(57)【要約】【課題】音響波の伝搬方向および伝搬の向きを検出することができる光マイクロホンを提供する。【解決手段】本発明の光マイクロホンは、環境流体を伝搬する音響波を、光波を用いて検出する光マイクロホンであって、固体の伝搬媒質によって構成されており、前記音響波が伝搬する伝搬媒質部３、および、前記伝搬媒質部３を支持する支持部９を含む音響受波部２と、前記伝搬媒質部３中を伝搬する前記音響波１を横切って、前記伝搬媒質部３を透過する光波５を出射する光源４と、前記伝搬媒質部３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部６とを備え、前記音響受波部２において、前記伝搬媒質部３は、前記光波が入射および出射する１対の主面と、前記１対の主面間に位置し、前記環境流体から音響波が入射する少なくとも１つの側面を有し、前記支持部は、前記少なくとも１つの側面の少なくとも一部を露出する開口９ａと前記開口以外の領域において、前記１対の主面間を覆う遮音部９ｂとを含む。【選択図】図１Ａ
2013055599.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
環境流体を伝搬する音響波を、光波を用いて検出する光マイクロホンであって、
固体の伝搬媒質によって構成されており、前記音響波が伝搬する伝搬媒質部、および、前記伝搬媒質部を支持する支持部を含む音響受波部と、
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部とを備え、
前記音響受波部において、
前記伝搬媒質部は、前記光波が入射および出射する１対の主面と、前記１対の主面間に位置し、前記環境流体から音響波が入射する少なくとも１つの側面を有し、
前記支持部は、前記少なくとも１つの側面の少なくとも一部を露出する開口と前記開口以外の領域において、前記１対の主面間を覆う遮音部とを含む光マイクロホン。
【請求項２】
環境流体を伝搬する音響波を、光波を用いて検出する光マイクロホンであって、
固体の伝搬媒質によって構成されており、前記音響波が伝搬する伝搬媒質部、および、前記伝搬媒質部を支持する支持部を含む音響受波部と、
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前記光波を受光し、電気信号を出力する光電変換素子、および、前記光波の光軸を中心として回転可能であり前記光波の一部を遮光する遮光部を有する光電変換部と
を備え、
前記音響受波部において、
前記伝搬媒質部は、前記光波が入射および出射する１対の主面と、前記１対の主面間に位置し、前記環境流体から音響波が入射する少なくとも１つの側面を有し、
前記支持部は、前記少なくとも１つの側面の少なくとも一部を露出する開口と前記開口以外の領域において、前記１対の主面間を覆う遮音部とを含む光マイクロホン。
【請求項３】
環境流体を伝搬する音響波を、光波を用いて検出する光マイクロホンであって、
固体の伝搬媒質によって構成されており、前記音響波が伝搬する伝搬媒質部、および、前記伝搬媒質部を支持する支持部を含む音響受波部と、
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、
受光面を有し、前記伝搬媒質部を透過した前記光波を前記受光面で受光し、電気信号を出力する光電変換部であって、前記伝搬媒質部を透過した前記光波の一部を受光しないように前記光波の光軸に対して前記受光面の中心がシフトしており、前記光波の光軸を中心として前記受光面が回転可能な光電変換部と
を備え、
前記音響受波部において、
前記伝搬媒質部は、前記光波が入射および出射する１対の主面と、前記１対の主面間に位置し、前記環境流体から音響波が入射する少なくとも１つの側面を有し、
前記支持部は、前記少なくとも１つの側面の少なくとも一部を露出する開口と前記開口以外の領域において、前記１対の主面間を覆う遮音部とを含む光マイクロホン。
【請求項４】
ビームスプリッタとミラーとをさらに備え、
前記ビームスプリッタは前記光源と音響受波部との間に位置し、
前記音響受波部は前記ビームスプリッタと前記ミラーとの間に位置し、
前記光源から出射した光波は、ビームスプリッタおよび前記伝搬媒質部を透過して前記ミラーで反射し、
前記ミラーで反射した光波は、前記伝搬媒質部を再度透過し、前記ビームスプリッタで反射され前記光電変換部へ入射する請求項１から４のいずれかに記載の光マイクロホン。
【請求項５】
前記遮音部は、前記伝搬媒質部を透過する光波の周りを９０°以上の角度で覆っている請求項１から４のいずれかに記載の光マイクロホン。
【請求項６】
前記遮音部は、前記伝搬媒質部を透過する光波の周りを１８０°以上の角度で覆っている請求項１から４のいずれかに記載の光マイクロホン。
【請求項７】
前記少なくとも１つの側面は曲面であり、前記開口において露出している任意の部分から前記伝搬媒質部を透過している光波までの距離は等しい請求項１から４のいずれかに記載の光マイクロホン。
【請求項８】
前記伝搬媒質部は、
前記環境流体から音響波が入射する複数の側面を有し、
前記複数の側面は、前記伝搬媒質部を透過する光波と垂直な平面において、前記光波の周りに配置されており、
前記複数の側面は平面であり、
前記開口において、前記複数の側面は露出しており、
前記複数の側面から前記伝搬媒質部を透過している光波までの距離は等しい請求項１から４のいずれかに記載の光マイクロホン。
【請求項９】
前記支持部は、前記光波に対して不透明であって、
前記支持部は、前記伝搬媒質部の前記１対の主面のそれぞれ一部を露出する孔を有し、
前記光波は前記孔を通過する請求項１から４のいずれかに記載の光マイクロホン。
【請求項１０】
前記第１開口に設けられた複数のホーンをさらに備え、
前記複数のホーンは、前記伝搬媒質部を透過する光波と垂直な平面において、前記光波の周りに等角度で配置されている請求項１から４のいずれかに記載の光マイクロホン。
【請求項１１】
前記支持部は、前記開口を複数の開口部分に分割する少なくとも１つの区切りを有し、
前記少なくとも１つの区切りによって分割された複数の開口部分は、前記伝搬媒質部を透過する光波と垂直な平面において、前記光波の周りに等角度で配置されている請求項１から４のいずれかに記載の光マイククロホン。
【請求項１２】
前記光電変換部において、前記複数の光電変換素子は、前記光波の周りに等角度で配置されている請求項１から４のいずれかに記載の光マイククロホン。
【請求項１３】
前記光波の光軸周りにおける、前記複数の側面の各境界の方位と、前記複数の光電変換素子の各境界の方位は一致している請求項８に記載の光マイクロホン。
【請求項１４】
前記伝搬媒部はシリカナノ多孔体によって構成されている請求項１から４のいずれかに記載の光マイクロホン。
【請求項１５】
請求項１から１４のいずれかに規定される光マイクロホンを２つ備え、
一方の光マイクロホンの音響受波部の遮光部と、他方の光マイクロホンの音響受波部の遮光部とが対向して配置された光マイクロホン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、空気などの気体を伝搬する音響波を受波し、光を利用して、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】
音響波を受波し、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、振動板などの機械的振動部を有しているため、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、機械的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、たとえば、特許文献１および特許文献２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を開示している。
