(57)【要約】【課題】必要な波長帯域の光を高精度に分光し、かつ、小型化を図ることができる分光器を得ること。【解決手段】所定の波長帯域の光を透過するバンドパスフィルター３０２と、バンドパスフィルター３０２を透過した光を受光するイメージセンサー３０４と、を備え、イメージセンサー３０４における受光位置と、各受光位置における光の強度と、に基づいて、バンドパスフィルター３０２を透過した光のスペクトルを取得するようした分光器２０６を構成した。【選択図】図５
2018165708.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の波長帯域の光を透過するバンドパスフィルターと、
前記バンドパスフィルターを透過した光を受光するイメージセンサーと、
前記イメージセンサーにおける受光位置と、各受光位置における光の強度と、に基づいて、前記バンドパスフィルターを透過した光のスペクトルを取得する取得部と、
を備えたことを特徴とする分光装置。
【請求項２】
前記取得部は、前記イメージセンサー上に生じたリングの強度を当該リングの半径ごとに積算することにより、前記バンドパスフィルターを透過した光に含まれるスペクトルを取得することを特徴とする請求項１に記載の分光装置。
【請求項３】
前記各受光位置のうちの特定の受光位置における光の強度に基づいて、検出対象物質の有無を判定する判定部を備えたことを特徴とする請求項１または２に記載の分光装置。
【請求項４】
前記判定部による判定結果を報知する報知部を備えたことを特徴とする請求項３に記載の分光装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、限定された波長範囲の光を高精度に分光する分光装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、光源から照射した光に応じて、歯牙から支配的に生じる波長５５０ｎｍの蛍光の蛍光強度と、歯垢から生じる波長６３６ｎｍ、６７３ｎｍおよび７００ｎｍのなどの歯垢に特徴的な蛍光の蛍光強度とを比較する技術があった。具体的には、従来、たとえば、照射器具から少なくとも１つの歯に向かって３６０ｎｍ乃至５８０ｎｍのスペクトルレンジの放射線を放射し、歯により反射された放射線を少なくとも１つのフィルタを用いて６２０ｎｍ以上のスペクトルレンジを透過させ、フィルタを透過した放射線を齲蝕歯の検出のために利用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。）。
【０００３】
関連する技術として、具体的には、従来、たとえば、信号光の入射角度により分光する波長帯域が変化する分光素子に対して、コリメート光学系により略平行光とした信号光の入射角度を変化させて分光し、分光された信号光を受光器によって検出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。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特公平６−７３５３１号公報
【特許文献２】特開２０１６−１２８８１１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上述した従来の技術は、蛍光のスペクトルを測定するために必要な分光器に回折格子を用いているため小型化することが難しく、歯ブラシなどの小型化が要求される装置に組み込むことが困難であるという問題があった。また、回折格子を用いた分光器を用いる場合、構造が複雑化し、製造コストがかかるという問題があった。
【０００６】
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、必要な波長帯域の光を高精度に分光し、かつ、小型化を図ることができる分光装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上述した課題を解決し、目的を達成するため、この発明にかかる分光装置は、所定の波長帯域の光を透過するバンドパスフィルターと、前記バンドパスフィルターを透過した光を受光するイメージセンサーと、前記イメージセンサーにおける受光位置と、各受光位置における光の強度と、に基づいて、前記バンドパスフィルターを透過した光のスペクトルを取得する取得部と、を備えたことを特徴とする。
【０００８】
また、この発明にかかる分光装置は、上記の発明において、前記取得部が、前記イメージセンサー上に生じたリングの強度を当該リングの半径ごとに積算することにより、前記バンドパスフィルターを透過した光に含まれるスペクトルを取得することを特徴とする。
【０００９】
また、この発明にかかる分光装置は、上記の発明において、前記各受光位置のうちの特定の受光位置における光の強度に基づいて、検出対象物質の有無を判定する判定部を備えたことを特徴とする。
【００１０】
また、この発明にかかる分光装置は、上記の発明において、前記判定部による判定結果を報知する報知部を備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
この発明にかかる分光装置によれば、必要な波長帯域の光を高精度に分光し、かつ、小型化を図ることができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】歯垢検出歯ブラシの構成を示す説明図である。
【図２】歯垢検出部の構成で特に同軸光学系を詳細に示す説明図である。
