(57)【要約】【課題】３次元場としての音場をホログラムとして記録し、音場の再現（音の再生）を行える音場画像計測方法／装置および音再生方法／装置を提供する。【解決手段】音場を通過する物体光と参照光とを非共軸で重ね合せて干渉光とし、干渉光を時系列に撮像し、それぞれの干渉強度分布から物体光を再構成し、時系列の再構成画像から時系列位相分布データを取得し、３次元場における音情報を再構成する。干渉光の撮像は、計測対象となる音の周波数の２倍以上のサンプリング周期で行う。音情報の再構成は、時系列位相分布データから位相時間波形を取得することで行われる。また、三次元的な音場データから音源位置を特定することできる。さらに、位相時間波形をフーリエ変換により音場の周波数スペクトルを取得することで音声認識や異常音測定に利用可能である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
音場を通過する物体光と参照光とを非共軸で重ね合せて干渉光とし、
前記干渉光を時系列に撮像し、それぞれの干渉強度分布から前記物体光を再構成し、時系列の再構成画像から時系列位相分布データを取得し、３次元場における音情報を再構成することを特徴とする音場３次元画像計測方法。
【請求項２】
音場となる物体に電磁波を通過させ、前記音場を通過する物体波と参照となる直接波とを非共軸または共軸で重ね合せて干渉波として時系列に受波し、或は、検出器内で前記物体波と前記直接波の位相差を時系列に検波して前記物体波の複素振幅情報を取得し、
それぞれの干渉強度分布または前記複素振幅情報から前記物体波を再構成し、時系列の再構成画像から時系列位相分布データを取得し、３次元場における音情報を再構成することを特徴とする音場３次元画像計測方法。
【請求項３】
前記干渉光の撮像は、計測対象となる音の周波数の２倍以上のサンプリング周期で行うことを特徴とする請求項１又は２に記載の音場３次元画像計測方法。
【請求項４】
前記音情報の再構成は、前記時系列位相分布データから位相時間波形を取得し、前記位相時間波形を音声データとして取得し、前記位相時間波形をフーリエ変換により前記音場の周波数スペクトルを取得することを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の音場３次元画像計測方法。
【請求項５】
定常時の前記音声データまたは前記周波数スペクトルに基づいて、定常時に発生しない音を検知することを特徴とする請求項４に記載の音場３次元画像計測方法。
【請求項６】
前記音場に音源が存在する場合に、撮像位置あるいは受波位置からの前記音源の３次元相対位置を計測し得ることを特徴とする請求項１〜５の何れかに記載の音場３次元画像計測方法。
【請求項７】
請求項１〜４の何れかの音場３次元画像計測方法を用いて、
前記音場を時系列の再構成画像として記録し、前記位相時間波形に基づいて音を再生する音再生方法。
【請求項８】
音場を通過する物体光と参照光とを非共軸で重ね合せて干渉光とする光学測定系と、
前記干渉光を時系列に撮像する撮像手段と、
それぞれの干渉強度分布から前記物体光を再構成し、時系列の再構成画像から時系列位相分布データを取得する時系列位相分布取得手段と、
前記時系列位相分布データから位相時間波形を取得する位相時間波形取得手段と、
前記位相時間波形を音声データとして取得する音声データ取得手段と、
前記位相時間波形をフーリエ変換により前記音場の周波数スペクトルを取得する周波数スペクトル取得手段と、
を備えたことを特徴とする音場３次元画像計測装置。
【請求項９】
音場となる物体に電磁波を通過させて、物体波と参照となる直接波とを非共軸または共軸で重ね合せて干渉波とする電磁波測定系および前記干渉波を時系列に受波する受波手段と、
或は、
検出器内で前記物体波と前記直接波の位相差を時系列に検波し、前記物体波の複素振幅情報を取得する手段と、
それぞれの干渉強度分布または前記複素振幅情報から前記物体光を再構成し、時系列の再構成画像から時系列位相分布データを取得する時系列位相分布取得手段と、
前記時系列位相分布データから位相時間波形を取得する位相時間波形取得手段と、
前記位相時間波形を音声データとして取得する音声データ取得手段と、
