JPH11153477A

JPH11153477A - 光音響信号の集音装置

Info

Publication number: JPH11153477A
Application number: JP33799297A
Authority: JP
Inventors: Mitsuhiro Tomota; 光弘友田
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 1997-11-21
Filing date: 1997-11-21
Publication date: 1999-06-08

Abstract

(57)【要約】【課題】周囲からの雑音を排除して試料からの指向性
のある光音響信号を検出することのできる集音装置を提
供する。【解決手段】集音装置１０は、有底の円筒体本体１２
の底部にマイクロホンユニット１４を有し、この円筒体
本体１２の側壁には、軸線方向に列をなして形成された
複数円形穴１６が設けられている。断続光として変調さ
れたレーザー光が光ファイバー４０を通じて音響セル４
２から試料に向けて照射され、試料が発生した音波が集
音装置１０のマイクロホンユニット１４で受け止められ
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光音響信号の集音
装置に関し、より詳しくは、開放型光音響セルに好適な
集音装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】一般に開放型光音響セルの集音装置の機
能としては、試料からの光音響信号を増大させ同時に周
囲からの雑音を少なくすることが必要であり、これが光
音響信号の検出感度を高めるうえでの重要な点である。
この観点に基づいて従来から開発されてきた集音装置
は、広い面積で受け止めた大量の音波が同じタイミング
で焦点に置いたマイクロホンに到達するように工夫され
てきたが、このタイミングがずれるなどすると音は弱め
合ってしまうので、必然的に音波の反射器形状が重要と
なり、いわゆるパラボラ型やお椀型が多く用いられてき
た。しかし、インプロセスにおいて高速で且つ連続的に
検査を行う場合や周囲に音響ノイズ源が存在する場合に
は、開放型光音響セルへの外部からの音響ノイズの流入
が多くなり、このためＳＮ比が低下してしまい開放型光
音響セルを用いたインプロセスでの測定を不可能にして
しまう可能性があった。

【０００３】このような問題を克服するために、例えば
特開平１−２１４７１９号公報に見られるように、お椀
型の改良した形態として、マイクロホンを内蔵したセル
の内面を、試料からの光音響信号の波が上記セルの内面
に達したのち反射して焦点に集中させられるように内部
を大気に開放した回転楕円形に形成し、上記反射波の集
中する回転楕円体の焦点にマイクロホンを配置した積分
球型集音装置が提案されている。

【０００４】しかしながら、このような内部が大気に開
放している回転楕円つまりお椀型の開放型セルでは従来
と同様に音響信号を広い面積で受け止めるため、外部か
らの環境雑音つまり周囲の雑音を効率良く排除すること
ができず、試料からの指向性のある正確な音響波信号を
検出することが実際上困難であった。また、開放型音響
セルを有する音響信号集音装置の他の従来例としては、
特開昭６２−２７２１５３号公報、集音部分にテーパを
設けたことを特徴とする特開平５−２６６２７号公報、
特開平４−３５７４４０号公報、特開平５−１９６４４
８号公報、特開平６−２４９８３７号公報などに開示が
あるが、そのいずれもが、試料から指向性のある音響信
号を感度良く獲得することが実際上困難であった。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、外部からの
環境雑音つまり周囲の雑音を排除して試料からの指向性
のある光音響波信号を検出することのできる集音装置を
提供することをその課題とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明によれば、上記課
題を解決するため、内蔵したマイクロホンで試料からの
音響波を集音する光音響信号の集音装置において、一端
が開放した比較的細長い筒体の他端に前記マイクロホン
が設けられ、該筒体の側壁に複数の穴が形成されている
ことを特徴とする光音響信号の集音装置が提供される。
また、本発明によれば、上記構成において、前記筒体が
円筒体からなり、該円筒体は、その直径と長さとの比が
０．２５以下であり且つ該円筒体の共振周波数が熱励起
光のチョッピング周波数と同期することを特徴とする集
音装置が提供される。また、本発明によれば、上記構成
において、前記穴が前記筒体の軸線方向に延びる長穴か
らなることを特徴とする集音装置が提供される。さら
に、本発明によれば、上記構成において、前記穴が円形
穴からなることを特徴とする集音装置が提供される。

