JP2008275515A - 振動検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】光学的に振動検出を行う際に検出感度を向上させることが可能な振動検出装置を提供する。
【解決手段】光源１０からのレーザ光Ｌoutを、干渉計内で２つの光路（参照光路および反射光路）に分離する。また、参照光路において反射板１４１により反射された参照光と、反射光路において振動膜１３１およびハーフミラー１４２により反射された反射光とを、互いに干渉させて干渉縞を形成する。そしてこの干渉縞に基づいて振動膜１３１の振動を検出する。これにより、振動膜１３１の振動が光学的に検出される。また、上記反射光が、反射光路において振動膜１３１とハーフミラー１４２との間で多重反射されたものであるようにする。参照光と反射光との光路差が大きくなり、振動膜１３１の変位が増幅されて検出される。
【選択図】図１

Description

本発明は、振動体の変位を光学的に検出する振動検出装置に関する。

近年、ＳＡＣＤ（Super Audio Compact Disc）や２４ｂｉｔ−９６ｋＨｚのサンプリングを利用した録音方式等が用いられ、高音質化が主流になりつつある。このような流れの中、従来のアナログ方式のマイクロホン装置は、特に２０ｋＨｚ以上の高域の音声の収録に限界があるため、上記録音方式の特徴である高域の再生を生かしてコンテンツを収録しようとする場合に、ボトルネックになっていた。

また、ダイナミックレンジに関しても、上記録音方式の特徴である２４ｂｉｔビット録音により可能な１４４ｄＢまで及ばず、広範なダイナミックレンジを十分に生かしきれていなかった。

さらに、録音現場においては、従来のアナログ方式のマイクロホン装置では、アナログケーブルでの長距離の引き回しに起因してノイズが増加してしまったり、コンデンサマイクに対してミキシングコンソールからファンタム電源を供給しなければならず、録音・制作システムにおける全デジタル化の障害となっていた。

そこで、近年、デジタル方式のマイクロホン装置がいくつか提案されている。例えば、特許文献１には、マッハ・ツェンダ方式などの干渉計においてマイク振動膜の変位により生じる干渉縞の変化を、光電変換素子で信号変換すると共にデジタル的に信号処理することにより、デジタル音声信号出力を得るようにしたものが提案されている。また、例えば特許文献２には、マイケルソン方式の干渉計においてマイク振動板の変位により生じる干渉縞の変化を光電変換素子により信号変換すると共にこの値を２値量子化することでビットストリーム信号を得るようにし、いわゆるΔΣ（デルタ・シグマ）変調器を構成するための帰還路としてマイク振動膜を動かす振動膜駆動手段を持つようにしたものが提案されている。

特開平１０−３０８９９８号公報 特開平１１−１７８０９９号公報

上記特許文献１では、マッハ・ツェンダ干渉計やマイケルソン干渉計を用いて振動板の振動を検出することにより、デジタルの音声信号を出力するようになっている。

一方、上記特許文献２では、振動板を含むΔΣ（デルタ・シグマ）変調器を構成するようにしている。よって、ΔΣ変調器の作用により、簡易な構成で１ｂｉｔのデジタル音声信号を得ることができると共に、ノイズシェービング効果を利用して可聴帯域内の音声信号の低ノイズ化を図ることができると考えられる。

しかしながら、これら特許文献１，２では、レーザ光の波長が０．６μｍ程度であるため、検出感度をあまり高めることができないという問題があった。よって、振動板の振動が大きい場合には有効であるが、数ｐｍから数十ｐｍ程度の振動検出が要求される高感度マイクに適用するような場合では、振動板の振動を検出するのが困難であり、改善の余地があった。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、光学的に振動検出を行う際に検出感度を向上させることが可能な振動検出装置を提供することにある。

本発明の振動検出装置は、レーザ光を発する光源と、干渉計と、検出手段とを備えたものである。ここで、上記干渉計は、レーザ光を反射可能な振動体および第１の反射体と、レーザ光を少なくとも部分的に反射可能な第２の反射体とを含んで構成され、光源から発せられたレーザ光を第１および第２の光路に分離して進行させると共に、第１の光路において第１の反射体により反射された参照光と、第２の光路において振動体と第２の反射体との間で多重反射された反射光とを互いに干渉させて干渉縞を形成するものである。また、上記検出手段は、形成された干渉縞に基づいて振動体の振動を検出するものである。

本発明の振動検出装置では、光源から発せられたレーザ光が、干渉計内で２つの光路（第１および第２の光路）に分離されて進行する。この際、第１の光路において第１の反射体により反射された参照光と、第２の光路において振動体および第２の反射体により反射された反射光とが互いに干渉し、干渉縞が形成される。そしてこの干渉縞に基づいて振動体の振動が検出される。ここで、上記反射光は、第２の光路において振動体と第２の反射体との間で多重反射されたものであるため、振動体の変位が反射回数分加算され、参照光と反射光との光路差が大きくなり、これにより振動体の変位が増幅されて検出される。

本発明の振動検出装置では、上記第２の反射体が、レーザ光を部分的に反射させると共に部分的に透過させるハーフミラーにより構成されているようにしてもよい。

この場合において、上記反射光が振動体と第２の反射体との間の多重反射による反射回数の異なる複数種類の反射成分により構成される場合、反射回数の異なるこれら複数種類の反射成分のうちの所望の反射回数の反射成分による第２の光路での光路長と、上記第１の光路の光路長とが等しくなるように設定するのが好ましい。このように構成した場合、干渉による形成される干渉縞のビジビリティ（明瞭度）が最も大きくなるため、所望の反射回数の反射成分と上記参照光との間での選択的な干渉が可能となる。なお、「等しく」とは、文字通りに等しい場合には限られず、製造ばらつき等に起因した略等しい場合をも意味するものである。

