JP6157872B2

JP6157872B2 - 超音波形状計測装置及び計測方法

Info

Publication number: JP6157872B2
Application number: JP2013030692A
Authority: JP
Inventors: 摂山本; 和美渡部; 吉田　昌弘; 昌弘吉田; 淳千星; 敏長井; 落合　誠; 誠落合
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2013-02-20
Filing date: 2013-02-20
Publication date: 2017-07-05
Anticipated expiration: 2033-02-20
Also published as: JP2014160014A

Description

本発明の実施形態は物体形状を測定するための超音波形状計測装置及び計測方法に関する。

従来、物体形状を３次元的に計測する手法としてカメラステレオ視やレーザによる光切断等の光学的な手法が用いられている。しかし、それらの計測性能は粗面や鏡面といった物体の表面状態や、煙や蒸気といった環境に依存して大きく変化する。そこで電磁波（ミリ波）や赤外線を利用した測定技術も提案されているが、やはり蒸気や煙の中では測定精度が下がるほか、物体の座標や移動速度等は検出できてもカメラのように形状を計測するまでには至っていない。

そこで、超音波などの音響素子を用いて形状を計測する技術が提案されてきている。超音波を用いる場合、センサから超音波を測定対象へ送信し、対象から反射してきた超音波をセンサで受けて逆問題解析を行うことで、対象の形状や位置を測定するのが一般的である。ここで、性能的に光学的手法と決定的に異なるのは感度と分解能である。

一般的に、超音波は周波数が高いほど感度や分解能が上がるが減衰も大きくなるというトレードオフの関係にあるため、検出する対象によって最適な周波数を選ぶ必要がある。ただし、空気中などは高周波の減衰が非常に大きく、数メートル先の対象を高分解能で見ることは非常に困難である。ここで、超音波を送信するセンサもしくは受信するセンサのどちらかもしくは両方を複数並べて超音波の送受信を行い、開口合成法などで形状を計測する手法が提案されている。

例えば、直行する格子状に送受信センサを配列し、測定後は開口合成法を使って形状を得る方法が知られている（特許文献１）。これにより、センサ配置やレンズといった物理的なフォーカス手段を用いなくとも電子的な集束や走査が可能であり、対象の３次元的な形状が計測可能となる。

しかし、例えば空気中は超音波の波長が金属中の約１／１７、水中と比べても１／４以下となるため、送信、受信センサをよほど密に並べないと、電子的な集束・走査時に予期せぬ角度に音場が形成されてしまうグレーティングローブが発生する。これは、波長の１／２より粗く並んだ超音波送受信素子が３点以上存在すれば必ず発生し、一様なピッチであるほどグレーティングローブがフォーカスすることとなり強度が増していく。そして、本来フォーカスしている位置に散乱源がなくとも、グレーティングローブが発生している角度上に散乱源が存在するとそこから明瞭な反射波が得られてしまうため、図３（ｂ）に示すように、それが虚像となって検出されてしまう。

これがノイズとなって測定精度を下げるほか、本来ないものをあると認識する誤検出にもつながるため、この抑制が非常に重要である。原理的には格子状に並べたセンサのピッチを使用する超音波波長の１／２以下にすることでグレーティングローブは発生しなくなる。しかしセンサを波長の１／２ピッチに並べようとすると、波長１／２以下の大きさのセンサを使用することが大前提となり、感度が得られない。また、アレイセンサ面積が小さくなるため、疎に並べた場合と同じ開口幅を得ようとすると大量のセンサを配置しなければならずデータ量、計算負荷、製造コスト増加といった新たな課題が発生する。

この問題を解決するために、送受信素子の組合せからなる仮想素子という概念を使って、格子状に配置された送受信素子のピッチを異ならせる手法が提案されている（特許文献２）。

特開２００６−３２７８号公報特許第３５６７０３９号公報

上記の特許文献２に示された従来の超音波センサは送受信素子をそれぞれ直線に並べて直行させる配置に限定されており、仮想素子の配置も根本的には格子状配置でピッチのみが異なる構造となっている。また、直線に並べた送受信センサを直行させるという性質上、仮想素子座標は必ず線対称もしくは点対称となる部分があり、十分な開口合成効果が得られないほかグレーティングローブ抑制効果も限定的である。

