KR101692255B1 - 간섭계를 이용한 마이크로폰 - Google Patents

Abstract

본 발명은 간섭계를 이용한 마이크로폰에 관한 것이다. 상기 마이크로폰은, 광원; 외부의 음원으로부터 전달된 음파에 의해 진동하는 떨림판; 상기 떨림판과 일정 거리 이격되어 배치되고, 입사된 빛을 입사된 경로로 반사시키는 광학 거울; 음파 흡수 재질로 형성되어, 상기 광학 거울의 일면에 장착된 음파 흡수체; 상기 광원으로부터 제공된 빛을 이용하여 상기 떨림판에 대한 신호빔과 상기 광학 거울에 대한 기준빔을 생성하고, 상기 신호빔과 상기 기준빔의 간섭 신호를 생성하고, 상기 간섭 신호를 출력하는 간섭계; 상기 간섭계로부터 간섭 신호를 제공받고, 상기 간섭 신호를 복조하여 I(In-phase) 출력 신호와 Q(Quadrature-phase) 출력 신호를 생성하여 출력하는 I/Q 복조기; 상기 I/Q 복조기로부터 출력된 I 출력 신호와 Q 출력 신호를 이용하여 상기 떨림판으로 전달된 음파의 세기를 측정하는 제어 장치;를 구비한다.

Description

간섭계를 이용한 마이크로폰{Microphone by using an interferometer}

본 발명은 간섭계를 이용한 마이크로폰에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는 간섭계를 이용하여 음파를 정확하게 측정할 수 있는 마이크로폰에 관한 것이다.

마이크로폰(microphone)은 음파 또는 초음파를 받아서 그 진동에 따른 전기신호를 발생하는 장치로서, 마이크(mic)로 약칭한다. 마이크로폰은 20세기에 들어와서 방송이나 레코드 녹음을 위한 음질의 향상을 위하여 여러 방식이 개발되어 반도체를 사용한 소형·고성능인 것이 실용화되고 있다.

마이크로폰의 종류는 기계진동-전기신호 전환방식에 따라서 나눌 수 있다.

카본형(탄소립형)은 탄소입자의 집합체가 압력에 의하여 전기저항이 변화하는 것을 이용한 것으로서, 가장 역사가 오래 되고 또 가격이 저렴하나, 음질이 나쁜 결점이 있다.

크리스털형(결정형)은 로셸염(rochelle salt) 등의 압전기 효과를 이용한 것으로서, 압전 마이크로폰이라고도 하는데, 감도가 높고 카본형에 비하여 음질이 양호하고 가격이 저렴하므로 가정용 테이프 리코더 등의 아마추어용에 많이 쓰이고 있으나 습기에 약하다.

가동코일형(전자기유도형)은 지름이 20~30mm인 가벼운 진동판에 코일을 장치하고, 이것을 자기장 속에서 진동시켜 코일에 유도전류를 발생시키는 것으로서, 무지향성(無指向性)이며, 10Hz 이상의 높은 음역까지 충분한 감도를 가지고 있다.

리본형(진동박형)은 자기장 내에 장치된 금속박(金屬箔) 리본이 음파를 받아서 진동하여 유도전류(誘導電流)를 발생시키는 것으로서, 속도형(velocity microphone)이라고도 한다. 낮은 음역에서 높은 음역까지 고른 감도를 가지며, 1935년경부터 장기간 방송용 마이크로폰으로서 애용되었으나, 1965년경부터 콘덴서 마이크로폰이 나타나 근래에는 사용이 줄고 있다.

콘덴서형(축전기형)은 지름 10~20mm의 얇은 진동막에 같은 모양의 고정전극을 근소한 간격으로 마주 보게 하고 콘덴서를 형성시킨 것으로서, 음파에 의한 막의 진동은 정전용량의 변화로 전환된다. 따라서 원리적으로 콘덴서에 전압을 걸어 주기 위한 직류 전원이 필요하다.

반도체형 마이크로폰은 기계적인 힘에 따라 전기저항이 변화하는 응력 반도체를 사용한 것으로서, 마이크로폰 자체를 소형·경량으로 만들 수 있는 특징이 있고, 접화(接話) 마이크로폰(입에 가까이 대고 사용하는 것을 목적으로 하는 마이크로폰) 등에 사용된다.

