(57)【要約】      （修正有）【課題】超音波ホログラフィ撮像システム及び方法を提供する。【解決手段】超音波ホログラフィ撮像システム100は、アナログ処理セクション107に結合された超音波トランスデューサアレイ102を含んでいる。アナログ処理セクションは、ディジタル処理セクション106に結合されている。ディジタル処理セクションはアナログ処理セクションによって、超音波トランスデューサアレイ内の個々のトランシーバ素子に送信されるアナログに変換されるディジタル信号を生成し、振幅、周波数、位相又はその変調を含む１つ又は複数のパラメータによって互いに差別化される超音波波形を個々のトランシーバ素子に発信させる。【選択図】図１
2014145766.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音波ホログラフィ撮像システムであって、
複数の超音波波形を物理的要素に向けて発信し、物理的要素から反射した複数の戻り超音波波形を受信するように構成された複数のトランシーバ素子を含む超音波トランスデューサアレイと、
前記超音波トランスデューサアレイに結合されたプロセッサシステムと、
を備え、
前記プロセッサシステムが、
前記超音波トランスデューサアレイに複数の超音波波形を発信させるように構成された複数の発信アナログトランシーバ駆動信号を生成し、前記複数の超音波波形の少なくとも２つが、振幅、周波数、及び位相、又はその変調の少なくとも一つの差異により互いに差別化され、
前記超音波トランスデューサアレイによって生成される複数の着信アナログ波形信号を受信し、前記着信アナログ波形信号が複数の戻り超音波信号の少なくとも一部を表わし、
前記複数の着信アナログ波形信号を使用して視覚画像を作成するように構成され、前記視覚画像が前記物理的要素の内部領域の少なくとも一部に対応する、
超音波ホログラフィ撮像システム。
【請求項２】
前記プロセッサシステムが、
前記複数のアナログトランシーバ駆動信号に対応する複数のディジタル波形信号を生成し、複数の着信ディジタル信号を処理して前記仮想画像にするためのディジタル処理部と、
前記ディジタル処理部及び線機超音波トランスデューサアレイに結合され、前記複数のディジタル波形整形信号を、前記超音波トランスデューサアレイに送信するために前記複数の発信されるアナログトランシーバ駆動浸透に変換し、且つ前記超音波トランスデューサアレイから受信された前記複数の着信アナログ波形信号を複数の着信ディジタル波形信号に変換するためのアナログ処置部と、を備える請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記アナログ処理部が、
前記ディジタル処理部に結合され、前記ディジタル処理部から受信された前記複数のディジタル波形整形信号を、前記複数の着信アナログ波形整形信号に変換する複数のディジタル−アナログコンバータと、
前記複数のディジタル−アナログコンバータの対応する１つに結合され、更に前記複数のトランシーバ素子の対応する１つに結合され、前記複数のディジタル−アナログコンバータから受信された前記複数のアナログ波形整形信号を前記複数のアナログトランシーバ駆動信号に変換し、前記アナログトランシーバ駆動信号を前記複数のトランシーバ素子の対応する１つに送信するために複数の増幅器と、を備える請求項２に記載のシステム。
【請求項４】
前記アナログ処理部が、
前記複数のトランシーバ素子の対応する１つに結合され、前記複数のトランシーバ素子の前記対応する１つから受信された前記複数のアナログ波形信号を増幅するための複数のアナログ増幅器と、
前記複数の増幅器の対応する１つに結合され、前記複数のトランシーバ素子の対応する１つから受信された前記複数のアナログ波形信号を複数のディジタル波形信号に変換するための複数のアナログ−ディジタルコンバータと、を備える請求項に記載のシステム。
【請求項５】
前記アナログ処理部が、複数のフィルタを備え、各フィルタが増幅器と、対応するアナログ−ディジタルコンバータとの間に結合される請求項４に記載のシステム。
【請求項６】
前記ディジタル処理部が、前記複数のディジタル−アナログコンバータに結合された波形整形セクションを備える請求項３に記載のシステム。
【請求項７】
前記ディジタル処理部が、
前記アナログ−ディジタルコンバータに結合され、前記ディジタル波形を前記仮想画像に変換するために線機ディジタル波形信号の数値再構成を行う画像再構成ユニットと、
前記画像再構成ユニットに結合され、前記ディジタル波形信号を記憶するための少なくとも１つのメモリデバイスを備える請求項４に記載のシステム。
【請求項８】
前記ディジタル処理部が、前記波形整形セクションに結合されて再構成ユニットを備える請求項６に記載のシステム。
【請求項９】
前記ディジタル処理ユニットが、前記画像再構成ユニットに結合され、前記仮想画像の超音波検査解析を行う少なくとも１つの評価ユニットを備える請求項７に記載のシステム。
【請求項１０】
