(57)【要約】【課題】狭スペクトル幅の光の検出感度を向上させること。【解決手段】検出対象である歯牙や歯垢から生じる蛍光を導波して、所定波長範囲の光を透過するバンドパスフィルタ２０５を透過させた光を受光素子２０６において受光する。この光を導波する光導波路部材２０４の外周面を、屈折率調整部材３０１で覆い、その屈折率調整部材３０１の屈折率ｎが、光導波路部材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、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）））によって示される範囲にした。【選択図】図３
2018169388.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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光学装置。
【請求項２】
前記屈折率調整部材の屈折率ｎは、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請求項１に記載の光学装置。
【請求項３】
前記屈折率調整部材は、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請求項１に記載の光学装置。
【請求項４】
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は、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請求項３に記載の光学装置。
【請求項５】
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は、一体に形成されていることを特徴とする請求項３または４に記載の光学装置。
【請求項６】
前記屈折率調整部材の屈折率ｎは、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、
【数１】
2018169388.tif 000009
によって示されることを特徴とする請求項３〜５のいずれか一つに記載の光学装置。
【請求項７】
前記光導波路部材の外周面を覆う前記屈折率調整部材は、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請求項２または６に記載の光学装置。
【請求項８】
前記光導波路部材の外周面を覆う前記屈折率調整部材は、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請求項１〜７のいずれか一つに記載の光学装置。
【請求項９】
前記光導波路部材の外周面を覆う前記屈折率調整部材は、前記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すことを特徴とする請求項１〜８のいずれか一つに記載の光学装置。
【請求項１０】
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。
【請求項１１】
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請求項１〜１０のいずれか一つに記載の光学装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。
【０００４】
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。
【０００５】
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。
【０００６】
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。）。
【０００７】
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。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特表２００４−５２１７１４号公報
【特許文献２】特開２００７−０３３４７７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
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。
【００１０】
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。
【００１１】
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。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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、
【数１】
2018169388.tif 000003
によって示されることを特徴とする。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【発明の効果】
【００２３】
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。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【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】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。
【図４】屈折率調整部材による導光の原理を示す説明図である。
【図５】実施の形態２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６】実施の形態３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７】実施の形態４における歯垢検出歯ブラシが備える歯垢検出部の構成を示す説明図である。
【図８】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９】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１０】屈折率調整部材の効果の検証結果を示す説明図である。
【図１１】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１２】屈折率調整部材による導光の原理を示す説明図である。
【図１３】屈折率調整部材の外表面に光吸収材を設けた一例を示す説明図である。
【図１４】第２の光導波路およびバンドパスフィルタの位置関係を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
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。
【００２６】
（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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
（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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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）。
【００４７】
（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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
（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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
ｎ＝ｎ1＊ｓｉｎ（ａｃｏｓ（ｎ0／ｎ1＊ｓｉｎ（θ0）））  ・・・（１）
θC＝ａｓｉｎ（ｎ／ｎ1）                                  ・・・（２）
【００５７】
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。
【００５８】
ｎ1＞ｎ＞ｎ1＊ｓｉｎ（ａｃｏｓ（ｎ0／ｎ1＊ｓｉｎ（θ0）））
・・・（３）
【００５９】
上記数式（３）は、下記数式（３）’に変換して示すことができる。
【数２】
2018169388.tif 000004
・・・（３）’
【００６０】
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。
【００６１】
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。
【００６２】
ｄ＝φ／（ｔａｎ（π／２−ａｃｏｓ（ｎ0／ｎ1＊ｓｉｎ（θ0））））
・・・（４）
【００６３】
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。
【００６４】
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。
【数３】
2018169388.tif 000005
・・・（４）’
【００６５】
（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。
【００６６】
（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。
【００６７】
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。
【００６８】
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。
【００６９】
（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。
【００７０】
（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。
【００７１】
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。
【００７２】
（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。
【００７３】
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。
【００７４】
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。
【００７５】
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。
【００７６】
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。
【００７７】
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。
【００７８】
ｎｃｌａｄ＝ｎｃｏｒｅ＊ｓｉｎ（ａｃｏｓ（ｎ0／ｎｃｏｒｅ＊ｓｉｎ（θ0）））
・・・（５）
【００７９】
（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。
【００８０】
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。
【００８１】
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。
【００８２】
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。
【００８３】
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。
【００８４】
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。
【００８５】
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。
【００８６】
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。
【００８７】
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。
【００８８】
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。
【００８９】
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。
【００９０】
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。
【００９１】
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。
【００９２】
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。
【００９３】
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。
【００９４】
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。
【００９５】
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。
【００９６】
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。
【００９７】
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。
【００９８】
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。
【００９９】
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。
【０１００】
（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。
【０１０１】
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。
【０１０２】
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。
【０１０３】
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。
【０１０４】
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。
【０１０５】
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。
【０１０６】
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。
【０１０７】
（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。
【０１０８】
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。
【数４】
2018169388.tif 000006
・・・（６）
【０１０９】
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。
【０１１０】
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。
【０１１１】
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。
【０１１２】
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。
【０１１３】
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。
【０１１４】
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。
【数５】
2018169388.tif 000007
・・・（７）
【０１１５】
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。
【０１１６】
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。
【０１１７】
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。
【０１１８】
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。
【０１１９】
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。
【０１２０】
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。
【０１２１】
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。
【０１２２】
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。
【０１２３】
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。
【０１２４】
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、
【数６】
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によって示されることを特徴としている。
【０１２５】
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。
【０１２６】
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。
【０１２７】
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。
【０１２８】
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。
【０１２９】
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。
【０１３０】
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。
【０１３１】
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。
【０１３２】
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。
【０１３３】
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。
【０１３４】
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。
【０１３５】
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。
【０１３６】
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。
【０１３７】
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。
【０１３８】
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。
【０１３９】
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。
【０１４０】
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。
【産業上の利用可能性】
【０１４１】
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。
【符号の説明】
【０１４２】
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
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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