前記位相時間波形をフーリエ変換により前記音場の周波数スペクトルを取得する周波数スペクトル取得手段と、
を備えたことを特徴とする音場３次元画像計測装置。
【請求項１０】
前記干渉光の撮像は、計測対象となる音の周波数の２倍以上のサンプリング周期で行うことを特徴とする請求項８又は９に記載の音場３次元画像計測装置。
【請求項１１】
請求項８〜１０の何れかの音場３次元画像計測装置を用いて、
前記音場を時系列の再構成画像として記録し、前記位相時間波形に基づいて音を再生する音再生装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ディジタルホログラフィを用いて、音が３次元空間を伝搬する様子を、光を用いて非接触に計測し、その３次元音場を計算機で再生する、音場３次元画像計測方法および再生装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
通常、音の測定にはマイクロフォンが使用されている。しかし、音波の時空間的な挙動を把握する音場計測には、多数のマイクロフォンをアレイ状に配置する必要がある。マイクロフォンアレイを使用する場合、マイクロフォンの設置自体が障害物となって、音の反射が生じて音場を乱すなどの理由から、正確な分布を高分解能で計測することができないといった問題がある。また、物理的なマイクロフォンをアレイ状に配置するため、空間分解能に限界があるといった問題もある。
【０００３】
一方で、近年、３次元計測手法の研究が盛んに行われており、３次元情報を瞬間的に計測できるディジタルホログラフィが注目されている。ホログラフィは、図１９に示すように、３次元物体５０の物体光２（反射光または透過光）と参照光４を干渉させて干渉縞をフィルム７に記録し、再生する時は、記録した時と同様の参照光４を干渉縞に照射して、立体画像を映し出すというものである。ディジタルホログラフィは、３次元物体からの光波の情報（複素振幅分布）を干渉によりイメージセンサに記録し、計算機を用いた光伝搬計算により定量的に物体を再構成する技術である。これにより、３次元空間情報の瞬時記録が可能となるため、ダイナミックな事象の記録を可能にする。
【０００４】
図２０に、ディジタルホログラフィによる光学測定系の構成例を示す。
レーザー光源１０から射出されたレーザー光６は、振幅変調板１１で強度を調整され、その後、第１のビームスプリッター１２で物体光２と参照光４に分離される。レーザー光のビーム径はビームエクスパンダーで拡大され、３次元物体５０に物体光２が照射される。そして、３次元物体５０を通過した物体光３と参照光４が、第２のビームスプリッター１９で重ね合わされる。物体光３と参照光４が重ね合わされ干渉光となり、干渉縞がＣＣＤイメージセンサ２０で記録される。そして、ＣＣＤイメージセンサ２０で撮影したホログラムを計算機内で光伝搬計算して、３次元物体５０の再構成像を生成する。このとき、物体光３と参照光４は同軸または角度をつけて非共軸として重ね合わされる。
【０００５】
従来から、音場情報を測定光と参照光の２つの光波の干渉によって可視化する、すなわち、光の干渉を用いて、音場の方向性、密度の粗密状態を可視化し、音を計測する装置や計測方法が知られている（例えば、特許文献１，２，非特許文献１を参照）。
【０００６】
特許文献１に開示された音場可視化計測装置は、図２２に示すように、レーザー光発生装置１０１と、レーザー光発生装置から発せられるレーザー点光源を平行光にするレンズ１０２と、レンズを通過したレーザー光を測定光と参照光に分割するビームスプリッター１０３と、分割された測定光１１４が音源１０７にて発生した音場を通過するように成し、かつ音場を測定する音場測定部１０８と、分割された測定光１１４と参照光１１５とを重ね合わせて干渉光とするビームスプリッター１０９と、干渉光を撮像する撮像手段１１２とを有し、分割されたレーザー光の測定光もしくは参照光のいずれか一方の光路上に光を逆位相に変換する半波長板１０４が設けられたものである。
【０００７】
