JP2018169388A - Optical device - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、狭スペクトル幅の光を検出する光学装置に関する。 The present invention relates to an optical device that detects light having a narrow spectral width.
歯垢に波長405nm付近の光を照射すると波長630nm付近の蛍光を発することが知られており、この原理を使用した歯垢検出方法が提案されている。従来、たとえば、導波路を用いて歯牙あるいは歯垢へ波長405nmの励起光を照射することにより発生する蛍光を別の導波路で受光部へ導光し、蛍光強度を検出する方法があった。あるいは、従来、たとえば、励起光と蛍光の波長が異なることを利用し、ダイクロイックミラーを用いて同軸光学系により蛍光を検出する方法があった。 It is known that when light having a wavelength of about 405 nm is irradiated on plaque, fluorescence having a wavelength of about 630 nm is emitted, and a plaque detection method using this principle has been proposed. Conventionally, for example, there has been a method in which fluorescence generated by irradiating a tooth or plaque with excitation light having a wavelength of 405 nm using a waveguide is guided to a light receiving unit through another waveguide, and the fluorescence intensity is detected. Alternatively, conventionally, for example, there has been a method of detecting fluorescence with a coaxial optical system using a dichroic mirror utilizing the fact that the wavelengths of excitation light and fluorescence are different.
これらの方法では、外部照明光や歯牙からの反射光あるいは歯牙の自家蛍光などの不要な光成分が同時に検出されてしまうため、受光器前にはロングパスフィルタやバンドパスフィルタなどのフィルタを設けて、不要な波長をカットするようにした方法があった。 In these methods, unnecessary light components such as external illumination light, reflected light from teeth or autofluorescence of teeth are detected at the same time. Therefore, a filter such as a long-pass filter or a band-pass filter is provided in front of the receiver. There was a method of cutting unnecessary wavelengths.
ここで、歯垢からの蛍光を光強度で検出する場合、励起光405nm付近の光に対する蛍光のスペクトルは640nm±20nm程度の範囲となるため、この範囲以外の光はノイズとなる。よってフィルタは歯垢からの蛍光範囲のみを透過するバンドパスフィルタであることが好ましい。種々あるバンドパスフィルタのうち、誘電多層膜を用いたバンドパスフィルタは特に所定の波長以外の光の遮光能力に優れ、歯垢からの蛍光のような微弱な光以外の波長の光を除去するのに適している。しかし、バンドパスフィルタをはじめとする誘電多層膜フィルタは、光の入射角に対して透過スペクトルの波長がシフトすることが知られている。 Here, when fluorescence from dental plaque is detected by light intensity, the fluorescence spectrum with respect to light in the vicinity of excitation light 405 nm is in the range of about 640 nm ± 20 nm, and light outside this range becomes noise. Therefore, the filter is preferably a band-pass filter that transmits only the fluorescence range from dental plaque. Among various bandpass filters, the bandpass filter using a dielectric multilayer film is particularly excellent in the ability to block light other than a predetermined wavelength, and removes light having a wavelength other than weak light such as fluorescence from plaque. Suitable for However, it is known that dielectric multilayer filters such as bandpass filters shift the wavelength of the transmission spectrum with respect to the incident angle of light.
具体的には入射角が大きくなるほど、透過波長帯が短波長側へシフトする。蛍光は指向性をもたない光であるため、前述の導波路を用いる構成では、導波路が直線状であり、均一な平面状態である(入射角が保存される)と仮定した場合、フィルタへの入射角は導波路のNAに依存し、前述の構成では大きい入射角度の光が入射すると、歯垢からの蛍光成分を含まない光が受光部に照射され、結果としてノイズを大きくすることとなる。歯垢の蛍光は微弱であるため、このようなノイズ成分はできるだけ小さいことが好ましく、入射角の大きい成分をカットする方法が求められる。 Specifically, the transmission wavelength band shifts to the short wavelength side as the incident angle increases. Since fluorescence is light having no directivity, in the configuration using the above-described waveguide, when it is assumed that the waveguide is linear and in a uniform plane state (incident angle is preserved), the filter The incident angle depends on the NA of the waveguide, and in the above configuration, when light with a large incident angle is incident, light that does not contain fluorescent components from dental plaque is irradiated to the light receiving unit, resulting in increased noise. It becomes. Since the fluorescence of dental plaque is weak, such a noise component is preferably as small as possible, and a method for cutting a component having a large incident angle is required.
関連する技術として、従来、光ファイバを介して光が照射された歯牙から生じた蛍光を別の光ファイバで受光部へ導光し、光強度を求めることにより、その部位に虫歯や歯垢などがあるかどうかを判別するようにした技術があった(たとえば、下記特許文献1を参照。)。
As a related technology, conventionally, the fluorescence generated from the tooth irradiated with light through the optical fiber is guided to the light receiving unit with another optical fiber, and the light intensity is obtained. There has been a technique for determining whether or not there is (see, for example,
また、関連する技術として、従来、導波路とフィルタの間に導波路のクラッドよりも高屈折率の高屈折率材を設け、導波路内を伝搬して導波路より出射する光のうち出射角が光フィルタと高屈折率材の間の臨界角より大きい光を全反射し、入射角が臨界角よりも小さい光を高屈折率材により屈折し、高屈折率材がない場合よりも小さい入射角で光フィルタに光を入射するようにした技術があった(たとえば、下記特許文献2を参照。)。 As a related technique, conventionally, a high refractive index material having a higher refractive index than that of the clad of the waveguide is provided between the waveguide and the filter, and the emission angle of the light emitted from the waveguide after propagating through the waveguide. Will totally reflect light larger than the critical angle between the optical filter and the high refractive index material, refract light with an incident angle smaller than the critical angle by the high refractive index material, and smaller incidence than without the high refractive index material. There has been a technique in which light is incident on an optical filter at a corner (see, for example, Patent Document 2 below).
しかしながら、特許文献1に記載された従来の技術は、光ファイバから出力する光を直接フィルタに照射しているため、照射される光は光ファイバのNAに依存した角度で照射されることとなり、歯垢のような狭いスペクトル帯の光のみを検出することが難しいという問題があった。また、特許文献1に記載された従来の技術は、レンズを用いているため、光学系が大きくなってしまい小型化が難しいという問題があった。
However, since the conventional technique described in
また、上述した特許文献2に記載された従来の技術は、高屈折率材を設けることにより高屈折率材の厚みの分、導波路端面から受光部までの距離が開き、この開きに応じて広がった光の受光部における面積が受光部面積より大きくなって、検出ロスを生じる可能性があるという問題があった。また、光フィルタに高屈折率材を成膜する場合、コストが高くなるという問題があった。 Further, in the conventional technique described in Patent Document 2 described above, by providing a high refractive index material, the distance from the waveguide end face to the light receiving portion is increased by the thickness of the high refractive index material, and according to this opening There has been a problem that the area of the spread light in the light receiving part is larger than the area of the light receiving part, which may cause detection loss. Further, when a high refractive index material is formed on the optical filter, there is a problem that the cost becomes high.
この発明は、上述した従来技術による問題点を解消するため、狭スペクトル幅の光の検出感度を向上させることができる光学装置を提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide an optical device capable of improving the detection sensitivity of light having a narrow spectral width in order to eliminate the above-described problems caused by the prior art.
上述した課題を解決し、目的を達成するため、この発明にかかる光学装置は、所定波長範囲の光を透過するバンドパスフィルタと、前記バンドパスフィルタを透過した光を受光する受光素子と、検出対象から生じる蛍光を導波して前記バンドパスフィルタに導波する光導波路と、前記光導波路を構成する光導波路部材の外周面を覆う屈折率調整部材と、を備え、前記屈折率調整部材で全反射する前記蛍光が、前記バンドパスフィルタに入射することを特徴とする。 In order to solve the above-described problems and achieve the object, an optical device according to the present invention includes a band-pass filter that transmits light in a predetermined wavelength range, a light-receiving element that receives light transmitted through the band-pass filter, and a detection An optical waveguide that guides fluorescence generated from a target and guides the fluorescence to the bandpass filter; and a refractive index adjusting member that covers an outer peripheral surface of the optical waveguide member that constitutes the optical waveguide. The fluorescence that is totally reflected is incident on the band-pass filter.
