JP3961359B2 - 超音波画像化装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超音波を検査対象に照射しその反射エコーを画像化して欠陥等を検査する超音波画像化装置に係り、特に、より高速に画像化・検査することに適する超音波画像化装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
超音波画像化装置として単眼超音波センサを有するものでは、例えば水浸法を用いて超音波を垂直方向に送信し、正面に反射体があることを前提として特定の焦点深度の画像化を行なう。この場合、表面が曲面形状の検査対象の内部を画像化する場合には対応できず、例えば焦点がばらけてしまい高精度な画像化ができないという不都合がある。
【０００３】
また、マトリクス状または一列に配置した多数の圧電変換部から構成される超音波トランスデューサを有する超音波画像化装置では、高精度化には一応対応できるものの、検査対象が、複数の異なる音響特性を有した層構造や表面が曲面形状である場合の内部の欠陥、ボイド、剥がれなどを検査し可視化する際の処理の膨大さが問題となる。このような処理には、マトリックス状に配置された圧電変換部間で送受信される多数の超音波伝播の屈折計算を２次元的または３次元的に行なうことが必要となり、膨大な処理時間が発生する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、処理時間を縮減するには、例えば、検査対象の層構造や表面形状を特定することができる場合には、マトリクス状または一列に配置した多数の圧電変換部間で送受信される超音波信号の伝播時間を屈折などの伝播経路に応じて事前に計算しテーブル化して格納しておくことを利用できる。これにより屈折計算を一々する必要はなくなる。しかしながら、この場合においても、なお、圧電変換部が多数あることにより、十分な高速化は達成しない。
【０００５】
本発明は、上記した事情を考慮してなされたもので、超音波を検査対象に照射しその反射エコーを画像化して欠陥等を検査する超音波画像化装置において、より高速に画像化・検査することが可能な超音波画像化装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するため、本発明は、マトリクス状または一列状にそれぞれ配置された複数の圧電変換部を有する超音波トランスデューサと、前記複数の圧電変換部に接続され、前記複数の圧電変換部のうち任意のひとつを駆動可能な駆動素子選択部と、前記複数の圧電変換部に接続され、前記駆動された圧電変換部が発する超音波による、音響伝播媒体を介しての検査対象からの反射エコーを受信することにより前記複数の圧電変換部が発生する電気信号を並列的に検出する信号検出回路と、前記並列的に検出された電気信号から前記検査対象の状態を画像化する処理を並列演算を用いて行なう信号処理部と、前記処理され画像化された結果を表示する表示装置とを具備し、前記信号処理部は、前記検査対象において画像化すべき領域をメッシュ化し前記メッシュ化された領域それぞれについて前記駆動された圧電変換部から前記複数の圧電変換部のうちのひとつへの超音波伝播時間を、前記駆動された圧電変換部と前記複数の圧電変換部のうちの前記ひとつとの組み合わせごとに格納する格納手段と、前記格納された超音波伝播時間を用い、前記並列的に検出された電気信号のうちのひとつの時間方向データから、前記メッシュ化された領域それぞれについて反射強度を確定する処理を、前記並列的に検出された電気信号おのおのについて互いに並列的に行なう複数の処理手段と、前記並列に処理され確定された反射強度を前記メッシュ化された領域ごとに加算する加算手段とを有することを特徴とする。
【０００７】
すなわち、本発明は、マトリクス状または一列状にそれぞれ配置された複数の圧電変換部を有する超音波トランスデューサを超音波の発生・検出に用いることを前提とするものである。複数の圧電変換部のうち任意のものを駆動し、検査対象からの反射エコーを複数の圧電変換部で検知して電気信号に変換し、変換された電気信号を信号検出回路で並列的に検出し、さらに信号処理部で並列演算して画像化処理を行なう。
【０００８】
並列演算においては、上記の格納手段、複数の処理手段、加算手段が用いられる。格納手段は、検査対象において画像化すべき領域をメッシュ化しこのメッシュ化された領域それぞれについて、駆動された圧電変換部から複数の圧電変換部のうちのひとつへの超音波伝播時間を、駆動された圧電変換部と複数の圧電変換部のうちの前記ひとつとの組み合わせごとに格納している。
【０００９】
複数の処理手段は、この格納された超音波伝播時間を用い、並列的に検出された電気信号のうちのひとつの時間方向データから、メッシュ化された領域それぞれについて反射強度を確定する処理を、並列的に検出された電気信号おのおのについて互いに並列的に行なう。このような並列的処理により高速な処理が可能になる。処理された結果は、加算手段によりメッシュ化された領域ごとに加算される。これにより画像化データを得ることができる。
【００１０】
なお、格納手段、複数の処理手段、および加算手段は、例えば、専用または汎用の計算機をハードウエアとして用い、このハードウエアと、このハードウエア上で動作する基本ソフトウエアおよび応用ソフトウエアとにより構成することができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明の実施態様として、前記信号処理部は、前記格納手段に代えて、前記検査対象において画像化すべき領域をメッシュ化し前記メッシュ化された領域それぞれについて、ある圧電変換部からの送側超音波伝播時間とある圧電変換部への受側超音波伝播時間とを一般化して共通に格納する第２の格納手段を有し、前記複数の処理手段は、前記格納された超音波伝播時間に代えて、前記格納された送側超音波伝播時間と前記格納された受側超音波伝播時間とを用いる。
【００１２】
このような第２の格納手段を持つことにより、必要な記憶領域を大幅に縮減することが可能になる。例えば、検査対象が平面的な表面を有する場合などに適用することができる。
【００１３】
また、本発明の実施態様は、前記信号処理部の前記格納手段において、前記画像化すべき領域が、前記複数の圧電変換部における超音波発生指向特性を考慮して制限されたものである。このような制限を設けることにより、処理に必要のない記憶領域を削減することができる。
【００１４】
また、本発明の実施態様は、前記信号処理部の前記第２の格納手段において、前記画像化すべき領域が、前記複数の圧電変換部における超音波発生指向特性を考慮して制限されたものである。この場合も、処理に必要のない記憶領域を削減することができる。
【００１５】
また、本発明の実施態様において、前記信号処理部は、前記検査対象において画像化すべき領域をメッシュ化し前記メッシュ化された領域それぞれについて前記駆動された圧電変換部から前記複数の圧電変換部のうちのひとつへの超音波伝播強度特性を、前記駆動された圧電変換部と前記複数の圧電変換部のうちの前記ひとつとの組み合わせごとに格納する伝播強度特性格納手段をさらに有し、前記信号処理部の前記複数の処理手段は、前記反射強度を確定する処理に前記格納された超音波伝播強度特性を補正のため用いる。
【００１６】
駆動された圧電変換部から複数の圧電変換部のうちのひとつへの超音波伝播強度特性は、圧電変換部の指向特性により変化する。例えば、斜角になって発せられまた受信される超音波は感度低下が生じる。そこで、このような感度低下分を伝播強度特性格納手段に格納された伝播強度特性で補正することにより、画像化結果を高精度化する。なお、伝播強度特性格納手段は、超音波伝播時間の格納手段とアドレスを共通にこれに付随的に設けてもよい。
【００１７】
また、本発明の実施態様において、前記信号処理部は、前記検査対象において画像化すべき領域をメッシュ化し前記メッシュ化された領域それぞれについて、ある圧電変換部からの送側超音波伝播強度特性とある圧電変換部への受側超音波伝播強度特性とを一般化して共通に格納する伝播強度特性格納手段をさらに有し、前記信号処理部の前記複数の処理手段は、前記反射強度を確定する処理に前記格納された送側超音波伝播強度特性および受側超音波伝播強度特性を補正のため用いる。
【００１８】
この場合も、感度低下分を伝播強度特性格納手段に格納された伝播強度特性で補正することにより、画像化結果を高精度化する。ここで、伝播強度特性格納手段は、必要な記憶領域を大幅に縮減されたものになる。例えば、検査対象が平面的な表面を有する場合などに適用することができる。
