专利名称：光学音频麦克风设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种光学音频麦克风设备，其至少包括设置为可响应于声波移动的传感器和用于测量传感器的位移的Michelson型干涉仪，所述传感器包括反射面。干涉仪至少包括光源、参考反射镜、分束器和至少两个检测器。本发明还涉及用于测量声波的方法。
背景技术：
麦克风已经广泛地例如用于声音记录，语音和音乐记录的应用，声级测量和环境噪声级测量。
在声波测量，例如声音记录中，以高灵敏度并十分详细地，即以大的动态范围和线性响应测量声波是重要的。并且麦克风的响应不随温度和湿度变化而改变也是重要的。
典型的麦克风是换能器，其将声能转换为电能。典型地，波动的声能振动振动膜，并且振动膜的位移被转换为与声能成比例的电信号。已知各种类型的麦克风，它们的检测原始声能的精确度和灵敏度不同。
典型地，高质量音频麦克风使用电容测量原理。电容测量原理的缺点在于，只能通过将支撑板(电极)靠近振动膜(电极)来获得高灵敏度。这产生了系统的阻尼并且降低了振动膜的Q值，所述振动膜增加了其本身的噪声，该噪声由布朗运动产生。此外，支撑板的存在产生了额外的非线性特性。
而且，电容麦克风的典型缺点在于，动态范围涉及灵敏度。例如，具有宽动态范围的电容麦克风具有差的灵敏度，且具有较好灵敏度的麦克风通常具有窄的动态范围。
为了实现同时具有高灵敏度和宽动态范围的麦克风，应当光学地且直接以数字形式测量传感器的位移而不干扰传感器运动。
专利出版GB 1267632公开了数字光学麦克风，尤其用于手机，其包括由双棱镜块和附着到麦克风振动膜的反射镜构成的干涉仪。来自二极管的红外辐射反射离开移动的反射镜和所述块的背面、干涉并且由光电二极管检测。由于在反射镜上不同厚度的反射涂层而使两个光电信号有90度相位差，所述反射涂层将光分别反射到光电二极管。所述两个信号可以由逻辑电路delta调制，逻辑电路可附加地包括在振动膜上提供偏置力的绕组，该绕组接收两个光电信号的累计值。
利用根据GB 1267632的麦克风，可测量不小于λ/4的振动膜位移，其中λ是干涉仪中光源的波长，这不是良好的精确度。光束的焦点相对于反射镜是无穷大的，因此系统的稳定性很容易因振动膜和附着到其上的反射镜以及参考反射镜的倾斜而被干扰。
发明内容
本发明的目的是消除或缓解现有技术的上述问题中的至少一些。
本发明的另一目的是提供一种同时具有高灵敏度和宽动态范围的光学音频麦克风设备。
一种典型的根据本发明的光学音频麦克风设备至少包括传感器，被设置为可响应于声波而移动且包括反射面，Michelson型干涉仪，用于测量传感器的位移，该干涉仪至少包括光源，用于生成光束，参考反射镜，分束器，用于对于传感器和对于参考反射镜将来自光源的光束分开并用于对于检测器将从传感器和从参考反射镜反射的光束分开，至少两个检测器，被设置为经由分束器接收来自传感器和来自参考反射镜的光束，并且被设置为将所接收的光束转换为电信号。
典型的根据本发明的光学音频麦克风设备还包括用于将来自光源且由分束器分开的光束实质上聚焦到传感器和参考反射镜二者的表面上的装置。
如已知的，到达检测器的光束是来自传感器和来自参考反射镜的光束的干涉。根据本发明的一个实施例，至少三个检测器或至少四个检测器被设置为经由分束器接收来自传感器和来自参考反射镜的光束并被设置为将所接收的光束转换为电信号。
在本申请中，通过将光束实质上聚焦到传感器和参考反射镜的表面上，这意味着焦点离传感器和参考反射镜的表面小于2cm。焦点可在表面的任意侧，在前面或在背面。根据本发明的一个优选实施例，焦点设置为离所述表面小于0.5mm，并且根据本发明的一个优选实施例，焦点设置为离传感器和参考反射镜的表面小于0.1mm。通过传感器表面的意思是传感器的反射表面。
当焦点实质上在传感器和参考反射镜的表面上时，这些表面的小倾斜不会影响测量结果。焦点越靠近表面，就允许越大的倾斜。例如，激光可几乎以点那样的方式聚焦在这些表面上，即距所述表面小于0.1mm，且由此测量结果不受传感器和参考反射镜的倾置或倾斜的影响。