また、上記反射光が振動体と第２の反射体との間の多重反射による反射回数の異なる複数種類の反射成分により構成される場合、反射回数の異なるこれら複数種類の反射成分による干渉縞の明瞭度のピーク同士が互いに干渉しないように第１の光路の光路長を設定するのが好ましい。このように構成した場合、各干渉縞の明瞭度のピークを独立して検出するのが容易となる。

本発明の振動検出装置によれば、光源からのレーザ光を干渉計内で２つの光路（第１および第２の光路）に分離し、第１の光路において第１の反射体により反射された参照光と第２の光路において振動体および第２の反射体により反射された反射光とを互いに干渉させて干渉縞を形成すると共に、この干渉縞に基づいて振動体の振動を検出するようにしたので、振動体の振動を光学的に検出することができる。また、上記反射光が、第２の光路において振動体と第２の反射体との間で多重反射されたものであるようにしたので、参照光と反射光との光路差を大きくし、振動体の変位を増幅して検出することができる。よって、光学的に振動検出を行う際に検出感度を向上させることが可能となる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。

［第１の実施の形態］
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る振動検出装置（光学式のマイクロホン装置１）の構成を表すものである。このマイクロホン装置１は、音波Ｓｗに応じて振動する振動膜（後述する振動膜１３１）を利用して音声信号Ｓoutを出力するものであり、レーザ光源１０と、振動膜１３１、反射板１４１およびハーフミラー１４２を含むマイケルソン干渉計と、デジタル信号である出力信号（音声信号Ｓout）を出力する検出部とを備えている。

レーザ光源１０はレーザ光Ｌoutを射出するものであり、例えば、コヒーレンスの低いセルフパルセーション型の半導体レーザが用いられる。なお、コヒーレンスを低下させるために、高周波で変調をかけた半導体レーザを用いるようにしてもよい。

レンズ１１は、レーザ光源１０からのレーザ光Ｌoutを平行光にするためのレンズ（コリメータレンズ）である。

＜干渉計の構成＞
干渉計は、偏光ビームスプリッタ１２と、振動膜１３１と、反射板１４１と、ハーフミラー１４２と、３つのλ／４板１５１〜１５３と、ビームスプリッタ１６と、２つの偏光板１７１，１７２とから構成されている。

偏光ビームスプリッタ１２は、レーザ光源１０から発せられレンズ１１を通過したレーザ光Ｌoutを、２つの光路、すなわち振動膜１３１側の反射光路（第１の光路）と、反射板１４１側の参照光路（第２の光路）とに分離して進行させるためのものである。具体的には、詳細は後述するが、この偏光ビームスプリッタ１２では、反射光路側にレーザ光ＬoutのＰ偏光成分ｐ０が、参照光路側にレーザ光ＬoutのＳ偏光成分ｓ０がそれぞれ進行するように設定されている。なお、このレーザ光Ｌoutは、Ｐ偏光成分ｐ０とＳ偏光成分ｓ０とでほぼ５０％ずつに分離されるようになっている。

振動膜１３１は、音波Ｓｗに応じて変位するものであり、例えばコンデンサマイクに使用されるものと同様に、表面が金蒸着された振動膜などにより構成される。この振動膜１３１は、レーザ光Ｌout（具体的には、Ｓ偏光成分ｓ０）を高い反射率で反射可能なように構成されたものであり、図１に示したようにマイクカプセル１３内に収容されるようになっている。また、振動膜１３１と偏光ビームスプリッタ１２との間の距離は、図１に示したように予めＬ１に設定されている。なお、このマイクカプセル１３の詳細な構成例については、後述する。

反射板１４１は、参照光であるレーザ光Ｌout（具体的には、Ｐ偏光成分ｐ０）を高い反射率で反射可能なように構成されたものである。この反射板１４１と偏光ビームスプリッタ１２との間の距離は、図１に示したようにＬ０に設定されており、この距離Ｌ０は後述するように調整可能となっている。

ハーフミラー１４２は、反射光路上、具体的には偏光ビームスプリッタ１２と振動膜１３との間に配置されている。このハーフミラー１４２と振動膜１３１との間の距離は、図１に示したように予めＬ２となるように設定されている。ハーフミラー１４２は、レーザ光Ｌout（具体的には、Ｓ偏光成分ｓ０）を部分的に反射させると共に部分的に透過させる（例えば、レーザ光Ｌoutを５０％反射させると共に５０％と透過させる）ように構成されたものであり、これにより図１に示したように、振動膜１３１とハーフミラー１４２との間でレーザ光Ｌoutに対する多重反射が可能（多重反射光Ｌｒが発生する）となっている。

λ／４板１５１は、反射光路上、具体的には偏光ビームスプリッタ１２とハーフミラー１４２との間に配置されている。λ／４板１５２は、参照光路上、具体的には偏光ビームスプリッタ１２と反射板１４１との間に配置されている。

ビームスプリッタ１６は、後述するように偏光ビームスプリッタ１２を介して入射するレーザ光ＬoutのＳ偏光成分ｓ１（反射光）およびＰ偏光成分ｐ１（参照光）をそれぞれ、偏光板１７１側の光路と偏光板１７２側の光路とに約５０％ずつに分離して進行させるものである。