前記波形整形セクションが、以下の１つ、すなわちラム波、レイリー波クリープ波の１つを物理的要素に誘導するように構成されたディジタル波形整形信号を生成するように構成される請求項６に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は一般に、音波により三次元画像を生成するために使用される超音波ホログラフィ撮像システムに関し、特に超音波ホログラフィを使用して物理的要素内の特徴を撮像する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば物理的要素の非破壊検査で使用されるシステムでは、物理的要素の内部状態を判定するために非侵襲的技術が必要になることが多い。超音波振動は、固体の物理的要素に浸透し、又はそこから反射し、又はそれを通過する能力を有している。超音波振動が物理的要素を通過した後に、超音波振動のパターンと周波数の変化を分析することによって、物理的要素内の特徴を含む物理的要素の視覚画像を生成することができる。
【０００３】
具体的には、超音波発生器は、検査される物理的要素内に伝搬する指向性音場をエミッタ素子（トランスデューサ）に発生させる。幾つかの撮像システムでは、例えば物理的要素内の欠陥の反射は少なくとも部分的に再びレシーバに向けられる。エミッタ素子とレシーバ素子とはアレイ内の別個のコンポーネントでもよく、又はエミッタとレシーバの両方の機能を果たす同じ個別コンポーネント（「トランシーバ」と呼ばれる）でもよい。それはスピーカがマイクロフォンとしても機能できるのと同様である。音場はレシーバ内に電気インパルスを生成する。電気インパルスは、処理されて視覚画像を作成するデータに変換される。指向性音場を生成可能であるように、互いに時間的に分離できる一連の別個の音響インパルス（「トーンバースト」）を提供するために、フェーズドアレイトランスデューサが使用される。例えば、個別の超音波トランスデューサのアレイが起動することによって、隣接するエミッタ間で一定量だけ時間的に離隔されるトーンバーストが発信されると、角度のある平面音波を生成可能である。
【０００４】
既存のフェーズドアレイトランスデューサは、通常は平坦又はやや湾曲した形状である、トランスデューサアレイの構成から生じる形状を有する音場を生成する。更に、既存の超音波発生器は、別個のエミッタから発信される音波間の位相シフトだけを生じる。それによって、既存の超音波ホログラフィ撮像システムが複雑な形態の波頭を生成する能力が制限される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許第６８３１８７４号明細書
【発明の概要】
【０００６】
従って、撮像される物理的要素の形状及び構成に対応できる増強された撮像ができるように、トランスデューサアレイの構成によって制約されない詳細な音場を生成可能な超音波ホログラフィ撮像システムを提供することが望ましいであろう。
【０００７】
一態様では、超音波ホログラフィシステムが提供される。超音波ホログラフィシステムは、所定の形状を有する超音波トランスデューサアレイを含み、超音波トランスデューサアレイは、複数の超音波波形を物理的要素に向けて発信し、物理的要素から反射した複数の戻り超音波波形を受信するように構成された複数のトランシーバ素子を含んでいる。超音波ホログラフィシステムは更に、超音波トランスデューサアレイに結合されたプロセッサシステムをも含んでいる。プロセッサシステムは、音響画像を形成するために、超音波トランスデューサアレイに複数の超音波波形を発信させるように構成された複数の発信アナログトランシーバ駆動信号を生成するように構成され、複数の超音波波形の少なくとも２つは、振幅、周波数、及び位相、又はその変調の少なくとも一つの差異により互いに差別化される。プロセッサシステムは更に、超音波トランスデューサアレイによって生成される複数の着信アナログ波形信号を受信するように構成され、着信アナログ波形信号は、複数の戻り超音波波形の少なくとも一部を表す。プロセッサシステムは更に、複数の着信アナログ波形信号を使用して仮想画像を作成するように構成され、仮想画像は、物理的要素の内部領域の少なくとも一部に対応する。
【０００８】
別の態様では、超音波ホログラフィシステムを組み立てる方法が提供される。方法は、複数の超音波トランシーバ素子を結合して所定の形状を有する超音波トランスデューサアレイを形成するステップを含み、複数のトランシーバ素子は、複数の超音波波形を物理的要素へと発信し、物理的要素から反射した複数の戻り超音波波形を受信するように構成されている。方法は更に、プロセッサシステムを超音波トランスデューサアレイに結合するステップを含んでいる。プロセッサシステムは、音響画像を形成するために、超音波トランスデューサアレイに複数の超音波波形を発信させるように構成された複数の発信アナログトランシーバ駆動信号を生成するように構成され、複数の超音波波形の少なくとも２つは、振幅、周波数、及び位相、又はその変調の少なくとも一つの差異により互いに差別化される。プロセッサシステムは更に、超音波トランスデューサアレイによって生成される複数の着信アナログ波形信号を受信するように構成され、着信アナログ波形信号は、複数の戻り超音波波形の少なくとも一部を表す。プロセッサシステムは更に、複数の着信アナログ波形信号を使用して仮想画像を作成するように構成され、仮想画像は、物理的要素の内部領域の少なくとも一部に対応する。
【０００９】
