(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
非破壊的かつ一義的にバルク誘電性物質の厚さを計測するか、バルク誘電性物質中の特徴の深さを計測するか、またはそれらの両方を行うための方法であって、以下のステップ、すなわち、
（ａ）マイクロ波源からマイクロ波を生成するステップであって、前記マイクロ波が実質的に一定の周波数を有する、ステップ、
（ｂ）生成されたマイクロ波の第１の部分を前記物質に当てて定在波を生成するステップであって、前記定在波が、前記マイクロ波の波長と、前記源から前記物質の最も近い表面までの距離と、前記源から前記物質の最も遠い表面までの距離または前記源から前記物質中の特徴までの距離とに依存する、ステップ、
（ｃ）少なくとも２つの異なる検出器の各々において、前記生成されたマイクロ波の第２の部分と反射されたマイクロ波とを混合し、前記検出器の各々について干渉信号を生成するステップであって、前記検出器同士が互いに空間的にずらされており、前記干渉信号が前記物質の厚さに依存するか、前記物質中の特徴の深さに依存するか、またはそれらの両方であり、前記検出器同士の間の空間的ずれの結果として、前記マイクロ波の前記周波数において前記異なる検出器同士の間に位相差が存在する、ステップ、
（ｄ）前記物質上のまたは内部の１つの位置または複数の位置の各々について、位相平面空間中の点を判定するステップであって、前記位相平面空間の座標が、前記１つの位置または複数の位置の各々について前記検出器の各々において生成される前記干渉信号の大きさおよび符号に対応する、ステップ、および
（ｅ）前記物質上のまたは内部の前記１つの位置または複数の位置の各々について、前記位相平面空間中の判定された前記点を、各位置における前記物質の固有の厚さと、または、前記物質中の特徴についての固有の深さと、またはそれらの両方と、関連付けるステップ
を含む方法。
【請求項２】
前記方法が前記物質の厚さを計測するために使用される、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記物質中の特徴の深さを計測するために使用される、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記物質上のまたは内部の複数の位置について、請求項１の各ステップを繰り返すこと、および、前記複数の位置の各々について、厚さの変化を図形で表示するか、特徴の深さを図形で表示するか、またはそれらの両方である画像を形成することを含む方法であって、それによって前記画像が前記物質の厚さを、または前記物質中の特徴の位置を、またはそれらの両方を、視覚的に示す方法。
【請求項５】
前記画像が２次元である、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記画像が３次元である、請求項４に記載の方法。
【請求項７】
前記画像が３次元であり、前記画像の色の変化を介して前記画像が第４の次元をさらに示し、色の差が前記物質中の欠陥の存在を示す、請求項４に記載の方法。
【請求項８】
厚さ計測、深さ計測、またはそれらの両方の解像度が、前記マイクロ波の前記波長よりも実質的に小さい、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記物質が複合材料である、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記検出器の少なくとも一対の間の前記位相差が、前記マイクロ波の波長の約４分の１である、請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
前記方法が複数の異なるマイクロ波周波数の各々で繰り返されて、マイクロ波周波数に応じて放射線に対して異なった応答を示す異なる物質同士を識別する解像度を向上させる、請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
非破壊的かつ一義的にバルク誘電性物質の厚さを計測するか、バルク誘電性物質中の特徴の深さを計測するか、またはそれらの両方を行うための装置であって、
（ａ）実質的に一定の周波数のマイクロ波の発生器であって、前記発生器は生成されたマイクロ波の第１の部分を前記物質に当てて定在波を生成するように適合されており、前記定在波が、前記マイクロ波の波長と、前記源から前記物質の最も近い表面までの距離と、前記源から前記物質の最も遠い表面までの距離または前記源から前記物質中の特徴までの距離とに依存する、発生器と、
（ｂ）互いに空間的にずらされた少なくとも２つの異なる検出器であって、前記検出器の各々が、反射されたマイクロ波と前記生成されたマイクロ波の第２の部分とを合わせ、前記検出器の各々について干渉パターンを生成するように適合されており、前記干渉パターンが、前記物質の厚さに依存するか、前記物質中の特徴の深さに依存するか、またはそれらの両方であり、前記検出器同士の間のずれの結果として、前記マイクロ波の前記周波数において異なる前記検出器同士の間に位相差が存在する、検出器と、
（ｃ）コンピュータであって、前記物質上のまたは内部の１つの位置または複数の位置について、位相平面空間内の点を判定するようにプログラムされ、前記位相平面空間の座標が、前記１つの位置または複数の位置について前記検出器の各々において生成される干渉信号の大きさおよび符号に対応しており、かつ、前記１つの位置または複数の位置の各々について、前記位相平面空間内で判定された前記点を、各位置における前記物質の固有の厚さと、または前記物質中の前記特徴についての固有の深さと、またはそれらの両方と、関連づけるようにプログラムされたコンピュータと
を含む装置。
【請求項１３】
前記コンピュータが、前記物質上のまたは内部の複数の位置について、前記物質の厚さ、または前記物質中の特徴の深さ、またはそれらの両方を判定するようにプログラムされ、かつ、前記複数の位置の各々について、厚さの変化を図形で表示するか、特徴の深さを図形で表示するか、またはそれらの両方である画像を形成するようにプログラムされ、それによって前記画像が前記物質の厚さを、または前記物質中の特徴の位置を、またはそれらの両方を視覚的に示す、請求項１２の装置。
【請求項１４】
前記画像が２次元である、請求項１３に記載の装置。
【請求項１５】
前記画像が３次元である、請求項１３に記載の装置。
【請求項１６】
前記画像の色の変化を介して前記画像が情報の第４の次元をさらに示し、色の差が前記物質中の欠陥の存在を示す、請求項１３に記載の装置。
【請求項１７】
前記装置が、前記マイクロ波の前記波長よりも実質的に小さな解像度で、厚さ、特徴の深さ、またはそれらの両方を計測するように適合されている、請求項１２に記載の装置。
【請求項１８】
前記検出器の少なくとも一対の間の前記位相差が、前記マイクロ波の波長の約４分の１である、請求項１２に記載の装置。
【請求項１９】
