JP2015036677A - 超音波検査 - Google Patents

Abstract

【課題】物体の表面下の構造特性を画像化するための改良された装置を提供する。【解決手段】物体の表面下の構造特性を画像化する装置であって、前記装置は、物体にて音波パルスを伝送するように構成された伝送ユニットと、物体から前記伝送ユニットにより伝送される音波パルスの反射を受信するように構成された受信ユニットと、物体から前記受信ユニットにより受信される一つ以上の信号を解析し、前記一つ以上の信号において、第１の構造特性により生じた反射と、物体内の前記第１の構造特性の少なくとも一部の背後に位置する第２の構造特性により生じる反射とを認識し、個々の認識した反射を物体内の反射の生じた相対深さと関連付けるように構成された信号処理ユニットと、認識した反射及びそれらの相対深さに依存する、第１及び第２の構造特性の表明を含む画像を生成するように構成された画像生成ユニットとを含む装置。【選択図】図２

Description

本発明は、物体の表面下の構造特性を画像化する装置に関する。当該装置は、特に、層間剥離、剥離及びフレーキングなどの、サブサーフェスの材料検知を画像化するのに有用であり得る。

超音波は、物体を検知し距離を計測するのに用いられ得る振動音圧波である。伝送される音波は、異なる音響インピーダンス特性を伴う材料に直面すると、反射し屈折する。これらの反射及び屈折が検知され解析されると、その結果のデータは、音波が進行した環境を記述するのに用いられ得る。

超音波は、機械読み取り可能なマトリクスシンボルを検知し符号化するのに用いられ得る。マトリクスシンボルは、読み取り可能な耐久性のあるマークをコンポーネントの表面上に作成することにより、コンポーネント上に直接マークされ得る。一般に、このことは、コンポーネントの表面上に実質的に制御された欠陥を作成することにより、例えば、レーザ若しくはドットピーニングを用いることにより、達成される。マトリクスシンボルは、光学的に読み取ることが困難なことがあり、徐々にペイントのようなコーティングにより覆われることも多い。しかしながら、マトリクスシンボルは、周囲の基板とは異なる音響インピーダンス特性を有することも多い。米国特許第５７７３８１１号明細書（特許文献１）は、特定の深さにおける物体を画像化するのに用いられ得るマトリクスシンボルを読み取るための超音波画像システムを記載する。このシステムの欠点は、ラスタースキャナが、マトリクスシンボルを読み取るためにコンポーネントの表面に亘って物理的に移動しなければならないことである。米国特許第８４５３９２８号明細書（特許文献２）は、反射された超音波信号を読み取るためのマトリクスアレイを用い、コンポーネントの表面上に変換器ステーショナリを保持しつつマトリクスシンボルが読み取られ得る、別途のシステムを記載する。

超音波は、物体内の他の構造特性を特定するのにも用いられ得る。例えば、物体内の欠陥のサイズ及び位置を検知することにより、超音波は非破壊検査のために用いられ得る。米国特許第５７７３８１１号明細書（特許文献１）の超音波画像システムは、非破壊検査処理の最中に材料の欠陥を特定するのに適していると記載されている。システムは主としてマトリクスシンボルを画像化することを意図されており、マトリクスシンボルがマークされているペイントや他のコーティングなどの層の下の「表面」を探査するように設計されている。従って、当該システムは特定の深さで動作するように設計されているが、このことは受信された信号をゲートすることにより制御可能である。米国特許第５７７３８１１号明細書（特許文献１）の超音波システムは、超音波エネルギを基板内に連結するためのゲルパックも用いるが、このことにより、基板の表面下の特性の深さを正確に判定することが困難になる可能性がある。

米国特許第５７７３８１１号明細書 米国特許第８４５３９２８号明細書

従って、物体の表面下の構造特性を画像化するための改良された装置のための要求がある。

本発明の第１の実施形態によると、物体の表面下の構造特性を画像化する装置であって、前記装置は、
物体にて音波パルスを伝送するように構成された伝送ユニットと、
物体から前記伝送ユニットにより伝送される音波パルスの反射を受信するように構成された受信ユニットと、
物体から前記受信ユニットにより受信される一つ以上の信号を解析し、前記一つ以上の信号において、第１の構造特性により生じた反射と、物体内の前記第１の構造特性の少なくとも一部の背後に位置する第２の構造特性により生じる反射とを認識し、個々の認識した反射を物体内の反射の生じた相対深さと関連付けるように構成された信号処理ユニットと、
認識した反射及びそれらの相対深さに依存する、第１及び第２の構造特性の表明を含む画像を生成するように構成された画像生成ユニットと
を含む装置が、提供される。

受信ユニットは、単一の伝送される音波パルスの複数の反射を含む信号を受信するように構成されてもよい。

受信ユニットは、物体に関する静止位置にある間に複数の反射を受信するように構成されてもよい。

解析のために前記信号処理ユニットに渡される信号が複数の反射を含むように、前記受信ユニットにより受信される信号をゲートするように前記装置が構成されていてもよい。

前記装置が、調整可能な時間ゲートを、受信される信号に適用するように構成されていてもよい。

前記装置が、時間ゲートがユーザにより調整可能であるように構成されていてもよい。

前記装置が、
前記伝送ユニットによる音波パルスとしての伝送のための特定の形状を有するパルスを形成するように構成されているパルス生成ユニットを、更に含んでもよい。

前記信号処理ユニットが、受信される信号内に特定の形状を有するパルスを認識するように構成されている整合フィルタを含んでもよい。

前記装置がそれにとって利用可能な複数の特定のパルスの形状を有し、
前記パルス生成ユニットが、パフォーマンス基準に対して利用可能なパルス形状を評価し、その評価に依存して伝送のための候補をとしてそのパルス形状を選択してもよい。

