(57)【要約】  光マイクロホンは、音響波が伝搬する伝搬媒質部と、伝搬媒質部中を伝搬する音響波を横切って、伝搬媒質部を透過する光波を出射する光源と、伝搬媒質部を透過した光波を再帰反射させる反射部と、反射部で反射し、伝搬媒質部を透過した光波を受光し、電気信号を出力する光電変換部とを備える。光源から出射する光波が伝搬媒質部を透過する往路において、音響波の伝搬に伴って生じる伝搬媒質部の屈折率分布により、０次回折光波、＋１次回折光波および−１次回折光波がそれぞれ生成し、往路において生成した０次回折光波が、反射部における反射によって伝搬媒質部を透過する復路において、音響波の伝搬に伴って生じる伝搬媒質部の屈折率分布により、０次回折光波、＋１次回折光波および−１次回折光波が生成する。光電変換部は、往路で生成した＋１次回折光波と復路で生成した−１次回折光波との干渉光、および、往路で生成した−１次回折光波と復路で生成した＋１次回折光波との干渉光の少なくとも一方を検出する。
2012127808.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光波を用いて、環境流体を伝搬する音響波を検出する光マイクロホンであって、
前記音響波が伝搬する伝搬媒質部と、
前記伝搬媒質部中を伝搬する前記音響波を横切って、前記伝搬媒質部を透過する光波を出射する光源と、
前記伝搬媒質部を透過した光波を再帰反射させる反射部と、
前記反射部で反射し、前記伝搬媒質部を透過した前記光波を受光し、電気信号を出力する光電変換部とを備え、
前記光源から出射する前記光波が前記伝搬媒質部を透過する往路において、前記音響波の伝搬に伴って生じる前記伝搬媒質部の屈折率分布により、０次回折光波、＋１次回折光波および−１次回折光波がそれぞれ生成し、
前記往路において生成した前記０次回折光波が、前記反射部における反射によって前記伝搬媒質部を透過する復路において、前記音響波の伝搬に伴って生じる前記伝搬媒質部の屈折率分布により、０次回折光波、＋１次回折光波および−１次回折光波が生成し、
前記光電変換部は、前記往路で生成した＋１次回折光波と前記復路で生成した前記−１次回折光波との干渉光、および、前記往路で生成した−１次回折光波と前記復路で生成した前記＋１次回折光波との干渉光の少なくとも一方を検出する光マイクロホン。
【請求項２】
前記光源と前記伝搬媒質部との間に位置しているビームスプリッタをさらに備え、
前記ビームスプリッタは、前記往路および前記復路によって生成した前記＋１次回折光波および−１次回折光波を前記光源とは異なる方向に出射させる請求項１に記載の光マイクロホン。
【請求項３】
前記反射部は、少なくとも前記伝搬媒質部における前記音響波の伝搬方向および前記光源から出射する前記光波の伝搬方向を含む平面において再帰反射性を有する請求項１または２に記載の光マイクロホン。
【請求項４】
前記反射部は、リバーサルミラーであり、
前記リバーサルミラーの対称軸が、前記音響波の伝搬方向および前記光波の伝搬方向に垂直である請求項３に記載の光マイクロホン。
【請求項５】
前記反射部はコーナーキューブミラーである請求項３に記載の光マイクロホン。
【請求項６】
前記光電変換部は受光面を有し、
前記０次回折光波が前記受光面に入射しないように、前記復路で生成した前記０次回折光波が前記受光面へ入射するのを遮る遮光部をさらに備える請求項１から５のいずれかに記載の光マイクロホン。
【請求項７】
前記復路の光路上において、前記遮光部よりも伝搬媒質側に配置されており、発散作用を有する受光レンズ系をさらに備える請求項６に記載の光マイクロホン。
【請求項８】
前記光電変換部は、前記反射部で反射し、前記伝搬媒質部を透過した前記光波を受光し、電気信号を出力する複数の光電変換素子を有する光電変換素子アレイであって、
前記光電変換素子アレイは、前記往路で生成した＋１次回折光波と前記復路で生成した前記−１次回折光波とが干渉することにより得られる第１干渉光波、および、前記往路で生成した−１次回折光波と前記復路で生成した前記＋１次回折光波とが干渉することにより得られる第２干渉光波の少なくとも一方を前記複数の光電変換素子の一部で検出し、
前記第１干渉光波および前記第２干渉光波の少なくとも一方を検出した前記一部の光電変換素子の前記光電変換素子アレイにおける位置に基づき、前記音響波の伝搬方向を特定する請求項１に記載の光マイクロホン。
【請求項９】
前記光電変換部は、前記反射部で反射し、前記伝搬媒質部を透過した前記光波を受光し、電気信号を出力する複数の光電変換素子を有する光電変換素子アレイであって、
前記光電変換素子アレイは、前記往路で生成した＋１次回折光波と前記復路で生成した前記−１次回折光波とが干渉することにより得られる第１干渉光波、および、前記往路で生成した−１次回折光波と前記復路で生成した前記＋１次回折光波とが干渉することにより得られる第２干渉光波の少なくとも一方を前記複数の光電変換素子の一部で検出し、
前記第１干渉光波および前記第２干渉光波の少なくとも一方を前記複数の光電変換素子によって独立して検出することにより、前記音響波を周波数に応じて分離検出する請求項１に記載の光マイクロホン。
【請求項１０】
前記複数の光電変換素子のそれぞれは、受光部を有し、
前記複数の光電変換素子の前記受光部は、前記復路の０次回折光波が照射する位置を中心として配置されており、
前記複数の光電変換素子の受光部の大きさおよび前記中心からの距離によって前記音響波を異なる周波数帯域で分離して検出する請求項９に記載の光マイクロホン。
【請求項１１】
前記複数の光電変換素子の受光部は、第１の配置方向および前記第１の配置方向と非平行な第２の方向に、２次元に配置されており、
前記第１干渉光波および前記第２干渉光波の少なくとも一方を検出した前記一部の光電変換素子の受光部の前記中心周りの方位によって、前記音響波の伝搬方向をさらに特定する請求項１０に記載の光マイクロホン。
【請求項１２】
前記複数の光電変換素子のそれぞれは、部分リング状の受光部を有し、前記受光部は、前記復路の０次回折光波が照射する位置を中心とする円内において、半径方向および円周方向において、２次元に配置されており、
前記第１干渉光波および前記第２干渉光波の少なくとも一方を、前記円周方向の同じ方位であって、半径方向に異なる位置にある２つ以上の光電変換素子によって、前記音響波を周波数に応じて分離検出し、
前記中心周り前記円周方向方位から前記音響波の伝搬方向を特定する請求項８または９に記載の光マイクロホン。
【請求項１３】
前記光電変換部より前記伝搬媒質部側に設けられた、発散作用を有する受光レンズ系をさらに備える請求項１から１２のいずれかに記載の光マイクロホン。
【請求項１４】
前記復路の光路上に配置されており、中心から外側に向かって拡大率が小さくなる分布を有する受光レンズ系をさらに備える請求項１から１３のいずれかに記載の光マイクロホン。
【請求項１５】
前記伝搬媒質部がシリカ乾燥ゲルによって構成されている請求項１から１４のいずれかに記載の光マイクロホン。
【請求項１６】
前記光電変換部で得られた電気信号の周波数を１／２倍に変換する周波数変換部をさらに備える請求項１から１５のいずれかに記載の光マイクロホン。
【請求項１７】
被検体内に音響波を励起する音源と、
前記被検体中の欠陥によって生じた前記音響波の反射波を横切って、前記被検体を透過する光波を出射する光源と、
前記被検体を透過した光波を再帰反射させる反射部と、
前記反射部で反射し、前記被検体を透過した前記光波を受光し、電気信号を出力する複数の光電変換素子を有する光電変換素子アレイとを備え、
前記光源から出射する前記光波が前記被検体を透過する往路において、前記反射波の伝搬に伴って生じる前記被検体の屈折率分布により、前記光波から、０次回折光波、＋１次回折光波および−１次回折光波がそれぞれ生成し、
前記往路において生成した前記０次回折光波が、前記反射部における反射によって前記被検体を透過する復路において、前記反射波の伝搬に伴って生じる前記被検体の屈折率分布により、前記往路の０次回折光から、０次回折光波、＋１次回折光波および−１次回折光波が生成し、
前記光電変換素子アレイは、前記往路で生成した＋１次回折光波と前記復路で生成した前記−１次回折光波とが干渉することにより得られる第１干渉光波、および、前記往路で生成した−１次回折光波と前記復路で生成した前記＋１次回折光波とが干渉することにより得られる第２干渉光波の少なくとも一方を前記複数の光電変換素子の一部で検出し、
前記第１干渉光波および前記第２干渉光波の少なくとも一方を検出した前記一部の光電変換素子の前記光電変換素子アレイにおける位置に基づき、前記反射波の伝搬方向を特定し、
前記光電変換素子アレイによる、前記第１干渉光波および前記第２干渉光波の少なくとも一方を検出した時刻および、前記被検体内における音響波の励起時刻から、前記反射波が前記被検体を伝搬する距離を算出し、
前記特定した伝搬方向および前記算出した距離から前記被検体内における欠陥の位置を推定する探傷装置。
【請求項１８】
光波を用いて、環境流体を伝搬する音響波を検出する音響波の検出方法あって、
伝搬媒質部中に音響波を伝搬させるステップ（Ａ）と、
前記伝搬媒質部中を伝搬する前記音響波を横切るように光波を透過させ、前記音響波の伝搬に伴って生じる前記伝搬媒質部の屈折率分布により、０次回折光波、＋１次回折光波および−１次回折光波をそれぞれ生成させるステップ（Ｂ）と、
前記ステップ（Ｂ）で生成した０次回折光波、＋１次回折光波および−１次回折光波を再帰反射させるステップ（Ｃ）と、
前記再帰反射した０次回折光波が前記伝搬媒質部中を伝搬する前記音響波を横切るように透過することによって、前記音響波の伝搬に伴って生じる前記伝搬媒質部の屈折率分布により、＋１次回折光波および−１次回折光波をそれぞれ生成させるステップ（Ｄ）と、
前記ステップ（Ｂ）で生成し、再帰反射した＋１次回折光波と、前記ステップ（Ｄ）で生成した−１次回折光波との干渉光、および、前記ステップ（Ｂ）で生成し、再帰反射した−１次回折光波と、前記ステップ（Ｄ）で生成した＋１次回折光波との干渉光の少なくとも一方を検出するステップ（Ｅ）と、
を包含する音響波の検出方法。
【請求項１９】
光波を用いて、音響波を検出する音響波の検出方法あって、
伝搬媒質部中に音響波を伝搬させるステップ（Ａ）と、
前記伝搬媒質部中を伝搬する前記音響波を横切るように光波を透過させ、前記音響波の伝搬に伴って生じる前記伝搬媒質部の屈折率分布により、０次回折光波、＋１次回折光波および−１次回折光波をそれぞれ生成させるステップ（Ｂ）と、
前記ステップ（Ｂ）で生成した０次回折光波、＋１次回折光波および−１次回折光波を再帰反射させるステップ（Ｃ）と、
前記再帰反射した０次回折光波が前記伝搬媒質部中を伝搬する前記音響波を横切るように透過することによって、前記音響波の伝搬に伴って生じる前記伝搬媒質部の屈折率分布により、＋１次回折光波および−１次回折光波をそれぞれ生成させるステップ（Ｄ）と、
前記ステップ（Ｂ）で生成し、再帰反射した＋１次回折光波と、前記ステップ（Ｄ）で生成した−１次回折光波との第１干渉光波、および、前記ステップ（Ｂ）で生成し、再帰反射した−１次回折光波と、前記ステップ（Ｄ）で生成した＋１次回折光波との第２干渉光波の少なくとも一方を、複数の光電変換素子を有する光電変換素子アレイによって検出し、前記第１干渉光波および前記第２干渉光波の少なくとも一方を検出した前記一部の光電変換素子の前記光電変換素子アレイにおける位置に基づき、前記音響波の伝搬方向を特定するステップ（Ｅ）と
を包含する音響波の検出方法。
【請求項２０】
光波を用いて、音響波を検出する音響波の検出方法あって、
伝搬媒質部中に音響波を伝搬させるステップ（Ａ）と、
前記伝搬媒質部中を伝搬する前記音響波を横切るように光波を透過させ、前記音響波の伝搬に伴って生じる前記伝搬媒質部の屈折率分布により、０次回折光波、＋１次回折光波および−１次回折光波をそれぞれ生成させるステップ（Ｂ）と、
前記ステップ（Ｂ）で生成した０次回折光波、＋１次回折光波および−１次回折光波を再帰反射させるステップ（Ｃ）と、
前記再帰反射した０次回折光波が前記伝搬媒質部中を伝搬する前記音響波を横切るように透過することによって、前記音響波の伝搬に伴って生じる前記伝搬媒質部の屈折率分布により、＋１次回折光波および−１次回折光波をそれぞれ生成させるステップ（Ｄ）と、
前記ステップ（Ｂ）で生成し、再帰反射した＋１次回折光波と、前記ステップ（Ｄ）で生成した−１次回折光波との第１干渉光波、および、前記ステップ（Ｂ）で生成し、再帰反射した−１次回折光波と、前記ステップ（Ｄ）で生成した＋１次回折光波との第２干渉光波の少なくとも一方を、複数の光電変換素子を有する光電変換素子アレイによって独立して検出することにより、前記音響波を周波数に応じて分離検出するステップ（Ｅ）と、を包含する音響波の検出方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は、空気などの気体を伝搬する音響波を受波し、光波を利用して、受波した音響波を電気信号に変換する光マイクロホンに関する。
【背景技術】
【０００２】
音波を受波し、電気信号に変換する装置として、従来からマイクロホンが知られている。ダイナミックマイクロホンやコンデンサマイクロホンに代表される多くのマイクロホンは、振動板を備えている。これらのマイクロホンでは、音波が振動板を振動させることによって受波し、その振動を電気信号として取り出す。この種のマイクロホンは、機械的振動部分を有しているため、多数回、繰り返して使用することにより、機械的振動部の特性が変化する可能性がある。また、非常に強力な音波をマイクロホンで検出しようとすると、振動部が破壊する可能性がある。【０００３】
このような従来の機械的振動部を有するマイクロホンの課題を解消するために、例えば、特許文献１および特許文献２では機械的振動部を有しておらず、光波を利用することで音響波を検出する光マイクロホンが開示されている。【０００４】
例えば特許文献１は、光を音響波によって変調し、光の変調成分を検出することによって音響波を検出する方法を開示している。具体的には、図２９に示すように、空気中を伝搬する音響波１に、出射系光学部品１１１を用いて整形されたレーザー光を作用させ、回折光を生じさせる。この際、位相が互いに反転した２つの回折光成分が生じる。回折光を受光系光学部品１１２で調整した後に、２つの回折光成分のどちらか一方のみを光ダイオード１１３で受光し、電気信号に変換することにより音響波１を検出する。【０００５】
また、特許文献２は、音響波を媒質中に伝搬させ、媒質の光学的特性の変化を検出することにより、音響波を検出する方法を開示している。図３０に示すように、空気中を伝搬する音響波１は、開口部２０１から取り込まれ、壁面の少なくとも一部が光音響伝搬媒質部２０３から形成されている音響導波路２０２中を進行する。音響導波路２０２を進行する音波は光音響伝搬媒質部２０３に取り込まれて、その内部を伝搬する。光音響伝搬媒質部２０３では、音波の伝搬に伴い、屈折率変化が生じる。この屈折率変化をレーザードップラー振動計２０４を用いて光変調として取り出すことにより、音響波１を検出する。特許文献２は光音響伝搬媒質部２０３として、シリカ乾燥ゲルを用いることで、導波路中の音響波を光音響伝搬媒質部２０３の内部へ高効率に取り込むことができると開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平８−２６５２６２号公報
