CN102833661A - 一种激光麦克风 - Google Patents

Abstract

本发明涉及传声器技术领域，提供了一种激光麦克风，包括激光发射单元、激光分束单元、激光扩束单元、光学传感器和信号处理单元。激光发射单元朝激光分束单元发射激光束；激光分束单元将激光束分出一路参考光，未被分束的激光束入射到激光扩束单元；激光扩束单元将未被分束的激光束扩束准直后入射到光学传感器上；光学传感器受外界声源影响时调制入射的激光束，被调制的激光束沿入射方向返回，依次经过激光扩束单元和激光分束单元后形成信号光；参考光和信号光入射到信号处理单元，信号处理单元对参考光和信号光进行光电转换和电信号处理，形成可还原出声源声音的电信号。本发明的激光麦克风灵敏度高、抗电磁干扰能力强且能远程无线采集声音。

Description

一种激光麦克风

技术领域

本发明涉及传声器技术领域，特别是涉及一种以激光信号为信息载体的激光麦克风。

背景技术

麦克风已被广泛应用于日常生活中的各个领域，如会场、电话、电脑、对讲系统等。传统的麦克风主要有动圈式麦克风和电容式麦克风，其信号拾取都是以感应膜片随声波而振动并引起电场或磁场的变化，以得到相应的电压输出，该电压输出用于还原声音。其不同点在于：动圈式麦克风的工作原理是利用声波去推动振膜，振膜带动线圈运动，引起磁力线的改变，从而产生微弱的电压；电容式麦克风的工作原理是利用声波推动镀金的振膜，使得电容两极板间的距离发生改变，从而改变麦克风的输出电压。这两种麦克风都是依靠电荷媒介工作，在强电磁场的环境中容易受到电磁干扰而无法正常工作，而且这两种麦克风系统噪音大，灵敏度不够高，无法实现远程无线采集声音。

近几年新兴起的光纤声传感器是一种能够探测声压的压力传感器。光纤声传感器以光为信息载体，光纤为传输载体。光纤声传感器可分为强度型和干涉型两种，强度型光纤声传感器又有透射式和反射式两种。强度型光纤声传感器利用压力改变探测光的强度大小，从而感知压力大小及变化；干涉型光纤声传感器利用压力改变探测光的光程及其相位，使干涉条纹发生变化，从而感知压力大小及变化。强度型光纤声传感器结构简单、操作方便、系统噪音小、灵敏度高，其缺点是光纤价格昂贵且无法远程无线采集声音。干涉型光纤声传感器采用迈克尔逊结构，结构复杂，光学部分需要精密机械，此外其算法模型也复杂、光纤价格昂贵，因此在普通场合下较少使用。同样，干涉型光纤声传感器也无法远程无线采集声音。

还有一种基于MEMS(Micro-Electro-Mechanical Systems，微机电系统)技术的麦克风。MEMS技术融合了多种微细加工技术，广泛应用于压力传感器、加速计、微陀螺仪、墨水喷咀和硬盘驱动头等领域。目前，MEMS技术成熟，可进行小尺寸、大规模、低成本生产。但现在基于MEMS技术的麦克风还是电容调制型的，由声压引起MEMS膜片的振动，膜片振动引起容值的变化，与传统的电容式麦克风相比，只是体积减少了，灵敏度并没有明显提高。

因此，设计一种拾音灵敏度高、抗电磁干扰能力强、可远程无线采集声音并能在恶劣环境中工作的麦克风，是目前亟待解决的问题。

发明内容

本发明针对现有技术的上述缺陷，提供一种激光麦克风，其拾音灵敏度高、抗电磁干扰能力强、可远程无线采集声音并能在恶劣环境中工作。

本发明采用的技术方案是：

一种激光麦克风，所述激光麦克风包括激光发射单元、激光分束单元、激光扩束单元、光学传感器和信号处理单元；所述激光发射单元朝激光分束单元发射激光束；所述激光分束单元将激光束分出一路参考光，未被分束的激光束入射到激光扩束单元；激光扩束单元将未被分束的激光束扩束准直后入射到光学传感器上；光学传感器受外界声源影响时调制入射的激光束，被调制的激光束沿入射方向返回，依次经过激光扩束单元和激光分束单元后形成信号光；所述参考光和信号光入射到信号处理单元，信号处理单元对参考光和信号光进行光电转换和电信号处理，形成可还原出声源声音的电信号。