特定の形状がユーザにより選択可能であるように、前記装置が構成されていてもよい。

認識された反射が、反射を生じた構造特性から前記受信ユニットへ移動するのに掛かった時間に依存して決定される、相対深さと、個々の認識された反射を関連付けるように、前記信号処理ユニットが構成されていてもよい。

前記信号処理ユニットが、個々の認識された反射を最大限の振幅に関連付けし、その反射と関連付けられる相対深さに依存して、その最大限の振幅を調整するように構成されていてもよい。

前記伝送ユニットが、一連の音波パルスを物体の中に伝送するように構成され、
前記画像生成ユニットが、前記信号処理ユニットにより認識されるその音波パルスの反射に依存して、一連の中の個々の音波パルスに対して画像を生成するように構成されていてもよい。

前記画像生成ユニットが、一連の中の音波パルスに対して、一連の中でそれに先行する音波パルスのために生成される画像に依存して、画像を生成するように構成されていてもよい。

前記画像生成ユニットは、第１及び第２の構造特性が、物体の表面下でそれらの相対深さを反射する画像内の位置で表される画像を生成するように構成されていてもよい。

前記装置が、
少なくとも前記伝送ユニット及び前記受信ユニットを含むハンドヘルドデバイスを、更に含んでもよい。

前記装置が、画像をディスプレイする統合ディスプレイを含む、若しくは、画像をハンドヘルドディスプレイデバイスに出力するように構成されていてもよい。

前記画像生成ユニットは、閾値より小さい最大限の振幅を有する反射を識別し、識別された反射に対応する画像内のピクセルに、反射の最大限の振幅の代わりに所定の値を割り当てるように構成されていてもよい。

前記画像生成ユニットは、前記ピクセルに、反射の最大限の振幅より高い所定の値を割り当てるように構成されていてもよい。

前記装置が、ドライカップル媒体を更に含んでもよい。

前記装置が、音波パルスを伝送し受信するためのマトリクスアレイを更に含んでもよい。

本発明の第２の実施形態によると、物体の表面下の構造特性を画像化する方法であって、
物体において音波パルスを伝送するステップと、
物体から受信された一つ以上の信号において、第１の構造特性により生じた、伝送された時間パルスの反射と、物体内で、前記第１の構造特性の少なくとも一部の背後に位置する
第２の構造特性により生じた、伝送された時間パルスとを認識するステップと、
個々の認識された反射を、反射が発生した物体内の相対深さと関連付けるステップと、
認識された反射とそれらの相対深さに依存して、前記第１と第２の構造特性の表現を含む画像を生成するステップと
を含む、方法が、提供される。

本発明は、添付の図面を参照して例示として説明される。図面は以下の通りである。
図１は、画像化装置及び物体の例を示す。 図２（ａ）（ｂ）（ｃ）は、画像化装置及び物体の異なる例を示す。 図３は、画像化装置内に含まれる機能ブロックの例を示す。 図４ａは、超音波信号及び対応する整合フィルタの例を示す。 図４ｂは、超音波信号及び対応する整合フィルタの例を示す。 図４ｃは、超音波信号及び対応する整合フィルタの例を示す。 図５ａは、物体の例示の画像を示す。 図５ｂは、物体の例示の画像を示す。 図６は、画像化装置の例を示す。 図７は、ＦＰＧＡにより実装される機能ブロックの例を示す。 図８は、画像化装置の例を示す。 図９は、画像化方法に含まれるステップの例を示す。

物体の表面下の構造特性を画像化する装置が、図１に示される。概略１０１で示される装置は、伝送ユニット１０２、受信ユニット１０３、信号処理ユニット（信号プロセッサ）１０４及び画像生成ユニット１０５を含む。一つの例では、伝送及び受信ユニットは、単体の超音波変換器により実装され得る。伝送及び受信ユニットは、図１では相互に隣接して示されているが、これは図示を容易にするために過ぎない。変換器の実用化では、伝送及び受信ユニットは、一方が他方の上に乗る層として実装される。伝送ユニットは、画像化される物体１０６において、特定の形状を有する音波パルスを伝送するように適宜構成されている。受信ユニットは、物体から、伝送された音波パルスの反射を受信するように適宜構成されている。

物体内には、二つのサブサーフェス構造特性１０７、１０８がある。構造特性の一つ１０８は部分的に、他方の特性１０７の背後に位置する。概略、第２の構造特性は、第１の構造特性よりも、伝送されるパルスに沿ってより遠くに位置する。それを調べる別のやり方は、両方の特性が物体の表面に接する平面に垂直な直線上にある、ということである。第２の構造特性１０８は、第１の構造特性１０７よりも、当該直線沿いに当該平面からより遠くに位置する。例示の状況が図２（ａ）〜（ｃ）に示される。これらの例示では、装置は、「平面」に近似すると見なし得るフラットベースを有し、音波パルスは、その表面に垂直な方向に伝送され、それらの経路は「直線」に近似すると見なし得る。（実際には、装置のベースはフラットである必要は無く、パルスも装置のベースに垂直な方向に必ずしも伝送されなくてもよいが、構成を可視化するには有益な比較である。）

