JP5108993B2

JP5108993B2 - 光マイクロホン

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Publication number: JP5108993B2
Application number: JP2012532173A
Authority: JP
Inventors: 潮寒川; 卓也岩本; 由利子金子; 雅彦橋本
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2011-04-05
Filing date: 2012-04-03
Publication date: 2012-12-26
Anticipated expiration: 2032-04-03
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Description

本願は、光を用いて音響信号を検出する光マイクロホンに関する。

従来より振動板を用いて音響信号を検出し、電気的信号に変換するマイクロホンが広く利用されている。このようなマイクロホンは、機械的に振動する部分である振動板を有している。このため、繰り返しマイクロホンを使用するうちに、振動板の特性が変化する可能性がある。また、マイクロホンを用いて高強度の音響信号を検出した場合、音響信号によりマイクロホンの振動板が大きく振動し、振動板が破壊される可能性がある。

さらに、マイクロホンは、振動板が有する最低共振周波数以上の周波数において、良好な音響信号を検出することが期待できない。よって、マイクロホンは、広帯域な周波数を検出すること（以下、「広帯域性」と言う。）が困難である。また、広帯域性を得るために振動板を小型化した場合、音響信号の検出感度が低下する。

これに対し、例えば特許文献１は、光を用いて音響信号を検出し、電気信号に変換する光マイクロホンを提案している。以下、特許文献１に開示された従来の光マイクロホンを説明する。

図２０に、特許文献１に開示された従来の光マイクロホン１４１を示す。光マイクロホン１４１は、受信機構部１４１０とレーザードップラー振動計１４８とを備える。

受信機構部１４１０は、凹部を有するベース部１４３と、レーザー光１４７に対して透明な透明支持板１４５とを備える。ベース部１４３の凹部と透明支持板１４５とにより、空間が形成される。この空間には、伝搬媒質であるナノ多孔体１４２が充填されている。

ナノ多孔体１４２には、例えば、特許文献２に開示されたシリカ乾燥ゲルなどの音速が遅く（音響インピーダンスが小さく）、音響的伝搬損失の少ない媒質が用いられる。ベース部１４３は、音響信号１４９をナノ多孔体１４２に導入するための開口部１４４を有する。ベース部１４３の凹部底面は反射面１４１１である。

レーザードップラー振動計１４８は、受信機構部１４１０の外部からレーザー光１４７を照射する。レーザー光１４７は、透明支持板１４５およびナノ多孔体１４２を透過し、反射面１４１１で反射する。反射面１４１１で反射したレーザー光１４７は、再びナノ多孔体１４２および透明支持板１４５を透過し、レーザードップラー振動計１４８へ戻る。

外界の音響信号１４９は、開口部１４４から受信機構部１４１０へ入射し、空気とナノ多孔体１４２との界面で屈折し、高効率でナノ多孔体１４２へ入射する。入射した音響信号１４９は、ナノ多孔体１４２を進行する疎密波１４１２に変換される。レーザードップラー振動計１４８から出力されるレーザー光１４７のナノ多孔体１４２上でのスポット位置において、生成した疎密波１４１２は密度の時間変動として観測される。この密度変化は屈折率変化を生じさせるため、スポット位置において、音響信号１４９に応じた屈折率の時間変動が生じる。

図２０に示すように、レーザー光１４７をナノ多孔体１４２と透明支持板１４５との界面の法線方向から入射させると、透過後のレーザー光１４７が屈折率の時間変動から受ける位相変動量は、スポット位置における屈折率の時間変動に応じて反射面１４１１が法線方向に振動運動していると仮定した時に受ける位相変動量と光学的に等価である。したがって、反射面１４１１から反射されて戻ってくるレーザー光１４７は、反射面１４１１の振動運動に相当するドップラーシフトを受ける。レーザードップラー振動計１４８は、反射面１４１１で反射され、戻ってくるレーザー光１４７中に含まれるドップラーシフトを受けた光成分を計測する。その光成分の、周波数シフト量に対するフーリエ係数を求めることによって、周波数シフト量毎の光強度を検出する。

屈折率変動は音響信号１４９の音圧に概ね比例しており、ドップラーシフト量（周波数変化量）は振動運動の速度に比例する。したがって、レーザードップラー振動計１４８は、音響信号１４９の時間微分に概ね比例する信号を出力する。出力信号に積分処理や適当なフィルタ処理を行うことによって、音響信号に対応した電気信号を得ることができる。これにより、所望の音響特性を持ったマイクロホンとして光マイクロホン１４１を動作させることができる。

特開２００９−８５８６８号公報特許第３６３３９２６号公報特開２００９−１２８１０３号公報

上述の従来の光マイクロホンは、高い音響検出感度を有している。しかしながら、光マイクロホンの小型化と、周囲環境の変動（振動や温度変化）に対する安定性の実現とが困難であるという課題を有している。

具体的には、レーザードップラー振動計１４８は、照射レーザー光周波数を基準としたときの、被測定運動物体からの散乱光のドップラー周波数を、光干渉計により検出する。そのため、レーザードップラー振動計１４８には、Ｈｅ−Ｎｅレーザーに代表される狭帯域光源と光干渉計とが内蔵されている。また、より高い周波数弁別度を得やすい高周波数帯にまで、ドップラー周波数を持ち上げるために、照射レーザー光の周波数を周波数変調することを目的として、レーザードップラー振動計１４８には、音響光学変調素子が内蔵されている。このような狭帯域光源と音響光学変調素子が物理的に大きな体積を占めるために、第１の課題である光マイクロホンの小型化に対する困難性が生じている。

また、第２の課題である装置の安定性は、レーザードップラー振動計１４８が、被測定物体の運動状況だけでなく、光干渉計を構成する光学素子間の相対的位置の時間的変化に対しても高い感度を有していることに起因している。光干渉計では、レーザー光を２つの光線に分割して、一方を被測定物体に照射し、もう一方を参照光として用いる。そして、被測定物体から戻ってきたレーザー光と参照光とを再び重畳させ、得られた干渉光の強度変化の時間変動や変動の周期や位相から、被測定物体を計測する。干渉光の強度変化は２つの光線の光路長差により決定される。したがって、レーザードップラー振動計１４８は、レーザー光を２つの光線に分割後の両光線の光路長差の時間変動に対して等しく感度を持つ。すなわち、レーザードップラー振動計１４８に対し、周囲環境から振動が加わり、光干渉計を構成する光学系が振動して光路長差に時間変化が生じた場合、その光路長変動も計測される。ゆえに、このような振動の周波数が測定したい音響信号の周波数帯内にある場合はノイズ成分となる。以上のように、光干渉計は高感度である反面、周囲環境の影響を受けやすいという課題を有している。

本願は、上述した従来技術の課題の少なくとも１つを解決する光マイクロホンを提供する。

本願に開示された光マイクロホンは、光源と、前記光源から出射した光のうち、直線偏光光を透過する第１の偏光子と、開口部と、前記第１の偏光子と異なる偏光面を持つ直線偏光光を透過する第２の偏光子と、空気より小さい音速を有し、前記開口部から入射した音響信号が伝搬する音響媒体とを有する受音部であって、前記第１の偏光子を透過した前記直線偏光光が、前記音響信号の伝搬する経路を横切って前記音響媒体を透過し、前記第２の偏光子に入射するように配置された受音部と、前記第２の偏光子を透過した光の強度を電気信号に変換する光検出器とを備え、前記第１の偏光子と前記第２の偏光子との間で、前記第１の偏光子を透過した前記直線偏光光に、偏光方向とそれぞれ異なる直交する２方向において、異なる位相シフトが与えられる。

本願に開示された光マイクロホンは、光の干渉ではなく、音響信号の印加により音響媒体に生じる光の複屈折による光の偏光面の回転を検出する。このため、狭帯域光源、音響光学変調素子、ならびに光干渉計を用いずに、光マイクロホンを構成することができる。したがって、小型で外部環境変動に対して高い耐性をもつ光マイクロホンを実現することができる。

