CN102150439B

CN102150439B - 换能器系统装置及方法

Info

Publication number: CN102150439B
Application number: CN200980135485.2A
Authority: CN
Inventors: 巴尔塔扎·菲舍尔
Original assignee: Knowles Electronics Asia Pte Ltd
Current assignee: Knowles Electronics Asia Pte Ltd
Priority date: 2008-09-12
Filing date: 2009-09-10
Publication date: 2015-04-22
Anticipated expiration: 2029-09-10
Also published as: US20110170117A1; DK2338287T3; JP5667980B2; JP2012502576A; CN102150439A; KR101295941B1; EP2338287A1; KR20110059639A; US20140153930A1; EP2338287B1; WO2010029509A1; US9641941B2; US20150358742A1

Abstract

一种用于将声学信号(102)转换成电信号(104)的装置(100)，其中所述装置(100)包括：干涉仪(106)，所述干涉仪包括两个反射镜(108)，用于将电磁辐射(112)至少部分反射耦合到反射镜(108)之间的空间(110)内，其中所述声学信号(102)将被耦合到该空间(110)中，以根据声学信号(102)来影响电磁辐射(112)；电磁辐射检测器(112)，所述电磁辐射检测器适用于检测受影响的电磁辐射(112)并且将检测到的受影响电磁辐射(112)转换成表示该声学信号(102)的电信号(104)；以及工作点稳定单元(118)，所述工作点稳定单元适用于稳定所述装置(100)的工作点。

Description

换能器系统装置及方法

技术领域

本发明涉及一种将声音信号转换为电信号的装置。

除此之外，本发明涉及一种将声学信号转换为电信号的方法。

此外，本发明涉及一种程序单元。

另外，本发明涉及一种计算机可读介质。

背景技术

录音设备变得越来越重要。特别是越来越多的用户购买通信设备、耳机录音机和移动计算系统。

麦克风可被表示为声电换能器或者传感器，将声音信号转换为电信号。麦克风可以在许多应用领域中使用，例如电话、磁带录音机、助听器、电影制作、现场和录制音频工程、无线和电视广播、用于录制声音的计算机，以及用于诸如超声波检查等的非声学目的。

普通的设计采用响应于声压振动的薄膜。随后将这种运动转变成电信号。传统音频用麦克风利用电磁生成(动圈式麦克风)、电容变化(电容式麦克风)或者压电生成从机械振动中产生信号。

JP 60018100公开了利用一种向声波传播介质发射激光的装置以及激光检测装置组成麦克风以直接检测传播介质的密度变化。激光发射装置发出的激光束由分光器分为两路。第一束传播通过固体介质，第二束传播通过声波的传播介质。两束激光由反射器和分束器合成，合成束的强度由光检测装置来检测。响应于声压的变化产生介质的密度变化。这样产生了光束传播速度的变化以及相位的变化。然后，利用束间的系统化和干涉，以合成束强度变化的形式检测声压。

US 6,590,661公开了在光学透明或者半透明介质中，通过检测由声波造成的介质光学特性的变化来遥感声波的方法。例如，实现能够在距离声源一定距离的地方感测到声音的麦克风。感测传播声波之后接收到的光束衰减或者相位变化，并把它转换成电信号或者其他信号。对于衰减法，选择能够被介质组分极大衰减的波长作为所感测光束的波长，以至于可以通过变化的光衰减来检测由声压波造成的介质变化的瞬间压力，所述光衰减由沿光路空气变化的密度造成。对于相移法，利用由声波造成的空气变化的密度来改变光速及其相位，并且能够通过干涉装置来检测。

JP 5227597中公开了，为了获得低失真、宽带、宽动态范围的麦克风，不得包括接收声波的振动膜。将声波输入至声学输入部件，该部件是松开的并且其中含有空气。激光束在一对反射镜之间来回运动，所述反射镜是法布里-珀罗干涉仪的组成部分，以便与声波交叉。激光束的光路长度每次随与声波声压相对应的空气粗糙度/光洁度变化而光学地、等效地变化，并且光接收装置捉住了这一变化。

然而，传统的光学麦克风依然缺乏检测声音信号的精确性，特别是当环境条件变化的时候。

发明内容

本发明的目标是提供一种能够足够精确地检测声波的换能器。

为了实现上述目标，提供了根据独立权利要求所述的一种用于将声学信号转换为电信号的装置，一种将声学信号转换为电信号的方法，一种程序单元以及一种计算机可读介质。

根据本发明示例实施例，提供了一种将声学信号转换成电信号的装置(例如类似于麦克风的声电换能器)，其中所述装置包括：干涉仪，该干涉仪包括(特别是由其组成)例如两个(特别是只有两个)平行排列的(特别是反射面彼此相对且彼此平行地设置的)固定(例如非柔性并且不可动)的反射镜，适用于将电磁辐射(例如光)至少部分地反射耦合于反射镜之间的空间内(特别是在所述反射镜之间多次反射电磁辐射)，其中声学信号将被耦合(或者引入)在所述空间中，以根据声学信号来影响(或者操控)电磁辐射(特别是典型地改变电磁辐射的至少一个性能作为声学信号的物理性能的结果，进而该物理性能体现声学信号内容的特性)；电磁辐射检测器，适用于检测被影响(或被操控)的电磁辐射，并且适用于将检测到的受影响的电磁辐射转换成能够表示该声学信号的电信号(例如携带包含在声学信号中的信息)；以及工作点稳定单元，适用于稳定所述装置的工作点(例如在装置外部条件变化时，例如像气压等环境条件的变化，或者在装置内部条件变化时，诸如连续改变装置的某一构件，例如电磁辐射检测器和/或电磁辐射源)。