【特許文献２】特開２００９−０８５８６８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１の光マイクロホンでは、音響波によって生じた回折光を検出する必要がある。しかし、回折光の生じる角度は、音響波の周波数に依存するため、検出する音響波の周波数に応じてマイクロホンの感度が変化してしまうという課題がある。【０００８】
また、特許文献２の方法では、レーザードップラー振動計を用いる。レーザードップラー振動計は、音響光学素子などの光周波数シフタや、多数のミラー、ビームスプリッタ、レンズなどからなる複雑な光学系が必要であるため、大型である。このため、特許文献２に開示される測定装置全体が大きくなってしまうという課題がある。【０００９】
本願は、このような従来技術の課題の少なくとも１つを解決し、感度の音響波の周波数依存性が抑制された光マイクロホンを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本願に開示された光マイクロホンは、光波を用いて、環境流体を伝搬する音響波を検出する光マイクロホンであって、前記音響波が伝搬する伝搬媒質部と、前記伝搬媒質部中を伝搬する前記音響波を横切って、前記伝搬媒質部を透過する光波を出射する光源と、前記伝搬媒質部を透過した光波を再帰反射させる反射部と、前記反射部で反射し、前記伝搬媒質部を透過した前記光波を受光し、電気信号を出力する光電変換部とを備え、前記光源から出射する前記光波が前記伝搬媒質部を透過する往路において、前記音響波の伝搬に伴って生じる前記伝搬媒質部の屈折率分布により、０次回折光波、＋１次回折光波および−１次回折光波がそれぞれ生成し、前記往路において生成した前記０次回折光波が、前記反射部における反射によって前記伝搬媒質部を透過する復路において、前記音響波の伝搬に伴って生じる前記伝搬媒質部の屈折率分布により、０次回折光波、＋１次回折光波および−１次回折光波が生成し、前記光電変換部は、前記往路で生成した＋１次回折光波と前記復路で生成した前記−１次回折光波との干渉光、および、前記往路で生成した−１次回折光波と前記復路で生成した前記＋１次回折光波との干渉光の少なくとも一方を検出する。
【発明の効果】
【００１１】
本願に開示された一態様によれば、レーザードップラー振動計などの特別な計測器や光学干渉計を用いないため、小型で簡単な構造によって構成される光マイクロホンを実現することができる。また、伝搬媒質部を透過した光波を再帰反射させることによって、光波が往路および復路において伝搬媒質部を透過し、往路で生じる＋１次回折光波と復路で生じる−１次回折光波、あるいは、往路で生じる−１次回折光波と復路で生じる＋１次回折光波の回折方向を同じにすることができる。このため、音響波の周波数によらず、２つの回折光波が重なり合い干渉する部分の面積を一定にすることができ、感度が周波数によって変動しにくい光マイクロホンを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１Ａ】本発明による光マイクロホンの第１の実施形態の構成を示す図である。
【図１Ｂ】本発明による光マイクロホンの第１の実施形態の他の構成を示す図である。
【図２】（ａ）から（ｄ）は、図１Ａに示す光マイクロホンにおいて、伝搬媒質部を光波が透過をする際に回折光波が生成する様子を示す図である。
【図３】図１Ａに示す光マイクロホンにおいて、反射部としてコーナーキューブミラーを用いた例を示す図である。
【図４】コーナーキューブミラーによって構成される反射部において、光波が反射される様子を示す図である。
【図５】図１Ａに示す光マイクロホンにおいて、反射部としてリバーサルミラーを用いた例を示す図である。
【図６】図１Ａに示す光マイクロホンにおける回折光波の位置関係を示す図である。
【図７】図１Ａに示す光マイクロホンにおいて、光電変換部を０次回折光に対してシフトさせて配置させた例を示す図である。
【図８】図１Ａに示す光マイクロホンにおいて、０次回折光波を遮蔽し、回折光波を光電変換部によって受光させる例を示す図である。
【図９】図１Ａに示す光マイクロホンにおいて、光電変換部の受光面上に、光を発散させる機能を有する受光レンズ系を配置した例を示す図である。
【図１０】図１Ａに示す光マイクロホンにおいて、光電変換部の受光面上に、拡大率分布をもつ受光レンズ系を配置した例を示す図である。
【図１１】図１Ａに示す光マイクロホンにおいて、光波の往路において生成する回折光波を示す図である。
【図１２】図１Ａに示す光マイクロホンにおいて、光波の復路において生成または観測される回折光波を示す図である。
【図１３】０次回折光波と１次回折光波が干渉する場合の位置関係を示す図である。
【図１４】（ａ）から（ｃ）は、それぞれ、図１Ａに示す光マイクロホンにおいて、入射する音響波、光電検出部で検出する光波、光電検出部から出力される電気信号、および周波数変換部から出力される電気信号の波形を示す図であって、光波に大きさの異なる直流成分が含まれる場合の波形を示す図である。
【図１５】本発明による光マイクロホンの第２の実施形態の構成を示す図である。
【図１６】（ａ）から（ｄ）は、図１５に示す光マイクロホンにおいて、伝搬媒質部を光波が透過をする際に回折光波が生成する様子を示す図である。
【図１７】図１５に示す光マイクロホンの往路における回折光波の発生を説明する図である。
【図１８】図１５に示す光マイクロホンの反射部における反射の様子を示す図である。
【図１９】図１５に示す光マイクロホンの復路における回折光波の発生を説明する図である。
【図２０】ビームスプリッタにより反射された回折光波の位置関係を示す図である。
【図２１】光電変換素子アレイの受光面における回折光波の位置関係を示す図である。
【図２２】（ａ）および（ｂ）は、音響波の伝搬方向と光波の回折方向の関係を示す図である。
【図２３】音響波の伝搬方向が制限された伝搬媒質部を示す図である。
【図２４】本発明による光マイクロホンの第３の実施形態の構成を示す図である。
【図２５】本発明による光マイクロホンの第３の実施形態の他の構成を示す図である。
【図２６】（ａ）は本発明による光マイクロホンの第４の実施形態の構成を示す図であり、（ｂ）は、光電変換素子アレイの他の形態を示す模式図である。
【図２７】第４の実施形態による光マイクロホンを用いた音源定位を説明する図である。
【図２８】本発明による探傷装置の実施形態の構成を示す図である。
【図２９】従来の光マイクロホンの構成を概略的に示す図である。
【図３０】従来の他の光マイクロホンの構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本願に開示された光マイクロホンは、光波を用いて、環境流体を伝搬する音響波を検出する光マイクロホンであって、前記音響波が伝搬する伝搬媒質部と、前記伝搬媒質部中を伝搬する前記音響波を横切って、前記伝搬媒質部を透過する光波を出射する光源と、前記伝搬媒質部を透過した光波を再帰反射させる反射部と、前記反射部で反射し、前記伝搬媒質部を透過した前記光波を受光し、電気信号を出力する光電変換部とを備え、前記光源から出射する前記光波が前記伝搬媒質部を透過する往路において、前記音響波の伝搬に伴って生じる前記伝搬媒質部の屈折率分布により、０次回折光波、＋１次回折光波および−１次回折光波がそれぞれ生成し、前記往路において生成した前記０次回折光波が、前記反射部における反射によって前記伝搬媒質部を透過する復路において、前記音響波の伝搬に伴って生じる前記伝搬媒質部の屈折率分布により、０次回折光波、＋１次回折光波および−１次回折光波が生成し、前記光電変換部は、前記往路で生成した＋１次回折光波と前記復路で生成した前記−１次回折光波との干渉光、および、前記往路で生成した−１次回折光波と前記復路で生成した前記＋１次回折光波との干渉光の少なくとも一方を検出する。
【００１４】
ある一実施態様において、光マイクロホンは、前記光源と前記伝搬媒質部との間に位置しているビームスプリッタをさらに備え、前記ビームスプリッタは、前記往路および前記復路によって生成した前記＋１次回折光波および−１次回折光波を前記光源とは異なる方向出射させる。
【００１５】
ある一実施態様において、前記反射部は、少なくとも前記伝搬媒質部における前記音響波の伝搬方向および前記光源から出射する前記光波の伝搬方向を含む平面において再帰反射性を有する。
【００１６】
ある一実施態様において、前記反射部は、リバーサルミラーであり、前記リバーサルミラーの対称軸が、前記音響波の伝搬方向および前記光波の伝搬方向に垂直である。
【００１７】
ある一実施態様において、前記反射部はコーナーキューブミラーである。
【００１８】
ある一実施態様において、前記光電変換部は受光面を有し、前記復路で生成した前記０次回折光波が前記受光面に入射しないように、前記光電変換部は、前記復路で生成した前記０次回折光波に対して所定の方向にシフトして配置されている。
【００１９】
ある一実施態様において、前記光電変換部は受光面を有し、光マイクロホンは、前記０次回折光波が前記受光面に入射しないように、前記復路で生成した前記０次回折光波が前記受光面へ入射するのを遮る遮光部をさらに備える。
【００２０】
ある一実施態様において、光マイクロホンは、前記復路の光路上において、前記遮光部よりも伝搬媒質側に配置されており、発散作用を有する受光レンズ系をさらに備える。
【００２１】
ある一実施態様において、光マイクロホンは、前記復路の光路上において、前記遮光部よりも伝搬媒質側に配置されており、中心から外側に向かって拡大率が小さくなる分布を有する受光レンズ系をさらに備える。
【００２２】
ある一実施態様において、前記伝搬媒質部がシリカ乾燥ゲルによって構成されている。
【００２３】
ある一実施態様において、前記光波がレーザー光である。
【００２４】
ある一実施態様において、光マイクロホンは、前記光電変換部で得られた電気信号の周波数を１／２倍に変換する周波数変換部をさらに備える。
【００２５】
本願に開示された音響波の検出方法は、光波を用いて、環境流体を伝搬する音響波を検出する音響波の検出方法あって、伝搬媒質部中に音響波を伝搬させるステップ（Ａ）と、前記伝搬媒質部中を伝搬する前記音響波を横切るように光波を透過させ、前記音響波の伝搬に伴って生じる前記伝搬媒質部の屈折率分布により、０次回折光波、＋１次回折光波および−１次回折光波をそれぞれ生成させるステップ（Ｂ）と、前記ステップ（Ｂ）で生成した０次回折光波、＋１次回折光波および−１次回折光波を再帰反射させるステップ（Ｃ）と、前記再帰反射した０次回折光波が前記伝搬媒質部中を伝搬する前記音響波を横切るように透過することによって、前記音響波の伝搬に伴って生じる前記伝搬媒質部の屈折率分布により、＋１次回折光波および−１次回折光波をそれぞれ生成させるステップ（Ｄ）と、前記ステップ（Ｂ）で生成し、再帰反射した＋１次回折光波と、前記ステップ（Ｄ）で生成した−１次回折光波との干渉光、および、前記ステップ（Ｂ）で生成し、再帰反射した−１次回折光波と、前記ステップ（Ｄ）で生成した＋１次回折光波との干渉光の少なくとも一方を検出するステップ（Ｅ）とを包含する。
【００２６】
本願に開示された光マイクロホンは、光波を用いて、音響波を検出する光マイクロホンであって、前記音響波が伝搬する伝搬媒質部と、前記伝搬媒質部中を伝搬する前記音響波を横切って、前記伝搬媒質部を透過する光波を出射する光源と、前記伝搬媒質部を透過した光波を再帰反射させる反射部と、前記反射部で反射し、前記伝搬媒質部を透過した前記光波を受光し、電気信号を出力する複数の光電変換素子を有する光電変換素子アレイとを備え、前記光源から出射する前記光波が前記伝搬媒質部を透過する往路において、前記音響波の伝搬に伴って生じる前記伝搬媒質部の屈折率分布により、前記光波から、０次回折光波、＋１次回折光波および−１次回折光波がそれぞれ生成し、前記往路において生成した前記０次回折光波が、前記反射部における反射によって前記伝搬媒質部を透過する復路において、前記音響波の伝搬に伴って生じる前記伝搬媒質部の屈折率分布により、前記往路の０次回折光から、０次回折光波、＋１次回折光波および−１次回折光波が生成し、前記光電変換素子アレイは、前記往路で生成した＋１次回折光波と前記復路で生成した前記−１次回折光波とが干渉することにより得られる第１干渉光波、および、前記往路で生成した−１次回折光波と前記復路で生成した前記＋１次回折光波とが干渉することにより得られる第２干渉光波の少なくとも一方を前記複数の光電変換素子の一部で検出する。
【００２７】
ある一実施態様において、前記第１干渉光波および前記第２干渉光波の少なくとも一方を検出した前記一部の光電変換素子の前記光電変換素子アレイにおける位置に基づき、前記音響波の伝搬方向を特定する。
【００２８】
ある一実施態様において前記第１干渉光波および前記第２干渉光波の少なくとも一方を前記複数の光電変換素子によって独立して検出することにより、前記音響波を周波数に応じて分離検出する。
【００２９】
ある一実施態様において前記複数の光電変換素子のそれぞれは、扇形の受光部を有し、前記受光部は、前記復路の０次回折光波が照射する位置を中心とする円内において、異なる方位に配置されており、前記第１干渉光波および前記第２干渉光波の少なくとも一方を検出した前記一部の光電変換素子の受光部の前記円における方位によって前記音響波の伝搬方向を特定する。
【００３０】
ある一実施態様において前記伝搬媒質部は、前記光源から出射する前記光波の伝搬方向に垂直な面内において、光波が前記垂直な面と交わる点を中心として１８０°以上の方位から前記伝搬媒質部内に前記音響波が入射するのを遮る遮音部を有する。
【００３１】
ある一実施態様において前記複数の光電変換素子のそれぞれは、内径および外径が互いに異なるリング形状の受光部を有し、前記複数の光電変換素子の前記受光部は、前記復路の０次回折光波が照射する位置を中心として同心円状に配置されており、前記第１干渉光波および前記第２干渉光波の少なくとも一方を前記複数の光電変換素子で独立して検出する。
【００３２】
ある一実施態様において前記複数の光電変換素子のそれぞれは受光部を有し、前記受光部は、前記復路の０次回折光波が照射する位置を中心として少なくとも１次元に配置されており、前記第１干渉光波および前記第２干渉光波の少なくとも一方を前記複数の光電変換素子で独立して検出する。
【００３３】
ある一実施態様において前記複数の光電変換素子の受光部の大きさおよびの前記中心からの距離によって前記音響波を異なる周波数帯域で分離して検出する。
【００３４】
ある一実施態様において前記受光部は前記１次元の配置方向および前記１次元の配置方向と非平行な方向に、２次元に配置されており、前記第１干渉光波および前記第２干渉光波の少なくとも一方を検出した前記一部の光電変換素子の受光部の前記中心周りの方位によって、前記音響波の伝搬方向をさらに特定する。
【００３５】
ある一実施態様において前記複数の光電変換素子のそれぞれは、部分リング状の受光部を有し、前記受光部は、前記復路の０次回折光波が照射する位置を中心とする円内において、半径方向および円周方向において、２次元に配置されており、前記第１干渉光波および前記第２干渉光波の少なくとも一方を、前記円周方向の同じ方位であって、半径方向に異なる位置にある２つ以上の光電変換素子によって、前記音響波を周波数に応じて分離検出し、前記中心周り前記円周方向方位から前記音響波の伝搬方向を特定する。
【００３６】
ある一実施態様において、光マイクロホンは、前記光電変換素子アレイより前記伝搬媒質部側に設けられた、発散作用を有する受光レンズ系をさらに備える。
【００３７】
ある一実施態様において、光マイクロホンは、前記復路の光路上において、前記遮光部よりも伝搬媒質側に配置されており、中心から外側に向かって拡大率が小さくなる分布を有する受光レンズ系をさらに備える。
【００３８】
