JP2004020391A - 電界検出光学装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】生体100に誘起されて伝達されてくる電界を第1、第2の電極25a,27aを介して電気光学素子23に結合させ、この電気光学素子23に対してレーザダイオード21からのコリメートレンズ33で平行光にされたレーザ光を入射させ、この電気光学素子23から出射したレーザ光を偏光ビームスプリッタ39でP波とS波に分離し、このP波とS波をそれぞれ2つの光量の等しい平行光に第1、第2のビームスプリッタ51,61で分離し、第1〜第4のフォトダイオードで電気信号に変換し、複数の電気信号のうち逆位相の信号を差動アンプ71−75で差動増幅して出力信号を生成する。
【選択図】 図1
Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えばウェアラブルコンピュータ(身体につけるコンピュータ)間などのデータ通信のために使用されるトランシーバにおいて送信情報に基づいて生体である電界伝達媒体に誘起されて伝達されてくる電界を検出して電気信号に変換する電界検出光学装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
携帯端末の小型化および高性能化によりウェアラブルコンピュータが注目されてきているが、図3はこのようなウェアラブルコンピュータを人間に装着して使用する場合の例を示している。同図に示すように、ウェアラブルコンピュータ1はそれぞれトランシーバ3を介して人間の腕、肩、胴体などに装着されて互いにデータの送受信を行うとともに、更に手足の先端に取り付けられたトランシーバ3a,3bを介して外部に設けられたパソコン(PC)5とケーブルを介して通信を行うようになっている。
【0003】
このようにウェアラブルコンピュータ1はトランシーバ3を介して生体である人間に装着してデータ通信を行うが、このトランシーバ3ではウェアラブルコンピュータ1からの送信データを電界として電界伝達媒体である生体に誘起し、図3において波線で示すように電界として生体の他の部位に伝達し、また生体に誘起され伝達されてくる電界を受信データとしてトランシーバ3で受信してウェアラブルコンピュータ1に送るようになっている。
【0004】
トランシーバ3は、図4に示すように構成され、ウェアラブルコンピュータ1からの送信データを入出力(I/O)回路101を介して受け取ると、この送信データを送信部103を介して送信電極105に供給し、該送信電極105から絶縁膜107を介して電界伝達媒体である生体100に電界を誘起させ、この電界を生体100を介して生体100の他の部位に伝達させる。
【0005】
また、トランシーバ3は、生体100の他の部位に装着された別のトランシーバから生体100に誘起させられて伝達されてくる電界を絶縁膜109を介して受信電極111で受信し、この受信した電界を電界検出光学部110に結合して電気信号に変換する。この電気信号は、信号処理回路115で増幅、雑音除去、波形整形などの信号処理を施されてから、入出力回路101を介してウェアラブルコンピュータ1に供給されるようになっている。
【0006】
上記トランシーバ3の電界検出光学部110は、生体100に誘起されて伝達され、絶縁膜109、受信電極111を介して結合される電界を検出し、電気信号に変換して信号処理回路115に出力するように機能するものであるが、詳しくは図5に示すように構成されている。
【0007】
図5に示す電界検出光学部110は、レーザ光と電気光学結晶を用いた電気光学的手法により電界を検出するものであり、レーザ光源を構成するレーザダイオード121および電気光学結晶からなる電気光学素子123を有する。なお、電気光学素子123は、レーザダイオード121からのレーザ光の進行方向に対して直角方向に結合される電界にのみ感度を有し、この電界強度によって光学特性、すなわち複屈折率が変化し、この複屈折率の変化によりレーザ光の偏光が変化するようになっている。
【0008】
電気光学素子123の図上で上下方向に対向する両側面には第1および第2の電極125,127が設けられている。なお、この第1および第2の電極125,127は、レーザダイオード121からのレーザ光の電気光学素子123内における進行方向を両側から挟み、レーザ光に対して電界を直角に結合させるようになっている。
【0009】
電界検出光学装置110は、図4に示した受信電極111を構成する信号電極129を有し、この信号電極129は第1の電極125に接続されている。また、第1の電極125に対向する第2の電極127は、グランド電極131に接続され、第1の電極125に対してグランド電極として機能するように構成されている。信号電極129は、生体100に誘起されて伝達されてくる電界を検出すると、この電界を第1の電極125に伝達し、第1の電極125を介して電気光学素子123に結合するようになっている。
【0010】
