KR20190049704A - 초음파 3차원 계측 장치 - Google Patents

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고쿠리츠겐큐카이하츠호진 가이죠·고완·고쿠기쥬츠겐큐죠
가게요시 가타쿠라
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Abstract

초음파 신호에 의한 3차원 계측 장치에 있어서, 실용성이 높은 고분해능 장치를, 간단한 구성에 의해 실현하는 방식을 제공한다. 본 발명은, 주파수에 의해 1차원 방향을 분리하는 구성에 있어서, 저분해능 광 시야 표시와 고분해능 영역 제한 표시를 병행 사용함으로써, 실용성이 높은 고분해능 장치를, 간단한 구성에 의해 실현한다.

Description

초음파 3차원 계측 장치
본 발명은, 영상 취득 장치에 관한 것으로, 바다 등의 수중에 있어서 음향 신호를 송파하고, 그 대상물로부터의 반사파에 의해 물의 탁도나 조도에 관계없이 넓은 공간의 3차원 영상을 취득하는 3차원 촬상 장치에 관한 것이다.
3차원 촬상의 실현에는, 기본적으로는, 전극을 매트릭스 형상으로 2차원 배치할 필요가 있고, 고분해능 장치의 실현을 위해서는, 다수(10000개 정도)의 전극이 필요해져, 실용화가 매우 곤란해진다.
그래서 발명자는, 주파수마다 상이한 방향으로 초음파를 조사하는 1차원 배열의 송파기를 갖고, 송파기 배열 방향과 직교하는 방향으로 1차원 분할한 수파기를 갖는, 3차원 촬상 방식을 개발하였다.
주파수마다 상이한 방향으로 초음파를 조사하여, 3차원 촬상하는 방식은 여러 가지 알려져 있다.
주파수마다 상이한 방향으로 초음파를 스위핑 조사하는 방법에 의한 공지예를, 도 1에 나타낸다. 이 방식은, 발명자들에 의한 특허문헌 1에 개시된 방식이다.
도 1에 있어서의 송파기(8)는 방위마다 주파수가 상이한 초음파를 송출한다. 송파기(8)의, 가장 간편한 구성법은, 발명자들에 의한 공지 기술이며, 특허문헌 2에 개시되어 있다.
이 공지 기술에 의한 송파기(8)는, 도 2에 나타낸 바와 같이, 분극 축 방향(21)이 교대로 반전되어 형성되어 있는 압전 소자(20)의 양면에, 공통 전극으로서, 한 쌍의 접지 전극(22)과 신호 전극(23)을 형성한다.
이 공통 전극(22, 23) 사이에, 1개의 구동 신호(25)를 인가하면, 그 신호 주파수에 따라서 전파 매체(9) 중의 서로 다른 방향으로 초음파 파면(26)을 방사하고, 대상 영역(10)을 x축 방향으로 주사한다.
당해 초음파 파면(26)은, 송파기(8)의 형상이 봉상이라는 점에서, 도 1에 나타낸, x축 방향으로는 좁고 z 축 방향으로는 넓은 부채형 초음파 빔(13)이 된다.
여기서는, 초음파 파면(26)이 전파하는 방향을 초음파 파면 방사 방향(24)으로 한다. 이하, 초음파 파면(26)이 x축(송파기(8)의 배열 방향)에 대해 경사지는 각도를 θ로 하고, z축(가령 연직 방향으로 함)에 대해 경사지는 각도를 ψ로 한다.
송파기(8)의 동작 원리를 도 3에 나타낸다. 공통 전극(22, 23) 사이에, 사인파 구동 신호(25)를 인가하면, 도 5의 원호에 나타내는 파면이 형성되고(실선과 파선에서 위상이 180도 상이한 것을 나타냄), 동 시각의 인접한 파면의 위상이 반전되어 있기 때문에, 송파기(8)의 법선 방향으로는 방사 음파가 상쇄되고, 경사진 방향인 초음파 파면 방사 방향(24)으로 초음파 빔이 형성된다.
도 3에 있어서, 주파수가 높은 경우에는, 파장이 짧다는 점에서, 도 5의 a)에 나타내는 바와 같이, 고주파 송파 파면(27)을 정면 근방 방향으로 형성한다. 한편, 주파수가 낮은 경우에는, 파장이 길다는 점에서, 도 5의 b)에 나타내는 바와 같이, 저주파 송파 파면(28)을 보다 경사진 방향으로 형성한다.
한편, 대상물(15)로부터의 반사 음파(14)는, 수파용 2차원 수렴 음향 렌즈(11)에 의해, 도 4에 나타내는, z축 방향(연직 방향)으로 전극이 분할된, 1차원 배열의 수파 검출면(12) 상에 결상되어 물체 상(17)이 된다.
도 1의 구성에 있어서는, 대상물(15)의 z 방향 위치는, 수파 검출면(12) 상에 있어서의 분할 소자(16)의 위치에 의해 알 수 있다.
또한, 대상물(15)의 수평 방향 위치는, 대상물(15)의 방위 θ(x축 방향에 대해 경사지는 각도)에 의해, 조사되는 신호의 주파수가 상이하다는 점에서, 도 4에 나타내는 바와 같이, 소자 출력 신호(18) 중의 신호 주파수 성분 강도(19)에 의해 알 수 있다.
또한, 대상물(15)까지의 거리는 음파 전파 시간으로 알 수 있다는 점에서, 대상물(15)의 3차원 정보가 얻어지게 된다.
여기서, 이러한 송파기에 의한 구성에 있어서는, 특허문헌 3에 나타내는 구경 분할에 의한 단펄스화도 가능하기는 하지만, 도 3의 동작 원리로부터, 기본적으로 송파 펄스 길이가 길어져, 거리 분해능이 저하된다.
그래서 본 발명은, 1차원 방향을 주파수에 의해 분리하는 구성에 있어서, 직교 배열한 1차원 배열 수파기에 의한, 거리 분해능이 높은 3차원 촬상 방식을 제공한다.
