(57)【要約】【課題】記憶容量を極端に増加することなく、高解像度でのプローブ走査回数を少なくし、画像処理の時間を短くした画像再構成装置を提供すること。【解決手段】広志向性プローブと、前記プローブの出力信号を処理して３次元画像情報を作る画像処理方法を組み込んだ演算装置とからなる画像再構成装置であって、前記画像処理方法は、間引きサンプリングにより得られた時系列の出力信号を、間引きサンプリングに対応した時系列データのフーリエ変換した信号と、間引きサンプリングに対応した時系列データの指向性関数信号により間引きサンプリングに対応した反射関数のフーリエ変換した信号を求め、前記反射関数のフーリエ変換した信号を逆フーリエ変換して実空間での反射関数の分布を求める手順を有することを特徴とする画像再構成装置。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
広指向性プローブと、前記プローブの出力信号を処理して３次元画像情報を作る画像処理方法を組み込んだ演算装置とからなる画像再構成装置であって、前記画像処理方法は、間引きサンプリングにより得られた時系列の出力信号に、間引きサンプリングに対応したフーリエ変換を施し、前記フーリエ変換で得られた信号と、プローブの指向性関数に間引きサンプリングに対応したフーリエ変換を施した信号とから、間引きサンプリングに対応した反射関数のフーリエ変換したデータを求め、該反射関数のフーリエ変換したデータを逆フーリエ変換して実空間での反射関数を求める手順を有することを特徴とする画像再構成装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、希望する解像度より粗い間隔で走査サンプリングした場合においても希望する解像度の３次元画像を合成する画像再構成装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
超音波探傷法／電磁超音波探傷法を用いた画像表示では、xy方向に高指向性シングルプローブを機械走査したり、マルチプローブを電子走査し、時系列データとしての反射波形信号の反射時刻tを深さｚと見なすことで３次元表示を行っている。この場合、xy方向の解像度はビーム径、xy方向のサンプリング距離間隔や波長、z方向の解像度は時系列波形のサンプリング時間間隔と波長できまる。波長やプローブ径に比べて十分大きな欠陥を比較的小さな領域で検査観察する場合には、必要なメモリ量に比べて十分大きいコンピュータメモリを用意することで実用上十分であった。
【０００３】
しかし、1000mmx1000mmx30mmのような厚板で0.1mmの欠陥を見つけるためには、単一指向性シングルプローブの場合、10000ライン以上の走査線本数が必要になる。1秒/ラインの走査時間がかかるとすると10000秒の時間を要することになる。また、シングルプローブの場合、収束ビームを用い各深さの検査を行えば検査時間はさらに数十倍になり飛躍的に増大する。
マルチプローブの場合、電子走査の高速性を生かすには大型のプローブを作ることであるが、大型プローブの開発にはコスト的にも技術的にも問題がある。また、フェーズドアレイと呼ばれる方式で試料内部に収束ビームを結んで走査する場合、残響のため連続して波動の発射ができず高速化には限界がある。マルチプローブの場合、分解能を上げるため、周波数を高くすると、隣接プローブと干渉することや各プローブの特性をそろえることもむずかしくなる問題がある。
【０００４】
大物試料の検査ではサンプリング点数が増えるので、走査に時間がかかることは大きな障害である。具体的には、検査時間全体が長くなることを意味するので、実用時間内に製品の全数検査が行えず、抜き取り検査になったり、部分検査に妥協しなければならない問題があった。そのサンプリング点数の多さは大規模メモリを必要とすることも問題である。
【０００５】
改善策として、必要メモリ量の削減、z方向の走査時間の短縮とxy方向の走査時間の短縮が必要である。