前記装置が複数の異なるマイクロ波周波数の各々で厚さまたは深さの計測を繰り返すようにプログラムされており、マイクロ波周波数に応じて放射線に対して異なった応答を示す異なる物質同士を識別する解像度を向上させる、請求項１２に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アメリカ合衆国国防総省（アメリカ空軍）によって授けられた契約番号ＦＡ８６５００８Ｃ５３０６およびＦＡ８６５０１２Ｃ５１０９の下で、政府の支援を受けて開発された。本発明においては、アメリカ合衆国政府が一定の権利を有する。
【０００２】
本発明は、誘電性物質における特徴の深さ、および誘電性物質の厚さの非破壊測定のための装置および方法に関し、かつ、バルク誘電性物質の非破壊評価（ＮＤＥ）においてそのように測定された厚さ情報の使用に関する。
【背景技術】
【０００３】
きず、欠陥、でこぼこ、および他の特徴について、バルク誘電性物質を試験するための、とりわけ、検査対象部分の片側にのみアクセスが与えられた場合にバルク誘電性物質の絶対的厚さを測定するための、改良された非破的壊手段について、まだ満たされていない必要性が存在する。加えて、バルク誘電性物質の厚さが既知である場合に、密度（または多孔度）の差を測定するための、改良された非破壊的手段について、まだ満たされていない必要性が存在する。たとえば、誘電性物質を３次元で容量分析的に検査するための、かつ、厚さと厚さの変化の両方を計測するための、改良された非破壊的手段について、まだ満たされていない必要性が存在する。しばらくの間使用されてきた製造された誘電性部材について、残存する厚さが、その部材の残りの耐用期間の指標としてしばしば重要であるが、部材の一表面のみがアクセス可能である場合には、厚さを計測することが困難であり得る。密度もまた、製造された誘電性部材の実用性の主要な指標であり得る、というのも、密度は、しばしば部材の強度と直接的に関係するからである。製造された部分の寸法はしばしば既知であるか、または、容易に計測されるが、密度および密度の差を測定するのはより困難である。バルク誘電性物質の厚さが既知である場合に、バルク誘電性物質の密度および密度の変化を非破壊的に測定するための、改良された手段について、まだ満たされていない必要性が存在する。
【０００４】
たとえば、誘電性のタンクおよび管における残存する壁の厚さを計測するための、強化された非破壊的な手段について、まだ満たされていない必要性が存在する。（この発明は多数の用途を有し、タンクおよび管の検査に限定はされない。）
現代の化学処理は、しばしば誘電性物質から作られる部材の使用を伴う。一般的な誘電性物質の製品形態は、繊維強化プラスチック（しばしば、「ファイバーグラス」または「ＦＲＰ」と呼ばれる）の管および容器を含む。これらの物質は、飲み水の処理および廃水処理などの近代的なインフラストラクチャにおいても一般的に使用される。そのような物質の厚さを非破壊で計測するための改良された手段、とりわけ、製品が現在も使用中で、誘電性部材の片側のみにアクセスできる状況で採用することができる手段について、まだ満たされていない必要性が存在する。（本発明は多数の用途を有し、ＦＲＰの検査に限定はされない。）
様々な工程においてしばしば用いられる流体の腐食性質または研磨性質に起因して、壁の厚さはしばしば、使用に起因する劣化の直接的な結果として、時間とともに減少する。これらの使用に起因する厚さの変化は、従来の手段を介しては、非破壊で検出するのは困難である。
【０００５】
検査方法は、非破壊的であり、設備が稼働中であろうと停止していようと使用可能であることが、大いに望ましい。さらに、部材の外側のアクセス空間が限られていることがあり、かつ、部材の形状が複雑であることがあるために、部材に接触しなくてはならない（または、部材に近接しなくてはならない）検出機械のいずれの部分も、利用可能な空間および形状に適応するために、十分に小型であるべきである。
【０００６】
検査される部材が金属でできている場合、十分に確立された超音波検査技術を用いることができる。しかしながら、超音波検査は強化誘電材料に対しては効果的に用いることができない、というのも、構造繊維がほぼ全ての音波エネルギーを散乱し、使用可能な信号をほとんど戻さないからである。複合材料の網目または基本構造が、超音波を強く散乱し分散させるので、結果として得られる反射は極端にノイズが多くなる。渦電流計測または磁気計測は、これらの材料ではどちらもうまく働かない、というのも、これらの材料は電気を通さないからである。
【０００７】
Ｘ線撮影も、特に役立つものではない。Ｘ線撮影は、バルク密度の変化を検出したり、または厚さの変化を検出したりするのに用いることができるが、検査対象部材の両側にアクセスすることが必要である。このことが、多くの部材の使用中検査に対して、Ｘ線撮影を非効果的なものにしている。
【０００８】
密度を計測する改良された方法についての、まだ満たされていない必要性の他の例が、技術を駆使して開発されたセラミック複合体の分野に存在する。そのような複合体では、強化繊維および母材の両方がセラミック材料でできている。典型的に、繊維は織られるか、他の態様で支持構造として構成され、その中に化学的な方法によって母材が堆積される。典型的に、母材は反復して堆積される。堆積をもたらす化学反応は連続的なステップで発生し、各ステップは、強化繊維の間の隙間に追加のセラミック材料を堆積させる。繊維の位置およびその部分の外側境界は変化しないので、その部分の多孔度は反復処理毎に減少する（および、密度はそれに応じて増加する）。部分が高度に巧みに処理され、その物理的寸法が厳密に制御されるとき、インチまたはミリメートルで計測される物理的厚さは、厳密な公差の範囲内であることが一般的に知られている。部分の強度は典型的には密度に依存するため、密度を計測する改良された非破壊的手段を有することは、大変望ましいであろう。強化繊維により音波が散乱するため、そのような材料における密度を測定するためには、超音波方法は効果的ではない。渦電流または磁気的方法のいずれも用いることができない、というのも、セラミック複合体はバルク不導体だからである。密度の変化はＸ線撮影によって検出可能であるが、セラミック複合体用途における関心のある変化は典型的に、従来のＸ線撮影によって解決するには小さすぎる。加えて、Ｘ線撮影は部分の両側へのアクセスを必要とし、その理由のために、多くの状況において容認できる方法ではない。
【０００９】
マイクロ波検査技術の概要が、（非特許文献１）に示されている。
幾つかのマイクロ波非破壊検査技術が、（非特許文献２）に開示されている。
（非特許文献３）は、検出器の線形アレイによって検出された伝搬と共に、タイヤ内部のダイポール送信アンテナからのマイクロ波の伝搬をタイヤの接地面を介して計測することにより、タイヤ内の欠陥を検出するための方法を開示している。伝搬率の差は、厚さの変化または欠陥と相関していた。
【００１０】
（非特許文献４）は、物体から反射されて戻ってきた振幅変調マイクロ波信号の位相角度を計測することにより、約１５センチメートルから約６メートル離れた物体までの距離を計測するためのマイクロ波距離センサについて開示している。
【００１１】
