專利名稱：光學(xué)音頻麥克風(fēng)設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光學(xué)音頻麥克風(fēng)設(shè)備，其至少包括設(shè)置為可響應(yīng)于聲波移動的傳感器和用于測量傳感器的位移的Michelson型干涉儀，所述傳感器包括反射面。干涉儀至少包括光源、參考反射鏡、分束器和至少兩個檢測器。本發(fā)明還涉及用于測量聲波的方法。
背景技術(shù)：
麥克風(fēng)已經(jīng)廣泛地例如用于聲音記錄，語音和音樂記錄的應(yīng)用，聲級測量和環(huán)境噪聲級測量。
在聲波測量，例如聲音記錄中，以高靈敏度并十分詳細(xì)地，即以大的動態(tài)范圍和線性響應(yīng)測量聲波是重要的。并且麥克風(fēng)的響應(yīng)不隨溫度和濕度變化而改變也是重要的。
典型的麥克風(fēng)是換能器，其將聲能轉(zhuǎn)換為電能。典型地，波動的聲能振動振動膜，并且振動膜的位移被轉(zhuǎn)換為與聲能成比例的電信號。已知各種類型的麥克風(fēng)，它們的檢測原始聲能的精確度和靈敏度不同。
典型地，高質(zhì)量音頻麥克風(fēng)使用電容測量原理。電容測量原理的缺點(diǎn)在于，只能通過將支撐板(電極)靠近振動膜(電極)來獲得高靈敏度。這產(chǎn)生了系統(tǒng)的阻尼并且降低了振動膜的Q值，所述振動膜增加了其本身的噪聲，該噪聲由布朗運(yùn)動產(chǎn)生。此外，支撐板的存在產(chǎn)生了額外的非線性特性。
而且，電容麥克風(fēng)的典型缺點(diǎn)在于，動態(tài)范圍涉及靈敏度。例如，具有寬動態(tài)范圍的電容麥克風(fēng)具有差的靈敏度，且具有較好靈敏度的麥克風(fēng)通常具有窄的動態(tài)范圍。
為了實(shí)現(xiàn)同時具有高靈敏度和寬動態(tài)范圍的麥克風(fēng)，應(yīng)當(dāng)光學(xué)地且直接以數(shù)字形式測量傳感器的位移而不干擾傳感器運(yùn)動。
專利出版GB 1267632公開了數(shù)字光學(xué)麥克風(fēng)，尤其用于手機(jī)，其包括由雙棱鏡塊和附著到麥克風(fēng)振動膜的反射鏡構(gòu)成的干涉儀。來自二極管的紅外輻射反射離開移動的反射鏡和所述塊的背面、干涉并且由光電二極管檢測。由于在反射鏡上不同厚度的反射涂層而使兩個光電信號有90度相位差，所述反射涂層將光分別反射到光電二極管。所述兩個信號可以由邏輯電路delta調(diào)制，邏輯電路可附加地包括在振動膜上提供偏置力的繞組，該繞組接收兩個光電信號的累計值。
利用根據(jù)GB 1267632的麥克風(fēng)，可測量不小于λ/4的振動膜位移，其中λ是干涉儀中光源的波長，這不是良好的精確度。光束的焦點(diǎn)相對于反射鏡是無窮大的，因此系統(tǒng)的穩(wěn)定性很容易因振動膜和附著到其上的反射鏡以及參考反射鏡的傾斜而被干擾。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是消除或緩解現(xiàn)有技術(shù)的上述問題中的至少一些。
本發(fā)明的另一目的是提供一種同時具有高靈敏度和寬動態(tài)范圍的光學(xué)音頻麥克風(fēng)設(shè)備。
一種典型的根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)音頻麥克風(fēng)設(shè)備至少包括傳感器，被設(shè)置為可響應(yīng)于聲波而移動且包括反射面，Michelson型干涉儀，用于測量傳感器的位移，該干涉儀至少包括光源，用于生成光束，參考反射鏡，分束器，用于對于傳感器和對于參考反射鏡將來自光源的光束分開并用于對于檢測器將從傳感器和從參考反射鏡反射的光束分開，至少兩個檢測器，被設(shè)置為經(jīng)由分束器接收來自傳感器和來自參考反射鏡的光束，并且被設(shè)置為將所接收的光束轉(zhuǎn)換為電信號。
典型的根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)音頻麥克風(fēng)設(shè)備還包括用于將來自光源且由分束器分開的光束實(shí)質(zhì)上聚焦到傳感器和參考反射鏡二者的表面上的裝置。
如已知的，到達(dá)檢測器的光束是來自傳感器和來自參考反射鏡的光束的干涉。根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施例，至少三個檢測器或至少四個檢測器被設(shè)置為經(jīng)由分束器接收來自傳感器和來自參考反射鏡的光束并被設(shè)置為將所接收的光束轉(zhuǎn)換為電信號。
