(57)【要約】【課題】  限られた領域における音響信号検出感度を効率的に高め、小型で高感度の光マイクロフォンを提供する。【解決手段】  光マイクロフォン１は、筒状で内壁面が鏡面であり、壁面の一部にレーザビーム８が入射・出射するための切り欠き４ｋまたは孔４ａが形成された円筒ミラー４を備え、その内部の音響信号検出フィールド９にレーザ光発生部２から出力したレーザビーム８を複数回反射させて、星形多角形状の光路を形成する。音響信号検出フィールド９内では音波がレーザビーム８に直線光路の場合の概ね反射回数倍の変調を与えるので、光マイクロフォン１は、光ビームの受けた変調量を光電変換部６で検出して電気信号を出力する。したがって、音波の検出領域を増大させることなくレーザビーム８に対する音波の変調回数を効率的に増加させることができ、光マイクロフォンの音響信号検出感度を向上できる。【選択図】  図１
2005318456.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光ビームを出力する光ビーム出力手段と、
前記光ビーム出力手段から出力された光ビームを、複数回反射させて一方向から見た形状が星形多角形となる光路を形成し、この光路を含む領域である音響信号検出フィールドを通過する音波で前記星形多角形の形状の光ビームを変調する光路形成手段と、
前記光路形成手段から出射された前記光ビームの変調量を検出し、その変調量に応じた電気信号を出力する光ビーム検出手段と、
を備えた光マイクロフォン。
【請求項２】
前記光路形成手段は、前記音響信号検出フィールド内に光路密度の高いリング状の領域を形成し、前記光ビームの前記音波による変調が、前記リング状の領域で集中して行われる請求項１に記載の光マイクロフォン。
【請求項３】
前記光路形成手段と前記光ビーム出力手段とは、該光ビーム出力手段から出力された光ビームが星形多角形の形状の光路を形成する入射角となるように配置され、前記入射角に応じて前記音響信号検出フィールド内の光路密度の高いリング状の領域の形状が変化する請求項２に記載の光マイクロフォン。
【請求項４】
前記光路形成手段は、内壁面が鏡面の筒状構造で、この内壁面の一部に切り欠きまたは孔を備えた筒型ミラーである請求項１乃至３のいずれかに記載の光マイクロフォン。
【請求項５】
前記光路形成手段は、内壁面が鏡面の筒状構造で、壁面の一部に光ビームが透過する非通気性の光透過部を備えた筒型ミラーである請求項１乃至３のいずれかに記載の光マイクロフォン。
【請求項６】
前記光路形成手段は、前記光ビーム出力手段から出力された光ビームの光路の反射点をつないだ軌跡が螺線となり、この光路を一方向から見ると星形多角形となる角度で、前記光ビームが入射するように配置され、前記音響信号検出フィールド内に光路密度の高い中空の円筒状の領域を形成する請求項１乃至５のいずれかに記載の光マイクロフォン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光ビームを用いて音波を電気信号に変換する光マイクロフォンに関する。
【背景技術】
【０００２】
音波を電気信号に変換する装置であるマイクロフォンは、振動板を使用したダイナミック型やコンデンサ型のマイクロフォンが一般的である。一方、振動板を使用せずにレーザ光などの光ビームを使用して音波を検出するマイクロフォンが提案されている（例えば、特許文献１，２参照。）。
【特許文献１】特開２００２−７８０９３公報
【特許文献２】特開２００３−２３０１９６公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
従来の光ビームを使用したマイクロフォンの多くは、音波の検出原理に空気の屈折率変化による屈折や回折を用いている。しかしながら、屈折や回折による作用は非常に小さいため、従来の光マイクロフォンは、検出感度が極めて低く十分な検出感度を得ることが困難であった。一般に光マイクロフォンでは、音波を検出するために、そのサイズに応じて光ビームの光路長が設定されており、この光ビームの光路上の位置に応じて音源から音波がそれぞれ異なった位相で到達すると、この音波による光ビームの変調は光路上の位置によって大きさや極性が異なるため、検出感度が低下する、いわゆる抑圧効果を生じてしまう。この効果は、光ビームの光路が直線状の場合には音波の波長と音波の検出に用いる光ビームの光路長の比が大きいほど顕著となり、光ビームの光路が２次元空間に展開されている場合には音波の検出領域の面積が大きいほど顕著となる。従来の光マイクロフォンでは、装置が大型で音波の検出領域が広くなりがちであるため、抑圧効果によって感度が低下し始める周波数が可聴帯域内となってしまい、音響用のマイクロフォンとしての十分な周波数特性が得られなかったり、光ビームに対して抑圧効果を生じない特定の軸上の音源のみに極端な検出指向性を生じてしまったりするという問題があり、実用化が困難であった。
【０００４】