（特許文献１）は、とりわけ大型の固体推進剤ロケットモーターでの使用のための、マイクロ波きず検出システムについて開示している。マイクロ波は、推進剤の内部から伝送され、金属の外被で反射され、マイクロ波送信機からずらされた受信機によって検出された。受信信号の強度における不規則さが、推進剤における亀裂または他のきずと相関していた。
【００１２】
（特許文献２）は、厚みを測定している物質に隣接したマイクロ波ストリップライン導体に沿って伝送されたマイクロ波の位相シフトを計測することにより、誘電性物質の厚さを計測するためのシステムについて開示している。（特許文献３）も参照されたい。
【００１３】
（特許文献４）は、磨きガラスなどのコンパクトな材料中の不均質性のマイクロ波検出のための、ドップラー効果に基づく方法について開示している。ドップラー効果を生じさせるために、比較的速い走査速度が用いられた。所与の一例においては、検出器に対するガラスの相対的速度は毎秒６５０センチメートルであった。
【００１４】
（特許文献５）は、ガラスシートおよびプレートなどの非導電性材料中の不均質性のマイクロ波検出のための方法について開示している。検出は、反射されたマイクロ波のエコーを単純に計測することにより、または、物体を通した透過に続いて強度における損失を計測することにより、または、特に検査されている材料が移動している場合には、入射波および反射波を混合しうなりを生成することにより（すなわち、反射マイクロ波の周波数中におけるドップラーシフトを検出することにより）、実施される。
【００１５】
（特許文献６）は、たとえば、固体ロケットモーターにおける燃焼プロファイルの計測など、固体誘電性物質の本体の表面からの累進摩耗の割合を計測するためのマイクロ波の使用について開示している。マイクロ波は燃料（または他の材料）を介して伝送され、燃料（または他の材料）の表面がマイクロ波のうちの幾らかを反射して検出器に戻した。入射および反射マイクロ波の相対的位相は、マイクロ波送信機から燃焼している燃料の表面までの距離が変化するにつれて変動し、燃料の表面までの距離を時間の関数として決定することを可能にした。
【００１６】
（特許文献７）は、バルク材料に入射するマイクロ波放射線の散乱における変化を計測することにより、バルク材料中の不純物を検出するための技術について開示している。
（特許文献８）は、同一強度だが１８０度の位相シフトを伴った２つの送信源から木材を通してマイクロ波を透過させることにより、木材の節を検出するための方法について開示している。透過されたマイクロ波は木材の反対側上で検出される。木材に節が無い場合、検出器におけるマイクロ波場にはヌルがあるが、節がある場合には、検出器におけるマイクロ波放射線の位相および振幅は、変更される。
【００１７】
（特許文献９）は、２つのトランスデューサからマイクロ波を材料のシート中に伝送し、反射されたマイクロ波のエネルギーを計測することにより、導電性の表面を有する誘電性物質の平均誘電率を測定するための方法について開示している。シートの平面内で複数の経路に沿って平均誘電率を計測することにより、シート内部での変動の位置が特定され得る。
【００１８】
（特許文献１０）は、亀裂など表面のきずの深さを計測するための音響干渉法について開示している。
（特許文献１１）は、材料を透過したマイクロ波の偏波における変化を計測することにより、誘電性物質中の光学異方性を判定するための方法について開示している。
【００１９】
（特許文献１２）は、アンテナが放射した探査放射線の反射に対して単一の斜めの入射経路を確立するようにアンテナの位置および配向を調節することによって対象部分上に焦点を当てられたマイクロ波放射線による、層状物質の対象部分の探査について、開示している。斜めの入射経路に沿った放射線の信号計測値が、探査される構造物の対象部分中の欠陥の評価および検出を提供するために取得される。
【００２０】
（非特許文献５）は、コンクリート構造物における剥離／亀裂の検出および評価のための、近接場マイクロ波非破壊検査技術について開示している。動作周波数およびスタンドオフ距離が、ディスバンド（ｄｉｓｂａｎｄ）の存在に対して最大の感度を達成するように最適化することができ、このディスバンドは、追加の層として観察され、実効的な反射係数（位相および振幅）の特性を変化させる。この変化は、厚さおよび剥離の位置に依存する。剥離位置および厚さ情報を取得するために、複数の周波数計測値を用いることができる。反射係数の位相、動作周波数、およびスタンドオフ距離を剥離厚さおよび深さと関連づけて、ファジー論理モデルが説明された。
【００２１】
（非特許文献６）は、ガラス強化ポリマー複合体における欠陥およびきずの検出のためのマイクロ波の使用について開示している。スタンドオフ距離および周波数が、検出感度を向上させる手段として研究された。
【００２２】
誘電部材の非破壊検査のための従来のマイクロ波方法は、仮想定在波を採用している。（特許文献１３）、（特許文献１４）、（特許文献１５）、および（特許文献１６）を参照されたい。これらの方法は、小さな範囲（検査対象の材料における波長「λ」のプラスまたはマイナス１／４）に渡る厚さまたは密度の変化を検出し、特徴づけるために有効であるが、幾つかの状況では曖昧な結果を与え得る。厚さまたは密度についての幾つかの異なる値が、計測された出力の単一の値に相当する場合がある。これらのそれまでの方法により表わされた改善にも関わらず、（特許文献１６）は次のように率直に認めた。「干渉信号の解釈には曖昧さがある場合がある、というのも、被検査物内部の半波長の整数だけ離間した複数の点は、最初に互いに区別できないからであり、これは、そのような複数の点から反射される波長の同一の位相に起因する（ここで、関心対象の波長は材料内部での波長であり、屈折率に応じて、空気中または真空中での波長とは一般に異なる）。」提案された解決策の１つは、次のようなものであった。「被検査物の厚さを横断するのに必要な波長の数を減らすためにある波長が選択された場合、最小限の曖昧さで、選択された深さの範囲で感度を高めることができる。被検査物の厚さが半波長を下回る（好ましくは、相当に下回る）特別な場合においては、画像化は、被検査物内部の単一の非常に狭い帯域の厚さに対して最適化されることでもよい。」しかしながら、より一般的な、被検査物の厚さが波長の複数倍であり得る場合にこれらの曖昧さを解決するという問題に対しては、解決策は提案されなかった。バルク誘電体の厚さ、密度、または特徴の計測におけるそのような曖昧さを解決できる、改良された検査方法について、まだ満たされていない必要性が存在する。
【００２３】
（特許文献１７）、（特許文献１８）、（特許文献１９）、（特許文献２０）、（特許文献２１）、（特許文献２２）、（特許文献２３）、（特許文献２４）、（特許文献２５）、（特許文献２６）、および公開された（特許文献２７）も参照されたい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２４】
【特許文献１】米国特許第３，２７８，８４１号明細書
【特許文献２】米国特許第４，５２０，３０８号明細書
【特許文献３】米国特許第４，１２３，７０３号明細書
【特許文献４】米国特許第２，９９９，９８２号明細書
【特許文献５】米国特許第３，１４４，６０１号明細書
