WO2023073873A1 - 音計測装置、音計測方法、プログラム - Google Patents

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WO2023073873A1
WO2023073873A1 PCT/JP2021/039852 JP2021039852W WO2023073873A1 WO 2023073873 A1 WO2023073873 A1 WO 2023073873A1 JP 2021039852 W JP2021039852 W JP 2021039852W WO 2023073873 A1 WO2023073873 A1 WO 2023073873A1
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WO
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light
sound
photodetector
wave plate
beam splitter
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PCT/JP2021/039852
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English (en)
French (fr)
Inventor
憲治 石川
善史 白木
健弘 守谷
淳 石澤
研一 日達
克弥 小栗
Original Assignee
日本電信電話株式会社
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01H—MEASUREMENT OF MECHANICAL VIBRATIONS OR ULTRASONIC, SONIC OR INFRASONIC WAVES
    • G01H9/00—Measuring mechanical vibrations or ultrasonic, sonic or infrasonic waves by using radiation-sensitive means, e.g. optical means

Definitions

  • the present invention relates to sound measurement technology using light.
  • the optical phase modulation amount ⁇ s due to sound in the air is expressed by the following equation.
  • k is the wave number of light
  • n 0 is the steady-state refractive index of air
  • p 0 is the steady-state atmospheric pressure
  • ⁇ is the specific heat ratio of air
  • p is the sound pressure.
  • the integral in equation (1) is a line integral along the light propagation path.
  • the sound can be measured without contact by observing the optical phase modulation amount ⁇ s due to the sound given by Equation (1).
  • FIG. 1 shows a sound measuring device using a Michelson interferometer.
  • the sound measurement device in FIG. 1 includes a Michelson interferometer, a sound measurement unit, and a photodetector.
  • a Michelson interferometer also includes a beam splitter and two mirrors.
  • the sound measurement unit is a component that modulates the phase of light using sound. Note that a laser can be used as the light source.
  • BS, M, and PD in FIG. 1 represent beam splitters, mirrors, and photodetectors, respectively. Arrows represent how light is branched and propagated.
  • a beam splitter splits the light emitted from the light source into two beams.
  • the two lights then propagate on different paths within the interferometer, and at least one of the lights passes through the sound measuring section.
  • the two lights are then combined by a beam splitter.
  • the phase difference between the two lights is taken out as an electrical signal.
  • the current i of the electrical signal (output signal) that is the output of the photodetector is expressed by the following equation.
  • ⁇ is the quantum efficiency of the photodetector
  • I is the light intensity of the interference light
  • I DC is the DC component of the light intensity of the interference light (average light intensity)
  • I A is the amplitude of the interference fringes
  • ⁇ 0 is due to factors other than sound. This is the amount of optical phase modulation.
  • the current i of the output signal of the sound measurement device in FIG. 1 is obtained by adding the intensity I A cos( ⁇ s + ⁇ 0 ) indicating the influence of interference including the optical phase modulation amount ⁇ s due to sound to the average light intensity I DC . obtained from the results.
  • the amount of optical phase modulation ⁇ s caused by sound is very small and extremely small relative to the average optical intensity I DC .
  • the average light intensity I DC contains noise caused by fluctuations in the intensity of the light source. Even if this noise is minute with respect to the average light intensity I DC , it cannot be ignored with respect to the optical phase modulation amount ⁇ s due to sound. Therefore, the minimum amount of optical phase modulation that can be detected by the sound measuring device is often determined. Therefore, in order to reduce the noise in the sound measuring device and improve the SN ratio, it is important to reduce the noise contained in the average light intensity IDC .
  • an object of the present invention is to provide a technique for measuring the amount of optical phase modulation due to sound, which is not affected by noise contained in the average optical intensity.
  • One aspect of the present invention is a sound measurement device for measuring an optical phase modulation amount ⁇ s due to sound, which includes an interferometer and a sound measurement unit that modulates the phase of light using sound, and is emitted from a light source From light, light including light optically phase-modulated by the sound measurement unit (hereinafter referred to as first light) and light different from the first light and including light optically phase-modulated by the sound measurement unit ( a first photodetector for obtaining an electrical signal from the first light (hereinafter referred to as a first electrical signal); and a first photodetector from the second light.
  • first light light optically phase-modulated by the sound measurement unit
  • first electrical signal a first photodetector for obtaining an electrical signal from the first light
  • a second photodetector for obtaining an electrical signal (hereinafter referred to as a second electrical signal); and a differential signal generator for obtaining a differential signal, which is the difference between the first electrical signal and the second electrical signal.
  • an optical phase modulation amount adjuster that adjusts the optical phase modulation amount ⁇ 0 due to factors other than sound by fixing the interferometer so that the phase of the interference fringes is at the mid-fringe using the differential signal as the error signal.
  • phase of the optical phase-modulated light contained in the first light and the phase of the optical phase-modulated light contained in the second light are in an inverted relationship
  • optical phase modulation amount ⁇ s is measured as the current ⁇ i of the differential signal expressed by an equation using the fringe amplitude I A
  • the first photodetector and the second photodetector are measured around a predetermined mid-fringe.
  • the output voltage of the photodetector is adjusted to saturate when light that causes a phase variation exceeding the range of is input.
  • the present invention it is possible to measure the amount of optical phase modulation due to sound without being affected by noise contained in the average optical intensity.
  • FIG. 2 is a block diagram showing the configuration of the sound measuring device 100;
  • FIG. 4 is a flowchart showing the operation of the sound measuring device 100;
  • 3 is a block diagram showing the configuration of an interference light generator 110;
  • FIG. 3 is a block diagram showing the configuration of an interference light generator 110;
  • FIG. 3 is a block diagram showing the configuration of an interference light generator 110;
  • FIG. 2 is a block diagram showing the configuration of a measurement sensitivity adjustment device 200;
  • FIG. 4 is a flowchart showing the operation of the measurement sensitivity adjustment device 200;
  • It is a figure which shows an example of the functional structure of the computer which implement
  • ⁇ (caret) represents a superscript.
  • x y ⁇ z means that y z is a superscript to x
  • x y ⁇ z means that y z is a subscript to x
  • _ (underscore) represents a subscript.
  • x y_z means that y z is a superscript to x
  • x y_z means that y z is a subscript to x.
  • interference light is differentially detected in light-based sound measurement using the acousto-optic effect.
  • the average light intensity can be canceled and the noise contained in the average light intensity can be removed. Therefore, the SN ratio can be greatly improved by removing the light intensity noise of the light source, which is the main noise in the conventional sound measuring device.
  • a configuration example (hereinafter referred to as a basic configuration example) that serves as the base of the sound measurement device according to the embodiment of the present invention will be described.
  • FIG. 2 is a diagram showing an example of the basic configuration of the sound measuring device.
  • the sound measurement device in FIG. 2 is a configuration example using a Michelson interferometer, and includes a beam splitter, an interferometer, a sound measurement unit, two photodetectors, and a differential detection unit.
  • the interferometer also includes a beam splitter and two mirrors.
  • BS, M, and PD in FIG. 2 represent a beam splitter, a mirror, and a photodetector, respectively.
  • a symbol with a cross on a circle represents a differential detection unit. Arrows represent how light is branched and propagated.
  • a laser can be used as the light source.
  • Any interferometer such as a Mach-Zehnder type or a Fizeau type can be used instead of the Michelson interferometer.
  • Light emitted from the light source is split into two beams by the beam splitter of the interferometer. At least one of the lights passes through the sound measuring part one or more times. The two lights are each reflected by a mirror and enter the beam splitter of the interferometer and are combined. Light emitted from the two ports of the beam splitter (output port 1 and output port 2 in FIG. 3) is detected by a photodetector and converted into an electrical signal. A differential signal, which is the difference between the two electrical signals, is obtained as an output signal.
  • the light emitted from the output port 1 is the sum of the component of the light incident from the incident port 1 that has passed through the beam splitter and the component of the light incident from the incident port 2 that has been reflected by the beam splitter.
  • the light emitted from the exit port 2 is the sum of the component of the light incident from the entrance port 1 reflected by the beam splitter and the component of the light incident from the entrance port 2 transmitted through the beam splitter.
  • the component of the light incident from the entrance port 1 reflected by the beam splitter and the component of the light incident from the entrance port 2 reflected by the beam splitter Either one is phase-inverted upon reflection. However, which component has its phase inverted depends on the structure and orientation of the beam splitter.
  • the phase of the component of the light incident from the incident port 1 that is reflected by the beam splitter is reversed.
  • E IN1 is the light incident from the entrance port 1
  • E IN2 is the light incident from the entrance port 2
  • the light E 1 emitted from the exit port 1 and the light E 2 emitted from the exit port 2 are Each can be represented by the following formula.
  • the currents i1 and i2 of the electrical signals output from the two photodetectors PD1 and PD2 are respectively It can be expressed by the following formula. Therefore, the current ⁇ i of the differential signal, which is the output signal of the differential detection section, is expressed by the following equation. As can be seen from Equation (7), the differential signal current ⁇ i does not include a term including the average light intensity I DC . Therefore, it is possible to measure a low-noise sound that is not affected by noise caused by fluctuations in the intensity of the light source contained in the average light intensity, that is, the optical phase modulation amount ⁇ s caused by the sound.
  • the sound measurement device may include a light amount adjuster (P in FIG. 4) for independently adjusting the amount of light incident on the two photodetectors.
  • a linear polarizer can be used as the light amount adjuster.
  • the two lights have the same polarization state. For example, if the two lights are linearly polarized light, the amount of light incident on the photodetector can be adjusted by rotating the linear polarizer. In this way, by providing the light amount adjuster in the sound measurement device of FIG. It can solve the problem of no amplitude.
  • FIG. 5 is a diagram showing an example of the basic configuration of the sound measuring device.
  • the sound measurement device in FIG. 5 is a configuration example of an interferometer using a polarizing element, and includes an interferometer, a sound measurement section (not shown), two photodetectors, and a differential detection section.
  • the interferometer includes two polarizing beam splitters, two half-wave plates, two quarter-wave plates and two mirrors (not shown).
  • PBS, H, and Q in FIG. 5 represent a polarizing beam splitter, a half-wave plate, and a quarter-wave plate, respectively.
  • the light emitted from the light source is linearly polarized light.
  • Linearly polarized light emitted from a light source is converted into linearly polarized light inclined at 45° by a half-wave plate (a half-wave plate located near the light source).
  • This converted linearly polarized light is split into orthogonal linearly polarized light by a polarization beam splitter.
  • Each of the two linearly polarized light beams is transmitted through the quarter-wave plate twice, its direction is rotated by 90°, and it returns to the polarizing beam splitter again at a port different from the port where the two linearly polarized light beams were incident ( The light is output from the port that emits to the left of the This light is a superposition of two orthogonal linearly polarized light.
  • the directions of the two linearly polarized light beams are rotated by 45° with a half-wave plate. This is split by another polarization beam splitter and detected by two photodetectors PD1 and PD2.