优选地，所述激光分束单元通过透射将激光束分出一路参考光，未被分束的激光束通过激光分束单元的反射入射到激光扩束单元；被调制的激光束经过激光分束单元透射后形成信号光。

优选地，所述激光分束单元包括分束镜和空间滤波器；所述分束镜放置于从激光发射单元发射的激光束的入射光路上，分束镜与入射光路的角度范围为30～60度；空间滤波器放置于从分束镜透射出的信号光的光路上。

优选地，所述分束镜与入射光路的角度为45度。

优选地，所述分束镜的激光束入射面镀有对激光波长具有高反射率的介质膜。

优选地，所述激光扩束单元为激光扩束镜，所述激光扩束镜为单片光学透镜、双片光学透镜组或多片光学透镜组，所述激光扩束镜的放大倍数范围为2～10倍。

优选地，所述光学传感器包括衬底和振膜，所述衬底和振膜被加工成多个角锥棱镜单元。

优选地，所述衬底和振膜通过MEMS技术被加工成多个角锥棱镜单元，所述衬底的厚度为10微米～100微米量级，所述振膜的厚度为微米量级。

优选地，所述信号处理单元包括第一光电二极管、第二光电二极管和差分放大电路；所述第一光电二极管将参考光的光信号转换成电信号，形成第一电压；所述第二光电二极管将信号光的光信号转换成电信号，形成第二电压；所述差分放大电路将第一电压和第二电压差分放大，形成可还原出声源声音的输出电压。

优选地，所述激光发射单元为发射近红外波长激光的半导体激光二极管。

本发明的激光麦克风基于光强度调制，以激光作为声音信息载体，即使在强电磁场或高频环境下也能正常工作，其拾音灵敏度高、抗电磁干扰能力强、可远程无线采集声音并能在恶劣环境中工作。

附图说明

图1为本发明一优选实施例激光麦克风的结构框图；

图2为图1所示激光麦克风的具体结构示意图；

图3为角锥棱镜传递光线的简化示意图；

图4为由MEMS技术加工制成的光学传感器在显微镜下的放大图。

图标说明：

1激光发射单元，        2激光分束单元，

21分束镜，             22空间滤波器，

3激光扩束单元，       4光学传感器，

41角锥棱镜单元，      5信号处理单元，

51第一光电二极管，    52第二光电二极管，

53差分放大电路，      6激光束，

61主光束，            62参考光，

63信号光。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例提供了一种激光麦克风，该激光麦克风包括激光发射单元、激光分束单元、激光扩束单元、光学传感器和信号处理单元；激光发射单元朝激光分束单元发射激光束；激光分束单元将激光束分出一路参考光，未被分束的激光束入射到激光扩束单元；激光扩束单元将未被分束的激光束扩束准直后入射到光学传感器上；光学传感器受外界声源影响时调制入射的激光束，被调制的激光束沿入射方向返回，依次经过激光扩束单元和激光分束单元后形成信号光；参考光和信号光入射到信号处理单元，信号处理单元对参考光和信号光进行光电转换和电信号处理，形成可还原出声源声音的电信号。

本发明实施例的激光麦克风基于光强度调制，以激光作为声音信息载体，即使在强电磁场或高频环境下也能正常工作，其拾音灵敏度高、抗电磁干扰能力强、可远程无线采集声音并能在恶劣环境中工作。

请参阅图1所示，为本发明一优选实施例激光麦克风的结构框图。该激光麦克风包括激光发射单元1、激光分束单元2、激光扩束单元3、光学传感器4和信号处理单元5。激光发射单元1朝激光分束单元2发射激光束6，激光束6经过激光分束单元2后大部分激光经过反射形成主光束61，小部分激光透射过激光分束单元2被分成参考光62。主光束61被反射到激光扩束单元3上，激光扩束单元3将主光束61扩束准直后入射到光学传感器4。光学传感器4受外界声源影响时调制入射的主光束61，被调制的主光束61沿入射方向返回，并依次经过激光扩束单元3和激光分束单元2后形成信号光63。参考光62和信号光63入射到信号处理单元5，信号处理单元5对参考光62和信号光63进行光电转换和电信号处理，形成可还原出声源声音的电信号U0。其中，光学传感器4受外界声源影响是指外界存在声源时(例如使用该激光麦克风的人发出声音)，将使光学传感器4产生一定的反应，例如光学传感器4带有振膜时振膜会振动。