偏光板１７１，１７２はそれぞれ、入射するＳ偏光成分ｓ１（反射光）の偏光方向およびＰ偏光成分ｐ１（参照光）の偏光方向からそれぞれ４５度傾いた方向に偏光軸を有する偏光板である。このような構成により詳細は後述するが、これら偏光板１７１，１７２において、Ｓ偏光成分ｓ１とＰ偏光成分ｐ１とが互いに干渉して干渉縞が形成されるようになっている。なお、λ／４板１５３は、ビームスプリッタ１６と偏光板１７１との間の光路上に配置されている。

このような構成により本実施の形態の干渉計では、レーザ光源１０から発せられたレーザ光Ｌoutが２つの光路（第１および第２の光路）に分離されて進行する。具体的には、偏光ビームスプリッタ１２、λ／４板１５１、ハーフミラー１４２、振動膜１３１、ハーフミラー１４２、λ／４板１５１、偏光ビームスプリッタ１２、ビームスプリッタ１６、偏光板１７１，１７２およびλ／４板１５３を通る第２の光路（反射光路）と、偏光ビームスプリッタ１２、λ／４板１５２、反射板１４１、λ／４板１５２、偏光ビームスプリッタ１２、ビームスプリッタ１６、偏光板１７１，１７２およびλ／４板１５３を通る第１の光路（参照光路）とに分離されて進行する。この際、反射光路においてλ／４板１５１を介して振動膜１３１により反射された光（Ｓ偏光成分ｓ１、反射光）と、参照光路においてλ／４板１５２を介して反射板１４１により反射された光（Ｐ偏光成分ｐ１、参照光）とが偏光板１７１，１７２において互いに干渉し、干渉縞が形成される。

＜検出部の構成＞
検出部は、２つの光電変換素子１８１，１８２と、デジタル信号処理部１９とから構成されている。

光電変換素子１８１，１８２は、偏光板１７１，１７２上に形成された干渉縞を検出して光電変換し、それぞれ出力信号Ｓｘ，Ｓｙを出力するものである。これら光電変換素子１８１，１８２は、例えばＰＤ（Photo Diode）などにより構成される。

デジタル信号処理部１９は、光電変換素子１８１，１８２からそれぞれ出力される出力信号Ｓｘ，ＳｙをＡＤ（アナログ／デジタル）変換し、デジタル信号である出力信号（音声信号Ｓout）を出力するものである。なお、このようなデジタルカウント方法については、後ほど詳述する。

次に、図２および図３を参照して、図１に示したマイクカプセル１３の詳細構成例について説明する。図２および図３は、マイクカプセル１３の詳細構成例であるマイクカプセル１３Ａ，１３Ｂの断面構成を表したものである。

図２に示したマイクカプセル１３Ａは、筐体１３０と、振動膜１３１と、背電極１３２と、背面板１３３と、透明部材１３４とから構成され、全指向型のマイクカプセルとして機能している。振動膜１３１は音波Ｓｗが入射する側（正面側）に配置され、その背面側には背電極１３２が配置されている。背面板１３３はマイクカプセルを密閉型とするために開口等は設けられていないが、この背面板１３３の一部が、反射防止（ＡＲ）膜を形成したガラスや透明樹脂等からなる透明部材１３４となっている。このような構成によりマイクカプセル１３Ａでは、全指向型のマイクカプセルを構成するための密閉型の構造を保ちつつ、音波Ｓｗの入射を妨げることなく、レーザ光Ｌoutを背面側の透明部材１３４を介して振動膜１３１へ入射させることが可能となっている。

一方、図３に示したマイクカプセル１３Ｂは、筐体１３０と、振動膜１３１と、背電極１３２と、背面板１３３と、開口部１３５とから構成され、単一指向型のマイクカプセルとして機能している。このマイクカプセル１３Ｂでは、背面板１３３の一部に、振動膜１３１の正面に加えられる音圧と背面側の音圧との差分によって振動膜１３１を変位させて適正な指向性を得るための開口部１３５が設けられ、この開口部１３５を介してレーザ光Ｌoutが振動膜１３１へ入射することが可能となっている。このような構成によりマイクカプセル１３Ｂでは、単一指向型のマイクカプセルを構成するための開口部１３５を利用することにより、音波Ｓｗの入射を妨げることなくレーザ光Ｌoutを振動膜１３１へ入射させることが可能となっている。

ここで、振動膜１３１が本発明における「振動体」の一具体例に対応し、反射板１４１が本発明における「第１の反射体」の一具体例に対応し、ハーフミラー１４２が本発明における「第２の反射体」の一具体例に対応する。また、光電変換素子１８１，１８２が本発明における「２つの光電変換素子」の一具体例に対応し、これら光電変換素子１８１，１８２およびデジタル信号処理部１９が本発明における「検出手段」の一具体例に対応し、デジタル信号処理部１９が本発明における「図形生成手段」および「カウンタ」の一具体例に対応する。

