JP2018054330A

JP2018054330A - 検査装置

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Publication number: JP2018054330A
Application number: JP2016187234A
Authority: JP
Inventors: 白水　信弘; Nobuhiro Shiromizu; 信弘白水; 幸修田中; Yukinaga Tanaka
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2016-09-26
Filing date: 2016-09-26
Publication date: 2018-04-05
Anticipated expiration: 2036-09-26
Also published as: JP6709710B2

Abstract

【課題】反射波の測定精度を向上させる技術の提供を目的とする。【解決手段】検査装置であって、対象物に照射する測定信号を出力する測定信号発信部と、前記対象物からの反射波を用いて第１の合波信号を出力する信号合成部と、前記信号合成部から出力された前記第１の合波信号の振幅と位相を検出して第１の検出信号を出力する検出部と、前記第１の検出信号と逆位相の参照信号を出力する参照信号発信部と、を備え、前記信号合成部は、前記参照信号発信部により出力された前記参照信号が入力されると、前記参照信号と前記反射波とを用いて第２の合波信号を出力し、前記検出部は、前記第２の合波信号の振幅と位相とを用いた第２の検出信号を出力することを特徴とする。【選択図】図１

Description

本発明は、検査装置に関する。

特許文献１には、電磁波によりトンネル構造物を検査する装置に関する技術が開示されている。同文献の実施例中、第２図の説明において、「受信アンテナ１２は直接反射波を受信する向きに配置され、受信アンテナ１４は直接反射波以外の、トンネル内の多重反射波を受信する向きに配置されている。」とある。また、実施例中の「（６）トンネル掘削切羽の地質調査」において、「受信アンテナ１２．１４により受信された電波はアンプ２８．３０により増幅され、演算処理回路３４．３６に印加される。演算処理回路３４、３６は、トリガ発生回路２４の発生するトリガ信号を参照して、各周波数成分について反射波の有無及び遅延時間を求める。即ち、演算処理回路３４．３６は、分割された周波数帯域毎に、反射遅延時間に相当する位相で、反射強度に応じた振幅の反射強度パルス信号を出力する。」と記載されている。

特許第２８４４８１６号

構造物や工業製品の内部を検査する検査装置では、対象物表面に直接反射した反射波と、対象物の内部などに対する反射波とを測定する。２つの反射波の振幅比が検出器のダイナミックレンジを超えれば、少なくとも一方の反射波の測定は困難となる。

本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであって、反射波の測定精度を向上させる技術の提供を目的とする。

本願は、上記課題の少なくとも一部を解決する手段を複数含んでいるが、その例を挙げるならば、以下の通りである。

上記課題を解決するため、本発明の一態様に係る検査装置は、対象物に照射する測定信号を出力する測定信号発信部と、前記対象物からの反射波を用いて第１の合波信号を出力する信号合成部と、前記信号合成部から出力された前記第１の合波信号の振幅と位相を検出して第１の検出信号を出力する検出部と、前記第１の検出信号と逆位相の参照信号を出力する参照信号発信部と、を備え、前記信号合成部は、前記参照信号発信部により出力された前記参照信号が入力されると、前記参照信号と前記反射波とを用いて第２の合波信号を出力し、前記検出部は、前記第２の合波信号の振幅と位相とを用いた第２の検出信号を出力することを特徴とする。

本発明によれば、反射波の測定精度を向上させる技術を提供することができる。

上記した以外の課題、構成、及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

第１の実施形態における検査装置の構成例を示すブロック図である。検査装置による内部目標物の検査の一例を示すフローチャートである。検査部のダイナミックレンジと反射波の振幅比に関する模式図である。測定箇所を移動する場合の測定方法の一例を示す模式図である。検査装置の構成例を示すブロック図である。第２の実施形態における検査装置の構成例を示すブロック図である。第３の実施形態における参照信号発信部の構成例を示すブロック図である。

トンネルや橋梁などの構造物や、樹脂部品などの工業製品等の対象物の内部を検査する検査装置では、電磁波を対象物に照射して反射波又は透過波を観測し、振幅の変化や位相差を測定している。これにより、対象物を破壊せずに、対象物の内部にある空隙や異物等の内部目標物を観測可能である。

観測の際には、例えばミリ波やテラヘルツ波が有用である。ミリ波やテラヘルツ波は、より高い周波数帯の電磁波である遠赤外線と比べ、紙や木、プラスチックなどの多くの物質に対する透過性において優れ、一方でより低い周波数帯の電磁波であるマイクロ波と比べ、直進性や分解能において優れている。

対象物内部の検査においては、対象物の表面に反射した表面反射波と、内部目標物に反射した内部反射波との測定が肝要である。検出器にはダイナミックレンジが存在するため、表面反射波及び内部反射波の振幅比が大きい場合、少なくともどちらかの反射波の測定は困難である。特に、ミリ波又はテラヘルツ波を照射する場合、対象物の内部で生じる電磁波吸収により、内部反射波の減衰がより大きくなるため、内部反射波の信号が検出器の下限値を下回る可能性が高い。またその場合、表面反射波と内部反射波との振幅比は増大する傾向にある。