【００１９】
また、本発明の実施態様において、前記信号処理部は、前記格納手段に初期値としての超音波伝播時間のデータを付与するデータ付与手段と、前記検査対象に対して前記付与された超音波伝播時間のデータを用い前記複数の処理手段により処理しかつ前記加算手段により加算して得られた前記メッシュ化された領域ごとの反射強度から、前記検査対象の不連続面または不連続線を検出する手段と、前記検出された不連続面または不連続線に基づき前記格納手段の内容を再設定する手段とをさらに有する。
【００２０】
このような構成によれば、例えば、初期値としての超音波伝播時間に、単一層の検査対象を仮定して数値を与えると、得られた反射強度から検査対象の不連続面または不連続線を検出できる。すなわち、真の検査対象（音響伝播媒体を含まない検査対象）の位置の変化を知ることができる。この位置の変化に応じて超音波伝播時間を格納し直せば、精度の高い画像化を行なうことができる。
【００２１】
後述する本発明の実施形態の考え方を述べると次のようである。
【００２２】
例えば開口合成処理により３Ｄ画像合成を行なうためには、ある２個の圧電変換部間で送受信された超音波エコー波形（時間方向データ）を距離方向に対応づけることが必要である。具体的には、超音波エコー波形の各サンプリングデータを音速に応じて距離データに直して反射された画像化メッシュを特定し、特定された画像化メッシュにそのサンプリングデータを対応づける。そして、３Ｄ画像化領域内の全メッシュまたは指向角で制限された領域の全メッシュについて、２個の圧電変換部の全組合せに渡って上記サンプリングデータ（振幅値で表わされた強度）を加算処理することで３Ｄ画像を描画することができる。
【００２３】
ここで、検査を行なう際には、水に浸したり樹脂のシュー材からなる音響伝播媒体を介して検査対象に超音波を送受信するのが一般的である。そのため、超音波が伝播する経路内には、少なくとも音響伝播媒体と検査対象という異なる音速の領域があることになる。検査対象が異なる音速からなる複数層からなる場合は、全体で３層以上の層構成になる。
【００２４】
複数の層構成の場合、各層の界面での屈折を考慮して求めた往復距離に応じてサンプリングデータ（振幅値）を加算することにより３Ｄ描画を行なうことが必要になる。そのため、一般的には、各メッシュごとに屈折計算を行ない、その結果によりサンプリンデータの対応づけと加算処理を行なうため処理量が膨大となり表示するまでの時間がかかりすぎて実用的な性能を達成することが困難となる。
【００２５】
しかしながら、一定形状のシュー材や固定条件での水浸検査では、各メッシュごとに屈折計算を一々せずとも伝播時間データをテーブル化にしておけばこれを利用することができる。デーブル化により、屈折計算に相当する処理はメモリアクセス時間まで縮減できる。さらに、受信側の複数の圧電変換部に対応して演算回路を並列に設けることにより、画像合成処理が一層高速化されるものである。
【００２６】
ここで、上記の方法によれば、例えば１０×１０個の圧電変換部を平面的にマトリックス配置した場合であれば、１００個のうちの２個の圧電変換部（送側、受側）の全組合せに対応したテーブルデータを用意することが必要となる。このため、一般的には、あらかじめテーブルデータを作成する場合の計算時間やデータ容量が膨大になる。
【００２７】
そこで、これを軽減するには、検査対象の対称性や一様性を利用して、テーブルデータを上記組合せによらず共通化することが非常に有効である。例えば、平面形状で一定厚さのシュー材で平らな検査対象を検査する場合には、片道の超音波経路に対応した単一のテーブルデータだけあれば、座標変換で任意の圧電変換部による送信と受信の伝播距離の計算が可能である。これにより、並列演算回路内のメモリ容量は低減され、高速アクセスにより処理が一層高速化される。
【００２８】
また、超音波伝播時間テーブルデータや共通テーブルデータを作成する際に、圧電変換部の指向特性を考慮してテーブルデータの領域を制限すれば、必要のない画像化データを描画せずかつ画像合成処理の効率化を図ることができる。
【００２９】
また、超音波伝播時間テーブルデータや共通テーブルデータを作成する際に、圧電変換部の指向特性を考慮してテーブルデータに伝播時間に加えて指向性による感度分布データを格納すれば、感度が低くなる超音波の斜角成分のゲインを調整し、精度向上に有効な斜角成分のエコーデータを有効に使うことが可能となる。
【００３０】
また、超音波伝播時間テーブルデータや共通テーブルデータを作成する際に、検査対象として固体または液体からなる音響伝播媒体の単一層を仮定しこれ用にテーブルデータを初期設定すれば、その結果の画像化により、音響伝播媒体と真の検査対象との境界面の抽出ができる。そして、この処理結果を用いて再計算されたテーブルデータによれば、位置が変化する場合の画像化に対応することできる。また、真の検査対象の形状が複雑な場合に備えて、あらかじめ、形状データを記憶し、この記憶された形状データを加味して超音波伝播時間テーブルデータや共通テーブルデータを再設定することもできる。
【００３１】
以下では本発明の実施形態を図面を参照しながら説明する。
【００３２】
図１は、本発明の実施形態に係る超音波画像化装置によって超音波検査を行なう構成例を説明する図である。同図に示すように、この超音波画像化装置は、マトリックスセンサ（超音波トランスデューサ）９、信号発生部１、駆動素子選択部２、信号検出回路４、増幅器５ａ、５ｂ、…、５ｉ、信号処理部７０、表示装置１０を有する。上記信号処理部７０は、内部構成として、Ａ／Ｄ変換器６ａ、６ｂ、…、６ｉ、並列プロセッサ７ａ、７ｂ、…、７ｉ、統合プロセッサ８を有する。マトリックスセンサ９の前面には音響伝播媒体１６が密着され、音響伝播媒体１６は、カップラント１８を介して検査対象１７に接触される。検査対象１７中には欠陥１４が存在し得る。
【００３３】
マトリックスセンサ９は、圧電素子からなる複数の圧電変換部２１ａ、２２ａ、２３ａ、…、２９ａ、３０ａ、３０ｂ、…、３０ｈをマトリックス状に配置したものであり、そのそれぞれの圧電変換部２１ａ等は、駆動素子選択部２の選択により駆動されるものが決定されて信号発生部１からの駆動信号が導線で導かれる。また、それぞれの圧電変換部２１ａ等が発生する電気信号は導線で信号検出回路４に導かれる。圧電変換部２１ａ等が電気駆動されると圧電体としての性質から超音波が発生し、発生された超音波は、音響伝播媒体１６を介して検査対象１７内の欠陥１４に達する。欠陥１４による超音波エコーＵは再び音響伝播媒体１６を介して圧電変換部２１ａ等に入力し、これによりそれぞれの圧電変換部２１ａ等は電気信号を発生する。
【００３４】
信号発生部１は、圧電変換部２１ａ等が超音波を発生すべくパルス状または連続の駆動信号を発生するものである。発生された駆動信号は駆動素子選択部２に導かれる。駆動信号選択部２は、駆動すべき一つまたは複数の圧電変換部２１ａ等を選択の上、信号発生部１から導かれた駆動信号を、選択された圧電変換部２１ａ等に導くものである。
【００３５】
信号検出回路４は、圧電変換部２１ａ等で発生する電気信号を検出するものである。検出された電気信号のうち検査に必要な複数のものは、それぞれ増幅器５ａ、５ｂ、…、５ｉに導かれる。
【００３６】
増幅器５ａ、５ｂ、…、５ｉは、導かれた電気信号をそれぞれ増幅し、これを信号処理部７０内のＡ／Ｄ変換器６ａ、６ｂ、…、６ｉにそれぞれ供給するものである。Ａ／Ｄ変換器６ａ、６ｂ、…、６ｉは、導かれた電気信号をＡ／Ｄ変換し、これを信号処理部７０内の並列プロセッサ７ａ、７ｂ、…、７ｉにそれぞれ導くものである。
【００３７】
信号処理部７０内の並列プロセッサ７ａ、７ｂ、…、７ｉは、Ａ／Ｄ変換器６ａ、６ｂ、…、６ｉから導かれたディジタル信号を並列的に処理し、それぞれ、画像化領域の各メッシュからの反射強度を特定するものである。特定された反射強度は、統合プロセッサ８により統合されて画像化情報となり、さらに表示装置１０に導かれる。表示装置１０は、導かれた情報を表示するものである。
【００３８】
図２は、信号処理部７０内の構成をさらに詳細に示す図である。同図に示すように、並列プロセッサ７ａ、７ｂ、…７ｉは、それぞれ、内部メモリ１０５ａ、１０５ｂ、…、１０５ｉ、および演算回路１０６ａ、１０６ｂ、…、１０６ｉを有する。また、統合プロセッサ８は、画像統合処理部８ａ、境界抽出処理部８ｂ、形状データ記憶部８ｃ、テーブルデータ格納部１０７を有する。
