KR20080016237A - 광마이크로폰 - Google Patents

Abstract

본 발명은 광마이크로폰에 관한 것으로, 특히 진동판으로 광을 방사하는 제1도파관과 상기 진동판으로부터 반사된 광을 수집하는 제2도파관의 형태에 관한 것이다. 즉, 상기 제1도파관과 제2도파관의 상단면이 상기 진동판의 하부면에 대해서 일정한 각도로 경사가공 되어 있고, 상기 제1도파관과 제2도파관의 중심축은 상기 진동판의 하부면에 대해서 일정한 각도로 기울어져 있으며, 상기 제1도파관과 제2도파관의 상단면이 상기 하부면에 수직한 방향을 중심으로 선대칭되어 있는 상태로부터, 상기 제1도파관과 제2도파관 중 어느 하나의 도파관이 상기 도파관의 중심축을 기준으로 45°내지 315°의 범위 내에서 회전되어 있는 상태를 가지는 광마이크로폰에 의하는 경우, 종래와 같이 도파관의 상단면 가공각도를 크게하지 않고서도, 광원으로부터 방출되는 광의 세기와 수광소자에 전달되는 광의 세기의 차이를 크게할 수 있어서, 광마이크로폰이 감지할 수 있는 동작영역의 효과와 그 범위를 확대시킬 수 있는 효과가 있다.

광마이크로폰, 도파관, 진동판

Description

광마이크로폰{Optical Microphone}

도 1은 종래기술에 따른 광마이크로폰의 구조를 나타내는 단면도이고,

도 2는 도 1에 나타난 광마이크로폰의 광학부 구조를 상세하게 나타내는 확대 단면도이고,

도 3a와 도 3b는 각각 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 광마이크로폰의 구성을 나타내는 모식도이고,

도 4a 내지 도 4c는 각각 본 발명에 따른 광마이크로폰의 제1도파관 또는 제2도파관이 회전되는 상태를 설명하기 위한 광학부 구성 단면도이고,

도 5는 본 발명에 따른 광마이크로폰의 제1도파관 또는 제2도파관이 회전되는 상태를 설명하기 위한 다른 광학부 구성 단면도이고,

도 6은 본 발명에 따라 제1도파관 또는 제2도파관이 회전되는 정도에 따라 발생하는 손실변화율을 나타낸 그래프이다.

<도면의 주요부분 기호에 대한 간단한 설명 >

31: 광원 32: 제1도파관

33: 진동판 34: 제2도파관

35: 수광소자 36: 헤드

본 발명은 광마이크로폰에 관한 것으로, 특히 진동판으로 광을 방사하는 제1도파관과 상기 진동판으로부터 반사된 광을 수집하는 제2도파관의 형태에 관한 것이다. 더욱 상세하게는 상기 제1도파관과 제2도파관의 상단면이 상기 진동판의 하부면에 수직한 방향을 중심으로 선대칭되어 있는 상태로부터, 상기 제1도파관과 제2도파관 중 어느 하나의 도파관이 상기 도파관의 중심축을 기준으로 45°내지 315°의 범위 내에서 회전되어 있는 상태를 가지는 것을 특징으로 한다.

광마이크로폰은 LED 광이나 반도체 레이저 광을 진동판에 입사시켜, 진동판이 외부 소리신호에 의해 위치 변형하는 것을 수광어레이 소자로 측정해 내는 원리에 의해 작동하는 것이다. 즉, 소리신호에 따른 진동판 위치 변형에 의해서, 진동판에서 발생되는 반사광의 경로 차이로 인한 광의 세기 변화를 수광 소자로 측정하여 신호 처리하는 것이다.

도 1은 종래기술에 따른 광마이크로폰의 구조를 나타내는 단면도이고, 도 2는 도 1에 나타난 광마이크로폰의 광학부 구조를 상세하게 나타내는 확대 단면도이다.

먼저, 도 1에 도시된 바와 같이, 종래의 광마이크로폰은 소정의 광세기를 가지는 광을 방출하는 광원(14)과, 상기 광원으로부터 방출된 광을 전송하여 일정한 각도로 방사시키는 제1도파관(8)과, 상기 제1도파관에서 방사되는 광의 경로를 외부에서 가해지는 소리신호의 압력에 의해 변형되는 판에 따라 변화시켜서, 상기 소리신호의 압력에 따라 변화되는 광 경로를 가지는 광으로 반사시키는 진동판(28)과, 상기 진동판에서 반사된 광의 일부를 수집하여 전송하는 제2도파관(10)과, 상기 제2도파관에 의해 전송된 광을 전기신호로 변화시켜서 상기 소리신호의 압력에 따른 광세기 변화를 전기신호로 검출하는 수광소자(18);를 포함한다.

