(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
生体の内部と外部で通信を行うための通信装置であって、
前記生体内に配置され、レーザ光の偏光面を変調して伝送信号として出射する送信機と、受光量に応じた信号を出力する受光量検出手段を有する光量受信機とからなる体内送受信装置と、
前記生体外に配置され、発光量を変調して伝送信号として出射する光強度送信機と、所定の偏光状態の光を選択的に受光する受光手段を有する受信機とからなる体外送受信装置と、
を有することを特徴とする通信装置。
【請求項２】
生体の内部と外部で通信を行うための通信装置であって、
前記生体内に配置され、発光量を変調して伝送信号として出射する光強度送信機と、所定の偏光状態の光を選択的に受光する受光手段を有する受信機とからなる体内送受信装置と、
前記生体外に配置され、レーザ光の偏光面を変調して伝送信号として出射する送信機と、受光量に応じた信号を出力する受光量検出手段を有する光量受信機とからなる体外送受信装置と、
を有することを特徴とする通信装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の通信装置において、
前記送信機は、
異なる偏光方向を持つ面発光レーザ素子を同一半導体基板上に複数生成した発光手段と、
前記面発光レーザ素子を選択的に給電する駆動手段と
を有することを特徴とする通信装置。
【請求項４】
請求項１または２記載の通信装置において、
前記光強度送信機は、面発光レーザを光源とする
ことを特徴とする通信装置。
【請求項５】
請求項３記載の通信装置において、
前記駆動手段は、
通常の通信において、前記発光手段における複数の面発光レーザのうちの一部の面発光レーザのみを駆動する一方、前記駆動手段が駆動している面発光レーザが所望の状態ではなくなった場合、前記通常の通信では使用されていない前記発光手段における面発光レーザを駆動する
ことを特徴とする通信装置。
【請求項６】
請求項１記載の通信装置において、
前記受信機の受光信号に対応した表示を行う表示部と、
前記体内送受信装置からの出射光を受光することができるように前記受信機を前記生体に固定する装着手段と
を更に具備することを特徴とする通信装置。
【請求項７】
請求項２記載の通信装置において、
前記光量受信機の受光信号に対応した表示を行う表示部と、
前記体内送受信装置からの出射光を受光することができるように前記光量受信機を前記生体に固定する装着手段と
を更に具備することを特徴とする通信装置。
【発明の詳細な説明】
技術分野
本発明は、偏光したレーザ光を伝送信号として用いる通信装置に関し、特に、人体などの強散乱媒体内とその外との間における通信などに好適な通信装置、散乱媒体の流動等に関する情報を取得する際に用いて好適な反射光検出器、および、この検出器を用いて生体に関する脈波を取得する脈波検出装置に関する。
背景技術
従来の無線通信では、一般に電波を用いた通信が行われている。ここで、より高転送レートの無線データ通信が求められており、新たな周波数の開拓が必要とされている。また、電波の分野では準ミリ波、ミリ波が実用化を目指して開発が進められている。
一方、法律上は電波には分類されない光も無線通信への利用が拡大しつつある。光を用いた無線データ通信においては電波として規制されていない広大な帯域を利用して、高速なデータ通信を提供できる可能性がある。光の特性として壁などの不透明な物体を透過しないため、部屋単位の無線ＬＡＮや近距離のデータ通信に適している。現在、赤外線を用いた無線通信のなかで最も代表的なものがＩｒＤＡ（Infrared  Data  Association）方式の赤外線データ通信機能である。これらは赤外線発光ダイオードと受光素子からなり、１１５．２ｋｂｐｓから４Ｍｂｐｓの速度でデータ交換を実現している。通信の距離は１ｍ以内と短いが、最大の特徴は低コストで無線データ通信を提供できる点である。
ところで、今後は転送容量が更に大きい、そして通信距離の大きい光無線データ通信が必要になる。しかし、光源に発光ダイオードを使用する場合は、発光ダイオードから出射される光は１００ｎｍ以上の波長幅を有するので帯域の有効利用の点で問題がある。さらに、ＬＥＤではキャリアの寿命による制限のため、１００ＭＨｚを超える変調は困難である。これらの問題を解決するために、光源として半導体レーザを用いることは有効である。半導体レーザを用いれば、１ｎｍ以下の波長幅を得ることも容易であるし、また、１ＧＨｚ以上の変調も原理的に可能である。しかし、起こりうる問題として混線による誤動作が挙げられる。
無線搬送波としての光は電波のように法律で規制されていないために、自由に利用することが可能である一方、同じ波長を利用した光無線機器どうしはお互いに干渉する弊害が起こりうる。例えば、既存の光無線データ通信、ＩｒＤＡ方式はピーク波長として８５０ｎｍから９００ｎｍの波長を利用している。もし、半導体レーザを使って、高速転送で通信距離の長い通信装置を実現したとしても、この８５０ｎｍから９００ｎｍに渡るいずれかの波長を使うと、ＩｒＤＡ方式と干渉してしまうことになる。ＩｒＤＡ方式は既存のコンピュータに広く普及しているので、これと干渉することは、法律上問題ないとしても実用上は避けなければならない。
ところで、医療の分野では、病変部位の継続的な監視をするために、各種センサ類で体内の状態を検知することが行われている。このように、生体内で起きている現象を記録、解析することは生体機能の解明のためにも、種々の疾患の診断、治療のためにも重要であり、これまで多くの方法が検討されてきた。この場合、生体内に発生する信号を直接計測しようとして侵襲的な従来方法を用いると、計測場所が病院のベッドサイドに限られるという問題があり、逆に日常の自然な環境下における生体内現象を計測しようとすると、間接的な計測方法となってしまい、生体内信号を直に把握することができない。そこで、自然な環境下において、生体内部で発生する信号を直接計測することを目的として、生体内にコンピュータならびに計測回路などの、生体内信号の直接計測に必要な一切の要素を埋め込み、体内でその装置を自律的に完結させることが考えられている。しかし、この場合に問題になるのが、体内の装置と体外の装置との通信手法である。
例えば、有線で行うとすれば、感染症に対する不安が生じてしまうとともに、その装置の使用者の日常生活に支障を来してしまう。また、その通信に電波を用いると、他の通信装置などから生ずる電波の影響を受ける可能性があり、また、無線通信機器以外にも、一般の電子機器や雷などからは電磁波が放出されており、これらの電磁波による誤動作の危険性もある。さらに、電波は遠距間の伝搬においてもＳＮ比を保持できるので、他人によるその電波の傍受、妨害の問題が生じてしまう。このような問題は、生体の計測を行う機器のみならず、ペースメーカ、人工腎臓またはインシュリンポンプなどの生体補助手段についても同様に発生する。すなわち、体内に埋め込まれた生体補助手段から、体外の機器に何らかのモニタ信号を送信する場合、あるいは、体外の機器から生体補助手段に制御信号などを送信する場合においては、それらの間で通信を行わなければならないが、その際に生じる問題は上記の場合と全く同様である。
そこで、上述の問題を回避するために、発光ダイオードを用いて光（赤外線）を強度変調し、その光で生体の内外間で通信することが考えられている（電子情報通信学会  信学技報  １９９５年１０月MBE９５−８９）。具体的には、図４６に示すように体内、体外双方のコンピュータシステム１３１、１３４のシリアルインターフェースに赤外線送受信回路を接続するものがある。赤外線送受信回路では、送信回路１３２、１３６がシリアルインターフェースから出力されるディジタルデータを赤外線光として送信する。また受信回路１３３、１３５が受信した赤外線光をディジタルデータに変換してコンピュータに伝える。体内側のコンピュータシステム１３１としては、ＣＰＵ、メモリ、カレンダー付きリアルタイムクロック、Ａ／Ｄコンバータ、外部との通信用シルアルインターフェースなどを装備しており、表面実装技術により名刺大の大きさに小型化されている。上述の装置によれば、電波を用いる場合の弊害は解消することができる。
しかしながら、人体の内外で通信を行うために、光を伝送信号として用いた場合には、全２重通信ができないという問題が生じていた。以下、この点について説明する。
ここで、図４５は、強度変調した光を伝送信号として生体の内外間で通信する通信装置の一例である。体内には、生体機能補助手段２０１が埋め込まれている。そして、生体機能補助手段２０１が具備する送信機２１１は、発光ダイオードの発光量を制御して強度変調した光ａを出射している。そして、体外制御手段２０２の受信機２２２は、生体機能補助手段２０１の送信機２１１から出射された光ａを受信する。一方、生体機能補助手段２０１の受信機２１２は、体外制御手段２０２の送信機２２１から出射され強度変調された光（図示せず）を受信する。
しかし、生体は、散乱の極めて大きい媒質（強散乱媒質）からなっており、体液、細胞、組織などの散乱源によって複雑に構成されているので、生体内を進む光ａは、次々と散乱されて様々な方向へ拡散していく。この結果、図１４に示すように、生体内補助手段の送信機２１１が出射した光ａの一部は、生体内補助手段２０１の受信機２１２にも到達してしまう。この影響で、体内の送信機２１１または体外の送信機２２１の一方が光信号を送信している間は、その送信している装置は光信号を受信することができない。すなわち、同時に一方向の通信しかできない半二重通信しかできず、同時に送信および受信の双方向の通信ができる全二重通信を実現することができなかった。
全二重通信は、緊急を要する制御や警告が必要な場合に無くてはならない方式である。例えば、生体機能補助手段が生体の計測データを送信中に環境が変化して、外部から生体機能補助手段に対して緊急に制御を行う必要が生じる場合がある。このとき、全二重通信ができない場合は、生体外装置の送信部から生体内の装置に対して命令やデータを送信しようとしても、先の計測データの送受信が終了するのを待つ必要がある。生体内の装置の制御は、一刻を争うこともあるので、送受信動作の遅れは重大な問題となり、全二重通信が必要となってくる。
また、生体という強散乱媒体を介しての通信では、送信部が出射した光量に対して受信部が受信できる光量は僅かな比率になってしまう。これを補うには、出射する光量を十分大きくしなければならず、大電力が必要となる。生体の外部から生体内への送信では、外部の送信機は電力を豊富に使うことができる。一方、生体内から外部への送信の際には、生体内の装置の使用可能電力量に制限があるため、送信機が電力を大量に消費することは実用上好ましくない。
また、発光ダイオードを光源に用いた場合は、皮膚を透過する際の減衰が大きいという問題も報告されている（電子情報通信学会、ＭＢＥ−９７−５、「レーザダイオードを用いた経皮光テレメトリシステム」井上  雄茂他）。
また、従来より、脈波検出装置の１つとして、橈骨動脈波を検出するものがある。この種の装置においては、橈骨動脈近傍の表皮の圧力の変化を圧力センサを用いて検出し、これにより脈波を測定する。この場合、橈骨動脈上の表皮に置いたセンサに加わる圧力の変化を検出しているので、安定した脈波検出を行うためには、３０ｍｍＨｇから８０ｍｍＨｇの押圧力を加える必要があり、被験者にとって圧迫感が強いという問題があった。
例えば、米国特許ＮＯ．４９５１６７９に示される発明においては、橈骨動脈の近傍に配置させた圧力センサを腕に対して押圧し、さらに、この押圧力を順次変化させて、検出信号の振幅が最大になる押圧力を検出する。そして、その押圧力において、脈波の検出を行っている。この場合、最適な押圧力を設定することができ、必要以上の圧力がかかることを防止することはできるが、いずれにしても、腕に所定の圧力をかけることには変わりなく、圧迫感が強いという問題は解消しない。
これに対して、強い押圧力を加える必要のない脈波検出装置として、超音波を用いるものや、光（赤外線、レーザ光など）を用いるものがある。超音波の反射波を用いる脈波検出装置にあっては、超音波を出射するプローブを被検者の腕の外側方向より当て、動脈血管などで反射した超音波をそのプローブで受信して脈波の測定を行う。
一方、光を用いて脈波を検出する脈波検出装置においては、例えば、発光ダイオードから体内に向けて光を送出し、その反射光（皮下組織などによる反射光）の光量を検出する。この場合、発光ダイオードから放射された光の一部は、血管内のヘモグロビンに吸収されるため、その反射光量は血管内の血液容量に関係したものとなり、脈波として検出される。
ところで、超音波を用いた従来の脈波検出装置では、超音波を送波および受波するプローブと血流のなす角度に応じて反射波の検出値が変化する。そして、プローブの操作においては、血流に対し一定角度を維持するのが難しく、安定した脈波の測定が困難であった。例えば、プローブを被験者の腕の掌側に当てた場合は、そのプローブの位置が動脈血管に対して数ミリずれただけで、脈波の検出が困難となってしまう。また、そのプローブを被験者の腕の背側に当てた場合は、脈波の検出に必要なＳ／Ｎを確保することができない。
また、レーザや発光ダイオードを用いる装置においても、その反射光のもつ波長、位相または偏光度などの属性が自然光や各種照明光のもつ属性と区別し難いことなどにより、自然光や各種照明光などの影響を受け易く、正確で安定した脈波の検出が困難であるという問題があった。
例えば、従来より、散乱媒体に対して光（電磁波）を照射する一方、その反射光を受光素子が検出して、当該散乱媒体の流量の時間的変化などを検出する方法が知られている。ここで、散乱媒体とは、照射した光が散乱する性質を有する物質を意味し、微粒子が混合された液体・流体のみならず、人体のような生体なども該当する。ここで、生体について考慮した場合、当該生体に対して光を照射し、その反射光を受光素子が検出することで、当該生体に関する情報、例えば、脈波の情報などが得られる。特に、この方法では、脈波を非侵襲により検出できる点において、その意義は大きい。
ところで、散乱媒体に対して光を照射し、その反射光を検出して、当該散乱媒体に関する情報を得る方法において、受光素子が、反射光の成分のみならず、外光成分も含めて検出してしまうと、当該散乱媒体に関する情報が正確に得られなくなる。したがって、この方法において重要な技術は、外光の影響をいかに少なくするか、という点である。外光には、一般に太陽光のように極めて強い強度を有するものや、蛍光灯のように強度が商用周波数で変調されたものなどがあるが、外光の強度が一定でも、受光素子が移動すれば、当該受光素子が検出する外光成分の強度も変化する点に留意する必要がある。
ここで、散乱媒体に照射する光量を外光による影響を無視できるほどに強くすれば、この問題は一見解決されるかのように思われる。しかし、光量を強くすることは、光を照射する発光素子（光源）の特性や、その消費電力、さらに、生体に関する情報を得る場合にあっては、生体に与える安全性についてまで考慮すると、現実的ではない。したがって、照射する光量には上限があることを前提にして、以下、この問題を検討しなければならない。
このような前提を踏まえて、外光の影響を少なくするには、第１に、フィルタを用いて、受光素子が検出する光のうち不要な波長成分を除去することが考えられる。ここで、半導体レーザを用いれば、狭い波長帯域の光を照射することができるので、この波長帯域のみの光を透過させるガラスフィルタを受光素子の前に配置すれば、原理的には外光による影響を少なくできる。