전술한 바와 같이 다양한 종류의 마이크로폰들이 개발되어 왔으나, 보다 정확하면서 감도를 향상시킬 수 있는 간섭계를 이용한 마이크로폰을 제안하고자 한다.

한국공개특허공보 제 10-2004-0067028호 한국공개특허공보 제 10-2005-0054192호 한국공개특허공보 제 10-2005-0067668호 한국공개특허공보 제 10-2011-0091868호

1. Heseong Jeong, Jong-Hoi Kim, Kyumann Cho, "Complete mapping of complex reflection coefficient of a surface using a scanning homodyne multiport interferometer.", Optics communication, Vol. 204, pp. 45- 52 (2002) 2. Kang Hyuk Kwon, Bong Soo Kim, Kyumann Cho, "A new scanning heterodyne interferometer scheme for mapping both surface structure and effective local reflection coefficient", Optics express Vol.16, No.17, pp 13456-13464 (2008)

전술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명은 감도가 우수하고 음파의 세기를 정확하게 측정할 수 있는 간섭계를 이용한 마이크로폰을 제공하는 것을 목적으로 한다.

전술한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따른 간섭계를 이용한 마이크로폰은, 광원; 외부의 음원으로부터 전달된 음파에 의해 진동하는 떨림판; 상기 떨림판과 일정 거리 이격되어 배치되고, 입사된 빛을 입사된 경로로 반사시키는 광학 거울; 음파 흡수 재질로 형성되어, 상기 광학 거울의 일면에 장착된 음파 흡수체; 상기 광원으로부터 제공된 빛을 이용하여 상기 떨림판에 대한 신호빔과 상기 광학 거울에 대한 기준빔을 생성하고, 상기 신호빔과 상기 기준빔의 간섭 신호를 생성하고, 상기 간섭 신호를 출력하는 간섭계; 상기 간섭계로부터 간섭 신호를 제공받고, 상기 간섭 신호를 복조하여 I(In-phase) 출력 신호와 Q(Quardrature) 출력 신호를 생성하여 출력하는 I/Q 복조기; 상기 I/Q 복조기로부터 출력된 I 출력 신호와 Q 출력 신호를 이용하여 상기 떨림판으로 전달된 음파의 세기를 측정하는 제어 장치;를 구비한다.

전술한 특징에 따른 간섭계를 이용한 마이크로폰에 있어서, 상기 간섭계는 신호빔과 기준빔이 동일한 광경로 길이를 갖도록 구성된 것이 바람직하다.

전술한 특징에 따른 간섭계를 이용한 마이크로폰에 있어서, 상기 간섭계는, 상기 광원으로부터 출력된 빛이 입사되고, 입사된 빛은 편광 특성에 따라 반사 또는 통과되어 기준빔과 신호빔으로 분리시켜 출력하는 편광빔스플리터; 상기 편광빔스플리터로부터 출력된 기준빔을 상기 광학거울로 제공하고, 상기 광학거울로부터 반사된 기준빔을 출력하는 기준빔 경로부; 상기 편광빔스플리터로부터 출력된 신호빔을 상기 떨림판으로 제공하고, 상기 떨림판으로부터 반사된 신호빔을 출력하는 신호빔 경로부;를 구비하고,

상기 기준빔 경로부 및 상기 신호빔 경로부는 상기 기준빔 경로부로부터 출력된 기준빔과 상기 신호빔 경로부로부터 출력된 신호빔이 동일 광경로로 진행되도록 구성하여, 간섭계가 기준빔과 신호빔의 간섭 신호를 출력시키는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 간섭계를 이용한 마이크로폰은, 간섭계로 측정할 수 있는 최소 위상차가 광자잡음 한계로 주어지므로, 측정 감도(Sensitivity)가 매우 우수하다. 예컨대, 간섭계에 있어서, 파장이 1㎛이고 출력이 1mW인 레이저를 광원으로 사용하는 경우, 간섭계를 사용하여 측정할 수 있는 최소 압력차는 4×10^-8 Pa/√Hz가 된다. 따라서, 가청임계값(hearing threshold)인 20μPa보다 54dB 더 작은 값이다.

