(57)【要約】【課題】装着する生体の形状に柔軟に対応して、高感度化を実現し得る電界検出光学装置を提供する。【解決手段】レーザダイオード２１からのレーザ光は複数のコリメートレンズ３３ａを介して、複数の直列接続された電界吸収素子２３に入射し、結合される電界によって強度変化し、この電界で強度変化したレーザ光は、フォトダイオード４３で電気信号に変換される。また、複数の光変調器１０ａ〜１０ｎ間は、かとう性のある光導波路２０で接続されている。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
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させる光源と、
この光源からの光を平行光にする第１のコリメートレンズ、前記第１のコリメートレンズを介して入射された平行光の進行方向に対して直角の電界に感度を有し、かつ結合される電界強度に応じて光の吸収係数が変化する電界吸収素子、前記電界吸収素子内を進行する前記平行光を挟むように位置する電界吸収素子の対向する側面の一方に設けられ、前記電界伝達媒体に誘起された電界を前記電界吸収素子に結合させるための第一の電極、及び前記電界吸収素子を通過した平行光を集光する第２のコリメートレンズを備える光変調器を複数直列に接続した電界検出手段と、
前記電界検出手段を通過した光を電気信号に変換する光電気変換手段と、
を有し、
前記光源、前記電界検出手段、及び前記光電気変換手段のそれぞれの間、並びに前記電界検出手段のそれぞれの光変調器間はかとう性のある光導波路で接続されていることを特徴とする電界検出光学装置。
【請求項２】
前記光導波路は、光ファイバであることを特徴とする請求項１記載の電界検出光学装置。
【請求項３】
前記光導波路は、フィルム光導波路であることを特徴とする請求項１記載の電界検出光学装置。
【請求項４】
表面全体を導電性フィルムで覆われていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の電界検出光学装置。
【請求項５】
前記光変調器は、前記電界吸収素子の前記対向する側面の他方に設けられ、前記第一の電極に対してグランド電極として機能する第二の電極を有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の電界検出光学装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【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７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、更に手足の先端で触れられるよう壁や床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７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８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、この送信データのレベルをレベル変換回路１０２で変換し、送信回路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１１３で増幅、雑音除去などの信号処理を施され、更に波形整形回路１１５で波形整形されてから、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１１３に出力するように機能するものであるが、詳しくは図９に示すように構成されている。
【０００７】
図９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一および第二の電極１２５，１２７が設けられている。なお、この第一および第二の電極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】
電界検出光学部１１０は、図８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は第一の電極１２５に接続されている。また、第一の電極１２５に対向する第二の電極１２７は、グランド電極１３１に接続され、第一の電極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、この電界を第一の電極１２５に伝達し、第一の電極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一の波長板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内で第一、第二の電極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、この電界を第一の電極１２５を介して電気光学素子１２３に結合すると、この電界は第一の電極１２５からグランド電極１３１に接続されている第二の電極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において第一の電極１２５からの電界によって偏光が変化したレーザ光は、第二の波長板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、第二の波長板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、それぞれ第一、第二の集光レンズ１４１ａ，１４１ｂで集光されてから、光電気変換手段を構成する第一、第二のフォトダイオード１４３ａ，１４３ｂに供給され、第一、第二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】
上述したように第一、第二のフォトダイオード１４３ａ，１４３ｂから出力される電気信号は、図８に示す信号処理回路１１３で増幅、雑音除去などの信号処理を施されてから、波形整形回路１１５で波形整形され、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】
尚、この出願の関連する先行技術文献情報としては、次のものがある。
【００１４】
【特許文献１】
特開２００１−３５２２９８公報
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
上述した電界検出光学部１１０は、１個の電気光学素子１２３を使用しているが、電界検出光学部１１０の高感度化を図るためには、レーザ光と電界との相互作用距離をできるだけ長くする必要があり、そのためには電気光学素子１２３の結晶、すなわち電気光学結晶を長くして大型化する必要がある。しかしながら、大型で長く良好な電気光学結晶の入手は困難であると同時に、その長さには限界があるという問題がある。