【０００４】
具体的には、図２２に示すように、特許文献１は、光源１５１と、出射系光学部品１５２と受光系光学部品１５３と検出部１５４と信号処理部１５５を備えた光マイクロホンを開示している。特許文献１によれば、光源１５１から出射した光５を出射系光学部品１５２で成形したのち、空気中を伝搬する音響波１とに作用させ、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１５３で調整した後に、レーザー光の光軸を中心とした円周上に配置された複数の光電変換素子が配置された検出部１５４で受光して電気信号に変換することで音響波１を検出する。これにより、音響波１を伝搬方向により分離検出・分離録音することが可能となる。
【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２３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２０３に取り込まれて、その内部を伝搬する。光音響伝搬媒質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２００７−１９４６７７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の光マイクロホンは、音響波の伝搬方向を検出することは可能であるが、伝搬の向きまでを特定することはできない。このため、伝搬の向きが１８０°異なる２つの音響波を区別することはできないという課題がある。
【０００８】
特許文献２の方法は、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。また、特許文献２の光マイクロホンでは、音響波の伝搬方向を分離して検出することはできない。
【０００９】
本発明はこのような従来技術の少なくとも１つを解決し、音響波の伝搬方向および伝搬の向きを検出することができる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】
本発明の光マイクロホンは、環境流体を伝搬する音響波を、光波を用いて検出する光マイクロホンであって、固体の伝搬媒質によって構成されており、前記音響波が伝搬する伝搬媒質部、および、前記伝搬媒質部を支持する支持部を含む音響受波部と、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部とを備え、前記音響受波部において、前記伝搬媒質部は、前記光波が入射および出射する１対の主面と、前記１対の主面間に位置し、前記環境流体から音響波が入射する少なくとも１つの側面とを有し、前記支持部は、前記少なくとも１つの側面の少なくとも一部を露出する開口と前記開口以外の領域において、前記１対の主面間を覆う遮音部とを含む。
【００１１】
本発明の光マイクロホンは、環境流体を伝搬する音響波を、光波を用いて検出する光マイクロホンであって、固体の伝搬媒質によって構成されており、前記音響波が伝搬する伝搬媒質部、および、前記伝搬媒質部を支持する支持部を含む音響受波部と、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前記光波を受光し、電気信号を出力する光電変換素子、および、前記光波の光軸を中心として回転可能であり前記光波の一部を遮光する遮光部を有する光電変換部とを備え、前記音響受波部において、前記伝搬媒質部は、前記光波が入射および出射する１対の主面と、前記１対の主面間に位置し、前記環境流体から音響波が入射する少なくとも１つの側面を有し、前記支持部は、前記少なくとも１つの側面の少なくとも一部を露出する開口と前記開口以外の領域において、前記１対の主面間を覆う遮音部とを含む。
【００１２】
本発明の光マイクロホンは、環境流体を伝搬する音響波を、光波を用いて検出する光マイクロホンであって、固体の伝搬媒質によって構成されており、前記音響波が伝搬する伝搬媒質部、および、前記伝搬媒質部を支持する支持部を含む音響受波部と、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、受光面を有し、前記伝搬媒質部を透過した前記光波を前記受光面で受光し、電気信号を出力する光電変換部であって、前記伝搬媒質部を透過した前記光波の一部を受光しないように前記光波の光軸に対して前記受光面の中心がシフトしており、前記光波の光軸を中心として前記受光面が回転可能な光電変換部とを備え、前記音響受波部において、前記伝搬媒質部は、前記光波が入射および出射する１対の主面と、前記１対の主面間に位置し、前記環境流体から音響波が入射する少なくとも１つの側面を有し、前記支持部は、前記少なくとも１つの側面の少なくとも一部を露出する開口と前記開口以外の領域において、前記１対の主面間を覆う遮音部とを含む。
【００１３】
ある好ましい実施形態において、光マイクロホンは、ビームスプリッタとミラーとをさらに備え、前記ビームスプリッタは前記光源と音響受波部との間に位置し、前記音響受波部は前記ビームスプリッタと前記ミラーとの間に位置し、前記光源から出射した光波は、ビームスプリッタおよび前記伝搬媒質部を透過して前記ミラーで反射し、前記ミラーで反射した光波は、前記伝搬媒質部を再度透過し、前記ビームスプリッタで反射され前記光電変換部へ入射する。
【００１４】
ある好ましい実施形態において、前記遮音部は、前記伝搬媒質部を透過する光波の周りを９０°以上の角度で覆っている。
【００１５】
ある好ましい実施形態において、前記遮音部は、前記伝搬媒質部を透過する光波の周りを１８０°以上の角度で覆っている。
【００１６】
ある好ましい実施形態において、前記少なくとも１つの側面は曲面であり、前記開口において露出している任意の部分から前記伝搬媒質部を透過している光波までの距離は等しい。
【００１７】
ある好ましい実施形態において、前記伝搬媒質部は、前記環境流体から音響波が入射する複数の側面を有し、前記複数の側面は、前記伝搬媒質部を透過する光波と垂直な平面において、前記光波の周りに配置されており、前記複数の側面は平面であり、前記開口において、前記複数の側面は露出しており、前記複数の側面から前記伝搬媒質部を透過している光波までの距離は等しい請求項１から４のいずれかに記載の光マイクロホン。
【００１８】
ある好ましい実施形態において、前記支持部は、前記光波に対して不透明であって、前記支持部は、前記伝搬媒質部の前記１対の主面のそれぞれ一部を露出する孔を有し、前記光波は前記孔を通過する。
【００１９】
ある好ましい実施形態において、光マイクロホンは、前記第１開口に設けられた複数のホーンをさらに備え、前記複数のホーンは、前記伝搬媒質部を透過する光波と垂直な平面において、前記光波の周りに等角度で配置されている。
【００２０】
ある好ましい実施形態において、前記支持部は、前記開口を複数の開口部分に分割する少なくとも１つの区切りを有し、前記少なくとも１つの区切りによって分割された複数の開口部分は、前記伝搬媒質部を透過する光波と垂直な平面において、前記光波の周りに等角度で配置されている。
【００２１】
ある好ましい実施形態において、前記光電変換素部において、前記複数の光電変換素子は、前記光波の周りに等角度で配置されている。
【００２２】
ある好ましい実施形態において、前記光波の光軸周りにおける、前記複数の側面の各境界の方位と、前記複数の光電変換素子の各境界の方位は一致している。
【００２３】
ある好ましい実施形態において、光マイクロホンは、前記伝搬媒部はシリカナノ多孔体によって構成されている。
【００２４】
本発明の光マイクロホンは上記いずれかに規定される光マイクロホンを２つ備え、一方の光マイクロホンの音響受波部の遮光部と、他方の光マイクロホンの音響受波部の遮光部とが対向して配置されている。
【発明の効果】
【００２５】