ある一実施態様において、前記伝搬媒質部がシリカ乾燥ゲルによって構成されている。
【００３９】
ある一実施態様において、前記光波がレーザー光である。
【００４０】
ある一実施態様において、光マイクロホンは、記光電変換素子アレイで得られた電気信号の周波数を１／２倍に変換する周波数変換部をさらに備える。
【００４１】
本願に開示された探傷装置は、被検体内に音響波を励起する音源と、前記被検体中の欠陥によって生じた前記音響波の反射波を横切って、前記被検体を透過する光波を出射する光源と、前記被検体を透過した光波を再帰反射させる反射部と、前記反射部で反射し、前記被検体を透過した前記光波を受光し、電気信号を出力する複数の光電変換素子を有する光電変換素子アレイとを備え、前記光源から出射する前記光波が前記被検体を透過する往路において、前記反射波の伝搬に伴って生じる前記被検体の屈折率分布により、前記光波から、０次回折光波、＋１次回折光波および−１次回折光波がそれぞれ生成し、前記往路において生成した前記０次回折光波が、前記反射部における反射によって前記被検体を透過する復路において、前記反射波の伝搬に伴って生じる前記被検体の屈折率分布により、前記往路の０次回折光から、０次回折光波、＋１次回折光波および−１次回折光波が生成し、前記光電変換素子アレイは、前記往路で生成した＋１次回折光波と前記復路で生成した前記−１次回折光波とが干渉することにより得られる第１干渉光波、および、前記往路で生成した−１次回折光波と前記復路で生成した前記＋１次回折光波とが干渉することにより得られる第２干渉光波の少なくとも一方を前記複数の光電変換素子の一部で検出し、前記第１干渉光波および前記第２干渉光波の少なくとも一方を検出した前記一部の光電変換素子の前記光電変換素子アレイにおける位置に基づき、前記反射波の伝搬方向を特定し、前記光電変換素子アレイによる、前記第１干渉光波および前記第２干渉光波の少なくとも一方を検出した時刻および、前記被検体内における音響波の励起時刻から、前記反射波が前記被検体を伝搬する距離を算出し、前記特定した伝搬方向および前記算出した距離から前記被検体内における欠陥の位置を推定する。
【００４２】
本願に開示された音響波の検出方法は、光波を用いて音響波を検出する音響波の検出方法あって、伝搬媒質部中に音響波を伝搬させるステップ（Ａ）と、前記伝搬媒質部中を伝搬する前記音響波を横切るように光波を透過させ、前記音響波の伝搬に伴って生じる前記伝搬媒質部の屈折率分布により、０次回折光波、＋１次回折光波および−１次回折光波をそれぞれ生成させるステップ（Ｂ）と、前記ステップ（Ｂ）で生成した０次回折光波、＋１次回折光波および−１次回折光波を再帰反射させるステップ（Ｃ）と、前記再帰反射した０次回折光波が前記伝搬媒質部中を伝搬する前記音響波を横切るように透過することによって、前記音響波の伝搬に伴って生じる前記伝搬媒質部の屈折率分布により、＋１次回折光波および−１次回折光波をそれぞれ生成させるステップ（Ｄ）と、前記ステップ（Ｂ）で生成し、再帰反射した＋１次回折光波と、前記ステップ（Ｄ）で生成した−１次回折光波との第１干渉光波、および、前記ステップ（Ｂ）で生成し、再帰反射した−１次回折光波と、前記ステップ（Ｄ）で生成した＋１次回折光波との第２干渉光波の少なくとも一方を、複数の光電変換素子を有する光電変換素子アレイによって検出し、前記第１干渉光波および前記第２干渉光波の少なくとも一方を検出した前記一部の光電変換素子の前記光電変換素子アレイにおける位置に基づき、前記音響波の伝搬方向を特定するステップ（Ｅ）とを包含する。
【００４３】
本願に開示された他の音響波の検出方法は、光波を用いて音響波を検出する音響波の検出方法あって、伝搬媒質部中に音響波を伝搬させるステップ（Ａ）と、前記伝搬媒質部中を伝搬する前記音響波を横切るように光波を透過させ、前記音響波の伝搬に伴って生じる前記伝搬媒質部の屈折率分布により、０次回折光波、＋１次回折光波および−１次回折光波をそれぞれ生成させるステップ（Ｂ）と、前記ステップ（Ｂ）で生成した０次回折光波、＋１次回折光波および−１次回折光波を再帰反射させるステップ（Ｃ）と、前記再帰反射した０次回折光波が前記伝搬媒質部中を伝搬する前記音響波を横切るように透過することによって、前記音響波の伝搬に伴って生じる前記伝搬媒質部の屈折率分布により、＋１次回折光波および−１次回折光波をそれぞれ生成させるステップ（Ｄ）と、前記ステップ（Ｂ）で生成し、再帰反射した＋１次回折光波と、前記ステップ（Ｄ）で生成した−１次回折光波との第１干渉光波、および、前記ステップ（Ｂ）で生成し、再帰反射した−１次回折光波と、前記ステップ（Ｄ）で生成した＋１次回折光波との第２干渉光波の少なくとも一方を、複数の光電変換素子を有する光電変換素子アレイによって独立して検出することにより、前記音響波を周波数に応じて分離検出するステップ（Ｅ）とを包含する。
【００４４】
以下、図面を参照しながら、本発明による光マイクロホンの第１の実施形態を説明する。
【００４５】
図１Ａは、本実施形態の光マイクロホン１０１の主要部の構成を示している。光マイクロホン１０１は、環境流体を伝搬する音響波１を、光波４を用いて電気信号として検出するマイクロホンである。ここで、「環境流体」とは、光マイクロホン１０１の外部空間に存在する流体を示す。例えば、環境流体は空気である。
【００４６】
光マイクロホン１０１は、伝搬媒質部２と、光源３と、光電変換部５と、反射部６とを備える。
【００４７】
環境流体を伝搬する音響波１は、伝搬媒質部２に入射する。光源３より出射された光波４は、伝搬媒質部２に入射される。伝搬媒質部２に入射した光波４は、伝搬媒質部２を透過する際、音響波１と作用し、反射部６に到達する。反射部６で光波４が反射され、再度伝搬媒質部２に入射する。再度伝搬媒質部２に入射した光波４は、伝搬媒質部２を透過する際、再び音響波１と作用し、光源３に向う。
【００４８】
伝搬媒質部２を２回透過した光波４を光電変換部５によって検出するために、光マイクロホン１０１は、ビームスプリッタ７を光源３と伝搬媒質部２との間に備えていてもよい。この場合、光波４は光源３からビームスプリッタ７を介して伝搬媒質部２に入射され、反射部６で反射された後、伝搬媒質部２を再度透過してビームスプリッタ７に到達する。ビームスプリッタ７に到達した光波４は、ビームスプリッタ７にて反射され、光電変換部５に入射する。ビームスプリッタ７を用いると、光源３から出射する光波４が伝搬媒質部２に到達する光路と、ビームスプリッタ７に到達した光波４が光電変換部５に到達する光路とを異なる向きに調整できる。このため、光電変換部５を光源３とは異なる向きに配置することができ、光波４の検出が容易となる。
【００４９】
ビームスプリッタ７を用いない場合、例えば図１Ｂに示すように、光源３の後方、または、周囲に光電変換部５を配置することができる。この場合、光電変換部５が十分な光量の光波４を受光できるように、光源３の光電変換部５の受光面への投影面積が小さくなるようにし、光波４が遮られる面積をできるだけ小さくしてもよい。また、光源３に反射光が入射することによって、光源３の動作が不安定になることを抑制するために、アイソレータを光源の伝搬媒質部２側に設けてもよい。
【００５０】
光電変換部５は、音響波１の２倍の周波数を有する成分を含む電気信号を出力する。このため、図１Ａに示すように、光電変換部５を周波数変換部２１に接続し、周波数変換部２１において、入力された信号の周波数を１／２に変換することによって、音響波１の成分を含む電気信号が得られる。
【００５１】
以下、まず、光マイクロホン１０１の各構成要素を具体的に説明し、続いて、光マイクロホン１０１の動作を説明する。以下、分かり易さのため、図１Ａに示すように座標を設定する。具体的には、音響波１が伝搬する方向をｘ軸にとり、光波４が伝搬する方向をｚ軸にとる。また、ｘ軸およびｚ軸に直交する方向をｙ軸にとる。
【００５２】
（音響波１）
本実施形態の光マイクロホン１０１で検出可能な音響波１は、おおよそ２０Ｈｚ以上２０ＭＨｚ以下の可聴波または超音波である。音響波１は、音声や音楽など時間に伴い周波数が変化する連続波であってもよいし、単一周波数の正弦波による連続波であってもよい。また、単一パルスのバースト信号のような時間的に不連続な音響波であってもよい。
【００５３】
（伝搬媒質部２）
環境流体を伝搬する音響波１は伝搬媒質部２に入射され、図２（ａ）から（ｄ）に示すように伝搬媒質部２の内部をｘ方向に伝搬する。音響波１の伝搬に伴って、伝搬媒質部２を構成している物質の密度が変化し、これによって屈折率の変化が生じる。音響波１は縦波であるため、屈折率の分布は音響波１の伝搬方向（ｘ軸）に生じる。音響波１の伝搬方向に垂直な面には分布はほとんど生じない。音響波１によって生じた伝搬媒質部２の屈折率分布は、回折格子として機能する。
【００５４】
伝搬媒質部２は、固体の伝搬媒質によって構成され、空気よりも小さい音速を有していてもよい。また、光源３から出射する光波４に対して透光性を有していてもよい。具体的には、伝搬媒質部２の音速は、空気の音速である３４０ｍ／ｓｅｃより小さくてもよい。伝搬媒質として固体材料を用いることにより、伝搬媒質部２の大きな粗密分布、つまり、屈折率分布が生じ、大きな回折効果を得ることができる。また、一般に、音速の小さい材料は密度も比較的小さいため、空気などの環境流体と伝搬媒質部２との境界における反射が小さくなり、比較的高い効率で音響波を伝搬媒質部２に取り込むことができる。
【００５５】
特に、伝搬媒質部２の伝搬媒質として、シリカ乾燥ゲルを用いてもよい。シリカ乾燥ゲルは、空気との音響インピーダンスの差が小さいという性質を備えており、空気中を伝搬する音響波１を効率よくシリカ乾燥ゲルで構成される伝搬媒質部２の内部に取り込むことができる。具体的には、シリカ乾燥ゲルの音速は、５０ｍ／ｓｅｃ以上１５０ｍ／ｓｅｃ以下であり、空気中の音速３４０ｍ／ｓｅｃよりも小さく、また密度も約７０ｋｇ／ｍ3以上２８０ｋｇ／ｍ3と小さい。このため、空気の音響インピーダンスとの差が小さく、界面での反射が小さいため、空気中の音響波を効率よく内部に取り込むことができる。例えば、音速５０ｍ／ｓｅｃ、密度１００ｋｇ／ｍ3のシリカ乾燥ゲルを用いると、空気との界面での反射は７０％となり、音響波のエネルギーの３０％程度が界面で反射されずに、内部へ取り込まれる。また、このシリカ乾燥ゲルは光波の屈折率変化量Δｎも大きいという特長がある。空気の屈折率変化量Δｎは、１Ｐａの音圧変化に対して２．０×１０-9であるのに対して、シリカ乾燥ゲルの１Ｐａの音圧変化に対する屈折率変化量Δｎは１.０×１０-7程度と大きい。このため１０ｃｍを超えるような大きな伝搬媒質を用意しなくても十分な感度が得られる。
【００５６】
（光源３）
光源３は光波４を出射し、出射した光波４は、図１Ａ、図１Ｂおよび図２（ａ）から（ｄ）に示すように、伝搬媒質部２を透過する。光波４の波長および強度に特に制限はなく、光電変換部５が良好な感度で光波４を検出することのできる波長および強度が選択される。ただし、伝搬媒質部２にあまり吸収されない波長を選択してもよい。光波４としてはコヒーレントな光を用いても、インコヒーレントな光を用いてもよい。しかし、レーザー光のようなコヒーレントな光を用いたほうが、回折光波が干渉しやすく、信号が取り出しやすい。光波４の直径は例えば０．０１ｍｍ以上２０ｍｍ以下である。
【００５７】
（光波４の往路）
光源３から出射した光波４が伝搬媒質部２を透過する光路を往路と呼ぶ。光源３から出射された光波４は、伝搬媒質部２に入射し、図２（ａ）に示すように、伝搬媒質部２中で音響波１と作用する。具体的には、音響波１の伝搬によって、伝搬媒質部２に伝搬媒質の密度分布が生じ、これによる伝搬媒質の屈折率分布が生じる。伝搬媒質の屈折率分布は、光波４に対して回折格子として機能し、光波４を回折させる。このため、図２（ｂ）に示すように、音響波１による光波４の＋１次回折光波４ｂおよび−１次回折光波４ｃが生じる。また、音響波１によって回折されずに、入射時の方向へ直進する０次回折光波４ａも伝搬媒質部２から出射する。以下において説明するように、屈折率分布は音響波１の伝搬に伴い移動するため、回折光波の周波数はドップラー効果により、シフトしている。＋１次回折光波４ｂおよび−１次回折光波４ｃの伝搬方向は、光源３から出射した光波４の伝搬方向と音響波１の伝搬方向を含む平面上に位置している。＋１次回折光波４ｂおよび−１次回折光波４ｃの伝搬方向は、この平面上において、０次回折光波４ａに対してそれぞれ角度θおよび−θをなしている。また、＋１次回折光波４ｂおよび−１次回折光波４ｃの位相は互いに反転している。角度は、光波４が反射部６へ向かう伝搬方向を基準とし、Ｘ軸の正方向への角度を正にとっている。
【００５８】
図２（ｂ）に示すように、＋１次回折光波４ｂは、０次回折光波４ａに対して角度θでｘ軸の正の方向に回折し、−１次回折光波４ｃは、０次回折光波４ａに対して角度−θで、ｘ軸の負の方向に回折する。環境流体を伝搬する音響波１の音圧が、通常のマイクロホンで測定できる程度の大きさであれば、生じる回折光波は、＋１次回折光波４ｂ、−１次回折光波４ｃが支配的となり、２次以上の回折光波は無視できる。しかし音響波１の音圧が大きい場合には、２次以上の回折光成分が発生することも考えられる。この場合には、２次以上の回折光成分を光学的あるいは電気的に除去すればよい。
【００５９】
光波４の回折光波を得るためには、光波４の伝搬方向と音響波１の伝搬方向とは非平行であること、つまり、音響波１は光波４を横切るように伝搬してもよい。特に、音響波１の伝搬方向と、光波４の伝搬方向とが、ｘｚ平面で垂直になる場合、最も高い回折効率が得られ、マイクロホンとしての感度が高くなる。
【００６０】
（反射部６）
伝搬媒質部２を透過した０次回折光波４ａ、＋１次回折光波４ｂおよび−１次回折光波４ｃを含む光波４は、反射部６に到達する。反射部６は、光波４を再帰反射させる。再帰反射とは、入射した光が入射方向と同じ方向へ反射することを言う。つまり、反射部６へ入射する光波４の入射方向と、反射部６において反射し、出射する光波４の出射方向は平行である。再帰反射する反射部６を用いることによって、光波４を反射させて、伝搬媒質部２に光波４を２回透過させることができる。また、再帰反射によって１回目に伝搬媒質部２を透過する際（往路）に生成する＋１次回折光波（または−１次回折光波）を入射方向と同じ方向へ反射させることができる。このため、往路で生成した＋１次回折光波（または−１次回折光波）と２回目に伝搬媒質部２を透過する際（復路）に生成する−１次回折光波（または＋１次回折光波）との回折方向を一致させ、２つの回折光波を音響波の周波数変化に関わらず、概ね一定の強度干渉光波を得ることができる。
【００６１】
反射部６から出射する０次回折光波４ａの光軸は、伝搬媒質部２を透過し、反射部６に入射する０次回折光波４ａの光軸と一致していてもよい。以下において説明するように、これにより、往路における光波４および復路における０次回折光波４ａが伝搬媒質部２中の音響波１から、同じ位置において作用を受けることができる。よって往路および復路で接触する音響波１の時差を抑制し、光波４と音響波１とを実質的に同時刻において２度接触（作用）させることができる。
【００６２】
図２（ｂ）および図２（ｃ）に示すように、反射部６から出射する＋１次回折光波４ｂおよび−１次回折光波４ｃの位置は、反射部６から出射する０次回折光波４ａに対して反転している。具体的には、反射部６に入射する＋１次回折光波４ｂは、反射部６に入射する光波４に対してｘ軸の正側に位置しているのに対し、反射部６から出射する＋１次回折光波４ｂは、反射部６から出射する０次回折光波４ａに対してｘ軸の負側に位置している。同様に、反射部６に入射する−１次回折光波４ｃは、反射部６に入射する光波４に対してｘ軸の負側に位置しているのに対し、反射部６から出射する−１次回折光波４ｃは、反射部６から出射する０次回折光波４ａに対してｘ軸の正側に位置している。