図２（ａ）〜（ｃ）は、構造特性が物体の固体本体内部に必ずしも含まれない例示も含む。特性は、ホール、窪み若しくは他の中空断面内部に含まれ得る。このような特性は、この記載のためには、物体の「中に」有り、物体の表面「下に」あると見なし得る。なぜなら、それらは、装置から物体を介して伝わる際に音波パルスの経路上にあるからである。反射及び伝搬のこのモデルは以下の二つの理由のために物体の中実部分内に最も発生しがちである。（ｉ）超音波は、空気により強く減衰する。（ｉｉ）空気−物体の境界は、大きいインピーダンス不整合を示す傾向があり、そのような境界に直面する超音波の大部分は反射する。

他の特性の背後に位置する構造特性は一般に、現存する画像化システムには「不可視」である。しかしながら、信号処理ユニット（信号プロセッサ）１０４は、受信ユニット１０３により受信される信号内で、構造特性１０７、１０８の両方により生じる反射を認識するように構成されている。信号処理ユニット（信号プロセッサ）は、個々の認識された反射を相対深さと関連付けるように構成され、この相対深さは反射が生じた物体内の深さ、即ち、反射を生じた構造特性の深さを、表す。この情報により、画像生成ユニット１０５は、第１と第２の構造特性の両方を表す画像を生成することができる。画像はオペレータに対して表示可能であり、サブサーフェス特性が検知され評価され得る。このことにより、オペレータは物体「の中を」見ることができ、層間剥離、剥離及びフレーキングなどのサブサーフェス材料の欠陥に関する価値ある情報が提供され得る。

装置が、表面により近い別の特性によって覆い隠される構造特性からの反射を特定するように構成され得る、複数の方法がある。一つの選択肢は、個々の構造特性に関する情報を集めるために異なる伝送音波パルスを用いることである。これらの音波パルスは様々な時間インスタントに伝送され、及び／又は、様々な形状若しくは周波数特性を有するので、これらの音波パルスは相互に異なり得る。音波パルスは、物体の表面上の同じ位置に、若しくは異なる位置に、伝送され得る。装置を異なる位置に移動することにより、又は、装置内で異なる伝送器を起動することにより、このことは達成される。位置を変更することが伝送経路を十分に変えるならば、音波パルスは、物体の中のより遠くに位置する特性を異なる位置で覆い隠していた構造特性を、回避し得る。別の選択肢は、様々な構造特性に関する情報を集めるために同じ伝送音波パルスを用いることである。この選択肢は、同じパルスの異なる反射を利用するのであり、以下により詳細に説明する。装置は、前述の選択肢の全て若しくはいずれかを実装し、これら選択肢のいずれかを用いて収集したデータを組み合わせて、物体のサブサーフェス画像を生成する。サブサーフェス構造特性に関してより多くの情報が収集され、画像はフレーム毎を基にして更新され及び改良される。

一つの実施形態では、物体の中で一方の情報に他方が位置する構造特性に関する情報を集めるために、同じ伝送音波パルスを利用してもよい。

音波パルスは適宜、特定の形状を有し、伝送ユニットにより伝送される。受信ユニットにより受信される信号は通常、伝送される音波パルスの、多数の反射を含む。これらの反射は、物体の表面下の材料構造の特性により生じる。反射は、物体の異なる層間のインピーダンス不適合により、例えば、層状構造の二層の結合における材料の境界により、生じる。（図２（ａ）〜（ｃ）に示すように）伝送されるパルスの一部のみが反射され、残りのパルスは続けて物体を伝搬することが多い。その残りのパルスがその材料の構造内の他の特性に直面すると、全体若しくは一部が反射され得る。

物体の表面上の単一の位置にて受信ユニットにより受信される信号は、同じ伝送されるパルスの二以上の反射を含む傾向にある。個々の反射は、異なる構造特性を表す。これらの後者の反射は対象外であるとして、従前の画像化装置はこれらの後者の反射を放棄する傾向にある。マトリクスコードを捕捉する装置は、例えば、通常、一つの反射、マトリクスシンボルから外れた反射を対象とするに過ぎない。サブサーフェスの欠陥を検知するとき、同じ伝送されるパルスの多数の反射を捕捉するのが好ましい。このことにより、物体の中の他の構造特性下に位置する表面欠陥を特定することができる。

信号処理ユニット（信号プロセッサ）は、受信される信号を解析して、伝送される信号の反射若しくはエコーを表す信号部分を見出すように、適宜構成されている。信号プロセッサはパルスの反射を特定できるように、パルスが周知の形状を有するのが好ましい。信号処理ユニット（信号プロセッサ）は、受信される信号内の、単一の伝送されるパルスから二以上の反射を認識するように、適宜構成されている。信号処理ユニット（信号プロセッサ）は、例えば、送信器及び／又は受信器に対する構造特性の深さ、物体の表面に対する構造特性の深さ、若しくは、物体内の別の構造特性に対するある特性の深さ等の、相対深さと、個々の反射されるパルスを結合させるようにも構成されている。通常、相対深さは、反射の飛行時間（即ち、反射が装置に戻るのに掛かる時間）から判定されるのであり、よって、構造特性と受信ユニットとの間の距離を表す。

装置の一つの実施形態に含まれる機能ブロックの例が、図３に示される。

この例では、送信器及び受信器は、変換器エレメントのマトリクスアレイ３１２を含む、超音波変換器３０１により実装される。変換器エレメントは、超音波を伝送及び／又は受信する。マトリクスアレイは、交差パターンで配置された、複数の平行且つ伸長の電極を含んでもよい。交差は変換器エレメントを形成する。伝送電極は、伝送モジュール３０２に接続され、当該伝送モジュール３０２は特定の形状を伴うパルスパターンを特定の電極に供給する。伝送コントロール３０４は、アクティブとする伝送電極を選択する。所与の時間インスタントにおいてアクティブとなる伝送電極の数は、変動し得る。伝送電極は、個別にでもグループでも、順にアクティブとなり得る。伝送コントロールにより、伝送電極が一連の音波パルスを物体内に伝送し、これにより、生成される画像が継続して更新され得るのが、好ましい。伝送電極は、特定の周波数を用いてパルスを伝送するようにも制御され得る。周波数は、１００ｋＨｚと３０ＭＨｚの間であればよく、１と１５ＭＨｚの間であるのが好ましく、２と１０ＭＨｚの間であるのが最も好ましい。