また、外光の影響を少なくするには、第２に、用いる光の波長を、散乱媒体の性質を考慮して、外光の影響を受けにくい帯域に選択することが考えられる。例えば、生体は、赤色領域の光を透過しやすいが、短波長、すなわち青色領域の光を吸収しやすい、という性質を有する。そこで、生体に関する情報を得る場合には、光源として青色ＬＥＤを用いるとともに、受光素子として青色領域に感度を有するＧａＰ、ＧａＡｓを用いたフォトダイオードを用いることで、外光による影響を少なくすることができる。
しかしながら、ガラスフィルタを用いる第１の方法では、次のような欠点があった。すなわち、吸収型フィルタでは、半導体レーザの波長帯域のみを透過させるような急峻な特性を実現することができず、また、干渉フィルタでは、当該特性を実現することができるが、一般にその製造コストは高くつく。さらに、透過波長帯域特性を、使用する半導体レーザに合わせる必要があるため、コストの上昇が著しくなるという欠点があった。
一方、光の波長を外光の影響を受けにくい帯域に選択する第２の方法では、選択した帯域の波長によっては、適切な光源および受光素子が必ずしも存在しない、という欠点があった。例えば、生体に関する情報を得る場合、青色ＬＥＤと青色領域に感度を有するフォトダイオードとを用いることになるが、一般にこれらのデバイスは、高価という欠点だけでなく、消費電力が大きく、光電流変換効率が低いといった欠点を有する。また、生体に関して青色の光が吸収されやすいということは、外光による影響を少なくする点においてはプラスに作用するが、皮化の深部まで到達しにくいという点においてはマイナスに作用する。このため、生体の皮化深部に関する情報を得ようとすれば、必然的に大きな光量を必要とすることになり、上述した前提に反してしまうことになる。
また、生体に関する情報を得る場合においては、当該生体が運動すると、その運動成分が重畳されるため、そのままでは正確に生体に関する情報を得ることができないという点や、気温が低いと、体表面にある毛細血管が収縮して、検出感度が著しく低下するという点など、特有の問題点もある。
発明の開示
本発明は、このような背景の下になされたものであり、生体などの強散乱媒体の内と外で通信を行う際に、減衰が少なく、また、全二重通信をすることができる通信装置、送信機、面発光レーザおよび生体用通信装置を提供することを目的とする。
本発明に係る通信装置は、一の態様において、生体の内部と外部で通信を行うための通信装置であって、前記生体内に配置され、レーザ光の偏光面を変調して伝送信号として出射する送信機と、受光量に応じた信号を出力する受光量検出手段を有する光量受信機とからなる体内送受信装置と、前記生体外に配置され、発光量を変調して伝送信号として出射する光強度送信機と、所定の偏光状態の光を選択的に受光する受光手段を有する受信機とからなる体外送受信装置と、を有することを特徴とする。
本発明に係る通信装置は、他の態様において、前記生体内に配置され、発光量を変調して伝送信号として出射する光強度送信機と、所定の偏光状態の光を選択的に受光する受光手段を有する受信機とからなる体内送受信装置と、前記生体外に配置され、レーザ光の偏光面を変調して伝送信号として出射する送信機と、受光量に応じた信号を出力する受光量検出手段を有する光量受信機とからなる体外送受信装置と、を有することを特徴とする。
好ましい態様において、前記送信機は、異なる偏光方向を持つ面発光レーザ素子を同一半導体基板上に複数生成した発光手段と、前記面発光レーザ素子を選択的に給電する駆動手段とを有する。
他の好ましい態様において、前記光強度送信機は面発光レーザを光源とする。
更に他の好ましい態様において、前記駆動手段は、通常の通信において、前記発光手段における複数の面発光レーザのうちの一部の面発光レーザのみを駆動する一方、前記駆動手段が駆動している面発光レーザが所望の状態ではなくなった場合、前記通常の通信では使用されていない前記発光手段における面発光レーザを駆動する。
更に他の好ましい態様において、前記通信装置は、前記受信機の受光信号に対応した表示を行う表示部と、前記体内送受信装置からの出射光を受光することができるように前記受信機を前記生体に固定する装着手段とを更に具備する。
更に他の好ましい態様において、前記通信装置は、前記光量受信機の受光信号に対応した表示を行う表示部と、前記体内送受信装置からの出射光を受光することができるように前記光量受信機を前記生体に固定する装着手段とを更に具備する。
本発明によれば、外乱光または光無線機どうしの干渉などの影響を回避でき、さらに、生体等の強散乱媒体の内外間で全二重通信をすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の第１実施形態に係る偏光通信装置の全体構成を示すブロック図である。
【図２】  同第１実施形態に係る偏光通信装置の構成および動作を示すブロック図である。
【図３】  同第１実施形態の変形例に係る偏光通信装置の構成および動作を示すブロック図である。
【図４】  本発明の偏光通信装置に用いる面発光レーザの外観を示す斜視図である。
【図５】  図４に示す面発光レーザの断面図である。
【図６】  図４に示す面発光レーザにおける偏光方向の光出力と注入電流との関係を示す特性図である。
【図７】  光共振器の形状を長方形とする面発光型半導体レーザの概要を示す斜視図である。
【図８】  本発明の偏光通信装置に用いる他の面発光レーザの外観を示す平面図と断面図である。
【図９】  図８に示す面発光レーザの駆動回路を示す回路図である。
【図１０】  本発明の偏光通信装置に用いる面発光レーザの他の駆動回路を示す回路図である。
【図１１】  本発明の偏光通信装置における送信機の具体例を示す回路図である。
【図１２】  本発明の偏光通信装置を腕時計に組み合わせた形態を示す斜視図である。
【図１３】  本発明の偏光通信装置をネックレスに組み合わせた形態を示す斜視図である。
【図１４】  本発明の偏光通信装置を眼鏡に組み合わせた形態を示す斜視図である。
【図１５】  この発明の第５実施形態の基本的構成を示すブロック図である。
【図１６】  第５実施形態の外観を示す斜視図である。
【図１７】  第５実施形態の装着状態を示す斜視図である。
【図１８】  第５実施形態の装着状態における断面図である。
【図１９】  体内を進む偏光レーザ光の状態を説明するための説明図である。
【図２０】  この発明の第６実施形態の電気的構成を示すブロック図である。
【図２１】  第６実施形態で用いる受信位置制御部１０の外観を示す正面図である。
【図２２】  第６実施形態の装着状態における断面図である。
【図２３】  受信位置制御部１０の他の構成例を示す断面図である。
【図２４】  第６実施形態の変形例の構成を示す断面図である。
【図２５】  第７実施形態の概略構成を示す平面図である。
【図２６】  第７実施形態の装着状態を説明するための斜視図である。
【図２７】  波動として超音波を用いた場合の変形例を示す断面図である。
【図２８】  受信位置制御部１０の他の例を示すブロック図である。
【図２９】  図１７に示す受信位置制御部１０の制御回路を示すブロック図である。
【図３０】  光電反射型の脈派検出装置を腕に装着状態での断面図である。
【図３１】  動脈および静脈を示す人体図である。
【図３２】  （ａ）は、本発明の第８実施形態にかかる反射光検出器であって、直接反射光成分を検出する場合の構成を示す概略構成図であり、（ｂ）は、散乱光成分を検出する場合の概略構成図である。
【図３３】  （ａ）は、本発明の受光素子として最適なフォトダイオードの構成を示す側断面図であり、（ｂ）は、出力を取り出すための電気的回路である。
【図３４】  （ａ）〜（ｄ）は、それぞれ同フォトダイオードの光学的特性を説明するための図である。
【図３５】  本発明の発光素子として最適な半導体レーザの構成を示す側断面図である。
【図３６】  フォトダイオードと半導体レーザとを同一ウェハ上に形成した場合の構成を示す側断面図である。
【図３７】  第８実施形態において、外光成分をキャンセルするための構成を示すブロック図である。
【図３８】  本発明の第９実施形態にかかる反射光検出器の構成を示す概略構成図である。
【図３９】  （ａ）および（ｂ）は、本発明の第１０実施形態にかかる反射光検出器の構成を示す概略構成図である。
【図４０】  同第１０実施形態における処理回路の構成を示すブロック図である。
【図４１】  本発明の第１１実施形態にかかる脈波検出装置の概略構成図である。
【図４２】  同第１１実施形態におけるセンサユニットの構成を示す側断面図である。
【図４３】  同センサユニットを指に装着した場合を示す図である。
【図４４】  同第１１実施形態における電気的構成を示すブロック図である。
【図４５】  従来の通信装置の構成および動作を示すブロック図である。
【図４６】  従来の通信装置の全体構成を示すブロック図である。
発明を実施するための最良の形態
以下、図面を参照して、この発明の実施形態について説明する。
Ａ：第１実施形態
（１）構成
図１は、本第１実施形態に係る偏光通信装置の全体構成を示すブロック図である。ここで、生体機能補助手段１は、ペースメーカ、人工臓器またはインシュリンポンプなど生体の機能を補助する装置であり、体内に埋め込まれる物である。また、生体機能補助手段１は、体内に埋め込まれてその体内における病変部位を継続的に監視する物であって、各種センサを有して体内の状態を検知する物としてもよい。生体機能補助手段１は、体外制御手段２と通信するための送信機１１および受信機１２を備えている。ここで、体内とは、例えば人体の内部をいうが、動物の生体内などの他、光を強度に散乱させる強散乱媒体の内部としてもよい。
一方、対外制御手段２は、体内に埋め込まれている生体機能補助手段１を体外から制御するものであり、例えば、コンピュータなどが該当する。また、体外制御手段２は、生体機能補助手段１が検出した体内情報を体外において受け取り、その体内情報を表示および蓄積する。そして、体外制御手段２は、生体機能補助手段１と通信するための送信機２１および受信機２２を備えている。
送信機１１、２１は、レーザ光の偏光面を変調して伝送信号として出射する。受信機１２、２２は、所定の偏光状態の光を選択的に受光する受光手段を備えている。そして、受信機１２、２２は、それぞれ受光した光の偏光状態（偏光角または楕円率）に対応した電気信号を出力する。
ここで、偏光面の変調について説明する。偏光には、例えば、直線偏光や、右回り、左回りの円、楕円の偏光があるが、偏光面の変調は、偏光の状態を変調信号に応じて変化させることによって行われる。例えば、直線偏光を用いるとすれば、直交した直線偏光をそれぞれ”１”信号、”０”信号に対応させて、偏光面を切り替えて変調を行う。また、仮に、右回りと左回りの円偏光の組を用いるとすれば、“１”信号と“０”信号に応じて、偏光方向を切り替えるように変調を行う。受信側では、いずれの方向に偏光されているかを検出することによって復調を行う。
また、一般的な半導体レーザは、直線偏光しか出射できないが、４分の１波長板を使って、直線偏光を円偏光に変換することができる。すなわち、直線偏光の光軸に対し４５度傾けた位置に４分の１波長板を配置し、直線偏光の方位を切り替えることにより、右回り、または左回りの円偏光を発生することができる。さらに、垂直共振型面発光半導体レーザ（以下、面発光レーザという）では、４分の１波長板を使わずとも偏光面の変調ができる。なお、面発光レーザについては、後に詳述する。
また、受信する場合には、送信のときとは逆の過程となるように、４分の１波長板を用いて、円偏光を２つの軸の直線偏光に変換し、各軸の偏光成分の大きさを検出することで復調を行うことができる。一例をあげれば、４分の１波長板の光学軸から±４５度傾いた位置に、それぞれＸ軸、Ｙ軸を定め、Ｘ軸に平行な偏光成分を反射し、Ｙ軸に平行な偏光成分を透過するような偏光ビームスプリッタを設け、これにより分離された偏光成分を検出する光検出器を設ければよい。そして、それぞれの光検出器の出力を差動増幅器に入力すれば、偏光が変調された成分のみを増幅して、無偏光の外乱の影響による同相成分を除去することができ、これによって良好なＳＮ比の信号を得ることができる。
（２）動作
次に、本偏光通信装置の主要動作について図１を参照して説明する。まず、送信機１１および送信機２１が出射するレーザ光Ｓ１、Ｓ２は、ともに偏光面を変調したレーザ光であって光強度は一定である。外乱光Ｎ１は、本偏光通信装置の近辺に配置された通信装置や蛍光灯が出射した光である。また、その外乱光Ｎ１には、太陽光のような直流光、既存技術によって強度変調された光が含まれている。そして、受信機２２が送信機１１が出射したレーザ光Ｓ１および外乱光Ｎ１を受光したとする。この場合において、外乱光Ｎ１は強度変調された無偏光であるので、受信機２２にこの無偏光の外乱光が入射しても受信機２２の受光面における偏光状態の交流成分には影響を与えない。すなわち、受信機２２に無偏光の外乱光が入射しても受信機２２の受光面における偏光状態には影響を与えない。これらの動作は、受信機１２がレーザ光Ｓ２および外乱光Ｎ２を受光した場合も同じである。
（本実施形態の効果）
以上の動作により、本偏光通信装置は、偏光面を変調した光を伝送信号としているので、既存の光通信装置などが発する光強度変調された光の影響を受けにくく、より安全な生体内外間通信を実現することができる。また、逆に本偏光通信装置の近辺に既存の光強度変調方式の通信装置があったとしても、本偏光通信装置の発する光は、既存の通信装置に影響を与えることがない。
また、上述の例では、体外にある体外制御手段２と体内にある生体機能補助手段１との間で双方向に通信を行う形態について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、体外にある体外制御手段２から体内にある生体機能補助手段１への一方向のみの通信に本発明の偏光通信装置を適用してもよい。
このような、適用例の一例として、例えば、生体機能補助手段１に心臓ペースメーカを適用することができる。この場合、本実施形態の生体機能補助手段１としての心臓ペースメーカは、体外制御手段２の送信機２１から所定の信号を受けるように構成する。このようにすることで、例えば、整調パルスを発生させるタイミングを微調整するの制御を外部から行うことができる。なお、フィードバック制御を行いたい場合には、例えば、ペースメーカ装着者の呼吸状態、動脈を流れる血液の移動状態、心拍数または心電などを別のセンサで観測し、その観測内容に基づいて心臓ペースメーカに対する制御状態を変化させればよい。
このように、心臓ペースメーカなどの生体機能補助手段に対し、偏光状態を変調した光を伝送信号として用いることにより、電波、各種照明光および自然光などの影響をほとんど受けず、より安全かつ高い信頼性を達成することができる。
Ｂ：第２実施形態
（１）構成
図２は、本実施形態に係る偏光通信装置の構成および動作を示すブロック図である。本偏光通信装置は、第１実施形態の偏光通信装置と同様に偏光状態を変調した光を伝送信号としているが、生体機能補助手段１と体外制御手段２との間で全二重通信をする装置である点で第１実施形態の偏光通信装置と異なる。