【００６３】
０次回折光波４ａがｘ軸の原点に入射する場合、反射部６に入射する＋１次回折光波４ｂはｘ軸の正の領域を伝搬し、反射部６から出射する＋１次回折光波４ｂはｘ軸の負の領域を伝搬する。また、反射部６に入射する−１次回折光波４ｃはｘ軸の負の領域を伝搬し、反射部６から出射する−１次回折光波４ｃはｘ軸の正の領域を伝搬する。
【００６４】
光波４が伝搬媒質部２を透過すると、＋１次回折光波４ｂおよび−１次回折光波４ｃは、０次回折光波４ａに対して角度θだけ回折されて伝搬する。伝搬媒質部２と反射部６との距離をＬ１とすると、反射部６が位置するｘ−ｙ平面上において、＋１次回折光波４ｂは０次回折光波４ａからｘ軸の正方向にＬ１×θだけ離れて位置し、−１次回折光波４ｃは０次回折光波４ａからｘ軸の負方向にＬ１×θだけ離れて位置する。これらの距離は、Ｌ１に比例する。
【００６５】
光マイクロホン１０１のある一態様において、反射部６で反射した＋１次回折光波４ｂおよび−１次回折光波４ｃは、反射部６で反射した０次回折光波４ａと離れていなくてもよい。このためには、Ｌ１は小さくてもよい。より具体的には、Ｌ１は、例えば、５ｍｍ以下であってもよい。また、伝搬媒質部の、光波４が透過する方向の厚さも小さくてもよい。
【００６６】
反射部６としては、例えば、図３に示すコーナーキューブミラー８を用いることができる。コーナーキューブミラー８は、３枚の平面ミラーを直角に組み合わせたもので、入射された光波は平面ミラーで３回反射し、入射方向と平行な方向に光波が出射する。図４は、コーナーキューブミラー８で光波４がｘ−ｚ断面で反射される様子を示している。図４では、コーナーキューブミラー８は、ｘ−ｚ断面において、２つの直交する反射面を持つように示している。
【００６７】
コーナーキューブミラー８に入射した０次回折光波４ａ、＋１次回折光波４ｂおよび−１次回折光波４ｃは、入射方向と平行な出射方向で反射される。つまり、図４に示すように、コーナーキューブミラー８に入射する＋１次回折光波４ｂと０次回折光波（ｚ軸）とは角度θをなしており、コーナーキューブミラー８から出射する＋１次回折光波４ｂもｚ軸と角度θをなしている。コーナーキューブミラー８に入射する−１次回折光波４ｃとｚ軸とは角度−θをなしており、コーナーキューブミラー８から出射する−１次回折光波４ｃもｚ軸と角度−θをなしている。
【００６８】
また、＋１次回折光波４ｂおよび−１次回折光波４ｃの０次回折光波４ａに対する位置関係がｘ軸方向で反転しており、光波４がｘ軸方向に反転して反射されている。図４に示すように反射部６としてコーナーキューブミラー８を用いる場合、０次回折光波４ａがコーナーキューブミラー８の３つの平面ミラーが合わせられた頂点６ａに、頂点６ａに集まる３つの辺に対して４５°の角度で入射していてもよい。これにより、コーナーキューブミラー８に入射する０次回折光波４ａの光軸とコーナーキューブミラー８から出射する０次回折光波４ａの光軸とを一致させることができる。
【００６９】
０次回折光波４ａがｘ軸の原点に入射する場合、コーナーキューブミラー８に入射する＋１次回折光波４ｂはｘ軸の正の領域を伝搬し、コーナーキューブミラー８から出射する＋１次回折光波４ｂはｘ軸の負の領域を伝搬する。また、コーナーキューブミラー８に入射する−１次回折光波４ｃはｘ軸の負の領域を伝搬し、コーナーキューブミラー８から出射する−１次回折光波４ｃはｘ軸の正の領域を伝搬する。
【００７０】
コーナーキューブミラー８は、ｙ−ｚ断面をはじめ、あらゆる断面において、ｘ−ｚ断面同様に２つの直交する反射面を持つ。このため、コーナーキューブミラー８は任意の方向から入射する光波４を入射方向と平行な方向に出射する。また、＋１次回折光波４ｂおよび−１次回折光波４ｃの０次回折光波４ａに対する位置関係が反転する。このため、反射部６としてコーナーキューブミラー８を用いる場合、音響波１がｘ方向に伝搬している場合のみでなく、ｘ−ｙ平面のどの方向に伝搬している場合においても、反射部６に入射する光波４の伝搬方向と音響波１の伝搬方向とを含む平面上において、＋１次回折光波４ｂおよび−１次回折光波４ｃを０次回折光波４ａに対して反転した関係で反射させることができる。その結果、音響波１の伝搬方向によらず光マイクロホン１０１は音響波１を検出することができる。
【００７１】
伝搬媒質部２における音響波１の伝搬方向があらかじめ定まっている場合、図５に示すように、反射部６としてリバーサルミラー１２を用いてもよい。リバーサルミラー１２は、２つの平面ミラーが直交するように接合された構造を有し、２つのミラー面が交差する線を対称軸１３として線対称に入射光を反転させる。
【００７２】
この場合、対称軸１３は音響波１の伝搬方向および光波４の伝搬方向に対して垂直になるように配置してもよい。また、０次回折光波４ａが対称軸１３上おいて、リバーサルミラー１２に入射していてもよい。これにより図４を参照して説明したのと同様、リバーサルミラー１２に入射した０次回折光波４ａ、＋１次回折光波４ｂおよび−１次回折光波４ｃは、入射方向と平行な出射方向に反射される。また、＋１次回折光波４ｂおよび−１次回折光波４ｃの０次回折光波４ａに対する位置関係がｘ軸方向で反転している。
【００７３】
この場合、図５のように、伝搬媒質部２の音響波１が入射する開口部１０以外の領域に遮音部９を設けてもよい。これにより、ｘ方向以外の方向に伝搬する音響波１が伝搬媒質部２に入射するのが抑制できる。遮音部９は、アクリルやガラスのような透明な材料で構成するか、もしくは透明でない材料を用いる場合には図５のように光波４の伝搬する部分に穴を開けるなどして光透過部１１を設けてもよい。
【００７４】
（光波４の復路）
反射部６で反射された光波４は、再び伝搬媒質部２に入射し、伝搬媒質部２中で音響波１と作用することによって回折光波が生じる。反射部６から出射する光波４は、０次回折光波４ａ、＋１次回折光波４ｂおよび−１次回折光波４ｃを含み、これらの光波はそれぞれ音響波１と作用して、回折光波を生成する。しかし、＋１次回折光波４ｂおよび−１次回折光波４ｃの強度は小さいため、＋１次回折光波４ｂおよび−１次回折光波４ｃの回折光波の強度は非常に小さい。よって１次回折光波４ｂおよび−１次回折光波４ｃの回折光波は無視することができ、０次回折光波４ａの回折光波のみを考慮すればよい。
【００７５】
図２（ｄ）に示すように、反射部６で反射された０次回折光波４ａが、伝搬媒質部２において音響波１と作用することにより、＋１次回折光波４ｄおよび−１次回折光波４ｅが生成する。＋１次回折光波４ｄは、ｘ軸の正の方向に回折され、−１次回折光波４ｅは、ｘ軸の負の方向に回折される。また、回折しなかった０次回折光波４ａ’が伝搬媒質部２から出射する。
【００７６】
（光電変換部５）
光電変換部５は、光源３から出射し、伝搬媒質部２を２度透過した光波４を検出する。図６は、伝搬媒質部２を再度透過しビームスプリッタ７に入射する直前の光波４をｘ−ｙ断面でｚ軸の正の方向から負の方向を見た断面図である。０次回折光波４ａ'に対して、ｘ軸の正の向きに往路の−１次回折光波４ｃおよび復路の＋１次回折光波４ｄが位置し、ｘ軸の負の向きに往路の＋１次回折光波４ｂおよび復路の−１次回折光波４ｅが位置しており、それぞれ重なりあっている。重なり合った領域１４ａ、１４ｂにおいては各光波が干渉し、音響波１の信号に応じて光強度の変化が生じる。この干渉光波を光電変換部５で受光すると、光強度の変化に応じた電気信号が得られることにより、音響波１を検出することができる。
【００７７】
このとき、一般的には、回折格子による＋１次回折光波と−１次回折光波とは位相が互いに反転しているため、＋１次回折光波と−１次回折光波とが重なり合っても通常２つの光波は打ち消し合い、干渉が生じない。しかし、光電変換部５に入射する往路の−１次回折光波４ｃは、反射部６で反射されたものであるため、反射の際、位相が反転し、復路の＋１次回折光波４ｄと同相となっている。よって、往路の−１次回折光波４ｃおよび復路の＋１次回折光波４ｄが重なることによって、領域１４ａにおいて干渉光波が生成する。同様に、往路の＋１次回折光波４ｂも反射部６において位相が反転し、復路の−１次回折光波４ｅと同相となっており、往路の−１次回折光波４ｃおよび復路の＋１次回折光波４ｄが重なることによって、領域１４ｂにおいて干渉光波が生成する。
【００７８】
光電変換部５によって、領域１４ａの干渉光波と領域１４ｂの干渉光波のどちらか一方もしくは両方を受光することで、音響波１を検出することができる。受光量を多くし、検出感度を高めると言う観点では、両方の干渉光波を検出してもよいが、少なくとも一方の干渉光波を光電変換部５によって受光すれば、音響波１を検出することができる。
【００７９】
なお、伝搬媒質部２と反射部６の距離Ｌ１が大きくなるほど、往路で生成し、反射部６で反射した＋１次回折光波４ｂおよび−１次回折光波４ｃの位置は、復路で生成した＋１次回折光波４ｄおよび−１次回折光波４ｅの位置からシフトする。このため、往路の回折光波と復路の回折光波とが重なる面積が小さくなり、音響波１を検出する感度が低下する。逆に、伝搬媒質部２と反射部６との距離Ｌ１が小さければ、往路の回折光波と復路の回折光波とが重なる面積が大きくなり、音響波１を検出する感度が高まる。
【００８０】
光マイクロホン１０１において、０次回折光波４ａ'は、音響波１の検出に寄与しない。このため、光電変換部５で受光しなくても良い。０次回折光波４ａ'を受光しない方法としては、図７に示すように、０次回折光波４ａ'よりｚ軸の正方向にシフトさせ、０次回折光波４ａ'が受光面５ａに入射せず、−１次回折光波４ｃおよび＋１次回折光波４ｄのみが受光面５ａに入射するように光電変換部５を配置してもよい。あるいは、＋１次回折光波４ｂおよび−１次回折光波４ｅのみが受光面５ａに入射し、検出されるように光電変換部５を０次回折光波４ａ'よりｚ軸の負方向にシフトさせてもよい。
【００８１】
また、図８に示すように、遮光部１４で０次回折光波４ａ'のみを遮蔽し、０次回折光波４ａ'を光電変換部５で検出しないようにしてもよい。
【００８２】
また、図９に示すように、光電変換部５の受光面５ａ上に、凹レンズなどを含む光を発散させる機能を有する受光レンズ系１５を配置してもよい。これにより、０次回折光波４ａ’と＋１次回折光波４ｂ、４ｄおよび−１次回折光波４ｃ、４ｅの伝搬角度の差を大きくすることができ、０次回折光波４ａ’を遮光部１４で遮蔽し易くなる。このため、伝搬媒質部２から光電変換部５までの距離が短くても０次回折光波４ａ'と１次回折光波４ｂ、４ｄおよび−１次回折光波４ｃ、４ｅとを良好に分離することができ、小型の光マイクロホンを提供することができる。また、図１０に示すように受光レンズ系１５は、中心から外側に向かって拡大率が小さくなる分布を有するレンズを含んでいてもよい。これにより光波４のうち、音響波１の検出に寄与しない０次回折光波４ａ'付近のみ拡大され、０次回折光波４ａ'の遮蔽が容易となる。
【００８３】
また、回折角度の差が大きく、０次回折光波４ａ'と＋１次回折光波４ｂ、４ｄおよび−１次回折光波４ｃ、４ｅが十分離れている場合には、受光レンズ系１５を設けなくてもよい。この場合、受光レンズ系によって検出すべき光波が広がらないため、光電変換部５の受光面は小さくてもよい。
【００８４】
また、伝搬媒質部２として、シリカ乾燥ゲルを用いると、伝搬媒質部２の内部を伝搬する音響波１の速度Ｖｎが小さくなることにより、大きな回折角度が得られる。このため、０次回折光波４ａ'と、＋１次回折光波４ｂ、４ｄおよび−１次回折光波４ｃ、４ｅの分離を行う際に、伝搬媒質部２から光電変換部５までの距離を短くすることができる。
【００８５】
（周波数変換部２１）
光電変換部５によって生成する電気信号は、音響波１の２倍の周波数を有する。このため、音響波１と同じ周波数の電気信号を得る場合には、周波数変換部２１によって、光電変換部５から出力される電気信号の周波数を１／２に変換する。周波数変換部２１としては、例えば、電子回路などで構成する分周器などを用いることができる。
【００８６】
（光マイクロホン１０１の動作）
次に、光マイクロホン１０１の動作を説明する。
【００８７】
図１１は、往路において、光波４が伝搬媒質部２中の音響波１と作用する様子を模式的に示している。図１１において、矢印で示す方向に、音響波１は伝搬している。音響波１を表す黒い部分は、音響波１による伝搬媒質の変位によって伝搬媒質が密になっている部分を示し、白い部分は、伝搬媒質が粗になっている部分を示している。図１１において、Λは伝搬媒質部２を伝搬する音響波１の波長、ｆは音響波１の周波数、λは光波４の波長、ｆ0は光波４の周波数を表す。光波４は、ｚ軸方向に伝搬し、音響波１は、ｘ軸方向に伝搬し、音響波１が伝搬する向きをｘ軸の正の向きとする。また、伝搬媒質部２中を光波４が伝搬する距離をlとする。
【００８８】
音響波１が伝搬媒質部２の内部を伝搬することにより、伝搬媒質部２の密度が変化する。その結果、伝搬媒質部２における光の屈折率が変化する。例えば、波長λの平面波である音響波１が伝搬することにより、周期Λの屈折率変化パターンが形成される。つまり、伝搬媒質部２が、周期Λの屈折率変化パターンを有する回折格子となる。
【００８９】
このような状態の伝搬媒質部２に対して、光波４を入射させると、回折光波が生じる。このとき、測定できる範囲の音圧を有する音響波１の場合、２次以上の回折光成分は小さいため、無視できる。
【００９０】
図１１に示すように、伝搬媒質部２に光波４が入射することにより、回折されずにｚ軸方向へそのまま伝搬する０次回折光波４ａと、０次回折光波４ａに対して、音響波１の伝搬方向であるｘ軸の正方向へ回折した＋１次回折光波４ｂと、０次回折光波４ａに対して、音響波１の伝搬と逆方向であるｘ軸の負方向へ回折した−１次回折光波４ｃの３つの回折光波が出射する。
【００９１】
＋１次回折光波４ｂおよび−１次回折光波４ｃの周波数は、音響波１によりドップラーシフトを受ける。ドップラーシフトを受けた＋１次回折光波４ｂの周波数はｆ0＋ｆとなり、−１次回折光波４ｃの周波数は、ｆ0−ｆとなる。０次回折光波４ａの周波数は、ｆ0のままである。
【００９２】
＋１次回折光波４ｂおよび−１次回折光波４ｃの回折角θ、０次回折光波４ａの強度Ｉ0ならびに＋１次回折光波４ｂおよび−１次回折光波４ｃの強度Ｉ1は、以下の式（１）、（２）および（３）で表わされる。
【数１】
2012127808.tif 000003
【数２】
2012127808.tif 000004
【数３】
2012127808.tif 000005
ここで、λは光波４の波長、Λは音響波１の波長、ｆは音響波１の周波数、Ｖnは伝搬媒質部２中の音響波１の伝搬速度、Ｉinは光波４の強度、Δｎは１Ｐａの音響波１の伝搬による伝搬媒質部２の屈折率変化量、Ｐは音響波１の音圧、ｌは光波４が伝搬媒質部２中を伝搬する距離、Ｊ0は０次のベッセル関数、Ｊ1は１次のベッセル関数を表している。式（１）から、音響波１の周波数ｆが高くなればなるほど、回折角θが大きくなることがわかる。
【００９３】
上述したように、伝搬媒質部２を透過した光波４は、反射部６で反射され再度伝搬媒質部２に入射する。この際、＋１次回折光波４ｂと−１次回折光波４ｃの位置関係は、０次回折光波４ａに対して反転する。図１２は、復路において、光波４が伝搬媒質部２中の音響波１と作用する様子を模式的に示している。図１１と同様に、Λは伝搬媒質部２を伝搬する音響波１の波長、ｆは音響波１の周波数、λは光波４の波長、ｆ0は光波４の周波数を表している。光波４は、ｚ軸方向の逆の向きに伝搬する。
