JP6465580B2 - 音波検出装置並びに音波検出装置を用いた音場可視化装置及びセンサ - Google Patents

Description

本発明は、レーザ光によって音波を検出する音波検出装置並びに音波検出装置を用いた音場可視化装置及びセンサに関する。

従来、可聴音や超音波などの音波を検出する方法として、多くのマイクロホンが用いられていた。従来のマイクロホンは振動膜を内蔵しており、測定する音波による振動膜の振動を電気信号に変換することで音波を検出する。しかし、従来のマイクロホンでは、振動膜を有するセンサを測定点まで持ち込む必要があるため、音場を乱してしまうという問題があった。

上記の問題を鑑み、近年、光ビームを使用することで、非接触で音波を検出する技術（以降、「光波マイクロホン」という）の開発が進められている（例えば、特許文献１）。光で音波を直接検出するため、非接触であること以外にも、耐高音圧、広帯域などの特徴を有する。光波マイクロホンは、直線状の光ビーム部を音波が通過する際に、音波が光に作用することによって生じる極微弱な回折光（音波によるドップラーシフト光）を透過光と共にフーリエ光学系に通して光回折像に変換し、これらを検波して音波信号を電気信号に変換する。

しかしながら、現在、光波マイクロホンでは、信号対雑音比（ＳＮ比）が低いことが実用化するうえでの重要な課題となっている。ＳＮ比が低い原因の一つとして、レンズなどの光学部品の支持部を介して光学部品に伝達する振動によるノイズが挙げられる。また、ＳＮ比が低いその他の原因として、音波が光に作用することによって発生する回折光が微弱であるため、検出感度が低いことが挙げられる。特に、小型のモバイル型の光波マイクロホンを実用化するためには、振動によるノイズを低減し、より小さな光学系で音波を検出できるように検出感度を向上させる必要がある。

国際公開２０１２／０２９２３６号

本発明は、光学部品に伝達する振動ノイズを抑制することでＳＮ比が改善された音波検出装置並びに音波検出装置を用いた音場可視化装置及びセンサを提供することを目的とする。また、音波が光に作用する回数を増加させて検出感度を向上させることでＳＮ比が改善された音波検出装置並びに音波検出装置を用いた音場可視化装置及びセンサを提供することを目的とする。また、音波が光に作用することによって発生する回折光を増幅することでＳＮ比が改善された音波検出装置並びに音波検出装置を用いた音場可視化装置及びセンサを提供することを目的とする。

本発明の一実施形態による音波検出装置は、コヒーレント光を放出する光源と、測定する音波がコヒーレント光に照射される音波測定領域において、音波がコヒーレント光に作用することでコヒーレント光が光回折された回折光を集光する第１光コリメータと、第１光コリメータの一端に接続され、第１光コリメータによって集光された回折光が結像した２箇所の光強度の極大点を有する第１光回折像のうち、一方の極大点を含む第２光回折像が入射する第１光ファイバと、第１光ファイバに入射された第２光回折像の光強度を検出し、光強度に応じた電気信号を生成する検出器と、を有する。

また、別の態様において、第１光ファイバに接続され、第１光コリメータによって集光された回折光を拡大して検出器に照射させる第２光コリメータをさらに有してもよい。

また、別の態様において、光源から放出されたコヒーレント光を伝達する第２光ファイバと、第２光ファイバに接続され、音波測定領域においてコヒーレント光が直線状になるようにコヒーレント光を調整する第３光コリメータと、をさらに有してもよい。

また、別の態様において、第１光コリメータと第３光コリメータとの間において、互いの面が平行に配置され、照射されたコヒーレント光の一部を透過する一対の透過型ミラーをさらに有してもよい。

本発明の一実施形態による音波検出装置は、コヒーレント光を放出する光源と、互いの面が平行に配置され、照射されたコヒーレント光の一部を透過する一対の透過型ミラーと、一対の透過型ミラーの間に位置する音波測定領域において、測定する音波がコヒーレント光に作用することでコヒーレント光が光回折された回折光を集光する第１集光部材と、第１集光部材によって集光された回折光が結像した２箇所の光強度の極大点を有する第１光回折像のうち、一方の極大点を含む第２光回折像の光強度を検出し、光強度に応じた電気信号を生成する検出器と、を有する。

また、別の態様において、一対の透過型ミラーの各々の反射率は、８５％以上１００％未満であってもよい。

また、別の態様において、一対の透過型ミラーの間隔は、コヒーレント光の半波長の整数倍であってもよい。

また、別の態様において、第１集光部材と検出器との間に配置され、第１集光部材によって集光された回折光を拡大し、検出器において第１光回折像を照射させる第２集光部材をさらに有してもよい。

また、別の態様において、光源と音波測定領域との間に配置され、音波測定領域においてコヒーレント光が直線状になるようにコヒーレント光を調整する第３集光部材をさらに有してもよい。

また、別の態様において、第１集光部材である第１光コリメータと、第２集光部材である第２光コリメータと、第３集光部材である第３光コリメータと、第１光コリメータと第２光コリメータとの間に配置され、第１光コリメータによって集光された第２光回折像が入射する第１光ファイバと、光源と第３光コリメータとの間に配置され、光源から放出されたコヒーレント光を第３光コリメータに伝達する第２光ファイバと、をさらに有してもよい。

また、別の態様において、一対の透過型ミラーは支持部材によって固定された中空構造のエタロンであってもよい。

また、別の態様において、光源から放出されたコヒーレント光が透過型ミラーに入射されるようにコヒーレント光の光路を変更するビームスプリッタと、透過型ミラーを透過し、音波測定領域を通過した回折光を透過型ミラー及び第１集光部材へ反射する反射型ミラーと、をさらに有してもよい。

また、別の態様において、透過型ミラーを透過し、音波測定領域を通過した回折光を反射する反射型ミラーと、反射型ミラーによって反射された回折光が第１集光部材へ入射されるように回折光の光路を変更するビームスプリッタと、をさらに有してもよい。

また、別の態様において、一対の透過型ミラーは、第３光コリメータと第１光コリメータとの間に配置されてもよい。

本発明の一実施形態による音波検出装置は、一定波長の光を放出する光源と、光源を挟持し、互いの面が平行になるように、一定波長の光の半波長の整数倍の間隔で配置された透過型ミラー及び反射型ミラーと、透過型ミラーと反射型ミラーとの間に位置する音波測定領域において、測定する音波が一定波長の光に作用することで一定波長の光が光回折された回折光を集光する第１集光部材と、第１集光部材によって集光された回折光が結像した２箇所の光強度の極大点を有する第１光回折像のうち、一方の極大点を含む第２光回折像の光強度を検出し、光強度に応じた電気信号を生成する検出器と、を有する。

また、別の態様において、第１集光部材と検出器との間に配置され、第１集光部材によって集光された回折光を拡大し、検出器において第１光回折像を照射させる第２集光部材をさらに有してもよい。

本発明の一実施形態による音波検出装置は、コヒーレント光を放出する光源と、入射されたコヒーレント光を伝達する第１光ファイバと、第１光ファイバ内に配置され、コヒーレント光の一部を透過する一対のファイバブラッググレーティングと、一対のファイバブラッググレーティングの間に位置する音波測定領域において、測定する音波がコヒーレント光に作用することでコヒーレント光が光回折された回折光を平行化する第１光コリメータと、第１光コリメータによって平行化された回折光が照射された２箇所の光強度の極大点を有する第１光回折像のうち、一方の極大点を含む第２光回折像の光強度を検出し、光強度に応じた電気信号を生成する検出器と、を有する。

また、別の態様において、一対のファイバブラッググレーティングの各々の反射率は、８５％以上１００％未満であってもよい。

また、別の態様において、一対のファイバブラッググレーティングの間隔は、コヒーレント光の半波長の整数倍であってもよい。

本発明の一実施形態による音波検出装置を用いた音場可視化装置は、音波測定領域におけるコヒーレント光の進行方向が第１方向に互いに平行するように配置された複数の音波検出装置を有する第１音波検出装置群と、音波測定領域におけるコヒーレント光の進行方向が第１方向に交差する第２方向に互いに平行するように配置された複数の音波検出装置を有する第２音波検出装置群と、を有し、第１音波検出装置群及び第２音波検出装置群の各々の音波検出装置で生成された電気信号をコンピュータトモグラフィ処理して音場の空間分布を可視化する。