【図３】分光器の構成を示す説明図である。
【図４Ａ】バンドパスフィルターの特性を示す説明図（その１）である。
【図４Ｂ】バンドパスフィルターの特性を示す説明図（その２）である。
【図５】分光器の動作原理とイメージセンサーで取得される受光イメージと受光イメージから得られる波長スペクトルを示す説明図である。
【図６】分光器の分解能の概念を示す説明図である。
【図７】角度分解能Δθと分割数Ｎｒｅｓとの関係を示す説明図である。
【図８】分光器の機能的構成を示す説明図である。
【図９】歯垢量の計算方法の概念を示す説明図（その１）である。
【図１０】歯垢量の計算方法の概念を示す説明図（その２）である。
【図１１】歯垢量の計算方法の概念を示す説明図（その３）である。
【図１２】分光器の処理手順を示すフローチャートである。
【図１３】蛍光強度の入射角度依存性のデータテーブルを示す説明図である。
【図１４】蛍光強度の波長依存性のデータテーブルを示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下に添付図面を参照して、この発明にかかる分光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、この発明にかかる分光装置を備えた歯垢検出歯ブラシについて説明する。
【００１４】
（歯垢検出歯ブラシの構造）
まず、この発明にかかる判定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。
【００１５】
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、分光器２０６、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。
【００１６】
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、３５０ｎｍ〜４３０ｎｍの励起光を出射する。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牙の蛍光を分光器２０６に導く。
【００１７】
分光器２０６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。
【００１８】
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、分光器２０６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。
【００１９】
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歯垢量を振動で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。
【００２０】
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。
【００２１】
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は、歯ブラシヘッド１２２が支持する複数の繊維１２４の先端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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。歯垢から生じる蛍光は、波長帯域６００ｎｍ付近において小さくなる。
【００２４】
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。
【００２５】
（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、歯垢検出部は、励起光光源１１３と、ショートパスフィルター（ＳＰＦ：Ｓｈｏｒｔ  Ｐａｓｓ  Ｆｉｌｔｅｒ）２０１と、ミラー２０２と、第１の光導波路２０３と、レンズ２０４と、第２の光導波路２０５と、分光器２０６と、制御回路１１６と、によって構成されている。
【００２６】
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によって実現することができる。ショートパスフィルター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、ショートパスフィルター２０１は、励起光光源１１３の波長６３５ｎｍ付近の赤色成分を遮断する。
【００２７】
ミラー２０２は、ショートパスフィルター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、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、光ファイバーによって実現することができる。
【００２８】
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（ミラー２０２とは反対側の端部）に設けられたレンズ２０４を介して、歯垢検出歯ブラシ１００の外部に出射され、使用者が歯牙２１０に照射する。歯牙２１０に歯垢２１１が付着している場合には、レンズ２０４を介して出射された励起光は歯牙２１０および歯垢２１１に照射される。
【００２９】
歯牙２１０や歯垢２１１から生じた蛍光は、レンズ２０４を介して第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２０５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。