別の態様では、超音波ホログラフィ撮像を使用して物理的要素を撮像する方法が提供される。この方法は、メモリデバイスに結合された処理セクションを含むプロセッサシステムを使用して実装される。方法は、メモリデバイスに記憶された物理的要素の幾何形状を表すデータを使用して画像構造を画成するステップを含んでいる。方法は更に、複数の超音波トランシーバ素子を備える超音波トランスデューサアレイを構成するステップを含んでいる。方法は更に、超音波トランスデューサアレイを処理セクション及びメモリデバイスに結合するステップを含んでいる。方法は更に、音響画像を形成するために、プロセッサシステムによって実行可能な命令をメモリデバイスに記憶して、超音波トランスデューサアレイに所定の画像構造を表す複数の超音波波形を発信させるステップを含み、複数の超音波波形の少なくとも２つは振幅、周波数、及び位相、又はその変調の少なくとも一つの差異により互いに差別化される。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】例示的超音波ホログラフィシステムが使用される環境の概略図である。
【図２Ａ】例示的超音波ホログラフィシステムのセンサ及びハードウエア部を示す回路図の一部である。
【図２Ｂ】例示的超音波ホログラフィシステムのプロセッサ部を示す回路図の別の一部である。
【図３Ａ】例示的超音波ホログラフィ撮像システムの一連の例示的波形を示す斜視投影グラフである。
【図３Ｂ】例示的超音波ホログラフィ撮像システムの別の一連の例示的波形を示す別の斜視投影グラフである。
【図３Ｃ】例示的超音波ホログラフィ撮像システムの別の一連の例示的波形を示す別の斜視投影グラフである。
【図４】超音波ホログラフィを使用して物理的要素を撮像するための例示的方法を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明の様々な実施形態の特定の特徴が幾つかの図面には示され、他の図面には示されていないが、それは単に便宜的なものである。本発明の原理により、図面のいずれかの特徴は他の図面のいずれかの特徴と組み合わせて参照され、且つ／又は特許請求されてもよい。
【００１２】
本明細書に記載の方法及びシステムは、コンピュータソフトウエア、ファームウエア、ハードウエア、及びそれらのいずれかの組み合わせ又はサブセットを含むコンピュータプログラミング又は工学技術を使用して実装されてもよく、技術的効果は、以下のステップの少なくとも一つを実行することによって達成されてもよい。すなわち、ａ）メモリデバイスに記憶された物理的要素の幾何形状を表すデータを使用して画像構造を画成するステップ、ｂ）複数の超音波トランシーバ素子を備える超音波トランスデューサアレイを構成するステップ、ｃ）超音波トランスデューサアレイを処理セクション及びメモリデバイスに結合するステップ、ｄ）処理セクションによって実行可能な命令をメモリデバイスに記憶して、超音波トランスデューサアレイに所定の画像構造を表す複数の超音波波形を発信させるステップであって、複数の超音波波形の少なくとも２つが振幅、周波数、及び位相の少なくとも一つの差異により互いに差別化されるステップ、ｅ）物理的要素内部に音響画像を形成するために、超音波トランスデューサアレイで所定の画像構造を表す複数の超音波波形を物理的要素内に発信するステップ、ｆ）超音波トランスデューサアレイで物理的要素から反射した複数の超音波波形を受信するステップ、ｇ）反射した複数の超音波波形を処理して複数のディジタルＡスキャンを生成するステップ、及びｈ）複数のディジタルＡスキャンを評価するステップである。
【００１３】
図１は、物理的要素１０１の超音波ホログラフィ撮像を実行する際に使用される例示的超音波ホログラフィ撮像システム１００の概略図である。システム１００は、接続部１０３を介してプロセッサシステム１０４に結合された超音波トランスデューサアレイ１０２を含んでいる。接続部１０３は、システム１００がハードワイヤード配置、光ファイバ伝送配置又はその組み合わせを含めて、本明細書に記載の機能を果たすことを可能にする十分ないずれかの適宜のデバイス（１つ又は複数）であってよい。例示的実施形態では、超音波トランスデューサアレイ１０２は超音波トーンパルスを出射し、物理的要素１０１から反射した超音波の受信も行う。より具体的には、幾つかの実施形態では、トランスデューサアレイ１０２から発信される超音波は、物理的要素１０１内に浸透し、物理的要素１０１内の（腐食を示唆することがある）密度低減領域、又はその他の欠陥領域などの物理的要素１０１内の構造から反射するように構成されている。例示的実施形態では、超音波トランスデューサアレイ１０２は、（図２に示す）個別の超音波トランシーバ素子１１０の方形アレイ（ｍｘｎ単位）である。例示的実施形態では、各々の超音波トランシーバ素子は圧電トランシーバ素子である。代替実施形態では、システム１００が記載の機能を果たすことができるように、当業者に公知である電磁音響トランスデューサ（「ＥＭＡＴ」）、又は容量性超微細加工超音波トランスデューサ（「ＣＭＵＴ」）などの他のタイプの超音波トランシーバ素子が使用されてもよい。各々の超音波トランシーバ素子１１０は、超音波波形を送受信するように構成されている。プロセッサシステム１０４は、ディジタル処理セクション１０６に結合されたアナログ処理セクション１０７を含んでいる。ディジタル処理セクション１０６はメモリデバイス（データベース）１０５と、制御パネル１０８（又はキーボード又はその他の１つ又は複数のユーザー入力デバイス）に結合されている。ディジタル処理セクション１０６は、ディスプレイ画像１０９を作成するためにディスプレイ１１１に信号を送る。
