向と直交する方向に受波素子を配列した受波器と、送波器の駆動信号と、信号処理部とを有し、送波器は、送波器配列軸方向に直交する正面方向を中心とする三次元空間に、送波器配列軸に対する方位角に対応して照射周波数の異なる超音波を放射し、信号処理部は、受波器による受信信号の同位相加算及び周波数分析を行うことにより、送波器及び受波器の各配列方向に関する方位情報を取得し、駆動信号の印加時刻から受波器への受信信号入射時刻までの超音波伝搬時間を距離情報とする超音波３次元計測装置において、送波器は、駆動信号の高周波成分を正面を含む正面近傍方向に放射し、駆動信号の低周波成分を辺縁方向に放射する。
【選択図】図８

Description

本発明は、映像取得装置に係り、海などの水中において音響信号を送波し、その対象物からの反射波により水の濁度や照度に関わらず広い空間の３次元映像を取得する３次元撮像装置に関する。

３次元撮像の実現には、基本的には、電極をマトリックス状に２次元配置する必要があり、高分解能装置の実現のためには、多数（１００００個程度）の電極が必要となり、実用化が極めて困難となる。

そこで発明者は、周波数ごとに異なる方向に超音波を掃引照射する１次元配列の送波器を有し、掃引方向と直交する方向に１次元分割した受波器を有する、３次元撮像方式を開発している。

しかし、この方法によると、２次元方向に収束特性を有する２次元収束音響レンズが必要となり、２次元収束音響レンズは重量物となるため、装置の簡易化に困難を感じている。

そこで本発明は、周波数により一次元方向を走査し、１次元配列の受波器により３次元撮像を行う方式において、２次元収束音響レンズを必要としない構成法を提供する。

周波数ごとに異なる方向に超音波を掃引照射し、３次元撮像する方式は種々知られている。

このような方法による第一の公知例は、特許文献１に示される、周波数ステアリング型２次元音響アレーにより、３次元空間の映像化を行う方法である。

この公知例における、２次元音響アレーの最も単純な構成が、図１に示す周波数ステアリング型２次元アレー１であり、音響トランスジューサ素子２、信号電極３、第１配線４、第２配線５、接地電極６及び、信号端子７により構成されている。

しかし、図１に示す最も単純な構成においても、多数（UxV）の信号電極３を２次元（マトリックス）状に配置する必要があり、高分解能装置においては、１００００個（U:100,V:100）程度の電極数が必要となり、この方式の実用化は困難である。

周波数ごとに異なる方向に超音波を掃引照射する方法による第二の公知例を、図２に示す。この方式は、発明者らによる特許文献２に示された方式である。

図２における送波器８は、方位ごとに周波数の異なる超音波を送出し、送波器８の最も簡便な構成法は、発明者らによる公知技術である特許文献３に示されている。

この公知技術による送波器８は、図４に示すように、分極軸方向２１が交互に反転して形成されている圧電素子２０の両面に、共通電極として、一対の接地電極２２と信号電極２３を形成する。

この接地電極２２と信号電極２３の間に、１本の駆動信号２５を印加すると、その信号周波数に応じて伝搬媒体９中の異なる方向に超音波波面２６を放射し、対象領域１０をx軸方向に掃引走査する。

該超音波波面２６は、送波器８の形状が棒状であることから、x軸方向には狭くz軸方向には広い扇形超音波ビーム１３となる。

ここでは、超音波波面２６が伝搬する方向を超音波波面放射方向２４とし、以下、超音波波面２６が、x軸（送波器８の配列方向）に対して傾斜する角度をθとし、z軸（仮に鉛直方向とする）に対して傾斜する角度をψとする。

送波器８の動作原理は図５に示す通りであり、接地電極２２と信号電極２３の間に、正弦波駆動信号２５を印加すると、図５の円弧に示す波面が形成され（実線と破線で位相が１８０度異なることを示す）、同時刻の隣接した波面の位相が反転しているため、送波器８の法線方向では放射音波が相殺され、傾斜した方向である超音波波面放射方向２４に超音波ビームが形成される。

図５において、周波数が高い場合には、波長が短い事から、図５のa)に示すように、高周波送波波面２７を正面近傍方向へ形成する。一方、周波数が低い場合には、波長が長い事から、図５のb)に示すように、低周波送波波面２８をより傾斜した方向へ形成する。

振動子ピッチをｄ₀とし、駆動信号の波長をλとすると、音波を放射する角度θ₀は数１となる。

（数１）
θ₀＝ｓｉｎ^-1｛λ／（２ｄ₀）｝
また、素子数をNとして、θ方向に関する遠距離音場指向特性Ｒ（θ）は、数２となる。

（数２）
Ｒ（θ）＝ｓｉｎ｛０．５Ｎ（η−γ₀）｝／ｓｉｎ｛０．５（η−γ₀）｝
η＝π、γ₀＝２πｄ₀ ｓｉｎ（θ）／λ

一方、対象物１５からの反射音波１４は、受波用の２次元収束音響レンズ１１により、図３に示す、z軸方向（鉛直方向）に電極が分割された、１次元配列の
受波検出面１２上に結像され物体像１７となる。

