JP4806739B2

JP4806739B2 - 相関演算方式光マイクロホン

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Publication number: JP4806739B2
Application number: JP2006118523A
Authority: JP
Inventors: 義人園田; 一彦河原; 泰輔澤田
Original assignee: Tokai University Educational System
Current assignee: Tokai University Educational System
Priority date: 2006-04-21
Filing date: 2006-04-21
Publication date: 2011-11-02
Anticipated expiration: 2026-04-21
Also published as: JP2007295131A

Description

本発明は、レーザー光線が音波や超音波と接触することにより発生する回折波又は偏向波を利用した光マイクロホンに関する。

音波及び超音波の検出もしくは測定には、電磁型マイクロホン、静電型マイクロホン、圧電素子などのように、電気機械的な原理に基づくものが良く知られている。これらのマイクロホンは、危険な場所や高電磁界環境下、あるいは、防爆地域などへ適用することが困難であつた。また、この種のマイクロホンは、固定された物体を集音場所に設置しなければならないので、音場を乱したり、設置条件に制約を受けたりすることも多い。

さらに、この種のマイクロホンは、機械的振動部分を有しているので、多数回の繰り返し使用で、その特性が変化し、又は、非常に強力な音波が入力すると、振動部分が破壊したりする可能性もある。

そこで、本発明者は、上述の問題を解決するために、回折波又は偏向波を検出して電気信号に変換する光電変換素子を用いた振動板のない光マイクロホンを開発した（特開平８−２６５２６２号公報、特許文献１）。これにより実用的な光マイクロホンを提供することができた。

ここで、本発明者が開発した特許文献１に開示された従来の光マイクロホンの動作及び計測原理について説明する。この光マイクロホンは、レーザー光線を測定用ビームとして用い、空気中を伝搬する音波の位相変調作用によって生じる極微弱回折光を観測面（受光レンズの後方焦点面）で光検出器によって受光し、音信号を電気信号に変換するものである。

図１０に、光マイクロホンの動作及び計測原理を示す。光マイクロホンにおいて、音波検出用光ビーム部｛レーザービーム（レーザー光線）｝に音波が入射した場合、観測面では音波伝搬方向と平行な軸上に２つの山形回折光分布（回折像）が生じる。この２つの山形の回折光分布（回折像）の片方に光検出器を置くか、又はそれら２つの山形の回折光分布（回折像）にそれぞれの検出器を置き両者の出力信号を差動増幅することで、音信号を電気信号に変換する。

図１１を参照する。図１１には、特許文献１に開示されている従来の光マイクロホンの構成が示されている。図１１に示すとおり、従来の光マイクロホンは、レーザー光源部１と、出射系光学部品２を構成するレンズ２１及び２２と、受光系光学部品３を構成するレンズ３１、３２及び３３と、検出器を構成する光ダイオード４１とを有している。従来の光マイクロホンは、出射系光学部品２と受光系光学部品３との間をレーザー光線Ｌの空気中伝播路５としていて、この伝播路５の中でレーザー光線Ｌに外部から音波又は超音波が接触させられる。

また、光ダイオード４１で電気信号に変換された出力信号は、信号処理部（図示せず）に入力されて、必要な信号処理が施され、その後、解析機器又はスピーカなどに送出される。

レーザー光源部１から発射されたレーザー光線Ｌは、レンズ２１及び２２により集光及び拡散されて所定径のビームに整形され、受光系光学部品３のレンズ３１に入射する。この受光系光学部品３は、フーリエ光学系を構成しており、この光学部品３を通過したレーザー光線Ｌは、フーリエ変換されて光ダイオード４１に入射する。

受光系光学部品３の第１番目のレンズ３１によりレーザー光線Ｌがフーリエ変換され、それ以後のレンズ３２及び３３によりレーザー光線Ｌのビームサイズが光ダイオード４１の受光面積よりも十分大きくなるように調整される。回折波又は偏向波は、レーザー光線Ｌの透過ビームの中心軸を対称軸としてレッドシフト波とブルーシフト波とが左右に１個ずつ存在し、両者がお互いに位相が反転しており、両者を光ダイオード４１で取り込むと、相殺されて非常に微弱な出力しか得られない。

そこで、図１１に示す従来の光マイクロホンでは、いずれか一方の成分のみを取り込むようにするために、透過ビームの中心軸からオフセットした位置に光ダイオード４１を設置している。回折波又は偏向波の成分を抽出するには、例えば、光ダイオード４１で透過レーザー光線を局部成分として、ホモダイン検波すると、被測定波動の周波数で振動する電気信号が得られる。

また、特許文献１に開示されている従来の光マイクロホンの別の例を図１２に示す。図１２に示す従来の光マイクロホンでは、検出器４は、２個の光ダイオード４１及び４２で構成されている。一方の光ダイオード４１は、図１２に示す例と同じ位置に設置され、回折波又は偏向波の相互に位相が反転している２つの成分のうちの一方を検出する。

また、他方の光ダイオード４２は、透過ビームの中心軸から逆の方向にオフセットした位置にあって、他方の成分のみを検出するようになっており、この光ダイオード４２には、検出した信号を１８０°位相転換する位相変換器４３が接続されていて、位相変換された出力信号が光ダイオード４１の出力信号と合成されるようになっている。

図１２のように構成された光マイクロホンによれば、検出器４は、回折波又は偏向波の相互に位相が反転している２つの成分を個別に受光する一対の光ダイオード４１、４２から構成され、一方の光ダイオード４２の出力信号の位相を逆位相に位相変換器４２で変換して、他方の光ダイオード４１の出力信号と合成するので、検出信号の出力が大きくなる。
特開平８−２６５２６２号公報