一方で、内部反射波の信号を、検出器の下限値以上となるよう増幅すると、表面反射波の信号が検出器の上限値を超えるため、正常な測定ができなくなる。なお、ミリ波及びテラヘルツ波を検出する検出器において、およそ３０ｄＢ以上のダイナミックレンジの実現は困難である。

図５は、検査装置の構成例を示すブロック図である。本検査装置は、対象物７に電磁波を照射し、内部目標物８である空隙、異物等から反射した内部反射波の振幅及び位相の変化を観測する装置である。

測定信号発信部１は測定信号１０１を出力する。測定信号１０１は、分岐部３で照射信号１０２と検出測定信号１１１とに分岐される。照射信号１０２は、送信アンテナ４で照射波１０３に変換され、電磁波として対象物７に照射される。対象物７の表面に反射した表面反射波１０４と、内部目標物８に反射した内部反射波１０５とが、受信アンテナ５で受信され、受信信号１０８に変換される。検出部１１には、受信信号１０８と検出測定信号１１１とが入力される。

検出部１１は、受信信号１０８と検出測定信号１１１を混合して復調し、受信信号１０８に比例する電圧振幅と、受信信号１０８及び検出測定信号１１１の位相差を得る（ホモダイン検波）。検出部１１は、得た電圧振幅と位相差とを検出信号１１２として出力する。検出信号１１２が入力された信号処理部１２は、検出信号１１２から内部反射波１０５の振幅と位相とを抽出して内部検出信号１１３を生成し、出力する。

この構成において、信号処理部１２は受信信号１０８から表面反射波１０４を差し引いて内部検出信号１１３を抽出するために、内部目標物８のない、健全な部位での対象物７の表面反射波１０４を予め測定しておく。その後、信号処理部１２は、対象物７の測定対象箇所に照射波１０３を照射することにより得た検出信号１１２から、演算処理により表面反射波１０４の成分を差し引くことにより、内部検出信号１１３を抽出する。

しかしながら、表面反射波１０４と内部反射波１０５との振幅比が大きい場合、検出部１１が許容する振幅比、すなわちダイナミックレンジを超えてしまい、内部反射波１０５が消失してしまう。その結果、信号処理部１２は内部反射波１０５の振幅と位相とを抽出することができない。

そこで、本発明は、以下に示す代表的な手段を用いて、内部反射波１０５の測定結果の抽出精度を向上させる。

（１）表面反射波による表面反射信号の振幅と位相とを測定するとともに、表面反射信号と振幅が等しく逆位相となる参照信号を生成する。表面反射信号と内部反射信号とが合成された受信信号に対し、参照信号を合波することにより、表面反射信号の成分を低減する。

その結果、表面反射信号の振幅に対する内部反射信号の振幅が相対的に増加するため、振幅比が検出部のダイナミックレンジに収まり、内部反射信号を精度よく測定することが可能となる。表面反射信号が外的要因により変動する場合であっても、変動による内部反射信号への影響を低減することができる。

（２）（１）の検出装置において、入力された信号の振幅と位相とをより正確に測定するために、検出部において、入力された信号から中間周波数信号を生成し、中間周波数信号を用いて振幅と位相とを測定する。周波数変動による誤差を抑制するため、測定信号から得られる参照中間周波数信号と、対象物からの反射波に基づいて生成された信号から得られる測定中間周波数信号との２つの中間周波数信号を用いる。

（３）（１）の検出装置において、参照信号を生成する際に、表面反射波の振幅及び位相を用いて信号を変換する振幅位相制御器を設ける。

＜第１の実施形態＞

以下、図面に基づいて本発明の実施形態の例を説明する。図１は、第１の実施形態における検査装置の構成例を示すブロック図である。本実施形態における検査装置は、測定信号発信部１と、参照信号発信部２とを備える。測定信号発信部１及び参照信号発信部２は、各々、ガンダイオード、ショットキーバリアダイオード、共鳴トンネルダイオード、又はトランジスタ等の電子デバイスを用い、およそ３０ＧＨｚから１０ＴＨｚの周波数で連続発振する発信器で構成される。

また、検査装置は、基準信号発信部１４を備える。基準信号発信部１４は、測定信号発信部１及び参照信号発信部２よりも低い周波数の基準信号１１５を出力する。測定信号発信部１と、参照信号発信部２とは、各々基準信号１１５に同期させて、測定信号１０１と参照信号１０６とを出力する。なお、参照信号発信部２は、後述の振幅位相信号１１４が参照信号発信部２に入力される前の段階において、測定信号１０１と参照信号１０６との位相変動が２度以下、すなわち±１度以内となるよう参照信号１０６を出力する。

