JPS6132015B2 - - Google Patents

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JPS6132015B2
JPS6132015B2 JP53164485A JP16448578A JPS6132015B2 JP S6132015 B2 JPS6132015 B2 JP S6132015B2 JP 53164485 A JP53164485 A JP 53164485A JP 16448578 A JP16448578 A JP 16448578A JP S6132015 B2 JPS6132015 B2 JP S6132015B2
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JP
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signal
transducer
pattern
fresnel
cosine
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JP53164485A
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Henrii Tankureru Rojaa
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Raytheon Co
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Publication date
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Publication of JPS6132015B2 publication Critical patent/JPS6132015B2/ja
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    • G01S15/00—Systems using the reflection or reradiation of acoustic waves, e.g. sonar systems
    • G01S15/88—Sonar systems specially adapted for specific applications
    • G01S15/89—Sonar systems specially adapted for specific applications for mapping or imaging
    • G01S15/8906—Short-range imaging systems; Acoustic microscope systems using pulse-echo techniques
    • G01S15/8909—Short-range imaging systems; Acoustic microscope systems using pulse-echo techniques using a static transducer configuration
    • G01S15/8915—Short-range imaging systems; Acoustic microscope systems using pulse-echo techniques using a static transducer configuration using a transducer array
    • G01S15/8927—Short-range imaging systems; Acoustic microscope systems using pulse-echo techniques using a static transducer configuration using a transducer array using simultaneously or sequentially two or more subarrays or subapertures
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B8/00—Diagnosis using ultrasonic, sonic or infrasonic waves
    • A61B8/08—Clinical applications
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N29/00—Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
    • G01N29/22—Details, e.g. general constructional or apparatus details
    • G01N29/26—Arrangements for orientation or scanning by relative movement of the head and the sensor
    • G01N29/262—Arrangements for orientation or scanning by relative movement of the head and the sensor by electronic orientation or focusing, e.g. with phased arrays
