JP3597519B2 - Electric field detection optical device - Google Patents
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Description
【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(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)[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention detects an electric field induced and transmitted by an electric field transmission medium, which is a living body, based on transmission information in a transceiver used for data communication between, for example, a wearable computer (computer attached to the body). The present invention relates to an electric field detection optical device that converts an electric signal into an electric signal.
[0002]
[Prior art]
Wearable computers have been attracting attention due to miniaturization and high performance of mobile terminals. FIG. 3 shows an example of a case where such a wearable computer is worn on a human and used. As shown in FIG. 1, the wearable computer 1 is attached to a human arm, shoulder, torso, etc. via a
[0003]
As described above, the wearable computer 1 is attached to a human being as a living body via the
[0004]
[0005]
Further, the
[0006]
The electric field detection
[0007]
The electric field detection
[0008]
First and second electrodes 125 and 127 are provided on both side surfaces of the electro-optical element 123 that face each other in the vertical direction in the drawing. The first and second electrodes 125 and 127 sandwich the traveling direction of the laser light from the
[0009]
The electric field detecting
[0010]
The laser light output from the
[0011]
The laser light whose polarization has been changed by the electric field from the first electrode 125 in the electro-optical element 123 in this way is incident on the polarization beam splitter 139 after its polarization state is adjusted by the second wave plate 137. The polarization beam splitter 139 separates the laser light incident from the second wavelength plate 137 into a P wave and an S wave, and converts the laser light into a change in light intensity. The laser beam split into a P-wave component and an S-wave component by the polarization beam splitter 139 is condensed by first and
[0012]
As described above, the electric signals output from the first and
[0013]
As shown in FIG. 6, a photodiode 143 for converting a P-wave or S-wave optical signal into an electric signal is connected between a
[0014]
When the photodiode 143 receives the laser light separated into the P-wave component and the S-wave component by the polarization beam splitter 139, the photodiode 143 generates a photocurrent according to the intensity of the laser light. This photocurrent is output as a voltage drop of the load resistor 151.
[0015]
[Problems to be solved by the invention]
In the conventional electric field detecting optical device configured as described above, there is a method of increasing the light amount of the
[0016]
If the load resistance 151 is reduced to avoid such a problem, there is a problem that the signal component is reduced.
[0017]
Further, even if an attempt is made to increase the bias voltage in order to apply a sufficiently large reverse bias voltage, there is a problem that the bias voltage cannot be sufficiently increased due to the rating of the photodiode 143.
[0018]
Even if the rating of the photodiode is high, a circuit for boosting the battery voltage is required to increase the bias voltage. However, a booster circuit is generally inefficient and therefore consumes a large amount of power as heat, causing a problem in terms of heat generation and battery consumption. In addition, switching noise from the booster circuit is mixed and measurement accuracy deteriorates. The problem described above is likely to occur.
[0019]
The present invention has been made in view of the above, and aims at increasing the amount of parallel light to improve S / N, secure a sufficient reverse bias, and suppress heat generation and battery consumption. An object of the present invention is to provide an electric field detection optical device that can achieve high sensitivity.
[0020]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the present invention according to claim 1 is an electric field detection optical device for detecting an electric field induced and transmitted by an electric field transmission medium and converting the electric field into an electric signal. A polarization changing unit that changes the polarization of parallel light in response to an electric field that is incident and combined, separates the light into a P-wave and an S-wave that are orthogonal to each other, and outputs a P-wave emitted from the polarization-changing unit. First and second beam splitters for further dividing each of the wave and the S wave into two parallel light beams having the same light amount, and converting the four parallel light beams separated by the first and second beam splitters into electric signals The first to fourth opto-electrical converting means and two signals of opposite phases among the four output signals output from the first to fourth opto-electrical converting means are input, and the difference between the two signals is calculated. First and second differences to amplify And summarized in that a an amplifier, a third differential amplifier for amplifying a difference between the two signals respectively output signals of the first and second differential amplifiers as input.