また、この発明にかかる光学装置は、上記の発明において、前記屈折率調整部材の屈折率nが、前記光導波路部材から前記バンドパスフィルタ側に出射する蛍光の出射角をθ0とし、前記屈折率調整部材より外側の媒質の屈折率をn0とし、前記光導波路部材の屈折率をn1とした場合、n1>n>n1*sin(acos(n0/n1*sin(θ0)))によって示されることを特徴とする。 Further, in the optical device according to the present invention, in the above invention, the refractive index n of the refractive index adjusting member is θ 0 as an emission angle of the fluorescence emitted from the optical waveguide member to the bandpass filter side, and the refractive When the refractive index of the medium outside the rate adjusting member is n 0 and the refractive index of the optical waveguide member is n 1 , n 1 >n> n 1 * sin (acos (n 0 / n 1 * sin (θ 0 ))).
また、この発明にかかる光学装置は、上記の発明において、前記屈折率調整部材が、前記光導波路部材の径をφとした場合、前記光導波路部材による蛍光の導波方向において、長さd=φ/(tan(π/2−acos(n0/n1*sin(θ0))))よりも長くなるように設けられていることを特徴とする。 Further, in the optical device according to the present invention, in the above invention, when the refractive index adjusting member has a diameter of the optical waveguide member as φ, the length d = It is characterized by being provided to be longer than φ / (tan (π / 2-acos (n 0 / n 1 * sin (θ 0 )))).
また、この発明にかかる光学装置は、上記の発明において、前記屈折率調整部材が、さらに、前記バンドパスフィルタと前記光導波路との間に設けられていることを特徴とする。 In the optical device according to the present invention as set forth in the invention described above, the refractive index adjusting member is further provided between the bandpass filter and the optical waveguide.
また、この発明にかかる光学装置は、上記の発明において、前記バンドパスフィルタと前記光導波路との間に設けられた前記屈折率調整部材が、前記バンドパスフィルタと前記光導波路との間に充填されていることを特徴とする。 Moreover, in the optical device according to the present invention, the refractive index adjusting member provided between the bandpass filter and the optical waveguide is filled between the bandpass filter and the optical waveguide. It is characterized by being.
また、この発明にかかる光学装置は、上記の発明において、前記光導波路部材の外周面を覆う前記屈折率調整部材と、前記バンドパスフィルタと前記光導波路との間に設けられた前記屈折率調整部材とが、一体に形成されていることを特徴とする。 In the optical device according to the present invention, the refractive index adjustment member provided between the refractive index adjustment member covering the outer peripheral surface of the optical waveguide member and the bandpass filter and the optical waveguide in the above invention. The member is integrally formed.
また、この発明にかかる光学装置は、上記の発明において、前記屈折率調整部材の屈折率nが、前記光導波路部材から前記バンドパスフィルタ側に出射する蛍光の出射角をθ0とし、前記屈折率調整部材より外側の媒質の屈折率をn0とし、前記光導波路部材の屈折率をn1とした場合、
また、この発明にかかる光学装置は、上記の発明において、前記光導波路部材の外周面を覆う前記屈折率調整部材が、前記光導波路部材の径をφとした場合、前記光導波路部材による蛍光の導波方向において、長さd=φ/(tan(π/2−acos(n0/n1*sin(θ0))))よりも長くなるように設けられていることを特徴とする。 Moreover, in the optical device according to the present invention, in the above invention, when the refractive index adjusting member covering the outer peripheral surface of the optical waveguide member has a diameter of the optical waveguide member as φ, the fluorescence of the optical waveguide member is reduced. In the waveguide direction, the length is longer than d = φ / (tan (π / 2−acos (n 0 / n 1 * sin (θ 0 )))).
また、この発明にかかる光学装置は、上記の発明において前記光導波路部材の外周面を覆う前記屈折率調整部材が、外表面が、屈折率調整部材の外部に透過する光を散乱させる形状をなすことを特徴とする。 In the optical device according to the present invention, in the above invention, the refractive index adjusting member that covers the outer peripheral surface of the optical waveguide member has a shape in which an outer surface scatters light transmitted to the outside of the refractive index adjusting member. It is characterized by that.
また、この発明にかかる光学装置は、上記の発明において、少なくとも1つは405nm付近の波長を含む励起光を出射する1つ以上の励起光光源と、前記励起光光源から出射された励起光を検出対象に照射する照射光学系と、を備え、前記バンドパスフィルタが、前記照射光学系によって励起光が照射された検出対象から生じた蛍光のうち635nm付近にピークを有する蛍光を透過することを特徴とする。 In the optical device according to the present invention, in the above invention, at least one excitation light source that emits excitation light including a wavelength near 405 nm, and excitation light emitted from the excitation light source. An irradiation optical system for irradiating the detection target, wherein the bandpass filter transmits fluorescence having a peak near 635 nm out of the fluorescence generated from the detection target irradiated with the excitation light by the irradiation optical system. Features.
また、この発明にかかる光学装置は、上記の発明において、前記受光素子が受光した光の強度に基づいて、検出対象の有無を判定する判定部を備えたことを特徴とする。 Moreover, the optical device according to the present invention is characterized in that, in the above-described invention, the optical device includes a determination unit that determines the presence or absence of a detection target based on the intensity of light received by the light receiving element.
この発明にかかる光学装置によれば、狭スペクトル幅の光の検出感度を向上させることができるという効果を奏する。 The optical device according to the present invention has an effect of improving the detection sensitivity of light having a narrow spectral width.
以下に添付図面を参照して、この発明にかかる光学装置の好適な実施の形態を詳細に説明する。この実施の形態においては、この発明にかかる光学装置を備えた歯垢検出歯ブラシについて説明する。なお、ここでは歯垢検出歯ブラシについて説明するが、これは歯ブラシに限定するものではなく、ブラシのない歯垢検出器も含め、本発明を含む実施の形態すべてに適用されるものである。 Exemplary embodiments of an optical device according to the present invention will be explained below in detail with reference to the accompanying drawings. In this embodiment, a plaque detection toothbrush provided with an optical device according to the present invention will be described. Here, the plaque detection toothbrush will be described. However, this is not limited to the toothbrush, and is applicable to all embodiments including the present invention including a plaque detector without a brush.