マルチプローブ方式のz方向走査時間の短縮法としては、日本クラウトクレーマ（株）がボリュームフォーカスという方式を提唱している。試料内部の各要素毎に焦点を結ぶ電子走査を行うのではなく、全てのマルチプローブを一度だけ励起し平面波を発信する。そして欠陥からの反射波の時系列データをそれで取得する。そのため、フェーズドアレイと異なり残響の影響を受けなくてすむ。その反射波の時系列データのなかで要素の位置毎の振幅を足し合わせることで各位置に焦点があった場合の反射強度を仮想的に求めるというものである。周波数が高いほど、開口が大きいほど空間分解能は高くなる。この方法は、計測された波形の振幅値をそのまま用いるので単純であるが、要素数が増えると飛躍的に計算量が増大するので、商用機でも高解像度のものは作られていない。各プローブから欠陥までの距離が等距離である他の要素からの反射と区別できないので周辺にゴーストが現れる欠点がある。
【０００６】
他には、逆散乱法を用いた画像再構成法がある。それは、1素子から発信される波動をSH波の円筒波であるとし、それぞれ一度だけ発信しxy平面内で走査する。発信毎に同一の素子で波動の時系列データを受信する。求めたいのは試料中の反射関数の分布であるが。反射関数としては材料力学的に欠陥内部を記述するキルヒホフ近似または欠陥内部を記述するボルン近似としている。反射波の空間フーリエ変換は、試料中の欠陥の空間フーリエ変換とプローブの指向性関数の空間フーリエ変換とのスカラー積になっているので、反射波を測定すれば試料中の欠陥の分布を求めることができる。この場合、プローブの指向性関数は解析しやすい円筒波を仮定したので解析的に計算できる、したがって、少ない要素分割数でも高精度に計算することができ、反射関数の分布を求めることができる。ｘｙ方向の分解能はプローブの間隔に、深さ方向ｚの分解能は送信波周波数によってきまる。1素子の発信する波動は、いつも円筒波で近似できるとは限らないので、うまく近似できないときには、まだ議論の余地があると思われる。プローブ間隔より小さな欠陥を検出するのに難があるのもそのためである。
また、どちらの場合も、上に述べたように、マルチプローブでは周波数を高くすることができないので分解能が上がらないという問題もある
ｘｙ方向の走査時間の短縮のためには、小規模のマルチプローブと機械走査を組み合わせるという考えがあるがやはりマルチプローブは重くなるので高速機械走査には向かず、やはり走査時間が長くなる要因となる。
【特許文献１】特開２００３−１２１５０２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の目的は、記憶容量を極端に増加することなく、高解像度でのプローブ走査回数を少なくし、画像処理の時間を短くした画像再構成装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明では、上記目的を達成するために、製造ラインで実用的な時間内に計測を行うために次の工夫を行う。
ｘ、ｙ、ｚ方向の解像度を任意の解像度としたとき、このＮｘ、Ｎｙ、Ｎｚ（但し、Ｎは試料の分割数）の解像度を実現するため、
広指向性プローブ（この指向性は円筒波ではなくプローブ先端の形状に従って高精度に数値的に計算記述されている）を用い、ｘｙ方向に（（Ｎｘ×Ｎｙ）／（ｎｘ×ｎｙ））箇所を走査し、各点で反射波の時系列情報をＮｔ＝ｎｘ×ｎｙ×ｎｚ個受信する。ここで、ｎはいくつとばしてサンプリングしたかを表す数である。この時系列情報にはx、y、ｚ方向の欠陥の位置情報が含まれている。この場合も、反射波の空間フーリエ変換は、試料中の欠陥の空間フーリエ変換とプローブの指向性関数の空間フーリエ変換とのスカラー積になっているので、反射波を測定すれば試料中の欠陥の分布を求めることができる。これを計算処理することでｘ方向Ｎｘ、ｙ方向Ｎｙ、ｚ方向Ｎｚの解像度を得ることができる。ｘｙｚ方向の解像度は周波数とサンプリング距離周期の積で決まる。    
【０００９】
前記逆散乱法を用いた画像再構成法が比較的指向性の高い円筒波近似を用いx、y、ｚ方向の情報をあまり抽出せずに、プローブから遠く、プローブより大きな欠陥の検出を目指したのと異なり、本発明の画像再構成装置ではプローブ形状に依存した指向性関数を高精度に計算し、それを利用することで反射波形からｘｙ方向の情報を抽出でき、プローブより小さな欠陥を検出できるように解像度を上げることができる。
以上により、サンプリング点数/走査線の本数を減らせ、計測時間の短縮が可能になることを最も主要な特徴とする。