【００９４】
図１２に示すように、反射部６において反射した０次回折光波４ａが音響波１と作用した結果、図１１と同様に、回折されずにｚ軸の逆方向へそのまま伝搬する０次回折光波４ａ'と、０次回折光波４ａ'に対して、音響波１の伝搬方向であるｘ軸の正方向へ回折した＋１次回折光波４ｄと、０次回折光波４ａ'に対して、音響波１の伝搬と逆方向であるｘ軸の負方向へ回折した−１次回折光波４ｅが出力される。＋１次回折光波４ｄおよび−１次回折光波４ｅの周波数は、音響波１により、ドップラーシフトを受ける。ドップラーシフトを受けた回折光波４ｄの周波数はｆ0＋ｆとなり、回折光波４ｅの周波数は、ｆ0−ｆとなる。０次回折光波４ａ'の周波数はｆ0のままである。
【００９５】
＋１次回折光波４ｄおよび−１次回折光波４ｅの回折角θは式（１）で表される。また、０次回折光波４ａ’の強度Ｉ0'ならびに＋１次回折光波４ｄおよび−１次回折光波４ｅの強度Ｉ1'は、以下の式（４）および（５）で表わされる。
【数４】
2012127808.tif 000006
【数５】
2012127808.tif 000007
【００９６】
また、反射部６で反射された＋１次回折光波４ｂおよび−１次回折光波４ｃも伝搬媒質部２に入射する。０次回折光波４ａと同様に、これらの回折光波と音響波１との作用により回折光波が生じると考えられるが、測定範囲の音圧の音響波１に対しては、＋１次回折光波４ｂおよび−１次回折光波４ｃが回折することによってそれぞれ生成する±１次回折光波は、強度が非常に小さく無視できる。このため、＋１次回折光波４ｂおよび−１次回折光波４ｃは、伝搬媒質部２をそのままの角度で伝搬する。この際、＋１次回折光波４ｂの周波数はｆ0＋ｆであり、−１次回折光波４ｃの周波数は、ｆ0−ｆのままである。
【００９７】
図６は各回折光波の位置関係を示している。上述したように、往路の＋１次回折光波４ｂと復路の−１次回折光波４ｅが重なり合い干渉し、往路の−１次回折光波４ｃと復路の＋１次回折光波４ｄが互いに重なり合い干渉する。より具体的には、ｆ0＋ｆの周波数を有する＋１次回折光波４ｂまたは＋１次回折光波４ｄと、ｆ0−ｆの周波数を有する−１次回折光波４ｃまたは−１次回折光波４ｅが干渉することにより、２ｆの周波数で強度が変化する干渉光が生成する。
【００９８】
本実施形態の光マイクロホン１０１によれば、往路の＋１次回折光波４ｂおよび復路の−１次回折光波４ｅの回折角θはいずれも式（１）で表される。同様に、往路の−１次回折光波４ｃおよび復路の＋１次回折光波４ｄの回折角θもそれぞれ式（１）で表される。これは、音響波１の周波数ｆが変化した場合でも、式（１）にしたがって、往路の＋１次回折光波４ｂの回折角θおよび復路の−１次回折光波４ｅの回折角θが同じように変化し、２つの回折光波の互いに重なり合い干渉している部分の面積が変化しないことを意味する。同様に、往路の−１次回折光波４ｃの回折角θおよび復路の＋１次回折光波４ｄの回折角θも音響波１の周波数ｆの変化に伴って同じように変化する。このため、音響波１の周波数ｆの変化に関わらず２つの回折光波が重なる部分の面積はほぼ一定となり、生成する干渉光の強度が、音響波１の周波数ｆの変化に関わらずほぼ一定となる。よって、音響波１の周波数ｆが変動しても概ね一定の検出感度を有する光マイクロホン１０１が実現する。
【００９９】
特許文献１の光マイクロホンでは、図１３に示すように、０次回折光波４ａと＋１次回折光波ｂまたは−１次回折光波との干渉を利用する。音響波の周波数が変化することによって、＋１次回折光波ｂまたは−１次回折光波の回折角度のみが変化し、０次回折光波４ａの位置は変化しないため、音響波の周波数によって、２つの回折光波が重なる部分の面積が周波数によって変化し、検出感度も変動してしまうという課題があった。本実施形態の光マイクロホン１０１によれば、このような課題が解決される。
【０１００】
また、式（３）、式（５）からわかるように、音響波１の音圧Ｐに応じて＋１次回折光波４ｂ、４ｄおよび−１次回折光波４ｃ、４ｅの強度が変化する。これにより、音響波１の音圧Ｐに応じて光電変換部５で受光される干渉部分の光量も変化するため、音響波１の音圧Ｐの変化に対応した出力信号を得ることができる。
【０１０１】
図１４（ａ）から（ｃ）は、光マイクロホン１０１において、入力した音響波１の音圧と、光電変換部５に入射される光波４の強度、および光電変換部５で検出される電気信号の関係を模式的に示している。
【０１０２】
図１４（ａ）に示すように、周波数ｆの音響波１が伝搬媒質部に入力されると、上述したように、往路の＋１次回折光波４ｂと復路の−１次回折光波４ｅ（あるいは往路の−１次回折光波４ｃと復路の＋１次回折光波４ｄ）とが干渉し、周波数２ｆで強度が変化する干渉成分の光波が得られる。この干渉成分には、往路と復路の回折光波の強度が異なっていたり、回折光波に互いに干渉し合わない成分が２つの回折光波に含まれることによって、音響波１の強度変化に対応せず、一定の強度を有する直流成分が含まれている。
【０１０３】
この干渉成分を、光電変換部５で光電変換したのち、ハイパスフィルタなどで直流成分を除去すると、差周波成分である２ｆの周波数を持つ電気信号が得られる。これは、検出したい音響波１の周波数ｆの２倍である。音響波１を元の周波数ｆとして検出したい場合は、周波数変換部２１によって、光電変換部５から出力される信号の周波数を１／２倍に変換して出力する。これにより、音響波１が電気信号に変換される。
【０１０４】
図１４（ｂ）は、０次回折光波４ａ'の分離が不十分なため、光波の干渉成分に直流成分が多く混入している例を示している。この場合においても検出すべき光波の最大強度が、光電変換部５の最大入力レベルを超えない範囲であれば、電気信号に変換した後、ハイパスフィルタなどで直流成分を除去することによって音響波１と同じ周波数を有する電気信号を得ることができる。ただし、光電変換部５で検出する光信号のうち、音響波１の成分の割合は検出する光信号全体に対して相対的に小さくなるため、測定の精度は図１４（ａ）の場合に比較して低下する。
【０１０５】
図１４（ｃ）のように、光波の干渉成分の最大強度が、光電変換部５の最大入力レベルを超えてしまう場合、光電変換部５の出力が飽和してしまい、音響波１を検出することができない。この場合、光電変換部５の受光面上にアッテネータを配置するなど、干渉成分を含む光波の光量を減衰させる光学系を配置することによって、音響波１を検出できるようになる。ただし、この場合、音響波１の成分も減衰されるため、図１４（ｂ）の場合に比べて測定精度は低下する。このため、高い感度で音響波１を検出するためには、往路および復路で得られる回折光波による干渉成分を含む光波における直流成分をできるだけ小さくし、光電変換部５の最大入力レベルを超えない範囲で十分な強度の光波を光電変換部５に入射させることによって、図１４（ａ）に示すように、音響波１を高い精度で検出することができる。
【０１０６】
このように本実施形態の光マイクロホンによれば、光波が透過している伝搬媒質部に音響波を伝搬させ、透過した光波を再帰反射させて再び伝搬媒質部に透過させる。これにより、光波の往路において、音響波と作用することによって生成した＋１次回折光波または−１次回折光波と、復路において音響波と作用することによって生成した１次回折光波または＋１次回折光波とが干渉し、音響波の２倍の周波数を有する光波の干渉成分を検出することができる。また、透過した光波を再帰反射させることによって、音響波の周波数変化に関わらず、往路の＋１次回折光波（または−１次回折光波）と復路の−１次回折光波（または＋１次回折光波）とを同じ方向に出射させることができるため、２つの回折光波が重なる面積をほぼ一定にすることができ、検出する音響波１の周波数によらず一定の感度を得ることができる光マイクロホンが実現する。また、＋１次回折光波および−１次回折光波が干渉した光波を検出するため、レーザードップラー振動計などの特別な計測器や光学干渉計を用いずに、小型で簡単な構成の光マイクロホンを実現することができる。
【０１０７】
（第２の実施形態）
以下、図面を参照しながら、本発明による光マイクロホンの第２の実施形態を説明する。特許文献１の光マイクロホンや特許文献２の方法では、音響波を検出することができるが、音響波の伝搬方向を特定したり、音響波を周波数に応じて分離して検出したりすることはできない。これに対し、本実施形態の光マイクロホンは、音響波の伝搬方向の特定および音響波の周波数に応じた分離検出の少なくとも一方が可能である。
【０１０８】
本実施形態の光マイクロホンによれば、第１干渉光波および第２干渉光波の少なくとも一方を複数の光電変換素子を含む光電変換素子アレイを用いて検出する。このため、光電変換素子アレイ上における０次回折光波の検出位置に対するこれらの干渉光波の方位を検出でき、音響波の伝搬方向を特定することができる。また０次回折光波の検出位置から異なる距離に配置された２つ以上光電変換素子で独立して第１干渉光波および第２干渉光波の少なくとも一方を検出することにより、音響波の周波数に応じた分離検出を行うことができる。
【０１０９】
また、レーザードップラー振動計や干渉計などの複雑な光学系を用いないで光マイクロホンを構成することができるため、小型で簡単な構成の光マイクロホンを実現することができる。
【０１１０】
また、被検体中の欠陥の位置を特定することのできる探傷装置を実現することができる。
【０１１１】
図１５は、第２の実施形態の光マイクロホン１０２の主要部の構成を示している。光マイクロホン１０２は、光波４を用いて音響波１の伝搬方向を特定する。また、音響波１を電気信号として検出してもよい。音響波１は、光マイクロホン１０２の外部空間に存在する空気などの環境流体や固体を伝搬する。
【０１１２】
光マイクロホン１０２は、伝搬媒質部２と、光源３と、光電変換素子アレイ２６Ａと、反射部６とを備える。音響波１は、伝搬媒質部２に入射する。光源３より出射された光波４は、伝搬媒質部２に入射され、伝搬媒質部２を透過する際、音響波１と作用し、反射部６に到達する。反射部６で光波４は反射され、再度伝搬媒質部２に入射する。伝搬媒質部２に入射した光波４は、伝搬媒質部２を透過する際、再び音響波１と作用し、光源３に向う。第1の実施形態と同様、以下、光波４が光源３から反射部６へ向う光路を往路、反射部６から光源３へ向う光路を復路と呼ぶ。
【０１１３】
伝搬媒質部２を２回透過した光波４を光電変換素子アレイ２６Ａによって検出するために、光マイクロホン１０２は、ビームスプリッタ７を光源３と伝搬媒質部２との間に備えていてもよい。この場合、光波４は光源３からビームスプリッタ７を介して伝搬媒質部２に入射され、反射部６で反射された後、伝搬媒質部２を再度透過してビームスプリッタ７に到達する。ビームスプリッタ７に到達した光波４は、ビームスプリッタ７にて反射され、光電変換素子アレイ２６Ａに入射する。ビームスプリッタ７を用いると、光源３から出射する光波４が伝搬媒質部２に到達する光路と、ビームスプリッタ７に到達した光波４が光電変換素子アレイ２６Ａに到達する光路とを異なる向きに調整できる。このため、光電変換素子アレイ２６Ａを光源３とは異なる向きに配置することができ、光波４の検出が容易となる。
【０１１４】
以下において詳細に説明するように、伝搬媒質部２を伝搬する音響波１は、音響波１が伝搬する方向（白抜きの矢印）に進行する伝搬媒質部２の粗密分布を生成する。この粗密分布は、伝搬媒質部２を透過する光波４に回折格子として作用し、光波４の往路および復路のそれぞれにおいて、±１次回折光波が生成する。±１次回折光波は、光波４の伝搬方向および音響波１の伝搬方向を含む平面上で生成する。また、伝搬媒質部２で回折しない０次回折光波も生成する。反射部６によって０次回折光波が再び伝搬媒質部２に入射し、±１次回折光波が再度生成する。光波４の往路および復路のそれぞれにおいて生成した±１次回折光波は互いに干渉し、第１干渉光波４１、第２干渉光波４２が生成する。したがって、第１干渉光波４１、第２干渉光波４２が、０次回折光波４ａの周りのどの方位に生成しているかを、光電変換素子アレイ２６Ａを用いて検出することによって、音響波の伝搬方向を特定することができる。
【０１１５】
以下、光マイクロホン１０２を構成要素ごとに説明する。分かり易さのため、図１５に示すように座標を設定する。具体的には、音響波１が伝搬する方向をｘ軸にとり、光波４が伝搬する方向をｚ軸にとる。また、光電変換素子アレイ２６Ａの受光部上の平面をｘ’軸およびｙ’軸ととる。
【０１１６】
（音響波１）
本実施形態の光マイクロホン１０２で検出可能な音響波１は、おおよそ２０Ｈｚ以上２０ＭＨｚ以下の可聴波または超音波である。音響波１は、音声や音楽など時間に伴い周波数が変化する連続波であってもよいし、単一周波数の正弦波による連続波であってもよい。また、単一パルスのバースト信号のような時間的に不連続な音響波であってもよい。
【０１１７】
（伝搬媒質部２）
音響波１は、本実施形態では光マイクロホン１０２の外部の環境媒体から伝搬媒質部２に入射し、伝搬媒質部２内を伝搬する。図１５は、音響波１がｘ軸の正方向へ伝搬している様子を示している。音響波１の伝搬に伴って、伝搬媒質部２を構成している物質の密度が変化し、これによって屈折率の変化が生じる。音響波１は縦波であるため、屈折率の分布は音響波１の伝搬方向（ｘ軸）に生じる。音響波１の伝搬方向に垂直な面には分布はほとんど生じない。音響波１によって生じた伝搬媒質部２の屈折率分布は、回折格子として機能する。
【０１１８】
伝搬媒質部２は、固体の伝搬媒質によって構成され、空気よりも小さい音速を有していてもよい。また、光源３から出射する光波４に対して透光性を有していてもよい。具体的には、伝搬媒質部２の音速は、空気の音速である３４０ｍ／ｓｅｃより小さくてもよい。伝搬媒質として固体材料を用いることにより、伝搬媒質部２の大きな粗密分布、つまり、屈折率分布が生じ、大きな回折効果を得ることができる。また、一般に、音速の小さい材料は密度も比較的小さいため、空気などの環境流体と伝搬媒質部２との境界における反射が小さくなり、比較的高い効率で音響波を伝搬媒質部２に取り込むことができる。
【０１１９】
特に、伝搬媒質部２の伝搬媒質として、シリカ乾燥ゲルを用いてもよい。シリカ乾燥ゲルは、空気との音響インピーダンスの差が小さいという性質を備えており、空気中を伝搬する音響波１を効率よくシリカ乾燥ゲルで構成される伝搬媒質部２の内部に取り込むことができる。具体的には、シリカ乾燥ゲルの音速は、５０ｍ／ｓｅｃ以上１５０ｍ／ｓｅｃ以下であり、空気中の音速３４０ｍ／ｓｅｃよりも小さく、また密度も約７０ｋｇ／ｍ3以上２８０ｋｇ／ｍ3と小さい。このため、空気の音響インピーダンスとの差が小さく、界面での反射が小さいため、空気中の音響波を効率よく内部に取り込むことができる。例えば、音速５０ｍ／ｓｅｃ、密度１０１ｋｇ／ｍ3のシリカ乾燥ゲルを用いると、空気との界面での反射は７０％となり、音響波のエネルギーの３０％程度が界面で反射されずに、内部へ取り込まれる。また、このシリカ乾燥ゲルは光波の屈折率変化量Δｎも大きいという特長がある。空気の屈折率変化量Δｎは、１Ｐａの音圧変化に対して２．０×１０-9であるのに対して、シリカ乾燥ゲルの１Ｐａの音圧変化に対する屈折率変化量Δｎは１.０×１０-7程度と大きい。このため１０ｃｍを超えるような大きな伝搬媒質を用意しなくても十分な感度が得られる。
【０１２０】
（光源３）
