(57)【要約】  試料への光の照射と試料からの検査光の検出を同軸で行うことができ、迷光の影響を受けにくい小型の光検出モジュールを提供する。光検出モジュールは、試料への照射光を出射する光源と、照射光を入出力口に向けて反射するとともに、入出力口を通って入射した試料からの検査光を透過させるビームスプリッタと、検査光を受光する受光素子と、ビームスプリッタを内蔵する筐体であって、光源が設置されて照射光が伝搬する第１の開口、入出力口に相当する第２の開口、受光素子が設置される第３の開口、および照射光のうちビームスプリッタを透過した迷光が導かれる第４の開口を有する筐体とを有し、第１から第４の開口はビームスプリッタの位置で互いに連通し、第４の開口はビームスプリッタの反射面に対して直交する方向に延在する。
2020045110.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料への照射光を出射する光源と、
前記照射光を入出力口に向けて反射するとともに、前記入出力口を通って入射した試料からの検査光を透過させるビームスプリッタと、
前記検査光を受光する受光素子と、
前記ビームスプリッタを内蔵する筐体であって、
前記光源が設置されて前記照射光が伝搬する第１の開口、
前記入出力口に相当する第２の開口、
前記受光素子が設置される第３の開口、および
前記照射光のうち前記ビームスプリッタを透過した迷光が導かれる第４の開口を有する筐体と、を有し、
前記第１から第４の開口は前記ビームスプリッタの位置で互いに連通し、
前記第４の開口は前記ビームスプリッタの反射面に対して直交する方向に延在する、
ことを特徴とする光検出モジュール。
【請求項２】
前記第１の開口は前記筐体の上面に、前記第２および第３の開口は前記筐体の互いに対向する側面にそれぞれ設けられ、
前記ビームスプリッタは支持部材に、前記受光素子は受光部基板にそれぞれ固定され、
前記支持部材は、前記筐体の上面における前記第１の開口と前記第３の開口側の端部との間の位置から斜め方向に形成された溝部内に配置され、前記第３の開口側の側面から挿入された固定具で前記受光部基板とともに前記筐体に対して固定されている、請求項１に記載の光検出モジュール。
【請求項３】
前記第４の開口は前記筐体の下面に設けられ、
前記筐体の下部は前記第４の開口の周囲で下方に突出しておらず、
前記筐体の下面は、前記第１の開口側の端部と、前記第４の開口の周囲と、前記第３の開口側の端部とで同一平面である、請求項２に記載の光検出モジュール。
【請求項４】
前記第３の開口における光路の内径は、前記第２の開口における光路の内径よりも大きい、請求項１〜３のいずれか一項に記載の光検出モジュール。
【請求項５】
前記光源は光源基板に実装され、
前記光検出モジュールは、
前記第１の開口内に配置され前記照射光を集光するレンズと、
前記レンズを固定するための固定部材であって、前記光源基板と前記筐体に接触して前記光源基板と前記筐体の間に配置された熱伝導性の固定部材と、をさらに有し、
前記光源基板の前記固定部材との接触面では、被覆膜が設けられておらず、前記光源の配線パターンが露出している、請求項１〜４のいずれか一項に記載の光検出モジュール。
【請求項６】
前記第３の開口内に配置され前記検査光を集光する他のレンズと、
前記他のレンズを固定するための環状部材と、をさらに有し、
前記環状部材の開口は、前記検査光の伝搬方向に面しており、前記検査光の絞りとして機能する、請求項５に記載の光検出モジュール。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか一項に記載の光検出モジュールと、
前記入出力口に接続された光ファイバと、
前記光源を駆動し、前記受光素子で受光された前記検査光の強度を検出するための回路基板と、
前記光検出モジュールおよび前記回路基板を内蔵する本体ケースと、
を有することを特徴とする光検出装置。
【請求項８】
使用者への状態表示のための発光部をさらに有し、
前記第４の開口と前記発光部は、前記本体ケースの互いに対向する面にそれぞれ配置されている、請求項７に記載の光検出装置。
【請求項９】
前記光源は、前記照射光として第１の波長の光を出射する第１の発光素子、および前記照射光として第２の波長の光を出射する第２の発光素子を有し、
前記回路基板の上面には、前記第１の波長の光が照射されたときの前記検査光の強度を検出するための第１の制御回路が、前記回路基板の下面には、前記第２の波長の光が照射されたときの前記検査光の強度を検出するための第２の制御回路がそれぞれ配置され、
前記第１および第２の制御回路のうちアナログ素子は、前記回路基板の上面および下面における一方の側に、前記第１および第２の制御回路のうちデジタル素子は、前記回路基板の上面および下面における他方の側に、それぞれ分かれて実装されている、請求項７または８に記載の光検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光検出モジュールおよび光検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