【００１４】
本明細書で用いられる「プロセッサ」という用語は、当技術分野でコンピュータと呼ばれるような集積回路だけに限定されず、広義にマイクロコントローラ、マイクロコンピュータ、プログラム可能論理コントローラ（ＰＬＣ）、特定用途向き集積回路、及びその他のプログラム可能回路を指し、これらの用語は本明細書では置き換え可能に用いられる。本明細書に記載の実施形態では、メモリはランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）などのコンピュータ読み取り可能媒体、及びフラッシュメモリなどのコンピュータ読み取り可能な不揮発性媒体を含むが、それらに限定されない。あるいは、フロッピー(登録商標）ディスク、コンパクトディスク−読み出し専用メモリ（ＣＤ−ＲＯＭ）、光磁気ディスク（ＭＯＤ）、及び／又はディジタル多用途ディスク（ＤＶＤ）を使用してもよい。更に、本明細書に記載の実施形態では、追加の入力チャネルはマウス及びキーボードなどのオペレータインターフェースに関連するコンピュータ周辺機器であってもよいが、それらに限定されない。あるいは、例えばスキャナを含んでもよいがそれに限定されないその他のコンピュータ周辺機器を使用してもよい。更に、例示的実施形態では、追加の出力チャネルはオペレータインターフェースモニタを含んでもよいが、それに限定されない。
【００１５】
本明細書に記載の例示的実施形態では、物理的要素１０１を撮像中に、物理的要素１０１の幾つかの一連の「ショット」が撮影される。従って、超音波トランスデューサアレイ１０２は物理的要素１０１に対する第１の位置に移動され、１つ又は複数の一連の超音波パルスが物理的要素１０１に向けて出射され、これらの超音波パルスの反射は超音波トランスデューサアレイ１０２によって受信され、出射されたパルスに対応し、受信された反射に対応するデータは記憶され、後に処理される。次いで超音波トランスデューサアレイ１０２は、物理的要素１０１に対して別の位置に移動され、別の一連の「ショット」が撮影される。撮影されるショットの数及び用いられる位置は、物理的要素１０１の構成と、取得された画像（欠陥を検知するための撮像など）に依存する。例示的実施形態では、ディジタル処理セクション１０６は、超音波トランデューサアレイ１０２に超音波波形を発信させることができ、これらの波形は、物理的要素１０１に接触すると、対象物の表面に限定される波である（例えば亀裂などの材料の機械的及び構造的な特性の判定に使用される）レイリー波、対象物の内部に浸透する波である（通常は検査される対象物内の個々の欠陥を発見し、特徴づけるために使用される）ラム波、又は、通常は例えば溶接やはんだ付け部などの検査対象物のその他の部分の下に隠れた検査領域にアクセスする役割を果たすクリープ波を含む様々な異なる波形を、物理的要素１０１を通って伝搬させることができる。
【００１６】
図２Ａ及び２Ｂは共に、例示的な超音波ホログラフィ撮像システム１００を示す回路図を形成している。具体的には、図２Ａは超音波トランスデューサアレイ１０２の、超音波ホログラフィ撮像システム１００のアナログ処理セクション１０７に沿った回路図の部分であり、図２Ｂは、超音波ホログラフィ撮像システム１００のディジタル処理セクション１０６を示す回路図の別の部分である。アナログ処理セクション１０７は、超音波トランスデューサアレイ１０２とディジタル処理セクション１０６との間で送信される信号の前処理を行う。具体的には、アナログ処理セクション１０７は、ディジタル処理セクション１０６によって生成され、（左向きの矢印Ａで示すように）超音波トランスデューサアレイ１０２に送信されるディジタル信号を、超音波トランシーバ素子１１０の選択された１つをシミュレートするアナログ信号に変換する。アナログ処理セクション１０７は又、物理的要素１０１から反射され、超音波トランシーバ素子１１０により受信される超音波を表す、超音波レシーバ素子１１０から送信されたアナログ信号をディジタル信号に変換し、これらのディジタル信号を（右向きの矢印Ｂで示すように）ディジタル処理セクション１０６に送信する。アナログ処理セクション１０７は、複数の接続部１２２を介して対応する複数の増幅器１２４に結合された複数のディジタル−アナログ（「Ｄ／Ａ」）コンバータ１２０を含んでいる。４組のＤ／Ａコンバータ１２０、及び対応する増幅器１２４だけが図示されているが、例示的実施形態では、Ｄ／Ａコンバータ１２０、及び対応する増幅器１２４は、各々の超音波トランシーバ素子１１０ごとに備えられ、これらに結合されることが理解されよう。増幅器１２４は複数の接続部１２６を介して対応する１つの接続部１０３に結合され、次いで超音波トランスデューサアレイ１０２の対応する１つの超音波トランシーバ素子１１０に結合される。前述のように、図２Ａには４つの接続部１０３だけが示されているが、例示的実施形態では、別個の接続部１０３が各々１つの超音波トランシーバ素子１１０を対応する１つの増幅器１２４に結合する。
【００１７】