レーザダイオード121から出力されるレーザ光は、コリメートレンズ133を介して平行光にされ、平行光となったレーザ光は第1の波長板135で偏光状態を調整されて電気光学素子123に入射する。電気光学素子123に入射したレーザ光は、電気光学素子123内で第1、第2の電極125,127の間を伝播するが、このレーザ光の伝播中において上述したように信号電極129が生体100に誘起されて伝達されてくる電界を検出し、この電界を第1の電極125を介して電気光学素子123に結合すると、この電界は第1の電極125からグランド電極131に接続されている第2の電極127に向かって形成されて、レーザダイオード121から電気光学素子123に入射したレーザ光の進行方向に直角であるため、電気光学素子123の光学特性である複屈折率が変化し、これによりレーザ光の偏光が変化する。
【0011】
このように電気光学素子123において第1の電極125からの電界によって偏光が変化したレーザ光は、第2の波長板137で偏光状態を調整されて偏光ビームスプリッタ139に入射する。偏光ビームスプリッタ139は、第2の波長板137から入射されたレーザ光をP波およびS波に分離して、光の強度変化に変換する。この偏光ビームスプリッタ139でP波成分およびS波成分に分離されたレーザ光は、それぞれ第1、第2の集光レンズ141a,141bで集光されてから、光電気変換手段を構成する第1、第2のフォトダイオード143a,143bで受光され、第1、第2のフォトダイオード143a,143bにおいてP波光信号とS波光信号をそれぞれの電気信号に変換して出力するようになっている。
【0012】
上述したように第1、第2のフォトダイオード143a,143bから出力される電気信号は、図4に示す信号処理回路115で増幅、雑音除去、波形整形などの信号処理を施されてから、入出力回路101を介してウェアラブルコンピュータ1に供給されることになる。
【0013】
また、P波またはS波の光信号を電気信号に変換するフォトダイオード143は、図6に示すように、直列に接続された負荷抵抗151を介してバイアス電圧源153とアースとの間に接続され、バイアス電圧源153の逆バイアスの電圧を印加されて作動するようになっている。
【0014】
そして、フォトダイオード143は、偏光ビームスプリッタ139でP波成分およびS波成分に分離されたレーザ光を受光すると、該レーザ光の強さに応じて光電流を発生する。この光電流は負荷抵抗151の電圧降下として出力される。
【0015】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように構成される従来の電界検出光学装置において、電界検出感度を向上させるための方法として、レーザダイオード121の光量を増やす方法があるが、レーザダイオード121のレーザ光量を増やすと、フォトダイオード143に流れる直流光電流が増大し、負荷抵抗151における電圧降下が大きくなり、この結果フォトダイオード143に印加される逆バイアス電圧が少なくなる。逆バイアス電圧が少なくなると、フォトダイオード143が正常に動作しなくなり、レーザ光量を増やしたにも関わらず、逆に感度が悪くなり、通信エラーが増大するという問題がある。
【0016】
このような不具合を回避するために、負荷抵抗151を小さくすると、信号成分が少なくなるという問題がある。
【0017】
また、十分に大きな逆バイアス電圧を印加するためにバイアス電圧を大きくしようとしても、フォトダイオード143の定格のためにバイアス電圧を十分に大きくすることができないという問題がある。
【0018】
仮に、フォトダイオードの定格が大きくても、バイアス電圧を大きくするためにバッテリの電圧を昇圧する回路が必要となる。しかし、昇圧回路は一般的に効率が悪いため熱となって消費する電力が大きくなり、発熱やバッテリ消耗の点で問題があり、また昇圧回路からのスイッチング雑音が混入して測定精度が悪くなるという問題を生じ易い。
【0019】
本発明は、上記に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、平行光の光量を増大してS/Nの向上、十分な逆バイアスの確保、発熱やバッテリ消耗の抑制を図り、高感度化を達成し得る電界検出光学装置を提供することにある。
【0020】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項1記載の本発明は、電界伝達媒体に誘起されて伝達されてくる電界を検出して電気信号に変換する電界検出光学装置であって、単一波長の平行光を入射され、かつ結合される電界に感応して平行光の偏光を変化させるとともに、互いに直交するP波とS波に分離して出射する偏光変化手段と、該偏光変化手段から出射するP波とS波の各々をさらに光量の等しい2つの平行光にそれぞれ分ける第1および第2のビームスプリッタと、該第1および第2のビームスプリッタで分離された4つの平行光を電気信号に変換する第1乃至第4の光電気変換手段と、該第1乃至第4の光電気変換手段から出力される4つの出力信号のうち逆位相の2つの信号をそれぞれ入力して両信号の差を増幅する第1および第2の差動増幅器と、該第1および第2の差動増幅器のそれぞれの出力信号を入力として両信号の差を増幅する第3の差動増幅器とを有することを要旨とする。
【0021】