光源３は光波４を出射し、出射した光波４が伝搬媒質部２を透過する。光波４の波長および強度に特に制限はなく、光電変換素子アレイ２６Ａが良好な感度で光波４を検出することのできる波長および強度が選択される。ただし、伝搬媒質部２にあまり吸収されない波長を選択してもよい。光波４としてはコヒーレントな光を用いても、インコヒーレントな光を用いてもよい。しかし、レーザー光のようなコヒーレントな光を用いたほうが、回折光波が干渉しやすく、信号が取り出しやすい。光波４の直径は例えば０．０１ｍｍ以上２０ｍｍ以下である。
【０１２１】
（光波４の往路）
光源３から出射された光波４は、往路において、伝搬媒質部２に入射し、図１６（ａ）に示すように、伝搬媒質部２中で音響波１と作用する。具体的には、音響波１の伝搬によって、伝搬媒質部２に伝搬媒質の密度分布が生じ、これによる伝搬媒質の屈折率分布が生じる。伝搬媒質の屈折率分布は、光波４に対して回折格子として機能し、光波４を回折させる。
【０１２２】
図１７は、往路において、光波４が伝搬媒質部２中の音響波１と作用する様子を模式的に示している。図１７において、矢印で示す方向に、音響波１は伝搬している。音響波１を表す黒い部分は、音響波１による伝搬媒質の変位によって伝搬媒質が密になっている部分を示し、白い部分は、伝搬媒質が粗になっている部分を示している。図１７において、Λは伝搬媒質部２を伝搬する音響波１の波長、ｆは音響波１の周波数、λは光波４の波長、ｆ0は光波４の周波数を表す。光波４は、ｚ軸方向に伝搬し、音響波１は、ｘ軸方向に伝搬し、音響波１が伝搬する向きをｘ軸の正の向きとする。また、伝搬媒質部２中を光波４が伝搬する距離をlとする。
【０１２３】
音響波１が伝搬媒質部２の内部を伝搬することにより、伝搬媒質部２の密度が変化する。その結果、伝搬媒質部２における光の屈折率が変化する。例えば、波長λの平面波である音響波１が伝搬することにより、周期Λの屈折率変化パターンが形成される。つまり、伝搬媒質部２が、周期Λの屈折率変化パターンを有する回折格子となる。
【０１２４】
このような状態の伝搬媒質部２に対して、光波４を入射させると、回折光波が生じる。このとき、測定できる範囲の音圧を有する音響波１の場合、２次以上の回折光成分は小さいため、無視できる。
【０１２５】
図１６（ｂ）および図１７に示すように、伝搬媒質部２に光波４が入射することにより、回折されずにｚ軸方向へそのまま伝搬する０次回折光波４ａと、０次回折光波４ａに対して、音響波１の伝搬方向であるｘ軸の正方向へ回折した＋１次回折光波４ｂと、０次回折光波４ａに対して、音響波１の伝搬と逆方向であるｘ軸の負方向へ回折した−１次回折光波４ｃの３つの回折光波が出射する。
【０１２６】
＋１次回折光波４ｂおよび−１次回折光波４ｃの周波数は、音響波１によりドップラーシフトを受ける。ドップラーシフトを受けた＋１次回折光波４ｂの周波数はｆ0＋ｆとなり、−１次回折光波４ｃの周波数は、ｆ0−ｆとなる。０次回折光波４ａの周波数は、ｆ0のままである。
【０１２７】
＋１次回折光波４ｂおよび−１次回折光波４ｃの回折角θ、０次回折光波４ａの強度Ｉ0ならびに＋１次回折光波４ｂおよび−１次回折光波４ｃの強度Ｉ1は、以下の式（１）、（２）および（３）で表される。
【数１】
2012127808.tif 000008
【数２】
2012127808.tif 000009
【数３】
2012127808.tif 000010
ここで、λは光波４の波長、Λは音響波１の波長、ｆは音響波１の周波数、Ｃsは伝搬媒質部２中の音響波１の伝搬速度、Ｉinは光波４の強度、Δｎは１Ｐａの音響波１の伝搬による伝搬媒質部２の屈折率変化量、Ｐは音響波１の音圧、ｌは光波４が伝搬媒質部２中を伝搬する距離、Ｊ0は０次のベッセル関数、Ｊ1は１次のベッセル関数を表している。式（１）から、音響波１の周波数ｆが高くなればなるほど、回折角θが大きくなることがわかる。また、式（３）から±１次回折光波４ｂ、４ｃの光強度は音響波１の音圧に応じて変化することがわかる。
【０１２８】
＋１次回折光波４ｂ、−１次回折光波４ｃが生じる方向は、伝搬媒質部２を伝搬する音響波１の伝搬方向によって決まる。音響波１の伝搬方向がｘ軸方向であれば、先述したようにｘ軸方向に回折光波４ｂ、４ｃが発生するし、また、例えば、図１６（ａ）に示すように、音響波１が光波４の伝搬方向ｚに対して垂直であるｘ−ｙ面内で、ｘ軸から角度φだけずれた方向に伝搬する場合には、回折光波４ｂ、４ｃもｘ軸から角度φだけずれた方向に生じる。
【０１２９】
（反射部６）
伝搬媒質部２を透過した０次回折光波４ａ、＋１次回折光波４ｂおよび−１次回折光波４ｃを含む光波４は、反射部６に到達する。反射部６は、光波４を再帰反射させる。第１の実施形態でも説明したように、再帰反射とは、入射した光が入射方向と同じ方向へ反射することを言う。つまり、反射部６へ入射する光波４の入射方向と、反射部６において反射し、出射する光波４の出射方向は平行である。再帰反射する反射部６を用いることによって、光波４を反射させて、伝搬媒質部２に光波４を２回透過させることができる。また、再帰反射によって、１回目に伝搬媒質部２を透過する際（往路）に生成する＋１次回折光波（または−１次回折光波）を入射方向と同じ方向へ反射させることができる。このため、往路で生成した＋１次回折光波（または−１次回折光波）と２回目に伝搬媒質部２を透過する際に生成する−１次回折光波（または＋１次回折光波）との回折方向を一致させ、２つの回折光波を音響波の周波数変化に関わらず、概ね一定の強度干渉光波を得ることができる。
【０１３０】
反射部６から出射する０次回折光波４ａの光軸は、伝搬媒質部２を透過し、反射部６に入射する０次回折光波４ａの光軸と一致していてもよい。つまり、反射部６は、０次回折光波４ａが反射部６に入射する点に対して点対称で再帰反射を行ってもよい。これにより、往路における光波４および復路における０次回折光波４ａが伝搬媒質部２中の音響波１から、同じ位置において作用を受けることができる。よって往路および復路で接触する音響波１の時差を抑制し、光波４と音響波１とを実質的に同時刻において２度接触（作用）させることができる。
【０１３１】
図１６（ｂ）および図１６（ｃ）に示すように、反射部６の再帰反射作用により、反射部６から出射する＋１次回折光波４ｂおよび−１次回折光波４ｃの位置は、反射部６から出射する０次回折光波４ａに対して反転している。具体的には、反射部６に入射する＋１次回折光波４ｂは、反射部６に入射する光波４に対してｘ軸の正側に位置しているのに対し、反射部６から出射する＋１次回折光波４ｂは、反射部６から出射する０次回折光波４ａに対してｘ軸の負側に位置している。同様に、反射部６に入射する−１次回折光波４ｃは、反射部６に入射する光波４に対してｘ軸の負側に位置しているのに対し、反射部６から出射する−１次回折光波４ｃは、反射部６から出射する０次回折光波４ａに対してｘ軸の正側に位置している。
【０１３２】
０次回折光波４ａがｘ軸の原点に入射する場合、反射部６に入射する＋１次回折光波４ｂはｘ軸の正の領域を伝搬し、反射部６から出射する＋１次回折光波４ｂはｘ軸の負の領域を伝搬する。また、反射部６に入射する−１次回折光波４ｃはｘ軸の負の領域を伝搬し、反射部６から出射する−１次回折光波４ｃはｘ軸の正の領域を伝搬する。
【０１３３】
反射部６は、コーナーキューブミラーであってもよい。コーナーキューブミラーは、３枚の平面ミラーを直角に組み合わせたもので、入射された光波は平面ミラーで３回反射し、入射方向と平行な方向に光波が出射する。図１８は、コーナーキューブミラーからなる反射部６で光波４がｘ−ｚ断面で反射される様子を示している。図１８では、反射部６を構成するコーナーキューブミラーは、ｘ−ｚ断面において、２つの直交する反射面を持つように示している。
【０１３４】
コーナーキューブミラー（反射部６）に入射した０次回折光波４ａ、＋１次回折光波４ｂおよび−１次回折光波４ｃは、入射方向と平行な出射方向で反射される。つまり、図１８に示すように、コーナーキューブミラーに入射する＋１次回折光波４ｂと０次回折光波（ｚ軸）とは角度θをなしており、コーナーキューブミラーから出射する＋１次回折光波４ｂもｚ軸と角度θをなしている。コーナーキューブミラーに入射する−１次回折光波４ｃとｚ軸とは角度−θをなしており、コーナーキューブミラーから出射する−１次回折光波４ｃもｚ軸と角度−θをなしている。
【０１３５】
また、＋１次回折光波４ｂおよび−１次回折光波４ｃの０次回折光波４ａに対する位置関係がｘ軸方向で反転しており、光波４がｘ軸方向に反転して反射されている。図１８に示すように反射部６としてコーナーキューブミラーを用いる場合、０次回折光波４ａがコーナーキューブミラーの３つの平面ミラーが合わせられた頂点６ａに、頂点６ａに集まる３つの辺に対して４５°の角度で入射してもよい。これにより、コーナーキューブミラーに入射する０次回折光波４ａの光軸とコーナーキューブミラーから出射する０次回折光波４ａの光軸とを一致させることができる。
【０１３６】
０次回折光波４ａがｘ軸の原点に入射する場合、コーナーキューブミラー８に入射する＋１次回折光波４ｂはｘ軸の正の領域を伝搬し、コーナーキューブミラー８から出射する＋１次回折光波４ｂはｘ軸の負の領域を伝搬する。また、コーナーキューブミラー８に入射する−１次回折光波４ｃはｘ軸の負の領域を伝搬し、コーナーキューブミラー８から出射する−１次回折光波４ｃはｘ軸の正の領域を伝搬する。
【０１３７】
コーナーキューブミラーは、ｙ−ｚ断面をはじめ、あらゆる断面において、ｘ−ｚ断面同様に２つの直交する反射面を持つ。このため、コーナーキューブミラーは任意の方向から入射する光波４を入射方向と平行な方向に出射する。また、＋１次回折光波４ｂおよび−１次回折光波４ｃの０次回折光波４ａに対する位置関係が反転する。このため、反射部６としてコーナーキューブミラーを用いる場合、音響波１がｘ方向に伝搬している場合のみでなく、ｘ−ｙ平面のどの方向に伝搬している場合においても、反射部６に入射する光波４の伝搬方向と音響波１の伝搬方向とを含む平面上において、＋１次回折光波４ｂおよび−１次回折光波４ｃを０次回折光波４ａに対して反転した関係で反射させることができる。
【０１３８】
（光波４の復路）
反射部６で反射された光波４は、再び伝搬媒質部２に入射し、伝搬媒質部２中で音響波１と作用することによって回折光波が生じる。反射部６から出射する光波４は、０次回折光波４ａ、＋１次回折光波４ｂおよび−１次回折光波４ｃを含み、これらの光波はそれぞれ音響波１と作用して、回折光波を生成する。しかし、＋１次回折光波４ｂおよび−１次回折光波４ｃの強度は０次回折光波４ａに比較して小さく、＋１次回折光波４ｂおよび−１次回折光波４ｃの回折光波の強度はこれよりも更に小さい。よって１次回折光波４ｂおよび−１次回折光波４ｃの回折光波は無視することができ、０次回折光波４ａの回折光波のみを考慮すればよい。
【０１３９】
図１６（ｄ）に示すように、反射部６で反射された０次回折光波４ａが、伝搬媒質部２において音響波１と作用することにより、＋１次回折光波４ｄおよび−１次回折光波４ｅが生成する。＋１次回折光波４ｄは、ｘ軸の正の方向に回折され、−１次回折光波４ｅは、ｘ軸の負の方向に回折される。また、回折しなかった０次回折光波４ａ’が伝搬媒質部２から出射する。
【０１４０】
上述したように、伝搬媒質部２を透過した光波４は、反射部６で反射され再度伝搬媒質部２に入射する。この際、＋１次回折光波４ｂと−１次回折光波４ｃの位置関係は、０次回折光波４ａに対して反転する。図１９は、復路において、光波４が伝搬媒質部２中の音響波１と作用する様子を模式的に示している。図１７と同様に、Λは伝搬媒質部２を伝搬する音響波１の波長、ｆは音響波１の周波数、λは光波４の波長、ｆ0は光波４の周波数を表している。光波４は、ｚ軸方向の逆の向きに伝搬する。
【０１４１】
図１９に示すように、反射部６において反射した０次回折光波４ａが音響波１と作用した結果、図１７と同様に、回折されずにｚ軸の逆方向へそのまま伝搬する０次回折光波４ａ'と、０次回折光波４ａ'に対して、音響波１の伝搬方向であるｘ軸の正方向へ回折した＋１次回折光波４ｄと、０次回折光波４ａ'に対して、音響波１の伝搬と逆方向であるｘ軸の負方向へ回折した−１次回折光波４ｅが出力される。＋１次回折光波４ｄおよび−１次回折光波４ｅの周波数は、音響波１により、ドップラーシフトを受ける。ドップラーシフトを受けた回折光波４ｄの周波数はｆ0＋ｆとなり、回折光波４ｅの周波数は、ｆ0−ｆとなる。０次回折光波４ａ'の周波数はｆ0のままである。
【０１４２】
＋１次回折光波４ｄおよび−１次回折光波４ｅの回折角は式（１）で表される。反射部６における反射の前後で０次回折光波４ａの波長λ、音響波１の波長Λ、音響波１の周波数ｆ、伝搬媒質部２中の音響波１の伝搬速度Ｃsは変化しないため、０次回折光波４ａ'に対して、同じ大きさの回折角θおよび−θで＋１次回折光波４ｄおよび−１次回折光波４ｅは回折する。つまり、音響波１の周波数に応じて、往路で生じる＋１次回折光波４ｂおよび−１次回折光波４ｃの回折角と復路で生じる＋１次回折光波４ｄおよび−１次回折光波４ｅの回折角は変化し、これらは、音響波１の周波数に関わらず一致する。
【０１４３】
また、０次回折光波４ａの強度Ｉ0'ならびに＋１次回折光波４ｄおよび−１次回折光波４ｅの強度Ｉ1'は、以下の式（４）および（５）で表される。
【数４】
2012127808.tif 000011
【数５】
2012127808.tif 000012
【０１４４】
反射部６で反射された＋１次回折光波４ｂおよび−１次回折光波４ｃも伝搬媒質部２に入射する。０次回折光波４ａと同様に、これらの回折光波と音響波１との作用により回折光波が生じると考えられるが、測定範囲の音圧の音響波１に対しては、＋１次回折光波４ｂおよび−１次回折光波４ｃが回折することによってそれぞれ生成する±１次回折光波は、強度が非常に小さく無視できる。このため、＋１次回折光波４ｂおよび−１次回折光波４ｃは、伝搬媒質部２をそのままの角度で伝搬する。この際、＋１次回折光波４ｂの周波数はｆ0＋ｆであり、−１次回折光波４ｃの周波数は、ｆ0−ｆのままである。
【０１４５】
（受光レンズ系１５）
伝搬媒質部２を再度透過した光波４は、ビームスプリッタ７により、往路の光波４とは異なる方向に伝搬する。図２０は、光波４に含まれる＋１次回折光波４ｂ、４ｄ、−１次回折光波４ｃ、４ｄｅおよび０次回折光波４ａ’の位置関係を光波４の伝搬方向に垂直な断面で見たものである。この断面の伝搬媒質部２からの距離をＬ２、回折角度をθとすると、０次回折光波４ａと、復路の＋１次回折光波４ｄおよび−１次回折光波４ｅの０次回折光波４ａ’からの位置ずれ距離は、sinθ×Ｌ２と表せる。０次回折光波４ａ’のビーム半径をｗとすると、sinθ×Ｌ２＜ｗの範囲では、０次回折光波４ａ’と＋１次回折光波４ｂ、４ｄおよび−１次回折光波４ｃ、４ｅとが部分的に重なる。以下において説明するように、光マイクロロホン１０１では、＋１次回折光波４ｂと−１次回折光波４ｅとが重なる領域および＋１次回折光波４ｄと−１次回折光波４ｃとが重なる領域に生じる干渉光波を検出することによって音響波１の伝搬方向および音響波１の周波数の少なくとも一方を特定する。このため、ある態様では、光電変換素子アレイ２６Ａの受光面上において、＋１次回折光波４ｂ、４ｄおよび−１次回折光波４ｃ、４ｅは０次回折光波４ａ’と重ならない、つまり、sinθ×Ｌ２＞ｗである。
【０１４６】
このためには、距離Ｌ２を十分長くとればよい。しかし、Ｌ２を長くすると光マイロホン１０１が大型化してしまう。小型の光マイロホン１０１が求められる場合には、光マイクロホン１０２は、発散作用を有する受光レンズ系１５を備えていてもよい。受光レンズ系１５を備えることによって、Ｌ２を長くすることなく、＋１次回折光波４ｂ、４ｄおよび−１次回折光波４ｃ、４ｅを０次回折光波４ａ’と分離させることができる。
【０１４７】
（光電変換素子アレイ２６Ａ）