アナログ処理セクション１０７は更に、接続部１３０を介して接続部１０３に結合され、次いで超音波トランスデューサアレイ１０２のそれぞれ１つの超音波トランシーバ素子１１０に結合される複数の増幅器１２８を含んでいる。すなわち、図２Ａには４つの増幅器１２８だけが示されているが、例示的実施形態では、各々の超音波トランシーバ素子１１０に結合された増幅器１２８があることが理解されよう。各々の増幅器１２８は、接続部１３２の１つを介して複数のフィルタ１３４のそれぞれの１つに結合されている。各々のフィルタ１３４は、接続部１３６の１つを介して複数のアナログ−ディジタル（「Ａ／Ｄ」）コンバータ１３８の対応する１つに結合されている。フィルタ１３４は、システム１００が本明細書に記載の機能を果たすことができるために必要な適宜のどのような電子信号フィルタでもよい。Ａ／Ｄコンバータ１３８は、超音波トランシーバ素子１１０によって受信され、Ａ／Ｄコンバータ１３８に送信される電子波形をディジタル信号に変換する。
【００１８】
アナログ処理セクション１０７は、（図２Ｂに示されている）ディジタル処理セクション１０６に結合されている。例示的実施形態では、ディジタル処理セクション１０６は、一次ディジタル処理セクション１４０、二次ディジタル処理セクション１４２、及び高レベルの制御セクション１４４を含んでいる。一次ディジタル処理セクション１４０は、波形整形セクション１４１、及び画像再構成及び評価セクション１４３を含んでいる。
【００１９】
波形整形セクション１４１では、複数のパルス発生器１４６が複数の接続部１４８を介して、（図２Ａに示されている）対応する複数のＤ／Ａコンバータ１２０の１つに結合されている。パルス発生器１４６は、複数の接続部１５０を介して送信機制御ユニット１５２に結合されている。送信機ユニット１５２は、各々のトランシーバ素子１１０に対する振幅、周波数、位相、振幅変調、位相変調、及び周波数変調などの要因を変更することによって、トーンバーストパルスの特性を調整する。送信機制御ユニット１５２は、接続部１５４を介して送信機設定ユニット１５６に結合されている。送信機設定ユニット１５６は、各々の超音波トランシーバ素子１１０によって発信されるパルスごとに、タイミング、大きさ、振幅、及び周波数、及びそれらのいずれかの変調を含む、特別に整形されたパルスフィールドを生成するために必要な超音波トランシーバ素子１１０ごとの設定を記憶し、監視する。超音波パルスは材料領域内に伝搬し、そこで互いに干渉する。この干渉プロセスの結果、材料の内部に音響画像が作成される。
【００２０】
画像再構成及び評価セクション１４３では、加算ユニット１５８が複数の接続部１６０を介して各々のＡ／Ｄコンバータ１３８に結合されている。各々のＡ／Ｄコンバータ１３８は、（「Ａ−スキャン」とも呼ばれる）単一要素ディジタル化信号を生成する。個々のＡ−スキャンで実施される反射音場の数値再構成を行うため、加算ユニット１５８は、各々の圧電ユニットから受信したデータ信号に（「数値再構成」とも呼ばれる）加算プロセスを行って、完全な物理的要素１０１の仮想Ａ−スキャンを生成する。一例示的実施形態では、加算ユニット１５８は、Ａ／Ｄコンバータ１３８に結合された複数のフールドプログラマブルゲートアレイ（「ＦＰＧＡ」）（図示せず）として構成されている。代替実施形態では、システム１００が記載のように機能できるようにする特定用途向き集積回路（「ＡＳＩＣ」）などのその他のコンポーネントをＦＰＧＡの代わりに使用してもよい。
【００２１】
例示的実施形態では、加算プロセスは簡略に以下のように記載されてもよい。加算ユニット１５８は、（タイムステップ（ｔ０、ｔ１、ｔ２、．．．．ｔファイナルを用いて）単一要素Ａ−スキャンを時点ごとに加算する。従って、Ａ−スキャンがＡスキャン１（ｔ０、ｔ１、ｔ２、．．．．ｔｎ）、Ａスキャン２（ｔ０、ｔ１、ｔ２、．．．．ｔｎ）などである場合は、
Ａ−ＳｃａｎＳｕｍ（ｔ０）＝Ａスキャン１（ｔ０＋Ｄｔ（１））＋ＡＳスキャン２（ｔ０＋Ｄｔ（ｍ））＋．．．．．
Ａ−ＳｃａｎＳｕｍ（ｔ１）＝Ａスキャン１（ｔ１＋Ｄｔ（２））＋Ａスキャン２（ｔ１＋Ｄｔ（ｍ＋１））＋．．．．
から、
Ａ−ＳｃａｎＳｕｍ（ｔファイナル）＝Ａスキャン１（ｔファイナル＋Ｄｔ（ｎ）＋
Ａスキャン２（ｔファイナル＋Ｄｔ（ｍ＋ｎ）＋．．．．
となり、これが加算された単一のＡ−スキャンを生じる。加算プロセスは継続され、その間に単一要素Ａ−スキャンの寄与数、トーンバーストの長さの所定の時間間隔、及び隣接の圧電素子のトーンバースト間の時間遅延Ｄｔ（ｘ）を含む様々な要因が変更されてもよい。変更される要因の選択は、当業者には知られている超音波検査及び／又はビーム形成技術を用いて行われる。
【００２２】
画像再構成及び評価セクション１４３は更に、引き続いて処理されるディジタル信号の品質を高める目的で、単一セットの着信データを用いて複数の評価を行うことができるようにするため、Ａ／Ｄコンバータ１３８から送信された未処理の着信生ディジタル信号を記憶するための複数の記憶素子１６１を含んでいる。
【００２３】