受信電極は、物体から発せられた音波を感知する。これらの音波は、物体の中に伝送された音波パルスの反射である。受信モジュールは、これらの信号を受信し増幅する。信号は、アナログデジタルコンバータによりサンプルされる。受信コントロールは、伝送電極が伝送した後に受信するように受信電極を適宜コントロールする。装置は、伝送と受信を交互に行ってもよい。一つの実施形態では、電極は、伝送と受信の両方を行うことができ、その場合、受信及び伝送コントロールは、それらの伝送状況及び受信状況の間で電極をスイッチする。装置において、伝送される音波パルスと、受信されるその反射との間には、幾分かのディレイがあるのが好ましい。装置は、伝送から受信にスイッチされる電極に必要とされる、ディレイを与えるためのドライカップル層を含んでもよい。相対深さが計算されるときに、どんなディレイが補償されてもよい。ドライカップル層は、伝送される音波パルスの低減衰を与えるのが好ましい。

個々の変換器エレメントは、画像内のピクセルに対応し得る。言い換えれば、個々のピクセルは、変換器エレメントの一つにおいて受信される信号を表す。これは、１対１対応である必要は無い。単一の変換器エレメントは、一以上のピクセルに対応してもよいし、その逆であってもよい。個々の画像は、一つのパルスから受信される信号を表してもよい。当然ながら、「一つの」パルスは通常、多数の異なる変換器エレメントにより伝送される。「一つの」パルスのこれらのバージョンは、異なる時点に伝送されてもよく、例えば、マトリクスアレイは、アレイの個々のラインを順にアクティブ化することにより、変換器エレメントの「波」をアクティブ化するように構成されてもよい。しかしながら、伝送されるパルスについての、この集積は、なお「一つの」パルスを表すと見なし得るものである。サンプルの単一の画像を生成するのに用いられるのが、そのパルスの反射であるからである。サンプルの画像のビデオストリームを生成するのに用いられる、一連のパルスにおける個々のパルスに関しても、同様のことが言える。

パルス選択モジュール３０３は、伝送される特定のパルス形状を選択する。それは、パルスジェネレータ３１３を含むことがあり、当該パルスジェネレータ３１３は、変換器により超音波パルスに変換される電子パルスパターンを伝送器モジュールに供給する。パルス選択モジュールは、メモリ３１４内に格納される複数の所定のパルス形状へのアクセスを有してもよい。パルス選択モジュールは、自動的に若しくはユーザインプットに基づいて、伝送されるパルス形状を選択してもよい。パルスの形状は、画像化される構造特性のタイプ、構造特性の深さ、材料タイプ等へ依存して、選択される。一般に、物体の上質画像をオペレータに提供するために、信号プロセッサ３０５により収集され得る及び／又は画像処理モジュール３１０により改良され得る情報を、最適化するようにパルス形状は選択されるべきである。

一つの例では、伝送されるパルスの反射を認識するために信号プロセッサが利用する整合フィルタは、選択されたパルス形状に対応するように選択されてもよい。超音波信号ｓ（ｎ）の例及び対応する整合フィルタｐ（ｎ）は図４ａ及び図４ｂに夫々示される。超音波信号ｓ（ｎ）は、伝送されるパルスの空気に対する反射である。

目的は、反射されるパルスの飛行時間の正確な見積もりを達成する、パルス形状及び対応する整合フィルタを選択することである。これはパルスを反射した構造特性の深さを示すからである。超音波信号ｓ（ｎ）及び対応する整合フィルタｐ（ｎ）に対する、フィルタされた時系列の絶対値が、図４ｃに示される。信号プロセッサは、フィルタされた時系列の振幅が最大限になる時間インスタントにて、飛行時間を見積もる。この例では、飛行時間見積もりは時間インスタント６４にて見積もられる。しかしながら、信号が多くのノイズを含んでいれば、このことにより、他の時間インスタントがより高値を生成し得る。最も正確な飛行時間の見積もりを得るための、フィルタの理想の出力は、（この場合）時間インスタント６４における振幅とは離れたゼロ振幅を全てのサンプルが有する、デルタ関数である。これは実際には実現可能では無いので、目的は、メインローブの振幅とどれかのサイドローブの振幅との間の良好なマージンを達成するためにパルス形状及び整合フィルタを選択することである。

装置は、（一つの例では空気である）特定の材料に対する個々の伝送されたパルスの反射を取得し、適切な整合フィルタを用いてそれをフィルタし、以下の基準に従って様々なパルス形状がどのように動作したかを判定することにより、最適なパルス形状を決定し得る。
・メインローブとサイドローブの振幅間の比率（図４ｃ参照）。この基準は、信号対雑音比（ＳＮ比）を考慮せず、受信器にてノイズ内に失われてしまうことがあるパルス形状を選択する危険がある。
・メインローブとサイドローブの振幅間の差異であり、整合したフィルタ係数の二乗平均平方根（ＲＭＳ）で正規化される。この基準は、低いＳＮ比を伴う信号を不利にし得る。
・ＳＮ比、即ち、フィルタ係数のＲＭＳで割ったメインローブの振幅。
・信号の帯域幅。この基準は、信号のフィルタされた出力が、帯域幅が増加するにつれて、デルタ関数に近似する傾向があるという事実に、立脚する。帯域幅は、超音波信号の平滑スプライン近似の導関数を用いて計算される。
・見積もられた飛行時間の分散。これは、信号帯域幅に直接関連する。
・全てのサイドローブの平均振幅で除されたメインローブ。この基準も、低いＳＮＲを伴うパルス形状を選択するリスクがある。

