JPS60218062A - 対象物表面の弾性パラメ−タを表示する方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は焦点合わされた音響線束（ａｋｕｓｔｉｓｃｈ
ｅｎ　５ｔｒａｈｌｅｎｂｉｉｎｄｅｌ）により対象物
表面を走査することと、対象物表面で鏡のように反射さ
れた超音波線と表面波の印加後対象物表面から生ずる超
音波線との間の干渉を確認することとにより対象物表面
に弾性バラメークを表示する方法に関するものである。

焦点合せされた音響線束による対象物表面の走査は反射
で作用する音響顕微鏡により実施されることができる。

普通の稼働態様では音響レンズ装置が一定の対象物面に
焦点合せされ、ついでレンズ装置は格子状運動で音響的
線束の拡がり方向に対し垂直に走査（ｘ／ｙ走査）され
る。対象物から反射される信号は入射される信号から分
離され像表示に使用される。

別の公知の稼働態様は、対象物が一定の位置で音響的線
拡がりの方向にのみ走査すること（２走査）にある。こ
こでは又音響焦点が連続的に対象物の深さに移される。

これにより得られる所謂Ｖ　（２）曲線は鏡のように反
射される超音波線の表面波の印加により横移動後再び音
響レンズ装置に戻る超音波線との干渉により達成する。

音響変換器での夫々の始紡電圧は変換器の面についての
音響干渉基の積分に一致する。違った弾性パラメータを
有する材料が材料特性的であるＶ　（ｚ）依存を示すの
は公知である。従って曲線は均質な材料層の確認のため
使用されることができる。

音響的反射顕微鏡の利点は、又対象物表面の下にある層
が音響的線束が斯かる面に焦点合されるとき形成される
ことができることにある。対象物表面への焦点合せのた
め！＝０があてはまり、対象物表面の下側での焦点位置
のため２は負で示される。音響像のコントラストは色々
の負の２値でば上記の干渉事象（Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎ
ｚｅｒｓｃｈｅｉｎｕｎｇｅｎ）の故に夫々の局部のＶ
　（ｚ）値により定められる。

このことは、音響像のコントラストに対象物表面内の弾
性パラメータについての情報が含まれなければならない
ことを意味する。Ｖ　（ｚ）と音響像コントラストとの
間の関連の詳しい論議は「ジャーナル　オブ　アプライ
ド　フィジックス（Ｊ、Ａｐｐｌ、　Ｐｈｙｓ、　）　
Ｊ　４９　（１０）　５１３０〜５１３９頁（１９７８
年）に含まれている。

本発明は走査される対象物表面に存在する弾性パラメー
タの分布についての像コントラストに含まれる情報が観
察可能にされることができる方法を与えることを課題と
している。

この課題は頭初に示した種類の方法において、本発明に
より対象物表面に対し相対的に違った焦点位置で対象物
表面の２つの格子状走査を実施し、同じ格子点に関連す
る反射信号から差信号が形成されそしてこの差信号が表
示のために使用されることにより、又違った周波数の音
響線束による前後して続く走査を実施し、同じ格子点に
関連する反射信号から１つの差信号を形成しこの差信号
を表示に使用することにより解決された。本方法の有利
な形態を他の請求項で示す。

本発明に係る方法は公知のＶ　（２）測定において得ら
れる曲線形状が大体において夫々に印加された表面波の
種類に依存するというｖｇｍを利用する。この表面波の
振幅と波長は超音波検査される対象物位置での弾性的材
料特性に左右される。２の値は表面波の可能な拡がりを
左右する。この方法で表面波により生ずる超音波線のた
めに違った振幅と位相位置が住じ、該超音波線は音響的
レンズ装置により受け入れられそして表面波に鏡のよう
に反射された超音波線と干渉する。Ｖ　（２）曲線は代
表的な干渉最大値と干渉最小値を有する。

対象物の薄い表面層内に起る過程による結像線のこの影
響は各音響的像表示に程度の差こそあれ大きい量で重ね
合わされ、そしてすでに述べたように一定の２面から得
られる像のコントラストに影響する。本発明によると２
つの対象物面からの受像と差形成により２に無関係の像
信号が抑圧（ｕ′ｎｔｅｒｄｒｉｉｃｋｔ　）される。