本発明の光マイクロホンによれば、音響波が入射する開口以外の領域において、伝搬媒質部の光波が入射および出射する主面の間を遮音部が覆っているため、環境流体を伝搬する音響波の伝搬方向のみならず伝搬の向きを同定することができる。また、各伝搬方向毎に分離して音響波に対応する信号を取得することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１Ａ】本発明による光マイクロホンの第１の実施形態を示す概略的な斜視図である。
【図１Ｂ】伝搬媒質部の側面が曲面形状である実施形態を示す図である。
【図２】第１の実施形態における開口の位置する角度と検出可能領域を説明する図である。
【図３】伝搬媒質部中の音響波による光波の回折を表す図である。
【図４】（ａ）および（ｂ）は０次回折光波と±１次回折光波との重なりを示す図である。
【図５】（ａ）および（ｂ）は、説明のための音響受波部および光電変換部の構造を示す図である。
【図６】（ａ）から（ｆ）は、伝搬方向の異なる音響波が図５（ａ）に示す音響受波部に入射した場合における回折光波の位置を示す図である。
【図７】（ａ）および（ｂ）は、光電変換部から得られる電気信号を示す図である。
【図８】第１の実施形態の光マイクロホンの実験例の構造を示す図である。
【図９】実験例における音響波を検出した場合の出力波形を示す図である。
【図１０】音響波を検出しなかった場合の出力波形を示す図である。
【図１１】第１の実施形態による光マイクロホンの別の形態を示す図である。
【図１２】音響波１が空気から伝搬媒質部３へ屈折伝搬する様子を示す図である。
【図１３】音響受波部の他の形態を示す図であって、ホーンを有する音響受波部を示す図である。
【図１４】音響受波部の他の形態を示す図であって、伝搬媒質部からなるホーンを有する音響受波部を示す図である。
【図１５】音響受波部の他の形態を示す図であって、開口に区切りを有する音響受波部を示す図である。
【図１６】本発明による光マイクロホンの第２の実施形態を示す概略的な斜視図である。
【図１７】（ａ）から（ｃ）は、第２の実施形態における、光波と回転遮光板との位置関係を示す図である。
【図１８】（ａ）から（ｅ）は、第２の実施形態において、回転遮光板の角度を変えた場合における、回転遮光板と回折光波との位置関係を示す図である。
【図１９】第２の実施形態の他の例を示す図であって、回転可能に支持される光電変換部を示す模式的な図である。
【図２０】本発明による光マイクロホンの第３の実施形態を示す概略的な図である。
【図２１】本発明による光マイクロホンの第４の実施形態を示す概略的な斜視図である。
【図２２】従来の光マイクロホンを示す図である。
【図２３】従来の他の光マイクロホンを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
（第１の実施形態）
以下、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。図１は、第１の実施形態の光マイクロホン１０１の構成を概略的に示す斜視図である。なお、本願明細書において、「伝搬方向」とは音響波等がある直線に沿って伝搬する場合において、基準線や基準面に対する直線のなす角度をいい、「伝搬の向き」とは、その直線上において、音響波等が近づく向きであるか遠ざかる向きであるかをいう。「伝搬方向」および「伝搬の向き」が特定される場合「伝搬方位」が定まる。
【００２８】
１．光マイクロホン１０１の構成
光マイクロホン１０１は、その外部を音響波１が伝搬する環境流体で囲まれている。環境流体は、たとえば空気であるが、他の気体であってもよいし、水などの液体であってもよい。光マイクロホン１０１は、音響受波部２と、光源４と、光電変換部６とを備える。環境流体を伝搬する音響波１は、音響受波部２に受波され、音響受波部２内を伝搬する。光源４から出射する光波５は、音響受波部２を透過することによって、音響受波部２を伝搬する音響波１と作用する。音響受波部２を透過した光波５は光電変換部６によって検出される。本実施形態では、以下において詳細に説明するように、音響波１の伝搬方向を含む音響波１の情報を検出するために光電変換部６が複数の光電変換素子７−１〜７−１２を有している。
【００２９】
（光源４）
光源４は、音響受波部２に向けて光波５を出射する。音響受波部２を透過した光波５は光電変換部６に入射する。この際、光波５の光路と音響波１の伝搬方向が一致した場合、音響波１の信号を検出することができない。そのため、光波５の伝搬方向と音響波１の伝搬方向とは少なくとも交差することが好ましい。より好ましくは、光波５の光路と音響波１の伝搬方向とは互いに垂直である。
【００３０】
光波５が音響受波部２を透過する必要があるので、音響受波部２での伝搬ロスが大きくならないように、光波５の波長を選ぶ必要がある。以下において説明するように音響受波部２の伝搬媒質部３としてシリカ乾燥ゲルを用いる場合、光源４の波長は６００ｎｍ以上であることが好ましい。
【００３１】
光波５はコヒーレントな光であってもよいし、インコヒーレントな光であってもよい。ただし、レーザー光のようなコヒーレントな光であるほうが、回折光波の干渉が生じやすく、音響波１を検出しやすい。
【００３２】
光源４は、たとえば、レーザー光源で構成される。光源４は、レーザー光源と光ファイバとで構成しても良い。この場合、光波５は光ファイバの出力端から出力される。
【００３３】
（音響受波部２）
音響受波部２は、伝搬媒質部３と支持部９とを含む。
【００３４】
・伝搬媒質部３
伝搬媒質部３は、光波５が入射および出射する１対の主面３ａ、３ｂと、１対の主面３ａ、３ｂ間に位置し、環境流体から音響波１が入射する少なくとも１つの側面を有する。本実施形態では、音響波１が入射する側面３ｃ１、３ｃ２、３ｃ３、３ｃ４、３ｃ５、３ｃ６を有している。以下、これらの側面をまとめて参照するときは側面３ｃ１〜３ｃ６と記す。側面３ｃ１〜３ｃ６のそれぞれは、平面形状を有しており、好ましくは、同じ形状で同じ面積を有する。側面３ｃ１〜３ｃ６から伝搬媒質部３に入射した音響波１が平面波として伝搬し、音響波１の伝搬方向が同定しやすくなるからである。伝搬媒質部３は、側面３ｃ１〜３ｃ６以外に、１対の主面３ａ、３ｂ間に位置する側面３ｄ、３ｅ、３ｆを有している。
【００３５】
音響波１は、伝搬方向に応じて側面３ｃ１〜３ｃ６のいずれかから伝搬媒質部３の内部へ入射し、音響波１が伝搬媒質部３内を伝搬し、伝搬媒質部３を透過している光波５を横切る。側面３ｃ１〜３ｃ６から伝搬媒質部３を透過している光波５までの距離は互い等しいことが好ましい。以下において説明するように、側面３ｄ、３ｅ、３ｆから音響波１は入射しない。また、本実施形態では、伝搬媒質部３を透過している光波５に垂直な面内の、光波５の周りの１８０°の角度において、音響波１の伝搬方向を検出することができる。
【００３６】
音響波１が入射する側面が設けられている光波５の周りの角度が一定であれば、側面の数は、多いほど、伝搬方向および向き（進行方向）、つまり、音響波１の伝搬方位を正確に特定することが可能となる。これらのことから、側面３ｃ１〜３ｃ６は、音響媒質部３を透過する光波５の光軸を中心軸とする正多角形柱の側面であることが好ましい。
【００３７】
図１Ｂに示すように、伝搬媒質部３において、音響波１が入射する面は１つであってもよい。この場合、音響波１は、入射可能角度において、曲面形状の側面３ｃ’を有していることが好ましい。より具体的には、側面３ｃ’は伝搬媒質部３を透過している光波５の光軸を中心軸とする円柱側面の一部であることが好ましい。側面３ｃ’の任意の位置から光波５の光軸までの距離を等しくできるからである。
【００３８】
効率よく音響波１を伝搬媒質部３に入射させるため、環境流体と音響媒質部３との音響インピーダンス差は小さいことが好ましい。音響インピーダンスは、音響波が伝搬する物質の密度とその物質における音速の積であらわすことができる。ガラスやアクリルなどの通常の固体材料では、空気との音響インピーダンスの差が大きいため、入力界面で大部分が音響波が反射してしまい、音響波を効率よく内部に取り込むことができない。