請求項1記載の本発明にあっては、平行光を入射された偏光変化手段において結合された電界で平行光の偏光を変化させ、偏光変化手段から出射されるP波とS波の各々をさらに光量の等しい2つの平行光に分離し、この分離された4つの平行光を電気信号に変換し、逆位相の信号を差動増幅して出力信号を生成するため、感度向上のために平行光の光量を増大しても、複数の等光量のレーザ光に分離することで、従来のように各フォトダイオードに対する光量を分散させ、逆バイアス問題でフォトダイオードが正常に動作しなくなり、感度が悪くなり、通信エラーが増大するという問題を解消し、フォトダイオードの定格の問題、バイアス電圧の昇圧問題、発熱やバッテリ消耗の問題などの発生もなく、高感度な電界検出光学装置を達成することができ、また雑音成分は差動増幅により同相成分が互いに打ち消し合って除去されて、S/Nを著しく向上することができる。
【0022】
また、請求項2記載の本発明は、電界伝達媒体に誘起されて伝達されてくる電界を検出して電気信号に変換する電界検出光学装置であって、各々が単一波長の平行光を入射され、かつ結合される電界に感応して平行光の偏光を変化させるとともに、互いに直交するP波とS波に分離して出射する複数の偏光変化手段と、該複数の偏光変化手段からそれぞれ出射するP波とS波の各々を電気信号に変換する複数の光電気変換手段と、該複数の光電気変換手段の出力信号のうち逆位相の一対の信号の差動増幅をすべての組合せについて行う差動増幅処理を該差動増幅処理で生成された差動増幅信号についても同様に行うという差動増幅処理を順次繰り返し行って差動増幅された出力信号を生成する差動増幅手段とを有することを要旨とする。
【0023】
請求項2記載の本発明にあっては、平行光を入射された複数の偏光変化手段の各々において結合された電界で平行光の偏光を変化させ、偏光変化手段から出射されるP波とS波の各々をさらに光量の等しい2つの平行光に分離し、この分離された複数の平行光を電気信号に変換し、複数の電気信号のうち逆位相の信号を差動増幅して出力信号を生成するため、感度向上のために平行光の光量を増大しても、複数の等光量のレーザ光に分離することで、従来のように各フォトダイオードに対する光量を分散させ、逆バイアス問題でフォトダイオードが正常に動作しなくなり、感度が悪くなり、通信エラーが増大するという問題を解消し、フォトダイオードの定格の問題、バイアス電圧の昇圧問題、発熱やバッテリ消耗の問題などの発生もなく、高感度な電界検出光学装置を達成することができ、また雑音成分は差動増幅により同相成分が互いに打ち消し合って除去されて、S/Nを著しく向上することができる。
【0024】
更に、請求項3記載の本発明は、請求項1または2記載の発明において、前記偏光変化手段が、前記平行光を入射され、かつ結合される電界に感応して光学特性が変化する電気光学素子と、該電気光学素子を通過した平行光をP波とS波に分離し、かつ光の強度変化に変換する検光子とを有することを要旨とする。
【0025】
請求項4記載の本発明は、電界伝達媒体に誘起されて伝達されてくる電界を検出して電気信号に変換する電界検出光学装置であって、単一波長の光を発生する光源と、該光源からの光を平行光にするコリメートレンズと、該コリメートレンズからの平行光を入射され、かつ結合される電界に感応して光学特性が変化する電気光学素子と、前記電界伝達媒体に誘起された電界を前記電気光学素子に結合させる第1の電極と、前記電気光学素子を通過した平行光をP波とS波に分離し、かつ光の強度変化に変換する検光子と、該検光子で分離されたP波およびS波をそれぞれ等しい光量の2つの平行光に分離する第1および第2のビームスプリッタと、該第1および第2のビームスプリッタで分離された4個の平行光を電気信号に変換する第1乃至第4の光電気変換手段と、該第1乃至第4の光電気変換手段から出力される4つの出力信号のうち逆位相の2つの信号をそれぞれ入力して両信号の差を増幅する第1および第2の差動増幅器と、該第1および第2の差動増幅器のそれぞれの出力信号を入力として両信号の差を増幅する第3の差動増幅器とを有することを要旨とする。
【0026】
請求項4記載の本発明にあっては、電界伝達媒体に誘起されて伝達されてくる電界を第1の電極を介して電気光学素子に結合させ、この電気光学素子に対して平行光を入射させ、この電気光学素子から出射した平行光を検光子でP波とS波に分離し、このP波とS波をそれぞれ2つの光量の等しい平行光に分離して電気信号に変換し、複数の電気信号のうち逆位相の信号を差動増幅して出力信号を生成するため、感度向上のために平行光の光量を増大しても、複数の等光量のレーザ光に分離することで、従来のように各フォトダイオードに対する光量を分散させ、逆バイアス問題でフォトダイオードが正常に動作しなくなり、感度が悪くなり、通信エラーが増大するという問題を解消し、フォトダイオードの定格の問題、バイアス電圧の昇圧問題、発熱やバッテリ消耗の問題などの発生もなく、高感度な電界検出光学装置を達成することができ、また雑音成分は差動増幅により同相成分が互いに打ち消し合って除去されて、S/Nを著しく向上することができる。
【0027】