光通信の分野では、ビームスプリッタを用いて光信号を合成または分岐させる光結合器が知られている（例えば特許文献１を参照）。特に、ビームスプリッタ（ハーフミラー、分波フィルタまたは光分離フィルタ）、光源、受光器および光導波路を有し、光源からビームスプリッタを介して光導波路に光を出射するとともに、同じ光導波路から入射しビームスプリッタを経由した光を受光器で受光するものが知られている（例えば特許文献２〜５を参照）。【０００３】
また、試料に対して光を照射し、その照射光に応じて試料から得られる蛍光、反射光などの検査光を受光（検出）する光検出装置が知られている。例えば、特許文献６には、歯に光を照射して得られる応答光を受光して歯垢などに含まれる蛍光物質を検出する歯科用の検査装置が記載されている。特許文献７には、歯に特定の波長の励起光を照射し、蛍光物質が発する蛍光を検出することで歯垢の量あるいはう蝕の程度を定量する蛍光測定法が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開昭５８−２０２４２３号公報
【特許文献２】特開昭６１−２６２７１１号公報
【特許文献３】特開平６−１６０６７４号公報
【特許文献４】特開平８−１６０２５９号公報
【特許文献５】特開平８−２３４０６１号公報
【特許文献６】特開２００５−３２４０３２号公報
【特許文献７】国際公開第２０１６／１４０１９９号
【発明の概要】
【０００５】
上記の光結合器の構成を適用して試料への光の照射と試料からの検査光の検出を同軸で行う光検出装置を実現する場合、検出感度を上げるためには、ビームスプリッタにおいて発生し得る迷光の影響を抑えることが重要である。また、例えば歯科用などの検査装置への応用を考えると、光検出装置を小型の光検出モジュールとして実現することも求められる。迷光は光検出モジュールの筐体内に設けられた専用の吸収穴に導くことで除去されるが、特に小型のモジュールの場合、照射光および検査光の光路に加えて十分な大きさの迷光吸収穴を設けることは、スペースの制約により難しい。
【０００６】
本発明の目的は、試料への光の照射と試料からの検査光の検出を同軸で行うことができ、迷光の影響を受けにくい小型の光検出モジュールを提供することである。
【０００７】
試料への照射光を出射する光源と、照射光を入出力口に向けて反射するとともに、入出力口を通って入射した試料からの検査光を透過させるビームスプリッタと、検査光を受光する受光素子と、ビームスプリッタを内蔵する筐体であって、光源が設置されて照射光が伝搬する第１の開口、入出力口に相当する第２の開口、受光素子が設置される第３の開口、および照射光のうちビームスプリッタを透過した迷光が導かれる第４の開口を有する筐体とを有し、第１から第４の開口はビームスプリッタの位置で互いに連通し、第４の開口はビームスプリッタの反射面に対して直交する方向に延在することを特徴とする光検出モジュールが提供される。
【０００８】
光検出モジュールでは、第１の開口は筐体の上面に、第２および第３の開口は筐体の互いに対向する側面にそれぞれ設けられ、ビームスプリッタは支持部材に、受光素子は受光部基板にそれぞれ固定され、支持部材は、筐体の上面における第１の開口と第３の開口側の端部との間の位置から斜め方向に形成された溝部内に配置され、第３の開口側の側面から挿入された固定具で受光部基板とともに筐体に対して固定されていることが好ましい。
【０００９】
光検出モジュールでは、第４の開口は筐体の下面に設けられ、筐体の下部は第４の開口の周囲で下方に突出しておらず、筐体の下面は、第１の開口側の端部と、第４の開口の周囲と、第３の開口側の端部とで同一平面であることが好ましい。第３の開口における光路の内径は、第２の開口における光路の内径よりも大きいことが好ましい。
【００１０】
光検出モジュールでは、光源は光源基板に実装され、光検出モジュールは、第１の開口内に配置され照射光を集光するレンズと、レンズを固定するための固定部材であって、光源基板と筐体に接触して光源基板と筐体の間に配置された熱伝導性の固定部材とをさらに有し、光源基板の固定部材との接触面では、被覆膜が設けられておらず、光源の配線パターンが露出していることが好ましい。
【００１１】
光検出モジュールは、第３の開口内に配置され検査光を集光する他のレンズと、他のレンズを固定するための環状部材とをさらに有し、環状部材の開口は、検査光の伝搬方向に面しており、検査光の絞りとして機能することが好ましい。
【００１２】
上記のいずれかの光検出モジュールと、入出力口に接続された光ファイバと、光源を駆動し、受光素子で受光された検査光の強度を検出するための回路基板と、光検出モジュールおよび回路基板を内蔵する本体ケースとを有する光検出装置が提供される。
【００１３】
光検出装置は、使用者への状態表示のための発光部をさらに有し、第４の開口と発光部は、本体ケースの互いに対向する面にそれぞれ配置されていることが好ましい。
【００１４】