根据本发明另一个示例实施例，提供了一种将声学信号转换为电信号的方法，其中所述方法包括：将电磁辐射反射耦合在干涉仪的两个反射镜之间的空间内；将声学信号耦合(特别是与电磁辐射同时，使得声波与电磁辐射能够同时传播通过由两个平行反射镜定义的区域)进入所述空间，以便根据声学信号来影响电磁辐射；检测受影响的电磁辐射；将检测到的受影响的电磁辐射转换成表示声学信号的电信号；以及将所述方法稳定在当前工作点处。

依然根据本发明的另一个示例实施例，提供了一种程序单元(例如软件程序，以源代码或者可执行代码的形式)，当由处理器执行时，该程序单元用于控制或者执行具有上述特征的工作点稳定方法。

还是根据本发明另一个示例实施例，提供了一种计算机可读介质(例如CD、DVD、U盘、软盘或者硬盘)，计算机程序存储在其中，当被处理器执行时，所述程序用于控制或者执行具有上述特征的数据处理方法。

根据本发明实施例执行的用于换能目的的数据处理可以通过计算机程序来实现，也就是通过软件；或者通过一个或者多个专用的电子优化电路来实现，也就是通过硬件；或者通过组合的形式，也就是通过软件部件和硬件部件。例如，还可以采用ASIC(专用集成电路)、微控制器、微型计算机或者FPGA(现场可编程门阵列)来实现本发明的实施例。

术语“声学信号”可以具体地表示携带声学信息的机械波，诸如语音、音乐或者其他声音。在物理上，声波可被视为按照语音移动的小的压力变化。该声学信号的频率范围既可以覆盖人类可察觉的频率范围，然而也可以覆盖次声信号和超声信号。

术语“电磁辐射”可以表示任何具有期望波长的光子。因此，电磁辐射可以光速传播，其中传播的具体速度依赖于电磁辐射传播通过的介质。这种电磁辐射束可以具体地是可见光束(例如波长范围在400nm至800nm之间)，可以是红外辐射、紫外辐射，或者可以诸如X射线等的其他波长范围。

术语“电信号”可以具体地表示在沿线路范围(wire-bound)传播路径传播的电流或者其他电荷载流子中编码的信号。例如，电子可以是电信号的载体。

术语“干涉仪”可以具体地表示采用电磁波干涉的仪器，特别是光波，用以测量电磁辐射传播通过的介质的特性。因此，它可以表示测量电磁辐射干涉(以及相关现象)的装置。更具体地是，波形的干涉可用于此目的。干涉法是叠加(干涉)两个或者多个波的技术，以便检测它们之间的差异。

术语“两个平行排列的固定反射镜”可以具体地表示两个、更具体地是只有两个，以预定距离彼此间隔的并且在空间上固定的反射镜。这些反射镜可以具有彼此面平行的结构，使得在其中一个反射镜表面反射的电磁辐射能够在两个反射镜之间传播多次以提高干涉效果，使得所得到的电磁辐射能够反映包含在两个反射镜之间空间中的声波(以及压力)特性内的信息。该反射镜可以具有反射面，所述反射面反射大多数例如95％的撞击在反射面上的光。反射镜可以具有平面的(即平坦的)或者弯曲的(例如凹面)反射面。两个反射镜的可以实施例为|...|、(...)、|...)、(...|等。

术语“工作点”可以具体地表示装置的工作特性，即可以表示装置如何响应输入信号。当等同的光学和声学输入信号导致了变化的输出时，可以出现工作模式的变化，即变化的电信号。

术语“稳定”可以具体地表示系统可以识别已变化的实际工作模式并且采取必要的步骤驱动系统返回目标工作模式或者基准工作模式，其中系统以期望的方式或者已调整的方式进行响应。

根据示例实施例，利用在反射镜之间多次传播的电磁辐射束作用由两个反射镜形成的干涉仪。当载有声学内容或者声学信息的声波引入到在反射镜之间所限定的空间时，采样空间(同时也是电磁辐射传播通过的介质)中的实际压力特性可以及时变化，并且根据声学信号的内容发生特征性地改变。通过对作为与声音信号作用结果的干涉仪中的电磁辐射进行采样，可以允许产生输出检测器信号，该信号是所述声学信号内容的特性。因此，提供了一种光学麦克风，由于采用由两个平行排列的固定反射镜形成的干涉仪，所述麦克风具有非常高的精确度。由于这种结构不需要采用机械移动的部件，因此可以省略诸如分束器之类的复杂且沉重的光学元件以及分束的电磁辐射束沿其传播的参考路径。因此，制造所付出的努力可以保持很小，并且可以增加机械稳定性。此外，可调性和信噪比是有利的，并且能够以紧凑模式制造麦克风。由于在传统麦克风中可能出现的磁场或类似因素不会对装置的性能产生负面影响，因此它还可以方便地集成在其他设备中。

换能器中干涉仪的实现基于以下要点：即促进多个部分光束的干涉，使得检测精度非常高。由于这些技术手段，麦克风能够非常精确地检测很高的声学频率(高达20KHz及以上)，能够制造成具有高机械稳定性的紧凑模式(例如在半导体技术中单片集成)。稳定性保证了麦克风不偏离期望的工作点，所述偏离可以源于诸如大气压力等变化的环境条件。因此，甚至能够在苛刻的条件下使用根据示例实施例所述的装置。