【００１６】
また、生体は平らな形状ではないので、レーザ光と電界との相互作用距離をできるだけ長くするといっても、単純に直線的に長くするだけでは、ウェアラブルコンピュータのトランシーバとして生体の各部位にうまく装着できないという問題もある。
【００１７】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、装着する生体の形状に柔軟に対応して、高感度化を実現し得る電界検出光学装置を提供することを目的とする。
【００１８】
【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、単一波長の光を発生させる光源と、この光源からの光を平行光にする第１のコリメートレンズ、前記第１のコリメートレンズを介して入射された平行光の進行方向に対して直角の電界に感度を有し、かつ結合される電界強度に応じて光の吸収係数が変化する電界吸収素子、前記電界吸収素子内を進行する前記平行光を挟むように位置する電界吸収素子の対向する側面の一方に設けられ、前記電界伝達媒体に誘起された電界を前記電界吸収素子に結合させるための第一の電極、及び前記電界吸収素子を通過した平行光を集光する第２のコリメートレンズを備える光変調器を複数直列に接続した電界検出手段と、前記電界検出手段を通過した光を電気信号に変換する光電気変換手段と、を有し、前記光源、前記電界検出手段、及び前記光電気変換手段のそれぞれの間、並びに前記電界検出手段のそれぞれの光変調器間はかとう性のある光導波路で接続されていることを要旨とする。
【００１９】
請求項１に記載の発明にあっては、電界伝達媒体に誘起されて伝達されてくる電界を複数の第１の電極を介して複数の直列接続された電界吸収素子に結合させ、この複数の電界吸収素子に対して平行光を入射させて、平行光の強度を電界で変化させ、この複数の電界吸収素子から出射した光を電気信号に変換する。そして、光源から光電気変換手段までの光導波路はかとう性があるもので接続する。これにより、平行光と電界との相互作用距離を長くすることができるとともに、身体のあらゆる形状に柔軟に対応して装着することが可能となるので、高感度を実現することができる。また、電界吸収素子は、偏波依存性がないため、かとう性のある光導波路が曲げられることにより、光の偏波が変化しても電界検出に影響を及ばさない。
【００２０】
請求項２記載の本発明は、請求項１記載の発明において、前記光導波路は、光ファイバであることを要旨とする。
【００２１】
請求項３記載の本発明は、請求項１記載の発明において、前記光導波路は、フィルム光導波路であることを要旨とする。
【００２２】
請求項４記載の本発明は、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の発明において、表面全体を導電性フィルムで覆われていることを要旨とする。
【００２３】
請求項５記載の本発明は、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の発明において、前記光変調器は、前記電界吸収素子の前記対向する側面の他方に設けられ、前記第一の電極に対してグランド電極として機能する第二の電極を有することを要旨とする。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を用いて説明する。
【００２５】
図１は、本発明の実施形態に係る電界検出光学装置１１の構成を示す図である。同図に示す電界検出光学装置１１は、従来の電界検出光学部１１０に使用されていた１個の電気光学素子１２３の代わりに電界吸収素子２３を複数直列に接続したものであり、また、図２に示すように、従来のトランシーバ３では内蔵されていた電界検出光学部１１０を電極を介して生体に直接触れるように構成し、さらに、生体に密着させるために各電界吸収素子２３間はかとう性のある光導波路２０（例えば、光ファイバなど）で接続しているものである。尚、図９で説明した従来の電界検出光学部１１０と、同じ構成要素には図９における符号の百番台の番号を除去した二桁の同じ番号が付与されている。
【００２６】
また、電界検出光学装置１１は、図３に示すように、各構成要素である光源２１、光変調器１０ａ〜１０ｎ、フォトダイオード４３を支持体３０に固定しているため、生体への装着性に優れているものである。
【００２７】
更に詳しくは、電界検出光学装置１１は、半導体に電圧を印加すると光の吸収係数が変化する効果を利用した素子を用いたもので、電界吸収素子２３を備えた光変調器１０ａ，１０ｂ，…，１０ｎは、レーザダイオード２１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の強度が変化する。尚、本実施の形態では、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はなく、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。
【００２８】
そして、本実施形態では、複数の電界吸収素子２３を使用することにより、生体に誘起されて伝達されてくる電界を受信して複数の電界吸収素子２３に結合され、この結合された電界が複数の電界吸収素子２３内でレーザ光と相互作用する距離が従来のものより長くなっていて、高感度化を実現し得るようになっている。
【００２９】
光変調器１０ａ〜１０ｎは、電界吸収素子２３の図上で上下方向に対向する両側面に信号電極２９及びグランド電極３１を設けており、レーザダイオード２１からのレーザ光の電界吸収素子２３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構成されているものである。ここで、信号電極２９は、生体に接して、生体に誘起されて伝達されてくる電界を検出すると、この電界を電界吸収素子２３に結合するようになっている。そして、かとう性のある光導波路２０で光変調器１０ａ〜１０ｎが接続されているので、複数の信号電極２９は、生体に確実に密着して、的確に電界を検出できるようになっている。尚、グランド電極３１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（例えば、図３に示すように、生体への装着を容易にする支持体３０に接しているものである）、信号電極２９から電界吸収素子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３１は必ずしも必要なものではない。
【００３０】
次に、本実施の形態の電界検出光学装置１１の作用について説明する。
【００３１】