  • the electric signal currents output from the two photodetectors PD1 and PD2 are equal to the currents i 1 and i 2 of the equations (5) and (6) except for the constant term. Therefore, the current ⁇ i of the differential signal, which is the output signal of the differential detection section, is expressed by Equation (7).
  • the sound measuring device can be configured using a Wollaston prism (WP in FIG. 6).
  • FIG. 6 shows a configuration example of a sound measuring device in which the polarizing beam splitter positioned near the photodetector in FIG. 5 is replaced with a Wollaston prism.
  • a Wollaston prism separates the two linearly polarized light from the same plane into different directions. Therefore, by using a Wollaston prism, it is possible to detect with two photodetectors arranged in the same plane without using additional optical elements.
  • FIG. 7 is a diagram illustrating an example of a configuration of a sound measuring device;
  • the sound measurement device in FIG. 7 includes an interferometer that performs feedback control using a differential signal that is an output signal, and further includes a feedback controller and a piezo element (PZT in FIG. 7) for the feedback control. It is different from the sound measuring device of FIG. 2 in this point.
  • a component including the feedback controller and the piezo element is called an optical phase modulation amount adjuster.
  • an optical phase modulation amount adjuster includes a feedback controller and an optical phase controller, as shown in FIG.
  • the optical phase modulation amount adjuster adjusts the optical phase modulation amount ⁇ 0 due to factors other than sound by using the differential signal as an error signal and fixing the interferometer so that the phase of the interference fringes is at the mid-fringe.
  • the differential photodetector in FIG. 8 is a component including two photodetectors and a differential detection section.
  • the optical phase modulation amount ⁇ 0 is adjusted by controlling the position of the mirror in the reference optical path with the piezo element as the optical phase controller.
  • the reference optical path is an optical path in the interferometer that passes through the beam splitter, is reflected by the mirror, and passes through the beam splitter.
  • An optical path that passes through the interferometer in order of the beam splitter and the sound measurement section, is reflected by a mirror, and passes through the sound measurement section and the beam splitter in order is called a measurement optical path. Note that the adjustment of the optical phase modulation amount is performed in a frequency band lower than the frequency of the sound to be measured.
  • FIG. 9 shows the relationship between the phase of interference fringes and the intensity (light amount) of interference light.
  • the points where the intensity of the interference light is minimum and maximum are called a dark fringe and a bright fringe, respectively.
  • a middle point between the dark fringe and the bright fringe is called a mid fringe.
  • the light intensity change to phase change ie the sensitivity of the interferometer
  • the sensitivity of the interferometer can be maximized by fixing the interferometer so that the phase of the interference fringes is always at the mid-fringe when there is no sound to be measured.
  • This method of controlling an interferometer is called a mid-fringe lock.
  • the optical phase modulation amount adjuster is a component for mid-fringe locking the interferometer.
  • the amount of optical phase modulation ⁇ s due to sound depends on the sound whose fluctuation amount and frequency are to be measured.
  • the optical phase modulation amount ⁇ 0 due to factors other than sound includes a stationary term determined by the arrangement of the optical system and a gradual fluctuation caused by air fluctuations, ground vibrations, and the like.
  • the power of the optical phase modulation amount ⁇ 0 increases as the frequency component decreases, and the component below 100 Hz is dominant.
  • the fluctuation amount of the optical phase modulation amount ⁇ 0 is set to zero (that is, the optical phase modulation amount ⁇ 0 is fixed at a certain constant )
  • the fluctuation of the optical phase modulation amount ⁇ s can be left as it is.
  • the current ⁇ i of the differential signal which is the output signal of the differential detection section, is expressed by the following equation.
  • ⁇ s ⁇ 1 holds for general sounds, the current ⁇ i of the differential signal can be approximated by the following equation.
  • the current ⁇ i of the differential signal and the amount of optical phase modulation ⁇ s due to the sound will have a proportional relationship, and the differential signal itself will be low noise. sound signal.
  • a differential signal is input to the feedback controller as an error signal.
  • the feedback controller cancels the variation of the optical phase modulation amount ⁇ 0 due to elements other than sound (the variation of the optical phase modulation amount ⁇ 0 due to elements other than sound becomes zero) with respect to this error signal.
  • Generate control signals This can be achieved by making the control band lower than the sound frequency as described above.
  • the feedback controller includes, for example, an electric circuit consisting of single or multiple amplifiers and integrators, a PID controller, a digital circuit, etc., and an optical phase controller so that the error signal becomes zero in a band containing no sound.
  • the optical phase controller is driven using the control signal, which is the output signal of the feedback controller.
  • the optical phase controller controls the position of the mirror in the reference optical path or the mirror in the measurement optical path, or the light propagating in the reference optical path (reference light) or the measurement optical path by an optical phase modulator inserted in the middle of the reference optical path or the measurement optical path. to control the phase of the light (measurement light) propagating through
  • the method of controlling the position of the mirror for example, by driving a piezo element attached to the mirror with a control signal and expanding or contracting the reference light path or the measurement light path, the phase difference between the two lights is controlled, and the interference fringes are formed in the mid fringe. Secure (see Figure 7).
  • an optical phase modulator inserted in the middle of the reference light path or the measurement light path is driven with a control signal to control the phase of the reference light or the measurement light. It controls the phase difference of the two lights and fixes the interference fringes to the midfringes.
  • the interferometer is input with the sound to be measured and factors other than the sound ( disturbance ). Continue feedback control. As a result, only the optical phase modulation amount ⁇ s due to sound is output from the interferometer. Therefore, a low-noise differential signal proportional to the optical phase modulation amount ⁇ s can be obtained.
  • the mid-fringe lock can be realized by performing feedback control using the differential signal as the error signal.
  • the control band lower than the frequency of the sound to be measured, it becomes possible to measure the sound at the point of maximum sensitivity near the mid-fringe.
  • the optical phase modulation amount ⁇ s and the current ⁇ i of the differential signal have a proportional relationship, making it possible to extract a low-noise sound signal without post-processing the differential signal. becomes.
  • the measurement sensitivity of the sound measurement device of FIG. 7 is proportional to the amplitude IA of the interference fringes detected by the photodetector.
  • the amplitude I A of the interference fringes is usually adjusted so that the output voltage of the photodetector included in the sound measuring device is not saturated. Therefore, the measurement sensitivity of the sound measurement device is limited by the saturation output voltage of the photodetector. A method for increasing the measurement sensitivity of the sound measuring device above the limitation due to the saturation output voltage of the photodetector will be described below.
  • the voltage v of the differential signal is represented by the following formula.
  • C appearing on the right side of equation (10) is the measurement sensitivity, and its unit is V/rad.
  • Measurement sensitivity C is a value that depends on the amount of light incident on the photodetector, the quantum efficiency of the photodetector, the amplification factor of the photodetector, etc., and adjusts the amount of light emitted from the light source and the amplification factor of the photodetector. By doing so, the measurement sensitivity C can be adjusted.
  • the measurement sensitivity of the sound measurement device is increased by intentionally saturating the output voltage of the photodetector. That is, the measurement sensitivity is adjusted so that C> Vout by either increasing the amount of light emitted from the light source or increasing the amplification factor of the photodetector (hereinafter referred to as C> V out is called the saturation condition).
  • the saturation of the photodetector can be achieved by adjusting the amount of light emitted from the light source and the amplification factor of the photodetector.
  • the sound measurement device 100 receives light emitted from a light source and measures an optical phase modulation amount ⁇ s due to sound.
  • FIG. 12 is a block diagram showing the configuration of the sound measuring device 100.
  • FIG. FIG. 13 is a flow chart showing the operation of the sound measuring device 100.
  • the sound measuring device 100 includes an interference light generator 110 and two photodetectors 120 (hereinafter referred to as a first photodetector 120-1 and a second photodetector 120-2). , a differential signal generator 130 and an optical phase modulation amount adjuster 140 .
  • the interference light generator 110 also includes interferometers 111/112/113 and a sound measuring section 114 that modulates the phase of light using sound.
  • the interference light generator 110 receives the light emitted from the light source 910, and generates light including light phase-modulated by the sound measurement unit 114 from the light emitted from the light source (hereinafter referred to as first light). ) and light containing light phase-modulated by the sound measuring unit 114 (hereinafter referred to as second light), which is different from the first light, are obtained and output.
  • the phase of the optical phase-modulated light contained in the first light and the phase of the optical phase-modulated light contained in the second light have an inverted relationship.
  • the first photodetector 120-1 receives the first light output in S110, obtains an electrical signal from the first light (hereinafter referred to as a first electrical signal), and outputs the signal. .
  • the second photodetector 120-2 receives the second light output in S110, obtains an electrical signal (hereinafter referred to as a second electrical signal) from the second light, and outputs the electrical signal. .
  • the sound measuring device 100 includes a first light amount adjuster (not shown) for adjusting the light amount of the first light and a second and a second light amount adjuster (not shown) that adjusts the light amount of the light.
  • the differential signal generator 130 receives the first electrical signal output in S120-1 and the second electrical signal output in S120-2, and receives the first electrical signal and the second electrical signal. A differential signal, which is the difference between them, is obtained and output.
  • the optical phase modulation amount adjuster 140 receives the differential signal output in S130 as an input, uses the differential signal as an error signal, and fixes the interferometer 111 so that the phase of the interference fringes is at the mid-fringe. , to adjust the optical phase modulation amount ⁇ 0 due to factors other than sound.
  • a configuration example of the interference light generator 110 will be described below.
  • interference light generator 110 includes interferometer 111 (not shown) and sound measuring section 114 .
  • the interferometer 111 includes a beam splitter 1111 and two mirrors 1112 (hereinafter referred to as first mirror 1112-1 and second mirror 1112-2).
  • the sound measuring device 100 including the interferometer 111 corresponds to (basic configuration example 1) described in ⁇ Technical background>.
  • the sound measurement device 100 may be configured to include a beam splitter (not shown) near the second photodetector 120-2, as shown in FIG.
  • the light propagating along the first optical path in the interference light generator 110 passes through the beam splitter 1111 and the sound measuring section 114 in that order, is reflected by the first mirror 1112-1, and passes through the sound measuring section 114 and the beam splitter 1111.
  • the sequentially passing light and the light propagating along the second optical path in the interference light generator 110 pass through the beam splitter 1111, are reflected by the second mirror 1112-2, and pass through the beam splitter 1111
  • the first light and the second light are split by the beam splitter 1111 into light propagating on the first optical path in the interference light generator 110 and light propagating on the second optical path in the interference light generator 110. is the light obtained by
  • interference light generator 110 includes interferometer 112 (not shown) and sound measuring section 114 .
  • the interferometer 112 includes two polarizing beam splitters 1121 (hereinafter referred to as a first polarizing beam splitter 1121-1 and a second polarizing beam splitter 1121-2) and two half-wave plates 1122 (hereinafter referred to as a second 1 half-wave plate 1122-1, referred to as second half-wave plate 1122-2) and two quarter-wave plates 1123 (hereinafter referred to as first quarter-wave plate 1123-1, second two quarter-wave plates 1123-2) and two mirrors 1124 (hereinafter referred to as first mirror 1124-1 and second mirror 1124-2).