【特許文献６】米国特許第３，２７１，６６８号明細書
【特許文献７】米国特許第４，７０７，６５２号明細書
【特許文献８】米国特許第４，５１４，６８０号明細書
【特許文献９】米国特許第４，５８１，５７４号明細書
【特許文献１０】米国特許第４，２７４，２８８号明細書
【特許文献１１】米国特許第４，０８７，７４６号明細書
【特許文献１２】米国特許第６，１７２，５１０号明細書
【特許文献１３】米国特許第６，３５９，４４６号明細書
【特許文献１４】米国特許第７，７７７，４９９号明細書
【特許文献１５】米国特許第６，６５３，８４７号明細書
【特許文献１６】米国特許第８，０３５，４００号明細書
【特許文献１７】米国特許第５，５３９，３２２号明細書
【特許文献１８】米国特許第５，５７４，３７９号明細書
【特許文献１９】米国特許第５，２１６，３７２号明細書
【特許文献２０】米国特許第６，００５，３９７号明細書
【特許文献２１】米国特許第３，０２５，４６３号明細書
【特許文献２２】米国特許第４，３４４，０３０号明細書
【特許文献２３】米国特許第４，７５４，２１４号明細書
【特許文献２４】米国特許第５，３８４，５４３号明細書
【特許文献２５】米国特許第７，１９０，１７７号明細書
【特許文献２６】特許第６１２７４２０９号英文抄録
【特許文献２７】国際公開第９７／１０５１４号
【非特許文献】
【００２５】
【非特許文献１】Ａ．バール（Ａ．Ｂａｈｒ）著、「マイクロ波非破壊検査方法（Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ  Ｎｏｎｄｅｓｔｒｕｃｔｉｖｅ  Ｔｅｓｔｉｎｇ  Ｍｅｔｈｏｄｓ）」、１９８２年
【非特許文献２】Ａ．ルシアン（Ａ．Ｌｕｃｉａｎ）ら著、「非金属材料および複合体の検査のためのマイクロ波ＮＤＴ技術の開発（Ｔｈｅ  Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ  ｏｆ  Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ  ＮＤＴ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  ｆｏｒ  ｔｈｅ  Ｉｎｓｐｅｃｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｎｏｎｍｅｔａｌｌｉｃ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ  ａｎｄ  Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ）」、ｐ．１９９〜２３２、航空宇宙および武器システムの部品および材料の非破壊評価に関する第６回シンポジウム紀要（Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ  ｏｆ  ｔｈｅ  Ｓｉｘｔｈ  Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ  ｏｎ  Ｎｏｎｄｅｓｔｒｕｃｔｉｖｅ  Ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ  ｏｆ  Ａｅｒｏｓｐａｃｅ  ａｎｄ  Ｗｅａｐｏｎｓ  Ｓｙｓｔｅｍｓ  Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ  ａｎｄ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ）、（テキサス州サンアントニオ、１９６７年）
【非特許文献３】Ｊ．クリアン（Ｊ．Ｋｕｒｉａｎ）ら著、「マイクロプロセッサベースの計測装置により支援される非金属媒体のためのマイクロ波非破壊きず／欠陥検出システム（Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ  Ｎｏｎ−Ｄｅｓｔｒｕｃｔｉｖｅ  Ｆｌａｗ／Ｄｅｆｅｃｔ  Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ  Ｓｙｓｔｅｍ  ｆｏｒ  Ｎｏｎ−Ｍｅｔａｌｌｉｃ  Ｍｅｄｉａ  Ｓｕｐｐｏｒｔｅｄ  Ｂｙ  Ｍｉｃｒｏｐｒｏｃｅｓｓｏｒ−Ｂａｓｅｄ  Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｔｉｏｎ）」、マイクロ波電力および電磁エネルギーのジャーナル（Ｊ．Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ  Ｐｏｗｅｒ  ａｎｄ  Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｅｎｅｒｇｙ）、第２４巻、ｐ．７４〜７８、１９８９年
【非特許文献４】Ｃ．ハウエル（Ｃ．Ｈｏｗｅｌｌ）ら著、「産業制御用途用の低コストの産業ＡＭ−ＣＷ‘マイクロ波距離センサ’の使用（Ｔｈｅ  Ｕｓｅ  ｏｆ  Ｌｏｗ  Ｃｏｓｔ  Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ  ＡＭ−ＣＷ‘Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ  Ｄｉｓｔａｎｃｅ  Ｓｅｎｓｏｒｓ’ｆｏｒ  Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ）」（日付無し）
【非特許文献５】Ａ．カーンファ（Ａ．Ｋｈａｎｆａｒ）ら著、「ファジー論理技術を用いたコンクリート構造物におけるマイクロ波近接場非破壊検出および特性評価およびディスバンド（Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ  ｎｅａｒ−ｆｉｅｌｄ  ｎｏｎｄｅｓｔｒｕｃｔｉｖｅ  ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ  ａｎｄ  ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ  ａｎｄ  ｄｉｓｂａｎｄｓ  ｉｎ  ｃｏｎｃｒｅｔｅ  ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ  ｕｓｉｎｇ  ｆｕｚｚｙ  ｌｏｇｉｃ  ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ）」、複合体構造物、エルゼビア、英国（Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ  Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ  Ｅｌｓｅｖｉｅｒ  ＵＫ）、第６２巻、ｐ．３３５〜３３９、２００３年
