振動検出装置
【課題】振動検出における指向特性を電気的な加算によらずに実現すること。
【解決手段】本発明は、レーザ光源１０から出射されたレーザ光を反射可能な第１の振動膜１５１および第２の振動膜１５２と、偏光ビームスプリッタ１３０とを含んで構成され、レーザ光を偏光ビームスプリッタ１３０によって第１および第２の光路に分離するとともに、第１の光路において第１の振動膜１５１により反射された反射光と第２の光路において第２の振動膜１５２により反射された反射光とを互いに干渉させて干渉縞を形成するマイケルソン型干渉計と、この干渉縞に基づき、第１の振動膜１５１および第２の振動膜１５２の振動を量子化して検出する検出手段とを備える振動検出装置である。
【解決手段】本発明は、レーザ光源１０から出射されたレーザ光を反射可能な第１の振動膜１５１および第２の振動膜１５２と、偏光ビームスプリッタ１３０とを含んで構成され、レーザ光を偏光ビームスプリッタ１３０によって第１および第２の光路に分離するとともに、第１の光路において第１の振動膜１５１により反射された反射光と第２の光路において第２の振動膜１５２により反射された反射光とを互いに干渉させて干渉縞を形成するマイケルソン型干渉計と、この干渉縞に基づき、第１の振動膜１５１および第２の振動膜１５２の振動を量子化して検出する検出手段とを備える振動検出装置である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、振動体の変位を光学的に検出する振動検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のマイクロホンでは、アナログケーブルでの長距離の引き回しによるノイズの増加や、コンデンサマイクに対してミキシングコンソールからファンタム電源を供給しなければならない。録音・制作システムがすべてデジタル化している中でマイクをデジタル化するメリットは大きい。
【０００３】
そこで、近年、デジタル方式のマイクロホンがいくつか提案されている（例えば、特許文献１、２参照。）。また、これらに関連する技術として、例えば特許文献３に開示された変位検出装置が提案されている。
【０００４】
【特許文献１】特開平１０−３０８９９８号公報
【特許文献２】特開平１１−１７８０９９号公報
【特許文献３】特開２００３−３２２５５２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ここで、マイクロホンの指向性について、全指向性マイクカプセルと双指向性マイクカプセル、あるいは２組の相反する方向を向いた単一指向性マイクカプセルを組み合わせ、出力信号を電気的に合成する方式の技術は存在するものの、微小信号レベルでの信号合成をマイクカプセルの近傍で、低ノイズで高精度に行なう必要があり、信号の劣化を伴うという問題が生じる。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明はこのような課題を解決するために成されたものである。すなわち、本発明は、レーザ光を出射する光源と、光源から出射されたレーザ光を反射可能な第１の振動体および第２の振動体と、ビームスプリッタとを含んで構成され、光源から出射されたレーザ光をビームスプリッタによって第１および第２の光路に分離して進行させるとともに、第１の光路において第１の振動体により反射された反射光と第２の光路において第２の振動体により反射された反射光とを互いに干渉させて干渉縞を形成するマイケルソン型干渉計と、干渉計によって形成された干渉縞に基づき、第１の振動体および第２の振動体の振動を量子化して検出する検出手段とを備える振動検出装置である。
【０００７】
このような本発明では、２つの振動体による２つの光路によって干渉縞を形成し、この干渉縞に基づき振動を量子化することから、電気的加算によらず光学的な光路長差によって２つの振動体の振動における合成出力を検出できるようになる。
【０００８】
ここで、第１の振動体および第２の振動体としては、振動の検出において互いに異なる指向性を有するものや、いずれか一方は振動検出における指向性が全指向特性を有し、他方は振動検出における指向性が双指向特性を有するものを用いている。これにより、２つの振動体の合成出力が特定の指向性を持った振動検出値となる。
【０００９】
この際、干渉計として、第１の光路と第１の振動体との相対的な位置および第２の光路と第２の振動体との相対的な位置を変更可能に設けることで、これら相対的な位置に応じて２つの振動体の合成出力の合成の割合を変更でき、指向性特性を変更できるようになる。これら相対的な位置を変更するには、振動体の位置を変更できる機構を設けるほか、光路をずらす機構を設けることが考えられる。
【発明の効果】
【００１０】
したがって、本発明によれば、２種類の振動体による出力を合成する場合、電気的加算の手法を使わずに、純粋に光学的に光路長差という形で合成出力を検出するため、加算による信号の劣化が全くなく、微小信号レベルでも低ノイズで高精度な振動検出を行うことが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明の実施の形態を図に基づき説明する。
【００１２】
＜振動検出装置の構成＞
図１は、本実施形態に係る振動検出装置（光学式のマイクロホン装置１）の構成を示すブロック図である。このマイクロホン装置１は、音波Ｓｗに応じて振動する振動膜を利用して量子化された音声信号Ｓｏｕｔを出力するものであり、レーザ光源１０と、コリメータレンズ１０Ａと、偏光板１１０と、第１の振動膜１５１および第２の振動膜１５２と、偏光ビームスプリッタ（後述する偏光ビームスプリッタ１３０）および２つのλ／４板（後述するλ／４板１６１、１６２）を含むマイケルソン干渉計に準ずる構成の干渉計と、デジタル信号である出力信号（音声信号Ｓｏｕｔ）を出力する検出部とを備えている。
【００１３】
レーザ光源１０は、レーザ光Ｌｏｕｔを出射するものであり、例えばマルチモード（ファブリペロー型）のレーザ光源（例えば、端面発光型の半導体レーザ光源）や、シングルモードのレーザ光源（例えば、面発光型の半導体レーザ光源やＤＦＢ（Distributed Feed-Back）レーザなど）などにより構成される。
【００１４】
偏光板１１０は、レーザ光源１０から出射されたレーザ光Ｌｏｕｔの直線偏光の方向を変えるためのものである。具体的には、この偏光板１１０を通過したレーザ光Ｌｏｕｔの直線偏光の方向が後述する偏光ビームスプリッタ１３０により分割されるｓ偏光波とｐ偏光波との光強度がほぼ等しくなるように偏光軸が設定されている。
【００１５】
なお、レーザ光源１０自体を回転させることで出射されるレーザ光Ｌｏｕｔの直線偏光の方向をそのような方向に設定可能なのであれば、偏光板１１０を必ずしも設けなくともよい。ただし、本実施の形態のように偏光板１１０を設けた場合には、レーザ光源１０自体の回転位置の精度によらず、偏光ビームスプリッタ１３０への入射光の直線偏光の方向を上記のように設定することができる。また、λ／２板を使用しても同様の効果が得られる。
【００１６】
＜干渉計の構成＞
干渉計は、偏光ビームスプリッタ１３０と、第１の振動膜１５１と、第２の振動膜１５２と、３つのλ／４板１６１、１６２、１６３と、ビームスプリッタ１２０と、２つの偏光板１１１、１１２とから構成されている。
【００１７】
偏光ビームスプリッタ１３０は、レーザ光源１０から発せられ偏光板１１０を通過したレーザ光Ｌｏｕｔを、２つの光路、すなわち第１の振動膜１５１側の反射光路（第１の光路）と、第２の振動板１５２側の反射光路（第２の光路）とに分離して進行させるためのものである。具体的には、詳細は後述するが、この偏光ビームスプリッタ１３０では、第１の光路側にレーザ光のＰ偏光成分ｐｏが、第２の光路側にレーザ光のＳ偏光成分ｓｏがそれぞれ進行するように設定されている。
【００１８】
