CN1402955A - 采用光学器件的声电换能器 - Google Patents

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Abstract

光学声电换能器接收振动片反射的光并检测振动片的位移。将发射光大致具有均匀同心光强分布的表面发光发光器件设置在公共衬底的中心。围绕发光器件设置光电检测单元。还在衬底与振动片之间在光路上设置透镜以会聚发送到振动片的光和从振动片反射的光。

Description

采用光学器件的声电换能器
技术领域
本发明涉及利用光学器件将振动片的振动位移转换为电信号的光学声电换能器。本发明尤其提供了一种在将垂直空腔表面发光激光器(VCSEL)用作发光器件情况下采用的有效技术。
背景技术
到目前为止，已经开发并实现了各种类型的采用光学器件的光学声电换能器。例如，第8-297011号日本专利申请未决公开披露了一种采用一对光纤的光纤传感器，这种光纤传感器具有这样的结构，光从与光源相连的一条光纤辐照到振动介质，并由另一条光纤检测该光，指出它适用于麦克风。此外，第6,055,080号美国专利也披露了一种采用光纤的光学麦克风的结构。与上述相反，它提出一种光学麦克风，该光学麦克风采用这样的结构，即发光器件和光电检测单元设置在同一个平面上，利用挡板将它们完全光分离，以解决采用光纤的光学麦克风结构中存在的问题(其特性主要依赖于振动平面上的光入射角和位置精度)(第11-252696号日本专利申请未决公开)。此外，第61-121373号日本专利申请未决公开和第61-121374号日本专利申请未决公开披露了一种半导体表面发光器件的结构及其制造方法。此外，第11-30503号日本专利申请未决公开(对应于第5,771,091号美国专利)披露了一种光纤传感器，其中以对振动片成某个角度，对发光器件和光电检测单元分别设置固体光导管，还有第2000-88520号日本专利申请未决公开(对应于第6,091,497号美国专利)披露了一种光纤传感器，这种光纤传感器是对上述光纤传感器的改进，只有这样的结构，发光器件端的光导管的输出端以及光电检测单元端的光导管的输入端互相连接在一起。此外，第61-280686号日本专利申请未决公开披露了一种将隐埋聚光透镜设置在半导体表面发光器件的发光端的结构，并且第5,262,884号美国专利披露了一种将聚光透镜直接设置在振动片的发光器件端以提高灵敏度和光调制带宽的光学麦克风。
图14示出现有技术的光学麦克风装置10的总体结构。
在靠近外壳1的入口设置振动片2。并将发光二极管3和光电晶体管或光电二极管5安装在外壳1内，发光二极管3发出的入射光L1被振动片2的内表面2b反射，此反射光L2被诸如光电晶体管或光电二极管的光电检测单元5接收。入射声波7从振动片2的外表面2a入射到光学麦克风装置10，并使此振动片振动。
由于振动片2发生振动，所以反射光L2的方向发生变化并入射到光电检测单元5的不同光接收面5a。通过检测此光接收面5a的变化，可以检测振动片2的位移。此外，存在利用透镜4或透镜6对准入射光L1和反射光L2的情况。
因此，现有技术的光学麦克风装置将发光器件3发出的入射光L1以某个角度辐照到振动片2，并以对应于入射角的反射角接收反射光L2，这样就可以根据反射光L2的反射角的变化检测振动片2的位移，从而再现声波。
图15示出现有技术的另一种光学麦克风装置的头部的要求截面结构的剖视图。
在此现有技术例子中，与图14所示的相同，也是通过不接触振动片72检测振动，将振动片72的振动转换为电信号的，因此不再需要在振动片72上设置振动检测系统，从而可以使振动部分的重量更轻，并且可以充分跟踪声波的微弱振动。
在此，以预定角度ψ1和ψ2，分别将发光器件73和光电检测单元74安装在衬底75上，并靠近设置衬底75和振动片以致它们几乎平行。
为此，在发光器件73发出的入射光和振动片反射的反射光之间，入射角ψ1和反射角ψ2相等。
上述现有技术光学麦克风装置的结构要求诸如发光二极管等的发光器件与诸如光电晶体管或光电二极管的光电检测单元之间的对准精度达到几十微米甚或更小的高精度。为此，存在的问题是，如果利用单独部件形成发光器件、光电检测单元、振动片等，则会减低产量，因为在制造产品过程中，难以实现高精度对准。同样限制了光学麦克风装置实现小型化。
对于现有技术的这种光学麦克风装置如上所述，在入射光与振动片反射的反射光之间，入射角ψ1和反射角ψ2相等。为了以此方式实现入射角与反射角相等，需要分别以预定角度ψ1和ψ2(ψ1＝ψ2)将发光器件和光电检测单元安装在衬底上。