일본 특허 공고 소52-47697호 공보 일본 특허 공개 소47-26160호 공보 일본 특허 공개 제2010-71967호 공보
해양 음향학회 편 「해양 음향의 기초와 응용」세이잔도 쇼텐 2004년
본 발명은, 높은 거리 분해능을 갖는, 3차원 촬상 방식을 제공한다.
본 발명은, 1차원 방향을 주파수에 의해 분리하는 구성에 있어서, 송파를 단펄스화함으로써, 1차원 배열의 송파기와 1차원 배열의 수파기에 의해 높은 거리 분해능을 갖는 3차원 촬상 방식을 제공한다.
본 발명에 의해, 거리 분해능이 향상되어, 3차원 촬상용 초음파 촬상 장치의 고해상도화가 가능해진다.
도 1은 공지예를 나타내는 설명도.
도 2는 공지예에 의한 송파기를 나타낸 설명도.
도 3은 공지예에 의한 송파기의 동작 원리를 나타낸 설명도.
도 4는 공지예에 의한 수파기면의 상황을 나타낸 설명도.
도 5는 본 발명의 전체 구성을 나타낸 설명도.
도 6은 본 발명의 송파 파면 형성을 나타낸 설명도(실시예 1).
도 7은 본 발명의 복수 송파 파면 동시 형성을 나타낸 설명도.
도 8은 본 발명의 전 방향 복수 송파 파면 동시 형성을 나타낸 설명도.
도 9는 본 발명의 시간 단축 전 방향 복수 송파 파면 동시 형성을 나타낸 설명도(실시예 2).
도 10은 송신 파형의 일례를 나타내는 설명도.
도 11은 송신 파형 주파수 스펙트럼의 일례를 나타내는 설명도.
도 12는 동시 송파 가능한 한계 파면수 UW를 나타내는 설명도.
도 13은 복수 회 송파의 동작을 나타내는 설명도(2회 송파에 대해 도시)(실시예 3).
도 14는 복수 회 송파에 의한 파면 수 KUW를 나타내는 설명도.
도 15는 복수 회 송파에 의한 한계 촬상 시간 TFK를 나타내는 설명도.
도 16은 오목면 수렴하는 송파 구성을 나타낸 설명도(실시예 4).
도 17은 수파기와 수파 지향성 합성부를 나타낸 설명도(실시예 5).
도 18은 수파 지향성 합성부와 여파기군을 나타낸 설명도.
도 19는 기본 구성에 의한 표시 상황을 나타내는 설명도.
도 20은 저분해능 표시에 의한 표시 상황을 나타내는 설명도.
도 21은 ψ 방향 표시에 의한 표시 상황을 나타내는 설명도.
도 22는 ψ 방향 표시에 의한 초고속 표시의 표시 상황을 나타내는 설명도.
도 23은 θ 방향 표시에 의한 표시 상황을 나타내는 설명도.
도 24는 크로스 표시에 의한 표시 상황을 나타내는 설명도.
도 25는 심도 게이트 표시에 의한 표시 상황을 나타내는 설명도.
도 26은 관심 영역 표시에 의한 표시 상황을 나타내는 설명도.
도 27은 커서 표시를 나타내는 설명도.
도 28은 저분해능 표시와 크로스 표시 혹은 커서 표시 중첩 표시를 나타내는 설명도.
도 29는 저분해능 표시, 커서 표시, 크로스 표시의 3종 병렬 표시를 나타내는 설명도.
도 30은 저분해능 표시, 커서 표시, 관심 영역 표시의 3종 병렬 표시를 나타내는 설명도.
도 31은 저분해능 표시와 크로스 표시의 2종 중첩 표시와 관심 영역 표시의 복합 표시의 설명도.
도 32는 자동 심도 게이트 표시를 나타내는 설명도.
도 33은 거리 F1을 초점으로 하는 송파를 행하는 방법을 나타내는 설명도.
도 34는 인접하는 복수의 방향으로 동일 주파수의 파면을 송파하는 방법을 나타내는 설명도.
도 35는 수파기의 구경 전체에 진폭 가중을 행하는 방법을 나타내는 설명도.
도 36은 수파기의 구경 전체를 분할하여 사용하는 방법을 나타내는 설명도.
고해상도화를 가능하게 하는 각종 구성을, 실시예에 의해 이하에 상세하게 설명한다.
(실시예 1) 1차원 송파 배열의 지연 제어 구동(주파수 배치, 정면 방향 고주파)
본 실시예의, 전체 구성을 도 5에 나타낸다.
본 실시예의, 송파기 분해능인, θ 방향 분해능을 형성하는 송파 지향성 합성 처리의 동작을 이하에 나타낸다.
도 5에 나타내는, 본 발명에 있어서의 송파기(108)는, 전 구경이 WT이고, 도 6에 나타낸 바와 같이 시간차 T0을 갖는 동일 파형을 각 송파 소자에 인가함으로써, 잘 알려진 바와 같이, 소자 간격 WT0과 시간차 T0에 의해 정해지는 방향으로 음파를 송출한다.
송파기(108)는, x 방향으로 넓고 z 방향으로 좁은 형상이라는 점에서, 반대로, z 방향으로 넓고 x 방향으로는 좁은 형상의 조사 파면(46)을 형성한다.
송파기(108)에 의한, 조사 파면(46)의 x 방향 폭이 송파기 분해능이고, 장치 구성에 의해 실현되는 최고의 분해능인 송파기 한계 분해능은, 음파의 회절 한계각 ΩDT에 의해 정해지고, 송파기 구경 WT, 음파 파장 λS 조사 방위 θ에 의해 부여되어, ΩDT=λS/(WTcosθ)가 된다.
도 6의 기본 구성에 의하면, 1회의 송수신에 의해 1방향의 계측만이 행해지기 때문에, 촬상 속도가 느려진다.
그래서 도 7의 구성에 있어서, fL fM fH인 복수의 주파수(이 예에서는 3종)를 갖는 파형을, 서로 다른 시간차로 송파한다.