또한, 본 발명에 따른 간섭계를 이용한 마이크로폰은 I/Q 복조기의 in-phase 출력신호(v _I )와 quadrature-phase 출력신호(v _Q )를 이용하여 음파에 의하여 신호빔에 유도된 위상차를 측정할 수 있다. 여기서, 위상차를 측정하기 위한 tan△φ는 위상변화에 대하여 항상 큰 기울기를 갖기 때문에 특별한 위상 바이어스 없이도 항상 높은 sensitivity 를 유지할 수 있으며, 특별한 보정(calibration) 과정없이도 절대적인 위상차(△φ)를 측정할 수 있고, 간섭신호의 세기 변화에 상관없이 항상 정확하게 위상차(△φ)를 측정할 수 있게 된다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 간섭계를 이용한 마이크로폰을 전체적으로 도시한 구성도이다.
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 마이크로폰을 전체적으로 도시한 구성도이다.

본 발명에 따른 마이크로폰은 간섭계 기술을 적용하여 음파의 세기를 정확하게 측정할 수 있도록 한 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 마이크로폰의 구조 및 동작을 구체적으로 설명한다.

< 제1 실시예 >

본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따른 간섭계를 이용한 마이크로폰은 기준빔과 떨림판으로 입사된 음파에 대한 신호빔의 간섭 신호를 검출 및 분석하여 음파의 세기를 측정하는 것을 특징으로 한다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 간섭계를 이용한 마이크로폰을 전체적으로 도시한 구성도이다. 도 1을 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 마이크로폰(1)은 광원(100), 떨림판(110), 광학 거울(120), 음파 흡수체(130), 간섭계(140), I/Q 복조기(150) 및 제어 장치(160)를 구비한다.

상기 광원(100)은 레이저 광원인 것이 바람직하다.

상기 떨림판(110)은 외부의 음원으로부터 전달된 음파에 의해 진동하는 판(plate) 또는 diaphragm 으로서, 일면은 입사된 빛을 입사된 경로를 따라 반사시키는 광학 거울로 구성된 것이 바람직하다. 따라서, 떨림판은 음파에 의해 진동하게 되고, 떨림판으로 입사된 빛은 진동에 의해 위상변이가 발생되며, 진동에 의해 위상변이된 빛은 광학 거울에 의해 반사되어 신호빔(probe beam)으로서 간섭계로 제공된다.

상기 광학 거울(120)은 상기 떨림판과 일정 거리 이격되어 배치되고, 입사된 빛을 입사된 경로로 반사시키는 광학 소자로 구성된다. 상기 음파 흡수체(130)는 음파 흡수 재질로 형성되어, 상기 광학 거울(120)의 일면에 장착된 것으로서, 외부로부터 전달되는 음파의 진동을 흡수하여 상기 광학 거울(120)로 음파의 진동이 전달되지 않도록 한다. 따라서, 광학 거울(120)로 입사된 빛은 음파의 진동과는 무관하게 반사되어, 기준빔(reference beam)으로서 간섭계로 제공된다.

상기 떨림판(110)과 상기 광학 거울(120)은 서로 수직 형태로 배열될 수 있다.

상기 간섭계(140)는 상기 광원으로부터 제공된 빛을 2개의 빛으로 나뉘어 떨림판(110)과 광학 거울(120)로 제공하며, 상기 떨림판에 의해 생성된 신호빔(probe beam)과 상기 광학 거울에 의해 생성된 기준빔(reference beam)을 제공받고, 상기 기준빔과 신호빔의 간섭 신호를 생성하여 출력한다. 본 발명에 따른 간섭계는 호모다인 간섭계 또는 헤테로다인 간섭계를 모두 사용할 수 있으며, 상기 간섭계(140)에 대한 구체적인 구성은 후술한다. 본 발명에 따른 간섭계를 헤테로다인 간섭계로 구성하는 경우, 상기 광원으로부터 LO 신호를 검출하여 상기 I/Q 복조기로 제공할 수 있도록 구성될 수 있다.