本件発明は上記課題を解決するためになされたもので、超音波送受信素子の配置を工夫することで、グレーティングローブの発生を抑制することができる感度と分解能（開口量）に優れた超音波形状計測装置および手法を提供することである。

上記課題を解決するために、本実施形態に係る超音波形状計測装置は、超音波を送信する複数の超音波送信素子と超音波を受信する複数の超音波受信素子を２次元又は３次元のアレイ状に配置した超音波送受信センサにより測定対象の形状を測定する超音波形状計測装置において、前記超音波送信素子を前記超音波受信素子の外周部に配置するとともに、前記超音波送信素子と超音波受信素子を、グレーティングローブ現象による虚像の発生を抑制するように、格子状配列とならない不均一な配置としたことを特徴とする。

本発明の実施形態によれば、グレーティングローブの発生を抑制することができる感度と分解能（開口量）に優れた超音波形状計測装置及び測定方法を提供することができる。

第１の実施形態に係る超音波形状計測装置の構成図。（ａ）は第１の実施形態に係る超音波送信素子と受信素子の配置例を示す図、（ｂ）は従来の超音波送信素子と受信素子の配置例を示す図。（ａ）は第１の実施形態に係る不均一配置の超音波形状測定装置による焦点の発生箇所を示す図、（ｂ）は従来の均一配置にした場合の焦点及び虚像の発生箇所を示す図。（ａ）は第１の実施形態に係る不均一配置の超音波形状測定装置による測定対象の強度画像図、（ｂ）は従来の均一配置にした場合の測定対象の強度画像図。（ａ）は測定対象を撮像した写真の模式図、（ｂ）は（ａ）の測定対象の形状を第１の実施形態に係る超音波形状計測装置を用いて測定した距離画像図。（ａ）〜（ｄ）は第２の実施形態に係るしきい値の設定方法を示す図。超音波送信素子及び超音波受信素子の構成図。

本発明に係る超音波形状計測装置及び計測方法の実施形態を図面を参照して説明する。
［第１の実施形態］
第１の実施形態に係る超音波形状計測装置及び計測方法を、図１乃至図６を用い説明する。

（全体構成）
本実施形態に係る超音波形状計測装置は、図１に示すように、超音波を送信するための複数の超音波送信素子１と、超音波を受信するため複数の超音波受信素子２と、前記超音波送信素子１と超音波受信素子２を２次元又は３次元に配置した超音波送受信センサ３と、制御部から構成される。

制御部は、超音波送信素子１に任意波形の電位差を印加可能なパルサ４と、超音波受信素子２から得られる受信電圧を増幅するプリアンプ５と、受信電圧を離散化して受信超音波波形を得るＡＤ変換器６と、受信超音波波形から測定範囲の３次元波形強度再構成データを得る演算処理部８、再構成データからしきい値に基づいて前記測定範囲内に存在する測定対象の形状を計測する形状計測部９と、データを収録する記録部１０と、遅延時間制御部１１と、２次元又は３次元形状を表示する表示部１２と、から構成される。

（超音波送受信センサ）
図１の超音波送受信センサ３は、超音波送信素子１と超音波受信素子２を２次元アレイ状に配置した例を示している。

図１に示すように、本実施形態の超音波送受信センサ３では超音波送信素子１及び超音波受信素子２はそれぞれ不均一に配置している。また、図１の例では超音波受信素子２の個数は超音波送信素子１よりも多いが、これに限定されず、超音波受信素子２の個数を超音波送信素子１よりも少なくしたり、同等としてもよい。

さらに、図１の例では、平面状の超音波送受信センサ３を用いているが、これに限定されず、パラボラ状、曲面状等の３次元的な曲面を有する３次元アレイセンサ、又は他の形状のアレイセンサを用いてもよい。その際でも、アレイセンサに配置される超音波送信素子１及び超音波受信素子２はそれぞれ不均一に配置される。

この超音波送信素子１及び超音波受信素子２の配置を決定する際には、例えば、乱数や超一様分布列（van der Corput列、Halton列、Faure列）を用いた計算方法や他の計算方法が用いることができる。

本実施形態の変形例として、このような計算手法を用いて超音波送信素子１及び超音波受信素子２の配置を不均一とした他の配置例を図２（ａ）に示す。なお、図２（ｂ）は従来の均一配置の格子状アレイセンサの例を示している。