また、請求項5記載の本発明は、電界伝達媒体に誘起されて伝達されてくる電界を検出して電気信号に変換する電界検出光学装置であって、単一波長の光を発生する光源と、該光源からの光を平行光にするコリメートレンズと、該コリメートレンズからの平行光を光量の等しい複数の平行光に分けるビームスプリッタ手段と、各々が前記ビームスプリッタ手段で分離された複数の平行光の各々を入射され、かつ結合される電界に感応して光学特性が変化する複数の電気光学素子と、各々が前記電界伝達媒体に誘起された電界を複数の電気光学素子の各々に結合させる複数の第1の電極と、各々が複数の電気光学素子の各々を通過した平行光をP波とS波に分離し、かつ光の強度変化に変換する複数の検光子と、各々が前記複数の検光子の各々で分離されたP波およびS波をそれぞれ電気信号に変換する複数の光電気変換手段と、該複数の光電気変換手段の出力信号のうち逆位相の一対の信号の差動増幅をすべての組合せについて行う差動増幅処理を該差動増幅処理で生成された差動増幅信号についても同様に行うという差動増幅処理を順次繰り返し行って差動増幅された出力信号を生成する差動増幅手段とを有することを要旨とする。
【0028】
請求項5記載の本発明にあっては、電界伝達媒体に誘起されて伝達されてくる電界を第1の電極を介して複数の電気光学素子に結合させ、この複数の電気光学素子に対して複数の平行光をそれぞれ入射させ、複数の電気光学素子から出射した複数の平行光の各々を各検光子でP波とS波に分離し、複数の検光子の各々からのP波とS波をそれぞれ電気信号に変換して複数の電気信号とし、この複数の電気信号のうち逆位相の信号を差動増幅して出力信号を生成するため、感度向上のために平行光の光量を増大しても、複数の等光量のレーザ光に分離することで、従来のように各フォトダイオードに対する光量を分散させ、逆バイアス問題でフォトダイオードが正常に動作しなくなり、感度が悪くなり、通信エラーが増大するという問題を解消し、フォトダイオードの定格の問題、バイアス電圧の昇圧問題、発熱やバッテリ消耗の問題などの発生もなく、高感度な電界検出光学装置を達成することができ、また雑音成分は差動増幅により同相成分が互いに打ち消し合って除去されて、S/Nを著しく向上することができる。
【0029】
更に、請求項6記載の本発明は、請求項4または5に記載の発明において、前記平行光を入射される電気光学素子の入射端面に近接して設けられ、平行光の偏光状態を調整して電気光学素子に入射する第1の波長板、前記第1の電極に対向して設けられ、第1の電極に対してグランド電極として機能する第2の電極、および前記電気光学素子と前記検光子との間に設けられ、電気光学素子を通過した平行光の偏光状態を調整して検光子に入射する第2の波長板のうち少なくとも1つ以上を更に有することを要旨とする。
【0030】
請求項7記載の本発明は、請求項4乃至6のいずれか1項に記載の発明において、前記光源が、単一波長光を発生する発光ダイオードまたはレーザ光を発生するレーザ光源であることを要旨とする。
【0031】
また、請求項8記載の本発明は、請求項4乃至7のいずれか1項に記載の発明において、前記検光子が、偏光ビームスプリッタであることを要旨とする。
【0032】
【発明の実施の形態】
以下、図面を用いて本発明の実施の形態を説明する。図1は、本発明の一実施形態に係る電界検出光学装置の構成を示す図である。
【0033】
同図に示す電界検出光学装置は、図5で説明した従来の電界検出光学装置においてレーザダイオード121の光量を増大するとともに、偏光ビームスプリッタ139以降の構成として偏光ビームスプリッタ139を通過したレーザ光を複数のレーザ光に分割し、レーザダイオードの光量を増大した分を複数のフォトダイオードで受光し、これにより従来の問題を解消するように構成した点が異なるものであり、その他の構成および作用は同じであり、同じ構成要素には図5における符号の百番台の番号を除去した2桁の同じ数字が付与されている。
【0034】
図1において、偏光ビームスプリッタ39以降の構成について詳細に説明する。偏光ビームスプリッタ39でP波成分およびS波成分に分離されたレーザ光は、それぞれ第1および第2のビームスプリッタ51,61に入射し、第1および第2のビームスプリッタ51,61において各レーザ光を光量の等しい2つのレーザ光に分離する。この結果、4つのレーザ光が生成される。
【0035】
第1のビームスプリッタ51で分離されたレーザ光のうち一方は、第1の集光レンズ53aで集光されて第1のフォトダイオード55aに入射し、他方は、第2の集光レンズ53bで集光されて第2のフォトダイオード55bに入射する。
【0036】
また、第2のビームスプリッタ61で分離されたレーザ光のうち一方は、第3の集光レンズ63aで集光されて第3のフォトダイオード65aに入射し、他方は、第4の集光レンズ63bで集光されて第4のフォトダイオード65bに入射する。
【0037】
各分離されたレーザ光を入射された第1〜第4のフォトダイオード55a,55b,65a,65bは、それぞれ直列接続された負荷抵抗57a,57b,67a,67bを介してバイアス電圧源59a,59b,69a,69bとアースとの間に接続され、各レーザ光の光量に応じた光電流を発生し、この光電流は各フォトダイオードに直列接続された負荷抵抗57a,57b,67a,67bに電圧降下を生じ、この電圧降下が出力電圧として出力される。例えば、正極性の矩形波が信号電極29に印加されている場合は、各フォトダイオードの出力側に図1に示すような矩形波が出力される。
【0038】