なお、基準信号発信部１４をマイクロ波帯高精度信号発生器とし、測定信号発信部１及び参照信号発信部２は、基準信号１１５の周波数を逓倍して出力する逓倍器で構成してもよい。

参照信号発信部２には、対象物７の表面に反射した表面反射波１０４による表面反射信号の振幅及び位相を示す信号であって、以下に示す信号処理部１２より出力される振幅位相信号１１４が入力される。参照信号発信部２は、表面反射信号と振幅が等しく逆位相となる参照信号１０６を出力する。逆位相とは、表面反射信号との位相差が１８０度である状態である。なお、逆位相には、表面反射信号との位相差１８０度に加え、前述の位相変動による位相誤差が含まれる。

測定信号発信部１から出力された測定信号１０１は、分岐部３によって、照射信号１０２と検出測定信号１１１とに分岐される。照射信号１０２は送信アンテナ４によって照射波１０３に変換され、対象物７に照射される。対象物７の表面に反射した表面反射波１０４と、内部目標物８に反射した内部反射波１０５とは、受信アンテナ５で受信され、受信信号１０８に変換される。

送信アンテナ４及び受信アンテナ５は、例えばホーンアンテナやパラボラアンテナを用いることができる。なお、送信アンテナ４と対象物７との間、又は受信アンテナ５と対象物７との間には、所望の範囲や位置に電磁波を照射するために、レンズやミラーを設けてもよい。また、検査装置は、測定信号１０１に対して、周波数変調やパルス変調を行うよう構成されてもよい。

また、検査装置は、切換信号１１６を出力するタイミング制御器１５と、切換信号１１６によりオンとオフとを切り替えるスイッチ６とを備える。スイッチ６がオンである状態では、参照信号１０６が伝達参照信号１０７として信号合成部１０に伝達される。スイッチ６は、例えばＰＩＮスイッチや、電圧制御アッテネータを用いることができる。なお、スイッチ６は、参照信号１０６の信号合成部１０への伝達可否を制御可能であればよく、例えば参照信号発信部２の電源のオンとオフとを切り替えるものであってもよい。

スイッチ６がオンである場合、信号合成部１０は、入力された受信信号１０８と伝達参照信号１０７とを合波して合波信号１０９を生成し、検出部１１に出力する。スイッチ６がオフである場合、信号合成部１０は、入力された受信信号１０８を、合波信号１０９として検出部１１に出力する。信号合成部１０には、例えばコンバイナやマジックＴＥＥを用いることができる。

検出部１１には、検出測定信号１１１と、合波信号１０９とが入力される。詳細は後述するが、検出部１１は、検出測定信号１１１と合波信号１０９との差を比較する信号処理によって、合波信号１０９の振幅と位相を示す検出信号１１２を出力する。検出部１１は、例えばショットキーバリアダイオードやトランジスタなどの半導体素子を用いたミキサにより、検出測定信号１１１と合波信号１０９とを混合してホモダイン検波し、合波信号１０９に比例する電圧振幅と、検出測定信号１１１及び合波信号１０９の位相差の信号を、検出信号１１２として出力する。

検出信号１１２は信号処理部１２に入力される。信号処理部１２は、検出信号１１２から内部反射波１０５の振幅と位相とを抽出し、内部検出信号１１３として出力する。詳細は後述する。

図２は、検査装置による内部目標物８の検査の一例を示すフローチャートである。

まず、タイミング制御器１５が切換信号１１６を出力し、スイッチ６がオフの状態になる（ステップＳ１１）。本処理開始前にスイッチ６がオフであれば、本処理は割愛される。

次に、信号処理部１２は、表面反射波１０４を測定する（ステップＳ１２）。具体的には、測定信号発信部１から出力された測定信号１０１に基づいて照射波１０３が出力され、対象物７及び内部目標物８に反射する。すると、表面反射波１０４と内部反射波１０５とが受信アンテナ５に入力される。受信アンテナ５は入力された反射波を受信信号１０８に変換し、信号合成部１０に出力する。信号合成部１０は、入力された受信信号１０８を合波信号１０９として検出部１１に出力する。検出部１１は、合波信号１０９と検出測定信号１１１とを用いて検出信号１１２を生成し、信号処理部１２に出力する。

ここで、合波信号１０９を表す波形Ｚは、以下の式のように表される。なお、表面反射波１０４の振幅をＡ、角周波数をω、位相を０度と、内部反射波１０５の振幅をＢ、角周波数をω、位相をθ、時間をｔとする。