여기서, 송파기의 구동 전자 회로는 전압 한계를 갖는다는 점에서, 도 7에 나타내는 바와 같이, 각 파형이 시간적으로 겹치지 않도록 설정함으로써, 전자 회로의 효율적 사용 구성이 된다.
이러한 송파를 행하면, fL fM fH인 복수의 주파수를 갖는 파면이, 각각의 시간차에 대응하는, 서로 다른 방향으로 송파되어, 수파기(138)의 1 소자인 수파 소자(156)에 의해 얻어진 수신 신호를 여파기(201)에 의해 각 주파수 성분으로 분해함으로써, 1회의 송수신에 의해 복수 방향의 계측 결과가 얻어진다.
이와 같이, fL fM fH인 복수의 주파수를 갖는 파면이, 서로 다른 방향으로 송파하는 경우에 있어서, 목적 방위 이외에 방사되는 불필요 방사의 강도는, 주파수가 높거나 혹은 편향각이 클수록 강해진다는 점에서, 도 7에 나타낸 바와 같이, 정면 방향으로 고주파 신호를 방사하고, 변 에지 방향으로 저주파 신호를 방사하는 구성이 유효하다.
이와 같이, 복수의 주파수를 갖는 파면을, 각각 상이한 방향으로 송파하여, 수파기(138)에 1 소자인 수파 소자(156)의, 수신 단자(44)에 얻어진, 반사체로부터의 수신 신호를 여파기(201)에 의해 각 주파수 성분으로 분해함으로써, 1회의 송수신에 의해 복수 방향의 계측 결과가 얻어지고, 각각 반사체가 존재하는 θ 방향의 위치는, 여파기의 선택 주파수에 의해 알 수 있다.
이와 같이, fL fM fH인 복수의 주파수를 갖는 파면이, 상이한 방향으로 송파되는 경우에 있어서, 1회의 송수신에 요하는 시간은 도 7에 나타낸 TF1이다.
다음으로, 파형 팩 구동을 사용한 제2 실시예에 대해 설명을 행한다.
(실시예 2) 파형 팩 구동(편방향 선행, 불감 시간대의 단축)
도 7의 구성에 있어서, 전 시야를 확보하기 위해서는, 예를 들어 도 8에 나타낸 바와 같이 양 반면의 각 방향으로, 주파수가 상이한 송파를 행하게 되고, 송파 기간은 전 경사 지연 시간의 합(T2+T3+T4+T5)이 되고, 송파 기간 중에는 수신이 곤란해진다는 점에서, 근방에 있어서의 불감 영역이 커진다.
이러한 송파 지향성 합성 처리에 있어서, 도 9에 나타내는 바와 같이, 송파 파면의 방위가 단조롭게 변화되는 순서로 되도록 구성으로 함으로써, 불감 시간은 좌우의 최대 경사 지연 시간만의 합(T4+T5)이 되고, 특히 조사 방위가 다수가 된 경우에, 불감 시간을 대폭 짧게 할 수 있다.
다음으로, 다수 회 인터리브 송파를 사용한 제3 실시예에 대해 설명을 행한다.
(실시예 3) 다수 회 인터리브 송파(고분해능화)
도 7의 송파 지향성 합성 처리에 있어서, 거리 분해능은 송신 신호의 시간의 길이에 의해 정해진다. 여기서, 도 7의 구성에 있어서, 송신 신호 파형을 도 10에 나타내는 마름모형으로 하고, 송신 신호의 총 시간의 길이를 2T로 하면, 송신 신호의 주파수 스펙트럼은 도 11이 되고, 주파수 대역 폭은 1/T가 된다.
이 때문에, 송파기의 주파수 대역이 도 12에 나타내는 W라고 하면, 1회의 송파에 허용되는 방사 방향의 최대 수는 UW=W/(1/T) 방향으로 제한된다.
그래서 송파 지향성 합성 처리에 있어서, 도 13에 나타내는 바와 같이, 복수 회의 송파에 있어서, 각각 상이한 방향으로 음파를 방사하면, 각각의 송파에 있어서의 주파수 이용이 도 14의 a), b)가 되고, 이들 수신 신호에 의해, 도 14의 c)에 나타내는 다수 방향으로의 계측이 가능해진다.
따라서, 복수 회의 송파에 있어서, 각각 상이한 방향으로 음파를 방사함으로써, 제한된 송파기의 주파수 대역에 있어서, 충분한 거리 분해능을 유지하면서, 다수 방향으로의 독립된 음파 송수신이 실현된다.
도 14는 2회의 송수신에 의해 1화면을 완성하는 경우를 예로 들어 설명하였지만, 도 15에 나타내는 바와 같이, K회(K는 2보다 큰 자연수)의 송수신에 의해 1화면을 완성하는 구성도 당연히 가능하고, 1화면을 완성하는 촬상 시간 TFK는 길어지지만, 더욱 다수 방향으로의 독립된 음파 방사가, 제한된 송파기의 주파수 대역에 있어서, 충분한 거리 분해능을 유지하여 실현된다.
이와 같이, K회의 송수신에 의해 1화면을 완성하는 구성에 있어서는, 1화면의 완성에 요하는 촬상 시간이 길어지고, 촬상 시간은 도 15에 나타낸 K회의 송수신에 요하는 시간 TFK가 된다.
다음으로, 오목면 수렴을 이용한 제4 실시예에 대해 설명을 행한다.
(실시예 4) 오목면 수렴
근거리에 있어서, 해상도 저하를 방지하는 구성을, 도 16에 나타낸다.
본 구성은, 도 16에 나타낸 바와 같이, 지연 회로(VD)에 의해 오목면 지연을 부여함으로써, 선택한 거리에 송파 파면을 수렴시킬 수 있다.
다음으로, 수파 배열 방향의 수파 지향성 합성을 이용한 제5 실시예에 대해 설명을 행한다.
(실시예 5) 수파 배열 방향의 수파 지향성 합성
본 실시예의, 수파기 분해능인, ψ 방향(수파 배열 방향)에 있어서의 수파 지향성 합성 처리를, 도 5의 전체 구성에 의해 설명한다.