(実施の形態1)
まず、この発明にかかる実施の形態1の光学装置を備えた歯垢検出歯ブラシの構成について説明する。図1は、歯垢検出歯ブラシの構成を示す説明図である。図1において、歯垢検出歯ブラシ100は、本体部(ハンドル)110と、歯ブラシ部120と、によって構成されている。本体部110は、使用者の手によって把持される外装ケース111を備えている。
(Embodiment 1)
First, the configuration of a dental plaque detection toothbrush provided with the optical device according to the first embodiment of the present invention will be described. FIG. 1 is an explanatory diagram showing a configuration of a dental plaque detection toothbrush. In FIG. 1, a
外装ケース111には、歯垢検出歯ブラシ100の使用者による操作を受け付けるスイッチ111aが設けられている。外装ケース111は、外装ケース111の内側への浸水を防ぐ防水加工が施されている。外装ケース111の内部には、電源112、励起光光源113、同軸光学系114、受光素子115、制御回路116、報知装置117などが設けられている。電源112は、歯垢検出歯ブラシ100が備える各部に電気を供給する。電源112は、一次電池であっても二次電池であってもよい。
The
励起光光源113は、所定波長帯域の励起光を出射する。具体的に、励起光光源113は、395nm〜415nmに波長ピークをもつ励起光を出射する。励起光光源113が出射した励起光は、同軸光学系114に入射される。同軸光学系114は、励起光光源113から入射される励起光を歯ブラシ部120側に導くとともに、歯ブラシ部120側から入射される歯垢、あるいは歯牙の蛍光を受光素子115に導く。
The
受光素子115は、同軸光学系114から導かれた蛍光に含まれる特定波長付近の光の強度を検出し、検出した蛍光の強度に応じた信号を制御回路116に出力する。制御回路116は、CPUや各種のメモリおよび信号の入出力端子などを備えて構成されるマイクロコンピュータによって実現することができ、歯垢検出歯ブラシ100が備える各部を駆動制御する。
The
制御回路116は、歯垢検出歯ブラシ100が備える各部を駆動制御する。制御回路116は、たとえば、操作されたスイッチ111aから出力される信号に応じて励起光光源113のON/OFFを制御したり、受光素子115から出力された信号に基づいて歯垢量を計算して歯垢量に応じた報知信号(歯垢量を利用者に報知する信号)を報知装置117に出力したりする。
The
報知装置117は、たとえば、LEDなどの発光素子によって実現することができる。この場合、制御回路116から出力される報知信号に基づくパターンでLEDを点灯あるいは点滅することにより歯垢量を報知する。あるいは、報知装置117は、たとえば、LEDに代えて、偏心モータによって実現してもよい。この場合、制御回路116から出力される報知信号に基づくパターンで偏心モータを回転させることによって発生する振動により歯垢量を報知することができる。あるいは、報知装置117は、ブザーなどによって実現してもよい。
The
歯ブラシ部120は、本体部110に連結されたネック121と、ネック121の先端に設けられた歯ブラシヘッド122と、を備えている。ネック121および歯ブラシヘッド122には、一端が同軸光学系114に接続し他端が歯ブラシヘッド122の一面側に位置するように、光導波路123が設けられている。
The
歯ブラシヘッド122は、複数の繊維(毛束)124の一端を支持する。光導波路123は、歯ブラシヘッド122側に位置する他端(以下「センサヘッド」という)123aが、歯ブラシヘッド122が支持する複数の繊維124の間に位置するように配置されている。センサヘッド123aの先端は、歯ブラシヘッド122が支持する複数の繊維124の先端と同じ高さか、それよりも根元側に引っ込んだ位置に位置付けられている。光導波路123は、同軸光学系114から出射される励起光を、センサヘッド123aから歯垢検出歯ブラシ100の外部に出射する。
The
たとえば、歯ブラシヘッド122が支持する複数の繊維124を使用者の歯牙に突き当てた状態で使用した場合、センサヘッド123aから歯垢検出歯ブラシ100の外部に出射された励起光は歯牙に照射される。励起光を歯牙に照射すると、歯牙を形成する物質(エナメル質や象牙質のコラーゲンなど)が励起され、歯牙から蛍光が生じる。
For example, when a plurality of
歯牙に歯垢が付着している場合、波長405nm(紫)付近の励起光を照射すると、歯垢から波長帯域635nm付近にピークを有する蛍光が生じる。歯垢から生じる蛍光は、歯垢に含まれる細菌の代謝生成物の1つであるプロトポルフィリンIX(略語はPPIX)から生じる。 When plaque is adhered to the tooth, when excitation light having a wavelength of about 405 nm (purple) is irradiated, fluorescence having a peak in the wavelength band of about 635 nm is generated from the plaque. Fluorescence resulting from plaque originates from protoporphyrin IX (abbreviated PPIX), one of the bacterial metabolites contained in plaque.
歯牙や歯垢から生じた蛍光は、センサヘッド123aから光導波路123に入射される。光導波路123は、センサヘッド123aから入射される蛍光を同軸光学系114に導く。光導波路123においては、同軸光学系114から出射される励起光を歯垢検出歯ブラシ100の外部に出射する励起光の光路と、歯垢検出歯ブラシ100の外部からセンサヘッド123aを介して入射されて同軸光学系114に導かれる歯牙や歯垢から生じた蛍光の光路とが重複している。
Fluorescence generated from the teeth and dental plaque enters the
(歯垢検出部の構成)
つぎに、歯垢検出部の構成について説明する。図2は、歯垢検出部の構成で、特に同軸光学系114を詳細に示す説明図である。図2において、歯垢検出部200は、励起光光源113と、フィルタ201と、ミラー202と、第1の光導波路203と、第2の光導波路204と、バンドパスフィルタ205と、受光素子206と、制御回路116と、によって構成されている。
(Configuration of plaque detection unit)
Next, the configuration of the plaque detection unit will be described. FIG. 2 is an explanatory diagram showing the details of the coaxial
実施の形態1においては、ミラー202、第1の光導波路203、第2の光導波路204などの光学部材によって、この発明にかかる光導波路が構成されている。また、実施の形態1においては、第1の光導波路203や第2の光導波路204によって、この発明にかかる光導波路部材を実現することができる。また、実施の形態1においては、歯垢検出部200によってこの発明にかかる光学装置を実現することができる。
In the first embodiment, the optical waveguide according to the present invention is configured by optical members such as the
励起光光源113は、所定波長帯域の励起光を出射する。具体的に、励起光光源113は、たとえば、波長405nmの光を出射するLEDを用いることによって実現することができる。フィルタ201は、入射光のうち、所定の波長より短い波長の光を透過し、それ以外の光を反射あるいは吸収することによって遮断する。具体的に、フィルタ201は、励起光光源113の波長635nm付近の赤色成分を遮断する。ここで、フィルタ201は、ショートパスフィルタ(SPF:Short Pass Filter)などによって実現することができる。
The
ミラー202は、フィルタ201を透過した励起光を反射して、第1の光導波路203に導く。第1の光導波路203は、励起光をミラー202から歯牙の近くまで導く。第1の光導波路203は、たとえば、アクリルなど、導光性を備える樹脂材料を用いて形成された棒状ないし円柱形状の部材によって実現することができる。
The
第1の光導波路203に導かれた光は、第1の光導波路203の先端から、歯垢検出歯ブラシ100の外部に出射され、使用者が励起光を歯牙210に照射する。歯牙210に歯垢211が付着している場合には、出射された励起光は歯牙210および歯垢211に照射される。この実施の形態1においては、励起光光源113から出射された励起光を歯牙210や歯垢211などの検出対象に照射するフィルタ201、ミラー202、第1の光導波路203などによって、この発明にかかる照射光学系を実現することができる。
The light guided to the first
歯牙210や歯垢211から生じた蛍光は、第1の光導波路203に入射され、ミラー202に出射する。ミラー202は、歯牙210や歯垢211から生じる蛍光の波長域を含む特定の波長の光を透過して、第2の光導波路204に導く。ミラー202は、たとえば、ダイクロイックミラーによって実現することができる。
Fluorescence generated from the
第2の光導波路204は、ミラー202を透過した蛍光、すなわち、歯牙210や歯垢211から生じた蛍光をバンドパスフィルタ205に導く。バンドパスフィルタ205は特定範囲の波長の光を透過し、他の波長の光を通さない。ここではバンドパスフィルタ205は誘電多層膜により構成されている。
The second
誘電多層膜は、それぞれ屈折率の異なる材料によって形成される多層の誘電体膜によって構成され、光の干渉効果により特定範囲の波長の光を透過し、他の波長の光を反射する。これは、例えば吸収材料を用いるようなバンドパスフィルタに比べ、より不要な成分の光を除去することができるため、所望の波長の光が微弱な場合でも効果的に所望の波長の光を受光素子206側に出射することができる。バンドパスフィルタ205により、第2の光導波路204から導かれた蛍光のうち、歯垢211からの蛍光の波長成分のみが透過される。
The dielectric multilayer film is formed of a multilayer dielectric film formed of materials having different refractive indexes, and transmits light of a specific range of wavelengths and reflects light of other wavelengths by the light interference effect. Compared to a band-pass filter that uses an absorbing material, for example, it is possible to remove light of unnecessary components, so that even when light of a desired wavelength is weak, light of a desired wavelength is effectively received. The light can be emitted to the
バンドパスフィルタ205を透過した光は受光素子206へ照射される。受光素子206は、受光した光を電荷に変換し、受光量に応じた信号を制御回路116に対して出力する。受光素子206は例えばシリコンフォトダイオードを使用することができる。制御回路116は、受光素子206から出力される信号に基づいて、歯垢量を計算する。
The light transmitted through the
第2の光導波路204は、たとえば、アクリルなど、導光性を備える樹脂材料を用いて形成された棒状ないし円柱形状の部材によって実現することができる。第2の光導波路204の外周側には、第2の光導波路204に導かれた蛍光のうち、所定の蛍光のみを受光素子206に導く屈折率調整部材が設けられている。屈折率調整部材については後述する(図3を参照)。
The second
(屈折率調整部材の形状および機能)
つぎに、実施の形態1における屈折率調整部材の形状および機能について説明する。図3は、実施の形態1における屈折率調整部材の形状および機能を示す説明図である。
(Shape and function of refractive index adjusting member)
Next, the shape and function of the refractive index adjusting member in the first embodiment will be described. FIG. 3 is an explanatory diagram showing the shape and function of the refractive index adjusting member in the first embodiment.