在本申请中，反射镜是指传统反射镜或任何其它适于该目的的反射装置。在本发明中，包括反射表面的传感器对应于典型Michelson干涉仪的移动反射镜。参考反射镜对应于典型Michelson干涉仪的固定反射镜。根据本发明的实施例，参考反射镜也可被设置为可移动的，例如以便使其倾斜。
分束器可以是双棱镜块、半透明反射镜或任何其它适于该目的的装置。通过分束器将光束分开是指一部分光束穿过其而另一部分从其反射。
根据本发明的一个优选实施例，麦克风设备包括外壳。典型地，在根据本发明的麦克风设备中包括的一些或多数部件实质上至少设置在外壳的内侧。但是。例如模拟到数字转换器和/或用于数字信号处理的装置可与外壳分开设置，例如在麦克风的前置放大器中。
根据本发明的一个优选实施例，光源被设置为生成激光束。根据另一个实施例，光源是发光二极管(LED)。根据又一个实施例，使用白炽灯。
根据本发明的一个优选实施例，用于聚焦光束的装置包括至少一个设置在光束路径上的光学透镜。
根据本发明的一个实施例，用于聚焦的装置可设置为与光源连接。
根据本发明的一个实施例，干涉仪除了分束器外还包括用于提供光束不同部分之间相位差的装置。该装置例如可以是这样的元件，在该元件中光的速度与在户外不同。分束器提供相位差使得从分束器出来的光束具有180°的相位差。
根据本发明的一个实施例，用于提供相位差的装置是至少部分透明的元件。其可以例如是透明板或板子。
根据本发明的一个优选实施例，用于提供相位差的装置包括玻璃板，其被设置为可移动的，例如可旋转的。其还可以是塑料板或任何其它适于该目的的装置。
根据本发明的一个实施例，玻璃板或任何其它用于提供相位差的装置如此定位，使得一部分光束通过它且剩下的部分绕过它，由此实现相位差。
优选地，用于提供相位差的装置位于分束器和参考反射镜之间。它还可位于分束器和传感器之间。到达参考反射镜或传感器的那部分光束或来自参考反射镜或传感器的那部分光束可以用用于提供相位差的装置来进行相位移动。
优选地，用于提供相位差的装置的位置可以如下方式调整，即当传感器移动时其产生至少两个调制的光束，它们相对于彼此有最佳的90°相位差。利用至少两个检测器，例如光电二极管来测量调制的光束。并且，可使用其它相位差，例如88-92°、85-95°或80-100°。
根据本发明的一个实施例，通过倾斜参考反射镜来实现相位差。
根据本发明的一个实施例，光束的行进路径上可具有两个元件，例如两个玻璃板，它们中的至少一个可调整其位置。通过调整所述元件的位置就可能提供光束不同部分之间的90°相位差。
根据本发明的一个优选实施例，干涉仪包括三个检测器，被设置为接收相对于彼此有相位差的三个光束。优选地，提供相对于彼此有90°相位差的三个光束。当使用具有相位差的三个光束时在输出信号中可补偿光源的强度变化和波动。
根据本发明的另一个优选实施例，干涉仪包括四个检测器，其被设置为接收相对于彼此有相位差的四个光束。优选地，提供相对于彼此有90°相位差的四个光束。当使用四个检测器时可使用来自光源的所有光能。当使用四个检测器时可补偿光源的强度变化和波动。
根据本发明的一个实施例，干涉仪包括至少三个或至少四个检测器，其被设置为接收相对于彼此有相位差的光束。
根据本发明的一个实施例，干涉仪包括检测器阵列，其包括多于四个，优选地多于十个，更优选地多于一百个检测器。根据本发明的一个实施例，检测器阵列包括多于一千个检测器，例如1024个检测器。根据本发明的一个实施例，干涉仪包括检测器阵列，其包括多于三个的检测器。
根据本发明的一个优选实施例，设置为可响应于声波而移动的传感器是压力传感器。根据本发明的一个实施例，传感器是振动膜。根据一个实施例，传感器是带子。
根据本发明的一个实施例，传感器是悬臂。悬臂例如是门那样的元件，具有根据欧洲专利出版EP 1546684的结构。
根据本发明的一个实施例，以如此方式调整干涉仪，使得相对于分束器以45度角以外的角度来设置光源。因此，从传感器和从参考反射镜反射的光束不沿着精确相同的路径返回，相反在出去的光束和进入的光束之间存在一个小角度，所反射的光束的焦点实质上在传感器和在参考反射镜上。