도 5에 있어서의, 수파기(138)로의 입사 시각이, 도 17에 나타내는 바와 같이, z축 방향 위치에 따라서 변화된다.
이 때문에, 동 위상 가산을 행하기 위해서는, 수파기(138)로부터의 V개의 신호에 대해, z축 방향에 관한 지향성 합성 처리가 필요해진다.
이 수파 지향성 합성 처리는 비특허문헌 1에 상세하게 설명되어 있고, 일례로서는, 수파 지향성 합성부(37)에 있어서, 지연 회로(49)의 지연 시간 단자(50)를 상방 수신 파면(47)의 경사각 ψ1에 대응하여 선택함으로써, 수신 신호(51)에 있어서의 신호의 시간차 혹은 위상차를 보상하고, 보상된 신호를 가산함으로써 행해진다.
수파기(138)에 의한, 수신 파면(47, 48)의 z방향 폭이 수파기 분해능이고, 장치 구성에 의해 실현되는 최고의 분해능인 수파기 한계 분해능은, 음파의 회절 한계각 ΩDR에 의해 정해지고, 수파기 구경 WR, 음파 파장 λS 수파 파장 ψ에 의해 부여되어, ΩDR=λS/(WRcosψ)가 된다.
여기서, 지연 시간 단자(50)의 선택 위치를 오목면 형상으로 설정함으로써, 특정 거리에 주목하는, 수렴 수신도 가능해진다.
이 동 위상 가산 처리에 의해, 각도 ψ1만큼 경사진 상방 수신 파면(47)은 상방 수신 출력(52)으로서 출력되고, 정면 방향 수신 파면(48)은, 정면 수신 출력(53)으로서, 각각 독립적으로 출력된다.
따라서, ψ 방향에 관한 위치는 수파 지향성 합성부(37)의 P개의 수신 출력 위치에 의해 알 수 있다.
다음으로, 3차원 공간 계측 대상의 기본 동작에 대해 설명을 행한다.
이러한, 반사체의 ψ 방향 위치에 대응하는 수파 지향성 합성부(37)의 각 수신 출력을, 도 18에 나타내는 여파기군(109)에 인가한다.
여파기군(109)은, 복수의 여파기(201)에 의해 구성되고, 각 여파기(201)의 단자에는 대응하는 주파수 성분 f1 내지 fU로서 각각 분리 출력된다.
여기서, 반사체가 존재하는 θ 방향의 위치는, 반사 신호의 주파수에 대응한다는 점에서, 반사체의 θ방향의 위치는, 주파수 성분마다 분리 출력되는 각 여파기(201)의 단자에 의해 알 수 있다.
따라서, 상방 수신 신호 및 정면 수신 신호는, 상방 수신 여파 출력(202) 및 정면 수신 여파 출력(203)으로서 얻어지고, 이들 출력 단자 위치에 의해, 반사체가 존재하는 θ 방향 및 ψ 방향 위치의 위치를 알 수 있게 된다.
또한, 대칭물(15)까지의 거리 r은, 초음파의 왕복 시간으로 알 수 있다는 점에서, 이들 세 정보에 의해, 3차원 공간 내에 있어서의 계측 대상의 형상이 완전히 파악되어, 3차원 촬상이 실현되게 된다.
이상의 처리를, 여파기군(109)의 모든 단자에 대해 행할 필요가 있고, 송파기 구조에 의해 정해지는 θ 방향의 최대 시야를 E로 하고, 최고 분해능을 ε로 하면, 여파기군(109)의 소요 단자수 U=E/ε가 되고, 수파기 구조에 의해 정해지는 ψ 방향의 최대 시야를 H로 하고, 최고 분해능을 η로 하면, 수파 지향성 합성부(37)의 소요 출력 단자수 P=H/η가 된다.
여기서, 음파의 파장을 λ로 하여, 송파기 구조에 의해 정해지는 θ 방향의 최대 시야 E는, 개략 λ/WT0이 되고, θ 방향의 최고 분해능 ε은 λ/WT가 된다.
또한, 수파기 구조에 의해 정해지는 ψ 방향의 최대 시야 H는, 개략 λ/WR0이 되고, ψ 방향의 최고 분해능 η는 λ/WR0이 된다.
한편, 거리 방향의 시야를 R로 하고, 분해능을 ρ로 하면, 거리 방향의 관측점 수 L=R/ρ가 되고, 본 기본 동작에 의해, 3차원 공간 내에 있어서의 모든 관측점의 정보를 계측하기 위해서는 도 19에 나타내는 바와 같이 U×P×R회의 지향성 합성 처리를 행하게 된다.
이들, 수파 지향성 합성부(37) 및 여파기군(109)에 의한 수파 지향성 합성 처리는, 지연선 등을 이용하는 아날로그 처리에 의한 구성도 가능하지만, 수신 신호를 디지털화하여, 수파 지향성 합성 처리의 전체를 수치 연산에 의해 실시하는 구성도 가능하다.
이 기본 동작에 있어서의 음파 전반 시간은 TFK이며 이것보다 촬상 시간을 단축하는 것은 불가능하고, 이 TFK가 촬상 한계 시간을 부여한다.
여기서, U×P×R회의 지향성 합성 처리를 행하는 경우에 있어서, 처리 장치의 성능이 불충분한 경우에는, 지향성 합성의 처리 시간 TP가, 도 15에 나타내는 K회의 송수신에 요하는 촬상 한계 시간 TFK 이상이 되고, 촬상 시간은 처리 시간 TP(＞TFK)에 의해 결정된다.
이상은, 수파 지향성 합성부(37)의 각 수신 출력을, 여파기군(109)에 인가하는 순서로 설명하였지만, 이들 처리는 선형 처리라는 점에서, 처리의 순서에 의존하지 않으므로, 여파 처리를 선행시키고, 여파 처리의 결과에 대해 수파 지향성 합성하는 구성으로 하는 것도 가능하다.
다음으로, 상술한 3차원 촬상 장치에 의해 얻어진 정보를 표시하는 방법에 대해 설명을 행한다.