상기 I/Q 복조기(150)는 상기 간섭계로부터 제공된 간섭 신호를 복조하여 I(In-phase) 출력신호(

)와 Q (Qaudrature-phase) 출력신호(

)를 생성하여 출력한다. 만약 상기 간섭계를 헤테로다인 간섭계로 구성하는 경우, 상기 I/Q 복조기는 서로수직으로 편광된 두 모드(two modes) 광원으로부터 제공된 LO 신호와 상기 간섭계로부터 제공된 intermediate frequency (IF) 맥놀이(beat) 간섭 신호를 RF 신호처리에 사용되는 I/Q-복조기를 이용하여 복조하여 I 출력신호와 Q 출력신호를 생성하여 출력하게 된다(비특허문헌 1 참조). 또한 상기 간섭계를 호모다인 간섭계로 구성하는 경우는 서로 수직으로 편광되어 출력되는 신호빔과 기준빔을 비특허문헌 2에 나와 있는 호모다인 I/Q-복조기를 이용하여

와

를 얻을 수 있다.

여기서, 상기 헤테로다인 I/Q 복조기 및 호모다인 I/Q 복조기는 각각 비특허문헌 1 및 2에 개시되어 있으므로, 이들의 구조 및 동작에 대한 구체적인 설명은 생략한다.

상기 제어 장치(160)는 상기 I/Q 복조기로부터 출력된 I 출력신호와 Q 출력신호를 이용하여 상기 떨림판으로 전달된 음파의 세기를 측정하여 제공한다.

이하, 상기 간섭계(140)의 구성에 대하여 구체적으로 설명한다.

상기 간섭계(140)는 편광빔스플리터(Polarizing Beam Splitter; 142), 기준빔 경로부(144) 및 신호빔 경로부(146)를 구비한다. 상기 편광빔스플리터(142)는 상기 광원으로부터 출력된 빛이 입사되고, 입사된 빛은 편광 특성에 따라 반사되거나 통과됨에 따라 기준빔과 신호빔으로 분리시켜 기준빔 경로부 및 신호빔 경로부로 각각 제공한다. 예컨대, 입사된 빛에 있어서, P 편광파는 편광빔스플리터를 통과하여 진행하게 되며, S 편광파는 편광빔스플리터에서 반사되어 진행하게 된다.

상기 기준빔 경로부(144)는 상기 편광빔스플리터로부터 반사하여 출력된 기준빔을 상기 광학거울(120)로 제공하고, 상기 광학거울로부터 반사된 기준빔을 다시 상기 편광빔스플리터로 출력한다. 상기 신호빔 경로부(146)는 상기 편광빔스플리터로부터 출력된 신호빔을 상기 떨림판으로 제공하고, 상기 떨림판으로부터 반사된 신호빔을 상기 편광빔스플리터로 출력한다. 상기 기준빔 경로부 및 상기 신호빔 경로부는 상기 기준빔과 상기 신호빔이 동일한 광경로 길이를 진행하도록 구성함으로써, 정확하게 간섭신호를 생성할 수 있도록 하는 것이 바람직하다.

상기 기준빔 경로부(144) 및 신호빔 경로부(146)는 QWP(Quarter Wave Plate)로 구성될 수 있다. 상기 QWP는 λ/4 위상 지연판으로서, 선형 편광을 원형 편광으로 변환시키거나, 선형 편광된 빛을 왕복시키면 편광방향을 90도 회전시켜 출력한다. 따라서 QWP(144)는 편광 빔스플리터(142)에서 반사되어 출력된 기준빔이 광학거울(120)에 의해 되돌아오는 경로에서 편광방향을 90도 회전시킴으로써 편광 빔스플리터(142)에서 투과시키며 편광 빔스플리터(142)에서 투과된 신호빔이 진동판(110)에서 반사되어 되돌아온 후 편광 빔스플리터(142)에서 반사시켜 출력시킴으로써 서로 수직으로 편광된 기준빔과 신호빔을 I/Q 복조기(150)으로 입력시킨다.

도 1을 참조하면, 본 실시예에 따른 간섭계는 광학 거울(120)과 떨림판(110)이 편광빔스플리터(142)의 제1 출사면과 제2 출사면에 각각 대향되도록 배치된 상태에서 적용될 수 있다. 상기 편광빔스플리터(142)의 제1 출사면과 제2 출사면은 편광빔스플리터(142)로 입사된 빛이 반사되어 출사되는 면과 통과되어 출사되는 면을 각각 의미하거나, 편광빔스플리터로 입사된 빛이 통과되어 출사되는 면과 반사되어 출사되는 면을 각각 의미할 수 있다. 다만, 도 1에 있어서, 제1 출사면은 편광빔스플리터로 입사된 빛이 반사되어 출사되는 면을 지칭하는 것이며, 제2 출사면은 편광빔스플리터로 입사된 빛이 통과되어 출사되는 면을 지칭하는 것이다.