次に、本実施の形態のマイクロホン装置１の動作について詳細に説明する。

まず、図１〜図４を参照して、マイクロホン装置１の基本動作について説明する。

このマイクロホン装置１では、図１に示したように、レーザ光源１０からレーザ光Ｌoutが射出され、このレーザ光Ｌoutはレンズ１１によりコリメートされたのち、偏光ビームスプリッタ１２へ入射する。すると、入射したレーザ光Ｌoutは、振動膜１３１側の反射光路（第２の光路）と、反射板１４１側の参照光路（第１の光路）とに約５０％ずつ分離され進行する。これにより、レーザ光Ｌoutは、反射光路を進行するＰ偏光成分ｐ０と、参照光路を進行するＳ偏光成分ｓ０（参照光）とに分離される。すなわち、偏光ビームスプリッタ１２では、Ｓ偏光成分の光が反射されると共に、Ｐ偏光成分の光が透過する。

ここで、Ｐ偏光成分ｐ０は、λ／４板１５１を通過すると直線偏光から円偏光となり、その後振動膜１３１で反射されると逆向きの円偏光となり、再びλ／４板１５１を通過することで、Ｓ偏光成分ｓ１（反射光）に変換される。そしてこのＳ偏光成分ｓ１は上記のように偏光ビームスプリッタ１２において反射されるため、反射光路上をビームスプリッタ１６の方向へ進行する。一方、参照光であるＳ偏光成分ｓ０は、λ／４板１５２を通過すると直線偏光から円偏光となり、その後反射板１４１で反射されると逆向きの円偏光となり、再びλ／４板１５２を通過することで、Ｐ偏光成分ｐ１に変換される。そしてこのＰ偏光成分ｐ１は上記のように偏光ビームスプリッタ１２を透過するため、参照光路上をビームスプリッタ１６の方向へ進行する。なお、この際、同じ光路（反射光路および参照光路）を進行するＳ偏光成分ｓ１およびＰ偏光成分ｐ１は、互いに偏光方向が９０度異なるため、干渉し合うことはない。

次に、反射光路および参照光路を進行するＳ偏光成分ｓ１およびＰ偏光成分ｐ１はそれぞれ、ビームスプリッタ１６により、偏光板１７１側の光路と偏光板１７２側の光路とに約５０％ずつに分離されて進行し、偏光板１７１，１７２へそれぞれ到達する。その際、偏光板１７１側の光路では途中にλ／４板１５３が挿入配置されているため、振動板１７１へ到達したＳ偏光成分ｓ１およびＰ偏光成分ｐ１と、振動板１７２へ到達したＳ偏光成分ｓ１およびＰ偏光成分ｐ１とでは、位相が互いに９０度異なることになる。そして偏光板１７１，１７２はそれぞれ、Ｓ偏光成分ｓ１の偏光方向およびＰ偏光成分ｐ１の偏光方向からそれぞれ４５度傾いた方向に偏光軸を有するため、これらＳ偏光成分ｓ１およびＰ偏光成分ｐ１の位相が互いに９０度異なっている本実施の形態の場合でも、偏光板１７１，１７２においてＳ偏光成分ｓ１と参照光のＰ偏光成分ｐ１とが互いに干渉し合い、干渉縞が形成される。

次に、偏光板１７１，１７２上に形成された干渉縞は、それぞれ光電変換素子１８１，１８２により検出される。ここで、上記のように振動板１７１へ到達したＳ偏光成分ｓ１およびＰ偏光成分ｐ１と振動板１７２へ到達したＳ偏光成分ｓ１およびＰ偏光成分ｐ１とでは位相が互いに９０度異なるため、光電変換素子１８１，１８２では互いに位相が９０度ずれた状態で干渉縞が検出されることになる。そして光電変換素子１８１で検出された干渉縞は電気信号に変換され、出力信号Ｓｘとして出力される一方、光電変換素子１８２で検出された干渉縞も電気信号に変換され、出力信号Ｓｙとして出力される。

次に、デジタルカウント１９では、光電変換素子１８１，１８２からの出力信号Ｓｘ，Ｓｙをそれぞれ、Ｘ信号およびＹ信号とみなして、例えば図４に示したような円状または円弧状のリサージュ図形を生成するようになっている。具体的には、２つの光路からの干渉光の振幅をそれぞれＡ，Ｂ、光路差をΔＬ、波長をλとすると、干渉光の強度Ｉｘ，Ｉｙは、それぞれ以下の（１）〜（３）式のように表される。そして出力信号Ｓｘ，Ｓｙはそれぞれ、干渉光の強度Ｉｘ，Ｉｙに応じた信号Ｘ，Ｙを出力し、光強度のＤＣ項であるＡ^２＋Ｂ^２に相当するＤＣ成分信号ＣＸ，ＣＹをキャンセルし、さらに以下の（４）式で表される光強度ゲインＧに相当するゲインＧ’を持った増幅器（図示せず）を通すことにより、ｘ，ｙ信号を得る。このようにして以下の（５），（６）式の演算を行うことにより、（Ｘ，Ｙ）信号から（ｘ，ｙ）信号が得られる。
Ｉｘ＝Ａ^２＋Ｂ^２＋２ＡＢｃｏｓθ …（１）
Ｉｙ＝Ａ^２＋Ｂ^２＋２ＡＢｓｉｎθ …（２）
θ＝（２π×ΔＬ）／λ …（３）
Ｇ＝１／（２ＡＢ） …（４）
ｘ＝（Ｘ−ＣＸ）×Ｇ’＝ｃｏｓθ …（５）
ｙ＝（Ｙ−ＣＹ）×Ｇ’＝ｓｉｎθ …（６）

