JP7367877B2

JP7367877B2 - 音計測方法

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Publication number: JP7367877B2
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Inventors: 憲治石川; 善史白木; 健弘守谷; 研一日達; 淳石澤; 克弥小栗
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Description

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φ_sは、次式により表される。

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φ_s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。

ただし、ηは光検出器の量子効率、Iは干渉光の光量、I_DCは干渉光の光量の直流成分（平均光強度）、I_A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φ_s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I_DCに、音による光位相変調量φ_sを含む干渉の影響を示す強度I_Acos(φ_s+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φ_sは微小であり、平均光強度I_DCに対して非常に小さい。また、平均光強度I_DC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I_DCに対しては微小であっても、音による光位相変調量φ_s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I_DC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、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と、２つの光検出器（以下、第１の光検出器、第２の光検出器という）と、差動信号生成器とを含む音計測装置が、音による光位相変調量φ_sを計測する音計測方法であって、前記干渉光生成器が、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、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φ_sは、式Δi=βI_Acos(φ_s+φ₀)（ただし、βは所定の定数、I_Aは干渉縞の振幅、φ₀は音以外の要素による光位相変調量）により表される前記差動信号の電流Δiとして計測される。

本発明の一態様は、ビームスプリッタと、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と、２つの光検出器（以下、第１の光検出器、第２の光検出器という）と、差動信号生成器とを含む音計測装置が、音による光位相変調量φ_sを計測する音計測方法であって、前記ビームスプリッタが、光源から射出された光から、２つの光（以下、第１の光、第２の光という）を得る光分岐ステップと、前記干渉光生成器が、前記第１の光から、前記音測定部により光位相変調した光を含む光（以下、第３の光という）を得る干渉光生成ステップと、前記第１の光検出器が、前記第３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、を含み、前記光位相変調量φ_sは、式Δi=βI_Acos(φ_s+φ₀)（ただし、βは所定の定数、I_Aは干渉縞の振幅、φ₀は音以外の要素による光位相変調量）により表される前記差動信号の電流Δiとして計測される。

本発明の一態様は、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と、２つの光検出器（以下、第１の光検出器、第２の光検出器という）と、差動信号生成器と、光位相変調量調整器とを含む音計測装置が、音による光位相変調量φ_sを計測する音計測方法であって、前記干渉光生成器が、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φ_sは、式Δi=βI_Asin(φ_s)（ただし、βは所定の定数、I_Aは干渉縞の振幅）により表される前記差動信号の電流Δiとして計測される。

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。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。マルチパスミラーを用いた構成の一例を示す図である。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。音計測装置２００の構成を示すブロック図である。音計測装置２００の動作を示すフローチャートである。音計測装置３００の構成を示すブロック図である。音計測装置３００の動作を示すフローチャートである。

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、x^{y^z}はy^zがxに対する上付き添字であり、x_y^zはy^z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、x^y_zはy_zがxに対する上付き添字であり、x_{y_z}はy_z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。

以下、本発明の実施形態における音計測装置の構成例をいくつか示す。

（構成例１）
図２は、音計測装置の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、E_IN1を入射ポート１から入射した光、E_IN2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。

I₁を光E_IN1の強度（光量）、I₂を光E_IN2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。

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。

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I_DC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φ_s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。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。

（構成例２）
図５は、音計測装置の構成の一例を示す図である。図５の音計測装置は、構成例１と同様、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。ただし、光源の近くに位置するビームスプリッタの向きが、図２と図５では反転している。そのため、光検出器PD2で検出される光は、干渉計を通過したものではなく、光検出器PD2で検出される光の光量は直流成分のみとなる。

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。

ここで、光検出器PD2で検出される平均光強度はI_DCの２倍（つまり、2I_DC）となる。この強度を光学的もしくは電気的に調整したうえで差動検出部に入力することにより、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。

なお、図５には、この差動検出部の入力信号の強度を調整する機構については、図示していない。

式(10)からわかるように、構成例２においても、差動信号の電流Δiには平均光強度I_DC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雑音の影響を受けることなく、音による光位相変調量φ_sを計測することができる。

（構成例３）
図６は、音計測装置の構成の一例を示す図である。図６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６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６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７に示すように、音計測装置は、ウォラストンプリズム（図７中のWP）を用いて構成することができる。図７は、図６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。

（構成例４）
図８は、音計測装置の構成の一例を示す図である。図８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８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９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。図８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１０は、干渉縞の位相と干渉光の強度（光量）の関係を示す。図１０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=I_DC+I_Acos(φ_s+φ₀)に含まれる２つの光位相変調量φ_s, φ₀について考える。音による光位相変調量φ_s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１１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φ_s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=I_DC+I_Asin(φ_s)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。

ここで、一般的な音に対してはφ_s<<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。

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φ_s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９参照）。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８参照）。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φ_sのみが干渉計から出力される。したがって、光位相変調量φ_s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φ_s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。

（構成例５）
図１２は、音計測装置の構成例１～４における音測定部の光路を多重化することにより、音による光位相変化量を高感度に計測する構成の一例を示す図である。図１２の構成では、光が音測定部を複数回通過するようにマルチパスミラーを配置する。これにより、音による光位相変化量φ_sが増大する。具体的には、光の往復回数をM回とすると、音による光位相変化量φ_sはM倍になる。

＜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φ_sを計測する。

以下、図１３～図１４を参照して音計測装置１００を説明する。図１３は、音計測装置１００の構成を示すブロック図である。図１４は、音計測装置１００の動作を示すフローチャートである。図１３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１４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。