なお、前述のように、この偏光ビームスプリッタ１３０へ入射するレーザ光Ｌｏｕｔの直線偏光の方向は、偏光ビームスプリッタ１３０の有する２つの偏光軸(Ｓ偏光軸およびＰ偏光軸）に対してそれぞれ４５度ずつ異なる方向となるように設定されているため、入射するレーザ光Ｌｏｕｔは、Ｐ偏光成分ｐｏとＳ偏光成分ｓｏとでほぼその光強度が等しくなるように分離されるようになっている。
【００１９】
第１の振動膜１５１は音波Ｓｗに応じて変位するものであり、例えばコンデンサマイクに使用されるものと同様に、表面が金蒸着された振動膜などにより構成される。この第１の振動膜１５１は、レーザ光Ｌｏｕｔを高い反射率で反射可能となっている。
【００２０】
第２の振動膜１５２は音波Ｓｗに応じて変位するものであり、例えばコンデンサマイクに使用されるものと同様に、表面が金蒸着された振動膜などにより構成される。この第２の振動膜１５２は、レーザ光Ｌｏｕｔを高い反射率で反射可能となっている。
【００２１】
λ／４板１６１は、偏光ビームスプリッタ１３０と第１の振動板１５１との間の光路上に配設され、λ／４板１６２は、偏光ビームスプリッタ１３０と第２の振動板１５２との間の光路上に配設されている。
【００２２】
ビームスプリッタ１２０は、ビームスプリッタ１３０を介して入射するレーザ光ＬｏｕｔのＳ偏光成分ｓ１（第１の反射光）およびＰ偏光成分ｐ１（第２の反射光）をそれぞれ、偏光板１１１側の光路と偏光板１１２側の光路とに分離して進行させるものである。
【００２３】
偏光板１１１、１１２は、それぞれ入射するＳ偏光成分ｓ１（第１の反射光）の偏光方向およびＰ偏光成分ｐ１（第２の反射光）の偏光方向からそれぞれ４５度傾いた方向に偏光軸を有する偏光板である。このような構成により詳細は後述するが、これら偏光板１１１、１１２において、Ｓ偏光成分ｓ１とＰ偏光成分ｐ１とが互いに干渉して干渉縞が形成されるようになっている。なお、λ／４板１６３は、ビームスプリッタ１２０と偏光板１１１との間の光路上に配設されている。
【００２４】
このような構成により本実施の形態の干渉計では、レーザ光源１０から発せられたレーザ光Ｌｏｕｔが２つの光路（第１および第２の光路）に分離されて進行する。具体的には、偏光ビームスプリッタ１３０、λ／４板１６１、第１の振動膜１５１、λ／４板１６１、偏光ビームスプリッタ１３０、ビームスプリッタ１２０、偏光板１１１、１１２およびλ／４板１６３を通る第１の光路（第１の反射光路）と、偏光ビームスプリッタ１３０、λ／４板１６２、反射板１５２、λ／４板１６２、偏光ビームスプリッタ１３０、ビームスプリッタ１２０、偏光板１１１、１１２およびλ／４板１６３を通る第２の光路（第２の反射光路）とに分離されて進行する。
【００２５】
この際、第１の反射光路においてλ／４板１６１を介して振動膜１５１により反射された光ｐ０はｓ偏光に変換されｓ１となり（Ｓ偏光成分ｓ１、第１の反射光）と、第２の反射光路においてλ／４板１６２を介して反射板１５２により反射された光ｓ０はｐ偏光に変換されたｐ１（Ｐ偏光成分ｐ１、第２の反射光）とが偏光板１１１、１１２において互いに干渉し、干渉縞が形成されるようになっている。
【００２６】
＜検出部の構成＞
検出部は、２つの光電変換素子１７１、１７２と、デジタルカウント部１８１とから構成されている。
【００２７】
光電変換素子１７１、１７２は、偏光板１１１、１１２上に形成された干渉縞を検出して光電変換し、それぞれ出力信号 Ｓｘ、Ｓｙを出力するものである。これら光電変換素子１７１、１７２は、例えばＰＤ(Photo Diode)などにより構成される。
【００２８】
デジタルカウント部１８１は、光電変換素子１７１、１７２からそれぞれ出力される出力信号Ｓｘ、Ｓｙを、例えば図２に示したようなリサージュ図形を用いて後述する所定のカウントタイミングでカウントすることで量子化し、デジタル信号である出力信号（音声信号Ｓｏｕｔ)を出力するものである。なお、このようなリサージュ図形を用いたデジタルカウント方法については、後ほど詳述する。
【００２９】
次に、図３を参照して、本実施の形態のマイクロホン装置１を単一の基体上で形成した場合の構成例について説明する。ここで図３は、図１に示したマイクロホン装置１を単一の基体上で形成した場合の平面構成を表したものである。
【００３０】
図３に示したマイクロホン装置１では、アルミダイキャスト等のべース（基体１００Ａ）上に、レーザ光源１０、このレーザ光Ｌｏｕｔを集光するためのコリメータレンズ１０Ａ、偏光ビームスプリッタ１３０、第１の振動膜１５１、この第１の振動膜１５１を両端から支持する支持部１５１Ａ、第２の振動膜１５２、この第２の振動膜１５２を両端から支持する支持部１５２Ａ、偏光板１１１、１１２、ビームスプリッタ１２０、反射ミラーＭ１、λ／４板１６１〜１６３および光電変換素子１７１、１７２がそれぞれ配設されている。
【００３１】
このうち、偏光ビームスプリッタ１３０、λ／４板１６１、１６２および反射ミラーＭ１が互いに張り合わせられ一体化して配置されるとともに、ビームスプリッタ１２０およびλ／４板１６３も互いに張り合わせられ一体化して配置されている。
【００３２】
なお、図３のマイクロホン装置１には偏光板１１０が設けられていないが、この偏光板１１０を設けるようにしてもよい。このようにディスクリート光学部材を用いて構成されることで、図３に示したマイクロホン装置１では、小型（コンパクト）かつ堅固な構成となっている。この場合の装置の幅Ｌ１、Ｗ１（図３参照）としては、例えば、Ｌ１＝２０ｍｍ程度以下、Ｗ１＝１２ｍｍ程度以下にすることが可能である。
【００３３】
＜振動検出の基本動作＞
次に、図１および図２を参照して、本実施の形態のマイクロホン装置１の動作について詳細に説明する。
【００３４】
このマイクロホン装置１では、図１に示したように、レーザ光源１０からレーザ光Ｌｏｕｔが出射されて偏光板１１０を通過すると、このレーザ光Ｌｏｕｔの直線偏光の方向が変更され、偏光ビームスプリッタ１３０の有する２つの偏光軸（Ｓ偏光軸およびＰ偏光軸）に対してそれぞれ４５度ずつ異なる方向となる。
【００３５】
次に、偏光板１１０を通過したレーザ光Ｌｏｕｔは、偏光ビームスプリッタ１３０により、第１の振動膜１５１側の反射光路（第１の光路）と、第２の振動膜１５２側の反射光路（第２の光路）とに約５０％ずつ分離され進行する。これにより、レーザ光Ｌｏｕｔは、第１の反射光路を進行するＰ偏光成分ｐｏと、第２の反射光路を進行するＳ偏光成分ｓｏとに分離される。すなわち、偏光ビームスプリッタ１３０では、Ｓ偏光成分の光が反射されるとともに、Ｐ偏光成分の光が透過するようになっている。
【００３６】
ここで、Ｐ偏光成分ｐｏは、λ／４板１６１を通過すると直線偏光から円偏光となり、その後、第１の振動膜１５１で反射されると逆向きの円偏光となり、再びλ／４板１６１を通過することで、Ｓ偏光成分ｓ１（第１の反射光）に変換される。そしてこのＳ偏光成分ｓ１は上記のように偏光ビームスプリッタ１３０において反射されるため、第１の反射光路上をビームスプリッタ１２０の方向へ進行する。
【００３７】
一方、第２の反射光であるＳ偏光成分ｓ０は、λ／４板１６２を通過すると直線偏光から円偏光となり、その後、第２の振動膜１５２で反射されると逆向きの円偏光となり、再びλ／４板１６２を通過することで、Ｐ偏光成分ｐ１に変換される。そしてこのＰ偏光成分ｐ１は上記のように偏光ビームスプリッタ１３０を透過するため、第２の反射光路上をビームスプリッタ１２０の方向へ進行する。
【００３８】
なお、この際、同じ光路（反射光路および参照光路）を進行するＳ偏光成分ｓ１およびＰ偏光成分ｐ１は、互いに偏光方向が９０度異なるため、干渉し合うことはない。
【００３９】
次に、第１の反射光路および第２の反射光路を進行するＳ偏光成分ｓ１およびＰ偏光成分ｐ１は、それぞれビームスプリッタ１２０により偏光板１１１側の光路と偏光板１１２側の光路とに約５０％ずつに分離されて進行し、偏光板１１１、１１２へそれぞれ到達する。
【００４０】