すると、上記（５），（６）式の演算により、信号点（ｘ，ｙ）の動きから、図４に示したように中心点Ｃを中心とする円周上を運動するリサージュ図形が得られる。このとき、光電変換素子１８１，１８２で検出された検知ポイント（例えば、図中の信号点Ｐ０）は、この円周上の１点であり、振動膜１１の変位に従って円周上を変位することになる。したがって、角度θは、θ＝ａｒｃｔａｎ（ｙ／ｘ）により、角度範囲（−π／２から＋π／２の範囲）においてｘとｙの値により一義的に求められ、この範囲の上限を超えた場合はアキュムレータの値に１を加算、下限を超えた場合は１を減算する。そしてそのカウントされた回数が、角度θの情報であるデジタル信号の音声信号Ｓoutとして出力される。

次に、図１〜図４に加えて図５〜図７を参照して、本発明の特徴的部分の動作（振動膜１３１とハーフミラー１４２との間での多重反射）について詳細に説明する。

まず、図１において参照光と反射光との干渉による干渉縞の強度Ｉは、前述の（１）〜（３）式により、以下の（７）式のように表される。また、この（３）式中のΔＬは、参照光と反射光との間の光路差の変位を表しているため、この光路差の変位ΔＬは、振動膜１３１の音波Ｓｗによる変位をδ、振動膜１３１に対するレーザ光Ｌoutの入射角をθとすると、以下の（８）式のように表される。
Ｉ＝Ａ^２＋Ｂ^２＋２ＡＢｃｏｓ（（２π×ΔＬ）／λ） …（７）
ΔＬ＝２×δ×ｃｏｓθ …（８）

ここで、本実施の形態の干渉計では、ハーフミラー１４２によって、振動膜１３１で反射された反射光の一部が反射され、振動膜１３１の方向へと戻されるため、図１に示したような多重反射光Ｌｒが生じる。したがって、このような多重反射光Ｌｒによる振動膜１３１に対する入射角を、θ１（１回目の反射の際の入射角），θ２（２回目の反射の際の入射角），…，θｎ（ｎ回目の反射の際の入射角）とすると、上記光路差の変位ΔＬは、以下の（９）式のように表される。この（９）式により、入射角が０°付近の場合（レーザ光が振動膜１３１に対してほぼ垂直に入射する場合）には、ｃｏｓθ１＝ｃｏｓθ２＝…＝ｃｏｓθｎ≒１となることから、光路差の変位ΔＬは以下の（１０）式のようになり、レーザ光Ｌoutの振動膜１３１とハーフミラー１４２との間の多重反射回数ｎだけ乗じたものとほぼ等しくなる（光路差の変位ΔＬが約ｎ倍の大きさとなる）。よって、このように振動膜１３１とハーフミラー１４２との間での多重反射により光路差が大きくなり、これにより振動膜１３１の変位も増幅されて検出されることが分かる。
ΔＬ＝２×δ×（ｃｏｓθ１＋ｃｏｓθ２＋ … ＋ｃｏｓθｎ） …（９）
ΔＬ≒２×δ×ｎ …（１０）

また、レーザ光源１０として、特に例えばセルフパルセーション型の半導体レーザなどの低コヒーレンス光を射出するものを用いた場合、干渉縞のビジビリティ（明瞭度）は、例えば図５に示したように、参照光と反射光との光路差が０のときに最大となると共に光路差が生じると急激に低下するようになっている。なお、干渉縞のビジビリティ（明瞭度）は、干渉縞の強度Ｉの最大値をＩmax、干渉縞の強度Ｉの最小値をＩminとすると、以下の（１１）式のように定義される。
干渉縞のビジビリティ（明瞭度）＝（Ｉmax−Ｉmin）／（Ｉmax＋Ｉmin） …（１１）

ここで、上記のようにレーザ光Ｌoutの振動膜１３１とハーフミラー１４２との間の多重反射回数をｎとすると、ｎ回反射されたｎ回反射光と参照光との干渉により形成された干渉縞のビジビリティが最大となるときのビームスプリッタ１２と反射板１４１との間の距離Ｌ０は、前述のようにビームスプリッタ１２と振動膜１３１との間の距離をＬ１、振動膜１３１とハーフミラー１４２との間の距離をＬ２とすると、以下の（１２）式のように表される。したがって、このように干渉縞のビジビリティが最大となるときの干渉光ピークとその干渉光ピークのサイドピークとを、横軸をビームスプリッタ１２と反射板１４１との間の距離Ｌ０として表すと、例えば図６（Ａ），（Ｂ）のようになる。
Ｌ０＝Ｌ１＋（ｎ−１）×Ｌ２ …（１２）

すなわち、反射光路における反射光には、振動板１３１とハーフミラー１４２との間の多重反射による反射回数の異なる複数種類の反射成分（例えば、図６中のｎ＝１，ｎ＝２，ｎ＝３，…により表される各反射成分）が含まれているため、ビームスプリッタ１２と反射板１４１との間の距離Ｌ０を、上記（１２）により表されるＬ０に設定するようにすれば、言い換えれば、所望の反射回数の反射成分による反射光路での光路長と、参照光路の光路長とが略等しくなるように距離Ｌ０（および距離Ｌ１，Ｌ２）を設定すれば、所望の反射回数の反射成分と参照光との間での選択的な干渉が可能となると共に、その干渉による干渉縞のビジビリティが最大となる。

