(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定波長のレーザ光線を発射するレーザ光源部と、前記レーザ光線を所定の幅にビーム整形する出射系光学部品と、前記出射系光学部品から出射され、空中伝播路の空気中を伝播した前記レーザ光線を受光する受光系光学部品と、前記出射系光学部品から出射されたレーザ光線から、当該レーザ光線が空気中を伝播する際に、音波または超音波と接触することで発生する回折波ないしは偏向波を検出して電気信号に変換する光電変換素子とを備え、  前記光電変換素子は、前記回折波ないしは偏向波の相互に位相が反転している２つの成分のうち、いずれか一方のみを受光するように設置したことを特徴とする光マイクロホン。
【請求項２】
所定波長のレーザ光線を発射するレーザ光源部と、前記レーザ光線を所定の幅にビーム整形する出射系光学部品と、前記出射系光学部品から出射され、空中伝播路の空気中を伝播した前記レーザ光線を受光する受光系光学部品と、前記出射系光学部品から出射されたレーザ光線から、当該レーザ光線が空気中を伝播する際に、音波または超音波と接触することで発生する回折波ないしは偏向波を検出して電気信号に変換する光電変換素子とを備え、
前記光電変換素子は、前記回折波ないしは偏向波の相互に位相が反転している２つの成分を個別に受光する一対から構成され、いずれか一方の光電変換素子の出力信号の位相を逆位相に変換して、他方の光電変換素子の出力信号に合成することを特徴とする光マイクロホン。
【請求項３】
前記出射系光学部品と前記受光系光学部品との間の前記レーザ光線の空中伝播路は、複数の反射鏡を設置して、一端が開放された周回する２次元平面状に形成することを特徴とする請求項１または２記載の光マイクロホン。
【請求項４】
前記出射系光学部品と前記受光系光学部品との間の前記レーザ光線の空中伝播路は、複数の反射鏡を設置して、閉塞された周回する２次元平面状に形成することを特徴とする請求項１または２記載の光マイクロホン。
【請求項５】
前記出射系光学部品と前記受光系光学部品との間の前記レーザ光線の空中伝播路は、複数の反射鏡を設置して、３次元空間状に形成することを特徴とする請求項１または２記載の光マイクロホン。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】この発明は、光マイクロホンに関し、特に、レーザ光線が音波と接触することにより発生する回折波ないしは偏向波を利用した光マイクロホンに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
音波および超音波の検出もしくは測定には、電磁型マイクロホン，静電型マイクロホン，圧電素子などのように、電気機械的な原理に基づくものが良く知られている。これらのマイクロホン類は、危険な場所や高電磁界環境下、あるいは、防爆地域などへ適用することが困難であつた。また、この種のマイクロホンは、固定された物体を集音場所に設置しなければならないので、音場を乱したり、設置条件に制約を受けることも多い。
【０００３】
さらに、この種のマイクロホンは、機械的振動部分を有しているので、多数回の繰り返し使用で、その特性が変化したり、あるいは、非常に強力な音波が入力すると、振動部分が破壊する恐れもあった。
ところで、このような従来の電気機械的なマイクロホンの欠点を解消するための手段として、例えば、平成６年度の応用物理学会九州支部講演会の講演予稿集（1993年10月発行）には、レーザ光線が音波と接触した際に発生する回折波ないしは偏向波を利用することで、音波を検出しようとする光マイクロホンの可能性が示唆されている。
【０００４】
この講演予稿集に開示されている実験内容は、Ｈｅ−Ｎｅレーザ光源部から発射されたレーザ光線に、スピーカを介して音波を接触させ、発生した回折波ないしは偏向波の信号をホトダイオードで検出し、検出された信号の処理には、トラッキングスコープないしはロックインアンプが使用されている。
この実験は、音波の最小検出レベルを確認するために行なわれたものであって、音波としては、人間の単一音声やコロナ放電音も実施したことが記載されている。しかしながら、この講演予稿集に開示されている内容で実用的な光マイクロホンを構成する際には、以下に説明する技術的な課題があった。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
すなわち、前述した予稿集に開示されている実験装置では、発生する回折波ないしは偏向波が非常に微弱なものであって、ノイズの中に隠れて検出が非常に困難であるとの認識に基づいており、そのため、こういう場合の常套手段であるロックインアンプを使用して信号の検出を行なっている。また、同様な認識からスペクトラムアナライザを使用して、微弱信号の確認を行なっていた。
【０００６】