図２（ａ）の例では超音波受信素子２を超音波送受信センサ３の前面に配置し、超音波送信素子１を外周部に設置しているが、超音波送信素子１と超音波受信素子２の構成を逆転させてもよく、又は図１に示すように前面に超音波送信素子１と超音波受信素子２を混在させてもよい。

また、図１及び図２の例では、超音波送信素子１と超音波受信素子２と別体としてそれぞれ不均一に配置しているが、各素子を送信及び受信の兼用として、それを不均一に配置するようにしてもよい。

上記計算方法を所定領域の超音波センサに適用して各素子の不均一配置を決定する際、当該領域の大きさによっては素子が配置されない大きな空白空間が生じたりすることがあり、適切な不均一配置を算出するまで処理時間や処理負担が増加する場合がある。その場合は、適切な不均一配置を求めるために、超音波センサの領域を複数に分割し、それぞれの領域に対して上記計算を実施する。これにより、処理時間や処理負担の軽減化を図ることもできる。

（超音波送信素子及び受信素子）
超音波送信素子１及び超音波受信素子２は、図７（ａ）に示すように、セラミクス製や複合材料又はそれ以外の圧電効果により超音波を発生することができる振動子２１、高分子フィルムによる振動子２１又はそれ以外の超音波を発生できる振動子２１と、超音波の発振面に取り付けられた前面板２０と、パッキング材２２からなり、一般的に超音波探触子やマイクロフォンなどと称されるものが用いられる。また、図７（ｂ）に示すように前面板２０に超音波をダンピングするダンパ層２３を設けてもよい。

なお、この超音波送信素子１及び超音波受信素子２は、通常の空気中で使用可能な開放型、湿度の高い環境でも使用可能な防滴型又は水中でも使用可能な防水型等が使用環境に応じて用いられる。

（制御部）
超音波送信素子１に印加する電圧波形は、代表的な正弦波の他にインパルス、矩形波、三角波、のこぎり波など任意の波形が用いられ、周波数や振幅、波数（サイクル数）なども任意に決定できる。

また、複数の超音波送信素子１に対し、遅延時間制御部１１により時間差をつけて駆動することで、任意の座標に超音波をフォーカスして送信することが可能になる。その場合のスキャン手段は、角度を扇形に走査するセクタスキャン、角度を保ったまま送信位置を電子的に走査するリニアスキャン、測定したい領域に合わせて焦点深さを変化させるDynamic Depth Focusing（DDF）等を用いることができるが、他の遅延時間制御手段を用いてもよい。

（作用）
上述したように、従来の均一配置の超音波送受信センサは、そのピッチが波長（λ）の１／２以下でなければグレーティングローブ現象による虚像が発生する（図３（ｂ））。
しかし、上述した本実施形態のように超音波送信素子又は受信素子の配置を不均一にした場合、グレーティングローブは確かに発生するが、発生する角度が各素子毎にばらばらになるため、図３（ａ）に示すように虚像の発生位置もばらばらになり、その強度も無視できる程度となる。

そして、測定したい対象物は素子間隔が変わっても得られるため、最終的な加算平均などでグレーティングローブ現象に影響されずに対象物の実像だけを取り出すことが可能となる。

図４（ａ）、（ｂ）は実際にφ１０ｍｍの配管を測定した実験結果を示す図で、図４（ａ）は本実施形態の不均一配置の超音波送受信センサ３によって得られた強度画像による形状計測結果であり、図４（ｂ）は従来の均一配置の格子状配置の超音波送受信センサで得られる強度画像による形状計測結果を示す。いずれの場合も、中央に測定対象の配管を検出しているが、図４（ｂ）では左右に２本の虚像の配管が発生していることがわかる。それに対して図４（ａ）の不均一配置の超音波送受信センサでは測定対象の配管のみが中央に明りょうに表示され、虚像は殆ど発生していない。これにより、本実施形態の超音波送受信センサがグレーティングローブの発生を抑制できることが明らかである。

本発明はこのような知見に基づいてなされたもので、以下に本実施形態に係る超音波形状計測装置及び計測方法を３次元の形状測定に適用した例を具体的に説明する。
ここで、図５（ａ）は市販の光学カメラで撮影した写真を模式化したものであり、図５（ａ）に示すように、室内に超音波送受信センサ３から約２．７ｍ離れた位置に一つの測定対象Ａ（本実施形態では動物の模擬体）を配置し、同様に約２．６ｍ離れた位置にもう一つの測定対象Ｂ（本実施形態では人間の模擬体）をフレーム上に設置し、それらの測定対象Ａ、Ｂの３次元形状を本実施形態の超音波形状測定装置を用いて測定した。