ただし、以下の条件に従う。

合波信号１０９の位相αは、表面反射波１０４と内部反射波１０５との振幅比Ａ／Ｂが大きいと０に近づき、Ａ／Ｂが小さいとθに近づく。

図３は、検査部のダイナミックレンジと反射波の振幅比に関する模式図である。図３（ａ）は、一般的な表面反射波１０４と内部反射波１０５との振幅比を模式的に示す図である。厚さ数ｃｍのコンクリートなどの構造物を透過した内部反射波１０５は、表面反射波１０４に対して振幅が３０ｄＢ以上の比で減衰する。このように、表面反射波１０４と内部反射波１０５との振幅比Ａ／Ｂは、ミリ波及びテラヘルツ波回路にて検出可能なダイナミックレンジである３０ｄＢを超えており、内部反射波１０５の検出は困難である。この場合、内部反射波１０５と表面反射波１０４の合成振幅はほぼＡと等しくなり、α≒０となる。

従って、合波信号１０９の振幅及び位相を、表面反射波１０４の振幅及び位相であると推定する。信号処理部１２は、合波信号１０９の振幅及び位相の測定値を表面反射波１０４の振幅位相情報１１７として記憶部１３に記憶させる。

説明を図２に戻す。次に、信号処理部１２は、記憶部１３に記憶させた振幅位相情報１１７を読み出し、参照信号発信部２に対して出力する（ステップＳ１３）。具体的には、参照信号発信部２は、ステップＳ１２で測定された合波信号１０９、すなわち表面反射波１０４の信号と同じ電圧振幅で、位相差が逆位相となる参照信号１０６を生成し、出力する。

次に、タイミング制御器１５が切換信号１１６を出力し、スイッチ６がオンの状態になる（ステップＳ１４）。参照信号発信部２から出力された参照信号１０６が、伝達参照信号１０７として信号合成部１０に入力される。信号合成部１０は、受信信号１０８と伝達参照信号１０７とを合波し、合波信号１０９として出力する。

次に、信号処理部１２は内部反射波１０５を測定する（ステップＳ１５）。具体的には、検出部１１が合波信号１０９と検出測定信号１１１を用いて検出信号１１２を出力する。ここで、合波信号１０９の波形は、以下のように表される。なお、βは参照信号１０６の位相誤差、γは参照信号１０６の振幅誤差、Ｋは表面反射波１０４の減衰係数を表す。

一般的な電子回路技術で実現可能な振幅誤差γ＝１／１０００、位相誤差β＝０．１４°とすると、減衰係数Ｋ＝３７８となり、表面反射波１０４の振幅Ａに対して５２ｄＢ減衰する。

図３（ｂ）は、減衰後の表面反射波１０４と内部反射波１０５との振幅比を模式的に示す。減衰した表面反射波１０４の振幅を内部反射波１０５の振幅が上回り、振幅比Ｂ／（Ａ／Ｋ）は２２ｄＢ程度となることから、内部反射波１０５の検出は容易となる。

信号処理部１２は、表面反射波１０４の振幅Ａ／Ｋ、及び位相βを推定し、上述の数式３を用いて表面反射波１０４の成分を除去することにより内部反射波１０５の振幅Ｂ及び位相θを抽出し、内部検出信号１１３として出力する。

なお、表面反射波１０４を３０ｄＢ以上減衰するには、上述の数式３より、測定信号１０１と参照信号１０６との位相誤差を２度以下、すなわち±１度以下となるよう構成する。検査装置は、以上で図２に示すフローチャートの処理を終了する。

図４は、測定箇所を移動する場合の測定方法の一例を示す模式図である。図４（ａ）に示すように、照射位置を対象物７に対して平行に移動しながら等間隔に測定を行い、対象物７内の内部目標物８を検査する場合を考える。図４（ｂ）は、図２に示すステップＳ１２において出力される検出信号１１２の電圧振幅の時間波形を示す。

図４（ｃ）は、図２に示すステップＳ１５において出力される検出信号１１２の電圧振幅の時間波形を示す。図４（ｄ）は、図２に示すステップＳ１５において出力される内部検出信号１１３の電圧振幅の時間波形を示す。

図４（ａ）に示すように、測定箇所によって対象物７の形状や、反射率、測定距離等の条件が変化する場合、図４（ｂ）に示すように表面反射波１０４による検出信号１１２の電圧振幅に変動が生じる。一方で、内部目標物８からの内部反射波１０５による検出信号１１２の変動は、表面反射波１０４の変動に比べて小さいため、表面反射波１０４と内部反射波１０５との振幅比が大きくなり、表面反射波１０４の検出に影響を及ぼす。

そこで、本実施形態における検出器は、表面反射波１０４の変動の影響を低減するために、表面反射波１０４の振幅の変動周期よりも短い測定サンプリング周期で、図２に示す処理を繰り返すことが望ましい。そのため、タイミング制御器１５が出力する切換信号１１６の切換周期は、測定箇所において測定を行う周期である測定サンプリング周期の１／２以下とする。

その結果、測定箇所における表面反射波１０４の振幅と位相に基づいて、図４（ｃ）に示すように、内部反射波１０５による内部反射波変動を測定することができる。さらに、図４（ｄ）に示すように、信号処理部１２によって、外的要因によって変動する表面反射波１０４の振幅及び位相の成分を除去した内部検出信号１１３を出力し、内部目標物８の位置を測定することができる。