【０００７】

【発明の実施の形態】以下、本発明の好ましい実施の形
態を実施例に基づき図面を参照しながら説明する。図１
は、本発明による光音響信号の集音装置の第１実施例を
示すものである。この第１実施例の集音装置１０は、比
較的細長い有底円筒体からなる本体１２と、この本体１
２の底部に配置したマイクロホンユニット１４とからな
り、円筒状本体１２の側壁には、複数の円形穴１６が軸
線方向に列をなして形成されている。この円形穴１６の
列は、本体１２の周回りに等間隔に複数設けるのが好ま
しく、例えば、円筒状本体１２の周回りに互いに１８０
゜離間した２列の円形穴１６であってもよく、あるい
は、互いに９０゜間隔に設けた４列の円形穴１６であっ
てもよい。

【０００８】図２は、本発明による光音響信号の集音装
置の第２実施例を示すものである。この第２実施例の集
音装置２０は、第１実施例と同様の比較的細長い有底円
筒体からなる本体２２と、この本体２２の底部に配置し
たマイクロホンユニット２４とからなり、円筒状本体２
２の側壁には、軸線に沿って延びる複数の長穴２６が軸
線方向に列をなして配置されている。長穴２６の形状
は、長方形の形状であるのが好ましく、長方形の４つの
回動部分を円弧にしたものであってもよい。長穴２６の
列は、本体２の周回りに等間隔に設けるのがよい。

【０００９】図３は、集音装置１０又は２０の適用例と
して、光音響効果を用いた計測システムの全体構成図で
ある。この計測システム３０は、熱励起光であるＡｒガ
スレーザー３２を発振させて、これにより出射されたレ
ーザー光３４は、光強度変調器つまり光チョッパー３６
で断続光として変調された後に、集光レンズ３８によっ
て光ファイバー４０に導光され、この光ファイバー４０
を通じて音響セル４２に導かれ、音響セル４２から熱励
起レーザー光４４が試料の検査面４６に向けて照射され
る。試料は、熱励起レーザー光４４を吸収し、光音響発
生過程すなわち非輻射遷移によって原子の振動、熱とな
り、入射光が断続光として変調されているので、加熱は
変調周波数と一致して繰り返され、その結果として変調
周波数に従った気体の圧力変化を引き起こして音波を発
生し、この試料が発生する音波は、集音装置１０又は２
０を通じてマイクロホンユニット１４又は２４側に伝搬
していく。

【００１０】円筒体本体１２、２２の軸線に対して斜め
方向からやってくる環境雑音などは、この雑音が円筒体
本体１２、２２の中に入る穴１６、２６の位置の違いに
よって、マイクロホンユニット１４、２４に至るまでの
距離が変わってくるので、位相のずれが生じて音波の相
互打ち消し作用が発生する。これに対して、円筒体本体
１２、２２の軸線つまり正面に位置する試料から出た音
響信号は、どの穴１６、２６から円筒体本体１２、２２
の中に入ってもマイクロホンユニット１４、２４に至る
までの時間つまり距離が同じであるので、音波同士が互
いに強め合うことになる。このことから、音響信号を発
生する試料が位置する方向つまり円筒体本体１２、２２
の差し向けた方向に対してだけ感度を持つようになるだ
けでなく、多点で受け入れた音をタイミングを合わせて
足し合わせた状態でマイクロホンユニット１４、２４で
受け止めることになることから、鋭い指向性を有する集
音装置になる。

【００１１】マイクロホンユニット１４、２４で検出し
た音響信号４８は、プリアンプ５０で増幅された後に、
ロックインアンプ５２で入射変調成分と同じ周波数のも
のだけが抽出され、ロックインアンプ５２の出力信号
は、Ａ／Ｄコンバータ５４を介してコンピュータ５６の
デジタル信号処理部に入力されて、このコンピュータ５
６で吸光度測定に必要な演算処理が行われる。

【００１２】光源が上述した例のようにレーザーである
ときには、波長選択機構が不要であり、また、光の強度
が強い方が試料からの信号が強く得られ、ダイナミック
レンジが上がるので、光量は試料を破壊しないことを条
件としてできるだけ強い方が好ましい。具体的には、例
えば試料がＡｌ基板上のポリビニルアセトアセタール樹
脂膜である場合、発振波長５１４．５ｎｍのＡｒイオン
レーザーを使用し、熱励起レーザー光の試料での照射面
でのビーム径を直径０．５ｍｍ、強度２００ｍＷに設定
すればよい。なお、励起光の変調周波数は、所望の指向
性を得るために、約５００Ｈｚ程度であるのが好まし
い。

【００１３】マイクロホンユニット１４、２４として
は、一般的には、圧電素子を用いた圧電効果を利用した
圧電型マイクロホンが用いられるが、これに代えて、静
電容量変化を利用して音圧を測定する静電容量型マイク
ロホンを用いてもよく、具体的は、（株）リオン社の製
品番号ＵＳ−３１で入手可能な静電容量型マイクロホン
がある。