本発明の一実施形態による音波検出装置を用いた音場可視化装置は、音波検出装置と、音波検出装置が設置された第１ステージと、音波測定領域におけるコヒーレント光に測定する音波が作用するように音源を設置可能な第２ステージと、を有し、第１ステージは、音波検出装置をコヒーレント光の進行方向である第１方向に直交する第２方向に掃引し、第２ステージに対して相対的に回転掃引することで音場の空間分布を可視化する。

本発明の一実施形態による音波検出装置を用いたセンサは、音波検出装置と、音波測定領域におけるコヒーレント光に超音波が作用するように配置された超音波発振器と、を有する。

本発明によれば、光学部品に伝達する振動ノイズを抑制することでＳＮ比が改善された音波検出装置並びに音波検出装置を用いた音場可視化装置及びセンサを提供することができる。また、音波が光に作用する回数を増加させて検出感度を向上させることでＳＮ比が改善された音波検出装置並びに音波検出装置を用いた音場可視化装置及びセンサを提供することができる。また、音波が光に作用することによって発生する回折光を増幅することでＳＮ比が改善された音波検出装置並びに音波検出装置を用いた音場可視化装置及びセンサを提供することができる。

本発明の実施形態１に係る音波検出装置の構成の一例を示す概念図である。 本発明の実施形態１に係る音波検出装置の測定原理を説明するための光学系を示す斜視図である。 本発明の実施形態１に係る音波検出装置の光学系の情報入力面において、光に音波が作用したときの情報出力面におけるフーリエ変換像を示す図である。 本発明の実施形態１に係る音波検出装置において、音波が作用したレーザ光の回折像の空間強度分布を示す図である。 本発明の実施形態１に係る音波検出装置において、音波が作用したレーザ光の回折像の位相分布を示す図である。 本発明の実施形態１の変形例に係る音波検出装置の構成の一例を示す概念図である。 本発明の実施形態２に係る音波検出装置の構成の一例を示す概念図である。 本発明の実施形態２に係る音波検出装置の一対の透過型ミラーが光共振構造を構成する場合の反射率と増倍係数との関係を示す図である。 本発明の実施形態２に係る音波検出装置の一対の透過型ミラーが同軸多重反射構造を構成する場合における反射回数及び反射率と増倍係数との関係を示す図である。 本発明の実施形態３に係る音波検出装置の構成の一例を示す概念図である。 本発明の実施形態３の変形例に係る音波検出装置の構成の一例を示す概念図である。 本発明の実施形態４に係る音波検出装置の構成の一例を示す概念図である。 本発明の実施形態５に係る音波検出装置の構成の一例を示す概念図である。 本発明の実施形態６に係る音波検出装置の構成の一例を示す概念図である。 本発明の実施形態７に係る音波検出装置の構成の一例を示す概念図である。 本発明の実施形態８に係る音場可視化装置の構成の一例を示す概念図である。 本発明の実施形態９に係る音場可視化装置の構成の一例を示す概念図である。 本発明の実施形態１０に係るセンサの構成の一例を示す概念図である。

以下、図面を参照して本発明に係る音波検出装置並びに音波検出装置を用いた音場可視化装置及びセンサについて説明する。但し、本発明の音波検出装置並びに音波検出装置を用いた音場可視化装置及びセンサは多くの異なる態様で実施することが可能であり、以下に示す実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。なお、本実施の形態で参照する図面において、同一部分または同様な機能を有する部分には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。

〈実施形態１〉
図１乃至５を用いて、本発明の実施形態１に係る音波検出装置の装置構成及びその光学系について詳細に説明する。また、音波検出装置の測定原理について詳細に説明する。実施形態１に係る音波検出装置は、光学部品として光ファイバ及び光コリメータを使用することで振動ノイズの影響を低減し、ＳＮ比を改善する音波検出装置である。

［音波検出装置１０の概要］
図１は、本発明の実施形態１に係る音波検出装置の構成の一例を示す概念図である。図１に示すように、音波検出装置１０は、位相が一定のコヒーレント光１０１を放出する光源１００と、測定する音波１１１がコヒーレント光１０１に照射される音波測定領域１１２において、音波１１１がコヒーレント光１０１に作用することでコヒーレント光１０１が光回折された回折光１１３を集光する第１光コリメータ１１０と、第１光コリメータ１１０の一端１２１に接続され、第１光コリメータ１１０によって集光された回折光１１３が集光点１２２で結像した光回折像が入射する第１光ファイバ１２０と、集光点１２２において第１光ファイバ１２０に入射された光回折像の光強度を検出し、その光強度に応じた電気信号を生成する検出器１３０とを有する。上記では、音波によって回折されたコヒーレント光１０１を回折光１１３と呼び、回折前後で区別したが、回折前後の光を区別せずにいずれも単にコヒーレント光という場合もある。

ここで、詳細は後述するが、音波測定領域１１２において音波１１１がコヒーレント光１０１に作用すると、該作用によって光回折された回折光１１３は集光点１２２で２箇所の光強度の極大点を有する第１光回折像を結像する。この２箇所の光強度の極大点のうち一方を含む第２光回折像の光強度を検出器１３０が検出することで、音波１１１の周波数を測定することができる。

光源１００は、音波測定領域１１２において平行に直進する直線状のコヒーレント光を放出する光源を使用することができる。コヒーレント光の光源としてはレーザ光源を使用することができ、具体的には気体レーザ光源、液体レーザ光源、固体レーザ光源、及び半導体レーザ光源を使用することができる。ここで、音波測定領域１１２を平行に直進するコヒーレント光をプローブ光と呼ぶことがある。特に、コヒーレント光がレーザ光である場合は、プローブレーザと呼ぶことがある。音波検出装置の光学系の構成を単純にするために、コヒーレント光の断面形状を真円に整形する光学系が組み込まれた光源を使用してもよい。光源１００の発振波長には特に制限はなく、紫外光帯域から遠赤外光帯域まで、任意の発振波長のものを使用することができる。

第１光コリメータ１１０は、集光部材又は視準器とも呼ばれるもので、入射された光を平行な光線（平行光）に変換（平行化）する又は入射された光を同一点に集光するためにレンズやミラーなどが配置された光学部品である。特に、光コリメータは、光ファイバに接続され、光ファイバからの出射光を平行光に変換する又は光コリメータに入射された光を集光して光ファイバに入射させるために使用される光学部品である。図１における第１光コリメータ１１０は、直進するコヒーレント光１０１を集光点１２２に集光し、第１光ファイバ１２０に入射させる。

第１光ファイバ１２０は、光を低損失で長距離伝送することが可能な光学部品である。図１では、第１光コリメータ１１０の一端１２１に接続する光学部品として光ファイバを使用した構成を例示したが、この構成に限定されず、光学情報を伝達することができる部品であればよい。図１における第１光ファイバ１２０は、第１光コリメータ１１０によって集光されたコヒーレント光１０１を検出器１３０に伝達する。ここで、光ファイバとしては、例えばシングルモード光ファイバ、マルチモード光ファイバ、偏波保持光ファイバなどを使用することができる。

検出器１３０は、光の強度を検出可能な部品であり、受光素子とも呼ばれる。光の検出器として、例えば、フォトダイオードや光電子増倍管などを使用することができる。また、検出器１３０によって検出される光の強度で表される音波検出信号は交流成分及び直流成分を有しているため、検出器１３０が、交流成分のみを検出するフィルタ回路を有していてもよい。検出器１３０によって検出された受音信号を電子データとして保存するために、検出器１３０の出力端子は、プリアンプ及びバンドパスフィルタを介してメモリを有するパーソナルコンピュータやデータサーバ等に接続されていてもよい。

