(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
指向特性を制御できるマイクロフォンを備え、ビデオカメラの被写体へのフォーカシングに同期して前記指向特性を前記被写体へフォーカシングするマイクロフォン付ビデオカメラにおいて、
前記マイクロフォンとして、
発光強度分布が同心円状にほぼ均一な垂直空洞表面発光型レーザー発光素子を配置し、前記発光素子の放射光を受光する為の受光素子を配置した基板と、
前記基板に対向する位置にほぼ平行に、かつ近接して設置され、音圧により振動するとともに、前記発光素子からの光を反射させて前記受光素子に放射する振動板と、
前記発光素子に駆動電流を供給する光源駆動回路と、
前記受光素子から出力される信号レベルが小さいほど増幅度が大きくなる小信号増幅回路を含み、前記小信号増幅回路の出力に基づいた負帰還信号として前記光源駆動回路に供給する負帰還回路を具備する光マイクロフォンを用い、
前記ビデオカメラの被写体へのズーミング量を示すズーミング信号により前記負帰還信号の大きさを変化させることにより前記光マイクロフォンの前記指向特性を制御することを特徴とするマイクロフォン付ビデオカメラ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はマイクロフォン付ビデオカメラに係り、特に画像のフォーカシングに同期して音声のフォーカシングを行うことの可能なマイクロフォン付ビデオカメラに関する。
【０００２】
【従来の技術】
図１０は従来のマイクロフォン付ビデオカメラ２００の概略構成を示す外観図である。
カメラ本体２０１には被写体からの画像を入力するためのレンズ２０２と、被写体から発せられる音声を入力するためのマイクロフォン２０３とが取付けられている。
このようなビデオカメラに装着されるマイクロフォン２０３としては、従来、ステレオ型マイクロフォンやモノラル型マイクロフォンが用いられていた。
このようなビデオカメラに装着されるマイクロフォンは、屋外での使用に際して風圧による雑音の発生を防止するための改良や被写体の状況に応じて、単一指向性に切り替えたり無指向性に切り替えたりする等の工夫がなされていた。
【０００３】
一方、ビデオカメラは被写体の距離に応じてレンズ２０２を調節することにより被写体へのフォーカシングを行い、最適な画像信号を得るように操作される。
また、ズームレンズを用いた場合、遠距離にある被写体の画像を近距離に拡大（ズームアップ）もしくは近距離にある被写体の画像を遠距離に縮小（ズームダウン）して得ることができる。
一方、マイクロフォン２０３ではレンズ２０２の操作とは別途の操作を行い、ズームレンズから捕えられる画像の拡大もしくは縮小に関係なく、ワンポイントマイクロフォンまたはステレオマイクロフォンで周囲の音声を収音していた。
また、近年小型マイクロフォン素子として光マイクロフォン素子が注目されており、特に発光素子として垂直空洞表面発光型レーザー（以下ＶＣＳＥＬという）を用いたものは、より一層の小型化が実現できる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
このように従来のマイクロフォン付ビデオカメラにおいては、被写体画像がズームにより拡大又は縮小されても、被写体から収録される音声はこれに連動したものではなく単に周囲の音声しかとらえることができなかった。
従って、カメラによりズーミングを行って拡大した画像をとらえても被写体からの音声は遠くから聞こえるというような現象が発生した。これはビデオカメラに装着されているマイクロフォンが単一指向性又は無指向性のマイクロフォンであったために、画像のズーミングに連動して音声の感度を切り替えることができなかったためである。
【０００５】
