Способ определения оптических характеристик многослойных объектов и устройство для его осуществления

Способ определения оптических характеристик многослойных объектов с частично прозрачной и диффузно рассеивающей свет внутренней средой заключается в подаче излучения на поверхность исследуемого объекта и регистрации излучения на выходе приемного световода. На поверхности объекта в зоне входного окна приемного световода формируют область частичного затемнения, обеспечивающую изменяющееся в пространстве распределение плотности мощности рассеянного излучения, попадающего во входное окно приемного световода, и регистрируют его, по которому судят об оптических характеристиках многослойного объекта. Устройство для осуществления способа содержит осветительный блок с выходным окном, блок регистрации излучения, не менее двух фоточувствительных элементов, блок управления и обработки сигналов, приемный световод, выходное окно осветительного блока и приемный световод установлены коаксиально относительно друг друга. Фоточувствительные элементы блока регистрации излучения оптически согласованы с выходным окном приемного световода и расположены коаксиально относительно друг друга с возможностью регистрации пространственного распределения мощности излучения, рассеянного исследуемым объектом. Технический результат - определение оптических характеристик слоев эмали и дентина. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 5 ил.

 

Изобретение относится к области оптических измерений и может использоваться для определения оптических характеристик многослойных объектов с частично прозрачной и диффузно рассеивающей свет внутренней средой, преимущественно зубов.

Известен способ определения оптических характеристик многослойных объектов, преимущественно зубов, при котором освещают исследуемый объект и устанавливают рядом с ним элементы шкалы, имеющей разные оптические характеристики (например, элементы цветовой шкалы), определяют тот элемент шкалы, который наиболее близок по оптическим характеристикам (например, по цвету) к исследуемому объекту и который затем принимается за меру искомых оптических характеристик (например, за меру цвета) для исследуемого объекта [1].

Устройство для осуществления данного способа содержит стандартное осветительное устройство и шкалу (например, шкалу цветовых раскрасок VITA при исследовании зуба) [1].

Недостатком известного способа и устройства является низкая достоверность в определении оптических характеристик объектов, обусловленная субъективным фактором (например, цветовое восприятие у разных операторов разное и меняется от состояния организма). Кроме того, этим способом невозможно определить оптические характеристики разных слоев (например, эмали и дентина у зуба).

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является способ определения оптических характеристик многослойных объектов с частично прозрачной и диффузно рассеивающей свет внутренней средой, заключающийся в подаче излучения на поверхность исследуемого объекта коаксиально относительно приемного световода, формировании на объекте в зоне входного окна приемного световода затемненной области, в регистрации рассеянного излучения, исходящего от затемненной области, по параметрам которого судят об оптических характеристиках исследуемого объекта [2].

Устройство для реализации способа содержит осветительный блок с выходным окном, блок регистрации излучения, подключенный выходом к блоку управления и обработки сигналов, выход которого подключен к входу осветительного блока, приемный световод, выходное окно которого оптически связано с входным окном блока регистрации излучения, при этом выходное окно осветительного блока и приемный световод установлены коаксиально относительно друг друга и входное окно приемного световода предназначено для установки на поверхность объекта [2].

Недостатком известного способа и устройства является невозможность определить оптические характеристики отдельных слоев, например спектральные показатели светорассеяния эмали и дентина зуба как исследуемого объекта.

Изобретение решает задачу обеспечения регистрации оптических характеристик отдельных слоев многослойных объектов с частично прозрачной и диффузно рассеивающей свет внутренней средой, преимущественно зубов.

Сущность изобретения заключается в автоматизации технологии определения оптических характеристик отдельных слоев объектов с частично прозрачной диффузно рассеивающей свет внутренней средой.

Технический результат от использования изобретения заключается в обеспечении определения оптических характеристик слоев (эмали и дентина) таких объектов, как, например, зубов.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе определения оптических характеристик многослойных объектов с частично прозрачной и диффузно рассеивающей свет внутренней средой, преимущественно зубов, заключающемся в подаче излучения на поверхность исследуемого объекта коаксиально относительно приемного световода и в регистрации излучения на выходе приемного световода, в зоне входного окна приемного световода формируют область частичного затемнения и регистрируют пространственное распределение плотности мощности рассеянного излучения в области частичного затемнения, по которому судят об оптических характеристиках многослойного объекта.

Целесообразно в области частичного затемнения формировать переменное во времени пространственное распределение плотности мощности рассеянного излучения.

Указанный технический результат также достигается тем, что в устройстве для определения оптических характеристик многослойных объектов, содержащем осветительный блок с выходным окном, блок регистрации излучения, подключенный выходом к блоку управления и обработки сигналов, выход которого подключен к входу осветительного блока, приемный световод, выходное окно которого оптически связано с входным окном блока регистрации излучения, при этом выходное окно осветительного блока и приемный световод установлены коаксиально относительно друг друга и входное окно приемного световода предназначено для установки на поверхности объекта, блок регистрации излучения имеет не менее двух фоточувствительных элементов.