音による光位相変調量φ_sは、式Δi=βI_Acos(φ_s+φ₀)（ただし、βは所定の定数、I_Aは干渉縞の振幅、φ₀は音以外の要素による光位相変調量）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１５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（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１６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（構成例３）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１６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１７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（構成例３）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１７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。

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＞
音計測装置２００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φ_sを計測する。

以下、図１８～図１９を参照して音計測装置２００を説明する。図１８は、音計測装置２００の構成を示すブロック図である。図１９は、音計測装置２００の動作を示すフローチャートである。図１８に示すように音計測装置２００は、ビームスプリッタ２１０と、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とを含む。また、干渉光生成器１１０は、干渉計１１１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１９に従い音計測装置２００の動作について説明する。

Ｓ２１０において、ビームスプリッタ２１０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を分岐することにより、２つの光（以下、第１の光、第２の光という）を得、出力する。

Ｓ１１０において、干渉光生成器１１０は、Ｓ２１０で出力した第１の光を入力とし、第１の光から、音測定部１１４により光位相変調した光を含む光（以下、第３の光という）を得、出力する。

Ｓ１２０－１において、第１の光検出器１２０－１は、Ｓ１１０で出力した第３の光を入力とし、第３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、Ｓ２１０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２００は、第２の光の光量を調整する光量調整器（図示しない）、第２の電気信号の電流を調整する電流調整器（図示しない）のいずれかを含む。

なお、干渉光生成器１１０の構成は、第１実施形態で説明した干渉光生成器１１０の（構成例１）と同一でよい。したがって、第３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。

＜第３実施形態＞
音計測装置３００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φ_sを計測する。

以下、図２０～図２１を参照して音計測装置３００を説明する。図２０は、音計測装置３００の構成を示すブロック図である。図２１は、音計測装置３００の動作を示すフローチャートである。図２０に示すように音計測装置３００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３４０とを含む。また、干渉光生成器１１０は、干渉計１１１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２１に従い音計測装置３００の動作について説明する。

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３００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。

Ｓ３４０において、光位相変調量調整器３４０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φ_sは、式Δi=βI_Asin(φ_s)（ただし、βは所定の定数、I_A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、φ_s<<1が成り立つ場合、音による光位相変調量φ_sは、式Δi=βI_Aφ_s（ただし、βは所定の定数、I_A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、干渉光生成器１１０の構成は、第１実施形態で説明した干渉光生成器１１０の（構成例１）と同一でよい。この場合、光位相変調量調整器３４０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を固定する。

ここで、光位相変調量調整器３４０は、制御信号を用いて第１の鏡１１１２－１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３４０は、制御信号を用いて第２の鏡１１１２－２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３４０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３４０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。

＜第４実施形態＞
音計測装置１００／２００／３００に含まれる干渉光生成器１１０は、＜技術的背景＞で説明した（構成例５）のように、マルチパスミラーを含むものであってもよい。

したがって、干渉光生成器１１０は、更にマルチパスミラーを含むものであり、干渉光生成器１１０内の第１の光路を伝搬する光は、マルチパスミラーによる反射により、音による光位相変調量φ_sが増大した光となる。

＜補記＞
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

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と、２つの光検出器（以下、第１の光検出器、第２の光検出器という）と、差動信号生成器とを含む音計測装置が、音による光位相変調量φ_sを計測する音計測方法であって、
前記干渉光生成器が、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、
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φ_sは、式Δi=βI_Acos(φ_s+φ₀)（ただし、βは所定の定数、I_Aは干渉縞の振幅、φ₀は音以外の要素による光位相変調量）により表される前記差動信号の電流Δiとして計測される
音計測方法。
請求項１に記載の音計測方法であって、
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方法。
請求項１に記載の音計測方法であって、
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方法。
請求項１に記載の音計測方法であって、
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方法。
ビームスプリッタと、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と、２つの光検出器（以下、第１の光検出器、第２の光検出器という）と、差動信号生成器とを含む音計測装置が、音による光位相変調量φ_sを計測する音計測方法であって、
前記ビームスプリッタが、光源から射出された光から、２つの光（以下、第１の光、第２の光という）を得る光分岐ステップと、
前記干渉光生成器が、前記第１の光から、前記音測定部により光位相変調した光を含む光（以下、第３の光という）を得る干渉光生成ステップと、
前記第１の光検出器が、前記第３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、
を含み、
前記光位相変調量φ_sは、式Δi=βI_Acos(φ_s+φ₀)（ただし、βは所定の定数、I_Aは干渉縞の振幅、φ₀は音以外の要素による光位相変調量）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３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、得られる光であり、
前記干渉光生成器は、更にマルチパスミラーを含むものであり、前記干渉光生成器内の第１の光路を伝搬する光は、マルチパスミラーによる反射により音による光位相変調量φ _s が増大した光となる
音計測方法。
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と、２つの光検出器（以下、第１の光検出器、第２の光検出器という）と、差動信号生成器と、光位相変調量調整器とを含む音計測装置が、音による光位相変調量φ_sを計測する音計測方法であって、
前記干渉光生成器が、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φ_sは、式Δi=βI_Asin(φ_s)（ただし、βは所定の定数、I_Aは干渉縞の振幅）により表される前記差動信号の電流Δiとして計測される
音計測方法。
請求項６に記載の音計測方法であって、
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方法。