然而，如果要使光学麦克风头部的结构实现小型化，则因为包括头部在内的各部件不同，所以始终难以以预定角度将发光器件和光电检测单元安装在衬底上，此外，始终难以调节入射角和反射角。
此外，以预定角度将发光器件和光电检测单元安装在衬底上需要大量工时，不仅如此，还有一项非常困难的工作是，反射光的焦点调节到准确对准光电检测单元的光接收面。
本发明的一个目的是提供一种避免现有技术光学麦克风装置的上述缺陷、可以容易地使其实现小型化并使光电检测单元与振动片以高精度对准，而且可以容易地进行批量生产并可以获得偶反射的光学麦克风装置。
本发明的另一个目的是，为了不提高对麦克风装置设置的放大器的放大因数就可以获得高S/N比的信号，提供一种通过在光电检测单元接收反射光时增加反射光运动宽度的变化范围，或者通过有效接收振动片反射的反射光，可以提高声电转换效率的光学麦克风装置。
发明内容
为了实现上述目的，根据本发明的第一方面，光学声电换能器具有安装在同一个衬底上的发光器件和光电检测单元，其中上述发光器件发出的光辐照到对着上述衬底的某个位置安装的振动片上，上述光电检测单元接收上述振动片反射的反射光以检测上述振动片的位移。其中，将围绕发光区具有大致均匀同心光强分布的垂直表面发光发光器件设置在上述衬底的中心位置，并围绕上述发光器件设置上述光电检测单元。通常，光电检测单元包括多个同心设置器件。此外，它还具有差分检波器，该差分检波器用于检波属于不同同心圆的光电检测单元所检测信号的差分信号，从而根据上述差分检波器的输出检测上述振动片的位移。此外，在衬底上，优选将发光器件和光电检测单元形成为同一种形状，衬底包括砷化镓晶片，靠近衬底并几乎与衬底平行安装振动片。不仅如此，根据本发明，将透镜单元设置在上述衬底与上述振动片之间的光路上以使上述发光器件位于其光轴上，从而在光电检测单元接收反射光时可以提高反射光运动宽度的变化范围，该透镜单元聚焦上述发光器件发出的入射光以使该入射光投射到上述振动片并聚焦上述振动片反射的发散反射光以使发散反射光投射到上述光电检测单元上。
上述透镜单元优选是微透镜或全息照相底片，并且优选将振动片设置在比此透镜单元的焦点位置少许远的位置。
接着，根据本发明的第二方面，光学声电换能器具有：振动片，因为声压产生振动；发光器件，用于将光束辐照到上述振动片上；光电检测单元，用于接收辐照到上述振动片上的上述光束的反射光并输出对应于上述振动片的振动位移的信号；以及衬底，用于安装上述发光器件和上述光电检测单元。其中，将上述发光器件和上述光电检测单元设置在上述衬底上，以使上述发光器件的发光面和上述光电检测单元的光接收面平行并几乎位于同一个平面上，上述振动片相对于上述衬底倾斜预定角度，上述发光器件辐照到上述振动片上的上述辐照光束几乎垂直于上述发光面，上述光电检测单元接收上述振动片反射的上述反射光。
振动片表面上入射光辐照的区域优选是镜面，并且优选将此区域形成为环形或圆点形。此外，对着发光器件，以直线形、圆形或矩形设置多个光电检测单元，并设置多个发光器件。
附图说明
图1示出用于解释涉及本发明第一方面的光学声电换能器的基本原理的示意图；
图2示出本发明使用的垂直空腔表面发光激光器发出的发射光的光强分布图；
图3示出本发明使用的发光器件发出的发射光的二维光强分布图；
图4示出用于解释对涉及本发明第一方面的光学声电换能器的光接收量进行调制的第一原理的示意图；
图5示出根据本发明的光学声电换能器的电等效电路结构的例子；
图6示出根据本发明的光学声电换能器的电等效电路结构的另一个例子；
图7示出用于解释对涉及本发明第一方面的光学声电换能器的光接收量进行调制的第二原理的示意图；
图8示出本发明使用的垂直空腔表面发光激光器发出的发射光的光强分布图；
图9示出涉及本发明第二方面的光学声电换能器使用的头部结构的剖视图；
图10示出涉及本发明第二方面的装置使用的振动片例子；
图11示出用于解释涉及本发明第二方面的光学声电换能器的工作原理的示意图；
图12示出用于涉及本发明第二方面的光学声电换能器的头部的进一步改进结构的剖视图；
图13示出用于涉及本发明第二方面的装置的光电检测单元的排列示意图；
图14示出现有技术光学麦克风装置的基本结构；以及
图15示出现有技术光学麦克风装置的头部结构的剖视图。
具体实施方式
以下将参考附图说明根据本发明的光学声电换能器的实施例。此外，还以通常作为光学声电换能器的光学麦克风装置为例子进行说明。
图1示出根据本发明第一方面的光学麦克风装置的基本结构。