请参阅图2所示，为图1所示激光麦克风的具体结构示意图。在本实施例中，激光发射单元1采用半导体激光二极管，优选采用发射近红外波长激光的半导体激光二极管，从激光发射单元1发射出来的激光束为该麦克风的声音信息载体。传统的动圈式麦克风或电容式麦克风依靠电荷媒介工作，其在强电磁场的环境中容易受到电磁干扰而无法正常工作，而且这两种麦克风系统噪音大，灵敏度不够高；本发明采用激光作为声音信息载体，在强电磁场的环境中仍能正常工作，系统噪音小，拾音灵敏度高。

激光分束单元2由分束镜21和空间滤波器22组成，分束镜21将激光束6分成主光束61和参考光62，主光束61依次通过激光扩束单元3和光学传感器4后沿入射方向返回，主光束61返回时依次通过激光扩束单元3和激光分束单元2，只有部分光通过分束镜21，形成信号光63。主光束61被光学传感器4调制后，在空间频率分布上是含有一些高频信号的光信号，高频信号一部分是由背景光(也即环境光)产生，一部分是由主光束61自身光信号的高频部分产生的，即对主光束61自身光信号进行傅立叶变换后，2w、3w及3w以上的部分都可以算是高频部分。在应用该光信号之前必须对这些高频信号做出处理，本实施例采用空间滤波器22过滤信号光63中的高频部分，只让信号光63中的低频部分(即傍轴光线)进入信号处理单元5。在本实施例中，空间滤波器22采用小孔硬光阑。

分束镜21放置于从激光发射单元1发射的激光束6的入射光路上，具体摆放时，分束镜21与入射光路的角度范围可以在30～60度之间，优选的角度为45度。本实施例中分束镜21沿入射光路方向呈45度角放置。分束镜21可以采用单片光学元件，也可以采用双片光学元件，或者其他能够实现激光分束的其他元件，任何与此相同功能的技术变形、替换和更改都在本发明的保护范围之内。空间滤波器22放置于从分束镜21透射出的信号光62的光路上，与光路垂直放置。分束镜21的激光束入射面镀有对激光波长具有高反射率的介质膜，优选的，该介质膜对激光波长的反射率在95％以上，一般不宜过高。本发明采用激光扩束单元3对主光束61进行扩束准直，达到远程、未失真地传递光信息的功能。

激光扩束单元3为激光扩束镜，将主光束61扩束准直。激光扩束镜在结构上可以是单片光学透镜、双片光学透镜组或多片光学透镜组。激光扩束镜的放大倍数在2～10倍的范围内效果较好，其功能是对主光束61进行扩束准直，以保证能照射到几米远的光学传感器4上并有足够的光强，同时保证只有与入射方向平行的光学传感器4上射出的出射光可以进入到激光扩束单元3上，而偏离的光线则无法进入激光扩束单元3。

光学传感器4包括衬底和振膜，为非磁性材料，衬底的厚度为10微米～100微米量级，振膜的厚度为微米量级，通过MEMS技术加工成多个角锥棱镜单元41。多个角锥棱镜单元41是指在一定面积的振膜内角锥棱镜单元41能够矩阵排满整个振膜，其个数由具体的振膜面积和角锥棱镜单元41自身的尺寸决定。主光束61入射到振膜上可沿入射方向返回。角锥棱镜在光学上所起的作用是沿入射方向的平行方向反射一束入射光，因此在本实施例中，入射激光(也即主光束61)入射到角锥棱镜单元41将沿入射方向返回。请参阅图3所示，为角锥棱镜传递光线的简化示意图，其中，r₁为入射方向，r₂为第一次反射方向，r₃为第二次反射方向，r₄为出射方向，r₁、r₂、r₃、r₄均为矢量，入射方向r₁和出射方向r₄平行；本领域技术人员都知道角锥棱镜的工作原理，这里不再赘述。图4是由MEMS技术加工制成的光学传感器在显微镜下的放大图，从图中可看出，该光学传感器实际上是一个由许多微小角锥棱镜单元41排成的矩阵，其中每个角锥棱镜单元41的直角边长度不大于50微米，本实施例中为50微米。主光束61被激光扩束单元3扩束准直后，覆盖到远处的振膜上；当外界存在声源时，例如使用该激光麦克风的人发出声音，此时振膜受外部声压的影响产生振动，从而对扩束准直后的主光束61进行光信号调制，而由于角锥棱镜单元41特殊的光学功能，被调制后的主光束61将沿入射方向返回。