在本申請中，通過將光束實(shí)質(zhì)上聚焦到傳感器和參考反射鏡的表面上，這意味著焦點(diǎn)離傳感器和參考反射鏡的表面小于2cm。焦點(diǎn)可在表面的任意側(cè)，在前面或在背面。根據(jù)本發(fā)明的一個優(yōu)選實(shí)施例，焦點(diǎn)設(shè)置為離所述表面小于0.5mm，并且根據(jù)本發(fā)明的一個優(yōu)選實(shí)施例，焦點(diǎn)設(shè)置為離傳感器和參考反射鏡的表面小于0.1mm。通過傳感器表面的意思是傳感器的反射表面。
當(dāng)焦點(diǎn)實(shí)質(zhì)上在傳感器和參考反射鏡的表面上時，這些表面的小傾斜不會影響測量結(jié)果。焦點(diǎn)越靠近表面，就允許越大的傾斜。例如，激光可幾乎以點(diǎn)那樣的方式聚焦在這些表面上，即距所述表面小于0.1mm，且由此測量結(jié)果不受傳感器和參考反射鏡的傾置或傾斜的影響。
在本申請中，反射鏡是指傳統(tǒng)反射鏡或任何其它適于該目的的反射裝置。在本發(fā)明中，包括反射表面的傳感器對應(yīng)于典型Michelson干涉儀的移動反射鏡。參考反射鏡對應(yīng)于典型Michelson干涉儀的固定反射鏡。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，參考反射鏡也可被設(shè)置為可移動的，例如以便使其傾斜。
分束器可以是雙棱鏡塊、半透明反射鏡或任何其它適于該目的的裝置。通過分束器將光束分開是指一部分光束穿過其而另一部分從其反射。
根據(jù)本發(fā)明的一個優(yōu)選實(shí)施例，麥克風(fēng)設(shè)備包括外殼。典型地，在根據(jù)本發(fā)明的麥克風(fēng)設(shè)備中包括的一些或多數(shù)部件實(shí)質(zhì)上至少設(shè)置在外殼的內(nèi)側(cè)。但是。例如模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換器和/或用于數(shù)字信號處理的裝置可與外殼分開設(shè)置，例如在麥克風(fēng)的前置放大器中。
根據(jù)本發(fā)明的一個優(yōu)選實(shí)施例，光源被設(shè)置為生成激光束。根據(jù)另一個實(shí)施例，光源是發(fā)光二極管(LED)。根據(jù)又一個實(shí)施例，使用白熾燈。
根據(jù)本發(fā)明的一個優(yōu)選實(shí)施例，用于聚焦光束的裝置包括至少一個設(shè)置在光束路徑上的光學(xué)透鏡。
根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施例，用于聚焦的裝置可設(shè)置為與光源連接。
根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施例，干涉儀除了分束器外還包括用于提供光束不同部分之間相位差的裝置。該裝置例如可以是這樣的元件，在該元件中光的速度與在戶外不同。分束器提供相位差使得從分束器出來的光束具有180°的相位差。
根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施例，用于提供相位差的裝置是至少部分透明的元件。其可以例如是透明板或板子。
根據(jù)本發(fā)明的一個優(yōu)選實(shí)施例，用于提供相位差的裝置包括玻璃板，其被設(shè)置為可移動的，例如可旋轉(zhuǎn)的。其還可以是塑料板或任何其它適于該目的的裝置。
根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施例，玻璃板或任何其它用于提供相位差的裝置如此定位，使得一部分光束通過它且剩下的部分繞過它，由此實(shí)現(xiàn)相位差。
優(yōu)選地，用于提供相位差的裝置位于分束器和參考反射鏡之間。它還可位于分束器和傳感器之間。到達(dá)參考反射鏡或傳感器的那部分光束或來自參考反射鏡或傳感器的那部分光束可以用用于提供相位差的裝置來進(jìn)行相位移動。
優(yōu)選地，用于提供相位差的裝置的位置可以如下方式調(diào)整，即當(dāng)傳感器移動時其產(chǎn)生至少兩個調(diào)制的光束，它們相對于彼此有最佳的90°相位差。利用至少兩個檢測器，例如光電二極管來測量調(diào)制的光束。并且，可使用其它相位差，例如88-92°、85-95°或80-100°。
根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施例，通過傾斜參考反射鏡來實(shí)現(xiàn)相位差。
根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施例，光束的行進(jìn)路徑上可具有兩個元件，例如兩個玻璃板，它們中的至少一個可調(diào)整其位置。通過調(diào)整所述元件的位置就可能提供光束不同部分之間的90°相位差。