本偏光通信装置において図１に示す装置と異なる構成は、生体機能補助手段１が体内送受信制御手段３を具備し、体外制御手段２が体外送受信制御手段４を具備している点である。その他の構成は図１に示す偏光通信装置と同様である。体内送受信制御手段３は、送信機１１および受信機１２の動作を制御する。体外送受信制御手段４は、送信機２１および受信機２２の動作を制御する。
そして、体内送受信制御手段３および体外送受信制御手段４は、相互に協調して動作し、送信機１１と受信機１２、送信機２１と受信機１２の２組の通信経路を同時に使用して全二重通信を行う。
（２）動作
次に、本偏光通信装置の具体的動作について図２を参照して説明する。まず、送信機１１、２１は、偏光面を変調したレーザ光を出射する。ここで、送信機１１、１２が出射したレーザ光のうちで、体内において散乱を受けなかった光および散乱角の小さい（散乱の度合いの小さい）光ｂ１、ｂ２は、偏光状態を維持して受信機２２、１２にそれぞれ到達する。この様な直進する光と看做することができる光を準直進光と称する。
一方、送信機１１、２１が出射したレーザ光のうちで、体内の強散乱物質によって強度の散乱を受けた光ａも受信機１２、２２に到達してしまう。このため、光強度変調信号を伝送信号として全二重通信しようとすれば、受信機において、体外から体内へ出射した光信号に、体内から体外へ出射された光信号の一部が加わってしまう。なお、体内から体外へ出射した光信号についても同様である。
しかし、強度の散乱を受けた光ａは、偏光状態を維持しないという性質がある。すなわち、本光通信装置における送信機１１が出射したレーザ光のうちで、強度の散乱を受けた光ａは偏光状態を維持していない無偏光である。したがって、その無偏光が受信機１２に入射しても、受信機１２の受信状態および復調機能に及ぶ影響は小さい。一方、送信機１１が出射したレーザ光のうちで、体内において散乱を受けなかった光および散乱角の小さい光ｂ１は偏光状態を維持して受信機２２に到達する。この現象は、送信機２１から受信機１２へ出射されたレーザ光ｂ２の場合も同じである。
これらにより、本偏光通信装置では、体内の内外間において送信機１１および送信機２１が同時に送信信号を出射しても、その出射光および散乱光は出射側の受信機に影響を与えないので、生体の内外間において２組の通信経路でそれぞれ送受信を同時に行う全二重通信を実現することができる。
したがって、本偏光通信装置によれば、生体の内外間で全二重通信ができるので、例えば生体機能補助手段１が生体の計測データを送信機１１が送信中に環境が変化して、体外制御手段２から生体機能補助手段１に対して緊急に制御を行う必要が生じた場合でも、その緊急の制御を送信機２１および受信機１２を用いて迅速に実行することができる。すなわち、本偏光通信装置によれば、全二重通信ができるので、体外制御手段２送信機２１から生体機能補助手段１に対して命令やデータを送信しようとした時に、その時に実行中の計測データ等の送受信が終了するのを待つ必要がなく、一刻を争う生体外通信に対処することができる。
さらに、本偏光通信装置によれば、２組の伝送経路の送信信号が相互に干渉しないので、送信機１１と受信機１２との配置間隔を極めて小さくすることができ、生体内に埋め込まれる生体機能補助手段１の外形が大きくなることを防ぐことができる。
Ｂ−１：変形例
生体などの強散乱媒体の内外間において全二重通信を行うためには、２組の通信路の双方向とも偏光変調方式を用いるのが最も理想的であるが、以下に説明するように、一方向の通信路だけ偏光面変調を使い、他方向の通信路は光の強度を変調した光強度変調を使って全二重通信を実現することができる。
（１）構成
図３は、本変形例に係る偏光通信装置を示すブロック図である。本装置における図２に示す偏光通信装置と異なる構成は、送信機１１に対応する送信機１１ａが光の強度（発光量）を変調して送信信号として出射している点と、受信機２２ａが受光した光の強度（受光量）を受信信号としている点である。その他の構成は、図２に示す偏光通信装置と同様である。
（２）動作
次に、本偏光通信装置の動作について図３を参照して説明する。動作の概要としては、偏光面変調をしたレーザ光ｂ２を体外から体内への通信に用いる。そして、強度変調をした光ｂ１１を体内から体外への通信に用いる。
まず、偏光面変調されて送信機２１から出射されたレーザ光における準直進光ｂ２は、出射時の偏光面を保存した状態で受信機１２に到達する。また、送信機２１から偏光面変調されて出射されたレーザ光のうち体内で強度に散乱した成分光ａ２、ａ３は、無偏光の光となり、上述の受信機１２には、この光ａ３も入射される。さらに、送信機１１ａが出力する光のうちの体内で散乱した強度変調された無偏光の光ａ４も受信機１２に入射される。しかしながら、光ａ３、ａ４は無偏光であるから、受信機１２の受信状態、復調機能に与える影響は小さく、受信機１２は、光ｂ２に基づいて、良好に復調を行うことができる。つまり、受信機１２において、受光した光の偏光状態を差動検出することで、外乱である光ａ３，ａ４を同相成分として除去することができる。
一方、強度変調されて送信機１１ａから出射された光のうち準直進光ｂ１１および散乱光ａ１は、両方とも受信機２２ａに到達する。ここで、準直進光ｂ１１および散乱した成分光ａ１の両方が同じ信号で光強度変調されてほぼ同時に受信機２２ａに到達するので、両方とも受信機２２ａにおける受信信号成分として寄与しうる。また、送信機２１から出射された光のうちの体内で散乱した成分光ａ２も受信機２２ａに到達するが、この光は光強度変調されていないので、受信機２２ａに対しては、単純な直流分として作用するだけであり、容易に除去することができる。
以上の作用により、本偏光通信装置では、２つの伝送路における一方向の通信路だけ偏光面変調を使い、他方向の通信路は光の強度を変調した光強度変調を使って全二重通信を実現することができる。
さらに、本偏光通信装置においては、受信機２２ａが受光する光のうち体内で散乱された光ａ１も準直進光ｂ１１と同様に受信信号成分となるので、送信信号を効率的に伝送することができ、送信機１１ａの消費電力を低減することができる。これは、偏光面変調の場合は、体内において強度に散乱された光は偏光状態を維持しないため、たとえ光ａ３のように受信機１２に入射しても無偏光成分として除去され、信号成分とならないことと対照的である。すなわち、生体内外間の全二重通信において、体内に埋め込まれた生体機能補助手段１のもつ限られた電力を有効に使うためには、体内から体外への通信に光強度変調方式を用いる本実施形態が大きな効果をもつこととなる。
Ｃ：送信機の具体例
ここで、本実施形態および前述の第１実施形態における送信機１１、２１、１１ｂについて説明する。発光素子としては、その光出力を変調できる素子は一般的であるが、偏光状態を変調できる素子はあまり一般的ではない。しかし、このような偏光変調発光素子は単一の素子、あるいは、複数の素子の組み合わせで実現が可能である。この場合、２つの半導体レーザの偏光面を正確に直交させ、さらに、それぞれの半導体レーザの照射範囲が一致するように光軸調整を行う必要がある。
例えば、複数の素子を組み合わせるとすれば、レーザ光源から出た光をネマッチック液晶を利用した旋光素子で偏光面の向きを変調することが可能である。また、通常の半導体レーザなどの光源とその他の偏光変調素子とを組み合わせることで本発明に係る送信機を実現することができる。ここで、偏光変調素子としては、ファラデー回転子、液晶または電気光学素子などを使うことができる。
また、２つの半導体レーザを用いて、それぞれの偏光面を直交させて配置し、これらを交互に駆動することによっても偏光を変調できる素子を実現可能である。この場合、２つの半導体レーザの偏光面を正確に直交させ、さらに、それぞれの半導体レーザの照射範囲が一致するように光軸調整をおこなう必要がある。
しかし、そのような複数の素子を組み合わせることでは送信機が複雑かつ大型化してしまい。生体機能補助手段１の一部として生体内に埋め込むには不適当なものとなる。また、この場合、液晶の応答速度は通信に利用できるほど高速でないのが欠点である。
一方、通常の半導体レーザは偏光面が一定の直線偏光を出射するが、構造を工夫することによって偏光面を変調することが可能である。そこで、その例として垂直共振型面発光レーザについて説明する。
図４は、送信機１１、２１、１１ｂそれぞれにおける発光手段となる垂直共振器型面発光半導体レーザ（以下、面発光レーザと称す）の外観を示す斜視図である。面発光レーザの特徴は、レーザ光７３が開口部７２から基板７１に対して垂直に出射する点である。面発光レーザは、基板７１上にエピタキシャル技術によって形成された半導体層をフォトリソグラフィ技術で加工して作製する。
図５は、面発光レーザの断面図である。下部電極８６、上部電極８２から電子または正孔キャリアが注入されると、これらのキャリアは拡散を続け、活性層８４に達する。上部電極８２から注入されたキャリアが電流狭窄層８３によって絞られて、開口部７２直下の活性層８４に集められる構造がより望ましい。活性層８４に到達した電子、正孔は再結合して光を放出する。この光は、下部半導体ミラー８５と上部半導体ミラー８１とで形成された共振器中を往復する。往復する光は活性層８４を通過する際に誘導放出を誘起することによって増幅され、大きな出力の光が共振器中に閉じこめられる。その一部が上部ミラー８１を透過して外部にレーザ光７３として出射される。
このようにして面発光レーザは動作するが、図４からもわかるように共振器７４の形状はフォトリソグラフィによる加工によって自由に設計することができるため、偏光の制御が可能となる。例えば図４のように断面が円形の共振器７４を作製すると、特定の方位ができないためレーザ光７３の偏光面の自由度が大きい。そのため、図６に示すように注入電流量を変化させることによって偏光面を切り替えることができる。図６は光出力の平行方向（ここで平行とは便宜的な方向）の偏光成分３１と垂直方向（平行方向に垂直な方向）の偏光成分２３２との注入電流依存性を示したものである。注入電流がＩｔｈ未満では主に平行方向の直線偏光が出射されているが、Ｉｔｈを越えると垂直方向の直線偏光に切り替わることがわかる。つまり、注入電流をＩｔｈの周りで変調することによって直線偏光の偏光面を変調することができる。ここでは、注入電流を変換する例を示したが、他にも、電界や磁界の印加、歪みの付与、偏光の注入などによっても偏光面を変調することができる。このような面発光レーザを直線偏光変調発光素子として用いることによって本実施形態の送信機を実現することができる。
なお、上述の面発光レーザは、送信機１１ａにおける光強度変調用の光源として用いることもできる。
これらにより、本偏光通信装置は、面発光レーザを送信機の光源とすることで、以下に述べる新たな効果が生ずる。第１の効果としては、送信機の消費電力を低減することができることである。従来から一般に用いられている半導体レーザである端面発光レーザに比べて、面発光レーザが発光に要するしきい電流は小さい。すなわち、わずかな電流を供給することで面発光レーザは発光するので、その消費電力を抑えることができるものである。
第２の効果としては、面発光レーザは非常に指向性の強い円錐または円筒ビームを出射するので、出射光のうち受信機に到達しない無駄となる光を低減でき、低電力での遠距離通信、あるいは高速通信を実現できる。ＬＥＤを光源としたのでは、その光放射角が大きく、発光面そのものが大きいのでレンズでコリメートすることは困難である。これに対して面発光レーザは、円錐または円筒状のビームを出射するので、一方向に光強度を集中させることができる。生体という強散乱媒体中ではいずれも散乱され光が拡散するには違いないが、最初から広がった光を入射するのと、細く絞った平行光を入射するのとでは、受信機に到達する光の割合は後者の方がはるかに有利である。その結果として、面発光レーザを用いた本偏光通信装置は、低パワーで通信でき消費電力を抑えることができる。
さらに、送信電力すなわち光量または光度と通信速度とはトレードオフの関係にあるので、送信電力を上げるほど高速の通信が可能となる。したがって、本偏光通信装置は、より高速な通信をすることができる。
第３の効果としては、面発光レーザを用いることで、通信におけるＳＮ比を改善できる点がある。ＬＥＤは波長が１００ｎｍ以上に渡って広がっているのに対して、面発光レーザの光は１ｎｍ以下の広がりにすることが可能である。そして、受信機側に干渉フィルタのような狭帯域のフィルタを使えばＳＮ比を向上させることができる。
Ｄ：第３実施形態
次に、図７に示すように、光共振器の形状を長方形とした場合について説明する。この場合、出射光Ｂの偏光方向は、長方形の短辺方向に固定化される。このため、偏光変調発光素子は、次のように構成することで実現可能である。すなわち、図８に示すように、図７に示す単体の面発光レーザ素子を半導体基板上に２つ設けた複開口型面発光レーザである。それら２つの面発光レーザ素子はそれぞれ偏光面が異なるレーザ光を出射する。そこで、それら２つの面発光レーザ素子のうちの一つを伝送信号に対応させて選択駆動することで、偏光面を変調したレーザ光を出射する。
具体的には、図８に示す断面が長方形の共振器７４ａ、７５ｂを形成することによって偏光面を所定の一定方向に向けるような制御が可能となる。長方形の共振器７４ａ、７５ｂを形成すると、偏光面は長方形の短辺に平行な方向に固定される。つまり、一つの基板７１上に短辺がｘ軸に平行な長方形共振器７４ａと短辺がｙ軸に平行な長方形共振器７４ｂとを隣接させて形成することによってそれぞれｘ軸に平行な直線偏光１４ｄ、ｙ軸に平行な直線偏光１５ｃを得ることができる。これは、単一の開口部から直交した直線偏光を変調して出射する訳ではないが、非常に隣接した開口部７２ａ、７２ｂからそれぞれお互いに直交した直線偏光を出射する構造である。ｘ軸に平行な直線偏光を出射するときには上部電極８２ａから電流を注入して、ｙ軸に平行な直線偏光を出射するときには上部電極８２ｂから電流を注入すればよい。
図９は、図８に示す２つの面発光レーザ素子をもつ複開口型面発光レーザ１０１を直線偏光変調発光素子として動作させるための回路を示す回路図である。図８において、オペアンプＯＰ１、トランジスタＴＲ１、抵抗Ｒ１は、可変抵抗ＶＲで設定した電圧に対応する電流をトランジスタＴＲ１のエミッタから供給する定電流源を構成している。可変抵抗ＶＲで電圧Ｖ１にオペアンプＯＰ１の＋端子が設定されている場合、トランジスタＴＲ１からは電流Ｉｅ＝（Ｖ−Ｖ１）／Ｒ１が給電される。
また、トランジスタＴＲ２、トランジスタＴＲ３はスイッチング用のトランジスタで、電流Ｉｅを面発光レーザ素子ＬＤＸまたはＬＤＹに切り替える働きをする。トランジスタＴＲ２、ＴＲ３のベースは、送信２値データ５１によって、または、インバータＩＮＶを通過した反転信号によって駆動される。つまり、ＴＲ２とＴＲ３は相補的にオン／オフが切り替えされ、一方がオンのときは他方がオフであるような動作をする。そのため、ある時間においては、面発光レーザ素子ＬＤＸまたはＬＤＹの一方にだけ電流Ｉｅが流れる。この面発光レーザ素子ＬＤＸ、ＬＤＹこそ同一基板７１上に形成した複開口型面発光レーザ１０１である。面発光レーザ素子ＬＤＸはｘ軸に平行な直線偏光を、面発光レーザ素子ＬＤＹはｙ軸に平行な直線偏光を出射するものとすると、送信２値データ５１が”１”のときｘ軸に平行な直線偏光が、”０”のときｙ軸に平行な直線偏光が複開口型面発光レーザ１０１から出射されることとなる。