音響像は次いで両方の最初に得られた像の間のコントラ
スト変化を示す。

それにより見ることができるようにされたコントラスト
変化は対象物表面の弾性パラメータの分布の直接の写し
くＡｂｂｉｌｄ）である。

Ｖ　（２）曲線の干渉最大値と干渉最小値を定めるパラ
メータの正確な試験（Ｉｌｎｔｅｒｓｕｃｈｕｎｇ）は
、これらが試験のために使用される音響的線の周波数に
依存することを示す。曲線経過が超音波周波数ｆと超音
波焦点の対象物表面からの相対間隔２の積に依存するこ
とを特に生じる。したがって本発明は、弾性パラメータ
の表示が又周波数ｆが変えられるとき定数２において得
られることができるという別の認識を利用する。位置の
変化の代りに周波数変化は基本的に簡単にそして迅速に
行われる。周波数変化は更に差形成（Ｄｉｆｆｅｒｒｅ
ｎｚｂｉｌｄｕｎｇ’）において抑圧すべき像部分は同
じ対象物面から発しているという利点を有する。又表面
波の拡がり範囲は両方の測定において同じであるので、
表示されたコントラスト変化は尚対象物表面の局部的に
存在する弾性的材料特性に対し親密な関連を有する。

位置変化を有する方法も周波数変化を有する方法も先ず
夫々１つの完全な対象物走査を得られた像の記憶により
行う方法で実施されることができる。それはしかし必要
な記憶容量の提供のため比較的大きな費用を必要とする
。その上受像の品質に対する要求が非常に高く、それは
受像（Ｂｉｌｄａｕｆｎａｈａ＋ｅ）において一定であ
るパラメータは時間的に違った走査において変わる必要
はないからである。先ず走査点が移行される前に各走査
点で切換を行うことはしたがって有利である。

周波数変化においては受像やため使用される音響顕微鏡
の全増幅は超音波周波数の関数として変化するという事
実から付加的問題を生ずる。対象物の周波数に依存する
部分において完全な信号消滅（Ｓｉｇｎａｌａｕｓｌδ
ｓｃｈｕｎｇ　）を得るため、両方の像の振幅は夫々適
当に重きをおかれ（ｇｅｗｉｃｈｔｅｔ　）なければな
らない。

本発明による方法は図により以下に更に説明する′。特
に方法を実施するために有利な回路装置が示される。

第１図は音響顕微鏡反射装置を非常に簡単に図示してい
る。該反射装置はピエゾ電気的伝送装置（Ｕｂｅｒｔｒ
ａｇｅｒ）　２を有する音響レンズ１からなる。

この伝送装置は先ず流れ線３により示唆されるべき平な
超音波前線（ｌＪｌｔｒａｓｃｈａｌｌｗｅｌｌｅｎｆ
ｒｏｎｔ）を生ずるために役立つ。音響レンズの欠球面
（Ｋａｌ。

ｔｔｅ　）　’４は音響線束を検査すべき対象物５に焦
点を結ぶ。音響的レンズ１と対象物５との間の中間空間
はここでは図示しない液浸剤により満たされている。

対象物表面はＺｌのそばにあるべきであり、音響レンズ
ｌの焦点は面ｚ＝Ｑにある。対象物表面に当たる線３は
線３°として表面（Ｆｌｉｉｃｈｅ）で鏡のように反射
される。線３の一部は対象物に入射し焦点面から線３”
として音響レンズに戻し反射される。別の線３″は表面
波６により生ずる。音響レンズに向う全ての３つの線は
レンズ体の中で反対側の位相ずれにより伝送装置に達し
互いに干渉する平な音響波に相当する。伝送装置は音響
場を積分し音響場を電気信号に変換する。

第１図に示された線路は略図的に対象物表面の超音波検
査の場合に生ずる過程を示す。音響レンズの口径範囲に
入射する線のみが用いられる。表面波６の発生と関連す
る過程はその他では非常に複雑である。然し図から線３
″′が生ずる範囲は対象物表面の負の２位置に依存する
ことを読みとるべきである。線３″は対象物表面と焦点
面の間にある層構造により非常に強く左右される。Ｖ　
（ｚ）曲線は従って又非常に敏感に層厚さ変化に感応す
る。