【００３９】
内部メモリ１０５ａ、１０５ｂ、…、１０５ｉは、それぞれ、Ａ／Ｄ変換器６ａ、６ｂ、…、６ｉから供給されたＡ／Ｄ変換信号とテーブルデータ格納部１０７から得た伝播時間データとを一時格納するものである。演算回路１０６ａ、１０６ｂ、…、１０６ｉは、それぞれ、内部メモリ１０５ａ、１０５ｂ、…、１０５ｉに格納されたＡ／Ｄ変換信号と伝播時間データとから、画像化領域の各メッシュからの反射強度を特定し、各メッシュと反射強度とを対応づけるものである。対応づけられた反射強度は画像統合処理部８ａに供給される。
【００４０】
画像統合処理部８ａは、供給された反射強度を各メッシュごとに加算し画像化情報を生成するものである。生成された画像化情報は表示装置１０に導かれる。
【００４１】
境界抽出処理部８ｂは、画像統合処理部８ａが出力する結果から照射対象の内部に存在する境界を抽出するものである。抽出された境界に関する情報はテーブルデータ格納部１０７に送られる。
【００４２】
形状データ記憶部８ｃは、照射対象（または検査対象１７）に関する表面形状や層構造に関する情報をあらかじめ記憶するものである。記憶された情報は、必要に応じてテーブルデータ格納部１０７に送られる。
【００４３】
テーブルデータ格納部１０７は、圧電変換部２１ａ等間の超音波伝播時間（または等価的な距離でもよい。以下同）をテーブル化しあらかじめ格納しておくものである。格納された超音波伝播時間は、その一部または全部が、各並列プロセッサ７ａ、７ｂ、…、７ｉの内部メモリ１０５ａ、１０５ｂ、…、１０５ｉに必要に応じて転送される。また、テーブルデータ格納部１０７に格納された超音波伝播時間は、境界抽出処理部８ｂが供給する、照射対象における抽出された境界に関する情報や形状データ記憶部８ｃが供給する、照射対象（または検査対象１７）に関する表面形状や層構造に関する情報により、再設定され得る。
【００４４】
次に、図１、図２に示した構成による実際の動作・処理例を図３をも参照して説明する。図３は、各並列プロセッサ７ａ、７ｂ、…、７ｉ内で行なわれる処理を説明する説明図である。
【００４５】
圧電変換部２１ａ等を駆動するための信号が信号発生部１で発生され、これが駆動素子選択部２で選択された圧電変換部（図では圧電変換部２５ａ）に導かれる。これにより、圧電変換部２５ａは超音波Ｕを発生し、発生された超音波は、音響伝播媒体１６、カップラント１８を介して検査対象１７に照射される。
【００４６】
検査対象１７に照射された超音波Ｕは、その表面で屈折してさらに進行し、例えば欠陥１４などで反射してエコーとなり再び検査対象１７を介して圧電変換部２１ａ等に達する。
【００４７】
これにより圧電変換部２１ａ等では電気信号を発生する。発生された電気信号は、信号検出回路４に導かれて検出される。信号検出回路４では、検出されたものから検査に必要な電気信号（図では、圧電変換部２１ａ、…、２９ａが発生したもの）をそれぞれ増幅器５ａ、…、５ｉに導く。増幅器５ａ、…、５ｉは、それぞれ、導かれた信号を増幅し、これを信号処理部７０内のＡ／Ｄ変換器６ａ、…、６ｉに供給する。さらに、Ａ／Ｄ変換器６ａ、…、６ｉでＡ／Ｄ変換された信号それぞれが並列プロセッサ７ａ、７ｂ、…、７ｉに供給される。
【００４８】
並列プロセッサ７ａ、７ｂ、…、７ｉの各それぞれにおける処理は以下のようになされる。図３を参照するに、マトリクスセンサ９上の圧電変換部（ｊ）３１が、図１においては超音波を発している（＝送側の）圧電変換部２５ａに相当する。また、マトリクスセンサ９上の圧電変換部（ｋ）３２が図１における各圧電変換部２１ａ、…、２９ａのひとつ（受側の圧電変換部）に相当する。
【００４９】
画像化領域４０は、図１における音響伝播媒体１６と検査対象１７とに相当し、その中の画像化領域４０Ａが音響伝播媒体１６に、画像化領域４０Ｂが音響伝播媒体４０Ｂにそれぞれ相当する。画像化領域４０Ａ、４０Ｂは、図示するようにそれぞれ３次元に（あるいは簡単には見えている断面の２次元に）メッシュ化されて捉えられている。なお、画像化領域４０Ａとマトリクスセンサ９とは図１に示すように面接触して描かれるべきであるが、図示の都合上離して描いている。
【００５０】
圧電変換部（ｋ）３２が検出し並列プロセッサ７ａ、７ｂ、…、７ｉの一つに入力される送受信エコー強度Ｐは、時間方向データとして例えば図３の中ほどに示すような時間離散信号である。この時間離散信号におけるサンプリングされた強度のそれぞれは、画像化領域４０の各メッシュのどこかから反射されたものに由来する。
【００５１】
この対応づけのため、伝播時間テーブルデータ２０７を用いる。この伝播時間テーブルデータ２０７は、図２におけるテーブルデータ格納部１０７に格納されていたものである。伝播時間テーブルデータ２０７は、送側の圧電変換部（ｊ）３１と受側の圧電変換部（ｋ）の組み合わせ（ｊ、ｋ）ごとに作られ、画像化領域４０の各メッシュに対応して（ｊ→ｉ→ｋ）の伝播時間が記録されたテーブルである。図示するように、ここでは、画像化領域４０Ａに相当するテーブルデータ７１と画像化領域４０Ｂに相当するテーブルデータ４０Ｂとからなっている。伝播時間テーブルデータ２０７も、画像化領域４０に対応して図示するように３次元に（あるいは簡単には見えている断面の２次元に）構造化されたものである。
【００５２】
いま、例えば画像化メッシュ（ｉ）５１からの反射強度を、送受信エコー強度Ｐのデータから確定する場合には、まず、画像化メッシュ（ｉ）５１に対応する伝播時間テーブルデータ２０７の格納位置から伝播時間（ｉ）６１を取出す。そして、その伝播時間（ｉ）６１に相当する時間ｔの送受信エコー強度Ｐのサンプリング値を特定する。そのサンプリング値が、画像化メッシュ（ｉ）５１からの反射強度になる。
【００５３】
同様にして、画像化メッシュ（ｉ＋１）５２、画像化メッシュ（ｉ＋２）５３、画像化メッシュ（ｉ＋３）５４、画像化メッシュ（ｉ＋４）５５、…についても、伝播時間（ｉ＋１）６２、伝播時間（ｉ＋２）６３、伝播時間（ｉ＋３）６４、…を用いてそれぞれ反射強度を確定することができる。
【００５４】
以上のような各メッシュについての反射強度の確定は、信号処理部７０内で、各並列プロセッサ７ａ、７ｂ、…、７ｉごとに受側の圧電変換部（ｋ）３２のｋの値を変えて並列に行なわれる。そして、これらの結果は画像統合処理部８ａに送られてメッシュごとに加算される。すなわち、以上説明の処理においては、並列プロセッサ７ａ、７ｂ、…、７ｉで並列処理が行なわれるので、非常に高速な処理が実現する。
【００５５】
なお、最終的な画像は、例えば、送側の圧電変換部（ｊ）３１と受側の圧電変換部（ｋ）のすべての組合せについて上記処理が終了した時点で得られることになる。簡単化としては、例えば、一列の送側の圧電変換部（ｊ）３１と受側の圧電変換部（ｋ）のすべての組合せについて上記処理を終了した時点としてもよい。これらの結果は、表示装置１０上に表示される。ちなみに、欠陥１４があるとその領域からの超音波Ｕの反射強度が大きくなるので、画像化された結果はその位置と程度を反映する。
【００５６】
伝播時間テーブルデータ２０７は、あらかじめ、画像化領域４０Ａ、４０Ｂの材質の違いを考慮して屈折計算を行ない伝播経路を特定することにより作成しておくことができる。ここでは、画像化領域４０Ａと４０Ｂとの材質の違いによりその界面で図示するように屈折が生じるが、この屈折が加味されて（ｊ→ｉ→ｋ）の伝播時間が求められる。
【００５７】
また、伝播時間テーブルデータ２０７は、初期的には図２におけるテーブルデータ格納部１０７に格納されているが、実際の処理においては、内部メモリ１０５ａ、１０５ｂ、…、１０５ｉに必要部分が転送され利用される。転送する構成にすることにより、内部メモリ１０５ａ、１０５ｂ、…、１０５ｉとして高速なメモリを使用して全体としてのより高速な処理に寄与することができる。
【００５８】
次に、図１、図２に示した構成による実際の動作・処理の別の例を図４をも参照して説明する。図４は、各並列プロセッサ７ａ、７ｂ、…、７ｉ内で行なわれる処理の別の例を説明する説明図であり、図３において説明した部分には同一符号を付してある。以下重複を避けて説明する。
【００５９】
この処理例では、伝播時間テーブルデータ２０７に代えて、送側の圧電変換部（ｊ）３１と受側の圧電変換部（ｋ）の組合せ（ｊ、ｋ）によらず共通で、かつ片道の伝播時間が格納された片道伝播時間テーブルデータ９５を用いる。片道伝播時間テーブルデータ９５は、画像化領域４０Ａに相当するテーブルデータ９６と画像化領域４０Ｂに相当するテーブルデータ９７とからなっている。