[0021]
According to the first aspect of the present invention, the polarization of the parallel light is changed by the electric field combined by the polarization changing means into which the parallel light is incident, and each of the P wave and the S wave emitted from the polarization changing means is changed. Further, the light is separated into two parallel light beams having the same light amount, the separated four parallel light beams are converted into electric signals, and signals having opposite phases are differentially amplified to generate an output signal. Even if the amount of light is increased, the light is separated into a plurality of laser beams of the same amount, dispersing the amount of light to each photodiode as in the past, and the photodiode will not operate normally due to the reverse bias problem, and the sensitivity will be reduced. A high-sensitivity electric-field detection optical device is achieved by eliminating the problem of worsening communication errors and eliminating problems such as photodiode rating problems, bias voltage boost problems, heat generation and battery consumption problems. It can, also the noise component is removed by phase components cancel each other by the differential amplifier, it is possible to significantly improve the S / N.
[0022]
According to a second aspect of the present invention, there is provided an electric field detection optical device for detecting an electric field induced and transmitted by an electric field transmission medium and converting the electric field into an electric signal, each of which receives a parallel light having a single wavelength. And a plurality of polarization changing means for changing the polarization of the parallel light in response to the combined electric field and separating and outputting the P and S waves orthogonal to each other, And a plurality of opto-electrical converting means for converting each of the P-wave and the S-wave into an electric signal, and differentially amplifying a pair of signals having opposite phases among output signals of the plurality of opto-electrical converting means for all combinations Differential amplification means for sequentially and repeatedly performing the differential amplification processing to generate the differentially amplified output signal by performing the differential amplification processing in the same manner also on the differential amplification signal generated by the differential amplification processing. That is the gist.
[0023]
According to the second aspect of the present invention, the polarization of the parallel light is changed by the electric field coupled to each of the plurality of polarization changing means into which the parallel light is incident, and the P wave and the S wave emitted from the polarization changing means are changed. Each of the waves is further separated into two parallel light beams having the same light amount, the separated parallel light beams are converted into electric signals, and the signals having opposite phases among the plurality of electric signals are differentially amplified to output signals. Therefore, even if the amount of parallel light is increased to improve the sensitivity, it is separated into a plurality of laser beams of the same amount, dispersing the amount of light to each photodiode as in the past, and the Diode does not operate properly, sensitivity is deteriorated, communication errors are increased, and problems such as photodiode rating, bias voltage boost, heat generation and battery consumption are eliminated. It is possible to achieve a sensitivity field detecting optical system, also the noise component is removed by phase components cancel each other by the differential amplifier, it is possible to significantly improve the S / N.
[0024]
Further, according to a third aspect of the present invention, in the first or second aspect of the present invention, the polarization changing means changes the optical characteristics in response to an electric field into which the parallel light is incident and coupled. The gist of the present invention is to include an element and an analyzer that separates parallel light that has passed through the electro-optical element into a P-wave and an S-wave and converts the light into a change in light intensity.
[0025]
The present invention according to claim 4 is an electric field detection optical device that detects an electric field induced and transmitted by an electric field transmission medium and converts the electric field into an electric signal, wherein the light source generates light of a single wavelength; A collimating lens that converts light from the light source into parallel light, an electro-optical element that receives parallel light from the collimating lens, and changes optical characteristics in response to an electric field to be coupled, and an electro-optical element that is induced in the electric field transmission medium. A first electrode for coupling the applied electric field to the electro-optical element, an analyzer for separating parallel light passing through the electro-optical element into a P wave and an S wave, and converting the light into a change in light intensity; and the analyzer. First and second beam splitters for separating the P wave and the S wave separated by the above into two parallel lights of the same light amount, respectively, and the four parallel lights separated by the first and the second beam splitters. The first to convert to electric signal A fourth opto-electrical converter, and a first amplifying unit that receives two signals of opposite phases among the four output signals output from the first to fourth opto-electrical converters and amplifies a difference between the two signals. And a second differential amplifier, and a third differential amplifier that receives respective output signals of the first and second differential amplifiers and amplifies a difference between the two signals.