本実施形態により、内部反射波１０５の振幅及び位相を高精度に測定することができる。測定した内部反射波１０５の振幅及び位相が、健全な対象物７に対する反射波と比較して変化がある場合、対象物７の内部に空隙、欠陥、異物等の内部目標物８が存在するといえる。すなわち、対象物７の内部を高精度に検査することが可能となる。

また、測定箇所を移動するごとに、図２に示すように、表面反射波１０４の測定と内部反射波１０５の測定とを交互に実施しながら、対象物７全体をスキャンすることにより、対象物７の内部構造を高精度に測定することができる。

＜変形例＞

第１の実施形態の変形例における検査装置は、共通する測定箇所について複数の内部検出信号を出力することにより、高精度に内部目標物８を測定する。

本変形例における検査装置は、合波信号の入力を受け付ける図示しない可変利得増幅器を備える。可変利得増幅器は、所定の複数の値の利得を得るよう切り替え可能であって、合波信号１０９を該複数パターンの利得が得られるよう増幅し、検出部１１に出力する。

まず、可変利得増幅器は、所定の複数の値のうち１つの値の利得を得るよう設定される。検査装置は、上述の図２に示す処理を実行する。結果として、検出部１１は、可変利得増幅器によって増幅された合波信号１０９を用いて、スイッチ６がオフの状態での検出信号１１２と、スイッチ６がオンの状態での検出信号１１２とを出力する。信号処理部１２は、これらの検出信号１１２を用いて内部検出信号１１３を出力する。

次に、可変利得増幅器は、所定の複数の値のうち、既に処理を行った値以外の値の利得を得るよう、設定を切り替える。当該値についても、同様に内部検出信号１１３が出力される。検査装置は、複数の値の各々について内部検出信号１１３が出力されるよう、処理を繰り返す。結果として、共通する測定箇所について複数の内部検出信号１１３が出力される。出力された内部検出信号１１３は、例えば記憶部１３に一時的に格納される。

その後、信号処理部１２は、複数の内部検出信号を用いて、出力する内部検出信号を抽出する。例えば、信号処理部１２は、予め定められた閾値を用いて、複数の内部検出信号１１３の中から出力する内部検出信号１１３を選択してもよい。または、信号処理部１２は、複数の内部検出信号について、平均値をとるなどの予め定められた数式を用いて、出力する内部検出信号を抽出してもよい。

本変形例により、対象物７の表面の状況による影響等、変速的な条件の変化による内部検出信号への影響を抑制することができ、より高精度に対象物７の内部を測定することができる。

＜第２の実施形態＞

図６は、第２の実施形態における検査装置の構成例を示すブロック図である。本実施形態における検査装置では、第１の実施形態における検査装置の検出部１１について、ヘテロダイン検出方式を用いることにより、より高感度に信号を検出することが可能となる。

本実施形態における検出部１１は、参照周波数信号発信部４０１を備える。参照周波数信号発信部４０１は、測定信号発信部１及び参照信号発信部２と同様に、ガンダイオード、共鳴トンネルダイオード、又はトランジスタ等のおよそ３０ＧＨｚから１０ＴＨｚの周波数で連続発振する発信器で構成される。参照周波数信号発信部４０１から出力された参照周波数信号４５１は、分岐部４０２により参照周波数信号４５２と参照周波数信号４５３とに分岐される。

分岐部３によって分岐された検出測定信号１１１の電圧波形Ｘ_１と、分岐部４０２により分岐された参照周波数信号４５３の電圧波形Ｘ_２は、以下のように表される。測定信号１０１の周波数をｆ_１、参照周波数信号４５３の周波数をｆ_２、測定信号１０１の位相をθ_１、参照周波数信号４５３の周波数をθ_２、測定信号１０１の振幅をＡ_１、参照周波数信号４５３の振幅をＡ_２とする。分岐部３及び分岐部４０２による電力分配比が１：１とすると、電圧振幅は１／√２になる。なお、以下に記述する式は理想的な場合であり、信号の伝達、変換、不整合による減衰係数は位相測定への影響が小さいと考えられるため、省略している。

検出部１１は、測定周波数ミキサ４０３と、参照周波数ミキサ４０４と、標準位相低周波ミキサ４０７と、遅延位相低周波ミキサ４０８と、を備える。各ミキサは、例えばショットキーバリアダイオード、共鳴トンネルダイオード、又はトランジスタ等により構成される。ミキサがダイオードのように２端子素子である場合には、入力される２つの信号を合波してから入力してもよい。各ミキサの伝達特性は、入力振幅に対して線形とする。

信号合成部１０により出力された合波信号１０９は、測定周波数ミキサ４０３に入力される。合波信号１０９の電圧波形Ｘ_３は、以下のように表される。対象物７の反射ロスや伝搬ロスによる減衰率をΓとする。合波信号１０９は、照射波１０３、表面反射波１０４及び内部反射波１０５の光路長Ｌによる伝搬遅延があるため、電圧波形Ｘ_３にも位相差φが生じる。