画像再構成及び評価セクション１４３は幾つかの機能を果たす。１つの機能は、超音波トランスデューサアレイ１０２から送信され、アナログ処理セクション１０７によって事前に処理された生のアナログデータ信号を一連のＡ−ＳｃａｎＳｕｍに変換することである。Ａ−ＳｃａｎＳｕｍは、二次ディジタル処理セクション１４２、特に評価ユニット１−Ｌで行われる超音波検査評価の基準としての役割を果たす。一連のＡ−ＳｃａｎＳｕｍは全体で物理的要素１０１の生の仮想画像を形成する。画像再構成及び評価セクション１４３は、物理的要素１０１内に発信される超音波の反射体として役立つかも知れない物理的要素１０１内の特徴によって生成されるエコーを最適化することによってノイズを除去するように、生の仮想画像を処理する。このような反射体は、物理的要素１０１内の欠陥を表すことがある。二次ディジタル処理セクション１４２による機能は、二次ディジタル処理セクション１４２が本明細書に記載の機能を果たすことができるように構成されたいずれかの適宜のプロセッサデバイスによって実行されてもよい。
【００２４】
アナログ処理セクション１０７や一次ディジタル処理セクション１４０の場合と同様に、二次ディジタル処理セクション１４２も、超音波トランスデューサアレイ１０２が物理的要素１０１に送信する波形の生成に関連する機能、及び物理的要素１０１から反射され、超音波トランスデューサアレイ１０２により受信される波形の処理に関する機能を含んでいる。サイクル制御ユニット１６４は、接続部１６６を介して送信機設定ユニット１５６に結合され、複数の接続部１６８を介して加算ユニット１５８に結合されている。評価ユニット（１−ｋ）１７０は、接続部１７２を介して加算ユニット１５８に、且つ接続部１７４を介してサイクル制御ユニット１６４に結合されている。
【００２５】
サイクル制御ユニット１６４は、接続部１７４を介してより上位レベルの制御セクション１４４に位置するより高レベルの処理ユニット１７６に結合されている。評価ユニット（１−ｋ）１７０は、接続部（複数）１８０を介してより高レベルの処理ユニット１７６に結合されている。
【００２６】
サイクル制御ユニット１６４は、システム１００の動作を調整するように構成されている。具体的には、システム１００は一連のサイクルで機能する。各サイクルは、各々の超音波トランシーバ素子１１０から発信される特別に構成された超音波パルス（又は「トーンバースト」）のセットを含み、その後にポーズが続き、その後に各々の超音波トランシーバ素子１１０による一連の反射音波の受信が続き、これらの反射音波は次いでアナログ処理セクション１０７によって一連のディジタル信号に変換され、これがディジタル処理セクション１０６によって処理される。各セットの超音波パルスに対応するデータは、撮影される「ショット」の数、各ショットが撮影される方向、ショットが撮影される物理的要素１０１の周囲の位置の数などの一連の各々のパルスの様々な特性を定義する表（「サイクル表」）の形態でサイクル制御ユニット１６４に記憶される。
【００２７】
評価ユニット１７０は当業者には知られている技術を用いて、加算ユニット１５８内で生成され、記憶される生の仮想画像、又はそれから推測される結果に基づいて超音波検査の評価を行う。各々の生仮想画像は、所定の一連の時間間隔、及び物理的要素１０１の周囲の複数の位置で撮影された複数の超音波「ショット」の超音波反射を表し、三次元の超音波「フィールド」を生成する。評価ユニット１７０の付加的な機能は、検査中に取得されたデータを物理的要素１０１の位置と相関することである。具体的には、位置エンコーダ（図示せず）が超音波トランスデューサアレイ１０２及びディジタル処理セクション１０６に結合され、物理的要素１０１に対する超音波トランスデューサアレイ１０２の位置をリポートし、記録する。超音波フィールドの解析には、例えば（「ゲート」とも呼ばれる）時間的セグメント又は「スライス」が含まれる。ゲートは、ゲート内の最大の音波振幅、及びその振幅に関連するフライト時間を判定する。本明細書で用いられる「フライト時間」は、音波が物理的要素１０１を通って進行するために要する時間量を指す。選択された振幅は所定の基準振幅と比較され、測定されたフライト時間は所定の基準フライト時間と比較される。選択された振幅が基準振幅値を超える場合は、選択されたゲートに関連する物理的要素１０１内の物理的位置に欠陥が存在するものと見なされる。例えば、選択されたゲートに関連する測定されたフライト時間が所定の基準フライト時間以下の時間を記録すると、それは関連する位置での内部腐食に関連することがあるため、その位置での物理的要素１０１内の材料の強度が弱すぎることを示すことがある。あるいは、要素１０１の外表面に腐食が存在する状態では、測定されたフライト時間は所定の基準フライト時間よりも大きくなることがある。
【００２８】
より高レベルの処理ユニット１７６は、例えば物理的要素１０１に関連するデータを記録し、プロセス制御をシミュレートし、又はユーザー向けの視覚表示を行うために評価ユニット１７０によって行われる評価を使用するＰＣ、デスクトップシステム、独立型ＣＰＵ、及び／又はその他のシステムを含んでいる。それに加えて、より高レベルの処理ユニットはシステム１００用の指令センターとして機能し、ユーザーはそれに指令、物理的要素１０１に関するデータなどのデータ、及び材料内の潜在的反射体に、システム１００によって受信される音波を最適に反射させるように調整された所望の音響画像を物理的要素１０１内に誘導し、次いでこれらの音波を処理する信号を波形整形セクション１４１に生成させるパラメータを入力する。別の実施形態では、例えばレイリー波、又はラム波などの特定のタイプの音波が要素１０１内で励起される。