【００３０】
第２の光導波路２０５は、ミラー２０２を透過した蛍光、すなわち、歯牙２１０や歯垢２１１から生じた蛍光を分光器２０６に導く。分光器２０６は、この発明にかかる分光装置を実現する。第２の光導波路２０５は、光ファイバーによって実現することができる。分光器２０６は、第２の光導波路２０５から導かれた蛍光を分光し、分光により得られる分光データを制御回路１１６に出力する。
【００３１】
（分光器２０６の構成）
つぎに、分光器２０６の構成について説明する。図３は、分光器２０６の構成を示す説明図である。図３において、分光器２０６は、スリット部材３０１と、バンドパスフィルター３０２と、誘電多層膜３０３と、イメージセンサー３０４と、を備えている。スリット部材３０１は、所定の開口径で開口するスリット（孔）３０１ａと散乱体３０１ｂを備えている。第２の光導波路２０５から出射される蛍光を、スリット３０１ａを介してバンドパスフィルター３０２に出射することにより、スリット３０１ａを点光源に近似した光源に変換することができる。
【００３２】
第２の光導波路２０５から出射される蛍光は、波長によって伝播する角度が偏っている可能性があるので、角度が偏っていると、特定の入射角の蛍光の強度が他の入射角の蛍光の強度に比べて増してしまい、正しい分光結果が得られない。
【００３３】
分光器２０６においては、散乱体３０１ｂを用いることにより、角度分布の偏りを解消することができる。第２の光導波路２０５から導かれた蛍光を散乱体３０１ｂを用いてバンドパスフィルター３０２へ出射することにより、角度分布は、ほぼ、ランベルトの余弦則にしたがったランバーシャン分布、具体的には、θ方向の光強度ＩはＣｏｓ（θ）に比例する。
【００３４】
バンドパスフィルター３０２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。この実施の形態のバンドパスフィルター３０２は、６３５ｎｍ付近の波長の光を透過する。バンドパスフィルター３０２が透過する光の波長は、６３５ｎｍ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。バンドパスフィルター３０２は、入射角依存性が高く、入射角度によって透過波長が異なるという光学特性を有する。
【００３５】
誘電多層膜３０３は、バンドパスフィルター３０２におけるイメージセンサー側の面に設けられている。誘電多層膜３０３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、特定範囲の波長の光を透過し、他の波長の光を通さない。これにより、所望の波長の光の反射を防止し、所望の波長の光をイメージセンサー３０４側に効率よく出射することができる。
【００３６】
具体的に、誘電多層膜３０３は、光の干渉効果により波長を選択的に透過する入射角度依存性を有しており、バンドパスフィルター３０２を透過して誘電多層膜３０３を透過する光の波長は、入射角度によって異なるため、イメージセンサー３０４に対して、入射角度ごとに異なる波長の光を入射させることができる。
【００３７】
イメージセンサー３０４は、受光した光を電荷に変換し、受光量に応じた信号（分光データ）を制御回路１１６（図２参照）に対して出力する。イメージセンサー３０４は、具体的には、受光位置の光の強度を示す信号を出力する。イメージセンサー３０４は、たとえば、ＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ  Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｄｅｖｉｃｅ）センサやＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ  Ｍｅｔａｌ−Ｏｘｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）センサなどのイメージセンサーによって実現することができる。
【００３８】
制御回路１１６は、イメージセンサー３０４から出力される信号（分光データ）に基づいて、バンドパスフィルター３０２を透過した光のスペクトルを演算する。この実施の形態においては、分光データは、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によって演算しているが、これに限るものではない。分光器２０６に専用の演算回路（マイクロコンピュータ等）を備えていてもよい。
【００３９】
（バンドパスフィルター３０２の特性）
つぎに、バンドパスフィルター３０２の特性について説明する。図４Ａおよび図４Ｂは、バンドパスフィルター３０２の特性を示す説明図である。図４Ａおよび図４Ｂにおいては、歯垢検出歯ブラシ１００に用いるバンドパスフィルター３０２の特性の一例を示している。
【００４０】
図４Ａにおいては、透過波長６３６ｎｍ、通過波長幅１０ｎｍのバンドパスフィルター３０２に白色光を入射した際に、入射角度を−４５度から＋４５度までの範囲で５度ずつ変化させた時の、バンドパスフィルター３０２の透過スペクトルを任意スケールで示している。図４Ｂにおいては、−４５度から＋４５度までの範囲で５度ずつ変化させた各入射角における透過率のピーク強度から求めた、バンドパスフィルター３０２の通過波長ピークの入射角依存性を示している。
【００４１】