そこで、本発明は、音波の検出領域が拡大することなく音波の検出感度を効率的に高め、周波数特性や指向性を改善した小型で高感度の光マイクロフォ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】
【０００５】
この発明は、上記の課題を解決するための手段として、以下の構成を備えている。
【０００６】
（１）光ビームを出力する光ビーム出力手段と、
前記光ビーム出力手段から出力された光ビームを、複数回反射させて一方向から見た形状が星形多角形となる光路を形成し、この光路を含む領域である音響信号検出フィールドを通過する音波で前記星形多角形の形状の光ビームを変調する光路形成手段と、
前記光路形成手段から出射した前記光ビームの変調量を検出し、その変調量に応じた電気信号を出力する光ビーム検出手段と、
を備えたことを特徴とする。
【０００７】
周知のように、音波は空気の密度の振動成分であり、音波が伝搬している空間ではその疎密の程度に応じて空気の光学屈折率に大小の分布が生じ、この分布が音波の伝搬とともに移動する。そのため、音波が伝搬している空間に光ビームを通過させると、その通過点における空気の屈折率の傾きに応じて光ビームが変調され、上記屈折率の分布の移動に伴って変調量が変化するため、この光ビームは、音波に相関した変調を受ける。この構成においては、光マイクロフォンは、光ビーム出力手段から光ビームを出力し、光路形成手段によって、前記光ビーム出力手段から出力された光ビームを音波を検出する領域である音響信号検出フィールド内に星形多角形状の光路を形成するように複数回反射させることで、音響信号検出フィールド内において前記光ビームに対して音波による変調を直線光路の場合の概ね反射回数倍与える。そして、変調された光ビームを光電変換機能を有する光ビーム検出手段に導き、音波の屈折率の傾きに応じた光ビームの変調量を検出し、この変調量に応じた電気信号を出力する。したがって、限られた空間における音波の検出感度を効果的に高めることが可能となる。
【０００８】
なお、光ビームの光路は、一方向から見た光路の形状が概ね星形多角形となるのであれば、光路の交差の有無は問わない。
【０００９】
（２）前記光路形成手段は、前記音響信号検出フィールド内に光路密度の高いリング状の領域を形成し、前記光ビームの前記音波による変調が、前記リング状の領域で集中して行われることを特徴とする。
【００１０】
この構成においては、光路形成手段は前記光ビーム出力手段から出力された光ビームを、複数回反射させて一方向から見た形状が星形多角形となる光路を音響信号検出フィールド内に形成するが、音響信号検出フィールドの中心は光ビームが通過しないため、音響信号検出感度を持たない領域となり、そのすぐ外周には音響信号検出感度を持たない領域を取り囲むように光路が集中して、単位領域当たりの通過光路数である光路密度が高く音響信号検出感度の高いリング状の領域が形成され、音波による光ビームの変調はこの領域を中心に行われる。このように、この構成においては、音響信号検出フィールド内における音響信号検出感度は一様でない感度分布を持つ。したがって、音波の検出領域を限定できるので、限られた空間における音波の検出感度をさらに高めることができる。
【００１１】
なお、光ビームの光路は、全く同一平面上で交差していなくとも、検出すべき音波の波長に対して十分に小さな距離ですれ違っていれば同様の効果が得られる。
【００１２】
（３）前記光路形成手段と前記光ビーム出力手段とは、該光ビーム出力手段から出力された光ビームが星形多角形の形状の光路を形成する入射角となるように配置され、前記入射角に応じて前記音響信号検出フィールド内の光路密度の高いリング状の領域の形状が変化することを特徴とする。
【００１３】
この構成においては、光路形成手段と光ビーム出力手段とは、光ビーム出力手段から出力された光ビームが星形多角形の形状の光路を形成する入射角となるように配置されており、光ビームの光路形成手段への入射角に応じて光路の通過位置が変わるので、音響信号検出フィールド内の光路密度の高いリング状の領域の形状が変化する。また、音響信号検出フィールドにおいて光ビームを一方向から見た光路が星形多角形となる光ビームの光路形成手段への入射角は複数存在し、入射角に応じて光ビームが集中するリング状の領域の径が異なる。したがって、
光マイクロフォンにおける光路形成手段と光ビーム出力手段との配置に応じて、つまり光ビームの入射角の設定に応じて、音波の検出指向性の異なる光マイクロフォンを提供できる。
【００１４】
例えば、星形多角形の中央付近に光路が集中するように入射角を設定した場合には、中央付近に音響信号検出感度が高いリング状の領域が形成されて周辺領域の検出感度は低くなるので、中央付近と周辺部に異なった位相の音波が印加された場合にも抑圧効果が顕著とならず、８の字状の音響信号検出感度を持つ双指向性に近い光マイクロフォンとなる。また、星形多角形の周辺部に光路が集中するように入射角を設定した場合には、周辺部に音響信号検出感度が高いリング状の領域が形成され、星形多角形の中心において星形多角形をなす光ビームの光路面と垂直な軸上に音源があるときには、音波は検出感度の高いリング状の領域のどの部分でも位相が同一となるので、抑圧効果が発生しない。一方、前記の垂直な軸から離れた位置に音源がある場合には、検出感度の高いリング状の領域は位置によって位相が異なる音波によって変調されるため、抑圧効果により音響信号検出感度が低下し、狭指向性を持つ光マイクロフォンとなる。