光検出装置では、光源は、照射光として第１の波長の光を出射する第１の発光素子、および照射光として第２の波長の光を出射する第２の発光素子を有し、回路基板の上面には、第１の波長の光が照射されたときの検査光の強度を検出するための第１の制御回路が、回路基板の下面には、第２の波長の光が照射されたときの検査光の強度を検出するための第２の制御回路がそれぞれ配置され、第１および第２の制御回路のうちアナログ素子は、回路基板の上面および下面における一方の側に、第１および第２の制御回路のうちデジタル素子は、回路基板の上面および下面における他方の側に、それぞれ分かれて実装されていることが好ましい。
【００１５】
上記の光検出モジュールは、小型であり、試料への光の照射と試料からの検査光の検出を同軸で行うことができ、迷光の影響を受けにくい。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】蛍光検出装置１の破断斜視図である。
【図２】蛍光検出装置１のブロック図である。
【図３】蛍光検出モジュール３の破断斜視図である。
【図４】蛍光検出モジュール３の縦断面図である。
【図５】（Ａ）および（Ｂ）は、筐体１０の斜視図である。
【図６】（Ａ）および（Ｂ）は、光源基板２０および固定部材３０の斜視図である。
【図７】ミラーフレーム６０の斜視図である。
【図８】光路１２ｂ，１２ｃを伝搬する光の概念図である。
【図９】（Ａ）〜（Ｃ）は、蛍光検出装置１の回路構成の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、図面を用いて、光検出モジュールおよび光検出装置について詳細に説明する。ただし、本発明は図面または以下の実施形態には限定されないことを理解されたい。
【００１８】
図１は、蛍光検出装置１の破断斜視図である。蛍光検出装置１は、本体ケース２、蛍光検出モジュール３、プローブファイバ４、回路基板５、ＦＰＣ（フレキシブルプリント配線基板）６ａ，６ｃ、状態表示ＬＥＤ（発光ダイオード）７、操作スイッチ８および電池９を有する。蛍光検出装置１は、光検出装置の一例であり、本体ケース２の先端２Ａから試料に向けて励起光を照射し、その光に応じて試料で生じる蛍光（検査光）を同じく先端２Ａから受光して、試料の蛍光物質を検出する。例えば、蛍光検出装置１は、蛍光物質として歯垢に含まれるプロトポルフィリンＩＸを検出する歯科用の検査装置として使用可能である。
【００１９】
本体ケース２は、蛍光検出モジュール３や回路基板５といった蛍光検出装置１の他の構成要素を内蔵する例えば樹脂製のケースである。本体ケース２は、使用者が手で持ち易いように全体として棒状の形状を有し、図示した例では、試料に向けられる先端２Ａはテーパ状になっている。
【００２０】
蛍光検出モジュール３は、光検出モジュールの一例であり、後述する光源と受光素子を有し、本体ケース２内の先端２Ａ側に配置されている。蛍光検出モジュール３は、プローブファイバ４を通して試料に向けて励起光を照射し、試料で生じプローブファイバ４を通して入射した蛍光を受光することで、試料からの微量な蛍光（例えば歯垢の蛍光物質からの蛍光）を高感度に検出する。
【００２１】
プローブファイバ４は、蛍光検出モジュール３から出射される励起光および蛍光検出モジュール３に入射する蛍光の導波路となる光ファイバであり、本体ケース２の先端２Ａに埋め込まれている。プローブファイバ４の先端４Ａは開放されており、蛍光検出装置１の使用時に試料に向けられる。プローブファイバ４の後端４Ｂは蛍光検出モジュール３に接続されている。図示した例ではプローブファイバ４を含む本体ケース２の先端２Ａは緩やかに湾曲しているが、プローブファイバ４は直線状に延びていてもよい。
【００２２】
回路基板５は、蛍光検出モジュール３の光源を駆動するとともに、受光素子で受光された蛍光の強度を検出するための制御回路を有する。回路基板５は、本体ケース２の長手方向に沿った細長い矩形の形状を有し、本体ケース２内で蛍光検出モジュール３と電池９の間に配置されている。ＦＰＣ６ａは蛍光検出モジュール３の光源と回路基板５とを、ＦＰＣ６ｃは蛍光検出モジュール３の受光素子と回路基板５とをそれぞれ電気的に接続するための基板である。
【００２３】
状態表示ＬＥＤ７は、発光部の一例であり、使用者が発光領域を見易いように、本体ケース２の上側（表側）に配置されている。状態表示ＬＥＤ７は、使用者に蛍光検出装置１の状態を通知するために点灯または点滅する。操作スイッチ８は、使用者が蛍光検出装置１の電源や励起光の照射のオンオフを行うためのものであり、図示した例では本体ケース２の下側（裏側）に配置されているが、本体ケース２の上側に配置されていてもよい。電池９は、本体ケース２内の先端２Ａとは反対側の端部に配置されており、回路基板５に電力を供給する。
【００２４】
図１に示すように、プローブファイバ４、蛍光検出モジュール３、回路基板５および電池９は、本体ケース２内でその長手方向に沿ってこの順序で配置されている。蛍光検出装置１の構成要素の中では、蛍光検出モジュール３および電池９が比較的重量があり、これらが本体ケース２の長手方向の両端に配置されているため、蛍光検出装置１の重心位置は本体ケース２の長手方向の中央付近になる。このため、蛍光検出装置１は、重量のバランスがよく、使用者が手で持ち易い。