この測定体対象Ａ、Ｂに対し、図１に示す超音波送受信センサ３の超音波送信素子１から照射された超音波は、測定領域内に反射源となる測定対象Ａ、Ｂにより反射・散乱され、その反射された超音波は超音波受信素子２により受信される。得られた受信電圧はプリアンプ５を通して増幅され、ＡＤ変換器６によってデジタルデータとして得られる。このときＡＤ変換は位相情報を保持するために最低でも１波長あたり５点以上をサンプリングするものとする。

ここで得られた超音波受信波形は「超音波送信素子の数×超音波受信素子の数」、もしくは「遅延制御を掛けて送信した回数×超音波受信素子の数」だけ存在し、演算処理部８で一部または全部を用いて信号処理を行う。ここで行う信号処理は逆問題解析であり、超音波を送受信した素子の座標と得られた超音波受信波形から測定対象の座標および形状を計測するための強度画像（図示せず）を得る。

この強度画像の描画は、測定範囲をメッシュで区切り超音波送信素子、メッシュ座標、超音波受信素子の幾何関係からそのメッシュ座標に相当する時間窓を波形にかけ、その強度を抽出してメッシュに合算していく。これをメッシュ全点に対して計算し、超音波受信波形の一部または全部を処理することで強度画像が得られる。波形の一部を処理することで飛行時間法となるし、一部または全部を利用することで開口合成法とすることもできる。

ここで得られた強度画像から、強度のしきい値を設定し、そのしきい値を超えた強度をもつ座標をプロットしていくことで、図５（ｂ）に示すような距離画像を得ることができる。

図５（ｂ）に示す距離画像において、超音波送受信センサ３と測定対象Ａ、Ｂとの距離は多階調のグレースケールによって表さる。得られた距離画像は、図５（ｂ）に示すように、より遠距離にある測定対象Ａは濃いグレーの像で表示され、近距離にある測定対象Ｂは薄いグレーの像で表示されている。なお、図５（ｃ）はグレースケールの階調度と距離の関係を示す図である。

なお、図５（ａ）の光学カメラで撮影された測定対象Ａ、Ｂの写真には測定対象Ａ、Ｂを支持するフレームが撮像されているが、強度のしきい値を適切に設定することにより、距離画像からこれらのフレーム等の像を排除することができる。

図６（ａ）〜（ｄ）はしきい値の設定手段の例を示す模式図である。図６（ａ）の破線は通常の直線状のしきい値を示す図、図６（ｂ）はしきい値を段階的に変化させる例を示す図、図６（ｃ）はしきい値を連続的に直線状に変化させる例を示す図、図６（ｄ）はしきい値を連続的に曲線状に変化させる例を示す図であり、測定対象の材質、反射・散乱特性又は測定条件等によって最適なものが用いられる。

この距離画像が３次元的な測定空間における測定対象の座標と形状を現すこととなり、測定対象の形状計測がこの段階で可能となる。このとき、距離に応じた超音波の減衰を考慮して前記しきい値を変化することができる。

また、測定対象の材質や表面形状などが予めわかっている場合は音響インピーダンスや表面の散乱減衰なども考慮して、しきい値を適宜調整することができる。しきい値の調整は、段階的に変化するもの、線形で変化するもの、指数関数的に変化するもの、その他関数に従って変化するもの等が考えられる。

また、距離画像において、時間又は空間的に連続性が極めて低い突発的な指示値が得られた場合、それらはノイズとして除去できるフィルタリング機構を加えることもできる。また、ノイズ除去や分解能向上を目的として、画像処理手段を加えることもできる。画像処理手段の種類としては、フーリエ変換、ガウシアン、超解像度等の手段又はフィルタリング手段等を用いることができる。
なお、本実施形態では多階調のグレースケールを用いて距離画像を表示したが、これに限定されず多数色からなる多階調のカラー表示によって距離画像を表示してもよい。