【００１５】
（４）前記光路形成手段は、内壁面が鏡面の筒状構造で、この内壁面の一部に切り欠きまたは孔を備えた筒型ミラーであることを特徴とする。
【００１６】
この構成の光マイクロフォンでは、光路形成手段として内壁の断面が例えば真円または正多角形で内壁面が鏡面の筒型ミラーが使用される。したがって、光ビーム出力手段から出力された光ビームを内面の鏡面で反射させて、星形多角形の光路を容易に形成することができる。また、光路形成手段は筒型なので、その内部に星形多角形を一筆書きする光路を形成することで、音波を検出する領域である音響信号検出フィールドを拡大させることなく、光ビームに対する音波の作用回数を効率的に増加することが可能となり、限られた空間における音波の検出感度を効果的に高めることができる。さらに、光路形成手段である筒型ミラーは、内壁面の一部に切り欠きまたは孔を備えているので、光ビームを筒型ミラーの内壁面に導くと共に外部への出射を可能として星形多角形の光路をその内部に容易に形成することができる。
【００１７】
（５）前記光路形成手段は、内壁面が鏡面の筒状構造で、壁面の一部に光ビームが透過する非通気性の光透過部を備えた筒型ミラーである。
【００１８】
ことを特徴とする。
【００１９】
この構成においては、光マイクロフォンの光路形成手段は、内壁面が鏡面の筒状構造で、壁面の一部に光ビームが透過する非通気性の光透過部を有しているので、この光透過部から空気が漏れ出すことがなく、音響信号検出フィールド外で音波により光ビームが変調されるのを防止でき、音響信号検出フィールド内を通過する音波で、星形多角形状の光路を形成する光ビームを変調することができる。したがって、音波の検出感度が低下することなく、周波数特性に乱れが生じるのを防止できる。
【００２０】
（６）前記光路形成手段は、前記光ビーム出力手段から出力された光ビームの光路の反射点をつないだ軌跡が螺線となり、この光路を一方向から見ると星形多角形となる角度で、前記光ビームが入射するように配置され、前記音響信号検出フィールド内に光路密度の高い中空の円筒状の領域を形成することを特徴とする。
【００２１】
この構成においては、光路形成手段は、光ビームの光路の反射点をつないだ軌跡が螺線となり、この光路を一方向から見ると星形多角形となるように配置されているので、音響信号検出フィールド内には光ビームの光路密度が高い中空の円筒状の領域が形成される。音波は、光ビームの中空の円筒状の領域において感度が高く検出されることになるが、周波数の高い音響信号ほど中空の円筒状の領域の各部分において位相が異なって検出されるので、抑圧効果が働いて検出感度が低下する。したがって、高域遮断周波数特性を備えた光マイクロフォンを提供することができる。中空の円筒状の領域の寸法は円筒の直径と円筒の長さで表わされるが、円筒の直径＜円筒の長さの場合、検出指向性は円筒の直径が支配的となり、遮断周波数は円筒の長さが支配的となって決定される。
【００２２】
また、この構成において光ビームの光路の反射点をつないだ軌跡が螺旋状になるために光路形成手段に与えられる角度は、螺旋の円筒の長さ方向の間隔が、検出すべき最高周波数の音波の波長に対して十分短くなるように設定される。
【００２３】
さらに、この構成において、前記の軌跡が螺旋状になるために光路形成手段に与えられる角度を変更することで、螺旋の周回回数を変えることなく検出感度の高い中空の円筒状の領域の長さを変えることができる。検出感度の高い中空の円筒状の領域の長さが長くなるほど、音波の検出における抑圧効果が発生する周波数が低下するので、音響信号検出感度を変えることなく光マイクロフォンの音響信号検出の高域遮断周波数を変更することができる。
【発明の効果】
【００２４】
本発明の光マイクロフォンは、光ビーム出力手段から光ビームを出力して、光路形成手段によって、光ビーム出力手段から出力された光ビームを複数回反射して星形多角形状の光路を音響信号検出フィールド内に形成する。これにより、音波を検出する領域を拡大することなく音波が光ビームを変調させる回数を効率的に増加することができ、音響信号検出感度を向上させることができる。また、音響信号検出フィールドを小さく構成できることにより、抑圧効果を生じ始める周波数を可聴帯域より高く設定することを可能としたり、極端な指向性を可聴帯域内で持つことを防止でき、音響用として良好な周波数特性と指向性をもった光マイクロフォンの製作が可能となる。
【００２５】