【非特許文献６】Ｓ．ガンシェフ（Ｓ．Ｇａｎｃｈｅｖ）ら著、「ガラス強化ポリマー複合体における欠陥のマイクロ波検出（Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ  ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ  ｏｆ  ｄｅｆｅｃｔｓ  ｉｎ  ｇｌａｓｓ  ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ  ｐｏｌｙｍｅｒ  ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ）」、米国国際光工学会−ＳＰＩＥ紀要、（Ｐｒｏｃ．ＳＰＩＥ−Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｓｏｃｉｅｔｙ  ｆｏｒ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ  ＵＳＡ）、第２２７５巻、ｐ．１１〜２０、１９９４年
【発明の概要】
【００２６】
本発明者は、バルク誘電性物質における深さおよび厚さを測定するための、改良された高解像度の方法および装置を発見した。本発明者は、これまでの干渉法に基づく非破壊計測技術において未解決であった、深さまたは厚さにおける曖昧さを解決する新しい方法を発見した。この新しい方法は、高精度で深さおよび厚さを一義的に決定することができる。単色放射線、好ましくはマイクロ波放射線、より好ましくは５〜５０ギガヘルツの周波数範囲のマイクロ波が、試料を調べるために用いられる。マイクロ波は、誘電率が変化する特徴箇所の各々において部分的に反射される（たとえば、検査対象の被検査物の後壁にマイクロ波ビームがぶつかり、被検査物の後壁とマイクロ波源および検出器との間の距離が変動することで、厚さの変化を計測する）。好ましい実施形態においては、装置は単一のマイクロ波源および２つ以上の検出器を含む。検出器同士の間の距離（したがって、それらの位相関係も）が既知である（または計測可能である）。送信されたビームの一部が、検査対象の被検査物によって反射された信号と結合される。これら２つの信号は同一の周波数を有するが、振幅および位相が異なることがある。これらの信号は各検出器の位置で結合して干渉パターンを生成し、このパターンは被検査物の厚さが変化すると変化し、または、検出器に対して被検査物の位置が変化すると変化する。各検出器については、調査放射線は正弦波の（または疑似正弦波の）定在波とみなすことができる。単一の検出器のみを用いた場合、検出器出力と試料の厚さとの間の関係は、厚さが変化するにつれて（全ての他のパラメータは変化しないと仮定して）、厚さの１／４波長（またはλ／４）毎に同一の出力値が発生することにより、曖昧な厚さ計測値を生成するであろう。複数の検出器で単純に計測を繰り返すことは、検出器間の間隔（間隔が距離で計測されるかまたは位相で計測されるか）には関係なく、曖昧さを解決はしない。
【００２７】
本明細書および特許請求の範囲で使用されるように、別であることを文脈が明示しない限りは、「厚さ」、「深さ」などの用語は、検査を実施するために用いられるマイクロ波エネルギーの波長（λ）の単位で計測されるような距離に第一に言及していると理解されるべきであり、ここで、波長は検査対象の材料中の有効波長であり、一般に空気（または真空）中の波長とは異なるであろう。所望される場合、他の便利な単位（たとえば、ｍｍ、ｃｍ、ｉｎ）への変換は、容易に行うことができる。基本的に、本発明に従った初期の測定は、検査される材料中の単位波長の数を測定し、他の単位での計測値への変換は、二次的であり、すなわち、このように測定される波長の数から導き出される。
【００２８】
本発明者は、複数の検出器の出力を、新規の位相プロット、すなわち、厚さ、深さなどの計測に内在する曖昧さを解決できる位相プロットに「結合する」方法を発見した。単純な例を説明すると、λ／４だけ（空気中でのλに基づく）離間した２つの検出器を伴う実施形態を考えてみる。（この技術は、２つより多数の検出器、およびλ／４以外の検出器の間隔に一般化することができる。一般的に、検出器の数を増やすことで解像度が改善されるであろう。）この例証の目的のために、マイクロ波源（および検出器）から被検査物の前面までの間の距離は、一定に保たれるであろう。したがって、前面と検出器との間の位相関係は一定である。加えて、たとえ厚さが変動したとしても、各検出器における信号への前面反射の寄与は、位相および振幅の両方において一定のままである。２つの検出器からの出力信号は、厚さドメインにおいて、正弦波状または疑似正弦波状のいずれかで、周期的に変動する。個々の検出器については、この周期的な振る舞いは、推定された厚さにおいて曖昧さを生じる。本発明は、この曖昧さを解決することを可能にする。１つの検出器の出力がそれ自体の最大値および最小値の中間であるときに、もう片方の検出器の出力の絶対値が最大であるように、２つの検出器の間の間隔が選択されることが好ましい。（この点は、特定の場合にヌルが設定されていることに応じて、ゼロに等しくても等しくなくてもよい。）あるいは、１つの検出器の定在波の接線の傾きがゼロであるとき、もう片方の検出器上で、定在波の接線の傾きの絶対値が最大値になるように、２つの検出器間の間隔が選択されることが好ましい。例示のために、出力信号が正確に正弦波である仮定的で理想的な場合においては、検出器同士の間の好ましい間隔は、２つの検出器の間の位相差が、９０°＋（ｎ×１８０°）であり、ｎが整数である（正、負、またはゼロであり得る）ようになることであろう。
【００２９】
２つの検出器の出力信号が互いに対して（必ずしも時間の直接の関数としてではなく、また必ずしも距離の直接の関数としてでもなく、しかし、互いに対して）プロットされる場合−たとえば、（Ｘ，Ｙ）のデータペアにおいて、「Ａ」検出器における電圧を「Ｘ」値として、また「Ｂ」検出器における電圧を対応する「Ｙ」値とする−結果として得られるプロットは、図１に概略的に示されるように、一般的に楕円（または疑似楕円）になるであろう。（２つの検出器出力の相対的感度が同一である場合、この楕円は円形にさえなり得る。）材料の厚さが１／２λだけ変化する度に、（Ｘ，Ｙ）データ点が繰り返され、楕円の周りを通る。２つの検出器からの出力のこの組み合わせは、厚さ計測に対する明確な範囲を２倍だけ、１／４λから１／２λにまで、拡張する。楕円上の任意の点から中心まで直線を描く場合、その線からｘ軸（または、原点を通る任意の他の固定された線）への角度は、１／２λの範囲内での厚さに相当する。
【００３０】
実際に、図１に示す理想化された楕円状の位相プロットは単純化しすぎている、というのも、厚さの変化に伴って発生するマイクロ波エネルギーの損失をこのプロットでは無視しているからである。誘電性物質の特定の種類に対して、減衰は試料の厚さの関数として増加する。図２に示すように、減衰損失は、図１の理論的に無損失の位相平面楕円を、楕円形のらせんにさらに似たものに変換する。これらの損失は、実際には計測処理にとっては有益である、というのも、それらは抽出可能な追加の情報をもたらすからである。図２の位相平面らせんにおいて、（Ｘ，Ｙ）の値が繰り返されていないことに留意されたい。位相平面らせん曲線はそれ自体と交差せず、図１に示された厚さにおける周期的な曖昧さ（この曖昧さは複数の検出器の相対的な位相のみが考慮される場合に存在する）が、位相平面空間に複数の検出器からの信号によって表わされる（Ｘ，Ｙ）座標をプロットすることによって除去されることを意味し、試料の厚さが増加すると信号の振幅が減少する。（実際には、優先権出願第６１／８８２，２８８号明細書の付録Ａの図５に示すように、新規の位相平面解析をもってしても、境界からのマイクロ波の内部反射から生じる曖昧さの領域が依然として時には存在することがある。そのような複雑な状況が存在する場合でさえ、位相平面解析における計測値の大部分は、依然として厚さ／深さの一義的な測定を生じさせる。）