(저분해능 표시)
모든 관측점의 정보를 최고 정밀도로 계측하기 위해서는, U×P×R의 지향성 합성 처리를 필요로 하지만, 사용 상황에 따라서는, 처리 횟수를 감소시키는 구성도 가능하다.
그래서 송파기 분해능 혹은 수파기 분해능을, 장치의 구경과 주파수에 의해 정해지는, 각각의 한계 성능으로부터 고의로 저하시키거나, 혹은 또한 거리 분해능도 강제적으로 저하시키는 저분해능 표시 구성을 고려한다.
여기서, 도 20에 나타내는 바와 같이, θ 방향, ψ 방향, 거리 방향의 분해능을 각각 α, β, γ배로 저하시키는 것으로 하면, 표시 정보 수의 감소로부터, 최저라도, 지향성 합성 처리 횟수는 (U/α)×(P/β)×(R/γ)로 감소한다.
또한, θ 방향, ψ 방향의 분해능을 각각 α, β, γ배로 저하시키면, 송파기 및 수파기의 개구도 각각 α, β, γ배로 축소시키는 것도 가능해진다.
이하에 있어서는, 간단하게 하기 위해, 표시 정보 수의 감소에 의한 효과만을 고려하는 것으로 한다.
표시 정보 수의 감소에 의한 효과만을 고려해도, 관측점의 정보를 계측하기 위한 지향성 합성 처리 횟수는 (U/α)×(P/β)×(R/γ)가 되고, 저분해능 표시에 있어서는, 일거에 처리 부하를 1/(α×β×γ)배로 저하시킬 수 있어, α=β=γ=3으로 하면 처리 부하를 1/27로 저하시킬 수 있다.
여기서, θ 방향의 분해능을 α배로 저하시키면, 송파 횟수 K는 Ka가 되고, KUW＞U＞KaUW＞U/α가 되고, 도 15에 나타내는 K회의 송수신에 요하는 촬상 한계 시간 TFK는 TFKa로 단축되어, 기본 동작에 비해, TFK/TFKa배의 고속 촬상이 가능해진다.
또한, 표시 방법은 상술한 방법에 한정되지 않고, 예를 들어 부분 데이터 표시 1: ψ 방향 표시로 하는 것도 가능하다.
구체적으로는, 도 21에 나타내는 바와 같이, 송파기 분해능 방향인 θ 방향의, 1 부채형 단면만을 최고 분해능으로 계측하는 경우를 생각하면, P×R의 지향성 합성 처리이며, 음파 전파에 있어서의 촬상 한계 시간은 도 7에 있어서의 1회의 송수신 시간 TF1(=TFK/K)로, 기본 동작에 비해, K배의 초고속 촬상이 가능해진다.
또한, 부분 데이터 표시 2: 초고속 표시로 하는 것도 가능하다. 구체적으로는, θ 방향의 부채형 단면은, 계측 단면 수가 도 22에 나타내는 바와 같이, 도 12에 나타내는 1회의 송파에 허용되는 방사 방향 최대수 UW 이내이면, 음파 전파에 있어서의 촬상 한계 시간은 1회의 송수신 시간 TF1(=TFK/K) 그대로 이며, 초고속 촬상이 가능해진다.
또한, 부분 데이터 표시 3: θ 방향 표시로 하는 것도 가능하다. 여기서, 도 23에 나타내는 바와 같이, 수파기 분해능 방향인 ψ 방향의 1 부채형 단면만을 최고 분해능으로 계측하는 경우를 생각하면, U×R회의 지향성 합성 처리이고, 지향성 합성에 있어서의 처리 부하가 1/P로 경감되어, 이 경우의 촬상 한계 시간은 도 15에 있어서의 TFK로, 촬상 속도에 대해서는 기본 동작과 동등해진다.
또한, 도 22와 마찬가지로 ψ 방향의 부채형 단면 수를 PP로 증대시키면, PP×U×R회의 지향성 합성 처리가 되고, 지향성 합성에 있어서의 처리 부하는 부채형 단면 수 PP에 비례하여 증대되지만, 촬상 한계 시간은 TFK 그대로이며, 촬상 속도에 대해서는 기본 동작과 동등해진다.
또한, 부분 데이터 표시 4: 크로스 표시로 하는 것도 가능하다. 크로스 표시라 함은, 상술한 θ 방향 표시와 ψ 방향 표시를 병용한 표시 방법이며, 이러한 θ 방향 표시와 ψ 방향 표시를 병용하면 도 24에 나타내는 크로스 표시가 된다.
여기서, 도 24에 나타내는 바와 같이, θ 방향과 ψ 방향의 각각 1 부채형 단면만을 최고 분해능으로 계측하는 경우를 생각하면, (P+U)×R의 지향성 합성 처리이며, U≒P로 하면, 지향성 합성에 있어서의 처리 부하가 기본 동작의 대략 2/P로 경감되고, 이 경우의 촬상 한계 시간은 도 15에 있어서의 TFK이고, 촬상 속도에 대해서는 기본 동작과 동등해진다.
여기서, 도 24의 양 부채형 단면이 교차하는 축 OOXY를 축으로 하여 회전시키는 회전 크로스 표시도, 회전 각도 설정 수단을 배치함으로써 가능하고, 이 회전 크로스 표시에 있어서도 (P+U)×R의 지향성 합성 처리이며, 이 경우의 촬상 한계 시간이나 도 15에 있어서의 TFK이며, 크로스 표시와 동등한 동작이 된다.
여기서, 도 24에 있어서 단면 위치만을 표시하고, 각 단면의 반사 신호 정보를 표시하지 않는 동작은, θ 방향의 주목 방위 QX와 ψ 방향의 주목 방위 QY의 설정에 의해 축 OOXY를 선택하고, 또한 특정 거리 UR을 선택하는 수단을 추가하면, 3차원 공간 내의 임의의 위치 QXYR(QX, QY, QR)을 선택하게 되고, 3개의 변수 QX, QY, QR을 설정하는 입력 수단을 배치함으로써 커서 표시도 27로서 사용되어, 임의의 위치를 선택 가능해진다.