従ってマイクロフォン付ビデオカメラにおいては、画像が拡大された時には近距離からの音声として捕えられ、画像が縮小された時には遠距離からの音声として捕えられるマイクロフォンが必要とされていた。
発明者等はＶＣＳＥＬを用いた光マイクロフォン素子が超小型化に適しているだけでなく、指向性の調整をも簡単に実現できることに着目して本願発明をなすに到った。
したがって本発明は、画像の拡大縮小のズーミングに連動してマイクロフォンの音声のズーミングも可能な光マイクロフォン素子を用いたマイクロフォン付ビデオカメラを提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための本発明のマイクロフォン付ビデオカメラは、指向特性を制御できるマイクロフォンを備え、ビデオカメラの被写体へのフォーカシングに同期して前記指向特性を前記被写体へフォーカシングするマイクロフォン付ビデオカメラにおいて、前記マイクロフォンとして、発光強度分布が同心円状にほぼ均一な垂直空洞表面発光型レーザー発光素子を配置し、前記発光素子の放射光を受光する為の受光素子を配置した基板と、前記基板に対向する位置にほぼ平行に、かつ近接して設置され、音圧により振動するとともに、前記発光素子からの光を反射させて前記受光素子に放射する振動板と、前記発光素子に駆動電流を供給する光源駆動回路と、前記受光素子から出力される信号レベルが小さいほど増幅度が大きくなる小信号増幅回路を含み、前記小信号増幅回路の出力に基づいた負帰還信号として前記光源駆動回路に供給する負帰還回路とを具備する光マイクロフォンを用い、前記ビデオカメラの被写体へのズーミング量を示すズーミング信号により前記負帰還信号の大きさを変化させることにより前記光マイクロフォンの前記指向特性を制御する。
また、本発明のマイクロフォン付ビデオカメラにおいては、前記ズーミング信号が前記ビデオカメラのズームレンズの変化量を示すズーム量変化信号とすることも出来る。
【０００７】
【発明の実施の形態】
本発明によるマイクロフォン付ビデオカメラでは、ズーム画像の拡大縮小に合わせてマイクロフォンから収録される音声もこれに同期をとって拡大縮小することにより、指向性を変化させ縮小されて遠くに映される画像からの音声は遠くから聞こえるように、また拡大されて大きく映される画像に対応する音声は近くから聞こえるようにする。さらに、このような目的に使用されるマイクロフォンとしてＶＣＳＥＬを用いた光マイクロフォンを用いている。
まず、本発明のマイクロフォン付ビデオカメラの実施の形態を説明するに先立って本発明で使用されるＶＣＳＥＬを用いた光マイクロフォンの基本動作及びその構成について説明する。
【０００８】
図２は光マイクロフォン素子の基本構造を示す図である。
図２（ａ）は断面形状を示したもので容器１の底面８に電子回路基板１２を設置し、この基板１２上に発光素子と受光素子とを配置した基板９を取り付ける。取り付けは、基板９と基板１２とを例えばフリップチップボンディングで電気的に接続することにより行うことも出来る。また底面８をシリコンなどの半導体基板で構成すれば、この上に電子回路を構成できるので電子回路基板１２を省略することも出来る。なお、図２に示す例では発光素子として垂直空洞面発光レーザダイオードＬＤを、受光素子としてフォトダイオードＰＤを用いている。基板９の中央に円形形状の面発光レーザダイオードＬＤを配置し、この面発光レーザダイオードＬＤを取り巻くように同心円状に受光素子ＰＤを配置する。
【０００９】
図２（ｂ）は図２（ａ）中に点線で囲んで示した受発光素子が搭載された基板９の受発光部を拡大して示した平面図である。
図に示すように中心部に円形形状の発光素子ＬＤを配置し、これを取り囲むように同心円状に受光素子ＰＤ１，ＰＤ２，…ＰＤｎを配置する。なおここで用いられる発光素子ＬＤとしては垂直空洞表面発光型レーザを用いることができる。
この発光素子ＬＤと受光素子ＰＤとはガリウム砒素ウェファ上に同時に半導体製造工程により作製することができる。