この受波検出面１２は圧電材料により構成され、入射音圧を分割素子１６上の電気信号に変換する。

ここで、２個の対象物（図示せず）が、z軸方向に対して傾斜する角度ψ（仰角）が同一でx軸方向に対して傾斜する角度θ（方位角）が異なる方向に存在するとし、これら対象物からの反射波面をそれぞれ、図６のa）における、高周波受信波面２９および低周波受信波面３０とする。

これら、高周波受信波面２９および低周波受信波面３０は、z軸方向に対して傾斜する角度ψが同一であることから、２次元収束音響レンズ１１により、図６のa）に示すように、全て受波検出面１２上における同一の分割素子１６上に収束され、単一の分割素子１６からの出力信号１８へ変換される。

図２の構成においては、対象物１０の方位θ（x軸方向に対して傾斜する角度）により、照射される信号の周波数が異なる事から、対象物１０の水平方向位置は、図３に示すように、素子出力信号１８中の信号周波数成分強度１９により知られる。

一方、２個の対象物（図示せず）が、x軸方向に対して傾斜する角度θ（方位角）が同一で、z軸方向に対して傾斜する角度ψ（仰角）が異なる方向に存在するとし、これら対象物からの反射波面をそれぞれ、図６のb）における、上方受信波面３１および下方受信波面３２とする。

これら、上方受信波面３１及び、下方受信波面３２は、z軸方向に対して傾斜する角度ψが異なることから、それぞれ、受波検出面１２上における、分割素子１６の異なる位置である、素子位置３３あるいは素子位置３４に収束する。

したがって、対象物への仰角（角度ψ）は、１次元配列受波検出面１２上において、信号が出現する分割素子１６の位置として知られ、これら、x軸方向及びz軸方向に対する傾斜角度情報（θ、ψ）により、対象物１５の２次元形状が知られる。

また、対象物１５までの距離（y軸方向）は、超音波の往復時間で知られる事から、これらの３情報により、三次元空間内における計測対象の形状が完全に把握される。

このように、図２の方式においては、受波用２次元収束音響レンズ１１に入射した、各反射点からの音響信号は全て、１次元配列受波検出面１２上において同位相にて加算され、装置として達成可能な最高の感度を実現することとなる。

しかし、このような動作原理から、図２の従来方式においては、２次元方向に収束特性を有する２次元収束音響レンズ１１が、必須の構成要件となる。

ここで、このような２次元収束音響レンズによる構成においては、高感度化のためにレンズの大口径化必要であり、１次元配列受波検出面１２の小面積化のためにはレンズの短焦点化も必要となる。

これらの要求から、音響レンズは必然的に厚くなり、重量が増加することから、図２に示す従来方式による、装置の簡易化は困難となる。

特表２００７−５３５１９５特公昭５２−４７６９７号公報特開昭４７−２６１６０公報特開２０１０−７１９６７公報

海洋音響学会編「海洋音響の基礎と応用」成山堂書店 2004年

本発明は、重量物となる２次元収束音響レンズを必要としない、３次元撮像方式を提供する。

本発明は、周波数により一次元方向を走査する構成において、１次元配列の送波器と１次元配列の受波器により、２次元収束音響レンズを必要としない３次元撮像方式を提供する。

具体的には、本発明に係る超音波３次元計測装置は、音響トランスジューサ素子を１次元方向に配列した送波器と、送波器配列軸方向と直交する方向に受波素子を配列した受波器と、前記送波器の駆動信号と、信号処理部とを有し、前記送波器は、前記送波器配列軸方向に直交する正面方向を中心とする三次元空間に、前記送波器配列軸に対する方位角に対応して照射周波数の異なる超音波を放射し、前記信号処理部は、前記受波器による受信信号の同位相加算及び周波数分析を行うことにより、前記送波器及び前記受波器の各配列方向に関する方位情報を取得し、前記駆動信号の印加時刻から前記受波器への受信信号入射時刻までの超音波伝搬時間を距離情報とする超音波３次元計測装置において、前記送波器は、前記駆動信号の高周波成分を前記正面を含む正面近傍方向に放射し、前記駆動信号の低周波成分を辺縁方向に放射することを特徴とする。

また、本発明に係る超音波３次元計測装置において、特定の駆動信号周波数による前記送波器からの超音波放射方位が、前記送波器配列軸に対して単一の方位角方向に限定されると好適である。