また、光路長Ｌと位相差φとの間には、位相差φが以下のように表される。ただし、λは測定信号１０１の波長、ｋは任意の整数とする。

測定周波数ミキサ４０３に合波信号１０９と参照周波数信号４５２とが入力されると、測定周波数ミキサ４０３から、合波信号１０９と参照周波数信号４５２の積として、電圧波形Ｙ_１の信号が出力される。

また、参照周波数ミキサ４０４に検出測定信号１１１と参照周波数信号４５３とが入力されると、参照周波数ミキサ４０４から、検出測定信号１１１と参照周波数信号４５３の積として、電圧波形Ｙ_２の信号が出力される。

周波数ｆ１−ｆ２の中間周波数信号の周波数帯を通過させる周波数フィルタ４０５及び周波数フィルタ４０６から、それぞれ測定ＩＦ（Intermediate Frequency）信号４５４及び参照ＩＦ信号４５５が出力される。換言すれば、測定ＩＦ信号４５４は、合波信号１０９と参照周波数信号４５２との周波数の差を示す。また、参照ＩＦ信号４５５は、検出測定信号１１１と参照周波数信号４５３との周波数の差を示す。測定ＩＦ信号４５４の電圧波形Ｙ_１´、及び参照ＩＦ信号４５５の電圧波形Ｙ_２´は、各々以下のように表される。

標準位相低周波ミキサ４０７には、電圧波形Ｙ_１´の測定ＩＦ信号４５４と、電圧波形Ｙ_２´の参照ＩＦ信号４５５とが入力される。標準位相低周波ミキサ４０７は、測定ＩＦ信号４５４及び参照ＩＦ信号４５５の積として、電圧波形Ｚ_１である測定標準位相信号４５７を出力する。

検出部１１は、遅延部４０９を備えており、遅延部４０９は入力された参照ＩＦ信号４５５の位相を９０度遅延させた信号４５６を出力する。遅延位相低周波ミキサ４０８には、測定ＩＦ信号４５４と、信号４５６とが入力される。遅延位相低周波ミキサ４０８は、測定ＩＦ信号４５４と、信号４５６との積として、電圧波形Ｚ_２の測定遅延位相信号４５８を出力する。電圧波形Ｚ_１及び電圧波形Ｚ_２は、以下のように表される。なお、Ｇは低周波ミキサの変換利得であって、扱いやすい振幅となるように任意に設定してよい。

測定標準位相信号４５７及び測定遅延位相信号４５８は、信号検出部４１０及び信号検出部４１１によってそれぞれ処理しやすい信号に変換される。さらに、信号検出部４１０及び信号検出部４１１によって出力された検出信号４５９及び検出信号４６０について、検出信号処理部４１２の内部で周波数フィルタを用いて周波数２（ｆ_１−ｆ_２）の成分を除去すると、それぞれの電圧波形Ｚ_１´及び電圧波形Ｚ_２´は以下のように表される。なお、検出信号処理部４１２の内部の周波数フィルタは、デジタル信号処理でもよい。

検出信号処理部４１２によって、位相φは、以下のように算出される。

以上より、電圧波形Ｚ_１´及び電圧波形Ｚ_２´には、θ_１、θ_２、ｆ_１、及びｆ_２の項が除去されている。従って、この構成により、発信部の位相変動や周波数変動の影響を受けず、位相差φのみを測定することが可能となる。微小な位相差信号に対する不要な信号成分が低下することから、高精度の位相検出が可能となる。

また、検出信号処理部４１２より出力される検出信号１１２の振幅Ｚ´は、以下のように表される。

以上より、検出部１１より出力される検出信号１１２は、振幅Ｚ´、位相φの値を示すデジタル信号、又はアナログ信号として出力される。

本実施形態により、測定信号発信部１及び参照信号発信部２の位相変動や周波数変動の影響を受けず、合波信号１０９の振幅と位相とを高精度に測定することができる。従って、より高精度に対象物７の内部にある内部目標物８の検査が可能となる。

＜第３の実施形態＞

図７は、第３の実施形態における参照信号発信部２の構成例を示すブロック図である。本実施形態における参照信号発信部２は、２位相出力発信部５０１を備える。基準信号発信部１４から出力された基準信号１１５は、２位相出力発信部５０１の備えるＩ相出力発信部５０２と、Ｑ相出力発信部５０３とに入力される。Ｉ相出力発信部５０２は、基準信号１１５と同位相のＩ相基準信号５１１を出力する。

なお、同位相には、上述の位相差異による位相誤差が含まれる。Ｑ相出力発信部５０３は、基準信号１１５と位相差が９０度であるＱ相基準信号５１２を出力する。同様に、位相差が９０度であるとは、９０度の他に位相誤差を有する場合も含まれる。