具体的には、画像再構成装置は、広指向性プローブと、前記プローブの出力信号を処理して３次元画像情報を作る画像処理方法を組み込んだ演算装置とからなる画像再構成装置であって、前記画像処理方法は、間引きサンプリングにより得られた時系列の出力信号に、間引きサンプリングに対応したフーリエ変換を施し、前記フーリエ変換で得られた信号と、プローブの指向性関数に間引きサンプリングに対応したフーリエ変換を施した信号とから、間引きサンプリングに対応した反射関数のフーリエ変換したデータを求め、該反射関数のフーリエ変換したデータを逆フーリエ変換して実空間での反射関数を求める手順を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明は、記憶容量を極端に増加することなく、高解像度でのプローブ走査回数を少なくし、画像処理の時間を短くすることができる。また、ｘｙ方向分解能を上げるために狭指向性の小型プローブを使用する必要がなく、サンプリング点数/走査線の本数を減らせるので計測時間の短縮や必要メモリの減少を見込める。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
単一指向性プローブでｘｙ方向に走査して3次元画像を再構成した場合と同等の分解能の画像をより少ないｘｙ方向走査回数で得るという目的を、広指向性プローブを用い時系列情報に含まれるｘｙｚ方向の情報を利用することで実現した。
【実施例１】
【００１２】
図１は、本発明システムの１実施例の概念図である。
走査プローブ、受発信機およびアンプ、ｘｙスキャナ、受発信の制御や発信スキャナ制御と受信波形のAD変換を行うFAコンピュータ、3次元合成画像を表示する解析コンピュータ、並列FFTコンピュータから構成されている。従来の計測系との違いは、広指向性のプローブを有すること、並列FFT等を行うコンピュータが付属している点である。
【００１３】
プローブのxy走査は、図２に示すように単指向性のプローブに比べて大きなサンプリング距離間隔で行うことができ、取得された時系列波形をFFT変換しサンプリング距離間隔以下の解像度で画像を合成することができる。
本発明の主体は広指向性プローブの使用とその信号処理にあるので、受発信機やxyスキャナ、FAコンピュータの説明は省略する。
【００１４】
試料上の座標Ｘ（ベクトル表示）＝（Ｘ、Ｙ，０）にあるプローブ上のローカル座標ｘ０（ベクトル表示）＝（ｘ０、ｙ０、０）から時刻ｔに発信される音波をｆ（ｔ、ｘ０（ベクトル表示））とする。すると試料中のローカル座標ｘ１（ベクトル表示）＝（ｘ１、ｙ１、ｚ１）で感じる波動ｖ（ｔ，ｘ１（ベクトル表示））はｘ（ベクトル表示）に関係なくプローブ全体にわたり
で積分したものなので式（１）のようになる
プローブ上のローカル座標ｘ２（ベクトル表示）＝（ｘ２、ｙ２、０）で感じる波動ｕ（ｔ，ｘ２（ベクトル表示），ｘ（ベクトル表示））は、波動ｖ（ｔ，ｘ１（ベクトル表示））にその位置の反射関数ρ（ｘ（ベクトル表示）+ｘ１（ベクトル表示））を乗じて試料内部全体にわたりｘ１、ｙ１、ｚ１で積分したものであり式（２）のようになる。
プローブ出力ｗ（ｔ、ｘ（ベクトル表示））は波動ｕ（ｔ，ｘ２（ベクトル表示），ｘ（ベクトル表示））をプローブ全体にわたりｘ２、ｙ２で積分したものなので式（３）のようにかける。
プローブの指向性関数ｈ（ｔ、ｘ１（ベクトル表示））は式（４）のようにかける。
【００１５】
【数１】
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【００１６】
【数２】
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【００１７】
【数３】
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【００１８】
【数４】
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【００１９】
上記の数式において、αは減衰係数、ｃは波動の位相速度である。
【００２０】
積分区間Lの一次元畳み込み積分式（５）が定義されており、Ｘｉ,ｘｊはそれぞれ積Ｘi分区間Lのｍ等分点、ｌｍ等分点であるとすると、離散値形式は式（６）のようになる。この両辺を区間Lにてフーリエ変換すると式（７）のようになる。ここで関数ｂ（ｘ）、ｃ（ｘ）のフーリエ変換Ｂｉ（Ｓｈ）、Ｃｉ（Ｓｈ）は式（８）、（９）のように定義される。