下面将阐释本装置的其他示例实施例。然而，这些实施例还可应用于方法、程序单元和计算机可读介质。

工作点稳定单元适用于通过监测至少一个参数来稳定工作点，特别是通过监测表示装置当前工作点的电信号(或者是电信号的一部分，例如电信号的直流路径)，当确定当前工作点偏离预定目标工作点时，控制所述装置使得工作点回到目标工作点。所述装置的优选实施例涉及所述换能器系统工作点的稳定。这可以包括通过采取若干手段补偿外界影响的变化，特别是通过向电路反馈换能器的电输出，如果期望或者需要，可以改变系统的工作模式或者工作参数(例如给光源供电的驱动电流)以稳定所述装置的工作点。

干涉仪可以是法布里-珀罗干涉仪。这种法布里-珀罗干涉仪或者标准具是由两个平行的强反射镜组成的。在这两个反射镜之间，可以存在诸如空气的介质，能够与产生待检测声波的声音源声学耦合。然而，作为空气的替代品，许多其他介质也可以传播声波。这种替代介质例如可以是其他气体、水、血液(如用于医疗应用的装置的实施例，例如医疗探头)，其他液体、凝胶或者固体。

法布里-珀罗干涉仪的根据波长的透射谱表现出与标准具共振相对应的较大透射的峰值。根据示例实施例，在换能器中使用法布里-珀罗干涉仪是非常有利的，因为它允许紧凑、结实和简单的结构，体现了合适的性能。

两个平行排列的固定反射镜适用于将光多次反射耦合到反射镜之间的空间内。因此，该系统可以操作可见光，并且提供了简单的结构，因为在本发明的示例实施例中，光源、光学检测器以及相应的光学元件是可获得的并且可以通过一种简单的方式实现。可能需要使用基本上相干单色光以提高干涉效果。

替代地，干涉仪可以是G-T(Gires-Tournois)干涉仪，它是一种设计用于产生色散的光学驻波谐振器。前反射镜是反射的，而后反射镜具有高反射性。这里，辐射源和检测器设置在同侧。

在所述装置中使用的电磁辐射检测器例如可以包括光电二极管。光电二极管可以表示为响应于照明而改变其电性能的半导体二极管。更具体地是，光电二极管是其电性能是光敏的半导体双端部件。

电磁辐射检测器可以直接(例如两者之间没有任何夹层或者部件)附着到这两个反射镜之一上。换言之，可以将检测器，例如光电二极管，安装或者装配在其中一个反射镜的表面上，由于安全地避免了光学位移，因此能够提供非常紧凑的结构以及高的精确度。在其他实施例中，可以在反射镜和检测器之间存在一个夹层或者涂层，例如抗反射层。

该装置还可以包括电磁辐射源，用于产生与耦合到反射镜之间空间的电磁辐射。这种电磁辐射源可以是例如采用电流在相应的激励下产生诸如光的电磁辐射的部件。产生电磁辐射的电学机制可以是特别有利的，因为它允许通过调节电激励信号(例如电流)来控制电磁辐射源的发射特性。

电磁辐射源可用于产生具有高频载波的电磁辐射。当电磁辐射在高频载波(例如20MHz)上调制时，可以显著地提高相应检测系统的信噪比。因此，利用这种手段，可以高精度地操作光学麦克风。

电磁辐射源可以直接(例如两者之间没有任何部件或者夹层)附着到这两个反射镜之一上。特别是，电磁辐射检测器和电磁辐射源中的一个附着到这两个反射镜之一上，这两个部件的另一个则附着到这两个反射镜的另一个上。这样允许获得非常紧凑和精确的具有短传播路径的光学麦克风，因为光引入和光检测在空间上彼此靠近地执行。在其他实施例中，可以在反射镜和光源之间存在夹层或者涂层，例如抗反射层。

作为替代，可以将光源、反射镜和光检测器实现为一个公共块，例如将这些元件集成在诸如硅块的半导体块中。

电磁辐射源可以包括激光器，特别是可以包括垂直腔面发射激光器(VCSEL)。这种VCSEL是一种半导体激光二极管，带有垂直于顶部表面的激光束发射。替代地，其他实施例一可以使用边发射半导体激光器，从通过从硅片中解理出单个芯片形成的表面发射。VCSEL可以是有利的实施例，因为它制造便宜，在大范围波长上可控，并且尺寸小。采用激光器可以保证使用的是相干单色光。

替代地，电磁辐射源可以包括分布反馈激光器，其中激光器的有源区是衍射光栅结构。所述光栅，已知为分布布拉格反射器，在分布布拉格散射期间给激光器提供光学反馈，因此不使用分立的反射镜来形成光学谐振腔。

电磁辐射源可以包括另外的电磁辐射检测器，集成在或者附着到电磁辐射源上，也就是说功能地分配给电磁辐射源。例如，一个附加的光电二极管可以嵌入电磁辐射源中，以便提供一个组合的“源与辅助检测器构件”。除了由主检测器提供的第一差分放大器输入之外，还可以将该辅助检测器的信号用于差分放大器作为第二差分放大器输入，并且该辅助检测器的信号能够表示在电磁辐射源的位置处的辐射特性。利用这种差分信号分析能够进一步提高精确度。