【００６０】
このような片道伝播時間テーブルデータ９５であっても、検査対象１７に形状的対称性や平面的な表面性がある場合には利用することができる。これは、送側であれば、差（ｊ−ｉ）の値により、すなわち、個別のｊの値にはよらずに一律な伝播時間を想定することができるからである。同様に、受側であれば、差（ｉ−ｋ）の値により、すなわち、個別のｋの値にはよらずに一律な伝播時間を想定することができるからである。
【００６１】
いま、例えば画像化メッシュ（ｉ）５１からの反射強度を、送受信エコー強度Ｐのデータから確定する場合には、まず、片道伝播時間テーブルデータ９５から、（ｊ−ｉ）を引数に送側伝播時間（ｊ−ｉ）８１を取出す。同様に、片道伝播時間テーブルデータ９５から、（ｉ−ｋ）を引数に受側伝播時間（ｉ−ｋ）９１を取出す。そして、送側伝播時間（ｊ−ｉ）８１と受側伝播時間（ｉ−ｋ）９１とを加算し、加算値に相当する時間ｔの送受信エコー強度Ｐのサンプリング値を特定する。そのサンプリング値が、画像化メッシュ（ｉ）５１からの反射強度になる。
【００６２】
同様にして、画像化メッシュ（ｉ＋１）５２、画像化メッシュ（ｉ＋２）５３、画像化メッシュ（ｉ＋３）５４、画像化メッシュ（ｉ＋４）５５、…についても、伝播時間（ｊ−ｉ＋１）８２、伝播時間（ｊ−ｉ＋２）８３、…と、伝播時間（ｉ＋１−ｋ）９２、伝播時間（ｉ＋２−ｋ）９３、…とを用いてそれぞれ反射強度を確定することができる。
【００６３】
以上説明のように、この例では、伝播時間テーブルデータ２０７に代えて、送側の圧電変換部（ｊ）３１と受側の圧電変換部（ｋ）の組合せ（ｊ、ｋ）によらず共通で、かつ片道の伝播時間が格納された片道伝播時間テーブルデータ９５を用いるので、必要な格納領域を各段に削減することができる。
【００６４】
なお、このような格納領域の削減は、次の方策を講じることによってさらに行なうことができる。すなわち、図４に示された基準圧電変換部３８から発せられる超音波には指向性があるので、送受信可能範囲３９から外れた範囲に相当する格納領域を用意しておくには及ばない。このような範囲には格納領域を与えないようにする。（なお、図で基準圧電変換部３８を左上にあるものとして上中央としていないのは、左右の対称性を利用しているからである。）
【００６５】
次に、図１、図２に示した構成による実際の動作・処理例について何点か補足する。
【００６６】
伝播時間テーブルデータ２０７や片道伝播時間テーブルデータ９５を作成する際には、圧電変換部２１ａ等の指向特性を考慮してこれらのテーブルデータに伝播時間に加えて指向性による感度分布データを格納するようにしてもよい。このようにすれば、感度が低くなる超音波の斜角成分のゲインを補正し、精度向上に寄与するように斜角成分のエコーデータを使うことが可能となる。
【００６７】
また、伝播時間テーブルデータ２０７や片道伝播時間テーブルデータ９５を作成する際には、検査対象として固体または液体からなる音響伝播媒体の単一層を仮定しこれ用にテーブルデータを、データ付与手段としての統合プロセッサ８で初期設定するようにしてもよい（なお、このための統合プロセッサ８内の構成については不図示）。この処理設定により得られた結果を画像化すれば、音響伝播媒体１６と真の検査対象１７との境界面（すなわち、不連続線または不連続線）の抽出、検出ができる（処理は、境界抽出処理部８ｂで行なう）。これは、仮定と実際の結果が境界面の存在位置に応じて食い違うので、境界面の存在および位置を特定できるからである。
【００６８】
そして、この境界面の特定に基づいて統合プロセッサ８が上記各テーブルデータ２０７、９５を再設定し（なお、このための統合プロセッサ８内の構成については不図示）、再設定された各テーブルデータ２０７、９５を用いることで、検査対象１７の位置が変化する場合の画像化に対応することできる。
【００６９】
さらに、真の検査対象１７の形状が複雑な場合に備えて、あらかじめ、形状データを形状データ記憶部８ｃに記憶し、この記憶された形状データを加味して波伝播時間テーブルデータ２０７や片道伝播時間テーブルデータ９５を再設定するように動作させてもよい。
【００７０】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明によれば、並列的処理により高速な処理が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る超音波画像化装置によって超音波検査を行なう構成例を説明する図。
【図２】図１中に示した信号処理部７０内の構成をさらに詳細に示す図。
【図３】図２中に示した各並列プロセッサ７ａ、７ｂ、…、７ｉ内で行なわれる処理を説明する説明図。
【図４】図２に中に示した各並列プロセッサ７ａ、７ｂ、…、７ｉ内で行なわれる処理の別の例を説明する説明図。
【符号の説明】
１…信号発生部 ２…駆動素子選択部 ４…信号検出回路 ５ａ、５ｂ、…、５ｉ…増幅器 ６ａ、６ｂ、…、６ｉ…Ａ／Ｄ変換器 ７ａ、７ｂ、…、７ｉ…並列プロセッサ ８…統合プロセッサ ８ａ…画像統合処理部 ８ｂ…境界抽出処理部 ８ｃ…形状データ記憶部 ９…マトリックスセンサ １０…表示装置 １４…欠陥 １６…音響伝播媒体 １７…検査対象 １８…カップラント ２１ａ、２２ａ、２３ａ、…、２５ａ、…、２９ａ、３０ａ、３０ｂ、…、 ３０ｈ…圧電変換部 ３１…圧電変換部（ｊ） ３２…圧電変換部（ｋ） ３８…基準圧電変換部 ３９…送受信可能範囲 ４０、４０Ａ、４０Ｂ…画像化領域 ５１…画像化メッシュ（ｉ） ５２…画像化メッシュ（ｉ＋１） ５３…画像化メッシュ（ｉ＋２） ５４…画像化メッシュ（ｉ＋３） ５５…画像化メッシュ（ｉ＋４） ６１…伝播時間（ｉ） ６２…伝播時間（ｉ＋１） ６３…伝播時間（ｉ＋２） ６４…伝播時間（ｉ＋３） ７０…信号処理部 ７１…画像化領域４０Ａに相当するテーブルデータ ７２…画像化領域４０Ｂに相当するテーブルデータ ８１…伝播時間（ｊ−ｉ） ８２…伝播時間（ｊ−ｉ＋１） ８３…伝播時間（ｊ−ｉ＋２） ９１…伝播時間（ｉ−ｋ） ９２…伝播時間（ｉ＋１−ｋ） ９３…伝播時間（ｉ＋２−ｋ） ９５…片道伝播時間テーブルデータ ９６…画像化領域４０Ａに相当するテーブルデータ ９７…画像化領域４０Ｂに相当するテーブルデータ １０５ａ、１０５ｂ、…、１０５ｉ…内部メモリ １０６ａ、１０６ｂ、…、１０６ｉ…演算回路 １０７…テーブルデータ格納部 ２０７…伝播時間テーブルデータ Ｕ…・超音波 Ｐ…エコー強度
【発明の属する技術分野】
本発明は、超音波を検査対象に照射しその反射エコーを画像化して欠陥等を検査する超音波画像化装置に係り、特に、より高速に画像化・検査することに適する超音波画像化装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
超音波画像化装置として単眼超音波センサを有するものでは、例えば水浸法を用いて超音波を垂直方向に送信し、正面に反射体があることを前提として特定の焦点深度の画像化を行なう。この場合、表面が曲面形状の検査対象の内部を画像化する場合には対応できず、例えば焦点がばらけてしまい高精度な画像化ができないという不都合がある。
【０００３】
また、マトリクス状または一列に配置した多数の圧電変換部から構成される超音波トランスデューサを有する超音波画像化装置では、高精度化には一応対応できるものの、検査対象が、複数の異なる音響特性を有した層構造や表面が曲面形状である場合の内部の欠陥、ボイド、剥がれなどを検査し可視化する際の処理の膨大さが問題となる。このような処理には、マトリックス状に配置された圧電変換部間で送受信される多数の超音波伝播の屈折計算を２次元的または３次元的に行なうことが必要となり、膨大な処理時間が発生する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、処理時間を縮減するには、例えば、検査対象の層構造や表面形状を特定することができる場合には、マトリクス状または一列に配置した多数の圧電変換部間で送受信される超音波信号の伝播時間を屈折などの伝播経路に応じて事前に計算しテーブル化して格納しておくことを利用できる。これにより屈折計算を一々する必要はなくなる。しかしながら、この場合においても、なお、圧電変換部が多数あることにより、十分な高速化は達成しない。
【０００５】