【００２１】
【数５】
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【００２２】
【数６】
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【００２３】
【数７】
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【００２４】
【数８】
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【００２５】
【数９】
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【００２６】
以上の変形式（７）を2次元の問題に拡張し、式（３）に適用する。試料表面のサンプリング点の座標Ｘｉｘ、Ｙｉｙをｘｙ方向のＮｘ／ｎｘ等分点、Ｎｙ／ｎｙ等分点とする。また、試料中の座標Ｘｊｘ、Ｙｊｙ、Ｚｊｚをｘｙｚ方向のＮｘ等分点、Ｎｙ等分点、Ｎｚ等分点とすると式（３）は式（１０）のようになる。式（１０）をＸ、Ｙについてフーリエ変換すると式（１１）のようになる。時間ｔｉｔはｎｘｎｙＮｚ等分点とする。式（１１）（１２）（１３）（１４）の関係を図示すると図４のようになる。従って、プローブ出力波形ｗ（ｔｉｔ、Ｘｉｘ、Ｙｉｙ）から反射関数の分布ρ（ｘｉｘ、ｙｉｙ、Ｚｉｚ）を求めることができる。
【００２７】
【数１０】
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【００２８】
【数１１】
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【００２９】
【数１２】
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【００３０】
【数１３】
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【００３１】
【数１４】
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【００３２】
図５は直方体状の欠陥を有する試料の中央断面（xz断面およびyz断面）である。図６は試料の左端面にプローブを密着させてｘ軸に沿って走査した場合の時系列データとｙ軸に沿って走査した場合の時系列データを図示したものである。縦軸は走査方向、横軸は時間軸となっている。ブローブの有限な大きさ、およびサンプリング間隔が粗いために欠陥の形状は大きくぼけて表示されていることがわかる。図７は本発明で提案する方法で欠陥形状を計算したものである。よく再現されていることがわかる。
【産業上の利用可能性】
【００３３】
液晶ディスプレイの電極やセラミクスの半導体作成用XYステージなどは１ｍ以上の大物部材に欠陥が無いことが望まれる。仮に０．１ｍｍの欠陥を見つけるためには10000ライン以上の走査が必要であり、1秒以上/ラインとすると１００００秒以上かかることになり製造ラインで検査することには使えない。本発明をシングルプローブまたはマルチプローブに適用することで、サンプリング点数を間引くことができるので検査時間に占める走査時間を大幅に短縮することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】3次元画像合成システムの説明図である。
【図２】単指向性プローブでサンプリングする場合と広指向性プローブでサンプリングする場合の説明図である。
【図３】試料とプローブの位置関係および座標のとり方の説明図である
【図４】プローブ出力と試料の欠陥による反射関数の分布、計算の流れの関係図である。
【図５】欠陥を有する直方体形状の試料のxz断面およびyz断面図である
【図６】左端面でｘ方向、y方向に広指向性プローブを走査した場合の時系列データ表示である。
【図７】本発明の提案方法を用いて図6から欠陥による反射関数の分布を計算したものである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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