[0026]
According to the present invention, an electric field induced and transmitted by the electric field transmission medium is coupled to the electro-optical element via the first electrode, and parallel light is incident on the electro-optical element. The parallel light emitted from the electro-optical element is separated into a P-wave and an S-wave by an analyzer, and the P-wave and the S-wave are separated into two parallel light beams having the same light amount and converted into an electric signal. In order to generate an output signal by differentially amplifying the signal of the opposite phase among the electric signals of the above, even if the light amount of the parallel light is increased to improve the sensitivity, it is separated into a plurality of laser lights of the same light amount, Disperses the amount of light to each photodiode as before, eliminates the problem that the photodiode does not operate normally due to the reverse bias problem, lowers the sensitivity, and increases the communication error. Voltage boost A high-sensitivity electric field detection optical device can be achieved without the problem of heat generation, battery consumption, and the like. In addition, the noise component is removed by canceling the common-mode components mutually by differential amplification, and the S / N ratio is reduced. Can be significantly improved.
[0027]
According to a fifth aspect of the present invention, there is provided an electric field detection optical device for detecting an electric field induced and transmitted by an electric field transmission medium and converting the electric field into an electric signal, comprising a light source for generating light of a single wavelength. A collimating lens that converts light from the light source into parallel light, a beam splitter unit that divides the parallel light from the collimating lens into a plurality of parallel light beams having the same amount of light, and a plurality of parallel light beams that are separated by the beam splitter unit. A plurality of electro-optical elements, each of which receives light and changes optical characteristics in response to the coupled electric field; and each couples the electric field induced in the electric field transmission medium to each of the plurality of electro-optical elements. A plurality of first electrodes; a plurality of analyzers each of which separates parallel light, which has passed through each of the plurality of electro-optical elements, into a P wave and an S wave, and converts the light into a change in light intensity; Each of the analyzers A plurality of photoelectric conversion means for respectively converting the separated P-wave and S-wave into electric signals; and differential amplification of a pair of signals having opposite phases among output signals of the plurality of photoelectric conversion means for all combinations. Differential amplification means for performing differential amplification processing to perform differential amplification processing to be performed on the differential amplification signal generated in the differential amplification processing in order to generate differentially amplified output signals. It is the gist to have.
[0028]
According to the fifth aspect of the present invention, the electric field induced and transmitted by the electric field transmission medium is coupled to the plurality of electro-optical elements via the first electrode. Each of the plurality of parallel lights is made incident, and each of the plurality of parallel lights emitted from the plurality of electro-optical elements is separated into a P wave and an S wave by each analyzer, and the P wave and the S wave from each of the plurality of analyzers are separated. Is converted into an electric signal to generate a plurality of electric signals, and an output signal is generated by differentially amplifying a signal of the opposite phase among the plurality of electric signals, so that the amount of parallel light is increased to improve sensitivity. However, by separating the laser beam into a plurality of laser beams of the same light amount, the light amount for each photodiode is dispersed as in the past, the photodiode does not operate normally due to the reverse bias problem, the sensitivity deteriorates, and communication errors occur. Eliminate the problem of growth It is possible to achieve a high-sensitivity electric field detection optical device without causing problems such as photodiode rating problems, bias voltage boost problems, heat generation and battery consumption problems. Are mutually canceled and removed, so that the S / N can be significantly improved.
[0029]
Further, the present invention according to claim 6, in the invention according to
[0030]
According to a seventh aspect of the present invention, in the invention according to any one of the fourth to sixth aspects, the light source is a light emitting diode that generates a single wavelength light or a laser light source that generates a laser light. Make a summary.
[0031]
Further, the present invention described in claim 8 is characterized in that, in the invention described in any one of claims 4 to 7, the analyzer is a polarization beam splitter.
[0032]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a diagram showing a configuration of an electric field detection optical device according to one embodiment of the present invention.
[0033]
The electric field detection optical device shown in FIG. 9 increases the light amount of the
[0034]
In FIG. 1, the configuration after the polarization beam splitter 39 will be described in detail. The laser beams separated into a P-wave component and an S-wave component by the polarization beam splitter 39 are incident on first and second beam splitters 51 and 61, respectively. The light is split into two laser beams having the same light amount. As a result, four laser beams are generated.
[0035]
One of the laser beams split by the first beam splitter 51 is condensed by the first condensing lens 53a and is incident on the first photodiode 55a, and the other is condensed by the
[0036]
One of the laser beams split by the second beam splitter 61 is condensed by the
[0037]
The first to fourth photodiodes 55a, 55b, 65a, 65b receiving the separated laser beams are respectively connected to bias voltage sources 59a, 59b via load resistors 57a, 57b, 67a, 67b connected in series. , 69a, 69b and the ground, generate a photocurrent corresponding to the amount of each laser beam, and this photocurrent is applied to load resistors 57a, 57b, 67a, 67b connected in series to each photodiode. A voltage drop occurs, and this voltage drop is output as an output voltage. For example, when a positive-polarity rectangular wave is applied to the signal electrode 29, a rectangular wave as shown in FIG. 1 is output to the output side of each photodiode.