【００３９】
本実施形態では、音響媒質部３として、シリカ乾燥ゲルを用いることが好ましい。シリカ乾燥ゲルの密度は、７０ｋｇ／ｍ3以上２８０ｋｇ／ｍ3以下であり、シリカ乾燥ゲルの音速は空気中の音速よりも小さく、５０ｍ／ｓｅｃ以上１５０ｍ／ｓｅｃ以下程度である。たとえば、１００ｋｇ／ｍ3の密度および５０ｍ／ｓｅｃの音速を有するシリカ乾燥ゲルを用いた場合、音響インピーダンスは、空気の音響インピーダンスの１１．３倍程度となる。このため、界面での音響波１の反射は７０％にとどまり、音響波１のエネルギーの３０％程度が界面で反射されずに、シリカ乾燥ゲルの内部へ取り込まれる。つまり、空気中の音響波を効率よくシリカ乾燥ゲル内部に取り込むことができる。こうした理由から、伝搬媒質部３を構成する伝搬媒質にシリカ乾燥ゲルを用いることによって、空気中を伝搬する音響波１を効率よく入射させることができる。
【００４０】
また、伝搬媒質部３としては、音響波１が伝搬した際に、入力音圧に対する屈折率変化量Δｎが大きい材料を用いるのが好ましい。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の音圧変化に対しての屈折率変化量Δｎは１.０×１０-7程度と大きく、そのため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。
【００４１】
・支持部９
支持部９は、伝搬媒質部３を支持する。このために支持部９は、音響波用の開口９ａおよび開口９ａにつながる内空間を有し、内空間に伝搬媒質部３が配置され、支持される。伝搬媒質部３の側面３ｃ１〜３ｃ６は開口９ａにおいて露出しており、環境流体と接している。環境流体を伝搬する音響波１は開口９ａ中の側面３ｃ１〜３ｃ６のいずれかから伝搬媒質部３に取り込まれる。また、支持部９は、開口９ａ以外の領域において、伝搬媒質部３の１対の主面３ａ、３ｂ間を覆う遮音部９ｂを有する。
【００４２】
図２（ａ）から（ｃ）は、伝搬媒質部３を透過している光波５に垂直な面内の、光波５の周りにおける、開口９ａと遮音部９ｂとの位置関係を示している。図２（ａ）に示すように、光波５の周りの１８０°の角度において遮音部９ｂが設けられている場合、開口９ａは、光波５の周りの１８０°の角度において伝搬媒質部３露出する。この場合、開口９ａが位置する１８０°の角度全体において、音響波１の伝搬方向および向きを検出することできる。
【００４３】
また、図２（ｂ）に示すように、光波５の周りの１８０°よりも大きく３６０°よりも小さい角度θにおいて、遮音部９ｂが設けられている場合、開口９ａは、光波５の周りの（３６０−θ）°の角度において伝搬媒質部３露出し、この角度全体において、音響波１の伝搬方向および向きを検出することできる。
【００４４】
一方、図２（ｃ）に示すように、光波５の周りの０°よりも大きく１８０°よりも小さい角度θにおいて、遮音部９ｂが設けられている場合、開口９ａは、光波５の周りの（３６０−θ）°の角度において伝搬媒質部３露出する。しかし、この場合、開口９ａが設けられた角度より狭いθの範囲において、音響波１の伝搬方向および向きを検出することができ、この角度の領域を挟むそれぞれ（１８０−θ）°の領域では、伝搬方向を検出することはできるが、向きを検出することはできない。つまり、遮音部９ｂが設けられた角度以上の角度で音響波１の伝搬方向および向きを検出することはできない。
【００４５】
角度θの大きさは、本実施形態の光マイクロホン１０１に求められる用途に応じた仕様によって決定し得る。
【００４６】
このように、遮音部９ｂが光波５に垂直な面内の、光波５の周りを１８０°以上覆っている場合には、音響波１の伝搬方向および向きを検出することできる。一方、遮音部９ｂが光波５に垂直な面内の、光波５の周りを０°よりも大きく１８０°よりも小さい角度θで覆っている場合には、角度θの範囲でしか音響波１の伝搬方向および向きを検出するこができないが、より広い範囲で音響波が伝搬しているかどうかを検出することができる。たとえば、４５°≦θ≦９０°を満たすようにθを決定することによって、２７０°以上３１５°以下の範囲で音響波１の伝搬を検出することでき、４５°以上９０°以下の範囲において、音響波１の伝搬方向および向きを検出することできる。
【００４７】
支持部９を遮音部９ｂと一体的に構成する場合、音響波１を遮音することができる材料によって支持部９を構成することが好ましい。そのため、シリカナノ多孔体のような音響インピーダンスが環境流体のインピーダンスに近い材料ではなく、ガラス、アクリル、金属など通常の固体材料を用いればよい。支持部９は光源４から出射する光波５に対して透明であることが好ましい。そのため、ガラスやアクリルなどの透明材料を用いるのが好ましい。金属のような透光性のない材料を用いる場合には、伝搬媒質部３の一対の主面３ａ、３ｂの一部が露出するように、光波５の入射する位置及び出射する位置に光波５より十分大きいサイズの孔を設け、そこから光波５を入出射させれば良い。
【００４８】
（光電変換部６）
光電変換部６は、複数の光電変換素子を含む。好ましくは、複数の光電変換素子は、１点を中心として円周方向に配列されている。本実施形態では、光電変換部６は光電変換素子７−１〜７−１２を含む。光電変換素子７−１〜７−１２は、それぞれ、等しい扇形状を有しており、扇形の頂点を合わせて円周方向に配列されている。図１Ａに示すように、扇形の頂点が光波５の光軸に位置するように、光電変換部６は光源４に対し配置される。このため光電変換素子７−１〜７−１２は、音響受波部２を透過した光波５の周りに等角度で配置されている。
【００４９】
好ましくは、光波５の周りにおける、光電変換素子７−１〜７−１２の各境界の方位は、伝搬媒質部３の側面３ｃ１〜３ｃ６の各境界の方位と一致している。たとえば、図１Ａに示すように、光波５を中心とし側面３ｃ１と遮音部９ｂとの境界を０°の方位とした場合、光電変換素子７−１と光電変換素子７−２との境界、および、側面３ｃ１と側面３ｃ２との境界はいずれも３０°の方位に位置している。他の光電変換素子の境界の方位も、対応する側面の境界の方位と一致している。
【００５０】
以下において説明するように、本実施形態の光マイクロホン１０１は、音響受波部を透過することによって音響波１の伝搬方向に生じる、＋１次回折光波および−１次回折光波のいずれか一方を検出し、音響波の伝搬方向および向きを検出する。光波５に垂直な面内において、＋１次回折光波および−１次回折光波は光波５に対して対称な位置、つまり、光波５に対して１８０°異なる方位に生成する。したがって、音響波の伝搬方向および向きを検出するために、光電変換部６は、光波５に対して１８０°以下の範囲で光電変換素子を配置すればよい。
【００５１】
開口９ａが光波５の周りに１８０°より小さい角度で設けられている場合には、開口９ａが設けられている方位の範囲内にのみ光電変換素子を配置してもよいし、この方位の範囲の、光波５に対して点対称となる方位の範囲内にのみ光電変換素子を配置してもよい。また、遮音部９ｂが光波５の周りに１８０°より小さい角度で設けられている場合には、遮音部９ｂが設けられている方位の範囲内にのみ光電変換素子を配置してもよいし、この方位の範囲の光波５に対して点対称となる方位の範囲内のみ光電変換素子を配置してもよい。
【００５２】
たとえば、図１Ａに示す光マイクロホン１０１の場合、光電変換素子７−１〜７−１２のうち、光電変換素子７−１〜７−６、または、光電変換素子７−７〜７−１２を設けなくてもよい。
【００５３】
光波５の周りに３６０°の範囲で光電変換素子を設ける場合、光波５に対して対称な位置になる一対の光電変換素子から得られる電気信号を足し合わせてもよい。この場合、２つの電気信号のうち一方の位相を反転させる。これによって、より大きな検出信号を得ることができる。
【００５４】