このような複開口型面発光レーザ１０１を直線偏光変調発光素子として用いて図９の回路で駆動することによって送信機１１、２１、１１ａを実現することができる。ここで、図８に示すトランジスタＴＲ１からは定電流を流し、トランジスタＴＲ２、トランジスタＴＲ３で電流の経路を変えるこの種の回路構成は高速な変調ができる特徴を持っている。
なお、図７および図８に示す実施形態では、２つの面発光レーザ素子を同一半導体基板上に具備する送信機について説明したが、これと同様にして、複数の面発光レーザを同一半導体基板上に具備する送信機についても実現できる。
上述した偏光通信装置によれば、伝送信号として偏光を用いているので、全二重通信をした場合における２つの伝送信号相互の干渉を防ぐことができる。これは、図１の生体機能補助手段が具備する送信機１１と受信機１２とを極めて接近させて配置できることを示している。すなわち、図８に示すような複数の面発光レーザ素子と図９に示すような面発光レーザ駆動回路とを同一半導体基板上に形成することができ、本発明に係る偏光通信装置の外形を極めてコンパクトなものとすることができる。
Ｅ：第４実施形態
（１）構成
第４実施形態は、図１または図２における送信機１１、２１、１１ａとして、複数の面発光レーザ素子を同一半導体基板上に複数生成したものからなるアレー型面発光レーザ（複開口型面発光レーザ）を用いたものである。本実施形態に係る偏光通信装置は、図４および図５に示す面発光レーザ素子を同一半導体基板上に複数生成したものを送信機１１、２１、１１ｂの光源として用いる。
そして、複数の面発光レーザ素子のうちの幾つかを選択し、これらの面発光レーザ素子を伝送信号に対応させて選択駆動することで、偏光面を変調したレーザ光を出射する。
一方、通常時に駆動していた面発光レーザが所望の状態ではなくなったとき（例えば、故障したとき）は、他の面発光レーザ（予備のレーザ）を駆動して通信を継続する。
（２）動作
次に、本偏光通信装置の動作について図１などを参照して説明する。体内に埋め込んだ生体機能補助手段１は、その埋め込んだ状態のままで半永久的に継続して使用できることが望ましい。これは、生体機能補助手段１の一部である送信機１１、２１などにも要求されることである。
一方、図４などに示す面発光レーザは、複数の当該面発光レーザを半導体基板の１チップ上に形成することができ、その各面発光レーザの間隔を非常に短くして（例えば、４０から５０マイクロメータ）配置することができる。そして、その複数の面発光レーザのうちの一部を予備の光源とする。そして、通信に用いている面発光レーザの出力が低下し又は壊れた場合は、予備の面発光レーザに切り替えることで、その修理をしなくとも継続した通信が可能となる。
さらに、通信速度を上げたい場合などは、送信機においてより大きな発光量を必要とする。これに対しては、複数の面発光レーザを同時に変調して駆動することにより、発光量を増大させて通信速度を向上させることもできる。
図１１は、本実施形態に係る偏光通信装置の送信機１１０の構成例を示すブロック図である。複数の面発光レーザ素子１１５ａ、１１５ｂ、１１５ｚは、ＣＰＵ１１１の出力信号Ｏ１、Ｏ２に基づいて駆動される。ここで、出力信号Ｏ１は、供給電流量を制御する信号であり、出力信号Ｏ２は駆動させる面発光レーザ素子を選択する信号である。そして、出力信号Ｏ１は、Ｄ／Ａコンバータ１１２でアナログ量に変換される。マルチプレクザ１１３では、Ｄ／Ａコンバータ１１２の出力信号を入力して、出力信号Ｏ２が特定する面発光レーザ素子に出力する。ここで、マルチプレクサ１１３の出力信号は、増幅器１１４によって増幅されて面発光レーザ素子の駆動電流となる。
一方、各面発光レーザ素子１１５ａ、１１５ｂ、１１５ｃの近辺には、それぞれフォトダイオード１１６ａ、１１６ｂ、１１６ｃが設けてある。そして、現在、光通信の光源として駆動されている面発光レーザ素子の発光量を検出する。その発光量は、マルチプレクサ１１７、サンプル＆ホールド回路１１８およびＡ／Ｄコンバータ１１９を介して、ＣＰＵ１１１に入力される。また、ＣＰＵ１１１は、光通信の相手方である体外の受信機１２１における受信信号の振幅値を、送信機１２２および受信機１２３を介して入力する。
そして、ＣＰＵ１１１は、出力信号Ｏ１の値と、現在駆動中の面発光レーザ素子の発光量と、通信相手方の受信信号の振幅値とに基づいて、現在駆動中の面発光レーザの動作に異常がないか否かを判断する。ここで、例えば、出力信号Ｏ１の値に比べてその発光量または受信信号振幅が小さいときは、その面発光レーザが故障したと、ＣＰＵ１１１は判断する。そして、ＣＰＵ１１１は、出力信号Ｏ２を変更して、現在駆動している面発光レーザ素子への給電を停止し、他の面発光レーザ素子へ給電して光源となる面発光レーザ素子を切り替える。
そして、上述の送信機１１０の構成要素となる全ての電子部品は、同一半導体基板上に設けてあることが好ましい。これにより、上述の送信機１１０を極めてコンパクトな形状にすることができる。
これらにより本偏光通信装置によれば、送信機１１、２１などの故障の発生を抑えることができるので、より安全に長期間連続使用することができる生体内外間の通信装置を提供することができる。また、複数の面発光レーザを光源とすることで、通信速度を向上させることもできる。
（変形例）
図１０は、複数の面発光レーザ素子をもつ複開口型面発光レーザを駆動する回路の一例を示す回路図である。データ出力源９１は、送信機１１などから送出する伝送信号の基となる信号を出力する。スイッチ制御手段９３は、プログラマブル・スイッチアレイ９２における出力端子Ｓ１〜Ｓ８のうち活性状態とする出力端子を選択する信号を出力する。プログラマブル・スイッチアレイ９２は、データ出力源９１から受けた信号をスイッチ制御手段９３で選択された出力端子から出力する。面発光レーザ９４は、複数の面発光レーザ素子９４ａ〜９４ｈからなっている。トタンジスタ９７ａ〜９７ｈは、プログラマブル・スイッチアレイの出力端子Ｓ１〜Ｓ８からそれぞれ出力される電流でオン／オフし、それぞれ面発光レーザ素子９４ａ〜９４ｈに電流を供給する。
これらにより、本回路によれば、スイッチ制御手段９３が選択する面発光レーザ素子についてのみ駆動電流を供給することができ、複数の面発光レーザ素子のうちから光源となる面発光レーザ素子を任意に選ぶことができる。ここで、スイッチ制御手段９３の動作は生体外にある送信機２１の送信信号で制御することができるので、生体外から生体内送信機の光源となる面発光素子を任意に選択することができる。
Ｆ：その他の実施形態
以下では、本発明に係る偏光通信装置を携帯機器と組み合わせた実施形態について説明する。なお、実施には以下に説明する形態に限られるものではなく、その他の日常身の回りにあるものに組み込むことも可能である。
図１２は、本発明に係る偏光通信装置の体外制御手段を腕時計と組み合わせた形態を示す斜視図である。この図において、４０は腕時計，４１は腕時計の本体，４２〜４３は各種の表示を行うための表示部である。また、４４〜４６はボタンであり、表示部４２〜４３の表示内容を変更したり、光源となる面発光レーザ素子を変更したりするときに操作する。さらに、４７は送信機、４８は受信機であって、腕の中に埋め込まれている生体機能補助手段（図示略）と相互に通信するものである。なお、送信機４７および受信機４８は、腕時計の本体４１の裏側に設けてもよい。
送信機４７および受信機４８は取り付け具５０の裏面に取り付けられており、取り付け具５０は時計バンド４９に摺動自在に取り付けられている。そして、ボタン４４が手の甲の中心線上にくるように腕時計４０を手首に装着することで、体内にある生体機能補助手段の送信機と受信機４８が向き合い、生体機能補助手段の受信機と送信機４７が向き合うこととなる。
そして、体内にある生体機能補助手段の送信機および受信機と体外にある送信機４７および受信機４８との位置関係の微調整は、表示部４３に表示された受信機４８における受信状態を装着者が見ながら、取り付け具５０の位置を調整することで行う。また、その微調整は、装着者がボタン４６などを操作して生体機能補助手段の送信機の光源となる面発光レーザ素子の選択を変更することでも行うこともできる。
図１３は、本発明に係る偏光通信装置の体外制御手段をネックレスと組み合わせた形態を示す斜視図である。この図において、６１はセンサパッドであって、たとえばスポンジ状の緩衝材で構成される。センサパッド６１の中には、送信機および受信機からなる送受信装置６２が皮膚面に接触するように取り付けられている。これにより、このネック送受信装置６２が首の後ろ側の皮膚に接触して、首の中に埋め込んである生体内機能補助手段と相互に通信することができる。
また、中空部を有する本体６３には、この偏光通信装置の制御機能部分が組み込まれている。この本体６３はブローチ様の形状をしたケースであって、その前面には例えばグラフィック表示部やボタンが設けられている。また、送受信装置６２と本体６３はそれぞれ鎖６７に取り付けられており、この鎖６７の中に埋め込まれたリード線（図示略）を介して電気的に接続されている。
図１４は、本発明に係る偏光通信装置の体外制御手段を眼鏡と組み合わせた形態を示す斜視図である。なお、この眼鏡の形態では、使用者に対する告知手段としての表示装置も一緒に組み込まれた構造になっている。
図のように、装置本体は本体１７５ａと本体１７５ｂに分かれ、それぞれ別々に眼鏡の蔓１７６に取り付けられており、これら本体が蔓１７６内部に埋め込まれたリード線を介して互いに電気的に接続されている。
本体１７５ａは表示制御回路を内蔵しており、この本体１７５ａのレンズ１７７側の側面には全面に液晶パネル１７８が取り付けられ、また、該側面の一端には鏡１７９が所定の角度で固定されている。さらに本体１７５ａには、光源（図示略）を含む液晶パネル１７８の駆動回路と、表示データを作成するための回路が組み込まれている。この光源から発射された光は、液晶パネル１７８を介して鏡１７９で反射されて、眼鏡のレンズ１７７に投射される。また、本体１７５ｂには、装置の主要部が組み込まれており、その上面には各種のボタンが設けられている。なお、これらボタン１８０，１８１の機能は装置毎に異なる。
一方、レーザ光を送受信する送信機および受信機はパッド８２，８３に内蔵されると共に、パッド１８２，１８３を耳朶へ固定するようになっている。これらのパッド１８２，１８３は、本体１７５ｂから引き出されたリード線１８４，１８４によって電気的に接続されている。そして、パッド１８２、１８３を耳朶へ固定することで、その耳朶内に埋め込んである生体内機能手段の送受信機とパッド内の送受信機がそれぞれ向き合うこととなり、相互に通信することができる。
Ｇ：第５実施形態
次に、上述した面発光レーザを用いて脈波を検出する実施形態について説明する。
（１）構成
図１５は、この発明の第５実施形態の基本的な構成を示す機能ブロック図である。この図において、１４１はレーザ光を照射する送信部であり、光源としてレーザ光の偏光面を変調して出力するものが用いられる。１４２は受信部であり、所定の偏光状態の光を選択的に受光する偏光フィルタと受光素子を備え、受光した光の偏光状態（偏光角や楕円率）に対応した電気信号を出力する。
ここで、偏光面の変調について簡単に説明する。偏光には、例えば、直線偏光、および右回り、左回りの円や楕円の偏光があるが、偏光面の変調は、偏光の状態を変調信号に応じて変化させることによって行われる。例えば、直線偏光を用いるとすれば、直交した直線偏光をそれぞれ”１”信号、”０”信号に対応させて、偏光面を切り替えて変調を行う。また、仮に、右回りと左回りの円偏光の組を用いるとすれば、“１”信号と“０”信号に応じて、偏光方向を切り替えるように変調を行う。受信側では、いずれの方向に偏光されているかを偏光フィルタなどで弁別することによって復調を行う。
また、一般的な半導体レーザは、直線偏光しか出射できないが、４分の１波長板を使って、直線偏光を円偏光に変換することができる。すなわち、直線偏光の光軸に対し４５度傾けた位置に４分の１波長板を配置し、直線偏光の方位を切り替えることにより、右回り、または左回りの円偏光を発生することができる。さらに、垂直共振型面発光半導体レーザでは、４分の１波長板を使わずとも偏光面の変調ができる。なお、面発光レーザについては、後に詳述する。
また、受信する場合には、送信のときとは逆の過程となるように、４分の１波長板を用いて、円偏光を２つの軸の直線偏光に変換し、各軸の偏光成分の大きさを検出することで復調を行うことができる。一例をあげれば、４分の１波長板の光学軸から±４５度傾いた位置に、それぞれＸ軸、Ｙ軸を定め、Ｘ軸に平行な偏光成分を反射し、Ｙ軸に平行な偏光成分を透過するような偏光ビームスプリッタを設け、これにより分離された偏光成分を検出する光検出器を設ければよい。そして、それぞれの光検出器の出力を差動増幅器に入力すれば、偏光が変調された成分のみを増幅して、無偏光の外乱の影響による同相成分を除去することができ、これによって良好なＳＮ比の信号を得ることができる。
次に、図１５に示す１４３は伝送路測定手段であり、受信部１４２の受信信号の強さ（振幅）を検出し、その検出結果を表示部（告知手段）１４４に出力する。表示部１４４は、液晶ドット表示器によって構成されており、種々の表示を行うとともに、伝送路測定手段１４３の検出結果を表示する。この実施形態の場合、表示部１４４は、伝送路測定手段１４３の測定結果を数値で表示するが、円グラフや長さが変わるバーなどのグラフィカルな表示形態によって表示を行うようにしてもよい。要は、伝送路測定手段１４３の検出結果を操作者に告知できればよい。
図１５に示す符号１４５は、脈波検出回路であり、受信部１４２の出力信号から脈波成分を抽出して脈波信号として出力する。脈波検出回路１４５は、例えば所定のフィルタ回路など介して脈波を抽出することにより、雑音成分を除去し、Ｓ／Ｎを高める。脈波検出回路１４５が出力した脈波信号は、表示部１４４に供給され、ここで、脈波が表示される。なお、脈波検出回路１４５において高速フーリエ変換を行うことにより、脈波信号のスペクトルを算出した場合には、そのスペクトルも表示部１４４に表示させる。
次に、図１６は、本実施形態の外観を示す斜視図である。この図に示すように、本実施形態は腕時計の形態をとっている。ここで、図１６に示す１５０は本体であり、前述した送信部１４１、伝送路測定手段１４３、表示部１４４および脈波検出回路１４５を収納している。なお、本体１５０には、図示せぬ時計ＩＣが設けられており、表示部１４４は、図１６に示すように、時計ＩＣが出力する時刻情報を表示する。また、１４９は各種操作を行うための操作ボタンであり、例えば、脈波を測定する測定モードと時刻を表示する時計モードの切り替えなどを行う。
前述した送信部１４１の出射面は本体１５０の裏面に露出しており、図示の矢印方向にレーザ光を出射する。また、本体１５０には、一対のバンド１４６a、１４６bが取り付けられており、図１７に示すように、これらを腕に巻き付け、所定の止め金具１５２で止めることにより、腕に装着される。１４７は、バンド１４６ａ，１４６ｂに沿って移動可能な矩形断面の筒状の摺動体であり、この摺動体１４７内に受信部２が設けられている。受信部１４２は、その受光面が送信部１の出射面と対向するように設けられており、送信部１４１から出射されたレーザ光を受光し得るようになっている。また、受信部１４２と本体１５０との間には、図示せぬケーブルが設けられており、これにより、伝送路測定手段１４３および脈波検出回路１４５に受信信号が伝達されるようになっている。