図２１は、光電変換素子アレイ２６Ａの受光面上における、光波４に含まれる＋１次回折光波４ｂ、４ｄ、−１次回折光波４ｃ、４ｅおよび０次回折光波４ａ’の位置関係を示している。
【０１４８】
０次回折光波４ａ'に対して、ｘ軸の正の向きに往路の−１次回折光波４ｃおよび復路の＋１次回折光波４ｄが位置し、ｘ軸の負の向きに往路の＋１次回折光波４ｂおよび復路の−１次回折光波４ｅが位置しており、それぞれ重なりあっている。重なり合った領域（斜線で示す）においては各光波が互いに干渉し、音響波１の信号に応じて光強度の変化する第１干渉光波４１および第２干渉光波４２が生成する。この第１干渉光波４１および第２干渉光波４２を光電変換素子アレイ２６Ａで受光すると、光強度の変化に応じた電気信号が得られることにより、音響波１を検出することができる。干渉光波は、音響波１の２倍の周波数を有している（（ｆ0＋ｆ）−（ｆ0−ｆ））。
【０１４９】
上述したように、音響波１の周波数に応じて、往路で生じる＋１次回折光波４ｂおよび復路で生じる−１次回折光波４ｃの回折角と、復路で生じる＋１次回折光波４ｄおよび往路で生じる−１次回折光波４ｅの回折角とは変化し、これらは、音響波１の周波数に関わらず一致する。このため、＋１次回折光波４ｂおよび−１次回折光波４ｃが重なる面積および＋１次回折光波４ｄおよび−１次回折光波４ｅの重なる面積は、音響波１の周波数が変わっても変化しないため、第１干渉光波４１および第２干渉光波４２の強度は、音響波１の周波数に関わらずほぼ一定である。ただし、式（１）に示すように、音響波１の周波数ｆに応じて、回折角θが変化するため、第１干渉光波４１および第２干渉光波４２の位置も変化する。
【０１５０】
なお、往路で生じる＋１次回折光波４ｂおよび復路で生じる−１次回折光波４ｃの位置のずれの距離Ｄ（回折光波の光軸間距離）、ならびに、復路で生じる＋１次回折光波４ｄおよび往路で生じる−１次回折光波４ｅの位置のずれの距離Ｄは、回折角θおよび伝搬媒質部２と反射部６との距離Ｌ１（図１６（ａ））を用いて、およそ２×sinθ×Ｌ１であらわすことができる。Ｌ１が大きいほど、往路で生じる＋１次回折光波４ｂおよび復路で生じる−１次回折光波４ｃの位置のずれの距離Ｄ（回折光波の光軸間距離）、ならびに、復路で生じる＋１次回折光波４ｄおよび往路で生じる−１次回折光波４ｅの位置のずれの距離Ｄが大きくなる。これにより、第１干渉光波４１および第２干渉光波の伝搬方向に垂直な断面積が小さくなり、第１干渉光波４１、第２干渉光波４２の強度が低下する。マイクロホン１０１の感度も低下する。さらに、位置のずれＤが光波４ｃのスポット径よりも大きくなった場合には、干渉光波が生じないため音響波を検出することができない。また、距離Ｄは回折角θにも依存するため、光波４の波長や、音響波１の波長によっても大きくなる。このため、伝搬媒質部２と反射部６との距離Ｌ１をなるべく小さくして、距離Ｄを小さくしてもよい。
【０１５１】
本実施形態の光マイクロホン１０２は、第１干渉光波４１、第２干渉光波４２が０次回折光波４ａ’の周りのどの方位に出射されるかを光電変換素子アレイ２６Ａで検出することによって、音響波１の伝搬方向特定する。以下、図２２を参照しながら、音響波１の伝搬方向の特定方法を説明する。図２２（ａ）および（ｂ）に示すように、光電変換素子アレイ２６Ａの受光面において、光波４が伝搬する方向をｚ'軸とし、ｚ’に垂直な平面においてｘ’軸およびｙ’軸を定める。ｘ’軸およびｙ’軸は、ｘ軸およびｙ軸がビームスプリッタ７を介して受光面上に写像される方向である。
【０１５２】
先述したように、＋１次回折光波４ｂ、４ｄおよび−１次回折光波４ｃ、４eが生じる方向は、音響波１の伝搬方向によって決まる。そのため、音響波１が、x軸方向に伝搬している場合、図２２（ａ）のように、＋１次回折光波４ｂおよび−１次回折光波４ｅによる第１干渉光波４１、ならびに、＋１次回折光波４ｄおよび−１次回折光波４ｃによる第２干渉光波４２は、０次回折光波４ａに対して、ｘ'軸の負の方向および正の方向にそれぞれシフトとした位置に出射される。また、音響波１が、ｘｙ平面において、ｘ軸から角度φだけ回転した方向に伝搬している場合、図２２（ｂ）のように、第１干渉光波４１および第２干渉光波４２は、ｘ'軸から角度φだけ回転した方向にシフトとした位置に表れる。このため、第１干渉光波４１、第２干渉光波４２が０次回折光波４ａ’の周りのどの方位に出射されるかを光電変換素子アレイ２６Ａで検出すれば、音響波１がどの角度方向に伝搬しているかを特定することができる。
【０１５３】
このために、光電変換素子アレイ２６Ａは、複数の光電変換素子５ａ、５ｂ・・・・・・５ｙ、５ｘを含む。本実施形態では、光電変換素子５ａ、５ｂ・・・・・・５ｙ、５ｘの数は、図１５に示すように、例えば２４個である。各光電変換素子は扇形の受光部を有しており、０次回折光波４ａ’が照射する位置を中心として、異なる方位に配置されている。受光部の扇形の中心角が１５°であれば、０次回折光波４ａ’が照射する位置を中心として、各光電変換素子を１５°ずつシフトさせた異なる方位で配置することによって、光電変換素子アレイ２６Ａ全体として円形の受光面を構成することができる。
【０１５４】
光電変換素子アレイ２６Ａに第１干渉光波４１および第２干渉光波４２が照射すると、複数の光電変換素子５ａ、５ｂ・・・・・・５ｙ、５ｘのうち、第１干渉光波４１または第２干渉光波４２を受光した光電変換素子が電気信号を出力する。つまり、複数の光電変換素子のうちの一部が第１干渉光波４１または第２干渉光波４２を検出する。このため、第１干渉光波４１または第２干渉光波４２を検出した光電変換素子が光電変換素子アレイ２６Ａの円形の受光面においてどこに位置しているかによって、第１干渉光波４１、第２干渉光波４２が０次回折光波４ａ’の周りのどの方位に出射されているかを光電変換素子アレイ２６Ａで特定することができる。
【０１５５】
図２２（ａ）および（ｂ）に示すように、伝搬媒質部２におけるｘ−ｙ座標は、光電変換素子アレイ２６Ａの受光面におけるｘ’−ｙ’座標に対応している。上述したように＋１次回折光波４ｂ、４ｄおよび−１次回折光波４ｃ、４eは、伝搬媒質部２のｘ−ｙ座標において、音響波１の伝搬方向に回折されるので、これらの回折光波による第１干渉光波４１および第２干渉光波４２の０次回折光波４ａ’に対する出射方向も音響波１の伝搬方向と一致する。
【０１５６】
したがって、光電変換素子アレイ２６Ａの受光面のｘ’−ｙ’座標における０次回折光波４ａ’の周りの第１干渉光波４１および第２干渉光波４２の検出方位が伝搬媒質部２のｘ−ｙ座標における、光波４を軸とする音響波１の伝搬方向と一致する。このため、光電変換素子アレイ２６Ａによって検出される。第１干渉光波４１、第２干渉光波４２の０次回折光波４ａ’の周りの方位が、音響波１の伝搬媒質部２における伝搬方向と一致する。このようにして、第１干渉光波４１および第２干渉光波４２を検出した光電変換素子の方位によって音響波の伝搬方向を決定することができる。
【０１５７】
実際の光マイクロホン１０２では、例えば、伝搬媒質部２において、入射する光波４に垂直な面上の任意の方向にｘ軸を決定し、決定したｘ軸の方向に音響波１を伝搬させ、光電変換素子アレイ２６Ａの受光面上に照射される第１干渉光波４１および第２干渉光波４２を結ぶ直線をｘ’軸と決定することができる。また、光電変換素子アレイ２６Ａの受光面におけるｘ’−ｙ’座標は、伝搬媒質部２におけるｘ−ｙ座標をビームスプリッタ７で反射させて、写像しているだけである。このため、光波４の伝搬経路を正しく調整することにより、例えば、伝搬媒質部２における水平方向をｘ軸とし、光電変換素子アレイ２６Ａの受光面の水平方向をｘ’軸とすることができる。
【０１５８】
ただし、光電変換素子アレイ２６Ａの各光電変換素子が検出した電気信号によって、第１干渉光波４１を検出しているのか、第２干渉光波４２を検出しているのかを区別することはできない。これらの干渉光波の強度がほぼ等しいからである。このため、音響波１が伝搬媒質部２をｘ軸の正方向に伝搬する場合とｘ軸の負方向に伝搬する場合とで、光電変換素子アレイ２６Ａは同じ検出結果を出力する。
【０１５９】
音響波の伝搬する向きについても特定したい場合には、あらかじめ音響波１の伝搬する向きを１８０°以下に制限すれば良い。例えば、空気中の音響波１を伝搬媒質部２に取り込んで、音響波１の伝搬方向を特定する場合を考える。図２３のように、伝搬媒質部２の表面のうち、ｚ軸方向に垂直な２つの面２ａおよびｚ軸に平行な面のうち光波４の伝搬位置よりもｙ軸方向の負の向きに位置する面２ｂに音響波１を遮る遮音部９を設ける。これにより、伝搬媒質部２の表面のｚ軸に平行な面のうち、光波４の伝搬位置よりもｙ軸方向の正の向きに位置する面２ｃに音響波１が入射する開口が形成される。
【０１６０】
これにより、伝搬媒質部２における光波４と作用する位置での音響波１の伝搬の向きはｙ軸の負方向のベクトルを持つ。よって、音響波１の伝搬方向を１８０°に制限することができる。なお、この場合、光波４を伝搬媒質部２に入射する必要があるため、遮音部９は、光波４が透過できるようにガラスやアクリルなどの透明体で構成するか、あるいは光波４の伝搬部分に透光孔３１を設けるてもよい。
【０１６１】
（伝搬方向決定部４５）
光マイクロホン１０２は、さらに伝搬方向決定部４５を備えていてもよい。伝搬方向決定部４５は、光電変換素子アレイ２６Ａの光電変換素子５ａ〜５ｘからの電気信号を受け取り、音響波１の伝搬方向を基準方向からの角度φで表す信号を出力する。
【０１６２】
例えば、図１５および表１に示すように、ｘ’軸の正の領域に位置する光電変換素子５ａをφ’＝０とし、光電変換素子５ｂ〜５ｘを１５°刻みの方位に対応させる。具体的には、光電変換素子５ａにφ’＝０、光電変換素子５ｂにφ’＝１５°、光電変換素子５ｃにφ’＝３０°というように光電変換素子と方位とを対応付ける。伝搬方向決定部４５は、このような光電変換素子と方位とを対応付けたデータが記録されたメモリを有する。
【０１６３】
【表１】
2012127808.tif 000013
【０１６４】
伝搬方向決定部４５は、光電変換素子アレイ２６Ａから出力を受け取り、メモリを参照して、光電変換素子５ａ〜５ｘのうち、所定の強度以上の電気信号が出力された光電変換素子に対応する方位φ’を出力する。これにより、０次回折光波４ａ’周りにおける第１干渉光波４１および第２干渉光波４２の方位φ’が出力される。上述したように伝搬媒質部２におけるｘ−ｙ座標と光電変換素子アレイ２６Ａの受光面におけるｘ’−ｙ’座標とは対応しているため、ｘ’−ｙ’座標における方位φ’は、ｘ−ｙ座標における方位φと一致する。したがって、伝搬方向決定部４５から出力される方位φ’は、伝搬媒質部２を伝搬する音響波１の伝搬方向φを示している。
【０１６５】
なお、第１干渉光波４１および第２干渉光波４２が光電変換素子アレイ２６Ａの受光面を照射する位置によっては、２以上の光電変換素子から第１干渉光波４１または第２干渉光波４２による出力信号が得られる場合がある。これは、例えば、光電変換素子５ａと光電変換素子５ｂとの境界近傍を第１干渉光波４１または第２干渉光波４２が照射している場合に生じる。
【０１６６】
この場合、伝搬方向決定部４５は、各光電変換素子から得られる電気信号の大きさに基づき、平均を求め第１干渉光波４１または第２干渉光波４２の方位φ’を決定してもよい。例えば、光電変換素子５ａおよび光電変換素子５ｂからの電気信号の強度をＩａ、Ｉｂとした場合、下記式に示す計算を行うことによって、第１干渉光波４１または第２干渉光波４２の方位φ’を決定することができる。
φ’＝（０×Ｉａ＋１５×Ｉｂ）／（Ｉａ+Ｉｂ）
【０１６７】
また、光電変換素子５ａ〜５ｘの出力を用いてφ’を決定してもよい。例えば、以下の式に示す計算を行うことによって第１干渉光波４１の方位φ’1と第２干渉光波４２の方位φ’2との平均φ’mが求められる。
φ’m＝（０×Ｉａ＋１５×Ｉｂ＋・・＋３４５×Ｉｘ）／（Ｉａ+Ｉｂ＋・・＋Ｉｘ）
この場合、第１干渉光波４１の方位φ’1と第２干渉光波４２の方位φ’2は、φ’m＋９０およびφ’m−９０である。
【０１６８】
なお、光電変換素子アレイ２６Ａを構成する光電変換素子５ａ〜５ｘは、０次回折光波４ａ’を受光しなくてもよい。０次回折光波４ａ’は、音響波１の伝搬方向の決定には寄与しないからである。
【０１６９】
また、光マイクロホン１０２の音響波１の伝搬方向特定の角度分解能は、光電変換素子５ａ〜５ｘにおける受光部の扇形の中心角度や受光レンズ系１５の性能、光電変換素子アレイ２６Ａの距離などによって決まる。受光部の扇形の中心角度を小さくし、光電変換素子５ａ〜５ｘの数を多くしたり、受光レンズ系１５や光電変換素子アレイ２６Ａの位置を調整し、光波４を拡大することで高い角度分解能が得られる。
【０１７０】
図１５に示す扇形の受光部は複数の光電変換素子によって構成してもよい。この場合、１つの扇形の受光部を構成する複数の光電変換素子からの出力を加算し、第１干渉光波４１および第２干渉光波４２の検出に用いてもよい。
【０１７１】
（周波数変換部４６）
光マイクロホン１０２は、さらに周波数変換部４６を備えていてもよい。周波数変換部４６は、光電変換素子アレイ２６Ａから、または、伝搬方向決定部４５から、光電変換素子５ａ〜５ｘの出力を受け取り、受け取った電気信号の周波数を１／２に変換する。周波数変換部４６としては、例えば、電子回路などで構成する分周器などを用いることができる。これにより、周波数変換部４６から音響波１に対応した電気信号が出力される。
【０１７２】
このように本実施形態の光マイクロホンによれば、光電変換素子アレイによって、第１干渉光および第２干渉光の少なくとも一方を検出し、検出した光電変換素子の光電変換素子アレイにおける位置に基づき、音響波の伝搬方向を特定することができる。また、＋１次回折光波および−１次回折光波が干渉した光波を検出するため、レーザードップラー振動計などの特別な計測器や光学干渉計を用いずに、小型で簡単な構成の光マイクロホンを実現することができる。
【０１７３】
（第３の実施形態）
図２４は、本実施形態の光マイクロホン１０３の主要部の構成を示している。光マイクロホン１０３は、光波４を用いて音響波１をその周波数に応じて分離して検出する。このために、光マイクロホン１０３は、伝搬媒質部２と、光源３と、光電変換素子アレイ２６Ｂと、反射部６と、ビームスプリッタ７と、受光レンズ系１５とを備える。光電変換素子アレイ２６Ｂ以外の構成は、第２の実施形態の光マイクロホン１０２と同じである。
【０１７４】
光電変換素子アレイ２６Ｂは、複数の光電変換素子１５ａ、１５ｂ、・・・１５ｈを含む。各光電変換素子は、内径および外径が互いに異なるリング形状の複数の受光部を有し、受光部は、０次回折光波４ａ’が照射する位置を中心として同心円状に配置されている。各光電変換素子の受光部の０次回折光波４ａ’が照射する位置からの距離は互いに異なっている。
【０１７５】
前述したように、往路の＋１次回折光波４ｂ、−１次回折光波４ｃおよび復路の＋１次回折光波４ｄ、−１次回折光波４ｅの回折角θは、式（１）で表せる。ここで、λは光波４の波長、Λは音響波１の波長、ｆは音響波１の周波数、Ｃｓは伝搬媒質部２中での音速を表している。音響波１の周波数が高くなった場合、音響波１の周波数ｆに応じて回折角θが大きくなる。ここで、Ｌ２を伝搬媒質部２から受光レンズ系１５までの光波４の伝搬距離とすると、０次回折光波４ａと＋１次回折光波４ｂ、４ｄおよび−１次回折光波４ｃ、４ｅの距離はsinθ×Ｌ２で表せる。これより、０次回折光波４ａ’と第１干渉光波４１、第２干渉光波４２が生じる位置との距離は音響波１の周波数が高くなると大きくなることが分かる。
【０１７６】