図3において、バンドパスフィルタ205は、上述したように第2の光導波路204と受光素子206との間に配置されている。この実施の形態1のバンドパスフィルタ205は、635nm付近の波長の光を透過する。バンドパスフィルタ205が透過する光の波長は、635nmから640nmを含む範囲であって、下限値および上限値は適宜調整することができる。
In FIG. 3, the
具体的に、励起光光源113が出射する波長405nmの励起光が照射された歯垢211から発生する蛍光のスペクトルは、640nm±20nm程度の範囲であるため、バンドパスフィルタ205は、620nm〜660nm、好ましくは630nm〜650nmの範囲の波長を透過し、他の波長の光を通さないことが好ましい。
Specifically, since the spectrum of the fluorescence generated from the
さらに、第2の光導波路204の外周側には、屈折率調整部材301が設けられている。屈折率調整部材301は、第2の光導波路204の外周面に密着して設けられており、第2の光導波路204の外周面と屈折率調整部材301との間には空気層などが介在していない。
Further, a refractive
実施の形態1の歯垢検出部200において、屈折率調整部材301は、歯牙210や歯垢211から生じた蛍光を導波する部材の外周側に設けられていればよく、その位置は特に限定されるものではない。
In the
(導光の原理)
つぎに、屈折率調整部材301による導光の原理について説明する。図4は、屈折率調整部材301による導光の原理を示す説明図である。図4において、屈折率調整部材301は、屈折率が、第2の光導波路204を形成する材料よりも低く、屈折率調整部材301より外周側の屈折率よりも高い材料を用いて形成されている。
(Principle of light guide)
Next, the principle of light guide by the refractive
屈折率調整部材301は、第2の光導波路204の界面に入射した蛍光のうち、第2の光導波路204と屈折率調整部材301の界面に所定の角度以上で入射した蛍光を反射し、所定の角度未満の角度で入射した蛍光を透過して、第2の光導波路204の外部へ出射する。これにより、第2の光導波路204に導かれた蛍光のうち所定の角度で入射した蛍光のみを第2の光導波路204からバンドパスフィルタ205に導くことができる。
The refractive
具体的に、屈折率調整部材301は、第2の光導波路204と屈折率調整部材301との界面に入射した蛍光のうち、第2の光導波路204からの最大の出射角がθ0となる時の入射角を臨界角θCとすると、θCよりも小さい角度で入射する蛍光を、第2の光導波路204の外部へ出射する。第2の光導波路204に導かれた蛍光のうち、第2の光導波路204と屈折率調整部材301との界面において、臨界角θCよりも小さい角度θiで入射した蛍光は、第2の光導波路204の外周面から第2の光導波路204の外部へ透過し、当該界面において臨界角θCよりも大きい角度θi’で入射する蛍光のみが反射され、第2の光導波路204内を伝搬して受光素子へ出射される。
Specifically, in the refractive
屈折率調整部材301の屈折率nおよび臨界角θCは、第2の光導波路204からバンドパスフィルタ205側に出射する蛍光の出射角をθ0とし、屈折率調整部材301より外側の媒質の屈折率をn0とし、第2の光導波路204の屈折率をn1とした場合、下記数式(1)、(2)によって示される。
The refractive index n and the critical angle θ C of the refractive
n=n1*sin(acos(n0/n1*sin(θ0))) ・・・(1)
θC=asin(n/n1) ・・・(2)
n = n 1 * sin (acos (n 0 / n 1 * sin (θ 0 ))) (1)
θ C = asin (n / n 1 ) (2)
屈折率調整部材301の屈折率nは、第2の光導波路204の屈折率n1より低く、屈折率調整部材301より外側の媒質の屈折率n0よりも高い。すなわち、屈折率調整部材301の屈折率nは、下記数式(3)を満たす範囲の値に定められる。
The refractive index n of the refractive
n1>n>n1*sin(acos(n0/n1*sin(θ0)))
・・・(3)
n 1 >n> n 1 * sin (acos (n 0 / n 1 * sin (θ 0 )))
... (3)
上記数式(3)は、下記数式(3)’に変換して示すことができる。
屈折率調整部材301の屈折率nを数式(3)を満たす値とすることにより、第2の光導波路204と屈折率調整部材301との界面では、臨界角θCよりも小さい角度で界面に入射する光は第2の光導波路204の外部へ透過し、出射角θ0以下となる光成分のみ導波路内を伝搬する。
By setting the refractive index n of the refractive
屈折率調整部材301は、第2の光導波路204の径をφとした場合、第2の光導波路204の長さ方向(ミラー202からバンドパスフィルタ205へ向かう方向)における長さdが、下記数式(4)で示す長さ以上となるように設けられている。
When the diameter of the second
d=φ/(tan(π/2−acos(n0/n1*sin(θ0))))
・・・(4)
d = φ / (tan (π / 2-acos (n 0 / n 1 * sin (θ 0 ))))
... (4)
数式(4)を満たすことで、第2の光導波路204に入射した光のうち、第2の光導波路204の出射面に直接達し、θ0以下の角度での出射光を除いた光を、すべて、少なくとも1回、第2の光導波路204と屈折率調整部材301との界面へ入射させることができる。そして、これによりバンドパスフィルタ205に入射する光を任意の入射角以下にすることができ、受光素子において、ノイズ成分を低減し、目的とする波長帯の光のみをフィルタリングした光強度を検出することができる。
By satisfying Expression (4), light that has directly entered the second
なお、上記数式(4)は、下記数式(4)’に変換して示すことができる。
(実施の形態2)
この発明にかかる実施の形態2の歯垢検出歯ブラシ100について説明する。実施の形態2においては、上述した実施の形態1と同一部分は同一符号で示し、説明を省略する。
(Embodiment 2)
A
(屈折率調整部材の形状および機能)
実施の形態2における屈折率調整部材501の形状および機能について説明する。図5は、実施の形態2における屈折率調整部材501の形状および機能を示す説明図である。図5において、実施の形態2における屈折率調整部材501は、外表面が光を散乱させる形状(散乱構造)としている。
(Shape and function of refractive index adjusting member)
The shape and function of the refractive
具体的には、たとえば、屈折率調整部材501の外表面に凹凸を設けたりマット加工(ツヤ消し加工)することで、屈折率調整部材501の外表面から光を散乱させることができる。あるいは、屈折率調整部材501の外表面に傷を付けて表面を粗くしたり、所定の粒径のビーズ材などが含まれる塗料を屈折率調整部材501の外表面に塗布して、光を散乱させてもよい。
Specifically, for example, light can be scattered from the outer surface of the refractive
これにより、屈折率調整部材501の外表面を平滑にした場合と比較して、屈折率調整部材501の外表面において反射する成分を確実に低減できるので、再び第2の光導波路204内に戻ることを抑制し、バンドパスフィルタ205に入射する光を任意の入射角以下にすることができる。
Thereby, compared with the case where the outer surface of the refractive
(実施の形態3)
この発明にかかる実施の形態3の歯垢検出歯ブラシ100について説明する。実施の形態3においては、上述した実施の形態1、2と同一部分は同一符号で示し、説明を省略する。
(Embodiment 3)
A
(屈折率調整部材の形状および機能)
実施の形態3における屈折率調整部材601の形状および機能について説明する。図6は、実施の形態3における屈折率調整部材601の形状および機能を示す説明図である。図6において、実施の形態3における屈折率調整部材601は、蛍光の出射側すなわちバンドパスフィルタ側ほど外径が小さくなるテーパ形状をなしている。なお、屈折率調整部材601のテーパ面は平坦になっている。
(Shape and function of refractive index adjusting member)
The shape and function of the refractive
屈折率調整部材601をテーパ形状とすることにより、屈折率調整部材601内に導かれた光の入射角度を小さくすることができる。具体的には、テーパ面(屈折率調整部材601の外表面)で反射した光は、次のテーパ面への入射角度が反射する前の入射角度に対してテーパ角αの2倍の値が減算された角度で入射する。すなわち、テーパ面に入射する回数が増えるほど、次のテーパ面への入射角度が小さくなり、回数が増えるといずれ臨界角以下の角度でテーパ面に入射することになる。これにより、バンドパスフィルタ205に入射する光を任意の入射角以下にすることができる。
By making the refractive
(実施の形態4)
この発明にかかる実施の形態4の歯垢検出歯ブラシ100について説明する。実施の形態4においては、上述した実施の形態1〜3と同一部分は同一符号で示し、説明を省略する。図7は、実施の形態4における歯垢検出歯ブラシ100が備える歯垢検出部の構成を示す説明図である。
(Embodiment 4)
A
図7において、実施の形態4における歯垢検出歯ブラシ100が備える歯垢検出部700は、励起光光源113と、フィルタ201と、ミラー(ダイクロイックミラー)202と、光導波路701、702、703と、バンドパスフィルタ205と、受光素子206と、を備えている。
In FIG. 7, the
光導波路703の外周側には、上記の数式(1)〜(4)によって特定される屈折率調整部材704が設けられている。実施の形態4における屈折率調整部材704は、上述した実施の形態1〜3において説明した各種の構造の屈折率調整部材301、501、601を設けることができる。受光素子206すなわちバンドパスフィルタ205に蛍光を出射する光導波路703に、屈折率調整部材704を設けることにより、所望の角度の光を確実にバンドパスフィルタ205に入射することができる。
On the outer peripheral side of the
上述した各実施の形態においては、各光導波路は、アクリルなど、導光性を備える樹脂材料を用いて形成された棒状ないし円柱形状の部材によって形成しているが、光ファイバによって実現してもよい。 In each of the above-described embodiments, each optical waveguide is formed by a rod-shaped or cylindrical member formed using a resin material having light guiding properties such as acrylic, but may be realized by an optical fiber. Good.