また、本発明の光マイクロフォンは、光ビームの入射角に応じて光路の通過位置が変わり、光路密度の高いリング状の領域の径が変化するので、音響信号検出感度を変えずに音波の検出指向性を変えることができ、ほぼ同じ構造で双指向性に近いものから超指向性（極めて鋭い指向性）に近いものまでの製作が可能である。
【００２６】
さらに、本発明の光マイクロフォンは、音響信号検出フィールドを構成する円筒ミラーにおいて、光ビームを入射・出射するための孔や切り欠き部を、ガラスや樹脂などの光透過性を有する（光透過性）部材によって塞いで空気の流通を遮断することで、円筒ミラーの壁面から音波が漏れ出して音響信号検出フィールド以外の領域で光ビームが変調することを防止できる。
【００２７】
加えて、本発明の光マイクロフォンは、光ビームの光路の反射点をつないだ軌跡が螺線となり、この光路を一方向から見ると星形多角形となるように配置することで、音響信号検出フィールド内に光ビームの光路密度の高い中空の円筒状の領域を形成することができ、これにより、高域遮断周波数特性を備えた光マイクロフォンを提供することができる。
【００２８】
このような高域遮断周波数特性の付与は、光マイクロフォンの電気信号出力を直接アナログ信号からディジタル信号に変換するＡ／Ｄコンバータに入力する場合に非常に有効である。通常はＡ／Ｄコンバータに入力される電気信号からは不要な高域成分を取り除いておかないと、折り返し雑音を使用帯域内に生じてしまう。
【００２９】
本発明の光マイクロフォンでは不要な高域に検出感度を持たない設計が可能であるため、通常Ａ／Ｄコンバータの入力の前置増幅器に不可欠な高域遮断フィルタを省略することが可能となる。したがって、微小信号に対して大きな音質劣化要因となるフィルタ素子が不要となり、光マイクロフォンの応用形態の１つである音響信号変換機能とＡ／Ｄコンバータとを一体化したディジタルマイクロフォンにおいて、高品位化を可能とする。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
［第１実施形態］
図１は、本発明の第１実施形態に係る光マイクロフォンの概略を示す構成図であり、（Ａ）は音源側から見た上面図であり、（Ｂ）は側面図であり、（Ｃ）は円筒ミラーに代えて多角柱ミラーを使用した場合の上面図である。光マイクロフォン１は、光ビーム出力手段であるレーザ光発生部２及び光源系レンズ部３、光路形成手段である円筒ミラー４、並びに光ビーム検出手段である検出系レンズ部５及び光電変換部６を備えている。
【００３１】
レーザ光発生部２は、図外の半導体レーザ素子やレーザ駆動回路を備え、レーザ光７を出射する。なお、レーザ光７の発生源は半導体レーザ素子に限るものではなく、固体レーザ、液体レーザ、気体レーザなどの発生装置を用いても良い。
【００３２】
光源系レンズ部３は、レーザ光発生部２から出射されたレーザ光７を集光して所定のスポット径でほぼ平行光であるレーザビーム８に変換する。光源レンズ部３は単体レンズであっても、組合せレンズであっても良く、発散光から平行光を作るコリメータと平行光のビーム径を絞り込むビームエキスパンダの組み合わせのような複合光学系であっても良い。
【００３３】
円筒ミラー４は、円筒形状で内壁面全体が鏡面４ｍであり、内壁面の一部に切り欠き４ｋまたは孔４ａが形成され、入射したレーザビーム８を複数回反射させて、光ビームに対する音波の変調が複数回行われるようにしたものである。ここで、以下の説明では円筒ミラー４には切り欠き４ｋが形成されたものとする。円筒ミラー４は、その内側の音響信号検出フィールド９に入射したレーザビーム８が鏡面４ｍで複数回反射して星形多角形の光路を形成するように配置されている。すなわち、レーザ光発生部２から出力されたレーザビーム８と、鏡面４ｍに内接する円（図１（Ａ），（Ｃ）に点線で図示）とレーザビーム８の交点における法線と、のなす入射角∠Ａが所定の角度になるように配置されている。これにより、鏡面４ｍ上におけるレーザビーム８の各反射点では、レーザビーム８が鏡面４ｍ上の反射点における法線に対して入射角∠Ａで入射して、反射角∠Ａで反射する。
【００３４】
図１には、円筒ミラー４への入射角∠Ａが６度の場合を示している。また、第１実施形態においては、図１（Ｂ）に示すように、レーザビーム８の光路はほぼ同一平面上に形成される。第１実施形態における以下の説明では、このレーザビーム８の光路が形成された平面をＸＹ平面と称し、このＸＹ平面に垂直な軸をＺ軸と称する。
【００３５】
円筒ミラー４に切り欠き４ｋや孔４ａを設ける場合、レーザビーム８が確実に通過するのであれば、円筒ミラー４に対するレーザ光発生部２と光電変換部６との配置位置に応じて、入射用のものと出射用の孔や切り欠きを独立して設けても良いし、共用のものを１つ設けるようにしても良い。例えば、円筒ミラー４に入出射共用の切り欠き４ｋや孔４ａを設ける場合には、レーザビーム８の最大の入射角をａとしたときに、２ａとなる狭角（中心角）を有する扇形環型の形状であって、レーザ光発生部２から出力されたレーザビーム８と、鏡面４ｍに内接する円との交点よりも円筒ミラー４の内側に、扇形環の中心が位置するように形成すると良い。
【００３６】