オペレータは、装置により最適となるように決定されるパルス形状間で選ぶことができる。

信号プロセッサは、受信される超音波信号から関連情報を抽出するように構成されている。信号は適切にタイムゲートされ、信号プロセッサは対象の深さからの反射のみ処理する。タイムゲートは、好ましくはユーザにより調整可能であり、よってオペレータは興味を持つ深さに焦点を当てることができる。深さの範囲は、０〜２０ｍｍであることが好ましく、０〜１５ｍｍであることが最も好ましい。

信号プロセッサは、個々の受信信号内の複数のピークを認識できるのが好ましい。整合フィルタの出力が所定の閾値を超える毎に、反射が受信されたと判定し得る。個々の確認された反射に対する、最大限振幅を特定できる。

ある実施形態では、装置は、フィルタリングが実行される前の平滑化及びノイズリダクションのために、着信サンプル内の複数の連続サンプル（例えば、２〜４）を累算し平均するように構成され得る。信号プロセッサは、前述のように整合フィルタを用いて受信信号をフィルタし、反射された音波パルスが装置にていつ受信されたかを正確に判定するように構成されている。続いて信号プロセッサは、特性抽出を実行し、フィルタされた信号の最大限振幅、及び最大限振幅が発生する時間を、捕獲する。信号プロセッサは、フェーズ及びエネルギ情報も抽出してよい。

一つの実施形態では、装置は、最大限振幅及び飛行時間値を抽出する前に、フィルタされた信号を増幅し得る。このことは、信号プロセッサによりなされ得る。増幅ステップは、異なるプロセッサ若しくはＦＰＧＡによっても制御され得る。一つの例では、時間補正ゲインはアナログの増幅である。これは、受信器へ戻る反射パルスの旅程により生じる振幅の減少を補償し得る。このように為る一つの方法は、時間補正ゲインを最大限振幅の各々に適用することである。音波パルスが材料により反射される振幅は、その材料の性質（例えば、音響インピーダンス）に依存する。時間補正ゲインは、パルスが実際に反射したときに最大限振幅が持っていた値に、最大限振幅を（少なくとも部分的に）復元する。結果としての画像は、パルスを反射した構造特性の材料の性質をより正確に反映する。結果としての画像は、物体内の構造特性の材料の性質間の差異も正確に反映する。信号プロセッサは、その飛行時間に依存するファクタによりフィルタされた信号を調整するように構成されている。

画像構築モジュールは、信号プロセッサにより収集される情報を用いて、多数の物体の種々の画像を構築し得る。受信された信号から信号プロセッサにより抽出された特性のいずれもが、画像を生成為るのに用いられ得る。通常、画像は、物体の表面上の所与のポイントにて受ける反射に関連する深さ、及び、その反射のエネルギ若しくは振幅を、表す。信号プロセッサは、物体の表面上の特定のポイントにおける所与の音波パルスの多数の反射を識別できるので、画像は、オペレータの視点から相互に直下に位置するサブサーフェス構造特性を示す。画像構築モジュールは、画像内の個々のピクセルを受信器表面上の特定位置に関連付けることができ、よって、個々のピクセルはピクセルに関連する位置にて受信された反射を表す。

画像構築モジュールは、単一の転送されたパルスを用いて収集される情報から画像を生成できる。画像構築モジュールは、連続するパルスから収集される情報で、その画像を更新し得る。画像構築モジュールは、スプリアスのノイズを減らすように一つ以上の従前のフレームにより一つのフレームのための情報を平均することで、そのフレームを生成し得る。画像を形成する関連値の平均を計算することにより、このことは為され得る。