本発明により、重量物である２次元収束音響レンズが不要となり、３次元撮像用超音波撮像装置の小型軽量化が可能となる。

公知例における周波数ステアリング型２次元アレーを示す説明図。第二の公知例を示す説明図。第二の公知例による受波検出面を示した説明図。第二の公知例による送波器を示した説明図。第二の公知例による送波器の動作原理を示した説明図。第二の公知例による送受波波面の状況を示した説明図。単一位相板の構造を示した説明図。（実施例１） θ方向動作に関する全体構成を示した説明図。反射波面の同位相位置が圧電材料存在位置と一致する状況を示した説明図。 ψ方向動作に関する全体構成を示した説明図。単一位相素子への入射時刻がz軸方向位置に応じて変化する状況を示した説明図。 r₁方向以外にr₂,r₃の２方向から不要波面を受信する状況を示した説明図。反転位相板の構造を示した説明図。（実施例２）受信波面の位相と反転分極の分極軸方向とが必ず一致する状況を示した説明図。 r₁方向以外にr₂方向から不要波面を受信する状況を示した説明図。反転位相板により縦長の送波照射波面を形成する構成を示した説明図。反転位相板により狭照射波面を形成する構成を示した説明図。減衰による単一位相板の構成を示す説明図。（実施例３）散乱による単一位相板の構成を示す説明図。接地電極による単一位相板の構成を示した説明図。透過による反転位相板の構成を示した説明図。（実施例４）透過による平面構成の反転位相板の構成を示した説明図。散乱による構成の反転位相板の構成を示した説明図。９０度位相素子による送波ビームの単方向化の構成を示した説明図。（実施例５）高インピーダンス垂直反射壁による送受波の単方向化を示した説明図。（実施例６）直交配置反転分極板による送受波の単方向化を示した説明図。低インピーダンス垂直反射壁による送受波の単方向化を示した説明図。傾斜反射板による正面観察構成を示した説明図。（実施例７）傾斜反射板を使用する受波構成の３次元的な全体配置説明図。屈折構造物による正面観察構成を示した説明図。（実施例８）単一の送波器の動作特性を示した説明図。分割送波器の動作と問題点を示した説明図。分割送波器により送波し反転位相板により受波する構成を示した説明図。（実施例９）１次元収束音響レンズによる構成を示した説明図。（実施例１０）

２次元収束音響レンズの不要化を可能とする各種構成を、実施例により以下に詳述する。

本発明による第１の実施例においては、図７に示す、単一位相板３８を使用することにより、２次元収束音響レンズの不要化を可能とする。

単一位相板３８は、図７に示す、単一位相素子３９を、z軸方向に配列した構成と見做され、接地電極４３は単一位相板３８の背面全面に共通形成される。

ここで、単一位相素子３９は、圧電材料４０と非圧電材料４１とを交互に配置し、圧電材料４０を共通接続して信号電極４２とし、信号電極４２は信号端子４４を有し、分極軸方向２１の矢印により示すように、圧電材料４０の分極軸は同一方向に整列されている。

本実施例の、θ方向動作に関する全体構成を図８に示す。本実施例においては、単一位相板３８の水平軸（図７のx軸方向）を、送波器８の中心軸（x軸）と平行に配置させる。また、図７に示す単一位相素子３９の配列間隔d₁を、送波器８の素子間隔d₀と一致させて構成する。

このような構成において、送波器８の駆動信号周波数を変化させることにより、照射方位θを変化させ、図８に示す、高周波送波波面２７および低周波送波波面２８を送波する。

ここで、図６のa）と同様に、２個の対象物（図示せず）が、z軸方向に対して傾斜する角度ψ（仰角）が同一で、x軸方向に対して傾斜する角度θ（方位角）が異なる方向に存在するとし、これら対象物からの反射波面をそれぞれ、図８における、高周波受信波面２９および低周波受信波面３０とする。

これら、高周波受信波面２９および低周波受信波面３０は、図９に示すように、単一位相板３８の水平軸と送波器８の中心軸（x軸）とが平行であり、単一位相素子３９の配列間隔d₁と送波素子の配列間隔d₀とが同一であることから、受信波面の同位相位置が、単一位相素子３９における圧電材料４０の存在位置と必ず一致する。

このため、単一位相素子３９は必ず、入射波面２９、３０の同位相部分のみを電気信号に変換することとなり、どのような角度θ（方位角）から入射する波面に対しても、受信信号を自動的に同位相加算し、信号端子４４に出力する。

従って、単一位相素子３９を使用することにより、角度θ（方位角）方向に関する指向性合成処理は不要となる。

一方、本実施例の、ψ方向動作に関する全体構成は図１０となる。

図１０において、図６のb）に対応する、２個の対象物（図示せず）が、x軸方向に対して傾斜する角度が同一（θ₁）で、z軸方向に対して傾斜する角度が異なる方向（ψ₁およびψ₂）に存在するとし、照射波面４６による、これら対象物からの反射波面をそれぞれ、上方受信波面４７（ψ₁）および正面受信波面４８（ψ₂=0）とする。