［音波検出装置の光学系］
次に、音波検出装置の測定原理を説明するための光学系について説明する。図２は、本発明の実施形態１に係る音波検出装置の測定原理を説明するための光学系を示す斜視図である。図２では、レーザ光を使用して音波を測定する音波検出装置の測定原理を例示する。また、図２の音波検出装置では、レーザ光を平行化又は集光する集光部材としてレンズを使用した構成を例示する。図２に示す光学系によると、レーザ光源２００から出発したレーザ光２０１は第１レンズ２１０によって平行化され、情報入力面２２０を通過する。情報入力面２２０において、レーザ光２０１に音波が照射されると、音波がレーザ光２０１に作用することでレーザ光２０１は光回折される。このように光回折されたレーザ光２０１は回折光とも呼ばれる。

情報入力面２２０で光回折されたレーザ光２０１は、第２レンズ２３０によって集光され、結像面２４０において結像される。ここで、第２レンズ２３０による集光は光学的フーリエ変換といい、基本波（０次回折光）とフラウンホーファ回折光（１次回折光）を集光し、フーリエ変換像を結像面２４０に形成する。上記の光学系をフーリエ光学系という。光情報処理の応用、例えば画像処理では、結像面２４０にフィルタを導入し、フィルタを透過したレーザ光２０１は、第３レンズ２５０によって平行化されて後方に設置された情報出力面２６０に投影される。

上記の光学系は、光の持つ並行処理性を利用した基本的な光学情報処理手法であるが、本発明に係る音波検出装置では、音波が光に作用することで発生する微弱回折光の検出の基本形として上記のフーリエ光学系による光情報処理を用いている。つまり、音波がレーザ光に作用するところを情報入力面２２０として、レンズによるフーリエ変換作用を介して情報出力面２６０に音波のフーリエ変換像を結像させ、これを検出器に入力することにより、音波を電気信号に変換する。

［音波検出装置１０におけるレーザ光に対する音波の作用］
次に、上記の光学系において、情報入力面２２０でレーザ光２０１に対して音波が作用することで発生する回折光２２１のフーリエ変換像についてより詳細に説明する。図３は、図２に示す光学系の情報入力面において、レーザ光に音波が作用したときの結像面におけるフーリエ変換像を示す図である。

図３では、平行化されて直進するレーザ光２０１に対して音波３００が作用し、該作用によって光回折された回折光２２１が第２レンズ２３０によって集光され、集光された回折光２２１が結像面２４０において第１光回折像３１０を結像する様子を図示した。ここで、音波３００とレーザ光２０１とが交差する領域を音波測定領域又は情報入力面ということもできる。

ここで、音波３００の媒体である空気は弾性体であり、その慣性と弾性によって波動を生じる。つまり、音波３００による振動を隣接する分子に波動として伝播するため、空気の密度が疎な部分と密な部分とが生じる。空気の密度が低い（疎な部分３０１）とき、及び、空気の密度が高い（密な部分３０２）ときは、レーザ光２０１はほとんど屈折されずにそのまま透過する。一方で、レーザ光２０１は密度の勾配がある部分で上記に比べて大きく屈折される。つまり、レーザ光２０１は音波３００による作用によって、極めて僅かな光量が光回折されて回折光２２１となる。

上記の音波３００によって作用を受けた回折光２２１は、第２レンズ２３０によって光学的フーリエ変換されることで、音波の密度勾配で発生した極微弱なドップラー偏向波が上下に揺れている状態を第１光回折像３１０における２箇所の光強度の極大点のうち一方の極大点を含む第２光回折像３２０又は３２１として得ることができる。

［音波検出装置における計測理論式］
次に、音波を検出するための計測理論式について説明する。図３のように、レーザ光２０１に音波３００が直交して交差する場合、第２レンズ２３０の焦点面（焦点距離：ｆ）での光波分布ｕ（ｘ_ｆ，ｙ_ｆ）（複素振幅）は次の回折積分の式により求められる。

ここで、ｕ（ｘ₀，ｙ₀）は情報入力面２２０でのレーザ光の複素振幅を表し、Ｔ（ｘ₀，ｙ₀）は音波による位相変調成分を表し、λ，ｋはレーザ光の波長、波数を表す。

［数１］は比例定数を除いてフーリエ変換の式と同じ形を有している。［数１］のｕ（ｘ₀，ｙ₀）・Ｔ（ｘ₀，ｙ₀）の部分が畳み込み積分の被積分関数で、入射光の位相変調（入力関数）を表している。

さらに、光強度分布ＩはＩ＝│ｕ（ｘ_ｆ，ｙ_ｆ）│^２により得られる。最終的に得られる光強度分布の式には、透過光に対応した直流成分や１次回折光の成分などが含まれるが、高次の回折光の強度は（Δφ_０）^ｎ（ｎは高次回折光の次数）に比例し、位相変調度がΔφ_０≪１であるため無視できる。結像面２４０での１次成分（音波周波数成分）の信号強度Ｉ_ａｃ（Ｗ／ｍ^２）は、以下の式（数２）で与えられる。

ここで、Ｉ_０はレーザ光強度分布を表し、ｕは結像面の規格化ｘ座標を表し、θ（＝ｋｗ_０／２）は規格化波数を表し、（ω、ｋ）は音波の角周波数及び波数を表し、ｗ_０はレーザスポットサイズを表し、Δφ_０（＝ｋ_ｉｄ（ｎ_０−１）Δｐ／γ_ａｐ）は位相変化の時間変動成分を表し、ｎ_０は空気の屈折率を表し、Δｐは音圧を表し、γ_ａは比熱比を表し、ｐは大気圧を表す。

規格化波数θをパラメータとして、［数２］により回折光分布を理論的に求めた結果の一例を図４及び５に示す。図４は、本発明の実施形態１に係る音波検出装置において、音波が作用したレーザ光の回折像の空間強度分布を示す図である。ここで、図４に示す回折像は、図３における第１光回折像３１０に相当する。また、図５は、本発明の実施形態１に係る音波検出装置において、音波が作用したレーザ光の回折像の位相分布を示す図である。図４及び５の横軸は結像面２４０の規格化ｘ座標（ｕ）である。図４から、回折強度分布は２つの山形分布からなる。また、図５から、２つの山形分布は位相差がπで反転している。上記の２つの山形分布が図３における２箇所の光強度の極大点である第２光回折像３２０又は３２１に相当する。上記の２つの山形分布は、可聴帯及び低周波超音波の領域では、異なる周波数に対してもほぼ同じ位置に、その高さが異なるように現れる。つまり、検出器を２つの山形分布のいずれか一方の回折像の光強度を測定することにより音波の周波数を出力信号として得ることができる。

以上のように、本発明の実施形態１に係る音波検出装置１０によると、音波を測定するコヒーレント光を平行化又は集光する光学部品として光コリメータ及び光ファイバを使用することで、振動ノイズ抑制することができ、ＳＮ比が改善された音波検出装置を得ることができる。

〈実施形態１の変形例〉
図６を用いて、本発明の実施形態１の変形例に係る音波検出装置の装置構成について詳細に説明する。図６は、本発明の実施形態１の変形例に係る音波検出装置の構成の一例を示す概念図である。ここでは、実施形態１の構成に加えて、光学情報処理の光コリメータ及び入射側の光コリメータをさらに追加した構成について説明する。

図６に示すように、音波検出装置１１は、図１に示す音波検出装置１０に加えて、第１光ファイバ１２０に接続され、第１光コリメータ１１０によって集光された回折光１１３を拡大して検出器１３０に照射させる第２光コリメータ１４０をさらに有する。第２光コリメータ１４０を光学情報処理の光コリメータということがある。また、第２光コリメータ１４０は第１光コリメータ１１０と同様のものを使用することができる。第２光コリメータ１４０は、第１光コリメータ１１０によって集光され、第１光ファイバによって伝達された第２光回折像３２０又は３２１の光を検出器１３０に伝達する。