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S15/00—Systems using the reflection or reradiation of acoustic waves, e.g. sonar systems
    • G01S15/88—Sonar systems specially adapted for specific applications
    • G01S15/89—Sonar systems specially adapted for specific applications for mapping or imaging
    • G01S15/8906—Short-range imaging systems; Acoustic microscope systems using pulse-echo techniques
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    • G01S15/8915—Short-range imaging systems; Acoustic microscope systems using pulse-echo techniques using a static transducer configuration using a transducer array
    • G01S15/8918—Short-range imaging systems; Acoustic microscope systems using pulse-echo techniques using a static transducer configuration using a transducer array the array being linear
    • G—PHYSICS
    • G10—MUSICAL INSTRUMENTS; ACOUSTICS
    • G10K—SOUND-PRODUCING DEVICES; METHODS OR DEVICES FOR PROTECTING AGAINST, OR FOR DAMPING, NOISE OR OTHER ACOUSTIC WAVES IN GENERAL; ACOUSTICS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G10K11/00—Methods or devices for transmitting, conducting or directing sound in general; Methods or devices for protecting against, or for damping, noise or other acoustic waves in general
    • G10K11/18—Methods or devices for transmitting, conducting or directing sound
    • G10K11/26—Sound-focusing or directing, e.g. scanning
    • G10K11/34—Sound-focusing or directing, e.g. scanning using electrical steering of transducer arrays, e.g. beam steering
    • G10K11/341—Circuits therefor
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  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Ultrasonic Waves (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 （技術分野） 本発明は、トランスデユーサ・アレイを使用し
て受信した信号にフレネル・パターンを乗算する
ことにより、人体等の対象物の鮮明な像を供給し
得る音響的撮像装置に関する。
（背景技術） 電磁的な撮影装置と音響的な撮影装置との両方
にフレネル・マスキングが利用されてきた。前者
に関しては、フレネル・パターンはアメリカ合象
国特許第3263079号明細書に開示されており、空
の星の像を作るのにパターンが利用される。放射
源の像を作るために核医学にフレネル・パターン
を使うことはアメリカ合象国特許第3936639号明
細書に開示されている。トランスデユーサの信号
に印加されるフレネル・パターンはアメリカ合象
国特許第3911730号明細書に開示されており、少
なくとも１つのデイメンジヨンでフレネル・パタ
ーンを配置することに続いてトランスデユーサの
幾組かが付勢される。人間の諸器官を撮影するた
めに超音波撮影スキヤンナーを使うことはアメリ
カ合象国特許第3805596号明細書に開示されてい
る。
音響撮影装置にフレネル・パターンを使うこと
の利点は、フレネル・パターンがレンズと同様に
音響輻射を集中させることである。先行技術の装
置では、フレネル・パターン（これが１次元また
は２次元のアレイと一諸に利用される場合）がア
レイの前方の基体（対象物）中の焦点に向つて集
中する像パターンおよびアレイの背後に至る虚焦
点から発散する像パターンの両方を生じる点に問
題がある。発散する像パターンからの音響エネル
ギに応答してトランスデユーサが発生する信号の
エネルギ分は、所望の集中する像パターンに関連
した信号のエネルギ分に大体等しい。その結果、
集中する像パターンで得られた基体の像の鮮明度
を下げる不要望な雑音がかなりある。