その際、偏光板１１１側の光路では途中にλ／４板１６３が挿入配置されているため、偏光板１１１へ到達したＳ偏光成分ｓ１およびＰ偏光成分ｐ１と、偏光板１１２へ到達したＳ偏光成分ｓ１およびＰ偏光成分ｐ１とでは、位相が互いに９０度異なることになる。そして偏光板１１１、１１２は、それぞれＳ偏光成分ｓ１の偏光方向およびＰ偏光成分ｐ１の偏光方向からそれぞれ４５度傾いた方向に偏光軸を有するため、これらＳ偏光成分ｓ１およびＰ偏光成分ｐ１の位相が互いに９０度異なっている本実施の形態の場合でも、偏光板１１１、１１２においてＳ偏光成分ｓ１とＰ偏光成分ｐ１とが互いに干渉し合い、干渉縞が形成される。
【００４１】
次に、偏光板１１１、１１２上に形成された干渉縞は、それぞれ光電変換素子１７１、１７２により検出される。ここで、光電変換素子１７１、１７２では互いに位相が９０度ずれた状態で干渉縞が検出されることになる。
【００４２】
そして、光電変換素子１７１で検出された干渉縞は電気信号に変換され、出力信号Ｓｘとして出力される一方、光電変換素子１７２で検出された干渉縞も電気信号に変換され、出力信号Ｓｙとして出力される。
【００４３】
次に、デジタルカウント部１８１では、光電変換素子１７１、１７２からの出力信号 Ｓｘ、Ｓｙがそれぞれ、Ｘ信号およびＹ信号とみなされ、例えば図２に示したような円状または円弧状のリサージュ図形が生成される。具体的には、まず、（Ｘ，Ｙ）信号による干渉縞の強度の中央値を中心点Ｃ（ＣX，ＣY）として、以下の（１），（２）式の演算を行うことにより、（Ｘ，Ｙ）信号が、ＤＣ成分が除去された（ｘ，ｙ）信号に変換される。
【００４４】
ｘ＝Ｘ−ＣX …（１）
ｙ＝Ｙ−ＣY …（２）
【００４５】
すると、上記（１），（２）式の演算により、信号点（ｘ，ｙ）の動きから、図２に示したように中心点Ｃを中心とする円周上を運動するリサージュ図形が得られる。このとき、光電変換素子１７１、１７２で検出された検知ポイント（例えば、図中の信号点ＰＯ)はこの円周上の１点であり、第１の振動膜１５１および第２の振動膜１５２の変位の合成に従って円周上を変位することになる。
【００４６】
したがって、このような信号点ＰＯが所定の基準点（例えば、ｘ軸およびｙ軸上の４つの基準点Ｐａ〜Ｐｄ）を通過する回数をカウントすれば、干渉縞の強度が一義的に決まるため、第１の振動膜１５１および第２の振動膜１５２の合成の変位をデジタルで検知したこととなり、そのカウントされた回数が角度αの情報であるデジタル信号の音声信号Ｓｏｕｔとして出力される。なお、このように４つの基準点Ｐａ〜Ｐｄを基準点としてカウントした場合、干渉縞が９０度（１／４波長）変動する度にカウントすることを意味することになる。後述のように、この円周上の基準点の数を増やすことによって検出の分解能を上げることが可能であるが、ｘ、ｙの値をAD変換し、θ＝arctan(x/y) の演算をデジタル的に行なうことにより図２における角度θが求められるため、デジタルデータの語長を長くすれば分解能を向上することができる。さらに上記カウントを併用することで、arctanの演算範囲を超える変位でも高精度に検出できる。
【００４７】
以上のように本実施の形態では、レーザ光源１０からのレーザ光Ｌｏｕｔを偏光ビームスプリッタ１３０によって２つの光路（第１および第２の光路）に分離して進行させるとともに、第１の光路（第１の反射光路）においてλ／４板１６１を介して第１の振動膜１５１により反射されたＳ波成分ｓ２（第１の反射光）と、第２の光路（第２の反射光路）においてλ／４板１６２を介して第２の振動板１５２により反射されたＰ波成分ｐ１（第２の反射光）とを互いに干渉させて干渉縞を形成し、この干渉縞に基づき第１の振動膜１５１および第２の振動膜１５２の合成の振動を量子化して検出するようにしたので、従来と比べてよりコンパクトな構成によって、振動膜の振動を光学的にデジタル検出することができる。
【００４８】
具体的には、干渉計としてマイケルソン干渉計に準ずる構成の干渉計を用いるようにしたので、小型かつ簡易な構成で実現することができる。よって、光学的にデジタル振動検出を行う振動検出装置（マイクロホン装置）において装置の小型化を図ることが可能となる。
【００４９】
また、偏光ビームスプリッタ１３０およびλ／４板１６１、１６２を用いて干渉計を構成するようにしたので、純粋なマイケルソン干渉計の場合に生ずる、レーザ光源１０に対するレーザ光Ｌｏｕｔの戻り光を回避することができ、レーザ光源１０でのノイズ発生を回避することが可能となる。よって、純粋なマイケルソン干渉計を用いて構成した場合と比べて良好なＳ／Ｎ比を得ることができ、第１の振動膜１５１および第２の振動膜１５２の振動の検出精度を向上させることが可能となる。
【００５０】
また、干渉縞の検出を２つの光電変換素子１７１、１７２を用いて行うとともに、これら光電変換素子１７１、１７２で検出する干渉縞の位相差がそれぞれ互いにほぼ９０度になるように設定したので、円形状のリサージュ図形を以下のように形成させることができ、検出を容易に行うことができる。
【００５１】
さらに、２つの光電変換素子１７１、１７２からの出力信号Ｓｘ、ＳｙをそれぞれＸ信号およびＹ信号とし、これらＸ，Ｙ信号に基づく円状または円弧状のリサージュ図形を生成するようにしたので、干渉縞の検知ポイントがそれぞれ第１の振動膜１５１および第２の振動膜１５２の合成の変位に従って円周上を変位するようになり、所定の基準点を通過する回数をカウントすることにより、第１の振動膜１５１および第２の振動膜１５２の合成の変位をデジタルで検知することが可能となる。
【００５２】
＜振動膜の変位の合成＞
本実施形態に係る振動検出装置（マイクロホン装置）では、２つの振動膜を用いてこれらの振動の合成を光学的に行う構成であり、合成の割合によってマイクロホン装置の振動（音波）検出における指向性を持たせることができる。特に、２つの振動膜が違いに異なる指向性を有するものを用いると、指向性の特性を顕著に制御できることになる。以下、この合成の説明を行うにあたり、２つの振動膜のうち一方が全指向性マイクカプセル、他方が双指向性マイクカプセルの場合を例とする。
【００５３】
図１に示すマイクロホン装置１に用いられる２つの振動膜１５１、１５２のうち、第１の振動膜１５１が双方向性カプセル、第２の振動膜１５２が全指向性マイクカプセルとなっている。ここで、２つの振動膜１５１、１５２は、音波入射方向に第２の振動膜（全指向性マイクカプセル）１５２が向けられ、それと直角方向に第１の振動膜（双指向性マイクカプセル）１５１が向けられている。これは振動膜にレーザを直角に反射させるため都合のよい配置になっている。
【００５４】
レーザ光源１０から出射されたレーザ光Ｌｏｕｔは偏光板１１０を通り偏光ビームスプリッタ１３０にてＳ偏光成分は全指向性マイクカプセル（第２の振動膜１５２）側へ、Ｐ偏光成分は双指向性マイクカプセル（第１の振動膜１５１）へと分岐する。全指向性マイクカプセル（第２の振動膜１５２）側へ分岐した光はλ／４板１６２を通過し円偏光になり第２の振動膜１５２で反射した後、再びλ／４板１６２を通過するためＰ偏光となり、偏光ビームスプリッタ１３０を透過する。
【００５５】
一方、双指向性マイクカプセル（第１の振動膜１５１）側へ向かう光はλ／４板１６１を通過し円偏光になり第１の振動膜１５１で反射した後、再びλ／４板１６１を通過するためＳ偏光となり、偏光ビームスプリッタ１３０にて反射される。そして、この２つの光はビームスプリッタ１２０で２分岐され互いに９０度の位相差が生じるような角度で配置された偏光板１１１、１１２を通過し、干渉縞を生じる。
【００５６】
各カプセルでは音圧の入力に従いその振動膜に変位が生じる。ここで、全指向カプセル側アームの光路長をＬａ、生じる変位をδa、双指向性側アームの光路長をＬｂ、生じる変位をδbとすると。光路差ΔＬ、光強度Ｉａ，Ｉｂは次のように表される。
【００５７】
ΔＬ＝（Ｌａ＋δａ）−（Ｌｂ＋δｂ）
Ｉａ＝Ａ2＋Ｂ2＋２ＡＢｃｏｓ（２πΔＬ／λ）
Ｉｂ＝Ａ2＋Ｂ2＋２ＡＢｃｏｓ｛（２πΔＬ／λ）＋（π／２）｝
ここで、Ａ，Ｂは干渉する２光束の振幅、λはレーザ光波長である。
【００５８】