なお、本実施形態では光電変換素子７−１〜７−１２は扇形の形状を有しているが、必ずしも円を分割した形状でなくてもよく、円周方向に配置される限り、他の形状であってもよい。光電変換素子の数も図示した数に限られない。また、光電変換素子７−１〜７−１２の面積も等しくなくてよい。また、光電変換素子７−１〜７−１２のそれぞれを複数の光電変換素子から構成してもよい。たとえば、より小さな光電変換素子を配置し、前述した光電変換素子と同様の形状にグルーピングし、グループ内の光電変換素子の出力信号を足し合わせて取得することで、これらのグループを一つの光電変換素子７−１〜７−１２の１つとして動作させてもよい。
【００５５】
２．光マイクロホン１０１の動作
次に、動作について説明する。図１に示すように、空気中を伝搬する音響波１は、開口９ａを介して伝搬媒質部３の側面３ｃ１〜３ｃ６から取り込まれ、伝搬媒質部３の内部を伝搬する。光源４より出力された光波５は、伝搬媒質部３に入射され、伝搬媒質部３中で音響波１と接触する。
【００５６】
図３は、伝搬媒質部３中で音響波１と光波５が接触する様子を示している。伝搬媒質部３中での音響波１の波長をΛとし、周波数をｆとする。また、光源４から出射される光波５の波長をλとし、周波数をｆ0とする。伝搬媒質部３中を音響波１が伝搬することにより、伝搬媒質部３の伝搬媒質の密度が変化し、それに応じて屈折率が変化する。つまり、音響波１の伝搬に伴い、波長Λに相当する周期で屈折率が変化する屈折率分布パターンが、音響波１の伝搬方向に伝搬する。これに、光波５が接触すると、音響波１による屈折率分布パターンは回折格子のようにふるまう。このため、音響波１と接触した後に伝搬媒質部３から出射する光波５には、回折光波が含まれる。音響波１が伝搬する方向に回折する光波を＋１次回折光波５ａ、音響波１が伝搬する方向と逆向きに回折する光波を−１次回折光波５ｃと呼び、また、回折されずにそのまま出射する光波を０次回折光波５ｂと呼ぶ。音響波１の音圧が大きい場合には、２次以上の高次の回折光波も出力する。以下では、高次回折光波が無視できる場合を考え、図３に示す３つの回折光波を用いて説明する。
【００５７】
音響波１は伝搬媒質部３中を図３において矢印で示す方向に伝搬するため、屈折率分布パターンによる回折格子も運動量を持って音響波１の伝搬方向に伝搬する。このため、屈折率分布パターンによる回折光はドップラーシフトを受ける。具体的には、＋１次回折光波５ａの周波数はｆ0＋ｆとなり、−１次回折光波５ｃの周波数はｆ0−ｆとなる。０次回折光波５ｂは回折されないため、０次回折光波５ｂの周波数は伝搬媒質部３に入射される前と同じくｆ0のままである。また、＋１次回折光波５ａと−１次回折光波５ｃの位相は互いに反転しており、１８０°位相が異なっている。
【００５８】
０次回折光波５ｂと＋１次回折光波５ａ、または、０次回折光波５ｂと−１次回折光波５ｃを干渉させると、周波数がｆである差周波光成分が発生する。これを光電変換部６において光電変換すると、周波数ｆの電気信号が得られる。この電気信号は音響波１を電気信号に変換したものである。なお、音響波１の音圧が大きく、高次の回折光波が生じる場合には、光電変換部６から出力される電気信号には高調波が重畳する。
【００５９】
図４は、伝搬媒質部３を透過した光波５の回折光を、光波５の伝搬方向に垂直な面において、光電変換部６から音響受波部２に向かう向き（光波５の出射方向とは逆の方向）から見た図である。＋１次回折光波５ａおよび−１次回折光波５ｂの回折角が大きい場合や音響受波部２からの距離が大きい場合、図４（ｂ）に示すように＋１次回折光波５ａと−１次回折光波５ｃとは互いに重ならず分離している。しかし、＋１次回折光波５ａおよび−１次回折光波５ｂの回折角が小さい場合や音響受波部２からの距離が小さい場合には、図４（ａ）に示すように、＋１次回折光波５ａと−１次回折光波５ｃとは互いに一部が重なる。
【００６０】
＋１次回折光波５ａと０次回折光波５ｂとの干渉光、および、−１次回折光波５ｃと０次回折光波５ｂとの干渉光を同時に光電変換部６で受光すると、二組の干渉光の位相が１８０°ずれているため、互いに相殺して信号を検出することができない。このため、図４（ａ）に示すように、＋１次回折光波５ａと−１次回折光波５ｃとが互いに重なり、かつ０次回折光波５ｂと重なる領域５ｆでは、干渉光が検出できない。図４（ａ）および図４（ｂ）のいずれの場合も、図中に示した領域５ｄ、５ｅにおいては、音響波に応じて強度が変化する干渉光が得られる。
【００６１】
＋１次回折光波５ａおよび−１次回折光波５ｂが生じる方向は、音響波１が伝搬する方向と一致する。このため、０次回折光波５ｂである音響受波部２を透過した光波５の周りにおいて、領域５ｄ、５ｅによる干渉光を検出すれば、＋１次回折光波５ａおよび−１次回折光波５ｂが生じている方向が特定でき、音響波１が伝搬する方向も特定できる。
【００６２】
以下、分かりやすさのため、図５（ａ）に示すように、伝搬媒質部３の形状が正六角形柱であり、正六角形の側面３ｃ１〜３ｃ６に音響波１が入射した場合に発生する＋１次回折光波５ａと０次回折光波５ｂとの干渉光を説明する。図６（ａ）から（ｆ）は、音響波１が側面３ｃ１〜３ｃ６のそれぞれから伝搬媒質部３に入力される様子と、その音響波１1〜１6と光波５とが接触して＋１次回折光波５ａおよび−１次回折光波５ｃが発生する際の回折光波の位置関係を示している。
【００６３】
図６（ａ）から（ｆ）に示すように、＋１次回折光波５ａおよび−１次回折光波５ｂは、０次回折光波５ｂに対して、音響波１の伝搬方向にシフトした位置に生じ、音響波１の伝搬方向が変われば、＋１次回折光波５ａおよび−１次回折光波５ｂが発生する方向も変化する。したがって、図５（ｂ）に示すように、側面３ｃ１〜３ｃ６の方位に対応した方位に光電変換素子７−１〜７−６が設けられた光電変換部６で、＋１次回折光波５ａおよび−１次回折光波５ｃを受光した場合、光電変換素子７−１〜７−６のうちの特定の２つの光電変換素子から得られる電気信号の強度が大きくなる。したがって、これらの光電変換素子が位置する方向から音響波１が伝搬していることがわかる。たとえば、側面３ｃ１から音響波１が入射する場合、光電変換素子７−１、７−４から最も大きな電気信号が出力される。また、側面３ｃ２から音響波１が入射する場合、光電変換素子７−２、７−５から最も大きな電気信号が出力される。このように、音響波１が入射する側面の位置に対応した位置にある光電変換素子および、その光電変換素子と光波５に対して対称な位置に配置された光電変換素子において、最も強度の大きい電気信号が得られる。
【００６４】
図６（ａ）および図６（ｄ）からわかるように、音響波１の伝搬方向が互いに逆向き（１８０°異なる）である場合、＋１次回折光波５ａと−１次回折光波５ｃとの位置が逆転するだけで、同じ配置になっているのがわかる。そのため、音響波１が側面３ｃ１から入射する場合および側面３ｃ４から入射する場合、いずれも光電変換素子７−１、７−４ｄかもっとも強度の大きい信号が得られる。そのため、音響波１が側面３ｃ１から入射したか側面３ｃ４から入射したかを信号強度から判別することはできない。同様の理由で、互いに逆向きに伝搬する２つの音響波１を区別して検出することはできない。
【００６５】
上述したように、＋１次回折光波５ａと０次回折光波５ｂとの干渉光、および、−１次回折光波５ｃと０次回折光波５ｂとの干渉光は互いに位相が逆転している。このため、音響波１の信号の位相があらかじめわかっていれば、光電変換素子７−１と光電変換素子７−４の出力信号の位相を音響波１の位相と比較し、同相か逆相かを特定することにより、伝搬の向き、つまり方位を特定することは可能である。しかし、音響波１の位相があらかじめ分かっていることは、一般的ではない。このため、この方法で音響波１の伝搬の向きを同定することは困難である。
【００６６】