また、例えば図６（Ａ）に示したように、Ｌ２≫ｄ（ｄ：個々の干渉縞の明瞭度のピーク間の距離）のときには、反射回数の異なる複数種類の反射成分による干渉縞の明瞭度のピーク同士が、距離Ｌ０に対して互いに離れた位置に出現するため、これら干渉縞の明瞭度のピーク同士が干渉するなどして互いに影響を及ぼすことはない。しかし、例えば図６（Ｂ）に示したように、Ｌ２≒ｄのときには、反射回数の異なる複数種類の反射成分による干渉縞の明瞭度のピーク同士が、距離Ｌ０に対して互いに近い位置に出現するため、そのままでは干渉縞の明瞭度のピーク同士が干渉するなどして、所望の反射回数の反射成分と参照光との間での選択的な干渉を検出するのが困難となってしまう。

したがって、そのような場合には、例えば図７に示したように、Ｌ２≒（ｄ／ｎ）となるように距離Ｌ２を設定することで、反射回数の異なる複数種類の反射成分による干渉縞の明瞭度のピーク同士の干渉による影響が最小限に抑えられる。これにより、各干渉縞の明瞭度のピークを独立して検出するのが容易となるため、振動膜１３１の変位の検出精度が向上することとなる。

このようにして本実施の形態のマイクロホン装置１では、光源１０から発せられたレーザ光Ｌoutが、干渉計内で偏光ビームスプリッタ１２により２つの光路（参照光路および反射光路）に分離され、それぞれＳ波成分ｓ０およびＰ波成分ｐ０として進行する。この際、参照光路において反射板１４１により反射された参照光（Ｐ波成分ｐ１）と、反射光路において振動膜１３１およびハーフミラー１４２により反射された反射光（Ｓ波成分ｓ１）とが互いに干渉し、偏光板１７１，１７２において干渉縞が形成される。そしてこの干渉縞に基づいて光源変換素子１８１，１８２およびデジタル信号処理部１９により、振動膜１３１の振動が量子化された音声信号Ｓoutとして検出される。ここで、上記反射光は、反射光路において振動膜１３１とハーフミラー１４２との間で多重反射されたものであるため、参照光と反射光との光路差が大きくなり、これにより振動膜１３１の変位が増幅されて検出される。

以上のように本実施の形態では、光源１０からのレーザ光Ｌoutを干渉計内で２つの光路（参照光路および反射光路）に分離し、参照光路において反射板１４１により反射された参照光と反射光路において振動膜１３１およびハーフミラー１４２により反射された反射光とを互いに干渉させて干渉縞を形成すると共に、この干渉縞に基づいて振動膜１３１の振動を検出するようにしたので、振動膜１３１の振動を光学的に検出することができる。また、上記反射光が、反射光路において振動膜１３１とハーフミラー１４２との間で多重反射されたものであるようにしたので、参照光と反射光との光路差を大きくし、振動膜１３１の変位を増幅して検出することができる。よって、光学的に振動検出を行う際に検出感度を向上させることが可能となる。

また、マイケルソン干渉計を用いて、小型かつ簡易な構成で実現することができる。よって、光学的にデジタル振動検出を行う振動検出装置（マイクロホン装置）において装置の小型化を図ることが可能となる。

また、光による非接触センシングを行うことができるので、振動膜１３１の大きさや軽さを自由に選択することができ、ダイナミックレンジおよび周波数特性を、従来のダイナミック方式やコンデンサ方式等のアナログ方式に対して拡大することができる。

さらに、干渉縞のカウントによって直接デジタル信号を取り出すことができるため、角度検出精度を上げることで、容易にＳ／Ｎ比を低減し、出力する音声信号Ｓoutの低ノイズ化を実現することができる。また、マイクロホン装置１から直接デジタル信号が得られるので、デジタル伝送を容易に実現でき、マイクロホン装置１から長いラインの引き回すような場合であっても、ノイズ等の影響をなくすことができる。

なお、本実施の形態では、レーザ光Ｌoutを少なくとも部分的に反射可能な第２の反射体の一例として、レーザ光Ｌoutを部分的に反射させると共に部分的に透過させることが可能なハーフミラー１４２を挙げて説明したが、例えば図８（Ａ），図８（Ｂ）に示したように、レーザ光Ｌoutを全反射させる全反射ミラー（図８（Ａ）に示した全反射ミラー１４３Ａ，１４３Ｂや、図８（Ｂ）に示した全反射ミラー１４４Ａ，１４４Ｂなど）を用いて干渉計を構成するようにしてもよい。このように構成した場合、反射の際の光強度の低下が抑えられるため、上記実施の形態における効果に加え、干渉縞の検出精度を向上させて振動膜１３１の検出精度も向上させることが可能となる。

［第２の実施の形態］
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。なお、第１の実施の形態における構成要素と同一のものには同一の符号を付し、適宜説明を省略する。

図９は、本実施の形態に係る振動検出装置（マイクロホン装置１Ａ）の構成を表したものである。このマイクロホン装置１Ａは、干渉計をマッハ・ツェンダ干渉計によって構成するようにしたものである。具体的には、このマイクロホン装置１Ａは、レーザ光源１０と、マッハ・ツェンダ干渉計と、２つの光電変換素子１８１，１８２およびデジタル信号処理部１９からなる検出部とから構成されている。また、このマッハ・ツェンダ干渉計は、ビームスプリッタ１６１と、２つの反射ミラー１４５，１４６と、３つのプリズム１１１〜１１３と、コーナーキューブプリズム１１４と、ビームスプリッタ１６２とから構成されている。

