JP5027950B2 - 光マイクロホン - Google Patents

Description

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。

音波を受波し、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、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、振動部が破壊する可能性がある。

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、例えば、特許文献１および特許文献２で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が開示されている。

例えば特許文献１は、光を音響波によって変調し、光の変調成分を検出することによって音響波を検出する方法を開示している。具体的には、図１５に示すように、空気中を伝搬する音響波５に、出射系光学部品１０１を用いて整形されたレーザー光を作用させ、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１０２で調整した後に、２つの回折光成分のどちらか一方のみを光ダイオード１０３で受光し、電気信号に変換することにより音響波５を検出する。

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１６に示すように、空気中を伝搬する音響波５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５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。

特開平８−２６５２６２号公報 特開２００９−０８５８６８号公報

特許文献１の光マイクロホンでは、音響波によって生じた回折光を検出する必要がある。しかし、回折光の生じる角度は、音響波の周波数に依存するため、検出する音響波の周波数に応じてマイクロホンの感度が変化してしまうという課題がある。

また、特許文献２の方法では、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。

本願は、このような従来技術の課題に鑑みてなされたものであり、感度が音響波の周波数に依存しない光マイクロホンを、レーザードップラー振動計などを用いない、小型でかつ簡素な構成で提供することを目的とする。

本発明の光マイクロホンは、光波を用いて、環境流体を伝搬する音響波を検出する光マイクロホンであって、前記音響波が伝搬する伝搬媒質部と、前記伝搬媒質部中の回折領域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検出し、電気信号を出力する光電変換部とを備え、前記音響波の一部である第１音響波および他の少なくとも一部である第２音響波を、同時刻に前記回折領域に到達し、かつ、前記回折領域を透過する前記光波を横切るように、互いに平行かつ反対方向に前記伝搬媒質部においてそれぞれ伝搬させ、前記回折領域において、前記第１音響波および前記第２音響波の伝搬に伴ってそれぞれ生じる前記伝搬媒質部を構成する伝搬媒質の屈折率分布により、前記光波の＋１次回折光波および−１次回折光波をそれぞれ生成させ、前記光電変換部は、前記第１音響波による前記光波の＋１次回折光波と前記第２音響波による前記光波の−１次回折光波との干渉成分、および、前記第１音響波による前記光波の−１次回折光波と前記第２音響波による前記光波の＋１次回折光波との他の干渉成分のうち少なくとも一方を検出する。

ある好ましい実施形態において、光マイクロホンは、前記光電変換部で得られた電気信号の周波数を１／２倍に変化する周波数変換部をさらに備える。

ある好ましい実施形態において、前記光電変換部は、前記回折領域を透過した光波に対して、前記第１音響波および前記第２音響波の伝搬する方向に沿ってシフトして配置されており、前記第１音響波による前記光波の＋１次回折光波と前記第２音響波による前記光波の−１次回折光波との干渉成分、および、前記第１音響波による前記光波の−１次回折光波と前記第２音響波による前記光波の＋１次回折光波との他の干渉成分のうちの一方のみを検出する。

ある好ましい実施形態において、光マイクロホンは、前記光電変換部と前記伝搬媒質部中の回折領域との間に位置し、前記回折領域を透過した光波の一部または全てが前記光電変換部に入射しないように前記回折領域を透過した光波を遮蔽する遮蔽部をさらに備える。

ある好ましい実施形態において、前記第１音響波および前記第２音響波は、前記回折領域の同じ場所を透過する。

ある好ましい実施形態において、前記第１音響波および前記第２音響波は、前記回折領域の互いに異なる場所を透過する。

ある好ましい実施形態において、前記伝搬媒質部は、第１伝搬媒質部分および第２伝搬媒質部分を含み、前記回折領域は前記第１伝搬媒質部分および第２伝搬媒質部分にそれぞれ位置する第１回折領域部分および第２回折領域部分を含み、前記第１回折領域部分および前記第２回折領域部分は、前記光源と前記光電変換部との間において、重なって配置されている。

ある好ましい実施形態において、前記伝搬媒質部は、空気より小さい音速を有し、固体の伝搬媒質からなる。

ある好ましい実施形態において、前記伝搬媒質はシリカ乾燥ゲルからなる。

ある好ましい実施形態において、光マイクロホンは、前記伝搬媒質と前記光電変換部との間に、前記光波の＋１次回折光波および−１次回折光波の伝搬方向を変化させる光学素子をさらに備える。

ある好ましい実施形態において、前記伝搬媒質部は、互いに対向し、前記第１音響波および前記第２音響波がそれぞれ入射する第１および第２入力開口面を有している。

ある好ましい実施形態において、前記伝搬媒質部において、前記第１および第２入力開口面は、前記回折領域から等距離に位置している。

ある好ましい実施形態において、光マイクロホンは、同一方向に面している第１および第２入力開口と、互いに対向する第１および第２出力開口と、前記第１および第２入力開口と前記第１および第２出力開口との間にそれぞれ設けられた第１および第２導波路とを有し、前記第１入力開口から入射した前記第１音響波および前記第２入力開口から入射した前記第２音響波をそれぞれ前記第１および第２出力開口へ導く導波路構造をさらに備え、前記導波路構造の前記第１および第２出力開口は、前記伝搬媒質部の前記第１および第２入力開口面に配置されている。

ある好ましい実施形態において、前記第１および第２導波路は、前記導波路構造において対称に配置されている。

ある好ましい実施形態において、光マイクロホンは、前記導波路構造の第１および第２出力開口に接続されたホーンをさらに備える。

本発明の音響波の検出方法は、光波を用いて、環境流体を伝搬する音響波を検出する音響波の検出方法であって、前記音響波の一部である第１音響波および他の少なくとも一部である第２音響波を、同時刻に伝搬媒質部の回折領域に到達するように、互いに平行かつ反対方向に前記伝搬媒質部中にそれぞれ伝搬させるステップと、前記搬媒質部の前記回折領域において、前記伝搬する第１音響波および前記第２音響波を横切るように、光波を透過させ、前記回折領域において、前記第１音響波および前記第２音響波の伝搬に伴ってそれぞれ生じる前記伝搬媒質部を構成する伝搬媒質の屈折率分布により、前記光波の＋１次回折光波および−１次回折光波をそれぞれ生成させるステップと、前記第１音響波による前記光波の＋１次回折光波と前記第２音響波による前記光波の−１次回折光波との干渉成分、および、前記第１音響波による前記光波の−１次回折光波と前記第２音響波による前記光波の＋１次回折光波との他の干渉成分のうち少なくとも一方を検出するステップとを包含する。

本発明の光マイクロホンによれば、検出すべき音響波の一部である第１音響波および他の一部である第２音響波を、同時刻において、伝搬媒質部を透過する光波を横切るように、互いに平行かつ反対方向に伝搬媒質部においてそれぞれ伝搬させる。このため、第１音響波による＋１次回折光波と第２音響波による−１次回折光波、または、第１音響波による−１次回折光波と第２音響波による＋１次回折光波は、音響波の周波数に関わらず、同じ回折角で回折する。したがって、＋１次回折光波と−１次回折光波との干渉成分が音響波の周波数に関わらず一定となり、音響波の周波数によらず一定の検出感度で音響波を検出することのできる光マイクロホンが実現する。