本実施形態の光マイクロホン１０１はこの点を考慮し、図２を参照して説明したように、音響受波部２に遮音部９ｂを設け、伝搬媒質部３に入射する音響波の方位を制限する。上述したように、光波５の周りの１８０°以上の角度において遮音部９ｂを設ける場合、図２（ａ）、（ｂ）に示すように、開口９ａは、光波５の周りの１８０°以下の角度において伝搬媒質部３露出し、開口９ａが位置する１８０°以下の角度全体において、音響波１の伝搬方向および向きを検出することできる。一方、光波５の周りの１８０°以上の角度において遮音部９ｂを設ける場合には、遮音部９ｂが設けられた角度内において、音響波１の伝搬方向および向きを検出することができる。
【００６７】
上述したように、音響波１の伝搬方向および向きは、図１Ａに示す光電変換部６において、光電変換素子７−１から７−６のいずれ得られる電気信号の強度を比較することにより検出できる。図７は光電変換素子から得られる電気信号の波形を模式的に示している。
図７（ａ）に示すように、音響波１が伝搬していない場合、あるいは、音響波１の伝搬方向とは異なる方向に位置する光電変換素子７から得られる電気信号には、音響波１の振幅成分は含まれない。これに対し、音響波１が伝搬しており、音響波１の伝搬方向に位置する光電変換素子７から得られる電気信号には音響波１の振幅成分が含まれる。したがって、図７（ａ）に示す信号と図７（ｂ）に示す信号の差異を検出できればどのような方法によって、音響波１の伝搬方向および向きを特定してもよい。たとえば、光電変換素子７−１から７−６から得られる電気信号をハイパスフィルタに通過させることにより直流（ＤＣ）成分をカットすれば、音響波１が伝搬する方向および向きに位置する光電変換素子７からのみ電気信号が得られる。このため、光電変換素子７−１から７−６を伝搬媒質部３の側面３ｃ１〜３ｃ６の方位に対応させることにより、音響波１の伝搬方向および向きが特定できる。
【００６８】
図１Ａに示すように、光電変換部６からの出力に基づき、伝搬方向を決定する伝搬方向定部５１を光マイクロホン１０１は備えていてもよい。伝搬方向決定部５１は、光電変換部６の光電変換素子７−１〜７−６からの電気信号を受け取り、音響波１の伝搬方位を基準方向からの角度φで表す信号を出力する。
【００６９】
たとえば、図１Ａに光電変換素子７−１と光電変換素子７−１２との境界を基準とし、時計まわりに方位をとる。光電変換素子７−１〜７−６の方位を、それぞれの素子の円周方向の中心値とし、表１に示すように、方位に対応させる。伝搬方向決定部５１５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。
【００７０】
【表１】
2013055599.tif 000003
【００７１】
伝搬方向決定部５１は、光電変換部６から出力を受け取り、メモリを参照して、光電変換素子７−１〜７−６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、音響波の伝搬方位が検出される。
【００７２】
２つ以上の光電変換素子で電気信号が所定の強度以上である場合、電気信号の強度の大きさに基づき平均を求め、方位を決定してもよい。
【００７３】
また、図７（ｂ）に示すように、光電変換素子から得られる電気信号には、音響波１の振幅成分が含まれるため、光電変換部６によって音響波１も検出できる。また、光電変換部６の光電変換素子７−１〜７−６の出力は独立しているため、環境流体中を複数の方向から音響波が伝搬している場合において、特定の方位の音響波を分離して検出することが可能である。なお、この場合、光電変換素子７−１と光電変換素子７−７等、光波５を中心として対称な位置にある２つの光電変換素子からは位相が反転した干渉光による電気信号が得られる。このため、これら２つの電気信号を加算してしまうと、位相差によって音響波１の信号成分は相殺されてしまう。
【００７４】
このように本実形態の光マイクロホンによれば、音響波受波部に遮音部を設け、音響波が音響波受波部に入射する方位を制限するため、複数の光電変換素子を含む光電変換部を用いて、音響波の伝搬方向および向き（方位）を特定することができる。また、固体の伝搬媒質中に音響波を入射させ、光波と音響波とを作用させることによって音響波を検出するため、空気の対流などの影響を抑制することができる。また、伝搬媒質が固体であるため、音響波が伝搬媒質部を伝搬することによって生じる屈折率変化が大きくなり、高い感度で音響波を検出することができる。また、音響波による変調成分を０次回折光波と＋１次回折光波または−１次回折光波との干渉成分として検出するため、干渉成分の光量変化が検出すべき音響波に対応する。したがって、レーザードップラー振動計のように大掛かりな光学系を用いなくても、簡単な光電変換素子を用いれば干渉成分を検出することが可能となる。このため、光マイクロホンの構成を小型かつ簡単にすることができる。
【００７５】
（光マイクロホンの実験結果）
本願発明者は、本実施形態の光マクロホンを試作し、実験を行った。図８に試作した光マイクロホンを示す。
【００７６】
伝搬媒質部３としては、１０８ｋｇ／ｍ3の密度および５１ｍ／ｓｅｃの音速を有するシリカ乾燥ゲルを用いた。シリカ乾燥ゲルはゾルーゲル法により作製した。具体的には、テトラメトキシシラン（ＴＭＯＳ）をエタノールなどの溶媒と混合したゾル液に触媒水を加え、加水分解および縮重合反応によって湿潤ゲルを生成し、得られた湿潤ゲルに疎水化処理を施した。湿潤ゲルを２０ｍｍ×２０ｍｍ×５ｍｍの直方体形状の内空間を有する型に充填し、超臨界乾燥により乾燥させ、２０ｍｍ×２０ｍｍ×５ｍｍの直方体形状の伝搬媒質部３を得た。正方形の面を光波５の入出射面とし、５ｍｍ×２０ｍｍの面の内の隣り合う２面を音響波１が入力される側面３ｃ１、３ｃ２とした。
【００７７】
支持部９は厚さ３ｍｍの透明なアクリル板によって形成した。支持部９は２０ｍｍ×２０ｍｍ×５ｍｍの直方体形状の内空間を有し、隣り合う２つの側面に、５ｍｍ×２０ｍｍのサイズを有しする開口９ａを設け側面３ｃ１、３ｃ２を露出させた。
【００７８】
光源４には、波長６３３ｎｍのＨｅ−Ｎｅレーザーを用いた。光波５を光源４から出射させ、支持部９の正方形の面に垂直に入射させた。音響受波部２を透過した光波を光電変換部６で検出した。光源４と音響受波部２との距離は約１５ｃｍであった。光波５のスポット径は約０．６ｍｍであった。
【００７９】
光電変換部６としては、簡単のため、２つの光電変換素子７１、７２を含むものを用いた。音響受波部２と光電変換部６との距離は２５ｃｍであった。光電変換素子７１、７２とし、シリコンダイオードによるフォトディテクタを用いた。光電変換素子７１、７２は、光波５の光軸（中心軸）に対して対称となるようにｙ方向に配置した。
【００８０】
光電変換部６の出力をオシロスコープに入力し、ｙ軸の負の方向へ伝搬する音響波１ａを音響受波部２に入射させ波形の観察を行った。４０ｋＨｚの周波数を有し、１５波の正弦波からなるバースト信号をツイータに入力し、音響波を環境流体である空気に出射させた。オシロスコープで観察された波形を図９に示す。これより、入力した音響波１ａに対応する波形が得られることが確認できた。これは、光電変換素子７１、７２が、０次回折光波５ｂに対して＋１次回折光波５ａおよび−１次回折光波５ｂの生じる方向にシフトして配置されているためである。また、光電変換素子７１および７２信号は逆相になることも確認できた。
【００８１】
次に、音響波１ａとは垂直な方向に伝搬する音響波１ｂを入力して、光電変換素子７１の出力波形の観察を行った。オシロスコープで観察された波形を図１０に示す。この場合には、音響波１ｂに対応する信号は確認されなかった。これは、光電変換素子７１が、０次回折光波５ｂに対して＋１次回折光波５ａおよび−１次回折光波５ｂの生じる方向にシフトして配置されていないためである。
【００８２】
図９および図１０より、本実験による光マイクロホンを用いて波形を観測することにより、音響波１の伝搬方向を特定することができることが確認できた。
【００８３】