図8は、光ファイバによる光導波路部材の実現例を示す説明図である。図8に示すように、光ファイバ800のコア801とクラッド802によって、この発明にかかる屈折率調整部材を実現することができる。
FIG. 8 is an explanatory view showing an implementation example of an optical waveguide member using an optical fiber. As shown in FIG. 8, the refractive index adjusting member according to the present invention can be realized by the
すなわち、図8において、光ファイバ800からの出射角度θ0は、コアとクラッドの屈折率比、すなわち、最大受光角の大きさをあらわすNA(Numerical Aperture:開口数)に依存する。ここで、光ファイバにおけるコアの屈折率をncoreとし、クラッドの屈折率をncladとし、光ファイバの外側の媒質(空気など)の屈折率をn0とする場合、ncladは下記数式(5)によって示される。
That is, in FIG. 8, the emission angle θ 0 from the
nclad=ncore*sin(acos(n0/ncore*sin(θ0)))
・・・(5)
nclad = ncore * sin (acos (n 0 / ncore * sin (θ 0 )))
... (5)
(検証)
つぎに、この発明にかかる屈折率調整部材の効果の検証について説明する。図9および図10は、屈折率調整部材の効果の検証に用いた装置を示す説明図である。図9において、検証に用いた装置900は、アクリルを用いて形成された導波路901と、バンドパスフィルタ205と、受光素子206と、を備える。
(Verification)
Next, verification of the effect of the refractive index adjusting member according to the present invention will be described. 9 and 10 are explanatory views showing an apparatus used for verifying the effect of the refractive index adjusting member. In FIG. 9, an
導波路901は、屈折率が1.4909のアクリルによって形成されている。導波路901の外部には、屈折率が1の空気が満たされている。装置900において、導波路901には、歯垢からの蛍光が、±30degの広がりで均一に導波路901に入射する。
The
一般的に、導波路901を伝播する光の角度は導波路901のNAに依存する。ここで、屈折率調整部材を用いない場合(外周面は空気)、導波路901のNAは0.67、すなわち臨界角は42.19[deg]となるため、導波路901内は−42.19[deg]から42.19[deg]の光が伝播する。入射角度を±30degと定義しているので、蛍光の光はすべて導波路901に入射されて伝播し、バンドパスフィルタ205に照射される。
In general, the angle of light propagating through the
図10(a)は、歯垢からの蛍光スペクトルは予め測定したデータである。具体的には、630nmから650nmの範囲のスペクトルを示す。受光素子206には、導波路901およびバンドパスフィルタ205を透過した光がすべて照射される。
In FIG. 10 (a), the fluorescence spectrum from dental plaque is data measured in advance. Specifically, a spectrum in the range of 630 nm to 650 nm is shown. The
導波路901を透過した光が照射されるバンドパスフィルタ205には、図10(b)に示す特性を有するバンドパスフィルタを用いる。図10(b)に示すとおり、バンドパスフィルタ205の透過波長は入射角が0°から大きくなるほど短波長側にシフトすることが分かる。
A bandpass filter having the characteristics shown in FIG. 10B is used as the
このときのバンドパスフィルタ205の透過光は、図10(c)に示すように、図10(b)に示すバンドパスフィルタ205の透過スペクトルと、図10(a)に示す歯垢からのスペクトルとを乗算した値となる。その際、入射角度を±30degとしたので、図10(c)における+30degから−30degまでの値を積分し、バンドパスフィルタ205を透過する630nmから650nmまでの歯垢からの蛍光強度と、歯垢からの蛍光を除いた580nmから630nmまでと650nmから660nmまでの蛍光強度とのノイズ光強度比は3.35となる。
As shown in FIG. 10C, the transmitted light of the
これに対し、導波路901の外周面に屈折率調整部材301を形成する屈折率調整材料(波長635nmの時に1.4607の屈折率を示す)を塗布した場合、入射角30degの蛍光の光は、導波路901を伝播する最大角度が11.3[deg]となり、バンドパスフィルタ205へは、およそ±16.9[deg]の広がりで照射されることになる。よって、図10(c)における+15degから−15degまでの値を積分し、歯垢からの蛍光強度と、歯垢からの蛍光を除いた蛍光強度とのノイズ光強度比は9.83となる。
On the other hand, when a refractive index adjusting material (showing a refractive index of 1.4607 at a wavelength of 635 nm) is applied to the outer peripheral surface of the
したがって、屈折率調整部材を設けることにより、検出光のうち、目的とする歯垢からの蛍光の割合を2.93倍とすることができ、より高感度に歯垢からの蛍光を測定することができる。 Therefore, by providing the refractive index adjusting member, the ratio of the fluorescence from the target plaque in the detection light can be increased 2.93 times, and the fluorescence from the plaque can be measured with higher sensitivity. Can do.