ここで、図１８は本実施形態が左腕に装着された状態の断面図である。この図に示す状態では、送信部１４１から出射されたレーザ光は、橈骨動脈血管１６１を貫いて受信部１４２に至る。すなわち、図示の状態においては、送信部１４１から受信部１４２に至るレーザ光の伝送路Ｌ上に橈骨動脈血管１６１が位置している。この位置関係は、脈波検出には最も適した位置関係である。
ところで、橈骨動脈血管１６１は、腕断面において橈骨１６２側に位置している。そして、伝送路Ｌは、橈骨１６２を避けた位置に設定する必要がある。以上の位置関係を考慮して、本実施形態においては、伝送路Ｌの傾きを、本体１５０の底面を基準として６０°≦θ≦８５°に設定している。このような傾きを持たせることにより、通常の装着状態においては、橈骨１６２および尺骨１６３を避けた位置に伝送路Ｌが設定される。要は、伝送路Ｌが橈骨２２と尺骨１６３を避けられるように、送信部１４１と受信部１４２の位置、およびレーザ光（波動）の出射方向が設定されればよい。
また、本実施形態においては、後述する作用により、伝送路Ｌが橈骨動脈１６１の中心をより正確に貫くように調整できるようになっている。
（２）動作
次に、本実施形態の動作について説明する。まず、バンド１４６ａ，１４６ｂを腕に巻き、止め金具１５２によって固定する。そして、操作ボタン１４５を操作することによって、測定モードに設定する。この結果、送信部１からレーザ光が出射され、受信部１４２によって受信される。
ここで、血管を流れる血液は、光を吸収する吸光特性を持っている。これにより、受光部１４２が受光するレーザ光の光量は、橈骨動脈血管１６１を流れる血液によって減衰する。この減衰は、レーザ光の一部が血液中のヘモグロビンに吸収されるためである。そして、その減衰量は、その血管におけるレーザ光が貫く部位の血液容量の関数となり、すなわち、橈骨動脈血管１６１を流れる血液の脈波に対応したものとなる。脈波検出回路１４５は、受信部１４２の出力信号から脈波を検出し、それを表示部１４４に出力する。これにより、操作者は、表示部１４４に表示された自分の脈波を観測することができる。
また、同時に、受信信号の振幅値が伝送路測定手段１４３において検出され、その値が表示部１４４に表示される。操作者は、表示部１４４の表示を見ながら摺動体１４７を動かし、振幅値が最大になるよう調整する。この結果、伝送路Ｌは動脈血管１６１の中央を通る位置に設定される。このため、受信部１４２が受信する脈波のＳ／Ｎは最大となり、良好な脈波測定が行われる。
また、本実施形態では、橈骨動脈１６１の断面を貫いた送信部１４１の出射光を受信部１４２において受信しているので、橈骨動脈１６１において反射した光を脈波検出信号とする方式に比べ、体内外の自然光や蛍光灯の光などの影響を受ける割合が少なく、より正確で安定した脈波の検出をすることができる。
これは、体内における反射光は出射光のもつ属性（波長、位相、偏光度など）を保持していないので、その反射光は体外の自然光や照明光と区別が付きにくいが、体内を通過した光は属性を保持しているので他の光との弁別が容易だからである。
また、本実施形態においては、偏光したレーザ光を用いているので、外乱光の影響を極めて小さくすることができる。以下にこの点について説明する。
送信部１４１が出射した偏光レーザ光は、橈骨動脈１６１を貫いた後に受信部１４２に到達するが、受信部１４２は、所定の偏光状態の光のみを受光する。ここで、図１９に示すように、送信部１４１が出射した偏光１９１のうちには、被験者の腕の中（以下、体内１９０という）で強度に多重散乱をうけてその体内においてランダムな方向へ広がっていく拡散光成分１９２となるものがある。その散乱光成分１９１は、出射時の偏光状態を維持しておらず、無偏光となる。一方、送信手段１４１が出射した偏光のうちには、比較的小さい散乱角をもちながらも前方へ伝搬する近軸前方多重散乱光成分１９３と、次々に前方散乱を受けながらも最短距離（時間）で直進していく前方多重散乱直進光成分１９４とがある。近軸前方多重散乱光成分１９３および前方多重散乱直進光成分１９４は、出射時の偏光状態を維持する性質をもっている。
そして、その近軸前方多重散乱光成分１９３および前方多重散乱直進光成分１９４は、ほぼ直進するので、橈骨動脈血管１６１を貫いた後に受信部１４２に到達する。一方、体内において広範囲に拡散した拡散光成分１９２の一部も受信部１４２に到達するが、無偏光は受信部１４２のフィルタで遮断されるので、検出信号とはならない。また、体外の自然光や各種照明の光なども受信部１４２に到達するが、これらの無偏光も受信部１４２のフィルタで遮断されるので、検出信号とはならない。
以上のように、本実施形態においては、体内で広範囲に拡散した散乱光や体外から体内に侵入してきた光（自然光、各種照明光等）と検出信号とを弁別することができるので、正確でかつ安定した脈波の検出を行うことができる。
Ｇ−１：第５実施形態の変形例
▲１▼レーザの一例
上述した実施形態においては、送信部１の光源として、前述した図４ないし図６で説明した垂直共振器型発光半導体レーザを用いると好適である。面発光レーザを送信部の光源とすることで、前述した実施形態と同様の効果を得ることができる。
▲２▼告知手段の一例
前述のように、本実施形態によれば、表示によって伝送路Ｌと橈骨動脈１６１の位置関係を操作者に告知するようにしたが、これに代えて音によって告知するように構成してもよい。すなわち、図１５に波線で示すように、伝送路測定手段１４３の出力信号に基づいて発音を行う発音手段ＶＯを設けてもよい。そして、発音手段においては、例えば、受信信号の振幅に応じて、音量、音高、音色、などの音の属性を変えることによって伝送路Ｌと動脈血管の位置関係を告知するように構成する。また、音の発音間隔、例えば、ピッピッピという電子音の発音間隔などを変化させることによって告知してもよい。
▲３▼伝送路Ｌの位置判断の態様
本実施形態においては、受信信号の振幅によって、伝送路Ｌと動脈血管の位置関係を判定したが、これに代えて、周波数、位相などの波動の他の属性を用いて判定してもよい。
▲４▼受信部１４２の位置決め方法の一例
前述のように、本実施形態によれば、表示部１４４の表示を見ながら、伝送路Ｌの位置を良好に設定することができるが、腕に装着した際の当初の位置決めにおいても、できるだけ橈骨動脈１６１付近を貫通するようにした方が好適である。そこで、一応の目安として、バンド１４６ａにマークを付けるとよい。すなわち、図１７に示すように、バンド１４６ａに所定の間隔で目盛り１３ｍ、１３ｍ……を付けておき、摺動体１４７がどの目盛りの位置のときに伝送路Ｌが良い位置に達したかを覚えておく。そして、バンド１４６ａ，１４６ｂを腕に装着した直後に、摺動体１４７の位置をその目盛り位置に調整する。このようにすれば、測定モードに移行した後の摺動体１４７の調整量が少なくて済み、測定が迅速に行える。
Ｈ：第６実施形態
（１）構成
図２０は第６実施形態の構成を示すブロック図である。なお、本実施形態は、前述の第５実施形態の構成における摺動体１４７に代えて、受信位置制御部１７０を設けたものである。受信位置制御部１７０は、受信部１４２を腕の周方向（橈骨動脈に対して直交する方向）に駆動するもので、伝送路測定手段１４３が出力する受信信号の振幅値が最大になるように、受信部１４２の位置を制御する。ここで、図２１は、受信位置制御部１７０の外観を示す正面図（皮膚側）であり、図示のようにバンド１４６ｂが貫通している。受信位置制御部１７０の内部は、リニアモータの構成になっており、図示の１７０ｂはそのスライダである。スライダ１７０ｂには、皮膚側に突出した突出部１７０ｃが設けられており、この突出部１７０ｃに受信部２が取り付けられている。突出部１７０ｃは、溝１７０ａに沿って図面左右方向に１ｃｍ程度のストロークで移動自在である。図２２は、本実施形態を腕に装着した場合の各部の位置関係の概略を示す説明図であり、図示のように、受信部２が腕の表皮に接している。
（２）動作
以上の構成において、測定モードが設定されると、伝送路測定手段１４３からは受信信号の振幅値が出力される。受信位置制御部１７０は、受信部１４２を右に１ピッチ移動させ、受信信号の振幅値が大きくなるか否かを判定する。仮に大きくなっていたら、さらに、１ピッチ右に移動させ、振幅値が大きくなるか否かを測定する。以後同様にして、右に移動させて行き、振幅値が小さくなったときは、１ピッチ左に戻って移動を終了する。また、当初、右に１ピッチ移動させたときに振幅値が小さくなった場合は、直ちに移動方向を左に変え、上述と同様の動作を行う。
以上の動作の結果、受信部１４２は、受信振幅が最大になる位置に制御される。すなわち、伝送経路Ｌが動脈血管を貫く位置に設定される。この場合、本実施形態においては、圧力センサを用いる装置（例えば、米国特許NO.4951679）と異なり、受信部１４２を表皮に押しつけていないので、受信部１４２を腕の表皮に沿って移動させる力は少なくて済む。したがって、一般的なリニアモータのトルクで十分にサーボ制御が可能である。また、伝送路Ｌの幅と動脈血管の径の関係から、受信部１４２の移動距離は１ｃｍ程度あれば、十分に伝送路Ｌの最適位置を見つけることができる。
Ｈ−１：第６実施形態の変形例
▲１▼図２３に示すように、受信位置制御部１７０と皮膚との境界面にレーザ光を透過するフィルムＣＦを取り付けるようにすると、受信部１４２の摺動時の抵抗が少なくなるので、受信部１４２がさらに動き易くなる。
▲２▼第２実施形態においては、表示部１４４における振幅値の表示を省略してもよい。これは、装置がサーボ機構によって自動的に伝送路Ｌを最適位置にするので、利用者が振幅値をモニタしなくてもよいからである。ただし、表示部１４４で振幅値を表示すれば、サーボ機構の動作状況を知ることができ、また、仮にサーボ機構が故障した場合には、手動によって受信部１４２の位置を最適化することができる。
▲３▼本実施形態は、受信部１４２の位置を機械的に移動させたが、これに代えて、図２４に示すように、送信部１４１を腕の周方向に沿って複数設け、これらを順次スキャンするように選択駆動し、受信信号振幅が最も大きく検出されるものを選択しるように構成してもよい。
▲４▼以上の実施形態および変形例は、受信部１４２の位置を移動させたが、送信部１４１を移動（または、複数設けていずれかを選択駆動）するようにしてもよい。要は、送信部１４１と受信部１４２の相対的な位置が変わり、これによって、伝送路Ｌの位置が移動すればよい。
Ｉ：第７実施形態
（１）構成、動作
次に、本発明の第７実施形態について説明する。この第７実施形態は前述した第６実施形態と、電気的構成が同じであり、機械的な構成のみが相違している。
図２５は、第７実施形態の構成を示す平面図である。図において、２３０はアーチ状の装着部材であり、首２３２の回りに装着されるようになっている。この装着部材２３０の内側の一端部と他端部には、送信部１４１と受信位置制御部１７０が取り付けられ、受信位置制御部１７０には受信部１４２が取り付けられている。この図に示す状態においては、送信部１４１から受信部１４２に向かう伝送経路Ｌは、右側の頸動脈２３１を貫いている。なお、図において、２３３は首の骨を示している。
また、装着部２３０は、図２６に示すように、洋服のカラーの内側部分に装着できるようになっており、送信部１４１、受信部１４２および受信位置制御部１７０からはコードが引き出され、制御ボックス２３５に接続されている。制御ボックス２３５には、伝送路測定手段１４３、表示部１４４および脈波検出回路１４５が設けられている。制御ボックス２３５は、例えば、洋服のポケットなどに入る大きさに設定されている。
上述した構成によるこの実施形態の動作は、前述した第６実施形態と同様である。
Ｉ−１：第７実施形態の変形例
▲１▼受信位置制御部１７０に代えて、第５実施形態のように、手動で受信部１４２を動かす構成にしてもよい。また、移動させるのは、受信部１４２でも送信部１４１でもいずれでもよく、さらに、双方が移動できるように構成してもよい。
▲２▼頸動脈から脈波を検出するための装着部材２３０としては、上述したタイプのみならず、ネックレスの輪のような形状にしても、ネクタイのループ部分の形状にしても、あるいは、首輪のような形にしてもよい。要は、送信部１４１と受信部１４２を結ぶ伝達経路Ｌが頸動脈を貫けるよう、両者を固定できればよい。
Ｊ：その他の実施形態、効果
（１）上述した各実施形態は、面偏光レーザを用いて測定を行う例であったが、測定用の波動はこれに限らず、例えば、ＬＥＤ等から出射する光を用いてもよい。さらに、超音波を用いることもできる。超音波を用いた例を図２７に示す。この例は、送信部１４１および受信部１４２に、それぞれ超音波振動子を用いている。この例の場合は、受信部１４２に伝達される超音波の振幅が、血液の脈動に応じて変動するので（血管の血液容量に応じて超音波の減衰量が変化するため）、それを検出することにより脈波の測定が行われる。また、伝送路Ｌの位置合わせについては、前述した第６実施形態と同様にして実行される。また、受信位置制御部１７０に代えて、摺動体１４７を用いてもよい。
（２）また、上述した各実施形態および変形例は、生体に取り付けて用いるため、生体の動きに伴う成分（体動成分）を除去するように構成してもよい。例えば、加速度センサ等を生体の動きが伝達されるように配置し、この加速度センサからの信号に基づいて体動成分を検出する。そして、受信部１４２が出力する受信信号から体動成分を除去し、除去した後の信号に基づいて脈波の検出および受信信号の振幅の検出を行うようにする。このように構成することにより、体動によるノイズを除去し、正確な伝送路設定および脈波測定を行うことができる。
（３）図２３に示す透明フィルムは、レーザ以外の他の伝搬媒体を使うときは、その媒体を減衰させない材質とすればよい。
（４）上述した各実施形態および変形例においては、送信部１４１および受信部１４２を生体に対して押圧する必要もなく、また、押圧力を一定に制御する必要もない。人体に密着する時計や装身具のように、ごく自然な状態で送信部１４１および受信部１４２が生体に密着しているだけで十分である。また、仮に送信部１４１および受信部１４２の生体への密着状態や押圧力が変化し、両者の距離が変動しても、本発明においては、受信波の振幅によって脈波を検出するので、距離変動には全く影響されることなく、高いＳＮを保ちながら測定を行うことができる。
（５）第６、第７実施形態で用いた受信位置制御部１７０は、リニアモータの構成を採用していたが、これに代えて、機械的な構成によって受信部を駆動してもよい。この場合の一例を図２８に示す。この図は、前述した図２３に対応しており、共通する部分には同一の符号が付けてある。
図２８において、Ｍはモータであり、２５０はモータＭの軸に、軸心を共通にして取り付けられているボールネジである。１７０ｆは受光部１４２が取り付けられるベース部材であり、ボールネジ２５０と螺合している。ベース部材１７０ｆは、ボールネジが回転すると、その回転方向に応じて図面左右方向に移動する。また、その移動量はボールネジ２５０の回転量に比例する。以上の構成により、受信位置制御部１７０は、受信部１４２を腕の周方向（橈骨動脈に対して直交する方向）に駆動する。
図２９はモータＭの回転制御を行う回路の構成を示している。なお、この図に示す構成は、前述した第５、第６実施形態の電気的構成とほぼ同様である。
以上の構成において、測定モードが設定されると、伝送路測定手段１４３からは受信信号の振幅値が出力される。モータ駆動回路１７０ｅは、受信部１４２を右に１ピッチ移動させるべくモータＭを所定方向（例えば、時計方向）に１回転させる。そして、受信信号の振幅値が大きくなるか否かを判定する。仮に大きくなっていたら、さらに、１ピッチ右に移動させ、振幅値が大きくなるか否かを測定する。以後同様にして、右に移動させて行き、振幅値が小さくなったときは、１ピッチ左に戻って（モータＭを所定方向（例えば、反時計方向）に回転させて）移動を終了させる。また、当初、右に１ピッチ移動させたときに振幅値が小さくなった場合は、直ちに移動方向を左に変え、上述と同様の動作を行う。