本発明は、上記した事情を考慮してなされたもので、超音波を検査対象に照射しその反射エコーを画像化して欠陥等を検査する超音波画像化装置において、より高速に画像化・検査することが可能な超音波画像化装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するため、本発明は、マトリクス状または一列状にそれぞれ配置された複数の圧電変換部を有する超音波トランスデューサと、前記複数の圧電変換部に接続され、前記複数の圧電変換部のうち任意のひとつを駆動可能な駆動素子選択部と、前記複数の圧電変換部に接続され、前記駆動された圧電変換部が発する超音波による、音響伝播媒体を介しての検査対象からの反射エコーを受信することにより前記複数の圧電変換部が発生する電気信号を並列的に検出する信号検出回路と、前記並列的に検出された電気信号から前記検査対象の状態を画像化する処理を並列演算を用いて行なう信号処理部と、前記処理され画像化された結果を表示する表示装置とを具備し、前記信号処理部は、前記検査対象において画像化すべき領域をメッシュ化し前記メッシュ化された領域それぞれについて前記駆動された圧電変換部から前記複数の圧電変換部のうちのひとつへの超音波伝播時間を、前記駆動された圧電変換部と前記複数の圧電変換部のうちの前記ひとつとの組み合わせごとに格納する格納手段と、前記格納された超音波伝播時間を用い、前記並列的に検出された電気信号のうちのひとつの時間方向データから、前記メッシュ化された領域それぞれについて反射強度を確定する処理を、前記並列的に検出された電気信号おのおのについて互いに並列的に行なう複数の処理手段と、前記並列に処理され確定された反射強度を前記メッシュ化された領域ごとに加算する加算手段とを有することを特徴とする。
【０００７】
すなわち、本発明は、マトリクス状または一列状にそれぞれ配置された複数の圧電変換部を有する超音波トランスデューサを超音波の発生・検出に用いることを前提とするものである。複数の圧電変換部のうち任意のものを駆動し、検査対象からの反射エコーを複数の圧電変換部で検知して電気信号に変換し、変換された電気信号を信号検出回路で並列的に検出し、さらに信号処理部で並列演算して画像化処理を行なう。
【０００８】
並列演算においては、上記の格納手段、複数の処理手段、加算手段が用いられる。格納手段は、検査対象において画像化すべき領域をメッシュ化しこのメッシュ化された領域それぞれについて、駆動された圧電変換部から複数の圧電変換部のうちのひとつへの超音波伝播時間を、駆動された圧電変換部と複数の圧電変換部のうちの前記ひとつとの組み合わせごとに格納している。
【０００９】
複数の処理手段は、この格納された超音波伝播時間を用い、並列的に検出された電気信号のうちのひとつの時間方向データから、メッシュ化された領域それぞれについて反射強度を確定する処理を、並列的に検出された電気信号おのおのについて互いに並列的に行なう。このような並列的処理により高速な処理が可能になる。処理された結果は、加算手段によりメッシュ化された領域ごとに加算される。これにより画像化データを得ることができる。
【００１０】
なお、格納手段、複数の処理手段、および加算手段は、例えば、専用または汎用の計算機をハードウエアとして用い、このハードウエアと、このハードウエア上で動作する基本ソフトウエアおよび応用ソフトウエアとにより構成することができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明の実施態様として、前記信号処理部は、前記格納手段に代えて、前記検査対象において画像化すべき領域をメッシュ化し前記メッシュ化された領域それぞれについて、ある圧電変換部からの送側超音波伝播時間とある圧電変換部への受側超音波伝播時間とを一般化して共通に格納する第２の格納手段を有し、前記複数の処理手段は、前記格納された超音波伝播時間に代えて、前記格納された送側超音波伝播時間と前記格納された受側超音波伝播時間とを用いる。
【００１２】
このような第２の格納手段を持つことにより、必要な記憶領域を大幅に縮減することが可能になる。例えば、検査対象が平面的な表面を有する場合などに適用することができる。
【００１３】
また、本発明の実施態様は、前記信号処理部の前記格納手段において、前記画像化すべき領域が、前記複数の圧電変換部における超音波発生指向特性を考慮して制限されたものである。このような制限を設けることにより、処理に必要のない記憶領域を削減することができる。
【００１４】
また、本発明の実施態様は、前記信号処理部の前記第２の格納手段において、前記画像化すべき領域が、前記複数の圧電変換部における超音波発生指向特性を考慮して制限されたものである。この場合も、処理に必要のない記憶領域を削減することができる。
【００１５】
また、本発明の実施態様において、前記信号処理部は、前記検査対象において画像化すべき領域をメッシュ化し前記メッシュ化された領域それぞれについて前記駆動された圧電変換部から前記複数の圧電変換部のうちのひとつへの超音波伝播強度特性を、前記駆動された圧電変換部と前記複数の圧電変換部のうちの前記ひとつとの組み合わせごとに格納する伝播強度特性格納手段をさらに有し、前記信号処理部の前記複数の処理手段は、前記反射強度を確定する処理に前記格納された超音波伝播強度特性を補正のため用いる。
【００１６】
駆動された圧電変換部から複数の圧電変換部のうちのひとつへの超音波伝播強度特性は、圧電変換部の指向特性により変化する。例えば、斜角になって発せられまた受信される超音波は感度低下が生じる。そこで、このような感度低下分を伝播強度特性格納手段に格納された伝播強度特性で補正することにより、画像化結果を高精度化する。なお、伝播強度特性格納手段は、超音波伝播時間の格納手段とアドレスを共通にこれに付随的に設けてもよい。
【００１７】
また、本発明の実施態様において、前記信号処理部は、前記検査対象において画像化すべき領域をメッシュ化し前記メッシュ化された領域それぞれについて、ある圧電変換部からの送側超音波伝播強度特性とある圧電変換部への受側超音波伝播強度特性とを一般化して共通に格納する伝播強度特性格納手段をさらに有し、前記信号処理部の前記複数の処理手段は、前記反射強度を確定する処理に前記格納された送側超音波伝播強度特性および受側超音波伝播強度特性を補正のため用いる。
【００１８】
この場合も、感度低下分を伝播強度特性格納手段に格納された伝播強度特性で補正することにより、画像化結果を高精度化する。ここで、伝播強度特性格納手段は、必要な記憶領域を大幅に縮減されたものになる。例えば、検査対象が平面的な表面を有する場合などに適用することができる。
【００１９】
また、本発明の実施態様において、前記信号処理部は、前記格納手段に初期値としての超音波伝播時間のデータを付与するデータ付与手段と、前記検査対象に対して前記付与された超音波伝播時間のデータを用い前記複数の処理手段により処理しかつ前記加算手段により加算して得られた前記メッシュ化された領域ごとの反射強度から、前記検査対象の不連続面または不連続線を検出する手段と、前記検出された不連続面または不連続線に基づき前記格納手段の内容を再設定する手段とをさらに有する。
【００２０】
このような構成によれば、例えば、初期値としての超音波伝播時間に、単一層の検査対象を仮定して数値を与えると、得られた反射強度から検査対象の不連続面または不連続線を検出できる。すなわち、真の検査対象（音響伝播媒体を含まない検査対象）の位置の変化を知ることができる。この位置の変化に応じて超音波伝播時間を格納し直せば、精度の高い画像化を行なうことができる。
【００２１】
後述する本発明の実施形態の考え方を述べると次のようである。
【００２２】
例えば開口合成処理により３Ｄ画像合成を行なうためには、ある２個の圧電変換部間で送受信された超音波エコー波形（時間方向データ）を距離方向に対応づけることが必要である。具体的には、超音波エコー波形の各サンプリングデータを音速に応じて距離データに直して反射された画像化メッシュを特定し、特定された画像化メッシュにそのサンプリングデータを対応づける。そして、３Ｄ画像化領域内の全メッシュまたは指向角で制限された領域の全メッシュについて、２個の圧電変換部の全組合せに渡って上記サンプリングデータ（振幅値で表わされた強度）を加算処理することで３Ｄ画像を描画することができる。
【００２３】
ここで、検査を行なう際には、水に浸したり樹脂のシュー材からなる音響伝播媒体を介して検査対象に超音波を送受信するのが一般的である。そのため、超音波が伝播する経路内には、少なくとも音響伝播媒体と検査対象という異なる音速の領域があることになる。検査対象が異なる音速からなる複数層からなる場合は、全体で３層以上の層構成になる。
