Оптический микрофон Российский патент 2024 года по МПК H04R23/00 G01H9/00 G02B5/12 

Изобретение относится к области техники электрической связи, а именно к оптическим микрофонам.

Наиболее близким аналогом к заявляемому изобретению является оптический микрофон из патентного документа RU 69360. Оптический микрофон состоит из корпуса, на стенке которого расположен источник монохроматического света, зеркала, мембраны и светоприемника. Дополнительно введен светоделитель, фокусирующая и расширяющая линзы, а мембрана закреплена на корпусе, причем ее внутренняя поверхность выполнена зеркальной. Светоделитель установлен между источником света и мембраной, а светоприемник и зеркало размещены на противоположных сторонах корпуса напротив светоделителя, при этом фокусирующая линза расположена между источником света и светоделителем, а расширяющая линза - между светоделителем и светоприемником.

Однако данное техническое решение обладает недостаточной чувствительностью из-за наличия только одного отражения луча при прохождении оптического пути.

Технической проблемой заявляемого изобретения является создание оптического микрофона с высокой чувствительностью.

Техническим результатом изобретения является повышение чувствительности оптического микрофона за счёт повышения количества отражений.

Дополнительным техническим результатом является обеспечение возможности работы в гибридном режиме: аналоговом - для слабых сигналов и цифровом - для сильных сигналов.

Сущность заявляемого изобретения заключается в том, что оптический микрофон, содержащий источник монохроматического света, фокусирующую линзу, светоделитель, мембрану, фотоприемник, дополнительно содержит:

- диафрагму;

- первое и второе устройства многократного отражения;

- воздухопроницаемую перегородку;

при этом:

- диафрагма расположена после источника монохроматического света;

- фокусирующая линза расположена после диафрагмы;

- светоделитель расположен после фокусирующей линзы;

- по разные стороны светоделителя расположены первое и второе устройства многократного отражения;

- между первым и вторым устройствами многократного отражения расположена мембрана;

- со стороны от мембраны расположена воздухопроницаемая перегородка;

- на выходе светоделителя расположен фотоприемник.

Заявляемое изобретение поясняется фигурой, на которой изображено:

Фиг. - схема оптического микрофона.

На фигуре позициями 1-9 показаны:

1 - полупроводниковый лазер;

2 - диафрагма;

3 - согласующая (фокусирующая) линза;

4 - светоделитель;

5 - первое устройство многократного отражения;

6 - второе устройство многократного отражения;

7 - мембрана;

8 - воздухопроницаемая перегородка;

9 - фотоприёмник.

Оптический микрофон содержит источник монохроматического света в виде полупроводникового лазера 1, диафрагму 2, фокусирующую линзу 3, светоделитель 4, первое и второе устройства многократного отражения 5, 6, мембрану 7, воздухопроницаемую перегородку 8, фотоприемник 9.

Фокусирующая линза 3 расположена после источника монохроматического света 1, после фокусирующей линзы 3 расположен светоделитель 4. По разные стороны светоделителя 4 расположены первое 5 и второе 6 устройства многократного отражения. Между первым и вторым устройствами многократного отражения 5, 6 расположена мембрана 7. Со стороны от мембраны расположена воздухопроницаемая перегородка 8. На выходе светоделителя расположен фотоприемник 9.

Излучение полупроводникового лазера 1 проходит через диафрагму 2, согласующую линзу 3 и разделяется на светоделителе 4 на два пучка равной интенсивности, которые фокусируются на непрозрачную, чувствительную к звуковым колебаниям мембрану 7 с помощью устройств многократного отражения 5 и 6.

Диафрагма 2 нужна для эффективного подавления излучения лазера, распространяющегося под большим углом к оптической оси. Отсутствие диафрагмы может привести к появлению нескольких, наложенных друг на друга интерференционных картин и ухудшению работы устройства.

После многократных отражений от мембраны 7 лучи возвращаются к светоделителю 4 и интерферируют между собой на выходе светоделителя 4, где расположен чувствительный фотоприёмник 9. Для создания разности звукового давления по разные стороны мембраны 7 доступ воздуха к одной из её сторон облегчен путём использования воздухопроницаемой перегородки 8.

Без воздухопроницаемой перегородки 8 звуковое давление не будет оказывать воздействие на мембрану 7. Свободный доступ звуковых колебаний к мембране 7 важен для работы устройства.

Устройство многократного отражения может быть выполнено в соответствии с патентом RU 221134 и содержать объектив, плоскую отражающую поверхность и прямоугольную призму. Объектив расположен между отражающей поверхностью и призмой. Ось симметрии призмы смещена относительно оси объектива на расстояние, отличное от нуля. Один из углов призмы имеет скос для улавливания боковых лучей.