以上の動作の結果、受信部１４２は、受信振幅が最大になる位置に制御される。すなわち、伝送経路Ｌが動脈血管を貫く位置に設定される。この場合も、第６実施形態と同様に、受信部１４２を表皮に押しつけていないので、受信部１４２を腕の表皮に沿って移動させる力は少なくて済む。したがって、一般的な超小型モータのトルクで十分にサーボ制御が可能である。また、伝送路Ｌの幅と動脈血管の径の関係から、受信部１４２の移動距離は１ｃｍ程度あれば、十分に伝送路Ｌの最適位置を見つけることができる。
なお、図２８に示す例は、受信位置制御部１７０と皮膚との境界面にレーザ光を透過するフィルムＣＦが取り付けられているが、受信部１４２の摺動に問題がなければ、フィルムＣＦを省略してもよい。さらに、受信位置制御部１７０と同様の構成によって、送信部を駆動することも勿論可能である。
（６）上述した各実施形態および変形例においては、電源の供給を考慮して、送信部１４１を腕時計の本体１５０に設け、受信部１４２を摺動体１４７に設けたが、本発明はこれに限定されるものではなく、送信部１４１を摺動体１４７に設け、受信部１４２を本体１５０に設けるようにしてもよい。
（７）上述した各実施形態および変形例において、摺動体１４７の端部に押圧脚部１４２ａ，１４２ｂを設けるようにしても良い。この点について、図３０を用いて説明する。図３０は光電反射型の脈派検出装置を腕に装着状態での断面図である。この図において、本体１５０の両端に取り付けられたリストバンド１４６ａ，１４６ｂは、被験者の手首に巻き付けられて、公知のフック２４０によって互いに締結されている。なお、フック２４０により、腕時計１７０の周長の調節が可能なように、すなわち手首への閉め付け力を調節可能なようにされている。
リストバンド１４６ａの裏面（手首に対向する面）には光学式拍動検出センサ１４２’が固定されている。これに代えて圧力検出センサを用いてもよい。光学式拍動検出センサ１４２’は送信部と受信部が一体となって構成されている。光学式拍動検出センサ１４２’は、リストバンド１４６ａ，１４６ｂの締め付け力を受けて橈骨動脈１６１の真上の表皮を押圧する。
リストバンド１４６ａには、裏側に突出する押圧脚部１４２ａ，１４２ｂが取り付けられており、押圧脚部１４２ａ，１４２ｂの少なくとも一方はリストバンド１４６ａの周方向に沿って移動可能、かつ移動した位置で停止可能になされている。
この場合、押圧脚部１４２ａ，１４２ｂは橈骨動脈１６１の両側の弾性の高い（軟らかい）表面を凹ませるから、光学式拍動検出センサ１４２’を容易に橈骨動脈１６１の真上に位置決めすることが可能である。また、光学式拍動検出センサ１４２’の先端は、押圧脚部１４２ａ，１４２ｂの先端同士よりも、上方に位置しているため、他の組織よりも弾性の低い（硬い）橈骨動脈１６１が、押圧脚部１４２ａ，１４２ｂの間に簡単に位置決めされるようになっている。
したがって、このような押圧脚部１４２ａ，１４２ｂを摺動体１４７（図１８、図２４等参照）の端部に設けることによって概略の位置決めを行い、この後、摺動体１４７によって精密な位置決めを行うことにより、正確な位置決めを容易に行うことができ、脈派信号のＳＮ比を向上することができる。
なお、橈骨動脈１６１は皮膚の下３ｍｍ程度の位置にあるのが通常であるから、押圧脚部１４２ａ，１４２ｂのみを用いて皮膚を押圧して位置決めを行っても良い。この場合は、摺動体１４７と押圧脚部１４２ａ，１４２ｂを使用する場合と比較して脈派信号のＳＮは多少劣化するが、実用上問題は少ない。
（８）上述した各実施形態および変形例においては、脈派を検出する生体の部位として、手首の橈骨動脈１６１あるいは頸動脈２３１を一例として説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、脈派の検出部位に相当する動脈はどのようなものであってもよい。すなわち、人の動脈には、図３１に示すように各種のものがあるが、上述した脈派検出装置の形態を検出部位に合わせて変形すれば、各種の動脈から脈派の検出が可能である。
Ｋ：第８実施形態
次に、本発明による、光共振を利用した受光素子と偏光とを利用して、外光による影響を少なくした反射光検出器およびその検出器を用いた脈波検出装置の実施形態のいくつかについて、図面を参照して説明する。
まず、本発明の第８実施形態について説明する。図３２（ａ）は、この第８実施形態にかかる反射光検出器１の概略構成を示す図である。この図に示すように、反射光検出器３０１は、発光素子３１０と、受光素子３２０と、偏光板３３１、３３２と、受光素子の受光面に備えられるフィルタ３４０とから構成され、検出対象となる散乱媒体に対して光を出射するとともに、その反射光を入射するようになっている。このうち、偏光板３３１は、発光素子３１０の発光面に設けられ、偏光板３３２は、受光素子３２０の受光面に設けられて、それらの偏光方向は、互いに同方向である。このため、偏光板３３１、３３２を発光側と受光側とで分けることなく１枚板で構成しても良い。
なお、この図では構成が簡略化されているが、実際には、発光素子３１０と受光素子３２０とは互いに別室に収容されて、発光素子３１０により発せられる光が直接、受光素子３２０に入射しないようになっている。
また、散乱媒体は、光を透過する管を流動する場合や、自由空間に浮遊する場合など、種々の場合が考えられるので、ここでは特に図示しないこととする。
このような構成による反射光検出器３０１によれば、発光素子３１０によって発せられた光は、偏光板３３１により偏光化されて散乱媒体に出射される。当該出射光は、散乱媒体に到達して吸収されるものもあれば、反射するものもある。さらに、その反射光は、多重散乱を繰り返すものもあれば、受光素子３２０に直接向かうものもある。
ここで、散乱媒体において多重散乱を繰り返した多重散乱光は、出射時の偏光状態を保存していないので、偏光板３３２を一部しか通過しないが、多重散乱していない光、すなわち、直接反射光は、出射時の偏光状態を保存しているので、偏光板３３２をその大部分が通過する。
したがって、偏光板３３２を通過して受光素子３２０に入射する光は、その大部分が散乱媒体において多重散乱していない直接反射光成分である。
なお、散乱媒体が管中を流動する場合、直接反射光は、散乱媒体によるもののほか、管自体によっても発生すると考えられる。しかし、管が硬質であれば、管による直接反射光成分は一定であるため、容易にキャンセルできるし、また、管が軟質であれば、散乱媒体の流量変化に応じて管も脈動するため、管による直接反射光成分もまた散乱媒体に関する情報を示すことになる。
（１）受光素子
次に、本実施形態にかかる各部分について説明する。はじめに説明の便宜上、受光素子３２０について説明する。図３３（ａ）は、第８実施形態における受光素子３２０として最適なフォトダイオード５００の構成を示す側断面図である。
この図に示すように、フォトダイオード５００は、基板（ウェハ）５０１上に、ｎ型領域の下部ミラー５０２、空乏層５０３、ｐ型領域の上部ミラー５０４を順次積層して形成したものであり、下部ミラー５０２および上部ミラー５０４からなる光共振器を有する構成となっている。かかる光共振器の共振波長λrは、下部ミラー５０２および上部ミラー５０４の間隔すなわち空乏層の厚さｔ1と、空乏層の屈折率ｎとにより次式のように決定される。
λr＝２ｎ・ｔ1／ｍ……（１）
この式（１）において、ｍは、１以上の整数を用いるが、共振波長の間隔を大きくとるために、通常、「１」または「２」を用いて設計される。
また、下部ミラー５０２の下層には電極２１２が形成され、上部ミラー５０４の上層には電極５１４が形成されている。そして、同図（ｂ）に示すように、両電極には、直流電源Ｅと抵抗Ｒとが直列接続されて、逆バイアスされている。ここで、上部ミラー５０４には、開口部５１５が設けられ、ここに散乱媒体による反射光が入射される。入射した光は、光共振器中を往復する光を励振することで増幅され、空乏層５０３において伝導電子・正孔対を発生させる。したがって、空乏層５０３に到達する光量に応じた電流が、下部ミラー５０２から上部ミラー５０４へと流れる。このため、電極５１２および５１４間の電圧を出力信号Ｖｏｕｔとして取り出すことによって、フォトダイオード５００の受光量を検出することができる。
さて、下部ミラー５０２および上部ミラー５０４は、全波長域にわたって高反射率であれば理想的だが、そのような反射特性を得るには、実際問題として困難である。そこで、本実施形態においては、上記光共振器の共振波長を含む一定幅の帯域において、反射率が高くなるようにした。
このため、上部ミラー５０４については、屈折率が高い材料と、低い材料とを交互に積層して形成される。ここで、高反射率となる波長域は、積層する材料の屈折率の差で定まり、その差が大きい程、帯域が広くなる。このため、上部ミラー５０４の材料としては、屈折率の差が大きい材料を組み合わせるのが望ましい。
例えば、ＡｌＧａＡｓ系などの半導体を用い、ＡｌおよびＧａの比率を変えた材料を積層することで上部ミラーを形成することができる。なお、下部ミラー５０２についても、ほぼ同様な構成となる。
なお、図示の例では、上部ミラー５０４自体をｐ型半導体としたが、ＡｌおよびＧａの比率を変えるとしても、高反射率となる波長域を、それほど広くとることができない。このため、ミラーの材質としては、誘電体等が望ましい。ただし、誘電体で上部ミラーを構成する場合、当該誘電体は絶対体となるため、図３３（ａ）に示すような構成ではなく、下から順に、下部ミラー、空乏層、ｐ型層、開口部を有する電極、誘電体からなる上部ミラー、というように積層した構成となる。この場合、屈折率が高い材料（ＴｉＯ２や、Ｔａ２Ｏ５など）と、低い材料（ＳｉＯ２や、ＭｇＦなど）とを用いることができる。特に、ＴｉＯ２およびＴａ２Ｏ５を用いると、屈折率の差を大きくとることができ、４００ｎｍ程度の波長帯域を確保できる。
次に、このような構成による受光素子３２０による特性について検討する。
いま、外光のスペクトルが図３４（ａ）に示すような特性であったとすると、受光素子３２０が最終的に検出する光の波長を、外光の影響を受けにくい波長領域に設定することは、上述した通りである。そこで、受光素子３２０が検出波長を、外光のスペクトル強度が小さくなる波長λrとする場合について説明する。
この場合、下部ミラー５０２と上部ミラー５０４とについては、次の条件を満たすように形成される。まず、第１に、ミラー反射率が波長λrを含む帯域において高くなるように（図３４（ｂ）参照）、両者は適切な材料を積層して形成される。第２に、光共振器の共振波長が波長λrとなるように、両者は、距離（厚さ）ｔ1を置いて形成される。ここで、説明の便宜上、ミラー反射率が高い帯域が、波長λ1、λ2でそれぞれ定められるとする。
こうして形成される受光素子３２０単体の感度特性を、図３４（ｃ）に示す。この図に示すように、当該感度は、▲１▼波長λrで尖鋭的であり、▲２▼波長λ1以下において低くなっている。これは、主に次の理由によるものと考えられる。すなわち、▲１▼の理由は、波長λrではミラー反射率が高くなっているが、それでも入射した光がファブリ・ペロー共振器により、ミラー間を往復しながら空乏層に吸収されるためである。また、▲２▼の理由は、波長λ1以下ではミラー反射率が高くないので、入射光が上部ミラー５０４を透過する。しかし、空乏層が薄いので、一部の光は空乏層に吸収されて電流に変換されるが、多くは空乏層を透過してしまうためである。このため、波長λ1以下における感度は、高くないが、ゼロでもない。なお、当該感度が若干右下がりで低下しているのは、ミラーの反射率が波長λ1以下で若干右上がりに増加しているためと考えられる。また、反射率が低くても、波長が長い領域における感度は、本来的に低いため、波長λ2以上の領域では当該感度がほとんどない。
このように受光素子３２０単体の感度は、同図に示すように、波長λ1以下の領域においても高くなっているため、このままでは、外光成分による影響が大きく受ける。そこで、受光素子３２０の受光面に、図３４（ｄ）に示すような透過特性を有するフィルタ３４０を設ける。遮断波長λ1と透過波長λrとには、ある程度の差があれば、フィルタ３４０には、さほど急峻な透過特性が要求されない。このため、フィルタ３４０には、安価で製作容易な吸収型ガラスフィルタや、プラスティックフィルタなどを用いることができる。
フィルタ３４０とを組み合わせた場合における受光素子３２０の感度特性について、図３４（ｅ）に示す。この図に示すように、フィルタ３４０により波長λ1以下の光がカットされるので、感度特性を、外光の影響が小さい波長λrで尖鋭的な特性とすることができる。
（２）発光素子
次に、発光素子３１０について説明する。本発明では、前述のように、用いる光の波長を、フィルタ３４０と受光素子３２０とで選択する構成としているので、発光素子３１０としては、受光素子３２０が最終的に検出する波長λrを含んだ光を、発するものであれば良い。このため、発光素子３１０としては、一般的な発光ダイオードを用いても良いが、望ましくは、前述した図４ないし図７に示す面発光型の半導体レーザを用いるのが良い。
図３５は、第８実施形態における発光素子３１０として最適な面発光型の半導体レーザ７００の構成を示す側断面図である。基本的に、図４に示す面発光型レーザと同様の構成である。この図に示すように、面発光型の半導体レーザ７００は、基板（ウェハ）７０１上に、ｎ型領域の下部ミラー７０２、活性層７０３、ｐ型領域の上部ミラー７０４を順次積層して形成したものであり、下部ミラー７０２および上部ミラー７０４からなる一種の光共振器を有する。かかる光共振器の共振波長は、下部ミラー７０２および上部ミラー７０４の間隔、すなわち共振器長ｔ2で決定される。
また、下部ミラー７０２の下層には電極７１２が形成され、また、上部ミラー７０４の上層には開口部７１４を有する電極７１４が形成されて、順バイアスされている。
この半導体レーザ７００において、電極７１２から伝導電子、電極７１４から正孔が注入されると、これらのキャリアは、拡散し続けて活性層７０３に達する。ここでは、上部の電極７０４から注入されたキャリアを開口部７１５直下の活性層７０３に集めるため、狭窄層７１６を設けるのが望ましい。活性層７０３に達した伝導電子および正孔は、再結合して光を放出する。放出された光は、光共振器を往復するとともに、活性層７０３を通過する際に誘導放出を誘起する。これにより、光共振器内に出力の大きな光が閉じこめられ、その一部が上部ミラー７０４を透過して、レーザ光として出射される。
ここで、半導体レーザ７００の構成は、図３３に示したフォトダイオード５００の構成と、基本的に共通である点に留意すべきであり、発振波長と感度波長とは、ともに共振器長ｔ2、空乏層の厚さｔ1で決定される。したがって、これらの素子を、図３６に示すように、絶縁膜７９０を介した同一基板５０１（７０１）ウェハ上であって、その活性層、空乏層を同一の層成長プロセスで形成すると、用いる光の波長を外光の影響を受けにくい帯域に選択することが容易となるばかりでなく、発振波長と感度波長とを容易に揃えることもできる。