通过所述的角度是指来自光源的光束的直线与分束器的平面之间的角度。
根据本发明的一个实施例，光源和分束器之间的角度是45°。根据另一个实施例，该角度是40-50°，并且根据又一个实施例，该角度是20-70°。
根据本发明的一个实施例，麦克风包括模拟到数字转换器，用于将来自检测器的模拟电信号转换为数字信号。
根据本发明的另一个实施例，麦克风还包括用于处理数字信号的装置。数字信号处理用于产生与传感器的位移成比例的数字输出信号。
根据本发明的麦克风的一个优点在于，其是灵敏的且其具有宽的动态范围。利用根据本发明的麦克风，灵敏度和动态范围彼此独立。根据本发明的麦克风的动态范围比人耳可听见的范围要宽很多。
根据本发明，不断地测量传感器的移动和位置，并且分辨率不仅仅由电噪声限定。在最优时，可利用光学测量系统达到0.01皮米的分辨率。
根据本发明的基于干涉仪的测量所获得的优点还包括高的线性响应。
图1示意性示出根据本发明的第一实施例的光学音频麦克风设备；和图2示意性示出根据本发明的第二实施例的光学音频麦克风设备。
优选实施方式图1示意性示出根据本发明的第一实施例的光学音频麦克风设备。麦克风包括传感器1，其被设置为可响应于声波而移动。传感器1是具有反射面的膜，传感器在Michelson型干涉仪设备中作为移动反射镜，该干涉仪设备用于测量传感器的位移Δx。在本实施例中，相对于分束器7的平面以大约50-55°的角度来设置光源2。从传感器1和从参考反射镜5反射的光束不沿着精确相同的路径返回，相反在出去的光束和进入的光束之间存在一个小角度。设置在光源2和分束器7之间的光学透镜3用于将光束4a、4b聚焦到传感器1和参考反射镜5的表面上。
在图1的实施例中，构成双检测器的两个检测器8、9适用于测量从传感器1返回的和从分束器7反射的光束31与从参考反射镜5返回且穿过分束器的光束32的干涉。优选地放置在光源2附近的另外两个检测器10、11适用于测量从传感器1返回且穿过分束器7的光束31，以及从参考反射镜5和分束器7反射的光束32。
玻璃板6位于参考反射镜5和分束器7之间，使得从参考反射镜反射的一部分光束32绕过玻璃板6而其它部分则穿过它。玻璃板可被调整，例如可被旋转，以便实现光束两个部分之间的相位差。相位差可通过调整玻璃板6来调整。
来自检测器8、9、10、11的电信号可如以下给出I1＝B(1+cos)I2＝B(1+sin)
I3＝B(1-sin)I4＝B(1-cos)其中B是激光强度且＝4πΔx/λ。
这些电信号可以模拟形式在模拟电极12中处理以形成如下给出的两个信号S1和S2S1＝I2-I3＝2BsinS2＝I1-I4＝2Bcos接着，用A/D转换器15将模拟信号S1和S2转换为数字信号。用用于DSP16的装置进一步数字地处理数字信号S1和S2，以便获得与传感器的位移成比例的输出信号19Δx＝(λ/4π)arc tan(S1/S2)在需要模拟输出信号18的情况下，可使用D/A转换器17。
图2示意性示出根据本发明的第二实施例的光学音频麦克风设备。在该实施例中，相对于分束器7的平面以大约45°的角度来设置光源2。光学透镜3用于将光束的部分4a、4b聚焦到传感器1和参考反射镜5的表面附近。包括几百个检测器的检测器阵列20被设置为测量从传感器1返回的和从分束器7反射的光束31与从参考反射镜5返回且穿过分束器的光束32的干涉。参考反射镜5可被调整，例如可被倾斜，以便实现光束32不同部分之间的相位差。
利用模拟到数字转换器15将来自检测器阵列的图像信号21转换为数字形式。该数字图像信号接着在数字信号处理器22中被进一步处理。将傅立叶变换应用于该数字图像信号，以便得到幅度和相位谱。通过使用相位谱中的相位值来形成与传感器位移成比例的数字输出信号19，所述相位值对应于幅度谱中的最大幅度值。在需要模拟输出信号18的情况下，可使用D/A转换器17。
不存在将本发明限制为前面实施例的意图，但是其可在权利要求中所表达的发明性概念的范围内变化。
权利要求