従って発光素子ＬＤと受光素子ＰＤとの位置合わせ精度は半導体製造工程に用いられるマスクの精度によって決められるため、その合わせ精度を１μｍ以下とすることができ、従来の光マイクロフォン素子の受発光素子の位置合わせ精度に比べて百分の１以下の高精度で実現が可能である。
【００１０】
一般に、垂直空洞表面発光型発光素子は発光強度分布が同心円状にほぼ均一な特性を持っている。従って、中心部に設置された発光素子ＬＤから所定の角度で振動板２に向かって放射された放射光は同心円状に同一強度を持って反射し、音波７の受波により振動板２が振動することにより反射角度が変化し受光素子ＰＤに同心円状に到達する。
従って、同心円状に配列された受光素子ＰＤ１〜ＰＤｎの受光光量の変化を検出することにより振動板２の振動変位を検出することができる。これにより入射音波７の強弱を検知することができるため、光マイクロフォン素子として使用可能となる。
なお発光素子ＬＤや受光素子ＰＤを駆動、もしくは入射光量の検出のために電極１１が形成されている。
【００１１】
次に本発明で用いられる発光素子である垂直空洞表面発光型レーザ（以下ＶＣＳＥＬという）について説明する。
図３はＶＣＳＥＬの発光強度分布を示したもので、図に示すように放射強度分布は核内に対するガウス分布として与えられる。
発光強度分布Ｐ０（θ）は（１）式で示される。
【数１】
Ｐｏ（θ）＝exp（−α2 θ2 ）              …（１）
θ：発光面に立てた垂線からの角度変位
（単位ラジアン）
α：発光広がり角を規定する係数
（本来は「１／α2 」計算上簡略化）
【００１２】
この発光分布係数αの算出を１次元の場合について計算すると（２）式のように表わされる。
【数２】
α2 ＝−［ln（ｈ）］／（ＦＡＨＭ／２）2       …（２）
ｈ：レーザーの発光分布を実測して与えられる相対強度
垂直で１。半値＝0.5。１／ｅ＝0.3183。１／ｅ２＝0.135335
ＦＡＨＭ：通常メーカーからは半値全角（ＦＡＨＭ）値が提供される。
ｈ＝０．５、ＦＡＨＭ＝９度（角度入）なら
ｒａｄ（９／２）＝0.07854
α2 ＝−［（ln（0.5）］／(0.07854)2 ＝112.369
そしてこれを使って発光強度分布を指定された方位について計算すると図３に示すような分布が得られる。
【００１３】
図４は発光強度分布を２次元について計算して図示した場合の図である。
この場合、２次元の発光強度分布Ｐ０（θ）は（３）式で与えられる。
【数３】
Ｐｏ（θ）＝exp（−α2 θ2 ）・exp（−β2 ψ2 ）      …（３）
【００１４】
θ方向とψ方向につき分布算出係数αとβと同様な方法で算出する。発光分布係数αは（４）式で与えられ、発光分布係数βは（５）式で与えられる。
【数４】
α2 ＝−［ln（ｈ）］／（ＦＡＨＭ／２）2             …（４）
ｈ＝０．５、ＦＡＨＭ＝９度なら
ｒａｄ（９／２）＝0.07854
α2 ＝−［（ln（0.5）］／(0.07854)2 ＝112.369
【００１５】
【数５】
β2 ＝−［ln（ｈ）］／（ＦＡＨＭ／２）2             …（５）
ｈ＝０．５、ＦＡＨＭ＝９度なら
ｒａｄ（９／２）＝0.07854
β2 ＝−［（ln（0.5）］／(0.07854)2 ＝112.369
【００１６】
このようにして得られた２次元の発光強度分布から明らかなように、垂直空洞表面発光型レーザでは発光素子の強度分布が同心円状にほぼ均一となっている。
このことからレーザ発光を振動板２の偏倚（変位）として効率的に受光するためには、受光素子を同心円状に配置するのが最適となる。そして同心円状に配置された異なる同心円に属する受光素子が検出した信号の差動信号が音圧変化を与える信号となる。
【００１７】
ここで受波信号のダイナミックレンジを制限したり、選別したりするためには受光素子を同心円状に２つ以上設けることによりそれが可能となる。