图1(a)示出剖视图，其中电子电路板12设置在外壳1的底部8，在其上具有发光器件和光电检测单元的衬底9被安装在电路板12上。还可以例如利用倒装片接合法，通过电连接衬底9和电路板12将衬底9安装在电路板12上。此外，如果利用诸如硅的半导体衬底形成底部8，则可以省略电子电路板12，因为可以在其上形成电子电路。此外，图1所示的实施例采用垂直空腔表面发光激光器(VCSEL)LD作为发光器件，采用光电二极管PD作为光电检测单元。将圆形垂直空腔表面发光激光器二极管LD设置在衬底9的中部，同心设置光电检测单元PD以围绕LD。
图1(b)示出在其上安装图1(a)虚线所包围发光器件和光电检测单元的衬底9的光接收部分和发光部分的放大图。
如图所示，将圆形发光器件LD设置在中心，并同心设置光电检测单元PD1、PD2、…、PDn以围绕发光器件。
利用半导体制造方法，可以在砷化镓晶片上，同时制造这些发光器件LD和光电检测单元PD。
发光器件LD与光电检测单元PD之间的对准角度由半导体制造过程中使用的精度确定，因此由于其对准精度可以达到1μm甚或更低，所以与现有技术的光学麦克风装置的发光器件与光电检测单元的对准精度相比，可以使其实现百万分之一甚或更低的高精度。
总之，垂直空腔表面发光器件的特征在于，其发射光的光强分布几乎同心。因此，设置在中心的发光器件LD以预定角度对振动片2辐照的辐照光以同样光强被同心反射，并且因为接收到声波7，振动片2发生振动，改变了其反射角，以致它同心到达光电检测单元PD。
因此，通过检测同心设置的光电检测单元PD1、…PDn接收的光量的变化，可以检测振动片2的振动位移。由于它可以检测入射声波7的强度，所以它可以用作光学麦克风装置。
此外，为了驱动发光器件LD和光电检测单元PD，或者为了检测入射光量，设置电极11。
接着，将对根据本发明用作发光器件的垂直空腔表面发光激光器(以下简称为VCSEL)进行说明。
图2示出VCSEL的发射光的光强分布，如图所示，可以用核心高斯分布表示发射光的光强分布。
等式(1)给出发射光的光强分布P0(θ)。
P0(θ)＝exp(-α2θ2)                       (1)
θ：垂直于发光面的垂直线上的角位移(单位：弧度)
α：限定发光扩展角的系数(最初简化计算“1/α2”)
如果在一维情况下计算此发射光分布系数α，则可以将它表示为等式(2)。
α2＝-[In(h)]/(FAHM/2)2                    (2)
h：通过测量激光器的发射光分布获得的相对光强
辐照角度垂直并且为1。半值＝0.5。1/e＝0.3183。1/e2＝0.135335。
FAHM：制造商通常提供半最大值全角(FAHM)。
如果h＝0.5，FAHM＝9度，则
弧度(9/2)＝0.07854
α2＝-[In(0.5)]/(0.07854/2)2＝112.369
并且如果对规定发射光光强分布的每个方向进行此计算，则可以获得图3所示的分布。
图3示出对二维情况计算的发射光的光强分布图。
在这种情况下，等式(3)给出发射光的二维光强分布P0(θ)。
P0(θ)＝exp(-α2θ2)·exp(-β2ψ2)                 (3)
利用计算分布系数α和β的同样方法，计算方向θ和ψ。等式(4)给出发射光分布系数α，等式(5)给出发射光分布系数β。
α2＝-[In(h)]/(FAHM/2)2                    (4)
如果h＝0.5，FAHM＝9度，则
弧度(9/2)＝0.07854
α2＝-[In(0.5)]/(0.07854)2＝112.369
β2＝-[In(h)]/(FAHM/2)2                    (5)
如果h＝0.5，FAHM＝9度，则
弧度(9/2)＝0.07854
α2＝-[In(0.5)]/(0.07854)2＝112.369
从在此获得的发射光的二维光强分布可以看出，发光器件的光强分布几乎与垂直空腔表面发光激光器的光强分布相同。
因此，为了在振动片2发生位移时，有效接收反射的激光，最好同心设置光电检测单元。属于同心设置的不同同心圆的光电检测单元检测的信号的差分信号给出声压变化。
通过同心设置两个或更多个光电检测单元，可以实现限制或选择波接收信号的范围。
在图1所示的光学麦克风装置中，由于振动片2固定在外壳1的端部，所以可以认为振动片2的中心明显振动，而端部不振动，也就是说，因为声压的作用，他就象透镜一样振动。然而，如果其振动象透镜一样，就需要显著声压，此外，如果其大尺寸振动片为3mm左右，则不需要考虑此透镜样振动，并且可以认为振动片2在其中心平行于衬底9并对着衬底9振动。