【００２５】
図２は、蛍光検出装置１のブロック図である。図３は、蛍光検出モジュール３の破断斜視図である。図４は、蛍光検出モジュール３の縦断面図である。図３および図４に示すように、蛍光検出モジュール３は、筐体１０、光源基板２０、固定部材３０、ボールレンズ４０ａ〜４０ｃ、光学フィルタ５０ａ，５０ｃ、ミラーフレーム６０、固定部材７０、受光部基板８０およびカバー９０を有する。光源基板２０にはＬＥＤパッケージ２１が、ミラーフレーム６０にはミラーＭが、受光部基板８０にはＰＤ（フォトダイオード）素子８１が、それぞれ取り付けられている。図２では、簡単のため、上記の構成要素のうちで、蛍光検出装置１の機能の説明に必要な一部のものだけを図示している。
【００２６】
図２に示すように、蛍光検出装置１では、図３および図４のＬＥＤパッケージ２１として、２つのＬＥＤ素子２１Ａ，２１Ｂを有する。ＬＥＤ素子２１Ａは、第１の発光素子の一例であり、励起光Ｌ１として、検出対象の蛍光物質に対する励起効率が高い第１の波長を含む光を出射する。ＬＥＤ素子２１Ｂは、第２の発光素子の一例であり、励起光Ｌ２として、第１の波長よりも長波長で、かつ励起効率が第１の波長よりも低いかあるいはほぼゼロとなる第２の波長を含む光を出射する。例えば、検出対象が歯垢の蛍光物質である場合には、第１の波長は３５０〜４３０ｎｍ、第２の波長は４３５〜５００ｎｍの範囲内であることが好ましく、ＬＥＤ素子２１Ａをピーク波長が４０５ｎｍの紫色ＬＥＤ素子、ＬＥＤ素子２１Ｂをピーク波長が４６５ｎｍの青色ＬＥＤ素子とするとよい。
【００２７】
ＬＥＤ素子２１Ａ，２１Ｂからの励起光（照射光）Ｌ１，Ｌ２は、ボールレンズ４０ａおよび光学フィルタ５０ａを経て、ミラーＭに入射する。ミラーＭは、ダイクロイックミラーまたはハーフミラーなどで構成され、励起光Ｌ１，Ｌ２の波長領域の光を反射し、試料からの蛍光（検査光）Ｌ３の波長領域の光を透過する。したがって、励起光Ｌ１，Ｌ２は、ミラーＭで反射し、ボールレンズ４０ｂを通過して集光された後、プローブファイバ４を通って例えば歯垢付着部１１０を有する歯１００に照射される。これにより、歯垢付着部１１０の歯垢に含まれる蛍光物質が励起されて、６３５ｎｍおよび６７５ｎｍ付近にピーク波長をもつ蛍光Ｌ３が生成される。蛍光Ｌ３の一部は、プローブファイバ４を通ってボールレンズ４０ｂに入射し、ミラーＭを透過し、さらに光学フィルタ５０ｃおよびボールレンズ４０ｃを経てＰＤ素子８１に到達する。
【００２８】
ＰＤ素子８１で受光された蛍光は光電流に変換されて回路基板５に出力され、回路基板５に設けられた制御回路の信号処理により蛍光物質の有無や量が求められる。その結果は、例えば、状態表示ＬＥＤ７の光や内蔵のブザー（後述する図９（Ｃ）のブザー５Ｆ）の音により使用者に通知される。回路基板５は、互いに異なる波長を有する励起光Ｌ１，Ｌ２を交互に試料に照射させ、励起光Ｌ１が照射されたときの蛍光Ｌ３の強度と励起光Ｌ２が照射されたときの蛍光Ｌ３の強度とをそれぞれ検出し、それらの比または差に基づき、例えば国際公開第２０１６／１４０１９９号に記載されている蛍光測定法を用いて試料の蛍光物質を検出する。
【００２９】
図５（Ａ）および図５（Ｂ）は、筐体１０の斜視図である。筐体１０は、例えば、アルミニウム製で、全体にアルマイト加工が施されて表面に黒色の酸化アルミニウム皮膜が形成された部材であり、幅と高さが１．５ｃｍ程度、奥行きが２．５ｃｍ程度の大きさを有する。筐体１０は、開口１１ａ〜１１ｃ、迷光吸収穴１３、溝部１４およびねじ穴１５を有する。このうち、開口１１ａ〜１１ｃ、迷光吸収穴１３および溝部１４はミラーＭの位置で互いに連通し、溝部１４とねじ穴１５も筐体１０の上面付近で互いに連通している。
【００３０】
開口１１ａは、第１の開口の一例であり、筐体１０の上面１０ａに設けられ、その内部には、図３および図４に示すようにＬＥＤパッケージ２１が設置される。開口１１ｂは、第２の開口の一例であり、蛍光検出モジュール３の光の入出力口に相当し、筐体１０の前方（本体ケース２の先端２Ａ側）の側面１０ｂに設けられる。開口１１ｂには、図１に示すプローブファイバ４の後端４Ｂが接続される。開口１１ｃは、第３の開口の一例であり、筐体１０の後方（先端２Ａとは反対側）の側面１０ｃに設けられ、その内部にはＰＤ素子８１が設置される。
【００３１】
開口１１ａの内部は、励起光Ｌ１，Ｌ２が伝搬する光源側の光路１２ａである。開口１１ｂの内部は、ミラーＭで反射した励起光Ｌ１，Ｌ２およびプローブファイバ４から入射した蛍光Ｌ３が伝搬するファイバ側の光路１２ｂである。開口１１ｃの内部は、ミラーＭを透過した蛍光Ｌ３が伝搬する受光側の光路１２ｃである。このうち、光路１２ｂ，１２ｃでは、試料からの蛍光Ｌ３が微弱な場合でも検出できるように、アルマイト加工で形成された黒色の被膜が研磨により除去され、それらの内壁は光反射性の鏡面になっている。これに対し、光路１２ａの内壁では、鏡面加工は施されず、アルマイト加工により形成された光吸収性の黒色表面が残っている。これは、ＬＥＤパッケージ２１からミラーＭに直接向かう鉛直方向の光だけを通し、ミラーＭで不規則な方向に反射し得る斜め方向の光を内壁での吸収により除去するためである。