また、図１（Ｃ）に示すように、円筒ミラー４に代えて、開口面が多角形で内壁面が鏡面であり、一部に切り欠き１４ｋまたは孔１４ａが形成された多角柱ミラー１４を使用することも可能である。多角柱ミラー１４は、入射角∠Ａ（入射角の定義は円筒ミラー４の場合と同じ）に応じて、開口面の多角形の各辺に相当する内壁の各面でレーザビーム８が反射するように開口面の角数を設定する。例えば、レーザビーム８の入射角∠Ａが６度の場合には開口面が正１５角形の多角柱ミラーを使用する。
【００３７】
検出系レンズ部５は、円筒ミラー４で反射を繰り返して出射されたレーザビーム８を集光して、光電変換部６を構成する非図示の検出素子上に収束させる。このとき検出系レンズ部５は単体レンズであっても、組合せレンズであっても良い。
【００３８】
光電変換部６は、検出系レンズ部５によって非図示の検出素子上に収束されたレーザビーム８の変調量を検出し、その変調量に応じた電気信号を出力する。
【００３９】
音波によるレーザビーム（光ビーム）８の変調は、幾つかの方法で検出できるが、変調を音波による空気の疎密に応じた屈折率の傾きの変化等による受光レーザスポットの位置変化として検出する場合、光位置検出素子（PSD：Position Sensitive Detector）を用いて、ＰＳＤ上の受光レーザスポットの絶対位置を検出して電気信号に変換する方法や、多分割光電変換素子上の受光レーザスポットの位置変化をアナログまたはディジタル演算処理して電気信号に変換する方法によって、音波を検出することができる。
【００４０】
光電変換部６に２分割光電変換素子を用いる場合、レーザビーム８が音波の影響を受けていないときには、この２つの光電変換素子の中央部に受光レーザスポットが位置するように構成し、音波によるレーザビーム８の受光レーザスポットの位置の変化を、２つの光電変換素子の出力の差動演算により電気信号を検出するものとする。また、光電変換素子にはフォトダイオード（ＰＤ）などを用い、レーザスポットの直径は、想定される最大の音波での変調時にレーザスポットが完全にどちらかの検出素子上に移動してしまわない大きさに設定され、各検出素子の面積はレーザスポットの面積より大きく設定される。
【００４１】
また、本発明の光路形成手段を用いれば、変調を音波による空気の疎密による音速の変化としてレーザドップラー効果により検出する場合や、変調を音波による空気の疎密による光路長の変化として参照光との位相差によって検出する場合、等においても、限られた空間における音波の検出感度を効果的に高めることが可能である。
【００４２】
次に、光マイクロフォン１の動作について説明する。周知のように、音波は空気の密度の振動成分であり、音波が伝搬している空間ではその疎密の程度に応じて空気の光学屈折率に大小の分布が生じ、この分布が音波の伝搬とともに移動する。そのため、音波が伝搬している空間にレーザビームを通過させると、その通過点における屈折率の傾きに応じてレーザビームが変調され、上記屈折率の分布の移動に伴って変調量が変化するため、このレーザビームは、音波に相関した変調を受ける。
【００４３】
本発明の第１実施形態に係る光マイクロフォン１は、レーザ光発生部２からレーザ光７を出射して、光源系レンズ部３でこのレーザ光７をレーザビーム（平行光）８に変換し、円筒ミラー４によって音響信号検出フィールド９内に星形多角形状の光路を形成するように複数回反射させる。これにより、音響信号検出フィールド内においてレーザビーム８に対して音波による変調を、直線光路の場合の概ね反射回数倍与える。そして、変調されたレーザビーム８を検出系レンズ部５を介して光電変換部６に導き、空気の屈折率の傾きに応じた光ビームの変調量を検出し、この変調量に応じた電気信号を出力する。
【００４４】
また、円筒ミラー４内の音響信号検出フィールド９において、その中心は光ビームが通過しないため、音響信号検出感度を持たない領域となり、そのすぐ外周にはこの音響信号検出感度を持たない領域を取り囲むように、複数の光路が集中した（交差した）光路密度が高く音響信号検出感度の高いリング状の領域（以下、リング状領域と称する。）１１が形成される。このように、音響信号検出フィールド９内における音響信号検出感度は、一様でない感度分布となり、音源１０から出力された音波によるレーザビーム８の変調はリング状領域１１を中心に行われる。
【００４５】
したがって、音波の検出領域を限られた空間にすることができ、また、音波を検出する領域である音響信号検出フィールドを拡大させることなく、光ビームに対する音波の作用回数を効率的に増加することが可能となり、限られた空間における音波の検出感度を効果的に高めることができる。
【００４６】
なお、光ビームの光路は、例えば音波が伝搬してくる方向であるＺ軸方向のように、一方向から見た光路が概ね星形多角形となるのであれば、光路の交差の有無は問わない。また、光ビームの光路は、全く同一平面上で交差していなくとも、検出すべき音響信号の波長に対して十分に小さな距離ですれ違っていれば同様の効果が得られる。