厚さの見かけの変化（これは物質中のマイクロ波波長の単位で計測されるのである）が、寸法の実際の変化（たとえば、インチまたはセンチメートルで計測される）か、または密度の変化（屈折率、したがって波長に変化を引き起こす）のいずれかから生じ得る。そうでないことが文脈によって明示されない限りは、この開示および特許請求の範囲において用いられるように、「厚さ」という用語は、調査放射線の波長の単位で計測されるような、物質の見かけの厚さを指すと理解されるべきである。換言すると、「厚さ」は見かけの厚さであり、これは、物体の実際の寸法と、位置に応じて変動し得る物体の密度および屈折率との両方の関数であり得る。本発明は、検査される物質内部の波長の単位で計測される、被検査物の厚さ（または特徴の深さ）の非破壊測定のための装置および方法、ならびに、バルク誘電性物質の非破壊評価（ＮＤＥ）においてそのように測定された厚さ情報の使用を提供する。物質の屈折率は、その化学組成に依存する。屈折率は、一定の化学組成であっても、密度の関数として変動する。屈折率の密度依存性は、電磁エネルギーが様々な密度の領域を介して伝搬するので、電磁エネルギーの波長の変化をもたらす。したがって、被検査物中の、大きさが既知である、定在電磁波の位置の変化を判定する能力が、屈折率の測定、よって密度（または、密度と逆に関係している多孔度）の測定を可能にする。
【００３１】
検出器は被検査物に対して任意の所望の速度で走査でき、走査速度は均一であることすら必要ない。新規の検出技術は、運動に起因する、周波数のドップラーシフトに基づいてはおらず、むしろ、実質的に同一の周波数を有する反射マイクロ波と参照マイクロ波との間の干渉に基づいており、干渉は位置の変化によって引き起こされる（それ自体の運動とは無関係である）。
【００３２】
新規の技術は、基本的に任意の誘電性物質において、厚さの変化および誘電率の変化（誘電体におけるこの誘電率の変化は、たとえば、密度または多孔度の変化に起因する）を検出することができる。この技術は、導電性成分を含むがその構造により全体的に不導体である複合材料、たとえば、炭素繊維複合体に、成功裏に用いることができる。
【００３３】
新規の方法および装置が、プロトタイプの実施形態において成功裏に試験されている。マイクロ波送信機／検出器は小型で、アクセス空間が制限され得る環境での使用に容易に適合された。
【００３４】
（検出器からの）処理された信号から算出された厚さの値は、「Ｘ」および「Ｙ」が被検査物の表面上のデカルト座標である３次元プロット中に「Ｚ」としてプロットされ、厚さのマップを生成することができる。（検査される特定の被検査物の形状に対して便利である場合、たとえば、円筒座標、トロイダル座標、球面極座標など、直交デカルト系の代わりに他の座標系を用いることもできる。）代替の実施形態において、カラーパレットの変量を用いて、プロットに第４の次元を追加し、被検査物中の欠陥の存在を示すことができる。
【００３５】
所望される場合、特定の被検査物に対して厚さを通しての検査が特定のトランスデューサを用いて実現可能であるかどうかを、被検査物の１つの表面に対してトランスデューサを配置し、被検査物の遠い側上で物体を動かすことにより、判断することができる。マイクロ波エネルギーが被検査物を完全に貫通する場合、被検査物の遠い側上における物体の位置の変化が、観察されるトランスデューサの信号に変化をもたらすはずである。そのような場合、厚さ計測が可能なはずである。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】２つの検出器およびλ／４の検出器間隔を伴う場合について、二次元で（Ｘ，Ｙ）のデータペアとして検出器ＡおよびＢの出力電圧を示す、位相平面プロットを示した図である。このプロットは、材料内で減衰が発生しない、仮定上の理想化された場合のものである。
【図２】２つの検出器およびλ／４の検出器間隔を伴う場合について、二次元で（Ｘ，Ｙ）のデータペアとして検出器ＡおよびＢの出力電圧を示す、位相平面プロットを示した図である。このプロットも仮定上の理想化された場合のものであるが、このプロットは、マイクロ波エネルギーが（しばしば、材料の「損失正接」と呼ばれるものの関数として）検査される材料内で減衰により失われる、より現実的なシステムを表している。
【図３】位相平面らせんから中心までの距離を、試料の厚さの関数として概略的に示した図である。
【図４】２つの検出器を用いて、実験的に計測された厚さドメインのプロットを示した図である。
【図５】実験的に計測された位相平面プロットを示した図である。
【図６】深さの範囲に渡ってプロトタイプの実施形態を試験するために使用された、ファイバーグラスウェッジの断面図を概略的に示した図である。
【図７】本発明に従った装置のプロトタイプの実施形態を概略的に示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００３７】
超音波技術ではノイズの入った反射パターンを生成するファイバーグラスなどの物質が、新規のマイクロ波技術を用いると、低ノイズレベルで検査することができる。たとえば、この新規の技術は、ファイバーグラスの、またはセラミック複合体の厚さの変化を容易に検出する。
【００３８】
本発明に対しては、多くの潜在的な使用分野がある。１つの例示として、本発明は、繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）パイプの検査に用いることができる。市販のＦＲＰパイプは、典型的に様々な組成、密度、および誘電率の多数の層を含む、複雑な複合構造体である。マイクロ波がＦＲＰパイプに向けられるとき、異なる誘電率の材料間の全ての境界面から反射が戻ってくる。戻ってくる信号は、基本的に周波数は同一であるが一般的に位相および振幅は異なる、多数の異なる波形の重ね合わせである。一般的に、材料の全厚が検査され、マイクロ波が衝突する全ての境界面が戻ってくる波形に寄与する。本発明は、そのような材料の残存する厚さを、高度の精度、正確さ、および再現性で計測することが可能である。
【００３９】
出射の一部を反射波形に混合することにより、複雑な定在波が生じる。（波形は「定在」である、すなわち、トランスデューサおよび被検査物の相対的な位置が変わらない限り、振動する弦と同様に不変であるが、一般的に位置が変化すると波形も変化するであろう。）単一の検出器に対応する定在波が、検査装置（トランスデューサ）から、次いで空気などの介在する媒体を通常は通して、次いで被検査物の中へと通過する。異なる屈折率を有する被検査物の構成部分を波形が通過するにつれて、周波数は一定のままである一方で、波長が変化する。屈折率が高いほど、電磁エネルギーの伝搬が遅くなり、波長が短くなる。