また、楕円偏光生成部をさらに備えていることにより、さらに検出感度を高めることができる。

第１の実施形態による光マイクロホンの構成を概略的に示す図である。図１の光マイクロホンの受音部の構成を概略的に示す図である。図１の光マイクロホンの受音部の他の構成を概略的に示す図である。図１の光マイクロホンの受音部中の音響媒体における光線の振る舞いを示した模式図である。図１の光マイクロホンの楕円偏光生成部の構成を概略的に示す図である。図１の光マイクロホンの楕円偏光生成部の他の構成を概略的に示す図である。図１の光マイクロホンの音響媒体の構成を概略的に示す図である。図１の光マイクロホンの音響媒体の他の構成を概略的に示す図である。実験に用いた光マイクロホンの構成を示す概略図である。波長板を有さない光マイクロホンを用いて、音響信号を検出した場合における音響媒体２２へ加えた圧力に対するフォトダイオードからの出力電気信号の大きさを示すグラフである。波長板を有する光マイクロホンを用いて、音響信号を検出した場合における音響媒体へ加えた圧力に対するフォトダイオードからの出力電気信号の大きさを示すグラフである。図９に示す光マイクロホンにおいて、静圧の印加量に対するフォトダイオードの電気信号出力曲線の計算結果を、角度を変えてオーバープロットしたグラフである。図１の光マイクロホンにおける信号処理部の構成を示している。図１の光マイクロホンにおける信号処理部の構成を示している。第１の実施形態による光マイクロホンの他の構成を概略的に示す図である。第２の実施形態による光マイクロホンの構成を概略的に示す図である。図１６に示す光マイクロホンにおいて、静圧の印加量に対するフォトダイオードの電気信号出力曲線の計算結果を、角度を変えてオーバープロットしたグラフである。第２の実施形態による光マイクロホンの他の構成を概略的に示す図である。（ａ）から（ｄ）は、それぞれ第３の実施形態による光マイクロホンの構成を概略的に示す図である。従来の光マイクロホンの構成を概略的に示す図である。

本願発明者は、従来の光マイクロホンよりも小型であり、かつ、周囲環境の変動（振動や温度変化）に対する高い耐性を有する光マイクロホンの研究を行った。その結果、音響信号が伝搬する媒質に直線偏光光（直線偏光光に近い楕円偏光光を含む）を透過させ、伝搬する音響信号に応じて変化する透過光の偏光状態を検出することによって、音響信号を検出できることを見出した。本願明細書において音響信号は、可聴域の音波および超音波を含む。

音響媒体を音響信号が伝搬する場合、音響信号は縦波であるため、音響媒体中に時間的に変動する音響媒体の粗密分布、つまり、屈折率分布が生成する。音響媒体の粗密は音響信号の伝搬方向に生じ、伝搬方向と垂直な方向には生じないため、粗密による音響媒体の屈折率の変化には異方性がある。このため、音響信号が伝搬する音響媒体は複屈折性（光学的異方性）を示す。

複屈折性を有する物質は、屈折率が小さい方向である進相軸および屈折率が大きい方向である遅相軸を有する。このような物質に直線偏光光が入射すると、進相軸方向において直線偏光光の位相が相対的に進み、遅相軸方向において、直線偏光光の位相が相対的に遅れる。その結果、直線偏光光は楕円偏光光に変換される。

したがって、音響信号が伝搬する媒質に直線偏光光を透過させれば、直線偏光光は、楕円偏光光に変換され、その偏光度は、音響信号の時間変化に応じた変化を示す。よって透過した楕円偏光光の偏光面の変動を、直交偏光光の光強度として計測することによって、音響信号を検出することができる。この方法によれば、温度や振動などの外部環境の変動に対して不安定な光干渉計、大型な光学素子であるレーザー等の狭帯域光源および光ヘテロダイン検波用の音響光学変調素子などを用いることなく、小型かつ簡単な光学系の構成で音響信号を検出することができる。

本願に開示された光マイクロホンは、光源と、前記光源から出射した光のうち、直線偏光光を透過する第１の偏光子と、開口部と、前記第１の偏光子と異なる偏光面を持つ直線偏光光を透過する第２の偏光子と、空気より小さい音速を有し、前記開口部から入射した音響信号が伝搬する音響媒体とを、および開口部を有する受音部であって、前記第１の偏光子を透過した前記直線偏光光が、前記音響信号の伝搬する経路を横切って前記音響媒体を透過し、前記第２の偏光子に入射するように配置された受音部と、前記第２の偏光子を透過した光の強度を電気信号に変換する光検出器とを備え、前記第１の偏光子と前記第２の偏光子との間で、前記第１の偏光子を透過した前記直線偏光光に、偏光方向とそれぞれ異なる直交する２方向において、異なる位相シフトが与えられる。

ある一実施態様において、前記第１の偏光子と前記第２の偏光子との間で、前記第１の偏光子を透過した前記直線偏光光に、偏光方向とそれぞれ異なる直交する２方向において、異なる位相シフトが与えられる。

ある一実施態様において、光マイクロホンは、前記第１の偏光子と前記第２の偏光子との間に配置され、前記直線偏光光を楕円偏光光に変換する楕円偏光生成部をさらに備え、前記楕円偏光生成部により、前記直線偏光光に、前記直交する２方向における異なる位相シフトが与えられる。

ある一実施態様において、前記楕円偏光生成部は波長板、液晶および光学的異方性を有する光学結晶の少なくとも１つを含む。

ある一実施態様において、前記楕円偏光生成部は、前記第１の偏光子と前記受音部との間に位置する。

ある一実施態様において、前記楕円偏光生成部は、前記第２１の偏光子と前記受音部との間に位置する。

ある一実施態様において、前記音響媒体は光学的異方性を有し、前記光学的異方性によって、前記直線偏光光に、前記直交する２方向における異なる位相シフトが与えられる請求項２に記載の光マイクロホン。

ある一実施態様において、前記光学的異方性は、前記音響媒体の残留応力より生成される。

ある一実施態様において、前記受音部は、前記音響媒体に静的圧力を与える与圧部をさらに有し、前記静的圧力によって前記光学的異方性が生成される。

ある一実施態様において、前記第１の偏光子の光学軸と前記第２の偏光子の光学軸とは互いに直交している。

ある一実施態様において、前記楕円偏光生成部の光学軸と前記第２の偏光子の光学軸は互いに直交している。

ある一実施態様において、光マイクロホンは、前記光検出器が変換した電気信号を増幅する信号処理部をさらに備える。

ある一実施態様において、前記信号処理部は、前記光検出器から出力される前記電気信号から、直流成分を除去する直流成分除去部を含む。

ある一実施態様において、前記信号処理部は差動増幅器をさらに含み、前記差動増幅器は、前記光検出器から出力される前記電気信号と前記直流成分除去部の出力との差分を増幅し、出力する。

ある一実施態様において、前記音響媒体は、シリカ乾燥ゲルである。

本願に開示された音響信号の検出方法は、所定の方向に偏光面を有する直線偏光の光を生成する工程と、前記光を、検出すべき音響信号が伝搬する音響媒体において、前記音響信号の伝搬経路を横切るように透過させる工程と、前記音響媒体を透過した前記光を前記偏光面の方向とは異なる方向に光学軸を有する偏光子に透過させる工程と、前記光を光検出器で検出する前に、前記光に対して、前記偏光面の方向とはそれぞれ異なる直交する２方向において、異なる位相シフトを与える工程と、前記偏光子を透過した前記光を光検出器で検出する工程とを包含する。

以下、本発明による光マイクロホンの実施形態を詳細に説明する。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の光マイクロホンの第１の実施形態の構成を示している。光マイクロホン１は検出光学系２と信号処理系１７とを備える。検出光学系２によって、光マイクロホン１の周囲の環境を伝搬する音響信号を検出して、電気信号を生成し、信号処理系１７によって電気信号に信号処理を施し、受信信号１２を生成する。以下、各構成要素を説明する。

＜検出光学系２＞
検出光学系２は、光源４と、第１の偏光子５と、楕円偏光生成部６と、受音部７と、第２の偏光子８と、光検出器９とを備える。

光源４は、光線３を出射する。本実施形態において使用する光線３は、コヒーレント光であってもよいし、インコヒーレント光であってもよい。また、光線３の占有波長帯域は、単一あるいは狭帯域であってもよいし、広帯域であってもよい。上述したように、光マイクロホン１は光の干渉ではなく、偏光状態の変化を検出するからである。また、光線３を第１の偏光子５に透過させることによって直線偏光光を得るため、光源４から出射する光線３は、直線偏光光でなくてよく、非偏光光であってもよい。ただし、以下において、説明するように、第１の偏光子５、第２の偏光子８、楕円偏光生成部６および受音部７など、検出光学系２の他の構成要素のそれぞれが発揮する機能に波長依存性がある場合には、光マイクロホン１全体として所望の性能が得られるように、光源４が出射する光線３の波長を選択してもよい。

光源４から出射する光線３の強度は一定であり、強度の時間変動が小さいことが好ましい。特に、強度の変動の周波数が、検出する音響信号の周波数帯域内にあると、光源４が音響信号を検出する際のノイズとなり得るため、好ましくない。

光源４には、例えば、Ｈｅ−Ｎｅレーザーに代表されるガスレーザー光源、固体レーザー光源、ファイバーレーザー光源、レンズや開口絞り等で概ね平行光化された半導体レーザーおよび発光ダイオード、フィルタによる波長制限、光学系によって平行光化された白色光源（電球など）などを用いることができる。なお、Ｈｅ−Ｎｅレーザーに代表されるガスレーザー光源を用いる場合、出力が安定化されていてもよい。