ところが、このようなロックインアンプを使用すると、音波発生源からの参照波を入力しなければならないが、自然発生波のように参照波を採ることができない場合もあり、その構成をそのまま光マイクロホンとして採用することはできなかった。
本発明者らは、上述した実験を繰り返すことにより、レーザ光線が音波と接触することによって発生する回折波ないしは偏向波には、相互に位相が反転している２つの成分が存在しており、これらをそのまま受光，検出すると検出信号が非常に微弱になることを知得し、この知得に基づいて本発明を完成したものであって、その目的とするところは、実用的な光マイクロホンを提供することにある。
【０００７】
また、別の目的として、多種，多様の指向性を簡単に持たせることができる光マイクロホンを提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１に係る発明は、所定波長のレーザ光線を発射するレーザ光源部と、前記レーザ光線を所定の幅にビーム整形する出射系光学部品と、前記出射系光学部品から出射され、空中伝播路の空気中を伝播した前記レーザ光線を受光する受光系光学部品と、前記出射系光学部品から出射されたレーザ光線から、当該レーザ光線が空気中を伝播する際に、音波または超音波と接触することで発生する回折波ないしは偏向波を検出して電気信号に変換する光電変換素子とを備え、前記光電変換素子は、前記回折波ないしは偏向波の相互に位相が反転している２つの成分のうち、いずれか一方のみを受光するように設置したことを特徴とする。
また、請求項２に係る発明は、所定波長のレーザ光線を発射するレーザ光源部と、前記レーザ光線を所定の幅にビーム整形する出射系光学部品と、前記出射系光学部品から出射され、空中伝播路の空気中を伝播した前記レーザ光線を受光する受光系光学部品と、前記出射系光学部品から出射されたレーザ光線から、当該レーザ光線が空気中を伝播する際に、音波または超音波と接触することで発生する回折波ないしは偏向波を検出して電気信号に変換する光電変換素子とを備え、前記光電変換素子は、前記回折波ないしは偏向波の相互に位相が反転している２つの成分を個別に受光する一対から構成され、いずれか一方の光電変換素子の出力信号の位相を逆位相に変換して、他方の光電変換素子の出力信号に合成することを特徴とする。
また、請求項３に係る発明では、前記出射系光学部品と前記受光系光学部品との間の前記レーザ光線の空中伝播路は、複数の反射鏡を設置して、一端が開放された周回する２次元平面状に形成される。
また、請求項４に係る発明では、前記出射系光学部品と前記受光系光学部品との間の前記レーザ光線の空中伝播路は、複数の反射鏡を設置して、閉塞された周回する２次元平面状に形成される。
さらに、請求項５に係る発明では、前記出射系光学部品と前記受光系光学部品との間の前記レーザ光線の空中伝播路は、複数の反射鏡を設置して、３次元空間状に形成される。
【０００９】
【作用】上記請求項１の発明の光マイクロホンによれば、光電変換素子は、レーザ光源部から発射されて、出射系光学部品でビーム整形されたレーザ光線が空気中を伝播する際に、音波（超音波）と接触することで発生する回折波ないしは偏向波の相互に位相が反転している２つの成分のうち、いずれか一方のみを受光するように設置されるので、検出信号の微弱化が回避される。
また、請求項２の発明によれば、光電変換素子は、レーザ光源部から発射されて、出射系光学部品でビーム整形されたレーザ光線が空気中を伝播する際に、音波（超音波）と接触することで発生する回折波ないしは偏向波の相互に位相が反転している２つの成分を個別に受光する一対から構成され、いずれか一方の光電変換素子の出力信号の位相を逆位相に変換して、他方の光電変換素子の出力信号に合成するので、検出信号の出力が大きくなる。
さらに、請求項３の構成によれば、出射系光学部品と受光系光学部品との間のレーザ光線の空中伝播路は、複数の反射鏡を設置して、一端が開放された周回する２次元平面状に形成されているので、開放された方向の音波（超音波）のみを集音したりすることができる。
また、請求項４の構成によれば、出射系光学部品と受光系光学部品との間のレーザ光線の空中伝播路は、複数の反射鏡を設置して、閉塞された周回する２次元平面状に形成されているので、内部の音波（超音波）のみを集音したりすることができる。
またさらに、請求項５の構成によれば、出射系光学部品と受光系光学部品との間の前記レーザ光線の空中伝播路は、複数の反射鏡を設置して、３次元空間状に形成されているので、３次元空間全体を集音領域としたりすることが可能になる。
【００１０】
【実施例】
以下本発明の好適な実施例について添附図面を参照して詳細に説明する。図１は、本発明にかかる光マイクロホンの原理構成を示すブロック図である。同図に示す光マイクロホンは、レーザ光源部１と、出射系光学部品２と、受光系光学部品３と、光電変換素子４とを有しており、出射系光学部品２と受光系光学部品３との間がレーザ光線Ｌの空中伝播路５（以下、単に伝播路と略記する。）となっていて、この伝播路５の空気中で、レーザ光線Ｌに音波または超音波が接触させられる。