[0038]
As shown, these rectangular wave output signals are output from the first and second photodiodes 55a and 55b with a positive polarity and output from the third and fourth photodiodes 65a and 65b with a negative polarity. Thus, a pair of signals having opposite phases among these output signals, that is, the output of the second photodiode 55b is input to the negative input side of the first differential amplifier 71, The output of the third photodiode 65a is input to the positive input side of the first differential amplifier 71, and differential amplification is performed to amplify the difference between the two signals to generate an output signal. The signal, that is, the output of the first photodiode 55a is input to the positive input side of the second differential amplifier 73, and the output of the fourth photodiode 65b is input to the negative input side of the second differential amplifier 73. , Increase the difference between the two signals Performing differential amplification to generate an output signal.
[0039]
The output signal from the first differential amplifier 71 is negative as shown, the output signal from the second differential amplifier 73 is positive as shown, and both output signals are The signal is input to the differential amplifier 75, and the difference between them is amplified to generate an output signal as shown in the figure.
[0040]
In the present embodiment, although the light amount of the
[0041]
In particular, although the signal component increases due to the increase in the laser light amount, the noise component is removed by the differential amplification in the first to third differential amplifiers 71 to 75 so that the in-phase components cancel each other. Therefore, the S / N can be remarkably improved, and the reverse bias voltage applied to the photodiode can be secured with a sufficient operating voltage without being particularly boosted.
[0042]
Next, an electric field detecting optical device according to another embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
[0043]
The electric field detecting optical device shown in FIG. 9 is different from the conventional electric field detecting optical device shown in FIG. 5 in that the light amount of the
[0044]
That is, the electric field detecting optical device shown in FIG. 2 has first and second two electro-optical elements 23a and 23b, and the laser light from the
[0045]
As in the case of FIG. 5, a first electrode 25a and a second electrode 27a are attached to the side surface of the first electro-optical element 23a, and a signal is applied to the first and second electrodes 25a and 27a, respectively. The electrode 29a and the ground electrode 31a are connected. Further, a second wave plate 37a for adjusting the polarization state of the laser light passing through the first electro-optical element 23a is provided on the emission end side, which is the other end of the first electro-optical element 23a. The laser beam that has passed through the wavelength plate 37a enters the first polarization beam splitter 39a and is converted into a change in the intensity of light separated into P waves and S waves.
[0046]
The two laser beams separated into a P-wave component and an S-wave component by the first polarization beam splitter 39a are condensed by first and
[0047]
The first and second photodiodes 55a and 55b are connected between the first and second bias voltage sources 59a and 59b and the ground via first and second load resistors 57a and 57b connected in series, respectively. , And operates by receiving a reverse bias voltage of a bias voltage source.
[0048]
When the first and second photodiodes 55a and 55b receive the laser light separated into the P-wave component and the S-wave component by the first polarization beam splitter 39a, respectively, the first and second photodiodes 55a and 55b change according to the intensity of the laser light. Each generates a photocurrent. This photocurrent causes a voltage drop in the first and second load resistors 57a and 57b, respectively, and this voltage drop is output as an output voltage. For example, when a positive-polarity rectangular wave is applied to the signal electrode 29a, a rectangular wave as shown in FIG. 2 is output to the output sides of the first and second photodiodes.
[0049]
The output signals of these rectangular waves are output in opposite phases, such as being output from the first photodiode 55a with a negative polarity and output from the second photodiode 55b with a positive polarity, as shown in the figure. The signal is input to one differential amplifier 71. The first differential amplifier 71 amplifies the difference between the two output signals, and outputs a signal of negative polarity as shown.