周波数切換によ゛り作用する方法は対象物表面の下の層
構造によりは止んど影響されないことが判る。周波数変
化はしかも線３の入射深さと焦点位置に作用を及ぼす。

線３″の変化はしかし基本的には位置変化の場合より小
さい。しかし周波数変化の表面波６の入射深さと波長へ
の、したがって線３“′への影響が注目すべきである。

この理由から本発明により形成される差信号は周波数切
換後又対象物表面の弾性パラメータの小さな変化に感応
する。この方法はしたがって敏感である。

第２図はＶ　（ｚ）曲線の典型的経過を示す。正の２に
とって決して干渉最大値と干渉最小値が認められない。

干渉最大値と干渉最小値は負の２値のためにのみ現れる
。実線の曲線は周波数ｆ１について示し、破線で示す曲
線は周波数１２について示す。線図は再度個々の信号値
Ｖの位置変化もしくは周波数変化への依存性を明らかに
する。

対象物表面が焦点面に対し間隔−２１で配置されそして
周波数ｆ１が使用されると、値ｖ１が得られる。次いで
周波数が同じ対象物面でｆ２に変えられると、測定値は
ｖ２に変わる。同じ値ｖ２は周波数ｆ１を使用する場合
には対象物位置−２２において生ずる。信号変化は又周
波数ｆ１が保持されるとして対象物がそれに対し位置−
２２に動かされるように考慮されることが出来る。本発
明によると、差ｖ２−ｖ１が形成され像的に表示するた
めに使用される。弾性パラメータのコントラストに富ん
だ表示は又Ｖ　（ｚ）曲線が最大傾斜を有するような２
１１節から得られる。

周波数切換の方法は又対象物位置ｚ＝Ｑで行われること
ができる。この場合差形成はもっばら対象物の周波数に
依存する部分を示す。ここでは表面波の周波数に依存す
る入射深さは重要である。

合成像（ｒｅｓｕｌｔｉｅｒｅｎｄｅ　Ｂ１１ｄ　）は
したがって層厚さ構造に非常に敏感に依存し、該層厚さ
構造は表面波の入射深さの大きさの程度にある。

第３図に示される回路装置は作用周波数ｆ１とｆ２の交
互の切換を可能にする。前記回路装置は周波数ｆ１とｆ
２を有する高周波振動を生ずるための２個の伝送発信装
置１１．．１２からなる。後に接続された２路ピンスイ
ツチ（Ｚｗｅｉ−Ｋｅｇ−Ｐｉｎ−５ｃｈａｌｔｅｒ　
）　１３はこの振動を交互に後に続く導線に連結する。

ピンスイッチ１３は入力Ｂを介して回路装置に入力され
る矩形パルスにより制御される。別のピンスイッチ１４
は振動群（Ｓｃｈｈｉｎｇｕｎｇｓｚ；ｇｅｎ）周波数
ｆ、ｆ２を有する短いパルスを生ずる。スイッチ１４は
入力Ａを経てスイッチに入力される矩形パルスにより制
−′門れる。切換信号Ａｒ５ｃｈａｌ’ｔｓｉｇｎａｌ
ｅ　）は僅かの量だけ信号Ｂの切換側面（Ｓｃｈａｌｔ
ｆｌａｎｋｅｎ　）に対し時間的にずらされる。切換信
号Ａのくり返し周波数は実際にはほぼ５００ＫＨｚとな
る。

ｆ１パルスとｆ２パルスは出力増幅器（Ｌｅｉｓｔｕｎ
ｇｓｖｅｒｓｔ菖ｒｋｅｒ　）　１５にそしてサーキユ
レータ（Ｚｉｒｋｕｌａｔｏｒ）　１６を介して音響的
レンズ１７の図示しないピエゾ電気的伝送装置に前後し
て導かれる。入力導線はその後サーキュレータ１６によ
り阻止されるので、音響レンズ１７により受取られたｆ
１測定信号とｆ２測定信号は回路装置の入力部分に妨害
なく導入されることができる。