【００２４】
複数の層構成の場合、各層の界面での屈折を考慮して求めた往復距離に応じてサンプリングデータ（振幅値）を加算することにより３Ｄ描画を行なうことが必要になる。そのため、一般的には、各メッシュごとに屈折計算を行ない、その結果によりサンプリンデータの対応づけと加算処理を行なうため処理量が膨大となり表示するまでの時間がかかりすぎて実用的な性能を達成することが困難となる。
【００２５】
しかしながら、一定形状のシュー材や固定条件での水浸検査では、各メッシュごとに屈折計算を一々せずとも伝播時間データをテーブル化にしておけばこれを利用することができる。デーブル化により、屈折計算に相当する処理はメモリアクセス時間まで縮減できる。さらに、受信側の複数の圧電変換部に対応して演算回路を並列に設けることにより、画像合成処理が一層高速化されるものである。
【００２６】
ここで、上記の方法によれば、例えば１０×１０個の圧電変換部を平面的にマトリックス配置した場合であれば、１００個のうちの２個の圧電変換部（送側、受側）の全組合せに対応したテーブルデータを用意することが必要となる。このため、一般的には、あらかじめテーブルデータを作成する場合の計算時間やデータ容量が膨大になる。
【００２７】
そこで、これを軽減するには、検査対象の対称性や一様性を利用して、テーブルデータを上記組合せによらず共通化することが非常に有効である。例えば、平面形状で一定厚さのシュー材で平らな検査対象を検査する場合には、片道の超音波経路に対応した単一のテーブルデータだけあれば、座標変換で任意の圧電変換部による送信と受信の伝播距離の計算が可能である。これにより、並列演算回路内のメモリ容量は低減され、高速アクセスにより処理が一層高速化される。
【００２８】
また、超音波伝播時間テーブルデータや共通テーブルデータを作成する際に、圧電変換部の指向特性を考慮してテーブルデータの領域を制限すれば、必要のない画像化データを描画せずかつ画像合成処理の効率化を図ることができる。
【００２９】
また、超音波伝播時間テーブルデータや共通テーブルデータを作成する際に、圧電変換部の指向特性を考慮してテーブルデータに伝播時間に加えて指向性による感度分布データを格納すれば、感度が低くなる超音波の斜角成分のゲインを調整し、精度向上に有効な斜角成分のエコーデータを有効に使うことが可能となる。
【００３０】
また、超音波伝播時間テーブルデータや共通テーブルデータを作成する際に、検査対象として固体または液体からなる音響伝播媒体の単一層を仮定しこれ用にテーブルデータを初期設定すれば、その結果の画像化により、音響伝播媒体と真の検査対象との境界面の抽出ができる。そして、この処理結果を用いて再計算されたテーブルデータによれば、位置が変化する場合の画像化に対応することできる。また、真の検査対象の形状が複雑な場合に備えて、あらかじめ、形状データを記憶し、この記憶された形状データを加味して超音波伝播時間テーブルデータや共通テーブルデータを再設定することもできる。
【００３１】
以下では本発明の実施形態を図面を参照しながら説明する。
【００３２】
図１は、本発明の実施形態に係る超音波画像化装置によって超音波検査を行なう構成例を説明する図である。同図に示すように、この超音波画像化装置は、マトリックスセンサ（超音波トランスデューサ）９、信号発生部１、駆動素子選択部２、信号検出回路４、増幅器５ａ、５ｂ、…、５ｉ、信号処理部７０、表示装置１０を有する。上記信号処理部７０は、内部構成として、Ａ／Ｄ変換器６ａ、６ｂ、…、６ｉ、並列プロセッサ７ａ、７ｂ、…、７ｉ、統合プロセッサ８を有する。マトリックスセンサ９の前面には音響伝播媒体１６が密着され、音響伝播媒体１６は、カップラント１８を介して検査対象１７に接触される。検査対象１７中には欠陥１４が存在し得る。
【００３３】
マトリックスセンサ９は、圧電素子からなる複数の圧電変換部２１ａ、２２ａ、２３ａ、…、２９ａ、３０ａ、３０ｂ、…、３０ｈをマトリックス状に配置したものであり、そのそれぞれの圧電変換部２１ａ等は、駆動素子選択部２の選択により駆動されるものが決定されて信号発生部１からの駆動信号が導線で導かれる。また、それぞれの圧電変換部２１ａ等が発生する電気信号は導線で信号検出回路４に導かれる。圧電変換部２１ａ等が電気駆動されると圧電体としての性質から超音波が発生し、発生された超音波は、音響伝播媒体１６を介して検査対象１７内の欠陥１４に達する。欠陥１４による超音波エコーＵは再び音響伝播媒体１６を介して圧電変換部２１ａ等に入力し、これによりそれぞれの圧電変換部２１ａ等は電気信号を発生する。
【００３４】
信号発生部１は、圧電変換部２１ａ等が超音波を発生すべくパルス状または連続の駆動信号を発生するものである。発生された駆動信号は駆動素子選択部２に導かれる。駆動信号選択部２は、駆動すべき一つまたは複数の圧電変換部２１ａ等を選択の上、信号発生部１から導かれた駆動信号を、選択された圧電変換部２１ａ等に導くものである。
【００３５】
信号検出回路４は、圧電変換部２１ａ等で発生する電気信号を検出するものである。検出された電気信号のうち検査に必要な複数のものは、それぞれ増幅器５ａ、５ｂ、…、５ｉに導かれる。
【００３６】
増幅器５ａ、５ｂ、…、５ｉは、導かれた電気信号をそれぞれ増幅し、これを信号処理部７０内のＡ／Ｄ変換器６ａ、６ｂ、…、６ｉにそれぞれ供給するものである。Ａ／Ｄ変換器６ａ、６ｂ、…、６ｉは、導かれた電気信号をＡ／Ｄ変換し、これを信号処理部７０内の並列プロセッサ７ａ、７ｂ、…、７ｉにそれぞれ導くものである。
【００３７】
信号処理部７０内の並列プロセッサ７ａ、７ｂ、…、７ｉは、Ａ／Ｄ変換器６ａ、６ｂ、…、６ｉから導かれたディジタル信号を並列的に処理し、それぞれ、画像化領域の各メッシュからの反射強度を特定するものである。特定された反射強度は、統合プロセッサ８により統合されて画像化情報となり、さらに表示装置１０に導かれる。表示装置１０は、導かれた情報を表示するものである。
【００３８】
図２は、信号処理部７０内の構成をさらに詳細に示す図である。同図に示すように、並列プロセッサ７ａ、７ｂ、…７ｉは、それぞれ、内部メモリ１０５ａ、１０５ｂ、…、１０５ｉ、および演算回路１０６ａ、１０６ｂ、…、１０６ｉを有する。また、統合プロセッサ８は、画像統合処理部８ａ、境界抽出処理部８ｂ、形状データ記憶部８ｃ、テーブルデータ格納部１０７を有する。
【００３９】
内部メモリ１０５ａ、１０５ｂ、…、１０５ｉは、それぞれ、Ａ／Ｄ変換器６ａ、６ｂ、…、６ｉから供給されたＡ／Ｄ変換信号とテーブルデータ格納部１０７から得た伝播時間データとを一時格納するものである。演算回路１０６ａ、１０６ｂ、…、１０６ｉは、それぞれ、内部メモリ１０５ａ、１０５ｂ、…、１０５ｉに格納されたＡ／Ｄ変換信号と伝播時間データとから、画像化領域の各メッシュからの反射強度を特定し、各メッシュと反射強度とを対応づけるものである。対応づけられた反射強度は画像統合処理部８ａに供給される。
【００４０】
画像統合処理部８ａは、供給された反射強度を各メッシュごとに加算し画像化情報を生成するものである。生成された画像化情報は表示装置１０に導かれる。
【００４１】
境界抽出処理部８ｂは、画像統合処理部８ａが出力する結果から照射対象の内部に存在する境界を抽出するものである。抽出された境界に関する情報はテーブルデータ格納部１０７に送られる。
【００４２】
形状データ記憶部８ｃは、照射対象（または検査対象１７）に関する表面形状や層構造に関する情報をあらかじめ記憶するものである。記憶された情報は、必要に応じてテーブルデータ格納部１０７に送られる。
【００４３】
テーブルデータ格納部１０７は、圧電変換部２１ａ等間の超音波伝播時間（または等価的な距離でもよい。以下同）をテーブル化しあらかじめ格納しておくものである。格納された超音波伝播時間は、その一部または全部が、各並列プロセッサ７ａ、７ｂ、…、７ｉの内部メモリ１０５ａ、１０５ｂ、…、１０５ｉに必要に応じて転送される。また、テーブルデータ格納部１０７に格納された超音波伝播時間は、境界抽出処理部８ｂが供給する、照射対象における抽出された境界に関する情報や形状データ記憶部８ｃが供給する、照射対象（または検査対象１７）に関する表面形状や層構造に関する情報により、再設定され得る。
【００４４】
次に、図１、図２に示した構成による実際の動作・処理例を図３をも参照して説明する。図３は、各並列プロセッサ７ａ、７ｂ、…、７ｉ内で行なわれる処理を説明する説明図である。
【００４５】