【００４７】
次に、円筒ミラーのレーザビームの入射角について説明する。図２は、円筒ミラー内に形成した星形多角形の光路を示す上面図であり、（Ａ）は入射角∠Ａが１２度の場合、（Ｂ）は入射角∠Ａが２４度の場合、（Ｃ）入射角∠Ａが４８度の場合である。
【００４８】
前記のように、円筒ミラー４への入射角∠Ａは、円筒ミラー４の鏡面４ｍに内接する円とレーザビーム８の交点における法線と、レーザビーム８と、のなす角と定義する。図２に示すように、レーザビーム８の入射角に応じて、音響信号検出フィールド９内に形成されるレーザビーム８の星形多角形状の光路パターンの形状が変化し、光路密度の高い領域であるリング状領域１１の径が変化する。また、このリング状領域１１の径が変化することで、音波（音響信号）の検出指向性を変化させることが可能となる。
【００４９】
例えば、図２（Ａ）に示すように、星形多角形の中央付近に光路が集中するように入射角を設定した場合には、中央付近に音響信号検出感度が高いリング状の領域が形成されて周辺領域の検出感度は低くなる。したがって、光マイクロフォン１では、中央付近と周辺部に異なった位相の音波が印加された場合にも抑圧効果が顕著とならず、８の字状の音響信号検出感度を持つ双指向性に近い光マイクロフォンとなる。
【００５０】
また、図２（Ｂ），（Ｃ）に示すように、星形多角形の周辺部に光路が集中するように入射角を設定した場合には、周辺部に音響信号検出感度が高いリング状の領域が形成される。この場合、星形多角形の中心において星形多角形をなすレーザビーム８の光路面と垂直な軸上に音源があるときには、音波は検出感度の高いリング状の領域のどの部分でも位相が同一となるので、抑圧効果が発生しない。一方、前記の垂直な軸から離れた位置に音源がある場合には、検出感度の高いリング状の領域は位置によって位相が異なる音波によって変調されるため、抑圧効果により音響信号検出感度が低下し、前記の軸の双方向に狭指向性を持つ光マイクロフォンとなる。このように、光マイクロフォン１では、レーザビーム８の円筒ミラー４への入射角を変更することで、音波の検出指向性を変えることができる。
【００５１】
ここで、図２の（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）に示した例ではレーザビーム８の反射回数はいずれも２９回である。円筒ミラー４を多角柱ミラー１４に置き換える場合には、開口部が正３０角形のミラーを用いると良い。これらの例においては、レーザビーム８に対する音波の変調回数は入射角を変更しても同じであり、検出指向性を変更しても音響信号検出感度はほぼ同一に保たれる。
【００５２】
また、反射回数が同一となる入射角としては、円筒ミラー４の内壁でレーザビーム８が１９回反射する９度，２７度，６３度や、２３回反射する７．５度，３７．５度，５２．５度や、３５回反射する５度，２５度，３５度，５５度など多くの組合せが存在する。
【００５３】
このように本発明の光マイクロフォンにおいては、同じ反射回数となる複数の入射角を切り替えることで、音波の検出感度を変えることなく指向性の変更が可能である。
【００５４】
また、円筒ミラー４の直径を変えることによっても、音響信号検出フィールド９の大きさや星形多角形の光路の径を変えることができ、大型の円筒ミラーを用いれば、可聴帯域で超指向性（極めて鋭い指向性）を得ることも可能である。
【００５５】
次に、円筒ミラー４の別の実施形態について説明する。図３は、光マイクロフォンの円筒ミラーにおける別の実施形態の概観図であり、（Ａ）は正面図、（Ｂ），（Ｄ）は円筒ミラーの側面図、（Ｃ），（Ｅ）は上面図である。また、図３（Ｂ），（Ｃ）には、一例として、円筒ミラー４に対するレーザビーム８の入射角∠Ａを６度に設定した場合を示し、図３（Ｄ），（Ｅ）には、円筒ミラー４に対するレーザビーム８の入射角∠Ａを４８度に設定した場合を示している。なお、図３に示す光マイクロフォン１ａは、図１に示した光マイクロフォン１とほぼ同様の構成であるため、異なる部分についてのみ詳細を説明する。また、図３についての以下の説明では、このレーザビーム８の星形多角形状の光路が形成された平面をＸＹ平面と称し、このＸＹ平面に垂直な軸をＺ軸と称する。
【００５６】
図３に示すように、光マイクロフォン１ａの円筒ミラー４は、レーザビーム８の通路として切り欠き４ｋや孔４ａを設ける代わりに、レーザビーム８が透過して空気が流通しない非通気性の光透過部１５を形成することも可能である。この光透過部１５は、円筒ミラー４に設けた孔に、円筒ミラー４の壁面に沿ってガラスや樹脂などの光透過性の部材を充填した構成であり、空気は流通しない。
【００５７】
ここで、光透過部１５は、円筒ミラー４に切り欠きまたは孔を設けて、この切り欠きまたは孔の形に応じて成形した光透過性の部材を嵌め込むように構成することも可能である。また、円筒ミラー４を光透過性の部材で形成し、レーザービーム８を透過させる一部分を除いた内壁面に鏡面加工を施すことで形成することも可能である。