（目的） 従つて、本発明の目的は、従来のフレネル・パ
ターンを使用する場合に存在した雑音を低減さ
せ、対象物の鮮明な像が得られる撮影装置を提供
することである。
（発明の概要） 本発明によれば、音響トランスデユーサ素子と
協働する撮影装置により、上述した問題は回避さ
れかつ他の利点が得られる。本発明によれば、一
対のフレネル・パターン（一方のフレネル・パタ
ーンは余弦フレネル・パターンであり、他方のフ
レネル・パターンは正弦フレネル・パターンであ
る）は、トランスデユーサの信号に印加され、２
つのパターンの信号を組合わせてアレイによる合
成像パターンを作る。
従来のフレネル・パターンを使用すると所望の
焦点の合つたビームを発生すると同時に、この焦
点の合つたビームにサイドローブを付加する発散
ビームも発生してしまう。これを数学的に説明す
ると次の様になる。即ち、送信モードと仮定した
場合に、各素子からの信号は、cosβx2の振幅を
有し、変調された信号はＳ（ｔ，ｘ）＝cosβx2・
cos ωｔとなる。これを書き直すと、 Ｓ（ｔ，ｘ）＝１／２｛cos（ωｔ−βx2）＋cos（ωｔ ＋βx2）｝ となる。これらの詳細は後述するが第１項は所望
のビームで、第２項は発散ビームとなる。この発
散ビームが不所望のサイドロープを生じさせ雑音
となる。
本発明によれば、各素子からの受信信号Ｓ
（ｔ，ｘ）を分離して２組のスイツチ（一方はcos
βx2で他方はsinβx2パターンのためのもので
ある）に送り、次にアナログ・ミキサーでcos2ω
ｔ及びsin2ωｔを夫々乗算する。そのミキサーの
出力は結合された後フイルタを通して３ω成分が
除去され、第２項の発散ビームが消去される。
こうすると、上述した不所望な発散するパター
ンは無くなる。人間のような基体を撮影すると
き、基体内の種々の場所は集中する像パターンで
見られ、発散する像パターンからの雑音に関連し
て干渉を生じることなく各場所の詳明な像を作
る。
上述した各フレネル・パターンは、トランスデ
ユーサに入射した音波に応答してトランスデユー
サが発生する信号に１組の乗算器（これらは個々
のトランスデユーサへ結合される）によつて印加
される。各乗算器はトランスデユーサ信号に係数
＋１、−１または０を乗算する。本発明の望まし
い一実施例では、各乗算器は反転増幅器およびセ
レクタ・スイツチを備え、このセレクタ・スイツ
チは増幅器の正か負の出力信号を供給し或は０の
値を提供するために接地電位を供給する。各トラ
ンスデユーサ信号の乗算係数はアレイ内のそれぞ
れのトランスデユーサの位置に応じて選択され、
従つてトランスデユーサの位置の関数としての乗
算係数のグラフはフレネル・パターンに対して近
似方形波を出現させるようになる。一対の乗算器
は各トランスデユーサへ結合されるので、上述し
たフレネル・パターン対は同時に発生されること
ができる。
余弦フレネル・パターン用乗算器の積は加算さ
れ、その後余弦基準信号が乗算される。同様に、
正弦フレネル・パターン用乗算器の積は加算さ
れ、その後正弦基準信号が乗算される。２つの基
準信号との乗算による積の振幅は等化された後一
緒に加算される。得られた和はその後帯域フイル
タに通して乗算演算の高調波を除き、その後表示
器に供給されて基体内の種々の場所を見ることが
できる。乗算係数の制御装置は、基体内の距離す
なわち深さ或はそれぞれの場所に応じて逐次アド
レツシングされてそれぞれの場所に集中するフレ
ネル・パターンを変え、もつて各場所が詳明な像
に描かれるようにするためのメモリーを備える。
フレネル・パターンに利用される１組のトランス
デユーサと垂直な線沿いの場所を表示する際、乗
算係数は、アレイ沿いにフレネル・パターンを側
方に移動させて基体の連続部分に焦点が合うよう
に、選ばれる。フレネル・パターンの連続的なサ
イド・ステツピングにより所望の領域の像を得る
ことができる。
（実施例の説明） 本発明を以下実施例に従つて詳細に説明する。
第１図は本発明の撮影装置２０を示し、この撮
影装置２０はトランスデユーサ・アレイ２２およ
び増幅装置２６を備える。トランスデユーサ・ア
レイ２２は、病院の患者の身体の一部のような基
体２４と接触して位置決めされる。増幅装置２６
とトランスデユーサ・アレイ２２は共通のモジユ
ール２８内に組込まれる。撮影装置２０は、更
に、送信機３０と、受信機３２と、これらの送信
機３０および受信機３２をモジユール２８と結合
する可撓性ケーブル３４に備える。Ｘ軸およびＹ
軸を有する座標系３６を図示の如く設けて基体内
の位置を特定している。Ｘ軸はモジユール２８と
基体２４の境界沿いの水平位置を示すが、Ｙ軸は
トランスデユーサ・アレイ２２の面から基体２４
の中へ深さを示す。反射場所からトランスデユー
サ・アレイ２２のうちの作動中のトランスデユー
サまでの反射信号の伝播を例示するために、基体
２４内の反射場所から発する音波伝播を表わす線
３８も示す。
送信機３０はケーブル３４および増幅装置２６
を通してトランスデユーサ・アレイ２２へ電気パ
ルス信号を送信する。トランスデユーサ・アレイ
２２の個々のトランスデユーサ４０は、電気パル
ス信号で選択的に付勢され、基体２４中の反射場
所に向けて音響パルス信号を伝送する。反射場所
からトランスデユーサ・アレイへ戻つて来る反射
信号は増幅装置２６を通して受信機３２へ供給さ
れる。この受信機３２はフレネル乗算を行ないか
つ反射信号を表示する。ケーブル３４はフレキシ
ブルで基体２４上の任意所望の位置にモジユール
２８を位置決めさせることができる。
第２図はトランスデユーサ・アレイ２２の一例
を示し、このトランスデユーサ・アレイ２２は、
その幅が13mmで、長さが130mmであり、かつ260個
の個別トランスデユーサ４０から成る。第１図に