ここで、上方受信波面４７は、z軸方向に対して角度ψ₁だけ傾斜しているため、図１１に示すように、単一位相素子３９への入射時刻が、z軸方向位置に応じて変化する。

このため、同位相加算を行うためには、単一位相板３８からのV個の信号に対し、z軸方向に関する指向性合成処理が必要となる。

この指向性合成処理は非特許文献１に詳述されていて、一例としては、図１１に示す垂直指向性合成部３７において、遅延回路４９の遅延時間端子５０を上方受信波面４７の傾斜角ψ₁に対応して選択することにより受信信号５１における信号の時間差あるいは位相差を補償し、補償された信号を同位相加算することにより行われる。

この指向性合成処理により、角度ψ₁だけ傾斜した上方受信波面４７は上方受信出力５２として出力され、正面方向受信波面４８は、正面受信出力５３として、それぞれ独立に出力される。

したがって、これらx軸方向及びz軸方向に対する傾斜角度情報（θ、ψ）により、対象物１５の２次元形状が知られる。

また、対象物１５までの距離（y軸方向）は、超音波の往復時間で知られる事から、これらの３情報により、三次元空間内における計測対象の形状が完全に把握され、本実施例による１次元配列の単一位相板３８により、音響レンズを必要としない３次元撮像が実現されることとなる。

以上の処理は、全て同位相の信号加算であり、水平方向（x軸方向）および、垂直方向（z軸方向）の種々の位置から受信される、高周波受信波面２９、低周波受信波面３０、上方受信波面４７および、正面方向受信波面４８の全てが、同位相加算され最大の受信信号５２、５３として出力される。

但し、図７に示す単一位相板３８によると、受波面積の半分が非圧電性であり、この部分に入射した音波は感度に貢献しない。

また、単一位相素子３９の場合には、図１２のa)に示すように、正面方向（r₃方向）からの波面も同位相加算されるため、目的とするr₁方向からの超音波波面２６以外に、r₂,r₃の計２方向から不要波面５４および、正面不要波面５５を受信してしまう。

ここで、送波器８を使用すると、分極軸反転の効果により、図１２のb)に示すように、正面不要波面５５の原因となるr₃方向へは放射しないため、r₂方向への不要応答である不要波面５４のみが問題となる。

このため、単一位相板３８および、送波器８による構成においては、r₂方向への不要応答を抑圧する手段が必要となるが、r₂方向への不要放射抑圧は、音波吸収壁の設置等、以下に述べる種々の手法により実現される。

垂直指向性合成部３７における遅延回路４９は、通常のアナログ遅延線あるいは、A/D変換器とディジタルメモリーの組み合わせにより容易に実現される。

図７に示す単一位相板３８によると、受波面積の半分が非圧電性であり、この部分に入射した音波は無効となり、受信信号強度に貢献しない。

そこで本発明による第２の実施例においては、図１３に示す反転位相板５６を使用する。

反転位相板５６は、反転位相素子５７を、z軸方向に配列した構成と見做され、接地電極４３は反転位相板５６の背面全面に共通形成される。

ここで、反転位相素子５７は、分極軸方向２１が交互に反転している反転分極圧電材料５８を使用し、反転分極圧電材料５８を共通接続して信号電極４２とし、信号電極４２は信号端子４４を有する。

本実施例の、反転位相板５６による撮像法においては、図１４に示すように、反転位相板５６の水平軸を、送波器８の中心軸（x軸）と平行に配置させ、さらに、反転位相素子５７の分極軸反転周期d₂を、送波器８の素子間隔d₀を、一致させて構成する。

このような構成において、送波器８の駆動信号周波数を変化させることにより、照射方位θを変化させ、図１４に示す、高周波送波波面２７および低周波送波波面２８を送波し、対象物からの反射波を反転位相板５６により受波する。

ここで、図６のa）と同様に、２個の対象物（図示せず）が、z軸方向に対して傾斜する角度ψ（仰角）が同一で、x軸方向に対して傾斜する角度θ（方位角）が異なる方向に存在するとし、これら対象物からの反射波面をそれぞれ、図１４における、高周波受信波面２９および低周波受信波面３０とする。

これら、高周波受信波面２９および低周波受信波面３０は、単一位相板３８の水平軸と送波器８の中心軸（x軸）とが平行であり、単一位相素子３９の配列間隔d₁と送波素子の配列間隔d₀とが同一であることから、図１４に示すように、高周波受信波面２９および、低周波受信波面３０の位相と、反転位相素子５７における反転分極圧電材料５８の分極軸方向２１とが必ず一致する。

このため、単一位相素子３９は必ず、高周波受信波面２９および、低周波受信波面３０の逆位相部分を位相反転し、全て同位相の電気信号に変換する。

従って、どのような角度θ（方位角）から入射する波面に対しても、反転位相素子５７は受信信号を自動的に同位相加算し、信号端子４４に出力する。

このことから、反転位相素子５７を使用することにより、角度θ（方位角）方向に関する指向性合成処理は不要となる。

一方、鉛直面内に関しては、図１１と同様に、反転位相板５６をｚ軸方向にV分割して形成した、反転位相素子５７の各受信信号５１を、遅延回路４９により指向性合成処理することにより、鉛直（ψ）方向の方位分解能が形成される。