しかしながら、特許文献１に開示された従来の光マイクロホンでは、音を検出するためのレーザー光線で受ける全ての音を検出（積分）するため、レーザー光線の光軸方向における音の空間分解能（又は音の位置の分解能）がないという問題がある。

また、特許文献１に開示された従来の光マイクロホンでは、音を検出するためのレーザー光線で受ける全ての音を検出（積分）することにより信号強度を稼いでおり、レーザー光線のビーム長を短くする場合には検出する信号強度が低下し、かつ、ＳＮ比が低下するため、小型化に適していないという問題がある。

そこで、本発明は、従来の光マイクロホンにおける上述の課題を鑑みてなされてものであり、レーザー光線の光軸方向における音の空間分解能（又は音の位置の分解能）がある光マイクロホンを提供することを目的とする。

また、本発明は、レーザー光線のビーム長を短くする場合にも検出する信号強度及びＳＮ比を維持することができ、かつ、このため小型化に適している光マイクロホンを提供することを目的とする。

本発明の一実施形態は、所定波長の一対のレーザー光線を発射する一対のレーザー光源部と、前記一対のレーザー光源部から発射され空気中伝搬路の空気中を伝播する前記一対のレーザー光線を受光する一対の受光系光学部品と、前記一対のレーザー光源部から発射される前記一対のレーザー光線から当該レーザー光線が空気中を伝播する時に音波又は超音波と接触することで発生する回折波又は偏向波を検出して電気信号に変換する一対の光電変換素子と、前記一対の光電変換素子からの出力信号を受けて当該出力信号に基づいて相互相関値を生成する相互相関値計算装置と、を具備し、前記一対のレーザー光源部は、前記空気中伝搬路の空気中を伝播する前記一対のレーザー光線が実質的に交差するように配置され、前記相互相関値計算装置は、前記一対のレーザー光線の交点における前記回折波又は前記偏向波を示す前記一対の光電変換素子からの前記出力信号の音信号の前記相互相関値を生成する構成を採る。

また、本発明の一実施形態は、所定波長の複数対のレーザー光線を発射する複数対のレーザー光源部と、前記複数対のレーザー光源部から発射され空気中伝搬路の空気中を伝播する前記複数対のレーザー光線を受光する複数の受光系光学部品と、前記複数対のレーザー光源部から発射される前記複数対のレーザー光線から当該複数対のレーザー光線が空気中を伝播する時に音波又は超音波と接触することで発生する複数の回折波又は複数の偏向波を検出して電気信号に変換する複数の光電変換素子と、前記複数の光電変換素子からの複数の出力信号を受けて当該複数の出力信号に基づいて複数の相互相関値を生成する相互相関値計算装置と、を具備し、前記複数対のレーザー光源部の各対のものは、前記空気中伝搬路の空気中を伝播する前記各対のレーザー光線が実質的に交差するように配置され、前記相互相関値計算装置は、前記複数対のレーザー光線の複数の交点における前記複数の回折波又は前記複数の偏向波を示す前記複数の光電変換素子からの前記複数の出力信号の複数の音信号の前記複数の相互相関値を生成する構成を採る。

また、前記複数対のレーザー光源部、前記複数の受光系光学部品及び前記複数の光電変換素子は、２次元状に配置されているようにしてもよい。

また、前記複数対のレーザー光源部、前記複数の受光系光学部品及び前記複数の光電変換素子は、３次元状に配置されているようにしてもよい。

また、前記複数の光電変換素子と前記相互相関値計算装置との間に接続されている選択装置をさらに具備し、前記選択装置は、前記複数の光電変換素子からの前記複数の出力信号の少なくとも２以上の出力信号を選択して前記相互相関値計算装置に与えるようにしてもよい。

また、前記選択装置は、マルチプレクサで構成されているようにしてもよい。

本発明によれば、音の検出を点で行うことができるため、レーザー光線の光軸方向における音の空間分解能（又は音の位置の分解能）がある。また、本発明によれば、音の検出を点で行うことができるため、レーザー光線のビーム長を短くする場合にも検出する信号強度及びＳＮ比を維持することができ、かつ、このため小型化に適している。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、本発明は、以下の実施の形態に限定されるわけではない。

（実施形態１）
図１は、本発明の実施形態１に係る光マイクロホンの構成を示す斜視図である。

図１に示すように、本発明の実施の形態１に係る光マイクロホン１００は、一対のレーザー光源部１０１、１０２と、一対の受光系光学部品１０３、１０４と、一対の光電変換素子１０５、１０６と、相互相関値計算装置１０７と、を具備している。一対の光電変換素子１０５、１０６と相互相関値計算装置１０７とは、信号線１０８、１０９で接続されている。本実施形態においては、一対のレーザー光源部１０１、１０２から発射されるレーザー光線Ｌ１、Ｌ２は、互いに概略直交している。

図２は、本発明の実施形態１に係る光マイクロホン１００の１つの光学系を示す図である。図３は、本発明の実施形態１に係る光マイクロホン１００の他の光学系を示す図である。

図２及び図３に示すように、アッテネータ１１０、１１１は、一対のレーザー光源部１０１、１０２と一対の受光系光学部品１０３、１０４との間に配置されている。この光マイクロホン１００は、アッテネータ１１０、１１１と受光系光学部品１０３、１０４との間をレーザー光線Ｌ１及びＬ２の空気中伝播路１１２−１及び１１２−２としている。この空気中伝播路１１２−１及び１１２−２の中で、レーザー光線Ｌ１及びＬ２は、外部から入射する音波又は超音波を接触させられる。