さらに、音波検出装置１１は、図１に示す音波検出装置１０に加えて、光源１００から放出されたコヒーレント光１０１を伝達する第２光ファイバ１５０と、第２光ファイバ１５０に接続され、音波測定領域１１２においてコヒーレント光１０１が平行に直進する直線状になるようにコヒーレント光１０１を調整する第３光コリメータ１６０とを有する。第３光コリメータ１６０を入射側の光コリメータということがある。第３光コリメータ１６０は第１光コリメータ１１０と同様のものを使用することができる。図６では、第２光ファイバ１５０が光源１００に接続された構成を例示したが、この構成に限定されず、光源１００と第２光ファイバ１５０との間に間隙が設けられていてもよく、また、他の光学部品が配置されていてもよい。

以上のように、本発明の実施形態１の変形例に係る音波検出装置１１によると、音波測定領域１１２を第３光コリメータ１６０と第１光コリメータ１１０とで挟持し、光源１００と第３光コリメータ１６０とを第２光ファイバ１５０で接続し、第１光コリメータ１１０と第２光コリメータ１４０とを第１光ファイバ１２０で接続することで、比較的部品のサイズが大きい光源１００や検出器１３０を自在に配置することができるため、設計の自由度が向上する。

〈実施形態２〉
図７乃至９を用いて、本発明の実施形態２に係る音波検出装置の装置構成及びその音波検出装置によって得られる増幅効果について詳細に説明する。実施形態２に係る音波検出装置は、音波測定領域において音波が作用する光を多重反射させることで音波検出信号を増幅することでＳＮ比を向上させる音波検出装置である。実施形態２に係る音波検出装置は、光学部品として集光部材を使用した構成を例示するが、集光部材として実施形態１で説明した光ファイバ及び光コリメータを使用してもよい。

［音波検出装置２０の概要］
図７は、本発明の実施形態２に係る音波検出装置の構成の一例を示す概念図である。図７に示すように、音波検出装置２０は、位相が一定のコヒーレント光６０１を放出する光源６００と、互いの面が平行に配置され、照射されたコヒーレント光６０１の一部を透過する一対の透過型ミラー６１０、６１１と、一対の透過型ミラー６１０、６１１の間に位置する音波測定領域６２２において、測定する音波６２１がコヒーレント光６０１に作用することでコヒーレント光６０１が光回折された回折光６２３を集光する第１集光部材６２０と、第１集光部材６２０によって集光された回折光６２３が結像した光回折像の光強度を検出し、該光強度に応じた電気信号を生成する検出器６３０とを有する。ここで、光源６００が透過型ミラー６１１に反射され、透過型ミラー６１０を透過する戻り光で破損するのを防止するために、透過型ミラー６１０と光源６００との間にアイソレータ６５０が配置されてもよい。光源６００は図１に示す光源１００と同様のものを使用することができ、検出器６３０は図１に示す検出器１３０と同様のものを使用することができる。

図３でも説明したように、音波測定領域６２２において音波６２１がコヒーレント光６０１に作用すると、該作用によって光回折された回折光６２３は検出器６３０において２箇所の光強度の極大点を有する第１光回折像を結像する。この２箇所の光強度の極大点のうち一方を含む第２光回折像の光強度を検出することで、音波１１１の周波数を測定することができる。

また、図７に示すように、音波検出装置２０は、第１集光部材６２０と検出器６３０との間に配置され、第１集光部材６２０によって集光された回折光６２３を拡大し、検出器６３０において第１光回折像を照射させる第２集光部材６４０、６４１を有している。ここで、第２集光部材６４０、６４１を光学情報処理の集光部材ということがある。

また、図７に示す音波検出装置２０は、光源６００と音波測定領域６２２との間に配置され、音波測定領域６２２においてコヒーレント光６０１が直線状になるようにコヒーレント光６０１を調整する第３集光部材を有していてもよい（図示せず）。ここで、第３集光部材を入射側の集光部材ということがある。

第１集光部材６２０、第２集光部材６４０、６４１、及び第３集光部材は、入射された光を平行な光線（平行光）に変換（平行化）する又は入射された光を同一点に集光するための光学部品であり、例えば光学レンズや図１に示した光コリメータを使用することができる。図７では、第１集光部材として１つの光学部品を使用し、第２集光部材として２つの光学部品を使用した構成を例示したが、この構成に限定されず、各々の集光部材は１つ又は複数の光学部品で構成されていてもよい。また、第１乃至第３集光部材として第１乃至第３光コリメータを使用する場合、第１光コリメータと第２光コリメータとの間に、第１光コリメータによって集光された光回折像が入射する第１光ファイバを配置する。また、光源６００と第３光コリメータとの間に、光源６００から放出されたコヒーレント光６０１を第３コリメータに伝達する第２光ファイバを配置する。

一対の透過型ミラー６１０、６１１は、一定の透過率を有するミラーの対がコヒーレント光６０１の光軸に対して直交して配置された同軸多重反射構造を構成する。特に、一対の透過型ミラー６１０、６１１が、これらの間に定在波が立つ条件で配置された場合を光共振構造という。光共振構造では、一対の透過型ミラー６１０、６１１の間隔は、コヒーレント光６０１の半波長の整数倍である。

［一対の透過型ミラーの特性］
次に、音波検出装置２０における光共振構造を構成する一対の透過型ミラーの反射率と増倍係数の関係について、［数３］に示す理論式及び図８を用いて説明する。図８は、本発明の実施形態２に係る音波検出装置の一対の透過型ミラーが光共振構造を構成する場合の反射率と増倍係数との関係を示す図である。

検出器６３０側で見た出力コヒーレント光パワーＰｏｕｔ（または、検出器６３０に入力されるパワー）と等しいプローブ光を用いたときの信号を基準とするとき、ヘテロダイン検波時の信号増倍度η_Ｈは一対の透過型ミラーの反射率α及びβを用いて以下の式で表される。

［数３］に基づいて計算された光共振構造の透過型ミラーの反射率と透過型ミラーによって増幅された増倍係数の関係を図８に示す。［数３］及び図８によると、光共振構造の透過型ミラーの反射率の増加に伴い増倍係数が単調増加している。理想的な光共振構造であればα＝β＝０．９（反射率：９０％）で約１，９００倍（６６ｄＢ）、α＝β＝０．９５（反射率：９５％）で約１５，６００倍（８４ｄＢ）、α＝β＝０．９９（反射率：９９％）で約１，９９０，０００倍（１２６ｄＢ）の増倍係数を得ることができる。ただし、一対の透過型ミラーの各々は、検出器６３０で光を検出できる程度の透過率を有している必要があり、その反射率は１００％未満とする必要がある。

次に、音波検出装置２０における同軸多重反射構造を構成する一対の透過型ミラーの反射回数及び反射率と増倍係数との関係について、［数４］に示す理論式及び図９を用いて説明する。図９は、本発明の実施形態２に係る音波検出装置の一対の透過型ミラーが同軸多重反射構造を構成する場合における反射回数及び反射率と増倍係数との関係を示す図である。

同軸多重反射構造では、多重反射光の有限項重ね合せ、つまり単純に２回反射光、４回反射光、・・・を集光することで信号を増幅する。１次透過光、２次透過光（２回反射光）、３次透過光（４回反射光）、・・・を重ね合せると、ηは一対の透過型ミラーの反射率α及びβを用いて以下の式で表される。

［数４］に基づいて計算された同軸多重反射構造の透過型ミラーの反射回数及び反射率と透過型ミラーによって増幅された増倍係数との関係を図９に示す。［数４］及び図９によると、同軸多重反射構造においても反射回数及び反射率の増加に伴い増倍係数が単調増加している。例えば、５次項まで重ね合せをすると、α＝β＝０．９（反射率：９０％）で約１４倍（２３ｄＢ）、α＝β＝０．９５（反射率：９５％）で約１９倍（２６ｄＢ）、α＝β＝０．９９（反射率：９９％）で約２４倍（３１ｄＢ）の増倍係数を得ることができる。また、１０次項まで重ね合せをすると、α＝β＝０．９（反射率：９０％）で約３１倍（３０ｄＢ）、α＝β＝０．９５（反射率：９５％）で約５５倍（３５ｄＢ）、α＝β＝０．９９（反射率：９９％）で約８８倍（３９ｄＢ）の増倍係数を得ることができる。また、図９によると、反射率が８５％以上になると反射回数の増加に伴う増倍係数の増加の割合が大きくなる。ただし、一対の透過型ミラーの各々は、検出器６３０で光を検出できる程度の透過率を有している必要があり、その反射率は１００％未満とする必要がある。