したがって、これらx軸方向及びz軸方向に対する傾斜角度情報不（θ、ψ）により、対象物１５の２次元形状が知られる。

また、図１３に示す反転位相板５６は、受波口径全体が圧電性であり、入射した全ての音波が受信信号の強度に貢献することとなる。

ここで、図１５のa)に示す反転位相素子５７は、超音波波面２６と不要波面５４に応答し、図１５のb)に示す分極軸反転による送波器８も同様に、超音波波面２６と不要波面５４に応答する。

従って、反転位相板５６と分極軸反転による送波器８を組み合わせる構成の場合には、不要波面５４は抑圧されないため、送波器と受波器を個別に具備する効果は、単一位相板３８の場合に比して、減殺される。

このため、反転位相板５６の場合には、図１６のように、送信信号源５９を信号端子４４の一部へ接続することにより、送波器８と同様に、縦長の部分送波照射波面６０を形成する構成も可能となる。

さらに、図１７に示すように、反転位相板５６上の全信号端子４４を、遅延回路４９による遅延時間制御により駆動すると、z軸方向にも狭い狭照射波面６１、６２の形成も可能となる。

このように、反転位相板５６による場合には、反転位相板５６を送受兼用とすることにより、専用の送波器を不要とする構成も可能である。

また、反転位相板５６と分極軸反転による送波器８を組み合わせる構成の場合においても、図１５のa),b)と同様に、r₂方向への不要波面５４は残存するため、r₂方向への不要波面５４に対する遮蔽処理あるいは、送波器８における送波方向の単一化等の対策が必要となる。

単一位相板の各種構成法を実施例により説明する。

減衰による単一位相板の構成を図１８に示す。

図１８に示す、減衰単一位相板６３は、圧電材料６４上に、吸音材６５を配置することにより実現される。

この構成によると、逆位相部分は減衰することから、同位相加算が実現する。この構成は、周波数走査型の送波器としても利用できる

散乱による単一位相板の構成を図１９に示す。

散乱単一位相板６６は、圧電材料６４上に、音響インピーダンスが伝搬媒体９と異なる散乱体６７を配置することにより実現される。

この構成によると、逆位相波面部分が散乱信号４５として後方散乱されることから、同位相加算が実現する。

この構成は、周波数走査型の送波器としても利用できる。

接地電極による単一位相板の構成を図２０に示す。

接地電極単一位相板６８は、圧電材料６４上に、間歇型接地電極６９を配置し、この間歇型接地電極６９を接地結線７０により共通接続することにより実現される。

この構成によると、間歇型接地電極６９の存在位置の信号が信号端子４４に出力されることから、同位相加算が実現する。

この構成は、周波数走査型の送波器としても利用できる

反転位相板の各種構成法を実施例により説明する。

本実施例における、透過による反転位相板の構成を図２１に示す。

透過反転位相板７１は、圧電材料６４上に、透過材７２を間歇的に配置する。

ここで、透過材７２の音速を伝搬媒体９の音速と異なる材質とし、透過信号と直達信号間に半波長の位相差を形成することにより、同位相加算を実現する。

両透過信号間に、半波長の位相差を形成するのに要する透過材７２の厚さtは、伝搬媒体９中の音速をc₀、透過材７２中の音速をc₁とし、c₁<c₀とすると、使用する信号の中心周波数をf₀として、数３となる。

（数３）
t/c₁-t/c₀=1/(2f₀)
f₀t(1/c₁-1/c₀)=1/2

ここで、伝搬媒体９中の波長をλ₀(=c₀/f₀)、透過材７２中の波長をλ₁(=c₁/f₀)、波長の比をn(=λ₀/λ₁=c₀/c₁)とすると、数３は数４となる。

（数４）
t(1/λ₁-1/λ₀)=1/2
t(λ₀/λ₁-1)= λ₀/2
t=(1/2)λ₀/(n-1)

ここで、具体例として、c₀ ：水(1500m/s)、c₁ ：シリコンゴム(1000m/s)、λ₀：1mm(1.5MHz)とすると、t=(1/2)λ₀/(n-1)=(1/2)1/(1.5-1)=1(mm)となり、約1mmのシリコンゴムにより半波長の位相差を形成する。

この構成は、周波数走査型の送波器としても利用できる。

透過による平面構成の反転位相板である透過平面反転位相板７３の構成は、図２２に示すように、圧電材料６４上に、高音速材料７４と低音速材料７５とを交互に配置することにより、透過信号間に半波長の位相差を形成し同位相加算を実現する。