測定光は、音源１０７からの音場による空気密度変化部を通過する際に密度変化量に応じて位相が変調される。測定光と参照光が干渉する場合、密度変化により位相変調された部分が同位相部分に比べて僅かに光強度が低いが、この差が僅かであるために可視化や計測が困難である。そこで、特許文献１の音場可視化計測装置では、参照光を半波長板１０４によって逆位相にすることにより、密度変化の影響を受けない部分、すなわち、参照光路と測定光路の長さが同一、もしくは光の１波長分だけ違う部分を暗くしておき、音源１０７からの音場による密度変化で位相変調された部分が、位相変調されなかった部分に比べて明るくなるよう輝度差を生じさせている。位相変調された部分の光強度は僅かなので、干渉光を光増倍器１１０で増幅することで明部の光強度を大幅に上げ、暗部との差を増幅させてカメラで撮像している。
【０００８】
上記の通り、特許文献１の音場可視化計測装置は、音の位相を計測して、音場を可視化するというものであるが、レンズによる結像作用を通して音場の存在する領域（音場測定部１０８）近傍を測定するものであり、被写界深度の深い３次元的な音場を測定できるものではなかった。
また、干渉光をカメラで撮像して、音場を可視化するが、音源１０７からの音場の再現（音の再生）を行えるものではなかった。
【０００９】
また、特許文献２に開示された音場可視化装置は、レーザー光のスペックル像の干渉を利用して音場の可視化を行うものであるが、特許文献１の音場可視化計測装置と同様に、３次元的な音場を測定できるものではなく、また音場の再現（音の再生）を行えるものではなかった。
【００１０】
また、非特許文献１では、音波によって物を浮上させる時の定在波を観測する方法として、ディジタルホログラフィを用いた干渉計測で行う方法を開示している。非特許文献１に開示された観測装置は、図２３に示すように、特許文献１の音場可視化計測装置と同様に、レーザー点光源を平行光とし、レンズの結像作用により音場の存在する領域近傍を測定するものであり、被写界深度の深い３次元的な音場を測定できるものではない。また、非特許文献１の観測装置は、干渉光をＣＣＤイメージセンサで撮像してコンピュータで画像処理して、定在波を可視化するものであるが、定在波は時間的に安定していることから（図２３（ａ）では、Ｅｍｉｔｔｅｒから出た音波がＲｅｆｌｅｃｔｏｒで反射されて定在波が形成されている）、ＣＣＤイメージセンサは遅い撮影速度でも観測可能である。しかしながら、通常の音の場合、定常波ではなく伝搬する３次元的な音場を形成しており、定常波を撮影するためのＣＣＤイメージセンサでは撮影が困難である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２００５−２４１３４８号公報
【特許文献２】特開昭６１−１４８３２７号公報
【非特許文献】
【００１２】
【非特許文献１】Optics Communications, 282(2009) pp4339-4344
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
上記状況に鑑みて、本発明は、３次元場としての音場をホログラムとして記録し、音場の復元（音の再生）を行える音場画像計測方法／装置および音再生方法／装置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】
【００１４】
上記課題を解決すべく、本発明の第１の観点の音場３次元画像計測方法では、音場を通過する物体光と参照光とを非共軸で重ね合せて干渉光とし、干渉光を時系列に撮像し、それぞれの干渉強度分布から物体光を再構成し、時系列の再構成画像から時系列位相分布データを取得し、３次元場における音情報を再構成する。
かかる構成によれば、干渉光を時系列に撮像して、それぞれの干渉強度分布から、時系列に位相分布を計測して、３次元場としての音場をホログラムとして記録できる。そして、３次元場における音場の復元（音の再生）を可能にする。
【００１５】
ここで、非共軸で重ね合せるとは、軸をずらすこと、軸はずしのことである。干渉強度分布から物体光を再構成する方法は、ディジタルホログラフィを用いた干渉計測で行う方法と同じで、干渉強度分布を使って、空間周波数空間でフィルタ処理を行い、物体光の複素振幅分布を抽出した後、計算機内で光伝搬計算（逆伝搬計算）を行うことにより、物体光を再構成する。
【００１６】