더욱 구체적으로, 상기한 광마이크로폰의 광학부는 도 2에 나타난 바와 같이, 하나의 진동판(28)과 두개의 도파관(8, 10)을 포함한다. 여기서, 상기 두개의 도파관(8, 10)의 상단면은 일정한 각도로 경사가공 되어 있고, 서로 반대 방향으로 기울어져 형성되어 있다. 제1도파관(8)에서 출사된 광은 진동판(28)에서 반사되어 다른 제2도파관(10)를 통해 수광소자(도 1의 18)로 입사되는 것이다. 즉, 외부의 음향 신호가 상기 진동판(28)에 도달하면 음압에 의해 진동판(28)의 변위가 변하게 되고, 이에 따라 상기 제1도파관(8)에서 출사되어 상기 제2도파관(10)으로 반사되는 광의 경로가 변화되어 광의 세기에 손실이 발생하며, 결국 상기 발생한 광 세기의 손실 변화율을 수광소자가 감지하여 전기적 신호로 변환시키는 것이다.

그러나, 상기한 바와 같은 광마이크로폰은 도 2에 나타난 바와 같이, 각 도파관(8, 10)의 상단면이 동일한 각도로 경사가공 되어 있을 뿐만 아니라, 상기 상단면이 서로 반대방향으로 선대칭되도록 형성되어 있기 때문에, 진동판의 변위에 의해 발생하는 광 경로 변화와 이에 따른 광 세기의 손실 변화율에 한계를 가지고 있다. 최근에는, 상기 각 도파관(8, 10)의 상단면이 경사가공 되는 각도를 증가시켜서 광 세기의 손실변화율을 증가시키고자 하는 여러 시도가 있었지만, 상기 상단면을 고르게 가공하기가 매우 어렵고 비용도 많이 소요될 뿐만 아니라, 증가되는 손실변화율의 정도가 매우 미약하다는 문제점이 있다.

본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로써, 제1도파관과 제2도파관의 상단면이 진동판의 하부면에 대해서 일정한 각도로 경사가공 되어 있고, 상기 제1도파관과 제2도파관의 중심축은 상기 진동판의 하부면에 대해서 일정한 각도로 기울어져 있으며, 상기 제1도파관과 제2도파관의 상단면이 상기 하부면에 수직한 방향을 중심으로 선대칭되어 있는 상태로부터, 상기 제1도파관과 제2도파관 중 어느 하나의 도파관이 상기 도파관의 중심축을 기준으로 45°내지 315°의 범위 내에서 회전되어 있는 상태를 가지는 광마이크로폰을 제공하기 위한 것이다.

이러한 본 발명에 의하여, 종래와 같이 도파관의 상단면 가공각도를 크게하지 않고 서도, 광원으로부터 방출되는 광의 세기와 수광소자에 전달되는 광의 세기의 차이를 크게함으로써, 광마이크로폰이 감지할 수 있는 동작영역의 효과와 그 범위를 확대시키고자 하는 것이 본 발명의 목적이다. 또한, 이와 같이 광마이크로폰이 감지할 수 있는 동작영역인 광학적 다이나믹 레인지를 대폭 증대시켜서, 광마이크로폰의 실용화 수준을 높이고자 하는 것이다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 광마이크로폰은 소정의 광세기(intensity)를 가지는 광을 방출하는 광원; 상기 광원으로부터 방출된 광을 전송하여 일정한 각도로 방사시키는 제1도파관; 상기 제1도파관에서 방사되는 광을 외부에서 가해지는 소리신호의 압력에 따라 변형되는 판에 의해 반사시켜서, 상기 압력에 따라 상기 광의 반사 경로가 바뀌도록 하는 진동판; 상기 진동판에서 반사된 광의 일부를 수집하여 전송하는 제2도파관; 및 상기 제2도파관에 의해 전송된 광을 전기신호로 변화시켜서 상기 소리신호의 압력에 따른 광세기 변화를 전기신호로 검출하는 수광소자;를 포함하는 것으로, 상기 제1도파관과 제2도파관의 상단면이 상기 진동판의 하부면에 대해서 일정한 각도로 경사가공 되어 있고, 상기 제1도파관과 제2도파관의 중심축은 상기 진동판의 하부면에 대해서 일정한 각도로 기울어져 있으며, 상기 상단면이 상기 하부면에 수직한 방향을 중심으로 선대칭되어 있는 상태로부터, 상기 제1도파관과 제2도파관 중 어느 하나의 도파관이 상기 도파관의 중심축을 기준으로 45°내지 315°의 범위 내에서 회전되어 있는 상태를 가지는 것을 특징으로 한다.