ここで、図２に示す光マイクロフォンでは騒音低減効果はさほど期待できない。すなわち振動板２に到達する騒音によっても振動板２は振動し、これが雑音信号として通常の音波７による振動に重畳されてしまうからである。
この騒音の影響を低減させ更に騒音低減効果を図った光マイクロフォンとして図５に示すような構造のものが知られている。
【００１８】
図５に示す構造では音波７によって振動する振動板２を容器１のほぼ中央部分に張設している。そして容器１の両側に振動板２に対して互いに対象位置となるように第１開口部１５及び第２開口部１６を設ける。
このように構成することにより音波７はいずれの開口部１５，１６から容器１内に侵入し振動板２を振動させる。
なお図５においては説明の都合上発光素子ＬＤと受光素子ＰＤとを分離した構造を示しているが、実際には、発光素子ＬＤと受光素子ＰＤとを一体として基板９上に形成した図２に示す構造のものを用いる。
【００１９】
図５に示す光マイクロフォン素子５０において第１開口部１５から侵入する音波と第２開口部１６から侵入する音波のそれぞれの音圧が等しい場合、これらの２つの音波は振動板２の両面２ａ，２ｂにおいて互いに打ち消しあって振動板２を振動させることはない。
２つの受波感度の等しいマイクロフォン素子を近接して配置し、遠距離で発生した音波を受波した場合、２つのマイクロフォン素子は到来音波を等しく検出することが知られている。
一般に音波はマイクロフォン素子から近距離だけ離れた人の口から発生する。即ち、音声はこのマイクロフォン素子から近距離の所で発生する。この近距離の人の音声は円形曲線により示されるように球形場特性を有している。
【００２０】
これに対して遠距離で発生する、例えば、騒音音響による音波は平面場の特性を有している。球状波の音響強度はその球面又は崩落線に沿ってほぼ同一であって、その球の半径に沿って変化するが、平面波の場合には音響強度は平面の全ての点でほぼ同一となる。
従って図５に示すような光マイクロフォン素子は２つのマイクロフォン素子を結合したものと考えることができるため、これが遠距離場に置かれた場合には第１開口部１５と第２開口部１６からほぼ同一の強度と位相特性を持った音波が振動板２に到来することになり、前述したように互いに打ち消しあってその影響は低減される。
一方、近距離場からの音波は第１開口部１５又は第２開口部１６から不均一に入射するため振動板２を振動させ、発光素子ＰＤから信号として取り出される。このようにして騒音の影響をより低減させることのできる光マイクロフォン素子が図５の構造により得られる。
【００２１】
図６は図２および図５に示す光マイクロフォン素子の指向性パターンを示す図である。
（Ａ）は図２に示す光マイクロフォン素子の指向性パターンを示したもので、開口部（図の左側方向）に向かって振動板２に垂直な方向に最大感度を有するほぼ円形状の指向性パターンを有する。
（Ｂ）は図５に示す光マイクロフォン素子の指向性パターンを示したもので、開口部１５及び１６の両方向に最大感度を有するほぼ８の字状の指向性パターンを有する。
ここで図２及び図５に示す光マイクロフォン素子の指向性ビームパターンを図７及び図８に示すように、最大感度を示す軸方向に伸長させ、また、軸に直交する方向で絞り込むように変化させることができる。
【００２２】
このように指向性のビームパターンを変化させるためには受光素子ＰＤからの検出出力の一部を負帰還回路を用いて発光素子ＬＤを駆動する光源駆動回路へフィードバックさせればよい。図９はビームパターンを図７又は図８のように変化させるための帰還回路１００を用いた光マイクロフォン装置の概略構成を示す図である。
受光素子ＰＤからの出力はフィルタ回路１８を介して取り出され、増幅器１９により増幅されてマイク出力となる。フィルタ回路１８は希望周波数範囲の信号成分のみを取り出すために用いられる。