これらの矩形波の出力信号は、図示のように第1、第2のフォトダイオード55a,55bからは正極性で、第3、第4のフォトダイオード65a,65bからは負極性で出力されるというように互いに逆位相で出力されるので、これらの出力信号のうち逆位相の一対の信号、すなわち第2のフォトダイオード55bの出力を第1の差動アンプ71の負入力側に入力し、第3のフォトダイオード65aの出力を第1の差動アンプ71の正入力側に入力し、両信号の差を増幅する差動増幅を行って出力信号を生成し、また残りの逆位相の一対の信号、すなわち第1のフォトダイオード55aの出力を第2の差動アンプ73の正入力側に入力し、第4のフォトダイオード65bの出力を第2の差動アンプ73の負入力側に入力し、両信号の差を増幅する差動増幅を行って出力信号を生成する。
【0039】
第1の差動アンプ71からの出力信号は図示のように負極性であり、第2の差動アンプ73からの出力信号は図示のように正極性であり、この両出力信号は第3の差動アンプ75に入力され、両者の差を増幅され図示のような出力信号を生成する。
【0040】
本実施形態においては、レーザダイオード21の光量を増大しているが、電気光学素子23を通過して偏光変化したレーザ光を偏光ビームスプリッタ39でP波成分とS波成分に分離し、この分離した各成分のレーザ光を更に第1、第2のビームスプリッタ51,61で2つの光量の等しいレーザ光に分離しているため、レーザ光量を増大しても、従来のように各フォトダイオードに対する光量は分散されて増大せず、従って従来のように負荷抵抗における電圧降下が大きくなってフォトダイオードに印加される逆バイアス電圧が少なくなり、フォトダイオードが正常に動作しなくなり、感度が悪くなり、通信エラーが増大するという問題、フォトダイオードの定格の問題、バイアス電圧の昇圧問題、発熱やバッテリ消耗の問題などの発生もなく、高感度な電界検出光学装置を達成することができる。
【0041】
特に、レーザ光量を増大したことにより、信号成分が増大することにも関わらず、雑音成分は第1〜第3の差動アンプ71〜75における差動増幅により同相成分が互いに打ち消し合って除去されるため、S/Nを著しく向上することができ、またフォトダイオードに印加する逆バイアス電圧も特別に昇圧させることなく十分な動作電圧のものを確保することができる。
【0042】
次に、図2を参照して、本発明の他の実施形態に係る電界検出光学装置について説明する。
【0043】
同図に示す電界検出光学装置は、図5で説明した従来の電界検出光学装置においてレーザダイオード121の光量を増大することに加えて、電気光学素子123を2個設け、その関連部分も各電気光学素子に対応して同様に2組設けるように構成した点が異なるものであり、その他の構成および作用は同じであり、同じ構成要素には図5における符号の百番台の番号を除去した2桁の同じ数字が付与されている。
【0044】
すなわち、図2に示す電界検出光学装置は、第1および第2の2個の電気光学素子23a,23bを有し、この2個の電気光学素子23a,23bにレーザダイオード21からのレーザ光を入射するために、レーザダイオード21からのレーザ光を平行光にするコリメートレンズ33の出射側にレーザ光を2つに分けるビームスプリッタ77を設けている。そして、このビームスプリッタ77で分離された2つのレーザ光のうちの一方は、第1の波長板35aを介して第1の電気光学素子23aに入射し、他方は、更にプリズム79で反射され、第3の波長板35bを介して第2の電気光学素子23bに入射されるようになっている。
【0045】
第1の電気光学素子23aに対しては、図5と同様に、その側面に第1の電極25aおよび第2の電極27aが取り付けられ、第1、第2の電極25a,27aにはそれぞれ信号電極29a、グランド電極31aが接続されている。また、第1の電気光学素子23aの他端である出射端側には第1の電気光学素子23aを通過したレーザ光の偏光状態を調整する第2の波長板37aが設けられ、この第2の波長板37aを通過したレーザ光は第1の偏光ビームスプリッタ39aに入射して、P波とS波に分離された光の強度変化に変換される。
【0046】
第1の偏光ビームスプリッタ39aでP波成分およびS波成分に分離された2つのレーザ光は、それぞれ第1および第2の集光レンズ53a,53bで集光されてから、第1および第2のフォトダイオード55a,55bで受光される。
【0047】
第1および第2のフォトダイオード55a,55bは、それぞれ直列に接続された第1および第2の負荷抵抗57a,57bを介して第1および第2のバイアス電圧源59a,59bとアースとの間に接続され、バイアス電圧源の逆バイアスの電圧を印加されて作動するようになっている。
【0048】
そして、第1および第2のフォトダイオード55a,55bは、それぞれ第1の偏光ビームスプリッタ39aでP波成分およびS波成分に分離されたレーザ光を受光すると、該レーザ光の強さに応じて光電流をそれぞれ発生する。この光電流はそれぞれ第1および第2の負荷抵抗57a,57bに電圧降下を発生し、この電圧降下が出力電圧として出力される。例えば、正極性の矩形波が信号電極29aに印加されている場合は、第1、第2のフォトダイオードの出力側に図2に示すような矩形波が出力される。
【0049】
これらの矩形波の出力信号は、図示のように第1のフォトダイオード55aからは負極性で、第2のフォトダイオード55bからは正極性で出力されるというように互いに逆位相で出力され、第1の差動アンプ71に入力される。第1の差動アンプ71は、この両出力信号の差を増幅し、図示のように負極性の信号を出力する。