由于角锥棱镜单元41的光学功能，光学传感器4被外界声压影响产生振动的时候，振膜上的一些角锥棱镜单元41的法线方向会随振膜的振动而改变，也即入射光对部分角锥棱镜单元41的入射角随振动而变化。在入射光强不变的情况下，沿入射方向反射回去的光强也随之变化，最后进入信号处理单元5的光强也随振动而变化，其关系如公式(1)所示：

I＝∑I_i                    (1)

其中，I为进入信号处理单元5的总光强，I_i为任一角锥棱镜单元41反射回信号处理单元5的子光强。

下面计算如何获得进入信号处理单元5的总光强I。光学传感器4被外界声压影响产生振动的时候，振膜上的一些角锥棱镜单元41的法线方向会随振模的振动而改变，从每个角锥棱镜单元41反射后的子光强都与其振动时的有效反射面积有关。一般地，角锥棱镜单元41的相对有效反射面积和光束入射角的关系如公式(2)所示：

$\mathrm{\η}=\frac{2}{\mathrm{\π}}*({\sin }^{-1}u-\sqrt{2}*u*\tan i_r)*\cos i_0---\left(2\right)$

式中u＝(1-2tan²i_r)^1/2，

η为相对有效反射面积，i₀为光束入射角，i_r为光束折射角，n为角锥棱镜单元41的折射率。

任一子反射器反射回信号处理单元5的子光强I_i与相对有效反射面积η有公式(3)所示的关系：

I_i＝K_l×η                (3)

其中，K_i为比例系数，可由实验测量获得。

由公式(1)、(2)和(3)可以建立数学模型，获得进入信号处理单元5的信号光63的光强。一般地，振膜的半径越大，灵敏度越高；厚度越薄，灵敏度越高。在本实施例中，采用硅为衬底材料，厚度一般为50～200微米；振膜材料为氮化硅或二氧化硅，厚度为1微米。

本发明以激光为声音信息载体，由非磁性材料的振膜采集声音信号，因此即使在强电磁场或高频环境下也能正常工作，而且可远程无线采集声音信号。在本发明另一实施例中，光学传感器4也可以不通过MEMS技术加工制成，而通过普通加工技术加工，并在振膜上涂附油墨，使其光学功能和角锥棱镜相同。

信号处理单元5包括第一光电二极管51、第二光电二极管52和差分放大电路53。第一光电二极管51和第二光电二极管52为光电转换器件，参考光62和信号光63分别照射到第一光电二极管51和第二光电二极管52；第一光电二极管51将参考光62的光信号转换成电信号，形成第一电压U₁；第二光电二极管52将信号光63的光信号转换成电信号，形成第二电压U₂；差分放大电路53将第一电压U₁和第二电压U₂差分放大，形成可还原出声源声音的输出电压U₀。本实施例中，第一光电二极管51和第二光电二极管52均采用PIN型光电二极管，差分放大电路53由电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4和运算放大器U组成。第一光电二极管51的阴极与R1连接，第一电压U₁通过电阻R1连接运算放大器U的反相输入端，R4为反馈电阻；第二光电二极管52的阴极与R2连接，第二电压U₂经分压电阻R2、R3分压后连接运算放大器U的同相输入端。第一光电二极管51和第二光电二极管52分别将参考光62和信号光63的光信号转换成电信号，差分放大电路53则对这两路电信号进行差分放大。

参考光62和信号光63中都未含有高频部分，经第一光电二极管51和第二光电二极管52光电转换后变成电压信号U₁和U₂。U₁和U₂分别通过R1和R2、R3分压电路加到运算放大器U的输入端，其中，U₁加到运算放大器U的反相输入端，U₂加到运算放大器U的同相输入端。输出电压U₀与U₁、U₂具有公式(4)所示的关系：

$U_0=\frac{R1+R4}{R2+R3}\×\frac{R3}{R1}\×U_2-\frac{R4}{R1}{U}_1---\left(1\right)$

