JPS6118300A

JPS6118300A - 光学的マイクロホン

Info

Publication number: JPS6118300A
Application number: JP13843084A
Authority: JP
Inventors: Michio Matsumoto; 松本　美治男; Katsunori Fujimura; 藤村　勝典
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1984-07-04
Filing date: 1984-07-04
Publication date: 1986-01-27

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】産業上の利用分野本発明は、光学的マイクロホンに関し、従って音圧の変
化によって光強度の変化を生じる音響−光変換器に関す
る。

従来例の構成とその問題点近年、半導体レーザや光ファイバなどが実用期に入った
ことにより、。光固有の特性を音響信号の計測や伝送に
利用した種々の変換原理に基づく光学的マイクロホンの
提案がなされている。

一般に、このような゛光学的マイクロホンの特徴は、光
の耐電磁誘導性や高品質伝送性に着目すると、照明２周
囲装置、電力供給線などから発生する電磁誘導の高い環
境や、長い信号伝送路を必要とする環境において、例え
ば、放送局のスタジオ。

工場などにおいて、高品質の収音・伝送が可能と・なる
ことである。又、光の耐環境性、小形・軽量性、安全性
などの特性に着目すると、例えば化学・石油プラント、
トンネル、炭鉱などの防災分野、又、血圧・心音測定な
どの医療分野においても有効となることである。

以下に従来の光学的マイクロホンとして、受音部での繰
返反射干渉を利用した光学的マイクロホンについて説明
する。

まず、繰返反射干渉による音響−光変換の原理について
、第１図および第２図を用いて説明する。

第１図は繰返反射干渉系の構成図である。１は第１の媒
質、２は第１の媒質１に対して間隔βをおいて平行に配
置した第２の媒質で、第１の媒質１と第２の媒質２との
対向面は共に平面である。

３は第１の媒質１と第２の媒質２との間の空気層である
。同図において、境界面Ａ、境界面Ｂは各々第１の媒質
１と空気層３との境界面、第２の媒質２と空気層３との
境界面である。ｒＡｚ　ｒｎは各々空気層３から媒質に
向って進行する光波に対する第１の媒質１および第２の
媒質２の振幅反射係数である。又、工ｉは第１の媒質１
がら空気層３への入射光、ＩＲは空気層３内の繰返反射
光、工。

は空気層３から第１の媒質１への帰還光である。

以上のように構成した系は、繰返反射干渉系を形成する
ことが知られている。

以上のように構成された繰返反射干渉系について以下そ
の動作について説明する。

入射光Ｉｉ　　を、第１媒質１を介して、境界面Ａに垂
直に空気層３に入射すると、入射光重、は境界面Ａで一
部反射され、残部は透過して空気層３に入射する。空気
層３に入射した光は、境界面人と境界面Ｂで反射を繰り
返し、境界面ムと境界面Ｂは繰返反射干渉系を形成する
。その繰返反射干渉、は、反射を繰り返す毎に一部が透
過光となって繰返反射干渉系の外（出射される。帰還光
ＩＯは繰返反射干渉系から第１の媒質１への透過光の合
成波である。入射光Ｉ主の波長をλ、全空気屈折率をｎ
とすると、繰返反射干渉系を１往復する光路差Δは、 Δ＝２ｎｄ　　　　・・・・・・・・・・・・　　　　
（１）で与えられる。又、その光路差による位相差δは
、で与えられる。このとき繰返反射干渉系から第１の媒
質１への透過光の合成波である帰還光重。の振幅反射係
数Ｒは、で与えられる。したがって、その強度反射係数ｌＲ１２
は、Ｈの絶対値を自乗す不ことにより、で与えられる。

第２図は、（４）式を基に、ｒＡ＝ｒＢ＝ｒとし、ｒを
パラメータにして計算した繰返反射干渉系の強ＮｒＢ　
の場合、強度反射係数ｌＲ１２に零点が現われなくなる
が、それでも曲線の形はこれらに類似したものになる。