【００５８】
円筒ミラー４に設ける光透過部１５は、例えば図３（Ｅ）に示すように、レーザビーム８の最大の入射角をａとしたときに、２ａとなる狭角（中心角）を有する扇形環型の形状であって、レーザ光発生部２から出力されたレーザビーム８と、鏡面４ｍに内接する円との交点よりもやや円筒ミラー４の内側に、扇形環の中心が位置するように形成すると良い。このとき、光透過部１５の内壁側の孔の幅は、レーザビーム８の隣接する反射点に掛からないように形成する必要がある。例えば、レーザビーム８の入出射点と隣の反射点の中間が、円筒ミラー４の壁と光透過部１５との境界となるように形成する。これにより、レーザビーム８が確実に光透過部１５を通過し、他の反射点でレーザビーム８が外部に透過することがない。
【００５９】
また、円筒ミラー４の光透過部１５の表面には、表面反射による透過率の低下を防止する誘電体多層膜をコーティングすることが望ましい。これにより、円筒ミラー４に入射するレーザビーム８の乱反射を防止することができ、音波の検出感度を向上させることができる。
【００６０】
図３の例では、音響信号検出フィールド９を構成する円筒ミラー４の内壁面におけるレーザビーム８の反射光が、全てＺ軸に対して垂直な一平面上を通過するようにされている。光マイクロフォン１ａにおいて、レーザ光発生部２から出力されたレーザ光７は、光源系レンズ部３で変換されてレーザビーム８となる。レーザビーム８は、入射角∠Ａで円筒ミラー４の光透過部１５から入射して光透過部１５を透過する。円筒ミラー４は、レーザビーム８をその内壁面で複数回反射して、ＸＹ平面上で光路が交差した星形多角形状の光路を形成する。そして、レーザビーム８が再び円筒ミラー４の光透過部１５に達すると、光透過部１５を透過して音響信号検出フィールド９から円筒ミラー４の外部へ出射し、検出系レンズ部５を介して光電変換部６に導かれる。
【００６１】
以上のように構成することで、光マイクロフォン１ａは、円筒ミラー４の壁面の外部から円筒ミラー４の内側に形成する音響信号検出フィールド９へのレーザ入射及び音響信号検出フィールド９からのレーザ出射を可能としながら、空気の流通を遮断することができる。したがって、円筒ミラー４の壁面から音響信号検出フィールド９の外部に音波が漏れ出して、レーザビーム８を変調することを防止して、周波数特性の乱れが発生することなく音波を検出することができる。
【００６２】
［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態に係る光マイクロフォンについて説明する。図４は、本発明の第２実施形態に係る光マイクロフォンの概略の構成図であり、（Ａ）は音源側から見た上面図であり、（Ｂ）は側面図である。図４に示すように、光マイクロフォン２１は、レーザ光発生部２２、光源系レンズ部２３、円筒ミラー２４、検出系レンズ部２５、及び光電変換部２６を備えている。各部の機能や動作は、図１に示した光マイクロフォン１のレーザ光発生部２、光源系レンズ部３、円筒ミラー４、検出系レンズ部５、及び光電変換部６と同様であるため、詳細な説明は省略する。ここで、第２実施形態においては、円筒ミラー２４の開口面に平行な面をＸＹ平面、このＸＹ平面に垂直な軸をＺ軸と称する。
【００６３】
光マイクロフォン２１では、レーザビーム２８が円筒ミラー２４で複数回反射してＺ軸方向から見た光路が星形多角形を形成するように、ＸＹ平面上で円筒ミラー２４ｍに内接する円とレーザビーム２８の交点における法線とレーザビーム２８のなす入射角が∠Ａとなるように、レーザ光発生部２２と光路形成手段である円筒ミラー２４とが配置されている。また同時に、円筒ミラー２４は、レーザビーム２８がＸＹ平面に対して所定の入射角∠Ｂを成すように、レーザ光発生部２２に対して配置されている。これにより、レーザビーム２８は、円筒ミラー２４の一方の端部近傍に設けられた切り欠き２４ｋ１または孔２４ａ１から入射して、円筒ミラー２４の鏡面２４ｍで反射を繰り返しながらＺ軸方向に進行し、円筒ミラー２４の他方の端部近傍に設けられた切り欠き２４ｋ２または２４ａ２から出射して、検出系レンズ部２５で集光されて、光電変換部２６に導かれる。このとき、レーザビーム２８の円筒ミラー２４の鏡面２４ｍにおける複数の反射点をつないだ軌跡は螺線となる。
【００６４】
これにより、光マイクロフォン２１においては、円筒ミラー２４内の音響信号検出フィールド２９に光ビームの光路が立体的に形成され、光路密度が高く検出感度が高い領域が中空の円筒状領域３１として生ずる。音波は、光ビームの中空の円筒状領域３１において感度が高く検出されることになるが、周波数の高い音波ほど中空の円筒状領域３１の各部分において位相が異なって検出されるので、抑圧効果が働いて検出感度が低下する。したがって、高域遮断周波数特性を備えた光マイクロフォンを提供することができる。
【００６５】