受光系光学部品１０３は、３つの結像レンズ１０３１、１０３２、１０３３で構成されている。３つの結像レンズ１０３１、１０３２、１０３３は、これらの光軸がレーザー光線Ｌ１の中心軸と合うように配置されている。また、受光系光学部品１０４は、３つの結像レンズ１０４１、１０４２、１０４３で構成されている。３つの結像レンズ１０４１、１０４２、１０４３は、これらの光軸がレーザー光線Ｌ２の中心軸と合うように配置されている

一対のレーザー光源部１０１、１０２は、所定波長の一対のレーザー光線Ｌ１、Ｌ２を発射する。一対のレーザー光源部１０１、１０２は、空気中伝搬路１１２−１、１１２−２の空気中を伝播する一対のレーザー光線Ｌ１、Ｌ２が実質的に直交するように配置されている。アッテネータ１０８、１０９は、一対のレーザー光源部１０１、１０２からの一対のレーザー光線Ｌ１、Ｌ２を受けて強度を調整して空気中伝搬路１１２−１、１１２−２に送出する。

受光系光学部品１０３は、レーザー光源部１０１から発射され空気中伝搬路１１０の空気中を伝播する一対のレーザー光線Ｌ１を受光する。図２に示す受光系光学部品１０３の結像レンズ１０３１、１０３２、１０３３は、レーザー光源部１０１からのレーザー光線Ｌ１を集光及び拡散して所定径のレーザー光線に整形してこのレーザー光線を光電変換素子１０５に与える。結像レンズ１０３１、１０３２、１０３３は、レーザー光源部１０１からのレーザー光線Ｌ１をフーリエ変換するフーリエ光学系を構成している。

図３に示すように、受光系光学部品１０４は、レーザー光源部１０２から発射され空気中伝搬路１１２−２の空気中を伝播する一対のレーザー光線Ｌ２を受光する。図３に示す受光系光学部品１０４の結像レンズ１０４１、１０４２、１０４３は、レーザー光源部１０２からのレーザー光線Ｌ２を集光及び拡散して所定径のレーザー光線に整形してこのレーザー光線を光電変換素子１０６に与える。結像レンズ１０４１、１０４２、１０４３は、レーザー光源部１０２からのレーザー光線Ｌ２をフーリエ変換するフーリエ光学系を構成している。

レーザー光源部１０１、１０２から発射されるレーザー光線Ｌ１、Ｌ２は、空気中伝播路１１２に放出される。このときのレーザー光線Ｌ１、Ｌ２のビーム径は、空間を伝播させる条件を考慮すると、空気中伝播路１１２−１、１１２−２の長さによっても異なるが、例えば、直径が数ｍｍから数十ｍｍ程度の範囲が望ましい。レーザー光源部１０１、１０２から発射されるレーザー光線Ｌ１，Ｌ２が、空気中伝播路１１２−１、１１２−２の中で音波又は超音波と接触すると、その場所で回折波が発生する。この場合、レーザー光線Ｌ１、Ｌ２のビーム径に対して、音波（超音波）の波長が非常に長い場合には、この回折波は、偏向波と呼ばれる状態に変化する。

一対の光電変換素子１０５、１０６は、一対のレーザー光源部１０１、１０２から発射される一対のレーザー光線Ｌ１、Ｌ２から当該レーザー光線Ｌ１、Ｌ２が空気中を伝播する時に音波又は超音波と接触することで発生する回折波又は偏向波を受光系光学部品１０３、１０４を介して受け検出して電気信号に変換する。

図１に示す相互相関値計算装置１０７は、一対の光電変換素子１０５、１０６からの出力信号を受けて当該出力信号に基づいて相互相関値を生成する。詳細には、相互相関値計算装置１０７は、一対の光電変換素子１０５、１０６からの出力信号を受けて、一対のレーザー光線Ｌ１、Ｌ２の交点における回折波又は偏向波を示す一対の光電変換素子１０５、１０６からの出力信号の音信号の相互相関値を生成する。

次に、相互相関値計算装置１０７が一対の光電変換素子１０５、１０６からの出力信号の音信号の相互相関値を生成することについて詳細に説明する。

音信号の相互相関値の測定においては、一対のレーザー光線Ｌ１、Ｌ２の交点に位置する音による相関が強く現れる。一対のレーザー光線Ｌ１、Ｌ２の交点の付近に音源がある場合には、一対の光電変換素子１０５、１０６が受ける一対のレーザー光線Ｌ１、Ｌ２には相関の大きい音信号が含まれる。また、一対のレーザー光線Ｌ１、Ｌ２の交点から離れた位置に音源がある場合には、一対の光電変換素子１０５、１０６が受ける一対のレーザー光線Ｌ１、Ｌ２には相関の小さい音信号が含まれる。

空気中の音速と光速とを比較すると光速の方がはるかに速いから、レーザー光線に添った音圧積分は瞬時に行われると仮定してよい。したがって、次の（式１）で示す相互相関関数の定義による相互相関値の計算の時間τをτ＝０とする相互相関値のみを調べればよい。

相互相関値の計算時には、対象となる周波数帯域よりも低い周波数の信号があると、この信号が直流的バイアス成分となるため適切な相互相関値の計算ができないから、必要な周波数帯域の信号のみを使って計算するフィルタリング処理を相互相関値の計算処理の前処理として行えばよい。

次に、一対のレーザー光線Ｌの交点の音の再生について、詳細に説明する。

ｒ_ｘｙ（τ）のフーリエ変換式は、次の（式２）で表される。

光電変換素子１０５、１０６の一方の出力信号のフーリエ変換式は、次の（式３）で表される。

一対のレーザー光線Ｌの交点の音圧時間信号の近似値Ｓ_００（ｔ）は、次の（式４）で表される。

ｒ_ｘｙ（τ）及びＲ_ＸＹ（ω）は信号のエネルギーに比例する量であるから、信号の周波数の次元にするには、前述のように√｛Ｒ_ＸＹ（ω）｝の演算を行う。

時間信号にもどすには周波数領域の位相情報が必要であるが、前述のように簡易なスペクトルサブトラクション法による信号強調信号の抽出を行えば音圧時間信号の近似値Ｓ_００（ｔ）が得られる。すなわち、簡易な位相情報としてＳ_Ｘ（ω）の位相情報がそのままに√｛Ｒ_ＸＹ（ω）｝の位相情報とされ、逆フーリエ変換を行うことにより音圧時間信号の近似値Ｓ_００（ｔ）が得られる。