この構成において、半波長の位相差を形成するのに必要となる厚さt’は、高音速材料７４の音速をc₂、低音速材料７５の音速をc₁、周波数をf₀とし、c₁<c₂とすると、数５となる。

（数５）
t'/c₁-t'/c₂=1/(2f₀)
f₀t'(1/c₁-1/c₂)=1/2

ここで、低音速材料７５中の波長をλ₁(=c₁/f₀)、高音速材料７４中の波長をλ₂(=c₂/f₀)、波長の比をn’(=λ₂/λ₀=c₂/c₁)とすると、数５は数６となる。

（数６）
t'(1/λ₁-1/λ₂)=1/2
t'(λ₂/λλ₁-1)=λ₂/2
t'=(1/2)λ₂/(n-1)

ここで、具体例として、c₂ ：エポキシ(2500m/s)、c₁ ：シリコンゴム(1000m/s)、λ₂：1mm(2.5MHz)とすると、t’=(1/2)λ₂/(n-1)=(1/2)1/(2.5-1)=1/3(mm)となり、約0.3mmのエポキシとシリコンゴムの交互配置により、半波長の位相差を形成する。

この構成によると、表面形状が平面となり、使用時の信頼性が向上するすると同時に、貼付材料の厚さが薄くなり、材料中の音波減衰が軽減される。

この構成は、周波数走査型の送波器としても利用できる

散乱による構成の反転位相板の構成を図２３に示す。

散乱反転位相板７６は、圧電材料６４上に、棒状の、高音響インピーダンス散乱体７７と低音響インピーダンス散乱体７８とをx軸方向に交互に配置し、面状の１次元回折格子を形成する。

このような散乱体による散乱波面は交互に位相反転し、全て同位相となることから、散乱平行平面波７９を形成し、同位相加算が実現される。

この構成は、本実施例に限られるものではなく、入射方向への後方散乱波を利用する構成、あるいは、周波数走査型の送波器として利用する構成も可能である。

単一位相板３８あるいは、反転位相板５６による構成においては、送波ビームの単方向化が必須となるが、ここでは図２４に示す、９０度位相素子による送波ビームの単方向化を実施例により説明する。

本実施例においては、送波器８として、発明者らにより特許文献３に示された公知技術である、図２４の９０度位相素子８０を併用することにより、目的とする超音波波面２６のみを送波する。

図２４に示すように、９０度位相素子８０は、同一分極軸方向の領域に第１分割信号電極８１および、第２分割信号電極８２を有し、それぞれを第１駆動信号線８３、第２駆動信号線８４に共通接続する。

ここで、信号発生器（図示せず）により、互いに９０度の位相差を有する駆動信号S₀および、S₉₀を発生し、駆動信号S₀を第１駆動信号線８３に印加し、駆動信号S₉₀を第２駆動信号線８４に印加する。

この信号印加法と分極軸反転の作用とにより、９０度位相素子８０の各素子から、位相差９０度の４相信号が送波され、r₂方向への不要信号である不要波面５４の放射は抑圧され、目的方向r₁への超音波波面２６のみが形成される。

従って、単一位相板３８あるいは、反転位相板５６のような、装置規模の制約上、目的方向以外からの不要信号も同時に受信してしまう、不十分な受信構成においても、送波器として９０度位相素子８０を使用することにより、目的信号r₁方向の反射体のみを検出する装置として完成される。

この、９０度位相素子８０は、駆動信号の接続位置を交換し、第１駆動信号線８３に駆動信号S₉₀を接続し、第２駆動信号線８４に駆動信号S₀を接続することにより、r₂方向のみへ送波する動作に変更することができる。

単一位相板３８あるいは、反転位相板５６による構成においては、送波ビームの単方向化が必須となるが、ここでは垂直壁反射による送受波の単方向化を実施例により説明する。

この実施例は、図２５のa)における圧電素子２０の位置Aに、図２５のb)に示す、音響インピーダンスが媒質９よりも高い材料により構成された高インピーダンス垂直反射壁８５を、x軸に対して直交配置することにより、不要波面５４の伝搬方向を反転させ、同相反転波面３５とすることにより、合成目的波面８６のみの送波を可能とする。

この構成によると、さらに、実装素子８７の他に、鏡像素子８８が形成され、実効的に２倍の口径となることから、解像度も２倍となる効果を有する。

ここで、図２６に示すように、媒質９の音響インピーダンスよりも高い音響インピーダンスの圧電材料により構成された、一対の直交配置反転分極板８９、９０を、図２５のa)における位置Aに対応する直交関係位置に配置し、直交配置反転分極板９０を駆動すると、直交配置反転分極板８９が図２５のb)における高インピーダンス垂直反射壁８５として動作し、図２５のb)と同様に、図２６における単一の合成目的波面８６のみを送波し、実効口径も直交配置反転分極板９０単体の口径に対してほぼ２倍となる。