【００１１】また、光電変換素子４で電気信号に変換された出力信号は、信号処理部６に入力されて、必要な信号処理が施され、その後、解析機器やスピーカなどに送出される。本発明の光マイクロホンで使用できるレーザ光線Ｌは、可視領域から赤外領域まで広範囲のものが使用でき、任意波長のレーザ光線Ｌを用途に合わせて選択する。
【００１２】
レーザ光源部１から発射されたレーザ光線Ｌは、出射系光学部品２にビーム整形されて、伝播路５に放出される。このときのレーザ光線Ｌのビーム径は、空間を伝播させる条件を考慮すると、伝播路５の長さによっても異なるが、例えば、直径が数ｍｍから数十ｍｍ程度の範囲が望ましい。
出射系光学部品２から出射されたレーザ光線Ｌが、伝播路５中で音波または超音波と接触すると、その場所で回折波が発生する。この場合、レーザ光線Ｌのビーム径に対して、音波（超音波）の波長が非常に長い場合には、この回折波は、偏向波と呼ばれる状態に変化する。この回折波ないしは偏向波の周波数は、レーザ光線Ｌに比べて被測定波動の周波数分だけドップラーシフトしている。
【００１３】
本発明では、この回折波ないしは偏向波を検出することにより音波（超音波）の情報を得るものである。発生した回折波ないしは偏向波は、レーザ光線Ｌとともに伝播し、受光系光学部品３に受光されて、その後光電変換素子４により電気信号に変換される。
図２は、本発明のより具体的な構成例であって、同図に示す光マイクロホンの具体例では、出射系光学部品２は、２つのレンズ２１，２２から構成されている。また、受光系光学部品３は、３のレンズ３１，３２，３３から構成されている。さらに、光電変換素子４は、光ダイオード４１で構成されている。これらの各構成部品は、レーザ光源部１から発射されるレーザ光線Ｌと光軸がほぼ一致するように直線上に配置されている。
【００１４】
レーザ光源部１から発射されたレーザ光線Ｌは、レンズ２１，２２により集光，拡散されて所定径のビームに整形され、受光系光学部品３のレンズ３１に入射する。この実施例の受光系光学部品３は、フーリエ光学系を構成していて、この光学部品３を通過したレーザ光線Ｌは、フーリエ変換されて光ダイオード４１に入射する。
【００１５】
すなわち、受光系光学部品３の第１番目のレンズ３１によりレーザ光線Ｌがフーリエ変換され、それ以後のレンズ３２，３３によりビームサイズが光ダイオード４１の受光面積よりも十分大きくなるように調整される。回折波ないしは偏向波は、レーザ光線Ｌの透過ビームの中心軸を対称軸としてレッドシフト波とブルーシフト波とが左右に１個ずつ存在し、両者がお互いに位相が反転しており、両者を光ダイオード４１で取り込むと、相殺されて非常に微弱な出力しか得られない。
【００１６】
そこで、本実施例では、いずれか一方の成分のみを取り込むように、透過ビームの中心軸からオフセットした位置に光ダイオード４１を設置している。回折波ないしは偏向波の成分を抽出するには、例えば、光ダイオード４１で透過レーザ光線を局部成分として、ホモダイン検波すると、被測定波動の周波数で振動する電気信号が得られる。
【００１７】
さて、以上のように構成された光マイクロホンによれば、出射系光学部品２でビーム整形されたレーザ光線ｌが空気中を伝播する際に、音波（超音波）と接触することで発生する回折波ないしは偏向波の相互に位相が反転している２つの成分のうち、いずれか一方のみを受光するように光ダイオード４１が設置されるので、検出信号の微弱化が回避され、実用的な光マイクロホンとすることが可能になる。
【００１８】
図３は、本発明にかかる光マイクロホンの第２実施例を示しており、上記実施例と同一もしくは相当する部分には、同符号を付してその詳細な説明を省略し、以下にその特徴点についてのみ説明する。同図に示した光マイクロホンでは、光電変換素子４として光ダイオード４１，４２を２個使用している。一方の光ダイオード４１は、上記実施例と同じ位置に設置され、回折波ないしは偏向波の相互に位相が反転している２つの成分のうちの一方を検出する。
【００１９】
他方の光ダイオード４２は、透過ビームの中心軸から逆の方向にオフセットした位置にあって、他方の成分のみを検出するようになっており、この光ダイオード４２には、検出した信号を１８０°位相転換する位相変換器４３が接続されていて、位相変換された出力信号が光ダイオード４１の出力信号と合成されるようになっている。
【００２０】
このように構成された光マイクロホンによれば、光電変換素子４は、回折波ないしは偏向波の相互に位相が反転している２つの成分を個別に受光する一対の光ダイオード４１，４２から構成され、一方の光ダイオード４２の出力信号の位相を逆位相に位相変換器４２で変換して、他方の光ダイオード４１の出力信号と合成するので、検出信号の出力が大きくなる。