第１の偏光子５および第２の偏光子８はそれぞれ光学軸１００および光学軸１０１を有する。第１の偏光子５および第２の偏光子８は、各々の光学軸（光学軸１００、光学軸１０１）に平行な偏光面を持つ光線を透過する。したがって、第１の偏光子５および第２の偏光子８を透過した光は、第１の偏光子５および第２の偏光子８の光学軸に平行な偏光面を持った直線偏光光となる。

図１に示すように、本実施形態では、第２の偏光子８の光学軸１０１と第１の偏光子５の光学軸１００とは互いに直交している。したがって、これら２つの偏光子において、透過する光の偏光面は互いに直交している。なお、第２の偏光子８の光学軸１０１と第１の偏光子５の光学軸１００との直交関係は、以下の定義による。

第１の偏光子５および第２の偏光子８の偏光選別度は、入射する光の波長および入射角度に依存する。偏光子を構成する物質や素子構造によって、波長依存性は異なる。ここで、入射角とは、第１の偏光子５および第２の偏光子８の入射面法線と光線３のなす角度を言う。通常、入射角度は０°に選択される。また、「偏光選別度」とは、偏光子の特性を表すパラメータであり、偏光子の光学軸に平行な偏光面を持った直線偏光光の透過率を１と規定した場合における光学軸に直交した偏光面を持つ直線偏光光の透過率の逆数により規定される。偏光選別度が大きい偏光子ほど直交偏光光を透過しない。偏光選別度が大きいほど、第１の偏光子５および第２の偏光子８の光学軸が互いに直交するように配置し、第１の偏光子５を透過した直線偏光光の偏光状態の変化を第２の偏光子８を透過させて検出する場合の感度が高まり、光マイクロホン１の検出感度を高めることができる。

本願明細書において、「第１の偏光子５の光学軸１００と第２の偏光子８の光学軸１０１とが互いに直交している」とは、光学軸１００と光学軸１０１とのなす角度Φが以下の式（１）の関係を満たしている場合をいう。

式（１）において、Ｉは光線３の光強度である。ｉは、音響信号１０を印加しない場合にて、第１の偏光子５、以下において説明する楕円偏光生成部６および第２の偏光子８を透過した光の光強度である。ＡｒｃＳｉｎは逆正弦関数である。逆正弦関数の例は、ＡｒｃＳｉｎ（（１／２）^1/2）＝π／４である。

以下において詳述するように、楕円偏光生成部６は、第１の偏光子５を透過した直線偏光光を楕円偏光光に変化することにより、第２の偏光子８の光学軸１０１と平行な方向の成分を生成し、これにより、光マイクロホンの感度を高める。このため、楕円偏光生成部６によって生じる第２の偏光子８の光学軸１０１と平行な方向の光の成分より小さければ、楕円偏光生成部６が挿入されていない状態において、第１の偏光子５の光学軸１００と第２の偏光子８の光学軸１０１とのなす角度が９０度からずれることにより、第２の偏光子８を透過する光の成分が生じていてもよい。

式（１）は、楕円偏光生成部６が挿入されていない状態で第１の偏光子５の光学軸１００と第２の偏光子８の光学軸１０１とのなす角度が９０度からずれることにより、音響信号が入射しない場合に第２の偏光子８を透過する光の成分が、楕円偏光生成部６によって生じる第２の偏光子８を透過する光の成分の５０％以下となる条件を示している。なお、以下において説明するように楕円偏光生成部６の構成は光マイクロホン１の感度設定から決定される。

このように、光マイクロホン１の検出感度と第１の偏光子５および第２の偏光子８の偏光選別度とは密接な関係があるため、所望の偏光選別度が得られるように、光源４から出射する光線３の波長を決定し、また、光線３の第１の偏光子５および第２の偏光子８への入射角を決定することが好ましい。

受音部７は、第１の偏光子５を透過した直線偏光光が透過し、第２の偏光子８に入射するように、第１の偏光子５と第２の偏光子８との間に配置される。受音部７において、音響信号が受音部７内を伝搬することによって音響媒体中に粗密分布１１が生じる。この粗密分布１１の伝搬経路を横切る（非平行）ように第１の偏光子５を透過した直線偏光光を透過させる。つまり、受音部７において、第１の偏光子５を透過した直線偏光光は音響信号による粗密波の経路を横切っており、かつ、直線偏光光の光学軸は、粗密波の伝搬方向１１ａと非平行である。音響信号の伝搬方向１１ａは、少なくとも第１の偏光子５を透過した直線偏光光が透過する領域において、一定であることが好ましい。伝搬経路は粗密分布の伝搬方向に沿って伸びる。

図２は、受音部７の構成の一例を示す斜視図である。受音部７は、音響信号が入射する開口部１４４と音響信号が伝搬する音響媒体２２とを有する。受音部７は、さらに、例えば、光線３に対して透明な一対の透明支持板１４５およびフレーム状の支持部１４６を有し、一対の透明支持板１４５とその間に挟まれた支持部１４６とによって形成される空間３３に音響媒体２２が充填されている。また、空間３３には、音響媒体２２の上面２２ａによって一面が規定される音響導波路３４が設けられており、開口部１４４とつながっている。

受音部７において、開口部１４４が、音響信号１０（平面波）の波長に比べて小さすぎない（例えば、開口部を規定する矩形の縦および横の長さが音響信号１０（平面波）の波長の０．１倍以上）場合、開口部１０４から音響導波路１０６を伝搬する音響信号１０は、その伝搬に伴って、上面２２ａから音響媒体２２に入射し、音響媒体２２を平面波２１として伝搬する。したがって、平面波２１の波長よりも十分小さい光束断面径（例えば、波長の０．５倍以下）を有する光線３を用いることによって、音響媒体２２中の光線３が照射する全領域で、粗密波の伝搬方向（粗密波を生じさせる応力ベクトル）は、一定である。これにより、以下において詳細に説明するように、音響媒体２２における遅相軸および進相軸が一定となり、音響信号１０を正しく検出することが可能となる。

なお、図２に示す受音部７では、音響信号１０の波長が短くなるほど、音響媒体２２中を進む粗密進行波２１の平面度が高まり、粗密波の伝搬方向１１ａ（応力ベクトル方向）が正確に定まる。したがって、超音波（周波数２０ｋＨｚ以上の音響信号）受信用途として好適に機能する。

音響媒体２２は、空気よりも小さい音速を有していてもよい。具体的には、音響媒体２２の音速は、空気の音速である３４０ｍ／ｓｅｃより小さくてもよい。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音響媒体２２との境界における反射が小さく（音響インピーダンスが小さい）なり、比較的高い効率で音響信号を音響媒体２２に取り込むことができる。

音響媒体２２はナノ多孔体であってもよい。例えば、音響媒体２２は無機酸化合物または有機高分子の乾燥ゲルである。例えば、特許文献２に開示されたシリカ乾燥ゲルを好適に用いることができる。ナノ多孔体は、直径数ｎｍから数１０ｎｍのシリカ粒子が無秩序に３次元的に結合した構造を備えている。また、シリカ乾燥ゲル中の音速は、概ね５０ｍ／ｓｅｃ以上１５０ｍ／ｓｅｃ以下であり、上で述べたように空気中の音速も小さい。シリカ乾燥ゲルの密度は、概ね５０ｋｇ／ｍ³以上２００ｋｇ／ｍ³以下である。

また、音響媒体２２に音響信号が伝搬することによって複屈折性を発現するためには、ナノ多孔体のポアソン比は０．５より小さいくてもよい。通常、固体物質のポアソン比は、０．５より小さい。ナノ多孔体のポアソン比は０．２程度である。

図３は受音部７の他の構成例を示す斜視図である。受音部７は、一対の透明支持板１４５とフレーム状の支持部１４６と、音響媒体２２とを含む。一対の透明支持板１４５とその間に挟まれた支持部１４６とによって、空間３３が形成されている。支持部１４６には空間３３と外部とをつなぐ開口部１４４が設けられており、開口部１４４から音響信号１０が入射する。

空間３３には、未充填領域３２を残して、音響媒体２２が充填されている。未充填領域３２は、外部と同じ環境媒体（例えば空気）で満たされている。音響信号１０は、開口部１４４を介して外部から未充填領域３２に入射し、音響媒体２２へ伝搬する。光線３は、一方の透明支持板１４５から入射して、音響媒体２２を透過し、他方の透明支持板１４５から出射する。

未充填領域３２の大きさ、つまり縦、横および高さは、音響信号１０の波長に比べ、十分に小さくてもよい。例えば、縦、横および高さは、音響媒体２２内での音響信号１０の波長の０．５倍未満であってもよい。これにより、音響信号１０の音圧は、開口部１４４を介して、音響媒体２２の環境媒体との界面に対して垂直かつ均一に作用する。したがって、音響媒体２２は一定方向から均一な圧力を受けることになり、音響媒体２２全域にわたって概ね均一に、界面に対して垂直な方向に応力ベクトルを持った応力が生成される。音響媒体２２の未充填領域３２との界面が透明支持板１４５および支持部１４６に対して移動可能なように音響媒体２２が保持されることにより、音圧の作用の均一性を高めることができる。図３に示す受音部７は、特に、音響信号が可聴音（周波数２０ｋＨｚ未満の音響信号）である場合に好適に用いられる。