因此，所述装置也可以包括差分放大器，其第一输入与电磁辐射检测器相连，其第二输入与另外的电磁辐射检测器相连，其输出处提供能够表示声学信号的电信号。所获得的差分信号可以与来自电磁辐射源或者用于操作电磁辐射源的电源的干扰噪音无关。

所述装置还可以包括刚性连接元件，刚性地将这两个平行排列的固定反射镜彼此相连，并且限定所述反射镜之间的空间。诸如棒或者类似的刚性连接元件可以连接两个反射镜，使之具有确定的间距，使得所述确定的间距不能无意地改变。通过提供这种刚性连接元件，使得即使在苛刻的条件下也可以使用光学麦克风，诸如在移动电话中或者任何其他光学麦克风可以是机械冲击或者类似目标的便携装置中。通过刚性地连接两个平行排列的反射镜且其间具有空气间隙，能够安全地避免机械冲击发生时光学系统不希望的误差。

所述装置还可以包括电信号分离器，适用于将电信号分离为直流(DC)分量和交流(AC)分量，其中交流分量被视为表示声学信号。例如，这种电信号分离器可以是偏置器(交流耦合)，向分析电路提供交流分量，以便以电学形式导出声学信息。与此相反，可以在反馈电路中分析直流分量，以便控制向光源供电的电源。偏置器可被表示为一种多路器，具有呈“T”形的三个端口，其中足够高的频率(诸如20Hz至100kHz)水平地通过T形而较低频率旋转90°。这种偏置器可以简单地由一个电容器和一个线圈组成。

所述装置可以包括反馈电路(包括一个或者多个连接在反馈回路中的电子构件)，由所得到的直流分量供电。所述反馈可以适用于确定装置的工作点(或者运行点)，可以从直流分量中导出所述工作点并且用于控制电磁辐射源以便将工作点调节至预定基准(或者目标)工作点。这种反馈回路可以是一种电路，将电信号分离器的输出耦合回至电磁辐射源的电源。在这种反馈电路中，设置有多个有源和/或无源电子部件或者集成电路(诸如ASIC或者FPGA)，分析直流分量以确定“真实的”实际工作点是否偏离“期望”目标或者基准工作点，并且可以相应地改变致动变量。这种电路可以是比例微分积分(PID)调节电路。在这种情况下，调节系统被驱动返回至期望工作点，例如通过改变电磁辐射源电源的电功率信号(具体地是电流)，改变诸如激光二极管的发射波长之类的发射特性。反馈回路的控制响应时间可以相对较慢，例如在毫秒范围(如20ms至100ms)。

在另一个实施例中，设计所述反馈回路使得控制响应时间是快速的，也就是说在微秒范围(如5μs至50μs)。

通过采取这种措施，由于不同温度、空气压力或者类似因素造成的环境变化可以至少部分地，优选地是全部地，被补偿(值得注意的是通过标准具的传输函数是周期性的)。

所述装置可以单片集成在基板中。例如，一种装置用半导体技术制造，更具体地是硅技术或者陶瓷技术。因此，所述装置的部分或者全部部件可以采用沉积、刻蚀、光刻或者其他程序单片集成在半导体衬底中。这样允许非常紧凑结构的装置。

所述装置可以形成任何声学系统的一部分，特别是在便携装置中实现。例如，一个实施例可以是麦克风、音频环绕系统、移动电话、头戴式耳机、双耳式耳机回放设备、扬声器回放设备、助听器、电视机、录像机、监视器、游戏设备、笔记本电脑、音频播放器、DVD播放器、CD播放器、硬盘媒体播放器、收音机、互联网广播设备、公共娱乐设备、MP3播放器、高保真音响系统、交通工具娱乐设备、汽车娱乐设备、医疗通信系统、医疗设备(例如血液探头)、随身携带设备、语音通信设备、家庭影院系统、家庭剧院系统、平板电视设备、气氛创造设备、辅助低音喇叭或者音乐厅系统或者其中的一部分。因此，所述装置可用于微型光学麦克风是有利的各个情况。特别是，小尺寸和便宜的装置可以适用于诸如移动电话等便携装置应用，其中需要结实、精确、便宜的麦克风。

本发明的一个实施例提供了一种没有振动膜的光学麦克风。省略振动膜可以具有以下优势：即麦克风不受到基于振动膜的设计限制。例如，基于振动膜的系统不得不考虑材料的种类或者几何限制，诸如膜与背电极之间距离、后部体积(back volume)、共振、背电极的开孔、光学麦克风所要求的刚度和表面性能等。本发明的实施例还克服了由光学麦克风振动膜的非均匀伸长造成的传统的信号平均效应。因此，提供了一种用于将声学信号(诸如语音、音乐或者其他噪声)转换为电信号的电-光-声换能器，所述换能器具有高动态范围、大信噪比、大频率范围和高线性行为。这种麦克风可以不需要任何诸如振动膜之类的机械移动部件。通过采取这种措施，可以克服许多由于振动膜的存在而造成的多个问题，特别是与本体声音(body sound)、后部体积、设计限制以及材料限制相关的不期望的敏感性。本发明的实施例可以对本体噪声较不敏感。这些实施例具有高机械稳定性并且对干扰风声或者类似噪声不敏感。