この構成において、逆に、直交配置反転分極板８９を使用すると、正面（y”軸）方向に関して対称となる方向の観察が可能となる。

また、図２７のa)における、圧電素子２０の中間位置Bに、音響インピーダンスが媒質９よりも低い材料により構成された低インピーダンス垂直反射壁９１を配置することにより、不要波面５４の伝搬方向を反転させ、逆相相反転波面３６とすることにより、合成目的波面８６のみを送波する。

この構成によると、図２５と同様に、実装素子９２の他に、逆位相の鏡像素子９３が形成され、実効的に２倍の口径となり、解像度も２倍となる。

この場合には、音響インピーダンスが媒質９よりも低い材料であり、垂直反射壁９１が軽量化される。

この垂直壁反射による構成は、本発明における受波器としても利用できる。

さらに、この構成は、本発明方式に限らず、音響レンズ方式など、他の周波数走査型の超音波撮像装置にも、一般的に広く利用可能である。

通常の、単一位相板３８あるいは、反転位相板５６による構成においては、正面方向（y軸方向）に対して大きく傾斜した方向の波面が対象となり、正面近傍方向は観察できない。

以下、傾斜反射板による正面観察構成につき詳細に説明する

本実施例においては、図２８に示す、傾斜反射板９４を使用することにより、受信波面２６、不要波面５４の伝搬方向を変換し、正面近傍波面９５、正面近傍不要波面９６とする。

ここで、変換対象とする波面の入射角をθ₁とし、この波面を正面方向からの波面へ変換するために必要とされる、傾斜反射板９４の頂角ε₁は、数７により与えられる。

（数７）
ε₁=(π/4-θ₁)/2

傾斜反射板９４を使用する受波構成の、３次元的な全体配置を、図２９に示す。

この動作は、送波においても同様であり、反転位相板５６の代わりに、図２４の９０度位相素子８０を使用すると、単方向送波となるため、正面近傍不要波面９６の有効利用が可能となり、正面方向近傍の左右視野に対する、選択的な送波が可能となる。

通常の、単一位相板３８あるいは、反転位相板５６による構成においては、正面方向（y軸方向）に対して大きく傾斜した方向の波面が対象となり、正面方向は観察できない。

以下、本実施例により、屈折構造物による正面観察構成につき詳細に説明する

本実施例においては、図３０に示す、屈折構造物９７を使用することにより、受信波面２６、不要波面５４の伝搬方向を変換し、正面近傍波面９５、正面近傍不要波面９６とする。

ここで、変換対象とする波面の入射角をθ₁とし、この波面を正面方向からの波面へ変換するための屈折構造物９７の頂角ε₂は、伝搬媒体９中の音速をc₀、屈折構造物９７中の音速をc₁として、数８の関係となる。

（数８）
(π/4-α)+ε₂=θ₁
sinα/sinε₂=c₁/c₀

数８の関係から、屈折構造物９７の頂角ε₂は、数９の根により与えられる。

（数９）
ε₂-sin^-1(c₁sinε₂/c₀)=θ₁-π/4

送波においても、このような屈折構造物９７により、同様に正面近傍方向への送波が可能となる。

また、反転位相板５６の代わりに、図２４の９０度位相素子８０を使用すると、単方向送波となるため、正面方向近傍の左右視野に対する、選択的な送波が可能となる。

周波数走査法においては、距離分解能の改善が課題となる。

本実施例においては、発明者らによる、特許文献４に示された公知技術である分割送波器を使用する。この分割送波器と、単一位相板３８あるいは反転位相板５６との併用構成により距離分解能の改善を図る。

図３１のa)に示す、単一の送波器８を、分極区域数の半数以上の波数からなる駆動信号
９８により駆動すると、図３１のb)に示す良好な指向特性となるが、長い駆動信号９８を使用するため、距離分解能が低下する。

そこで、例えば、図３２のa)に示すように、送波器８を２分割し分割送波器９９とすると、分割駆動信号１００の所要波数が半分となり、距離分解能が２倍に向上する。

しかし、この構成においては、図３２のa)においてr’,r”として示す不要波面により、図３２のb)に示す不要応答r’,r”等が出現し、指向特性が劣化する。

そこで本発明においては、一例として、図３３のa)に示すように、分割送波器９９により送波し、反転位相板５６により受波する構成とし、反転位相板５６の幅W_U’を、分割送波器９９における単一の分割口径幅W_Uと一致させる。

図３３のa)に示す構成による指向特性は、方位分解能は送波指向性と受波指向性の積となることから、不要応答が抑圧され、図３３のb)に示す良好な特性となる。

このように、分割送波器９９により送波し、単一位相板３８あるいは反転位相板５６により受波する構成により、高い方位分解能を維持したままで、距離分解能の改善が可能となる。

また、方位分解能は送波指向性と受波指向性の積となることから、面状の受波器と棒状の送波器とによる構成においては、一般的に、送波器の大口径化による方位分解能の向上が装置構成上有利である。