（効果）
以上説明したように、本実施形態によれば超音波送受信センサ３を構成する超音波送信素子及び超音波受信素子、又は超音波送受信素子を適切に不均一に配置することで、グレーティングローブ減現象を発生させることなく、測定対象の３次元画像を的確にかつ効率的に測定することが可能となる。また、従来のλ／２以下ピッチの均一な格子状配列の超音波送受信センサに比較して、超音波送受信センサの大型化を図ることができるため、より広範囲に分布する測定対象を的確に測定することができる。

［第２の実施形態］
第２の実施形態に係る超音波送受信センサ３では、超音波送信素子１と超音波受信素子２のそれぞれの中心周波数として同じ周波数を使用することもできるが、各素子のＱ値が高い場合素子の共振が続いてしまい、印加した電圧以上のバースト波となる場合がある。それを防ぐには、超音波送信素子と超音波受信素子の中心周波数を異ならせることが有効である。

そのため、図７（ｂ）に示すように、超音波送信素子１又は超音波受信素子２のいずれかの素子の前面板２１にダンパ層２３を設ける。
これにより超音波送受信素子の共振を抑制し、測定対象の３次元形状をより高精度で測定することが可能となる。

［第３の実施形態］
第３の実施形態を説明する。なお、上記の実施形態と同一の構成には同一の符号を付し、重複説明は省略する。

測定対象を計測する場合、超音波送受信センサ３の位置によっては、測定対象Ｃが死角になる場合がある。そのため、本実施形態では超音波送受信センサ３を３次元的に走査可能とするセンサ位置走査機構と、超音波送受信センサ３の角度を３軸で走査可能とするセンサ角度走査機構を設けることでその死角による影響を低減する。

また、それぞれの測定点での測定データに加えて位置および角度情報を記録しておくことで、走査範囲のデータ全てを用いた形状計測が可能となる。これにより、死角の発生を低減させるだけでなく、測定範囲の拡大および開口量増加による空間分解能の向上をはかることができる。

以上、本発明の実施形態の例を説明したが、具体例を例示したに過ぎず、特に本発明を限定するものではなく、具体的な対象となる超音波形状計測装置は、適宜変更可能である。また、実施形態やその変更例に記載された作用および効果は、本発明から生じる最も好適な作用および効果を列挙したに過ぎず、本発明による作用および効果は、本発明の実施形態に記載されたものに限定されるものではない。

１…超音波送信素子、２…超音波受信素子、３…超音波送受信センサ、４…パルサ、５…アンプ、６…ＡＤ変換器、７…測定範囲、８…演算処理部、９…形状計測部、１０…記録部、１１…遅延時間制御部、１２…表示部、１４…センサアーム、１５…センサ位置走査機構、１６…センサ角度走査機構、２０…前面板、２１…振動子、22…パッキン材、２３…ダンパ層。

Claims

超音波を送信する複数の超音波送信素子と超音波を受信する複数の超音波受信素子を２次元又は３次元のアレイ状に配置した超音波送受信センサにより測定対象の形状を測定する超音波形状計測装置において、
前記超音波送信素子を前記超音波受信素子の外周部に配置するとともに、前記超音波送信素子と超音波受信素子を、グレーティングローブ現象による虚像の発生を抑制するように、格子状配列とならない不均一な配置としたことを特徴とする超音波形状計測装置。
前記超音波送信素子と超音波受信素子の配置を、乱数または超一様分布列を用いた計算手法により決定したことを特徴とする請求項１記載の超音波形状計測装置。
前記超音波送受信センサを複数の領域に分割し、それぞれの領域毎に前記乱数又は超一様分布列を用いた計算手法により前記超音波送信素子と超音波受信素子の配置を決定したことを特徴とする請求項２記載の超音波形状計測装置。
前記超音波送信素子又は前記超音波受信素子のいずれかの素子の前面にダンパ層を設け、前記超音波送信素子と前記超音波受信素子の共振周波数を異ならせるように、前記超音波送信素子に印加する電圧と前記超音波受信素子が受信する電圧の中心周波数を異ならせることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の超音波形状計測装置。
前記超音波送信素子と超音波受信素子を３次元的に走査可能とするセンサ位置走査機構とセンサ角度走査機構を設けたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の超音波形状計測装置。
請求項１乃至５のいずれか１項に記載の超音波形状計測装置を用いて測定対象の形状を測定することを特徴とする超音波形状計測方法。