根據(jù)本發(fā)明的一個優(yōu)選實(shí)施例，干涉儀包括三個檢測器，被設(shè)置為接收相對于彼此有相位差的三個光束。優(yōu)選地，提供相對于彼此有90°相位差的三個光束。當(dāng)使用具有相位差的三個光束時在輸出信號中可補(bǔ)償光源的強(qiáng)度變化和波動。
根據(jù)本發(fā)明的另一個優(yōu)選實(shí)施例，干涉儀包括四個檢測器，其被設(shè)置為接收相對于彼此有相位差的四個光束。優(yōu)選地，提供相對于彼此有90°相位差的四個光束。當(dāng)使用四個檢測器時可使用來自光源的所有光能。當(dāng)使用四個檢測器時可補(bǔ)償光源的強(qiáng)度變化和波動。
根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施例，干涉儀包括至少三個或至少四個檢測器，其被設(shè)置為接收相對于彼此有相位差的光束。
根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施例，干涉儀包括檢測器陣列，其包括多于四個，優(yōu)選地多于十個，更優(yōu)選地多于一百個檢測器。根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施例，檢測器陣列包括多于一千個檢測器，例如1024個檢測器。根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施例，干涉儀包括檢測器陣列，其包括多于三個的檢測器。
根據(jù)本發(fā)明的一個優(yōu)選實(shí)施例，設(shè)置為可響應(yīng)于聲波而移動的傳感器是壓力傳感器。根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施例，傳感器是振動膜。根據(jù)一個實(shí)施例，傳感器是帶子。
根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施例，傳感器是懸臂。懸臂例如是門那樣的元件，具有根據(jù)歐洲專利出版EP 1546684的結(jié)構(gòu)。
根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施例，以如此方式調(diào)整干涉儀，使得相對于分束器以45度角以外的角度來設(shè)置光源。因此，從傳感器和從參考反射鏡反射的光束不沿著精確相同的路徑返回，相反在出去的光束和進(jìn)入的光束之間存在一個小角度，所反射的光束的焦點(diǎn)實(shí)質(zhì)上在傳感器和在參考反射鏡上。
通過所述的角度是指來自光源的光束的直線與分束器的平面之間的角度。
根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施例，光源和分束器之間的角度是45°。根據(jù)另一個實(shí)施例，該角度是40-50°，并且根據(jù)又一個實(shí)施例，該角度是20-70°。
根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施例，麥克風(fēng)包括模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換器，用于將來自檢測器的模擬電信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。
根據(jù)本發(fā)明的另一個實(shí)施例，麥克風(fēng)還包括用于處理數(shù)字信號的裝置。數(shù)字信號處理用于產(chǎn)生與傳感器的位移成比例的數(shù)字輸出信號。
根據(jù)本發(fā)明的麥克風(fēng)的一個優(yōu)點(diǎn)在于，其是靈敏的且其具有寬的動態(tài)范圍。利用根據(jù)本發(fā)明的麥克風(fēng)，靈敏度和動態(tài)范圍彼此獨(dú)立。根據(jù)本發(fā)明的麥克風(fēng)的動態(tài)范圍比人耳可聽見的范圍要寬很多。
根據(jù)本發(fā)明，不斷地測量傳感器的移動和位置，并且分辨率不僅僅由電噪聲限定。在最優(yōu)時，可利用光學(xué)測量系統(tǒng)達(dá)到0.01皮米的分辨率。
根據(jù)本發(fā)明的基于干涉儀的測量所獲得的優(yōu)點(diǎn)還包括高的線性響應(yīng)。
圖1示意性示出根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的光學(xué)音頻麥克風(fēng)設(shè)備；和圖2示意性示出根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例的光學(xué)音頻麥克風(fēng)設(shè)備。