【００４０】
本発明は、被検査物が共通のマイクロ波源から照射される場合に、複数の検出器により計測される位相および振幅の組み合わせを用いて、一義的に厚さを測定することができる。
【００４１】
図７は、本発明に従った装置のプロトタイプの実施形態を概略的に示している。プロトタイプの装置は、単一のマイクロ波源（送信機）および２つの検出器を備えたトランスデューサを含んでいた。検出器がシグナル情報の２つのチャネルを出力した（図示せず）。検出器同士は、伝搬の方向に、およそ１／４波長に相当する、およそ０．１２インチ（０．３０ｃｍ）だけ離れていた。２つの検出器からのシグナルは信号調整電子機器に転送され、そこで信号が増幅され、フィルタリングされ、調整された後にアナログ−デジタル変換器（ＡＤＣ）に送信された。２つの位置エンコーダ、「Ｘ−Ｐｏｓ」および「Ｙ−Ｐｏｓ」（図示せず）があり、それらの出力もまたＡＤＣに送信された。ＡＤＣが、両方のチャネルに対するシグナル情報と、ＸおよびＹ位置データとを含むデジタルデータを処理コンピュータに送信し、次いで、この処理コンピュータが関心対象である選択された領域についての画像を生成した。
【００４２】
プロトタイプの装置では、２つの別々の検出器からの出力電圧が、ディスプレイおよび解析コンピュータ内で結合された。将来の実施形態においては、このデータ処理は、トランスデューサ自体上に配置された専用プロセッサ内で実行されるであろう。
【００４３】
ファイバーグラスウェッジがプロトタイプの試験のために構築された。図６に断面図を概略的に示す。ウェッジは、容認可能なデータが収集され得ること、および、プロトタイプの実施形態が期待通りに動作することを確認するために、走査された。
【００４４】
トランスデューサ
好ましいトランスデューサは、ガンダイオードに基づくマイクロ波送受信機であった。たとえば、Ｂ．ヘイル（Ｂ．Ｈａｌｅ）（編）、「アマチュア無線のための１９８９年ＡＲＲＬバンドブック（Ｔｈｅ  １９８９  ＡＲＲＬ  Ｈａｎｄｂｏｏｋ  ｆｏｒ  ｔｈｅ  Ｒａｄｉｏ  Ａｍａｔｅｕｒ）」、ｐ．３２〜５７＆３２〜５８、第６６版、１９８８年、「マイクロ波ガンプレクサ：概論（Ｔｈｅ  Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ  Ｇｕｎｎｐｌｅｘｅｒ：Ａｎ  Ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ）」、様々な著者、日付なし、Ｍ／Ａ−ＣＯＭ半導体製品（Ｍ／Ａ−ＣＯＭ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｐｒｏｄｕｃｔｓ）、「バラクター調整済ガンプレクサ送受信機“フロントエンド”（Ｖａｒａｃｔｏｒ  Ｔｕｎｅｄ  Ｇｕｎｎｐｌｅｘｅｒ  Ｔｒａｎｓｃｅｉｖｅｒ“Ｆｒｏｎｔ  Ｅｎｄ”）」、１９８５年、マイクロ波アソシエイツ（Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ  Ａｓｓｏｃｉａｔｅｓ）、「商用用途のためのバラクター調整済ガン発振器送受信機（Ｖａｒａｃｔｏｒ  Ｔｕｎｅｄ  Ｇｕｎｎ  Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ  Ｔｒａｎｓｃｅｉｖｅｒｓ  ｆｏｒ  Ｃｏｍｍｅｒｃｉａｌ  Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ）」、１９７７年を参照されたい。本発明のプロトタイプの実施形態で用いられたトランスデューサは、調整可能な１０、２５、または３５ギガヘルツ送受信機であった（所望される場合、たとえば５〜５０ＧＨｚなど、周波数はより高くもより低くもなり得た）。送受信機は、導波管部有りでもまたは無しでも使用することができた。検出器は、集合の一部として組み込まれた、２つのマイクロ波周波数ダイオードを有した。検出器ダイオードは、トランスデューサのハウジングの前面と開口部との間の、出射ビームの内側に配置された。トランスデューサは周波数が安定しており、所望のマイクロ波出力エネルギーを生成するために、５〜１０ボルトの直流電源のみを必要とした。トランスデューサはハウジング内部に搭載され、ハウジングは手動で動かすことができ、または、将来の実施形態では、好ましくは自動検査装置（ロボット）によって移動される。
【００４５】
トランスデューサはスタンドオフ距離を制御するための機械的手段を含んでいた。スタンドオフ距離は、一定に保たれることが好ましい。トランスデューサは、複数の導体ケーブルを介して、信号処理電子機器、データ取得ハードウェア、ならびに撮像および解析コンピュータに接続された。
【００４６】
トランスデューサは、トランスデューサのＸおよびＹ位置を判定するための位置エンコーダシステムにも接続された。位置エンコーダの出力は、被検査物の撮像および解析で使用するためのコンピュータに供給された。
【００４７】
信号処理および電源
プロトタイプの実施形態においては、各検出ダイオードから見て出力信号が一定の振幅および周波数を維持するように、発信マイクロ波ビームの経路内部の固定された位置に検出ダイオードが配置された。あるいは、検出ダイオードの位置は、スタンドオフ距離を変動させることとは関係なく、可変とすることができる。マイクロ波が、トランスデューサから検査されている被検査物へと放射された。マイクロ波ビームが、異なる誘電率の物質の境界面（たとえば、空気と被検査物の境界面、または、バルク被検査物とその内部のきずまたは特徴の境界面）に来る度に、マイクロ波エネルギーの一部が透過され、一部が反射される。反射された部分は、入射角度、物質間の誘電率の差（これは屈折率に関係している）、表面のテクスチャ、および他の要因に依存していた。調査ビームの反射部分のうちの幾らかはトランスデューサに戻り、そこで検出ダイオードによって検出された。反射信号および送信信号は同一の周波数であったが、（概して）振幅と位相の両方が異なっていた。これらの単純な正弦波または疑似正弦波は検出ダイオードにおいて合わせられ（混合され）、検査対象の試料（または試料の一部）が変化すると変化する直流電圧を生成した。大抵の被検査物には多くの境界面があり、多くの反射信号を生成した。しかしながら、反射信号の複雑さとは関係なく、被検査物に対するトランスデューサの位置と調査周波数の両方が一定に保持される場合、検出器ダイオードの出力は一定の直流電圧を生成した。この一定の直流電圧は、時には「シグナル」と呼ばれる。「シグナル」は、複数の検出器からの複数の成分を含むことができる。
【００４８】
シグナルは、有線接続を介して信号処理電子機器に伝送された。観察されたシグナルは、典型的には信号処理電子機器の入力部においておよそ１〜１００ミリボルトであった。シグナルは、上述したデータ取得システムによって、アナログからデジタル形式に変換された。アナログのシグナルは、シグナル電圧の最大解像度に対してデジタル化された。