【００１４】上述した集音装置１０及び２０によれば、
集音機構として比較的細長い円筒状本体１２、２２を使
用しているので、この円筒状本体１２、２２の中を伝わ
る音響は、球面波の場合と異なり、距離が離れていても
減衰することなく伝わるという特性を有している。特
に、この特性は、空中を伝播する音響の回折現象による
拡散損失を防ぎ伝播する音響を平面波にする事であるこ
とから、円筒状本体１２、２２の直径／全長の比は０．
２５以下であるときに顕著になる。直径／全長の比が
０．２５よりも大きいときには、この比が０．２５以下
の場合に比べて、マイクロホンユニット１４、２４に到
達する光音響信号が約２０％程度低下する。

【００１５】円筒体本体１２、２２は一端が閉じ、他端
が開口していることから、この円筒体の中の空気は、閉
じた端を節とし、開いた端を腹とする基本振動の共鳴を
起こす。基本振動の共振周波数の波長は、次の式から理
解できるように、円筒体の長さの４倍となり、この共振
周波数は、円筒体の長さに支配され、円筒体の直径には
殆ど左右されない。ｆ₀＝Ｃ／４Ｌここに、ｆ₀は円筒体の共振周波数であり、Ｌは円筒体
の長さであり、Ｃは音速である。円筒体１２、２２の長
さをＬ＝１７０ｍｍと設定した場合、上記の式によれば
共振周波数の波長が６８０ｍｍとなり、共振周波数５０
０Ｈｚが得られる。この共振周波数５００Ｈｚは、上述
した励起光の変調周波数約５００Ｈｚに対応しているこ
とから、このような設計によって、円筒体１２、２２の
中を伝播してくる音波をマイクロホンユニット１４、２
４で感度よく検出することができる。

【００１６】

【発明の効果】請求項１に記載の発明によれば、マイク
ロホンを取り付けた比較的細長い筒体の側壁に複数の穴
が形成されていることから、この筒体が指向性の良い集
音器として作用することに加えて、試料からの音響信号
が穴を通じて筒体の中に入り易く、試料以外の方向とは
異なる方向からのノイズは、入り込んだ穴の位置の相違
によってマイクロホンに至るまで距離の相違によって位
相のずれが生じて相互打ち消し作用が発生する。これに
より、外部からの環境雑音を排除して試料からの指向性
のある光音響波を感度良く検出することができる。

【００１７】請求項２に記載の発明によれば、筒体が円
筒体からなり、該円筒体は、その直径と長さとの比が
０．２５以下であり且つこの円筒体の共振周波数が熱励
起光のチョッピング周波数と同期することから、試料か
らの音響信号と共鳴現象を生じ、これにより筒体の中を
伝播する音響信号の減衰を抑えることができる。

【００１８】請求項３に記載の発明によれば、穴が前記
筒体の軸線方向に延びる長穴からなることから、試料方
向からの音響信号が長穴を通じて筒体の中に入り易く、
また、試料方向からずれたノイズが穴を通じて筒体の中
に入りにくくなるので、試料からの光音響信号の検出感
度を高めることができる。

【００１９】請求項４に記載の発明によれば、穴が円形
穴からなることから、この穴を通じて筒体の中に入り込
むノイズが３６０゜の範囲にわたるノイズであるので、
ノイズ同士の打ち消し合いによって光音響信号の検出感
度を高めることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による第１実施例の集音装置の斜視図で
ある。

【図２】本発明に従う第２実施例の集音装置の斜視図で
ある。

【図３】第１又は第２の実施例の集音装置を組み込ん
だ、光音響効果を用いた計測システムの全体構成図であ
る。

【符号の説明】

１０、２０集音装置１２、２２円筒体本体１４，２４マイクロホンユニット１６円形穴２６長穴

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】内蔵したマイクロホンで試料からの音響
波を集音する光音響信号の集音装置において、一端が開放した比較的細長い筒体の他端に前記マイクロ
ホンが設けられ、該筒体の側壁に複数の穴が形成されて
いることを特徴とする光音響信号の集音装置。
【請求項２】前記筒体が円筒体からなり、該円筒体
は、その直径と長さとの比が０．２５以下であり且つ該
円筒体の共振周波数が熱励起光のチョッピング周波数と
同期することを特徴とする請求項１に記載の集音装置。
【請求項３】前記穴が前記筒体の軸線方向に延びる長
穴からなることを特徴とする請求項１又は２に記載の集
音装置。
【請求項４】前記穴が円形穴からなることを特徴とす
る請求項１又は２に記載の集音装置。