【0050】
一方、第2の電気光学素子23bも同様に、その側面に第3の電極25bおよび第4の電極27bが取り付けられ、第3、第4の電極25b,27bにはそれぞれ信号電極29b、グランド電極31bが接続されている。また、第2の電気光学素子23bの他端である出射端側には第2の電気光学素子23bを通過したレーザ光の偏光状態を調整する第4の波長板37bが設けられ、この第4の波長板37bを通過したレーザ光は第2の偏光ビームスプリッタ39bに入射して、P波とS波に分離された光の強度変化に変換される。
【0051】
第2の偏光ビームスプリッタ39bでP波成分およびS波成分に分離された2つのレーザ光は、それぞれ第3および第4の集光レンズ63a,63bで集光されてから、第3および第4のフォトダイオード65a,65bで受光される。
【0052】
第3および第4のフォトダイオード65a,65bは、それぞれ直列に接続された第3および第4の負荷抵抗67a,67bを介して第3および第4のバイアス電圧源69a,69bとアースとの間に接続され、バイアス電圧源の逆バイアスの電圧を印加されて作動するようになっている。
【0053】
そして、第3および第4のフォトダイオード65a,65bは、それぞれ第2の偏光ビームスプリッタ39bでP波成分およびS波成分に分離されたレーザ光を受光すると、該レーザ光の強さに応じて光電流をそれぞれ発生する。この光電流はそれぞれ第3および第4の負荷抵抗67a,67bに電圧降下を発生し、この電圧降下が出力電圧として出力される。例えば、上記信号電極29aに印加されている正極性の矩形波が信号電極29bにも印加されている場合は、第3、第4のフォトダイオードの出力側に図2に示すような矩形波が出力される。
【0054】
これらの矩形波の出力信号は、図示のように第3のフォトダイオード65aからは負極性で、第4のフォトダイオード65bからは正極性で出力されるというように互いに逆位相で出力され、第2の差動アンプ73に入力される。第2の差動アンプ73は、この両出力信号の差を増幅し、図示のように正極性の信号を出力する。
【0055】
上述したように、第1の差動アンプ71からの負極性の出力信号および第2の差動アンプ73の正極性の出力信号は、第3の差動アンプ75に入力され、両出力信号の差を増幅し、図示のように正極性の信号を出力する。
【0056】
本実施形態においては、レーザダイオード21の光量を増大しているが、レーザダイオード21からのコリメートレンズを介したレーザ光をビームスプリッタ77で光量の等しい2つのレーザ光に分割し、この2つのレーザ光をそれぞれ第1、第2の電気光学素子23a,23bに入射して偏光変化させ、それから各レーザ光を第1、第2の偏光ビームスプリッタ39a,39bでそれぞれP波成分とS波成分に分離しているため、レーザ光量を増大しても、従来のように各フォトダイオードに対する光量は分散されて増大せず、従って従来のように負荷抵抗における電圧降下が大きくなってフォトダイオードに印加される逆バイアス電圧が少なくなり、フォトダイオードが正常に動作しなくなり、感度が悪くなり、通信エラーが増大するという問題、フォトダイオードの定格の問題、バイアス電圧の昇圧問題、発熱やバッテリの消耗の問題などの発生もなく、高感度な電界検出光学装置を達成することができる。
【0057】
特に、レーザ光量を増大したことにより、信号成分が増大することにも関わらず、雑音成分は第1〜第3の差動アンプ71〜75における差動増幅により同相成分が互いに打ち消し合って除去されるため、S/Nを著しく向上することができ、またフォトダイオードに印加する逆バイアス電圧も特別に昇圧させることなく十分な動作電圧のものを確保することができる。
【0058】
なお、図2に示した実施形態では、コリメートレンズ33を通ったレーザ光をビームスプリッタ77で2つのレーザ光に分割して、第1および第2の電気光学素子23a,23bに入射しているというように、電気光学素子を2個使用している場合について説明しているが、本発明はこれに限定されるものでなく、複数の電気光学素子を設け、コリメートレンズからのレーザ光を複数に分割して入射するように構成してもよいものである。
【0059】
上述した各実施形態では、レーザダイオード21から出力されるレーザ光を用いているが、本発明はレーザ光に限られるものでなく、単一波長光を発生するものであればよく、例えば発光ダイオード(LED)でもよいものである。また、各電気光学素子23は、電気光学結晶を用いた電気光学的手法により電界を検出するものとして説明したが、本発明はこれに限定されるものでなく、例えば磁気光学現象を利用して磁気光学素子などを使用してもよいものである。なお、電気光学素子の場合には、その形状としては、例えば角柱の形状を有することが好ましくも、角柱に限定されるものでなく、他の形状、例えば円柱などでもよいものである。
【0060】
また、上記各実施形態では、信号電極29に対応するものとして、グランド電極31が設けられているが、グランド電極31は、例えば装置の電池に接続されたり、または大きめの金属などに接続することによりグランドとして機能し、電極25から電気光学素子23への電界の結合を良好にすることができるものであるが、グランド電極は必ずしも必要なものではない。
