JP6391086B2 - ディジタルホログラフィによる音場3次元画像計測方法および音再生方法 - Google Patents
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Description
レーザー光源10から射出されたレーザー光6は、振幅変調板11で強度を調整され、その後、第1のビームスプリッター12で物体光2と参照光4に分離される。レーザー光のビーム径はビームエクスパンダーで拡大され、3次元物体50に物体光2が照射される。そして、3次元物体50を通過した物体光3と参照光4が、第2のビームスプリッター19で重ね合わされる。物体光3と参照光4が重ね合わされ干渉光となり、干渉縞がCCDイメージセンサ20で記録される。そして、CCDイメージセンサ20で撮影したホログラムを計算機内で光伝搬計算して、3次元物体50の再構成像を生成する。このとき、物体光3と参照光4は同軸または角度をつけて非共軸として重ね合わされる。
また、干渉光をカメラで撮像して、音場を可視化するが、音源107からの音場の再現(音の再生)を行えるものではなかった。
かかる構成によれば、干渉光を時系列に撮像して、それぞれの干渉強度分布から、時系列に位相分布を計測して、3次元場としての音場をホログラムとして記録できる。そして、3次元場における音場の復元(音の再生)を可能にする。
すなわち、音場を通過した物体光を、音場を通過しない参照光と干渉させることによって、干渉縞として音場情報を記録することができ、ディジタルホログラフィ技術により、計算機中で3次元の音場の再構成を行うことができるのである。
かかる構成によれば、干渉波を時系列に受波して、或は、位相差を時系列に検波して、それぞれの干渉強度分布または複素振幅情報から、時系列に位相分布を再生して、3次元場としての音場をホログラムとして記録できる。そして、3次元場における音場の復元(音の再生)を可能にする。
定常時に発生しない音を検知することで、装置や設備などの異常を非接触で検知することができる。
本発明の第1の観点の音場3次元画像計測装置は、下記1)〜6)を備える。
1)音場を通過する物体光と参照光とを非共軸で重ね合せて干渉光とする光学測定系
2)干渉光を時系列に撮像する撮像手段
3)それぞれの干渉強度分布から物体光を再構成し、時系列の再構成画像から時系列位相分布データを取得する時系列位相分布取得手段
4)時系列位相分布データから位相時間波形を取得する位相時間波形取得手段
5)位相時間波形を音声データとして取得する音声データ取得手段
6)位相時間波形をフーリエ変換により音場の周波数スペクトルを取得する周波数スペクトル取得手段
a1)音場となる物体に電磁波を通過させて、物体波と参照となる直接波とを共軸または非共軸で重ね合せて干渉波とする電磁波測定系および干渉波を時系列に受波する受波手段
或は、
a2)音場となる物体に電磁波を通過させて、検出器内で物体波と参照となる直接波の位相差を時系列に検波し、物体波の複素振幅情報を取得する手段
b)それぞれの干渉強度分布または複素振幅情報から物体光を再構成し、時系列の再構成画像から時系列位相分布データを取得する時系列位相分布取得手段
c)時系列位相分布データから位相時間波形を取得する位相時間波形取得手段
d)位相時間波形を音声データとして取得する音声データ取得手段
e)位相時間波形をフーリエ変換により前記音場の周波数スペクトルを取得する周波数スペクトル取得手段
音は、空気中を疎密波となって伝搬する。空気には常に大気圧がかかっているので、疎になるところは大気圧より圧力が低く、密になるところは圧力が高くなる。この変動分が音圧である。
本発明では、CCDイメージセンサ20で干渉縞を連続撮影して時系列に干渉縞イメージを取得し、3次元的な音場をホログラムとして記録する。コンピュータ30で光伝搬計算を行って物体光の再構成像(40A,40B)を取得する。また、再構成像(40A,40B)の同じ位置のピクセル(41A,41B)で異なる位相が検出されることになる。時系列の位相変化を位相波形として捉えることにより、3次元場としての音場の再現(音の再生)を行える。
図2に示すように、レーザー光源10から照射されたレーザー光6を振幅変調板11で強度を調整し、その後、第1のビームスプリッター12で物体光2と参照光4に分ける。共にビームエクスパンダー(13,14,16,17)でレーザー光のビーム径を拡大し、物体光2を観測したい音場1に照射する。そして、音場1を通過した物体光3と参照光4を第2のビームスプリッター19で重ね合わせる。参照光4を少し傾けることでキャリア周波数をもつ干渉縞をCCDイメージセンサ20で記録する。