以上説明したように、この発明にかかる実施の形態1〜4の光学装置を実現する歯垢検出部200は、所定波長範囲の光を透過するバンドパスフィルタ205と、バンドパスフィルタ205を透過した光を受光する受光素子206と、検出対象である歯牙210や歯垢211から生じる蛍光を導波してバンドパスフィルタ205に導波する第1の光導波路203や第2の光導波路204、あるいは、光導波路701、702、703などの光導波路部材と、光導波路部材の外周面を覆う屈折率調整部材301(あるいは、屈折率調整部材501、601、704またはクラッド802)と、を備えている。
As described above, the
そして、屈折率調整部材301の屈折率nが、光導波路部材からバンドパスフィルタ205側に出射する蛍光の出射角をθ0とし、屈折率調整部材301より外側の媒質の屈折率をn0とし、光導波路部材の屈折率をn1とした場合、n1>n>n1*sin(acos(n0/n1*sin(θ0)))によって示されることを特徴としている。
The refractive index n of the refractive
また、この発明にかかる実施の形態1〜4の光学装置を実現する歯垢検出部200は、屈折率調整部材301が、第2の光導波路204、あるいは、光導波路701、702、703などの光導波路部材の径をφとした場合、光導波路部材による蛍光の導波方向において、長さd=φ/(tan(π/2−acos(n0/n1*sin(θ0))))よりも長くなるように設けられていることを特徴としている。
Further, in the
また、この発明にかかる実施の形態1〜4の歯垢検出部200が備える屈折率調整部材501は、外表面が、屈折率調整部材501の外部に透過する光を散乱させる形状をなすことを特徴としている。
Moreover, the refractive
また、この発明にかかる実施の形態1〜4の歯垢検出部200が備える屈折率調整部材601は、バンドパスフィルタ205側ほど外径が小さくなるテーパ形状をなすことを特徴としている。
Further, the refractive
また、この発明にかかる実施の形態1〜4の歯垢検出部200は、405nmの波長を含む励起光を出射する励起光光源113と、励起光光源113から出射された励起光を検出対象に照射する照射光学系と、を備え、バンドパスフィルタ205は、照射光学系によって励起光が照射された検出対象から生じた蛍光のうち635nm付近にピークを有する蛍光を透過することを特徴としている。
In addition, the
また、この発明にかかる実施の形態1〜4の歯垢検出部200は、屈折率調整部材704は、光導波路部材を実現する光導波路701、702、703のうち、バンドパスフィルタに対して光を出射する光導波路703に設けられていることを特徴としている。
Further, in the
また、この発明にかかる実施の形態1〜4の歯垢検出部200は、受光素子206が受光した光の強度に基づいて、検出対象である歯牙210や歯垢211の有無を判定するようにしたことを特徴としている。
Further, the
この発明にかかる実施の形態1〜4の歯垢検出部200によれば、第2の光導波路204、光導波路703あるいはコア801などの光導波路部材と、屈折率調整部材301、501、601、704あるいはクラッド802との界面において、上記数式(2)で示されるθC以上の入射角で入射した光は全反射により光導波路部材の内部を伝播し、θC未満の入射角の光は屈折して屈折率調整部材側へ透過する。これにより、n1とnとの屈折率の差を調整することによって、界面において反射する角度を任意に決定することができる。
According to the
ここで、屈折率調整部材301、501、601、704あるいはクラッド802の屈折率nを上記数式(3)の範囲内に収めることにより、光導波路部材からバンドパスフィルタ205への広がり角をθ0以下に収めることができる。また、屈折率調整部材の長さを、上記数式(4)で示されるd以上に設定することにより、光導波路部材に入射した光を、最低でも1回は光導波路部材と屈折率調整部材との界面に入射させることができる。これにより、不要な光の角度成分を確実に光導波路部材の外部へ透過(放出)することができる。
Here, by setting the refractive index n of the refractive
そして、このように構成することにより、バンドパスフィルタ205への入射角を小さく抑え、バンドパスフィルタ205における入射角依存性に起因して不要な波長成分が伝播されることを抑え、目的の波長のみを伝播することができる。これによって、狭スペクトル幅の光の検出感度を向上させることができる。
And by configuring in this way, the incident angle to the
また、この発明にかかる実施の形態1〜4の歯垢検出部200によれば、光導波路部材の外周面に屈折率調整部材を設けるという簡易な構成によって実現することができるため、歯垢検出部200の小型化、および、歯垢検出部200を搭載する歯垢検出歯ブラシ100の小型化を図ることができる。
Further, according to the
このように、この発明にかかる実施の形態1〜4の歯垢検出部200によれば、狭スペクトル幅の光の検出感度を向上させるとともに、歯垢検出部200および歯垢検出歯ブラシ100の小型化を図ることができる。
As described above, according to the
(実施の形態5)
この発明にかかる実施の形態5の歯垢検出歯ブラシ100の屈折率調整部材の形状および機能について説明する。実施の形態5においては、上述した実施の形態1〜4と同一部分は同一符号で示し、説明を省略する。
(Embodiment 5)
The shape and function of the refractive index adjusting member of the dental
図11は、実施の形態5における屈折率調整部材の形状および機能を示す説明図である。図11に示すように、この発明にかかる実施の形態5の歯垢検出歯ブラシ100は、屈折率調整部材1101を備えている。屈折率調整部材1101は、光導波路部材を実現する第2の光導波路204の外周側、および、バンドパスフィルタ205と第2の光導波路204との間に設けられている。すなわち、屈折率調整部材1101は、第2の光導波路204の外周側に設けられた屈折率調整部材1101aと、バンドパスフィルタ205と第2の光導波路204との間に設けられた屈折率調整部材1101bと、によって構成されている。
FIG. 11 is an explanatory diagram showing the shape and function of the refractive index adjusting member in the fifth embodiment. As shown in FIG. 11, the
屈折率調整部材1101bは、バンドパスフィルタ205と第2の光導波路204との間において、バンドパスフィルタ205と第2の光導波路204との間に充填されている。このため、バンドパスフィルタ205と第2の光導波路204との間には、空気などの外周雰囲気が介在していない。
The refractive
屈折率調整部材1101において、屈折率調整部材1101aと屈折率調整部材1101bとは、一体に形成されていることが好ましい。屈折率調整部材1101aおよび屈折率調整部材1101bが一体に形成された屈折率調整部材1101は、具体的には、たとえば、第2の光導波路204の外周側、および、第2の光導波路204におけるバンドパスフィルタ205側の端面に屈折率マッチングオイルを塗布(あるいは成膜)することによって一体に形成することができる。
In the refractive
これにより、第2の光導波路204の外周側、および、バンドパスフィルタ205と第2の光導波路204との間に、屈折率調整部材1101を容易に形成することができる。この場合、屈折率調整部材1101を形成する材料は、第2の光導波路204の外表面全体を覆うように設けてもよい。
Thereby, the refractive
屈折率調整部材1101aおよび屈折率調整部材1101bが一体とされた屈折率調整部材1101は、上記のように、屈折率マッチングオイルなどのような液体の材料に代えて、固体の材料を用いて形成してもよい。このような屈折率調整部材1101を形成する材料は、第2の光導波路204の外周側、および、バンドパスフィルタ205と第2の光導波路204との間に設ける時点においては液体の態様をなし、所定の方法を用いて乾燥あるいは硬化させることによって固体の態様をなす材料であってもよい。
The refractive
このような歯垢検出部200の組み付けに際しては、たとえば、屈折率マッチングオイルを塗布した第2の光導波路204にバンドパスフィルタ205を接触させるように組み付ける。あるいは、たとえば、第2の光導波路204とバンドパスフィルタ205とを所定の位置関係に配置した状態で、第2の光導波路204の外周面に屈折率マッチングオイルを塗布するとともに、第2の光導波路204とバンドパスフィルタ205との間に屈折率マッチングオイルを充填することによって、歯垢検出部200の組み付けをおこなってもよい。
When assembling such a
(導光の原理)
つぎに、屈折率調整部材1101による導光の原理について説明する。図12は、屈折率調整部材1101による導光の原理を示す説明図である。図12において、屈折率調整部材1101は、上述した実施の形態1〜4と同様に、屈折率が、第2の光導波路204を形成する材料よりも低く、屈折率調整部材1101より外周側の屈折率よりも高い材料を用いて形成されている。
(Principle of light guide)
Next, the principle of light guide by the refractive
第2の光導波路204からバンドパスフィルタ205側に出射する蛍光の出射角をθ0とし、第2の光導波路204の屈折率をn1とした場合、屈折率調整部材1101aおよび屈折率調整部材1101bによって構成される屈折率調整部材1101の屈折率nは、下記数式(6)を満たす範囲の値に定められる。
出射角θ0は、第2の光導波路204から出射される蛍光のうち、バンドパスフィルタ205に入射する蛍光の入射角が、設計上想定する角度範囲内となるように出射される蛍光の最大の出射角(最大出射角)を示す。屈折率調整部材1101の屈折率nを、上記数式(6)を満たす範囲の値とすることにより、第2の光導波路204と屈折率調整部材1101との界面に入射した蛍光のうち、第2の光導波路204からの最大の出射角がθ0となる時の入射角である臨界角θCよりも大きい角度θiで入射した蛍光は、第2の光導波路204の外周面から第2の光導波路204の外部へ透過し、当該界面において臨界角θCよりも小さい角度θr’で入射する蛍光のみが反射されて第2の光導波路204内を伝搬して、バンドパスフィルタ205へ出射される。
The emission angle θ 0 is the maximum of the fluorescence emitted from the second
屈折率調整部材1101は、第2の光導波路204におけるバンドパスフィルタ205側の端面に接しており、第2の光導波路204とバンドパスフィルタ205との間に挟まれている。上記のように、バンドパスフィルタ205と第2の光導波路204との間に、空気などの外周雰囲気が介在していないため、上記数式(3)すなわち上記数式(3)’における、屈折率調整部材1101より外側の媒質の屈折率n0は、n0=nとなる。