次に、本発明の実施形態１に係る光マイクロホン１００の相互相関値計算装置１０７について、詳細に説明する。図４は、本発明の実施の形態１に係る相関演算方式光マイロホン１００の相互相関値計算装置１０７の構成を示すブロック図である。

図４に示す相互相関値計算装置１０７は、２つのアンプ１０７１、１０７２、２つのフィルタ１０７３、１０７４、２つのＡＤ変喚器１０７５、１０７６及び相互相関値計算処理部１０７７を具備している。

アンプ１０７１は、光電変換素子１０５からのアナログの出力信号を受けて増幅してフィルタ１０７３に与える。フィルタ１０７３は、アンプ１０７１からのアナログの出力信号から対象となる周波数帯域よりも低い周波数の信号を除去してＡＤ変喚器１０７５に与える。ＡＤ変喚器１０７５は、フィルタ１０７３からのアナログの出力信号をデジタルの信号に変換してこのデジタルの信号を相互相関値計算処理部１０７７に与える。

アンプ１０７２は、光電変換素子１０６からのアナログの出力信号を受けて増幅してフィルタ１０７４に与える。フィルタ１０７４は、アンプ１０７２からのアナログの出力信号から対象となる周波数帯域よりも低い周波数の信号を除去してＡＤ変喚器１０７６に与える。ＡＤ変喚器１０７６は、フィルタ１０７４からのアナログの出力信号をデジタルの信号に変換してこのデジタルの信号を相互相関値計算処理部７７に与える。相互相関値計算処理部１０７７は、ＡＤ変喚器１０７５、１０７６からのデジタルの信号に基づいて前記（式１）から前記（式４）の演算処理を実行して音圧時間信号の近似値Ｓ_００（ｔ）を生成する。相互相関値計算処理部１０７７は、例えば、コンピュータで構成されている。

次に、本発明の実施形態１に係る光マイクロホン１００の相互相関値計算装置１０７の相互相関値計算処理部１０７７について、詳細に説明する。図５は、本発明の実施形態１に係る相関演算方式光マイロホン１００の相互相関値計算装置１０７の相互相関値計算処理部１０７７を示すブロック図である。

図５に示すように、相互相関値計算処理部１０７７は、位相情報生成部１０７７１、相互相関値生成部１０７７２、フーリエ変換部１０７７３、振幅情報生成部１０７７４、合成部１０７７５、逆フーリエ変換部１０７７６及び再生信号出力部１０７７７を具備している。

位相情報生成部１０７７１は、ＡＤ変喚器１０７５からのデジタルの信号を受けて前記（式３）で示すＳ_Ｘ（ω）の位相情報を生成して合成部１０７７５に与える。相互相関値生成部１０７７２は、ＡＤ変喚器１０７６からのデジタルの信号を受けて前記（式１）で示す相互相関値ｒ_ＸＹ（τ）を生成してフーリエ変換部１０７７３に与える。

フーリエ変換部１０７７３は、相互相関値生成部１０７７２からの相互相関値ｒ_ＸＹ（τ）を前記（式２）で示すフーリエ変換を行って振幅情報生成部１０７７４に与える。振幅情報生成部１０７７４は、フーリエ変換部１０７７３からの信号を受けてこの信号の所定の周波数領域での振幅情報を生成して合成部１０７７５に与える。

合成部１０７７５は、位相情報生成部１０７７１からの位相情報と振幅情報生成部１０７７４からの振幅情報とを合成して逆フーリエ変換部１０７７６に与える。逆フーリエ変換部１０７７６は、合成部１０７７５からの信号を受けて逆フーリエ変換して前記（式４）で示す音圧時間信号の近似値Ｓ_００（ｔ）である再生信号を生成して再生信号出力部１０７７７に与える。再生信号出力部１０７７７は、音声信号処理機器、音声信号解析機器又はスピーカ等に再生信号を出力する。

なお、本発明の光マイクロホンで使用できるレーザー光線Ｌは、可視領域から赤外領域まで広範囲のものが使用でき、任意波長のレーザー光線Ｌを用途に合わせて選択する。

また、本発明の実施の形態１は、アッテネータ１１０、１１１の代わりに複数のレンズを有する出射系光学部品を有するように構成されてもよい。これらの出射系光学部品は、レーザー光源部１０１、１０２からのレーザー光線Ｌを集光及び拡散して所定径のレーザー光線に整形してこのレーザー光線を空気中伝播路１１２に送出する。本発明の実施の形態１においては、アッテネータ１１０、１１１は削除されてもよい。

また、本発明の実施形態１の光電変換素子は、レーザー光線を検出し電気信号を出力することのできる光電変換素子であれば如何なる素子で構成しても良く、例えば、光ダイオード又はフォトトランジスタ等で構成してもよい。

本発明の実施形態１によれば、音の検出を点で行うことができるため、レーザー光線の光軸方向における音の空間分解能（又は音の位置の分解能）がある。また、本発明の実施の形態１によれば、音の検出を点で行うことができるため、レーザー光線のビーム長を短くする場合にも検出する信号強度及びＳＮ比を維持することができ、かつ、このため小型化に適している。