示したように、音響エネルギの伝送周波数は
1.5MHzで、基体２４内での波長は１mmである。
各トランスデユーサ４０は狭い長方形状の前面を
有し、各前面はその長さが13mmで幅が1/2mmであ
る。音響エネルギを受ける一例として、Ｋ＝60個
１組のトランスデユーサが作動領域として図示さ
れ、もつてフレネル・パターンが形成される。
第３図において、音響エネルギを受けるために
用いられるトランスデユーサ・アレイ２２のトラ
ンスデユーサ組はカツコＲで示され、そして音響
エネルギを送るために用いられるトランスデユー
サ組（ただし小グループ）はカツコＴで示され
る。Ｔ，Ｒの添字１および２は作動トランスデユ
ーサ組の次々の位置を示し、そして添字Ｎは第１
図の基体２４沿いの走査の終りでの受信トランス
デユーサ組の最終位置を示す。線４２は、走査に
従つて作動状態にある受信トランスデユーサ組の
中心位置が基体２４に沿つて移動する状態を示
す。線４２は直線として示されるが、作動トラン
スデユーサ組の中心の実際の位置は一度に１ステ
ツプづつ変位され、階段状に１個または２個以上
の個別トランスデユーサ４０の幅を単位として移
動する。
第４図の一番上のグラフは、作動受信用トラン
スデユーサ組を備えるトランスデユーサ・アレイ
２２の１組のトランスデユーサのために構成され
た余弦フレネル・パターンを示す。従つて、60個
のトランスデユーサ４０を作動トランスデユーサ
として使用するとすれば（第２図）、第４図の第
１番目のグラフのフレネル・パターンは60個のト
ランスデユーサを包含する。これは、フレネル・
パターンに対する近似方形波を表わす第２番目お
よび第３番目のグラフにも等しく適用される。更
に、第４図の第３番目の図は、トランスデユーサ
からの信号に余弦フレネル・パターンに近似させ
て得られる係数＋１、０、−１を乗算した状態を
図式的に示している。従つて、正の値は＋１の乗
算を表わすが、負の値は−１の乗算を表わす。第
３番目のグラフは比較的多数のトランスデユーサ
を示し、これらのトランスデユーサの信号はフレ
ネル関数の中央部内で共通の位相を持つことが注
目される。フレネル関数の縁に近づく程、同じ位
相を有するトランスデユーサの数も比較的少なく
なり、最終端ではわずか１個のトランスデユーサ
が示されるにすぎない。第３番目に使用される係
数は、第４番目の図（横軸の長さは第３番目のグ
ラフに対応する）に示すように作動領域に２つの
像検出パターンを生じさせる。１つはパターンは
トランスデユーサ・アレイ２２の前方の真の焦点
の像を供給する収束パターン（破線Ｃで示す）で
あり、他方はトランスデユーサ・アレイ２２の後
方の虚焦点（破線Ｄの延長交点）に向う発散パタ
ーンである。本発明は、トランスデユーサ・アレ
イ２２のＸ軸方向沿いの距離に対して偶関数とな
る余弦フレネル・パターンと、Ｘ軸方向沿いの距
離に対して奇関数となる正弦フレネル・パターン
と、を組合せて発散パターンを除去し、収束パタ
ーンのみによつて基体２４内の焦点の合つた像を
形成する。その詳細は後述する。
第５図の２つのグラフは、余弦及び正弦フレネ
ル・パターンのうち１つのパターンを使用したと
きの指向性パターン（第１番目）と２つのパター
ンを使用したときの指向性パターン（第２番目）
の比較を示す。即ち、余弦及び正弦フレネル・パ
ターンのうちの一方だけのパターンを使用して撮
像した場合には、第１番目のグラフに示すよう
に、発散パターンは除去されず、基体内の広範な
領域から反射波を受けることになり、雑音の多い
不鮮明な像となる。これに対し、余弦及び正弦フ
レネル・パターンの両方を使用して撮像した場合
には、第２番目のグラフに示すように、発散パタ
ーンが除去されてサイドロープが小さくなり、従
つて焦点の合つた鮮明な像を得ることができる。
各グラフの横軸はトランスデユーサ・アレイのＹ
軸方向に対する角度（第４図の第４番目のグラフ
に示すψ）を表わす。核医学に上述したフレネ
ル・パターンを使うと、核医学の場合での撮影は
γ線の非デフラクシヨン（non―defraction）に
基づくが、今日の音響撮影の場合では音波のデフ
ラクシヨンおよび干渉現像は光学におけるフレネ
ル焦点合わせに似たやり方で焦点に像パターンを
合わせることにも注目される。
第６図は、第１図の送信機３０、受信機３２お
よび増幅装置２６をより詳細に示す図である。送
信機３０は、図示のように、変調器４８、タイマ
ー５０、増幅器５２および信号分割器５４を備え
る。受信機３２は、第１図中の基体２４の像を表
示するために表示器５６と、トランスデユーサ・
アレイ２２によつて伝送される信号の搬送波をラ
イン６０にそして一対の基準信号をライン６２お
よび６４に供給する信号発生器５８とを備える。
一対の基準信号は、基体２４の像を形成するため
にトランスデユーサ・アレイ２２によつて受信さ
れた信号を処理する際、第７図について後述する
仕方で利用される。増幅装置２６は、１組の増幅
器６６（これらの増幅器の各入力端子はそれぞれ
のラインによつて、信号分割器５４へ結合され
る。）と、これらの増幅器６６の各出力端子とト
ランスデユーサ・アレイ２２の個別トランスデユ
ーサ４０との間に結合された１組の送受信回路
（Ｔ／Ｒ）７０と、それぞれの送受信回路７０へ
結合されてそれぞれトランスデユーサ４０が受信
した信号を増幅するための１組の前置増幅器７２
（これらの前置増幅器７２の各出力端子はそれぞ
れのラインによつてフアンイン・ライン７４へ結
合され、このフアンイン・ライン７４はケーブル
３４によつて受信機３２へ結合される。）とを備
える。
送信機３０と受信機３２の動作は、タイマー５
０から供給されるクロツク信号によつて同期がと