ここで図９に示す光マイクロフォン装置ではこの受光素子ＰＤから取り出される出力信号の一部を負帰還（ネガティブフィードバックドットＮＦＢ）回路１００を介して発光素子ＬＤに所定電流を供給し、この発光素子ＬＤを駆動している光源駆動回路１３に負帰還信号として供給するように構成している。
【００２３】
負帰還回路１００は小信号増幅回路１０とその出力から希望周波数範囲の信号成分のみを取り出すフィルタ回路１４と比較器２０とから構成される。比較器２０の非反転入力端子には基準電圧となる基準電源１４が接続される。フィルタ回路１７を介して取り出された信号は比較器２０の反転入力端子に供給される。
小信号増幅回路１０は所定レベル以下の信号のみを増幅する。
このように構成すると比較器２０はフィルタ回路１７の出力が大きいほど小さな出力レベルを出力し、これにより光源駆動回路１３は発光素子ＬＤに供給する電流を減らすように動作する。
【００２４】
ここで小信号増幅回路１０は入力信号レベルが所定レベル以下の場合のみその信号を増幅し、あるレベル以上の信号は増幅しない。従って入力信号レベルはあるレベル以上の場合には出力信号レベルは変化せず増幅度（利得）０となる。また、入力信号が所定の信号レベル以下の時には、信号レベルが小さいほど増幅度が大きくなるように増幅する。さらに、入力信号に対する出力信号の増加率は入力信号レベルが小さいほど高くなる。
【００２５】
ここで受光素子ＰＤからの出力は受波音量に比例しているため、小信号増幅回路１０の出力は小音量ほど大きく増幅されて出力される。これはフィルタ回路１７を介して比較器２０の反転入力端子に入力されているため、比較器２０の出力は逆に小音量ほどその出力レベルは低下する。
その結果、発光素子ＬＤに供給される電流は小音量ほど発光素子ＬＤの光出力を低下させるように動作する。すなわち小音量ほどマイクロフォンの感度は低下することになる。また所定レベル以上の信号は増幅されないため、その信号レベルでは光出力は制限されない。そのためマイクロフォンの感度も低下することはない。
【００２６】
振動板に直交する軸方向から来た音でマイクロフォンの感度低下が発生しないような大きさの音に対して、その音を軸方向からずらして行くと本来の指向曲線によって感度は徐々に低下していく。そしてあるレベル以下になると小信号増幅回路１０が増幅度を持つようになり、光源駆動回路１３の供給電流制御が働いて更にマイクロフォンの感度は低下する。
この結果、負帰還回路１００を有する光マイクロフォン装置では図７あるいは図８に示すように感度の指向性パターンの指向性ビームの幅がより絞られたパターンとなる。
【００２７】
図７及び図８は負帰還量を変化させたことによる指向性のパターン変化を示している。
（Ａ）は負帰還をかけない場合の指向性パターンを示しており、この場合にはほぼ円形の指向性パターンとなる。次に負帰還をかけた場合の指向性パターンを（Ｂ）および（Ｃ）に示している。
（Ｂ）の場合には負帰還量が小さく、（Ｃ）の場合には負帰還量が大きい。このように小信号増幅回路１０の増幅度を可変することにより負帰還量を変化させて感度の指向性パターンを最大感度の軸方向に伸長させ、軸に直交する方向に絞り込むように変化させることができる。
このようにして光マイクロフォンの感度の指向特性を変化させることができる。
【００２８】
本発明にかかる収音装置ではこのような指向性のビームパターンを変化させることのできる光マイクロフォン素子を用いて選択されたマイクロフォンの指向特性を変化させるようにしている。
図１は本発明によるマイクロフォン付ビデオカメラの一実施形態を示す構成図である。
図１０に示す従来のカメラにおけるマイクロフォン２０３の代わりに光マイクロフォン素子５０、光源駆動回路１３及び負帰還回路１００から成る光マイクロフォン３００を用いている。