（実施の形態２）
次に、本発明の実施の形態２について、図面を参照して詳細に説明する。図６は、本発明の実施の形態２に係る光マイクロホンの構成を示すブロック図である。本発明の実施の形態２においては、本発明の実施の形態１と同じ構成要素には同じ参照符号が付されてその説明が省略される。

図６に示すように、本発明の実施の形態２に係る光マイクロホン２００は、複数対のレーザー光源部Ｘ１、…、ＸＮ、Ｙ１、…、ＹＮ、複数の受光系光学部品ＲＸ１、…、ＲＸＮ、ＲＹ１、…、ＲＹＮ、複数の光電変換素子ＰＸ１、…、ＰＸＮ、ＰＹ１、…、ＰＹＮ及び相互相関値計算装置２０１を具備している。なお、本実施の形態２においては、Ｘ方向のレーザー光源部の数とＹ方向のレーザー光源部の数とは、共にＮ個としたが、これに限定されるわけではなく、それぞれのレーザー光源部の数は任意であり、Ｘ方向のレーザー光源部の数とＹ方向のレーザー光源部の数とが異なるようにしてもよい。

本発明の実施の形態２に係る光マイクロホン２００は、複数対のレーザー光源部Ｘ１、…、ＸＮ、Ｙ１、…、ＹＮ、複数の受光系光学部品ＲＸ１、…、ＲＸＮ、ＲＹ１、…、ＲＹＮ、複数の光電変換素子ＰＸ１、…、ＰＸＮ、ＰＹ１、…、ＰＹＮが、２次元状に配置されているものである。

レーザー光源部Ｘ１、…、ＸＮとレーザー光源部Ｙ１、…、ＹＮとは、レーザー光源部１０１、１０２と同じものである。レーザー光源部Ｘ１、…、ＸＮとレーザー光源部Ｙ１、…、ＹＮとの各対は、空気中伝搬路１１０の空気中を伝播する各対のレーザー光線Ｌが実質的に直交するように配置されている。

複数の受光系光学部品ＲＸ１、…、ＲＸＮ、ＲＹ１、…、ＲＹＮは、受光系光学部品１０３、１０４と同じものである。複数の受光系光学部品ＲＸ１、…、ＲＸＮ、ＲＹ１、…、ＲＹＮは、レーザー光源部Ｘ１、…、ＸＮ、Ｙ１、…、ＹＮから発射され空気中伝搬路１１０の空気中を伝播する複数対のレーザー光線Ｌを受光する。

複数の光電変換素子ＰＸ１、…、ＰＸＮ、ＰＹ１、…、ＰＹＮは、複数対のレーザー光源部Ｘ１、…、ＸＮ、Ｙ１、…、ＹＮから発射される複数対のレーザー光線Ｌから当該複数対のレーザー光線Ｌが空気中を伝播する時に音波又は超音波と接触することで発生する複数の回折波又は複数の偏向波を検出して電気信号に変換する。

相互相関値計算装置２０１は、複数の光電変換素子ＰＸ１、…、ＰＸＮ、ＰＹ１、…、ＰＹＮからの複数の出力信号を受けて当該複数の出力信号に基づいて複数の相互相関値を生成する。詳細には、相互相関値計算装置２０１は、複数対のレーザー光源部Ｘ１、…、ＸＮ、Ｙ１、…、ＹＮからの複数対のレーザー光線の複数の交点における複数の回折波又は複数の偏向波を示す複数の光電変換素子ＰＸ１、…、ＰＸＮ、ＰＹ１、…、ＰＹＮからの複数の出力信号の複数の音信号の複数の相互相関値を生成する。相互相関値計算装置２０１が複数の相互相関値の１つのものを生成する演算処理は、本発明の実施の形態１の演算処理と同じである。

本発明の実施の形態２に係る光マイクロホン２００は、複数対のレーザー光源部Ｘ１、…、ＸＮ、Ｙ１、…、ＹＮからの複数対のレーザー光線の複数の交点における複数の回折波又は複数の偏向波を示す複数の光電変換素子ＰＸ１、…、ＰＸＮ、ＰＹ１、…、ＰＹＮからの複数の出力信号の複数の音信号の複数の相互相関値を生成するため、音源が複数対のレーザー光線の複数の交点のいずれの位置に存在するかを正確に検出することができる。

例えば、本発明の実施の形態２に係る光マイクロホン２００は、複数対のレーザー光線の複数の交点の音信号の検出値に基づいて、図７に示すように音信号の大きさを立体的に表示すると、どの位置に音源が存在するかが容易に判別することができる。図７に示す例は、複数対のレーザー光源部Ｘ１、…、ＸＮ、Ｙ１、…、ＹＮにおいて、Ｎ＝５とした例である。図７に示す例においては、音源は、レーザー光源部Ｘ２及びＹ３の交点に存在することが容易に分かる。

本発明の実施の形態２によれば、音の検出を点で行うことができるため、レーザー光線の光軸方向における音の空間分解能（又は音の位置の分解能）がある。また、本発明の実施の形態２によれば、音の検出を点で行うことができるため、レーザー光線のビーム長を短くする場合にも検出する信号強度及びＳＮ比を維持することができ、かつ、このため小型化に適している。また、本発明の実施の形態２によれば、所定の２次元状の領域において音の検出を点でリアルタイムに行うことができる。

また、従来の振動板を用いたマイクロホンにおいては多数のマイクロホンを並べて測定密度が高い（測定間隔が狭い）測定を行う場合にマイクロホン自体の物体が大きいため音波の回折及び散乱の影響が無視できないため高い周波数では精度の高い測定を行うことができなかった。これに対し、本発明の実施の形態２によれば、音の検出を点で行うことができるため、測定面（測定場）の測定点を密にとることができる。