Целесообразно, чтобы фоточувствительные элементы блока регистрации излучения были выполнены коаксиально относительно друг друга.

Приемный световод может быть выполнен не менее чем из двух оптических волноводов, каждый из которых оптически связан с отдельным фоточувствительным элементом блока регистрации излучения.

Целесообразно, чтобы оптические волноводы приемного световода были выполнены коаксиальными относительно друг друга.

Целесообразно, чтобы устройство содержало второй осветительный блок, выход которого оптически связан с одним из оптических волноводов приемного световода, а выход другого оптического волновода оптически связан с входом блока регистрации излучения, входы второго осветительного блока электрически связаны с выходами блока управления и обработки сигналов.

Проведенный анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявляемого изобретения, позволяет установить, что заявителем не обнаружены технические решения, характеризующиеся признаками, идентичными всем существенным признакам заявляемого изобретения. Определение из перечня выявленных аналогов прототипа позволило выявить совокупность существенных (по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату) отличительных признаков в заявляемом объекте, изложенных в формуле изобретения.

Следовательно, заявляемое изобретение соответствует требованию "новизна" по действующему законодательству.

Сведений об известности отличительных признаков в совокупности признаков известных технических решений с достижением такого же, как у заявляемого изобретения, положительного эффекта не имеется. На основании этого сделан вывод, что предлагаемое техническое решение соответствует критерию "изобретательский уровень".

Способ и устройство определения оптических характеристик многослойных объектов с частично прозрачной и диффузно рассеивающей свет внутренней средой, преимущественно зубов, поясняется фиг.1-5.

На фиг.1 показана коаксиальная подача излучения относительно приемного световода на поверхности объекта (фронтальный вид).

На фиг.2 показана установка приемного световода непосредственно на поверхность объекта (вид сбоку).

На фиг.3 представлено устройство для определения оптических характеристик многослойных объектов.

На фиг.4 представлено коаксиальное исполнение фоточувствительных элементов и приемный световод с коаксиальным размещением оптических волноводов относительно друг друга.

На фиг.5 представлено устройство для определения оптических характеристик многослойных объектов с дополнительным осветительным блоком.

Способ определения оптических характеристик многослойных объектов, преимущественно зубов, заключается в следующем.

На поверхность исследуемого объекта 1 подают излучение, сформированное коаксиально относительно приемного световода 2. Часть излучения, падающего на поверхность объекта, проникает внутрь него, поглощается и диффузно рассеивается в слоях объекта (для зуба - в эмали и дентине). Так как световод 2 закрывает от попадания излучения часть поверхности объекта 1, расположенной под входным окном приемного световода 1, то на исследуемом объекте в зоне входного окна световода возникает область частичного затемнения. На фиг.2 кривая 3 характеризует пространственное распределение интенсивности рассеянного излучения внутри оптического объекта (для продольного сечения объекта относительно оптической оси приемного световода). Следует отметить, что при изменении спектрального показателя светорассеяния слоя (например, эмали) изменяется крутизна кривой 3 при переходе из освещенной области объекта в "затемненную" (фиг.2). При увеличении показателя светорассеяния вышеуказанный переход оказывается более плавным. У зубов за первым слоем (эмаль) со слабым диффузным рассеянием располагается сильно рассеивающий поглощающий слой (дентин), поэтому для эмали кривая 3 (фиг.2) имеет сильно выраженный провал в зоне затемнения, а для дентина кривая 3 оказывается плавной, практически без провала. Таким образом, если определить крутизну вышеуказанного перехода (в районе провала) кривой 3, то можно определить и показатель светорассеяния слоя (эмали зуба). Для этого регистрируют по отдельности излучение по крайней мере от двух участков затемненной области. Целесообразно участки выбирать таким образом, чтобы они были коаксиально расположены относительно друг друга. При этом центральный (первый) участок должен приходиться на максимально затемненную зону (минимум кривой 3, фиг.2), а внешний край второго (или последнего) участка должен быть как можно дальше удален от центрального. В этом случае можно точнее определить крутизну нужного участка кривой 3, а следовательно, показатель ε_э (λ) светорассеяния слоя (эмали зуба) для разных длин волн λ (целесообразно определять на трех длинах волн). ε_э (λ) определяется из полученной экспериментальным путем функции (определялась для разных типов эмали, разных типов зубов и место положения точки измерения)

где P1(λ), Р2(λ) - мощности излучения, исходящие соответственно от первого (центрального) и второго (кольцевого) участков затемненной области.

Показатель ε_д (λ) светорассеяния дентина (второго слоя) определяется из функции, полученной экспериментальным путем для разных типов дентина

Следует отметить, что при исследовании объектов с большим количеством слоев, чем зубы, количество участков затемненной области, от которых регистрируется излучение, должно быть больше 2.