【0061】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、平行光を入射された偏光変化手段において結合された電界で平行光の偏光を変化させ、偏光変化手段から出射される逆位相成分の各平行光を2つの光量の等しい平行光に分離し、この分離された4つの平行光を光電気変換手段で電気信号に変換し、逆位相の信号を差動増幅して出力信号を生成するので、感度向上のために平行光の光量を増大しても、複数の光量の等しいレーザ光に分離することで、従来のように各フォトダイオードに対する光量を分散させ、逆バイアス問題でフォトダイオードが正常に動作しなくなり、感度が悪くなり、通信エラーが増大するという問題を解消し、フォトダイオードの定格の問題、バイアス電圧の昇圧問題、発熱やバッテリ消耗の問題などの発生もなく、高感度な電界検出光学装置を達成することができ、また雑音成分は差動増幅により同相成分が互いに打ち消し合って除去されて、S/Nを著しく向上することができる。
【0062】
また、本発明によれば、平行光を入射された複数の偏光変化手段の各々において結合された電界で平行光の偏光を変化させ、各偏光変化手段から出射される逆位相成分の各平行光をそれぞれ2つの光量の等しい平行光に分離し、この分離された複数の平行光を光電気変換手段で電気信号に変換し、複数の電気信号のうち逆位相の信号を差動増幅して出力信号を生成するので、感度向上のために平行光の光量を増大しても、複数の光量の等しいレーザ光に分離することで、従来のように各フォトダイオードに対する光量を分散させ、逆バイアス問題でフォトダイオードが正常に動作しなくなり、感度が悪くなり、通信エラーが増大するという問題を解消し、フォトダイオードの定格の問題、バイアス電圧の昇圧問題、発熱やバッテリ消耗の問題などの発生もなく、高感度な電界検出光学装置を達成することができ、また雑音成分は差動増幅により同相成分が互いに打ち消し合って除去されて、S/Nを著しく向上することができる。
【0063】
更に、本発明によれば、電界伝達媒体に誘起されて伝達されてくる電界を第1の電極を介して電気光学素子に結合させ、この電気光学素子に対して平行光を入射させ、この電気光学素子から出射した平行光を検光子でP波とS波に分離し、このP波とS波をそれぞれ2つの光量の等しい平行光に分離し、光電気変換手段で電気信号に変換し、複数の電気信号のうち逆位相の信号を差動増幅して出力信号を生成するので、感度向上のために平行光の光量を増大しても、複数の光量の等しいレーザ光に分離することで、従来のように各フォトダイオードに対する光量を分散させ、逆バイアス問題でフォトダイオードが正常に動作しなくなり、感度が悪くなり、通信エラーが増大するという問題を解消し、フォトダイオードの定格の問題、バイアス電圧の昇圧問題、発熱やバッテリ消耗の問題などの発生もなく、高感度な電界検出光学装置を達成することができ、また雑音成分は差動増幅により同相成分が互いに打ち消し合って除去されて、S/Nを著しく向上することができる。
【0064】
本発明によれば、電界伝達媒体に誘起されて伝達されてくる電界を第1の電極を介して複数の電気光学素子に結合させ、この複数の電気光学素子に対して複数の平行光をそれぞれ入射させ、複数の電気光学素子から出射した複数の平行光の各々を各検光子でP波とS波に分離し、複数の検光子の各々からのP波とS波をそれぞれ光電気変換手段で電気信号に変換して複数の電気信号とし、この複数の電気信号のうち逆位相の信号を差動増幅して出力信号を生成するので、感度向上のために平行光の光量を増大しても、複数の等光量のレーザ光に分離することで、従来のように各フォトダイオードに対する光量を分散させ、逆バイアス問題でフォトダイオードが正常に動作しなくなり、感度が悪くなり、通信エラーが増大するという問題を解消し、フォトダイオードの定格の問題、バイアス電圧の昇圧問題、発熱やバッテリ消耗の問題などの発生もなく、高感度な電界検出光学装置を達成することができ、また雑音成分は差動増幅により同相成分が互いに打ち消し合って除去されて、S/Nを著しく向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施形態に係る電界検出光学装置の構成を示す図である。
【図2】本発明の他の実施形態に係る電界検出光学装置の構成を示す図である。
【図3】トランシーバを介してウェアラブルコンピュータを人間に装着して使用する場合の例を示す説明図である。
【図4】ウェアラブルコンピュータを生体に取り付けるためのトランシーバであって、本発明の電界検出光学装置が適用されるトランシーバの回路構成を示すブロック図である。
【図5】従来の電界検出光学装置の構成を示す図である。
【図6】図5に示す電界検出光学装置に使用されているフォトダイオードの周辺の回路図である。
【符号の説明】
21 レーザダイオード
23 電気光学素子
25,27 電極
29 信号電極
31 グランド電極
33 コリメートレンズ
35,37 波長板
39 偏光ビームスプリッタ
51,61,77 ビームスプリッタ
53,63 集光レンズ
55,65 フォトダイオード
57,67 負荷抵抗
59,69 バイアス電圧源
71−75 差動アンプ
79 プリズム