本発明による光マイクロホンの一実施形態の構成を示す図である。 （ａ）および（ｂ）は、図１に示す光マイクロホンの断面図であって、（ａ）は第１および第２音響波が伝搬媒質部に入射する様子を示し（ｂ）は、第１および第２音響波が伝搬媒質部を伝搬し、±１次回折光波が生成している様子を示す図である。 光マイクロホンに用いることのできる導波路構造を示す模式的な斜視図である。 伝搬媒質部が組み込まれた導波路構造の一例を示す模式的な斜視図である。 伝搬媒質部が組み込まれた導波路構造の他の例を示す模式的な斜視図である。 （ａ）および（ｂ）は、回折領域の位置の調整を説明する図である。 （ａ）は、伝搬媒質部の回折領域における第１音響波による光波の回折を示す図であり、（ｂ）は、伝搬媒質部の回折領域における第２音響波による光波の回折を示す図である。 （ａ）および（ｂ）は、光源から出射する光波の光軸に沿ってみた、光波の０次回折光波および±１次回折光波の位置を示す図である。 （ａ）および（ｂ）は、第１および第２音響波の伝搬を説明する模式図である。 （ａ）から（ｃ）は、本光マイクロホンにおいて得られる光信号および電気信号を説明する図である。 図１の光マイクロホンにおいて、０次回折光波を遮蔽する構成を示す模式図である。 図１の光マイクロホンにおいて、伝搬媒質部と光電変換部との間に光学素子を設けた構成を示す模式図である。 ２つの伝搬媒質部で構成される光マイクロホンを示す図である。 図１３の光マイクロホンの回折光波の位置関係を示す図である。 従来の光マイクロホンの構成を概略的に示す図である。 従来の他の光マイクロホンの構成を示す図である。

以下、図面を参照しながら、本発明による光マイクロホンの実施形態を説明する。

図１は、本実施形態の光マイクロホン１００の主要部の構成を示している。光マイクロホン１００は、環境流体を伝搬する音響波５を、光波を用いて電気信号として検出するマイクロホンである。ここで、「環境流体」とは、光マイクロホン１００の外部空間に存在する流体を示す。例えば、環境流体は空気である。

光マイクロホン１００は、伝搬媒質部１と、光源２と、光電変換部４とを備える。光マイクロホン１００において、音響波５を伝搬媒質部１に伝搬させ、伝搬媒質部１中で光源２より出力する光波３と作用させることによって、伝搬媒質部１を透過した光波に音響波５の情報を重畳させ、光波３を光電変換部４によって電気信号に変換することによって、音響波５を電気信号として検出する。光マイクロホン１００では、音響波５をその一部である第１音響波５ａと他の少なくとも一部である第２音響波５ｂとに分け、第１音響波５ａおよび第２音響波５ｂを互いに平行かつ反対方向に伝搬媒質部１においてそれぞれ伝搬させ、光波３と作用させることを一つの特徴としている。

以下、光マイクロホン１００の各構成要素を具体的に説明する。以下、分かり易さのため、図１に示すように座標を設定する。具体的には、音響波５が伝搬する方向をｘ軸にとり、光波３が伝搬する方向をｚ軸にとる。また、ｘ軸およびｚ軸に直行する方向をｙ軸にとる。

（伝搬媒質部１）
図２（ａ）は、図１のｘ−ｚ平面であって、光波３が伝搬している面における光マイクロホン１００の断面図であり音響波５が環境流体より伝搬媒質部１に入射する様子を模式的に表わしている。

伝搬媒質部１は、第１音響波５ａおよび第２音響波５ｂが入射する第１入力開口面６ａおよび第２入力開口面６ｂを有する。第１入力開口面６ａと第２入力開口面６ｂとは、互いに対向した面である。また、第１入力開口面６ａと第２入力開口面６ｂとは、互いに平行である。

以下において詳細に説明するように、光源２から出射した光波３は、伝搬媒質部１に設けられた回折領域２１を透過する。第１および第２入力開口面６ａ、６ｂから入射した第１および第２音響波５ａ、５ｂは、回折領域２１において互いに平行であり、かつ、反対方向に伝搬する。また、第１および第２音響波５ａ、５ｂは、同時刻に回折領域２１に到達することが好ましい。また、光波３を横切るように第１および第２音響波５ａ、５ｂが伝搬することが好ましい。

伝搬媒質部１は、固体の伝搬媒質からなり、空気よりも小さい音速を有することが好ましい。具体的には、伝搬媒質部１の音速は、空気の音速である３４０ｍ／ｓｅｃより小さいことが好ましい。伝搬媒質として固体材料を用いることにより、伝搬媒質部１において大きな回折効果を得ることができる。また、一般に、音速の小さい材料は密度も比較的小さいため、空気などの環境流体と伝搬媒質部１との境界における反射が小さくなり、比較的高い効率で音響波を伝搬媒質部１に取り込むことができる。

特に、伝搬媒質部１の伝搬媒質として、シリカ乾燥ゲルを用いることが好ましい、シリカ乾燥ゲルは、空気との音響インピーダンスの差が小さいという性質を備えており、空気中を伝搬する第１および第２音響波５ａ、５ｂを効率よくシリカ乾燥ゲルで構成される伝搬媒質部１の内部に取り込むことができる。具体的には、シリカ乾燥ゲルの音速は、５０〜１５０ｍ／ｓｅｃであり、空気中の音速３４０ｍ／ｓｅｃよりも小さく、また密度も約７０〜２８０ｋｇ／ｍ³と小さい。このため、空気の音響インピーダンスとの差が小さく、界面での反射が小さいため、空気中の音響波を効率よく内部に取り込むことができる。例えば、音速５０ｍ／ｓｅｃ、密度１００ｋｇ／ｍ³のシリカ乾燥ゲルを用いると、空気との界面での反射は７０％となり、音響波のエネルギーの３０％程度が界面で反射されずに、内部へ取り込まれる。また、この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の音圧変化に対する屈折率変化量Δｎは１.０×１０^-7程度と大きい。このため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。

（音響波５）
音響波５は、上述したように、第１音響波５ａおよび第２音響波５ｂとして伝搬媒質部１に入射させる。図２（ａ）に示すように、第１音響波５ａと第２音響波５ｂとは、互いに平行であり、かつ、反対方向に伝搬媒質部１を伝搬することが好ましい。このため、伝搬媒質部１は第１入力開口面６ａおよび第２入力開口面６ｂを有しており、第１入力開口面６ａおよび第２入力開口面６ｂから第１音響波５ａおよび第２音響波５ｂがそれぞれ伝搬媒質部１に入射する。