られる。タイマー５０からのクロツク信号に応答
して、信号発生器５８はライン６０を通じて変調
器４８へ上述した搬送波信号を印加し、そして変
調器４８は搬送波信号に対して短かいパルスの形
態で振幅変調をかける。一例として変調器から供
給されるパルスのパルス幅は３マイクロ秒程度で
あり、これは搬送波信号の４サイクルの持続時間
に等しい。増幅器５２は、変調器４８のパルス化
信号の電力を増幅し、もつて第９図について後述
する信号分割器５４をドライブする。信号発生器
５８からの２つの基準信号は搬送波信号の２倍の
周波数を持ち、一方の基準信号は余弦波であるが
他方の基準信号は正弦波である。信号分割器５４
は、第３図の送信グループに相当する１組のトラ
ンスデユーサ４０を選択し、かつ増幅器５２から
のパルス化搬送波信号をそれぞれの増幅器６６へ
ケーブル３４中の１組の導線すなわちフアンイ
ン・ライン６８を通して分配する。増幅器６６
は、第１図中の基体２４に音波を放射するための
トランスデユーサ４０をドライブするのに充分な
電力をパルス化搬送波信号に与える。送受信回路
７０は、それぞれの増幅器６６からの送信信号を
トランスデユーサ４０へ供給するが、前置増幅器
７２には供給しない。トランスデユーサ４０で受
信された信号は送受信回路７０および前置増幅器
７２を通して受信機３２へ伝送される。
第７図は、第１図および第６図の受信機３２の
詳細ブロツク図である。ケーブル３４中のフアン
イン・ライン７４は図示のように受信機３２へ結
合されるようになつており、タイマー５０からの
クロツク信号は第６図について上述したように端
子Ｃに供給される。受信機３２は、第１組の乗算
器７６，第２組の乗算器７７、加算器８０および
８１、ミキサー８４および８５、減衰器８８およ
び８９（これらの減衰器８８と８９はライン９２
によつてつまり９４へ機械的に結合される）、加
算器９６、帯域フイルタ９８、制御装置１００並
びに第６図に示した表示器５６および信号発生器
５８を備える。フアンイン・アレイ７４からフア
ンアウトする個々のライン１０２Ａ，１０２Ｂ、
１０２Ｃは、各々第６図の個別トランスデユーサ
４０からの信号を伝送し、かつ一対の乗算器７６
および７７へ結合される。例えば、ライン１０２
Ａは乗算器＃１と乗算器＃２へ接続され、そして
ライン１０２Ｂは乗算器＃３と乗算器＃４へ接続
される。全部でＭ回の乗算器７６と７７があり、
Ｍはトランスデユーサ４０の数の２倍に等しい。
第１組の乗算器７６は、奇数番号の乗算器から
成り、余弦フレネル・パターンに対応する係数組
の乗算を行い、かつ以後時には余弦ブランチと称
される。余弦フレネル・パターンはcosβx2で表
わされる。ここでβは更にβ＝π／（λ・ｙ）と
表わすことができ、ｙは第１図に示すように基体
の深さ（Ｙ軸）で、λは信号の波長である。ｘは
トランスデユーサ・アレイ沿いの距離である。
cosβx2は第４図の一番上に示すように、左右対
称の偶関数である。この余弦フレネル・パターン
を第４図の第２番目の方形波に近似させ、更に第
３番目に示すように各トランスデユーサ毎に＋
１、０又は−１に量子化して余弦フレネル・パタ
ーンに対応する係数を導き出す。この余弦フレネ
ル・パターンに対応する係数は第８図に関連して
後述するようにメモリー１０８に記憶される。
第２組の乗算器７７は、偶数番号の乗算器から
成り、正弦フレネル・パターンに対応する係数組
の乗算を行ない、かつ以後時には正弦ブランチと
称される。正弦フレネル・パターンはsin βx2
＝sin（π／λｙ）・x2で表わされる。この正弦フ
レネル・パターンsin βx2（図示せず）は奇関
数で、余弦フレネル・パターンと同様に量子化さ
れ＋１、０又は−１を正弦フレネル・パターンに
対応する係数としてメモリー１０８に記憶され
る。
各トランスデユーサからの信号は各組の１個の
乗算器へ印加される。従つて、反射波を受ける作
動領域の各トランスデユーサは余弦フレネル・パ
ターン及び正弦フレネル・パターンの両方を発生
することになる。各乗算器７６，７７の積はその
端子Ｂに現われる。加算器８０，８１の入力端子
にも符号Ｂを付けたが、この符号Ｂの他に個々の
乗算器７６，７７に対応する数字を付けた。従つ
て、乗算器＃１の端子Ｂは加算器８０の入力端子
Ｂ１へ接続され、他の接続も同様であつて、例え
ば乗算器＃４の端子Ｂは加算器８１の入力端子Ｂ
４へ接続される。このようにして、奇数番号の乗
算器７６の各々の積は加算器８０によつて一緒に
加算され、そして偶数番号の乗算器７７の各々の
積は加算器８１によつて一緒に加算される。
乗算器７６，７７の各々は、乗算器＃１を表わ
すブロツク中に示すように係数＋１、−１、０の
乗算を行なう。各乗算器は、乗算器＃２を表わす
ブロツク中に示すように増幅器１０４とスイツチ
１０６から成る。増幅器１０４はライン１０２Ａ
上の信号のようなその入力端子での信号の正極性
および負極性を提供し、正弦性または負極性の信
号はスイツチ１０６の２つの入力端子へ供給され
る。スイツチ１０６の第３の入力端子はアースさ
れる。乗算器７６，７７の端子Ｂはスイツチ１０
６によつてその３つの入力端子のうちのどれかへ
選択的に結合され、もつて端子Ｂに現われる積は
上述した乗算係数のどれか１つを含む。各乗算器
７６，７７中のスイツチ１０６は、端子Ａでの２
ビツトのデイジタル信号によつて制御される。各
乗算器７６，７７中の端子Ａへの信号は、図示の
ように１組の出力端子Ａを有する制御装置１００
から供給される。なお、制御装置１００の出力端
子Ａに付けた添字１〜Ｍは、スイツチ制御信号が
印加されている特定の１個の乗算器を表わす。制
御装置１００は、第７図では簡単に説明しておい
て、第８図について詳しく説明する。第７図に