本実施例においては、図３４に示すように、周波数走査方向に直交する方向にのみ収束特性を有する１次元収束音響レンズ１０１を使用することにより、上方受信波面４７および、正面方向受信波面４８は、z軸方向に対して傾斜する角度ψが異なることから、それぞれ、上方受信出力５２および、正面受信出力５３として分離して出力される。

このため、鉛直指向性合成部３７が不要となる。

ここで、通常の矩形開口とすると、１次元収束音響レンズ１０１の厚さは、２次元収束音響レンズ１１の半分となり、軽量化が可能である。

以上の実施例においては、対象物が遠方にあるとして、入射波を平面波として説明したが、近傍に存在する対象物からの球面波も、２次元収束音響レンズの利用により平面波に変換できることから、本発明は、このような実施例に限られるものではなく、近傍対象物の高分解能撮像にも適用可能であることは、当業者には容易に理解可能である。

また、図１１に示す実施例においては、鉛直指向性合成部３７における遅延時間端子５０の選択位置を直線状としているが、本発明はこのような実施例に限られるものではなく、選択位置を凹面状とすることにより、一次元収束音響レンズとの併用等により、近傍対象物の高分解能撮像にも適用可能であることは、当業者には容易に理解可能である。

本発明によると、簡便な装置により、超音波による３次元撮像が実現される。

１周波数ステアリング型２次元アレー
２音響トランスジューサ素子
３信号電極
４第１配線
５第２配線
６接地電極
７信号端子
８送波器
９伝搬媒体
１０対象領域
１１２次元収束音響レンズ
１２１次元配列受波検出面
１３扇形超音波ビーム
１４反射音波
１５対象物
１６分割素子
１７物体像
１８素子出力信号
１９信号周波数成分強度
２０圧電素子
２１分極軸方向
２２接地電極
２３信号電極
２４超音波波面放射方向
２５駆動信号
２６超音波波面
２７高周波送波波面
２８低周波送波波面
２９高周波受信波面
３０低周波受信波面
３１上方受信波面
３２下方受信波面
３３素子位置
３４素子位置
３５同相反転波面
３６逆相反転波面
３７鉛直指向性合成部
３８単一位相板
３９単一位相素子
４０圧電材料
４１非圧電材料
４２信号電極
４３接地電極
４４信号端子
４５散乱信号
４６照射波面
４７上方受信波面
４８正面方向受信波面
４９遅延回路
５０遅延時間端子
５１受信信号
５２上方受信出力
５３正面受信出力
５４不要波面
５５正面不要波面
５６反転位相板
５７反転位相素子
５８反転分極圧電材料
５９送信信号源
６０部分送波照射波面
６１狭照射波面
６２狭照射波面
６３減衰単一位相板
６４圧電材料
６５吸音材
６６散乱単一位相板
６７散乱体
６８接地電極単一位相板
６９間歇型接地電極
７０接地結線
７１透過反転位相板
７２透過材
７３透過平面反転位相板
７４高音速材料
７５低音速材料
７６散乱反転位相板
７７高音響インピーダンス散乱体
７８低音響インピーダンス散乱体
７９散乱平行平面波
８０９０度位相素子
８１第１分割信号電極
８２第２分割信号電極
８３第１駆動信号線
８４第２駆動信号線
８５高インピーダンス垂直反射壁
８６合成目的波面
８７実装素子
８８鏡像素子
８９直交配置反転分極板
９０直交配置反転分極板
９１低インピーダンス垂直反射壁
９２実装素子
９３鏡像素子
９４傾斜反射板
９５正面近傍波面
９６正面近傍不要波面
９７屈折構造物
９８駆動信号
９９分割送波器
１００分割駆動信号
１０１１次元収束音響レンズ

Claims

音響トランスジューサ素子を１次元方向に配列した送波器と、送波器配列軸方向と直交する方向に受波素子を配列した受波器と、前記送波器の駆動信号と、信号処理部とを有し、
前記送波器は、前記送波器配列軸方向に直交する正面方向を中心とする三次元空間に、前記送波器配列軸に対する方位角に対応して照射周波数の異なる超音波を放射し、
前記信号処理部は、前記受波器による受信信号の同位相加算及び周波数分析を行うことにより、前記送波器及び前記受波器の各配列方向に関する方位情報を取得し、
前記駆動信号の印加時刻から前記受波器への受信信号入射時刻までの超音波伝搬時間を距離情報とする超音波３次元計測装置において、
前記送波器は、前記駆動信号の高周波成分を前記正面を含む正面近傍方向に放射し、前記駆動信号の低周波成分を辺縁方向に放射することを特徴とする超音波３次元計測装置。
請求項１に記載の超音波３次元計測装置において、
特定の駆動信号周波数による前記送波器からの超音波放射方位が、前記送波器配列軸に対して単一の方位角方向に限定されることを特徴とする超音波３次元計測装置。