图4示出用于解释对根据本发明的光学麦克风装置的光接收量进行调制的原理的示意图。
预定角度的发光器件LD发射的光被振动片2反射，因此半最大值1/2全角的等效值变得最为敏感，并且成为光电检测单元PD上的入射角。此外，假定振动片2最初位于位置2c，并在其发生振动时因为振动位移δ移动到2d。此外，假定发光器件LD、光电检测单元PD与振动片2之间的距离为L，并且距离发光器件LD的半最大值1/2全角为θ。
假定在振动片2静止时，接收反射光部分的直径为A，并且在振动片位移δ后，反射光到达距离的直径为B。
在此，θ、L、δ、A和B分别发生变化，利用等式(6)计算反射光的运动宽度r，将计算结果列在表1内。
R＝B/2-A/2
tan(θ/2)·2·(L+δ)-tan(θ/2)·2·(L-δ)    (6)
表1
    θ     L     ±δ     A/2     B/2 运动宽度
    度     μm     μm     μm     μm     μm
    6     1390     0.5     146     146     0.1
    7     1390     0.5     170     170     0.12
    8     1390     0.5     194     195     0.14
    9     1390     0.5     219     219     0.16
    10     1390     0.5     243     243     0.17
    11     1390     0.5     367     368     0.19
    12     1390     0.5     292     292     0.21
因此，利用发光器件的辐照角确定环形光电检测单元上的运动宽度。
通过声压和振动片2的位移量δ可以确保足够PD运动宽度(大于3微米)。在这种情况下，需要注意，如果A和B太大，则在砷化镓晶片上形成发光器件和光电检测单元占据的区域会增大，并因此会减少每个晶片可以制造的发光器件和光电检测单元的数量。
此外，如图1(b)所示，在设计时还应该考虑发光器件和光电检测单元引出的电极11、与其相连的引线接合区等所需的面积。此外，对于每个引线接合区，100微米或更小的方形足够。而且，如果采用倒装片接合法，对于每个引线接合区，50微米或更小的方形足够。
不仅如此，尽管可以在同一个同心圆上形成单个同心形成光电检测单元，但是还可以将同心形成光电检测单元分割为多个光电检测单元来形成同心形成光电检测单元。此外，尽管如下所述，为了从两个不同同心光电检测单元获得差分信号，需要两个同心圆，但是也可以形成多个同心圆，而不局限于两个。
总之，用作垂直空腔表面发光器件的激光二极管主要依赖于温度，并且其发光输出随时间发生变化。此外，还因为激光二极管等驱动电流的变化导致光量发生变化。
为此，如果不采取任何措施将发光信号直接或间接输入到光电检测单元，则从光电检测单元获得的输出根据激光二极管的发光量变化。
在这种情况下，因为温度变化和驱动电流变化引起的误差会引起光电检测单元产生输出信号。
如果利用根据本发明的光学麦克风装置的光电检测单元获取反射光信号，则因为发光激光器信号的温度变化和驱动电流等的变化导致光量发生变化。
为了解决此问题，本发明设置了多个光电检测单元以获取接收信号的差别。
此外，因为根据本发明在同一个制造过程制造多个光电检测单元，所以它们之间的差别非常小，因此通过消除它们之间的差别，可以将误差降低到最小。
图5示出根据本发明的光学麦克风装置的电等效电路结构的例子。
在此，VCSEL表示垂直空腔表面发光激光二极管，PD1和PD2表示光电检测单元，例如围绕VCSEL设置的光电二极管。
分别通过电阻器R3、R1和R2，VCSEL和光电检测单元PD1和PD2串联在电源20与地线30之间，并且具有可以通过移动驱动电流的结构。
电阻器R1与光电检测单元PD1之间的节点与微分放大器IC1的反相输入端相连。此外，电阻器R2与光电检测单元PD2之间的节点与非反相输入端相连。将微分放大器IC1的输出送到微分放大器IC2进行缓冲，以获得输出40。此外，用于消除噪声信号的旁路电容器C11连接在电源20与地线30之间。
VCSEL发出的入射光被振动片同心反射，从而分别进入光电检测单元PD1和PD2。此外，几乎平行于衬底9并非常接近衬底9设置振动片2。