（実施の形態３）
次に、本発明の実施の形態３について、図面を参照して詳細に説明する。図８は、本発明の実施の形態３に係る光マイクロホンの構成を説明するための図である。本発明の実施の形態３においては、本発明の実施の形態２と同じ構成要素には同じ参照符号が付されてその説明が省略される。

図８に示すように、本発明の実施の形態３に係る光マイクロホン３００は、本発明の実施の形態２に係る光マイクロホン２００において、複数の光電変換素子ＰＸ１、…、ＰＸＮ、ＰＹ１、…、ＰＹＮと相互相関値計算装置２０１との間に接続されている選択装置３０１、３０２をさらに具備している。選択装置３０１、３０２は、複数の光電変換素子ＰＸ１、…、ＰＸＮ、ＰＹ１、…、ＰＹＮからの複数の出力信号の少なくとも２以上の出力信号を選択して相互相関値計算装置２０１に与える。選択装置は、例えば、マルチプレクサで構成されている。なお、本実施の形態３においては、Ｘ方向のレーザー光源部の数とＹ方向のレーザー光源部の数とは、共にＮ個としたが、これに限定されるわけではなく、それぞれのレーザー光源部の数は任意であり、Ｘ方向のレーザー光源部の数とＹ方向のレーザー光源部の数とが異なるようにしてもよい。

本発明の実施の形態３に係る光マイクロホン３００は、本発明の実施の形態２に係る光マイクロホン２００と同じ効果を有し、かつ、所望の２次元状の領域において音の検出を点でリアルタイムに行うことができる。

（実施の形態４）
次に、本発明の実施の形態４について、図面を参照して詳細に説明する。図９は、本発明の実施の形態４に係る光マイクロホンの構成を説明するための図である。本発明の実施の形態４においては、本発明の実施の形態２と同じ構成要素には同じ参照符号が付されてその説明が省略される。

図９に示すように、本発明の実施の形態４に係る光マイクロホン３００は、本発明の実施の形態２に係る光マイクロホン２００を３次元状（複数段状）に配置して構成されている。図９においては、１つの光マイクロホン２００の一部のみが図示されている。

本発明の実施の形態４によれば、音の検出を点で行うことができるため、レーザー光線の光軸方向における音の空間分解能（又は音の位置の分解能）がある。また、本発明の実施の形態３によれば、音の検出を点で行うことができるため、レーザー光線のビーム長を短くする場合にも検出する信号強度及びＳＮ比を維持することができ、かつ、このため小型化に適している。また、本発明の実施の形態４によれば、所定の３次元的な空間において音の検出を点でリアルタイムに行うことができる。

なお、本発明の実施の形態４は、光マイクロホン３００において、複数の光電変換素子と相互相関値計算装置との間に接続されている選択装置をさらに具備し、選択装置が、複数の光電変換素子からの複数の出力信号の少なくとも１つを選択して相互相関値計算装置に与えるように構成されてもよい。この場合には、所望の３次元状の空間において音の検出を点でリアルタイムに行うことができる。

なお、本発明の実施の形態１〜４は、一対のレーザー光線が実質的に直交する構成に限定されるものでなく、一対のレーザー光線が実質的に交差する構成でもよい。

また、前記相互相関値は、各信号の最大値による規格化相互相関値、自乗平均値による規格化相互相関値及び近似音信号再生値等を含むものである。

本発明の第１の態様に係る光マイクロホンは、所定波長の一対のレーザー光線を発射する一対のレーザー光源部と、前記一対のレーザー光源部から発射され空気中伝搬路の空気中を伝播する前記一対のレーザー光線を受光する一対の受光系光学部品と、前記一対のレーザー光源部から発射される前記一対のレーザー光線から当該レーザー光線が空気中を伝播する時に音波又は超音波と接触することで発生する回折波又は偏向波を検出して電気信号に変換する一対の光電変換素子と、前記一対の光電変換素子からの出力信号を受けて当該出力信号に基づいて相互相関値を生成する相互相関値計算装置と、を具備し、前記一対のレーザー光源部は、前記空気中伝搬路の空気中を伝播する前記一対のレーザー光線が直交するように配置され、前記相互相関値計算装置は、前記一対のレーザー光線の交点における前記回折波又は前記偏向波を示す前記一対の光電変換素子からの前記出力信号の音信号の前記相互相関値を生成する構成を採る。

本発明の第１の態様によれば、音の検出を点で行うことができるため、レーザー光線の光軸方向における音の空間分解能（又は音の位置の分解能）がある。また、本発明の第１の態様によれば、音の検出を点で行うことができるため、レーザー光線のビーム長を短くする場合にも検出する信号強度及びＳＮ比を維持することができ、かつ、このため小型化に適している。

本発明の第２の態様に係る光マイクロホンは、所定波長の複数対のレーザー光線を発射する複数対のレーザー光源部と、前記複数対のレーザー光源部から発射され空気中伝搬路の空気中を伝播する前記複数対のレーザー光線を受光する複数の受光系光学部品と、前記複数対のレーザー光源部から発射される前記複数対のレーザー光線から当該複数対のレーザー光線が空気中を伝播する時に音波又は超音波と接触することで発生する複数の回折波又は複数の偏向波を検出して電気信号に変換する複数の光電変換素子と、前記複数の光電変換素子からの複数の出力信号を受けて当該複数の出力信号に基づいて複数の相互相関値を生成する相互相関値計算装置と、を具備し、前記複数対のレーザー光源部の各対のものは、前記空気中伝搬路の空気中を伝播する前記各対のレーザー光線が直交するように配置され、前記相互相関値計算装置は、前記複数対のレーザー光線の複数の交点における前記複数の回折波又は前記複数の偏向波を示す前記複数の光電変換素子からの前記複数の出力信号の複数の音信号の前記複数の相互相関値を生成する構成を採る。