カメラ部の構成は入力画像２７を入力するレンズ２０２のズーム量を調節するズーム量調節手段２８からの信号をＣＣＤ等の画像検出素子２９と増幅回路３０とを介してズーム量変換手段３１により取り出す。
即ち、ズーム量調節手段３１により被写体に対して拡大あるいは縮小のズーミングを行うと、その被写体からの画像を検出することにより拡大及び縮小の程度を示すズーム量がズーム量変化信号としてズーム量変換回路３１の出力に得られる。
【００２９】
このズーム量変化信号を負帰還回路１００の負帰還量を変化させるための制御信号として用いる。
即ち、ズーミングアップして画像を拡大した場合にはズーム量変換回路３１からの出力信号であるズーム量変化信号に応答して負帰還回路１００の負帰還量を増大させ、光マイクロフォン素子５０の指向性ビーム幅をシャープにして周囲の音声の影響を低減させ、被写体からの信号のみをピックアップして収録するようにする。
逆にズームダウンして画像を縮小させた場合には、負帰還量を小さくあるいは負帰還回路の動作を停止させて単一指向性とし、周辺の音声の影響に考慮した収音を行う。
【００３０】
なお、図１に示す実施の形態ではビデオカメラの被写体へのズーミング量を撮像素子からの画像信号に基づいてズーム量調節手段２８の出力により得ているが、ズーム量の検出方法はこれに限定されるものではない。
即ちズーム量調節手段１８の機械的変化を直接検出し、これを変換してズーム量変化信号として電気的に検出し、負帰還回路１００の制御信号として使用することも可能である。
また本発明に用いられる光マイクロフォン３００の光マイクロフォン素子５０としては、原理的には図２に示す構造のものも図５に示す構造のものもいずれも使用することができるが、実用上は図５に示す構造のものを使用するのが好ましい。
【００３１】
【発明の効果】
以上実施の形態に基づいて詳細に説明したように、本発明ではビデオカメラに装着されるマイクロフォンとして音波に対する指向特性を変化させることのできるＶＣＳＥＬを用いた光マイクロフォンを用い、ビデオカメラの被写体へのズーミング量に応答して負帰還回路の負帰還量を変化させることによりマイクロフォンの指向性を変化させ、画像の拡大縮小に対応して音声の収録状況を変化させるようにしているため、拡大画像に対応しては音声が近くで発せられたように、縮小画像に対しては音声が遠くで発せられたように、即ち自然に近い状態で画像及び音声を収録することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係るマイクロフォン付ビデオカメラの要部構成を示す回路図。
【図２】光マイクロフォン素子の電圧構造を示す図。
【図３】本発明に用いられるＶＣＳＥＬの発光強度分布を示す図。
【図４】本発明に用いられるＶＣＳＥＬの発光強度分布を２次元について計算して示した図。
【図５】本発明に用いる他の光マイクロフォン素子の構造を示す図。
【図６】本発明に用いられる光マイクロフォン素子の指向特性パターン図。
【図７】本発明に用いる光マイクロフォン素子の指向性パターンの変化を示す図。
【図８】図５の光マイクロフォン素子の指向性パターンの変化図。
【図９】本発明に用いる光マイクロフォン装置の概略構成を示す回路図。
【図１０】従来のマイクロフォン付ビデオカメラの概略構成を示す外観図。
【符号の説明】
２    振動板
ＬＤ    発光素子
ＰＤ    受光素子
７    音波
１３    光源駆動回路
２８    ズーム量調節手段
２９    撮像素子（画像検出素子）
３０    増幅器
３１    ズーム量調節手段
５０    光マイクロフォン素子
１００    負帰還回路
３００    光マイクロフォン
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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