図４Ａおよび図４Ｂに示すように、バンドパスフィルター３０２は、通常、バンドパスフィルター３０２に対して垂直（０度）に平行光を入射した場合に所望の透過特性が得られ、逆に、入射角度が垂直（０度）に対して傾いた場合には、一般的に、透過波長が短波長側にずれる特性を示す。バンドパスフィルター３０２は、このような入射角度依存性を示す。
【００４２】
（分光器２０６の動作原理）
つぎに、分光器２０６の動作原理について説明する。図５は、分光器２０６の動作原理とイメージセンサー３０４で取得される受光イメージと受光イメージから得られる波長スペクトルを示す説明図である。図５において、第２の光導波路２０５からスリット３０１ａ（散乱体３０１ｂ）を介して、ランバーシャン分布で広がった蛍光は、光軸に対しても回転対称の強度分布を持った状態であらゆる方向に放射され、バンドパスフィルター３０２に様々な角度で入射する。
【００４３】
バンドパスフィルター３０２を透過する光は、６３５ｎｍを含む所定範囲に制限された波長範囲の光であって、バンドパスフィルター３０２に対する入射角度によって波長が異なる。具体的には、バンドパスフィルター３０２が透過させる波長６３５ｎｍを含む範囲の光のうち、たとえば、波長６３５ｎｍの光は、入射角１５度でバンドパスフィルター３０２に入射した光だけが、バンドパスフィルター３０２を透過してイメージセンサー３０４に到達する。
【００４４】
スリット３０１ａ（散乱体３０１ｂ）を通過した光は、一定の強度分布を持った状態であらゆる方向に放射されているため、たとえば、入射角度が１５度でイメージセンサー３０４に到達した蛍光は、イメージセンサー３０４上においてリング状の受光イメージを描く。同様に、イメージセンサー３０４上では、イメージセンサー３０４に到達した入射角度に応じて半径が異なる複数のリング状の受光イメージが描かれる。このため、分光器２０６におけるイメージセンサー３０４上に生じたリングの強度を、半径ごと積算することにより、入射光に含まれる波長のスペクトルを得ることができる。
【００４５】
具体的には、受光イメージがリング状になることを観測方程式に組み込んだ最小二乗法を用いることで、受光イメージからリングの中心を求めることができ、Ｓ／Ｎ比の向上を図るとともに、第２の光導波路２０５とイメージセンサー３０４のアライメントを不要とすることができる。
【００４６】
バンドパスフィルター３０２を透過する光の透過波長と透過強度、半値幅（透過スペクトル形状）は、入射角度に応じて変化する。具体的には、バンドパスフィルター３０２に対する入射角度が増加すると、透過率が減少する。ただし、入射角度に応じて、スリット３０１ａからイメージセンサー３０４上での受光位置までの距離および受光位置での入射角が異なるので、イメージセンサー３０４で得られた分光データから波長のスペクトルを演算で求める際には、入射角度依存性を補償するための校正データが必要となる。
【００４７】
入射角度依存性を補償するための校正データは、たとえば、白色光を分光器に入射した際に得られるイメージセンサーの各画素の受光データから、バンドパスフィルター３０２の入射角度に対する受光量を校正テーブルとして、制御回路１１６を実現するマイクロコンピュータを構成するメモリなどにあらかじめ記憶しておく。
【００４８】
（分光器２０６の分解能）
つぎに、分光器２０６の分解能について説明する。図６は、分光器２０６の分解能の概念を示す説明図である。図６において、分光器２０６の分解能は、スリット３０１ａの幅（穴のサイズ）と、スリット３０１ａからイメージセンサー３０４までの距離、イメージセンサー３０４のサイズに基づいて定めることができる。
【００４９】
スリット３０１ａとイメージセンサー３０４との距離をＬ、イメージセンサー３０４のサイズをＳ、スリット３０１ａの径をＤとすると、スリット３０１ａから出射した光がイメージセンサー３０４上の点Ｐ（高さｈ）に到達するときの光線がバンドパスフィルター３０２を通過する際の角度（入射角度θ）は、以下に示す数式（１）〜（５）に基づいて算出することができる。
【００５０】
スリット３０１ａ上端から出た光線がバンドパスフィルター３０２を通過する際の角度をθ1とすると、θ1は数式（１）により求められる。
θ1＝Ｔａｎ-1・（ｈ−Ｄ／２）／Ｌ    ・・・（１）
【００５１】
スリット３０１ａ下端から出た光線がバンドパスフィルター３０２を通過する際の角度をθ2とすると、θ2は数式（２）により求められる。
θ2＝Ｔａｎ-1・（ｈ＋Ｄ／２）／Ｌ    ・・・（２）
【００５２】
入射角度の誤差をΔθとすると、Δθは数式（３）により求められる。
Δθ＝θ2−θ1
＝Ｔａｎ-1・（ｈ＋Ｄ／２）／Ｌ−Ｔａｎ-1・（ｈ＋Ｄ／２）／Ｌ
・・・（３）
【００５３】
スリット３０１ａから出射した光がイメージセンサー３０４上の点Ｐに到達するときの光線がバンドパスフィルター３０２を通過する際の入射角度θは数式（４）により求められる。
入射角度θ＝Ｔａｎ-1・ｈ／Ｌ          ・・・（４）
【００５４】
したがって、何点の波長に分割できるかを示す分割数をＮresとすると、Ｎresは数式（５）により求められる。
Ｎres＝Δθ／θmax                    ・・・（５）
【００５５】
ここで、θmaxは、イメージセンサー３０４に対する最大入射角であって、数式（４）においてｈ＝Ｓ／２の場合の角度を示す。この最大入射角を広く取ることによって、分光器２０６が分光する波長範囲を広く確保することができる。なお、距離Ｌは、最大入射角とイメージセンサー３０４のサイズが決まれば、数式（４）に基づいて決定することができる。