本実験では、簡単のため光電変換部６を２つの光電変換素子７１、７２から構成したが、図１１に示すように、９０°の角度を有する頂点を合わせるように、４つの光電変換素子７１、７２、７３、７４が配置された光電変換部６を用いれば、ｙ軸の負の方向へ伝搬する音響波１ａに加えて、ｘ軸の負の方向へ伝搬する音響波１ｂを検出することができる。
【００８４】
（音響受波部の他の構成）
音響受波部２を構成する伝搬媒質部３の形状が図１Ａに示すように多角形柱状を有する場合、音響波１が側面３ｃ１〜３ｃ６のいずれかに入射する際に、側面の端部において回折波を生じるなどして、音響波１が隣接する側面にも入射することが考えられる。特に、伝搬媒質部３を構成する材料の密度ρnおよび音速Ｃnが空気の密度ρaおよび音速Ｃaに対して以下の式（１）を満たす場合、音響波１が反射を伴わずに伝搬媒質部３の内部に屈折伝搬する場合がある。
2013055599.tif 000004
【００８５】
図１２は音響波１が空気と伝搬媒質部３の境界面を伝搬する様子を示している。音響波１が反射を伴わずに伝搬媒質部３の内部に屈折伝搬するのは、音響波１の入射角θaが式（２）を満たす場合である。
2013055599.tif 000005
【００８６】
たとえば、伝搬媒質部３の密度が１００ｋｇ/ｍ3、音速が５０ｍ/ｓｅｃの場合、音響波１の入射角θa＝８５．４°の場合に屈折角θn＝８．４°で伝搬媒質部３の内部に屈折伝搬する。
【００８７】
音響波１が側面３ｃ１〜３ｃ６のいずれかに対して垂直に入射し、伝搬媒質部３の内部を伝搬する際、側面の端部で生じる回折波が、上述の入射角度に近い角度で隣接する側面に入射すると、音響波１は側面３ｃ１〜３ｃ６のいずれかの側面およびこれに隣接する側面のいずれからも伝搬媒質部３に入射する。このため、音響波１の伝搬方向の同定が困難になる場合も考えられる。
【００８８】
このような隣接する側面からの音響波１の入射が問題となる場合には、音響波１の回折波が隣接する側面に入射しない構造を音響受波部２に設ければよい。
【００８９】
たとえば、図１３に示すように、支持部９の開口９ａにおいて、側面３ｃ１〜３ｃ６のそれぞれに対応したホーン１６を設け、音響波１の回折波が隣接する側面に入射しないようにしてもよい。また、図１４に示すように、ホーン１６を伝搬媒質部３で構成することも可能である。
【００９０】
さらに図１５に示すように、支持部９の開口９ａに区切り１７を設け、音響波１の回折波の伝搬を抑制してもよい。区切り１７は開口９ａを複数の開口部分に分割し、伝搬媒質部３が支持部９の開口９ａから露出している伝搬媒質部３の各側面とこれに隣接する側面と境界３ｈを覆っている。区切り１７の高さｈは、側面の幅Ｄに対して、ｈ≧Ｄ・ｔａｎθaを満たしていることが好ましい。また、区切り１７は側面３ｃ１〜３ｃ６と接していることが好ましい。区切り１７は、伝搬媒質部３が平面によって構成される複数の側面を有している場合だけでなく、図１Ｂに示すように、曲面形状の側面３ｃ’に設けてもよい。
【００９１】
このように、ホーン１６や区切り１７を設け、音響波１の回折波が隣接する側面に入射しないようにすることによって、不要波を抑制しながら音響波１を正確に伝搬媒質部３内を伝搬させることができ、より正確に音響波１の伝搬方位を検出することが可能となる。
【００９２】
（第２の実施形態）
以下、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。図１６は、第２の実施形態の光マイクロホン１０２の構成を概略的に示す斜視図である。光マイクロホン１０２は、音響受波部２と、光源４と、回転遮光板１１と、光電変換部１２とを備える。光マイクロホン１０２は、光電変換部１２が１つの光電変換素子を含み、回転遮光板１１を備える点で第１の実施形態と異なる。
【００９３】
光マイクロホン１０２は、回転遮光板１１を用いて光波５の一部を方向を変えながら遮光し、光電変換部１２で光波５を検出する。
【００９４】
以下、回転遮光板１１および光電変換部１２を詳細に説明する。
【００９５】
（回転遮光板１１）
回転遮光板１１は、音響受波部２を透過した光波５の一部を遮光する位置に配置する。回転遮光板は１１、光波５を透過しない材料で構成され、光波５の光軸（中心軸）周りに回転する回転機構を備える。
【００９６】
光波５は、回転遮光板１１の一つの稜線を境界として、一部が遮光され、残りの部分が遮光されずに伝搬する。この稜線を遮光稜１３と呼ぶことにする。遮光稜１３は直線である方が好ましい。音響波１の伝搬方向の同定が行いやすからである。遮光稜１３は、図１７（ｂ）に示すように、光波５の光軸を通るように配置した場合に、光電変換部１３から得られる電気信号に音響波１の成分が最も多く含まれる。このため遮光稜１３は光波５の光軸を通る（交差する）のが好ましい。しかし、遮光稜１３を、図１７（ａ）および図１７（ｃ）に示すように光波５の光軸からずらして配置しても、振幅は小さくなるものの、音響波１を検出することが可能である。回転遮光板１１は、光波５の光軸を回転中心として、回転する機構を備える。回転遮光板１１を回転させながら光電変換部１２から電気信号を取得してもよいし、任意の角度で調整し停止させて電気信号を取得してもよい。
【００９７】
（光電変換部１２）
光電変換部１２は、光波５よりも十分に大きい受光面を有する光電変換素子を含み、回転遮光板１１で遮光されずに伝搬する光波５を受光する。また、光電変換部１２は、回転遮光板１１の遮光稜１３の回転角の情報をリアルタイムで取得する。光電変換部１２の出力信号は、遮光稜１３の回転角の情報と対応付けて検出・記録される。
【００９８】
次に、図１８を参照しながら光マイクロホン１０２の動作を説明する。
【００９９】
図１８（ａ）から（ｅ）は、種々の回転角度にある回転遮光板１１と、音響波１が伝搬媒質部３を透過している音響受波部２を光波が透過することにより生じる、＋１次回折光波５ａ、−１次回折光波５ｃおよび０次回折光波５ｂの位置との関係を模式的に示している。音響波１は、図においてｙ軸を負の方向へ伝搬している。このとき、回転遮光板１１の遮光稜１３の角度をｘ軸に対して時計まわりにφととる。回転遮光板１１の遮光稜１３は０次回折光波５ｂの光軸を通っている。
【０１００】
図１８（ａ）から（ｅ）に示すように、＋１次回折光波５ａおよび−１次回折光波５ｃは０次回折光波５ｂに対して音響波１の伝搬方向の伝搬する方向側および逆側に生成する。
【０１０１】
図１８（ａ）に示すように、φ＝０°である場合、回転遮光板１１は＋１次回折光波５ａと０次回折光波５ｂとが交わる領域を遮光しており、０次回折光波５ｂと−１次回折光波５ｃとが重なる領域５ｅが光電変換部６に検出される。このため、音響波１によって変調された領域５ｅからの干渉光のみが検出される。
【０１０２】
図１８（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）に示すように、回転遮光板１１の回転角度φが大きくなると、回転遮光板１１によって領域５ｅの一部が遮られ、０次回折光波５ｂと＋１次回折光波５ａとが重なる領域５ｄからの干渉光が検出されるようになる。回転角度φが大きくなるにつれて、領域５ｅの面積が小さくなり、領域５ｅから得られる干渉光の光量も低下する。一方、領域５ｄの面積は大きくなり、領域５ｄから得られる干渉光の光量が増大する。
【０１０３】
図４を参照して説明したように、領域５ｅから得られる干渉と、領域５ｄから得られる干渉光とは互いに位相が逆転しているため、これらを同時に光電変換部１２で検出すると、音響波１の信号成分の一部は相殺され、検出されなくなる。
【０１０４】
このため、回転角度φが大きくなるにつれて、光電変換部１２から得られる電気信号中の音響波１の成分の振幅が小さくなる。図１８（ｅ）に示すように、φ＝９０°になると、領域５ｅおよび領域５ｄの面積が等しくなるため、光電変換部１２から得られる電気信号中の音響波１の成分はゼロとなる。この時、遮光稜１３は音響波１の伝搬方向と平行である。
【０１０５】