は、メモリー１０８、アドレス発生器１１０およ
び距離カウンタ１１２を示す。第１図の基体２４
内の反射場所の距離すなわち深さに応じて距離カ
ウンタ１１２はアドレス発生器１１０を作動し、
このアドレス発生器１１０はアドレスをメモリー
１０８に送つてその反射場所に焦点を合せるため
のフレネル・パターン乗算係数組を提供する。
加算器８０によつて求められた和は信号発生器
５８からの余弦基準信号cos2ωｔとミキサー８４
で乗算され、このミキサー８４はその出力に基準
周波数と伝送されてきた周波数との差周波数を有
する信号を提供する。ミキサー８５もミキサー８
４と同様に作動し、加算器８１からの和と正弦基
準信号sin2ωｔとを混合する。第６図に関連して
前述したように、ライン６２上の余弦基準信号
cos2ωｔとライン６４上の正弦基準信号sin2ωｔ
は、共に伝送周波数（1.5MHz）の２倍の周波数
を有する。ミキサー８４および８５の出力の振幅
は減衰器８８および８９によつて等しくされる。
すなわち、減衰器８８および８９はライン９２を
介してつまみ９４で作動され、ミキサー８５に対
してミキサー８４の出力の減衰度を変えて所望の
等化を行なう。それから、減衰器８８および８９
からの減衰された信号は加算器９６で加算された
後帯域フイルタ９８を通して表示器５６へ供給さ
れる。帯域フイルタ９８は、加算器９６の和信号
を通過させるのに足りる広い通過帯域を持つてい
るが、ミキサー８４および８５の作用に由来する
高調波を減衰させる。帯域フイルタ９８を表わす
ブロツク内のグラフは伝送されて来た信号周波数
の1/2および3/2のカツトオフ周波数を持つてい
る。帯域フイルタ９８からの信号は、第４図の収
束パターンによつて発生される基体２４（第１
図）の内部の像を表わし、発散パターンは加算器
９６によつて除去される。距離カウンタ１１２は
表示器５６へ結合され、この表示器５６は距離カ
ウンタ１１２によつて提供された距離の関数とし
て帯域フイルタ９８による反射場所の像を表示す
る。
第８図に示す制御装置１００は、第７図に示し
たメモリー１０８、アドレス発生器１１０および
距離カウンタ１１２の他に、スイツチング・マト
リクス１１４、カウンタ１１６、バツフア・レジ
スタ１１８および１１９、スイツチ１２２および
デイジタル・インバータ１２４を備える。スイツ
チング・マトリツクス１１４は１組のスイツチ１
２６と別な１組のスイツチ（SW）１２８とを備
える。第７図について上述したように、メモリー
１０８は複数組の係数を記憶し、これらの係数は
第８図に例示され、個々の行は反射場所の深さに
相当しかつ第１図中の座標系３６のＹ方向の距離
を示す。或る行は、Ｙ＝20mm、Ｙ＝40mmに相当
し、別な行は20mmづつ増えて最後の行がＹ＝160
mmに相当する。各行は余弦フレネル・パターンと
正弦フレネル・パターンの両方のための係数を記
憶し、これは第７図の奇数番号の乗算器７６およ
び偶数番号の乗算器７７に相当する。各係数＋
１、０、−１は、余弦フレネル・パターンcosβx2
及び正弦フレネル・パターンsinβx2をトランス
デユーサ素子に関連づけて近似した方形波に従つ
て予め計算され所定のアドレスに記憶されてい
る。即ち、ｘの値（トランスデユーサ・アレイ沿
いの距離）をトランスデユーサの幅を単位として
変え、第４図の第３番目に示すグラフのように係
数＋１、０、又は−１を求める。その操作をβ＝
π／（λ・ｙ）のｙの値（基体の深さ）を変えて
行い、アドレス発生器１１０が所望の係数の記憶
位置を容易にアドレス指定できるように、第８図
に示す如く＋（＋１），０，−（−１）を記憶する。
メモリー１０８の個々のセルをアドレス指定する
ためのアドレスはアドレス発生器１１０からライ
ン１３０に供給される。メモリー１０８に記憶さ
れたデータはライン１３０でのアドレスに応答し
てライン１３２に読出され、このライン１３２に
読出された記憶データはスイツチ１２２によつて
バツフア・レジスタ１１８と１１９へ交互に供給
される。第２図に示したように、フレネル焦点合
わせを行なうのに使用されるトランスデユーサ・
アレイ２２の作動領域でのトランスデユーサの数
は文字Ｋで表わされる。第２図および第４図につ
いて上述した例では、Ｋは６０に等しいとする。
従つて、第２図のトランスデユーサ・アレイ２２
の全部で260個のトランスデユーサのための係数
対を記憶する代りに、メモリー１０８は作動領域
の60個のトランスデユーサの各々のための係数対
（即ち、余弦及び正弦フレネル・パターン）を記
憶し、これはＹの各値毎に全部で120（2K）の係
数になる。従つて、第８図のメモリー１０８の各
行は、余弦フレネル・パターン用の60の係数およ
び正弦フレネル・パターン用のた60の係数を記憶
するための120個のセルを持つている。所望の係
数は、ライン１３２に直列に読出されるが、第７
図の乗算器７６および７７によつて同時に利用さ
れる。バツフア・レジスタ１１８および１１９は
これらの係数のバツフア記憶装置になり、ライン
１３２に直列読出しを行なわせると共に端子A1
〜ＡMでの信号によつて乗算の同時制御を行なわ
せる。
ライン１３２から制御装置１００の端子Ａへ係
数は下記のように供給される。スイツチ１２８は
バツフア・レジスタ１１８および１１９に記憶さ
れたデータを交互に選択する。スイツチ１２８は
それぞれバツフア・レジスタ１１８および１１９
へ接続される。第８図に示すように、スイツチ１
２８がバツフア・レジスタ１１８へ接続される時
には、スイツチ１２２がバツフア・レジスタ１１
９へ接続される。このようにして、信号はバツフ
ア・レジスタ１１８からＫ本の出力ラインを通じ
てそれぞれのスイツチ１２８へ読出され、その間