본 실시예에 따른 간섭계(140)의 기준빔 경로부(144) 및 광학거울(120)은 편광빔스플리터으로부터 반사된 빛의 광축상에 순차적으로 배치될 수 있다. 상기 기준빔 경로부(144)는 상기 편광빔스플리터로부터 기준빔이 출력되는 제1 출사면과 광학 거울의 사이에 위치한 QWP로 구성될 수 있다.

본 실시예에 따른 간섭계(140)의 신호빔 경로부(146) 및 떨림판(110)은 편광빔스플리터를 통과한 빛의 광축상에 순차적으로 배치될 수 있다. 상기 신호빔 경로부는 상기 편광빔스플리터로부터 신호빔이 출력되는 제2 출사면과 떨림판의 사이에 위치한 QWP로 구성될 수 있다.

상기 광학 거울은 상기 기준빔 경로부와 대향되도록 배치되고, 상기 떨림판은 상기 신호빔 경로부와 대향되도록 배치된 것이 바람직하다.

전술한 간섭계의 본 실시형태에 있어서, 상기 기준빔 경로부(144) 및 광학거울(120)은 편광빔스플리터의 제1 출사면에 배치하고, 상기 신호빔 경로부(146) 및 떨림판(110)은 편광빔스플리터의 제2 출사면에 배치하였으나, 그 반대로도 구성될 수 있다. 즉, 상기 기준빔 경로부(144) 및 광학거울(120)은 편광빔스플리터의 제2 출사면에 배치하고, 상기 신호빔 경로부(146) 및 떨림판(110)은 편광빔스플리터의 제1 출사면에 배치하여 구성할 수도 있다.

상기 광학 거울로부터 반사된 기준빔과 떨림판으로부터 제공된 신호빔은 각각 기준빔 경로부 및 신호빔 경로부를 통과한 후 편광빔스플리터로 입사되어 동일한 광경로로 진행함에 따라 서로 간섭되어 간섭신호를 생성하게 된다.

전술한 구성을 갖는 간섭계로부터 신호빔과 기준빔의 간섭신호가 출력되면, 상기 I/Q 복조기(150)는 상기 간섭계로부터 출력된 간섭 신호를 검출하고, 상기 검출된 간섭 신호를 복조하여 서로 위상차가 90°인 I(In-phase) 출력신호(

)와 Q (Qaudrature-phase) 출력신호(

)를 생성하여 출력한다.

상기 제어 장치는 I(In-phase) 출력신호(

)와 Q (Qaudrature-phase) 출력신호(

)를 이용하여 음파에 따른 위상변이를 검출하고, 검출된 위상 변이값을 이용하여 음파의 세기를 측정한다.

< 제2 실시예 >

이하, 본 발명의 제2 실시예에 따른 간섭계를 이용한 마이크로폰의 구조 및 동작을 구체적으로 설명한다. 본 실시예에 따른 간섭계는 제1 실시예의 광학 거울(120)과 떨림판(110)이 서로 나란히 일렬로 배치된 것을 특징으로 한다.

도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 마이크로폰을 도시한 구성도이다. 도 를 참조하면, 본 실시예에 따른 마이크로폰(2)은 광원(200), 떨림판(210), 광학 거울(220), 음파 흡수체(230), 간섭계(240), I/Q 복조기(250) 및 제어 장치(260)를 구비한다. 상기 광학 거울(220), 떨림판(210), 음파 흡수체(230), 광원(200), I/Q 복조기(250) 및 제어 장치(260)는 제1 실시예의 그것들과 동일하므로, 중복되는 설명은 생략한다. 다만, 상기 광학 거울(220)과 떨림판(210)은, 제1 실시예와는 달리, 서로 나란히 일렬로 배치된 것을 특징으로 한다.