  • the sound measuring device 100 including the interferometer 112 corresponds to (basic configuration example 2) described in ⁇ Technical background>.
  • the light propagating on the first optical path in the interference light generator 110 is passed through the first half-wave plate 1122-1, the first polarization beam splitter 1121-1, and the first quarter-wave plate 1123-1. , the sound measuring section 114, and reflected by the first mirror 1124-1.
  • 1/2 wavelength plate 1122-2, the light passing through the second polarization beam splitter 1121-2 in this order, and the light propagating through the second optical path in the interference light generator 110 are transferred to the first 1/2 wavelength plate 1122-1, the first polarizing beam splitter 1121-1, and the second quarter-wave plate 1123-2 in this order, reflected by the second mirror 1124-2, and passed through the second quarter-wave plate 1123.
  • the positional relationship between the first quarter-wave plate 1123-1 and the sound measurement unit 114 is such that the first quarter-wave plate 1123-1 is on the left and the sound measurement unit 114 is on the right.
  • the relationship may be reversed.
  • the light propagating along the first optical path in the interference light generator 110 includes the first half-wave plate 1122-1, the first polarization beam splitter 1121-1, the sound measuring section 114, the first The light passes through the quarter-wave plate 1123-1 in order, is reflected by the first mirror 1124-1, is first quarter-wave plate 1123-1, the sound measurement section 114, and the first polarization beam splitter 1121-1. , second half-wave plate 1122-2, and second polarization beam splitter 1121-2 in this order.
  • interference light generator 110 includes interferometer 113 (not shown) and sound measuring section 114 .
  • the interferometer 113 includes a polarizing beam splitter 1131, a Wollaston prism 1132, and two half-wave plates 1133 (hereinafter referred to as the first half-wave plate 1133-1, the second half-wave plate 1133- 2), two quarter-wave plates 1134 (hereinafter referred to as first quarter-wave plate 1134-1 and second quarter-wave plate 1134-2), and two mirrors 1135 (hereinafter referred to as First mirror 1135-1, second mirror 1135-2).
  • the sound measuring device 100 including the interferometer 113 corresponds to (modification) of (basic configuration example 2) described in ⁇ Technical background>.
  • the light propagating on the first optical path in the interference light generator 110 is passed through the first half-wave plate 1133-1, the polarizing beam splitter 1131, the first quarter-wave plate 1134-1, and the sound measurement unit 114. and reflected by the first mirror 1135-1, the sound measurement unit 114, the first quarter-wave plate 1134-1, the polarization beam splitter 1131, the second half-wave plate 1133-2,
  • the light passing through the Wollaston prism 1132 in this order and the light propagating along the second optical path in the interference light generator 110 are passed through the first half-wave plate 1133-1, the polarizing beam splitter 1131, and the second quarter-wave plate 1133-1.
  • the first light and the second light are the light propagating on the first optical path in the interference light generator 110 in the Wollaston prism 1132 and the light in the interference light generator 110 .
  • This light is obtained by branching the light propagating on the second optical path of .
  • the positional relationship between the first quarter-wave plate 1134-1 and the sound measurement unit 114 is such that the first quarter-wave plate 1134-1 is on the left and the sound measurement unit 114 is on the right.
  • the relationship may be reversed.
  • the light propagating along the first optical path in the interference light generator 110 includes the first half-wave plate 1133-1, the polarization beam splitter 1131, the sound measurement section 114, and the first quarter-wave plate. 1134-1 in order, reflected by the first mirror 1135-1, the first quarter-wave plate 1134-1, the sound measurement unit 114, the polarization beam splitter 1131, the second half-wave plate 1133 ⁇ 2, and the light passing through the Wollaston prism 1132 in this order.
  • the optical phase modulation amount adjuster 140 uses the differential signal to generate signals other than sound in a frequency band lower than the frequency of the sound to be measured.
  • a control signal is generated for controlling the amount of variation in the amount of optical phase modulation ⁇ 0 due to elements to be zero (that is, the value of the amount ⁇ 0 of optical phase modulation due to elements other than sound becomes a certain constant), and the control signal is generated.
  • the modulation amount ⁇ 0 is adjusted and the interferometers 111/112/113 are fixed so that the phase of the interference fringes is at the mid-fringe.
  • the optical phase modulation amount adjuster 140 uses the control signal to drive the piezo elements attached to the first mirrors 1112-1/1124-1/1135-1, and the first mirrors in the interference light generator 110
  • the phase difference between the light propagating on the first optical path in the interference light generator 110 and the light propagating on the second optical path in the interference light generator 110 may be controlled by expanding and contracting the optical path of
  • the optical phase modulation amount adjuster 140 uses the control signal to drive the piezo elements attached to the second mirrors 1112-2/1124-2/1135-2 so that the second mirror in the interference light generator 110
  • the phase difference between the light propagating on the first optical path in the interference light generator 110 and the light propagating on the second optical path in the interference light generator 110 may be controlled by expanding and contracting the optical path of good.
  • the optical phase modulation amount adjuster 140 uses the control signal to adjust the beam splitter 1111 and the first mirror 1112-1 on the first optical path in the interference light generator 110/between the polarization beam splitter 1121-1 and the beam splitter 1121-1.
  • Light propagating on the first optical path in the interference light generator 110 by driving the optical phase modulator inserted between the first mirror 1124-1/between the polarizing beam splitter 1131 and the first mirror 1135-1
  • the optical phase modulation amount adjuster 140 uses the control signal to adjust the beam splitter 1111 and the second mirror 1112-2 on the second optical path in the interference light generator 110/polarization beam splitter 1121-1.
  • the phase difference between the light propagating along the first optical path within the interference light generator 110 and the light propagating along the second optical path within the interference light generator 110 is controlled. good too.
  • the embodiment of the present invention it is possible to measure the amount of optical phase modulation due to sound without being affected by noise included in the average optical intensity.
  • the two photodetectors 120 included in the sound measuring device 100 detect that, when light that causes a phase change exceeding a predetermined range around the mid-fringe is input, the light
  • the detector output voltage may be adjusted to saturate.
  • the two photodetectors 120 may be adjusted so that the output voltage of the photodetectors is saturated by adjusting the amount of light emitted from the light source.
  • the output voltage of the photodetector may be adjusted to be saturated.
  • the measurement sensitivity adjustment device 200 that adjusts the output voltage of the photodetector 120 included in the sound measurement device 100 will be described.
  • FIG. 17 is a block diagram showing the configuration of the measurement sensitivity adjustment device 200.
  • FIG. 18 is a flow chart showing the operation of the measurement sensitivity adjustment device 200.
  • measurement sensitivity adjustment device 200 includes sweep signal generation section 210 , measurement sensitivity measurement section 220 , and measurement sensitivity adjustment section 230 .
  • the sweep signal generation unit 210 generates a sweep signal as an input signal of the optical phase modulation amount adjuster 140 such that the differential signal corresponds to fluctuations of one cycle or more of the interference fringes, and performs optical phase modulation. Output to quantity adjuster 140 .
  • Any periodic signal such as a triangular wave can be used as the sweep signal.
  • the measurement sensitivity measuring unit 220 receives the interference light output from the interference light generator 110, and measures the measurement sensitivity using the interference light.
  • the measurement sensitivity is the amplitude of the sine wave generated by the interference fringes. Therefore, the measurement sensitivity measuring section 220 can measure the measurement sensitivity using the following two methods.
  • Method 1 Method based on observation of amplitude of interference fringes
  • the differential signal corresponds to fluctuations of one period or more of the interference fringes. Since the measurement sensitivity is equal to the amplitude of the sine wave generated by the interference fringes, the measurement sensitivity can be obtained from the amplitude. However, since the interference fringes are saturated in the region where the output voltage of the photodetector is saturated, the amplitude cannot be measured directly from the waveform.
  • a filter that attenuates the amount of light by a known constant amount (hereinafter referred to as an attenuation filter) is installed on the optical path. After temporarily reducing the light intensity to a brightness that does not saturate the interference fringes with an attenuation filter, the amplitude is directly observed from the waveform, and the amplitude value obtained from the observation is multiplied by a coefficient that corrects the attenuation due to the attenuation filter. to obtain the measurement sensitivity.
  • an attenuation filter for example, an ND filter or a polarizer and wave plate can be used. After the adjustment of the measurement sensitivity is completed, the attenuation filter installed for the adjustment is removed, so that the sound measurement device 100 can perform measurement with the adjusted measurement sensitivity.
  • the amplification factor of the photodetector may be adjusted instead of using the attenuation filter.
  • the amount of light is temporarily reduced to a brightness that does not saturate the interference fringes.
  • the measurement sensitivity may be obtained by multiplying by a coefficient for correcting the adjustment by .
  • Method 2 Method based on measurement of phase at saturation of photodetector output voltage
  • Observe the output voltage of the photodetector using an oscilloscope or the like. Assume that the phase is zero at the mid-fringe, measure the phase ⁇ at the time of saturation of the output voltage of the photodetector, and obtain the measurement sensitivity C from C V out /sin( ⁇ ).
  • the measurement sensitivity adjustment unit 230 receives the measurement sensitivity output from the measurement sensitivity measurement unit 220, and adjusts the sound measurement device 100 so that the measurement sensitivity becomes a desired value. Adjustment of the sound measuring device 100 may or may not be performed by human intervention. Further, the adjustment of the sound measurement device 100 may be performed by either a method of adjusting the amount of light emitted from the light source or a method of adjusting the amplification factor of the photodetector. In addition, any method that can adjust the output voltage of the photodetector, such as a method of adjusting a light amount adjuster installed on the optical path, a method of adjusting the position of the light beam input to the photodetector, etc. may be used to adjust the sound measurement device 100 .
  • the embodiment of the present invention it is possible to measure the amount of optical phase modulation due to sound without being affected by noise included in the average optical intensity.
  • the amount of optical phase modulation due to sound can be detected with high sensitivity. Measurement becomes possible.
  • FIG. 19 is a diagram showing an example of the functional configuration of a computer 2000 that implements each of the devices described above.
  • the processing in each device described above can be performed by causing the recording unit 2020 to read a program for causing the computer 2000 to function as each device described above, and causing the control unit 2010, the input unit 2030, the output unit 2040, and the like to operate.
  • the apparatus of the present invention includes, for example, a single hardware entity, which includes an input unit to which a keyboard can be connected, an output unit to which a liquid crystal display can be connected, and a communication device (for example, a communication cable) capable of communicating with the outside of the hardware entity.
  • a communication device for example, a communication cable
  • CPU Central Processing Unit
  • memory RAM and ROM hard disk external storage device
  • input unit, output unit, communication unit a CPU, a RAM, a ROM, and a bus for connecting data to and from an external storage device.
  • the hardware entity may be provided with a device (drive) capable of reading and writing a recording medium such as a CD-ROM.
  • a physical entity with such hardware resources includes a general purpose computer.