また、第１音響波５ａおよび第２音響波５ｂは、同じ周波数の音響波であることが好ましい。ここで、「同じ周波数」とは、第１音響波５ａおよび第２音響波５ｂが一定の周波数の連続はまたはバースト波である場合、その周波数が等しいことを言う。また、第１音響波５ａおよび第２音響波５ｂが時間とともに周波数が変化する音響波である場合、いずれの時刻においても第１音響波５ａおよび第２音響波５ｂの周波数が一致することを言う。ただし、第１音響波５ａおよび第２音響波５ｂの振幅は必ずしも等しい必要はなく、異なっていてもよい。

一般的には、環境流体を伝搬する音響波５から、第１音響波５ａおよび第２音響波５ｂを分波した場合、特別な処理を施さない限り第１音響波５ａおよび第２音響波５ｂの周波数は同じになる。また、第１音響波５ａおよび第２音響波５ｂの位相も一致する。ただし、第１音響波５ａおよび第２音響波５ｂの位相は一致していなくてもよく、例えば互いに逆であってもよい。

音響波５から第１音響波５ａおよび第２音響波５ｂを生成し、伝搬媒質部１に入力するために、例えば図３に示すように、光マイクロホン１００は導波路構造９およびホーン１１を備えていてもよい。

ホーン１１は、音響波５が入射する入力開口１１ｃおよび音響波５が出射する出力開口１１ｄを有する。入力開口１１ｃは出力開口１１ｄよりも大きく、入力開口１１ｃと出力開口１１ｄとを接続する側面はホーン形状を備える。このため、入力開口１１ｃから入射した音響波５の音圧が高められ、高い音圧の音響波５が出力開口１１ｄから出射する。

導波路構造９は、第１および第２入力開口１０ａ、１０ｂと、第１および第２出力開口１２ａ、１２ｂと、第１および第２入力開口１０ａ、１０ｂと第１および第２出力開口１２ａ、１２ｂとの間にそれぞれ設けられた第１および第２導波路９ａ、９ｂとを有する。第１および第２導波路９ａ、９ｂは導波路構造９において対称に配置されている。導波路構造９の第１および第２入力開口１０ａ、１０ｂは、同一方向に面しており、ホーン１１の出力開口１１ｄに接続されている。また、第１および第２出力開口１２ａ、１２ｂは互いに平行であり、対向している。第１および第２出力開口１２ａ、１２ｂはそれぞれ伝搬媒質部１の第１入力開口面６ａおよび第２入力開口面６ｂに連結されている。

ホーン１１の出力開口１１ｄから導波路構造９へ入射する音響波５は、第１および第２入力開口１０ａ、１０ｂにおいて、２つに分けられ、第１音響波５ａおよび第２音響波５ｂとして、第１導波路９ａおよび第２導波路９ｂをそれぞれ伝搬し、第１および第２出力開口１２ａ、１２ｂから伝搬媒質部１に互いに平行であり、かつ反対方向に入射する。

これにより、環境流体を伝搬する音響波５を第１音響波５ａおよび第２音響波５ｂに分波し、それぞれを反対向きに伝搬媒質部１中へ入力することができる。また、導波路構造９の前段にホーン１１を配置することで、音響波５をより効率的に取り込むことができ、マイクロホンの感度を高くすることができる。

また、導波路構造の内部に伝搬媒質部１を配置してもよい。図４に示す導波路構造９’は、第１および第２入力開口１０ａ、１０ｂを両端に有する空洞を有している。空洞は、第１および第２入力開口１０ａ、１０ｂからそれぞれ緩やかに曲げられた後、直線状に伸び互いに繋がっている。空洞内に伝搬媒質部１が設けられている。伝搬媒質部１の第１入力開口面６ａおよび第２入力開口面６ｂは、導波路構造９’の第１入力開口面６ａおよび第２入力開口面６ｂと一致させてもよいし、導波路構造９’の空洞内に位置するように配置してもよい。空洞の直線部分には伝搬媒質部１が配置されている。環境流体を伝搬する音響波５は、第１および第２入力開口面６ａ、６ｂから空洞内にそれぞれ入射し、第１音響波５ａおよび第２音響波５ｂとして導波路構造９’に沿って伝搬し、その後、直線部分において、互いに反対向きに伝搬する。このため、導波路構造９’によれば、音響波５から第１音響波５ａおよび第２音響波５ｂを生成し、伝搬媒質部１において、第１音響波５ａおよび第２音響波５ｂを互いに平行な方向にかつ、反対方向に伝搬させることができる。

導波路構造の内部に伝搬媒質部１を配置する他の形態として、光マイクロホン１００は図５に示す導波路構造９’’を備えていてもよい。導波路構造９’’は、全体が伝搬媒質部１で構成されている。導波路構造９’’は第１および第２入力開口面６ａ、６ｂと、第１および第２反射面１４ａ、１４ｂを有する。第１および第２入力開口面６ａ、６ｂは、独立した２つの開口であってもよいし、伝搬媒質部１によって構成された立体の１つ面の中央部分に遮音板１３を配置することにより、遮音板１３の両端に形成される第１および第２入力開口面６ａ、６ｂであってもよい。第１および第２入力開口面６ａ、６ｂは、音響波５が伝搬する方向に対してそれぞれ垂直に設けられており、同一方向に面している。第１および第２反射面１４ａ、１４ｂは、第１および第２入力開口面６ａ、６ｂに対してそれぞれ４５°の角度で配置されていることが好ましい。

第１および第２入力開口面６ａ、６ｂに対して垂直な方向から入力された音響波５は、それぞれ第１音響波５ａ、第２音響波５ｂとして伝搬媒質部１を伝搬し、第１および第２反射面１４ａ、１４ｂで反射される。これにより、第１反射面１４ａで反射された第１音響波５ａと第２反射面１４ｂで反射された第２音響波５ｂは互いに平行であり、かつ、逆向きに伝搬媒質部１を伝搬する。

遮音板１３を用いて第１音響波５ａおよび第２音響波５ｂが交差する近辺に音響波５が直接入力されないようにすることによって、第１音響波５ａおよび第２音響波５ｂの検出の妨げとなる音響波の混入を防ぐことができ、精度よく音響波５を検出できる。

なお、第１音響波５ａおよび第２音響波５ｂは、必ずしも環境流体を伝搬する音響波５を２分波したものである必要はない。同一波形を出力する異なる２つの音源から出力された２つの音響波５を、それぞれ第１音響波５ａ、第２音響波５ｂとしてもよい。

（光源２）
光源２は、図２（ａ）に示すように伝搬媒質部１に向かって、光波３を出力する。光波３の波長および強度に特に制限はなく、光電変換部４が良好な感度で光波３を検出することのできる波長および強度が選択される。ただし、伝搬媒質部１にあまり吸収されない波長を選択することが好ましい。

光源２より出射された光波３は、伝搬媒質部１の回折領域２１に入射され、図２（ｂ）に示すように、伝搬媒質部１中で第１音響波５ａおよび第２音響波５ｂと作用する。具体的には、第１音響波５ａおよび第２音響波５ｂの伝搬によって、伝搬媒質部１の回折領域２１に、伝搬媒質の密度分布が生じ、これによる伝搬媒質の屈折率分布が生じる。伝搬媒質の屈折率分布は、光波３に対して回折格子として機能し、光波３を回折させる。このため、第１音響波５ａによる光波３の＋１次回折光波３ａおよび−１次回折光波３ｂと、第２音響波５ｂによる光波３の＋１次回折光波３ｃおよび−１次回折光波３ｄとが生じる。以下において、説明するように、屈折率分布は第１音響波５ａおよび第２音響波５ｂの伝搬に伴い移動するため、回折光波の周波数はドップラー効果により、シフトしている。