なお、フォトダイオード５００と半導体レーザ７００とを同一基板上で形成する場合、両者の間隔は数十ミクロン程度となり、双方にそれぞれ異なる偏光板を設けることが極めて困難となる。しかし、実際に反射光検出器１を構成する段階で、両者を一体として用いる必要はなく、両者を分離した後、ペアとして用いることも可能である。このため、後述する変形例のように、出射側と受光側との偏光方向を異ならせる（散乱光成分を検出する）のであれば、分離してペアで用いる一方、出射側と受光側との偏光方向を同一にする（直接反射光成分を検出する）のであれば、両者を分離しないでワンチップとして用いることもできる。
同様に、受光側のみにフィルタ３４０を設けることは困難となるが、この場合、出射側の発光波長は感度波長と一致して、フィルタ３４０を通過するから、両者にフィルタを設ける構成としても構わない。
このように、第８実施形態にかかる反射光検出器３０１において、偏光板３３２およびフィルタ３４０を通過して、受光素子３２０で最終的に検出される光は、散乱媒体において多重散乱していない直接反射光成分の比率が高く、かつ、外光の影響が小さい波長λrの光となる。このため、散乱媒体による反射光のうち、直接反射光成分のみを、外光による影響を少なくした検出する事が可能となる。
なお、フィルタ３４０は、受光素子に入射する反射光のうち、波長λ1以下の光をカットするのが目的であるから、偏光板３３２あるいはフィルタ３４０のどちらを上面に配置しても構わない。
Ｋ−１：第８実施形態の変形例
次に上述した第８実施形態における各構成要素について種々変形した例について説明する。
（１）偏光板の角度
上述した第８実施形態においては、散乱媒体によって多重散乱していない反射光成分を検出するため、発光素子３１０の発光面と受光素子３２０の受光面とで偏光方向が同方向の偏光板３３１、３３２を用いる構成としたが、これとは逆に、多重散乱した反射光成分を検出する構成も考えられる。
後者の構成の場合、図３２（ｂ）に示すように、発光素子３１０の発光面と受光素子３２０の受光面とで、偏光板３３１、３３２の偏光方向が互いに垂直方向となるように構成する。
この構成により出射された光は、偏光板３３１により偏光化されて散乱媒体に出射される。当該出射光は、散乱媒体に到達して吸収されるものもあれば、反射するものもある。さらに、その反射光は、多重散乱を繰り返すものもあれば、受光素子３２０に直接向かうものもある。
ここで、直接反射光は、出射時の偏光状態を保存しているので、偏光板３３２を通過しないが、多重散乱光は、出射時の偏光状態を保存していないので、偏光板３３２の偏光方向を通過するものがある。したがって、偏光板３３２を通過して、受光素子３２０に入射する光は、散乱媒体における反射光のうち、多重散乱光を示す成分である。このため、受光素子３２０の出力信号Ｖｏｕｔによって、散乱媒体による多重散乱光成分を、外光成分の影響を小さくして検出することが可能となる。
また、偏光板３３１、３３２の偏光方向は、互いに同方向あるいは垂直方向に限られなくても良く、さらに、いずれか一方の偏光板を、他方の偏光板に対して回転させる構成として、受光素子３２０が任意の偏光方向の光を受光するようにしても良い。
（２）外光成分のキャンセル
また、上述した第８実施形態では、外光の影響を小さく抑えるために、受光素子３２０が最終的に検出する光の波長を、λrとした。しかしながら、図３４（ａ）に示す外光スペクトルの特性から類推できるように、外光による影響を完全にゼロとすることはできない。
そこで、外光による影響をさらに少なくする構成について説明する。図３７は、この電気的構成を示すブロック図である。
この図において、符号３６１は、信号ＣＫ１の周波数を２倍にする倍加器であり、倍加した信号ＣＫ２を出力する。Ａ／Ｄ変換器３６２は、受光素子３２０の出力信号Ｖｏｕｔを、信号ＣＫ２の立ち下がり時にサンプリング・ホールドしてディジタル信号に変換し、スイッチ３６３は、信号ＣＫ１が「Ｈ」レベルである場合に出力端子ａを選択する一方、それ以外の場合に出力端子ｂを選択する。また、符号３６４は、信号ＣＫ２の周期だけ入力信号を遅延させる遅延素子である。
この構成によれば、信号ＣＫ１が「Ｈ」レベルである場合に、発光素子３１０が、オン（点灯）される一方、信号ＣＫ１が「Ｌ」レベルである場合に、発光素子３１０が、オフ（消灯）される。Ａ／Ｄ変換器３６２は、信号ＣＫ１の２倍の周波数を有する信号ＣＫ２の立ち下がり時に、出力信号Ｖｏｕｔをサンプリング・ホールドするので、そのディジタル信号は、発光素子３１０がオンした場合と、オフした場合との受光量を交互に示すことになる。そして、スイッチ３６３は、信号ＣＫ１が「Ｈ」レベルである場合に出力端子ａを選択する一方、信号ＣＫ１が「Ｌ」レベルである場合に、出力端子ｂを選択する。
このため、出力信号Ｖｏｕｔのディジタル信号は、発光素子３１０がオンした場合、出力端子ａ側に供給され、オフした場合、出力端子ｂ側に供給されて、両者が分離される。そして、遅延素子３６４によって両者のタイミングが揃えられる。
ここで、発光素子３１０をオンさせた場合において受光素子３２０により出力される信号には、散乱媒体による反射光成分と外光成分とが重畳される一方、オフさせた場合に出力される信号には、外光成分だけが含まれる。
したがって、発光素子３１０がオンした場合のディジタル信号から、オフした場合のディジタル信号を、遅延素子３６４によってタイミングを揃えた後、減算器３６５によって差し引くと、この差分値は、外光成分を含まない反射光成分のみを示す信号となり、外光成分をキャンセルすることが可能となる。
なお、この構成において、発光素子３１０がオンする期間と、オフする期間とが同一ではないため、厳密にいえば、外光成分が重畳された反射光成分から、外光成分をキャンセルしているとは言えない。しかしながら、発光素子３１０をオンオフさせる信号ＣＫ１の周波数を、十分高く設定すれば、たとえ、外光成分が時間的に変化するような場合であっても、このような問題は無視することができる。逆に言えば、信号ＣＫ１の周波数は、散乱媒体に関して得ようとする情報の周波数、あるいは、外光成分の変化周波数の２倍以上であることが必要となる。
また、このような外光成分のキャンセルは、図３７に示す構成のほか、前者信号および後者信号を平滑化回路（ローパスフィルタ）で平滑化した後、前者から後者を差し引く構成や、受光素子３２０の出力信号を、バンドバスフィルタによって発光素子３１０のオンオフ周波数成分を除去する構成などでも可能である。
（３）円偏光
上述した第８実施形態では、偏光化方法として、偏光板３３１、３３２による直線偏光を用いたが、本発明はこれに限られず、例えば、円偏光を用いることも可能である。円偏光を用いる場合、四分の一波長板に、その主軸と４５度傾いた直線偏光を入射すれば、円偏光が得られ、散乱媒体に向けて出射することができる。一方、円偏光を四分の一波長板に入射すれば、その主軸とは４５度傾いた直線偏光を得ることができる。
すなわち、本発明における偏光方向とは、直線偏光のみならず円偏光を含んだ概念であり、偏光化手段とは、偏光板のほか、四分の一波長板、後述する旋光素子、光共振器、注入電流制御などを含めた広範な概念である。
Ｌ：第９実施形態
さて、上述した第８実施形態は、発光素子３１０と受光素子３２０とを１組用いて、散乱媒体による反射光のうち、直接反射光成分あるいは散乱光成分のいずれか一方を検出するものであったが、両者を同時に検出する構成も考えられる。ここで、両者を同時に検出する構成としては、次のようなものが考えられる。
すなわち、▲１▼発光素子および受光素子を２組用いて、各受光素子において、直接反射光成分および散乱光成分をそれぞれ検出する構成と、▲２▼１個の発光素子と２個の受光素子とを用いるとともに、各受光素子の偏光方向を、出射側の偏光方向に対して同一方向と、垂直方向（円偏光にあっては、逆回り方向）として、各受光素子において、直接反射光成分および散乱光成分をそれぞれ検出する構成と、▲３▼受光素子の偏光方向に対して同一方向と、垂直方向との２方向の光を相補的に出射する発光素子と、１個の受光素子とを用いるとともに、受光素子は、偏光方向が同一方向の光が出射された場合に直接反射光成分を検出する一方、偏光方向が垂直方向の光が出射された場合に散乱光成分を検出する構成と、の計３通りが考えられる。
このうち、構成▲１▼は、実質的には、第８実施形態とその変形例とを組み合わせた構成であるから、以下、構成▲２▼、▲３▼について、それぞれ第９、第１０実施形態として説明する。
まず、第９実施形態にかかる反射光検出器３０２は、図３８に示すように、１個の発光素子３１０と、２個の受光素子３２０ａ、３２０ｂと、発光素子３１０の発光面、受光素子３２０ａ、３２０ｂの受光面にそれぞれ設けられる偏光板３３１、３３２ａ、３３２ｂと、受光面にそれぞれ設けられるフィルタ３４０ａ、３４０ｂとから構成される。ここで、受光側における偏光板３３２ａの偏光方向は、発光側における偏光板３３１のそれと同一方向であるが、偏光板３３２ｂについては偏光板３３２にそれと垂直方向となっている。したがって、受光素子３２０ａが散乱媒体の直接反射光成分を検出する一方、受光素子３２０ｂが散乱光成分を検出する構成となっている。
また、図３８において、発光素子３１０、受光素子３２０ａ、３２０ｂは、それぞれ同一平面に設置されており、さらに、発光素子３１０と受光素子３２０ａとの距離、発光素子３１０と受光素子３２０ｂとの距離は、互いに等距離である。これは、発光素子３１０により発せられた光を、受光素子３２０ａ、３２０ｂがそれぞれ同条件で受光するのが望ましいためである。また、図では、構成が簡略化されているが、実際には、発光素子３１０、受光素子３２０ａ、３２０ｂは互いに別室に収容されて、発光素子３１０により発せられる光が直接、受光素子３２０ａ、３２０ｂに入射しないようになっている。なお、偏光板３３１、３３２ａは、その偏光方向が同一方向であるから同一板により構成しても良いし、また、フィルタ３４０ａ、３４０ｂについても、同一特性が要求されるから、分けることなく同一板により構成しても良い。
この第９実施形態にかかる反射光検出器３０２では、受光素子３２０ａ、３２０ｂとして、第８実施形態における受光素子３２０と同タイプを用いて、フィルタ３４０ａ、３４０ｂの特性を合わせれば、散乱媒体による反射光のうち、直接反射光成分と、散乱光成分との両成分を同時に検出することができ、散乱媒体に関し、より多くの情報を得ることが可能となる。
Ｍ：第１０実施形態
この第１０実施形態にかかる反射光検出器３は、図３９に示すように、２個の発光素子３１０ｘ、３１０ｙと、１個の受光素子３２０と、発光素子３１０ｘ、３１０ｙの発光面、受光素子３２０の受光面にそれぞれ設けられる偏光板３３１ｘ、３３１ｙ、３３２と、受光面に設けられるフィルタ３４０とから構成される。ここで、発光側における偏光板３３１ｘの偏光方向は、受光側における偏光板３３２のそれと同一方向であるが、偏光板３３１ｙについては偏光板３３２にそれと垂直方向となっている。
また、図３９において、発光素子３１０ｘ、３１０ｙ、受光素子３２０は、それぞれ同一平面に設置されており、さらに、発光素子３１０ｘと受光素子３２０との距離、発光素子３１０ｙと受光素子３２０との距離は、互いに等距離である。これは、発光素子３１０ｘ、３１０ｙによりそれぞれ発せられた光を、受光素子２０が同条件で受光するのが望ましいためである。
このような構成における反射光検出器３０３は、図４０に示す回路によって駆動・処処理される。この図に示すように、定電流源が、オペアンプＯＰ１、トランジスタＴＲ１、および、抵抗Ｒ１により構成され、トランジスタＴＲ１のエミッタにおいて、可変抵抗器ＶＲで設定された電圧Ｖ１に対応する電流Ｉｅ（＝（Ｖ−Ｖ１）／Ｒ１）を供給するようになっている。また、トランジスタＴＲ２、ＴＲ３は、発光素子３１０ｘ、３１０ｙのスイッチング用であり、そのベースには、それぞれインバータＩＮＶによる信号ＣＫの反転信号とおよび信号ＣＫが供給されている。したがって、トランジスタＴＲ２、ＴＲ３は、相補的にオンオフされ、信号ＣＫが「Ｈ」レベルの場合に、発光素子３１０ｘはオフ、発光素子３１０ｙはオンにされる一方、信号ＣＫが「Ｌ」レベルの場合に、発光素子３１０ｘはオン、発光素子３１０ｙはオフにされる。このため、信号ＣＫにしたがって、受光面における偏光板の偏光方向と同一方向の光と垂直方向の光が、交互に切り替えられて出射されることとなる。
抽出回路３９１は、受光素子３２０の出力について、信号ＣＫが「Ｈ」レベルの場合と、「Ｌ」レベルの場合とに分けて抽出するものである。
この第１０実施形態によれば、信号ＣＫが「Ｌ」レベルの場合、すなわち、発光素子３１０ｘがオンにされる場合、受光素子３２０は、図３９（ａ）に示すように、偏光状態が保存されていない直接反射光成分を受光する一方、信号ＣＫが「Ｈ」レベルの場合、すなわち、発光素子３１０ｙがオンにされる場合、受光素子３２０は、偏光状態が保存されない散乱光成分を受光することになる。このため、信号ＣＫが「Ｌ」レベルの場合に抽出された受光素子３２０の出力は、直接散乱光成分を示す一方、信号ＣＫが「Ｈ」レベルの場合に抽出された受光素子３２０の出力は、直接反射光成分を示すことなる。したがって、第３実施形態にかかる反射光検出器３０３によれば、散乱媒体による反射光の直接反射光成分と、散乱光成分との両成分を交互に検出することができるので、第２実施形態と同様に、散乱媒体に関し、より多くの情報を得ることが可能となる。
また、発光素子３１０ｘ、３１０ｙにおいて出射される偏光成分の強度が等しい場合、出射される光量は、発光素子のオンオフに拘わらず、一定となる。
一般に、既存の光無線通信機器（例えば、テレビやエアコンなどのリモコン）は、光強度変調を用いて通信を行なっている。ここで、第３実施形態において出射される光量は時間的に一定であるため、これら既存の光無線通信機器に悪影響を及ぼさないことが判る。
なお、この第１０実施形態において、信号ＣＫの周波数は、散乱媒体に関して得ようとする情報の周波数の２倍以上であることが必要となる。
また、第１０実施形態においては、例えば、信号ＣＫが「Ｈ」レベルの場合、直接反射光成分を検出していないので、第９実施形態のように、直接反射光成分と散乱光成分との両成分を同時に検出していると言うことはできない。しかしながら、この問題は、信号ＣＫの周波数を高く設定すれば実質的に同時ということができ、実際に問題となるのはまれであると考えられる。
くわえて、この第１０実施形態においては、発光素子３１０ｘ、３１０ｙを相補的に駆動するようにして、光強度を一定する構成としたが、発光素子３１０ｘ、３１０ｙをいずれもオフする期間を敢えて設けて、第１実施形態における変形例のように、外光成分をキャンセルするようにしても良い。すなわち、発光素子の駆動について、▲１▼発光素子３１０ｘのみをオン、▲２▼発光素子３１０ｙのみをオン、▲３▼いずれの発光素子もオフと順番に制御するとともに、▲１▼発光素子３１０ｘをオンした場合における受光素子３２０の出力信号から▲３▼全オフした場合における受光素子３２０の出力信号を差し引くことで、外光成分をキャンセルした直接光反射成分が得られ、さらに、▲２▼発光素子３１０ｙをオンした場合における受光素子３２０の出力信号から▲３▼全オフした場合における受光素子３２０の出力信号を差し引くことで、外光成分をキャンセルした散乱光成分が得られる（ただし、光強度を一定とするメリットについては享受できなくなる）。
また、第１０実施形態においては、発光素子３１０ｘ、３１０ｙを用いて択一的にオンさせて、出射側の偏光状態を偏光変調したが、この他に、種々の素子を用いて偏光変調が可能である。例えば、▲１▼一般的な光源により発せられた光を、液晶などの旋光素子を用いてその偏光化方向を変調する構成や、▲２▼次に説明する偏光変調発光素子を用いる構成など、により実現可能である。