音は疎密波であり、また、空気が薄い(疎)時と空気が濃い(密)時では、光が透過した時の屈折率が異なることから、音場を通過する物体光は、時間的に光の位相が変化している。そのため、音場を通過する物体光の位相の時間分布として音波(疎密波)を検出する。時間的に物体光の位相が変化する様子を計測するため、干渉光を時系列に撮像し、それぞれの干渉強度分布から物体光を再構成し、時系列の再構成画像から時系列位相分布データを取得する。これにより、３次元場（音場）における音を計測し、また音を再現することができる。
すなわち、音場を通過した物体光を、音場を通過しない参照光と干渉させることによって、干渉縞として音場情報を記録することができ、ディジタルホログラフィ技術により、計算機中で３次元の音場の再構成を行うことができるのである。
【００１７】
本発明の音場３次元画像計測方法では、計測対象の３次元場に光を照射するだけで音場分布を計測できるため、マイクロフォンを用いて計測する場合に問題となる不要な障害物は存在しない。また、空間分解能は、干渉光を撮像するイメージセンサの解像度と大きさで決まるため、センサの解像度を上げること、またはセンサを大きくすることにより高分解能化を図ることができる。また、ディジタルホログラフィ技術により記録時に焦点合わせをする必要がなく、計算機中で３次元の音場を再構成することができる。
【００１８】
また、本発明の第２の観点の音場３次元画像計測方法では、音場となる物体に電磁波を通過させ、音場を通過する物体波と参照となる直接波とを共軸または非共軸で重ね合せて干渉波として時系列に受波し、或は、検出器内で物体波と直接波の位相差を時系列に検波して物体波の複素振幅情報を取得し、それぞれの干渉強度分布または複素振幅情報から物体波を再構成し、時系列の再構成画像から時系列位相分布データを取得し、３次元場における音情報を再構成する。
かかる構成によれば、干渉波を時系列に受波して、或は、位相差を時系列に検波して、それぞれの干渉強度分布または複素振幅情報から、時系列に位相分布を再生して、３次元場としての音場をホログラムとして記録できる。そして、３次元場における音場の復元（音の再生）を可能にする。
【００１９】
一般に電磁波は、波長がミリ（ｍｍ）程度以上のものを電波、それより短く１μｍ程度までを赤外線、０．７〜０．４μｍ程度を可視光、さらに短く、数ｎｍ〜ｐｍを紫外線、Ｘ線，γ線と称している。電磁波の周波数が低くなると直接電磁波の振幅と位相を検出することも可能である。周波数が高い場合には、音場を通過する電磁波（物体波）は、物体波と参照となる直接波とを共軸または非共軸で重ね合わせて干渉させて得られる干渉強度分布から物体波を再構成できる。また、検出器内で物体波と直接波の位相差を検波し、物体波の複素振幅情報を取得して、複素振幅情報から物体波を再構成できる。
【００２０】
本発明の第１または第２の観点の音場３次元画像計測方法において、干渉光の撮像は、計測対象となる音の周波数の２倍以上のサンプリング周期で行うことが好ましい。数値計算による超解像的な方法を用いることにより、計測対象となる音の周波数の２倍未満のサンプリング周期でも、再構成は可能である。しかし、サンプリング定理から、計測対象となる音の周波数の２倍以上のサンプリング周期でデータをサンプリングして再構成を行うことにより、超解像的な方法を用いる必要がなく、再構成処理の簡便化を図ることができる。
【００２１】
本発明の音場３次元画像計測方法において、音情報の再構成は、時系列位相分布データから位相時間波形を取得し、位相時間波形を音声データとして再生する。さらに、位相時間波形をフーリエ変換により音場の周波数スペクトルを取得することで、認識などの応用に使うことができる。
【００２２】
また、本発明の音場３次元画像計測方法において、定常時の音声データまたは周波数スペクトルに基づいて、定常時に発生しない音を検知することが好ましい。
定常時に発生しない音を検知することで、装置や設備などの異常を非接触で検知することができる。
【００２３】
上記の本発明の音場３次元画像計測方法において、音場に音源が存在する場合に、撮像位置あるいは受波位置からの前記音源の３次元相対位置を計測し得ることが好ましい。
【００２４】
本発明の音再生方法は、上記の音場３次元画像計測方法を用いて、３次元場としての音場を時系列の再構成画像として記録し、位相時間波形に基づいて音を再生する。
【００２５】
次に、本発明の音場３次元画像計測装置について説明する。