楕円偏光生成部６は、第１の偏光子５と第２の偏光子８との間で、第１の偏光子５を透過した直線偏光光に、偏光方向とそれぞれ異なる直交する２方向において、互いに異なる位相シフトを与える。これにより、直線偏光光を楕円偏光に変換する。楕円偏光生成部６は音響信号１０の検出感度をさらに高めるために用いられる。楕円偏光生成部６の構成およびその機能は、検出系２を説明した後に、詳述する。

光検出器９は、第２の偏光子８を透過した光線３の強度を電気信号に変換する。検出光学系２が音響信号１０に応じて電気信号を出力するために、光検出器９の応答特性は、音響信号１０の周波数よりも高速であってもよい。これにより、音響信号１０の時間波形の正確な電気信号への変換が実現する。

また、光検出器９に対して、入射光の強度に対する出力電気信号強度の線形性を実現することは、光マイクロホン１の受音特性の低歪性、および後段の信号処理回路への負荷が低減されるため好ましい。

＜検出光学系２による音響信号の検出原理＞
次に、検出光学系２が音響信号１０を検出する原理を説明する。図４は、受音部７において、光線３が音響媒体２２を透過する様子を模式的に示している。圧力４２は、受音部７を伝搬する音響信号による圧力を示す。図４は、図１に示した検出光学系２において、楕円偏光生成部６がない場合を示している。また、説明を簡単にするため、図４における光線３は単色光であると仮定する。

音響媒体２２に入射する直前の光線３は、第１の偏光子５（図４に不図示）を透過している。したがって、光線３は直線偏光光４１である。ここでは、圧力４２の応力ベクトルに対して、第１の偏光子５の光学軸１００が４５°の角度をなすように、第１の偏光子５を配置している。したがって、直線偏光光４１の偏光面は圧力４２の応力ベクトルに対して４５°の角度をなしている。

上述したように音響媒体２２を音響信号１０が伝搬する場合、音響信号は縦波であるため、音響媒体中に時間的に変動する音響媒体の粗密分布、つまり、屈折率分布が生成する。音響媒体の粗密は音響信号１０の伝搬方向に生じ、伝搬方向と垂直な方向には生じない。このため、図４に示すように、圧力４２の応力ベクトルに平行な方向を遅相軸４３とし、圧力４２の応力ベクトルに垂直な方向を進相軸４４と規定する。

直線偏光光４１は、遅相軸４３に平行な電界ベクトルを持つ遅相軸成分４６と、進相軸４４に平行な電界ベクトルを持つ進相軸成分４５とのベクトル和として表現される。音響媒体２２に入射する前において、進相軸成分４５と遅相軸成分４６は、同一周波数であり、かつ、同相な（位相差のない）正弦波である。

音響媒体２２に音響信号１０が伝搬しておらず、圧力４２が印加されていない場合、音響媒体２２は、光学的に等方性の媒体である。このため、直線偏光光４１の進相軸成分４５と遅相軸成分４６の各々が感受する屈折率は等しい。音響媒体２２の通過後においても、進相軸成分４５と遅相軸成分４６とは互いに同相であり、進相軸成分４５と遅相軸成分４６とを合成して得られる透過光４７は、直線偏光光４１と同一方向に偏光面を持った直線偏光光となる。

本実施形態では、第２の偏光子８（図４に不図示）の光学軸１０１は、第１の偏光子５の光学軸１００と直交している。説明を簡単にするため、図４の説明では、第２の偏光子８の光学軸１０１と第１の偏光子５の光学軸１００のなす角度は９０°であるとする。このとき、第１の偏光子５の光学軸と同じ方向に偏光面を有する透過光４７は、第２の偏光子８により遮光され、光検出器９（図４に不図示）からの電気信号の出力は理想的にはゼロとなる。

次に、音響媒体２２に音響信号１０が伝搬し、圧力４２が印加されている場合を説明する。図４に示すように、音響媒体２２に音響信号１０が伝搬することにより、遅相軸４３と平行な方向に圧力４２が印加されると、圧力４２により音響媒体２２は圧縮される。音響媒体２２は、主に遅相軸４３方向に大きく収縮する。

例えば、音響媒体２２のポアソン比が約０．２程度の場合、音響媒体２２において、進相軸４４方向の伸縮量よりも遅相軸４３方向の伸縮量の方が大きい。遅相軸４３方向に正の応力が音響媒体２２に加えられた場合、進相軸４４方向に伸びることによって、遅相軸４３方向への縮圧は緩和されるが、遅相軸４３方向と進相軸４４方向の伸縮量は異なる。このため、音響媒体２２の遅相軸４３方向の密度が、進相軸４４方向の密度より大きくなる。この密度の違いにより、音響媒体２２の遅相軸４３方向の屈折率が、進相軸４４方向の屈折率より大きくなる。

したがって、音響信号１０の伝搬する音響媒体２２において、直線偏光光４１の進相軸４４方向の進相軸成分４５と、遅相軸４３方向の遅相軸成分４６とは、感受する屈折率が異なる。その結果、音響媒体２２に入射する直前の進相軸成分４５と遅相軸成分４６とは同相であるが、音響媒体２２通過後、遅相軸成分４６は、進相軸成分４５よりも位相が遅れ、進相軸成分４５と遅相軸成分４６とは同相でなくなる。

図４に示すように、透過光４７の偏光面は、音響媒体２２を透過直後の進相軸成分４５と遅相軸成分４６とのベクトル和より得られる。透過光４７の進相軸成分４５と遅相軸成分４６とは同相ではなくなるため、透過光４７は楕円偏光光となる。透過光４７の偏光面は、光線３の周波数に同期して偏光面が回転する。

透過光４７が楕円偏光光であるため、透過光４７のうち、第２の偏光子８の光学軸１０１（図１）と平行な方向に偏光面を有する直交偏光光成分４８は、第２の偏光子８を透過し、光検出器９に到達する。これにより、検出された直交偏光光成分４８による電気信号が光検出器９から出力される。

音響媒体２２における、進相軸４４方向の屈折率と遅相軸４３方向の屈折率との差は、圧力４２の大きさ、つまり音響信号１０の振幅に依存する。また、これらの屈折率差は、音響信号１０の時間変化に応じて変化する。したがって、光検出器９から出力される電気信号は音響信号１０に対応している。

このように、第１の偏光子５を透過させることによって、所定の方向に偏光面を有する直線偏光の光線３を生成し、光線３を検出すべき音響信号１０が伝搬する音響媒体２２に、音響信号１０の伝搬経路を横切るように透過させる。その後、音響媒体２２を透過した光線３を第１の偏光子５とは異なる向きに光学軸が配置された第２の偏光子８を透過させ、光検出器９で検出することによって、音響信号１０を検出し、光検出器９から電気信号として出力することができる。

上述した音響媒体２２に音響信号１０が伝搬することにより生じる圧力４２によって、音響媒体２２の変形量は、印加される圧力４２の大きさに対して線形に変化する。また、音響媒体２２の屈折率は圧力４２の印加に対して線形に変化するため、第２の偏光子を透過した直交偏光光成分４８の振幅（直交偏光光成分４８のベクトルの大きさ）も圧力４２に対して線形に変化する。

光検出器９は、光の強度に比例した振幅を有する電気信号を出力するため、圧力４２の大きさの２乗に比例した振幅の電気信号が光検出器９から出力される。音響信号１０により音響媒体２２中に生成される圧力４２は、大気圧に比べて極めて微弱である。例えば、１気圧は１０１３２５Ｐａであるのに対して、１Ｐａの圧力変動は約９４ｄＢＳＰＬ（Sound Pressure Level）の音響信号に相当する。

したがって、音響信号１０に対する感度を高めるためには、圧力４２の変化量ΔＰに対する電気信号Ｓの変化量ΔＳを大きくすることが好ましい。しかし、上述したように、圧力４２が印加されない状態では、音響媒体２２を透過した透過光４７は直線偏光光４１と同じ偏光面を有するため、理想的には、第２の偏光子８を透過する光はゼロとなる。つまり、電気信号ＳはＰ²に比例するのでＰ＝０においてはΔＳ／ΔＰ＝０である。上述したように音響信号１０による圧力４２の変化ΔＰは微弱であるため、光検出器９から出力される電気信号も小さいことが分かる。そのため、圧力ゼロ（Ｐ＝０）近傍におけるΔＳ／ΔＰを大きくし、より高感度な光マイクロホンを実現するために、本実施形態の光マイクロホン１の検出光学系２は、楕円偏光生成部６をさらに備えることが好ましい。