より高レベルの処理ユニット１７６は更に、（二次元及び三次元の視覚ディスプレイを含む）ディスプレイデバイス１８２、ユーザー入力デバイス１８４（キーボード、タッチスクリーンなど）、通信インターフェース１８６、及び当業者に知られている超音波材料解析に関連するその他の装置をも含んでいる。ユーザーは、上位レベルの制御セクション１４４内のより高レベルの処理ユニット１７６に関連する入力を、入力デバイス（図示せず）を介してサイクル制御ユニット１６４に提供する。例示的実施形態では、上位レベルの制御セクション１４４の機能は、システム１００が本明細書に記載のように機能できるのに十分ないずれかの適宜の構成でよいコンピュータで実行される。より高レベルの処理ユニット１７６は、処理されたディジタルデータを二次ディジタル処理セクション１４２から受信し、このデータを、二次元ディスプレイ、三次元ディスプレイ用の適正な「疑色」の提供、及びチャートの作成などの機能を含む、より高レベルの処理ユニット１７６内にプログラムされた適宜のユーザーインターフェースを介してユーザーにより構成されてもよい視覚ディスプレイに変換する。それに加えて、より高レベルの処理ユニット１７６は、解析リポートの作成など、物理的要素１０１の完全な検査の終了後に可能になる追加の評価機能を実行する。
【００２９】
例示的実施形態では、ディジタル処理セクション１０６によって生成された信号は超音波トランスデューサアレイ１０２に、超音波トランスデューサアレイ１０２の幅と広がりにわたって不均一な超音波トーンバーストを発信させる。図３Ａ〜３Ｃは、例示的システム１００によって提供される波形及び波頭の異なる構成を示している。図３Ａは、トーンバーストの第１モードのバリエーションを示す一連の波形３００の斜視投影グラフである。図を簡略にするため、単一列の超音波トランシーバ素子１１０からのトーンバーストが示されている。具体的には、波形３００は、振幅は異なるが継続期間と発信時間が一定のトーンバーストを示している。図３Ｂは複数の波形３０２が、振幅と発信時間が異なるが（「時間シフト」）、継続期間は一定であるトーンバーストを表わす、トーンバーストの第２モードのバリエーションを示している。図３Ｃは、時間シフトされ、振幅と継続期間とが変化する一連のトーンバーストを表す一連の波形３０４を示している。
【００３０】
図４は、超音波ホログラフィによって撮像を行うための例示的な方法を示している。最初に、検査される物理的要素１０１の幾何形状が測定され、対応するデータがシステム１００に記録される（４０２）。それに従って、同様の物理的要素内で過去に欠陥を生じやすいことで知られる物理的要素１０１の領域が特定され、所望の物理的要素の所望の画像が定義される（４０４）。検査される物理的要素１０１の幾何形状と所望の画像構造が判明すると、所望の音響画像を取得するためにトランスデューサの構成が定義される（４０６）。例えば、圧電素子のアレイのサイズが選択され、トーンバーストの適宜のパルス周波数が選択され、個々の圧電素子のサイズと幾何形状とが選択される。例示的実施形態では、圧電素子は超音波用の発信機／受信機として使用されるが、本システム１００が本明細書に記載の機能を果たすことができるいずれかの適宜のタイプの発信機／受信機が使用されてもよい。４０４で定義された画像構造を、各々の超音波トランシーバユニット１１０に対して所定の個々の構成を有する一連のトーンバーストに変換する際に使用するために適宜のデータ処理アルゴリズムが選択される（４０８）。ポイント転送アルゴリズム４１０、フーリエ変換アルゴリズム４１２、又はディジタルホログラフィを実行するためのその他の既存のアルゴリズムを含めて、当業者には知られている光学撮像システムに適応された幾つかの利用可能なデータ処理アルゴリズムを用いてもよい。
【００３１】
選択されたデータ処理アルゴリズムは、定義された画像構造を、波形整形セクション１４１に送信される命令に変換する。例えば、ポイント転送アルゴリズム４１０の使用には、４０４ｄ４定義された画像構造を空間内のポイントアレイに変換し、アレイ内の各ポイントのグレースケール値を定義し、アレイ内の各ポイントに衝突するように発信される波形の所望の振幅及び位相を計算し、各画像ポイントからの寄与のコヒーレント追加を行って、各素子からの各々のトーンバーストの振幅と位相とを判定するステップが含まれる。ポイント転送アルゴリズム４１０を使用する結果、所定の一連のトーンバーストの発信後に超音波トランスデューサアレイ１０２が生成する干渉パターンの定義がなされる。フーリエ変換アルゴリズム４１２を使用して、４０４で定義された画像構造を空間内のポイントアレイに変換し、定義された画像のフーリエ変換を計算し、光学的フーリエ伝搬を使用して、定義された画像のフーリエ変換を超音波トランスデューサアレイ１０２に転送する。ポイント転送アルゴリズム４１０又はフーリエ変換アルゴリズム４１２を使用する結果、所定の一連のトーンバーストが発信され、次いでこれが実際の音響画像に干渉すると超音波トランスデューサアレイ１０２が生成する干渉パターンの定義がなされる。
【００３２】