2개의 변수를 1거동으로 선택하는 입력 수단으로서는, 조이스틱 혹은 트랙볼 등이 알려져 있다.
또한, 제3 변수로서 거리 방향의 위치 UR을 설정하는 입력 수단을 배치함으로써, 3차원 공간 내의 임의의 위치 QXYR(QX, QY, QR)을 선택 가능해진다.
또한, 도 25에 나타내는 바와 같이, 특정 거리 UR에 주목하여, 커서 동작에 의해 3차원 공간 내의 임의의 위치 QXYR(QX, QY, QR)을 선택하고, 심도 게이트 표시로서, 축 OOXY와 교차하는 1 단면 ZR을 표시하면, 이 표시는 (P+U)의 지향성 합성 처리이며, U≒P로 하면, 지향성 합성에 있어서의 처리 부하가 기본 동작의 대략 2P로 경감되고, 이 경우의 촬상 한계 시간은 도 15에 있어서의 TFK이고, 촬상 한계 속도에 대해서는 기본 동작과 동등해진다.
또한, 도 25에 있어서의 각도 ΩU, ΩV의 설정을, 입력 장치에 의해 행함으로써 축 OOXY와 교차하는 임의의 단면을 표시하여 회전 심도 게이트 표시로 할 수도 있다. 이 경우에 있어서도 (P+U)의 지향성 합성 처리이며, U≒P로 하면, 지향성 합성에 있어서의 처리 부하가 기본 동작의 거의 2P로 경감되고, 이 경우에 있어서도 촬상 한계 시간은 도 15에 있어서의 TFK이고, 촬상 한계 속도에 대해서는 기본 동작과 동등해진다.
또한, 도 25에 나타내는 심도 게이트 표시에 있어서, 단면 ZR을 복수(NZR매) 배치하는 복수 심도 게이트 표시로 하는 것도 가능하고, 이러한 복수 심도 게이트 표시에 있어서는, (P+U)×NZR의 지향성 합성 처리이며, 심도 게이트 표시의 NZR배로 부하가 증대되지만, 이 경우의 촬상 한계 시간은 도 15에 있어서의 TFK이고, 촬상 한계 속도에 대해서는 기본 동작과 동등해진다.
또한, 표시 방법으로서는, 부분 데이터 표시 8: 관심 영역 표시 및 영역 체적을 사용해도 상관없다. 여기서, 도 26에 나타내는 바와 같이 관심 영역을 설정하고, θ 방향, ψ 방향, 거리 방향의 관측 영역을 각각 a, b, c점으로 한정하면, 관측점의 정보를 계측하기 위한 지향성 합성 처리 횟수는 (a×b×c)/(U×P×R)이 되고, a=U/3, b=P/3, c=R/3으로 하면 처리 부하를 1/27로 저하시킬 수 있어, 3차원 방향의 시야 및 촬상 시간을 유지(=TFK)한 상태 그대로, 3차원 계측이 가능해진다.
여기서, 관심 영역에 있어서의 a가, 방사 방향 최대 수 UW 이내이면, 음파 전파에 있어서의 촬상 한계 시간은, 1회의 송수신 시간 TF1(=TFK/K) 그대로, 초고속 촬상이 가능해진다.
지금까지 설명한, 저분해능 표시 혹은 각종 부분 데이터 표시는, 처리 부하가 작다는 점에서, 일례로서 도 28에 나타내는 저분해능 표시와 크로스 표시의 2종 중첩 표시, 도 29에 나타내는 저분해능 표시, 커서 표시, 크로스 표시의 3종 병렬 표시, 도 30에 나타내는 저분해능 표시, 커서 표시, 관심 영역 표시의 3종 병렬 표시, 혹은 도 31에 나타내는 저분해능 표시와 크로스 표시의 2종 중첩 표시와 관심 영역 표시의 3종 복합 표시 등, 각종 표시 방식을 병용 표시하는 것도 처리 능력의 대폭적인 증대 없이, 임의로 설정 가능하다.
또한, 도 25에 나타내는 바와 같이, 특정 거리 UR에 주목하여, 3차원 공간 내의 임의의 위치 QXYR(QX, QY, QR)을 선택하는 심도 게이트 표시에 있어서, 특정 거리 UR을 저분해능 표시의 각 방향에 있어서의 최초의 강력 신호 도달 거리로 함으로써, 도 32에 나타내는 바와 같이 대상의 표면을 고분해능으로 표시하는 자동 심도 게이트 표시를 사용하는 것도 가능하다.
이 자동 심도 게이트 표시는, 통상의 심도 게이트 표시와 동등한 촬상 한계 시간과 촬상 한계 속도가 된다.
지금까지 설명한, 저분해능 표시 혹은 각종 부분 데이터 표시는, 장치에 고정한 좌표에 한정되지 않고, 항법 장치의 데이터를 이용하여 지구 좌표 표시로 변환하여 표시하는 것이 가능해진다.
지금까지 설명한, 각종 부분 데이터 표시는, 넓은 영역을 상시 관찰 가능한 저분해능 표시와 병용함으로써, 특히 유효하게 이용된다.
지금까지 설명한, 저분해능 표시 혹은 각종 부분 데이터 표시에 있어서는, 양쪽에 있어서 일부의 신호가 동일해지는 경우가 발생하는데, 이 경우에 있어서는, 당해 신호를 공용함으로써 촬상 속도를 향상시킬 수 있다.
지금까지 설명한, 각종 고분해능 부분 데이터 표시와 저분해능 표시를 병용하는 데는, 고분해능의 능력을 갖는 송파기를 구비하는 것이 필수가 된다.
고분해능의 능력을 갖는 송파기를 구비하는 구성에 있어서, 저분해능의 능력을 갖는 송파기를 더 구비하는 것은 경제적이지 않다.
고분해능의 능력을 갖는 송파기의 구경을 작게 하는, 간단하게 저분해능의 송파를 행할 수 있지만, 이 방법에 의하면 송파기 구경의 일부가 낭비가 된다.