楕円偏光生成部６は、第１の偏光子５を通過後の直線偏光光を弱い楕円偏光光に変換する。ここで、「弱い楕円偏光光」とは、光線３の進行方向に対して直交する２つの偏光方向における振幅比が大きい楕円で示される楕円偏光光をいう。この振幅比は、音響信号の音圧に対する受信感度の線形性など、光マイクロホン１に求められる性能に依存する。

図１および図４を参照しながら、検出光学系２が楕円偏光生成部６を備える場合の光マイクロホンの動作を説明する。第１の偏光子５を透過した光線３が楕円偏光生成部６を透過することにより、光線３は、直線偏光光４１に比べ低強度の直交偏光成分が含まれる。この直交偏光成分は、第１の偏光子５の光学軸１００と直交する方向に平行であり、第２の偏光子８の光学軸１０１と平行である。したがって、音響信号１０による圧力４２が印加されていない状況においても、音響媒体２２から出射した光線３は、微弱な直交偏光光４８を含み、光検出器９は電気信号を出力する。

直線偏光光４１を弱い楕円偏光光に変換することによって、微弱な圧力印加時においても高い検出感度が得られる。楕円偏光生成部６の挿入により、圧力Ｐがゼロ（Ｐ＝０）近傍において、電気信号Ｓは（Ｐ＋ｃ１）²＋ｃ２に比例する（ｃ１、ｃ２は圧力Ｐに依存しない正定数である）。したがって、Ｐ＝０において、ΔＳ／ΔＰ≠０となり、圧力がゼロとなる（Ｐ＝０）近傍においても、大きな電気信号出力の変化量ΔＳを得ることができる。つまり、楕円偏光生成部６により、光マイクロホン１は、音響信号１０に対して高い感度を有する。

以下、楕円偏光生成部６の具体的な構成を説明する。図５に示す検出光学系２は、楕円偏光生成部６として波長板５１を備える。波長板５１は、第１の偏光子５と受音部７との間に配置されている。波長板５１は、第１の偏光子５の光学軸１００と非平行かつ、非垂直な光学軸１０２を有する。ここで、「非平行」とは、両光学軸の成す角が０°あるいは１８０°でないことを意味し、「非垂直」とは、両光学軸の成す角が９０°あるいは２７０°でないことを意味する。

波長板５１としては、１／８波長板、１／４波長板、１／２波長板などを用いることができる。あるいは、光学的異方性（複屈折性）を有する光学結晶や液晶などを用いることができる。これらは、単独で用いてもよいし、これらの中から選ばれる２つ以上を組み合わせて楕円偏光生成部６として用いてもよい。ただし、透過光４７の進相軸成分４５および遅相軸成分４６の位相差が透過光波長の整数倍にならないことが好ましい。

図６は、検出光学系２の他の構成例を示している。図６に示す検出光学系２では、波長板５１は、受音部７と第２の偏光子８との間に配置されている。波長板５１は、上述した図５に示す波長板５１と同じ機能を有している。図６に示す検出光学系２を用いても、上述したように圧力がゼロとなる（Ｐ＝０）近傍において、大きな電気信号出力の変化量ΔＳを得ることができる。よって、楕円偏光生成部６により、光マイクロホン１は、音響信号１０に対して高い感度を有する。

また、上述したように、楕円偏光生成部６は、第１の偏光子５と第２の偏光子８との間で、第１の偏光子５を透過した直線偏光光に、偏光方向とそれぞれ異なる直交する２方向において、互いに異なる位相差を与え、直線偏光光を楕円偏光に変換する機能を有する。このような機能は、複屈折性を有する物質に、第１の偏光子５を透過した直線偏光光を透過させることによって実現する。受音部７の音響媒体２２は、圧力を加えることによって複屈折性を示すので、楕円偏光生成部６の機能を受音部７において実現してもよい。

具体的には、図７に示すように、受音部７の音響媒体２２が塑性変形をおこすように一方向から強い圧力を加える（加圧）。例えば、音響媒体２２として密度２５０ｋｇ/ｍ³のシリカ乾燥ゲルを用いる場合、４．１×１０²ｇｆ/ｃｍ²以上の圧力を一方向から音響媒体２２に加えると、音響媒体２２は塑性変形する。このため、圧力の解放後においても、音響媒体２２中に残留応力が生じ、音響信号１０が伝搬していない状態でも残留応力のベクトル方向の屈折率がこれと垂直な方向に比べて大きくなる。音響媒体２２は、音響信号１０が伝搬しない状態で光学的異方性を有し、楕円偏光生成部６の上述した機能を発現する。より具体的には、音響信号による圧力４２がゼロ（圧力Ｐ＝０）となる近傍において、光検出器９から出力される電気信号Ｓは、（Ｐ＋Ｐ０）²＋ｃ２（Ｐ０、ｃ２は音響媒体２２中の残留応力基づく圧力Ｐに依存しない正定数）に比例するようになる。

また、常に音響媒体２２が光学異方性を示すように、音響媒体２２に圧力を加えることによって楕円偏光生成部６の機能を実現してもよい。図８に示す受音部７は一対の透明支持板１４５と、フレーム状の支持部１４６と音響媒体２２とを含む。一対の透明支持板１４５とその間に挟まれた支持部１４６とによって空間３３が形成されている。音響信号１０が効率よく、かつ、面１４６ａの全体から均一に音響媒体２２に入射するように、面１４６ａの全体に複数の開口１４４が設けられている。例えば、面１４６ａは、メッシュ構造を有している。音響媒体２２は面１４６ａに接して設けられている。

一方、空間３３の面１４６ａと反対側には、音響媒体２２が充填されておらず、気体が大気圧以上の圧力で満たされた与圧部８１が設けられている。これにより、音響媒体２２は所定の静的圧力で、面１４６ａに押しつけられる。与圧部８１において、大気圧以上の圧力で満たされた気体の代わりにばね等を設け、音響媒体２２を支持部１４６の面１４６ａに押し当ててもよい。このような構造の受音部７を用いても、音響信号が伝搬していない状態において、静的圧力と平行な方向の屈折率がこれと垂直な方向に比べて大きくなる。このため音響媒体２２は、音響信号が伝搬しない状態で光学的異方性を有し、楕円偏光生成部６の上述した機能を発現する。

＜検出光学系の実験結果＞
次に、検出光学系２を用いて音響信号を検出した実験結果を説明する。図９は、光マイクロホン１の原理の確認に使用した構成を模式的に示している。図９に示す光マイクロホン１において、光源４には、Ｈｅ−Ｎｅレーザー（シグマ光機製、型番：０５−ＬＨＲ−１１１）を用いた。波長板５１には、１／４波長板（ＥｄｍｕｎｄＯｐｔｉｃｓ製、型番：４３７００−Ｋ）を用いた。光検出器９には、フォトダイオード（浜松ホトニクス製、型番：Ｃ１０５０８）を用いた。第１の偏光子５および第２の偏光子８には、Ｍｅａｄｏｗｌａｒｋｏｐｔｉｃｓ製（型番：ＵＰＭ−０５０−ＶＩＳ）の偏光子を用いた。音響媒体２２には、５０ｍ／ｓの音速を有し、厚さ５ｍｍ、大きさ１０ｍｍ×１０ｍｍのブロック状のシリカ乾燥ゲルを用いた。音響媒体２２への静圧９３の印加は機械的に行ない、デジタルフォースゲージで印加圧力を測定した。

図１０に、波長板５１を挿入していない場合における光検出器９からの出力電気信号の大きさを示す。この電気信号の大きさは、音響媒体２２へ加えた圧力に対応する。図１０の横軸は音響媒体２２へ加えた圧力Ｐであり、縦軸は光検出器９からの出力電気信号の大きさＳである。

図１０より、電気信号の大きさＳは、圧力Ｐの２乗に比例していることが分かる。また、圧力Ｐ＝０近傍において、圧力変化ΔＰに対する電気信号の大きさの変化量ΔＳ／ΔＰが小さくなっている。つまり、音響信号の音圧に相当するＰ＝１Ｐａ近傍においては、低感度であることが分かる。

これに対し、Ｐ＝６００Ｐａ以上の範囲では、ΔＳ／ΔＰはほぼ一定の値２．９６２ｍＶ／Ｐａを示している。図１０に、ΔＳ／ΔＰが２．９６２ｍＶ／Ｐａの直線を示している。

図１１は、波長板５１の挿入した場合の光検出器９からの出力電気信号の大きさを示す。図１０と同様に、この電気信号の大きさは、音響媒体２２へ加えた圧力に対応する。図１１の横軸は音響媒体２２へ加えた圧力Ｐであり、縦軸は光検出器９からの出力電気信号の大きさＳである。波長板５１の光学軸は、光源４側から見て、第１の偏光子５の光学軸に対して、回転角δ＝３°で反時計回りに回転させている。