【００５６】
上述した式によって、分光器２０６が測定する波長範囲は、バンドパスフィルター３０２への入射角度に基づいて設定することができる。たとえば、バンドパスフィルター３０２への入射角度を３０度に設定すると、３０ｎｍ程度の波長範囲を測定することができる。ここで、入射角度を広く取れば、より広い範囲の計測が可能になるが、同時にイメージセンサー３０４のサイズも大きくなる。分解能は、スリット３０１ａからイメージセンサー３０４までの距離に基づいて定めることができる。
【００５７】
（角度分解能Δθと分割数Ｎresとの関係）
つぎに、角度分解能Δθと分割数Ｎresとの関係について説明する。図７は、角度分解能Δθと分割数Ｎresとの関係を示す説明図である。図７においては、１／３インチのイメージセンサー３０４を用いて、当該イメージセンサー３０４に対する最大入射角が３０°になるように、スリット３０１ａから４．４０ｍｍの位置にイメージセンサー３０４を配置したときの角度分解能Δθと分割数Ｎresとを数式（１）〜（５）を用いて計算した計算結果をグラフにより示している。
【００５８】
角度分解能Δθは、イメージセンサー３０４の中心からの距離により変化するので、代表的な位置としてイメージセンサー３０４の中心から上端までの中間点付近（ｈ＝Ｓ／４）における値を用いた。イメージセンサー３０４のサイズＳは、縦横比４：３の１／３イメージセンサー３０４の短辺側のサイズを用いた。汎用的な１／３インチのイメージセンサー３０４を用いることにより、低コスト化を図ることができる。
【００５９】
図７に示すように、スリット３０１ａのサイズが小さいほど、分割数Ｎresが向上することがわかる。具体的には、たとえば、スリット３０１ａ径が０．８ｍｍである場合は３分割の分割数を得ることができ、スリット３０１ａ径が０．１ｍｍである場合は２５分割の分割数を得ることができる。
【００６０】
（分光器２０６の機能的構成）
つぎに、分光器２０６の機能的構成について説明する。図８は、分光器２０６の機能的構成を示す説明図である。図８において、分光器２０６の機能は、バンドパスフィルター３０２と、イメージセンサー３０４と、記憶部８０１と、取得部８０２と、判定部８０３と、報知部８０４と、を備えている。
【００６１】
バンドパスフィルター３０２は、上記のように、所定の波長帯域の光を透過する。イメージセンサー３０４は、上記のように、バンドパスフィルター３０２を透過した蛍光を受光する。記憶部８０１は、受光イメージがリング状になることを組み込んだ観測方程式、入射角度依存性を補償するための校正データなど、バンドパスフィルター３０２を透過した光のスペクトルの算出にかかる各種のデータを記憶している。
【００６２】
入射角度依存性を補償するための校正データは、入射角度θiと透過波長λiとの関係を示すテーブルや、入射角度に対する透過率の関係を示すテーブルが記憶するデータによって実現することができる。これらのテーブルは、あらかじめ実験などをおこなうことによって取得される。
【００６３】
また、記憶部８０１は、後述する処理（図１２を参照）をおこなうことによって作成される、蛍光強度の入射角度依存性のデータテーブル（図１３を参照）や、蛍光強度の波長依存性のデータテーブル（図１４を参照）などを記憶する。蛍光強度の入射角度依存性のデータテーブルは、イメージセンサー３０４から出力される信号（分光データ）に基づいて作成される。
【００６４】
蛍光強度の波長依存性のデータテーブルは、作成された蛍光強度の入射角度依存性のデータテーブルと、上記の校正データとに基づいて作成される。記憶部８０１は、制御回路１１６を実現するマイクロコンピュータを構成するメモリによって実現することができる。
【００６５】
取得部８０２は、イメージセンサー３０４によって受光された光の、イメージセンサー３０４における受光位置と、各受光位置における光の強度と、に基づいて、バンドパスフィルター３０２を透過した光のスペクトルを取得する。取得部８０２は、記憶部８０１によって記憶されている各種のデータを用いてバンドパスフィルター３０２を透過した光のスペクトルを計算することによって取得する。
【００６６】
具体的に、取得部８０２は、イメージセンサー３０４上に生じたリングごとの受光強度を当該リングの半径ごとに積算することにより、バンドパスフィルター３０２を透過した光に含まれるスペクトルを取得する。上記のように、受光イメージはリング状になるため、受光イメージがリング状になることを観測方程式に組み込んだ最小二乗法を用いることで、受光イメージからリングの中心を求めることができる。
【００６７】
これにより、第２の光導波路２０５とイメージセンサー３０４のアライメントを不要とすることができる。取得部８０２は、制御回路１１６を実現するマイクロコンピュータによって実現することができる。
【００６８】
受光イメージによって示される光は、イメージセンサー３０４に対して、波長ごとに同一円周上に入射するため、リングごとの受光強度を当該リングの半径ごとに積算することにより、バンドパスフィルター３０２を透過した光に含まれるスペクトルを取得することができる。
【００６９】
判定部８０３は、各入射位置のうちの特定の入射位置における蛍光の強度に基づいて、検出対象物質の有無を判定する。具体的に、判定部８０３は、波長６３５ｎｍ付近にピークを有する蛍光の強度に基づいて、歯牙２１０に付着した歯垢２１１の有無を判定する。歯垢２１１の有無は、歯牙２１０に付着している歯垢量に基づいて判定することができる。判定部８０３は、制御回路１１６を実現するマイクロコンピュータによって実現することができる。歯垢量は、たとえば、以下に示す方法によって計算することができる。