【００４９】
データ取得システムにシグナルを直接ルーティングしてしまうと、トランスデューサの固有周波数安定性および低ノイズが可能にする非常に小さな欠陥に対する解像度を減少させてしまうと考えられた。したがって、ＡＤＣに先立って、信号処理部品中に増幅器を組み込んだ。増幅器は、許容可能な信号対雑音比を維持する一方で、シグナルの解像度を１００倍以上改善した。
【００５０】
データ取得システムは、各々がそれぞれの負の信号接続により差動接続される８つのアナログ入力チャネルを支持していた。少なくとも２つのアナログチャネルが、増幅されたシグナルを入力するために使用された。追加のデジタルチャネルが、ＸおよびＹ位置エンコーダからの入力のために使用された。一般的に、トランスデューサのＸおよびＹ位置の両方についての位置情報を収集することが好ましい。しかしながら、時には、単一の位置エンコーダからの位置情報を収集することで十分なことがある。たとえば、直円柱の形状を有する被検査物についてデータを収集する場合、トランスデューサは、既知の速度で円柱を軸方向に下に進みながら、円柱の周りを放射状に回転することができる。その時、Ｙ位置はＸ位置の直接の関数となり、単一の位置エンコーダで十分であり得る。
【００５１】
複数の位置に渡る走査からのデータが適切な縮尺で図形に表示される場合、結果として得られる画像は、被検査物の厚さの変化を示す。典型的に、収集されるデータセットは、単一の画像に好都合に表現されたものよりも、はるかに多くの詳細を含んでいる。したがって、関心領域が選択され、関心のもたれる特徴を明確に視覚的表示するために、シグナルについての縮尺と色（またはグレースケール）の階調とを変化させることにより、画像が生成される。マイクロ波の周波数の関数となる所望の深さ解像度と、被検査物の屈折率とを得るために、スタンドオフ間隔が選択される。（単一の検出器ではなく）複数の検出器を備えたトランスデューサが使用される場合、異なる深さで最適化された複数の画像が、１回の走査からのデータで生成可能であるために、走査数を低減することができる。
【００５２】
マイクロ波発生器用の電源は、ガンダイオードを駆動するのに十分な電流を供給することが可能な、５から１２ＶＤＣの間に調整された低電圧の電源を含んだ。この５〜１２ボルトはトランスデューサのハウジングへ送られ、そこで電力がトランスデューサに送られた。同じ電源が、増幅器、位置エンコーダ、およびデータ取得システムのために必要な電圧を供給するように構成された。データ取得システム用の電力は、ＵＳＢインターフェースを介してノートブックコンピュータによっても供給することができる。
【００５３】
信号解析および厚さ測定
この新しい技術は、異なる誘電率（たとえば、全般的な厚さの変化を含む）を有する物質間の境界面がマイクロ波反射鏡として作用するという原理に、部分的に基づいている。異なるＸおよびＹ位置におけるシグナルを計測することにより走査が実施され、データが画像を生成するために使用される場合、これらの厚さの変化は（被検査物の厚さマップと同様に）直接的に表示することができる。
【００５４】
プロトタイプ装置を用いて走査している間、２つのシグナルチャネル、Ｘ位置、およびＹ位置の値について、情報が同時に収集された。これらのデータはコンピュータによって処理されて、シグナルの２次元の画像を生成した。
【００５５】
本発明によって克服される障害
位相平面らせん上のある点から中心までの距離は、「ベクトルの大きさ」と呼ばれ、厚さに応じて多かれ少なかれ指数関数的に変化する（厚さが薄いほど長くなり、厚さが厚いほど短くなる−図３を参照）。この理想的な指数関数的な挙動は、実効チャネル利得同士が同一であり、かつ、２つの検出器の間の実効位相差が正確にλ／４（空気中のλ）である場合に、発生する。ベクトルの大きさと位相角度との組み合わせが厚さを一義的に測定するために使用されるので、理想的にはトランスデューサは、検出器同士の間の実効位相角度がλ／４となるように配置される。
【００５６】
マイクロ波の伝搬が単純な平面波の伝搬として実際に正確に説明することができる場合には、２つの検出器の間の（伝搬の方向における）最適な距離は、単純にλ／４であろう。しかしながら、実際のトランスデューサが、検出器同士の間に単純にλ／４の変位を伴って構築され試験された場合、観察された結果は期待通りではなかった。有限のトランスデューサ内部のマイクロ波の伝搬は、実際、理想化された球面状の波面でもなく、また、理想化された平面状の波面でもなく、これら２つの理想化された場合を複雑に混成したものである。結果として、検出器間の最適な距離は、最初に期待する通り、単純なλ／４にはならない。代わりに、最適な距離は、特定の波長および特定の導波路に対して、経験的に判定することができる。検出器が最適に配置される場合、ベクトルの大きさは、厚さと共におよそ指数関数的に変動し、厚さが変化しても実質的に振動しない。
【００５７】
さらなる複雑化の要因は、位相平面プロットが、全ての検出器からの信号を増幅するために用いられる実効利得同士が等しい場合にのみ、真に対称的であることである。しかしながら、検出器の不正確な物理的配置に対する場合とは異なり、異なる利得が使用される場合、等しくない利得比は処理後に補正することができる。
【００５８】
以前のマイクロ波検査技術では、信号飽和およびクリッピングを防止するために、検出器信号の「ヌル」またはオフセット電圧を調節することが、時には必要であった。片方または両方の検出器についてヌル電圧が変更された場合、位相平面プロットの中心も同様に動くであろう。この複雑な状況が、以前のマイクロ波検査技術を用いて厚さを一義的に測定することを困難または不可能にしてきた、というのも、任意の現実の試料では、位相平面らせんの非常に小さな部分のみが利用可能であるからである。（実際、厚さが変化しない場合、単一の点のみが既知である。）中心の位置が既知ではない場合、ベクトルの大きさを算出することができず、厚さを測定することができない。対照的に、本発明においては、位相平面らせんの中心が既知であるように、かつ、ベクトルの大きさおよび厚さが一義的に測定できるように、ヌルまたはオフセット電圧は一定に好ましく維持されている。
【００５９】
本発明を実行するための好ましい方法は、上述したように位相平面空間に点をプロットし、これらの点を固有の距離に経験的に関連付けることである。しかしながら、同じ結果を達成する他の方法が、この好ましい方法と数学的に等価であることを、当業者は認識するであろう。本明細書および特許請求の範囲の目的のために、任意の数学的に等価な方法は、この好ましい方法と同一であり、定義される本発明の範囲内にあるとみなされる。
【００６０】
優先権出願第６１／８８２，２８８号明細書およびこの優先権出願の付録を含む、この明細書中に引用される全ての参照文献の完全な開示が、参照により本明細書に組み込まれる。しかしながら、相容れない矛盾がある場合には、本明細書が優先される。
【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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