優(yōu)選實(shí)施方式圖1示意性示出根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的光學(xué)音頻麥克風(fēng)設(shè)備。麥克風(fēng)包括傳感器1，其被設(shè)置為可響應(yīng)于聲波而移動。傳感器1是具有反射面的膜，傳感器在Michelson型干涉儀設(shè)備中作為移動反射鏡，該干涉儀設(shè)備用于測量傳感器的位移Δx。在本實(shí)施例中，相對于分束器7的平面以大約50-55°的角度來設(shè)置光源2。從傳感器1和從參考反射鏡5反射的光束不沿著精確相同的路徑返回，相反在出去的光束和進(jìn)入的光束之間存在一個小角度。設(shè)置在光源2和分束器7之間的光學(xué)透鏡3用于將光束4a、4b聚焦到傳感器1和參考反射鏡5的表面上。
在圖1的實(shí)施例中，構(gòu)成雙檢測器的兩個檢測器8、9適用于測量從傳感器1返回的和從分束器7反射的光束31與從參考反射鏡5返回且穿過分束器的光束32的干涉。優(yōu)選地放置在光源2附近的另外兩個檢測器10、11適用于測量從傳感器1返回且穿過分束器7的光束31，以及從參考反射鏡5和分束器7反射的光束32。
玻璃板6位于參考反射鏡5和分束器7之間，使得從參考反射鏡反射的一部分光束32繞過玻璃板6而其它部分則穿過它。玻璃板可被調(diào)整，例如可被旋轉(zhuǎn)，以便實(shí)現(xiàn)光束兩個部分之間的相位差。相位差可通過調(diào)整玻璃板6來調(diào)整。
來自檢測器8、9、10、11的電信號可如以下給出I1＝B(1+cos)I2＝B(1+sin)
I3＝B(1-sin)I4＝B(1-cos)其中B是激光強(qiáng)度且＝4πΔx/λ。
這些電信號可以模擬形式在模擬電極12中處理以形成如下給出的兩個信號S1和S2S1＝I2-I3＝2BsinS2＝I1-I4＝2Bcos接著，用A/D轉(zhuǎn)換器15將模擬信號S1和S2轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。用用于DSP16的裝置進(jìn)一步數(shù)字地處理數(shù)字信號S1和S2，以便獲得與傳感器的位移成比例的輸出信號19Δx＝(λ/4π)arc tan(S1/S2)在需要模擬輸出信號18的情況下，可使用D/A轉(zhuǎn)換器17。
圖2示意性示出根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例的光學(xué)音頻麥克風(fēng)設(shè)備。在該實(shí)施例中，相對于分束器7的平面以大約45°的角度來設(shè)置光源2。光學(xué)透鏡3用于將光束的部分4a、4b聚焦到傳感器1和參考反射鏡5的表面附近。包括幾百個檢測器的檢測器陣列20被設(shè)置為測量從傳感器1返回的和從分束器7反射的光束31與從參考反射鏡5返回且穿過分束器的光束32的干涉。參考反射鏡5可被調(diào)整，例如可被傾斜，以便實(shí)現(xiàn)光束32不同部分之間的相位差。
利用模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換器15將來自檢測器陣列的圖像信號21轉(zhuǎn)換為數(shù)字形式。該數(shù)字圖像信號接著在數(shù)字信號處理器22中被進(jìn)一步處理。將傅立葉變換應(yīng)用于該數(shù)字圖像信號，以便得到幅度和相位譜。通過使用相位譜中的相位值來形成與傳感器位移成比例的數(shù)字輸出信號19，所述相位值對應(yīng)于幅度譜中的最大幅度值。在需要模擬輸出信號18的情況下，可使用D/A轉(zhuǎn)換器17。
不存在將本發(fā)明限制為前面實(shí)施例的意圖，但是其可在權(quán)利要求中所表達(dá)的發(fā)明性概念的范圍內(nèi)變化。
權(quán)利要求
1.一種光學(xué)音頻麥克風(fēng)設(shè)備，至少包括傳感器，被設(shè)置為可響應(yīng)于聲波而移動且包括反射面，Michelson型干涉儀，用于測量傳感器的位移，該干涉儀至少包括光源，用于生成光束，參考反射鏡，分束器，用于對于傳感器和對于參考反射鏡將來自光源的光束分開并用于對于檢測器將從傳感器和從參考反射鏡反射的光束分開，至少兩個檢測器，被設(shè)置為經(jīng)由分束器接收來自傳感器和來自參考反射鏡的光束，并且被設(shè)置為將所接收的光束轉(zhuǎn)換為電信號，其特征在于，所述麥克風(fēng)還包括用于將來自光源且由分束器分開的光束實(shí)質(zhì)上聚焦到傳感器和參考反射鏡二者的表面上的裝置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的光學(xué)音頻麥克風(fēng)設(shè)備，其特征在于，光源被設(shè)置為生成激光束。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2的光學(xué)音頻麥克風(fēng)設(shè)備，其特征在于，干涉儀除了分束器外還包括用于提供光束不同部分之間相位差的裝置。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的光學(xué)音頻麥克風(fēng)設(shè)備，其特征在于，用于提供相位差的裝置包括透明板，其被設(shè)置為可移動的。