なお、２位相出力発信部５０１は、基準信号１１５の２倍の周波数で発信する単相出力発信部を備え、１／２の周波数に分周するとともに同位相のＩ相基準信号５１１と位相差９０度のＱ相基準信号５１２とを出力する、マスタースレーブ型分周回路で構成してもよい。

振幅位相信号１１４に基づいて生成される、表面反射波１０４と同じ振幅で、位相差１８０度となる参照信号１０６の波形Ｒは、以下のように表される。

なお、振幅位相信号１１４の振幅をＡ、位相をφとする。Ｉ相基準信号５１１の波形をｓｉｎωｔ、Ｑ相位相信号の波形をｃｏｓωｔとすると、それぞれの振幅を制御し、合波することで、所望の参照信号１０６を生成することができる。

参照信号１０６の振幅及び位相を制御するため、Ｉ相基準信号５１１をＩ相可変利得増幅部５０４に、Ｑ相基準信号５１２をＱ相可変利得増幅部５０５に、それぞれ入力する。Ｉ相可変利得増幅部５０４の利得をＡｃｏｓφ、Ｑ相可変利得増幅部５０５の利得をＡｓｉｎφとする。参照信号発信部２は、振幅位相制御器５０６を備え、入力された振幅位相信号１１４から、Ｉ相利得信号をＡｃｏｓφに比例する制御電圧に変換する。また、振幅位相制御器５０６は、同様に振幅位相信号１１４に基づき、Ｑ相位相信号をＡｓｉｎφに比例する制御電圧に変換する。

Ｉ相可変利得増幅部５０４及びＱ相可変利得増幅部５０５の出力した信号は合成され、合成基準信号５１３として逓倍器５０７に入力される。逓倍器５０７は、合成基準信号５１３を測定信号１０１と同じ周波数の信号に変換し、参照信号１０６として出力する。

本実施形態により、表面反射信号と逆位相となる参照信号１０６を出力することが可能となる。

以上、本発明に係る各実施形態及び変形例の説明を行ってきたが、本発明は、上記した実施形態の一例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施形態の一例は、本発明を分かり易くするために詳細に説明したものであり、本発明は、ここで説明した全ての構成を備えるものに限定されない。また、ある実施形態の一例の構成の一部を他の一例の構成に置き換えることが可能である。また、ある実施形態の一例の構成に他の一例の構成を加えることも可能である。また、各実施形態の一例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることもできる。また、上記の各構成、機能、処理部、処理手段等は、それらの一部又は全部を、例えば集積回路で設計する等によりハードウェアで実現してもよい。また、図中の制御線や情報線は、説明上必要と考えられるものを示しており、全てを示しているとは限らない。ほとんど全ての構成が相互に接続されていると考えてもよい。

また、上記の検査装置の構成は、処理内容に応じて、さらに多くの構成要素に分類することもできる。また、１つの構成要素がさらに多くの処理を実行するように分類することもできる。

１：測定信号発信部、２：参照信号発信部、３：分岐部、４：送信アンテナ、５：受信アンテナ、６：スイッチ、７：対象物、８：内部目標物、１０：信号合成部、１１：検出部、１２：信号処理部、１３：記憶部、１４：基準信号発信部、１５：タイミング制御器、１０１：測定信号、１０２：照射信号、１０３：照射波、１０４：表面反射波、１０５：内部反射波、１０６：、参照信号、１０７：伝達参照信号、１０８：受信信号、１０９：合波信号、１１１：検出測定信号、１１２・４５９・４６０：検出信号、１１３：内部検出信号、１１４：振幅位相信号、１１５：基準信号、１１６：切換信号、１１７：振幅位相情報、４０１：参照周波数信号発信部、４０２：分岐部、４０３：測定周波数ミキサ、４０４：参照周波数ミキサ、４０５・４０６：周波数フィルタ、４０７：標準位相低周波ミキサ、４０８：遅延位相低周波ミキサ、４０９：遅延部、４１０・４１１：信号検出部、４１２：検出信号処理部、４５１・４５２・４５３：参照周波数信号、４５４：測定ＩＦ信号、４５５：参照ＩＦ信号、４５６：信号、４５７：測定標準位相信号、４５８：測定遅延位相信号、５０１：２位相出力発信部、５０２：Ｉ相出力発信部、５０３：Ｑ相出力発信部、５０４：Ｉ相可変利得増幅部、５０５：Ｑ相可変利得増幅部、５０６：振幅位相制御器、５０７：逓倍器、５１１：Ｉ相基準信号、５１２：Ｑ相基準信号、５１３：合成基準信号