強度反射係数ｌＲ１２はｎβに関し１の媒質１と第２の
媒質２との間隔βの変化Δｌが波長λより十分率ならば
、実用上ＩＲＩ　　はΔβと直線関係にあるとしてよい
。

以下に前述の繰返反射干渉を受音部に利用した従来の光
学的マイクロホンについて説明する。

第３図は繰返反射干渉を受音部に利用した従来の光学的
マイクロホンのシステム構成図である。

１０は単一モード直線偏光で発振しているヘリウム・ネ
オンガスレーザである。１１はレーザ出力光ａを参照光
すと計測光Ｃとに２分割する第１のビームスプリッタ、
１２は第１のビームスプリッタ１１によって分割された
参照光すの出射側に配置されたグレイフィルタ、１３は
グレイフィルタ１２を透過した光を検出する参照光用光
電子増倍管、１４は第１のビームスグリツタ１１の計測
光Ｃの出射側に配置された偏光板、１６は偏光板１４の
出射側に配置された％波長板、１６は％波長板１６の出
射側に配置された第２のビームスプリッタ、１７はビー
ム第２のスプリッタ１６の透過光軸上に配置されたレン
ズ、１８はレンズ１７に光学的に結合された光ファイバ
、１９は受音板、２Ｑは第２のビームスプリッタ１６の
、受音板１９からの帰還光ｄすなわち信号光ｅが回折出
射する側に配置されたマスク、２１はマスク２０を透過
した光を検出する信号光用光電子増倍管、２２は参照光
用光電子増倍管１３と信号光用光電子増倍管２１に電気
的に接続された差動増幅器、２３は差動増幅器２２の出
力端子である。

第４図は第３図に示した光学的マイクロホンの受音部１
９２Ｌの構造図である。２４は光ファイバ１８の端面と
受音板１９との空気層、２６は光ファイバ１８の光フア
イバホルダ、２６は受音板１９と光ファイバ１８の端面
を平行に固定するスペーサである。受音板１９は可動部
直径が２ｒｕＩＬ、厚さ１５７１ｍの雲母薄板製受音板
である。光ファイバ１８はコア直径６０μｍ　、クラッ
ド外径１６０μｍの光ファイバである。受音板１９およ
び光ファイバ１８の互いに対向する面は振幅反射率が０
．５になるようにアルミ蒸着されている。スペーサ２６
は、中心に光ファイバ１８のコア部に対応して小開口を
有し、受音板１９からの反射光がクラッド部へ入射する
のを阻止している。空気層２４は光フアイバホルダ２６
と光ファイバ１８との間の微小な空隙を介して外部に開
放されている。

以上のように構成された従来の光学的マイクロホンにつ
いて以下その動作について説明する。

まず、ヘリウム・ネオンガスレーザ１ｏから出射した光
ビームは、第１のビームスプリッタ１１により参照光す
と計測光Ｃとに２分割され、参照光すはグレイフィルタ
１２を経て、参照光用光電子増倍管１３によって検出さ
れ光電変換されて差動増幅器２２に入力する。一方、計
測光は偏光板１４および狐波長板１６を経て第２のビー
ムスプリッタ１６に導かれる。第２のビームスグリツタ
１６を透過した光はレンズ１７によりモード整合されて
光ファイバ１８に入射する。光ファイバ１８を伝幡した
光は、受音板１９に達し、受音板１９と光ファイバ１８
の端面間で繰返反射をおこなう。

受音板１９と光ファイバ１８の端面で形成された繰返反
射干渉系を通過し光ファイバ１８に帰還した帰還光ｄは
再び光ファイバ１８を逆方向に伝幡して第２のビームス
プリッタ１６を経て、さらにマスク２０を通過して信号
光用光電子増倍管２１に導かれ光電変換されて差動増幅
器２２に入力する。差動増幅器２２において、参照光用
光電子増倍管１３の出力と信号光用光電子増倍管２１の
出力とが差動増幅され、出力端子２３から最終出力が取
り出される。受音板１９に音圧が印加されると、受音板
１９が変位し、受音板１９と光ファイバ１８の端面で形
成される繰返反射干渉系の間隔−が変化するため、（４
）式の関係式に従って帰還光ｄの強度が変化する。受音
板１９の変位が入射光ｆの波長よりも十分率ならば、帰
還光の強度は受音板１９の変位と直線関係にあるとして
よい。このようにして、受音板１９の音圧に対する変位
は、出力端子２３から取り出される。このような構成の
光学的マイクロホンは、光ファイバ１８を長くすること
により、電気系を含まない光学系での遠隔測定が可能と
なり、耐電磁誘導性、高品質伝送性、耐環境性、小形・
軽量性、安全性の優れたマイクロホンを提供することが
できる。

しかしながら前記従来の構成では、光源にヘリウム・ネ
オンガスレーザを用いて波長を固定していたために、受
音部１９ａにおける繰返反射干渉系の最適動作点の設定
が困難であるという問題点を有していた。第６図は、受
音部１９１Ｌにおける繰返反射干渉系の動作点をパラメ
ータにして、入力波形すなわち受音板１９の振動波形と
、出力波形すなわち帰還光ｄの強度変化との関係を示し
た繰返反射、干渉系の入出力変換図である。縦軸は帰撫
光ｄの強度反射係数ＩＲＩ２．横軸は旦である。