光波３としてはコヒーレントな光を用いても、インコヒーレントな光を用いてもよい。しかし、レーザー光のようなコヒーレントな光を用いたほうが、回折光波が干渉しやすく、信号が取り出しやすい。

光波３の回折光波を得るためには、光波３の伝搬方向と第１音響波５ａおよび第２音響波５ｂの伝搬方向とは非平行であること、つまり、第１音響波５ａおよび第２音響波５ｂは光波３を横切るように伝搬することが好ましい。特に、第１音響波５ａおよび第２音響波５ｂの伝搬方向と、光波３の伝搬方向とが、ｘｚ平面で垂直になる場合に、最も高い回折効率が得られ、マイクロホンとしての感度が高くなる。

光波３の伝搬媒質部１での透過位置、つまり回折領域２１の位置は、第１音響波５ａおよび第２音響波５ｂが同時刻に回折領域２１に到達するように決定されていることが好ましい。

音響波５が単一周波数の正弦波による連続波である場合などには、同じ周波数の音響波が連続しているため、回折領域２１が伝搬媒質部１のどこに位置していても、第１音響波５ａおよび第２音響波５ｂの同じ音響波が同時刻に回折領域２１に到達していると言える。

しかし、音響波５が連続波ではなく、例えば図６のように単一パルスのバースト信号のような時間的に不連続な波である場合や時間に伴い周波数が変化する音響波である場合には、第１音響波５ａおよび第２音響波５ｂを同時に光波３に作用させるためには、回折領域２１を第１音響波５ａおよび第２音響波５ｂが伝搬媒質部１中ですれ違い重なる位置に設定することが好ましい。

伝搬媒質部１が均一な伝搬媒質で構成されており、第１音響波５ａおよび第２音響波５ｂが同時刻に、第１および第２入力開口面６ａ、６ｂに入射する場合には、回折領域２１は、第１および第２入力開口面６ａ、６ｂから等距離に位置している。

第１音響波５ａおよび第２音響波５ｂが異なる時刻に伝搬媒質部１の第１入力開口面６ａおよび第２入力開口面６ｂから伝搬媒質部１に入射する場合には、例えば、以下の方法によって回折領域２１の位置を決定できる。一例として、図６（ａ）のように音響波５ａが先に第１入力開口面６ａから入射し、そのΔｔ秒後に音響波５ｂが第２入力開口面６ｂから入射する場合を考える。図６（ａ）および（ｂ）は、それぞれ単一パルスによる第１および第２音響波５ａ、５ｂの伝搬の時系列変化を示している。時間差Δｔの情報は、音源から入力開口面６ａおよび６ｂまでの距離と環境流体中の音響波５の速度から計算して取得してもよいし、入力開口面６ａおよび６ｂの手前に調整のためのマイクロホンを配置して、第１および第２音響波５ａ、５ｂの到達時間を計測することで取得してもよい。図６（ａ）および（ｂ）において、第１入力開口面６ａと第２入力開口面６ｂとの距離をＷとする。Δｔが０の場合、つまり音響波５ａおよび５ｂが同時に伝搬媒質部１に入射する場合、上述したように、第１および第２入力開口面６ａ、６ｂから等距離の位置に回折領域２１を設ければよい。つまり、第１および第２入力開口面６ａ、６ｂからＷ／２離れた位置に回折領域２１を設ければよい。Δｔが０でない場合には、回折領域２１を伝搬媒質部１の真ん中の位置から、入力開口面６ａ、６ｂのうち音響波５が遅く到達した方へシフトした位置に設ける必要がある。シフトさせる距離ｄは、伝搬媒質部１中の第１および第２音響波５ａ、５ｂの音速をＶｎとした場合、Ｖｎ×Δｔ／２である。これにより、第１および第２音響波５ａ、５ｂがいかなる信号であっても、伝搬媒質部１中で第１音響波５ａおよび第２音響波５ｂを光波３と同時に作用させることができる。

（光電変換部４）
光電変換部４は、図２（ａ）および（ｂ）に示すように、伝搬媒質部１を挟んで光源２と反対に位置し、光源２と光電変換部４とが対向するように配置される。光電変換部４は、光源２から出射し、伝搬媒質部１の回折領域２１を透過した光波３を検出する。具体的には、光電変換部４は第１音響波５ａによる光波３の＋１次回折光波３ａおよび第２音響波５ｂによる光波３の−１次回折光波３ｄと第１音響波による光波３の−１次回折光波３ｂおよび第２音響波５ｂによる光波３の＋１次回折光波３ｃとのうち少なくとも一方を受光し、電気信号に変換する。光電変換部４で受光する光波３は、０次回折光波３ｅを含まないほうが好ましい。０次回折光波３ｅには音響波に関する情報が含まれないからである。しかし、上述した＋１次回折光波３ａおよび−１次回折光波３ｄと−１次回折光波３ｂおよび＋１次回折光波３ｃとのうち少なくとも一方が含まれていれば、０次回折光波３ｅを含んでいても、音響波５の情報が含まれるため、音響波５を検出することが可能である。

光電変換部４で０次回折光波３ｅを受光しないようにするためには、０次回折光波３ｅが光電変換部４に入射しないように、光電変換部４をｘ軸方向にシフトさせるか、光電変換部４と伝搬媒質部１との間に遮蔽板を設け０次回折光波３ｅの一部あるいは全てを遮蔽すればよい。

なお、以下において詳細に説明するように、光電変換部４は、音響波５の２倍の周波数を有する成分を含む電気信号を出力する。このため、図１に示すように、光電変換部４を周波数変換器２２に接続し、周波数変換器２２において、入力された信号の周波数を１／２に変換することによって、音響波５の成分を含む電気信号が得られる。

（光マイクロホン１００の動作）
次に、光マイクロホン１００の動作を説明する。

上述したように構成要素を配置した光マイクロホン１００において、第１音響波５ａおよび第２音響波５ｂが、互いに平行であり、かつ逆方向に伝搬媒質部１の回折領域２１中を伝搬する際、光波３は第１音響波５ａおよび第２音響波５ｂの伝搬による作用を受ける。

図２（ａ）に示すように、伝搬媒質部１の第１および第２入力開口面６ａ、６ｂから入射した第１音響波５ａおよび第２音響波５ｂは、伝搬媒質部１を伝搬し、図２（ｂ）に示すように回折領域２１に同時刻に到達する。回折領域２１において、光波３と第１音響波５ａおよび第２音響波５ｂが作用する様子を、それぞれの音響波に分けて説明する。