単一周波数の音を発生させることができる音叉を、観測する音場の音源として使用する。純音とは正弦波で表される音であり、自然界の音は基本周波数の整数倍の周波数成分である倍音を持つが、純音では倍音を一切もたない。音叉においては、わずかに倍音が含まれるものの、ほぼ純音に近い音を発生させることができる。
図4(1)は、音叉に直接、物体光を照射して、図4(2)に示すように干渉光を撮像してホログラムを取得し、図4(3)に示すように特定箇所(257,100)の位置のピクセル(画素)における位相変化を取得して、時系列位相分布データを取得し、3次元場における音情報を再構成する。
図5に示す波形に対してフーリエ変換を行い、この音波のスペクトル解析を行ったものを図6に示す。図6から、略440Hz以外のピークが見られないことが分かる。
音が発生している音叉を、光学系に設置し、CCDイメージセンサのフレームレートを2000(fps)に設定して、物体光を照射し、参照光で干渉させ、2秒間、4000枚のホログラムをCCDイメージセンサで連続撮影した。ホログラムの再構成像(512,512)の中の位置(257,100)で位相を検出し、時間的には2秒間の位相の時間分布をグラフにしたものを図7に示す。また、周波数特性を得るため、図7の位相の時間分布をフーリエ変換したものを図8に示す。
音声波形の1周期の時間を基本周期といい、その逆数を基本周波数という。男性の平均基本周波数は約120Hzで、女性の平均基本周波数は約240Hzである。CCDイメージセンサのフレームレートを2000(fps)に設定することで、十分にサンプリング定理を満たすことになる。観測音声は1つの単語にした。日本語の母音の“a”(あ)と“i”(い)を観測する。観測手法としては2秒間の撮影の間に物体光に向かって横から“a”(あ)、続けて“i”(い)と発声する。上述の音叉の実験とは異なり、対象物体は音源ではなく、音場が発生している空間である。撮影したホログラムの一例と再構成像を図9に示す。
図11の正弦波は“a”(あ)の音場による位相時間分布であり、図11の位相時間分布をフーリエ変換したものを図12に示す。また、図13の正弦波は“i”(い)の音場による位相時間分布であり、図13をフーリエ変換したものを図14に示す。図12や図14の周波数スペクトルをみると計測した音場が約260Hzの基本周波数を持っていることが分かる。
次に、同じくマイクで録音した母音“i”(い)の周波数スペクトルとフォルマント周波数の関係を図16に示す。
これらから“a”(あ)と“i”(い)共に基本周波数は約120Hzと等しいが、周波数スペクトルの概形が大きく異なることが分かる。“a”(あ)は母音の中で最もF1とF2の値が近いフォルマント周波数を持ち、一方、“i”(い)は母音の中で最もF1とF2の値が離れているという特徴を有する。また、同じ母音であれば基本周波数が異なっても周波数スペクトルの概形は似ている。マイクで録音した基本周波数が約240Hzの“a”(あ)および“i”(い)の周波数スペクトルをそれぞれ図17,図18に示す。
ここで、ディジタルホログラフィによって計測した音場(基本周波数260Hz)の周波数スペクトル図12、図14を確認すると、マイクで計測した240Hzの“a”(あ), “i”(い)の周波数スペクトル図17,図18とほぼ同形であることが分かる。
従って、ディジタルホログラフィで計測した音場において、フォルマント周波数の特徴がマイクで録音するときと同様に現れていることが分かる。このことから、ディジタルホログラフィでもマイクと同じように音素認識できるほど正確な音が計測できていることになる。
音場となる物体にミリ波を通過させ、検出器内で物体波と直接波の位相差を時系列に検波して物体波の複素振幅情報を取得し、それぞれの複素振幅情報から物体波を再構成する場合の構成例を図21に示す。
図21に示すように、ミリ波発生源60から発振されたミリ波は、ミリ波ビーム径を拡大するビーム径拡大系61を通過した後、ビームスプリッター62により分波され、一方のミリ波は音場1を通過し、物体波としてミリ波検出器アレイ63により受波される。他方のミリ波は音場1を通過せずに、直接波としてミリ波検出器アレイ63により受波される。受波された双方のミリ波の信号は、位相比較器64に取り込まれ、物体波と直接波の位相差を検波される。位相比較器64が検出器となり、検出器内で物体波と直接波の位相差を時系列に検波し、物体波の複素振幅情報を取得し、コンピュータ(図示せず)がそれぞれの複素振幅情報から物体波を再構成する。また、参照となる直接波の位相検出にはミリ波検出器アレイを用いずに、単一検出器で代用することも可能である。さらに、空間的に一定値である場合には直接波の位相計測を省略することも可能である。