[0050]
On the other hand, a third electrode 25b and a fourth electrode 27b are similarly attached to the side surface of the second electro-optical element 23b, and the third and fourth electrodes 25b and 27b have a signal electrode 29b and a ground electrode, respectively. 31b is connected. Further, a fourth wavelength plate 37b for adjusting the polarization state of the laser light passing through the second electro-optical element 23b is provided on the emission end side, which is the other end of the second electro-optical element 23b. The laser beam that has passed through the wavelength plate 37b enters the second polarization beam splitter 39b, and is converted into a change in the intensity of light separated into P waves and S waves.
[0051]
The two laser beams separated into a P-wave component and an S-wave component by the second polarization beam splitter 39b are condensed by third and
[0052]
The third and fourth photodiodes 65a, 65b are connected between the third and fourth
[0053]
When the third and fourth photodiodes 65a and 65b receive the laser light separated into the P-wave component and the S-wave component by the second polarization beam splitter 39b, respectively, the third and fourth photodiodes 65a and 65b respond to the intensity of the laser light. Each generates a photocurrent. This photocurrent causes a voltage drop in the third and fourth load resistors 67a and 67b, respectively, and this voltage drop is output as an output voltage. For example, when the positive-polarity rectangular wave applied to the signal electrode 29a is also applied to the signal electrode 29b, a rectangular wave as shown in FIG. 2 is output to the output side of the third and fourth photodiodes. Is output.
[0054]
Output signals of these rectangular waves are output in opposite phases to each other such that they are output from the third photodiode 65a as negative polarity and from the fourth photodiode 65b as positive polarity as shown in the figure. 2 differential amplifier 73. The second differential amplifier 73 amplifies the difference between the two output signals and outputs a positive signal as shown in the figure.
[0055]
As described above, the negative output signal from the first differential amplifier 71 and the positive output signal from the second differential amplifier 73 are input to the third differential amplifier 75, The difference is amplified and a positive polarity signal is output as shown.
[0056]
In the present embodiment, although the light amount of the
[0057]
In particular, although the signal component increases due to the increase in the laser light amount, the noise component is removed by the differential amplification in the first to third differential amplifiers 71 to 75 so that the in-phase components cancel each other. Therefore, the S / N can be remarkably improved, and the reverse bias voltage applied to the photodiode can be secured with a sufficient operating voltage without being particularly boosted.
[0058]
In the embodiment shown in FIG. 2, the laser beam that has passed through the collimator lens 33 is split into two laser beams by the beam splitter 77, and is incident on the first and second electro-optical elements 23a and 23b. As described above, the case where two electro-optical elements are used is described, but the present invention is not limited to this, and a plurality of electro-optical elements are provided, and a plurality of laser beams from a collimating lens are provided. It is also possible to adopt a configuration in which the light is divided and incident.
[0059]
In each of the above-described embodiments, the laser beam output from the
[0060]
In each of the above embodiments, the ground electrode 31 is provided corresponding to the signal electrode 29. However, the ground electrode 31 may be connected to, for example, a battery of the apparatus or to a large metal. Function as a ground to improve the coupling of the electric field from the electrode 25 to the electro-optical element 23, but the ground electrode is not always required.
[0061]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, the polarization of parallel light is changed by the electric field combined by the polarization changing means into which the parallel light is incident, and each parallel light of the opposite phase component emitted from the polarization changing means is changed. It is separated into two parallel light beams having the same light amount, the separated four parallel light beams are converted into an electric signal by photoelectric conversion means, and a signal having the opposite phase is differentially amplified to generate an output signal, thereby improving sensitivity. For this reason, even if the amount of parallel light is increased, the amount of light for each photodiode is dispersed as in the past by separating the laser light into a plurality of laser beams with the same amount of light, and the photodiode operates normally due to the reverse bias problem. Eliminates the problem of reduced sensitivity and increased communication errors, and eliminates problems such as photodiode rating problems, bias voltage boosting problems, and heat and battery consumption problems. Can achieve the optical detector, also the noise component is removed by phase components cancel each other by the differential amplifier, it is possible to significantly improve the S / N.