5.根據(jù)權(quán)利要求3或4的光學(xué)音頻麥克風(fēng)設(shè)備，其特征在于，用于提供相位差的裝置位于分束器和參考反射鏡之間和/或分束器和傳感器之間。
6.根據(jù)權(quán)利要求3的光學(xué)音頻麥克風(fēng)設(shè)備，其特征在于，用于提供相位差的裝置是可被設(shè)置為傾斜的參考反射鏡。
7.根據(jù)權(quán)利要求3-6中任意一個的光學(xué)音頻麥克風(fēng)設(shè)備，其特征在于，干涉儀包括三個檢測器，其被設(shè)置為接收相對于彼此有相位差的三個光束。
8.根據(jù)權(quán)利要求3-7中任意一個的光學(xué)音頻麥克風(fēng)設(shè)備，其特征在于，干涉儀包括四個檢測器，其被設(shè)置為接收相對于彼此有相位差的四個光束。
9.根據(jù)權(quán)利要求1-3或6中任意一個的光學(xué)音頻麥克風(fēng)設(shè)備，其特征在于，干涉儀包括檢測器陣列，其包括多于四個，優(yōu)選地多于十個，更優(yōu)選地多于一百個檢測器。
10.根據(jù)之前權(quán)利要求中任意一個的光學(xué)音頻麥克風(fēng)設(shè)備，其特征在于，傳感器是振動膜。
11.根據(jù)之前權(quán)利要求中任意一個的光學(xué)音頻麥克風(fēng)設(shè)備，其特征在于，傳感器是懸臂。
12.根據(jù)之前權(quán)利要求中任意一個的光學(xué)音頻麥克風(fēng)設(shè)備，其特征在于，光源的輸出光束以20-70度的角度相對于分束器平面定位。
13.根據(jù)之前權(quán)利要求中任意一個的光學(xué)音頻麥克風(fēng)設(shè)備，其特征在于，其包括模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換器，用于將來自檢測器的模擬電信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。
14.根據(jù)權(quán)利要求13的光學(xué)音頻麥克風(fēng)設(shè)備，其特征在于，其包括用于處理數(shù)字信號的裝置。
15.一種用于測量聲波的方法，包括下列步驟將包括反射面的傳感器設(shè)置為可響應(yīng)于聲波而移動，用Michelson型干涉儀測量傳感器的位移，測量至少包括下列步驟由光源生成光束，將傳感器和參考反射鏡的光束通過分束器分開，并將分開的光束從傳感器和從參考反射鏡反射回分束器，且進(jìn)一步到至少兩個檢測器，經(jīng)由分束器接收來自傳感器和參考反射鏡的光束，并且通過檢測器將所接收的光束轉(zhuǎn)換為電信號，其特征在于，所述方法還包括將來自光源且由分束器分開的光束實(shí)質(zhì)上聚焦到傳感器和參考反射鏡二者的表面上。
16.根據(jù)權(quán)利要求15的方法，其特征在于，由光源生成的光束是激光束。
17.根據(jù)權(quán)利要求15或16的方法，其特征在于，提供光束不同部分之間的相位差。
18.根據(jù)權(quán)利要求17的方法，其特征在于，設(shè)置為可移動的透明板用于提供相位差。
19.根據(jù)權(quán)利要求15-18中任意一個的方法，其特征在于，通過三個檢測器提供并測量相對于彼此有相位差的三個光束。
20.根據(jù)權(quán)利要求15-19中任意一個的方法，其特征在于，通過四個檢測器提供并測量相對于彼此有相位差的四個光束。
21.根據(jù)權(quán)利要求17-20中任意一個的方法，其特征在于，在光束之間提供的相位差實(shí)質(zhì)上是90度。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種光學(xué)音頻麥克風(fēng)設(shè)備，至少包括設(shè)置為可響應(yīng)于聲波而移動的傳感器(1)和用于測量傳感器(1)的位移的Michelson型干涉儀，所述傳感器(1)包括反射面。干涉儀至少包括光源(2)、參考反射鏡(5)、分束器(7)和至少兩個檢測器(8、9)。本發(fā)明還涉及用于測量聲波的方法。
文檔編號G02B27/10GK101043762SQ20071008781
公開日2007年9月26日 申請日期2007年3月19日 優(yōu)先權(quán)日2006年3月17日
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