本発明の第１の観点の音場３次元画像計測装置は、下記１）〜６）を備える。
１）音場を通過する物体光と参照光とを非共軸で重ね合せて干渉光とする光学測定系
２）干渉光を時系列に撮像する撮像手段
３）それぞれの干渉強度分布から物体光を再構成し、時系列の再構成画像から時系列位相分布データを取得する時系列位相分布取得手段
４）時系列位相分布データから位相時間波形を取得する位相時間波形取得手段
５）位相時間波形を音声データとして取得する音声データ取得手段
６）位相時間波形をフーリエ変換により音場の周波数スペクトルを取得する周波数スペクトル取得手段
【００２６】
本発明の第２の観点の音場３次元画像計測装置は、下記ａ１）或いはａ２）、ｂ）〜ｅ）を備える。
ａ１）音場となる物体に電磁波を通過させて、物体波と参照となる直接波とを共軸または非共軸で重ね合せて干渉波とする電磁波測定系および干渉波を時系列に受波する受波手段
或は、
ａ２）音場となる物体に電磁波を通過させて、検出器内で物体波と参照となる直接波の位相差を時系列に検波し、物体波の複素振幅情報を取得する手段
ｂ）それぞれの干渉強度分布または複素振幅情報から物体光を再構成し、時系列の再構成画像から時系列位相分布データを取得する時系列位相分布取得手段
ｃ）時系列位相分布データから位相時間波形を取得する位相時間波形取得手段
ｄ）位相時間波形を音声データとして取得する音声データ取得手段
ｅ）位相時間波形をフーリエ変換により前記音場の周波数スペクトルを取得する周波数スペクトル取得手段
【００２７】
本発明の第１または第２の観点の音場３次元画像計測装置において、干渉光の撮像は、計測対象となる音の周波数の２倍以上のサンプリング周期で行うことが好ましい。
【００２８】
本発明の音再生装置は、上記の第１又は第２の観点の音場３次元画像計測装置を用いて、音場を時系列の再構成画像として記録し、位相時間波形に基づいて音を再生する。
【発明の効果】
【００２９】
本発明によれば、３次元の音場をホログラムとして記録し、音場の再現（音の再生）を行えるといった効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】音場３次元画像計測方法の説明図
【図２】音場３次元画像計測方法における光学測定系の構成例
【図３】音場３次元画像計測方法における位相時間波形の再現の説明図
【図４】音叉の音場３次元画像計測方法の実験説明図
【図５】マイクロフォンで計測した音叉による波形図
【図６】マイクロフォンで計測した音叉の周波数スペクトル
【図７】音場３次元画像計測方法で計測した音叉の位相時間分布
【図８】音場３次元画像計測方法で計測した音叉の周波数スペクトル
【図９】人の音声の音場を通過した物体光の干渉光を撮影したホログラムと再構成像
【図１０】再構成画像の位相時間変化を示す図
【図１１】“ａ”（あ）の音場の位相時間分布
【図１２】“ａ”（あ）の音場の周波数スペクトル
【図１３】“ｉ”（い）の音場の位相時間分布
【図１４】“ｉ”（い）の音場の周波数スペクトル
【図１５】“ａ”（あ）の周波数スペクトルとフォルマント周波数の相関図
【図１６】“ｉ”（い）の周波数スペクトルとフォルマント周波数の相関図
【図１７】“ａ”（あ）の周波数スペクトル
【図１８】“ｉ”（い）の周波数スペクトル
【図１９】ホログラフィの原理説明図
【図２０】ディジタルホログラフィの光学測定系の構成例
【図２１】ミリ波を用いた場合の構成例
【図２２】先行技術の構成図
【図２３】先行技術の説明図
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
以下、本発明の実施形態の一例を、図面を参照しながら詳細に説明していく。なお、本発明の範囲は、以下の実施例や図示例に限定されるものではなく、幾多の変更及び変形が可能である。
【００３２】
音は、気体、液体、固体などを伝わる振動であり、音を伝える物質（媒質）が、空気（気体）である場合、音は圧力変動が伝搬する現象である。空気中の音は大気圧のように変動しないと見なせる圧力、すなわち静圧に重畳される形で加わる圧力変動であり、人間が聞き取ることのできる最小の音の圧力変化は約２×１０−５（Ｐａ）、通常の会話音が概ね１０−２（Ｐａ）程度であるので、空気中の音の圧力変動は大気圧である約１．０１３×１０５（Ｐａ）に比べ大変微小な振動である。