ビームスプリッタ１６１は、レーザ光源１０から射出されたレーザ光Ｌoutを、プリズム１１１側の第１の光路ＯＰ１（参照光路）と、反射ミラー１４５側の第２の光路ＯＰ２（反射光路）とに分離するためのものである。

反射ミラー１４５は光路ＯＰ２上に配置されており、この光路ＯＰ２を進行するレーザ光Ｌoutをプリズム１１２の側に反射させるものである。

プリズム１１１は、光路ＯＰ１上に配置されており、この光路ＯＰ１上においてビームスプリッタ１６１の側から進行するレーザ光Ｌout（参照光）をコーナーキューブプリズム１１４の側に反射させると共に、光路ＯＰ１上においてコーナーキューブプリズム１１４の側から進行するレーザ光Ｌout（参照光）を反射ミラー１４６の側に反射させるものである。

プリズム１１２は、反射ミラー１４５により反射されたレーザ光Ｌoutをプリズム１１３および振動膜１３１の側に反射させると共に、以下説明するように振動膜１３１およびプリズム１１３により多重反射された反射光をビームスプリッタ１６２の側に反射させるものである。

プリズム１１３は、振動膜１３１側の表面が金属蒸着されるなどして反射面となっており、光路ＯＰ２を進行するレーザ光Ｌoutを振動膜１３１とプリズム１１３との間で多重反射させるためのものである。

コーナーキューブプリズム１１４は、光路ＯＰ１上に配置されており、プリズム１１１により反射されたレーザ光Ｌout（参照光）を反射させ、再びプリズム１１１の側に進行させるためのものである。このコーナーキューブプリズム１１４は、図９中の矢印で示したようにその位置を任意に変位可能となっており、これにより第１の実施の形態と同様に参照光路の光路長を任意に調整することができるようになっている。

反射ミラー１４６は光路ＯＰ１上に配置されており、プリズム１１１により反射されたレーザ光Ｌout（参照光）をビームスプリッタ１６２の側に反射させるものである。

ビームスプリッタ１４６は、光路ＯＰ１により入射した参照光および光路ＯＰ２により入射した反射光（多重反射光）を、光電変換素子１８１側の光路と光電変換素子１８２側の光路とに分離して進行させるためのものである。

ここで、コーナーキューブプリズム１１４が本発明における「第１の反射体」の一具体例に対応し、プリズム１１３が本発明における「第２の反射体」および「全反射ミラー」の一具体例に対応する。

このような構成により本実施の形態の干渉計では、レーザ光源１０から発せられたレーザ光Ｌoutが、ビームスプリッタ１６１によって２つの光路ＯＰ１，ＯＰ２に分離されて進行する。具体的には、ビームスプリッタ１６１、プリズム１１１、コーナーキューブプリズム１１４、プリズム１１１、反射ミラー１４６およびビームスプリッタ１６２を通る第１の光路（参照光路）と、ビームスプリッタ１６１、反射ミラー１４５、プリズム１１２、振動膜１３１、プリズム１１３、プリズム１１２およびビームスプリッタ１６２を通る第２の光路（反射光路）とに分離されて進行する。この際、反射光路において振動膜１３１およびプリズム１１３により反射された反射光と、参照光路においてコーナーキューブプリズム１１４により反射された参照光とがビームスプリッタ１６２において互いに干渉し、干渉縞が形成される。よって、この干渉縞に基づいて光電変換素子１８１，１８２およびデジタル信号処理部１９により、第１の実施の形態と同様にして振動膜１３１の振動が量子化された音声信号Ｓoutとして検出される。

また、上記反射光は、反射光路において振動膜１３１とプリズム１１３との間で多重反射されたものであるため、参照光と反射光との光路差が大きくなり、これにより振動膜１３１の変位が増幅されて検出される

したがって、本実施の形態においても、第１の実施の形態と同様の作用により同様の効果を得ることができる。すなわち、光学的に振動検出を行う際に検出感度を向上させることが可能となる。

また、干渉計としてマッハ・ツェンダ干渉計を用いるようにしたので、波長板や偏光ビームスプリッタなどの高価な光学部品を使わずに、レーザ光源１０に対してレーザ光Ｌoutの戻り光が生じないようにすることができ、安価にレーザ光源１０でのノイズ発生を回避することが可能となる。

以上、第１および第２の実施の形態を挙げて本発明を説明したが、本発明はこれらの実施の形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。

例えば、上記実施の形態で説明した、リサージュ図形の−（π／２）＜θ＜＋（π／２）の範囲において一義的に決まる角度に対して角度分割のカウント数を増やすようにしてもよい。このように構成した場合、角度分解能を上げることで、検出感度を向上させることが可能となる。

また、上記実施の形態では、レーザ光Ｌoutを発する光源として半導体レーザを挙げて説明したが、これ以外にも例えば、ガスレーザや固定レーザなどを用いるようにしてもよい。

また、上記実施の形態では、本発明の振動検出装置の一例として、振動体が音波に応じて振動する振動膜（振動膜１３１）であり、この振動膜１３１の振動を音声信号Ｓoutとして検出する光学式マイクロホン装置について説明したが、本発明の振動検出装置はこれには限られず、他の振動を検出するように構成してもよい。