λ 受音板１９および光ファイバ１８の端面の振幅反射係数
を共にｒ＝ｏ、ｓとした場合である。ｐ、　、　ｐ２゜
Ｐ３　は各々動作点を示す。このように動作点の設定値
により出力波形が変化する。マイクロホンとしては、変
換効率が高くかつ歪の小さい最適動作点に設定すべく、
繰返反射干渉系の間隔ｌを調整しなければならない。そ
のためには、少くなくとも波長λの一程度の精度でスペ
ーサを製作しなければならない。その値は、例えばヘリ
ウム・ネオンガスレーザの場合、λ＝　６３２８　Ａ　
ｆｘのテ約６０人程度の精度を必要とし、極めて困難で
ある。

又、変換効率を向上するには第２図から明らかなように
ｒを大きくすればよいが、その時さらにその困難度が増
すという問題点を有していた。

発明の目的本発明は上記従来の問題点を解消するもので、受音部の
繰返反射干渉系の最適動作点を容易に設定することので
きる光学的マイクロホンを提供することを目的とする。

発明の構成本発明は、単一波長でかつ連続して波長を変えることが
できる連続波長可変光源と、上記連続波長可変光源と光
学的に結合された光分岐器と、上記光分岐器の上記光源
からの入射光の出射端に光学的に結合された光ファイバ
と、上記光ファイバの出射端面との間で繰返反射干渉系
を形成する平面受音板と、上記光分岐器の、上記光ファ
イバを介して伝帳される上記平面受音からの帰還光の出
射端に光学的に結合された光検出器とを備えた光学的マ
イクロホンで、上記光源の波長を変化することにより、
受音部の繰返反射干渉系の最適動作点の設定を容易にす
ることができるものである。

実施例の説明第６゛図は本発明の第１の実施例における光学的マイク
ロホンのシステム構成図である。３０は連続波長可変光
源で連続波長可変レーザを用いている。３１は連続波長
可変光源３ｏの出射側に配置した集光レンズ、３２は集
光レンズ３１の出射側に配置された光分岐器で、連続波
長可変光源３０の出力光りを参照光、ｊと計測光にとに
２分割する。

光にの出射側に配置された光フアイバ結合用レンズ、３
５は光フアイバ結合用レンズ３４と光学的に結合された
光ファイバ、３６は光ファイバ３６の出射端に間隔Ｅを
おいて平行に配置された平面受音板で、可動部直径が２
Ｂ、厚さ２μｍのニッケル製の金属薄膜を用いている。

３７は光分岐器３２の、平面受音板３６からの帰還光ｍ
すなわち信号光ｐが回折出射する側に配置された信号光
用光検出器、３８は参照光用光検出器３３および信号光
用光検出器３７に電気的に接続された差動増幅器、３９
は差動増幅器３８の出力端子である。

以上のように構成された本実施例の光学的マイクロホン
について以下その動作を説明するみまず、連続波長可変
光源３０から出射された単一波長の光は、集光レンズ３
１を経て、光分岐器３２に導かれ、そこで参照光ｊと計
測光にとに２分割される。参照光ｊは参照光用光検出器
３３によりて光電変換される。一方、計測光には光７ア
イバ結合用レンズ３４を経て、光ファイバ３５の内部を
伝幡し、平面受音板３６と光ファイバ３６の端面とで形
成された繰返反射干渉系の内部に導かれる。そこで繰返
反射をおこない繰返反射干渉系を通過し光ファイバ３６
に帰還した光は、再び光ファイバ３６の内部を逆方向に
伝幡して、光フアイバ結合用レンズ３４および光分岐器
３２を経て、信号光用光検出器３７に導かれ、そこで光
電変換される。参照光用光検出器３３卦よび信号光用光
検出器３７の出力は、差動増幅器３８によって差動増幅
され、出力端子３９から取り出される。

いま、音圧が平面受音板３６に印加されると、平面受音
板３６が変位し、平面受音板３６と光ファイバ３５の端
面で形成される繰返反射干渉系の間隔Ｅが変化するため
、（４）式の関係式に従って帰還光ｍの強度が変化する
。平面受音板３６の変位が光源の波長よりも十分小なら
ば、帰還光ｍの強度は平面受音板３６の変位と直線関係
にあるとしてよい。このようにして、平面受音板３６の
音圧に対する変位は、出力端子３９から取り出される。

繰返反射干渉系の動作点は、第６図からも明らかなよう
に、ｎｌ　の値゛で決定される。したがって、λ 繰返反射干渉系の間隔ｌが固定されていても、波長λを
変化することによシ、最適動作点の設定が可能となる。