Расчёты фазового фронта излучения на выходе устройства многократного отражения показывают, что при разумных размерах такого устройства удаётся получить около 50 отражений от мембраны. Использование двух устройств многократного отражения, сфокусированных на мембрану с противоположных сторон, позволяет удвоить эту величину и получить около 100 отражений от мембраны. В итоге, в 100 раз повышается чувствительность интерференционной картины к смещениям мембраны. Изменение разности фаз интерферирующих лучей приводит, как известно, к сдвигу максимумов интерференционной картины, то есть к чередованию светлых и тёмных полос. Прохождение одной интерференционной полосы будет происходить в описанной выше конструкции при изменении разности хода на одну сотую от длины волны излучения лазера. Использование полупроводникового лазера с длиной волны 650 нанометров даёт при этом величину смещения мембраны 6,5 нанометров. Известно, что характерные смещения мембраны под действием звуковой волны составляют величину порядка 100 микрометров, что должно приводить к прохождению около 15 000 интерференционных полос. В этих условиях можно непосредственно измерять смещение мембраны в числе прошедших интерференционных максимумов, то есть получать звуковой сигнал сразу в цифровой форме.

Некоторыми дополнительными достоинствами предлагаемой конструкции являются симметричность оптической схемы, позволяющая использовать дешёвые полупроводниковые лазеры с небольшой длиной когерентности, применяемые, например, в лазерных указках и кассовых аппаратах, а также возможность работы в аналоговом режиме для регистрации предельно слабых звуковых сигналов. В последнем случае подразумевается регистрация отклонений мембраны, которые приводят к изменению разности фаз в пределах одной интерференционной полосы, когда работа микрофона в цифровом режиме становится, очевидно, невозможной. Преимущество предлагаемого устройства перед используемыми в настоящее время микрофонами при работе в аналоговом режиме заключается в возможности регулировать величину входного аналогового сигнала за счёт изменения мощности лазера. При этом отпадает необходимость применения малошумящего усилителя, поскольку аналоговый сигнал может быть сделан сильно превышающим собственные шумы усилительного тракта. При реализации гибридного режима работы данного устройства, когда для сильных звуковых сигналов используется цифровой, а для слабых аналоговый режим, появляется возможность создания микрофона с очень широким динамическим диапазоном регистрации звуковых волн, что особенно важно для работы слуховых аппаратов.

Результатам расчёта интерференционной картины показаны в Таблице.

Таблица - Фазовая картина в зависимости от сдвига отражающей площадки

Δx Фазовая картина 0 нм 23 нм -23 нм 46 нм -46 нм

При характерном размере призмы 15 мм схема имеет размеры 6 см на 3,5 см.

Изобретение относится к области акустики, а именно к оптическим микрофонам. Оптический микрофон, содержащий источник монохроматического света, фокусирующую линзу, светоделитель, мембрану, фотоприемник, диафрагму; первое и второе устройства многократного отражения; воздухопроницаемую перегородку; при этом: диафрагма расположена после источника монохроматического света; фокусирующая линза расположена после диафрагмы; светоделитель расположен после фокусирующей линзы; по разные стороны светоделителя расположены первое и второе устройства многократного отражения; между первым и вторым устройствами многократного отражения расположена мембрана; со стороны от мембраны расположена воздухопроницаемая перегородка; на выходе светоделителя расположен фотоприемник; устройства многократного отражения сфокусированы на мембрану с противоположных сторон, источник монохроматического света выполнен в виде полупроводникового лазера с длиной волны 650 нанометров, оптическая схема выполнена симметричной, микрофон выполнен с возможностью изменения мощности полупроводникового лазера, а также с возможностью гибридного режима работы, с возможностью использования цифрового режима работы для сильных звуковых сигналов и аналогового режима работы для слабых звуковых сигналов. Технический результат - повышение чувствительности оптического микрофона за счёт повышения количества отражений. 1 ил., 1 табл.

Оптический микрофон, содержащий источник монохроматического света, фокусирующую линзу, светоделитель, мембрану, фотоприемник, отличающийся тем, что

- дополнительно содержит:

- диафрагму;

- первое и второе устройства многократного отражения;

- воздухопроницаемую перегородку;

при этом:

- диафрагма расположена после источника монохроматического света;

- фокусирующая линза расположена после диафрагмы;

- светоделитель расположен после фокусирующей линзы;

- по разные стороны светоделителя расположены первое и второе устройства многократного отражения;

- между первым и вторым устройствами многократного отражения расположена мембрана;

- со стороны от мембраны расположена воздухопроницаемая перегородка;

- на выходе светоделителя расположен фотоприемник;

- устройства многократного отражения сфокусированы на мембрану с противоположных сторон,

- источник монохроматического света выполнен в виде полупроводникового лазера с длиной волны 650 нанометров,

- оптическая схема выполнена симметричной,

- микрофон выполнен с возможностью изменения мощности полупроводникового лазера, а также с возможностью гибридного режима работы, с возможностью использования цифрового режима работы для сильных звуковых сигналов и аналогового режима работы для слабых звуковых сигналов.