音は、空気中を疎密波となって伝搬する。空気には常に大気圧がかかっているので、疎になるところは大気圧より圧力が低く、密になるところは圧力が高くなる。この変動分が音圧である。
【００３３】
従来知られている音の観測手法であるマイクロフォンの場合、マイクロフォン内部の振動膜が音圧に応じて膨らんだりへこんだりするので、これを電気的に検出し電気信号として出力する。また、レーザーで音を検出するレーザーマイクは、音圧を直接的に計るものではなく、疎密波である音は疎の部分と密の部分では屈折率が異なるため位相が変化することから、これを受光素子で光強度を検出し、電気信号として音を検出する。
【００３４】
一方、本発明では、ディジタルホログラフィにより音場を計測する。ディジタルホログラフィにより音場を計測することにより、マイクロフォンと異なり、音場を乱さずに遠隔から音を観測することができ、音場のホログラムを計算機内で再構成することにより音の広がる様子を可視化することができる。
【００３５】
音は疎密波として空気中を伝搬するので、図１に示すように、音場（１Ａ，１Ｂ）にレーザー２を照射すると、空気密度が高い時（密）と低い時（疎）では屈折率が異なるために光の位相が時間的に変化する。音の周波数をｆ，音の周期をＴ，音の波長λ,音速をｖ（＝３４０ｍ／秒）とすると、ｆ＝１／Ｔ，ｖ＝ｆ×λの関係が成り立つ。例えば、２００Ｈｚの音声では、１／２００秒が疎密波の一周期（Ｔ）となり、その波長は１．７ｍとなる。つまり、Ｔ／２秒毎に、時間的に光の位相が変化するので、音波（疎密波）を位相の時間分布として検出できる。
本発明では、ＣＣＤイメージセンサ２０で干渉縞を連続撮影して時系列に干渉縞イメージを取得し、３次元的な音場をホログラムとして記録する。コンピュータ３０で光伝搬計算を行って物体光の再構成像（４０Ａ，４０Ｂ）を取得する。また、再構成像（４０Ａ，４０Ｂ）の同じ位置のピクセル（４１Ａ，４１Ｂ）で異なる位相が検出されることになる。時系列の位相変化を位相波形として捉えることにより、３次元場としての音場の再現（音の再生）を行える。
【実施例１】
【００３６】
図２は、音場３次元画像計測方法における光学測定系の構成例を示している。
図２に示すように、レーザー光源１０から照射されたレーザー光６を振幅変調板１１で強度を調整し、その後、第１のビームスプリッター１２で物体光２と参照光４に分ける。共にビームエクスパンダー（１３，１４，１６，１７）でレーザー光のビーム径を拡大し、物体光２を観測したい音場１に照射する。そして、音場１を通過した物体光３と参照光４を第２のビームスプリッター１９で重ね合わせる。参照光４を少し傾けることでキャリア周波数をもつ干渉縞をＣＣＤイメージセンサ２０で記録する。
【００３７】
図３に示すように、ＣＣＤイメージセンサ２０で時系列に撮影したホログラムを計算機内で、バンドパスフィルタを施すことで物体光の複素振幅分布を抽出し、その後に光伝搬計算して、音場１を通過した物体光３を再構成する。再構成した画像には、音場１を通過した物体光３の振幅と位相の情報が存在する。そこから位相情報を検出することにより、音場１による空気密度の変化によって変動している物体光３の位相を検出する。１枚の再構成像には瞬間的な位相情報しかない。あくまで位相の変動を検出したいため、ハイスピードのＣＣＤイメージセンサ２０により、ホログラムを連続的に撮影する。そして、ホログラムの再構成像から１枚ずつ、同じ点の位相を検出することで、位相時間波形が音波の波形になる。
【００３８】
実施例１において使用したレーザーの波長は５３２ｎｍ、ＣＣＤイメージセンサは解像度が５１２×５１２（ピクセル）、ピクセルサイズは１６×１６μｍ、フレームレートが２０００（ｆｐｓ）のものを使用した。サンプリング定理から、このＣＣＤイメージセンサでは１０００Ｈｚ以下の周波数の音を観測することができる。
【００３９】
（音叉の音場３次元画像計測の実験）
単一周波数の音を発生させることができる音叉を、観測する音場の音源として使用する。純音とは正弦波で表される音であり、自然界の音は基本周波数の整数倍の周波数成分である倍音を持つが、純音では倍音を一切もたない。音叉においては、わずかに倍音が含まれるものの、ほぼ純音に近い音を発生させることができる。