【００３２】
迷光吸収穴１３は、第４の開口の一例であり、光吸収性の内壁を有し、筐体１０の下面１０ｄに設けられる。迷光吸収穴１３には励起光Ｌ１，Ｌ２のうちミラーＭを透過した光が導かれ、そうした光は、迷光吸収穴１３の内壁で繰り返し反射することで吸収される。筐体１０の内部空間の底面が穴のない黒い壁面であると、迷光はその壁面だけでは完全には吸収されずノイズのもとになるため、迷光吸収穴１３は、迷光を確実に除去するために設けられる。光吸収の効果を高めるためには、迷光吸収穴１３の直径をなるべく大きくすることが好ましく、その大きさは、光路１２ａ〜１２ｃの直径よりも大きい。迷光吸収穴１３を含む筐体１０内の光吸収性の内壁は、アルマイト加工の他に、例えば、黒ニッケルメッキなどの非反射コーティング剤や黒色樹脂などで形成してもよい。
【００３３】
迷光吸収穴１３は、図４に示すように、ミラーＭの反射面に対して直交する方向に延在し、光路１２ａおよび光路１２ｂ，１２ｃでの光の伝搬方向に対して４５度傾斜している。これは、鉛直方向（光路１２ａの延長線上）に迷光吸収穴１３を形成すると、光路１２ｂ，１２ｃの一部が迷光吸収穴１３のために削られてしまい好ましくないためである。迷光吸収穴１３を光の伝搬方向に対して傾斜させることで、迷光吸収穴１３の直径が大きくても、鉛直方向を向いている場合と比べて、光路１２ｂ，１２ｃのうちで削られる部分が少なくなる。また、向きを斜めにすることで、筐体１０が小型であっても、鉛直方向を向いている場合と比べて、迷光吸収穴１３を長くすることができる。さらに、向きを斜めにすることで、鉛直方向を向いている場合と比べて、迷光吸収穴１３の開口１３ａが広くなり、迷光が蛍光検出モジュール３から外部に抜け易くなるので、ノイズが少なくなる。これらの理由から、蛍光検出モジュール３では、迷光吸収穴１３がミラーＭに対して直角に形成されている。
【００３４】
図５（Ａ）および図５（Ｂ）に示すように、筐体１０は概ね八角柱状の形状を有し、その表面に突出部は形成されていない。特に、筐体１０の下部は迷光吸収穴１３の周囲も下方に突出しておらず、図３および図４に示すように、筐体１０の下面１０ｄは、開口１１ａ側の端部と、迷光吸収穴１３の周囲と、開口１１ｃ側の端部とで同一平面である。例えば、筐体１０を柱状ではなくＴ字形状に成型し、迷光吸収穴１３の部分を下方に突出させれば、迷光吸収穴１３をその分長くすることはできる。しかしながら、それでは蛍光検出モジュール３が大きくなり、それを収容する本体ケース２も大きくなって、使用者が持ちにくいなどの不都合が生じる。迷光吸収穴１３を鉛直方向に対して斜めにし、かつ下面１０ｄを平坦面とすることで、筐体１０を小型化しつつ、迷光吸収穴１３の長さを確保して光吸収の効果を高めることが可能になる。
【００３５】
溝部１４は、ミラーフレーム６０を差し込んで筐体１０に対して位置決めするためのものであり、筐体１０の上面における開口１１ａと開口１１ｃ側の端部との間の位置から鉛直方向に対して斜めに形成されている。ねじ穴１５は、図３および図４に示すねじ９１用のものである。開口１１ａ〜１１ｃ、迷光吸収穴１３、溝部１４およびねじ穴１５のうち、迷光吸収穴１３と溝部１４は、蛍光検出モジュール３では開放状態であるが、それらを塞ぐ蓋（カバー）を設けてもよい。ただし、完成品の蛍光検出装置１では本体ケース２の内壁に覆われて閉じられるため、蛍光検出モジュール３で開放状態であっても特に問題はなく、開放状態のままにした方が、部品点数が少なく済み、製造コストが削減されるので好ましい。
【００３６】
図６（Ａ）は、光源基板２０の斜視図である。光源基板２０は、蛍光検出モジュール３（蛍光検出装置１）の光源であるＬＥＤパッケージ２１が実装される基板であり、配線パターン２２、接続端子２３および２個のねじ穴２４を有する。光源基板２０は、図３および図４に示すように、固定部材３０を介して筐体１０の上面側に取り付けられる。図６（Ａ）に示す光源基板２０の上面は、筐体１０に取り付けられた状態では下方（図３および図４における下側）を向いている。ＬＥＤパッケージ２１は、図２に示した２つのＬＥＤ素子２１Ａ，２１Ｂを１つのパッケージにまとめたものであり、ＬＥＤ素子２１Ａ，２１Ｂは、それぞれ、互いに異なる波長（例えば４０５ｎｍと４６５ｎｍ）の励起光Ｌ１，Ｌ２を出射する。なお、蛍光検出モジュール３の光源は、ＬＥＤ素子に限らず、例えば半導体レーザでもよい。
【００３７】
配線パターン２２と接続端子２３は、ＬＥＤパッケージ２１に電力を供給するためのものであり、光源基板２０の上面に形成されている。接続端子２３は、図１に示したＦＰＣ６ａに接続される。ねじ穴２４は、光源基板２０を筐体１０に対してねじ止めするためのものであり、光源基板２０の対角方向に向かい合う角部に１つずつ形成されている。