取得されるデータを処理するための所望のアルゴリズムの選択（４０８）の後、実際のデータ取得が行われる（４１６）。データ取得（４１６）中に、１つ又は複数の超音波パルスが超音波トランスデューサアレイ１０２によって発信され、超音波トランシーバ素子１１０の異なる１つから発信されるトーンバーストは、撮像される物理的要素１０１の幾何構造及び所定の所望の画像構造にとって適切であるように振幅、継続期間、及び／又は時間シフトを変更する。反射した超音波が超音波トランシーバ素子１１０によって受信され、生の波形信号が記憶素子１６１に記憶される。生信号はシステム１００のアナログ処理セクション１０７で増幅され、前処理されて、前述のようにＡ−スキャンが生成される。Ａ−スキャンが生成されると、Ａ−スキャンは、例えばＢ−スキャンなどのより高レベルの視覚化を行うために既知の超音波撮像技術を用いて評価されてもよい。本明細書で用いる「Ｂ−スキャン」は、完全に現像された対象物のカラースケール三次元画像を指す。Ａ−スキャンに含まれるデータは、所定の閾値データとの比較によってアラームシステムでも使用されてもよい。最後に、撮像セッション中に取得された生信号及び処理済み信号は、データ記憶又は付加的な評価のためにシステム１００からエクスポートされてもよい。
【００３３】
既知の超音波ホログラフィシステムとは異なり、本明細書に記載の超音波ホログラフィ撮像システムは、トランスデューサの構成とは関わりなく不均一な音場を生成するように構成されている。本明細書に記載の超音波ホログラフィ撮像システムによって、実際の音響画像を生成せずに動作する既知の超音波ホログラフィ撮像システムと比較して、定義及び差別化が向上した可像画像の生成を可能にするリアルな三次元音響画像を生成することが可能になる。それに加えて、本明細書に記載の超音波ホログラフィ撮像システムは、撮像される物理的要素の形状及び構成に対応できる強化された撮像を提供する。それに加えて、既知の超音波ホログラフィ撮像システムとは異なり、本明細書に記載のシステム及び方法は、複数の超音波波形の少なくとも２つが振幅、周波数、パルス、又はその変調の少なくとも１つの変化によって互いに差別化されるように、超音波トランスデューサアレイ内の別個の超音波トランシーバから発信される超音波波形を生成する。
【００３４】
超音波ホログラフィシステムの組み立て方法、及び超音波ホログラフィシステムの例示的実施形態が上に詳細に記載されている。システム及び方法は、本明細書に記載の特定の実施形態に限定されず、むしろシステムの方法のステップ、及び／又はコンポーネントは本明細書に記載のその他のステップ及び／又はコンポーネントとは独立して別個に使用されてもよい。例えば、本明細書に記載のシステム及び方法は、その他の測定、監視、及び制御システムとの組み合わせで使用されてもよく、本明細書に記載のコンポーネントを用いた実施に限定されない。
【００３５】
本記述要件は、最良の態様を含めて本発明を開示し、いずれかのデバイス又はシステムを製造し、使用し、組み込まれたいすれかの方法を実施することを含めて、どの当業者も本発明を実施できるように実施例を用いている。本発明の特許可能な範囲は特許請求の範囲によって定義され、当業者が想到するその他の実施例を含み得る。そのようなその他の実施例は、特許請求の範囲の文字言語と相違せず、又は文字言語とは非実質的な相違しか有していない等価の構造要素を含む場合は、特許請求の範囲に含まれるものである。
【符号の説明】
【００３６】
１００  超音波ホログラフィ撮像システム
１０１  物理的要素
１０２  超音波トランスデューサアレイ
１０３  接続部
１０４  プロセッサシステム
１０５  メモリデバイス（データベース）
１０６  ディジタル処理セクション
１０７  アナログ処理セクション
１０８  制御パネル
１０９  ディスプレー画像
１１０  超音波トランシーバ素子
１１１  ディスプレー
１２０  Ｄ／Ａコンバータ
１２２  接続部
１２４  増幅器
１２６  接続部
１２８  増幅器
１３０  接続部
１３２  接続部
１３４  フィルタ
１３６  接続部
１３８  Ａ／Ｄコンバータ
１４０  一次ディジタル処理セクション
１４１  波形整形セクション
１４２  二次ディジタル処理セクション
１４３  画像再構成セクション
１４４  上位レベル制御セクション
１４６  パルス発生器
１４８  接続部
１５０  接続部
１５２  送信機制御ユニット
１５４  接続部
１５６  送信機設定ユニット
１５８  加算ユニット
１６０  接続部
１６１  記憶素子
１６４  サイクル制御ユニット
１６６  接続部
１６８  接続部
１７０  評価ユニット
１７２  接続部
１７４  接続部
１７６  より高レベルの処理ユニット
１８０  接続部（複数）
１８２  ディスプレーデバイス
１８４  ユーザー入力デバイス
１８６  通信インターフェース
３００  波形
３０２  波形
３０４  波形
４００  方法
４０２  記憶される
４０４  定義される
４０６  定義される
４０８  選択される
４１０  ポイント転送アルゴリズム
４１２  フーリエ変換アルゴリズム
４１４  その他の既存のアルゴリズム
４１６  データ取得
【図１】
2014145766.tif 000003
【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図４】
2014145766.tif 000009
【外国語明細書】
2014145766000001.pdf