[0062]
Further, according to the present invention, the polarization of the parallel light is changed by the electric field combined in each of the plurality of polarization changing means into which the parallel light is incident, and the parallel light of the opposite phase component emitted from each polarization changing means is changed. Are respectively separated into two parallel light beams having the same light amount, the separated plurality of parallel light beams are converted into electric signals by photoelectric conversion means, and a signal having the opposite phase among the plurality of electric signals is differentially amplified and output. Since a signal is generated, even if the amount of parallel light is increased to improve sensitivity, it is separated into a plurality of laser beams with the same amount of light, dispersing the amount of light to each photodiode as in the past, and causing a reverse bias problem. The problem that the photodiode does not operate normally, the sensitivity deteriorates, and the communication error increases increases, the problem of the rating of the photodiode, the problem of the boost of the bias voltage, the problem of the heat generation and the consumption of the battery. What occurs without, can achieve high sensitivity electric field detecting optical system, also the noise component is removed by phase components cancel each other by the differential amplifier, it is possible to significantly improve the S / N.
[0063]
Furthermore, according to the present invention, the electric field induced and transmitted by the electric field transmission medium is coupled to the electro-optical element via the first electrode, and parallel light is incident on the electro-optical element. The parallel light emitted from the optical element is separated into a P-wave and an S-wave by an analyzer, and the P-wave and the S-wave are separated into two parallel light beams having the same light amount, and converted into an electric signal by photoelectric conversion means. Since the output signal is generated by differentially amplifying the signal of the opposite phase among the plurality of electric signals, even if the light amount of the parallel light is increased to improve the sensitivity, it is separated into a plurality of laser lights having the same light amount. By dispersing the amount of light to each photodiode as in the past, the problem that the photodiode does not operate normally due to the reverse bias problem, the sensitivity becomes worse, the communication error increases, and the problem of the rating of the photodiode, bias A high-sensitivity electric field detection optical device can be achieved without the problem of pressure boosting, heat generation, battery consumption, and the like, and the noise component is removed by canceling the common-mode components mutually by differential amplification. S / N can be significantly improved.
[0064]
According to the present invention, an electric field induced and transmitted by an electric field transmission medium is coupled to a plurality of electro-optical elements via a first electrode, and a plurality of parallel lights are respectively applied to the plurality of electro-optical elements. Each of the plurality of parallel lights emitted from the plurality of electro-optical elements is separated into a P wave and an S wave by each analyzer, and the P wave and the S wave from each of the plurality of analyzers are respectively converted into photoelectric conversion means. Is converted into a plurality of electric signals to generate an output signal by differentially amplifying a signal of the opposite phase among the plurality of electric signals, so that the amount of parallel light is increased to improve sensitivity. In addition, by separating the laser light into a plurality of laser beams of the same light amount, the light amount for each photodiode is dispersed as in the past, the photodiode does not operate normally due to the reverse bias problem, the sensitivity deteriorates, and the communication error increases. Solve the problem of It is possible to achieve a high-sensitivity electric field detection optical device without causing problems such as photodiode rating problems, bias voltage boost problems, heat generation and battery consumption problems. Are mutually canceled and removed, so that the S / N can be significantly improved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a configuration of an electric field detection optical device according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram illustrating a configuration of an electric field detection optical device according to another embodiment of the present invention.
FIG. 3 is an explanatory diagram illustrating an example of a case where a wearable computer is mounted on a human via a transceiver and used.
FIG. 4 is a block diagram showing a circuit configuration of a transceiver for attaching a wearable computer to a living body, to which the electric field detection optical device of the present invention is applied.
FIG. 5 is a diagram showing a configuration of a conventional electric field detection optical device.
FIG. 6 is a circuit diagram around a photodiode used in the electric field detection optical device shown in FIG.
[Explanation of symbols]
21 Laser Diode
23 Electro-optical element
25,27 electrodes
29 signal electrode
31 Ground electrode
33 Collimating lens
35, 37 Wave plate
39 Polarizing beam splitter
51,61,77 Beam splitter
53, 63 Condensing lens
55,65 photodiode
57, 67 Load resistance
59,69 bias voltage source
71-75 differential amplifier
79 Prism
100 living body (electric field transmission medium)
Claims (8)
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。An electric field detection optical device that detects an electric field induced and transmitted by an electric field transmission medium and converts the electric field into an electric signal,
Polarization changing means for receiving parallel light of a single wavelength and changing the polarization of the parallel light in response to an electric field to be combined, and separating and outputting P and S waves orthogonal to each other;
First and second beam splitters for dividing each of the P wave and the S wave emitted from the polarization changing unit into two parallel lights having the same light amount,
First to fourth photoelectric conversion means for converting the four parallel lights separated by the first and second beam splitters into electric signals;
First and second differential amplifiers that respectively input two signals of opposite phases among the four output signals output from the first to fourth photoelectric conversion units and amplify a difference between the two signals;
An electric field detection optical device, comprising: a third differential amplifier that receives output signals of the first and second differential amplifiers as inputs and amplifies a difference between the two signals.