【００４０】
本実験では、４４０Ｈｚの純音を発生させる音叉を用いた。音叉を叩いた直後は４４０Ｈｚ以上の上音が含まれるので、叩いた直後の１〜２秒は計測せずに、その後の音を利用した。音叉自体の音は極めて弱いため、音叉の周りの空間に物体光を照射するのではなく、音叉に直接、物体光を照射し、より音叉に近い空間の音場を再構成することにする。
図４（１）は、音叉に直接、物体光を照射して、図４（２）に示すように干渉光を撮像してホログラムを取得し、図４（３）に示すように特定箇所（２５７，１００）の位置のピクセル（画素）における位相変化を取得して、時系列位相分布データを取得し、３次元場における音情報を再構成する。
【００４１】
一般的なマイクロフォンで計測した音叉による波形を図５に示す。
図５に示す波形に対してフーリエ変換を行い、この音波のスペクトル解析を行ったものを図６に示す。図６から、略４４０Ｈｚ以外のピークが見られないことが分かる。
音が発生している音叉を、光学系に設置し、ＣＣＤイメージセンサのフレームレートを２０００（ｆｐｓ）に設定して、物体光を照射し、参照光で干渉させ、2秒間、４０００枚のホログラムをＣＣＤイメージセンサで連続撮影した。ホログラムの再構成像（５１２，５１２）の中の位置（２５７，１００）で位相を検出し、時間的には２秒間の位相の時間分布をグラフにしたものを図７に示す。また、周波数特性を得るため、図７の位相の時間分布をフーリエ変換したものを図８に示す。
【００４２】
図７を見ると位相の平均値が時間経過とともに減少しているが、正弦波が存在していることがわかる。さらに、図８には図５同じように４４０Ｈｚの位置にピークが見られる。これらから、位相分布を用いて音場の記録と再構成ができることが分かった。
【００４３】
（人の声の音場３次元画像計測の実験）
音声波形の１周期の時間を基本周期といい、その逆数を基本周波数という。男性の平均基本周波数は約１２０Ｈｚで、女性の平均基本周波数は約２４０Ｈｚである。ＣＣＤイメージセンサのフレームレートを２０００（ｆｐｓ）に設定することで、十分にサンプリング定理を満たすことになる。観測音声は１つの単語にした。日本語の母音の“ａ”（あ）と“ｉ”（い）を観測する。観測手法としては２秒間の撮影の間に物体光に向かって横から“ａ”（あ）、続けて“ｉ”（い）と発声する。上述の音叉の実験とは異なり、対象物体は音源ではなく、音場が発生している空間である。撮影したホログラムの一例と再構成像を図９に示す。
【００４４】
音場は不可視であるので、図９に示すホログラムおよび再構成した画像の中に物体などは写っていない。しかしながら、音場は存在している。図９に示す再構成画像の中央（２５７，２５７）での位相変化を図１０に示す。
図１１の正弦波は“ａ”（あ）の音場による位相時間分布であり、図１１の位相時間分布をフーリエ変換したものを図１２に示す。また、図１３の正弦波は“ｉ”（い）の音場による位相時間分布であり、図１３をフーリエ変換したものを図１４に示す。図１２や図１４の周波数スペクトルをみると計測した音場が約２６０Ｈｚの基本周波数を持っていることが分かる。
【００４５】
上記の実験で日本語の母音である“ａ”（あ）と“ｉ”（い）をディジタルホログラフィにより再構成することができた。この“ａ”（あ）と“ｉ”（い）を音素認識という面から評価する。音声の波形は複雑であり、その波形を見ても特徴が分かりにくい。同じ“ａ”（あ）という音声に聞こえても声の大きさや人により、波の形、周波数ともに大きく異なる。そこで音声波形を特徴づけるものとして、フォルマント周波数というものがある。音声波形の特徴は、その周波数スペクトルに表れる。音声の周波数スペクトルは周期的な細かいピークを持つ周波数成分と、大まかにいくつかピークを持つ全体的な形(概形)を重ね合わせた形をしている。
【００４６】
周期的なピークは音声の基本周期に関連したピークであり、その間隔が基本周波数に対応している。また周波数スペクトルの概形に見られるピークをフォルマントと呼び、その周波数をフォルマント周波数と呼ぶ。フォルマント周波数を低い方から第１フォルマント(Ｆ１)，第２フォルマント(Ｆ２),・・・と呼ぶ。これらのフォルマント周波数は、音響管としての声道の共振周波数に対応している。日本語の母音ではフォルマント周波数のうち、Ｆ１，Ｆ２が重要であり、母音はＦ１とＦ２により区別することができる。