此外，可以认为振动片2平行于衬底9运动，因为其位移量(运动量)仅为1微米左右。
此外，图15所示的例子示出同心设置的光电检测单元PD1与反相输入端相连，外部设置的光电检测单元PD2与非反相输入端相连，但是并不局限于这样进行连接，可以根据实际电路的设计情况，将它们连接到最佳端。
此外，在微分放大器IC1的输出电流iout与微分输入信号i1和i2之间存在关系iout＝i1-i2。
在此，在分别对于微分输入i1和i2存在变化δi1和δi2情况下，则iout＝((i1+δi1)-(i2+δi2))。
如果光电检测单元PD1和PD2同时发生变化，则变化量δi1和δi2变成δi1＝δi2，并且iout＝i1-i2。
因此，即使因为温度或驱动电流的变化导致VCSEL的发光量发生变化，变化同时被传送到光电检测单元PD1和PD2并互相抵销，因此在微分输出iout中不反映VCSEL的变化。
此外，如果只有电流大小的不同引起独立的变化，则微分输出为[(i1-i2)+(δi1-δi2)]并且微分表现为输出的变化。
这说明因为振动片的变化(例如发生振动或位移)、以及因此引起的同心接收反射光发生变化导致反射光信号发生变化，所以在每个光电检测单元内具有不同输入变化。
图6示出根据本发明的光学麦克风装置的电等效电路的另一种结构的电路图。在此实施例中，通过电阻器R，将输入电流i1和i2分别输入到加法器IC3和减法电路IC4。并将加法器IC3和输出电流i1+i2和减法电路IC4的输出电流i1-i2输入到电路50。从电路50的输出端可以获得以输出电流i1+i2成反比的输出。通过运算器IC5，将电路50的输出送到输出端40作为(i1-i2)/(i1+i2)。因此，除法电路包括电路50和运算器IC5。
如果采用这种电路结构，则在输入电流i1和i2升高或降低时，与图5所示的电路结构相比，可以获得更稳定的输出。
在根据上述本发明的光学麦克风装置的结构中，如果采用3mm左右的小直径振动片(膜)，根据外来声波的声压，振动片的运动位移约为±0.5μm。如果激光器的辐照角为12度，则作为半值宽度，光接收部分内光的运动宽度(位移宽度)约为0.21μm。
因此，其在半值角位置的运动宽度为0.21μm和在半最大值全角的运动宽度为0.42μm的光电检测单元内电信号的变化被微分放大器或诸如模拟除法器的放大器放大。在此，为了将放大器的输出提高到实际水平，需要提高放大器的放大因数，这样会导致其设计复杂。
此外，如果提高放大因数，也会提高电子电路产生的噪声，因此难以实现高信噪比(S/N)。
因此，需要进一步改进本发明。更具体地说，为了提高声电转换效率，采用提高反射光的运动宽度的技术方法。以下将对改进本发明的实施例进行说明。
在此改进发明中，在衬底9与振动片2之间的光路上设置透镜单元60，如图7所示。
此外，在图7中，除了透镜单元60之外，该结构与图4所示的结构相同，因此采用同样的参考编号，并省略对其做详细说明。
设置在光路上的透镜单元60将发光器件LD发出的入射光聚焦到振动片2上，并将振动片2反射的发散反射光聚焦到光电检测单元PD。
可以采用微透镜或全息照相底片作为透镜单元60。尽管可以将微透镜作为一个单元使用，但是也可以利用离子交换方法在板状光学玻璃上形成透镜并通过保持它们之间绝对接触来使用发光器件和光电检测单元。
在图7所示的实施例中，发光器件与振动片2之间的距离为1.3mm，并在光路上设置透镜直径为0.25mm、放大率为6.5的透镜单元60。
靠近透镜单元60的焦点位置设置振动片2，焦点位置即基准位置。图7内的点a为成像位置。此外，点b为位于被振动片2反射并折回位置的成像位置。此外，图7所示的状态是振动片2被高压凹进的状态。利用透镜单元60的会聚角确定角度θ，并且在此实施例中，θ＝12度。Δ表示成像位置在光轴上距离基准位置的位移，并利用但是(7)计算此位移，假定M为透镜单元3的放大率。
Δ＝2×δ×M2＝2×8×6.52                    (7)
如果发光器件ID与光电检测单元PD之间的基准距离是透镜的图像间基准距离L0，则利用如下等式获得透镜与发光器件LD和光电检测单元PD之间的距离L的近似值。
L＝L0×M/(1+M)                               (8)
此外，图7示出振动片2的位移2δ使距离发光器件LD A/2的位置变成距离B/2的位置。
利用等式(9)近似计算位移+δ时的B/2，利用等式(10)近似计算位移-δ时的A/2。
B/2＝-(Hap)·[L-{L+(2d·M2)-(2δ·M2}]/{L+(2d·M2)-(2δ·M2}(9)