バツフア・レジスタ１１９にはメモリー１０８に
記憶したデータの新しい値が満される。スイツチ
１２８の出力信号はライン＃１、＃２……＃Ｋを
通してそれぞれのスイツチ１２６へ印加される。
各スイツチ１２６は、多重選択スイツチまたはマ
ルチプレクサの形態をとり、かつ端子Ａの数に等
しい数の１組の出力端子を有する。カウンタ１１
６からのデイジタル信号に応答して各スイツチ１
２６はその入力端子からの信号を端子A1〜ＡMの
どれかに供給する。
スイツチ１２６の動作を、例をあげて、更に説
明する。タイマー５０によつて端子Ｃに供給され
たクロツクパルスに応答してカウンタ１１６は、
基体２４内の１組の場所、例えば、第１図に示し
た３つの反射場所の連続距離走査を計数する。各
距離走査の完了時、クロツクパルスはカウンタ１
１６の入力端子へ印加され、その際カウンタ１１
６はその計数値を進め第１図のＹ軸沿いの次の距
離走査に備えて第１図のＸ軸沿いの次の位置を示
す。スイツチ１２６から端子A1〜ＡMへの信号の
供給の仕方は次のとおりである。すなわち、カウ
ンタ１１６からの１の計数を表わすデイジタル信
号に応答して、第１番目のスイツチ１２６はライ
ン＃１からの信号を端子A1へ送り、第２番目の
スイツチ１２６はライン＃２からの信号を端子
A2へ送り、残りのスイツチ１２６も同様に信号
を送る。このように、スイツチ１２６と協働する
カウンタ１１６は、第１図のＸ軸沿いの距離走査
のサイド・ステツピング（side―stepping）を行
ない、もつて基体２４のＸ軸及びＹ軸沿いの領域
の像を作る。
距離カウンタ１１２は、タイマー５０によつて
端子Ｃに供給されたクロツクパルスに応答し、第
１図のＹ軸沿いの距離すなわち深さの個々の増分
を計数する。最下位桁ビツト（LSB）はスイツチ
１２８および１２２をドライブして上述したよう
にバツフア・レジスタ１１８と１１９を交互に使
用させる。LSBの論理状態は距離の各増分で状態
変化し、これらの状態変化はスイツチ１２８を作
動してバツフア・レジスタ１１８と１１９の切換
えを行なわせる。距離カウンタ１１２からのLSB
はインバータ１２４を通してスイツチ１２２へ供
給され、インバータ１２４は図示のようにスイツ
チ１２２がバツフア・レジスタ１１９に向けられ
そしてスイツチ１２８がバツフア・レジスタ１２
８に向けられるように論理状態の補数をとる。バ
ツフア・レジスタ１１８および１１９を通るデー
タのクロツク動作は、タイマー５０から端子Ｃへ
印加されるクロツクパルスによつて行なわれる。
第９図に示すように、第６図の信号分割器は、
それぞれのトランスデユーサ４０へ結合された１
組のスイツチ１３６と、ライン１４０によつてそ
れぞれのスイツチ１３６へ結合されたアドレス発
生器１３８とを備える。アドレス発生器１３８
は、タイマー５０からのクロツクパルスに応答し
て個々のスイツチ１３６のアドレスを決め、もつ
て増幅器５２からの信号をそれぞれのトランスデ
ユーサ４０へ供給させる。４個１組のスイツチが
アドレス指定され、音響エネルギ・ビームを伝送
するために第３図に示した４個の１組のトランス
デユーサを付勢する。スイツチ１３６の各組は第
３図のトランスデユーサ４０の各組のサイド・ス
テツピングに対応して逐次アドレス指定され、第
１図中の座標系３６のＸ軸沿いのビームを走査す
る。
上述した撮像装置を数字的に表現すれば、下記
のようになる。
１個のトランスデユーサで受信される信号Ｓ
（ｔ，ｘ）は下記の(1)式で表わされる。
Ｓ（ｔ，ｘ）＝Ａ（ｘ）cos（ωｔ＋βφｘ）
…(1) ここで、ｘはトランスデユーサ・アレイ沿いの距
離であり、 ｔは時間であり φｘはＸ座標における位相角であり、 ωは角周波数であり、そして Ａ（ｘ）は距離ｘにおける振幅である。
第７図の余弦ブランチを通過しかつミキサー８
４の出力端子に現われる信号Sc（ｔ，ｘ）は、
第４図の第２番目のグラフに示された近似矩形波
よりもむしろ第４図の第１番目のグラフに示され
た真のフレネル・パターンであるとすれば、下記
の(2)式で表わされる。
Sc（ｔ，ｘ）＝KcA（ｘ）cos（ωｔ＋φｘ） cosβx2・cos2ωｔ …(2) 電気回路装置によつてろ波される高周波項を除け
ば、基本分Scb（ｔ，ｘ）は下記の式で表わされ
る。
Scb（ｔ，ｘ）＝（Kc／２）Ａ（ｘ）cos （ωｔ−φｘ）・cosβx2＝（Kc／４）Ａ
（ｘ） cos（ωｔ−φｘ＋βx2）＋（Kc／４）Ａ
（ｘ） cos（ωｔ−φｘ−βx2） …(3) ここで、Kcは振幅のスケール・フアクターであ
り、そして βはフレネル項中の定数である。
正弦ブランチの対応する信号Ss（ｔ，ｘ）お
よびSsb（ｔ，ｘ）は、ミキサー８５の出力端子
に現われ、下記の式で表わされる。
Ss（ｔ，ｘ）＝KsA（ｘ）cos（ωｔ＋φｘ） sinβx2・sin2ωｔ …(4) Ssb（ｔ，ｘ）＝（Ks／２）Ａ（ｘ）sin （ωｔ−φｘ）sinβx2＝（Ks／４）Ａ
（ｘ） cos（ωｔ−φｘ−βx2）−（Ks／４）Ａ
（ｘ） cos（ωｔ−φｘ＋βx2） …(5) ここで、Ksは振幅のスケール・フアクターで
ある。
減衰器８８および８９を調節して余弦ブランチ
と正弦ブランチの信号の振幅KcA（ｘ）とKsA
（ｘ）を等しくする時、余弦ブランチと正弦ブラ
ンチの信号の和Vout（ｔ，ｘ）は、加算器９６
の出力端子に現われ、式(3)と式(5)の和で表わされ
る。すなわち、 Vout（ｔ，ｘ）＝KA（ｘ）cos （ωｔ−φｘ−βx2） …(6) 式(6)はβx2がある唯一の項を含むが、βx2のエ
キストラ項は式(3)および式(5)の両方に見出され
る。先行技術で不所望な発散するビームを生じる
のはこれらのエキストラ項である。βがφｘ＝−