【００３８】
図６（Ｂ）は、固定部材３０の斜視図である。固定部材３０は、光源側の開口１１ａに配置されるボールレンズ４０ａを固定するための部材であり、放熱性に優れた材料（例えばアルミニウムなどの金属）で構成され、環状壁部３１、貫通穴３３および２個のねじ穴３４を有する。環状壁部３１は、図６（Ｂ）に示す上面の中央に設けられており、環状壁部３１で囲まれる円形空間３２には、ボールレンズ４０ａとそれを受けるＯリング４１ａが配置される。固定部材３０は、環状壁部３１が開口１１ａに収まり開口１１ａを覆うように、上下を逆さまにして筐体１０の上面に取り付けられる。貫通穴３３は、環状壁部３１で囲まれた領域の中央に形成されており、図３および図４に示すように、その内部にＬＥＤパッケージ２１が配置される。
【００３９】
ねじ穴３４は、光源基板２０の２個のねじ穴２４と同じ位置関係で固定部材３０の対角方向に向かい合う角部に１つずつ形成されている。ねじ穴２４，３４の位置を合わせてその中にねじを差し込むことで、光源基板２０と固定部材３０は筐体１０に対して固定される。すなわち、固定部材３０は、ボールレンズ４０ａおよびＯリング４１ａを固定する役割と、光源基板２０を固定する役割を兼ねている。
【００４０】
光源基板２０におけるＬＥＤパッケージ２１の実装面（固定部材３０との接触面）は、レジスト（被覆膜）が設けられておらず配線パターン２２が露出した剥き出しの金属面になっている。これは、ＬＥＤパッケージ２１の発光により生じた熱を金属製の筐体１０側に逃がし易くするためである。固定部材３０は、光源基板２０と筐体１０に接触して光源基板２０と筐体１０の間に配置されているので、光源基板２０の実装面は固定部材３０に接し、固定部材３０は筐体１０に接している。筐体１０と固定部材３０は導通しないように加工されているので、配線パターン２２と固定部材３０が直接接触しても問題はなく、このような配置により、光源基板２０の実装面、固定部材３０および筐体１０の経路での放熱が可能である。すなわち、固定部材３０はＬＥＤパッケージ２１の放熱経路としての役割も兼ねている。
【００４１】
ＬＥＤパッケージの放熱に関しては、熱を実装基板の裏側から逃がす形態が一般的である。しかしながら、蛍光検出モジュール３でその形態を採用すると、図３および図４における上側である光源基板２０の裏面と本体ケース２との接点を設ける必要があり、放熱のために余計な構造が必要になる。筐体１０と一体化した固定部材３０を放熱経路として利用することで放熱し易くなるとともに、放熱のための構造が簡素化され、蛍光検出モジュール３の小型化にも寄与する。なお、筐体１０を樹脂など金属以外の材料で形成する場合でも、固定部材３０をアルミニウムや銅などの放熱性に優れた金属で形成すれば、固定部材３０は同様に放熱経路として機能する。また、固定部材３０の材料は、熱伝導率の高いものであれば必ずしも金属でなくてもよく、例えば、無機粒子などの熱伝導性フィラーが添加された樹脂（高熱伝導樹脂）であってもよい。
【００４２】
ボールレンズ４０ａ（レンズ）は、固定部材３０の円形空間３２内に固定された上で開口１１ａ内に配置され、ＬＥＤパッケージ２１から出射された励起光Ｌ１，Ｌ２を集光する。ボールレンズ４０ｂは、開口１１ｂ内に配置され、ミラーＭで反射してプローブファイバ４に入射する励起光Ｌ１，Ｌ２、およびプローブファイバ４から光路１２ｂ内に入射する蛍光Ｌ３を集光する。ボールレンズ４０ｃ（他のレンズ）は、開口１１ｃ内におけるＰＤ素子８１の直前に配置され、ミラーＭを透過した蛍光Ｌ３を集光する。ボールレンズ４０ａ〜４０ｃは、すべて球形で同じ大きさを有しているが、形状および大きさの関係は必ずしもこれに限定されない。例えば、ボールレンズ４０ａ〜４０ｃに替えて凸レンズを使用してもよい。
【００４３】
図３および図４に示すように、ボールレンズ４０ａ〜４０ｃは、それぞれゴム製のＯリング４１ａ〜４１ｃで固定される。Ｏリング４１ａ〜４１ｃは環状部材であるため中心に開口を有し、それらの開口は、いずれも励起光Ｌ１，Ｌ２または蛍光Ｌ３の伝搬方向に面している。このため、Ｏリング４１ａ〜４１ｃは、それぞれ、ボールレンズ４０ａ〜４０ｃのレンズ受けであるとともに、ボールレンズ４０ａ〜４０ｃに入射する励起光Ｌ１，Ｌ２または蛍光Ｌ３の絞りとしても機能する。特に、蛍光Ｌ３は散乱光であるため、ＰＤ素子８１の手前で光を絞ることが望ましいが、ボールレンズ４０ｃが絞りの機能を兼ねることで、蛍光検出モジュール３内に別部材として絞りを配置する必要がなくなる。この点は、蛍光検出モジュール３の小型化、ならびに部品点数および製造コストの削減の点で有利である。
【００４４】
光学フィルタ５０ａは、励起光Ｌ１，Ｌ２を透過させ、蛍光Ｌ３の波長領域の光をカットするフィルタである。例えば、励起光Ｌ１，Ｌ２のピーク波長を４０５ｎｍおよび４６５ｎｍとして、歯垢を検出する場合には、歯垢由来の蛍光Ｌ３の波長領域が６２０〜６９０ｎｍ程度であるため、光学フィルタ５０ａとして５００ｎｍ以上の波長の光をカットするものを使用するとよい。光学フィルタ５０ａは、光が透過できるように中心に穴の空いた緩衝ゴム５１ａとボールレンズ４０ａとで挟まれて、開口１１ａ内におけるボールレンズ４０ａの直下に固定されている。