由于纯粹的光学功能原理，根据本发明示例实施例所述的麦克风不容易干扰电磁场。采用无需光导的法布里-珀罗谐振器可以获得简单的结构，并且不需要参考信号。当采用半导体激光二极管时，特别是VCSEL，可以通过连续改变驱动激光器的电流来调整麦克风的工作点。因此，关于天气、海拔、压力或者温度等外部条件的改变可以得到补偿。通过实现差分信号评估体系，可以使得测量信号不依赖或者更少依赖于不期望的噪声源，诸如激光器噪声。此外，可以通过用高频调制影响供电电流来调制激光二极管的波长，以便获得改进的信噪比。由于可以单片集成到半导体基材上来制造根据实施例所述的麦克风，因此可以微型化所述系统。

在实施例中，法布里-珀罗标准具、光电检测器和VCSEL激光二极管可以组合，用于构建省略了振动膜的麦克风，其中激光器供电电流的变化可以允许维持系统的目标工作点。由于供电电流影响激光器的发射波长，因此可以通过改变波长从而调节装置的工作点来改变经过标准具的传输。结论是，电磁辐射源的供电电流可用于调节工作点。同时，可以利用检测器来评估使用信号(例如频率范围在20Hz至20kHz之间)，获取稳定工作点(例如＜20Hz)的调制信号。通过提供集成调制回路，可以维持最佳工作点。因此，不期望的环境因素将不会对该装置造成负面影响。

可以使用紧邻激光二极管的参考检测器用于差分信号评估。对于参考检测器，还可以在激光二极管中实现光电二极管。

在实施例中，可以实现频率高于使用范围的激光器高频调制以及选择性评估，以便进一步提高信噪比。

根据实施例所述的系统具有高敏感性和高动态范围以及小的本征噪声。可以通过线性方式来转换甚至很高的声压。可以减小或者最小化所谓的机械—热噪声。由于集成制造性，可以以高的成本效益制造所述装置。与可见光相比，可以是其他声波采样探针，例如红外辐射或者紫外辐射。由于在示例实施例中没有参考单元，该结构是简单的、紧凑的。

本发明的上述方面和其他方面在下文所述的实施例示例中是显而易见的，并且将参考这些实施例示例进行阐述。

附图说明

下面将参考实施例的示例更详细地描述本发明，但是本发明不局限于此。

图1、图2和图4示出了根据本发明示例实施例所述的光学麦克风。

图3示出了用以阐述根据本发明示例实施例所述的光学麦克风的工作点的图表。

具体实施方式

图中的说明是示意性的。在不同的图中，用相同的参考符号表示相似或者相同的元件。

图1示出了装置100，用于将声波102转换成电信号104。

装置100用作在移动电话中实现的微型光学麦克风。装置100也可以在其他便携装置(例如掌上电脑、笔记本电脑、耳机、手表、垂饰麦克风、游戏机等)中实现。从图1中可以看出，光学麦克风100单片集成在半导体衬底122上，一些微米技术部件在所述衬底中或衬底上形成。

装置100包括法布里-珀罗干涉仪106，该干涉仪包括具有第一光反射面124的第一反射镜108和具有光反射面124的第二反射镜108。两个反射镜108通过距离d＝0.1mm(当然也可以是其他距离，例如1mm)彼此间隔，并且限定了两者之间的空间110，所述空间与周围环境声学耦合使得源自声源(未示出，例如操作移动电话的使用者的声音，所述装置在该移动电话中的装置100作为麦克风进行安装)的声波102可以在空间110中传播。两个反射镜108彼此面平行排列并且空间上固定，也就是在声波102存在时不会被拉长。换言之，装置100没有任何振动膜或者其他可移动的元件，因此不易受机械干扰影响。反射镜108适用于至少部分反射光束112，所述光束在两个相对的反射镜108之间多次传播并且在反射镜108的反射面124多次反射。从图1中可以看出，声波102与空间110(也可以被表示为采样空腔)声学耦合，以便根据声学信号102的内容影响光束112。

因此，微型系统100首先以操纵传播光束112的形式将声学信号102转换为光学信号，然后转换为电信号104，如下所述。

单片集成装置100包括作为光源的激光器116，用于产生电磁辐射束112并且将电磁辐射束112耦合在空间110中。从图1可以看出，激光器116直接附着到图1左手边的反射镜108上。

除了前述部件，装置100还包括光电二极管104，适用于检测受影响电磁辐射束112并将检测到的受影响电磁辐射束112转换为表示声学信号102的电信号104。因此，所述光电二极管114产生与光子112相互作用的电流信号。受到空间110中由于声波102的存在所造成的压力条件的影响，检测到的光学信号112，由光电二极管114转换为电信号104，携带有包括在声学信号102中的信息或者数据。从图1中可以看出，图1右手边的反射镜108与光电二极管114之间存在直接的机械连接。

从图1中可以看出，电路118单片集成在硅衬底122(当然也可以是其他衬底材料)中。所述单片集成电路118能够分析或者评估由光电二极管114接收的电信号。在外部接口126处，电信号104可被提供给周边设备或者相连设备。

图1示出了光电二极管114和电路118之间的电连接128以及将单片集成电路118与光源116相连的反馈回路130，使得可以实现依赖于经由反馈线130的信号反馈的电源116的供电，从而允许装置100调节至期望工作点。特别是，可以向光源116供电的驱动电流可以被控制用于改变光束112的波长，从而调节标准具106的传输特性，随后影响装置100的工作点。

在替代实施例中，向光源116供电的驱动电流可用作反馈回路130的误差信号，即反馈回路130不与光电二极管114(分别为电信号)相连，而是与光源116相连获取驱动电流。