入力部分は予増幅器（ＶｏｒｖｅｒｓｔＷｒｋｅｒ　）
　１８と後に続くスーパーへテロダイン回路を含む。こ
れは１つの混合部材１９と２個の局部発振器２０゜２１
と２路ピンスイツチ２２と中間周波数増幅器２３とから
なる。スーパーヘテロゲイン回路には局部発振器の周波
数が、局部発振器周波数と伝送発振器周波数（ｊｂｅｒ
ｔｒａｇｅｒ−Ｏｓｚｉｌｌａｔｏｒ−ｆｒｅｑｕｅｎ
ｚ）との間の差周波数が中間周波数増幅器２３の中間周
波数ｆＭに同じであるように同調されなければならない
。このことは提案された方式において周波数ｆ１±ｆ＠
とｆ２±ｆＭを有する２個の局部発振器２０．２１が差
し込まれ、該局部発振器は伝送発振器１１．１２のよう
に周波数（ｄｅｒｓｅｌｂｅｎ　）を交替する回路シー
ケンスＢを有するピンスイッチ２２を介して混合部材１
９に有効にされることにより達成される。この方法で中
間周波数増幅器２３の入力にいつも同じ周波数がある。

信号出力Ｃはビデオ信号を発生するため高周波ダイオー
ド２４と接続されている。

中間周波数増幅器２３の信号出力Ｃにパルスが現れ、該
パルスの振幅は２個の違った周波数のための音響顕微鏡
測定信号を互違いの連続で表示する。パルスの比較的高
い繰返し周波数が存在し、そして比較的ゆっくりした機
械的走査（ｘ／ｙ走査）が使用されるので、前後して続
くパルスは同じ対象物点から出ることを考察されること
ができる。

第４図に示された回路装置では両方の伝送発振器と両方
の局部発信器とは夫々電圧調整された発振器（ＶＣＯ）
４０．４１により置き換えられている。発振幅器４０．
４１の周波数制御のための入力信号は周波数切換信号Ｂ
から導かれる。中間接続された増幅器４２．４３により
直流電圧レベルと矩形波の振幅は両方の発振器の差周波
数が中間周波数増幅器２３の中間周波数ｆ−に同じであ
るように定められる。

前後に続くｆ１測定信号パルスとｆ２測定信号パルスの
振幅差の発生のため、例えば第５図と６図に示される回
路装置の１つが使用される。

第５図には測定信号を導く導線Ｃに２つのサンプルアン
ドホールド構成要素（Ｓａｍｐｌｅ　＆　Ｈｏ１ｄ−Ｂ
ａｕｓｔｅｉｎｓ　）が一方がｆ１測定パルスのみを他
方がｆ２測定パルスのみを集めるように接続されて　′
いる。サンプルアンドホールド構成要素５０．５１はそ
れに対し２個のアンドゲート５２，５３により回路信号
ＡとＢに依存して開かれる。信号Ａはその際遅延ユニッ
ト５４に音響レンズ１７の印加信号と測定信号の入力と
の間の経過時間だけ尚遅延されることができる。

サンプル　アンド　ホールド構成要素５０．５１の出力
に生ずる相当する（ａｎａｌｏｇ）測定信号は調節可能
なポテンショメータ５５．５６の補助により重さを加え
られ（ｇｅｎｉｃｈｔｅｔ　）る。この重さくＧｅｗｉ
ｃｈｔｕｎｇ）は対象物の全ての周波数に依存する部分
のために差形成器５７に後に続く減法を生するように定
められることができる。必要な重さくＧｅｓｖｉｃｈｔ
ｕｎｇ）は線走査（Ｘ走査）の考慮により手動で調節さ
れることができる。

第６図に示された回路装置においてはｆ１測定パルスと
ｆ２測定パルスが四象限アナログ掛算器６０に与えられ
る。掛算器は周波数切換信号Ｂにより制御され、その直
流電圧レベルはスイッチ要素？Ｓｃｈａｌｔｕｎｇｓｅ
ｌｅｉｉｅｎｔ　）　６１で矩形波の正及び負振幅を調
節することができるように高められる。

掛算器６０では信号Ｂの正の振幅値を有するｆ１測定パ
ルスと信号Ｂの負の振幅値を有するｆ２測定パルスが掛
算される。直流電圧レベルのずれにより測定パルスは又
違った状態に重さを加えられる′　（ｇｅｕｉｃｈｔｅ
ｔ　）ａ 掛算器６０の出力ではパルス列は交互の正と負の測定値
から生じ、該パルス列は前後して低減フィルタ６２を通
過する。この低減フィルタは結果として差形成器と同じ
効果を有する。