干渉縞の可視度が最大となるＬａ＝Ｌｂとなるように光路を調整すると、ΔＬ＝δａ−δｂとなる。これらの光強度を光電変換素子にて電気信号に変換し、ＤＣ成分であるＡ2＋Ｂ2の成分をカットし９０度の位相差を持ったＡＣ成分の比をａｒｃｔａｎ変換すれば角度成分が求まり、光路差ΔＬに比例する成分を演算により求めることができる。このデータをサンプリング周波数の周期で取り込むことで音声信号を取り出すことができる。
【００５９】
一方、図４に示すように、第１の振動膜および第２の振動膜であるマイクカプセル側には、レーザ光のビームスポット位置をずらすことができる機構が設けられており、中心からの距離ｄを変更できるようになっている。
【００６０】
振動膜の変位は、ビームスポットが振動膜の中心から遠ざかるほど小さくなり、振動膜の固定端で変位がゼロになる。図４のように、中心からの距離ｄ1の時の変位をδ1とすると、調整機構によりｄ2にビームスポット位置を移動させると変位をδ2に変化させることができる。このビームスポット位置調整機構は２つのマイクカプセルのそれぞれに設けられており、振動膜の受ける音圧に対する変位の割合を変えることができるようになっている。なお、この機構はマイクカプセル側をビームと直交方向に移動させるものであるが、レーザ光源や偏光ビームスプリッタ等を移動し、振動膜の位置に対する相対的なビーム位置を変えるような機構であってもよい。
【００６１】
ここで、便宜的にそれぞれのマイクカプセルの指向性特性をｆ1（θ）＝１、ｆ2（θ）＝ｃｏｓθとし、全指向性マイクカプセルに対する調整機構による減衰係数をa、双指向性マイクカプセルに対する減衰係数をｂとすると、本実施形態の振動検出装置（マイクロホン装置）の指向特性は図５、図６のようになる。すなわち、ａ＝１、ｂ＝０では図５に示すような全指向特性を示し、ａ＝０、ｂ＝１では図６に示すような双指向特性を示す。
【００６２】
また、減衰係数ａ、ｂをかけた各特性はｆ1（θ）＝ａ、ｆ2（θ）＝ｂ・ｃｏｓθとなる。また、それぞれの音圧特性は、振動膜の変位量に比例することからそれぞれの変位量をδ１、δ２とすると、感度係数Ｋをかけて、δ1（θ）＝Ｋａ、δ2（θ）＝Ｋｂ・ｃｏｓθとなる。
【００６３】
したがって、光路長差ΔＬは、ΔＬ＝δ1−δ2＝Ｋ（ａ−ｂ・ｃｏｓθ）と表され、（ａ−ｂ・ｃｏｓθ）に比例した振動膜の変位量を検出することが可能になる。
【００６４】
ここで、（ａ−ｂ・ｃｏｓθ）の値は、前述の移動機構により調整が可能であり、ａの値とｂの値との組み合わせによって全指向性、双指向性のほか、図７に示すカージオイド（Cardioid）、図８に示すハイパー・カージオイド（Hyper Cardioid）、図９に示すスーパー・カージオイド（Super Cardioid）などの各種の指向特性を実現することが可能となる。
【００６５】
前述の移動機構によりａおよびｂの値の組み合わせを設定する場合、予め決められたパターンを用意しておき、ユーザの選択を受け付けて、その受け付けたパターンに設定したり、ａおよびｂの値を連続的に変化できるような機構を設けておいてもよい。また、指向性の特性によって複数のパターンを設けておき、指向性の特性をユーザによって選択させて、その選択した指向性のパターンに合わせてａおよびｂの値を設定するようにしてもよい。
【００６６】
なお、上記実施形態では、第１の振動膜１５１として双指向性マイクカプセル、第２の振動膜１５２として全指向性マイクカプセルを用いる例を示したが、これ以外の指向性を有するマイクカプセルを用いてもよい。例えば、第１、第２の振動膜１５１、１５２とも単一指向性のマイクカプセルを用い、両者を相直角に配置すれば、上記説明した減衰係数ａ、ｂの割合によって単一指向性の方向を９０度の範囲で選択できるようになる。
【００６７】
以上、本実施形態に係る振動検出装置を説明したが、本発明はこの実施形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。例えば、上記実施形態では、リサージュ図形上に４つの基準点Ｐａ〜Ｐｄを設けてデジタルカウントを行う場合について説明したが、基準点の数はこれに限らず、例えば、図１０に示したように、４つの基準点Ｐａ〜Ｐｄに加えて例えば基準線Ｅ〜Ｈを用い、さらに基準点を細かく設定して増やすようにしてもよい。このように構成した場合、カウント数を増やすことができるので、出力信号Ｓｏｕｔの値を大きくし、検出感度をより向上させることが可能となる。
【００６８】
また、上記実施形態では、レーザ光Ｌｏｕｔを発する光源として半導体レーザを挙げて説明したが、これ以外にも例えば、ガスレーザや固定レーザなどを用いるようにしてもよい。
【００６９】
また、上記実施形態では、本発明の振動検出装置の一例として、振動体が音波に応じて振動する振動膜（第１の振動膜１５１、第２の振動膜１５２)であり、この振動膜１５１、１５２の振動を音声信号Ｓｏｕｔとして検出する光学式マイクロホン装置について説明したが、本発明の振動検出装置はこれには限られず、他の振動を検出するように構成してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００７０】
【図１】本実施形態に係る振動検出装置（光学式のマイクロホン装置）の構成を示すブロック図である。
【図２】デジタルカウント部において作成されるリサージュ図形の一例を示す図である。
【図３】本実施形態に係る振動検出装置を単一の基体上に配置した場合の構成例を示す平面図である。
【図４】振動膜に当たるビームスポット位置による変位の違いを説明する模式図である。
【図５】本実施形態に係る振動検出装置（光学式のマイクロホン装置）の指向特性の例を示す図（その１）である。
【図６】本実施形態に係る振動検出装置（光学式のマイクロホン装置）の指向特性の例を示す図（その２）である。
【図７】本実施形態に係る振動検出装置（光学式のマイクロホン装置）の指向特性の例を示す図（その３）である。
【図８】本実施形態に係る振動検出装置（光学式のマイクロホン装置）の指向特性の例を示す図（その４）である。
【図９】本実施形態に係る振動検出装置（光学式のマイクロホン装置）の指向特性の例を示す図（その５）である。
【図１０】本実施形態の変形例に係るリサージュ図形の一例を示す図である。
【符号の説明】
【００７１】
１…マイクロホン装置、１０…レーザ光源、１０Ａ，１０Ｂ…コリメータレンズ、１００…基体、１２０…ビームスプリッタ、１３０…偏光ビームスプリッタ、１５１…第１の振動膜、１５２…第２の振動膜、１７１，１７２…光電変換素子、１８１…デジタルカウント部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、振動体の変位を光学的に検出する振動検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のマイクロホンでは、アナログケーブルでの長距離の引き回しによるノイズの増加や、コンデンサマイクに対してミキシングコンソールからファンタム電源を供給しなければならない。録音・制作システムがすべてデジタル化している中でマイクをデジタル化するメリットは大きい。
【０００３】
そこで、近年、デジタル方式のマイクロホンがいくつか提案されている（例えば、特許文献１、２参照。）。また、これらに関連する技術として、例えば特許文献３に開示された変位検出装置が提案されている。
【０００４】
【特許文献１】特開平１０−３０８９９８号公報
【特許文献２】特開平１１−１７８０９９号公報
【特許文献３】特開２００３−３２２５５２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ここで、マイクロホンの指向性について、全指向性マイクカプセルと双指向性マイクカプセル、あるいは２組の相反する方向を向いた単一指向性マイクカプセルを組み合わせ、出力信号を電気的に合成する方式の技術は存在するものの、微小信号レベルでの信号合成をマイクカプセルの近傍で、低ノイズで高精度に行なう必要があり、信号の劣化を伴うという問題が生じる。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明はこのような課題を解決するために成されたものである。すなわち、本発明は、レーザ光を出射する光源と、光源から出射されたレーザ光を反射可能な第１の振動体および第２の振動体と、ビームスプリッタとを含んで構成され、光源から出射されたレーザ光をビームスプリッタによって第１および第２の光路に分離して進行させるとともに、第１の光路において第１の振動体により反射された反射光と第２の光路において第２の振動体により反射された反射光とを互いに干渉させて干渉縞を形成するマイケルソン型干渉計と、干渉計によって形成された干渉縞に基づき、第１の振動体および第２の振動体の振動を量子化して検出する検出手段とを備える振動検出装置である。