  • the external storage device of the hardware entity stores a program necessary for realizing the functions described above and data required for the processing of this program (not limited to the external storage device; It may be stored in a ROM, which is a dedicated storage device). Data obtained by processing these programs are appropriately stored in a RAM, an external storage device, or the like.
  • each program stored in an external storage device or ROM, etc.
  • the data necessary for processing each program are read into the memory as needed, and interpreted, executed and processed by the CPU as appropriate.
  • the CPU realizes a predetermined function (each structural unit represented by the above, . . . unit, . . . means, etc.).
  • a program that describes this process can be recorded on a computer-readable recording medium.
  • Any computer-readable recording medium may be used, for example, a magnetic recording device, an optical disk, a magneto-optical recording medium, a semiconductor memory, or the like.
  • magnetic recording devices hard disk devices, flexible disks, magnetic tapes, etc., as optical discs, DVD (Digital Versatile Disc), DVD-RAM (Random Access Memory), CD-ROM (Compact Disc Read Only Memory), CD-R (Recordable) / RW (ReWritable), etc.
  • magneto-optical recording media such as MO (Magneto-Optical disc), etc. as semiconductor memory, EEP-ROM (Electronically Erasable and Programmable-Read Only Memory), etc. can be used.
  • this program is carried out, for example, by selling, assigning, lending, etc. portable recording media such as DVDs and CD-ROMs on which the program is recorded.
  • the program may be distributed by storing the program in the storage device of the server computer and transferring the program from the server computer to other computers via the network.
  • a computer that executes such a program for example, first stores the program recorded on a portable recording medium or the program transferred from the server computer once in its own storage device. When executing the process, this computer reads the program stored in its own storage device and executes the process according to the read program. Also, as another execution form of this program, the computer may read the program directly from a portable recording medium and execute processing according to the program, and the program is transferred from the server computer to this computer. Each time, the processing according to the received program may be executed sequentially. In addition, the above-mentioned processing is executed by a so-called ASP (Application Service Provider) type service, which does not transfer the program from the server computer to this computer, and realizes the processing function only by its execution instruction and result acquisition. may be It should be noted that the program in this embodiment includes information that is used for processing by a computer and that conforms to the program (data that is not a direct instruction to the computer but has the property of prescribing the processing of the computer, etc.).
  • ASP Application Service Provide
  • a hardware entity is configured by executing a predetermined program on a computer, but at least part of these processing contents may be implemented by hardware.

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Abstract

平均光強度に含まれる雑音の影響を受けることがない、音による光位相変調量の計測技術を提供する。光源から射出された光から、音測定部により光位相変調した光を含む第１の光と、第１の光とは異なる音測定部により光位相変調した光を含む第２の光とを得る干渉光生成器と、第１の光から第１の電気信号を得る第１光検出器と、第２の光から第２の電気信号を得る第２光検出器と、第１の電気信号と第２の電気信号の差分である差動信号を得る差動信号生成器と、差動信号を誤差信号として干渉縞の位相がミッドフリンジにあるように干渉計を固定することで、音以外の要素による光位相変調量φ0を調整する光位相変調量調整器とを含み、音による光位相変調量φsは差動信号の電流Δiとして計測され、第１の光検出器と第２の光検出器は、予め定めたミッドフリンジ周辺の範囲を超える位相変動を生じさせる光が入力された場合、出力電圧が飽和するように調整されている。

Description

音計測装置、音計測方法、プログラム
　本発明は、光による音計測技術に関する。
　光を用いた音計測方法の１つとして、音響光学効果と呼ばれる音による媒質の屈折率変化を利用する方法がある。音響光学効果によると、空気中の音による光位相変調量φsは、次式により表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
 　ただし、kは光の波数、n0は定常状態の空気屈折率、p0は定常状態の大気圧、γは空気の比熱比、pは音圧である。また、式(1)の積分は光の伝搬経路に沿った線積分である。
　つまり、式(1)で与えられる音による光位相変調量φsを観測することによって、非接触に音を計測することができる。
　音響光学効果を利用した音計測方法の多くで、光干渉計を利用する。光干渉計として、マイケルソン型、マッハツェンダ型、フィゾー型など任意の光干渉計を用いることができる。図１は、マイケルソン干渉計を用いた音計測装置を示す。図１の音計測装置は、マイケルソン干渉計と、音測定部と、光検出器を含む。また、マイケルソン干渉計は、ビームスプリッタと２つの鏡を含む。音測定部が、音を用いて光の位相を変調する構成部である。なお、光源にはレーザを用いることができる。図１中のBS, M, PDはそれぞれビームスプリッタ、鏡、光検出器を表す。また、矢印は、光が分岐、伝搬する様子を表す。
　以下、図１の音計測装置の動作について説明する。光源から射出された光をビームスプリッタで２つの光に分割する。そして、２つの光は干渉計内の異なる経路を伝搬し、少なくとも１つの光は音測定部を通過する。その後、２つの光はビームスプリッタで合波される。合波された光、すなわち、干渉光を光検出器で検出することによって、２つの光の位相差を電気信号として取り出す。ここで、光検出器の出力である電気信号（出力信号）の電流iは、次式により表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
 　ただし、ηは光検出器の量子効率、Iは干渉光の光量、IDCは干渉光の光量の直流成分（平均光強度）、IAは干渉縞の振幅、φ0は音以外の要素による光位相変調量である。
　式(2)からわかるように、出力信号の電流iは、音による光の位相変調量φsに依存して変化する。このことを利用して、非接触な音計測が実現される（非特許文献１参照）。
P. Yuldashev, M. Karzova, V. Khokhlova, S. Ollivier, and P. Blanc-Benon, "Mach-Zehnder interferometry method for acoustic shock wave measurements in air and broadband calibration of microphones," The Journal of the Acoustical Society of America, 137(6), pp.3314-3324, 2015.
　図１の音計測装置の出力信号の電流iは、平均光強度IDCに、音による光位相変調量φsを含む干渉の影響を示す強度IAcos(φs+φ0)を加算した結果から得られる。一般に、音による光位相変調量φsは微小であり、平均光強度IDCに対して非常に小さい。また、平均光強度IDCには光源の強度揺らぎなどに起因する雑音が含まれている。この雑音は、平均光強度IDCに対しては微小であっても、音による光位相変調量φsに対しては無視することができない。そのため、音計測装置で検出可能な最小の光位相変調量が決定されることがしばしばある。したがって、音計測装置における雑音を低減し、SN比を向上させるためには、平均光強度IDCに含まれる雑音の低減が重要な課題となる。
　そこで本発明では、平均光強度に含まれる雑音の影響を受けることがない、音による光位相変調量の計測技術を提供することを目的とする。