A/2＝-(Hap)·[L-{L+(2d·M2)-(2δ·M2}]/{L+(2d·M2)-(2δ·M2}(10)
此外，振动片(反射器)2的位移d是距离基准位置的偏移量。而且，如果它被定义为(Hap)＝外部反馈的光通量高度，并且在振动片振幅为+δ时的投影半径为B/2，而在振动片振幅为δ时的投影半径为A/2时，光接收部分的投影半径的变化是这样的，即如果d为负，则振动片离开透镜，并且在这种情况下，光通量高度(Hap)为δ/2，因为利用透镜半径将光通量全部返回。相反，在振动片接近透镜时，d变成正，并且外部反馈的光通量高度被降低2d倍，因此光通量高度(Hap)被降低。在此，在振动片2的偏移为±0.5μm，L0＝1.39mm，透镜直径(φ)为0.25mm以及M＝6.5情况下，在改变偏移量d时，完成此计算过程并将计算结果列在表2中。
表2
    L0     d     ±δ     Δ      Hap     A/2     B/2 运动宽度
    Mm    μm     μm     μm     μm     μm     μm     μm
    1.39    -5     0.5     -423     0.13     78.5     57.7     20.86
   -4     0.5     -338     0.13     57.7     40.7     16.98
   -3     0.5     -254     0.13     40.7     26.6     14.09
   -2     0.5     -169     0.13     26.6     14.7     11.88
   -1     0.5     -85     0.13     14.7     4.54     10.16
   0     0.5     0     0.13     4.54     -4.2     8.78
   1     0.5     84.5     0.12     -4.2     -12     7.58
   2     0.5     169     0.12     -12     -18     6.60
   3     0.5     254     0.12     -18     -24     5.80
   4     0.5     338     0.12     -24     -29     5.12
   5     0.5     423     0.12     -28     -33     4.55
对于图2所示的例子，将振动片2设置在透镜单元3的焦点位置的情况为基准位置(＝0)，并通过仅将它偏离d并因此将振动片的振幅改变±0.5mm，来进行计算。
从表2所示的结果可以看出，通过使振动片2再离开透镜单元3的焦点位置几个μm，可以增大运动宽度，即可以提高光接收灵敏度。
此外，为了比较透镜的放大效果，可以与图4所示的没有透镜单元的情况进行比较。
在作为表1所示改进技术的无透镜结构情况下，与发光器件LD发出的光的辐照角为12度时的运动宽度0.21相比，运动宽度得到显著提高。
因此，通过在光路上设置透镜单元，振动片2反射的反射光的变化是振动片2的位移量δ被放大光放大系数M的平方倍后的两倍。
更具体地说，可以获得振动片2位移量δ的84倍的运动宽度。此外，显然，本发明并不局限于光学麦克风装置，本发明还可以应用于光学传感器。
接着，将说明根据本发明第二发明的实施例。
图9示出涉及本发明第二方面的实施例例子的光学麦克风装置的头部结构的剖视图。
根据本发明，这样设置安装在衬底75上的发光器件73和光电检测单元74，即发光面和光接收面平行并且几乎无夹角位于同一个平面上。发光器件73发出的光束几乎垂直于发光面辐照到振动片72上。
接着，在根据本发明利用支点77和78安装振动片72时，将其相对于衬底75倾斜预定角度θ进行安装。因为发光器件73发出的光束被振动片72反射并到达光电检测单元74而在入射光与反射光之间形成的夹角等于振动片72的倾斜角θ。
因此，通过将发光器件73和光电检测单元74平坦安装到衬底75上，可以提高生产率。
在此，通过将垂直空腔表面发光发光器件用作发光器件，可以垂直于发光器件73的发光面获得入射光。
此外，对于光电检测单元74，入射到其的反射光倾斜于光接收面，而与发光器件相比，光电检测单元对接收光的入射角的敏感度通常并不非常坏，因此即使入射光未必垂直于光接收面，也不会显著降低光接收效率。