Claims

対象物に照射する測定信号を出力する測定信号発信部と、
前記対象物からの反射波を用いて第１の合波信号を出力する信号合成部と、
前記信号合成部から出力された前記第１の合波信号の振幅と位相を検出して第１の検出信号を出力する検出部と、
前記第１の検出信号と逆位相の参照信号を出力する参照信号発信部と、を備え、
前記信号合成部は、前記参照信号発信部により出力された前記参照信号が入力されると、前記参照信号と前記反射波とを用いて第２の合波信号を出力し、
前記検出部は、前記第２の合波信号の振幅と位相とを用いた第２の検出信号を出力することを特徴とする、検査装置。
請求項１に記載の検査装置であって、
前記対象物の内部に位置する内部目標物からの内部反射波の振幅と位相とを含む内部検出信号を出力する信号処理部を備え、
前記信号合成部は、前記対象物の表面からの表面反射波と、前記内部反射波と、を含む前記反射波を用いて前記第１の合波信号及び前記第２の合波信号を出力し、
前記信号処理部は、前記第１の合波信号を用いて推定された前記表面反射波の振幅及び位相と前記第２の検出信号とを用いて前記内部反射波の前記振幅と前記位相とを算出することを特徴とする、検査装置。
請求項２に記載の検査装置であって、
前記第１の検出信号の前記振幅と前記位相とを記憶する記憶部を備え、
前記信号処理部は、前記記憶部に記憶された前記第１の検出信号の前記位相及び前記振幅を用いた振幅位相信号を前記参照信号発信部に出力し、
前記参照信号発信部は、前記振幅位相信号を受け付けると前記参照信号を生成することを特徴とする、検査装置。
請求項１に記載の検査装置であって、
切換信号に従ってオンとオフとを切り替え、オンである場合に前記参照信号を前記信号合成部に伝達するスイッチを備え、
前記スイッチがオフである第１の状態において、
前記信号合成部は前記第１の合波信号を出力し、
前記検出部は前記第１の検出信号を出力し、
前記スイッチがオンである第２の状態において、
前記信号合成部は前記参照信号を受け付けて前記第２の合波信号を出力し、
前記検出部は前記第２の検出信号を出力することを特徴とする、検査装置。
請求項４に記載の検査装置であって、
前記スイッチに対して所定の周期で前記切換信号を出力するタイミング制御器を備え、
前記タイミング制御器は、前記対象物のうち共通する箇所に照射する前記測定信号の照射時間である測定サンプリング周期に比して、少なくとも２分の１の周期で前記切換信号を出力することを特徴とする、検査装置。
請求項２に記載の検査装置であって、
前記第１の合波信号及び前記第２の合波信号について所定の複数の利得を得るよう増幅する可変利得増幅部を備え、
前記検出部は、前記所定の複数の利得の各々について、前記第１の検出信号と、前記第２の検出信号との組み合わせを出力し、
前記信号処理部は、前記組み合わせを用いて前記内部反射波の前記振幅及び前記位相を抽出することを特徴とする、検査装置。
請求項１に記載の検査装置であって、
前記検出部は、
参照周波数信号を出力する参照周波数信号発信部と、
前記測定信号と前記参照周波数信号との周波数の差となる参照中間周波数信号を出力する参照中間周波数信号発信部と、
前記第１の合波信号と前記参照周波数信号との周波数の差又は前記第２の合波信号と前記参照周波数信号の差となる測定中間周波数信号を出力する測定中間周波数信号発信部と、
前記参照中間周波数信号と前記測定中間周波数信号とを入力し、積となる第１の測定位相信号を出力する第１のミキサと、
前記参照中間周波数信号に対して９０度の位相差のある信号を用いて遅延信号を出力する遅延部と、
前記遅延信号と前記測定中間周波数信号とを入力し、積となる第２の測定位相信号を出力する第２のミキサと、を備え、
前記第１の測定位相信号及び前記第２の測定位相信号を用いて、前記第１の合波信号及び前記第２の合波信号の前記位相と前記振幅とを算出することを特徴とする、検査装置。
請求項１に記載の検査装置であって、
前記測定信号発信部及び前記参照信号発信部に対して基準信号を出力する基準信号発信部を備え、
前記測定信号発信部は、前記基準信号を用いて前記測定信号を出力し、
前記参照信号発信部は、
前記基準信号と同位相のＩ相基準信号を出力するＩ相基準信号発信部と、
前記基準信号と位相差９０度のＱ相基準信号を出力するＱ相基準信号発信部と、
前記第１の合波信号の前記振幅及び前記位相を用いてＩ相利得信号及びＱ相利得信号を出力する振幅位相制御部と、
前記Ｉ相利得信号を用いて前記Ｉ相基準信号を増幅するＩ相可変利得増幅部と、
前記Ｑ相利得信号を用いて前記Ｑ相基準信号を増幅するＱ相可変利得増幅部と、
前記Ｉ相可変利得増幅部及び前記Ｑ相可変利得増幅部からの出力を合成して前記測定信号と同じ周波数に逓倍して前記参照信号を出力する逓倍部と、を備えることを特徴とする、検査装置。