　本発明の一態様は、音による光位相変調量φsを計測する音計測装置であって、干渉計と音を用いて光の位相を変調する音測定部とを含み、光源から射出された光から、前記音測定部により光位相変調した光を含む光（以下、第１の光という）と、前記第１の光とは異なる、前記音測定部により光位相変調した光を含む光（以下、第２の光という）とを得る干渉光生成器と、前記第１の光から電気信号（以下、第１の電気信号という）を得る第１光検出器と、前記第２の光から電気信号（以下、第２の電気信号という）を得る第２光検出器と、前記第１の電気信号と前記第２の電気信号からその差分である差動信号を得る差動信号生成器と、前記差動信号を誤差信号として、干渉縞の位相がミッドフリンジにあるように前記干渉計を固定することで、音以外の要素による光位相変調量φ0を調整する光位相変調量調整器とを含み、前記第１の光に含まれる光位相変調した光の位相と前記第２の光に含まれる光位相変調した光の位相は、反転した関係にあり、前記光位相変調量φsは、干渉縞の振幅IAを用いた式により表される前記差動信号の電流Δiとして計測され、前記第１の光検出器と前記第２の光検出器は、予め定めたミッドフリンジ周辺の範囲を超える位相変動を生じさせる光が入力された場合、当該光検出器の出力電圧が飽和するように調整されている。
　本発明によれば、平均光強度に含まれる雑音の影響を受けることなく、音による光位相変調量を計測することが可能となる。
従来の音計測装置の構成の一例を示す図である。 本願の音計測装置のベースとなる構成の一例を示す図である。 ビームスプリッタにおける入射光と出射光の様子を示す図である。 光量調整器を含む構成の一例を示す図である。 本願の音計測装置のベースとなる構成の一例を示す図である。 ウォラトンプリズムを用いた構成の一例を示す図である。 本願の音計測装置の構成の一例を示す図である。 光位相変調量調整器の構成の一例を示す図である。 干渉縞の位相と干渉光の強度の関係を示す図である。 干渉光のパワースペクトル密度の様子を示す図である。 光の位相変動と光検出器の出力の関係を示す図である。 音計測装置１００の構成を示すブロック図である。 音計測装置１００の動作を示すフローチャートである。 干渉光生成器１１０の構成を示すブロック図である。 干渉光生成器１１０の構成を示すブロック図である。 干渉光生成器１１０の構成を示すブロック図である。 計測感度調整装置２００の構成を示すブロック図である。 計測感度調整装置２００の動作を示すフローチャートである。 本発明の実施形態における各装置を実現するコンピュータの機能構成の一例を示す図である。
　以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。なお、同じ機能を有する構成部には同じ番号を付し、重複説明を省略する。
　各実施形態の説明に先立って、この明細書における表記方法について説明する。
　^（キャレット）は上付き添字を表す。例えば、xy^zはyzがxに対する上付き添字であり、xy^zはyzがxに対する下付き添字であることを表す。また、_（アンダースコア）は下付き添字を表す。例えば、xy_zはyzがxに対する上付き添字であり、xy_zはyzがxに対する下付き添字であることを表す。
　ある文字xに対する^xや~xのような上付き添え字の”^”や”~”は、本来”x”の真上に記載されるべきであるが、明細書の記載表記の制約上、^xや~xと記載しているものである。
＜技術的背景＞
　本発明の実施形態では、音響光学効果を用いた光による音計測において、干渉光を差動検出する。これにより、平均光強度を相殺し、平均光強度に含まれる雑音を除去することができる。したがって、従来の音計測装置における主要な雑音である、光源の光強度雑音を除去することによって、SN比を大幅に向上させることができる。また、同程度のSN比を実現しようとする場合における光源の強度安定性に対する要求を大幅に低下させることができ、コスト削減が可能となる。
　まず、本発明の実施形態における音計測装置のベースとなる構成例（以下、基本構成例という）について説明する。
（基本構成例１）
　図２は、音計測装置の基本構成の一例を示す図である。図２の音計測装置は、マイケルソン干渉計による構成例であり、ビームスプリッタと、干渉計と、音測定部と、２つの光検出器と、差動検出部を含む。また、干渉計は、ビームスプリッタと２つの鏡を含む。図２中のBS, M, PDはそれぞれビームスプリッタ、鏡、光検出器を表す。〇に十字の記号は、差動検出部を表す。また、矢印は光が分岐、伝搬する様子を表す。
　なお、光源にはレーザを用いることができる。また、干渉計には、マイケルソン干渉計の代わりに、マッハツェンダ型、フィゾー型など任意の干渉計を用いることができる。
　以下、図２の音計測装置の動作について説明する。光源から射出された光は干渉計のビームスプリッタによって２つの光に分割される。そのうち少なくとも１つの光は音測定部を１回以上通過する。２つの光はそれぞれ鏡により反射され、干渉計のビームスプリッタに入射し結合される。ビームスプリッタの２つポート（図３の出射ポート１と出射ポート２）から射出された光はそれぞれ光検出器によって検出され、電気信号に変換される。２つの電気信号の差分である差動信号が出力信号として得られる。
　ここで、図３に示すように干渉計のビームスプリッタにおける入射光と出射光の関係について考える。出射ポート１に出射される光は、入射ポート１から入射した光のうちビームスプリッタを透過した成分と入射ポート２から入射した光のうちビームスプリッタで反射した成分の和である。また、出射ポート２に出射される光は、入射ポート１から入射した光のうちビームスプリッタで反射した成分と入射ポート２から入射した光のうちビームスプリッタを透過した成分の和である。ここで、屈折率の異なる媒質間での光の反射の法則により、入射ポート１から入射した光のうちビームスプリッタで反射した成分と入射ポート２から入射した光のうちビームスプリッタで反射した成分のどちらか一方は、反射時に位相が反転する。ただし、どちらの成分の位相が反転するかは、ビームスプリッタの構造や向きに依存する。ここでは、入射ポート１から入射した光のうちビームスプリッタで反射した成分の位相が反転したものとする。ここで、EIN1を入射ポート１から入射した光、EIN2を入射ポート２から入射した光とすると、出射ポート１に出射される光E1、出射ポート２に出射される光E2は、それぞれ以下の式で表すことができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
　I1を光EIN1の強度（光量）、I2を光EIN2の強度（光量）とすると、２つの光検出器PD1, PD2から出力される電気信号の電流i1, i2は、それぞれ以下の式で表すことができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000006
 　したがって、差動検出部の出力信号である差動信号の電流Δiは、以下の式で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000007
 　式(7)からわかるように、差動信号の電流Δiには平均光強度IDCを含む項が含まれていない。したがって、平均光強度に含まれる光源の強度の揺らぎなどに起因する雑音に影響されない低雑音な音、つまり、音による光位相変調量φsを計測することができる。
　なお、図４に示すように、音計測装置は、２つの光検出器に入射する光量を独立して調整するための光量調整器（図４中のP）を備えるものであってもよい。ここで、光量調整器として、直線偏光子を用いることができる。基本構成例１では、２つの光の偏光状態は等しい。例えば、２つの光が直線偏光であるとすれば、直線偏光子を回転することで光検出器に入射する光量を調整することができる。このように、図２の音計測装置が光量調整器を備えることで、光学系による入射光量の差や光検出器の感度の不一致により２つの光検出器から出力される電気信号が完全に同じ振幅にならないという問題を解決することができる。
（基本構成例２）
　図５は、音計測装置の基本構成の一例を示す図である。図５の音計測装置は、偏光素子を用いた干渉計による構成例であり、干渉計と、音測定部（図示しない）と、２つの光検出器と、差動検出部を含む。干渉計は、２つの偏光ビームスプリッタと２つの１／２波長板と２つの１／４波長板と２つの鏡（図示しない）を含む。図５中のPBS, H, Qはそれぞれ偏光ビームスプリッタ、１／２波長板、１／４波長板を表す。
　以下、図５の音計測装置の動作について説明する。ここでは、光源から射出された光は直線偏光であるものとする。光源から射出された直線偏光は１／２波長板（光源に近い位置にある１／２波長板）によって45°に傾いた直線偏光に変換される。この変換された直線偏光は偏光ビームスプリッタによって直交する直線偏光に分岐される。２つの直線偏光はそれぞれ２回１/４波長板を透過することによって、その向きが90°回転し、再び偏光ビームスプリッタへ戻り、２つの直線偏光が入射したポートとは異なるポート（図６中の左方向に射出するポート）から光が出力される。この光は直交する２つの直線偏光の重ね合わせである。次に、１／２波長板によって２つの直線偏光の向きを45°回転させる。これを別の偏光ビームスプリッタで分岐し、２つの光検出器PD1, PD2で検出する。このとき、２つの光検出器PD1, PD2から出力される電気信号の電流は、定数項を除いて式(5)、式(6)の電流i1, i2と等しい。したがって、差動検出部の出力信号である差動信号の電流Δiは、式(7)で表される。
（変形例）
　なお、図６に示すように、音計測装置は、ウォラストンプリズム（図６中のWP）を用いて構成することができる。図６は、図５の光検出器の近くに位置する偏光ビームスプリッタをウォラストンプリズムで置き換えた音計測装置の構成例を示すものである。ウォラストンプリズムによって２つの直線偏光は同じ面から異なる方向に分離される。したがって、ウォラストンプリズムを用いることにより、追加の光学素子を用いることなく、同一平面に配置された２つの光検出器で検出することが可能となる。
　次に、本発明の実施形態における音計測装置の構成例について説明する。
（構成例）
　図７は、音計測装置の構成の一例を示す図である。図７の音計測装置は、出力信号である差動信号によるフィードバック制御を行う干渉計を含むものであり、当該フィードバック制御のためにフィードバック制御器とピエゾ素子（図７中のPZT）をさらに含む点において、図２の音計測装置と異なる。ここで、フィードバック制御器とピエゾ素子とを含む構成部を光位相変調量調整器という。一般に、光位相変調量調整器は、図８に示すように、フィードバック制御器と光位相制御器を含む。光位相変調量調整器は、差動信号を誤差信号として、干渉縞の位相がミッドフリンジにあるように干渉計を固定することで、音以外の要素による光位相変調量φ0を調整する。なお、図８の差動光検出器とは、２つの光検出器と差動検出部を含む構成部である。図７の音計測装置では、光位相制御器であるピエゾ素子が参照光路の鏡の位置を制御することにより、光位相変調量φ0を調整する。ここで、参照光路とは、干渉計内を、ビームスプリッタを通過し、鏡で反射され、ビームスプリッタを通過する光路のことである。また、干渉計内を、ビームスプリッタ、音測定部の順に通過し、鏡で反射され、音測定部、ビームスプリッタの順に通過する光路のことを測定光路という。なお、光位相変調量の調整は、計測対象となる音の周波数よりも低い周波数帯域で行う。
　以下、光位相変調量調整器の動作について説明する。まず、その動作原理となるミッドフリンジロックについて説明する。図９は、干渉縞の位相と干渉光の強度（光量）の関係を示す。図９に示すように、干渉光の強度が最小、最大となる点をそれぞれダークフリンジ、ブライトフリンジという。また、ダークフリンジとブライトフリンジの中間点をミッドフリンジという。ミッドフリンジにおいて、位相変化に対する光強度変化、すなわち、干渉計の感度が最大となる。したがって、計測対象となる音が存在しない場合に干渉縞の位相が常にミッドフリンジにあるように干渉計を固定することで、干渉計の感度を最大化することができる。このように干渉計を制御する方法をミッドフリンジロックという。つまり、光位相変調量調整器は干渉計をミッドフリンジロックする構成部である。