【００４５】
光学フィルタ５０ｃは、蛍光Ｌ３以外の波長領域の光をカットするためのフィルタである。歯垢を検出する場合には、光学フィルタ５０ｃとして、６２０〜６９０ｎｍを除く波長領域の光をカットするものを使用するとよい。光学フィルタ５０ｃは、同様に中心に穴の空いた緩衝ゴム５１ｃとボールレンズ４０ｃとで挟まれて、開口１１ｃ内におけるボールレンズ４０ｃよりも開口１１ｂ側の位置に固定されている。ボールレンズ４０ａ，４０ｃおよび光学フィルタ５０ａ，５０ｃはそれぞれゴム製のＯリング４１ａ，４１ｃと緩衝ゴム５１ａ，５１ｃとで挟まれているため、耐衝撃性が向上する。
【００４６】
図７は、ミラーフレーム６０の斜視図である。ミラーフレーム６０は、ミラーＭが固定される枠体（支持部材）であり、図７に示す端部６０Ａを上側、端部６０Ｂを下側に向けて、筐体１０の溝部１４内に挿入される。端部６０Ａに形成された凹部６１は、図３および図４に示すねじ９１を通すためのねじ溝である。ミラーＭは、ビームスプリッタの一例であり、ダイクロイックミラーまたはハーフミラーで構成され、筐体１０内で下側となるミラーフレーム６０の端部６０Ｂ寄りの位置に接着される。ミラーＭは、光路１２ａを伝搬する励起光Ｌ１，Ｌ２の大部分を光路１２ｂに向けて反射するとともに、光路１２ｂを通って入射した蛍光Ｌ３を透過させる。なお、ビームスプリッタとして、平面型のミラーＭに替えて例えばプリズム型のものを使用してもよく、その形状は特に限定されない。
【００４７】
図３および図４に示す固定部材７０は、ボールレンズ４０ｂを固定するためにＯリング４１ｂを押さえる部材であり、開口１１ｂを覆うように取り付けられる。固定部材７０は中央に開口７１を有し、開口７１には、図１に示すプローブファイバ４の後端４Ｂが固定される。
【００４８】
受光部基板８０は、ＰＤ素子８１が実装される基板であり、固定部材３０と同様に、内部の円形空間にボールレンズ４０ｃとＯリング４１ｃとが配置される環状壁部を有し、その部分が開口１１ｃに収まり開口１１ｃを覆うように筐体１０の側面に取り付けられる。ＰＤ素子８１は、受光部基板８０における光路１２ｃの延長線上の位置に固定されている。ＰＤ素子８１は、受光素子の一例であり、光学フィルタ５０ｃおよびボールレンズ４０ｃを透過した蛍光Ｌ３を受光し、その強度に応じた光電流を生成して回路基板５に出力する。
【００４９】
カバー９０は、筐体１０の開口１１ｃ側の側面に取り付けられて受光部基板８０を覆う部材であり、カバー９０と受光部基板８０とを貫通するねじ９１により、受光部基板８０とともに筐体１０に固定される。ねじ９１は、固定具の一例であり、図５（Ｂ）に示すねじ穴１５に差し込まれた状態で、図３および図４に示すように、カバー９０から溝部１４を越えて固定部材３０の環状壁部３１の手前まで延びる長さを有する。このため、ミラーフレーム６０も、ねじ９１により溝部１４内に挟持される。すなわち、蛍光検出モジュール３では、ミラーフレーム６０、受光部基板８０およびカバー９０の３つの部材が、１本のねじ９１により同時に固定される。このようなミラーフレーム６０とねじ９１の配置により、３つの部材を３本のねじで別々に固定する必要がなくなるので、蛍光検出モジュール３をその分だけ小型化することができる。
【００５０】
なお、固定具は、上記の３つの部材を固定できるものであればビスやピンなどでもよく、その種類は特に限定されない。
【００５１】
図８は、光路１２ｂ，１２ｃを伝搬する光の概念図である。図８では、筐体１０内のミラーＭの周辺を拡大し、ファイバ側の光路１２ｂから受光側の光路１２ｃに向かう蛍光を多数の実線で模式的に示している。試料からの蛍光は拡散光（散乱光）であるため、そのすべてが光路１２ｃの方向に伝搬するわけではなく、一部が光源側の光路１２ａまたはその反対側の迷光吸収穴１３側に反射または屈折し、ミラーＭの周囲の空間で損失が発生する。このため、蛍光検出モジュール３では、光路１２ｃの内径ｄｃは光路１２ｂの内径ｄｂよりも大きい。これにより、内径ｄｂ，ｄｃを同じにした場合と比べてＰＤ素子８１での受光量が多くなるため、蛍光Ｌ３の伝搬効率（すなわち、蛍光検出装置１の検出感度）が上がる。
【００５２】
ボールレンズ４０ｂで試料からの入射光を十分に絞れるならば、必ずしも内径ｄｃを内径ｄｂよりも大きくしなくてもよいが、その場合、開口１１ａ〜１１ｃで異なる種類（大きさ）のレンズを使用することになり、製造コストが高くなる。３つのボールレンズ４０ａ〜４０ｃとして同じ大きさのものを使用し、かつ内径ｄｃを内径ｄｂよりも大きくすることで、部品の種類を削減し製造コストを抑えながら、蛍光の伝搬効率を上げることができる。
【００５３】