以上のように、本発明の実施形態２に係る音波検出装置によると、一対の透過型ミラー６１０、６１１間の音波測定領域６２２において、コヒーレント光６０１は音波６２１の作用を複数回受けるため、光回折による回折光６２３の光強度が強くなる。その結果、検出器６３０で検出される信号強度を増幅することができる。また、一対の透過型ミラー６１０、６１１の間隔をコヒーレント光の半波長の整数倍とすることで、コヒーレント光の共振によって上記の信号強度をさらに大きく増幅することができる。

〈実施形態３〉
図１０を用いて、本発明の実施形態３に係る音波検出装置の装置構成を詳細に説明する。実施形態３に係る音波検出装置は、ビームスプリッタを使用することで、光源の出射方向と検出器の入射方向と配置の自由度を向上させることができる音波検出装置である。実施形態３に係る音波検出装置は、光学部品として集光部材を使用した構成を例示するが、集光部材として実施形態１で説明した光ファイバ及び光コリメータを使用してもよい。

図１０は、本発明の実施形態３に係る音波検出装置の構成の一例を示す概念図である。図１０に示すように、音波検出装置３０は、位相が一定の直線偏光のコヒーレント光６０１を放出する光源６００と、光源６００から放出されたコヒーレント光６０１を透過させるアイソレータ６５０と、アイソレータ６５０を透過したコヒーレント光６０１が互いに対向して配置された透過型ミラー６１０及び１／４波長板６１２に入射されるようにコヒーレント光６０１の光路を変更するビームスプリッタ６６０とを有する。

また、音波検出装置３０は、互いの面が平行に配置され、ビームスプリッタ６６０によって光路が変更されて照射されたコヒーレント光６０１の一部を透過する透過型ミラー６１０と、音波測定領域６２２で音波６２１の作用を受けた回折光６２３の偏光方向に対して軸が傾斜して配置された１／４波長板６１２と、１／４波長板６１２を透過した回折光６２３を透過型ミラー６１０、１／４波長板６１２及び第１集光部材６２０へ反射する反射型ミラー６７０とを有する。音波検出装置３０では、透過型ミラー６１０及び反射型ミラー６７０によって同軸多重反射構造が構成される。

図１０では、１／４波長板６１２の軸が回折光６２３の偏光方向に対して４５度傾斜するように配置された構成について説明するが、４５度以外の傾斜を有するように配置されていてもよい。さらに、音波検出装置３０は、反射型ミラー６７０によって反射され、ビームスプリッタ６６０を通過して入射された回折光６２３を集光する第１集光部材６２０と、第１集光部材６２０によって集光された回折光６２３を拡大し、検出器６３０において光回折像を照射させる第２集光部材６４０、６４１と、光回折像の光強度を検出し、該光強度に応じた電気信号を生成する検出器６３０とを有する。

図３でも説明したように、音波測定領域６２２において音波６２１がコヒーレント光６０１に作用すると、該作用によって光回折された回折光６２３は検出器６３０において２箇所の光強度の極大点を有する第１光回折像を結像する。この２箇所の光強度の極大点のうち一方を含む第２光回折像の光強度を検出することで、音波６２１の周波数を測定することができる。

アイソレータ６５０は、光を一方向にだけ透過させ、逆方向に進む光は遮断する性質を有する光学部品であり、偏光板と１／４波長板とを組み合わせたものを使用することができる。また、ビームスプリッタ６６０は、照射された光を透過光と反射光とに分ける透明な光学部品であり、偏光ビームスプリッタを使用することができる。図１０では、ビームスプリッタ６６０の接合面は、光源６００から放出されたコヒーレント光６０１の直進方向に対して４５度の角度をなすように配置されている。つまり、ビームスプリッタ６６０は光源６００から入射されたコヒーレント光６０１の進行方向を９０度変更させて透過型ミラー６１０に入射させる。

１／４波長板６１２は、その軸が音波測定領域６２２で光回折された回折光６２３の偏光方向に対して４５度傾斜するように配置されている。したがって、回折光６２３が１／４波長板６１２を通過することで、回折光６２３は直線偏光から円偏光に変化する。円偏光に変化した回折光６２３は、反射型ミラー６７０によって反射されて再度１／４波長板６１２を通過することで、最初に１／４波長板６１２に入射した回折光６２３の偏光方向に対して９０度回転した偏光方向の直線偏光に変化する。

また、ビームスプリッタ６６０は反射型ミラー６７０によって反射されて偏光方向が９０度回転された回折光６２３を透過させる。ここで、透過型ミラー６１０で反射されたコヒーレント光６０１は、ビームスプリッタ６６０によって反射されて光源６００の方向へ向かうが、アイソレータ６５０によって遮断される。また、反射光が光源に帰還しないように、ビームスプリッタ６６０の角度をずらして配置してもよい。ここで、反射光が光源に帰還しない、又は光源に帰還する反射光が光源に悪影響を及ぼさない程度の強さの場合は、アイソレータ６５０を省略してもよい。

ここで、透過型ミラー６１０とビームスプリッタ６６０との間に１／４波長板を配置してもよい。このような構成とすることで、透過型ミラー６１０で反射されたコヒーレント光６０１も偏光方向が９０度回転されるため、ビームスプリッタ６６０を透過して検出器６３０に到達する。上記のように、透過型ミラー６１０で反射されたコヒーレント光６０１を光検波の局発成分（微弱信号光を検出するヘテロダイン法における参照光）として利用することもできる。

ここで、図７に示すように、光源、検出器、及びその他の光学部品が直線上に配置された構成をｉｎ−ｌｉｎｅ形（直線形）というのに対して、図１０のように光源の出射方向と検出器の入射方向とが直角方向に配置された構成をｏｆｆ−ａｘｉｓ形（直交形）という。

以上のように、本発明の実施形態３に係る音波検出装置３０によると、光源から出射されたコヒーレント光をビームスプリッタによって進行方向を変えることで、光源と一対の透過型ミラーを含む光学部品とのレイアウトの自由度が向上する。

〈実施形態３の変形例〉
図１１は、本発明の実施形態３の変形例に係る音波検出装置の構成の一例を示す概念図である。図１１に示す音波検出装置３１を構成する部品は図１０に示す音波検出装置３０と同一であるが、各部品の配置が異なる。以下に図１１の配置について詳しく説明する。図１１では、アイソレータ６５０は光源６００とビームスプリッタ６６０との間に配置される。また、ビームスプリッタ６６０は、光源６００から放出された直線偏光のコヒーレント光６０１が透過して透過型ミラー６１０及び１／４波長板６１２に入射するように配置される。ここで、１／４波長板６１２は、その軸が音波測定領域６２２で音波６２１の作用を受けた回折光６２３の偏光方向に対して傾斜して配置される。図１１では、１／４波長板６１２の軸が回折光６２３の偏光方向に対して４５度傾斜するように配置された構成について説明するが、４５度以外の傾斜を有するように配置されていてもよい。

反射型ミラー６７０は、光源６００、アイソレータ６５０、ビームスプリッタ６６０、透過型ミラー６１０、及び１／４波長板６１２と直線上に配置され、１／４波長板６１２を透過した回折光６２３をビームスプリッタ６６０に向けて反射する。音波検出装置３１では、透過型ミラー６１０及び反射型ミラー６７０によって同軸多重反射構造が構成される。

ここで、１／４波長板６１２は、その軸が回折光６２３の偏光方向に対して４５度傾斜するように配置されているため、回折光６２３が１／４波長板６１２を通過することで、回折光６２３は直線偏光から円偏光に変化する。円偏光に変化した回折光６２３は、反射型ミラー６７０によって反射されて再度１／４波長板６１２を通過することで、最初に１／４波長板６１２に入射した回折光６２３の偏光方向に対して９０度回転した偏光方向の直線偏光に変化する。