（１）偏光変調発光素子
そこで、出射側の偏光状態を偏光変調する場合において、偏光変調発光素子を用いる場合について説明する。ここにいう偏光変調発光素子とは、単一または複数の素子を用いて、出射光の偏光方向を変調可能とするものであり、前述した面発光型の半導体レーザ７００を複数用いて、あるいは、改良して用いることができる。
図３５（図４あるいは図５と同等）に示した面発光型レーザ７００は、単に、レーザ光を出射するのみであったが、光共振器の形状を操作すると、その偏光方向の制御が可能である。そこで、偏光変調発光素子として、半導体レーザ７００を次のように構成することで偏光変調を実現することが可能である。
（ａ）光共振器の形状を円形化
光共振器の形状は、例えば、前述した図４に示すように、円形とすればよい。
（ｂ）光共振器の形状を長方形化
また、例えば、前述した図７に示すように、光共振器の形状を長方形とすればよい。
このように、面発光型の半導体レーザにおける光共振器の形状を定めるとともに、その駆動を適切に行うことにより出射光の偏光方向を制御することが可能となる。
なお、発光素子３１０を半導体レーザで構成する場合、その出射光は、光共振器から出射された時点で、すでに偏光化されているため、発光面での偏光板を省略しても良い。ただし、消光比（主たる偏光方向と、それに直交する偏光方向との光強度比）を高める目的において、偏光板を設ける意義は大きい。
一方、偏光変調素子と、前述したフォトダイオード５００（図３３参照）とを同一ウェハ上で形成して、発光波長と感度波長とを揃えることも勿論可能である。ただし、この場合、各素子間の距離は非常に近接するため、フォトダイオード５００の受光面のみに偏光板を設けることは実際問題として困難である。このため、偏光変調発光素子とフォトダイオード５００とを同一ウェハ上で形成しても、実装の段階では、両者を分離して用いるのが望ましい。
Ｎ：第１１実施形態
以上説明した第８〜第１０実施形態を踏まえつつ、散乱媒体を具体的な人体とし、当該人体の脈波波形を検出する第１１実施形態について説明する。なお、脈波波形を検出すると、脈拍のような、生体に関する種々の情報が得られるため、その意義は大きい。
図４１は、第１１実施形態にかかる脈波検出装置４の全体構成を示す説明図である。図に示すように、本実施形態にかかる脈波検出装置３０４は、腕時計構造を有する本体８００と、この装置本体８００に接続されたケーブル８０１、および、このケーブル８０１の先端側に設けられたセンサユニット４００から構成されている。
このうち、装置本体８００には、リストバンド８０２が取り付けられている。詳細には、リストバンド８０２の一端が装置本体８００の１２時方向から被験者の左腕に巻き付いて、その他端が装置本体８００の６時方向で固定されている。また、装置本体８００における６時の方向の表面側には、コネクタ部８０３が設けられている。このコネクタ部８０３には、ケーブル８０１の端部に設けられたコネクタピース８０４が着脱自在に取り付けられており、コネクタピース８０４をコネクタ部８０３から外すことにより、本装置を通常の腕時計やストップウオッチとして用いることができるようになっている。
一方、装置本体８００の表面には、表示部８０８が設けられており、各種情報を、ドットマトリックスあるいはセグメントで表示する。また、装置本体８００の表面には、さらに、ボタンスイッチ８１１〜８１６が、各種設定を行なうために設けられる。
また、センサユニット４００は、センサ固定用バンド４５０によって遮光されて、人差し指の根本から指関節までの間に装着されている。
一般に、掌から指先までの体温分布を調べてみると、寒いとき、指先の体温は著しく低下するのに対し、指の根本の体温は比較的低下しない。このため、指の根本にセンサユニット４００を指の根本に装着すると、ケーブル８０１が短くて済むばかりでなく、寒い日においても、脈波波形を正確に検出できるというメリットがある。
（１）センサユニット
次に、センサユニット４００について説明する。図４２は、センサユニット４００の構成を示す断面図である。この図に示すように、センサユニット４００の内部には、そのケース体としてのセンサ枠４０１の裏側に裏蓋４０２が被さることによって、部品収納空間４０３が存在している。この部品収納空間４０３には、回路基板４１０が配置され、当該基板には、半導体レーザ４１１や、フォトダイオード４１２、その他の電子部品などが実装されている。さらに、センサユニット４００には、ブッシュ４０４によってケーブル８０１の端部が固定され、その配線が回路基板４１０に接続されている。
また、センサユニット４００は、ケーブル８０１が指の根本側から装置本体８００側に引き出されるようにして、指に取り付けられる。したがって、半導体レーザ４１１が指の先端側に、フォトダイオード４１２が指の根本側に、それぞれ位置して、両者は指の長さ方向に配列することとなる。このような配列によって、外光がフォトダイオード４１２に届きにくくなっている。
さて、センサユニット４００において、センサ枠４０１の上面部分には、光透過窓が、ガラス板からなる透光板４２０によって形成されている。この透光板４２０の下面には、偏光板４３０が設けられ、さらにフォトダイオード４１２側には、さらにフィルタ４４０が設けられている。そして、発光ダイオード４１１の発光面およびフォトダイオード４１２の受光面は、それぞれ透光板４２０に対向している。
このため、透光板４２０の外側表面４２１に、指表面を密着させると、発光ダイオード４１１は、指表面に対し、偏光板４３０によって偏光した光を発する一方、フォトダイオード４１２は、指側からの反射光のうち、出射光と同方向の偏光成分の光であって、フィルタ４４０を透過した光を検出することとなる。
このように構成されるセンサユニット４００を、図４３に示すように、センサ固定用バンド４５０によって指の根本に装着させ、この状態において、半導体レーザ４１１が指に向けて光を出射させると、当該出射光は、血管に到達する。そして、到達した光には、血液中のヘモグロビンに吸収されるものもあれば、反射するものもある。さらに、ヘモグロビンによる反射光は、別のヘモグロビンに向かうものもあれば、フォトダイオード４１２に直接向かうものもある。
すなわち、フォトダイオード４１２に向かう反射光には、ヘモグロビンによって複数回反射したもの（多重散乱光成分）もあれば、半導体レーザ４１１の出射光が直接反射したもの（直接反射光成分）もある。ここで、多重散乱光は、その偏光状態が保存されないのに対し、直接反射光はその偏光状態が保存される。
また、血量が多いときには、ヘモグロビンも多くなる一方、血量が少ないときには、ヘモグロビンも少なくなるが、血量の変動（血液脈波）を考慮した場合、ヘモグロビンの量を直接反映するのは、多重散乱光成分ではなく、直接反射光成分であるのは明らかである。
ここで、本実施形態では、出射側と受光側との偏光板が同一であるため、受光側では、出射側と同方向の偏光成分のみが検出される。このため、本実施形態では、指に光を出射して、その反射光を検出する構成において、第１に、ヘモグロビンの量を反映する直接反射光成分を検出することが可能となる。
さて、本実施形態における半導体レーザ４１１およびフォトダイオード４１２は、第８実施形態で説明したような、ともに光共振器を有するものであって、同一ウェハ上において、その活性層、空乏層を同一の層成長プロセスで形成した後、ダイシングの過程で分離したものである。なお、分離したのは、半導体レーザ４１１の出射光が直接、フォトダイオード４１２に入射しないように、両者を別室に収容する構成としたためである。
ここで、血液中におけるヘモグロビンの吸光特性を調べると、波長が３００〜７００ｎｍの光において、その吸光係数が高くなっている。そこで、本実施形態では、半導体レーザ４１１の発光波長、および、フォトダイオード４１２の感度（共振）波長が約６６０ｎｍ付近となるように、活性層および空乏層の厚さを設定することとする。
これにより、本実施形態では、指に光を出射して、その反射光を検出する構成において、第２に、血流の変化を感度良く検出することが可能となる。
（２）電気的構成および動作
このように、フォトダイオード４１２によって検出される信号は、生体の血流変化を示すことになるので、これにより、当該生体の脈波を得ることができる。このため、その生体に関する種々の情報を得ることができる。
ただし、生体が安静状態である場合に限られることが想定される。なぜならば、生体が運動状態にある場合、フォトダイオード４１２によって検出される信号には、当該運動に起因する信号成分が重畳されると考えられるからである。
そこで、生体の運動成分を検出する体動センサを設けるとともに、フォトダイオード４１２の検出信号から、当該体動センサの検出信号を差し引く構成とすれば、運動状態においても、脈波成分のみを得ることができる。
しかしながら、このような構成において、生体がほぼ安静状態にある場合、当該体動センサの検出信号は、雑音として作用してしまい、正しく脈波成分のみを得ることができないと考えられる。
一方、生体が安静状態にある場合と、運動状態にある場合とで、フォトダイオード４１２による検出信号の処理を手動で切り替える構成も考えられるが、このような構成は、その都度、生体の状態を判断して、操作しなければならないため、煩雑である。
そこで、脈波検出装置３０４は、安静状態および運動状態のいずれの状態にあっても、脈波を正確に検出することを可能とするため、次に説明するような電気的構成となっている。図４４は、その電気的構成を示すブロック図である。図において、フォトダイオード４１２の出力たる脈波信号は、増幅回路６１１によって増幅された後、Ａ／Ｄ変換器６１２によりディジタル信号に変換されて、脈波用ＦＦＴ回路６１３に供給される。脈波用ＦＦＴ回路６１３は、Ａ／Ｄ変換器６１２によるディジタル信号に対し、ＦＦＴ処理（高速フーリエ変換）を行って、当該信号を周波数分析するものであり、その分析結果を、差分演算部６３０に供給する。
一方、体動センサ６２０は、いわゆる加速度センサから構成されて、生体の動きを検出するものであり、装置本体８００の内部に設けられる。体動センサ６２０の出力たる体動信号は、増幅回路６２１によって増幅された後、Ａ／Ｄ変換器６２２によりディジタル信号に変換されて、体動用ＦＦＴ回路６２３および機能切替部６３１に供給される。体動用ＦＦＴ回路６２３は、Ａ／Ｄ変換器６２２によるディジタル信号に対し、ＦＦＴ処理を行って、当該信号を周波数分析するものであり、その分析結果を、差分演算部６３０に供給する。
さて、差分演算部６３０は、次の２つの機能を有するものである。すなわち、差分演算部６３０は、脈波用ＦＦＴ回路６１３により得られた周波数成分に対し何も処理しないで、そのまま脈拍数演算部６３２に供給する第１の機能と、脈波用ＦＦＴ回路６１３で得られた脈波スペクトラムの各周波数成分と、体動用ＦＦＴ回路６２３で得られた体動スペクトラムの各周波数成分とを比較し、一致している脈波成分から当該体動成分を除去して、脈拍数演算部６３２に供給する第２の機能とを有するものである。そして、脈波成分抽出部６３０における第１および第２の機能選択は、機能切替部６３１の制御によって行なわれる。
機能切替部６３１は、Ａ／Ｄ変換器６２１による信号から、生体が安静状態にあるか、運動状態にあるかを判定するものであり、脈波成分抽出部６３０に対して、安静状態にある場合と判断した場合には第１の機能を選択させる一方、運動状態にある場合と判断した場合には第２の機能を選択させる。
ここで、機能切替部６３１は、生体が安静状態にある否かの判定を、体動信号のレベルや、周波数成分などに基づいて行っている。具体的には、▲１▼体動信号の振幅レベルから判定する方法や、▲２▼体動信号の周波数スペクトルから判定する方法などがあり、後者については、さらに、最大スペクトルのレベルから判定する方法と、スペクトルのバラツキ（各スペクトルのレベルにおける相対比較）から判定する方法とに分けられる。ここでは、本実施形態にかかる機能切替部６３１は、▲１▼による方法を用いて生体が安静状態にある否かの判定を行うものとする。
このため、機能切替部６３１は、体動用ＦＦＴ回路６２２で処理された周波数スペクトルのうち最大レベルものを抽出し、それが、しきい値Ａｔｈ未満であれば、安静状態と判定する一方、しきい値Ａｔｈ以上であると判定すれば、運動状態と判定する。ここで、しきい値Ａｔｈとは、安静状態にあるか、運動状態にあるかの判断基準となる値である。
なお、ここにいう運動状態とは、ある一定の規則性を有する運動、例えば、歩行やジョギングなどの運動をいう。
脈拍数演算部６３２は、差分演算部６３０による周波数成分のうち、レベルが最大なものを、脈拍を示す脈拍成分として抽出するとともに、当該脈拍成分の周波数を、１分あたりの脈拍数に換算するものである。そして、表示部８０８が、脈拍数演算部６３２による換算結果が表示する構成となっている。
なお、本実施形態において、差分演算部６３０、機能切替部６３１および脈拍数演算部６３２については、予め格納されたプログラムで示される処理を実行するマイクロコンピュータによって構成される。
また、本実施形態においては、処理の最終目的が脈拍数の表示となっているが、この表示はあくまでも、得られた脈波波形を処理した一例であり、本発明はこれに限定する趣旨ではない。
このような構成による脈波検出装置４によれば、生体が安静状態にあると判定された場合、差分演算部６３０は、体動成分を考慮することなく、脈波用ＦＦＴ回路６１３による脈波スペクトルをそのまま出力する。一方、生体が運動状態にあると判定された場合、差分演算部６３０は、体動成分を除去した脈波成分を出力することになる。
したがって、安静状態および運動状態のいずれの状態にあっても、脈拍数、ひいては、脈波出力を正確に検出することが可能となる。
【図１】
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【図２】
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【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】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
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【図４０】
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【図４１】
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【図４２】
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【図４３】
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【図４４】
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【図４５】
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【図４６】
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