繰返反射干渉系の最適°動作点の設定は、一定周波数の
音圧を平面受音板３６に印加し、出力端子３９の出力波
形を観測しながら、その出力波形から変換効率が太きく
かつ歪が小さくなるように連続波長可変光源３００波長
を調節する。

入力音圧を徐々に大きくしていき、上記操作を繰り返す
。以上のようにして、繰返反射干渉系の最適動作点の設
定が終了すると、連続波長可変光源３０の波長を固定す
る。

以上のように本実施例によれば、単一波長でかつ連続し
て波長を変えることができる連続波長可変光源３Ｑと、
上記連続波長可変光源３０と光学的に結合された光分岐
器３２と、上記光分岐器３２の上記連続波長可変光源３
０からの入射光の出射端に光学的に結合された光ファイ
バ３５と、上記光ファイバ３６の出射端面に対向して平
行に配置され上記光ファイバ３５の出射端面との間で繰
返反射干渉系を形成する平面受音板３６と、上記光分岐
器３２の、上記光ファイバ３６を介して伝幡される上記
平面受音板３６からの帰還光にの出射端に光学的に結合
された光検出器３７とを備えた力学的マイクロホンで、
上記連続波長可変光源の波長を変化することにより、受
音部の繰返反射干渉系の最適動作点の設定が容易となる
。

以下本発明の第２の実施例について図面を参照しながら
説明する。

第７図は本発明の第２の実施例を示す光学的マイクロホ
ンのシステム構成図である。

第７図において、３１は集光レンズ、３２は光分岐器、
３３は参照光用光検出器、３４は光フアイバ結合用レン
ズ、３６は光ファイバ、３６は平面受音板、３７は信号
光用光検出器、３８は差動増幅器、３９は出力端子で、
以上は第６図の構成と同様なものである。第６図の構成
と異なるのは、第６図における連続波長可変光源３ｏを
連続スペクトル分布を有する光源４０と、その平行ビー
ム形成レンズ４１と、ファプリ・ペローのエタロン４２
とで形成した点である。連続スペクトル分布を有する光
源４ｏは発光ダイオードを用いた。

以上のように構成された第２の実施例の光学的マイクロ
ホンについて以下その動作を説明する。

まず、連続スペクトル分布を有する光源４０から出射し
た光は平行ビーム形成レンズ４１により平行ビームにさ
れ、ファベリ・ペローのエタロン４２に導かれる。ファ
プリ・ペローのエタロン４２に入射した光は、その共振
器長ｄで決まる特定の波長の光だけが波長選択されて出
射する。

第８図はファプリ・ペローのエタロン４２のフィルタ効
果を示す図で、第８図（ａ）はエタロン４２の入射光の
スペクトル分布図、第８図（ｂ）はエタロンの構成図、
第８図（０）はエタロン４２を通過した出射光のスペク
トル分布図である。ファプリ・ペローのエタロン４２か
ら出射した光は、以下箱１の実施例と同様な動作をする
。

以上のように本実施例によれば、単一波長で連続波長の
連続波長光源を、連続スペクトル分布を有する光源と、
ファブリ・ペローのエタロンとで形成し、エタロンの共
振器を変化することにより、受音部の繰返反射干渉系の
最適動作点の設定に対して第１の実施例と同様な効果が
得られる。

なお、第１の実施例において平面受音板３６は金属薄膜
としたが、平面受音板３６はポリニス系フィルムに金属
蒸着してなる受音板としてもよい。

また、第２の実施例において連続スペクトル分布を有す
る光源４０は発光ダイオードとしたが、連続スペクトル
分布を有する光源４０はハロゲンランプとしてもよい。

また、第２の実施例において、ファプＩＬ、・ペローの
エタロン４２は、誘電体の多層膜コーティングをし、波
長領域を限定したエタロンとすることで高品質の単一波
長が得られ、上記光学的マイクロホンの歪を低減できる
。

また、第２の実施例において、ファブリ・ペローのエタ
ロン４２は、エタロンを形成している可動ガラス板を圧
電セラミックで保持し、圧電セラムツクに電圧を印加し
エタロンの共振器長ｄを可変することにより、高精度で
共振器ｄの調整が可能となり、高精度で波長の調整すな
わち繰返反射干渉系の最適動作点の設定が可能となる。

さらに、出力端坪３９の出力の直流成分を圧電セラミッ
クに負帰還することにより、ファブリ・ペローのエタロ
ン４２によって型成される波長の変動を抑制することが
できる。