接下来，参考图2，描述根据本发明另一个示例实施例所述的光学麦克风200。

图2尤其示出了所述电磁辐射源116还包括集成在电磁辐射源116中的另外的光电二极管202。另外的光电二极管202将检测光源116的发射束特有的信号。从图4可以更详细地看出，该信号可以用于差分放大分析，以便进一步提高精确性。

此外，图2示出了为光源116提供可变控制电流的电源204。电源204依次受控于控制电路118，在图2所示的实施例中，所述控制电路是外部电子构件(与图1中的集成方案相反)。

依然参考图2，来自VCSEL激光二极管116的激光束112导引至法布里-珀罗标准具106，所述标准具包括两个绝对刚性的面平行排列的反射镜108。由于这种反射镜结构108，在光电二极管114处形成相长干涉和相消干涉。光电二极管114将撞击光强度转换为成比例的电压，所述电压形成表示声学信号102的音频内容的麦克风200输出信号104的基础。

法布里-珀罗标准具106的传输特性按照下述方式依赖于采样体积110中的电压：当存在小的气压时，只透射很少的光，而在较大气压下透射大量的光。因此，输出电压可被视为正比于所述气压，特别是在合适的近似下线性地正比于所述气压。

可被视为体积110中气压的局部暂时改变的声波102也按照以下方式改变法布里-珀罗标准具106的透射光强：输出电压104正比于输入声波102。

由于诸如海拔和天气等环境影响因素也可以对法布里-珀罗标准具106的透射特性产生不期望的影响，至少部分补偿这种影响是有利的。调制激光112的波长可以实现这种补偿。相应地，增加或者减少激光二极管116的供电电流可以实现这种调制。对于这种调节电路，不需要提供附加检测器，因此可以产生仅基于使用信号检测器114的调节信号。

为了补偿激光器116不期望的强度和相位噪声，可以执行差分信号评估。在这种情况下，将评估透射曲线的正向和反向边缘或者肩部(比较图3中的参考数字306)。具有两个数值的差分信号将不存在不期望的噪声。评估可由两个或者更多的检测器同时执行，或者由单个检测器顺序执行。

也可以用明显不同于(特别是明显高于)测量到的最大声波频率(例如20kHz)的频率来调制光波长。通过适当的信号评估，可以进一步提高光学麦克风200的信噪比。

下面将从物理的角度描述所述系统。

可以用下面艾里函数(Airy function)的形式描述法布里-珀罗标准具106的透射函数T：

T = \frac{I_{L}}{I_{P}} = \frac{1}{1 + \frac{4 R \sin^{2} δ / 2}{{(1 - R)}^{2}}} - - - (1)

其中，T是透射率，I是强度，L表示激光器116(初始强度)，P是用于光电二极管114的参数(最终强度)，R是反射镜108的反射系数(介于0和1之间)。

此外，可以用下面的方式定义δ：

δ = \frac{4 π \cdot d \cdot n}{λ} - - - (2)

在公式(2)中，d是反射镜108之间的距离，n是空气(或者任何其他声音传播介质，例如任何气体、液体或者其他介质)的折射系数，该系数是体积110中气压的函数，以及λ是激光112的波长。

折射系数n不是常数，而是依赖于声音传播介质的压力：

Δn＝Δp·2,8·10^-9/Pa(3)

在公式(3)中，Δn是光折射系数的变化，以及Δp是气压的变化。

激光二极管116的波长λ依赖于供电电流的数值。波长的变化δλ可以按照下面的方式近似：

δλ = k (\sqrt{\frac{I_{0}}{I_{th}}} - 1) - - - (4)

在公式(4)中，I₀是激光二极管116的基极电流，I_th是激光二极管116的阈值电流，以及k是比例常数。

可以用没有模式偏移的VCSEL 116典型地在±100pm的范围内实现供电电流的波长偏移δλ。波长的温度依赖性约为50pm/K。

图3示出了横坐标为302的图表300，δ沿横坐标绘制。沿纵坐标304绘制透射函数(艾里函数)306及其归一化导数308。对于图3，反射系数R假定为0.7。

因此，图3示出了艾里函数。麦克风200的两个工作点分别位于艾里函数的正向边缘和反向边缘，也就是导数308分别处于最大或最小值的位置。

图4示出了根据本发明另一个示例实施例所述的光学麦克风400。

装置400包括刚性连接元件410，刚性地连接两个平行排列的固定反射镜108，限定并且定义反射镜108之间的空间110。反射镜108形成法布里-珀罗干涉仪106，用作图4中的采样构件。

此外，装置400包括诸如偏置器之类的电信号分离器412，用于通过将通过光电二极管114输出的电信号分量分离为直流(DC)分量和交流(AC)分量。交流分量被视为表示声学信号102的实际内容。因此，交流信号分量被提供给差分放大器402的输入404(替代地，例如当没有提供参考检测器202时，可以使用普通放大器或者前置放大器，例如电流或者电压放大器)，将在下文中详细描述。

与此相反，将通过电信号分离器412输出的直流分量提供给调节电路420。所述调节电路420是由向其提供直流分量的反馈回路414的一部分，其中反馈回路414适用于基于直流分量确定装置400的工作点以及控制电磁辐射源116，以便将工作点调节至参考工作点，特别是期望的目标工作点。调节电路420的输出可以用作控制信号，用以控制向激光器116供电的电源204。调节器420是比例微分积分控制器(PID控制器)，用于确保以期望的工作模式操作装置400。

在替代实施例中，工作点的调节可以基于交流信号，也就是说可以向反馈回路414提供调制成激光器电流的交流电流。在此需要相应地选择已调制信号的调制频率(抽样定理)，从而考虑不影响所检测的声学信号102。