ビームスプリッタ６６０は、反射型ミラー６７０によって反射されて偏光方向が９０度回転された回折光６２３の光路を第１集光部材６２０の方向へ変更する。ここで、透過型ミラー６１０で反射されたコヒーレント光６０１は、偏光方向が変化していないため光路は変更されず、ビームスプリッタ６６０を透過してアイソレータ６５０によって遮断される。ここで、反射光が光源に帰還しない、又は光源に帰還する反射光が光源に悪影響を及ぼさない程度の強さの場合は、アイソレータ６５０を省略してもよい。

ここで、図１０と同様に、透過型ミラー６１０とビームスプリッタ６６０との間に１／４波長板を配置してもよい。このような構成とすることで、透過型ミラー６１０で反射されたコヒーレント光６０１も偏光方向が９０度回転されるため、ビームスプリッタ６６０を透過して検出器６３０に到達する。上記のように、透過型ミラー６１０で反射されたコヒーレント光６０１を光検波の局発成分（微弱信号光を検出するヘテロダイン法における参照光）として利用することもできる。

上記以外の第１集光部材６２０、第２集光部材６４０、６４１、及び検出器６３０は図１０と同様であるので、ここでは説明を省略する。

以上のように、本発明の実施形態３の変形例に係る音波検出装置３１によると、音波測定領域６２２において光回折された回折光６２３の進行方向をビームスプリッタで変えることで、光源と一対の透過型ミラーを含む光学部品とのレイアウトの自由度が向上する。

〈実施形態４〉
図１２を用いて、本発明の実施形態４に係る音波検出装置の装置構成を詳細に説明する。実施形態４に係る音波検出装置は、一対の透過型ミラーとして中空構造のエタロンを使用した構成の音波検出装置である。実施形態４に係る音波検出装置は、光学部品として集光部材を使用した構成を例示するが、集光部材として実施形態１で説明した光ファイバ及び光コリメータを使用してもよい。

図１２は、本発明の実施形態４に係る音波検出装置の構成の一例を示す概念図である。図１２に示す音波検出装置４０は図７に示す音波検出装置２０と類似しているが、図１２に示す音波検出装置４０の光共振構造又は同軸多重反射構造は、一対の透過型ミラー６８１、６８２が支持部材６８３によって固定された中空構造のエタロン６８０によって構成されている点において、図１２に示す音波検出装置４０は図７に示す音波検出装置２０と相違する。

エタロン６８０に使用される一対の透過型ミラー６８１、６８２は、図７に示した音波検出装置２０の一対の透過型ミラー６１０、６１１と同様のミラーを使用することができる。エタロン６８０の中空部は大気に開放されており、音波６２１が遮られない構造となっている。

以上のように、本発明の実施形態４に係る音波検出装置４０によると、エタロンを使用して光共振構造又は同軸多重反射構造を構成することで、一対の透過型ミラーの間隔及び平行性が安定して維持される。その結果、より安定した光共振構造又は同軸多重反射構造を得ることができるだけでなく、音波検出装置を作製する際に一対の透過型ミラーを調整する手間がなくなり、生産性が向上する。

〈実施形態５〉
図１３を用いて、本発明の実施形態５に係る音波検出装置の装置構成を詳細に説明する。実施形態５に係る音波検出装置は、光コリメータと光共振構造又は同軸多重反射構造とを組み合わせた音波検出装置である。

図１３は、本発明の実施形態５に係る音波検出装置の構成の一例を示す概念図である。図１３に示す音波検出装置５０は図６に示す音波検出装置１１と類似しているが、図１３に示す音波検出装置５０は光共振構造又は同軸多重反射構造を有しており、これらの構造は第１光コリメータ１１０に固定された透過型ミラー１１５及び第３光コリメータ１６０に固定された透過型ミラー１６５によって構成されている点において、図１３に示す音波検出装置５０は図６に示す音波検出装置１１と相違する。

図１３に示す音波検出装置５０では、透過型ミラー１１５及び１６５が第１光コリメータ１１０及び第３光コリメータ１６０に固定された構成を例示したが、この構成に限定されず、透過型ミラー１１５及び１６５並びに第１光コリメータ１１０及び第３光コリメータ１６０の各々又は両方が独立した構成であってもよい。また、透過型ミラー１１５及び１６５の代わりに図１２に示す音波検出装置４０のエタロンを使用してもよい。

以上のように、本発明の実施形態５に係る音波検出装置５０によると、光源１００や検出器１３０を自在に配置することができるため、設計の自由度が向上する。

〈実施形態６〉
図１４を用いて、本発明の実施形態６に係る音波検出装置の装置構成を詳細に説明する。実施形態６に係る音波検出装置は、外部共振ミラー型のレーザにおいて、光共振部に音波測定領域を設けた音波検出装置である。

図１４は、本発明の実施形態６に係る音波検出装置の構成の一例を示す概念図である。図１４では、外部共振ミラー型のレーザを利用した音波検出装置の例について説明する。

図１４に示すように、音波検出装置６０は、一定波長の光７０１を放出する光源７００と、光源７００を挟持し、互いの面が平行になるように、光７０１の半波長の整数倍の間隔で配置された透過型ミラー７１０及び反射型ミラー７１１と、透過型ミラー７１０と反射型ミラー７１１との間に位置する音波測定領域７２２において、測定する音波７２１が光７０１に作用することで光７０１が光回折された回折光７２３を集光する第１光コリメータ７２０と、第１光コリメータ７２０の一端７３１に接続され、第１光コリメータ７２０によって集光された回折光７２３が結像した２箇所の光強度の極大点を有する第１光回折像のうち、一方の極大点を含む第２光回折像が入射する第１光ファイバ７３０と、第１光ファイバ７３０に接続され、第１光コリメータ７２０によって集光された回折光７２３を拡大して検出器７５０に照射させる第２光コリメータ７４０と、第２光コリメータ７４０によって照射された光強度を検出し、その光強度に応じた電気信号を生成する検出器７５０とを有する。

上記の構成は、光源７００の外部に透過型ミラー７１０及び反射型ミラー７１１によって構成される共振器が配置されていることから、外部共振ミラー型レーザ発振器という。透過型ミラー７１０は図７の音波検出装置２０に示す透過型ミラー６１０、６１１と同様のものを使用することができる。また、図１４に示すように、光源７００、透過型ミラー７１０、及び反射型ミラー７１１は筐体７６０の内部に配置されていてもよい。その場合は、筐体７６０に音波７２１が通過可能な開口部７６１を設けてもよい。

以上のように、本発明の実施形態６に係る音波検出装置６０によると、レーザの共振部に音波検出装置を設ける構成とすることで、音波は共振部によって増幅された高強度のレーザ光に対して作用するため、検出器にてより高い光強度を得ることができる。

〈実施形態７〉
図１５を用いて、本発明の実施形態７に係る音波検出装置の装置構成を詳細に説明する。実施形態７に係る音波検出装置は、光ファイバ内に形成された一対のファイバブラッググレーティングを使用した光共振構造又は同軸多重反射構造を有する音波波長検出装置である。

図１５は、本発明の実施形態７に係る音波検出装置の構成の一例を示す概念図である。図１５では、光ファイバ内に一対のファイバブラッググレーティング（ＦＢＧ）を使用した光共振構造又は同軸多重反射構造を有する音波検出装置の例について説明する。

図１５に示すように、音波検出装置７０は、位相が一定のコヒーレント光８０１を放出する光源８００と、入射されたコヒーレント光８０１を伝達する第１光ファイバ８１０と、第１光ファイバ８１０内に配置され、コヒーレント光８０１の一部を透過する一対のＦＢＧ８２０、８２１と、一対のＦＢＧ８２０、８２１の間に位置する音波測定領域８３２において、測定する音波８３１がコヒーレント光８０１に作用することでコヒーレント光８０１が光回折された回折光８３３を平行化する第１光コリメータ８３０と、第１光コリメータ８３０によって平行化された回折光８３３が照射された２箇所の光強度の極大点を有する第１光回折像のうち、一方の極大点を含む第２光回折像の光強度を検出し、光強度に応じた電気信号を生成する検出器８４０とを有する。また、図１５に示す音波検出装置７０は、上記の構成に加えて、光源８００から放出されたコヒーレント光８０１を透過させるアイソレータ８５０を有している。ここで、反射光が光源に帰還しない、又は光源に帰還する反射光が光源に悪影響を及ぼさない程度の強さの場合は、アイソレータ８５０を省略してもよい。