100 生体(電界伝達媒体)
Claims (8)
- 電界伝達媒体に誘起されて伝達されてくる電界を検出して電気信号に変換する電界検出光学装置であって、
単一波長の平行光を入射され、かつ結合される電界に感応して平行光の偏光を変化させるとともに、互いに直交するP波とS波に分離して出射する偏光変化手段と、
該偏光変化手段から出射するP波とS波の各々をさらに光量の等しい2つの平行光にそれぞれ分ける第1および第2のビームスプリッタと、
該第1および第2のビームスプリッタで分離された4つの平行光を電気信号に変換する第1乃至第4の光電気変換手段と、
該第1乃至第4の光電気変換手段から出力される4つの出力信号のうち逆位相の2つの信号をそれぞれ入力して両信号の差を増幅する第1および第2の差動増幅器と、
該第1および第2の差動増幅器のそれぞれの出力信号を入力として両信号の差を増幅する第3の差動増幅器と
を有することを特徴とする電界検出光学装置。 - 電界伝達媒体に誘起されて伝達されてくる電界を検出して電気信号に変換する電界検出光学装置であって、
各々が単一波長の平行光を入射され、かつ結合される電界に感応して平行光の偏光を変化させるとともに、互いに直交するP波とS波に分離して出射する複数の偏光変化手段と、
該複数の偏光変化手段からそれぞれ出射するP波とS波の各々を電気信号に変換する複数の光電気変換手段と、
該複数の光電気変換手段の出力信号のうち逆位相の一対の信号の差動増幅をすべての組合せについて行う差動増幅処理を該差動増幅処理で生成された差動増幅信号についても同様に行うという差動増幅処理を順次繰り返し行って差動増幅された出力信号を生成する差動増幅手段と
を有することを特徴とする電界検出光学装置。 - 前記偏光変化手段は、
前記平行光を入射され、かつ結合される電界に感応して光学特性が変化する電気光学素子と、
該電気光学素子を通過した平行光をP波とS波に分離し、かつ光の強度変化に変換する検光子と
を有することを特徴とする請求項1または2記載の電界検出光学装置。 - 電界伝達媒体に誘起されて伝達されてくる電界を検出して電気信号に変換する電界検出光学装置であって、
単一波長の光を発生する光源と、
該光源からの光を平行光にするコリメートレンズと、
該コリメートレンズからの平行光を入射され、かつ結合される電界に感応して光学特性が変化する電気光学素子と、
前記電界伝達媒体に誘起された電界を前記電気光学素子に結合させる第1の電極と、
前記電気光学素子を通過した平行光をP波とS波に分離し、かつ光の強度変化に変換する検光子と、
該検光子で分離されたP波およびS波をそれぞれ等しい光量の2つの平行光に分離する第1および第2のビームスプリッタと、
該第1および第2のビームスプリッタで分離された4個の平行光を電気信号に変換する第1乃至第4の光電気変換手段と、
該第1乃至第4の光電気変換手段から出力される4つの出力信号のうち逆位相の2つの信号をそれぞれ入力して両信号の差を増幅する第1および第2の差動増幅器と、
該第1および第2の差動増幅器のそれぞれの出力信号を入力として両信号の差を増幅する第3の差動増幅器と
を有することを特徴とする電界検出光学装置。 - 電界伝達媒体に誘起されて伝達されてくる電界を検出して電気信号に変換する電界検出光学装置であって、
単一波長の光を発生する光源と、
該光源からの光を平行光にするコリメートレンズと、
該コリメートレンズからの平行光を光量の等しい複数の平行光に分けるビームスプリッタ手段と、
各々が前記ビームスプリッタ手段で分離された複数の平行光の各々を入射され、かつ結合される電界に感応して光学特性が変化する複数の電気光学素子と、
各々が前記電界伝達媒体に誘起された電界を複数の電気光学素子の各々に結合させる複数の第1の電極と、
各々が複数の電気光学素子の各々を通過した平行光をP波とS波に分離し、かつ光の強度変化に変換する複数の検光子と、
各々が前記複数の検光子の各々で分離されたP波およびS波をそれぞれ電気信号に変換する複数の光電気変換手段と、
該複数の光電気変換手段の出力信号のうち逆位相の一対の信号の差動増幅をすべての組合せについて行う差動増幅処理を該差動増幅処理で生成された差動増幅信号についても同様に行うという差動増幅処理を順次繰り返し行って差動増幅された出力信号を生成する差動増幅手段と
を有することを特徴とする電界検出光学装置。 - 前記平行光を入射される電気光学素子の入射端面に近接して設けられ、平行光の偏光状態を調整して電気光学素子に入射する第1の波長板、
前記第1の電極に対向して設けられ、第1の電極に対してグランド電極として機能する第2の電極、および
前記電気光学素子と前記検光子との間に設けられ、電気光学素子を通過した平行光の偏光状態を調整して検光子に入射する第2の波長板のうち少なくとも1つ以上
を更に有することを特徴とする請求項4または5に記載の電界検出光学装置。 - 前記光源は、単一波長光を発生する発光ダイオードまたはレーザ光を発生するレーザ光源であることを特徴とする請求項4乃至6のいずれか1項に記載の電界検出光学装置。
- 前記検光子は、偏光ビームスプリッタであることを特徴とする請求項4乃至7のいずれか1項に記載の電界検出光学装置。
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