装置400还包括差分放大器402，其第一输入404与光检测器114的输出相连(更精确地说，与光检测器114下游的偏置器412的输出相连，使得光检测器114输出信号的交流分量提供给第一输入404)。所述差分放大器402具有第二输入406，与另一个集成在光源116中的光电二极管202的输出相连，以及输出408，其上提供有表示声学信号102的电信号104。差分放大器402用作前置放大器，也可以替代地是锁定放大器。在图4中麦克风输出用参考数字430表示。

源自VCSEL 116的激光撞击在图4左手边的反射镜108上并且部分透射该反射镜108。所得到的光束112随后在两个反射镜108之间反射，在空间110内往复运动。两个反射镜108通过刚性连接元件410以共面的形式彼此相连。依赖于声学场102和装置400已调节的工作点，其中后者通过调节器420和电源204可调，一部分激光112撞击在光电二极管114上。与光强成正比的电信号经由连接线128提供给偏置器412，在这里信号被分离为交流和直流分量。交流分量经由连接450传输至放大器402的输入404并且定义麦克风430的输出。

直流分量经由连接线414提供给调节器420。控制信号经由连接414提供给电流源204以相应地控制光源116。

在光源116中，光电二极管202集成在其中并且产生电信号，该电信号与VCSEL 116的发射强度成正比。这个信号经由连接470提供给放大器402的第二输入406。由差分放大器402生成的差分信号114不依赖于VCSEL 116或者电源204的干扰噪声。

电源204可配置用于高频调制。在这种情况下，放大器402可用作锁定放大器。锁定步骤用于提高信噪比。

调节器420用于工作点的连续维持，所述工作点可以受到外部影响，诸如温度、天气、气压、海拔等的变化，以不期望的方式漂移。根据偏置器412产生的直流信号，调节器420能够产生控制信号，略微增加或者降低来自电流源204的二极管电流。这样可以改变光源116的波长，以在最佳工作点上连续驱动该系统。

从图4中可以看出，光源114直接附着到图4中左手边的反射镜 108，而检测器114直接附着到图4中右手边的反射镜108。

反射镜108涂覆电介质。关于光源116波长的反射率可低(例如10％)可高(例如99.9％)。典型地，反射率为90％。

可选地，反射镜108可由具有高折射率的材料(诸如砷化镓)制造，使得可以通过解理产生菲涅尔反射。

可选地，检测器114可以与光源116处在同一壳体中。

与边发射激光二极管相比，VCSEL 116可以相对于波长在更大的范围上是可调的(也可以根据另一个示例实施例所述实现)。然而，VCSEL具有低的电流消耗并且制造便宜。二极管116的波长可以在可见(VIS)范围(例如670nm)、红外(IR)范围或者紫外(UV)范围。

所有使用的元件都很紧凑，使得麦克风400可以制造为非常小的尺寸(毫米或者亚毫米)。麦克风400还可以单片集成，例如在硅基材上。

控制二极管电流可以实现工作点的稳定。当激光二极管116的电流升高时，激光二极管116的波长增加，反之亦然。经由反馈回路414可操作的调节电路420可以稳定工作点。所述调节可以用低于使用范围(例如低于20Hz或者低于50Hz)的频率来执行并且可以用于环境影响的补偿。可选检测器202可以用作基准检测器202或者可被替代地忽略，在该检测器处将激光直接转换为激光二极管之后的电压。随后，在参考检测器202存在的情况下，形成使用信号(检测器114在法布里-珀罗标准具106之后)与参考信号之间的差，以便补偿电流噪声或者激光二极管116的噪声(也就是说相对强度噪声或者频率噪声)。

在替代实施例中，可以用高频来频率调制辐射源以便补偿不期望的光学反馈，也就是说将寄生激光反射至激光二极管116造成不稳定的激光行为的光学反馈。频率调制的频率范围可以在兆赫范围，例如500MHz。在这一实施例中，可以使用为电磁辐射源116供电的驱动电流作为反馈回路的误差信号。

在另一个替代实施例中，在参考检测器202之前(分别在其之前)可以提供参考标准具，其中参考标准具可被设计为固体标准具。利用这一实施例，可以将激光稳定在其发射频率。

法布里-珀罗标准具106是一种两个面平行排列的刚性不可动反射镜108的结构，其反射率约为90％。距离d可以为5mm，也可以为0.5mm。较大和较小的距离都可以。可以通过衬底的电介质涂覆或者通过沉积银或铝层实现反射特性。替代地，表面可被解理，例如当在硅基上制造器件时。

应当注意，术语“包括”不排除其他元件或者特征，“一个”不排除多个。同样，与不同实施例相关的元件可以组合。

还应当注意，权利要求中的参考符号不应该解释为权利要求的范围。

Claims

1.一种将声学信号(102)转换成电信号(104)的装置，其中所述装置包括：

干涉仪(106)，包括两个平行排列的固定、非柔性并且不可动的反射镜(108)，适用于将电磁辐射(112)至少部分地反射耦合到反射镜(108)之间的空间(110)内，其中所述装置适用于在使用中允许声学信号(102)将被耦合到该空间(110)中，以通过改变该空间(110)中的压力条件、根据声学信号(102)本身来影响电磁辐射(112)；