그래서 도 33에 나타내는 방법은, 고분해능 송파기의 구경 전체를 사용하여, 목적으로 하는 거리가 F일 때에는, 거리 F1을 초점으로 하는 송파를 행하여, 분해능을 W1로 저하시키는 방법이다.
또한, 도 34에 나타내는 방법은, 고분해능 송파기의 구경 전체를 사용하여, 인접하는 복수의 방향으로 동일 주파수의 파면을 A, B를 송파함으로써, 송파 빔을 C로서 넓히는 방법이다.
고분해능의 능력을 갖는 수파기를 구비하는 구성에 있어서, 저분해능의 능력을 갖는 수파기를 더 구비하는 것은 경제적이지 않다.
고분해능의 능력을 갖는 수파기의 구경을 작게 하는, 간단히게 저분해능의 송파를 행할 수 있지만, 이 방법에 의하면 수파기 구경의 일부가 낭비가 된다.
그래서 도 35에 나타내는 방법은, 고분해능 수파기의 구경 전체에 진폭 가중을 행하는 방법이며, 예를 들어 해닝 가중을 행하면, 전체 구경을 사용해도 분해능은 목적대로 1/2로 저하되고, 불필요 응답의 개선도 실현된다.
또한, 도 36에 나타내는 방법은, 고분해능 수파기의 구경 전체를 분할하여 사용하고, 각각의 구경에 대해 지향성 합성 처리를 행하여, 각 지향성 합성 결과를 각각 검파한 후에 가산하는 방법이며, 전체 구경을 사용해도 분해능은 목적대로 분할 수에 비례하여 저하되고(도면에서는 2분할로 하고 있음), 불규칙 잡음의 억압도 실현된다.
또한, 한계 분해능 표시와, 대상 공간 영역을 제한한 한계 분해능 표시를 병렬하여 표시(가능한 한 병렬 표시)하는 것도 당연히 가능하다.
이와 같이 가능한 한 병렬 표시를 한 경우에 있어서, 대상 공간 영역을 제한한 한계 분해능 표시를, 송파기 분해능 방향의 공간 영역을 제한한 표시로 함으로써, 계측 결과의 완전한 유용이 가능해진다.
또한, 이 경우에 있어서는, 1회의 송수신에 의한 계측 결과도 관찰 가능하게 된다는 점에서, 내 운동성이 대폭 향상된다.
본 발명에 의하면, 간편한 장치에 의해, 초음파에 의한 고정밀도의 3차원 촬상이 실현된다.
8 : 송파기
9 : 전파 매체
10 : 대상 영역
11 : 2차원 수렴 음향 렌즈
12 : 1차원 배열 수파 검출면
13 : 부채형 초음파 빔
14 : 반사 음파
15 : 대상물
16 : 분할 소자
17 : 물체 상
18 : 소자 출력 신호
19 : 신호 주파수 성분 강도
20 : 압전 소자
21 : 분극 축 방향
22 : 접지 전극
23 : 신호 전극
24 : 초음파 파면 방사 방향
25 : 구동 신호
26 : 초음파 파면
27 : 고주파 송파 파면
28 : 저주파 송파 파면
37 : 수파 지향성 합성부
42 : 신호 전극
43 : 접지 전극
44 : 신호 단자
46 : 조사 파면
47 : 상방 수신 파면
48 : 정면 방향 수신 파면
49 : 지연 회로
50 : 지연 시간 단자
51 : 수신 신호
52 : 상방 수신 출력
53 : 정면 수신 출력
108 : 송파기
109 : 여파기군
138 : 수파기
156 : 수파 소자
201 : 여파기
202 : 상방 수신 여파 출력
203 : 정면 수신 여파 출력

Claims (24)

1차원 방향으로 배열된 송파기와, 송파기의 배열 방향과 직교 방향으로 1차원 배열된 수파기를 갖고, 당해 송파기에 의해 1회의 송수신 기간에 있어서 복수의 송파 파면을 송파하고, 송파되는 음파의 주파수가, 송파기 배열 방향에 대한 방위에 따라 상이한 초음파 3차원 계측 장치에 있어서,
상기 송파기의 배열 방향에 직교하는 정면 방향 근방의 송파 파면이 고주파이고, 변 에지 방향의 송파 파면이 저주파이도록 구성하는 것을 특징으로 하는, 초음파 3차원 계측 장치.
1차원 방향으로 배열된 송파기와, 송파기의 배열 방향과 직교 방향으로 1차원 배열된 수파기를 갖고, 당해 송파기에 의해 1회의 송수신 기간에 있어서 복수의 송파 파면을 송파하고, 송파되는 음파의 주파수가, 송파기 배열 방향에 대한 방위에 따라 상이한 초음파 3차원 계측 장치에 있어서,
상기 송파 파면의 방위가 단조롭게 변화되는 순서로 송파하는 것을 특징으로 하는, 초음파 3차원 계측 장치.
1차원 방향으로 배열된 송파기와, 송파기의 배열 방향과 직교 방향으로 1차원 배열된 수파기를 갖고, 당해 송파기에 의해 1회의 송수신 기간에 있어서 복수의 송파 파면을 송파하고, 송파되는 음파의 주파수가, 송파기 배열 방향에 대한 방위에 따라 상이한 초음파 3차원 계측 장치에 있어서,
1회의 송수신 기간에 있어서 송파하는 송파 파면의 총 수를 송파기의 주파수 대역과 송신 신호의 주파수 스펙트럼에 따라서 변화시키는 것을 특징으로 하는, 초음파 3차원 계측 장치.
1차원 방향으로 배열된 송파기와, 송파기의 배열 방향과 직교 방향으로 1차원 배열된 수파기를 갖고, 당해 송파기에 의해 1회의 송수신 기간에 있어서 복수의 송파 파면을 송파하고, 송파되는 음파의 주파수가, 송파기 배열 방향에 대한 방위에 따라 상이한 초음파 3차원 계측 장치에 있어서,
수파 신호의 수파 지향성 합성 처리를 행한 후에 주파수 성분 분리를 행하는 것을 특징으로 하는, 초음파 3차원 계측 장치.