The refractive
このため、屈折率調整部材1101の屈折率nは、上記数式(6)によって示すように、屈折率調整部材1101より外側の媒質の屈折率の影響を受けない。
Therefore, the refractive index n of the refractive
このように、屈折率調整部材1101bを屈折率マッチング材料として機能させることにより、屈折率調整部材1101より外側の媒質が、たとえば、空気などのように、屈折率調整部材1101の屈折率nよりも屈折率の小さい媒質である場合よりも、バンドパスフィルタ205への入射角を小さくすることができる。
In this way, by causing the refractive
バンドパスフィルタ205への入射角を小さくすることにより、ある角度範囲の光をバンドパスフィルタ205に入射させる際に、第2の光導波路204から出射された光を屈折率調整部材1101の屈折率nよりも屈折率の小さい媒質を介してバンドパスフィルタ205に入射させる場合よりもより多くの光を、バンドパスフィルタ205に入射させることができ、光利用効率の向上を図ることができる。また、バンドパスフィルタ205への入射角を小さくすることにより、波長シフトの影響を小さくすることができる効果を得ることができる。これにより、ノイズ成分を低減し、目的とする波長帯の光のみをフィルタリングした光強度を検出できる。
By reducing the incident angle to the
歯垢検出部200においては、第2の光導波路204に入射した光のうち、第2の光導波路204の出射面に直接達し、出射角θ0以下の角度での出射光を除いた光を、すべて、少なくとも1回、第2の光導波路204と屈折率調整部材1101との界面へ入射させるため、屈折率調整部材1101は、第2の光導波路204の径をφとした場合に、第2の光導波路204の外周面を覆う位置における、第2の光導波路204の長さ方向(ミラー202からバンドパスフィルタ205へ向かう方向)における長さdが、上記数式(4)すなわち上記数式(4)’において、屈折率n0をnとした式で示す長さ以上となるように設ける。
すなわち、屈折率調整部材1101は、屈折率調整部材1101bの第2の光導波路204の長さ方向における寸法を含まず、第2の光導波路204の外周面を覆う屈折率調整部材1101aの長さdが、上記数式(7)で示す長さ以上となるように設ける。このため、第2の光導波路204の長さ方向における屈折率調整部材1101の全体寸法は、dで示す長さよりも長い。
That is, the refractive
屈折率調整部材1101は、屈折率調整部材1101aの外表面を、光を散乱させる形状(散乱構造)としてもよい。これにより、上述した実施の形態2における屈折率調整部材501と同様に、第2の光導波路204の外周面から屈折率調整部材1101への漏れ光を散乱させ、屈折率調整部材1101の外表面において反射する成分を低減することができる。
The refractive
あるいは、屈折率調整部材1101は、屈折率調整部材1101aの形状を、蛍光の出射側すなわちバンドパスフィルタ205側ほど外径が小さくなるテーパ形状としてもよい。これにより、実施の形態3における屈折率調整部材601と同様に、第2の光導波路204の外周面から屈折率調整部材1101に入射した光を、テーパ形状をなす屈折率調整部材1101の外表面であるテーパ面から屈折率調整部材1101の外へ放出することができる。
Alternatively, the refractive
あるいは、屈折率調整部材1101における屈折率調整部材1101aの外表面に、当該外表面を覆う光吸収材を設け、第2の光導波路204の外周面から屈折率調整部材1101への漏れ光を光吸収材によって吸収させるようにしてもよい。図13は、屈折率調整部材1101aの外表面に光吸収材を設けた一例を示す説明図である。
Alternatively, a light absorbing material covering the outer surface is provided on the outer surface of the refractive
図13に示すように、屈折率調整部材1101aの外表面に光吸収材1300を設けることにより、屈折率調整部材1101aが外表面において空気などの外周雰囲気と接している場合のように、第2の光導波路204に入射した光が、屈折率調整部材1101と外周雰囲気との界面において反射して第2の光導波路204に戻ってしまうことを抑制することができる。
As shown in FIG. 13, by providing the
また、屈折率調整部材1101を第2の光導波路204の外表面全体を覆うように設ける場合、屈折率調整部材1101におけるミラー202側の端面とミラー202との間に、屈折率調整部材1101を充填するように設けてもよい。これにより、ミラー202と第2の光導波路204との間に空気などの外周雰囲気が存在しないため、外周雰囲気の屈折率n0の影響を受けることなく、ミラー202から第2の光導波路204へ導光することができる。
Further, when the refractive
以上説明したように、この発明にかかる実施の形態5の光学装置を実現する歯垢検出部200は、光導波路部材を実現する第2の光導波路204の外周面を覆う屈折率調整部材1101a(あるいは、屈折率調整部材301、501、601、704またはクラッド802)と、バンドパスフィルタ205と第2の光導波路204との間に設けられた屈折率調整部材1101bと、を備えた屈折率調整部材1101を備えていることを特徴としている。
As described above, the
また、この発明にかかる実施の形態5の光学装置を実現する歯垢検出部200は、バンドパスフィルタ205と第2の光導波路204との間に設けられた屈折率調整部材1101bが、バンドパスフィルタ205と第2の光導波路204との間に充填されていることを特徴としている。
Further, the
また、この発明にかかる実施の形態5の光学装置を実現する歯垢検出部200は、屈折率調整部材1101aと、屈折率調整部材1101bとが、一体に形成されていることを特徴としている。
Further, the
また、この発明にかかる実施の形態5の光学装置を実現する歯垢検出部200は、屈折率調整部材1101の屈折率nが、第2の光導波路204からバンドパスフィルタ205側に出射する蛍光の出射角をθ0とし、屈折率調整部材1101より外側の媒質の屈折率をn0とし、第2の光導波路204の屈折率をn1とした場合、
ここで、蛍光のように、指向性を持たずにあらゆる角度に広がる光を、屈折率調整部材1101bを備えていない第2の光導波路204に入射する場合、角度が大きい光もバンドパスフィルタ205に出射されることとなる。バンドパスフィルタ205に角度が大きい光が入射すると、波長シフトにより透過波長帯は短波長へシフトしてしまう。
Here, when light that does not have directivity and spreads at any angle, such as fluorescence, enters the second
歯垢検出部200においては、バンドパスフィルタ205に角度が大きい光が入射した場合、歯垢からの蛍光成分を含まない光が第2の光導波路204を導光して、バンドパスフィルタ205に出射される。このため、バンドパスフィルタ205においては、歯垢からの蛍光成分を含まない光を含む光の強度が検出される。歯垢からの蛍光成分を含まない光はノイズであって不要な成分であるため、バンドパスフィルタ205に角度が大きい光が入射することは、結果としてノイズを大きくすることとなる。なお、レンズ等で光の広がりを制限することができるが、部品点数の増加や装置サイズを大型化してしまうため、好ましくない。
In the
歯垢の蛍光は微弱であるため、ノイズが大きいと蛍光の信号がノイズに埋もれてしまい、目的とする蛍光強度を測定できないおそれがある。このため、第2の光導波路204を導光して、バンドパスフィルタ205に出射される光においては、ノイズ成分となる角度が大きい光の成分をできるだけ小さくする、すなわち、ノイズ成分をカットすることが好ましい。
Since the fluorescence of dental plaque is weak, if the noise is large, the fluorescence signal is buried in the noise, and the target fluorescence intensity may not be measured. For this reason, in the light that is guided through the second
この発明にかかる実施の形態5の歯垢検出部200によれば、光導波路部材を実現する第2の光導波路204の外周側、および、バンドパスフィルタ205と第2の光導波路204との間に屈折率調整部材1101bを設けることにより、実施の形態1〜4の歯垢検出部200が奏する効果に加えて、第2の光導波路204からバンドパスフィルタ205側に出射する光の、バンドパスフィルタ205への入射角を一層小さく抑えることができる。
According to the
これにより、バンドパスフィルタ205における入射角依存性に起因して不要な波長成分が伝播されることを抑え、目的の波長のみを伝播することができる。そして、これによって、狭スペクトル幅の光の検出感度を一層向上させることができる。
Thereby, it is possible to suppress propagation of an unnecessary wavelength component due to the incident angle dependency in the
また、この発明にかかる実施の形態5の歯垢検出部200によれば、第2の光導波路204の外周側、および、バンドパスフィルタ205と第2の光導波路204との間に屈折率調整部材1101を設けるという簡易な構成によって実現することができるため、歯垢検出部200の小型化、および、歯垢検出部200を搭載する歯垢検出歯ブラシ100の小型化を図ることができる。
Further, according to the
また、この発明にかかる実施の形態5の歯垢検出部200によれば、第2の光導波路204とバンドパスフィルタ205との間に屈折率調整部材1101を充填することにより、第2の光導波路204とバンドパスフィルタ205との間には空気などの外周雰囲気が存在しないため、第2の光導波路204からバンドパスフィルタ205側へ出射した光を、屈折率調整部材1101より外側の媒質の屈折率n0の影響を受けることなくバンドパスフィルタ205へ入射させることができる。
Further, according to the
これにより、たとえば、第2の光導波路204におけるバンドパスフィルタ205側の面と、バンドパスフィルタ205における光の入射面とに傾きが生じた場合にも、第2の光導波路204とバンドパスフィルタ205との間に空気などの外周雰囲気が存在する場合と比較して、バンドパスフィルタ205への入射角を小さく抑えることができる。
Thereby, for example, even when the surface of the second
そして、このように構成することにより、第2の光導波路204とバンドパスフィルタ205との間に空気などの外周雰囲気が存在する構成よりも、第2の光導波路204およびバンドパスフィルタ205の組み付け時における第2の光導波路204とバンドパスフィルタ205との位置関係の自由度の向上を図ることができる。