図１１から分かるように、圧力Ｐ＝０近傍におけるΔＳ／ΔＰはゼロではない。また、圧力範囲の全体（０Ｐａ以上１０００Ｐａ以下）において、圧力Ｐと出力電気信号の大きさＳとの線形性がほぼ保たれている。

なお、図１１に示すグラフにおいて、検出感度ΔＳ／ΔＰは０．０５６ｍＶ／Ｐａであるのに対して、図１０に示すグラフのＰ＝６００Ｐａにおける検出感度は２．９６２ｍＶ／Ｐａであり、その値が異なっている。これは図１０と図１１の計測において、光検出器９に内蔵されている増幅器の増幅率が異なるためである。図１１の測定と図１０に示す測定における測定条件を増幅率を換算することによってそろえた場合、図１１に示す検出感度ΔＳ／ΔＰは２．８ｍＶ／Ｐａとなる。この値は、図１０に示すグラフのＰ＝６００Ｐａにおける検出感度と一致する。

図１２は、図９に示す波長板５１の光学軸の回転角度δを０度から０．５°の間で０．１°単位で変化させた場合における圧力Ｐと光検出器の出力Ｓとの関係を計算によって求めたグラフである。図１２において、横軸および縦軸は、測定値ではなく、任意単位で示している。

波長板５１の光学軸の回転角度δが０度である場合、波長板５１の光学軸は第１の偏光子５の光学軸と一致する。このため、波長板５１の挿入にかかわらず、第１の偏光子５を透過した直線偏光光は、楕円偏光光には変換されず、図１０に示す測定結果と同様の圧力Ｐと光検出器の出力Ｓとの関係を示す。具体的には、電気信号の出力の大きさＳは、原点を通る圧力Ｐの二次関数になっている（Ｓ∝Ｐ²）。

これに対し、δが０より大きくなると、波長板５１によって、第１の偏光子５を透過した直線偏光光が楕円偏光光に変換される。この楕円偏光光の直交する２つの偏光方向は、第２の偏光子８の光学軸と非平行かつ非垂直であるため、楕円偏光光が、圧力Ｐの印加される音響媒体２２を透過することによって、偏光状態がどのように変換されても、第２の偏光子８の光学軸と平行な成分が生じる。このため、圧力Ｐに関わらず光検出器９から電気信号の出力Ｓが得られるようになる。

図１２に示すように、δが大きくなるにつれて、二次関数の原点は圧力Ｐに対して負の方向へ、かつ、出力Ｓの正の方向へ移動する（Ｓ＝（Ｐ＋ｃ１）²＋ｃ２、ｃ１、ｃ２は圧力Ｐに依存しない定数））。その結果、圧力Ｐのゼロ近傍において、出力Ｓは大きくなる。また、Ｐ＝０近傍における検出感度ΔＳ／ΔＰ（傾き）が大きくなり、かつ、その線形性が高まる。このため、マイクとしての特性も向上する。図１０、図１１および図１２から、波長板５１の光学軸の回転角度δによって、Ｐ＝０近傍における出力値Ｓの大きさ、検出感度ΔＳ／ΔＰおよびその線形性を調節し得ることが分かる。つまり、波長板５１を用いることによって、検出光学系２の検出感度を高めることが可能であり、また、検出特性を任意に設定することができる。

＜信号処理部１７＞
本実施形態の光マイクロホン１は上述した検出光学系２を備えることにより、簡単な構成で、高い検出感度で音響信号を検出することができる。例えば、約３ｍＶ／Ｐａの検出感度が得られる。しかし、実際のマイクロホンとして使用する場合、さらに高い検出感度が求められることがある。このために本実施形態の光マイクロホン１は信号処理部１７を備える。

図１に示すように、光マイクロホン１の信号処理部１７は、第１の増幅器１３と、直流成分除去部１５と、第２の増幅器１４と、イコライザ１６とを備えている。

第１の増幅器１３は、光検出器９から出力される電気信号の増幅を行う。光検出器９からの出力直後の電気信号を第１の増幅器１３により信号増幅することによって、信号処理部１７全体としての雑音指数の低減を図る。第１の増幅器１３として、低雑音アンプを用いることが望ましい。

また、第１の増幅器１３の増幅率は、光マイクロホン１の受音できる音圧の最大値の音響信号１０が入力したときに、第１の増幅器１３で増幅された光検出器９の出力電気信号の大きさが、少なくとも第１の増幅器１３の飽和出力電圧以下になるように設定してもよい。例えば、線形性を十分に確保するためには、増幅率を第１の増幅器１３の１ｄＢ利得圧縮点以下になるように設定してもよい。

光マイクロホン１がマイクロホンとして機能するために、音響信号１０に対して受信信号１２は線形性を満たしていることが好ましい。また、第１の増幅器１３の増幅率の条件は、受信信号１２が音響信号１０に対し線形性を満たすように決定されることが好ましい。この条件を満足する最も高い増幅率を設定すると、信号処理部１７全体としての雑音指数を最も低減できる。

直流成分除去部１５は、第１の増幅器１３から出力された電気信号から、時間的に変動しない信号成分（以下、「ＤＣ成分」と略称する）を除去する。図１１に示すように、第１の増幅器１３から出力された電気信号は、音響信号１０の入力がなくても（圧力がゼロ）一定の大きさの直流成分（ＤＣ成分）を含む。この直流成分を除去することによって、第２の増幅器１４で高い増幅率の設定が可能となる。その結果、検出光学系２のみでは実現することができない程度に、高い音響検出感度を実現することができる。

第１の増幅器１３と同様に、第２の増幅器１４の増幅率は、第２の増幅器１４に入力される信号の最大値と、第２の増幅器１４の飽和出力電圧の値とにより決定される。したがって、直流成分除去部１５によって、音響信号１０に依存しない信号成分を除去し、より小さな信号を第２の増幅器１４に入力したほうが、より高い増幅率を設定できる。直流成分除去部１５には、光マイクロホン１の受音周波数帯域の最低周波数以下の電気信号を除去する高域通過フィルタ、または、光マイクロホン１の受音周波数帯域の電気信号を通過する帯域通過フィルタを用いることができる。

図１３に、直流成分除去部１５として低域通過フィルタ１２１を用い、第２の増幅器として差動増幅器１２２を用いた信号処理部１７の構成を示す。第１の増幅器１３から出力された電気信号は２つに分割され、一方は、低域通過フィルタ１２１を通過させることによって、電気信号からＤＣ成分を抽出する。低域通過フィルタ１２１の通過帯域は、光マイクロホン１の受音周波数帯域の最低周波数以下にする。分割された他方の電気信号と、抽出されたＤＣ成分との差動電圧を差動増幅器１２２により増幅する。これにより、差動増幅器１２２から出力される電気信号にはＤＣ成分が除去されている。

図１４に、直流成分除去部１５として帯域阻止フィルタ１３１を用い、第２の増幅器として差動増幅器１２２を用いた信号処理部１７の構成を示す。第１の増幅器１３から出力された電気信号は２つに分割され、一方は、帯域阻止フィルタ１３１を通過させることによって、電気信号からＤＣ成分を抽出する。帯域阻止フィルタ１３１の阻止帯域は、光マイクロホン１の受音周波数帯域を包含するよう設定する。分割された他方の電気信号と、抽出されたＤＣ成分との差動電圧を差動増幅器１２２により増幅する。これにより、差動増幅器１２２から出力される電気信号にはＤＣ成分が除去されている。この構成によれば、ＤＣ成分の除去以外に、高い周波数を持つノイズ成分も効果的に除去することができる。

イコライザ１６は、検出光学系２、光検出器９、および信号処理部１７中の他の構成要素により発生する信号歪を補正する。検出光学系２から出力される電気信号は、音響信号強度の２乗に比例する。また、他の構成要素は固有の歪を持っている。また、イコライザ１６は、光マイクロホン１がユーザーの望む音響特性を有すよう、受音された音響信号をイコライジング（音色の加工）する。これにより、所望の音響特性を有する受信信号１２を得ることができる。

上記実施形態では、信号処理部１７はアナログ回路によって構成されていたが、信号処理部１７をデジタル回路で構成してもよい。図１５は、信号処理部１７’をデジタル回路で構成した光マイクロホン１の構成を示している。図１５に示す光マイクロホン１において、信号処理部１７は、Ａ／Ｄコンバータ１５１およびデジタル回路１５２を含む。光検出器９からの出力は、Ａ／Ｄコンバータ１５１によってデジタル信号に変換される。デジタルの電気信号は、デジタル回路１５２に入力さる。デジタル回路１５２は、上述のアナログの信号処理部１７と同等の処理をデジタルの電気信号を用いて行う。これにより、デジタルの受信信号１２が生成する。デジタル回路１５２は、ＣＰＵなどの演算回路を含むマイクロコンピュータなどによって構成してもよい。