상기 간섭계(240)는 상기 광원으로부터 제공된 빛을 2개의 빛으로 나뉘어 떨림판(210)과 광학 거울(220)로 제공하며, 상기 떨림판으로부터 반사된 신호빔(probe beam)과 상기 광학 거울로부터 반사된 기준빔(reference beam)을 제공받고, 상기 기준빔과 신호빔을 서로 수직으로 편광되어 합쳐진 상태로 I/Q-복조기로 제공한다.

상기 간섭계(240)는 제1 편광빔스플리터(Polarizing Beam Splitter; 242), 기준빔 경로부(244) 및 신호빔 경로부(246)를 구비한다. 본 실시예에 따른 간섭계에 있어서, 상기 제1 편광빔스플리터(242)를 투과한 빛은 신호빔으로 사용하고 제1 편광빔스플리터(242)에서 반사된 빛은 기준빔으로 사용하거나, 그 반대로 구성될 수도 있다. 신호빔의 광 경로상에 떨림판(210)이 배치되고, 기준빔의 광 경로상에 광학 거울(220)이 배치된다.

상기 간섭계의 제1 편광빔스플리터(242)는 광원으로부터 제공되어 입사된 빛을 편광 특성에 따라 신호빔과 기준빔으로 나누어 각각 신호빔 경로부와 기준빔 경로부로 출력한다.

상기 신호빔 경로부(246)는 신호빔을 떨림판으로 제공하는 제2 편광빔스플리터(300), 제2 편광빔스플리터와 광학거울의 사이에 배치되는 제1 QWP(302) 및 제1 편광빔스플리터와 기준빔 경로부의 사이에 배치되는 제1 half-wave plate(HWP; 304)를 구비한다.

상기 기준빔 경로부(244)는 기준빔을 광학 거울로 제공하는 제3 편광빔스플리터(314), 및 상기 제3 편광빔스플리터와 상기 광학 거울의 사이에 배치되는 제2 QWP(316)를 구비하며, 제1 편광빔스플리터의 출사면에 광경로 변경소자(312)를 더 구비한다. 상기 광경로 변경소자(312)는 입사된 광을 90°방향으로 반사시키는 소자로서, 직각 프리즘(right angle prism), 반사경(mirror) 등으로 구성될 수 있다.

한편, 제2 편광빔스플리터(300)로부터 반사된 신호빔은 제1 HWP(304)를 통과한 후 편광방향이 90도 회전하여 기준빔 경로부의 제3 편광빔스플리터(314)를 투과하며, 광학 거울(220)에서 반사되어 다시 제3 편광빔스플리터(314)에서 반사되는 기준빔과 합쳐져서 I/Q-복조기에 입력된다. I/Q-복조기의 작동원리는 전술한 바와 같다.

이하, 전술한 구성을 갖는 본 발명에 제1 및 제2 실시예에 따른 간섭계를 이용한 마이크로폰의 동작에 대하여 구체적으로 설명한다.

원거리에 놓여 있는 음원으로부터 전달된 음파에 의해 떨림판에 가해지는 압력차이(ψ)는 수학식 1로 나타낼 수 있다.

여기서, p _A , k _A , ω _A 는 각각 음파에 의해 전달되는 압력, 음파의 파수, 각진동수를 나타내며, θ는 음파선(acoustic ray)의 입사각을 나타낸다.

음파의 압력 차이에 의한 떨림판 사이의 변위(

)는 수학식 2로 나타낼 수 있다.

여기서,

는 각각 떨림판의 반지름, 두께, Young률, Poisson ratio 를 나타낸다. 예를 들어, a = 1.5 mm, h = 25 ㎛, E = 3 GPa, υ = 0.355 인 폴리이미드 진동판(Polyimide Diaphragm)을 떨림판으로 사용할 경우, 떨림판 사이의 변위는 수학식 3과 같이 구할 수 있다.

따라서, 떨림판 사이의 변위에 의해 유도되는 간섭신호의 위상차(△φ)는 수학식 4에 의해 구할 수 있게 된다.

사용하는 광원의 파장(λ)을 1.0㎛ 로 설정하면, 간섭신호의 위상차는 수학식 5와 같이 나타낼 수 있다.