With this configuration, the second
図14は、第2の光導波路204およびバンドパスフィルタ205の位置関係を示す説明図である。図14(a)に示すように、第2の光導波路204およびバンドパスフィルタ205との間に屈折率調整部材1101bがない場合、バンドパスフィルタ205への入射角は空気などの外周雰囲気の影響を受けるため、第2の光導波路204およびバンドパスフィルタ205との位置関係によっては、バンドパスフィルタ205に入射する蛍光の入射角が設計上想定する角度範囲を逸脱してしまうことが想定される。
FIG. 14 is an explanatory diagram showing the positional relationship between the second
これに対し、図14(b)に示すように、第2の光導波路204およびバンドパスフィルタ205との間に屈折率調整部材1101bを充填することにより、第2の光導波路204およびバンドパスフィルタ205との位置関係にかかわらず、空気などの外周雰囲気の影響を受けることなく、バンドパスフィルタ205に入射する蛍光の入射角が設計上想定する角度範囲内に収めることができる。
On the other hand, as shown in FIG. 14B, the refractive
このように、第2の光導波路204およびバンドパスフィルタ205との間に屈折率調整部材1101bを充填することにより、屈折率調整部材1101bを備えていない歯垢検出部200と比較して、第2の光導波路204とバンドパスフィルタ205との相対的な位置関係にがたつきが生じた場合にも、狭スペクトル幅の光の検出感度を維持することができる。また、これにより、歯垢検出部200の製造における歩留まりの向上を図ることができる。
Thus, by filling the refractive
また、第2の光導波路204およびバンドパスフィルタ205との間に屈折率調整部材1101bを充填することにより、第2の光導波路204から出射された光を屈折率調整部材1101の屈折率nよりも屈折率の小さい媒質を介してバンドパスフィルタ205に入射させる場合よりもより多くの光を、バンドパスフィルタ205に入射させることができる。そして、これによって、狭スペクトル幅の光の検出感度を向上させることができる。
Further, the refractive
また、この発明にかかる実施の形態5の歯垢検出部200によれば、屈折率調整部材1101aと屈折率調整部材1101bとが一体に形成されているため、第2の光導波路204に屈折率調整部材1101を設ける際の高い作業性を確保することができる。具体的には、たとえば、組み付けの際の作業負担や部品点数の増加を抑えることにより、高い作業性を確保することができる。
Further, according to the
また、この発明にかかる実施の形態5の歯垢検出部200によれば、第2の光導波路204からバンドパスフィルタ205側に出射する蛍光の出射角をθ0とし、屈折率調整部材1101より外側の媒質の屈折率をn0とし、前記光導波路部材の屈折率をn1とした場合に、上記の(6)式によって示される屈折率nの屈折率調整部材1101を用いることにより、第2の光導波路204と屈折率調整部材1101との界面において、臨界角θCよりも大きい角度θi’で入射する蛍光のみを反射させて第2の光導波路204内を伝搬させ、かつ、空気などの外周雰囲気の影響を受けることなくバンドパスフィルタ205へ入射させることができる。これにより、バンドパスフィルタ205への入射角を小さくして、光利用効率の向上を図ることができる。
Further, according to the
このように、この発明にかかる実施の形態の歯垢検出部200によれば、バンドパスフィルタ205への入射角を小さくして、光利用効率の向上を図ることができる。また、狭スペクトル幅の光の検出感度を向上させるとともに、歯垢検出部200および歯垢検出歯ブラシ100の小型化を図ることができる。
As described above, according to the
以上のように、この発明にかかる光学装置は、狭スペクトル幅の光を検出する光学装置に有用であり、特に、歯ブラシに組み込まれて用いられる光学装置に適している。 As described above, the optical device according to the present invention is useful for an optical device that detects light having a narrow spectral width, and is particularly suitable for an optical device that is incorporated in a toothbrush.
100 歯垢検出歯ブラシ
110 本体部(ハンドル)
112 電源
113 励起光光源
114 同軸光学系
115,206 受光素子
116 制御回路
117 報知装置
201 フィルタ
202 ミラー
203 第1の光導波路
204 第2の光導波路
205 バンドパスフィルタ
301、501、601、704、1101、1101a、1101b 屈折率調整部材
701、702、703 光導波路
800 光ファイバ
801 コア
802 クラッド
100 Dental
DESCRIPTION OF
Claims (11)
前記バンドパスフィルタを透過した光を受光する受光素子と、
検出対象から生じる蛍光を導波して前記バンドパスフィルタに導波する光導波路と、
前記光導波路を構成する光導波路部材の外周面を覆う屈折率調整部材と、
を備え、
前記屈折率調整部材で全反射する前記蛍光が、前記バンドパスフィルタに入射することを特徴とする光学装置。 A bandpass filter that transmits light in a predetermined wavelength range;
A light receiving element that receives light transmitted through the bandpass filter;
An optical waveguide that guides the fluorescence generated from the detection target and guides it to the bandpass filter;
A refractive index adjusting member covering an outer peripheral surface of the optical waveguide member constituting the optical waveguide;
With
The optical apparatus, wherein the fluorescence totally reflected by the refractive index adjusting member is incident on the bandpass filter.
n1>n>n1*sin(acos(n0/n1*sin(θ0)))
によって示されることを特徴とする請求項1に記載の光学装置。 The refractive index n of the refractive index adjusting member is defined such that the emission angle of fluorescence emitted from the optical waveguide member to the bandpass filter side is θ 0, and the refractive index of the medium outside the refractive index adjusting member is n 0 , If the refractive index of the optical waveguide member and a n 1,
n 1 >n> n 1 * sin (acos (n 0 / n 1 * sin (θ 0 )))
The optical device according to claim 1, characterized by:
長さd=φ/(tan(π/2−acos(n0/n1*sin(θ0))))
よりも長くなるように設けられていることを特徴とする請求項2または6に記載の光学装置。 The refractive index adjusting member that covers the outer peripheral surface of the optical waveguide member, when the diameter of the optical waveguide member is φ, in the direction of fluorescence guided by the optical waveguide member,
Length d = φ / (tan (π / 2-acos (n 0 / n 1 * sin (θ 0 ))))
The optical device according to claim 2, wherein the optical device is provided so as to be longer.
前記励起光光源から出射された励起光を検出対象に照射する照射光学系と、
を備え、
前記バンドパスフィルタは、前記照射光学系によって励起光が照射された検出対象から生じた蛍光のうち635nm付近にピークを有する蛍光を透過することを特徴とする請求項1〜9のいずれか一つに記載の光学装置。 At least one excitation light source that emits excitation light including a wavelength near 405 nm;
An irradiation optical system for irradiating a detection target with excitation light emitted from the excitation light source;
With
The said band pass filter permeate | transmits the fluorescence which has a peak in the vicinity of 635 nm among the fluorescence produced from the detection target irradiated with the excitation light by the said irradiation optical system. An optical device according to 1.
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Cited By (1)
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|---|---|---|---|---|
| US12009380B2 (en) * | 2018-12-21 | 2024-06-11 | Ams Sensors Belgium Bvba | Pixel of a semiconductor image sensor and method of manufacturing a pixel |
-
2018
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