迷光吸収穴１３は、図３および図４に示すように筐体１０の下面に設けられ、蛍光検出モジュール３は、下面を下に向けて蛍光検出装置１の本体ケース２内に設置される。また、図１に示すように、状態表示ＬＥＤ７は本体ケース２の上側に配置されている。すなわち、迷光吸収穴１３と状態表示ＬＥＤ７は、本体ケース２の互いに対向する面にそれぞれ配置されている。迷光吸収穴１３と状態表示ＬＥＤ７を本体ケース２の同じ側に配置すると、状態表示ＬＥＤ７の光が迷光吸収穴１３に入り込んでノイズになるが、両者が互いに反対の位置に配置されているので、状態表示ＬＥＤ７の発光による検出への影響が抑えられる。
【００５４】
図９（Ａ）〜図９（Ｃ）は、蛍光検出装置１の回路構成の説明図である。このうち、図９（Ａ）は、光源基板２０、受光部基板８０、ＦＰＣ６ａ，６ｃおよび回路基板５の接続関係を模式的に示している。図９（Ａ）に示すように、ＦＰＣ６ａは光源基板２０と回路基板５とを、ＦＰＣ６ｃは受光部基板８０と回路基板５とをそれぞれ電気的に接続する。ＦＰＣ６ｃには、ＰＤ素子８１からの光電流を電圧に変換する電流電圧変換回路（トランスインピーダンスアンプ）が搭載されている。
【００５５】
図９（Ｂ）および図９（Ｃ）は、それぞれ、回路基板５の模式的な上面図および下面図である。回路基板５に実装されている回路素子には、バンドパスフィルタ５２、ロックインアンプ５３，５７、Ａ／Ｄコンバータ５４，５８、ＬＥＤドライバ５５およびＣＰＵ５６（マイクロコンピュータ）が含まれる。このうち、バンドパスフィルタ５２およびロックインアンプ５３，５７はアナログ素子、Ａ／Ｄコンバータ５４，５８はアナログとデジタルが混在した素子、ＬＥＤドライバ５５およびＣＰＵ５６はデジタル素子である。
【００５６】
蛍光検出装置１は２相のロックインアンプを使用して蛍光強度を検出するため、回路基板５は、２系統（２組）のロックインアンプとＡ／Ｄコンバータを有する。アナログ回路とデジタル回路は分離して配置することが望ましいが、回路基板５ではそれらが２系統あるため、すべてを基板の１面に収めようとすると配置が複雑になる。また、例えばアナログ回路を基板の上面に、デジタル回路を基板の下面に分けて配置すると、電源配線の取り回しが難しくなる。このため、回路基板５では、２系統のロックインアンプとＡ／Ｄコンバータが上面と下面に１系統ずつ配置されている。すなわち、回路基板５の上面には、励起光Ｌ１が照射されたときの蛍光Ｌ３の強度を検出するための第１の制御回路が配置され、回路基板５の下面には、励起光Ｌ２が照射されたときの蛍光Ｌ３の強度を検出するための第２の制御回路が配置されている。
【００５７】
その上で、回路基板５では、蛍光検出モジュール３に近い図中左側にアナログ素子のバンドパスフィルタ５２およびロックインアンプ５３，５７が、電池９に近い図中右側にデジタル素子のＬＥＤドライバ５５およびＣＰＵ５６が、両者の中央付近にアナログとデジタルの両方を扱うＡ／Ｄコンバータ５４，５８が、それぞれ配置されている。すなわち、アナログ素子は回路基板５の上面および下面における一方の側に、デジタル素子は回路基板５の上面および下面における他方の側に、それぞれ分かれて実装されている。図９（Ｂ）および図９（Ｃ）における符号５Ａ，５Ｂは、それぞれ上面のアナログ回路およびデジタル回路（第１の制御回路）を、符号５Ｃ，５Ｄは、それぞれ下面のアナログ回路およびデジタル回路（第２の制御回路）を、符号５Ｅは電源回路を示している。
【００５８】
このような配置により、アナログ回路とデジタル回路を容易に分離することができ、すべての素子を基板の片面に配置した場合と比べて基板の面積が小さくなるので、小型化の効果も得られる。
【００５９】
なお、図９（Ｃ）における符号８は操作スイッチであり、符号５Ｆは、検出の有無などの蛍光検出装置１の状態を使用者に通知するためのブザーである。ブザー５Ｆはノイズ源であるため、回路基板５の下面において、アナログ回路５Ｃ側から最も離れた電源回路５Ｅの近くに配置されている。図示しないが、状態表示ＬＥＤ７は、上面側のアナログ回路５Ａにおけるバンドパスフィルタ５２とロックインアンプ５３の間に配置されている。
【００６０】
以上説明した蛍光検出モジュール３は、小型かつ軽量であり、励起光の照射と蛍光の検出を同軸で行うことができる。蛍光検出モジュール３を含む蛍光検出装置１を歯科用の検査装置として用いれば、プローブファイバ４を例えば目視が困難な歯の隙間や深部などに挿入することで、検出対象の試料が生成する微弱な蛍光やその光学特性の変化を離れた位置から検出することができる。光源に可視光領域のＬＥＤを使用することにより、安全性が確保され、消費電力も少なくなる。環境光をフィルタリング処理にてカットすることもできるため、蛍光検出装置１は、検出場所を選ばず、生活環境下においても使用可能である。なお、ＬＥＤパッケージ２１の発光波長や光学フィルタ５０ａ，５０ｃの特性は、検出対象に応じて自由に選択することができ、検査光としては、反射光などの蛍光以外の光も検出可能である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【国際調査報告】
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