　ここで、干渉光の光量I=IDC+IAcos(φs+φ0)に含まれる２つの光位相変調量φs, φ0について考える。音による光位相変調量φsは、その変動量・周波数が計測対象となる音に依存する。一方、音以外の要素による光位相変調量φ0は、光学系の配置によって決まる定常項と空気揺らぎや地面振動などによって生じる緩やかな変動を含む。図１０からわかるように、光位相変調量φ0は、低周波成分ほどパワーが大きく、主に100Hz以下の成分が支配的である。したがって、計測対象となる音の周波数よりも低い周波数帯域でフィードバック制御を行うことによって、光位相変調量φ0の変動量をゼロとする（つまり、光位相変調量φ0をある定数に固定する）一方で、光位相変調量φsの変動についてはそのまま残すことができる。
　干渉縞の位相がミッドフリンジにあるとき、光位相変調量φ0はφ0=π/2+Nπ（ただし、Nは整数）と表すことができる。そこで、例えば、φ0=-π/2となるようにミッドフリンジロックする場合、干渉光の光量はI=IDC+IAsin(φs)となる。このとき、差動検出部の出力信号である差動信号の電流Δiは、以下の式で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000008
 　ここで、一般的な音に対してはφs<<1が成り立つので、差動信号の電流Δiは以下の式により近似することができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000009
 　したがって、計測対象となる音よりも低い周波数帯域でミッドフリンジロックが達成されれば、差動信号の電流Δiと音による光位相変調量φsは比例関係となり、差動信号そのものが低雑音な音信号となる。
　なお、一般にφ0=π/2+Nπとなるようにミッドフリンジロックする場合、Nの値によっては電流Δiの符号が反転することもあるが、この場合は単に差動信号の符号を反転すればよい。
　以下、ミッドフリンジロックを達成するための光位相変調量調整器の動作について説明する（図８参照）。まず、差動信号を誤差信号としてフィードバック制御器に入力する。フィードバック制御器は、この誤差信号に対して、音以外の要素による光位相変調量φ0の変動を相殺する（音以外の要素による光位相変調量φ0の変動量がゼロとなる）ような制御信号を生成する。これは上述の通り制御帯域を音の周波数よりも低くすることで実現できる。また、フィードバック制御器には、例えば、単一あるいは複数の増幅器および積分器からなる電気回路、PID制御器、デジタル回路など、音を含まない帯域において誤差信号がゼロになるように光位相制御器の駆動信号を生成する働きをするあらゆるシステムを用いることができる。次に、フィードバック制御器の出力信号である制御信号を用いて光位相制御器を駆動する。光位相制御器は、参照光路の鏡または測定光路の鏡の位置を制御するか、参照光路または測定光路の途中に挿入した光位相変調器によって参照光路を伝搬する光（参照光）または測定光路を伝搬する光（測定光）の位相を制御する。鏡の位置を制御する方法では、例えば鏡に取りつけたピエゾ素子を制御信号で駆動し、参照光路あるいは測定光路を伸縮させることによって、２つの光の位相差を制御し、干渉縞をミッドフリンジに固定する（図７参照）。一方、参照光または測定光の位相を制御する方法では、参照光路または測定光路の途中に挿入した光位相変調器を制御信号で駆動し、参照光または測定光の位相を制御することによって、２つの光の位相差を制御し、干渉縞をミッドフリンジに固定する。動作中、干渉計には計測対象となる音と音以外の要因（外乱）が入力されているので、外乱のみを相殺する（光位相変調量φ0の変動量がゼロとなる）ように上記フィードバック制御を続ける。これによって、音による光位相変調量φsのみが干渉計から出力される。したがって、光位相変調量φsに比例する低雑音な差動信号が得られることになる。
　以上説明した通り、差動信号を誤差信号としてフィードバック制御を行うことによって、ミッドフリンジロックを実現することができる。制御帯域を計測対象となる音の周波数よりも低く設定することで、ミッドフリンジ近傍の感度最大点で音を計測することが可能となる。さらに計測対象となる音の振幅が小さい場合、光位相変調量φsと差動信号の電流Δiが比例関係となり、差動信号を後処理することなく、低雑音な音信号として取り出すことが可能となる。
　図７の音計測装置の計測感度は、光検出器によって検出される干渉縞の振幅IAに比例する。通常、干渉縞の振幅IAは、音計測装置に含まれる光検出器の出力電圧が飽和しないように調整される。したがって、音計測装置の計測感度は光検出器の飽和出力電圧によって制限されることになる。以下では、音計測装置の計測感度を光検出器の飽和出力電圧による制限よりも高くする方法について説明する。
　まず、音計測装置の出力信号である差動信号の電圧と計測感度の関係について説明する。差動信号の電圧vは、以下の式で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000010
 　このとき、式(10)の右辺に現れるCが計測感度であり、その単位はV/radである。計測感度Cは光検出器への入射光量、光検出器の量子効率、光検出器の増幅倍率などに依存する値であり、光源から射出される光の光量や光検出器の増幅倍率を調整することにより計測感度Cを調整することができる。
　光検出器の飽和出力電圧をVoutとすると、光検出器の出力電圧が飽和しない計測感度の上限はC=Voutとなる。つまり、C=Voutが通常の場合における音計測装置の最大計測感度である（以下、C=Voutを非飽和条件という）。
　ここでは、音測定装置の計測感度を光検出器の飽和出力電圧による制限よりも高くするために、特に可聴音の測定において音による光位相変調量φsが十分に小さいという条件が成り立つ場合において光検出器の出力電圧を意図的に飽和させることで計測感度を高くする。すなわち、光源から射出される光の光量を増加させるか、光検出器の増幅倍率を大きくするかのいずれかの方法により、C>Voutとなるように計測感度を調整する（以下、C>Voutを飽和条件という）。このとき、光位相変動が大きい音信号の測定においては光検出器の出力電圧が飽和し歪んでしまい、音信号を正確に測定できない。しかし、空気の物理的な性質から一般にφs<<1が成り立つため、空気中の音の測定においては計測感度CをC>Voutを満たす適切な値に調整することにより、光検出器の出力電圧を飽和させることなく音信号を高感度で測定することができる。この様子を図１１に示す。飽和条件を満たすように調整された音計測装置は、ミッドフリンジから離れた位置においては、光検出器の出力電圧が飽和するような干渉縞の振幅IAが大きい音信号を計測することができないが、ミッドフリンジ近傍の狭い領域においては、非飽和条件を満たすように調整された音計測装置よりも高い計測感度で音信号を計測することができる。
　つまり、音による光位相変調量φsがミッドフリンジ近傍の微小な量であるという性質を利用すると、光源から射出される光の光量や光検出器の増幅倍率を調整するにより光検出器の飽和出力電圧より大きい適切な値に計測感度を調整することで、音計測装置の計測感度を高めることが可能となる。
＜第１実施形態＞
　音計測装置１００は、光源から射出された光を入力とし、音による光位相変調量φsを計測する。
　以下、図１２～図１３を参照して音計測装置１００を説明する。図１２は、音計測装置１００の構成を示すブロック図である。図１３は、音計測装置１００の動作を示すフローチャートである。図１２に示すように音計測装置１００は、干渉光生成器１１０と、２つの光検出器１２０（以下、第１の光検出器１２０－１、第２の光検出器１２０－２という。）と、差動信号生成器１３０と、光位相変調量調整器１４０とを含む。また、干渉光生成器１１０は、干渉計１１１／１１２／１１３と、音を用いて光の位相を変調する音測定部１１４とを含む。
　図１３に従い音計測装置１００の動作について説明する。
　Ｓ１１０において、干渉光生成器１１０は、光源９１０から射出された光を入力とし、光源から射出された光から、音測定部１１４により光位相変調した光を含む光（以下、第１の光という）と、第１の光とは異なる、音測定部１１４により光位相変調した光を含む光（以下、第２の光という）とを得、出力する。第１の光に含まれる光位相変調した光の位相と第２の光に含まれる光位相変調した光の位相は、反転した関係となる。
　Ｓ１２０－１において、第１の光検出器１２０－１は、Ｓ１１０で出力した第１の光を入力とし、第１の光から電気信号（以下、第１の電気信号という）を得、出力する。
　Ｓ１２０－２において、第２の光検出器１２０－２は、Ｓ１１０で出力した第２の光を入力とし、第２の光から電気信号（以下、第２の電気信号という）を得、出力する。
　なお、第１の電気信号と第２の電気信号の振幅が同一となるように、音計測装置１００は、第１の光の光量を調整する第１の光量調整器（図示しない）と第２の光の光量を調整する第２の光量調整器（図示しない）とを含むものであってもよい。
　Ｓ１３０において、差動信号生成器１３０は、Ｓ１２０－１で出力した第１の電気信号とＳ１２０－２で出力した第２の電気信号とを入力とし、第１の電気信号と第２の電気信号からその差分である差動信号を得、出力する。
　Ｓ１４０において、光位相変調量調整器１４０は、Ｓ１３０で出力した差動信号を入力とし、差動信号を誤差信号として、干渉縞の位相がミッドフリンジにあるように干渉計１１１を固定することで、音以外の要素による光位相変調量φ0を調整する。
　音による光位相変調量φsは、式Δi=βIAsin(φs)（ただし、βは所定の定数、IAは干渉縞の振幅）により表される差動信号の電流Δiとして計測される。なお、φs<<1が成り立つ場合、音による光位相変調量φsは、式Δi=βIAφs（ただし、βは所定の定数、IAは干渉縞の振幅）により表される差動信号の電流Δiとして計測される。
　以下、干渉光生成器１１０の構成例について説明する。
（構成例１）
　図１４に示すように干渉光生成器１１０は、干渉計１１１（図示しない）と、音測定部１１４とを含む。干渉計１１１は、ビームスプリッタ１１１１と、２つの鏡１１１２（以下、第１の鏡１１１２－１、第２の鏡１１１２－２という）とを含む。干渉計１１１を含む音計測装置１００は、＜技術的背景＞で説明した（基本構成例１）に相当する。音計測装置１００は、図２にあるように、第２の光検出器１２０－２の近くにビームスプリッタ（図示しない）を含む構成であってもよい。
　干渉光生成器１１０内の第１の光路を伝搬する光を、ビームスプリッタ１１１１、音測定部１１４の順に通過し、第１の鏡１１１２－１で反射され、音測定部１１４、ビームスプリッタ１１１１の順に通過する光、干渉光生成器１１０内の第２の光路を伝搬する光を、ビームスプリッタ１１１１を通過し、第２の鏡１１１２－２で反射され、ビームスプリッタ１１１１を通過する光とすると、第１の光と第２の光は、ビームスプリッタ１１１１において干渉光生成器１１０内の第１の光路を伝搬する光と干渉光生成器１１０内の第２の光路を伝搬する光を分岐することにより、得られる光である。
（構成例２）
　図１５に示すように干渉光生成器１１０は、干渉計１１２（図示しない）と、音測定部１１４とを含む。干渉光計１１２は、２つの偏光ビームスプリッタ１１２１（以下、第１の偏光ビームスプリッタ１１２１－１、第２の偏光ビームスプリッタ１１２１－２という）と、２つの１／２波長板１１２２（以下、第１の１／２波長板１１２２－１、第２の１／２波長板１１２２－２という）と、２つの１／４波長板１１２３（以下、第１の１／４波長板１１２３－１、第２の１／４波長板１１２３－２という）と、２つの鏡１１２４（以下、第１の鏡１１２４－１、第２の鏡１１２４－２という）とを含む。干渉計１１２を含む音計測装置１００は、＜技術的背景＞で説明した（基本構成例２）に相当する。
　干渉光生成器１１０内の第１の光路を伝搬する光を、第１の１／２波長板１１２２－１、第１の偏光ビームスプリッタ１１２１－１、第１の１／４波長板１１２３－１、音測定部１１４の順に通過し、第１の鏡１１２４－１で反射され、音測定部１１４、第１の１／４波長板１１２３－１、第１の偏光ビームスプリッタ１１２１－１、第２の１／２波長板１１２２－２、第２の偏光ビームスプリッタ１１２１－２の順に通過する光、干渉光生成器１１０内の第２の光路を伝搬する光を、第１の１／２波長板１１２２－１、第１の偏光ビームスプリッタ１１２１－１、第２の１／４波長板１１２３－２の順に通過し、第２の鏡１１２４－２で反射され、第２の１／４波長板１１２３－２、第１の偏光ビームスプリッタ１１２１－１、第２の１／２波長板１１２２－２、第２の偏光ビームスプリッタ１１２１－２の順に通過する光とすると、第１の光と第２の光は、第２の偏光ビームスプリッタ１１２１－２において干渉光生成器１１０内の第１の光路を伝搬する光と干渉光生成器１１０内の第２の光路を伝搬する光を分岐することにより、得られる光である。