【００２１】
図４は、本発明にかかる光マイクロホンの第３実施例を示しており、上記実施例と同一もしくは相当する部分には、同符号を付してその詳細な説明を省略し、以下にその特徴点についてのみ説明する。同図に示した光マイクロホンでは、レーザ光線Ｌの伝播路５に、一対の反射鏡７，７を、レーザ光線Ｌに対して４５°の角度で設置し、レーザ光源部１および出射系光学部品２と、受光系光学部品３および光電変換素子４とが、平行に設置できるように構成されている。
【００２２】
このように構成すると、上記実施例の作用効果に加えて、全長が短くなるので、マイクロホンヘッド８の外形形状を大きくすることなく、コンパクトに収納することができる。
図５は、本発明にかかる光マイクロホンの第４実施例を示しており、上記実施例と同一もしくは相当する部分には、同符号を付してその詳細な説明を省略し、以下にその特徴点についてのみ説明する。同図に示した光マイクロホンでは、出射系光学部品２と受光系光学部品３との間のレーザ光線Ｌの伝播路５ａは、複数の反射鏡７a1〜７a8をレーザ光線Ｌに対して所要の角度で設置して、一端が開放された周回する多角形の２次元平面状に形成されている。
【００２３】
このような形状に伝播路５ａを形成すると、この伝播路５ａの外部から加えられる音波（超音波）により発生する回折波（偏向波）は、相互に相殺されるが、開放された方向の音波（超音波）は、相殺されないので、この方向の音波（超音波）のみを集音したりすることができ、集音方向に指向性を持たせることが可能になる。
【００２４】
なお、図５に示した実施例で、一端開放部を閉塞した周回状に伝播路を形成すると、この伝播路の外部から加えられる音波（超音波）を相殺し、その内部側から加えられる音波（超音波）のみを集音したりすることもできる。
図６は、本発明にかかる光マイクロホンの第５実施例を示しており、上記実施例と同一もしくは相当する部分には、同符号を付してその詳細な説明を省略し、以下にその特徴点についてのみ説明する。同図に示した光マイクロホンでは、出射系光学部品２と受光系光学部品３との間のレーザ光線Ｌの伝播路５ｂは、複数の反射鏡７b1〜７b4をレーザ光線Ｌに対して所要の角度で設置して、３次元空間状に形成されている。
【００２５】
なお、この場合、立方体の各角部に反射鏡やハーフミラーを設置すると、立方体の各辺上を伝播路とすることも可能である。
この実施例では、３個の反射鏡７b1〜７b4が、立方体状の空間の上部側の２の各角部に設置されている。このような形状に伝播路５ｂを形成すると、３次元空間全体を集音領域としたりすることが可能になる。
【００２６】
図７は、本発明にかかる光マイクロホンの第６実施例を示しており、上記実施例と同一もしくは相当する部分には、同符号を付してその詳細な説明を省略し、以下にその特徴点についてのみ説明する。同図に示した光マイクロホンでは、出射系光学部品２と受光系光学部品３とを、矩形状の円筒レンズで構成し、伝播路５ｃがシート状になるようにしている。
【００２７】
このような形状に伝播路５ｃを形成すると、細いビーム状の伝播路に比べて、検出感度を改善したりすることができる。なお、上記実施例では、光電変換素子４として光ダイオード４１を採用した例を示したが、本発明の実施はこれに限定されることはなく、例えば、ホトトランジスタを使用することも可能である。
【００２８】
【発明の効果】
以上、実施例で詳細に説明したように、本発明によれば実用的な光マイクロホンが得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかる光マイクロホンの原理構成を示すブロック図である。
【図２】図１の光マイクロホンの具体例を示す構成説明図である。
【図３】本発明にかかる光マイクロホンの第２実施例を示す構成説明図である。
【図４】本発明にかかる光マイクロホンの第３実施例を示す説明図である。
【図５】本発明にかかる光マイクロホンの第４実施例を示す構成説明図である。
【図６】本発明にかかる光マイクロホンの第５実施例を示す構成説明図である。
【図７】本発明にかかる光マイクロホンの第６実施例を示す構成説明図である。
【符号の説明】
１              レーザ光源部
２              出射系光学部品
２１，２２      レンズ
３              受光系光学部品
３１，３２，３３  レンズ
４              光電変換素子
４１            光ダイオード
５              空中伝播路
７              反射鏡
【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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