本実施形態の光マイクロホン１によれば、音響信号は、光の干渉ではなく、光の複屈折による光の偏光面の回転によって検出される。このため、小型化が可能であり、かつ、周囲環境変動に対して影響を受け難い高感度な光マイクロホンを実現することができる。また、第１の偏光子と第２の偏光子との間において、検出に用いる直線偏光光を楕円偏光光に変換することによってさらに高感度で音響信号を検出することができ、検出感度の線形性も高められる。

また、本実施形態の光マイクロホン１において、受音部と電気回路とは完全に電気的に分離している。このため電気的ノイズの高い環境下においても雑音に強い音響センサー等として好適に用いられる。また、機械的・光学的共振現象を利用しないため、音響信号の振幅・位相両方に対し広い受信帯域を持つ。よって広帯域で変調された音響信号用の受音器、録音用マイクロホン、ならびに、計測用基準マイクロホン等にも好適に用いられる。

なお、本実施形態では、図１、図５および図６を用いた説明において、音響信号１０および静圧９３の印加により音響媒体２２に生成される応力ベクトルの向きに対し、第１の偏光子５の光学軸は、４５°の角度を成していた。しかし、音響媒体２２に生成される応力ベクトルの向きと第１の偏光子５の光学軸が平行でない限り、音響信号を検出することが可能であり、第１の偏光子５の光学軸の角度は、上記実施形態に限定されない。また、上記実施形態において、検出光学系２の各構成要素は間隙を設けて配置されていた。しかし、上述の説明から明らかなように、光マイクロホン１の動作原理上、構成要素間の間隙は必須のものではなく、全ての構成要素、あるいは、一部構成要素を接触させて配置しても良い。そのような配置は、光マイクロホン１をさらに小型化するのに有効である。

また、特許文献３は、一対の偏光子の間に設けられた光ファイバを電動機や配管に配置し、電動機の振動によって光ファイバ内を透過する光に生じた偏波変動を検出することにより、電動機や配管の異常信号を検知する異常振動検知装置を開示している。この装置によれば、光ファイバが配置された広い領域における正常時の固有振動とは異なる数百ｋＨｚ程度の以上の異常振動を検出することができる。しかし、このような広い領域全体からの振動には、振動の位相情報が欠落しているため、この装置を音響波を検出するためのマイクロホンとして機能させることはできない。これに対し、本実施形態のマイクロホンでは、音響媒体２２中の光線が通過する点における、音圧による音響媒体２２の屈折率変化を検出するため、位相情報を検出することが可能であり、音響信号を検出するマイクロホンとして好適に機能する。本実施形態の光マイクロホンは、この点で、特許文献３に開示された異常振動検知装置とは、全く異なる。

（第２の実施形態）
図１６は、本発明の光マイクロホンの第１の実施形態の構成を示している。光マイクロホン１’は検出光学系２’と信号処理系１７とを備える。第１の実施形態と同様、検出光学系２’によって、光マイクロホン１’の周囲の環境を伝搬する音響信号を検出して、電気信号を生成し、信号処理系によって電気信号に信号処理を施し、受信信号１２を生成する。図１６において、第１の実施形態と同じ構成要素には同じ参照符号を付している。本実施形態では、楕円偏光生成部６として１／４波長板９２を用いる。

光マイクロホン１’において、第１の偏光子５、第２の偏光子８および楕円偏光生成部６として用いる１／４波長板９２の光学軸の相対角度は第１の実施形態の光マイクロホン１の第１の偏光子５、第２の偏光子８および楕円偏光生成部６と異なっている。第１の実施形態では、第１の偏光子５の光学軸と第２の偏光子８の光学軸とは互いに直交しており、波長板の光学軸を第１の偏光子５の光学軸から回転させることによって、第１の偏光子５を透過した直線偏光光を楕円偏光光に変換していた。これに対し、本実施形態では、楕円偏光生成部６の光学軸、つまり、１／４波長板９２の光学軸は、第２の偏光子８の光学軸に対して直交あるいは、平行に配置されている。また、第１の偏光子５の光学軸を、第２の偏光子８の光学軸と直交する方向から回転させることによって、１／４波長板９２通過後の楕円偏光光の楕円偏光化の程度を調整する。ここで、楕円偏光生成部６の光学軸と第２の偏光子８の光学軸とが直交するとは、第１の実施形態で説明したように、式（１）の関係を満たす角度Φをなしている場合をいう。

図１６に示す光マイクロホン１’において、第１の偏光子５の光学軸と、第２の偏光子８における光学軸の直交する方向とのなす角度をγとし、第１の実施形態と同様、受音部７の音響媒体２２に静圧を印加した場合に光検出器９で検出される電気信号の大きさを計算によって求め、角度γを０〜０．５°の範囲で０．１°単位で変化させ、圧力Ｐと出力Ｓとの関係を調べた。結果を図１７に示す。図１７において、横軸および縦軸は、任意単位で示している。

図１６および図１７に示すように、第１の偏光子５の光学軸と、第２の偏光子８における光学軸の直交する方向とのなす角度γが０°である場合、第１の偏光子５の光学軸および１／４波長板９２の光学軸は、第２の偏光子８の光学軸と直交する。このため、第１の偏光子５を透過した直線偏光光は、１／４波長板９２の光学軸と一致した偏光面を有し、直線偏光光のまま、１／４波長板９２を透過する。１／４波長板９２を透過した直線偏光光の偏光面と第２の偏光子８の光学軸とは直交しているため、音響信号１０の伝搬によって受音部７に光学的異方性が発現していなければ、つまり、受音部７に静圧が印加されていなければ、検出器９で検出される電気信号の大きさはゼロとなる。

角度γを０°より大きくした場合、第１の偏光子５を透過した直線偏光光の偏光面は、１／４波長板９２の光学軸と非平行であるため、楕円偏光光に変換される。このため、受音部７に静圧が印加されていない状態でも、楕円偏光光は、第２の偏光子８の光学軸と平行な偏光成分を含むことにより、検出器９で検出される電気信号の大きさはゼロより大きくなる。しかし、１／４波長板９２の光学軸は、第２の偏光子８の光学軸に対して直交となるように配置されている。このため、この楕円偏光光は、第２の偏光子８の光学軸に対して、平行および垂直な２つの偏光方向を有する。その結果、受音部７から受ける偏光状態の変化によって、楕円偏光光の第２の偏光子８の光学軸と平行な偏光成分はゼロとなり得る。これらのことから、本実施形態によれば、検出器９で検出される電気信号の大きさＳは、（Ｐ＋ｃ１’）²（ｃ１’は圧力Ｐに依存しない正定数）に比例する。

図１７に示すように、角度γが大きくなるにつれて、楕円偏光光に含まれる第２の偏光子８の光学軸と平行な偏光成分が大きくなり、（Ｐ＋ｃ１’）²で表されるように二次関数の頂点は出力Ｓの正方向へ移動する。その結果、圧力Ｐがゼロ近傍においても、大きな出力Ｓが得られる。

図１２のグラフと図１７のグラフを比較することにより分かるように、第１の実施形態では、楕円偏光化による出力Ｓと圧力Ｐの関係は、（Ｐ＋ｃ１）²＋ｃ２（ｃ１、ｃ２はＰに依らない定数）で示されるが、第２の実施形態では、（Ｐ＋ｃ１’）²で示される。このことより、たとえ両実施形態においてＰ＝０におけるΔＳ／ΔＰが同じであったとしても、第２の実施の形態のほうがＰ＝０における出力Ｓは小さい。増幅器１３の増幅率は、増幅器１３の飽和出力電圧により決定されるので、Ｐ＝０における出力Ｓが小さい本実施の形態では、より高い増幅率の設定が可能となる。このように、本実施の形態はより高感度な光マイクロホンを実現することができる。

本実施形態の検出光学系２’において、１／４波長板９２は、第１の偏光子５と受音部７との間に設けられていた。しかし、図１８に示すように、１／４波長板９２を受音部７と第２の光学子８との間に設けても、同様の効果を得ることができる。

また、本実施形態では、１／４波長板を用いたが、１／８波長板、１／２波長板や、他の光学的異方性（ただし、透過光の直交した偏光成分光線間の位相差が透過光波長の整数倍にならないもの）を持った光学素子、液晶、光学的異方性を有する光学結晶などを用いてもよい。

また、本実施形態では、音響信号１０および静圧９３の印加により音響媒体２２に生成される応力ベクトルの向きに対し、第２の偏光子８の光学軸は、４５°の角度を成していた。しかし、音響媒体２２に生成される応力ベクトルの向きと第２の偏光子８の光学軸が平行でない限り、音響信号を検出することが可能であり、第２の偏光子８の光学軸の角度は、本実施形態に限定されない。また、本実施形態において、検出光学系２’の各構成要素は間隙を設けて配置されていた。しかし、上述の説明から明らかなように、光マイクロホン１の動作原理上、構成要素間の間隙は必須のものではなく、全ての構成要素、あるいは、一部構成要素を接触させて配置しても良い。そのような配置は、光マイクロホン１’をさらに小型化するのに有効である。