【０００７】
このような本発明では、２つの振動体による２つの光路によって干渉縞を形成し、この干渉縞に基づき振動を量子化することから、電気的加算によらず光学的な光路長差によって２つの振動体の振動における合成出力を検出できるようになる。
【０００８】
ここで、第１の振動体および第２の振動体としては、振動の検出において互いに異なる指向性を有するものや、いずれか一方は振動検出における指向性が全指向特性を有し、他方は振動検出における指向性が双指向特性を有するものを用いている。これにより、２つの振動体の合成出力が特定の指向性を持った振動検出値となる。
【０００９】
この際、干渉計として、第１の光路と第１の振動体との相対的な位置および第２の光路と第２の振動体との相対的な位置を変更可能に設けることで、これら相対的な位置に応じて２つの振動体の合成出力の合成の割合を変更でき、指向性特性を変更できるようになる。これら相対的な位置を変更するには、振動体の位置を変更できる機構を設けるほか、光路をずらす機構を設けることが考えられる。
【発明の効果】
【００１０】
したがって、本発明によれば、２種類の振動体による出力を合成する場合、電気的加算の手法を使わずに、純粋に光学的に光路長差という形で合成出力を検出するため、加算による信号の劣化が全くなく、微小信号レベルでも低ノイズで高精度な振動検出を行うことが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明の実施の形態を図に基づき説明する。
【００１２】
＜振動検出装置の構成＞
図１は、本実施形態に係る振動検出装置（光学式のマイクロホン装置１）の構成を示すブロック図である。このマイクロホン装置１は、音波Ｓｗに応じて振動する振動膜を利用して量子化された音声信号Ｓｏｕｔを出力するものであり、レーザ光源１０と、コリメータレンズ１０Ａと、偏光板１１０と、第１の振動膜１５１および第２の振動膜１５２と、偏光ビームスプリッタ（後述する偏光ビームスプリッタ１３０）および２つのλ／４板（後述するλ／４板１６１、１６２）を含むマイケルソン干渉計に準ずる構成の干渉計と、デジタル信号である出力信号（音声信号Ｓｏｕｔ）を出力する検出部とを備えている。
【００１３】
レーザ光源１０は、レーザ光Ｌｏｕｔを出射するものであり、例えばマルチモード（ファブリペロー型）のレーザ光源（例えば、端面発光型の半導体レーザ光源）や、シングルモードのレーザ光源（例えば、面発光型の半導体レーザ光源やＤＦＢ（Distributed Feed-Back）レーザなど）などにより構成される。
【００１４】
偏光板１１０は、レーザ光源１０から出射されたレーザ光Ｌｏｕｔの直線偏光の方向を変えるためのものである。具体的には、この偏光板１１０を通過したレーザ光Ｌｏｕｔの直線偏光の方向が後述する偏光ビームスプリッタ１３０により分割されるｓ偏光波とｐ偏光波との光強度がほぼ等しくなるように偏光軸が設定されている。
【００１５】
なお、レーザ光源１０自体を回転させることで出射されるレーザ光Ｌｏｕｔの直線偏光の方向をそのような方向に設定可能なのであれば、偏光板１１０を必ずしも設けなくともよい。ただし、本実施の形態のように偏光板１１０を設けた場合には、レーザ光源１０自体の回転位置の精度によらず、偏光ビームスプリッタ１３０への入射光の直線偏光の方向を上記のように設定することができる。また、λ／２板を使用しても同様の効果が得られる。
【００１６】
＜干渉計の構成＞
干渉計は、偏光ビームスプリッタ１３０と、第１の振動膜１５１と、第２の振動膜１５２と、３つのλ／４板１６１、１６２、１６３と、ビームスプリッタ１２０と、２つの偏光板１１１、１１２とから構成されている。
【００１７】
偏光ビームスプリッタ１３０は、レーザ光源１０から発せられ偏光板１１０を通過したレーザ光Ｌｏｕｔを、２つの光路、すなわち第１の振動膜１５１側の反射光路（第１の光路）と、第２の振動板１５２側の反射光路（第２の光路）とに分離して進行させるためのものである。具体的には、詳細は後述するが、この偏光ビームスプリッタ１３０では、第１の光路側にレーザ光のＰ偏光成分ｐｏが、第２の光路側にレーザ光のＳ偏光成分ｓｏがそれぞれ進行するように設定されている。
【００１８】
なお、前述のように、この偏光ビームスプリッタ１３０へ入射するレーザ光Ｌｏｕｔの直線偏光の方向は、偏光ビームスプリッタ１３０の有する２つの偏光軸(Ｓ偏光軸およびＰ偏光軸）に対してそれぞれ４５度ずつ異なる方向となるように設定されているため、入射するレーザ光Ｌｏｕｔは、Ｐ偏光成分ｐｏとＳ偏光成分ｓｏとでほぼその光強度が等しくなるように分離されるようになっている。
【００１９】
第１の振動膜１５１は音波Ｓｗに応じて変位するものであり、例えばコンデンサマイクに使用されるものと同様に、表面が金蒸着された振動膜などにより構成される。この第１の振動膜１５１は、レーザ光Ｌｏｕｔを高い反射率で反射可能となっている。
【００２０】
第２の振動膜１５２は音波Ｓｗに応じて変位するものであり、例えばコンデンサマイクに使用されるものと同様に、表面が金蒸着された振動膜などにより構成される。この第２の振動膜１５２は、レーザ光Ｌｏｕｔを高い反射率で反射可能となっている。
【００２１】
λ／４板１６１は、偏光ビームスプリッタ１３０と第１の振動板１５１との間の光路上に配設され、λ／４板１６２は、偏光ビームスプリッタ１３０と第２の振動板１５２との間の光路上に配設されている。
【００２２】
ビームスプリッタ１２０は、ビームスプリッタ１３０を介して入射するレーザ光ＬｏｕｔのＳ偏光成分ｓ１（第１の反射光）およびＰ偏光成分ｐ１（第２の反射光）をそれぞれ、偏光板１１１側の光路と偏光板１１２側の光路とに分離して進行させるものである。
【００２３】
偏光板１１１、１１２は、それぞれ入射するＳ偏光成分ｓ１（第１の反射光）の偏光方向およびＰ偏光成分ｐ１（第２の反射光）の偏光方向からそれぞれ４５度傾いた方向に偏光軸を有する偏光板である。このような構成により詳細は後述するが、これら偏光板１１１、１１２において、Ｓ偏光成分ｓ１とＰ偏光成分ｐ１とが互いに干渉して干渉縞が形成されるようになっている。なお、λ／４板１６３は、ビームスプリッタ１２０と偏光板１１１との間の光路上に配設されている。
【００２４】
このような構成により本実施の形態の干渉計では、レーザ光源１０から発せられたレーザ光Ｌｏｕｔが２つの光路（第１および第２の光路）に分離されて進行する。具体的には、偏光ビームスプリッタ１３０、λ／４板１６１、第１の振動膜１５１、λ／４板１６１、偏光ビームスプリッタ１３０、ビームスプリッタ１２０、偏光板１１１、１１２およびλ／４板１６３を通る第１の光路（第１の反射光路）と、偏光ビームスプリッタ１３０、λ／４板１６２、反射板１５２、λ／４板１６２、偏光ビームスプリッタ１３０、ビームスプリッタ１２０、偏光板１１１、１１２およびλ／４板１６３を通る第２の光路（第２の反射光路）とに分離されて進行する。
【００２５】
この際、第１の反射光路においてλ／４板１６１を介して振動膜１５１により反射された光ｐ０はｓ偏光に変換されｓ１となり（Ｓ偏光成分ｓ１、第１の反射光）と、第２の反射光路においてλ／４板１６２を介して反射板１５２により反射された光ｓ０はｐ偏光に変換されたｐ１（Ｐ偏光成分ｐ１、第２の反射光）とが偏光板１１１、１１２において互いに干渉し、干渉縞が形成されるようになっている。
【００２６】
＜検出部の構成＞
検出部は、２つの光電変換素子１７１、１７２と、デジタルカウント部１８１とから構成されている。