따라서, 측정된 간섭신호의 위상차(△φ)의 RMS 값은 수학식 6이 되며, 이로부터 △φ ∝ cosθ 인 지향성을 갖게 된다.

다음, 본 발명에 따른 마이크로폰에 의한 음파 측정시의 감도(sensitivity)를 살펴본다. 이론적으로 간섭계로 측정할 수 있는 최소 위상차는 광자 잡음 한계로 주어지며, 파장이 1㎛이고, 출력이 1mW인 레이저를 광원으로 사용할 경우, 수학식 7과 같이 구할 수 있다.

따라서, 간섭계를 사용하여 측정할 수 있는 압력차는 θ= 0 일 때 최소가 되므로, 최소 압력차는 수학식 8로 나타낼 수 있게 된다.

따라서, 간섭계를 이용할 경우 매우 높은 감도(Sensitivity)로 음파에 의한 압력차를 측정할 수 있으며, 이는 가청임계값(Hearing Threshold)인 20 μPa보다 54 dB 더 작은 값이다.

간섭 신호를 복조하는 방법은 여러 가지가 있으며, 그 중 한 방법은 I/Q(In-phase/Quadrature-phase) 복조 방법으로서, 복조기로부터 출력되는 간섭신호의 I 신호 및 Q 신호를 이용하여 위상 및 진폭 변화를 검출할 수 있다.

한편, 전술한 구성을 갖는 마이크로폰은 I/Q 복조기의 in-phase 출력신호(v _I )와 quadrature 출력신호(v _Q )를 이용하여 음파에 의하여 신호빔에 유도된 위상차를 수학식 9를 통해 측정할 수 있다. 본 발명에 따른 I/Q 복조기(150, 250)는 간섭 신호를 입력받아 복조하여, I 출력신호와 Q 출력신호로 출력한다. I 출력신호는 Rsin△φ이며, Q 출력신호는 Rcos △φ이 된다. 따라서, 음파에 의하여 신호빔에 유도된 위상차 △φ 는 수학식 9를 통해 얻을 수 있다.

여기서, tan△φ는 위상변화에 대하여 항상 큰 기울기를 갖기 때문에 특별한 위상 바이어스 없이도 항상 높은 sensitivity 를 유지할 수 있으며, 특별한 보정(calibration) 과정없이도 절대적인 위상차(△φ)를 측정할 수 있고, 간섭신호의 세기 변화에 상관없이 항상 정확하게 위상차(△φ)를 측정할 수 있게 된다.

이상에서 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예를 중심으로 설명하였으나, 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 그리고, 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

본 발명에 따른 마이크로폰은 간섭계를 이용함으로써 매우 우수한 감도로 정확하게 음파의 측정이 가능하므로, 음향 센서 분야에 널리 사용될 수 있다.

1, 2 : 마이크로폰
100, 200 : 광원
110, 210 : 떨림판
120, 220 : 광학 거울
130, 230 : 음파 흡수체
140, 240 : 간섭계
150, 250 : I/Q 복조기
160, 260 : 제어 장치

Claims (7)