βx2となるように調節される時、トランスデユー
サは所望の焦点を中心とする彎曲部を有する波形
上に焦点が合う。上述した解析は受信機の動作に
ついてのものであり、送信機の動作についても同
様な解析を行なえる。
この撮像装置はダイナミツクに焦点合わせを行
なうように構成できる。すなわち、トランスデユ
ーサ・・アレイの焦点距離を、上述したように時
間の関数として変えて反射信号を追跡することが
できる。これは、項βx2が反射信号の彎曲部と整
合するように、第７図のスイツチ１０６を順次変
えることによつて達成される。
以上、本発明を好適実施例に従つて説明した
が、本発明の範囲内において変更可能であること
は当業者には明らかである。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明の撮像装置の一実施例を示すブ
ロツク図、第２図は第１図の線２―２で切断した
第１図中のトランスデユーサ・アレイの平面図、
第３図は第１図中のトランスデユーサ・アレイの
側面図および第１図中の基体内の反射場所の像を
形成する作動トランスデユーサ組の一時的な位置
を描くグラフ、第４図および第５図は本発明を理
解するのに有用なグラフ、第６図は第１図のトラ
ンスデユーサ・アレイと送信機および受信機との
電気的な接続を示すブロツク図、第７図は第１図
および第６図に示した受信機の詳細ブロツク図、
第８図は第７図に示した制御装置の詳細ブロツク
図、第９図は第６図に示した信号分割器の詳細ブ
ロツク図である。 符号の説明、２０…撮像装置、２２…トランス
デユーサ・アレイ、２４…基体、２６…増幅装
置、３０…送信機、３２…受信機、４０…トラン
スデユーサ素子、４８…変調器、７６，７７…乗
算器、８０，８１…加算器、８４，８５…ミキサ
ー、８８，８９…減衰器、９６…加算器。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １ 対象物２４の内部領域からの音響エネルギを
    受信するため前記対象物に向けられたトランスデ
    ユーサ素子４０のアレイ２２と、 余弦フレネル・パターン係数及び正弦フレネ
    ル・パターン係数を記憶する手段１０８と、 前記トランスデユーサ素子及び前記記憶手段１
    ０８に結合され、前記余弦フレネル・パターン係
    数を前記トランスデユーサ素子からの信号に乗算
    する第１乗算手段７６と、 前記トランスデユーサ素子及び前記記憶手段に
    結合され、前記正弦フレネル・パターン係数を前
    記トランスデユーサ素子からの信号に乗算する第
    ２乗算手段７７と、 前記第１及び第２乗算手段から夫々供給された
    信号を夫々加算する第１加算手段８０及び第２加
    算手段８１と、 前記第１及び第２加算手段に結合され、前記第
    １及び第２加算手段からの和に夫々余弦基準信号
    及び正弦基準信号を乗算して第１及び第２の積を
    供給するミキサー手段８４，８５と、 前記ミキサー手段に結合され該ミキサー手段か
    らの前記第１及び第２の積の大きさを等しくする
    減衰手段８８，８９と、 前記減衰手段に結合され、前記積を加算して前
    記対象物の内部領域の焦点の合つた像パターンを
    生じさせる第３の加算手段９６と、 から構成される音響的撮像装置。 ２ 前記係数が、正弦フレネル・パターン及び余
    弦フレネル・パターンを前記トランスデユーサ素
    子に関連づけて近似した方形波によつて決定され
    る＋１、−１、又は０である特許請求の範囲第１
    項記載の音響的撮像装置。 ３ 前記記憶手段が、異なる深さに焦点の合つた
    像パターンを供給する複数のパターンを与える手
    段を含む特許請求の範囲第２項記載の音響的撮像
    装置。 ４ 前記記憶手段が、係数を乗算するトランスデ
    ユーサ素子からの出力を順次変更して深さ方向を
    横切つて焦点の合つた像パターンを生じさせる手
    段を含む特許請求の範囲第２項記載の音響的撮像
    装置。
JP16448578A 1978-01-03 1978-12-28 Camera Granted JPS54102078A (en)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US05/866,325 US4145931A (en) 1978-01-03 1978-01-03 Fresnel focussed imaging system

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Publication Number Publication Date
JPS54102078A JPS54102078A (en) 1979-08-11
JPS6132015B2 true JPS6132015B2 (ja) 1986-07-24

Family

ID=25347367

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JP16448578A Granted JPS54102078A (en) 1978-01-03 1978-12-28 Camera

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JP (1) JPS54102078A (ja)
CA (1) CA1116742A (ja)
DE (1) DE2900129A1 (ja)
FR (1) FR2413667A1 (ja)
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