図７（ａ）は、伝搬媒質部１の内部において、第１音響波５ａと光波３とが作用する様子を示している。図７（ｂ）は、伝搬媒質部１の内部において、第２音響波５ｂと光波３とが作用する様子を示している。図７（ａ）および（ｂ）において、Λは伝搬媒質部１を伝搬する音響波５の波長、ｆは音響波５の周波数、λは光波６の波長、ｆ₀は光波３の周波数を表す。また、光波３は、ｚ軸方向に伝搬し、第１音響波５ａは、ｘ軸方向に伝搬する。第１音響波５ａが伝搬する向きをｘ軸の正の向きとする。音響波は縦波であるため、図７（ａ）および（ｂ）に示す伝搬媒質部１中、黒い部分は、第１音響波５ａおよび第２音響波５ｂによる伝搬媒質の変位によって伝搬媒質が密になっている部分を示し、白い部分は、伝搬媒質が粗になっている部分を示している。

図７（ａ）に示すように、第１音響波５ａが伝搬媒質部１の内部を伝搬することにより、伝搬媒質部１を構成している伝搬媒質の密度が変化する。その結果、伝搬媒質の密度の高低に、光波３に対する伝搬媒質の屈折率が変化する。例えば、波長Λの平面波である第１音響波５ａが伝搬することにより、周期Λの屈折率変化パターンが形成される。つまり、伝搬媒質部１が、周期Λの屈折率変化パターンを有する回折格子となる。

このような状態の伝搬媒質部１に対して、光波３を入射させると、回折光波が生じる。このとき、測定できる範囲の音圧を有する音響波５の場合、２次以上の回折光成分は小さいため、無視できる。

図７（ａ）に示すように、伝搬媒質部１の回折領域２１に光波３が入射することにより、回折されずにｚ軸方向へそのまま伝搬する０次回折光波３ｅと、０次回折光波３ｅに対して、音響波５ａの伝搬方向であるｘ軸の正方向へ回折した＋１次回折光波３ａと、０次回折光波３ｅに対して、音響波５ａの伝搬と逆方向であるｘ軸の負方向へ回折した−１次回折光波３ｂの３つの光波が出射する。

＋１次回折光波３ａおよび−１次回折光波３ｂの周波数は、第１音響波５ａによりドップラーシフトを受ける。ドップラーシフトを受けた＋１次回折光波３ａの周波数はｆ₀＋ｆとなり、−１次回折光波３ｂの周波数は、ｆ₀−ｆとなる。０次回折光波３ｅの周波数は、ｆ₀のままである。

＋１次回折光波３ａおよび−１次回折光波３ｂの回折角θ、および回折光波の強度Ｉ₁は、以下の式（１）および（２）で表わされる。

ここで、λは光波３の波長、Λは第１音響波５ａの波長、ｆは第１音響波５ａの周波数、Ｖｎは伝搬媒質部１中の第１音響波５ａの音速（伝搬速度）、Δｎは第１音響波５ａの伝搬による伝搬媒質部１の屈折率変化量、ｌは光波３が伝搬媒質部１中を伝搬する距離、Ｊ₁は１次のベッセル関数を表している。式（１）から、音響波５の周波数が高くなればなるほど、回折角θが大きくなることがわかる。第１音響波５ａおよび第２音響波５ｂは、音響波５から分波したものであるから、これら、波長Λ、周波数ｆ、音速Ｖｎ、屈折率変化量Δｎは音響波５および第２音響波５ｂについても等しい。

図７（ｂ）は、伝搬媒質部１の内部において、第２音響波５ｂと光波３とが作用する様子を示している。図７（ａ）と同様に、Λは伝搬媒質部１を伝搬する音響波５の波長、ｆは音響波５の周波数、λは光波３の波長、ｆ₀は光波３の周波数を表している。光波３は、図７（ａ）と同様に、ｚ軸方向に伝搬する。音響波５ｂは、音響波５ａと異なり、ｘ軸の負の向きに伝搬する。

第１音響波５ａの場合と同様、図７（ｂ）に示すように、第２音響波５ｂが伝搬媒質部１の内部を伝搬することにより、伝搬媒質部１を構成している伝搬媒質の密度が変化し、伝搬媒質部１が、周期Λの屈折率変化パターンを有する回折格子となる。図７（ｂ）に示すように、伝搬媒質部１の回折領域２１に光波３が入射することにより、回折されずにｚ軸方向へそのまま伝搬する０次回折光波３ｅと、０次回折光波３ｅに対して、音響波５ｂの伝搬方向であるｘ軸の負方向へ回折した＋１次回折光波３ｃと、０次回折光波３ｅに対して、音響波５ｂの伝搬と逆方向であるｘ軸の正方向へ回折した−１次回折光波３ｄが生成する。＋１次回折光波３ｃおよび−１次回折光波３ｄの周波数は、第２音響波５ｂにより、ドップラーシフトを受ける。ドップラーシフトを受けた＋１次回折光波３ｃの周波数はｆ₀＋ｆとなり、−１次回折光波３ｄの周波数は、ｆ₀−ｆとなる。０次回折光波３ｅの周波数はｆ₀のままである。＋１次回折光波３ｃおよび−１次回折光波３ｄの回折角θ、および回折光波の強度Ｉ₁は、上記式（１）および（２）で表わされる。

図７（ａ）および（ｂ）において、光波３と第１音響波５ａおよび第２音響波５ｂとの作用を別々に説明したが、光マイクロホン１００において、伝搬媒質部１の回折領域２１には、第１音響波５ａおよび第２音響波５ｂは同時に到達する、このため、図２（ｂ）に示すように、逆向きに伝搬する第１音響波５ａおよび第２音響波５ｂが同時に光波３に作用し、第１音響波による＋１次回折光波３ａおよび−１次回折光波３ｂと、第２音響波５ｂによる＋１次回折光波３ｃおよび−１次回折光波３ｄとが同時に生成する。

図８（ａ）および（ｂ）に、伝搬媒質部１を透過した後の回折光波の様子を示す。図９は、光波３が伝搬する方向から見た回折光波である。光波３と作用する音響波５ａ、５ｂの伝搬方向が互いに逆向きでかつ周波数が等しい場合には、上記式（１）の右辺のパラメータが全て等しくなるため、回折角θは等しい。このため、第１音響波５ａにより回折した＋１次回折光波３ａおよび第２音響波５ｂにより回折した−１次回折光波３ｄと、音響波５ａにより回折した−１次回折光波３ｂおよび音響波５ｂにより回折した＋１次回折光波３ｃとは、同じ方向に同じ角度で回折し、それぞれの光路は一致する。

よって、第１音響波５ａによる＋１次回折光波３ａと第２音響波５ｂによる−１次回折光波３ｄ、および、第１音響波５ａによる−１次回折光波３ｂと第２音響波５ｂによる＋１次回折光波３ｃは、図８（ａ）および（ｂ）に示すように、それぞれ重なり合い干渉する。つまり、＋１次回折光波３ａの周波数はｆ₀＋ｆであり、−１次回折光波３ｄの周波数はｆ₀−ｆであるから、周波数２ｆで強度が変化する干渉成分が得られる。同様に、−１次回折光波３ｂの周波数はｆ₀−ｆであり、＋１次回折光波３ｃの周波数はｆ₀＋ｆであるから、周波数２ｆで強度が変化する干渉成分が得られる。このため、＋１次回折光波３ａおよび−１次回折光波３ｄ、または、−１次回折光波３ｂおよび＋１次回折光波３ｃを光電変換部４で検出すると周波数が２ｆである差周波光成分が含まれる。