　なお、図１５では、第１の１／４波長板１１２３－１と音測定部１１４の位置関係を、第１の１／４波長板１１２３－１が左、音測定部１１４が右となる位置関係としたが、逆であってもよい。この場合、干渉光生成器１１０内の第１の光路を伝搬する光は、第１の１／２波長板１１２２－１、第１の偏光ビームスプリッタ１１２１－１、音測定部１１４、第１の１／４波長板１１２３－１の順に通過し、第１の鏡１１２４－１で反射され、第１の１／４波長板１１２３－１、音測定部１１４、第１の偏光ビームスプリッタ１１２１－１、第２の１／２波長板１１２２－２、第２の偏光ビームスプリッタ１１２１－２の順に通過する光となる。
（構成例３）
　図１６に示すように干渉光生成器１１０は、干渉計１１３（図示しない）と、音測定部１１４とを含む。干渉計１１３は、偏光ビームスプリッタ１１３１と、ウォラストンプリズム１１３２と、２つの１／２波長板１１３３（以下、第１の１／２波長板１１３３－１、第２の１／２波長板１１３３－２という）と、２つの１／４波長板１１３４（以下、第１の１／４波長板１１３４－１、第２の１／４波長板１１３４－２という）と、２つの鏡１１３５（以下、第１の鏡１１３５－１、第２の鏡１１３５－２という）とを含む。干渉計１１３を含む音計測装置１００は、＜技術的背景＞で説明した（基本構成例２）の（変形例）に相当する。
　干渉光生成器１１０内の第１の光路を伝搬する光を、第１の１／２波長板１１３３－１、偏光ビームスプリッタ１１３１、第１の１／４波長板１１３４－１、音測定部１１４の順に通過し、第１の鏡１１３５－１で反射され、音測定部１１４、第１の１／４波長板１１３４－１、偏光ビームスプリッタ１１３１、第２の１／２波長板１１３３－２、ウォラストンプリズム１１３２の順に通過する光、干渉光生成器１１０内の第２の光路を伝搬する光を、第１の１／２波長板１１３３－１、偏光ビームスプリッタ１１３１、第２の１／４波長板１１３４－２の順に通過し、第２の鏡１１３５－２で反射され、第２の１／４波長板１１３４－２、偏光ビームスプリッタ１１３１、第２の１／２波長板１１３３－２、ウォラストンプリズム１１３２の順に通過する光とすると、第１の光と第２の光は、ウォラストンプリズム１１３２において干渉光生成器１１０内の第１の光路を伝搬する光と干渉光生成器１１０内の第２の光路を伝搬する光を分岐することにより、得られる光である。
　なお、図１６では、第１の１／４波長板１１３４－１と音測定部１１４の位置関係を、第１の１／４波長板１１３４－１が左、音測定部１１４が右となる位置関係としたが、逆であってもよい。この場合、干渉光生成器１１０内の第１の光路を伝搬する光は、第１の１／２波長板１１３３－１、偏光ビームスプリッタ１１３１、音測定部１１４、第１の１／４波長板１１３４－１の順に通過し、第１の鏡１１３５－１で反射され、第１の１／４波長板１１３４－１、音測定部１１４、偏光ビームスプリッタ１１３１、第２の１／２波長板１１３３－２、ウォラストンプリズム１１３２の順に通過する光となる。
　干渉光生成器１１０の構成例がいずれの場合であっても、光位相変調量調整器１４０は、差動信号を用いて、計測対象となる音の周波数よりも低い周波数帯域で、音以外の要素による光位相変調量φ0の変動量がゼロとなる（つまり、音以外の要素による光位相変調量φ0の値がある定数となる）ように制御する制御信号を生成し、制御信号を用いて干渉光生成器１１０内の第１の光路を伝搬する光と干渉光生成器１１０内の第２の光路を伝搬する光との位相差を制御することにより、音以外の要素による光位相変調量φ0を調整し、干渉縞の位相がミッドフリンジにあるように干渉計１１１／１１２／１１３を固定する。
　ここで、光位相変調量調整器１４０は、制御信号を用いて第１の鏡１１１２－１／１１２４－１／１１３５－１に取り付けたピエゾ素子を駆動し、干渉光生成器１１０内の第１の光路を伸縮させることにより、干渉光生成器１１０内の第１の光路を伝搬する光と干渉光生成器１１０内の第２の光路を伝搬する光との位相差を制御するようにしてもよいし、光位相変調量調整器１４０は、制御信号を用いて第２の鏡１１１２－２／１１２４－２／１１３５－２に取り付けたピエゾ素子を駆動し、干渉光生成器１１０内の第２の光路を伸縮させることにより、干渉光生成器１１０内の第１の光路を伝搬する光と干渉光生成器１１０内の第２の光路を伝搬する光との位相差を制御するようにしてもよい。また、光位相変調量調整器１４０は、制御信号を用いて、干渉光生成器１１０内の第１の光路のビームスプリッタ１１１１と第１の鏡１１１２－１の間／偏光ビームスプリッタ１１２１－１と第１の鏡１１２４－１の間／偏光ビームスプリッタ１１３１と第１の鏡１１３５－１の間に挿入した光位相変調器を駆動し、干渉光生成器１１０内の第１の光路を伝搬する光の位相を制御することにより、干渉光生成器１１０内の第１の光路を伝搬する光と干渉光生成器１１０内の第２の光路を伝搬する光との位相差を制御するようにしてもよいし、光位相変調量調整器１４０は、制御信号を用いて、干渉光生成器１１０内の第２の光路のビームスプリッタ１１１１と第２の鏡１１１２－２の間／偏光ビームスプリッタ１１２１－１と第２の鏡１１２４－２の間／偏光ビームスプリッタ１１３１と第２の鏡１１３５－２の間に挿入した光位相変調器を駆動し、干渉光生成器１１０内の第２の光路を伝搬する光の位相を制御することにより、干渉光生成器１１０内の第１の光路を伝搬する光と干渉光生成器１１０内の第２の光路を伝搬する光との位相差を制御するようにしてもよい。
　本発明の実施形態によれば、平均光強度に含まれる雑音の影響を受けることなく、音による光位相変調量を計測することが可能となる。
＜第２実施形態＞
　＜技術的背景＞で説明したように、音計測装置１００に含まれる２つの光検出器１２０は、予め定めたミッドフリンジ周辺の範囲を超える位相変動を生じさせる光が入力された場合、当該光検出器の出力電圧が飽和するように調整されていてもよい。その際、２つの光検出器１２０は、光源から射出される光の光量を調整することにより、当該光検出器の出力電圧が飽和するように調整されていてもよいし、当該光検出器の増幅倍率を調整することにより、当該光検出器の出力電圧が飽和するように調整されていてもよい。
　ここでは、音計測装置１００に含まれる光検出器１２０の出力電圧を調整する計測感度調整装置２００について説明する。
　以下、図１７～図１８を参照して計測感度調整装置２００を説明する。図１７は、計測感度調整装置２００の構成を示すブロック図である。図１８は、計測感度調整装置２００の動作を示すフローチャートである。図１７に示すように計測感度調整装置２００は、掃引信号生成部２１０と、計測感度測定部２２０と、計測感度調整部２３０とを含む。
　図１８に従い計測感度調整装置２００の動作について説明する。
　Ｓ２１０において、掃引信号生成部２１０は、差動信号が干渉縞１周期分以上の変動に対応するものとなるような掃引信号を光位相変調量調整器１４０の入力信号として生成し、光位相変調量調整器１４０に出力する。掃引信号は例えば三角波のような任意の周期信号を用いることができる。
　Ｓ２２０において、計測感度測定部２２０は、干渉光生成器１１０の出力である干渉光を入力とし、当該干渉光を用いて計測感度を測定する。ここで、計測感度は干渉縞が生成する正弦波の振幅である。したがって、計測感度測定部２２０は、以下の２つの方法を用いて計測感度を測定することができる。
（方法１：干渉縞の振幅の観測に基づく方法）
　Ｓ２１０において生成された掃引信号を用いると、差動信号は干渉縞１周期分以上の変動に対応するものとなる。そして、計測感度は干渉縞が生成する正弦波の振幅に等しいので、当該振幅から計測感度を求めることができる。しかし、光検出器の出力電圧が飽和する領域では干渉縞は飽和しているため、波形から直接振幅を測定することができない。
　そこで、光路上に光量を既知の一定量だけ減衰させるフィルタ（以下、減衰フィルタという）を設置する。減衰フィルタによって干渉縞が飽和しない明るさまで一時的に光量を低下させたうえで、波形から直接振幅を観測し、観測で得られた振幅の値に減衰フィルタによる減衰分を補正する係数を掛けることで、計測感度を得る。減衰フィルタとして、例えばNDフィルタや、偏光子と波長板を用いることができる。そして、計測感度の調整が終了した後、調整のために設置した減衰フィルタを取り除くことで、調整済みの計測感度での音計測装置１００による計測を実行することができる。
　減衰フィルタを用いる代わりに光検出器の増幅倍率を調整するのでもよい。つまり、光検出器の増幅倍率を調整することで干渉縞が飽和しない明るさまで一時的に光量を低下させたうえで、波形から直接振幅を観測し、観測で得られた振幅の値に増幅倍率による調整分を補正する係数を掛けることで、計測感度を得るようにしてもよい。
（方法２：光検出器の出力電圧の飽和時における位相の測定に基づく方法）
　オシロスコープなどを用いて光検出器の出力電圧を観測する。ミッドフリンジにおける位相のゼロとし、光検出器の出力電圧の飽和時における位相θを測定し、C=Vout/sin(θ)により計測感度Cを求める。
　Ｓ２３０において、計測感度調整部２３０は、計測感度測定部２２０の出力である計測感度を入力とし、当該計測感度が所望の値となるように音計測装置１００を調整する。音計測装置１００の調整は人が介在してもよいし、介在しなくてもよい。また、音計測装置１００の調整は、光源から射出される光の光量を調整する方法、光検出器の増幅倍率を調整する方法のいずれでもよい。その他、光路上に設置した光量調整器を調整する方法、光検出器に入力する光ビーム位置を調整する方法など、光検出装置の出力電圧を調整することができる方法であればどのような方法を用いて、音計測装置１００を調整してもよい。
　本発明の実施形態によれば、平均光強度に含まれる雑音の影響を受けることなく、音による光位相変調量を計測することが可能となる。特に、予め定めたミッドフリンジ周辺の範囲を超える位相変動を生じさせる光が入力された場合、光検出器の出力電圧が飽和するように調整することにより、音による光位相変調量を高感度で計測することが可能となる。
＜補記＞
　図１９は、上述の各装置を実現するコンピュータ２０００の機能構成の一例を示す図である。上述の各装置における処理は、記録部２０２０に、コンピュータ２０００を上述の各装置として機能させるためのプログラムを読み込ませ、制御部２０１０、入力部２０３０、出力部２０４０などに動作させることで実施できる。
　本発明の装置は、例えば単一のハードウェアエンティティとして、キーボードなどが接続可能な入力部、液晶ディスプレイなどが接続可能な出力部、ハードウェアエンティティの外部に通信可能な通信装置（例えば通信ケーブル）が接続可能な通信部、ＣＰＵ（Central Processing Unit、キャッシュメモリやレジスタなどを備えていてもよい）、メモリであるＲＡＭやＲＯＭ、ハードディスクである外部記憶装置並びにこれらの入力部、出力部、通信部、ＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ、外部記憶装置の間のデータのやり取りが可能なように接続するバスを有している。また必要に応じて、ハードウェアエンティティに、ＣＤ－ＲＯＭなどの記録媒体を読み書きできる装置（ドライブ）などを設けることとしてもよい。このようなハードウェア資源を備えた物理的実体としては、汎用コンピュータなどがある。
　ハードウェアエンティティの外部記憶装置には、上述の機能を実現するために必要となるプログラムおよびこのプログラムの処理において必要となるデータなどが記憶されている（外部記憶装置に限らず、例えばプログラムを読み出し専用記憶装置であるＲＯＭに記憶させておくこととしてもよい）。また、これらのプログラムの処理によって得られるデータなどは、ＲＡＭや外部記憶装置などに適宜に記憶される。
　ハードウェアエンティティでは、外部記憶装置（あるいはＲＯＭなど）に記憶された各プログラムとこの各プログラムの処理に必要なデータが必要に応じてメモリに読み込まれて、適宜にＣＰＵで解釈実行・処理される。その結果、ＣＰＵが所定の機能（上記、…部、…手段などと表した各構成部）を実現する。