【００２７】
光電変換素子１７１、１７２は、偏光板１１１、１１２上に形成された干渉縞を検出して光電変換し、それぞれ出力信号 Ｓｘ、Ｓｙを出力するものである。これら光電変換素子１７１、１７２は、例えばＰＤ(Photo Diode)などにより構成される。
【００２８】
デジタルカウント部１８１は、光電変換素子１７１、１７２からそれぞれ出力される出力信号Ｓｘ、Ｓｙを、例えば図２に示したようなリサージュ図形を用いて後述する所定のカウントタイミングでカウントすることで量子化し、デジタル信号である出力信号（音声信号Ｓｏｕｔ)を出力するものである。なお、このようなリサージュ図形を用いたデジタルカウント方法については、後ほど詳述する。
【００２９】
次に、図３を参照して、本実施の形態のマイクロホン装置１を単一の基体上で形成した場合の構成例について説明する。ここで図３は、図１に示したマイクロホン装置１を単一の基体上で形成した場合の平面構成を表したものである。
【００３０】
図３に示したマイクロホン装置１では、アルミダイキャスト等のべース（基体１００Ａ）上に、レーザ光源１０、このレーザ光Ｌｏｕｔを集光するためのコリメータレンズ１０Ａ、偏光ビームスプリッタ１３０、第１の振動膜１５１、この第１の振動膜１５１を両端から支持する支持部１５１Ａ、第２の振動膜１５２、この第２の振動膜１５２を両端から支持する支持部１５２Ａ、偏光板１１１、１１２、ビームスプリッタ１２０、反射ミラーＭ１、λ／４板１６１〜１６３および光電変換素子１７１、１７２がそれぞれ配設されている。
【００３１】
このうち、偏光ビームスプリッタ１３０、λ／４板１６１、１６２および反射ミラーＭ１が互いに張り合わせられ一体化して配置されるとともに、ビームスプリッタ１２０およびλ／４板１６３も互いに張り合わせられ一体化して配置されている。
【００３２】
なお、図３のマイクロホン装置１には偏光板１１０が設けられていないが、この偏光板１１０を設けるようにしてもよい。このようにディスクリート光学部材を用いて構成されることで、図３に示したマイクロホン装置１では、小型（コンパクト）かつ堅固な構成となっている。この場合の装置の幅Ｌ１、Ｗ１（図３参照）としては、例えば、Ｌ１＝２０ｍｍ程度以下、Ｗ１＝１２ｍｍ程度以下にすることが可能である。
【００３３】
＜振動検出の基本動作＞
次に、図１および図２を参照して、本実施の形態のマイクロホン装置１の動作について詳細に説明する。
【００３４】
このマイクロホン装置１では、図１に示したように、レーザ光源１０からレーザ光Ｌｏｕｔが出射されて偏光板１１０を通過すると、このレーザ光Ｌｏｕｔの直線偏光の方向が変更され、偏光ビームスプリッタ１３０の有する２つの偏光軸（Ｓ偏光軸およびＰ偏光軸）に対してそれぞれ４５度ずつ異なる方向となる。
【００３５】
次に、偏光板１１０を通過したレーザ光Ｌｏｕｔは、偏光ビームスプリッタ１３０により、第１の振動膜１５１側の反射光路（第１の光路）と、第２の振動膜１５２側の反射光路（第２の光路）とに約５０％ずつ分離され進行する。これにより、レーザ光Ｌｏｕｔは、第１の反射光路を進行するＰ偏光成分ｐｏと、第２の反射光路を進行するＳ偏光成分ｓｏとに分離される。すなわち、偏光ビームスプリッタ１３０では、Ｓ偏光成分の光が反射されるとともに、Ｐ偏光成分の光が透過するようになっている。
【００３６】
ここで、Ｐ偏光成分ｐｏは、λ／４板１６１を通過すると直線偏光から円偏光となり、その後、第１の振動膜１５１で反射されると逆向きの円偏光となり、再びλ／４板１６１を通過することで、Ｓ偏光成分ｓ１（第１の反射光）に変換される。そしてこのＳ偏光成分ｓ１は上記のように偏光ビームスプリッタ１３０において反射されるため、第１の反射光路上をビームスプリッタ１２０の方向へ進行する。
【００３７】
一方、第２の反射光であるＳ偏光成分ｓ０は、λ／４板１６２を通過すると直線偏光から円偏光となり、その後、第２の振動膜１５２で反射されると逆向きの円偏光となり、再びλ／４板１６２を通過することで、Ｐ偏光成分ｐ１に変換される。そしてこのＰ偏光成分ｐ１は上記のように偏光ビームスプリッタ１３０を透過するため、第２の反射光路上をビームスプリッタ１２０の方向へ進行する。
【００３８】
なお、この際、同じ光路（反射光路および参照光路）を進行するＳ偏光成分ｓ１およびＰ偏光成分ｐ１は、互いに偏光方向が９０度異なるため、干渉し合うことはない。
【００３９】
次に、第１の反射光路および第２の反射光路を進行するＳ偏光成分ｓ１およびＰ偏光成分ｐ１は、それぞれビームスプリッタ１２０により偏光板１１１側の光路と偏光板１１２側の光路とに約５０％ずつに分離されて進行し、偏光板１１１、１１２へそれぞれ到達する。
【００４０】
その際、偏光板１１１側の光路では途中にλ／４板１６３が挿入配置されているため、偏光板１１１へ到達したＳ偏光成分ｓ１およびＰ偏光成分ｐ１と、偏光板１１２へ到達したＳ偏光成分ｓ１およびＰ偏光成分ｐ１とでは、位相が互いに９０度異なることになる。そして偏光板１１１、１１２は、それぞれＳ偏光成分ｓ１の偏光方向およびＰ偏光成分ｐ１の偏光方向からそれぞれ４５度傾いた方向に偏光軸を有するため、これらＳ偏光成分ｓ１およびＰ偏光成分ｐ１の位相が互いに９０度異なっている本実施の形態の場合でも、偏光板１１１、１１２においてＳ偏光成分ｓ１とＰ偏光成分ｐ１とが互いに干渉し合い、干渉縞が形成される。
【００４１】
次に、偏光板１１１、１１２上に形成された干渉縞は、それぞれ光電変換素子１７１、１７２により検出される。ここで、光電変換素子１７１、１７２では互いに位相が９０度ずれた状態で干渉縞が検出されることになる。
【００４２】
そして、光電変換素子１７１で検出された干渉縞は電気信号に変換され、出力信号Ｓｘとして出力される一方、光電変換素子１７２で検出された干渉縞も電気信号に変換され、出力信号Ｓｙとして出力される。
【００４３】
次に、デジタルカウント部１８１では、光電変換素子１７１、１７２からの出力信号 Ｓｘ、Ｓｙがそれぞれ、Ｘ信号およびＹ信号とみなされ、例えば図２に示したような円状または円弧状のリサージュ図形が生成される。具体的には、まず、（Ｘ，Ｙ）信号による干渉縞の強度の中央値を中心点Ｃ（ＣX，ＣY）として、以下の（１），（２）式の演算を行うことにより、（Ｘ，Ｙ）信号が、ＤＣ成分が除去された（ｘ，ｙ）信号に変換される。
【００４４】
ｘ＝Ｘ−ＣX …（１）
ｙ＝Ｙ−ＣY …（２）
【００４５】
すると、上記（１），（２）式の演算により、信号点（ｘ，ｙ）の動きから、図２に示したように中心点Ｃを中心とする円周上を運動するリサージュ図形が得られる。このとき、光電変換素子１７１、１７２で検出された検知ポイント（例えば、図中の信号点ＰＯ)はこの円周上の１点であり、第１の振動膜１５１および第２の振動膜１５２の変位の合成に従って円周上を変位することになる。
【００４６】
したがって、このような信号点ＰＯが所定の基準点（例えば、ｘ軸およびｙ軸上の４つの基準点Ｐａ〜Ｐｄ）を通過する回数をカウントすれば、干渉縞の強度が一義的に決まるため、第１の振動膜１５１および第２の振動膜１５２の合成の変位をデジタルで検知したこととなり、そのカウントされた回数が角度αの情報であるデジタル信号の音声信号Ｓｏｕｔとして出力される。なお、このように４つの基準点Ｐａ〜Ｐｄを基準点としてカウントした場合、干渉縞が９０度（１／４波長）変動する度にカウントすることを意味することになる。後述のように、この円周上の基準点の数を増やすことによって検出の分解能を上げることが可能であるが、ｘ、ｙの値をAD変換し、θ＝arctan(x/y) の演算をデジタル的に行なうことにより図２における角度θが求められるため、デジタルデータの語長を長くすれば分解能を向上することができる。さらに上記カウントを併用することで、arctanの演算範囲を超える変位でも高精度に検出できる。
【００４７】