音響波５の周波数が変化した場合においても、第１音響波５ａおよび第２音響波５ｂの周波数が同じである限り、回折角θは第１音響波５ａと第２音響波５ｂに対して同様に変化するため、＋１次回折光波３ａと−１次回折光波３ｄとが重なる面積、および、−１次回折光波３ｂと＋１次回折光波３ｃとが重なる面積は変化しない。このため、音響波５の周波数によって検出感度が変化することはない。

ただし、図８（ａ）に示すように、回折角θの大きさ、および、光電変換部４の位置によって、＋１次回折光波３ａおよび−１次回折光波３ｄ、ならびに、−１次回折光波３ｂおよび＋１次回折光波３ｃと０次回折光波３ｅとが重ならない場合、または、図８（ｂ）に示すように、光電変換部４の位置によっては、＋１次回折光波３ａおよび−１次回折光波３ｄ、ならびに、−１次回折光波３ｂおよび＋１次回折光波３ｃと０次回折光波３ｅとが部分的に重なる場合が生じる。

回折領域２１における光波３の回折について補足する。図９（ａ）および（ｂ）は第１音響波５ａおよび第２音響波５ｂによる伝搬媒質部１の屈折率変化を説明するため、第１音響波５ａおよび第２音響波５ｂを横波で表現して、第１音響波５ａおよび第２音響波５ｂを示した図である。図９（ａ）に示すように、ｔ＝０で、距離ｗだけ離れた第１および第２入力開口面６ａ、６ｂから入射した第１および第２音響波５ａ、５ｂは、互いに反対向きに伝搬することより、距離ｗ／２において、波の重ねあわせの法則により重なり合い、見かけ上、振幅が２倍になった音響波が距離ｗ／２において現れた後、波の独立性により、第１音響波５ａおよび第２音響波５ｂは互いに遠ざかるように伝搬する。

図９（ａ）に示す振幅が２倍の波は、実際の縦波の伝搬においては、伝搬媒質の屈性率の変化量が２倍になることを示し、式（２）より、伝搬媒質の屈性率の変化量は回折光波の強度に比例するから、強度の強い回折光が生成することを意味する。このことは、＋１次回折光波３ａおよび−１次回折光波３ｄ、または、−１次回折光波３ｂおよび＋１次回折光波３ｃが重なった光には、＋１次回折光波３ａの２倍の強度の周波数が２ｆである成分が含まれることを意味する。

第１音響波５ａおよび第２音響波５ｂが一定周波数の連続波で、かつ振幅が等しい場合には、伝搬媒質部１中に定在波が生じる。この定在波は、見かけ上、一定周波数で振幅が変化するものの、波が現れる位置は変化しないため、伝搬しないように見える。しかし、定在波の振幅の時間変化は、第１音響波５ａおよび第２音響波５ｂが伝搬したものが重ね合わせられることにより生じている。このため、この場合においても、伝搬媒質部１において、第１音響波５ａおよび第２音響波５ｂの伝搬により、±１次回折光波３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄの周波数はドップラー効果による周波数シフトを受けていると考えて良い。

また図９（ａ）の下方に示すように、回折領域２１の位置が、距離ｗ／２にない場合、まず、第１音響波５ａによる回折光が生じ、その後、第２音響波５ｂによる回折光が生じることが分かる。この場合、＋１次回折光波３ａと−１次回折光波３ｄ、とは同じ位置（同じ回折角θ）に生成するが、時間的にずれている。このため、上述した＋１次回折光波３ａと−１次回折光波３ｄとの干渉は生じない。つまり、干渉成分は検出されない。

図９（ｂ）は、第１音響波５ａおよび第２音響波５ｂの位相が異なっている（図では反転）している場合を示している。ｔ＝ｔ’において、位相が反転している第１音響波５ａおよび第２音響波５ｂが回折領域２１のｘ＝ｗ／２の位置に到達した場合、２つの音響波は位相が反転するため、第１音響波５ａおよび第２音響波５ｂが到達した時刻において、２つの音響波は互いに打ち消しあい、波形は見られなくなる。しかし、この時刻前後、つまりｔ＝ｔ’＋Δｔあるいはｔ＝ｔ’−Δｔにおいては、波の独立性により、第１音響波５ａおよび第２音響波５はそれぞれ存在するため、上述したように、第１音響波５ａおよび第２音響波５ｂによる回折が生じる。この場合、第１音響波５ａおよび第２音響波５ｂの位相差に応じて、干渉成分の強度変化の位相が変化する。

図１０（ａ）から（ｃ）は、光マイクロホン１００における、音響波５の信号の検出の様子を模式的に示している。

＋１次回折光波３ａおよび−１次回折光波３ｄ、または、−１次回折光波３ｂおよび＋１次回折光波３ｃの干渉光を光電変換部４で受光して光電変換すると、図１０（ａ）のように回折光波の強度に応じた直流成分に周波数２ｆの信号が加わった電気信号が得られる。これから直流成分を除去することで音響波５を検出することができる。この際に得られる電気信号は、入力した音響波５に対応した信号ではあるが、周波数は入力した音響波の２倍になっている。音響波５を入力した周波数そのままで検出したければ、得られた電気信号を図１に示すように周波数変換器２２に入力し、周波数を１／２倍にする処理を施せばよい。

上述したように、回折角θおよび光電変換部４の位置によって、±１次回折光波３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄは、０次回折光波３ｅと重ならず分離している場合（図８（ａ））と、±１次回折光波３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄが、０次回折光波３ｅの一部と重なる場合（図８（ｂ））とがある。

図２（ａ）に示すように、伝搬媒質部１と光電変換部４の距離をＬ、光波３のビーム幅をｗ、回折角θとした場合、以下の式（３）を満たす場合、図８（ａ）に示すように、±１次回折光波３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄは、０次回折光波３ｅと重ならず分離する。一方、式（４）を満たす場合、図８（ｂ）に示すように±１次回折光波３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄは、０次回折光波３ｅの一部と重なる。

まず、図８（ａ）に示すように±１次回折光波３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄが０次回折光波３ｅから分離している場合を考える。本実施形態による光マイクロホン１００においては、０次回折光波３ｅは音響波５の検出に原理的に寄与しないため、光電変換部４で受光する必要はない。図８（ａ）のように分離した場合には、０次回折光波３ｅを受光しないように、光電変換部４をｘ軸方向にシフトさせた位置に配置することで、第１音響波５ａによる＋１次回折光波３ａと第２音響波５ｂによる−１次回折光波３ｄ、もしくは、第１音響波５ａによる−１次回折光波３ｂと第２音響波５ｂによる＋１次回折光波３ｃだけを受光することができる。