此外，还可以将图1所示的VCSEL用作图9所示结构中的发光器件73。
在此实施例中，砷化镓晶片等用作衬底75，并将VCSEL 3和PD 4形成在其上。此外，还可以设置多个PD 4，并且不必围绕VCSEL 3同心形成PD 4。通过形成PD 4，可以利用PD 4接收VCSEL 3发出的发射光的最高光强部分。此外，在设置多个PD 4情况下，通过利用倒装片接合法等将用于从PD 4接收信号的微分放大器(未示出)的电子电路固定在衬底5上，可以实现小型化。
图10示出振动片72的表面形状。
如上所述，在将垂直空腔表面发光发光器件(VCSEL)用作发光器件72情况下，发光面发出的光以发射光的均匀光强同心辐照，因此振动片72的光接收面可以是环形镜面制成的，所以可以提高其反射率。
图10所示的斜纹阴影区72a示出这种镜面制成区。此外，还可以仅镜面制成点状区72b，光束入射到点状区72b上，如图10(b)所示。区域72c表示在将振动片72安装到支点77和78上时的定位点。
图11示出用于解释根据本发明的光学麦克风装置的头部运行过程的示意图。
发光器件73发出光束的光通量L1投射到以倾斜于衬底75θ角度安装的振动片72上的预定区域，在该预定区域，它被反射变成反射光通量L2，并入射到光电检测单元74。此时，振动片72因为声波发生振动，以致反射光通量L2根据振动位移的大小发生变化，如图实线、虚线以及点划线所示，并入射到光电检测单元74的另一个光接收面上。
因此，通过检测此光接收部分内的光信号的大小，可以检测振动片72的振动位移。
尽管与现有技术相比，涉及本发明第二方面的上述结构非常有用，其固有问题是：
(i)因为通常加宽5度至10度辐照由发光器件73辐照到振动片上的光通量，并且该光通量被振动片2反射，所以存在通过扩展到光电检测单元光接收面之外辐照反射光的情况。
(ii)存在因为振动片的振动，使反射光的焦点未必固定在一个光电检测单元的光接收面上，以致降低光接收效率的情况。
(iii)还存在发光器件辐照的光束的光轴未必直立垂直于辐照面的情况。
为此，存在的问题是，不能仅通过设置一个在衬底上的固定位置接收反射光的光电检测单元，来有效接收所有反射光。
因此，为了解决上述问题，根据本发明的第二方面，采用了一种进一步改进技术。
图12示出作为这种改进发明实施例的例子的光学麦克风装置的头部结构的示意图。此外，在图12中，用同样的参考编号表示与图9和图11所示部分的相同部分，并省略对其做详细说明。
在此改进发明中，图9或图11所示的光电检测单元74被分割为多个光电检测单元，并以预定方式排列这些光电检测单元741、742、743、...74n。
因此，利用多个光电检测单元741、742、743、...74n，可以吸收并接收振动片72反射的所有扩散光通量L2。
由于图12所示的实施例具有一个发光器件73和多个光电检测单元74，所以可以吸收并接收发光器件73发出的径向光束的所有反射光L2。
此外，尽管可以对着发光器件73线性排列光电检测单元74，如图13A所示，但是，例如，也可以以环形排列多个光电检测单元741、742、743、…74n，如图13B所示，也可以以矩形排列它们，如图13C所示。
此外，不仅可以分割和排列光电检测单元，而且还可以分割和排列发光器件73。
图13D示出象光电检测单元74那样，分割并线性排列发光器件73的情况。此外，图13E示出分割并以环形线性排列的发光器件73，图13F示出被分割并以矩形排列的发光器件73。
因此，通过分割发光器件73并设置多个被分割的发光器件73，可以进一步提高发光效率。
图10示出振动片72的表面形状。
如果利用垂直空腔表面发光发光器件(VCSEL)作为发光器件73，则以发射光的均匀光强同心辐照发光面发出的光，因此可以以环形镜面制成振动片72的光接收面，以提高其反射率。
图10所示的斜纹阴影区72a示出这种镜面制成区。此外，还可以仅镜面制成点状区72b，光束入射到点状区72b上，如图10(b)所示。区域72c表示在将振动片72安装到支点77和78上时的定位点。
尽管以上以光学麦克风装置为例对根据本发明的光学声电换能器进行了说明，但是，显然，本发明并不局限于此，而且可以广泛应用于声传感器等。工业应用
如上所述，作为本发明第一方面的特征，将发光器件和光电检测单元同时形成在同一个衬底上，以致其对准角度可以达到1μm甚或更低，即是现有技术发光器件与光电检测单元对准角度的百万分之一甚或更低。