画像構築モジュール３１０は、生成された画像を向上させてノイズを減らし鮮明さを改良する。画像処理モジュールは、画像のタイプに様々に依存して画像を処理し得る。（複数の例が図５ａ、５ｂに示され、更に以下に記載される。）画像向上モジュールは、以下の一つ以上を実施し得る。
・時間平均化。現在の及び従前のフレームに亘る平均化は、スペリアスノイズを減らすべく個々のポイントに対して二つ以上の連続フレームの平均を計算することにより、実行され得る。
・背景補償。背景画像は、音波パルスを空中に伝送することによりキャリブレーションの間に獲得される。空中に向かう反射パルスのピークの全ては、［０，１］の範囲に変換される。これは、デジタル補償であり、大抵の値は１若しくは１近傍に変換される。超音波カメラ（例えば、図３の例の超音波トランスデューサ）は本質的に、信号プロセッサにより抽出される時間及び振幅値に影響するその表面に亘るパフォーマンスにおいて、多少の変動を有する。これを補償するために、通常の操作の間に取得される画像は、背景画像により分割される。
・信号エンベロープ見積。背景補償された信号の解析的表現は、信号自身と、信号のヒルベルト変換の虚数単位倍との合計として、形成可能である。解析的信号は複雑な信号であり、該解析的信号から信号エンベロープが、解析的信号の大きさとして抽出され得、更なる処理で用いられ得る。
・低振幅マスクの生成。この処理は、特に３次元画像を生成するのに用いられ得る。閾値より低い振幅値を有するピクセルをカバーするマスクが形成される。（この閾値は、以下に記載する閾値化のための閾値より低い可能性がある。）３×３最大限フィルタなどのフィルタが、小さいホールを閉じる結果としてのマスク上で用いられる。
・閾値化。閾値パーセンテージは、低振幅値が画像を乱さないように規定され得る。ある実施形態では、これはオペレータにより設定され得る。閾値は、振幅値のパーセント及びトータルの範囲から計算される。この閾値より低い振幅値を有する画像の部分は切り捨てられ、閾値に設定される。ゼロの閾値パーセンテージは、閾値化が実行されていないことを意味する。閾値化の目的は、振幅が低いエリアについてよりクリーンな視覚化を得ることである。
・正規化。値は０−２５５の範囲に正規化され、表示時の色の分離を達成する。正規化はパーセンタイル正規化により実行されてもよい。このスキームの下では低い及び高いパーセンタイルが規定可能であり、このときより低いパーセンテージに属する値は０に設定され、高いパーセンテージに属する値は２５５に設定され、間の範囲は［０，２５５］をカバーするようにスケールされる。別のオプションは、範囲の開始及び終了ポイントを規定する、二つのパラメータｃｏｌｏｒＦｏｃｕｓＳｔａｒｔＦａｃｔｏｒ及びｃｏｌｏｒＦｏｃｕｓＥｎｄＦａｃｔｏｒを記述することにより直接カラーフォーカスを設定することである。開始ファクタより下の値は０に設定され、終了ファクタより上の値は２５５に設定され、間の範囲は［０，２５５］をカバーするようにスケールされる。
・フィルタリング。画像はスペリアスノイズを減らすようにフィルタされてもよい。結果としての円滑化がエッジを過度に不鮮明にしないように注意すべきである。最も適切なフィルタは、適用例に依存する。適切なフィルタタイプは、平均、メジアン、ガウス分布、バイラテラル、及び最大限類似などを含む。
・カラーマトリクスの生成。低振幅エリアのためのカラーテーブルのグレーレベルからの値、及び、残りの、より高い振幅エリアのためのカラーレンジからの値を記載する、カラーマトリクスが形成される。グレーレベルエリアのためのマスクが、低振幅マスクのエロージョンバージョンから取得されてもよい。（エロージョンは、グレーとカラーの間のエッジに沿って１ピクセル分マスクを拡張し、レインボー効果を減少するように為される。ここでレインボー効果とは、エッジに沿って別途視覚化されるものであり、ピクセル値がグレーレベル範囲からカラー範囲にまで及ぶ。）

一つの実施形態に係る装置により生成される画像の幾つかの例が、図５ａ及び図５ｂに示される。Ａ−ｓｃａｎ５０１は、物体の表面上の特定の位置における、深さに対する振幅の簡易なプロットである。深さは、非常時間情報から計算される。ピークは、音波パルスを反射した構造特性を表す。照準線５０３、５０４は、Ａ−ｓｃａｎにより表されるｘ、ｙ位置を指定する。水平スライドバー５０２は閾値パーセンテージを設定する。

画像５０５は、マトリクスアレイに亘って受信した反射から形成された画像の二次元表現である。画像５０５はマトリクスシンボルを画像化するシステムにより生成され得るものに類似する。画像５０５は、物体のサブサーフェス層を効率的にディスプレイする。図５ａの例は飛行時間を表し、即ち、個々のピクセルは、物体の表面上の対応する位置で受信される最も大きい反射に関連する相対深さによるカラーを割り当てられる。他の抽出された特性、例えば、振幅や信号エネルギなども、画像化され得る。

Ｂ−ｓｃａｎは、垂直図（ｙ、ｚ）５０６及び水平図（ｘ、ｚ）５０７を表す二つの独立の二次元画像から成る。垂直及び水平の図は、物体「内を」画像化する。照準線５０３、５０４は、平面図５０５を介する「スライス」がどこで取られるかを決定する。これらの図は、目的物内の様々な深さで反射する音波エネルギを表す。上方及び下方ゲート５０８、５０９は、入力信号を時間ゲートする上方及び下方境界を設定するのに用いられる。オペレータは、対象の深さに焦点を当てるようにゲートを調整することにより、対象の構造特性間で、より大きいカラーコントラストを達成することができる。オペレータは、ある深さエリアのみを選択して、ゲートを調整することで調査することもできる。

図５ｂはＣ−ｓｃａｎ５１０を示し、これは三次元画像である。オペレータは、三次元画像を回転してズームインすることができる。オペレータは、時間ゲート５０８、５０９を調整することで、特定の厚さのサブサーフェス層を選択して三次元で見ることができる。

画像は、いかなるサブサーフェス構造特性のサイズ、深さ及び位置の良きアイデアをオペレータに与えることが理解できる。平面図は、表面下に何があるのかについての外観をオペレータに与える。オペレータは照準線５０３、５０４を用いて、物体を介して特定の水平及び垂直スライスを検査できる。Ａ−ｓｃａｎは、物体の表面上の特定ポイント下に位置する特性を示す。最後に、Ｃ−ｓｃａｎは、物体がその表面下でどのように見えるかについてユーザフレンドリな表示をオペレータに提供する。

音波画像化装置の一つの例は、図６に示される。装置は、概略６０１で示されるハンドヘルドデバイスを含み、該ハンドヘルドデバイスはＵＳＢ接続６０２を介してＰＣ６０３に接続される。接続は、無線であってもよい。ハンドヘルドデバイスは、伝送ユニット６０５、ＦＰＧＡ６０７及びＵＳＢコネクタ６０８を含む。ＵＳＢ接続は、ハンドヘルドデバイスをＰＣ６０３に接続する。ＦＰＧＡ内部に含まれる機能ユニットは、図７に詳細に示される。図の底部の時系列は、処理時の受信されたデータの変換を示す。