第５図と６図による類似の差形成器回路は当然又測定信
号列のために挿入されることができ、該測定信号列は互
違いの２位置調節において信号人力Ｃに生ずる。制御信
号Ｂはその際音響レンズ１７の夫々の焦点位置を限定し
、該焦点位置は好都合には載物台の適当な２１１節によ
りレンズがＸ／ｙ走査運動を行うときに発生される。例
えばピエゾ電気的載物台調節は２方向には適当している
。

多くの使用例のためには測定信号を夫々デジタル値に変
換することと、差形成及び場合によっては信号の重さく
Ｇｅｗｉｃｈｔｕｎｇ）を１つの計算器で実施すること
が又好都合である。そのことは特に１つの面からのもし
くは１つの周波数における対象物走査に尚音響像分析が
接続されるべきときに有利である。

【図面の簡単な説明】

第１図は線過程を略図で示する音響顕微鏡反射装置の図
、第２図は別の周波数のためのＶ　（ｚ）曲線の略図、
第３図は交互に周波数切換のための回路装置の図、第４
図は交互の周波数切換のための別の回路装置の図、第５
図は測定パルスの重さくＧｅＮｉｃｂｔｕｎｇ）をもつ
振幅差を発生するための回路装置の図、第６図は差形成
のための別の回路装置の図である。 １・・・音響レンズ　２・・・伝送装置３、　３’　、
３　”、３”’・・・線路第３図 ２

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １１）　焦点合わされた音響線束により対象物表面を走
   査し、対象物表面で鏡のように反射された超音波線と表
   面波の印加後対象物表面から生ずる超音波線との間の干
   渉を確認することにより対象物表面に弾性パラメータを
   表示する方法において、対象物表面に対し相対的に違っ
   た焦点位置で対象物表面を２つの格子状走査を実施し、
   同じ格子点に関連する反射信号から差信号が形成されそ
   してこの差信号が表示のために使用されることを特徴と
   する方法。 （２）焦点位置が少なくとも１つの格子点に出来るだけ
   大きな差信号が生ずるように選択されることを特徴とす
   る特許請求の範囲第１項に記載の方法。 （３）　焦点合わされた音響線束により対象物表面を走
   査することと、対象物表面で鏡のように反射された超音
   波線と表面波の印加後対象物表面から生ずる超音波線と
   の間の干渉の確認により対象物表面に弾性パラメータを
   表示する方法において、違った周波数の音響線束による
   前後して続く走査が実施され、同じ格子点に関連する反
   射信号から１つの差信号が形成されこの差信号が表示に
   使用されることを特徴とする方法。 （４）焦点位置が対象物表面に対し相対的に選択され、
   該対象物表面に少なくとも１つの格子点に出来るだけ大
   きな差信号が１つの超音波周波数から他の超音波周波数
   への移行の際に生ずることを特徴とする特許請求の範囲
   第３項に記載の方法。 （５）違った焦点位置への調節もしくは別の周波数への
   切換が夫々対象物表面の完全な走査後に実施されること
   を特徴とする特許請求の範囲第１項から第４項のいずれ
   か１つに記載の方法。 （６）１つの焦点位置もしくは１つの周波数に関連する
   全反射信号が先ず記憶されその後差信号が格子点におい
   て形成され表示されることを特徴とする特許請求の範囲
   第１項から第５項のいずれか１つに記載の方法。 （７）　差形成前の信号組の１つが重さファクター（Ｇ
   ｅＨ３ｃｈｔｕｎｇｓｆａｋｔｏｒ　）で重畳されるこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第１項から第６項のいず
   れか１つに記載の方法。 （８）　違った焦点位置への調節もしくは別の周波数へ
   の切換が夫々格子点態様で実施されることを特徴とする
   特許請求の範囲第１項から第７項のいずれか１つに記載
   の方法。 （９）走査の間交互に生ずるアナログ測定信号が直接差
   形成器に供給されることを特徴とする特許請求の範囲第
   １項から第８項のいずれか１つに記載の方法。