圧電変換部２１ａ等を駆動するための信号が信号発生部１で発生され、これが駆動素子選択部２で選択された圧電変換部（図では圧電変換部２５ａ）に導かれる。これにより、圧電変換部２５ａは超音波Ｕを発生し、発生された超音波は、音響伝播媒体１６、カップラント１８を介して検査対象１７に照射される。
【００４６】
検査対象１７に照射された超音波Ｕは、その表面で屈折してさらに進行し、例えば欠陥１４などで反射してエコーとなり再び検査対象１７を介して圧電変換部２１ａ等に達する。
【００４７】
これにより圧電変換部２１ａ等では電気信号を発生する。発生された電気信号は、信号検出回路４に導かれて検出される。信号検出回路４では、検出されたものから検査に必要な電気信号（図では、圧電変換部２１ａ、…、２９ａが発生したもの）をそれぞれ増幅器５ａ、…、５ｉに導く。増幅器５ａ、…、５ｉは、それぞれ、導かれた信号を増幅し、これを信号処理部７０内のＡ／Ｄ変換器６ａ、…、６ｉに供給する。さらに、Ａ／Ｄ変換器６ａ、…、６ｉでＡ／Ｄ変換された信号それぞれが並列プロセッサ７ａ、７ｂ、…、７ｉに供給される。
【００４８】
並列プロセッサ７ａ、７ｂ、…、７ｉの各それぞれにおける処理は以下のようになされる。図３を参照するに、マトリクスセンサ９上の圧電変換部（ｊ）３１が、図１においては超音波を発している（＝送側の）圧電変換部２５ａに相当する。また、マトリクスセンサ９上の圧電変換部（ｋ）３２が図１における各圧電変換部２１ａ、…、２９ａのひとつ（受側の圧電変換部）に相当する。
【００４９】
画像化領域４０は、図１における音響伝播媒体１６と検査対象１７とに相当し、その中の画像化領域４０Ａが音響伝播媒体１６に、画像化領域４０Ｂが音響伝播媒体４０Ｂにそれぞれ相当する。画像化領域４０Ａ、４０Ｂは、図示するようにそれぞれ３次元に（あるいは簡単には見えている断面の２次元に）メッシュ化されて捉えられている。なお、画像化領域４０Ａとマトリクスセンサ９とは図１に示すように面接触して描かれるべきであるが、図示の都合上離して描いている。
【００５０】
圧電変換部（ｋ）３２が検出し並列プロセッサ７ａ、７ｂ、…、７ｉの一つに入力される送受信エコー強度Ｐは、時間方向データとして例えば図３の中ほどに示すような時間離散信号である。この時間離散信号におけるサンプリングされた強度のそれぞれは、画像化領域４０の各メッシュのどこかから反射されたものに由来する。
【００５１】
この対応づけのため、伝播時間テーブルデータ２０７を用いる。この伝播時間テーブルデータ２０７は、図２におけるテーブルデータ格納部１０７に格納されていたものである。伝播時間テーブルデータ２０７は、送側の圧電変換部（ｊ）３１と受側の圧電変換部（ｋ）の組み合わせ（ｊ、ｋ）ごとに作られ、画像化領域４０の各メッシュに対応して（ｊ→ｉ→ｋ）の伝播時間が記録されたテーブルである。図示するように、ここでは、画像化領域４０Ａに相当するテーブルデータ７１と画像化領域４０Ｂに相当するテーブルデータ４０Ｂとからなっている。伝播時間テーブルデータ２０７も、画像化領域４０に対応して図示するように３次元に（あるいは簡単には見えている断面の２次元に）構造化されたものである。
【００５２】
いま、例えば画像化メッシュ（ｉ）５１からの反射強度を、送受信エコー強度Ｐのデータから確定する場合には、まず、画像化メッシュ（ｉ）５１に対応する伝播時間テーブルデータ２０７の格納位置から伝播時間（ｉ）６１を取出す。そして、その伝播時間（ｉ）６１に相当する時間ｔの送受信エコー強度Ｐのサンプリング値を特定する。そのサンプリング値が、画像化メッシュ（ｉ）５１からの反射強度になる。
【００５３】
同様にして、画像化メッシュ（ｉ＋１）５２、画像化メッシュ（ｉ＋２）５３、画像化メッシュ（ｉ＋３）５４、画像化メッシュ（ｉ＋４）５５、…についても、伝播時間（ｉ＋１）６２、伝播時間（ｉ＋２）６３、伝播時間（ｉ＋３）６４、…を用いてそれぞれ反射強度を確定することができる。
【００５４】
以上のような各メッシュについての反射強度の確定は、信号処理部７０内で、各並列プロセッサ７ａ、７ｂ、…、７ｉごとに受側の圧電変換部（ｋ）３２のｋの値を変えて並列に行なわれる。そして、これらの結果は画像統合処理部８ａに送られてメッシュごとに加算される。すなわち、以上説明の処理においては、並列プロセッサ７ａ、７ｂ、…、７ｉで並列処理が行なわれるので、非常に高速な処理が実現する。
【００５５】
なお、最終的な画像は、例えば、送側の圧電変換部（ｊ）３１と受側の圧電変換部（ｋ）のすべての組合せについて上記処理が終了した時点で得られることになる。簡単化としては、例えば、一列の送側の圧電変換部（ｊ）３１と受側の圧電変換部（ｋ）のすべての組合せについて上記処理を終了した時点としてもよい。これらの結果は、表示装置１０上に表示される。ちなみに、欠陥１４があるとその領域からの超音波Ｕの反射強度が大きくなるので、画像化された結果はその位置と程度を反映する。
【００５６】
伝播時間テーブルデータ２０７は、あらかじめ、画像化領域４０Ａ、４０Ｂの材質の違いを考慮して屈折計算を行ない伝播経路を特定することにより作成しておくことができる。ここでは、画像化領域４０Ａと４０Ｂとの材質の違いによりその界面で図示するように屈折が生じるが、この屈折が加味されて（ｊ→ｉ→ｋ）の伝播時間が求められる。
【００５７】
また、伝播時間テーブルデータ２０７は、初期的には図２におけるテーブルデータ格納部１０７に格納されているが、実際の処理においては、内部メモリ１０５ａ、１０５ｂ、…、１０５ｉに必要部分が転送され利用される。転送する構成にすることにより、内部メモリ１０５ａ、１０５ｂ、…、１０５ｉとして高速なメモリを使用して全体としてのより高速な処理に寄与することができる。
【００５８】
次に、図１、図２に示した構成による実際の動作・処理の別の例を図４をも参照して説明する。図４は、各並列プロセッサ７ａ、７ｂ、…、７ｉ内で行なわれる処理の別の例を説明する説明図であり、図３において説明した部分には同一符号を付してある。以下重複を避けて説明する。
【００５９】
この処理例では、伝播時間テーブルデータ２０７に代えて、送側の圧電変換部（ｊ）３１と受側の圧電変換部（ｋ）の組合せ（ｊ、ｋ）によらず共通で、かつ片道の伝播時間が格納された片道伝播時間テーブルデータ９５を用いる。片道伝播時間テーブルデータ９５は、画像化領域４０Ａに相当するテーブルデータ９６と画像化領域４０Ｂに相当するテーブルデータ９７とからなっている。
【００６０】
このような片道伝播時間テーブルデータ９５であっても、検査対象１７に形状的対称性や平面的な表面性がある場合には利用することができる。これは、送側であれば、差（ｊ−ｉ）の値により、すなわち、個別のｊの値にはよらずに一律な伝播時間を想定することができるからである。同様に、受側であれば、差（ｉ−ｋ）の値により、すなわち、個別のｋの値にはよらずに一律な伝播時間を想定することができるからである。
【００６１】
いま、例えば画像化メッシュ（ｉ）５１からの反射強度を、送受信エコー強度Ｐのデータから確定する場合には、まず、片道伝播時間テーブルデータ９５から、（ｊ−ｉ）を引数に送側伝播時間（ｊ−ｉ）８１を取出す。同様に、片道伝播時間テーブルデータ９５から、（ｉ−ｋ）を引数に受側伝播時間（ｉ−ｋ）９１を取出す。そして、送側伝播時間（ｊ−ｉ）８１と受側伝播時間（ｉ−ｋ）９１とを加算し、加算値に相当する時間ｔの送受信エコー強度Ｐのサンプリング値を特定する。そのサンプリング値が、画像化メッシュ（ｉ）５１からの反射強度になる。
【００６２】
同様にして、画像化メッシュ（ｉ＋１）５２、画像化メッシュ（ｉ＋２）５３、画像化メッシュ（ｉ＋３）５４、画像化メッシュ（ｉ＋４）５５、…についても、伝播時間（ｊ−ｉ＋１）８２、伝播時間（ｊ−ｉ＋２）８３、…と、伝播時間（ｉ＋１−ｋ）９２、伝播時間（ｉ＋２−ｋ）９３、…とを用いてそれぞれ反射強度を確定することができる。
【００６３】
以上説明のように、この例では、伝播時間テーブルデータ２０７に代えて、送側の圧電変換部（ｊ）３１と受側の圧電変換部（ｋ）の組合せ（ｊ、ｋ）によらず共通で、かつ片道の伝播時間が格納された片道伝播時間テーブルデータ９５を用いるので、必要な格納領域を各段に削減することができる。
【００６４】
なお、このような格納領域の削減は、次の方策を講じることによってさらに行なうことができる。すなわち、図４に示された基準圧電変換部３８から発せられる超音波には指向性があるので、送受信可能範囲３９から外れた範囲に相当する格納領域を用意しておくには及ばない。このような範囲には格納領域を与えないようにする。（なお、図で基準圧電変換部３８を左上にあるものとして上中央としていないのは、左右の対称性を利用しているからである。）