物体の表面下を画像化するハンドヘルドデバイスの例は、図８に示される。デバイス８０１は、統合されたディスプレイを有し得るが、この例では、デバイス８０１はタブレット８０２に画像を出力する。デバイスは、超音波信号を伝送し受信するマトリクスアレイ８０３を有する。ハンドヘルドデバイスは、超音波信号を物体内に結び付けるドライカップル層８０４を含む。ドライカップル層８０４は、トランスデューサが伝送と受信との間でスイッチする時間を許容する、ディレイも導入する。このことは、超音波信号を結び付けるための液体を使用する傾向にある、他の画像化システムに対して多くの利点をもたらすものである。この液体は、産業環境において実現困難である。液体カップラが、時々用いられているようにブラダ内に含まれていれば、このことは、正確な深さ計測を取得することを困難にするものであり、これは非破壊検査利用例には理想的ではない。

マトリクスアレイ８０３は二次元であり、画像を得るために物体に亘ってそれを動かす必要は無い。通常のマトリクスアレイは、３０ｍｍ×３０ｍｍであればよいが、マトリクスアレイのサイズ及び形状は、適用例に適合すべく変動し得る。デバイスは、オペレータにより物体に対して真っ直ぐに保持されればよい。通常、オペレータは、物体がどこにサブサーフェスの不備若しくは材料の欠陥を有するかについて、既によくわかっているものである。例えば、コンポーネントは、衝撃を受けたかもしれないし、応力集中を生じ得る一つ以上のドリルやリベットを含んでいるかもしれない。本デバイスは、リアルタイムで反射パルスを適切に処理するので、オペレータはデバイスをどの対象のエリアにも配置すればよい。

ハンドヘルドデバイスは、オペレータがパルス形状及び対応するフィルタを変更するのに用い得るダイヤル８０５も含む。最も適切なパルス形状は、画像化される構造特性のタイプ、及び、該構造特性が物体内のどこに位置するかに、依存し得る。オペレータは、ディスプレイを介して時間ゲートを調整することにより、様々な深さで物体を見る（前述の図５ａも参照されたい。）。タブレット８０２などのハンドヘルドディスプレイに、若しくは統合ディスプレイに装置の出力をすることは有益である。なぜなら、オペレータは、物体に亘ってトランスデユーサを容易に動かし、若しくはディスプレイ上で見ているものに拠って装置のセッティングを変更し、更に、即座の結果を得ることができるからである。別の構成では、物体上の新しいセッティング若しくは位置が検査されるべき毎に物体を再スキャンし続けるために、オペレータは、（ＰＣなどの）ハンドヘルドでないディスプレイと物体との間を歩かねばならないかもしれない。

物体のサブサーフェス画像を生成するために実行され得る方法の例が、図９に示される。方法は、音波パルスを伝送するステップ（ステップ９０１）と、その伝送されたパルスの反射を受信するステップ（ステップ９０２）を含む。最大限振幅と相対深さは、個々の反射に対して識別される（ステップ９０３）。収集された情報は、物体のサブサーフェス画像を生成するのに用いられる（ステップ９０４）。

本明細書に記載の装置及び方法は、特に、炭素繊維強化ポリマ｛たんそ せんい きょうか｝（ＣＦＲＰ）などの複合材料内の剥離及び層間剥離を検出するのに適する。このことは、航空機保守にとって重要である。リベットホール周りのフレーキングを検出するのにも利用可能である。このようなフレーキングは応力集中物として作用し得る。装置は、特に、更により大きいコンポーネントの小さいエリアを画像化することが望ましい利用例に適する。装置は、軽量で、携帯可能で、利用しやすい。オペレータにより手で容易に持ち運ぶことができ、物体上の必要なところに配置できる。

図面に記載される機能ブロックは、装置が実行するように構成されている様々な機能を表す。それらは、装置内の物理的コンポーネント間の厳密な分割を定義することを意図するわけではない。複数の機能の実行は、複数の様々な機能コンポーネントに亘って分離され得る。一つの特定のコンポーネントが、複数の様々な機能を実行することもある。機能が、ハードウエアで若しくはソフトウエアで、又は、それら二者の組み合わせで、実行されることがある。装置は、一つのみの物理デバイスを含んでもよく、複数の独立のデバイスを含んでもよい。例えば、信号処理と画像生成のうちの一部が、ポータブルのハンドヘルドデバイス内で実行されてもよく、それらのうちの一部が、ＰＣ、ＰＤＡ、フォン若しくはタブレットなどの別途のデバイス内で実行されてもよい。ある例では、画像生成の全体が、別途のデバイス内で実行されてもよい。

これにより、出願人は、本明細書に記載の個別の特徴を別個に、及び複数の特徴の組み合わせを開示するのであり、当業者に共通の一般的知識に照らして全体として本明細書に基づいてそれら特徴若しくはそれらの組み合わせが実施可能な程度とするものであるが、それら特徴若しくはそれらの組み合わせが本明細書に開示の課題を解決するかどうかに関わりなく、更に特許請求の範囲を限定するものでは無い。本発明の形態はそれら個別の特徴若しくは特徴の組み合わせから構成され得る、ということを出願人は示す。前述の記載を考慮すると、発明の範囲内で様々な修正が為され得ることは当業者には明白である。