【００４７】
例えば、マイクで録音した母音“ａ”（あ）の周波数スペクトルとフォルマント周波数の関係を図１５に示す。
次に、同じくマイクで録音した母音“ｉ”（い）の周波数スペクトルとフォルマント周波数の関係を図１６に示す。
これらから“ａ”（あ）と“ｉ”（い）共に基本周波数は約１２０Ｈｚと等しいが、周波数スペクトルの概形が大きく異なることが分かる。“ａ”（あ）は母音の中で最もＦ１とＦ２の値が近いフォルマント周波数を持ち、一方、“ｉ”（い）は母音の中で最もＦ１とＦ２の値が離れているという特徴を有する。また、同じ母音であれば基本周波数が異なっても周波数スペクトルの概形は似ている。マイクで録音した基本周波数が約２４０Ｈｚの“ａ”（あ）および“ｉ”（い）の周波数スペクトルをそれぞれ図１７，図１８に示す。
【００４８】
図１７，図１８を、図１５，図１６と比べると、基本周波数が大きくなると、概形は同じだがフォルマント周波数がより高周波数となることが分かる。
ここで、ディジタルホログラフィによって計測した音場（基本周波数２６０Ｈｚ）の周波数スペクトル図１２、図１４を確認すると、マイクで計測した２４０Ｈｚの“ａ”（あ）, “ｉ”（い）の周波数スペクトル図１７，図１８とほぼ同形であることが分かる。
従って、ディジタルホログラフィで計測した音場において、フォルマント周波数の特徴がマイクで録音するときと同様に現れていることが分かる。このことから、ディジタルホログラフィでもマイクと同じように音素認識できるほど正確な音が計測できていることになる。
【実施例２】
【００４９】
次に、電磁波の一例であるミリ波を用いて、物体波の複素振幅情報を取得し、音場を３次元的に計測する方法について説明する。
音場となる物体にミリ波を通過させ、検出器内で物体波と直接波の位相差を時系列に検波して物体波の複素振幅情報を取得し、それぞれの複素振幅情報から物体波を再構成する場合の構成例を図２１に示す。
図２１に示すように、ミリ波発生源６０から発振されたミリ波は、ミリ波ビーム径を拡大するビーム径拡大系６１を通過した後、ビームスプリッター６２により分波され、一方のミリ波は音場１を通過し、物体波としてミリ波検出器アレイ６３により受波される。他方のミリ波は音場１を通過せずに、直接波としてミリ波検出器アレイ６３により受波される。受波された双方のミリ波の信号は、位相比較器６４に取り込まれ、物体波と直接波の位相差を検波される。位相比較器６４が検出器となり、検出器内で物体波と直接波の位相差を時系列に検波し、物体波の複素振幅情報を取得し、コンピュータ（図示せず）がそれぞれの複素振幅情報から物体波を再構成する。また、参照となる直接波の位相検出にはミリ波検出器アレイを用いずに、単一検出器で代用することも可能である。さらに、空間的に一定値である場合には直接波の位相計測を省略することも可能である。
【産業上の利用可能性】
【００５０】
本発明は、居住空間やコンサートホールの設計ツールとして有用である。また、人工声帯や楽器中の音場形成の可視化が可能になり、改良や製品化の設計ツールとして有用である。
【符号の説明】
【００５１】
１，１Ａ，１Ｂ  音場
２，３，３Ａ，３Ｂ  物体光
４  参照光
５  干渉光
６  振幅変調板
７  フィルム
８  ホログラム
９  透過光
１０  レーザー光源
１２，１９  ビームスプリッター
１３，１４，１６，１７  ビームエクスパンダー
１５，１８  ミラー
２０  ＣＣＤイメージセンサ
３０  コンピュータ
４０Ａ，４０Ｂ，５１  再構成像
４１Ａ，４１Ｂ  ピクセル（画素）
５０  ３次元物体
６０  ミリ波発生源
６１  ビーム径拡大系
６２  ビームスプリッター
６３  ミリ波検出器アレイ
６４  位相比較器
【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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【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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