이하에서는 본 발명의 바람직한 하나의 실시형태를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다. 본 발명은 하기의 실시예에 의하여 보다 더 잘 이해 될 수 있으며, 하기의 실시예는 본 발명의 예시 목적을 위한 것이며, 첨부된 특허청구범위에 의하여 한정되는 보호범위를 제한하고자 하는 것은 아니다.

도 3a와 도 3b는 각각 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 광마이크로폰의 구성을 나타내는 모식도이다.

먼저, 도 3a에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 광마이크로폰은 소정의 광세기(intensity)를 가지는 광을 방출하는 광원(31); 상기 광원으로부터 방출된 광을 전송하여 일정한 각도로 방사시키는 제1도파관(32); 상기 제1도파관에서 방사되는 광을 외부에서 가해지는 소리신호의 압력에 따라 변형되는 판에 의해 반사시켜서, 상기 소리신호의 압력에 따라 상기 반사 경로가 바뀌도록 하는 진동판(33); 상기 진동판에서 반사된 광의 일부를 수집하여 전송하는 제2도파관(34); 및 상기 제2도파관에 의해 전송된 광을 전기신호로 변화시켜서 상기 소리신호의 압력에 따른 광세기 변화를 전기신호로 검출하는 수광소자(35);를 포함하는 것이다. 여기에는, 상기한 제1도파관(32)과 제2도파관(34)을 고정하기 위한 마이크로폰 헤드(36)가 더 포함되는 것도 가능하다.

상기 광원(31)은 LED 광원이거나 반도체 레이저 광원일 수 있고, 수직 방출 표면 발광 레이저(Vertical Cavity Surface Emitting Laser; 이하 VCSEL이라 칭함)과 같은 레이저가 적합하다. 그리고, 상기 제1도파관(32)과 제2도파관(34)은 광을 전송할 수 있는 전송선로로써, 광섬유인 것이 바람직하다. 또한, 상기 진동판(33)은 매우 얇아서 외부의 미세한 소리 압력에도 변형이 될 수 있어야 하며, 그 두께에서도 빛에 대한 반사율이 우수한 것이 좋다. 이런 진동판(33)은 금(gold), Ni, Ti, Al과 같은 반사성이 우수하면서 외부 음성 신호에 민감한 금속이거나, 두 개 이상의 금속 화합물이 적합하다. 나아가, 상기 수광소자(35)는 상기 진동판(33)에 의해 바뀌어진 광의 반사 경로에 따라 변화된 광세기 변화를 전기신호로 검출하는 것이다. 즉, 제2도파관(34)에 의해 전송된 광을 전기신호로 변화시켜 음성에 의한 광량변화를 전기신호로 검출하는 것으로써, 동작 원리에 해당하는 설계에 따라 여러 가지 변형이 가능하다.

이에 따라, 도 3b에 나타난 바와 같이, 상기 광원(31)에서 방출된 광은 진동판(33)에서 반사되어 수광소자(35) 위에 도달하게 되는데, 초기 외부 소리압력이 없는 상태에서는 제1도파관에서 제2도파관으로의 광의 전달이 잘되지만, 외부 소리압력에 의해 진동판의 위치가 변하여 멀어지면 제1도파관에서 제2도파관으로의 광의 전달이 약해지고 일부만이 수광소자에 전달된다. 즉, 도 3b에서 위치가 변하여진 진동판(33a)은 점선으로 도시된 바와 같고, 이에 따라 반사된 광의 일부만이 제2도파관 으로 전송됨을 알 수 있다. 결국, 광원으로부터 수광소자로의 광의 전달은 진동판의 위치에 따라 달라지는 것이다.

그러나, 종래의 광마이크로폰은 상술한 바와 같이, 각 도파관의 상단면이 동일한 각도로 경사가공 되어 있고, 상기 상단면이 서로 반대방향으로 선대칭되도록 형성되어 있기 때문에, 진동판의 변위에 의해 발생하는 광 경로 변화와 이에 따른 광 세기의 손실 변화율에 한계를 가지고 있었다. 이에, 본 발명자들은 상기와 같은 광세기의 손실 변화율이 가지는 한계를 극복하기 위해서, 도 4a 내지 도 4c에 나타난 바와 같이, 상기한 제1도파관과 제2도파관 중 어느 하나의 도파관을 회전시킴으로써 이를 해결하고자 하였다.