1차원 방향으로 배열된 송파기와, 송파기의 배열 방향과 직교 방향으로 1차원 배열된 수파기를 갖고, 당해 송파기에 의해 1회의 송수신 기간에 있어서 복수의 송파 파면을 송파하고, 송파되는 음파의 주파수가, 송파기 배열 방향에 대한 방위에 따라 상이한 초음파 3차원 계측 장치에 있어서,
수파 신호의 주파수 성분 분리를 선행시키고, 다음으로 수파 지향성 합성하는 것을 특징으로 하는, 초음파 3차원 계측 장치.
1차원 방향으로 배열된 송파기와, 송파기의 배열 방향과 직교 방향으로 1차원 배열된 수파기를 갖고, 당해 송파기에 의해 1회의 송수신 기간에 있어서 복수의 송파 파면을 송파하고, 송파되는 음파의 주파수가, 송파기 배열 방향에 대한 방위에 따라 상이한 초음파 3차원 계측 장치에 있어서,
저분해능 표시를 행하는 것을 특징으로 하는, 초음파 3차원 계측 장치.
1차원 방향으로 배열된 송파기와, 송파기의 배열 방향과 직교 방향으로 1차원 배열된 수파기를 갖고, 당해 송파기에 의해 1회의 송수신 기간에 있어서 복수의 송파 파면을 송파하고, 송파되는 음파의 주파수가, 송파기 배열 방향에 대한 방위에 따라 상이한 초음파 3차원 계측 장치에 있어서,
대상 공간 영역을 제한한 한계 분해능 표시를 행하는 것을 특징으로 하는, 초음파 3차원 계측 장치.
제7항에 있어서,
상기 대상 공간 영역을 제한한 한계 분해능 표시가, 송파기 분해능 방향의 공간 영역을 제한하는 것을 특징으로 하는, 초음파 3차원 계측 장치.
제7항에 있어서,
상기 대상 공간 영역을 제한한 한계 분해능 표시가, 수파기 분해능 방향의 공간 영역을 제한하는 것을 특징으로 하는, 초음파 3차원 계측 장치.
제7항에 있어서,
상기 대상 공간 영역을 제한한 한계 분해능 표시가, 송파기 분해능 방향과 수파기 분해능 방향의 공간 영역을 동시에 제한하는 것을 특징으로 하는, 초음파 3차원 계측 장치.
제10항에 있어서,
송파기 분해능 방향과 수파기 분해능 방향의 제한된 공간 영역의 교차 영역을 축으로서 표시하는 제한 영역을 회전시키는 것을 특징으로 하는, 초음파 3차원 계측 장치.
제10항에 있어서,
상기 대상 공간 영역을 제한한 한계 분해능 표시가, 단면 위치만을 표시하고, 특정 거리를 선택하는 수단을 갖는 것을 특징으로 하는, 초음파 3차원 계측 장치.
제7항에 있어서,
상기 대상 공간 영역을 제한한 한계 분해능 표시가, 특정 거리에 주목하여, 거리 방향의 공간 영역을 제한하는 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는, 초음파 3차원 계측 장치.
제7항에 있어서,
상기 대상 공간 영역을 제한한 한계 분해능 표시가, 송파기 분해능 방향, 수파기 분해능 방향 및 거리 방향의 모든 방향에 대해 영역을 제한하는 것을 특징으로 하는, 초음파 3차원 계측 장치.
제6항에 있어서,
대상 공간 영역을 제한한 한계 분해능 표시를 병렬하여 표시하는 것을 특징으로 하는, 초음파 3차원 계측 장치.
제13항에 있어서,
상기 거리 방향의 공간 영역을 제한하는 수단이, 저분해능 표시의 각 방향에 있어서의 계측 신호 조건에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는, 초음파 3차원 계측 장치.
제8항에 있어서,
상기 대상 공간 영역을 제한한 한계 분해능 표시가, 송파기 분해능 방향의 공간 영역을 단일 송파 파면 방향으로만 제한하는 것을 특징으로 하는, 초음파 3차원 계측 장치.
제15항에 있어서,
상기 송파기 및 상기 수파기의 구경을 좁히는 일 없이, 저분해능 표시를 실현하도록 구성하는 것을 특징으로 하는, 초음파 3차원 계측 장치.
1차원 방향으로 배열된 송파기를 갖고, 당해 송파기에 의해 1회의 송신 기간에 있어서 복수의 송파 파면을 송파하고, 송파되는 음파의 주파수가, 송파기 배열 방향에 대한 방위에 따라 상이한 구성에 있어서, 송파 파면의 주파수가, 정면 근방 방향으로 고주파 성분을 방사하고, 변 에지 방향으로 저주파 성분을 방사하도록 구성하는 것을 특징으로 하는, 초음파 장치.
제19항에 있어서,
1회의 송신 기간에 있어서 송파하는 파면의 방위가, 특정한 구동 신호 주파수에 대해, 송파기 전방면의 전 방위 방향에 있어서, 단일의 방위각 방향으로 한정되도록 구성하는 것을 특징으로 하는, 초음파 장치.
제19항에 있어서,
상기 송파기가 단조롭게 변화되는 순서로 파면을 송파하는 것을 특징으로 하는, 초음파 장치.
제15항에 있어서,
저분해능 표시에 비해, 대상 공간 영역을 제한한 한계 분해능 표시를 상대적으로 확대하여 표시하도록 구성되는 것을 특징으로 하는, 초음파 3차원 계측 장치.
제1항에 있어서,
대상 공간 영역을 제한한 한계 분해능 표시를 병렬하여 표시하는 것을 특징으로 하는, 초음파 3차원 계측 장치.
제23항에 있어서,
대상 공간 영역을 제한한 한계 분해능 표시가, 송파기 분해능 방향의 공간 영역을 제한하는 것을 특징으로 하는, 초음파 3차원 계측 장치.
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