本発明の第２の態様によれば、音の検出を点で行うことができるため、レーザー光線の光軸方向における音の空間分解能（又は音の位置の分解能）がある。また、本発明の第２の態様によれば、音の検出を点で行うことができるため、レーザー光線のビーム長を短くする場合にも検出する信号強度及びＳＮ比を維持することができ、かつ、このため小型化に適している。また、本発明の第２の態様によれば、所定の領域において音の検出を点でリアルタイムに行うことができる。

本発明の第３の態様に係る光マイクロホンは、本発明の第２の態様において、前記複数対のレーザー光源部、前記複数の受光系光学部品及び前記複数の光電変換素子が、２次元状に配置されている構成を採る。

本発明の第３の態様によれば、音の検出を点で行うことができるため、レーザー光線の光軸方向における音の空間分解能（又は音の位置の分解能）がある。また、本発明の第３の態様によれば、音の検出を点で行うことができるため、レーザー光線のビーム長を短くする場合にも検出する信号強度及びＳＮ比を維持することができ、かつ、このため小型化に適している。また、本発明の第３の態様によれば、所定の２次元状の領域において音の検出を点でリアルタイムに行うことができる。

本発明の第４の態様に係る光マイクロホンは、本発明の第２の態様において、前記複数対のレーザー光源部、前記複数の受光系光学部品及び前記複数の光電変換素子が、３次元状に配置されている構成を採る。

本発明の第４の態様によれば、音の検出を点で行うことができるため、レーザー光線の光軸方向における音の空間分解能（又は音の位置の分解能）がある。また、本発明の第４の態様によれば、音の検出を点で行うことができるため、レーザー光線のビーム長を短くする場合にも検出する信号強度及びＳＮ比を維持することができ、かつ、このため小型化に適している。また、本発明の第４の態様によれば、所定の３次元状の領域において音の検出を点でリアルタイムに行うことができる。

本発明の第５の態様に係る光マイクロホンは、本発明の第２の態様から第５の態様のいずれかにおいて、前記複数の光電変換素子と前記相互相関値計算装置との間に接続されている選択装置をさらに具備し、前記選択装置が、前記複数の光電変換素子からの前記複数の出力信号の少なくとも２以上の出力信号を選択して前記相互相関値計算装置に与える構成を採る。

本発明の第５の態様によれば、音の検出を点で行うことができるため、レーザー光線の光軸方向における音の空間分解能（又は音の位置の分解能）がある。また、本発明の第５の態様によれば、音の検出を点で行うことができるため、レーザー光線のビーム長を短くする場合にも検出する信号強度及びＳＮ比を維持することができ、かつ、このため小型化に適している。また、本発明の第５の態様によれば、所望の領域において音の検出を点でリアルタイムに行うことができる。

本発明の第６の態様に係る光マイクロホンは、本発明の第５の態様において、前記選択装置が、マルチプレクサで構成されている構成を採る。

本発明の第６の態様によれば、音の検出を点で行うことができるため、レーザー光線の光軸方向における音の空間分解能（又は音の位置の分解能）がある。また、本発明の第６の態様によれば、音の検出を点で行うことができるため、レーザー光線のビーム長を短くする場合にも検出する信号強度及びＳＮ比を維持することができ、かつ、このため小型化に適している。また、本発明の第６の態様によれば、所望の領域において音の検出を点でリアルタイムに行うことができる。

本発明は、固体表面の近傍領域の放射音の非擾乱測定、固体材料板の振動姿態の非接触測定、流体中の音場測定、ジェット流中に発生する非擾乱測定と騒音発生メカニズム解明への応用、一般の音波及び超音波分布のリモートセンシング、音響インテンシティ、公共空間（各種のホール、教室、ショッピングセンターなどの公共生活空間）における音の検出、並びに、トンネルの出入口及び内部における音の検出などに用いることができる。

本発明の光マイクロホンは、以下のような応用例、特徴がある。（１）音場を乱さない測定が可能である。（２）リモートセンシングにも利用できる。（３）防爆区域、高電圧（電界）中、高磁界中、極低温中などの特殊雰囲気を含めて、通常のマイクロホンが設置できない場所での音波検出に有効である。（４）密閉容器内や室内の音も数mm幅の光学窓があれば外部から検出可能である。（５）振動膜がないので、衝撃波などが入っても破壊されない。衝撃波測定も可能である。（６）可視域から近赤外域レーザーまで使用可能であり、用途により、可視あるいは不可視の検出部が作成できる。（７）広帯域の音波の同時計測が可能で可聴帯から高周波帯（低周波超音波）まで１本の光ビームで測定できる。（８）音波受信部（光ビームアンテナ）を任意の形に設定でき、いろいろな受信特性を持たせることが原理的には可能である。またこれらの光学系はコンパクトにまとめることも、室内外を這わせて音波検出用光アンテナやマクロホン（広領域音モニタリングシステム）を構成することも可能である。（９）気体中やプラズマ中の他、測定条件を選べば、水中（液体中）や透明固体中での測定にも適用可能である。（１０）光ビーム構成や光検出器構成により指向性のコントロールができるので、音波伝搬方向の測定や立体録音に利用できる可能性を有する。（１１）受信信号の伝送にレーザービーム空中伝搬方式または光ファイバ伝搬方式を用いることにより、電磁ノイズなどを低減できる。（１２）小出力の半導体レーザーが利用でき、検出器を含めて、装置が簡単で安価にできる。（１３）レーザービーム空間走査により、ミクロな音源・振動源の検出が可能である。（１４）１本の光ビームにより音圧の傾き（密度勾配）を検出できるので、光による音響インテンシティ計測法を実現可能である。（１５）コンピュータトモグラフィ（ＣＴ）と組み合わせることで、音の空間分布の可視化法（レーザビームマイクロホンＣＴ）を実現できる。（１６）光情報処理を利用して、システムの最適化・高機能化が図れる。本発明の光マイクロホンは、この他にも、用途や使用対象に合わせていろいろな特徴を出すことができると期待される。