【００７０】
報知部８０４は、判定部８０３による判定結果を報知する。具体的に、報知部８０４は、判定部８０３による判定結果を、歯垢検出歯ブラシ１００の使用者が認識可能に報知する。報知部８０４は、報知装置１１７によって実現することができる。
【００７１】
（歯垢量の計算方法）
つぎに、歯垢量の計算方法について説明する。図９〜図１１は、歯垢量の計算方法の概念を示す説明図である。図９に示すように、歯牙２１０からの蛍光強度は、波長５２０ｎｍ付近においてピークを示し、波長が長くなるにしたがって低下する。これに対し、歯垢２１１が付着した歯牙２１０からの蛍光強度は、波長６３５ｎｍ付近においてピークを示す。
【００７２】
このため、歯垢２１１のピークを示す６３５ｎｍと、ピークの両端（立ち上がり、立ち下がり位置）の波長６２０ｎｍ、６５０ｎｍと、の３波長での蛍光強度がわかれば、波長６３５ｎｍの蛍光強度が、「（歯垢）＋（歯牙）の蛍光強度」を表し、６２０ｎｍと６５０ｎｍでの蛍光強度の平均値が「（歯牙）の蛍光強度」を表すと仮定して、以下に示す数式（６）、（７）により歯牙２１０と歯垢２１１の蛍光量を求めることができる。
【００７３】
歯牙の蛍光強度Ｐtooth＝（Ｉ６２０＋Ｉ６５０）／２    ・・・（６）
歯垢の蛍光Ｐplaque＝Ｉ６３５−Ｐtooth                ・・・（７）
【００７４】
なお、歯垢量は、ピークの端に該当する位置（たとえば、波長６２０ｎｍ）における蛍光強度と、ピークの頂点に該当する位置（たとえば、波長６３５ｎｍ）における蛍光強度と、の２つの波長ポイントを結んだ直線の傾きに基づいて求めることもできる。
【００７５】
歯垢２１１の蛍光スペクトルの形状から歯垢量を計算する場合、歯垢２１１から生じる蛍光強度がピークを示す波長６３５ｎｍと、ピークの両端位置（立ち上がり位置および立ち下がり位置）の波長６２０ｎｍ、６５０ｎｍと、を含む範囲の蛍光スペクトルを測定すればよい。具体的には、たとえば、図１０に示すように、歯垢２１１から生じる蛍光強度の波長６３５ｎｍを中心に、±１５ｎｍの波長範囲、すなわち波長６２０ｎｍ〜６５０ｎｍの波長範囲におけるスペクトルを測定することによって、歯垢２１１の蛍光強度のピークの形状を推定して歯垢量を推定することができる。
【００７６】
この場合、波長範囲（波長６２０ｎｍ〜６５０ｎｍ）の長波長側の波長６５０ｎｍのバンドパスフィルター３０２を用いることで、所望する波長範囲をカバーすることができる。たとえば、波長範囲３０ｎｍに対し、５ｎｍごとに７ポイントの分解能が得られれば、限られた波長範囲のスペクトル形状から、歯牙２１０と歯垢２１１の蛍光スペクトルを表現する、最大６個のパラメータを得ることができる。具体的には、たとえば、歯垢２１１のピーク波長λp、強度Ｉplaque、半値幅λw、歯垢２１１のピーク波長λpにおける歯牙２１０の蛍光強度Ｉtooth、歯牙２１０のスペクトルの波長に対する傾きα、の５個のパラメータを得ることにより、歯垢２１１の蛍光強度を詳細に把握することができる。
【００７７】
蛍光波長をλとした場合、歯牙２１０および歯垢２１１からの蛍光強度Ｉは、たとえば、以下に示す数式（８）の蛍光特性のフィッティング式によって表現することができる。蛍光特性のフィッティング式は、歯垢からの蛍光はガウス分布を、歯牙からの蛍光は傾きのある直線として近似したものであり、歯垢２１１のピーク波長λp、強度Ｉplaque、半値幅λw、歯垢２１１のピーク波長λpにおける歯牙２１０の蛍光強度Ｉtooth、歯牙２１０のスペクトルの波長に対する傾きα、の５つのパラメータによってあらわされる。
【数１】
2018165708.tif 000003
【００７８】
フィッティング式は、歯垢２１１および歯牙２１０の蛍光の蛍光波長に対する蛍光強度を近似できるものであればよく、数式（８）に示すものに限るものではない。
【００７９】
図１１においては、イメージセンサー３０４から出力された分光データに基づき、数式（８）を用いて計算される、イメージセンサー３０４が受光した蛍光強度のパターンを例示している。制御回路１１６は、図１１に示すパターン（分光データ）に基づいて、上記５つの未知パラメータを求めるフィッティングをおこなう。以下に、分光器２０６がおこなう、５つの未知パラメータを求めるフィッティング方法について説明する。
【００８０】
（分光器２０６の処理手順）
つぎに、分光器２０６の処理手順について説明する。図１２は、分光器２０６の処理手順を示すフローチャートである。図１２のフローチャートにおいて、まず、バンドパスフィルター３０２を透過してイメージセンサー３０４に出射される蛍光強度のパターンから、当該パターンの中心、すなわち第２の光導波路２０５から出射された蛍光がイメージセンサー３０４に垂直に入射した位置（原点Ｐo）を求める（ステップＳ１２０１）。
【００８１】
ステップＳ１２０１においては、全画面にわたっての蛍光強度の重心を求める。蛍光強度の重心を求める際には、突発的な大きなノイズ成分は取り除くことが望ましい。具体的には、求めた原点Ｐoから一定幅を持つリング状の領域における平均値を計算し、その平均値から大きく（所定値以上）ずれた測定値を除外することによって実現することができる。また、ステップＳ１２０１においては、ノイズ成分を除去した後、再度、重心を求めることを繰り返すことによって、ノイズ成分の除去を複数回おこなうことが好ましい。