1. 광원;
   외부의 음원으로부터 전달된 음파에 의해 진동하는 떨림판;
   상기 떨림판과 일정 거리 이격되어 배치되고, 입사된 빛을 입사된 경로로 반사시키는 광학 거울;
   음파 흡수 재질로 형성되어, 상기 광학 거울의 일면에 장착된 음파 흡수체;
   상기 광원으로부터 제공된 빛을 이용하여 상기 떨림판에 대한 신호빔과 상기 광학 거울에 대한 기준빔을 생성하고, 상기 신호빔과 상기 기준빔을 출력하는 간섭계;
   상기 간섭계로부터 동일 광경로로 진행하는 신호빔과 기준빔을 제공받고, 상기 신호빔과 기준빔을 복조하여 I(In-phase) 출력 신호와 Q(Quardrature-phase) 출력 신호를 생성하여 출력하는 I/Q 복조기;
   상기 I/Q 복조기로부터 출력된 I (In-phase) 출력 신호와 Q (Quadrature-phase) 출력 신호를 이용하여 상기 떨림판으로 전달된 음파의 세기를 측정하는 제어 장치;
   를 구비하고, 상기 간섭계는 상기 광원으로부터 출력된 빛은 기준빔과 신호빔으로 분리시키고, 상기 기준빔은 광학 거울로부터 반사되도록 구성되고 상기 신호빔은 떨림판으로부터 반사되도록 구성되며, 상기 광학 거울로부터 반사된 기준빔과 상기 떨림판으로부터 반사된 신호빔은 서로 수직으로 편광되어 동일 광경로로 진행된 후 출력되도록 구성된 것을 특징으로 하는 간섭계를 이용한 마이크로폰.
2. 제1항에 있어서, 상기 간섭계는
   상기 광원으로부터 출력된 빛이 입사되고, 입사된 빛은 편광 특성에 따라 반사 또는 투과되어 기준빔과 신호빔으로 분리시켜 출력하는 편광빔스플리터;
   상기 편광빔스플리터로부터 출력된 기준빔을 상기 광학거울로 제공하고, 상기 기준빔이 광학거울로부터 반사된 기준빔을 편광빔스플리터로 출력하는 기준빔 경로부;
   상기 편광빔스플리터로부터 출력된 신호빔을 상기 떨림판으로 제공하고, 상기 신호빔이 떨림판으로부터 반사된 신호빔을 편광빔스플리터로 출력하는 신호빔 경로부;를 구비하고,
   상기 기준빔 경로부 및 상기 신호빔 경로부는 상기 기준빔 경로부로부터 출력된 기준빔과 상기 신호빔 경로부로부터 출력된 신호빔이 서로 수직으로 편광되어 동일 광경로로 진행되도록 구성하여, 간섭계가 기준빔과 신호빔을 출력시키는 것을 특징으로 하는 간섭계를 이용한 마이크로폰.
3. 제2항에 있어서,
   상기 기준빔 경로부는 상기 편광빔스플리터로부터 기준빔이 출력되는 제1 출사면과 광학 거울의 사이에 위치한 제1 QWP를 구비하고,
   상기 신호빔 경로부는 상기 편광빔스플리터로부터 신호빔이 출력되는 제2 출사면과 떨림판의 사이에 위치한 제2 QWP를 구비하고,
   상기 광학 거울은 상기 편광빔스플리터의 제1 출사면과 대향되도록 배치되고, 상기 떨림판은 상기 편광빔스플리터의 제2 출사면과 대향되도록 배치되어, 상기 광학 거울과 상기 떨림판은 서로 수직으로 배치된 것을 특징으로 하는 간섭계를 이용한 마이크로폰.
4. 제2항에 있어서, 상기 광학 거울과 상기 떨림판은 길이 방향을 따라 나란히 배치되고,
   상기 기준빔 경로부는
   기준빔을 광학 거울로 제공하는 제1 편광빔스플리터;
   제1 편광빔스플리터와 광학거울의 사이에 배치되는 제1 QWP;를 구비하고,
   상기 신호빔 경로부는
   신호빔을 떨림판으로 제공하는 제2 편광빔스플리터;
   상기 제2 편광빔스플리터와 상기 떨림판의 사이에 배치되는 제2 QWP;를 구비하고,
   상기 기준빔과 신호빔의 편광 특성에 따라, 편광빔스플리터의 출사면 중 하나에 광경로 변경소자를 더 구비하여 기준빔은 기준빔 경로부로 제공하고, 신호빔은 신호빔 경로부로 제공하는 것을 특징으로 하는 간섭계를 이용한 마이크로폰.
5. 제4항에 있어서, 상기 광경로 변경 소자는 입사된 광을 90°방향으로 반사시키는 직각 프리즘(right angle prism), 반사경(mirror) 중 하나로 구성된 것을 특징으로 하는 간섭계를 이용한 마이크로폰.
6. 제1항에 있어서, 상기 제어장치는 I/Q 복조기로부터 제공된 I 출력신호와 Q 출력신호를 이용하여 떨림판의 진동에 의하여 신호빔에 유도된 위상 변화값을 검출하고, 상기 위상 변화값을 이용하여 음파를 측정하는 것을 특징으로 하는 간섭계를 이용한 마이크로폰.
7. 제1항에 있어서, 상기 간섭계는 헤테로다인 간섭계 및 호모다인 간섭계 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 간섭계를 이용한 마이크로폰.
   

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