以上のように本実施の形態では、レーザ光源１０からのレーザ光Ｌｏｕｔを偏光ビームスプリッタ１３０によって２つの光路（第１および第２の光路）に分離して進行させるとともに、第１の光路（第１の反射光路）においてλ／４板１６１を介して第１の振動膜１５１により反射されたＳ波成分ｓ２（第１の反射光）と、第２の光路（第２の反射光路）においてλ／４板１６２を介して第２の振動板１５２により反射されたＰ波成分ｐ１（第２の反射光）とを互いに干渉させて干渉縞を形成し、この干渉縞に基づき第１の振動膜１５１および第２の振動膜１５２の合成の振動を量子化して検出するようにしたので、従来と比べてよりコンパクトな構成によって、振動膜の振動を光学的にデジタル検出することができる。
【００４８】
具体的には、干渉計としてマイケルソン干渉計に準ずる構成の干渉計を用いるようにしたので、小型かつ簡易な構成で実現することができる。よって、光学的にデジタル振動検出を行う振動検出装置（マイクロホン装置）において装置の小型化を図ることが可能となる。
【００４９】
また、偏光ビームスプリッタ１３０およびλ／４板１６１、１６２を用いて干渉計を構成するようにしたので、純粋なマイケルソン干渉計の場合に生ずる、レーザ光源１０に対するレーザ光Ｌｏｕｔの戻り光を回避することができ、レーザ光源１０でのノイズ発生を回避することが可能となる。よって、純粋なマイケルソン干渉計を用いて構成した場合と比べて良好なＳ／Ｎ比を得ることができ、第１の振動膜１５１および第２の振動膜１５２の振動の検出精度を向上させることが可能となる。
【００５０】
また、干渉縞の検出を２つの光電変換素子１７１、１７２を用いて行うとともに、これら光電変換素子１７１、１７２で検出する干渉縞の位相差がそれぞれ互いにほぼ９０度になるように設定したので、円形状のリサージュ図形を以下のように形成させることができ、検出を容易に行うことができる。
【００５１】
さらに、２つの光電変換素子１７１、１７２からの出力信号Ｓｘ、ＳｙをそれぞれＸ信号およびＹ信号とし、これらＸ，Ｙ信号に基づく円状または円弧状のリサージュ図形を生成するようにしたので、干渉縞の検知ポイントがそれぞれ第１の振動膜１５１および第２の振動膜１５２の合成の変位に従って円周上を変位するようになり、所定の基準点を通過する回数をカウントすることにより、第１の振動膜１５１および第２の振動膜１５２の合成の変位をデジタルで検知することが可能となる。
【００５２】
＜振動膜の変位の合成＞
本実施形態に係る振動検出装置（マイクロホン装置）では、２つの振動膜を用いてこれらの振動の合成を光学的に行う構成であり、合成の割合によってマイクロホン装置の振動（音波）検出における指向性を持たせることができる。特に、２つの振動膜が違いに異なる指向性を有するものを用いると、指向性の特性を顕著に制御できることになる。以下、この合成の説明を行うにあたり、２つの振動膜のうち一方が全指向性マイクカプセル、他方が双指向性マイクカプセルの場合を例とする。
【００５３】
図１に示すマイクロホン装置１に用いられる２つの振動膜１５１、１５２のうち、第１の振動膜１５１が双方向性カプセル、第２の振動膜１５２が全指向性マイクカプセルとなっている。ここで、２つの振動膜１５１、１５２は、音波入射方向に第２の振動膜（全指向性マイクカプセル）１５２が向けられ、それと直角方向に第１の振動膜（双指向性マイクカプセル）１５１が向けられている。これは振動膜にレーザを直角に反射させるため都合のよい配置になっている。
【００５４】
レーザ光源１０から出射されたレーザ光Ｌｏｕｔは偏光板１１０を通り偏光ビームスプリッタ１３０にてＳ偏光成分は全指向性マイクカプセル（第２の振動膜１５２）側へ、Ｐ偏光成分は双指向性マイクカプセル（第１の振動膜１５１）へと分岐する。全指向性マイクカプセル（第２の振動膜１５２）側へ分岐した光はλ／４板１６２を通過し円偏光になり第２の振動膜１５２で反射した後、再びλ／４板１６２を通過するためＰ偏光となり、偏光ビームスプリッタ１３０を透過する。
【００５５】
一方、双指向性マイクカプセル（第１の振動膜１５１）側へ向かう光はλ／４板１６１を通過し円偏光になり第１の振動膜１５１で反射した後、再びλ／４板１６１を通過するためＳ偏光となり、偏光ビームスプリッタ１３０にて反射される。そして、この２つの光はビームスプリッタ１２０で２分岐され互いに９０度の位相差が生じるような角度で配置された偏光板１１１、１１２を通過し、干渉縞を生じる。
【００５６】
各カプセルでは音圧の入力に従いその振動膜に変位が生じる。ここで、全指向カプセル側アームの光路長をＬａ、生じる変位をδa、双指向性側アームの光路長をＬｂ、生じる変位をδbとすると。光路差ΔＬ、光強度Ｉａ，Ｉｂは次のように表される。
【００５７】
ΔＬ＝（Ｌａ＋δａ）−（Ｌｂ＋δｂ）
Ｉａ＝Ａ2＋Ｂ2＋２ＡＢｃｏｓ（２πΔＬ／λ）
Ｉｂ＝Ａ2＋Ｂ2＋２ＡＢｃｏｓ｛（２πΔＬ／λ）＋（π／２）｝
ここで、Ａ，Ｂは干渉する２光束の振幅、λはレーザ光波長である。
【００５８】
干渉縞の可視度が最大となるＬａ＝Ｌｂとなるように光路を調整すると、ΔＬ＝δａ−δｂとなる。これらの光強度を光電変換素子にて電気信号に変換し、ＤＣ成分であるＡ2＋Ｂ2の成分をカットし９０度の位相差を持ったＡＣ成分の比をａｒｃｔａｎ変換すれば角度成分が求まり、光路差ΔＬに比例する成分を演算により求めることができる。このデータをサンプリング周波数の周期で取り込むことで音声信号を取り出すことができる。
【００５９】
一方、図４に示すように、第１の振動膜および第２の振動膜であるマイクカプセル側には、レーザ光のビームスポット位置をずらすことができる機構が設けられており、中心からの距離ｄを変更できるようになっている。
【００６０】
振動膜の変位は、ビームスポットが振動膜の中心から遠ざかるほど小さくなり、振動膜の固定端で変位がゼロになる。図４のように、中心からの距離ｄ1の時の変位をδ1とすると、調整機構によりｄ2にビームスポット位置を移動させると変位をδ2に変化させることができる。このビームスポット位置調整機構は２つのマイクカプセルのそれぞれに設けられており、振動膜の受ける音圧に対する変位の割合を変えることができるようになっている。なお、この機構はマイクカプセル側をビームと直交方向に移動させるものであるが、レーザ光源や偏光ビームスプリッタ等を移動し、振動膜の位置に対する相対的なビーム位置を変えるような機構であってもよい。
【００６１】
ここで、便宜的にそれぞれのマイクカプセルの指向性特性をｆ1（θ）＝１、ｆ2（θ）＝ｃｏｓθとし、全指向性マイクカプセルに対する調整機構による減衰係数をa、双指向性マイクカプセルに対する減衰係数をｂとすると、本実施形態の振動検出装置（マイクロホン装置）の指向特性は図５、図６のようになる。すなわち、ａ＝１、ｂ＝０では図５に示すような全指向特性を示し、ａ＝０、ｂ＝１では図６に示すような双指向特性を示す。
【００６２】
また、減衰係数ａ、ｂをかけた各特性はｆ1（θ）＝ａ、ｆ2（θ）＝ｂ・ｃｏｓθとなる。また、それぞれの音圧特性は、振動膜の変位量に比例することからそれぞれの変位量をδ１、δ２とすると、感度係数Ｋをかけて、δ1（θ）＝Ｋａ、δ2（θ）＝Ｋｂ・ｃｏｓθとなる。
【００６３】
したがって、光路長差ΔＬは、ΔＬ＝δ1−δ2＝Ｋ（ａ−ｂ・ｃｏｓθ）と表され、（ａ−ｂ・ｃｏｓθ）に比例した振動膜の変位量を検出することが可能になる。
【００６４】
ここで、（ａ−ｂ・ｃｏｓθ）の値は、前述の移動機構により調整が可能であり、ａの値とｂの値との組み合わせによって全指向性、双指向性のほか、図７に示すカージオイド（Cardioid）、図８に示すハイパー・カージオイド（Hyper Cardioid）、図９に示すスーパー・カージオイド（Super Cardioid）などの各種の指向特性を実現することが可能となる。
【００６５】
前述の移動機構によりａおよびｂの値の組み合わせを設定する場合、予め決められたパターンを用意しておき、ユーザの選択を受け付けて、その受け付けたパターンに設定したり、ａおよびｂの値を連続的に変化できるような機構を設けておいてもよい。また、指向性の特性によって複数のパターンを設けておき、指向性の特性をユーザによって選択させて、その選択した指向性のパターンに合わせてａおよびｂの値を設定するようにしてもよい。