【００８２】
つぎに、各画素Ｐiと原点Ｐoとの画素間距離に基づいて、各受光位置における入射角度θiを計算する（ステップＳ１２０２）。そして、ステップＳ１２０２における計算結果に基づいて、蛍光強度の入射角度依存性のデータテーブルを作成する（ステップＳ１２０３）。
【００８３】
ステップＳ１２０２においては、入射角度θiが原点からの空間的な距離に比例することに基づき、原点Ｐoと位置Ｐiとの距離ｈiを求めることによって、イメージセンサー上の任意の位置Ｐiにおける入射角度θiを求める。具体的に、イメージセンサー３０４の画素座標を一般に画面左上が原点で水平方向を右向きにＸ、垂直方向を下向きにＹにとり、原点Ｐoの画素座標を（Ｘo、Ｙo）とし、点Ｐiの画素座標を（Ｘi、Ｙi）とした場合、距離ｈiは、以下に示す数式（９）によって求めることができる。
【００８４】
【数２】
2018165708.tif 000004
【００８５】
そして、数式（９）に基づいて求められた距離ｈiを入射角度θiに変換する。距離ｈiを入射角度θiに変換するには、上記の（４）に基づき、以下に示す数式（１０）を計算することによって求めることができる。
距離ｈiに相当する入射角度θi＝Ｔａｎ-1・ｈi／Ｌ    ・・・（１０）
【００８６】
つぎに、あらかじめ取得したバンドパスフィルター３０２の校正テーブル（入射角度θiと透過波長λiのテーブル、および入射角度に対する透過率のテーブル）を用いて、入射角度を波長に変換し、蛍光強度の波長依存性のデータテーブルを作成する（ステップＳ１２０４）。入射角度θiを波長λiに変換するには、バンドパスフィルター３０２の入射角依存性から変換テーブルを作成し、変換テーブルに従って波長に変換すればよい。波長λiに対する蛍光強度Ｉiは、全ての画素に対して求める。
【００８７】
その後、ステップＳ１２０４において作成した蛍光強度の波長依存性のデータテーブルに基づき、数式（８）を用いて、最小二乗法によりフィッティングすることによって未知パラメータを決定する（ステップＳ１２０５）。ステップＳ１２０５においては、歯垢２１１のピーク波長λp、強度Ｉplaque、半値幅λw、歯垢２１１のピーク波長λpにおける歯牙２１０の蛍光強度Ｉtooth、歯牙２１０のスペクトルの波長に対する傾きα、の５つのパラメータを決定する。これにより、ステップＳ１２０５において決定されたパラメータを用いて、各波長の蛍光強度を特定することができる。
【００８８】
図１３は、ステップＳ１２０３において作成される、蛍光強度の入射角度依存性のデータテーブルを示す説明図である。図１３に示すように、蛍光強度の入射角度依存性のデータテーブルにおいては、入射角度θiごとに、蛍光強度Ｉiが対応付けて記憶されている。
【００８９】
図１４は、ステップＳ１２０４において作成される、蛍光強度の波長依存性のデータテーブルを示す説明図である。図１４に示すように、蛍光強度の波長依存性のデータテーブルにおいては、入射角度θi基づいて変換された波長λiごとに、蛍光強度Ｉiが対応付けて記憶されている。
【００９０】
上述した分光器２０６においては、第２の光導波路２０５から導かれた蛍光を、孔形状をなすスリット３０１ａを備えたスリット部材３０１を用いてバンドパスフィルター３０２に照射するようにしたが、これに限るものではない。スリット３０１ａの形状は、たとえば、直線形状をなすスリット３０１ａ（縦スリット３０１ａ）であってもよい。
【００９１】
また、たとえば、第２の光導波路２０５を実現する光ファイバーのクラッドをスリット３０１ａとみなすことにより、スリット３０１ａ（スリット部材３０１）を不要とすることができる。これにより、必要な波長帯域の蛍光を取り出すことができる分光器２０６を簡易な構造によって実現することができ、分光器２０６の製造にかかるコスト低減を図ることができる。
【００９２】
また、上述した分光器２０６においては、スリット３０１ａに散乱体３０１ｂを設けた構造について説明したが、散乱体３０１ｂは必須の構成部材ではない。光導波路中を伝播する蛍光に、波長ごとの伝播角度の偏りがなければ、散乱体３０１ｂを不要とすることができる。これによっても、必要な波長帯域の蛍光を取り出すことができる分光器２０６を簡易な構造によって実現することができ、分光器２０６の製造にかかるコスト低減を図ることができる。
【００９３】
また、イメージセンサー３０４は、受光素子を平面状に配置した二次元イメージセンサー３０４に限るものではなく、受光素子を直線状に配置した一次元イメージセンサー３０４を用いてもよい。また、イメージセンサー３０４に代えて、個別検出器を設けてもよい。個別検出器を設ける場合、最低２個から必要数まで任意の数を設けることができる。個別検出器を設けることにより各検出器からの出力信号の復調に際して同期検波をおこなうことができるので、環境光の影響を容易に除去することができ、分光器２０６の感度向上を図ることができる。
【００９４】
また、上述した歯垢２１１検出歯ブラシ１００においては、歯牙２１０や歯垢２１１に励起光を導く光路と、歯牙２１０や歯垢２１１からの蛍光を導く光路とを重複させた同軸光学系を用いた例について説明したが、同軸光学系に限るものではない。歯垢２１１検出歯ブラシ１００においては、歯牙２１０や歯垢２１１に励起光を導く光路と、歯牙２１０や歯垢２１１からの蛍光を導く光路とがそれぞれ独立した構成であってもよい。
【００９５】