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。An electric field detection optical device that detects an electric field induced and transmitted by an electric field transmission medium and converts the electric field into an electric signal,
A plurality of polarization changing means, each of which receives parallel light of a single wavelength and changes the polarization of the parallel light in response to an electric field to be coupled, and separates and emits P and S waves orthogonal to each other; ,
A plurality of photoelectric conversion means for converting each of the P wave and the S wave respectively emitted from the plurality of polarization changing means into an electric signal;
The differential amplification process of performing differential amplification of a pair of signals of opposite phases among the output signals of the plurality of photoelectric conversion means for all combinations is similarly performed on the differential amplified signal generated by the differential amplification process. And a differential amplifying means for sequentially and repeatedly performing differential amplification processing to generate differentially amplified output signals.
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。The polarization changing means,
An electro-optical element that receives the parallel light and changes optical characteristics in response to an electric field to be coupled,
3. The electric field detection optical device according to claim 1, further comprising an analyzer that separates the parallel light passing through the electro-optical element into a P wave and an S wave and converts the light into a change in light intensity.
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。An electric field detection optical device that detects an electric field induced and transmitted by an electric field transmission medium and converts the electric field into an electric signal,
A light source that emits light of a single wavelength,
A collimating lens that converts light from the light source into parallel light,
An electro-optical element that receives parallel light from the collimating lens and changes optical characteristics in response to an electric field to be coupled;
A first electrode for coupling an electric field induced by the electric field transmission medium to the electro-optical element;
An analyzer that separates the parallel light passing through the electro-optical element into a P wave and an S wave, and converts the light into a change in light intensity;
First and second beam splitters for separating the P wave and the S wave separated by the analyzer into two parallel lights having the same light amount,
First to fourth photoelectric conversion means for converting the four parallel lights separated by the first and second beam splitters into electric signals;
First and second differential amplifiers that respectively input two signals of opposite phases among the four output signals output from the first to fourth photoelectric conversion units and amplify a difference between the two signals;
An electric field detection optical device, comprising: a third differential amplifier that receives output signals of the first and second differential amplifiers as inputs and amplifies a difference between the two signals.
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。An electric field detection optical device that detects an electric field induced and transmitted by an electric field transmission medium and converts the electric field into an electric signal,
A light source that emits light of a single wavelength,
A collimating lens that converts light from the light source into parallel light,
Beam splitter means for dividing the parallel light from the collimating lens into a plurality of parallel lights having the same light amount,
A plurality of electro-optical elements each of which receives a plurality of parallel lights separated by the beam splitter means and changes optical characteristics in response to an electric field to be combined;
A plurality of first electrodes each coupling an electric field induced in the electric field transmission medium to each of a plurality of electro-optical elements;
A plurality of analyzers each of which separates parallel light that has passed through each of the plurality of electro-optical elements into a P wave and an S wave, and converts the light into a change in light intensity;
A plurality of photoelectric conversion means for respectively converting the P wave and the S wave separated by each of the plurality of analyzers into electric signals,
The differential amplification process of performing differential amplification of a pair of signals of opposite phases among the output signals of the plurality of photoelectric conversion means for all combinations is similarly performed on the differential amplified signal generated by the differential amplification process. And a differential amplifying means for sequentially and repeatedly performing differential amplification processing to generate differentially amplified output signals.
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。A first wave plate that is provided close to an incident end face of the electro-optical element to which the parallel light is incident, adjusts a polarization state of the parallel light, and enters the electro-optical element;
A second electrode provided to face the first electrode and functioning as a ground electrode with respect to the first electrode; and a second electrode provided between the electro-optical element and the analyzer and passing through the electro-optical element. The electric field detection optical device according to claim 4, further comprising at least one of the second wave plates that adjusts the polarization state of the parallel light and enters the analyzer.
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