図１０（ａ）は０次回折光波３ｅを受光しない場合の音響波５の信号検出の様子を示したものである。これに対して、０次回折光波３ｅを光電変換部４で受光した場合には、図１０（ｂ）のように受光強度の直流成分が増加してしまう。この場合でも光電変換部４での受光強度が光電変換部４の最大入力レベルよりも小さい場合であれば、問題なく音響波５を検出することができる。しかし、光電変換部４で受光する光波のうち、音響波５の検出に寄与する部分が相対的に小さくなってしまう。そのため、０次回折光波３ｅを受光しない方が測定の精度がよくなり好ましい。

また、光電変換部４での受光強度が光電変換部４の最大入力レベルよりも大きい場合には、図１０（ｃ）のように光電変換部４の出力は飽和してしまい、音響波５を検出することができない。以上のことから、回折光波が図８（ａ）のように分離している場合では０次回折光波３ｅは受光しないほうが好ましい。

また、図１１のように、０次回折光波３ｅのみを遮蔽物７で遮蔽するなどして、±１次回折光波３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄを全て受光すれば、＋１次回折光波３ａおよび−１次回折光波３ｄ、または−１次回折光波３ｂおよび＋１次回折光波３ｃの一方の干渉光成分のみを受光した時と比較して、音響波５の信号検出に寄与する光波の強度が２倍となる。これにより、光電変換部４にて、音響波５の検出に寄与しない成分を増やすことなく、大きな受光強度で光電変換を行うことができ、より高い感度で信号を検出することができる。

次に、図８（ｂ）のように、±１次回折光波３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄが０次回折光波３ｅの一部と重なる場合を考える。

図８（ｂ）のように一部が重なっている場合には、＋１次回折光波３ａおよび−１次回折光波３ｄや−１次回折光波３ｂおよび＋１次回折光波３ｃの他に０次回折光波３ｅと±１次回折光波３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄが、重なっている部分においても干渉が生じる。０次回折光波３ｅ、±１次回折光波３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄが干渉すると、周波数ｆの差周波光成分が発生する。この際、＋１次回折光波３ａ、３ｃと０次回折光波３ｅによる差周波光成分と、−１次回折光波３ｂ、３ｄと０次回折光波３ｅによる差周波光成分の位相関係は互いに逆相となる。そのため、差周波光成分を光電変換しても互いに打ち消しあうため、周波数ｆの電気信号は得られない。そのため、０次回折光波３ｅと、±１次回折光波３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄが分離できない場合にも、周波数２ｆの信号だけが得られる。

しかし、図８（ａ）の場合と同様に、０次回折光波３ｅを受光することにより、音響波５の検出に寄与しない光波の直流成分が増加してしまう。また、受光強度が光電変換部４の最大入力光強度を超えてしまうと、音響波５を検出できなくなる。そのため、０次回折光波３ｅを受光しないように、光電変換部４をｘ軸方向にシフトして配置したり、０次回折光波３ｅの一部を遮蔽したりすることにより、直流光成分を小さくするのが好ましい。しかし、図９（ｂ）のように一部が重なっている場合では、＋１次回折光波３ａおよび−１次回折光波３ｄ、または、−１次回折光波３ｂおよび＋１次回折光波３ｃの干渉光と０次回折光波３ｅが重なっている部分では、干渉光と０次回折光波３ｅを分離することはできない。そのため、重なっている部分は０次回折光波３ｅと一緒に受光するか、重なっている部分を受光しないようにする。

０次回折光波３ｅと一緒に受光する場合には、受光強度に占める音響波５の検出に寄与する光強度の割合が小さくなり、測定の精度が悪くなる。また、重なっている部分を受光しない場合には、受光強度が弱くなり、感度が悪くなる。このため、図８（ａ）のように±１次回折光波３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄが０次回折光波３ｅから分離している方が０次回折光波３ｅの分離が行いやすく好ましい。

なお、伝搬媒質部１として、シリカ乾燥ゲルを用いると、伝搬媒質内部を伝搬する音響波５の音速Ｖｎが小さくなることにより、式（１）からわかるように、大きな回折角度が得られる。そのため、０次回折光波３ｅと、±１次回折光３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄの分離を行う際に、伝搬媒質部１から光電変換部４までの距離Ｌを短くすることができる。

また、図１２に示すように、伝搬媒質部１と光電変換部４との間にレンズなどの光学素子８配置し、少なくとも＋１次回折光波３ａ、３ｃおよび−１次回折光波３ｂ、３ｄの伝搬方向を変化させれば、０次回折光波３ｅと、±１次回折光波３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄを分離する際に、さらに伝搬媒質部１から光電変換部４までの距離を短くすることができる。

また上記実施形態では、伝搬媒質部１は、単一の部材によって構成され、第１音響波５ａおよび第２音響波５ｂは、回折領域２１の同じ場所を伝搬していた。しかし、第１音響波５ａおよび第２音響波５ｂは回折領域２１の互いに異なる場所を透過してもよい。

図１３は、第１伝搬媒質部分１ａおよび第２伝搬媒質部分１ｂを備える光マイクロホンを示している。

第１伝搬媒質部分１ａおよび第２伝搬媒質部分１ｂは、光源２と光電変換部４との間で重ねて配置されており、第１伝搬媒質部分１ａの回折領域（第１回折領域部分）２１ａを透過した光波３が第２伝搬媒質部分１ｂの回折領域（第２回折領域部分）２１ｂを透過する。第１伝搬媒質部分１ａおよび第２伝搬媒質部分１ｂは同じ伝搬媒質で構成され、内部を伝搬する音響波５の音速Ｖｎは同じである。このため、第１音響波５ａによる＋１次回折光波３ａと第２音響波５ｂによる−１次回折光波３ｄ、および第１音響波５ａによる−１次回折光波３ｂと第２音響波５ｂによる＋１次回折光波３ｃは同じ方向に同じ角度で回折する。このため、＋１次回折光波３ａと−１次回折光波３ｄとは互いに平行であり、−１次回折光波３ｂと＋１次回折光波３ｃとは互いに平行である。

このため、第１音響波５ａによる＋１次回折光波３ａと第２音響波５ｂによる−１次回折光波３ｄ、および第１音響波５ａによる−１次回折光波３ｂと第２音響波５ｂによる＋１次回折光波３ｃは、図１４に示すように、各回折光波の光軸は多少ずれるが、大部分が互いに重なり、重なった部分において干渉する。音響波５の周波数が変化した場合にも、第１伝搬媒質部分１ａおよび第２伝搬媒質部分１ｂの音速と音響波５ａおよび５ｂの周波数が同じである限り、回折角は音響波５ａと音響波５ｂに対して同様に変化し、この位置関係は変わらない。そのため、干渉部分の面積が変わらないので、音響波５の周波数によって検出感度が変化することはない。