光電変換素子アレイ２６Ｂに入射される光波４は、これを受光レンズ系１５において拡大したものであり、０次回折光波４ａと、第１干渉光波４１および第２干渉光波４２との距離も周波数に依存する。受光レンズ系１５が光波４を位置関係によらず一定の拡大率で拡大する場合、０次回折光波４ａ’と第１干渉光波４１および第２干渉光波４２の距離ｒは、以下の式（６）で表される。
【数６】
2012127808.tif 000014
【０１７７】
したがって、音響波１の周波数ｆに応じて、異なる半径位置に受光部を有する複数の光電変換素子１５ａ、１５ｂ、・・・１５ｈのいずれかによって、第１干渉光波４１および第２干渉光波４２が検出される。式（６）から分かるように、音響波１の周波数ｆが大きくなると、０次回折光波４ａ’と第１干渉光波４１および第２干渉光波４２の距離ｒは大きくなる。音響波１が複数の異なる周波数成分を含む場合には、光電変換素子１５ａ、１５ｂ、・・・１５ｈの２つ以上で第１干渉光波４１および第２干渉光波４２を独立して検出することにより、音響波１の成分を周波数ごとに分離して検出することができる。
【０１７８】
あらかじめ、音響波１の周波数ｆまたは周波数帯域と光電変換素子１５ａ、１５ｂ、・・・１５ｈとを、または、光電変換素子１５ａ、１５ｂ、・・・１５ｈの受光部の０次回折光波４ａ’が照射する位置からの距離ｒとを対応付けておくことにより、光電変換素子１５ａ、１５ｂ、・・・１５ｈのいずれが第１干渉光波４１および第２干渉光波４２を検出したかによって、音響波１の周波数ｆまたは周波数帯域を特定することができる。各光電変換素子は円周方向には一様な受光部を有するため、音響波１の伝搬方向に関わらず周波数の特定を行うことができる。周波数の対応付けは、計算により行っても良いし、周波数が既知の音響波１を入力し、光電変換素子１５ａ、１５ｂ、・・・１５ｈから得られる出力信号の強度分布を記録することで対応付けてもよい。
【０１７９】
また、本実施形態の光マイクロホン１０３は、光電変換素子アレイ２６Ｂからの電気信号を受け取り、音響波１の周波数、または周波数帯域を示す信号を出力する周波数特定部４７を備えていてもよい。例えば、周波数特定部４７は、上述した音響波１の周波数ｆまたは周波数帯域と光電変換素子１５ａ、１５ｂ、・・・１５ｈ（または受光部の０次回折光波４ａ’が照射する位置からの距離ｒ）との対応関係を記録したメモリを有する。
【０１８０】
例えば、表２に示すように音響波１の周波数帯域ｆ１〜ｆ２、ｆ２〜ｆ３、ｆ３〜ｆ４（ｆ４＞ｆ３＞ｆ２＞ｆ１）・・・に対して、光電変換素子１５ｈ、１５ｇ、１５ｆ・・・を対応させ、メモリに記録する。
【０１８１】
【表２】
2012127808.tif 000015
【０１８２】
周波数特定部４７は光電変換素子アレイ２６Ｂから出力を受け取り、メモリを参照して、光電変換素子５ａ〜５ｘのうち、所定の強度以上の電気信号が出力された光電変換素子に対応する周波数帯域ｆ２〜ｆ３等を出力する。
【０１８３】
また、第１の実施形態で説明したように、光電変換素子５ａ〜５ｘの全ての電気信号を用いて計算によって周波数帯域を決定してもよい。
【０１８４】
なお、音響波１は複数の異なる周波数の成分を含んでいてもよい。この場合、光電変換素子アレイ２６Ｂは、第１干渉光波４１および第２干渉光波４２に含まれる２つ以上の音響波１の成分を上述の周波数帯域ごとに分離して検出する。また、この場合、光電変換素子アレイ２６Ｂは、第１干渉光波４１および第２干渉光波４２に含まれる音響波１の異なる周波数の成分を分離して検出することができる。
【０１８５】
光マイクロホン１０３は、さらに周波数変換部４６を備えていてもよい。周波数変換部４６は、光電変換素子アレイ２６Ｂから、または、周波数特定部４７から、光電変換素子５ａ〜５ｘの出力を受け取り、受け取った電気信号の周波数を１／２に変換する。音響波１が複数の異なる周波数の成分を複でいる場合には、上述した周波数帯域ごとに分離し、周波数が変換される。
【０１８６】
なお、音響波１に含まれる異なる周波数の成分の分離が重要である場合には、分離したい周波数帯に合わせて任意の半径・幅で設計した複数あるいは単一の光電変換素子を配置すればよい。これにより、音響波１を周波数成分ごとに分けて検出できるだけでなく、不要な周波数成分の信号については受光しないなどすることにより、周波数フィルタとしても機能させることが可能となる。なお、受光レンズ系１５の拡大率を光波４の中心から半径方向に向かって分布を持たせることでも、各光電変換素子が検出する音響波１の周波数範囲を任意に設定することができる。
【０１８７】
また、音響波１の伝搬方向が一定である場合、光電変換素子アレイ２６Ｂは、１次元に配列された複数の光電変換素子を備えていてもよい。図２５に示す光マイクロホン１０３’は、光電変換素子アレイ２６Ｂに換えて受光部が１次元に配置された複数の光電変換素子２５を含む光電変換素子アレイ２５Ｃを備えている。光マイクロホン１０３’において、０次回折光波４ａ’の照射位置から、第１干渉光波４１および第２干渉光波４２を検出した光電変換素子の位置ｒによって上述したように音響波１の周波数帯域を特定することができる。また、音響波１に複数の周波数成分が含まれる場合には、周波数帯域ごとに分離して音響波１の周波数成分を検出することができる。
【０１８８】
このように本実施形態の光マイクロホンによれば、光電変換素子によって生成した電気信号の周波数を分析しなくても、どの光電変換素子が第１干渉光波または第２干渉光波を検出したかによって、音響波の周波数を特定することができる。したがって、簡単な構成で音響波の周波数を特定することができる。また、複数の周波数成分が含まれる場合には、これらを分離して検出することができる。
【０１８９】
（第４の実施形態）
図２６（ａ）は、本実施形態の光マイクロホン１０４の主要部の構成を示している。光マイクロホン１０４は、光波４を用いて音響波１の伝搬方向を特定し、かつ、音響波１をその周波数に応じて分離して検出する。このために、光マイクロホン１０３は、伝搬媒質部２と、光源３と、光電変換素子アレイ２６Ｄと、反射部６と、ビームスプリッタ７と、受光レンズ系１５とを備える。光電変換素子アレイ２６Ｄ以外の構成は、第１の実施形態の光マイクロホン１０２と同じである。
【０１９０】
光電変換素子アレイ２６Ｄは、複数の光電変換素子５ａ１、５ａ２、・・・５ａ８、５ｂ１、５ｂ２、・・・５ｂ８、・・・・・５ｘ１、５ｘ２、・・・５ｘ８を含む。各光電変換素子は、部分リング状の受光部を有しており、受光部は、０次回折光波４ａ’が照射する位置を中心とする円内において、半径方向および円周方向において、２次元に配置されている。つまり、光電変換素子５ａ１、５ａ２、・・・５ａ８、光電変換素子５ｂ１、５ｂ２、・・・５ｂ８などがそれぞれ同じ方位において異なる半径方向に配置されており、光電変換素子５ａ１、５ｂ１、５ｃ１、・・・５ｘ１、光電変換素子５ａ２、５ｂ２、５ｃ２、・・・５ｘ２などが同じ半径位置における円周方向に沿って配置されている。光電変換素子５ａ１、５ａ２、・・・５ａ８は、０次回折光波４ａ’が照射する位置に対して、互いに同じ方位φ’に配置されている。同様に、光電変換素子５ｂ１、５ｂ２、・・・５ｂ８も互いに同じ方位φ’に配置されている。
【０１９１】
光電変換素子５ａ１、５ｂ１、５ｃ１、・・・５ｘ１は０次回折光波４ａ’が照射する位置から最も近い半径位置において、同心円状に配置されおり、光電変換素子５ａ８、５ｂ８、５ｃ８、・・・５ｘ８は０次回折光波４ａ’が照射する位置から最も遠い半径位置において、同心円状に配置されている。
【０１９２】
このような光電変換素子アレイ２６Ｄを用いることによって、第２の実施形態および第３の実施形態で説明したように、第１干渉光４１および第２干渉光４２を検出した光電変換素子の受光部の０次回折光波４ａ’が照射する位置を中心とする半径方向における距離ｒによって前記音響波の周波数を特定し、中心周り方位φ’から音響波の伝搬方向を特定することができる。
【０１９３】
例えば光マイクロホン１０４は、光電変換素子アレイ２６Ｄからの電気信号を受け取り、音響波１の伝搬方向および周波数帯域を示す信号を出力する伝搬方向・周波数特定部４８を備えていてもよい。伝搬方向・周波数特定部４８は、表３に示すような、音響波１の周波数帯域および伝搬方位φ’と光電変換素子との対応関係を記録したメモリを有する。
【０１９４】
伝搬方向・周波数特定部４８は、光電変換素子アレイ２６Ｄから出力を受け取り、メモリを参照して、所定の強度以上の電気信号が出力された光電変換素子に対応する方位および周波数帯域を出力する。
【０１９５】
【表３】
2012127808.tif 000016
【０１９６】
光マイクロホン１０４を用いると、例えば、図２７に示すように、複数の音源３２ａ、３２ｂ、３２ｃが出力する音響波１ａ、１ｂ、１ｃを検出すると同時に、音源を定位することができる。音源３２ａが出力する音響波１ａと音源３２ｂが出力する音響波１ｂは、伝搬方向が異なるため、２つの音響波１ａ、１ｂに対して、光電変換素子アレイ２６Ｄの受光面上において第１干渉光波４１、第２干渉光波４２は、それぞれφ’方向の異なる位置に生じる。このため、第１干渉光波４１、第２干渉光波４２は方位が異なる光電変換素子で受光され、それぞれ伝搬方向が特定され、音源定位を行うことができる。また、音源３２ｂと音源３２ｃから出力される音響波１ｂ、１ｃは、伝搬方向は同じであるが、周波数がｆ２、ｆ３と異なっている。そのため、第１干渉光波４１、第２干渉光波４２は、方位φ’方向は同じであるが半径方向の距離ｒが異なる光電変換素子で受光されるため、あらかじめ２つの音響波１ｂ、１ｃの周波数ｆ２、ｆ３がわかっていれば、これら２つの音響波を区別して検出することができる。
【０１９７】
また、上記実施形態では、光電変換素子アレイ２６Ｄは、部分リング状の受光部を有する光電変換素子が半径方向および周方向に配列された構造を備えていたが、他の構造を備えていてもよい。例えば図２６（ｂ）に示すように、矩形の受光部を有する複数の光電変換素子が非平行な２方向、例えは、直交する２方向に配置された光電変換素子アレイを用いてもよい。図２６（ｂ）はこのような光電変換素子アレイの受光面の配列を模式的に示している。この光電変換素子アレイは、複数の光電変換素子５ａ１、５ａ２、・・・５ａ９、５ｂ１、５ｂ２、・・・５ｂ９、・・・・・５ｉ１、５ｉ２、・・・５ｉ９を含む。各光電変換素子は、矩形の受光部を有しており、光電変換素子５ｅ５の受光部に０次回折光波４ａ’が照射するように、光電変換素子アレイは配置される。この光電変換素子アレイにおける各光電変換素子は、円周方向および半径方向配置されているのではないため、特定の位置関係を除いて、０次回折光波４ａ’が照射する位置を中心とする方位およびその中心から受光部までの距離は、それぞれ異なる。このため、表３に示すに、各光電変換素子の０次回折光波４ａ’が照射する位置を中心とする方位およびその中心から受光部までの距離を計算あるいは、実測によって求めておき、メモリなどに記憶してもよい。
【０１９８】
本実施形態の光マイクロホンによれば、異なる方向から伝搬する複数の音響波を特定することが可能である。また、あらかじめ音響波の周波数が分かっている場合には、同じ方向から伝搬する複数の音響波も特定することが可能である。
【０１９９】
（第５の実施形態）
本発明による探傷装置の実施形態を説明する。図２８は、本実施形態の探傷装置１０５の主要部の構成を示している。探傷装置１０５は、透明材料などの被検体の中の欠陥を、被検体を破壊することなく見つけることができる。探傷装置１０５は、伝搬媒質部２の換わりに欠陥検査を行う被検体３３を用い、音響波１を生成する音源３２を備えている点を除いて、第２の実施形態の光マイクロホン１０２と同じ構造を備えている。
【０２００】
被検体３３は、光源３から出射する光波４に対して透明であってもよい。光波４が可視光である場合には、ガラスやアクリルなどによって構成される被検体３３を検査することができる。また、音源３２から出射される音響波１を伝搬させる固体であってもよい。音響波１として、超音波などの高周波を用いる方が、高い分解能が得られるため、精度よく欠陥３４を特定できる。超音波を出力する音源３２としては、ピエゾ素子などを用いることができる。
【０２０１】
図２８に示すように、被検体３３の一端に音源３２を、例えば接触させ、音源３２を駆動することによって、音響波１を被検体３３内に励起し、伝搬させる。光源３から出射した光波４は、音源３２によって励起された音響波１の伝搬路以外の位置において、被検体３３を照射してもよい。
【０２０２】
被検体３３内に、傷などの物理的損傷や異物の混入などによる欠陥３４がある場合、欠陥３４において音響波１の反射波３５が生じる。反射波３５が、被検体３３を透過する光波４を横切ることによって、第２の実施形態で説明したように、欠陥３４が存在する方向を特定することができる。
【０２０３】
また、検出された出力信号の時間波形と、音源３２から入力する音響波１の時間波形を比較すると、音響波１が被検体３３の中を伝搬した伝搬時間ｔpropを知ることができる。音響波１の被検体３３中における伝搬速度をＶnとし、音源３２から欠陥３４までの距離をｌin、欠陥３４から光波４までの距離をｌoutとすると、ｌin＋ｌout＝ｔprop×Ｖnの関係が成立する。このため、反射波３５の伝搬方向を特定すれば、伝搬時間ｔpropから、光波４が透過する位置から欠陥３４までの距離が求められる。よって、欠陥３４の位置を特定することができる。
【０２０４】
このように、本実施形態の探傷装置によれば、被検体３３を破壊することなく内部の欠陥の位置を推定することができる。特に、音響波１の反射は、被検体３３を構成する材料と異なる材質が存在していたり、被検体３３を構成する材料に物理的な構造欠陥が生じていたりする場合にも生じるため、種々の欠陥３４を検出し、その位置を推定すること画家可能である。
【産業上の利用可能性】
【０２０５】
本願に開示された光マイクロホンは、小型の超音波センサ等あるいは可聴音マイクロホン等として有用である。また、超音波を用いた周囲環境システムに用いる超音波受波センサ等としても応用できる。【０２０６】
本願に開示された光マイクロホンは、小型の超音波センサ等あるいは可聴音マイクロホン等として有用である。また、超音波を用いた周囲環境システムに用いる超音波受波センサ等としても応用できる。また、探傷装置としても応用できる。
【符号の説明】
【０２０７】
１  音響波
２  伝搬媒質部
３  光源
４  光波
４ａ  往路の０次回折光波
４ａ'復路の０次回折光波
４ｂ  往路の＋１次回折光波
４ｃ  往路の−１次回折光波
４ｄ  復路の＋１次回折光波
４ｅ  復路の−１次回折光波
５  光電変換部
５ａ〜５ｘ  光電変換素子
６  反射部
７  ビームスプリッタ
８  コーナーキューブミラー
９  遮音部
１０  開口部
１１  光透過部
１２  リバーサルミラー
１３  対称軸
１４  遮光部
１５  受光レンズ系
２１  周波数変換部
２６Ａ，２６Ｂ、２６Ｃ、２６Ｄ  光電変換素子アレイ
３１  透光孔
３２、３２ａ、３２ｂ、３２ｃ  音源
３３  被検体材料
３４  欠陥
３５  反射波
１０１、１０２、１０３、１０４  光マイクロホン
１０５  探傷装置
１１１  出射系光学部品
１１２  受光系光学部品
１１３  光ダイオード
２０１  開口部
２０２  音響導波路
２０３  光音響伝搬媒質部
２０４  レーザードップラー振動計
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【国際調査報告】
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