１０１・・・装置、１０２・・・伝送ユニット、１０３・・・受信ユニット、１０４・・・信号処理ユニット（信号プロセッサ）、１０５・・・画像生成ユニット、１０６・・・物体、１０７・・・第１の構造特性、１０８・・・第２の構造特性。

Claims (24)

1. 物体の表面下の構造特性を画像化する装置であって、
   前記装置は、
   物体にて音波パルスを伝送するように構成された伝送ユニットと、
   物体から前記伝送ユニットにより伝送される音波パルスの反射を受信するように構成された受信ユニットと、
   物体から前記受信ユニットにより受信される一つ以上の信号を解析し、前記一つ以上の信号において、第１の構造特性により生じた反射と、物体内の前記第１の構造特性の少なくとも一部の背後に位置する第２の構造特性により生じる反射とを認識し、個々の認識した反射を物体内の反射の生じた相対深さと関連付けるように構成された信号処理ユニットと、
   認識した反射及びそれらの相対深さに依存する、第１及び第２の構造特性の表明を含む画像を生成するように構成された画像生成ユニットと
   を含む装置。
2. 前記受信ユニットが、単一の伝送される音波パルスの複数の反射を含む信号を受信するように構成されている、請求項１に記載の装置。
3. 前記受信ユニットが、物体に関する静止位置にある間に複数の反射を受信するように構成されている、請求項２に記載の装置。
4. 解析のために前記信号処理ユニットに渡される信号が複数の反射を含むように、前記受信ユニットにより受信される信号をゲートするように構成されている、請求項２又は３に記載の装置。
5. 調整可能な時間ゲートを、受信される信号に適用するように構成されている、請求項１から４のうちのいずれか一に記載の装置。
6. 時間ゲートがユーザにより調整可能であるように構成されている、請求項５に記載の装置。
7. 前記伝送ユニットによる音波パルスとしての伝送のための特定の形状を有するパルスを形成するように構成されているパルス生成ユニットを、更に含む、請求項１に記載の装置。
8. 前記信号処理ユニットが、受信される信号内に特定の形状を有するパルスを認識するように構成されている整合フィルタを含む、請求項７に記載の装置。
9. 前記装置がそれにとって利用可能な複数の特定のパルスの形状を有し、
   前記パルス生成ユニットが、パフォーマンス基準に対して利用可能なパルス形状を評価し、その評価に依存して伝送のための候補をとしてそのパルス形状を選択する、
   請求項７又は８に記載の装置。
10. 特定の形状がユーザにより選択可能であるように構成されている、請求項７から９のうちのいずれか一に記載の装置。
11. 認識された反射が、反射を生じた構造特性から前記受信ユニットへ移動するのに掛かった時間に依存して決定される、相対深さと、個々の認識された反射を関連付けるように、前記信号処理ユニットが構成されている、請求項１から１０のうちのいずれか一に記載の装置。
12. 前記信号処理ユニットが、個々の認識された反射を最大限の振幅に関連付けし、その反射と関連付けられる相対深さに依存して、その最大限の振幅を調整するように構成されている、請求項１から１１のうちのいずれか一に記載の装置。
13. 前記伝送ユニットが、一連の音波パルスを物体の中に伝送するように構成され、
    前記画像生成ユニットが、前記信号処理ユニットにより認識されるその音波パルスの反射に依存して、一連の中の個々の音波パルスに対して画像を生成するように構成されている、請求項１から１２のうちのいずれか一に記載の装置。
14. 前記画像生成ユニットが、一連の中の音波パルスに対して、一連の中でそれに先行する音波パルスのために生成される画像に依存して、画像を生成するように構成されている、請求項１３に記載の装置。
15. 前記画像生成ユニットは、第１及び第２の構造特性が、物体の表面下でそれらの相対深さを反射する画像内の位置で表される画像を生成するように構成されている、請求項１から１４のうちのいずれか一に記載の装置。
16. 少なくとも前記伝送ユニット及び前記受信ユニットを含むハンドヘルドデバイスを、更に含む、請求項１から１５のうちのいずれか一に記載の装置。
17. 前記装置が、画像をディスプレイする統合ディスプレイを含む、若しくは、画像をハンドヘルドディスプレイデバイスに出力するように構成されている、請求項１から１６のうちのいずれか一に記載の装置。
18. 前記画像生成ユニットは、閾値より小さい最大限の振幅を有する反射を識別し、識別された反射に対応する画像内のピクセルに、反射の最大限の振幅の代わりに所定の値を割り当てるように構成されている、請求項１から１７のうちのいずれか一に記載の装置。
19. 前記画像生成ユニットは、前記ピクセルに、反射の最大限の振幅より高い所定の値を割り当てるように構成されている、請求項１９に記載の装置。
20. 前記装置が、ドライカップル媒体を更に含む、請求項１から１９のうちのいずれか一に記載の装置。
21. 前記装置が、音波パルスを伝送し受信するためのマトリクスアレイを更に含む、請求項１から２０のうちのいずれか一に記載の装置。
22. 物体の表面下の構造特性を画像化する方法であって、
    物体において音波パルスを伝送するステップと、
    物体から受信された一つ以上の信号において、第１の構造特性により生じた、伝送された時間パルスの反射と、物体内で、前記第１の構造特性の少なくとも一部の背後に位置する
    第２の構造特性により生じた、伝送された時間パルスとを認識するステップと、
    個々の認識された反射を、反射が発生した物体内の相対深さと関連付けるステップと、
    認識された反射とそれらの相対深さに依存して、前記第１と第２の構造特性の表現を含む画像を生成するステップと
    を含む、方法。
23. 添付の図面を参照して本明細書に記載される装置。
24. 添付の図面を参照して本明細書に記載される方法。