このように本実施形態の光マイクロホンによれば、検出すべき音響波の一部である第１音響波および他の一部である第２音響波を、同時刻において、伝搬媒質部を透過する光波を横切るように、互いに平行かつ反対方向に伝搬媒質部においてそれぞれ伝搬させる。このため、第１音響波による＋１次回折光波と第２音響波による−１次回折光波、または、第１音響波による−１次回折光波と第２音響波による＋１次回折光波は、音響波の周波数に関わらず、同じ回折角で回折する。したがって、＋１次回折光波と−１次回折光波との干渉成分が音響波の周波数に関わらず一定となり、音響波の周波数によらず一定の検出感度で音響波を検出することのできる光マイクロホンが実現する。

また、検出すべき音響波を、＋１次回折光波と−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。

本発明にかかる光マイクロホンは、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。

１ 伝搬媒質部
１ａ 第１伝搬媒質部分
１ｂ 第２伝搬媒質部分
２ 光源
３ 光波
３ａ 第１音響波による＋１次回折光波
３ｂ 第１音響波による−１次回折光波
３ｃ 第２音響波による＋１次回折光波
３ｄ 第２音響波による−１次回折光波
３ｅ ０次回折光波
４ 光電変換部
５ 音響波
５ａ 第１音響波
５ｂ 第２音響波
６ａ 第１入力開口面
６ｂ 第２入力開口面
７ 遮蔽板
８ 光学素子
９ 導波路構造
１０ａ 第１入力開口
１０ｂ 第２入力開口
１１ ホーン
１２ａ 第１出力開口
１２ｂ 第２出力開口
１００ 光マイクロホン
１０１ 出射系光学部品
１０２ 受光系光学部品
１０３ 光ダイオード
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

Claims (16)

1. 光波を用いて、環境流体を伝搬する音響波を検出する光マイクロホンであって、
   前記音響波が伝搬する伝搬媒質部と、
   前記伝搬媒質部中の回折領域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検出し、電気信号を出力する光電変換部と、
   を備え、
   前記音響波の一部である第１音響波および他の少なくとも一部である第２音響波を、同時刻に前記回折領域に到達し、かつ、前記回折領域を透過する前記光波を横切るように、互いに平行かつ反対方向に前記伝搬媒質部においてそれぞれ伝搬させ、
   前記回折領域において、前記第１音響波および前記第２音響波の伝搬に伴ってそれぞれ生じる前記伝搬媒質部を構成する伝搬媒質の屈折率分布により、前記光波の＋１次回折光波および−１次回折光波をそれぞれ生成させ、
   前記光電変換部は、前記第１音響波による前記光波の＋１次回折光波と前記第２音響波による前記光波の−１次回折光波との干渉成分、および、前記第１音響波による前記光波の−１次回折光波と前記第２音響波による前記光波の＋１次回折光波との他の干渉成分のうち少なくとも一方を検出する光マイクロホン。
2. 前記伝搬媒質部は、互いに対向し、前記第１音響波および前記第２音響波がそれぞれ入射する第１および第２入力開口面を有している請求項１に記載の光マイクロホン。
3. 前記伝搬媒質部において、前記第１および第２入力開口面は、前記回折領域から等距離に位置している請求項２に記載の光マイクロホン。
4. 同一方向に面している第１および第２入力開口と、
   互いに対向する第１および第２出力開口と、
   前記第１および第２入力開口と前記第１および第２出力開口との間にそれぞれ設けられた第１および第２導波路と
   を有し、前記第１入力開口から入射した前記第１音響波および前記第２入力開口から入射した前記第２音響波をそれぞれ前記第１および第２出力開口へ導く導波路構造をさらに備え、
   前記導波路構造の前記第１および第２出力開口は、前記伝搬媒質部の前記第１および第２入力開口面に配置されている請求項３に記載の光マイクロホン。
5. 前記第１および第２導波路は、前記導波路構造において対称に配置されている請求項４に記載の光マイクロホン。
6. 前記導波路構造の第１および第２入力開口に接続されたホーンをさらに備える請求項４に記載の光マイクロホン。
7. 前記第１音響波および前記第２音響波は、前記回折領域の同じ場所を透過する請求項１に記載の光マイクロホン。
8. 前記第１音響波および前記第２音響波は、前記回折領域の互いに異なる場所を透過する請求項１に記載の光マイクロホン。
9. 前記伝搬媒質部は、第１伝搬媒質部分および第２伝搬媒質部分を含み、
   前記回折領域は前記第１伝搬媒質部分および第２伝搬媒質部分にそれぞれ位置する第１回折領域部分および第２回折領域部分を含み、
   前記第１回折領域部分および前記第２回折領域部分は、前記光源と前記光電変換部との間において、重なって配置されている請求項８に記載の光マイクロホン。
10. 前記光電変換部は、前記回折領域を透過した光波に対して、前記第１音響波および前記第２音響波の伝搬する方向に沿ってシフトして配置されており、
    前記第１音響波による前記光波の＋１次回折光波と前記第２音響波による前記光波の−１次回折光波との前記干渉成分、および、前記第１音響波による前記光波の−１次回折光波と、前記第２音響波による前記光波の＋１次回折光波との前記他の干渉成分のうち一方のみを検出する請求項１に記載の光マイクロホン。
11. 前記光電変換部と前記伝搬媒質部中の回折領域との間に位置し、前記回折領域を透過した光波の一部または全てが前記光電変換部に入射しないように前記回折領域を透過した光波を遮蔽する遮蔽部をさらに備える請求項１に記載の光マイクロホン。
12. 前記伝搬媒質と前記光電変換部との間に、前記光波の＋１次回折光波および−１次回折光波の伝搬方向を変化させる光学素子をさらに備える請求項１に記載の光マイクロホン。
13. 前記伝搬媒質部は、空気より小さい音速を有し、固体の伝搬媒質からなる請求項１から１２のいずれかに記載の光マイクロホン。
14. 前記伝搬媒質は、シリカ乾燥ゲルからなる請求項１３に記載の光マイクロホン。
15. 前記光電変換部で得られた電気信号の周波数を１／２倍に変化する周波数変換部をさらに備える請求項１から１４のいずれかに記載の光マイクロホン。
16. 光波を用いて、環境流体を伝搬する音響波を検出する音響波の検出方法であって、
    前記音響波の一部である第１音響波および他の少なくとも一部である第２音響波を、同時刻に伝搬媒質部の回折領域に到達するように、互いに平行かつ反対方向に前記伝搬媒質部中にそれぞれ伝搬させるステップと、
    前記搬媒質部の前記回折領域において、前記伝搬する第１音響波および前記第２音響波を横切るように、光波を透過させ、前記回折領域において、前記第１音響波および前記第２音響波の伝搬に伴ってそれぞれ生じる前記伝搬媒質部を構成する伝搬媒質の屈折率分布により、前記光波の＋１次回折光波および−１次回折光波をそれぞれ生成させるステップと、
    前記第１音響波による前記光波の＋１次回折光波と前記第２音響波による前記光波の−１次回折光波との干渉成分、および、前記第１音響波による前記光波の−１次回折光波と前記第２音響波による前記光波の＋１次回折光波との他の干渉成分のうち少なくとも一方を検出するステップと、
    を包含する音響波の検出方法。

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