また、第１および第２の実施例において、平Ｔ受音圧板
３６および光ファイバ３５は、（４）式から明らかなよ
うにそれらが互に対向している面の振幅反射係数が同一
になるように、それぞれ誘電体の多層膜コーティングを
することにより、上記光学的マイクロホンのダイナミッ
クレンジを拡大することができる。

発明の効果本発明は、音響信号の計測・伝送に光を用いたことによ
り、電気系を含まない光学系での遠隔測定が可能となり
、耐電磁誘導性、高質伝送性、耐環境性、小形・軽量性
、安全性が優れることに加多て、光源を連続波長可変に
したことにより、変１換器の最適動作点の設定を可能に
かつ容易にでき、したがって変換器を高感度・低歪率に
設定でき、さらに、同一の振幅反射係数を有する繰返反
射干渉系を形成することにより、変換器のダイナミック
レンジを拡大することができる優れた光学的マイクロホ
ンを実現できるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は繰返反射干渉系の構成図、第２図は第との関係
図、第３図は従来の光学的マイクロホンのシステム構成
図、第４図は第３図の従来の光学的マイクロホンの受音
部の構造図、第５図は同受音部における繰返反射干渉系
の動作点をパラメータにした入出力変換図、第６図は本
発明の第１の実施例における光学的マイクロホンのシス
テム構成図、第７図は本発明の第２の実施例における光
学的マイクロホンのシステム構成図、第８図（２Ｌ）〜
（Ｃ）は第７図のエタロンのフィルタ効果を示す図であ
゛る。３ｏ・・・・・・連続波長可変光源、３１・・・・・・
集光レンズ、３２・・・・・・光分岐器、３３・・・・
・・参照光用光検出器、３４°°“・・・光ファイ、バ
結合用レンズ、３６・・・・・・光ファイ′４・３６−
°−パ平面受音板、３７・・・・・・信号光用光検出器
、３８・・・・・・差動増幅器、３９・・・・・・出力
端子、４ｏ・・・・・・連続スペクトル分布を有する光
源、４１−＝−・・・平行ビーム形成レンズ、４２・・
・・・ファフリ自ペローのエタロン。代理人の氏名　弁理士　中　尾　敏　男　ほか１名第１
図第２図第３図第５図第６図７図第８図（ｉｌｌ、ン　　　　　　　　　　　　（ｂ）　　　　
　　　　　　　　（Ｃ）、２

Claims

【特許請求の範囲】

（１）単一波長でかつ連続して波長を変えることができ
る連続波長可変光源と、上記連続波長可変光源と光学的
に結合された光分岐器と、上記光分岐器の、上記連続波
長可変光源からの入射光の出射端に光学的に結合された
光ファイバと、上記光ファイバの出射端面に対向して平
行に配置され上記光ファイバの出射端面との間で繰返反
射干渉系を形成する平面受音板と、上記光分岐器の上記
光ファイバを介して伝幡される上記平面受音板からの帰
還光の出射端に光学的に結合された光検出器とを備えた
ことを特徴とする光学的マイクロホン。
（２）連続波長可変光源は、連続スペクトル分布を有す
る光源と、共振器長を可変としたファブリ・ペローのエ
タロンとで形成した光源であることを特徴とする特許請
求の範囲第１項記載の光学的マイクロホン。
（３）連続波長可変光源は、連続波長可変レーザである
ことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の光学的マ
イクロホン。
（４）平面受音板は、金属薄膜からなる受音板であるこ
とを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の光学的マイ
クロホン。
（５）平面受音板は、ポリエステル系フィルムに金属蒸
着してなる受音板であることを特徴とする特許請求の範
囲第１項記載の光学的マイクロホン。
（６）平面受音板および光ファイバは、それらが互いに
対向している面の振幅反射係数が同一になるように、そ
れぞれ誘電体の多層膜コーティングしたことを特徴とす
る特許請求の範囲第１項記載の光学的マイクロホン。
（７）連続スペクトル分布を有する光源はハロゲンラン
プであることを特徴とする特許請求の範囲第２項記載の
光学的マイクロホン。
（８）連続スペクトル分布を有する光源は発光ダイオー
ドであることを特徴とする特許請求の範囲第２項記載の
光学的マイクロホン。
（９）エタロンは、エタロンを形成している可動ガラス
板が圧電セラミックで保持され、圧電セラミックに電圧
を印加することによりエタロンの共振器長を可変にした
ことを特徴とする特許請求の範囲第２項記載の光学的マ
イクロホン。
（１０）エタロンは、誘電体の多層膜コーティングをし
波長領域を限定したエタロンであることを特徴とする特
許請求の範囲第２項記載の光学的マイクロホン。