此外，由于它采用这样的结构，即在这种结构中，设置其发射光光强分布几乎同心的垂直空腔表面发光发光器件，并同心设置围绕它的光电检测单元，所以可以将多个光电检测单元的输出用作差分信号以检测差别并由其输出此差别。
因此，与利用一个光电检测单元输出信号的情况相比，可以降低发光器件温度发生变化、驱动电流发生变化等引起的干扰，从而获得稳定信号输出。
不仅如此，通过在位于发光器件和光电检测单元安装在其上的衬底与振动片之间的透镜单元的光轴上，同心设置发光器件和光电检测单元，也可以显著提高反射光的运动宽度。
因此，可以以高S/N比再现声音，而无需提高放大器的放大因数。
此外，根据本发明的第二方面，对衬底等高设置发光器件和光电检测单元，因此便于安装发光器件和光电检测单元并可以提高生产率。
此外，由于振动片少许倾斜，所以可以认为所安装的振动片与在其上安装发光器件和光电检测单元的衬底平行。因为此原因，根据本发明，尽管包括光学声电换能器头部在内的部件存在差异，仍可以结构容易聚焦入射光和反射光并具有良好生产率的光学麦克风装置。
不仅如此，至少对衬底等高设置多个光电检测单元以充分接收发光器件发出的反射光。因此，可以实现高光接收率光学声电换能器。
此外，还可以综合提高S/N比，因为通过细分光电检测单元并设置多个细分光电检测单元，可以抑制光电检测单元的热噪声。

Claims (18)

1.一种具有设置在同一个衬底上的发光器件和光电检测单元的光学声电换能器，其中所述发光器件发出的光辐照到对着上述衬底的某个位置安装的振动片上，并且所述光电检测单元接收所述振动片反射的反射光以检测所述振动片的位移，
其特征在于，设置发射光围绕发光区的中心具有大致均匀同心光强分布的垂直表面发光发光器件作为位于所述衬底中心位置的所述发光器件，并围绕所述发光器件设置所述光电检测单元。
2.根据权利要求1所述的光学声电换能器，其中所述光电检测单元包括多个同心设置装置。
3.一种具有差分检波器的光学声电换能器，该差分检波器在属于不同同心圆的光电检测单元检测的信号之间检测差分信号，从而根据所述差分检波器的输出检测振动片的位移。
4.根据权利要求1至3之任一所述的光学声电换能器，其中将所述发光器件和光电检测单元同时形成在所述衬底上。
5.根据权利要求1至4之任一所述的光学声电换能器，所述衬底包括砷化镓晶片。
6.根据权利要求1至5之任一所述的光学声电换能器，其中几乎平行于所述衬底并靠近所述衬底，安装所述振动片。
7.根据权利要求1至6之任一所述的光学声电换能器，其中将透镜单元设置在所述衬底与所述振动片之间的光路上以使所述发光器件位于其光轴上，该透镜单元聚焦所述发光器件发出的入射光以使该入射光投射到所述振动片并聚焦所述振动片反射的发散反射光以使发散反射光投射到所述光电检测单元。
8.根据权利要求7所述的光学声电换能器，其中所述透镜单元是微透镜。
9.根据权利要求7所述的光学声电换能器，其中所述透镜单元是全息照相底片。
10.根据权利要求7至8之任一所述的光学声电换能器，其中设置所述透镜单元以使所述振动片位于比所述透镜单元的焦点位置稍远的位置。
11.一种光学声电换能器，该光学声电换能器具有：振动片，因为声压产生振动；发光器件，用于将光束辐照到所述振动片上；光电检测单元，用于接收辐照到所述振动片上的所述光束的反射光并输出对应于所述振动片的振动位移的信号；以及衬底，用于安装所述发光器件和所述光电检测单元，
其特征在于，以这样的方式将所述发光器件和一个或多个所述光电检测单元设置在所述衬底上，以致所述发光器件的发光面和上述光电检测单元的光接收面平行并几乎位于同一个平面上；
所述振动片相对于所述衬底倾斜预定角度，所述发光器件辐照到所述振动片上的所述辐照光束几乎垂直于所述发光面；以及
所述一个或多个光电检测单元接收所述振动片反射的所述反射光。
12.根据权利要求11所述的光学声电换能器，将所述入射光辐照到其上的所述振动片区域由镜面构成。
13.根据权利要求12所述的光学声电换能器，其中将所述区域形成为环形。
14.根据权利要求12所述的光学声电换能器，其中将所述区域形成为圆点形。
15.根据权利要求11所述的光学声电换能器，其中对着所述发光器件线性排列多个所述光电检测单元。
16.根据权利要求11所述的光学声电换能器，其中环形排列多个所述光电检测单元。
17.根据权利要求11所述的光学声电换能器，其中以矩形排列多个所述光电检测单元。
18.根据权利要求11至17之任一所述的光学声电换能器，其中设置多个所述发光器件。
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