2,3,3A,3B 物体光
4 参照光
5 干渉光
6 振幅変調板
7 フィルム
8 ホログラム
9 透過光
10 レーザー光源
12,19 ビームスプリッター
13,14,16,17 ビームエクスパンダー
15,18 ミラー
20 CCDイメージセンサ
30 コンピュータ
40A,40B,51 再構成像
41A,41B ピクセル(画素)
50 3次元物体
60 ミリ波発生源
61 ビーム径拡大系
62 ビームスプリッター
63 ミリ波検出器アレイ
64 位相比較器
Claims (11)
- 音場を通過する物体光と参照光とを非共軸で重ね合せて干渉光とし、
前記干渉光を時系列に撮像し、それぞれの干渉強度分布から前記物体光を再構成し、時系列の再構成画像から時系列位相分布データを取得し、3次元場における音情報を再構成することを特徴とする音場3次元画像計測方法。 - 音場となる物体に電磁波を通過させ、前記音場を通過する物体波と参照となる直接波とを非共軸または共軸で重ね合せて干渉波として時系列に受波し、或は、検出器内で前記物体波と前記直接波の位相差を時系列に検波して前記物体波の複素振幅情報を取得し、
それぞれの干渉強度分布または前記複素振幅情報から前記物体波を再構成し、時系列の再構成画像から時系列位相分布データを取得し、3次元場における音情報を再構成することを特徴とする音場3次元画像計測方法。 - 前記干渉光の撮像は、計測対象となる音の周波数の2倍以上のサンプリング周期で行うことを特徴とする請求項1に記載の音場3次元画像計測方法。
- 前記音情報の再構成は、前記時系列位相分布データから位相時間波形を取得し、前記位相時間波形を音声データとして取得し、前記位相時間波形をフーリエ変換により前記音場の周波数スペクトルを取得することを特徴とする請求項1〜3の何れかに記載の音場3次元画像計測方法。
- 定常時の前記音声データまたは前記周波数スペクトルに基づいて、定常時に発生しない音を検知することを特徴とする請求項4に記載の音場3次元画像計測方法。
- 前記音場に音源が存在する場合に、撮像位置あるいは受波位置からの前記音源の3次元相対位置を計測し得ることを特徴とする請求項1〜5の何れかに記載の音場3次元画像計測方法。
- 請求項4の音場3次元画像計測方法を用いて、
前記音場を時系列の再構成画像として記録し、前記位相時間波形に基づいて音を再生する音再生方法。 - 音場を通過する物体光と参照光とを非共軸で重ね合せて干渉光とする光学測定系と、
前記干渉光を時系列に撮像する撮像手段と、
それぞれの干渉強度分布から前記物体光を再構成し、時系列の再構成画像から時系列位相分布データを取得する時系列位相分布取得手段と、
前記時系列位相分布データから位相時間波形を取得する位相時間波形取得手段と、
前記位相時間波形を音声データとして取得する音声データ取得手段と、
前記位相時間波形をフーリエ変換により前記音場の周波数スペクトルを取得する周波数スペクトル取得手段と、
を備えたことを特徴とする音場3次元画像計測装置。 - 音場となる物体に電磁波を通過させて、物体波と参照となる直接波とを非共軸または共軸で重ね合せて干渉波とする電磁波測定系および前記干渉波を時系列に受波する受波手段と、
或は、
検出器内で前記物体波と前記直接波の位相差を時系列に検波し、前記物体波の複素振幅情報を取得する手段と、
それぞれの干渉強度分布または前記複素振幅情報から前記物体波を再構成し、時系列の再構成画像から時系列位相分布データを取得する時系列位相分布取得手段と、
前記時系列位相分布データから位相時間波形を取得する位相時間波形取得手段と、
前記位相時間波形を音声データとして取得する音声データ取得手段と、
前記位相時間波形をフーリエ変換により前記音場の周波数スペクトルを取得する周波数スペクトル取得手段と、
を備えたことを特徴とする音場3次元画像計測装置。 - 前記干渉光の撮像は、計測対象となる音の周波数の2倍以上のサンプリング周期で行うことを特徴とする請求項8に記載の音場3次元画像計測装置。
- 請求項8〜10の何れかの音場3次元画像計測装置を用いて、
前記音場を時系列の再構成画像として記録し、前記位相時間波形に基づいて音を再生する音再生装置。
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