この円筒状領域３１のＺ軸方向の高さ（長さ）をＬとすると、レーザビーム２８には、Ｚ軸方向の位置によって異なる位相の音波による変調が加えられ、検出する音波の周波数が高いほど抑圧効果が顕著となるため検出感度が低下し、概ね波長が２Ｌ以下となる周波数以上に対して検出感度が低下する高域遮断周波数特性を持った光マイクロフォンを実現できる。
【００６６】
中空の円筒状領域３１の大きさは直径と円筒の長さで表わされるが、円筒の直径＜円筒の長さの場合、検出指向性は円筒の直径が支配的となり、遮断周波数は円筒の長さが支配的となって決定される。
【００６７】
また、この構成において光ビームの光路の反射点をつないだ軌跡が螺旋状になるために光路形成手段に与えられる角度は、螺旋の円筒の長さ方向の間隔が、検出すべき最高周波数の音波の波長に対して十分短くなるように設定される。
【００６８】
さらに、この構成において、前記の軌跡が螺旋状になるために光路形成手段に与えられる角度を変更することで、螺旋の周回回数を変えることなく検出感度の高い中空の円筒状の領域の長さを変えることができる。検出感度の高い中空の円筒状の領域の長さが長くなるほど、音波の検出における抑圧効果が発生する周波数が低下するので、音響信号検出感度を変えることなく光マイクロフォンの音響信号検出の高域遮断周波数を変更することができる。
【００６９】
光マイクロフォン２１へのレーザビーム２８のＸＹ平面への入射角∠Ｂは周波数の増加に伴い感度が単調に減少する高域遮断特性を得るために、光ビームの光路の反射点をつないだ螺旋状の軌跡の円筒の長さ方向の間隔が、レーザビーム２８の径より広く、検出すべき最高周波数の音波の波長に対して十分短くなるように設定される。
【００７０】
このような高域遮断周波数特性の付与は、光マイクロフォンの電気信号出力を直接アナログ信号からディジタル信号に変換するＡ／Ｄコンバータに入力する場合に非常に有効である。通常はＡ／Ｄコンバータに入力される電気信号からは不要な高域成分を取り除いておかないと、折り返し雑音を使用帯域内に生じてしまう。本発明の光マイクロフォンでは不要な高域に検出感度を持たない設計が可能であるため、通常Ａ／Ｄコンバータの入力の前置増幅器に不可欠な高域遮断フィルタを省略することが可能となる。したがって、微小信号に対して大きな音質劣化要因となるフィルタ素子が不要となり、光マイクロフォンの応用形態の１つである音響信号変換機能とＡ／Ｄコンバータとを一体化した光ディジタルマイクロフォンにおいて、高品位化を可能とする。
【００７１】
図５は、光マイクロフォンの入射角∠Ｂと音響信号検出フィールドの高さとの関係を説明するための図である。光マイクロフォン２１においては図５に示すように、円筒ミラー２４の長さを変えるとともに、レーザビーム２８が円筒ミラー２４のＸＹ平面に対して成す角である入射角∠Ｂを変えることで、音響信号検出フィールド２９内における螺旋状の軌跡の周回数を一定としながらＺ軸方向の高さ（長さ）Ｌを変えることができ、これにより、音響信号検出感度を変えることなく高域遮断周波数を変えることができる。
【００７２】
すなわち、音響信号検出感度の高い中空の円筒状の領域の長さが長くなると、音波の周波数が高いほど抑圧効果がさらに顕著となって検出感度が低下する。したがって、光ビームの光路が螺旋状になる角度を変更することで、光マイクロフォンの高域を遮断する周波数を変更することができる。
【００７３】
なお、円筒ミラー２４には、図３に示した円筒ミラー４と同様に、切り欠き２４ｋ１，２４ｋ２や孔２４ａ１，２４ａ２を設ける代わりに、レーザビーム８が透過して空気が流通しない非通気性の光透過部を設けるようにしても良い。これにより、円筒ミラー２４の壁面から音響信号検出フィールド９の外部に音波が漏れ出してレーザビーム８を変調することを防止して、周波数特性の乱れが発生することなく音波を検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００７４】
【図１】本発明の実施形態に係る光マイクロフォンの概略を示す構成図である。
【図２】円筒ミラー内に形成した星形多角形の光路を示す上面図である。
【図３】光マイクロフォンの円筒ミラーにおける別の実施形態の概観図である。
【図４】本発明の第２実施形態に係る光マイクロフォンの概略の構成図である。
【図５】光マイクロフォンの入射角∠Ｂと音響信号検出フィールドの高さとの関係を説明するための図である。
【符号の説明】
【００７５】
１，１ａ，２１−光マイクロフォン    ２，２２−レーザ光発生部
３，２３−光源系レンズ部    ４，２４−円筒ミラー
５，２５−検出系レンズ部    ６，２６−光電変換部
７，２７−レーザ光    ８，２８−レーザビーム
９，２９−音響信号検出フィールド    １０，３０−音源
１１−リング状領域    １４−多角柱ミラー    １５−光透過部    ３１−円筒状領域
【図１】
2005318456.tif 000003
【図２】
2005318456.tif 000004
【図３】
2005318456.tif 000005
【図４】
2005318456.tif 000006
【図５】
2005318456.tif 000007