本発明の実施の形態１に係る光マイクロホンの概略を示す斜視図である。本発明の実施の形態１に係る光マイクロホンの１つの光学系を示す図である。図３は、本発明の実施形態１に係る光マイクロホンの他の光学系を示す図である。本発明の実施の形態１に係る光マイロホンの相互相関値計算装置の構成を示すブロック図である。本発明の実施形態１に係る光マイロホンの相互相関値計算装置の相互相関値計算処理部を示すブロック図である。本発明の実施の形態２に係る光マイロホンの構成を示すブロック図である。本発明の実施の形態２に係る光マイクロホンによる複数対のレーザー光線の複数の交点の音信号の検出値に基づいて音信号の大きさを立体的にかつ模式的に表示した図である。本発明の実施の形態３に係る光マイロホンの構成を示すブロック図である。本発明の実施の形態４に係る光マイロホンの構成を模式的に示す図である。光マイクロホンの動作及び計測原理を説明するための図である。従来の光マイクロホンの構成を示す図である。従来の光マイクロホンの構成を示す図である。

符号の説明

１００、２００、３００、４００光マイクロホン
１０１、１０２、Ｘ１、…、ＸＮ、Ｙ１、…、ＹＮレーザー光源部
１０３、１０４、ＲＸ１、…、ＲＸＮ、ＲＹ１、…、ＲＹＮ受光系光学部品
１０５、１０６、ＰＸ１、…、ＰＸＮ、ＰＹ１、…、ＰＹＮ光電変換素子
１０７、２０１相互相関値計算装置
３０１、３０２選択装置

Claims

所定波長の一対のレーザー光線を発射する一対のレーザー光源部と、
前記一対のレーザー光源部から発射され空気中伝搬路の空気中を伝播する前記一対のレーザー光線を受光する一対の受光系光学部品と、
前記一対のレーザー光源部から発射される前記一対のレーザー光線から当該レーザー光線が空気中を伝播する時に音波又は超音波と接触することで発生する回折波又は偏向波を検出して電気信号に変換する一対の光電変換素子と、
前記一対の光電変換素子からの出力信号を処理する相互相関値計算装置と、を具備し、
前記一対のレーザー光源部は、前記空気中伝搬路の空気中を伝播する前記一対のレーザー光線が実質的に交差するように配置され、
前記相互相関値計算装置は、
前記一対のレーザー光線の交点における前記回折波又は前記偏向波を示す前記一対の光電変換素子からの前記出力信号を受けて音信号の前記相互相関値を生成する相互相関値生成部と、
前記相互相関値にフーリエ変換を適用した結果を算出するフーリエ変換部と、
前記フーリエ変換部により算出された結果に開平を適用して振幅情報を生成する振幅情報生成部と、
前記一対の光電変換素子のいずれかの前記出力信号の位相情報と前記生成された振幅情報とを合成した結果に逆フーリエ変換を適用して出力信号を生成する出力部とを有することを特徴とする光マイクロホン。
所定波長の複数対のレーザー光線を発射する複数対のレーザー光源部と、
前記複数対のレーザー光源部から発射され空気中伝搬路の空気中を伝播する前記複数対のレーザー光線を受光する複数の受光系光学部品と、
前記複数対のレーザー光源部から発射される前記複数対のレーザー光線から当該複数対のレーザー光線が空気中を伝播する時に音波又は超音波と接触することで発生する複数の回折波又は複数の偏向波を検出して電気信号に変換する複数の光電変換素子と、
前記複数の光電変換素子からの複数の出力信号を処理する相互相関値計算装置と、を具備し、
前記複数対のレーザー光源部の各対のものは、前記空気中伝搬路の空気中を伝播する前記各対のレーザー光線が実質的に交差するように配置され、
前記相互相関値計算装置は、
前記複数対のレーザー光線の複数の交点における前記複数の回折波又は前記複数の偏向波を示す前記複数の光電変換素子からの前記複数の出力信号を受けて複数の音信号の前記複数の相互相関値を生成する相互相関値生成部と、
前記複数の相互相関値それぞれにフーリエ変換を適用した結果を複数算出するフーリエ変換部と、
前記フーリエ変換部により算出されたそれぞれの結果に開平を適用して複数の振幅情報を生成する振幅情報生成部と、
前記複数の光電変換素子のそれぞれの前記出力信号の位相情報と前記生成された複数の振幅情報それぞれとを合成した結果に逆フーリエ変換を適用して出力信号を生成する出力部とを有することを特徴とする光マイクロホン。
前記複数対のレーザー光源部、前記複数の受光系光学部品及び前記複数の光電変換素子は、２次元状に配置されていることを特徴とする請求項２に記載の光マイクロホン。
前記複数対のレーザー光源部、前記複数の受光系光学部品及び前記複数の光電変換素子は、３次元状に配置されていることを特徴とする請求項２に記載の光マイクロホン。
前記複数の光電変換素子と前記相互相関値計算装置との間に接続されている選択装置をさらに具備し、前記選択装置は、前記複数の光電変換素子からの前記複数の出力信号の少なくとも２以上の出力信号を選択して前記相互相関値計算装置に与えることを特徴とする請求項２から請求項４までのいずれかに記載の光マイクロホン。
前記選択装置は、マルチプレクサで構成されていることを特徴とする請求項５に記載の光マイクロホン。