（第３の実施形態）
図１９（ａ）から（ｄ）は、本発明による光マイクロホンの第３の実施形態を示している。これらの実施形態において、信号処理部は示されていないが、第１および第２の実施形態で説明した信号処理部を含んでいる。第１および第２の実施形態では、検出光学系２、２’はいずれも、構成要素が光線３に沿って一列に配置されていた。しかし、検出光学系２、２’における各構成要素は一列に配置されていなくてもよい。本実施形態では、反射光を用いて検出光学系の光路を形成している。

図１９（ａ）に示す光マイクロホンは、光源４、第１の偏光子５、楕円偏光生成部６、第２の偏光子８、光検出器９、受音部７、ビームスプリッタ２０１および鏡２０２を備えている。

光源から出射した光線３は、第１の偏光子５および楕円偏光生成部６を透過し、ビームスプリッタ２０１に入射する。ビームスプリッタ２０１をそのまま透過した光線３は、受音部７において音響信号による偏光面の回転を受けた後、鏡２０２で反射し、再び受音部７に入射する。ここで、光線３は、再度、音響信号による偏光面の回転を受けた後、ビームスプリッタ２０１に入射し、ハーフミラーによって進行方向が変えられ、第２の偏光子８を透過し、光検出器９に入射する。

本実施形態によれば、光線３は、受音部７を２度透過する。このため、２倍の厚さを有する音響媒体２２を透過させる光マイクロホンと等価な検出感度を実現できる。鏡２０２で光線３の光路長を折り返すことによって、検出光学系２の小型化を図ることも可能である。したがって本実施形態によれば、小型であり、かつ高い検出感度を有する光マイクロホンを実現することができる。また、図１９（ａ）に示す構成をとる場合、受音部７を光マイクロホン端部に配置することが可能となる。このため、光マイクロホンの音響特性も向上せることができる。

図１９（ｂ）に示す形態は、楕円偏光生成部６がビームスプリッタ２０１と受音部７との間に配置されている点で図１９（ａ）に示す形態と異なっている。図１９（ｃ）に示す形態は、楕円偏光生成部６が受音部７と鏡２０２との間に配置されている点で図１９（ａ）に示す形態と異なっている。図１９（ｄ）に示す形態は、楕円偏光生成部６がビームスプリッタ２０１と第２の偏光子８との間に配置されている点で図１９（ａ）に示す形態と異なっている。これらいずれの形態であって、図１９（ａ）に示す形態と同様の効果を得ることができる。

また、図１９（ａ）から（ｄ）に示す形態では検出光学系２の各構成要素が間隙を設けて配置されている。しかし、全ての構成要素、あるいは、一部構成要素を接触させて配置しても良い。そのような配置は、光マイクロホンをさらに小型化するのに有効である。

なお、上記第１から第３の実施形態では、信号処理部１７は、音響信号に対応した周波数特性および信号強度を有する電気信号を出力していた。しかし、信号処理部１７は、光線３の強度に対応する音響信号１０の圧力を求め、求めた圧力を示す電気信号を出力してもよい。上述の通り、第２の偏光子８を透過した光線３の強度は音響信号の圧力に対応している。このため、例えば、音響媒体２２を音響信号が伝搬していない場合の光線３の強度を基準とした光線３の強度の増加量と、音響信号の圧力との関係をあらかじめ測定によって求めておき、求めた関係を信号処理部１７に記憶させる。これにより、信号処理部１７は、記憶している関係を用いて、光検出器９から受け取る電気信号を、音響信号１０の圧力を示す電気信号に変換し出力することができる。また、実測によらず計算値や所定の関係式等の所定の規則を信号処理部１７が記憶していてもよい。

本願に開示された光マイクロホンは、小型、かつ、受音部と電気回路が完全に電気的に分離しているため、電気的にノイズの高い環境化での音響センサー等として有用である。また、本願に開示された光マイクロホンは機械的・光学的共振現象を利用していないため、音響信号の振幅・位相両方に関して、ともに広い受信帯域を持つので、広帯域に変調された音響信号用の受音器、録音用マイクロホン、ならびに、計測用基準マイクロホン等の用途にも応用できる。

１、１’ 光マイクロホン
２検出光学系
３光線
４光源
５第１の偏光子
６楕円偏光生成部
７受音部
８第２の偏光子
９光検出器
１０音響信号
１１応力集中
１２受信信号
１３第１の増幅器
１４第２の増幅器
１５直流成分除去部
１６イコライザ
１７信号処理回路
２１粗密進行波
２２ナノ多孔体
３２密閉領域
４１直線偏光光
４２、８２圧力
４３遅相軸
４４進相軸
４５第１の直線偏光光
４６第２の直線偏光光
４７透過光
４８直交偏光光
５１波長板
９２１／４波長板
９３静圧
１２１低域通過フィルタ
１２２差動増幅器
１３１帯域阻止フィルタ
１４１従来の光マイクロホン
１４２ナノ多孔体
１４３ベース部
１４４開口部
１４５透明支持板
１４７レーザー光
１４８レーザードップラー振動計
１４９音響信号
１５１Ａ／Ｄコンバータ
１５２デジタル回路
２０１ビームスプリッタ
２０２鏡
１４１０受信機構部
１４１１反射面
１４１２粗密波

Claims

光源と、
前記光源から出射した光のうち、直線偏光光を透過する第１の偏光子と、
前記第１の偏光子と異なる偏光面を持つ直線偏光光を透過する第２の偏光子と、
開口部と、空気より小さい音速を有し、前記開口部から入射した音響信号が伝搬する音響媒体とを有する受音部であって、前記第１の偏光子を透過した前記直線偏光光が、前記音響信号の伝搬する経路を横切って前記音響媒体を透過し、前記第２の偏光子に入射するように配置された受音部と、
前記第２の偏光子を透過した光の強度を電気信号に変換する光検出器と、
を備え、
前記第１の偏光子と前記第２の偏光子との間で、前記第１の偏光子を透過した前記直線偏光光に、偏光方向とそれぞれ異なる直交する２方向において、異なる位相シフトを与えられる光マイクロホン。
前記第１の偏光子と前記第２の偏光子との間に配置され、前記直線偏光光を楕円偏光光に変換する楕円偏光生成部をさらに備え、
前記楕円偏光生成部により、前記直線偏光光に、前記直交する２方向における異なる位相シフトが与えられる請求項１に記載の光マイクロホン。
前記楕円偏光生成部は波長板、液晶および光学的異方性を有する光学結晶の少なくとも１つを含む請求項２に記載の光マイクロホン。
前記楕円偏光生成部は、前記第１の偏光子と前記受音部との間に位置する請求項２または３のいずれかに記載の光マイクロホン。
前記楕円偏光生成部は、前記第２の偏光子と前記受音部との間に位置する請求項２または３のいずれかに記載の光マイクロホン。
前記音響媒体は光学的異方性を有し、前記光学的異方性によって、前記直線偏光光に、前記直交する２方向における異なる位相シフトが与えられる請求項１に記載の光マイクロホン。
前記光学的異方性は、前記音響媒体の残留応力により生成される請求項６に記載の光マイクロホン。
前記受音部は、前記音響媒体に静的圧力を与える与圧部をさらに有し、前記静的圧力によって前記光学的異方性が生成される請求項６に記載の光マイクロホン。
前記第１の偏光子の光学軸と前記第２の偏光子の光学軸とは互いに直交している請求項１から８のいずれかに記載の光マイクロホン。
前記楕円偏光生成部の光学軸と前記第２の偏光子の光学軸は互いに直交している請求項２から５のいずれかに記載の光マイクロホン。
前記光検出器が変換した電気信号を増幅する信号処理部をさらに備える請求項１から１０のいずれかに記載の光マイクロホン。
前記信号処理部は、前記光検出器から出力される前記電気信号から、直流成分を除去する直流成分除去部を含む請求項１１に記載の光マイクロホン。
前記信号処理部は差動増幅器をさらに含み、
前記差動増幅器は、前記光検出器から出力される前記電気信号と前記直流成分除去部の出力との差分を増幅し、出力する請求項１２に記載の光マイクロホン。
前記音響媒体は、シリカ乾燥ゲルである請求項１から１３のいずれかに記載の光マイクロホン。
所定の方向に偏光面を有する直線偏光の光を生成する工程と、
前記光を、検出すべき音響信号が伝搬する音響媒体において、前記音響信号の伝搬経路を横切るように透過させる工程と、
前記音響媒体を透過した前記光を前記偏光面の方向とは異なる方向に光学軸を有する偏光子に透過させる工程と、
前記光に対して、前記偏光面の方向とはそれぞれ異なる直交する２方向において、異なる位相シフトを与える工程と、
前記偏光子を透過した前記光を光検出器で検出する工程と
を包含する音響信号の検出方法。