レーザダイオード２１から出力されるレーザ光は、光変調器１０ａの入射側に配置されたコリメートレンズ３３ａを介して平行光にされ、平行光となったレーザ光は電界吸収素子２３に入射する。電界吸収素子２３に入射されたレーザ光は、電界吸収素子２３内で信号電極２９、グランド電極３１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２９が生体に誘起されて伝達されてくる電界を電界吸収素子２３に結合したとすると、この電界は信号電極２９からグランド電極３１に向かって形成されて、レーザダイオード２１から電界吸収素子２３に入射したレーザ光の進行方向に直角であるため、上述したように電界吸収素子２３の光学特性である光の吸収係数が変化し、これによりレーザ光の強度が変化する。そして、光変調器１０ａの出射側に配置されたコリメートレンズ３３ｂを介して集光され出射される。
【００３２】
上記の動作により、光変調器１０ａを通過したレーザ光は、同様にして、光変調器１０ｂ，…，１０ｎを通過するが、これにより、長い光路を伝搬するようになっており、レーザ光と電界との相互作用距離が長くなるため、感度が向上し、レーザ光の大きな強度変化を得ることができる。
【００３３】
このように複数の電界吸収素子２３における電界によって強度が変化したレーザ光は、光電気変換手段を構成するフォトダイオード４３に供給され、フォトダイオード４３において電気信号に変換して出力する。
【００３４】
このフォトダイオードから出力された電気信号は、図８に示す信号処理回路１１３で増幅、雑音除去などの信号処理を施され、波形整形回路１１５で波形整形されてから、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。
【００３５】
従って、本実施の形態の電界検出光学装置１１によれば、複数の光変調器１０ａ〜１０ｎを用いて電界とレーザ光との相互作用距離を長くするとともに、複数の光変調器１０ａ〜１０ｎはかとう性のある光導波路で接続されるので、平らでない身体に密着して装着することが可能となり、高感度を実現することができる。また、電気光学素子を用いた光変調器を複数かとう性のある光導波路で接続した場合、光導波路が曲げられた際に光の偏光が変化してしまうため、電界の強度変化による偏光変化と光導波路が曲げられたことによる偏光変化が混ざってしまい、データ信号を取り出せなくなるが、電界吸収素子は偏波無依存であるため、光導波路が曲げられても電界検出には影響を及ぼさないという効果がある。
【００３６】
図４は、電界検出光学装置１１の光導波路２０として、フィルム光導波路を使用したものであり、これにより光導波路２０の強度が強くなるとともに、より生体に巻きつけやすくなり、装着性を向上させた電界検出光学装置とすることができる。
【００３７】
また、図５は、電界検出光学装置１１を導電性フィルム４０で覆うことにより、信号電極２９を浮かすことなく確実に生体に密着させることができるので、生体に誘起している電界を的確に検出することができ、これにより高感度化に寄与するものである。
【００３８】
以上、本発明の実施の形態について説明してきたが、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、本発明の実施の形態に対して種々の変形や変更を施すことができる。例えば、図６は、本実施の形態の電界検出光学装置１１をリストバンドとして使用した場合を示しているものであるが、本発明はこれに限定されず、生体に巻きつけるものであれば（例えば、腹巻きのようなものなど）、何であってもよい。また、巻きつけ方においても、図６に示すように一重に巻いてもよいし、多重に巻いてもよいものである。さらに、生体に密着して装着でき、レーザ光と電界との相互作用距離が長くとれるのであれば、巻きつけるということに限定する必要はなく、他の方法であってもよいのはもちろんである。
【００３９】
【発明の効果】
以上説明したように、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複数の第一の電極を介して複数の直列接続された電界吸収素子に結合させ、この複数の電界吸収素子に対して平行光を入射させて、平行光の強度を電界により変化させるので、電界と平行光との相互作用距離は長くなるとともに、複数の第一の電極と接している複数の電界吸収素子はかとう性のある光導波路で接続されているので、身体のあらゆる形状に柔軟に対応して装着することが可能となり、高感度を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の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】本発明の実施の形態に係る電界検出光学装置を生体に巻いた状態を説明する図である。
【図３】本発明の実施の形態に係る電界検出光学装置の光変調器を説明する図である。
【図４】本発明の実施の形態に係る電界検出光学装置の光導波路としてフィルム光導波路を使用した場合を説明する図である。
【図５】本発明の実施の形態に係る電界検出光学装置を導電性フィルムで覆った場合を説明する図である。
【図６】本発明の実施の形態に係る電界検出光学装置をリストバンドとして使用した場合を説明する図である。
【図７】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８】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９】従来の電界検出光学装置の構成を示す図である。
【符号の説明】
１  ウェアラブルコンピュータ
３  トランシーバ
５  ＰＣ
１０ａ〜１０ｎ  光変調器
１１，１１０  電界検出光学装置
２０  光導波路
２１，１２１  レーザダイオード
２３  電界吸収素子
２９，１２９  信号電極
３０  支持体
３１，１３１  グランド電極
３３ａ，３３ｂ，１３３  コリメートレンズ
１３９  偏光子
４０  導電性フィルム
４３，１４３ａ，１４３ｂ  フォトダイオード
１００  生体
１０１  入出力（Ｉ／Ｏ）回路
１０２  レベル変換回路
１０３  送信回路
１０５  送信電極
１０７，１０９  絶縁膜
１１０  電界検出光学部
１１１  受信電極
１１３  信号処理回路
１１５  波形整形回路
１２３  電気光学素子
１２５  第一電極
１２７  第二電極
１３５  第一波長板
１３７  第二波長板
１４１ａ，１４１ｂ  集光レンズ
【図１】
2004274584.tif 000003
【図２】
2004274584.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
2004274584.tif 000011