以上説明したように、この発明にかかる実施の形態の歯垢検出歯ブラシ１００が備える分光器２０６は、所定の波長帯域の光を透過するバンドパスフィルター３０２と、バンドパスフィルター３０２を透過した光を受光するイメージセンサー３０４と、を備え、イメージセンサー３０４における受光位置と、各受光位置における光の強度と、に基づいて、バンドパスフィルター３０２を透過した光のスペクトルを取得するようしたことを特徴としている。
【００９６】
また、分光器２０６は、イメージセンサー３０４上に生じたリングの強度を当該リングの半径ごとに積算することにより、バンドパスフィルター３０２を透過した光に含まれるスペクトルを取得することを特徴としている。
【００９７】
また、分光器２０６は、各受光位置のうちの特定の受光位置における光の強度に基づいて、検出対象物質の有無を判定する判定部８０３を備えたことを特徴としている。検出対象物質は、たとえば、歯牙２１０に付着している歯垢２１１とすることができる。
【００９８】
この発明にかかる実施の形態の分光器２０６によれば、入射角依存性が高いというバンドパスフィルター３０２の光学特性を利用して、入射角度によってバンドパスフィルター３０２の透過波長が異なるために、入射角度ごとに異なる波長の光がイメージセンサー３０４上で描くリングの強度に基づいて、イメージセンサー３０４への入射光に含まれるスペクトルを得ることができる。
【００９９】
具体的には、イメージセンサー３０４上に生じたリングの強度がリング状になることを観測方程式に組み込んだ最小二乗法を用いて、イメージセンサー３０４上に生じたリングの強度を半径ごと積算することにより、イメージセンサー３０４への入射光に含まれるスペクトルを得ることができる。これにより、Ｓ／Ｎ比の向上を図ることができる。
【０１００】
また、バンドパスフィルター３０２を用いることにより、必要な波長帯域の蛍光のみを取り出すことができ、かつ、取り出した波長に含まれるスペクトル分布を調べるグレーティングとして機能させることができるため、必要な波長帯域の蛍光を取り出すことができる分光器２０６を簡易な構造によって実現することができ、分光器２０６の小型化を図るとともに、分光器２０６の製造にかかるコスト低減を図ることができる。
【０１０１】
また、この発明にかかる実施の形態の分光器２０６によれば、受光イメージがなすリングの複数ポイントにおける蛍光強度を平均化し、平均化した蛍光強度に基づいて、平均値から大きく逸脱するなどの異常データを除去することにより、誤差の減少を図ることができる。
【０１０２】
また、この発明にかかる実施の形態の分光器２０６によれば、受光イメージがなすリングからの波長のスペクトル取得に最小二乗法を適用することにより、測定精度の向上を期待することができる。
【０１０３】
また、この発明にかかる実施の形態の分光器２０６によれば、受光イメージがなすリングから光路の中心位置を求めることができるため、光ファイバーによって実現される第２の光導波路２０５のアライメントを不要とすることができる。これにより、分光器２０６の製造に際しては、おおよそのラフなアライメントをおこなうだけでよく、分光器２０６の製造にかかる負担軽減を図り、分光器２０６の製造にかかるコスト低減を図ることができる。
【０１０４】
また、この発明にかかる実施の形態の分光器２０６によれば、励起波長は４０５〜４６５ｎｍ程度の１波長でよい。これにより、必要な波長帯域の蛍光を取り出すことができる分光器２０６を、簡易な構造によって実現することができ、分光器２０６の製造にかかるコスト低減を図ることができる。
【０１０５】
そして、このような分光器２０６を搭載した歯垢検出歯ブラシ１００は、小型化を図ることができるので、利用者は、歯磨き中に報知信号をリアルタイムで受け取ることができる。これによって、歯が汚れている位置が直感的に把握でき、汚れている位置の歯垢を確実に除去することができる。
【産業上の利用可能性】
【０１０６】
以上のように、この発明にかかる分光装置は、限定された波長範囲の光を高精度に分光する分光装置に有用であり、特に、歯牙における歯垢の検出に用いる歯ブラシなどのように小型化が要求される分光装置に適している。
【符号の説明】
【０１０７】
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
１１６  制御回路
１１７  報知装置
２０１  ショートパスフィルター
２０２  ミラー
２０３  第１の光導波路
２０４  レンズ
２０５  第２の光導波路
２０６  分光器
３０１  スリット部材
３０２  バンドパスフィルター
３０３  誘電多層膜
３０４  イメージセンサー
【図１】
2018165708.tif 000005
【図２】
2018165708.tif 000006
【図３】
2018165708.tif 000007
【図４Ａ】
2018165708.tif 000008
【図４Ｂ】
2018165708.tif 000009
【図５】
2018165708.tif 000010
【図６】
2018165708.tif 000011
【図７】
2018165708.tif 000012
【図８】
2018165708.tif 000013
【図９】
2018165708.tif 000014
【図１０】
2018165708.tif 000015
【図１１】
2018165708.tif 000016
【図１２】
2018165708.tif 000017
【図１３】
2018165708.tif 000018
【図１４】
2018165708.tif 000019