ここで、ＦＢＧとは、光ファイバのコア中に回折格子を形成したデバイスであり、特定の波長を選択的に反射する素子である。つまり、光フィルタとしての機能を有することでも知られている。ＦＢＧは、光ファイバのコアの中に回折格子を有しているため、入射光は回折格子の反射率に応じて反射され、一定量の入射光のみが透過光として回折格子を通過する。

光ファイバのコア中に形成する回折格子は、紫外線を照射することで形成することができる。紫外線を光ファイバに照射することで、光ファイバのコアは光誘起屈折率変化（Ｐｈｏｔｏｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ）によって屈折率が変化する。この屈折率の変化を周期的に形成することで、コア内部に一種の回折格子を形成することができる。例えば、照射する紫外光にＵＶレーザ（エキシマレーザ等）を用い、このレーザと照射面との間にレーザ回折を起こすための透過型回折格子（位相マスク）を入れることで、コアに回折格子を形成することができる。

図１５に示す音波検出装置７０においても、図７に示す音波検出装置２０と同様の効果が得られる。つまり、図９に示すように、同軸多重反射構造であっても一対のＦＢＧ８２０、８２１の反射率が８５％以上になると反射回数の増加に伴う増倍係数の増加の割合が大きくなる。ただし、一対のＦＢＧ８２０、８２１は検出器８４０で光を検出できる程度の透過率を有している必要があり、その反射率は１００％未満とする必要がある。また、一対のＦＢＧ８２０、８２１の間隔をコヒーレント光の半波長の整数倍とすることで、コヒーレント光の共振によって信号強度をさらに大きく増幅することができる。

以上のように、本発明の実施形態７に係る音波検出装置７０によると、光共振構造又は同軸多重反射構造を光ファイバ内に形成することができるため、例えば音波測定領域を折り曲げるなど、設計の自由度が向上する。また、一対のＦＢＧの間隔が安定して維持され、透過型ミラーのように平行性を維持する必要がない。その結果、より安定した光共振構造又は同軸多重反射構造を得ることができるだけでなく、音波検出装置を作製する際に一対の透過型ミラーを調整する手間がなくなり、生産性が向上する。

〈実施形態８〉
図１６は、本発明の実施形態８に係る音場可視化装置の構成の一例を示す概念図である。図１６では、実施形態１乃至７で詳細に説明した音波検出装置を使用し、音場の分布を測定することで音場を可視化する音場可視化装置について説明する。図１６では、一例として、図６に示す音波検出装置１１を使用した音場可視化装置８０について詳細に説明する。

図１６に示す音場可視化装置８０は、音波測定領域９０１におけるコヒーレント光９０２の進行方向が第１方向Ｄ１に互いに平行するように配置された複数の音波検出装置１１を有する第１音波検出装置群９００と、音波測定領域９０１におけるコヒーレント光９０２の進行方向が第１方向Ｄ１に交差する第２方向Ｄ２に互いに平行するように配置された複数の音波検出装置１１を有する第２音波検出装置群９１０とを有する。ここで、音場可視化装置８０は、第１音波検出装置群９００及び第２音波検出装置群９１０の各々の音波検出装置１１で生成された電気信号をコンピュータトモグラフィ処理して音場の空間分布を可視化する。

音場可視化装置８０は、図１６の紙面垂直方向に進行する音波を音波測定領域９０１で検出する。図１６では、図６に示す音波検出装置１１を用いた音場可視化装置の構成を例示したが、この構成に限定されず、実施形態１乃至７に示すその他の音波検出装置を用いて音場可視化装置を構成することができる。

以上のように、本発明の実施形態８に係る音場可視化装置８０によると、ＳＮ比が高い音波検出信号を得ることができるため、広範囲の周波数レンジ及び音量レンジにおいて音場の空間的な分布を測定することができる。特に、集光部材として光コリメータを用いた音波検出装置を使用すると、多くの光学系をシンプルな構成で組み立てることができ、また、隣接する音波検出装置の間隔を狭くすることができるため、音場可視化の空間分解能を向上させることができる。

〈実施形態９〉
図１７は、本発明の実施形態９に係る音場可視化装置の構成の一例を示す概念図である。図１７では、実施形態１乃至７で詳細に説明した音波検出装置を使用し、音場の分布を測定することで音場を可視化する音場可視化装置について説明する。図１７では、一例として、図６に示す音波検出装置１１を使用した音場可視化装置９０について詳細に説明する。

図１７に示す音場可視化装置９０は、音波検出装置１１と、音波検出装置１１が設置された第１ステージ９２０と、音波測定領域９３１におけるコヒーレント光９３２に、測定する音波が作用するように音源を設置可能な第２ステージ９３０とを有する。ここで、第１ステージ９２０は、音場測定時に、音波検出装置１１をコヒーレント光９３２の進行方向である第１方向Ｄ１に直交する第２方向Ｄ２に掃引し、第２ステージ９３０に対して相対的にＤ３方向に回転掃引することで音場の空間分布を可視化する。ここで、第１ステージ９２０が第２ステージ９３０に対して相対的に回転し、音波検出装置１１が音波検出装置１１’の位置に移動した場合、上記の第１方向はＤ１’で示された方向であり、第２方向はＤ２’で示された方向である。図１７では、第１ステージ９２０が回転する構成を例示したが、この構成に限定されず、第２ステージ９３０が回転してもよく、また、第１ステージ９２０及び第２ステージ９３０の両方が回転してもよい。

音場可視化装置９０においても、Ｄ２方向への掃引及びＤ３方向への回転掃引を行いながら音波測定を行い、音波検出装置１１で生成された電気信号をコンピュータトモグラフィ処理することで音場の空間分布を可視化する。

音場可視化装置９０は、図１７の紙面垂直方向に進行する音波を音波測定領域９３１で検出する。図１７では、図６に示す音波検出装置１１を用いた音場可視化装置の構成を例示したが、この構成に限定されず、実施形態１乃至７に示すその他の音波検出装置を用いて音場可視化装置を構成することができる。

以上のように、本発明の実施形態９に係る音場可視化装置９０によると、ＳＮ比が高い音波検出信号を得ることができるため、広範囲の音量レンジにおいて音場の空間的な分布を測定することができる。また、１つの音波検出装置で音場を可視化することができるので、音場可視化装置の製造コストを下げることができる。また、Ｄ２方向の掃引速度及びＤ３方向の回転掃引速度を調整することで、所望の音場可視化の空間分解能を得ることができる。

〈実施形態１０〉
図１８は、本発明の実施形態１０に係るセンサの構成の一例を示す概念図である。図１８では、実施形態１乃至７で詳細に説明した音波検出装置を使用し、においなどの原因であるガス分子を検出するセンサについて説明する。図１８では、一例として、図６に示す音波検出装置１１を使用したセンサ９９について詳細に説明する。

図１８に示すセンサ９９は、音波検出装置１１と、音波測定領域１１２におけるコヒーレント光１０１に超音波９５１が作用するように配置された超音波発振器９５０とを有する。

空気中を伝搬する超音波の伝搬路ににおい物質の原因であるガス分子が侵入すると、超音波の音速、波形、強度が変化することが知られている。特に、超音波の波形が変化すると、超音波基本周波数とは異なる周波数の超音波が発生する。図１８において、超音波９５１の伝搬路にガス分子９９９が侵入すると、超音波９５１の周波数が変化し、音波測定領域１１２におけるコヒーレント光１０１への光回折の作用の大きさが変化し、検出器１３０で検出される信号強度が変化する。超音波９５１の伝搬路に侵入するガス分子９９９の量が増加するほど、超音波９５１の周波数変化は大きくなり、結果的に検出器１３０で検出される信号強度が大きくなる。つまり、センサ９９において検出器１３０の信号強度に基づいて、ガス濃度を評価することができる。