电磁辐射检测器(114)，适用于检测受影响的电磁辐射(112)，并且将检测到的受影响的电磁辐射(112)转换成表示该声学信号(102)的电信号(104)；

电磁辐射源(116)，适用于产生将被耦合到反射镜(108)之间的空间(110)内的电磁辐射(112)；以及

工作点稳定单元(118)，适用于稳定所述装置的工作点，

其中所述两个反射镜(108)固定且彼此平行对准。

2.根据权利要求1所述的装置，其中所述工作点稳定单元(118)适用于通过监测至少一个参数来稳定工作点，特别是通过监测表示装置的当前工作点的电信号(104)，以及所述工作点稳定单元(118)适用于在确定当前工作点偏离预定目标工作点时，控制所述装置，使得所述工作点回到目标工作点。

3.根据权利要求1所述的装置，其中所述干涉仪(106)是法布里-珀罗干涉仪(106)、或者标准具、或者G-T结构。

4.根据权利要求1所述的装置，其中所述两个反射镜(108)适用于将光反射耦合到反射镜(108)之间的空间(110)内。

5.根据权利要求1所述的装置，其中所述电磁辐射检测器(114)包括光电二极管。

6.根据权利要求1所述的装置，其中所述电磁辐射检测器(114)直接机械地附着到两个反射镜(108)之一。

7.根据权利要求1所述的装置，其中所述电磁辐射源(116)适用于产生在高频范围的载波上调制的电磁辐射(112)。

8.根据权利要求1所述的装置，其中所述电磁辐射源(116)直接机械地附着到两个反射镜(108)之一。

9.根据权利要求1所述的装置，其中所述电磁辐射源(116)包括激光器，特别是包括垂直腔面发射激光器或者分布反馈激光器。

10.根据权利要求1所述的装置，其中所述电磁辐射源(116)适用于在所述两个反射镜(108)之间朝着其中之一产生发散的电磁辐射。

11.根据权利要求1所述的装置，其中所述电磁辐射源(116)包括集成在电磁辐射源(116)中或者附着在电磁辐射源(116)上的另外的电磁辐射检测器(202)。

12.根据权利要求1所述的装置，其中所述工作点稳定单元包括放大器(402)，所述放大器具有与电磁辐射检测器(114)相连的输入(404)、以及其上提供表示所述声学信号(102)的电信号(104)的输出(408)。

13.根据权利要求11所述的装置，包括差分放大器(402)，所述差分放大器具有与电磁辐射检测器(114)相连的第一输入(404)、与所述另外的电磁辐射检测器(202)相连的第二输入(406)、以及其上提供表示所述声学信号(102)的电信号(104)的输出(408)。

14.根据权利要求1所述的装置，包括：刚性连接元件(410)，刚性地将两个反射镜(108)彼此相连并且限定了反射镜(108)之间的空间(110)。

15.根据权利要求1所述的装置，其中所述工作点稳定单元包括：电信号分离器(412)，适用于将由电磁辐射检测器(114)提供的电信号分离为直流分量和交流分量，其中交流分量被视为表示所述声学信号(102)。

16.根据权利要求1所述的装置，其中所述工作点稳定单元适用于调节向电磁辐射源(116)供电的驱动电流，以调节电磁辐射的波长，从而调节所述工作点。

17.根据权利要求1或15所述的装置，其中所述工作点稳定单元包括由直流分量供电的反馈电路(414，420)，其中所述反馈电路(414，420)适用于基于所述直流分量来确定所述装置的实际工作点，以及适用于控制电磁辐射源(116)以朝着预定参考工作点驱动所述装置。

18.根据权利要求1所述的装置，其中所述装置单片集成在基板上。

19.根据权利要求1所述的装置，其中所述两个反射镜(108)中每个反射镜的反射面都面朝所述两个反射镜中另一个反射镜的反射面，以及每个反射镜的非反射面都背对相应的反射面且用抗反射涂层覆盖。

20.根据权利要求1所述的装置，其中所述装置实现为以下之一：麦克风、音频环绕系统、移动电话、头戴式耳机、双耳式耳机回放设备、扬声器回放设备、助听器、电视机、录像机、监视器、游戏设备、笔记本电脑、音频播放器、DVD播放器、CD播放器、硬盘媒体播放器、收音机、互联网广播设备、公共娱乐设备、MP3播放器、高保真音响系统、交通工具娱乐设备、汽车娱乐设备、医疗通信系统、医疗设备、血液探头、随身携带设备、语音通信设备、家庭影院系统、家庭剧院系统、平板电视设备、气氛创造设备、辅助低音喇叭、声学测量系统、声量计、工作室录音系统、压力传感器、超声波传感器以及音乐厅系统。

21.根据权利要求1所述的装置，其中所述装置实现为以下之一：基于软件的设备、采用一个或者多个电子硬件电路的设备、包括软件部分和硬件部分的混合设备、集成硬件芯片以及ASIC。

22.一种将声学信号(102)转换成电信号(104)的方法，所述方法包括：

至少部分地将电磁辐射(112)从电磁辐射源(116)反射耦合在两个平行排列的固定、非柔性并且不可动的反射镜(108)之间的干涉仪(106)的空间(110)中；

所述两个反射镜(108)固定且彼此平行对准；

其中所述方法还包括在使用中将所述声学信号(102)耦合在所述空间(110)中，以通过改变该空间(110)中的压力条件、根据所述声学信号(102)本身来影响所述电磁辐射(112)；

检测受影响的电磁辐射(112)，以及将检测到的受影响电磁辐射(112)转换为表示所述声学信号(102)的电信号(104)；

将所述方法稳定在当前工作点处。