当R1＝R2，R3＝R4时，可求出U₀：

$U_0=\frac{R3}{R1}\×(U_2-U_1)---\left(5\right)$

选择合适的R1和R3的阻值，R1、R3和U₁是定量，U₂为变量，可获得不同的输出电压U₀。该输出电压U₀经扬声器后可还原出原来的声音。当然，该差分放大电路只是本实施例采用的信号处理电路，任何与该差分放大电路具有相同功能的电路，或者其变形、替换和更改等都在本发明权利要求的保护范围之内。

具体实施时，可将激光发射单元、激光分束单元、激光扩束单元和信号处理单元封装成一个整体，作为一个激光发射和处理装置放置于需要扩音的现场，并与扩音装置连接；光学传感器则放置于需要扩音的人的身上，人所发出的声音就能得到扩大。一般来说，光学传感器与激光发射和处理装置之间的距离可达10米远或以上，达到远程无线采集声音的效果。

本实施例的激光麦克风以激光作为声音信息载体，即使在强电磁场或高频环境下也能正常工作，大大降低了系统噪声，拾音灵敏度高，抗电磁干扰能力强，可远程无线采集声音并能在恶劣环境中工作。

本实施例的工作原理：以二极管激光为信息载体，用分束镜分出一路参考光；未被分束的激光被扩束准直，入射到远处的振膜上；当声音压力使振膜振动时，入射激光被振膜振动调制后沿入射光方向返回，经过分束镜后被分出一路信号光；参考光和信号光经光电转换和差分放大后得到一电压输出，用该电压输出可以解调、还原声音信号。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种激光麦克风，其特征在于，所述激光麦克风包括激光发射单元、激光分束单元、激光扩束单元、光学传感器和信号处理单元；所述激光发射单元朝激光分束单元发射激光束；所述激光分束单元将激光束分出一路参考光，未被分束的激光束入射到激光扩束单元；激光扩束单元将未被分束的激光束扩束准直后入射到光学传感器上；光学传感器受外界声源影响时调制入射的激光束，被调制的激光束沿入射方向返回，依次经过激光扩束单元和激光分束单元后形成信号光；所述参考光和信号光入射到信号处理单元，信号处理单元对参考光和信号光进行光电转换和电信号处理，形成可还原出声源声音的电信号。

2.根据权利要求1所述的激光麦克风，其特征在于，所述激光分束单元通过透射将激光束分出一路参考光，未被分束的激光束通过激光分束单元的反射入射到激光扩束单元；被调制的激光束经过激光分束单元透射后形成信号光。

3.根据权利要求1所述的激光麦克风，其特征在于，所述激光分束单元包括分束镜和空间滤波器；所述分束镜放置于从激光发射单元发射的激光束的入射光路上，分束镜与入射光路的角度范围为30～60度；空间滤波器放置于从分束镜透射出的信号光的光路上。

4.根据权利要求3所述的激光麦克风，其特征在于，所述分束镜与入射光路的角度为45度。

5.根据权利要求4所述的激光麦克风，其特征在于，所述分束镜的激光束入射面镀有对激光波长具有高反射率的介质膜。

6.根据权利要求1所述的激光麦克风，其特征在于，所述激光扩束单元为激光扩束镜，所述激光扩束镜为单片光学透镜、双片光学透镜组或多片光学透镜组，所述激光扩束镜的放大倍数范围为2～10倍。

7.根据权利要求1所述的激光麦克风，其特征在于，所述光学传感器包括衬底和振膜，所述衬底和振膜被加工成多个角锥棱镜单元。

8.根据权利要求7所述的激光麦克风，其特征在于，所述衬底和振膜通过MEMS技术被加工成多个角锥棱镜单元，所述衬底的厚度为10微米～100微米量级，所述振膜的厚度为微米量级。

9.根据权利要求1所述的激光麦克风，其特征在于，所述信号处理单元包括第一光电二极管、第二光电二极管和差分放大电路；所述第一光电二极管将参考光的光信号转换成电信号，形成第一电压；所述第二光电二极管将信号光的光信号转换成电信号，形成第二电压；所述差分放大电路将第一电压和第二电压差分放大，形成可还原出声源声音的输出电压。

10.根据权利要求1所述的激光麦克风，其特征在于，所述激光发射单元为发射近红外波长激光的半导体激光二极管。

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