以上のように、本発明の実施形態１０に係るセンサ９９によると、コヒーレント光１０１に作用する超音波９５１の特性変動を測定することで、単に音波又は超音波だけでなくこれらの特性を変化させる物質又は現象をセンシングすることが可能である。

実施形態１０で説明したように、本発明に係る音波検出装置はＳＮ比が向上したことによって、超音波の僅かな変動を検知できるようになった。つまり、実施形態１乃至７に記載された音波検出装置は超音波の検出に利用できることを意味する。例えば、高圧ガス管や高圧容器の破損部から高圧ガスが噴出する際に超音波を発生する。つまり、実施形態１乃至７に記載された音波検出装置を使用することで、高圧ガス管や高圧容器の微小な破損部を特定することができる。

なお、本発明は上記の実施形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。

１０、１１、２０、３０、３１、４０、５０、６０、７０：音波検出装、 ８０、９０：音場可視化装置、 ９９：センサ、 １００、６００、７００、８００：光源、 １０１、６０１、８０１、９０２、９３２：コヒーレント光、 １１０、７２０、８３０：第１光コリメータ、 １１１、６２１、７２１、８３１：音波、 １１２、６２２、７２２、８３２、９３１：音波測定領域、 １１３、２２１、６２３、７２３、８３３：回折光、 １１５、１６５、６１０、６１１、６８１、６８２、７１０：透過型ミラー、 ６１２：１／４波長板 １２０、７３０、８１０：第１光ファイバ、 １２１、７３１：一端、 １２２：集光点、 １３０、６３０、７５０、８４０：検出器、 １４０、７４０：第２光コリメータ、 １５０：第２光ファイバ、 １６０：第３光コリメータ、 ２００：レーザ光源、 ２０１：レーザ光、 ２１０：第１レンズ、 ２２０：情報入力面、 ２３０：第２レンズ、 ２４０：結像面、 ２５０：第３レンズ、 ２６０：情報出力面、 ３００：音波、 ３０１：疎な部分、 ３０２：密な部分、 ３１０：第１光回折像、 ３２０：第２光回折像、 ６２０：第１集光部材、 ６４０、６４１：第２集光部材、 ６５０、８５０：アイソレータ、 ６６０：ビームスプリッタ、 ６７０、７１１：反射型ミラー、 ６８０：エタロン、 ６８３：支持部材、 ７０１：光、 ７６０：筐体、 ７６１：開口部、 ９００：第１音波検出装置群、 ９０１：音波測定領域、 ９１０：第２音波検出装置群、 ９２０：第１ステージ、 ９３０：第２ステージ、 ９５０：超音波発振器、 ９５１：超音波、 ９９９：ガス分子

Claims (14)

1. コヒーレント光を放出する光源と、
   測定する音波が前記コヒーレント光に照射される音波測定領域において、前記音波が前記コヒーレント光に作用することで前記コヒーレント光が光回折された回折光を集光する第１光コリメータと、
   前記第１光コリメータの一端に接続され、前記回折光が前記第１光コリメータによって集光された位置における、２箇所の光強度の極大点を有する第１光回折像のうち、一方の前記極大点を含む第２光回折像が入射する第１光ファイバと、
   前記第１光ファイバに入射された前記第２光回折像の光強度を検出し、前記光強度に応じた電気信号を生成する検出器と、
   を有する音波検出装置。
2. 前記第２光回折像は、前記第１光コリメータによって集光された集光点における光回折像である、請求項１に記載の音波検出装置。
3. 互いの面が平行に配置され、照射された前記コヒーレント光の一部を透過する一対の透過型ミラーをさらに有し、
   前記音波測定領域は、前記一対の透過型ミラーの間に位置することを特徴とする請求項１又は２に記載の音波検出装置。
4. 前記第１光ファイバに接続され、前記第１光コリメータによって集光された前記回折光を拡大して前記検出器に照射させる第２光コリメータと、
   前記光源から放出された前記コヒーレント光を伝達する第２光ファイバと、
   前記第２光ファイバに接続され、前記音波測定領域において前記コヒーレント光が直線状になるように前記コヒーレント光を調整する第３光コリメータと、をさらに有し、
   前記一対の透過型ミラーは、前記第１光コリメータと前記第３光コリメータとの間において、互いの面が平行に配置されていることを特徴とする請求項３に記載の音波検出装置。
5. 前記一対の透過型ミラーの間隔は、前記コヒーレント光の半波長の整数倍であることを特徴とする請求項３又は４に記載の音波検出装置。
6. 前記一対の透過型ミラーは支持部材によって固定された中空構造のエタロンであることを特徴とする請求項３乃至５のいずれか一に記載の音波検出装置。
7. 前記光源から放出された前記コヒーレント光が前記音波測定領域に入射されるように前記コヒーレント光の光路を変更するビームスプリッタと、
   前記ビームスプリッタによって光路が変更された前記コヒーレント光の一部を透過する透過型ミラーと、
   前記透過型ミラーを透過し、前記音波測定領域を通過した前記回折光を前記透過型ミラー及び前記第１光コリメータへ反射する反射型ミラーと、
   をさらに有することを特徴とする請求項１又は２に記載の音波検出装置。
8. 一定波長の光を放出する光源と、
   前記光源を挟持し、互いの面が平行になるように、前記一定波長の光の半波長の整数倍の間隔で配置され、前記一定波長の光からコヒーレント光を生成する透過型ミラー及び反射型ミラーと、
   前記透過型ミラーと前記反射型ミラーとの間に位置する音波測定領域において、測定する音波が前記一定波長の光及び前記コヒーレント光に作用することで前記一定波長の光及び前記コヒーレント光が光回折された回折光を集光する第１集光部材と、
   前記回折光が前記第１集光部材によって集光された位置における、２箇所の光強度の極大点を有する第１光回折像のうち、一方の前記極大点を含む第２光回折像の光強度を検出し、前記光強度に応じた電気信号を生成する検出器と、
   を有する音波検出装置。
9. 前記第２光回折像は、前記第１集光部材によって集光された集光点における光回折像である、請求項８に記載の音波検出装置。
10. コヒーレント光を放出する光源と、
    入射された前記コヒーレント光を伝達する第１光ファイバと、
    前記第１光ファイバ内に配置され、前記コヒーレント光の一部を透過する一対のファイバブラッググレーティングと、
    前記一対のファイバブラッググレーティングの間に位置する音波測定領域において、測定する音波が前記コヒーレント光に作用することで前記コヒーレント光が光回折された回折光を平行化する第１光コリメータと、
    前記第１光コリメータによって平行化された前記回折光が照射された２箇所の光強度の極大点を有する第１光回折像のうち、一方の前記極大点を含む第２光回折像の光強度を検出し、前記光強度に応じた電気信号を生成する検出器と、
    を有する音波検出装置。
11. 前記一対のファイバブラッググレーティングの間隔は、前記コヒーレント光の半波長の整数倍であることを特徴とする請求項１０に記載の音波検出装置。
12. 前記音波測定領域における前記コヒーレント光の進行方向が第１方向に互いに平行するように配置された複数の前記音波検出装置を有する第１音波検出装置群と、
    前記音波測定領域における前記コヒーレント光の進行方向が前記第１方向に交差する第２方向に互いに平行するように配置された複数の前記音波検出装置を有する第２音波検出装置群と、を有し、
    前記第１音波検出装置群及び前記第２音波検出装置群の各々の前記音波検出装置で生成された前記電気信号をコンピュータトモグラフィ処理して音場の空間分布を可視化することを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか一の音波検出装置を用いた音場可視化装置。
13. 前記音波検出装置と、
    前記音波検出装置が設置された第１ステージと、
    前記音波測定領域における前記コヒーレント光に測定する音波が作用するように音源を設置可能な第２ステージと、を有し、
    前記第１ステージは、前記音波検出装置を前記コヒーレント光の進行方向である第１方向に直交する第２方向に掃引し、前記第２ステージに対して相対的に回転掃引することで音場の空間分布を可視化することを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか一の音波検出装置を用いた音場可視化装置。
14. 前記音波検出装置と、
    前記音波測定領域における前記コヒーレント光に超音波が作用するように配置された超音波発振器と、を有することを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか一の音波検出装置を用いたセンサ。