도 4a 내지 도 4c는 각각 본 발명에 따른 광마이크로폰의 제1도파관 또는 제2도파관이 회전되는 상태를 설명하기 위한 광학부 구성 단면도이고, 여기에 도시된 바와 같이, 본 발명은 상기 제1도파관과 제2도파관의 상단면이 상기 하부면에 수직한 방향을 중심으로 선대칭되어 있는 상태(도 4a 참조)로부터, 상기 제1도파관과 제2도파관 중 어느 하나의 도파관이 상기 도파관의 중심축을 기준으로 45°내지 315°의 범위 내에서 회전되어 있는 상태(도 4b와 도 4c 참조)을 가지는 것을 특징으로 한다. 이를 위하여, 상기 제1도파관과 제2도파관의 상단면은 상기 진동판의 하부면에 대해서 일정한 각도로 경사가공 되어 있고, 상기 제1도파관과 제2도파관의 중심축은 상기 진동판의 하부면에 대해서 일정한 각도로 기울어져 있는 것이 바람직하 다.

즉, 도 5는 본 발명에 따른 광마이크로폰의 제1도파관 또는 제2도파관이 회전되는 상태를 설명하기 위한 다른 광학부 구성 단면도이고, 여기에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 제1도파관과 제2도파관의 상단면은 상기 진동판(도 5에서는 "MIRROR")의 하부면에 평행한 점선에 대하여 5°내지 40 °의 범위 내의 각도로 경사가공 되어 있는 것이 바람직하고, 상기 제1도파관과 제2도파관의 중심축은 상기 진동판의 하부면에 있는 점 "P"를 향하도록 상기 진동판의 하부면에 대해서 1°내지 45 °의 범위 내의 각도로 기울어져 있는 것이 더욱 바람직하다.

그리고는, 상기 제1도파관과 제2도파관의 상단면이 상기 진동판의 하부면에 수직한 방향(예를 들어, 도 5에서 점 "P"로부터 시작되어 아래로 향하는 방향)을 중심으로 선대칭되어 있는 상태에서, 어느 하나의 도파관이 상기 도파관의 중심축(예를 들어, 도 5에서 "A-P"의 연장축)을 중심으로 하여, 도 5에 도시된 화살표 방향을 따라, 45°내지 315°의 범위 내에서 회전된 것을 특징으로 한다. 즉, 상기 어느 하나의 도파관이 회전되어, 상기 회전되는 도파관의 상단면 둘레에 있는 최상위점과 최하위점 사이에 있는 소정의 점이 상기 수직한 방향 위에 있는 소정의 지점에 가장 근접한 위치를 가지는 것일 수 있다. 또한, 회전되는 도파관은 진동판의 반사에 의해 발생되는 오차를 줄이기 위하여, 상기 제1도파관과 제2도파관 중에서 제2도파관인 것이 바람직하다.

이와 같이, 본 발명에 따라 도파관이 자신의 중심축을 기준으로 45°내지 315°의 범위 내에서 회전된 상태로 형성된 광마이크로폰의 경우, 진동판의 변위 변화에 따른 광 세기의 손실변화 정도는 상기한 회전 각도가 180°까지 증가하면 증가하였다가, 상기 회전 각도가 그 이상이 되면 다시 감소하는 것을 확인하였다. 특히, 도 6은 본 발명에 따라 제1도파관 또는 제2도파관이 회전되는 정도에 따라 발생하는 손실변화율을 나타낸 그래프이고, 여기에 도시된 바와 같이, 상기 제1도파관과 제2도파관의 상단면이 상기 하부면에 수직한 방향을 중심으로 선대칭되어 있는 상태(도 4a 참조)에서는 진동판을 거친 광 세기의 손실변화율이 4.0이었지만, 상기 도파관 중 어느 하나의 도파관이 그것의 중심축을 기준으로 90°회전되어 있는 상태(도 4b 참조)에서는 6.0의 손실변화율을 기록했으며, 중심축을 기준으로 180°회전되어 있는 상태(도 4c 참조)에서는 10.0의 손실변화율을 기록하여 종래보다 2.5배나 증가한 손실변화율을 얻을 수 있었다. 이에 따라, 본 발명의 다른 실시예는 도 4c에 나타난 바와 같이, 상기 어느 하나의 도파관이 180°로 회전되어, 상기 제1도파관과 제2도파관의 상단면은 상기 진동판의 하부면에 수직한 방향 위에 있는 어느 한 지점을 중심으로 회전대칭되는 상태를 가지는 것이 가장 바람직하다.