　本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更が可能である。また、上記実施形態において説明した処理は、記載の順に従って時系列に実行されるのみならず、処理を実行する装置の処理能力あるいは必要に応じて並列的にあるいは個別に実行されるとしてもよい。
　既述のように、上記実施形態において説明したハードウェアエンティティ（本発明の装置）における処理機能をコンピュータによって実現する場合、ハードウェアエンティティが有すべき機能の処理内容はプログラムによって記述される。そして、このプログラムをコンピュータで実行することにより、上記ハードウェアエンティティにおける処理機能がコンピュータ上で実現される。
　この処理内容を記述したプログラムは、コンピュータで読み取り可能な記録媒体に記録しておくことができる。コンピュータで読み取り可能な記録媒体としては、例えば、磁気記録装置、光ディスク、光磁気記録媒体、半導体メモリ等どのようなものでもよい。具体的には、例えば、磁気記録装置として、ハードディスク装置、フレキシブルディスク、磁気テープ等を、光ディスクとして、ＤＶＤ（Digital Versatile Disc）、ＤＶＤ－ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＣＤ－ＲＯＭ（Compact Disc Read Only Memory）、ＣＤ－Ｒ（Recordable）／ＲＷ（ReWritable）等を、光磁気記録媒体として、ＭＯ（Magneto-Optical disc）等を、半導体メモリとしてＥＥＰ－ＲＯＭ（Electronically Erasable and Programmable-Read Only Memory）等を用いることができる。
　また、このプログラムの流通は、例えば、そのプログラムを記録したＤＶＤ、ＣＤ－ＲＯＭ等の可搬型記録媒体を販売、譲渡、貸与等することによって行う。さらに、このプログラムをサーバコンピュータの記憶装置に格納しておき、ネットワークを介して、サーバコンピュータから他のコンピュータにそのプログラムを転送することにより、このプログラムを流通させる構成としてもよい。
　このようなプログラムを実行するコンピュータは、例えば、まず、可搬型記録媒体に記録されたプログラムもしくはサーバコンピュータから転送されたプログラムを、一旦、自己の記憶装置に格納する。そして、処理の実行時、このコンピュータは、自己の記憶装置に格納されたプログラムを読み取り、読み取ったプログラムに従った処理を実行する。また、このプログラムの別の実行形態として、コンピュータが可搬型記録媒体から直接プログラムを読み取り、そのプログラムに従った処理を実行することとしてもよく、さらに、このコンピュータにサーバコンピュータからプログラムが転送されるたびに、逐次、受け取ったプログラムに従った処理を実行することとしてもよい。また、サーバコンピュータから、このコンピュータへのプログラムの転送は行わず、その実行指示と結果取得のみによって処理機能を実現する、いわゆるＡＳＰ（Application Service Provider）型のサービスによって、上述の処理を実行する構成としてもよい。なお、本形態におけるプログラムには、電子計算機による処理の用に供する情報であってプログラムに準ずるもの（コンピュータに対する直接の指令ではないがコンピュータの処理を規定する性質を有するデータ等）を含むものとする。
　また、この形態では、コンピュータ上で所定のプログラムを実行させることにより、ハードウェアエンティティを構成することとしたが、これらの処理内容の少なくとも一部をハードウェア的に実現することとしてもよい。
　上述の本発明の実施形態の記載は、例証と記載の目的で提示されたものである。網羅的であるという意思はなく、開示された厳密な形式に発明を限定する意思もない。変形やバリエーションは上述の教示から可能である。実施形態は、本発明の原理の最も良い例証を提供するために、そして、この分野の当業者が、熟考された実際の使用に適するように本発明を色々な実施形態で、また、色々な変形を付加して利用できるようにするために、選ばれて表現されたものである。すべてのそのような変形やバリエーションは、公正に合法的に公平に与えられる幅にしたがって解釈された添付の請求項によって定められた本発明のスコープ内である。

Claims (8)

  1. 　音による光位相変調量φsを計測する音計測装置であって、
    　干渉計と音を用いて光の位相を変調する音測定部とを含み、光源から射出された光から、前記音測定部により光位相変調した光を含む光（以下、第１の光という）と、前記第１の光とは異なる、前記音測定部により光位相変調した光を含む光（以下、第２の光という）とを得る干渉光生成器と、
    　前記第１の光から電気信号（以下、第１の電気信号という）を得る第１光検出器と、
    　前記第２の光から電気信号（以下、第２の電気信号という）を得る第２光検出器と、
    　前記第１の電気信号と前記第２の電気信号からその差分である差動信号を得る差動信号生成器と、
    　前記差動信号を誤差信号として、干渉縞の位相がミッドフリンジにあるように前記干渉計を固定することで、音以外の要素による光位相変調量φ0を調整する光位相変調量調整器とを含み、
    　前記第１の光に含まれる光位相変調した光の位相と前記第２の光に含まれる光位相変調した光の位相は、反転した関係にあり、
    　前記光位相変調量φsは、干渉縞の振幅IAを用いた式により表される前記差動信号の電流Δiとして計測され、
    　前記第１の光検出器と前記第２の光検出器は、予め定めたミッドフリンジ周辺の範囲を超える位相変動を生じさせる光が入力された場合、当該光検出器の出力電圧が飽和するように調整されている
    　音計測装置。
  2. 　請求項１に記載の音計測装置であって、
    　前記第１の光検出器と前記第２の光検出器は、光源から射出される光の光量を調整することにより、当該光検出器の出力電圧が飽和するように調整されている
    　ことを特徴とする音計測装置。
  3. 　請求項１に記載の音計測装置であって、
    　前記第１の光検出器と前記第２の光検出器は、当該光検出器の増幅倍率を調整することにより、当該光検出器の出力電圧が飽和するように調整されている
    　ことを特徴とする音計測装置。
  4. 　請求項１に記載の音計測装置であって、
    　前記干渉計は、ビームスプリッタと、２つの鏡（以下、第１の鏡、第２の鏡という）とを含み、
    　前記干渉光生成器内の第１の光路を伝搬する光は、前記ビームスプリッタ、前記音測定部の順に通過し、前記第１の鏡で反射され、前記音測定部、前記ビームスプリッタの順に通過する光であり、
    　前記干渉光生成器内の第２の光路を伝搬する光は、前記ビームスプリッタを通過し、前記第２の鏡で反射され、前記ビームスプリッタを通過する光であり、
    　前記第１の光と前記第２の光は、前記ビームスプリッタにおいて前記干渉光生成器内の第１の光路を伝搬する光と前記干渉光生成器内の第２の光路を伝搬する光を分岐することにより、得られる光である
    　ことを特徴とする音計測装置。
  5. 　請求項１に記載の音計測装置であって、
    　前記干渉計は、２つの偏光ビームスプリッタ（以下、第１の偏光ビームスプリッタ、第２の偏光ビームスプリッタという）と、２つの１／２波長板（以下、第１の１／２波長板、第２の１／２波長板という）と、２つの１／４波長板（以下、第１の１／４波長板、第２の１／４波長板という）と、２つの鏡（以下、第１の鏡、第２の鏡という）とを含み、
    　前記干渉光生成器内の第１の光路を伝搬する光は、前記第１の１／２波長板、前記第１の偏光ビームスプリッタ、前記第１の１／４波長板、前記音測定部の順に通過し、前記第１の鏡で反射され、前記音測定部、前記第１の１／４波長板、前記第１の偏光ビームスプリッタ、前記第２の１／２波長板、前記第２の偏光ビームスプリッタの順に通過する光であり、
    　前記干渉光生成器内の第２の光路を伝搬する光は、前記第１の１／２波長板、前記第１の偏光ビームスプリッタ、前記第２の１／４波長板の順に通過し、前記第２の鏡で反射され、前記第２の１／４波長板、前記第１の偏光ビームスプリッタ、前記第２の１／２波長板、前記第２の偏光ビームスプリッタの順に通過する光であり、
    　前記第１の光と前記第２の光は、前記第２の偏光ビームスプリッタにおいて前記干渉光生成器内の第１の光路を伝搬する光と前記干渉光生成器内の第２の光路を伝搬する光を分岐することにより、得られる光である
    　ことを特徴とする音計測装置。
  6. 　請求項１に記載の音計測装置であって、
    　前記干渉計は、偏光ビームスプリッタと、ウォラストンプリズムと、２つの１／２波長板（以下、第１の１／２波長板、第２の１／２波長板という）と、２つの１／４波長板（以下、第１の１／４波長板、第２の１／４波長板という）と、２つの鏡（以下、第１の鏡、第２の鏡という）とを含み、
    　前記干渉光生成器内の第１の光路を伝搬する光は、前記第１の１／２波長板、前記偏光ビームスプリッタ、前記第１の１／４波長板、前記音測定部の順に通過し、前記第１の鏡で反射され、前記音測定部、前記第１の１／４波長板、前記偏光ビームスプリッタ、前記第２の１／２波長板、前記ウォラストンプリズムの順に通過する光であり、
    　前記干渉光生成器内の第２の光路を伝搬する光は、前記第１の１／２波長板、前記偏光ビームスプリッタ、前記第２の１／４波長板の順に通過し、前記第２の鏡で反射され、前記第２の１／４波長板、前記偏光ビームスプリッタ、前記第２の１／２波長板、前記ウォラストンプリズムの順に通過する光であり、
    　前記第１の光と前記第２の光は、前記ウォラストンプリズムにおいて前記干渉光生成器内の第１の光路を伝搬する光と前記干渉光生成器内の第２の光路を伝搬する光を分岐することにより、得られる光である
    　ことを特徴とする音計測装置。
  7. 　音計測装置が、音による光位相変調量φsを計測する音計測方法であって、
    　前記音計測装置に含まれ、干渉計と音を用いて光の位相を変調する音測定部とを含む干渉光生成器が、光源から射出された光から、前記音測定部により光位相変調した光を含む光（以下、第１の光という）と、前記第１の光とは異なる、前記音測定部により光位相変調した光を含む光（以下、第２の光という）とを得る干渉光生成ステップと、
    　前記音計測装置に含まれる第１の光検出器が、前記第１の光から電気信号（以下、第１の電気信号という）を得る第１光検出ステップと、
    　前記音計測装置に含まれる第２の光検出器が、前記第２の光から電気信号（以下、第２の電気信号という）を得る第２光検出ステップと、
    　前記音計測装置に含まれる差動信号生成器が、前記第１の電気信号と前記第２の電気信号からその差分である差動信号を得る差動信号生成ステップと、
    　前記音計測装置に含まれる光位相変調量調整器が、前記差動信号を誤差信号として、干渉縞の位相がミッドフリンジにあるように前記干渉計を固定することで、音以外の要素による光位相変調量φ0を調整する光位相変調量調整ステップとを含み、
    　前記第１の光に含まれる光位相変調した光の位相と前記第２の光に含まれる光位相変調した光の位相は、反転した関係にあり、
    　前記光位相変調量φsは、干渉縞の振幅IAを用いた式により表される前記差動信号の電流Δiとして計測され、
    　前記第１の光検出器と前記第２の光検出器は、予め定めたミッドフリンジ周辺の範囲を超える位相変動を生じさせる光が入力された場合、当該光検出器の出力電圧が飽和するように調整されている
    　音計測方法。
  8. 　請求項１ないし６のいずれか１項に記載の音計測装置としてコンピュータを機能させるためのプログラム。
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Title
光の位相で微弱な音を捉えます, YouTube[online][video]. 06 June 2021, <URL : https://www.youtube.com/watch?v=kjYQ2VQROec>, [retrieved on 11 January 2022] (Captures Weak sound with a phase of light) *

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