【００６６】
なお、上記実施形態では、第１の振動膜１５１として双指向性マイクカプセル、第２の振動膜１５２として全指向性マイクカプセルを用いる例を示したが、これ以外の指向性を有するマイクカプセルを用いてもよい。例えば、第１、第２の振動膜１５１、１５２とも単一指向性のマイクカプセルを用い、両者を相直角に配置すれば、上記説明した減衰係数ａ、ｂの割合によって単一指向性の方向を９０度の範囲で選択できるようになる。
【００６７】
以上、本実施形態に係る振動検出装置を説明したが、本発明はこの実施形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。例えば、上記実施形態では、リサージュ図形上に４つの基準点Ｐａ〜Ｐｄを設けてデジタルカウントを行う場合について説明したが、基準点の数はこれに限らず、例えば、図１０に示したように、４つの基準点Ｐａ〜Ｐｄに加えて例えば基準線Ｅ〜Ｈを用い、さらに基準点を細かく設定して増やすようにしてもよい。このように構成した場合、カウント数を増やすことができるので、出力信号Ｓｏｕｔの値を大きくし、検出感度をより向上させることが可能となる。
【００６８】
また、上記実施形態では、レーザ光Ｌｏｕｔを発する光源として半導体レーザを挙げて説明したが、これ以外にも例えば、ガスレーザや固定レーザなどを用いるようにしてもよい。
【００６９】
また、上記実施形態では、本発明の振動検出装置の一例として、振動体が音波に応じて振動する振動膜（第１の振動膜１５１、第２の振動膜１５２)であり、この振動膜１５１、１５２の振動を音声信号Ｓｏｕｔとして検出する光学式マイクロホン装置について説明したが、本発明の振動検出装置はこれには限られず、他の振動を検出するように構成してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００７０】
【図１】本実施形態に係る振動検出装置（光学式のマイクロホン装置）の構成を示すブロック図である。
【図２】デジタルカウント部において作成されるリサージュ図形の一例を示す図である。
【図３】本実施形態に係る振動検出装置を単一の基体上に配置した場合の構成例を示す平面図である。
【図４】振動膜に当たるビームスポット位置による変位の違いを説明する模式図である。
【図５】本実施形態に係る振動検出装置（光学式のマイクロホン装置）の指向特性の例を示す図（その１）である。
【図６】本実施形態に係る振動検出装置（光学式のマイクロホン装置）の指向特性の例を示す図（その２）である。
【図７】本実施形態に係る振動検出装置（光学式のマイクロホン装置）の指向特性の例を示す図（その３）である。
【図８】本実施形態に係る振動検出装置（光学式のマイクロホン装置）の指向特性の例を示す図（その４）である。
【図９】本実施形態に係る振動検出装置（光学式のマイクロホン装置）の指向特性の例を示す図（その５）である。
【図１０】本実施形態の変形例に係るリサージュ図形の一例を示す図である。
【符号の説明】
【００７１】
１…マイクロホン装置、１０…レーザ光源、１０Ａ，１０Ｂ…コリメータレンズ、１００…基体、１２０…ビームスプリッタ、１３０…偏光ビームスプリッタ、１５１…第１の振動膜、１５２…第２の振動膜、１７１，１７２…光電変換素子、１８１…デジタルカウント部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光を出射する光源と、
前記光源から出射されたレーザ光を反射可能な第１の振動体および第２の振動体と、ビームスプリッタとを含んで構成され、前記光源から出射されたレーザ光を前記ビームスプリッタによって第１および第２の光路に分離して進行させるとともに、前記第１の光路において前記第１の振動体により反射された反射光と前記第２の光路において前記第２の振動体により反射された反射光とを互いに干渉させて干渉縞を形成するマイケルソン型干渉計と、
前記干渉計によって形成された干渉縞に基づき、前記第１の振動体および第２の振動体の振動を量子化して検出する検出手段と
を備えることを特徴とする振動検出装置。
【請求項２】
前記第１の振動体と前記第２の振動体とは、振動の検出において互いに異なる指向性を有している
ことを特徴とする請求項１記載の振動検出装置。
【請求項３】
前記第１の振動体および前記第２の振動体のうち、いずれか一方は振動検出における指向性が全指向特性を有し、他方は振動検出における指向性が双指向特性を有する
ことを特徴とする請求項１記載の振動検出装置。
【請求項４】
前記干渉計は、前記第１の光路と前記第１の振動体との相対的な位置および前記第２の光路と前記第２の振動体との相対的な位置が変更可能に設けられている
ことを特徴とする請求項１記載の振動検出装置。
【請求項５】
前記検出手段は、
前記干渉縞を互いに位相が９０度ずれた状態で検出する２つの光電変換素子と、
前記２つの光電変換素子からの出力信号を信号点とみなして、平面上に円状または円弧状のリサージュ図形を生成する図形生成手段と、
前記図形生成手段で生成されたリサージュ図形上において、信号点が所定の基準点を通過する回数をカウントするカウンタとを有する
ことを特徴とする請求項１記載の振動検出装置。
【請求項１】
レーザ光を出射する光源と、
前記光源から出射されたレーザ光を反射可能な第１の振動体および第２の振動体と、ビームスプリッタとを含んで構成され、前記光源から出射されたレーザ光を前記ビームスプリッタによって第１および第２の光路に分離して進行させるとともに、前記第１の光路において前記第１の振動体により反射された反射光と前記第２の光路において前記第２の振動体により反射された反射光とを互いに干渉させて干渉縞を形成するマイケルソン型干渉計と、
前記干渉計によって形成された干渉縞に基づき、前記第１の振動体および第２の振動体の振動を量子化して検出する検出手段と
を備えることを特徴とする振動検出装置。
【請求項２】
前記第１の振動体と前記第２の振動体とは、振動の検出において互いに異なる指向性を有している
ことを特徴とする請求項１記載の振動検出装置。
【請求項３】
前記第１の振動体および前記第２の振動体のうち、いずれか一方は振動検出における指向性が全指向特性を有し、他方は振動検出における指向性が双指向特性を有する
ことを特徴とする請求項１記載の振動検出装置。
【請求項４】
前記干渉計は、前記第１の光路と前記第１の振動体との相対的な位置および前記第２の光路と前記第２の振動体との相対的な位置が変更可能に設けられている
ことを特徴とする請求項１記載の振動検出装置。
【請求項５】
前記検出手段は、
前記干渉縞を互いに位相が９０度ずれた状態で検出する２つの光電変換素子と、
前記２つの光電変換素子からの出力信号を信号点とみなして、平面上に円状または円弧状のリサージュ図形を生成する図形生成手段と、
前記図形生成手段で生成されたリサージュ図形上において、信号点が所定の基準点を通過する回数をカウントするカウンタとを有する
ことを特徴とする請求項１記載の振動検出装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２００９−１２８１７０（Ｐ２００９−１２８１７０Ａ）
【公開日】平成２１年６月１１日（２００９．６．１１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−３０３１７２（Ｐ２００７−３０３１７２）
【出願日】平成１９年１１月２２日（２００７．１１．２２）
【出願人】（０００００２１８５）ソニー株式会社 (34,172)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年６月１１日（２００９．６．１１）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年１１月２２日（２００７．１１．２２）
【出願人】（０００００２１８５）ソニー株式会社 (34,172)
【Ｆターム（参考）】
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