나아가, 이러한 본 발명에 있어서, 상기 상단면이 선대칭되어 있는 상태에서 회전한다는 것은 본 발명의 특징을 분명히 하기 위한 표현에 불과할 뿐, 도파관의 중심축을 중심으로 하여 상기한 범위 내에서 회전되어 있는 상태로 고정되어 있는 도파 관이 존재하는 광마이크로폰은 본 발명의 범주에 포함되는 것이 명백하다.

상술한 바와 같이 본 발명에 의하면, 종래와 같이 도파관의 상단면 가공각도를 크게하지 않고서도, 광원으로부터 방출되는 광의 세기와 수광소자에 전달되는 광의 세기의 차이를 크게할 수 있어서, 광마이크로폰이 감지할 수 있는 동작영역의 효과와 그 범위를 확대시킬 수 있는 것이다.

한편, 상기에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 마련되는 본 발명의 기술적 특징이나 분야를 이탈하지 않는 한도 내에서 본 발명이 다양하게 개조 및 변화될 수 있다는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백한 것이다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따르면, 제1도파관과 제2도파관의 상단면이 진동판의 하부면에 대해서 일정한 각도로 경사가공 되어 있고, 상기 제1도파관과 제2도파관의 중심축은 상기 진동판의 하부면에 대해서 일정한 각도로 기울어져 있으며, 상기 제1도파관과 제2도파관의 상단면이 상기 하부면에 수직한 방향을 중심으로 선대칭되어 있는 상태로부터, 상기 제1도파관과 제2도파관 중 어느 하나의 도파관이 상기 도파관의 중심축을 기준으로 45°내지 315°의 범위 내에서 회전되어 있는 상태를 가지는 광마이크로폰을 제공할 수 있다.

이러한 본 발명에 의하는 경우, 종래와 같이 도파관의 상단면 가공각도를 크게하지 않고서도, 광원으로부터 방출되는 광의 세기와 수광소자에 전달되는 광의 세기의 차이를 크게할 수 있어서, 광마이크로폰이 감지할 수 있는 동작영역의 효과와 그 범위를 확대시킬 수 있는 효과가 있다. 또한, 이와 같이 광마이크로폰이 감지할 수 있는 동작영역인 광학적 다이나믹 레인지를 대폭 증대시킴으로써, 광마이크로폰의 실용화 수준을 향상시킬 수 있는 것이다.

Claims (4)

1. 소정의 광세기(intensity)를 가지는 광을 방출하는 광원;

   상기 광원으로부터 방출된 광을 전송하여 일정한 각도로 방사시키는 제1도파관;

   상기 제1도파관에서 방사되는 광을 외부에서 가해지는 소리신호의 압력에 따라 변형되는 판에 의해 반사시켜서, 상기 소리신호의 압력에 따라 반사의 경로가 바뀌도록 하는 진동판;

   상기 진동판에서 반사된 광을 수집하여 전송하는 제2도파관; 및

   상기 제2도파관에 의해 전송된 광을 전기신호로 변화시켜서 상기 소리신호의 압력에 따른 광세기 변화를 전기신호로 검출하는 수광소자;를 포함하는 것으로,

   상기 제1도파관과 제2도파관의 상단면이 상기 진동판의 하부면에 대해서 일정한 각도로 경사가공 되어 있고,

   상기 제1도파관과 제2도파관의 중심축은 상기 진동판의 하부면에 대해서 일정한 각도로 기울어져 있으며,

   상기 상단면이 상기 하부면에 수직한 방향을 중심으로 선대칭되어 있는 상태로부터, 상기 제1도파관과 제2도파관 중 어느 하나의 도파관이 상기 도파관의 중심축을 기준으로 45°내지 315°의 범위 내에서 회전되어 있는 상태를 가지는 광마이크로폰.
2. 제1항에 있어서, 상기 어느 하나의 도파관이 회전되어, 상기 회전되는 도파관의 상단면 둘레에 있는 최상위점과 최하위점 사이에 있는 소정의 점이 상기 수직한 방향 위에 있는 소정의 지점에 가장 근접한 위치를 가지는 것을 특징으로 하는 광마이크로폰.
3. 제1항에 있어서, 상기 어느 하나의 도파관이 180°로 회전되어, 상기 제1도파관과 제2도파관의 상단면은 상기 진동판의 하부면에 수직한 방향 위에 있는 어느 한 지점을 중심으로 회전대칭되는 상태를 가지는 것을 특징으로 하는 광마이크로폰.
4. 제1항에 있어서, 상기 회전되어 있는 상태로 고정되어 있는 것을 특징으로 하는 광마이크로폰.

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