1.一种光学音频麦克风设备，至少包括传感器，被设置为可响应于声波而移动且包括反射面，Michelson型干涉仪，用于测量传感器的位移，该干涉仪至少包括光源，用于生成光束，参考反射镜，分束器，用于对于传感器和对于参考反射镜将来自光源的光束分开并用于对于检测器将从传感器和从参考反射镜反射的光束分开，至少两个检测器，被设置为经由分束器接收来自传感器和来自参考反射镜的光束，并且被设置为将所接收的光束转换为电信号，其特征在于，所述麦克风还包括用于将来自光源且由分束器分开的光束实质上聚焦到传感器和参考反射镜二者的表面上的装置。
2.根据权利要求1的光学音频麦克风设备，其特征在于，光源被设置为生成激光束。
3.根据权利要求1或2的光学音频麦克风设备，其特征在于，干涉仪除了分束器外还包括用于提供光束不同部分之间相位差的装置。
4.根据权利要求3的光学音频麦克风设备，其特征在于，用于提供相位差的装置包括透明板，其被设置为可移动的。
5.根据权利要求3或4的光学音频麦克风设备，其特征在于，用于提供相位差的装置位于分束器和参考反射镜之间和/或分束器和传感器之间。
6.根据权利要求3的光学音频麦克风设备，其特征在于，用于提供相位差的装置是可被设置为倾斜的参考反射镜。
7.根据权利要求3-6中任意一个的光学音频麦克风设备，其特征在于，干涉仪包括三个检测器，其被设置为接收相对于彼此有相位差的三个光束。
8.根据权利要求3-7中任意一个的光学音频麦克风设备，其特征在于，干涉仪包括四个检测器，其被设置为接收相对于彼此有相位差的四个光束。
9.根据权利要求1-3或6中任意一个的光学音频麦克风设备，其特征在于，干涉仪包括检测器阵列，其包括多于四个，优选地多于十个，更优选地多于一百个检测器。
10.根据之前权利要求中任意一个的光学音频麦克风设备，其特征在于，传感器是振动膜。
11.根据之前权利要求中任意一个的光学音频麦克风设备，其特征在于，传感器是悬臂。
12.根据之前权利要求中任意一个的光学音频麦克风设备，其特征在于，光源的输出光束以20-70度的角度相对于分束器平面定位。
13.根据之前权利要求中任意一个的光学音频麦克风设备，其特征在于，其包括模拟到数字转换器，用于将来自检测器的模拟电信号转换为数字信号。
14.根据权利要求13的光学音频麦克风设备，其特征在于，其包括用于处理数字信号的装置。
15.一种用于测量声波的方法，包括下列步骤将包括反射面的传感器设置为可响应于声波而移动，用Michelson型干涉仪测量传感器的位移，测量至少包括下列步骤由光源生成光束，将传感器和参考反射镜的光束通过分束器分开，并将分开的光束从传感器和从参考反射镜反射回分束器，且进一步到至少两个检测器，经由分束器接收来自传感器和参考反射镜的光束，并且通过检测器将所接收的光束转换为电信号，其特征在于，所述方法还包括将来自光源且由分束器分开的光束实质上聚焦到传感器和参考反射镜二者的表面上。
16.根据权利要求15的方法，其特征在于，由光源生成的光束是激光束。
17.根据权利要求15或16的方法，其特征在于，提供光束不同部分之间的相位差。
18.根据权利要求17的方法，其特征在于，设置为可移动的透明板用于提供相位差。
19.根据权利要求15-18中任意一个的方法，其特征在于，通过三个检测器提供并测量相对于彼此有相位差的三个光束。
20.根据权利要求15-19中任意一个的方法，其特征在于，通过四个检测器提供并测量相对于彼此有相位差的四个光束。
21.根据权利要求17-20中任意一个的方法，其特征在于，在光束之间提供的相位差实质上是90度。
全文摘要
本发明涉及一种光学音频麦克风设备，至少包括设置为可响应于声波而移动的传感器(1)和用于测量传感器(1)的位移的Michelson型干涉仪，所述传感器(1)包括反射面。干涉仪至少包括光源(2)、参考反射镜(5)、分束器(7)和至少两个检测器(8、9)。本发明还涉及用于测量声波的方法。
文档编号G02B27/10GK101043762SQ20071008781
公开日2007年9月26日 申请日期2007年3月19日 优先权日2006年3月17日
发明者I·考皮南 申请人:新颖科技解决方案有限公司