さらに、上記実施の形態では、デジタルカウント部１９を用いて振動膜１３１の振動を量子化された信号Ｓoutとしてデジタル検出を行う場合について説明したが、振動膜の振動をそのままアナログ信号として出力するようにしてもよい。具体的には、例えば、光電変換素子１８１，１８２からの出力信号Ｓｘ，Ｓｙを、干渉光強度変化がリニアに変化する領域で使用することでほぼ振動板変位に比例した電気信号を得ることができるため、この信号をそのままアナログ音声信号として出力するようにしてもよい。よく知られた方式によれば、参照光側の光路長をピエゾ素子などにより可動とし、出力信号のＤＣ成分をピエゾ素子に負帰還をかけることで、リニア領域の位置に制御することが可能である。

本発明の第１の実施の形態に係る振動検出装置の全体構成を表す図である。 図１に示したマイクカプセルの詳細構成の一例を表す断面図である。 図１に示したマイクカプセルの詳細構成の他の例を表す断面図である。 図１に示したデジタル信号処理部において作成されるリサージュ図形の一例を表す図である。 干渉計における光路差とビジビリティとの一般的な関係を示す特性図である。 第１の実施の形態における複数種類の反射成分による干渉光ピークとビジビリティとの関係を示す特性図である。 複数種類の反射成分による干渉光ピーク同士の干渉について説明するための特性図である。 第１の実施の形態の変形例に係る多重反射の態様を表す断面図である。 第２の実施の形態に係る振動検出装置の全体構成を表す図である。

符号の説明

１，１Ａ…マイクロホン装置、１０…レーザ光源、１１…レンズ、１１１〜１１３…プリズム、１１４…コーナーキューブプリズム、１２…偏光ビームスプリッタ、１３，１３Ａ，１３Ｂ…マイクカプセル、１３０…筐体、１３１…振動膜、１３２…背電極、１３３…背面板、１３４…透明部材、１３５…開口部、１４１…反射板、１４２…ハーフミラー、１４３Ａ，１４３Ｂ，１４４Ａ，１４４Ｂ…全反射ミラー、１４５，１４６…反射ミラー、１５１，１５２，１５３…λ／４板、１６，１６１，１６２…ビームスプリッタ、１７１，１７２…偏光板、１８１，１８２…光電変換素子、１９…デジタル信号処理部、Ｓｗ…音波、ｓ０，ｓ１…Ｓ偏光成分、ｐ０，ｐ１…Ｐ偏光成分、ＯＰ１，ＯＰ２…光路、Ｓｘ，Ｓｙ…光電変換素子からの出力信号、Ｓout…音声信号、Ｌout…レーザ光、Ｌｒ…多重反射光、Ｌ０…偏光ビームスプリッタと反射板との間の距離、Ｌ１…偏光ビームスプリッタと振動膜との間の距離、Ｌ２…ハーフミラーと振動膜との間の距離、ｄ…回折光ピーク間の距離、Ｃ…中心点、Ｐ０…信号点、Ｐａ〜Ｐｄ…基準点、Ｅ〜Ｈ…基準線。

Claims (9)

1. レーザ光を発する光源と、
   前記レーザ光を反射可能な振動体および第１の反射体と、前記レーザ光を少なくとも部分的に反射可能な第２の反射体とを含んで構成され、前記光源から発せられたレーザ光を第１および第２の光路に分離して進行させると共に、前記第１の光路において前記第１の反射体により反射された参照光と、前記第２の光路において前記振動体と前記第２の反射体との間で多重反射された反射光とを互いに干渉させて干渉縞を形成する干渉計と、
   形成された前記干渉縞に基づき、前記振動体の振動を検出する検出手段と
   を備えたことを特徴とする振動検出装置。
2. 前記第２の反射体が、前記レーザ光を部分的に反射させると共に部分的に透過させるハーフミラーにより構成されている
   ことを特徴とする請求項１に記載の振動検出装置。
3. 前記反射光は、前記振動体と前記第２の反射体との間の多重反射による反射回数の異なる複数種類の反射成分により構成され、
   前記反射回数の異なる複数種類の反射成分のうちの所望の反射回数の反射成分による第２の光路での光路長と、前記第１の光路の光路長とが、等しくなるように設定されている
   ことを特徴とする請求項２に記載の振動検出装置。
4. 前記反射光は、前記振動体と前記第２の反射体との間の多重反射による反射回数の異なる複数種類の反射成分により構成され、
   前記反射回数の異なる複数種類の反射成分による干渉縞の明瞭度のピーク同士が互いに干渉しないように、前記第１の光路の光路長が設定されている
   ことを特徴とする請求項２に記載の振動検出装置。
5. 前記第２の反射体が、前記レーザ光を全反射させる全反射ミラーにより構成されている
   ことを特徴とする請求項１に記載の振動検出装置。
6. 前記干渉計が、マイケルソン干渉計により構成されている
   ことを特徴とする請求項１に記載の振動検出装置。
7. 前記干渉計が、マッハ・ツェンダ干渉計により構成されている
   ことを特徴とする請求項１に記載の振動検出装置。
8. 前記検出手段が、
   前記干渉縞を互いに位相が９０度ずれた状態で検出する２つの光電変換素子と、
   前記２つの光電変換素子からの出力信号を信号点とみなして、平面上に円状または円弧状のリサージュ図形を生成する図形生成手段と、
   生成されたリサージュ図形上において、信号点が所定の基準点を通過する回数をカウントするカウンタとを有する
   ことを特徴とする請求項１に記載の振動検出装置。
9. 前記振動体が音波に応じて振動する振動膜であり、この振動膜の振動を量子化された音声信号として検出する光学式マイクロホン装置として構成されている
   ことを特徴とする請求項１に記載の振動検出装置。

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