【００６５】
次に、図１、図２に示した構成による実際の動作・処理例について何点か補足する。
【００６６】
伝播時間テーブルデータ２０７や片道伝播時間テーブルデータ９５を作成する際には、圧電変換部２１ａ等の指向特性を考慮してこれらのテーブルデータに伝播時間に加えて指向性による感度分布データを格納するようにしてもよい。このようにすれば、感度が低くなる超音波の斜角成分のゲインを補正し、精度向上に寄与するように斜角成分のエコーデータを使うことが可能となる。
【００６７】
また、伝播時間テーブルデータ２０７や片道伝播時間テーブルデータ９５を作成する際には、検査対象として固体または液体からなる音響伝播媒体の単一層を仮定しこれ用にテーブルデータを、データ付与手段としての統合プロセッサ８で初期設定するようにしてもよい（なお、このための統合プロセッサ８内の構成については不図示）。この処理設定により得られた結果を画像化すれば、音響伝播媒体１６と真の検査対象１７との境界面（すなわち、不連続線または不連続線）の抽出、検出ができる（処理は、境界抽出処理部８ｂで行なう）。これは、仮定と実際の結果が境界面の存在位置に応じて食い違うので、境界面の存在および位置を特定できるからである。
【００６８】
そして、この境界面の特定に基づいて統合プロセッサ８が上記各テーブルデータ２０７、９５を再設定し（なお、このための統合プロセッサ８内の構成については不図示）、再設定された各テーブルデータ２０７、９５を用いることで、検査対象１７の位置が変化する場合の画像化に対応することできる。
【００６９】
さらに、真の検査対象１７の形状が複雑な場合に備えて、あらかじめ、形状データを形状データ記憶部８ｃに記憶し、この記憶された形状データを加味して波伝播時間テーブルデータ２０７や片道伝播時間テーブルデータ９５を再設定するように動作させてもよい。
【００７０】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明によれば、並列的処理により高速な処理が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る超音波画像化装置によって超音波検査を行なう構成例を説明する図。
【図２】図１中に示した信号処理部７０内の構成をさらに詳細に示す図。
【図３】図２中に示した各並列プロセッサ７ａ、７ｂ、…、７ｉ内で行なわれる処理を説明する説明図。
【図４】図２に中に示した各並列プロセッサ７ａ、７ｂ、…、７ｉ内で行なわれる処理の別の例を説明する説明図。
【符号の説明】
１…信号発生部 ２…駆動素子選択部 ４…信号検出回路 ５ａ、５ｂ、…、５ｉ…増幅器 ６ａ、６ｂ、…、６ｉ…Ａ／Ｄ変換器 ７ａ、７ｂ、…、７ｉ…並列プロセッサ ８…統合プロセッサ ８ａ…画像統合処理部 ８ｂ…境界抽出処理部 ８ｃ…形状データ記憶部 ９…マトリックスセンサ １０…表示装置 １４…欠陥 １６…音響伝播媒体 １７…検査対象 １８…カップラント ２１ａ、２２ａ、２３ａ、…、２５ａ、…、２９ａ、３０ａ、３０ｂ、…、 ３０ｈ…圧電変換部 ３１…圧電変換部（ｊ） ３２…圧電変換部（ｋ） ３８…基準圧電変換部 ３９…送受信可能範囲 ４０、４０Ａ、４０Ｂ…画像化領域 ５１…画像化メッシュ（ｉ） ５２…画像化メッシュ（ｉ＋１） ５３…画像化メッシュ（ｉ＋２） ５４…画像化メッシュ（ｉ＋３） ５５…画像化メッシュ（ｉ＋４） ６１…伝播時間（ｉ） ６２…伝播時間（ｉ＋１） ６３…伝播時間（ｉ＋２） ６４…伝播時間（ｉ＋３） ７０…信号処理部 ７１…画像化領域４０Ａに相当するテーブルデータ ７２…画像化領域４０Ｂに相当するテーブルデータ ８１…伝播時間（ｊ−ｉ） ８２…伝播時間（ｊ−ｉ＋１） ８３…伝播時間（ｊ−ｉ＋２） ９１…伝播時間（ｉ−ｋ） ９２…伝播時間（ｉ＋１−ｋ） ９３…伝播時間（ｉ＋２−ｋ） ９５…片道伝播時間テーブルデータ ９６…画像化領域４０Ａに相当するテーブルデータ ９７…画像化領域４０Ｂに相当するテーブルデータ １０５ａ、１０５ｂ、…、１０５ｉ…内部メモリ １０６ａ、１０６ｂ、…、１０６ｉ…演算回路 １０７…テーブルデータ格納部 ２０７…伝播時間テーブルデータ Ｕ…・超音波 Ｐ…エコー強度
Claims (7)
- マトリクス状または一列状にそれぞれ配置された複数の圧電変換部を有する超音波トランスデューサと、
前記複数の圧電変換部に接続され、前記複数の圧電変換部のうち任意のひとつを駆動可能な駆動素子選択部と、
前記複数の圧電変換部に接続され、前記駆動された圧電変換部が発する超音波による、音響伝播媒体を介しての検査対象からの反射エコーを受信することにより前記複数の圧電変換部が発生する電気信号を並列的に検出する信号検出回路と、
前記並列的に検出された電気信号から前記検査対象の状態を画像化する処理を並列演算を用いて行なう信号処理部と、
前記処理され画像化された結果を表示する表示装置とを具備し、
前記信号処理部は、
前記検査対象において画像化すべき領域をメッシュ化し前記メッシュ化された領域それぞれについて前記駆動された圧電変換部から前記複数の圧電変換部のうちのひとつへの超音波伝播時間を、前記駆動された圧電変換部と前記複数の圧電変換部のうちの前記ひとつとの組み合わせごとに格納する格納手段と、
前記格納された超音波伝播時間を用い、前記並列的に検出された電気信号のうちのひとつの時間方向データから、前記メッシュ化された領域それぞれについて反射強度を確定する処理を、前記並列的に検出された電気信号おのおのについて互いに並列的に行なう複数の処理手段と、
前記並列に処理され確定された反射強度を前記メッシュ化された領域ごとに加算する加算手段とを有する
ことを特徴とする超音波画像化装置。 - 前記信号処理部は、前記格納手段に代えて、前記検査対象において画像化すべき領域をメッシュ化し前記メッシュ化された領域それぞれについて、ある圧電変換部からの送側超音波伝播時間とある圧電変換部への受側超音波伝播時間とを一般化して共通に格納する第２の格納手段を有し、前記複数の処理手段は、前記格納された超音波伝播時間に代えて、前記格納された送側超音波伝播時間と前記格納された受側超音波伝播時間とを用いることを特徴とする請求項１記載の超音波画像化装置。
- 前記信号処理部の前記格納手段において、前記画像化すべき領域が、前記複数の圧電変換部における超音波発生指向特性を考慮して制限されたものであることを特徴とする請求項１記載の超音波画像化装置。
- 前記信号処理部の前記第２の格納手段において、前記画像化すべき領域が、前記複数の圧電変換部における超音波発生指向特性を考慮して制限されたものであることを特徴とする請求項２記載の超音波画像化装置。
- 前記信号処理部は、前記検査対象において画像化すべき領域をメッシュ化し前記メッシュ化された領域それぞれについて前記駆動された圧電変換部から前記複数の圧電変換部のうちのひとつへの超音波伝播強度特性を、前記駆動された圧電変換部と前記複数の圧電変換部のうちの前記ひとつとの組み合わせごとに格納する伝播強度特性格納手段をさらに有し、前記信号処理部の前記複数の処理手段は、前記反射強度を確定する処理に前記格納された超音波伝播強度特性を補正のため用いることを特徴とする請求項１記載の超音波画像化装置。
- 前記信号処理部は、前記検査対象において画像化すべき領域をメッシュ化し前記メッシュ化された領域それぞれについて、ある圧電変換部からの送側超音波伝播強度特性とある圧電変換部への受側超音波伝播強度特性とを一般化して共通に格納する伝播強度特性格納手段をさらに有し、前記信号処理部の前記複数の処理手段は、前記反射強度を確定する処理に前記格納された送側超音波伝播強度特性および受側超音波伝播強度特性を補正のため用いることを特徴とする請求項２記載の超音波画像化装置。
- 前記信号処理部は、
前記格納手段に初期値としての超音波伝播時間のデータを付与するデータ付与手段と、
前記検査対象に対して前記付与された超音波伝播時間のデータを用い前記複数の処理手段により処理しかつ前記加算手段により加算して得られた前記メッシュ化された領域ごとの反射強度から、前記検査対象の不連続面または不連続線を検出する手段と、
前記検出された不連続面または不連続線に基づき前記格納手段の内容を再設定する手段と
をさらに有することを特徴とする請求項１記載の超音波画像化装置。
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