このように、回転遮光板１１の回転角度φが０°のとき、光電変換部１２から得られる電気信号の振幅が最大となり、９０°のとき、電気信号が最少となる。つまり、電気信号の振幅が最大となるとき、遮光稜１３が音響波１の伝搬方向に対して垂直に位置しており、電気信号の振幅が最少となるとき、遮光稜１３が音響波１の伝搬方向に対して平行に位置する。遮音部９ｂによって、回転角度φが１８０°以上３６０°以下に相当する方位から音響波１は音響受波部２に入射しない。したがって、光電変換部１２の電気信号の振幅が最少となるときの角度φが音響波１の伝搬方位と一致する。
【０１０６】
本実施形態では、回転遮光板１１を用いて光電変換部１２入射する光波の一部を制限し、また、遮光する領域を回転させていた。しかし、回転遮光板１１を用いる代わりに、光電変換部１２に回転機構を持たせても同様の操作を行うことができる。この場合、図１９に示すように、光電変換部１２は光波５の一部を受光する位置に配置し、光波５の光軸を中心として回転させることによって同様の効果を得ることができる。この場合、光電変換部１２の受光面を規定し、光波の光軸に近接した辺１２ｅが遮光稜として機能する。
【０１０７】
このように、本実施形態の光マイクロホンによれば、回転遮光板の角度、あるいは光電変換部の回転角度に応じて、光電変換部から得られる電気信号強度が変化し、信号強度の変化は、遮光領域と、回折光波の位置、つまり音響波の伝搬方向と対応している。したがって、回転遮光板の角度または光電変換部１２の回転角度から音響波１の伝搬方位を特定することができる。
【０１０８】
（第３の実施形態）
以下、本発明による光マイクロホンの第３の実施形態を説明する。図２０は、第３の実施形態の光マイクロホン１０３の構成を概略的に示す斜視図である。光マイクロホン１０３は、音響受波部２と、光源４と、光電変換部６と、ビームスプリッタ１５と、ミラー１４とを備える。光マイクロホン１０３は、ミラー１４によって光波５が２回、音響受波部２を透過する点で第１の実施形態とは異なる。
【０１０９】
ビームスプリッタ１５は光源４と音響受波部２との間に設けられ、ミラー１４は、音響受波部２の光源４とは反対側に設けられる。このため音響受波部２はビームスプリッタ１５とミラー１４との間に位置している。ミラー１４は、音響受波部２の光源４とは反対側の面に密着して設けられていることが好ましい。
【０１１０】
光マイクロホン１０３では、第１の実施形態と同様に、空気中を伝搬する音響波１を、側面３ｃ１〜３ｃ６から伝搬媒質部３の内部に取り込む。光源４より出射された光波５は、ビームスプリッタ１５を透過し、音響受波部２の伝搬媒質部３に入射する。伝搬媒質部３中で光波５は音響波１と作用しながら音響受波部２から出射し、ミラー１４に到達する。
【０１１１】
光波５はミラー１４によって反射され、再び音響受波部２の伝搬媒質部３を透過する。このため、光波５は、作用長が２倍である伝搬媒質部３を透過しているように、ミラー１４に到達するまでの往路、および、ミラー１４からの反射による復路において一体的に音響波１と作用する。その結果、伝搬媒質部３からビームスプリッタ１５へ向けて出射する際に、２倍の作用長の伝搬媒質部を透過したのと同程度の回折効果で、０次回折光波、＋１次回折光波および−１次回折光波が生じる。これらの光波を含む光波５は、ビームスプリッタ１５に入射され、ビームスプリッタのハーフミラーによって光電変換部６へ向けて反射される。
【０１１２】
光電変換部６に到達する光波５には、第１の実施形態と同様、＋１次回折光波５ａ、０次回折光波５ｂ、−１次回折光波５ｃの３つの光波が存在する。ただし、＋１次回折光波５ａおよび−１次回折光波５ｃの強度は、伝搬媒質部３を一度透過する際に得られる回折光波の強度の２倍になっている。
【０１１３】
光電変換部６を用いて音響波１の伝搬方向および向き（方位）を特定する方法は、第１の実施形態と同様である。光電変換部６の代わりに第２の実施形態の光電変換部１１２および回転遮光板１１を用いて音響波１の伝搬方向および向き（方位）を特定してもよい。
【０１１４】
本実施形態の光マイクロホンによれば、光波５がミラー１４で反射されることにより、伝搬媒質部３内を往復して伝搬するため、より大きな回折効果が得られる。このため、伝搬媒質部３の厚さが同じである場合には、第１の実施形態よりも感度の高い光マイクロホンを提供することができる。
【０１１５】
（第４の実施形態）
以下、本発明による光マイクロホンの第４の実施形態を説明する。図２１は、第４の実施形態の光マイクロホン１０４の構成を概略的に示す斜視図である。光マイクロホン１０４は、音響受波部２の遮音部９ｂが設けられた方位が異なる２組の光マイクロホン１０１’、１０１’’を備えている。
【０１１６】
光マイクロホン１０１’は、光源４と、音響受波部２と、光電変換部６と、ビームスプリッタ１５とを備えている。また、光マイクロホン１０１’’は、音響受波部２と、光電変換部６と、ミラー１４とを備えている。
【０１１７】
ビームスプリッタ１５は光マイクロホン１０１’の光源４と音響受波部２との間に設けられ、光源から出射した光波５の一部をミラー１４へ向けて出射する。光マイクロホン１０１’’は、ミラーによって反射された光波５の音響受波部２’へ入射させる。
【０１１８】
光マイクロホン１０１’の音響受波部２の開口９ａと光マイクロホン１０１’’の音響受波部２’’の開口９ａ’’とは互いに対向しないように配置されている。具体的には、光マイクロホン１０１’の音響受波部２の開口９ａが光波５の周りの１８０°の角度で設けられており、音響受波部２の遮音部９ｂが設けられた範囲で、光マイクロホン１０１’’の音響受波部２’’の開口９ａ’’が設けられている。
【０１１９】
このように２つの光マイクロホンを配置することによって、光波５の周りの３６０°の範囲で音響波１の伝搬方向および向きを特定することができる。
【０１２０】
本実施形態では、光マイクロホン１０１’’は光源４を備えていないが、ビームスプリッタ１５およびミラー１４に代えて、光マイクロホン１０１’’は他の光源４を備えていてもよい。また、光マイクロホン１０１’、１０１’’として第２、第３の実施形態の光マイクロホン１０２、１３を用いてもよく、光マイクロホン１０１’と光マイクロホン１０１’’とは、同じ形態であってもよいし、互いに異なる形態であってもよい。
【０１２１】
本実施形態の光マイクロホンによれば、３６０°の方位で音響波１の伝搬方向および向きを特定することが可能であり、特に伝搬方位が不明である音響波の検出および伝搬方位の特定に好適に用いられる。
【産業上の利用可能性】
【０１２２】
本発明の光マイクロホンは、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計測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。
【符号の説明】
【０１２３】
１  音響波
１ａ、１ｂ  音響波
２  音響受波部
３  伝搬媒質部
４  光源
５  光波
５ａ  ＋１次回折光波
５ｂ  ０次回折光波
５ｃ  −１次回折光波
５ｄ、５ｅ  検出領域
６  光電変換部
７  光電変換素子
７−１〜７−１２、７１〜７４  光電変換素子
９  支持部部
１１  回転遮光部
１２  光電変換部
１３  遮光稜
１４  ミラー
１５  ビームスプリッタ
１６  ホーン
１０１  出射系光学部品
１０２  受光系光学部品
２０１  開口部
２０２  音響導波路
２０３  光音響伝搬媒質
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】
2013055599.tif 000025
【図２０】
2013055599.tif 000026
【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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