Показатели светорассеяния ε_э (λ), ε_д (λ) можно определить и иначе, если в области частичного затемнения формируют переменное во времени пространственное распределение плотности мощности рассеянного излучения, что можно обеспечить за счет подачи на исследуемый объект в разные моменты времени световых потоков с разной расходимостью. При этом выражения (1)-(3) не изменяются, но Р1(λ) - мощность излучения, соответствующая одному пространственному распределению плотности мощности рассеянного излучения в частично затемненной области (для одного временного интервала), при подаче светового потока с одной расходимостью, а Р2(λ) - мощность излучения, соответствующая другому пространственному распределению плотности мощности рассеянного излучения в частично затемненной области (для второго временного интервала), при подаче светового потока с другой расходимостью.

Способ определения оптических характеристик многослойных объектов с частично прозрачной и диффузно рассеивающей свет внутренней средой, преимущественно зубов, реализуется с помощью устройства, блок-схема которого представлена на фиг.3 (блок питания не показан). Устройство содержит осветительный блок 4 с выходным окном 5, блок 6 регистрации излучения, подключенный выходами к блоку 7 управления и обработки сигналов, выход которого подключен к входу осветительного блока 4, приемный световод 2, выходное окно которого оптически связано с входом блока 6 регистрации излучения.

Световод 2 может быть выполнен из оптически прозрачного материала (стекла) в виде цилиндра. Световод 2 может также быть выполнен не менее чем из двух оптических волноводов 8, 9, коаксиально установленных относительно друг друга (фиг.4, изображение торца световода). Для повышения механической прочности приемного световода 2 и исключения проникновения в него излучения со стороны окна 5 он устанавливается в твердую оптически непрозрачную (металлическую) трубочку (на фиг.3 не показано).

Выходное окно 5 осветительного блока 4 выполнено в виде цилиндра из оптически прозрачного материала, внутри которого установлен приемный световод 2.

Осветительный блок 4 может быть выполнен в виде трех групп 10, 11, 12 элементов излучения, работающих в разных областях спектра излучения. Все элементы излучения устанавливаются по кругу на внутренней стороне окна 5. Причем элементы каждого цвета устанавливаются с одинаковым угловым смещением относительно друг друга. Например, в качестве элементов излучения могут быть использованы элементы многоэлементных светодиодов LF59EMBGMBC.

Блок 6 регистрации излучения содержит не менее двух фотоприемных устройств (по числу участков затемненной области, от которых регистрируется рассеянное излучение) 13, 14. Для эффективного оптического согласования выходного окна приемного световода 2 с фотоприемными устройствами 13, 14 их фоточувствительные элементы 15, 16 (фиг.4) целесообразно выполнять с коаксиальным расположением относительно друг друга (фиг.4).

Один из вариантов исполнения блока 7 управления и обработки сигналов представлен на фиг.3. Блок 7 содержит микроконтроллер 17, имеющий на аналоговых входах, к которым подключаются выходы фотоприемных устройств 13, 14, коммутатор, своим выходом подключенный к входу аналого-цифрового преобразователя (например, микроконтроллер типа MSP430P325), цифровой индикатор 18 и электрическую кнопку 19 запуска. При этом одна часть (три выхода) микроконтроллера 17 через балластные резисторы (на фиг.3 не показаны) подключена к светодиодам 10, 11, 12 осветительного блока 4, вторая часть выходов - к входам индикатора 18. Кнопка 19 запуска подключена к входу запуска микроконтроллера.

При реализации способа, когда в области частичного затемнения формируют переменное во времени пространственное распределение плотности мощности рассеянного излучения, в устройство (фиг.5) дополнительно вводится второй осветительный блок 20, который может состоять из трех групп элементов излучения 21, 22, 23, аналогичных элементам излучения 10, 11, 12. При этом выход осветительного блока 20 оптически связан с одним из оптических волноводов приемного световода 2, выход другого оптического волновода приемного световода 2 оптически связан с входом блока 6 регистрации излучения. Входы осветительного блока 20 электрически подключены к выходам блока 7 управления и обработки сигналов. Следует отметить, что оптический волновод приемного световода 2, по которому подается излучение от блока 20, может не касаться исследуемого объекта (выступает в виде ступеньки) и должен находиться ближе к объекту, чем выходное окно осветительного блока 5. За счет чего и обеспечивается разная расходимость световых потоков, падающих на исследуемый объект, поступающих от оптического волновода приемного световода 2 и от выходного окна осветительного блока 5.

Устройство работает следующим образом. На первом этапе входное окно приемного световода 2 устанавливают на поверхность исследуемого объекта 1, нажимают кнопку 19. При этом на управляющий вход микроконтроллера 17 поступает сигнал, по которому с выходов микроконтроллера по очереди на элементы излучения 10, 11, 12 поступают электрические импульсы (импульсы подсветки), вызывающие свечение этих элементов. Световые сигналы с выхода элементов 10, 11, 12 проходят выходное окно 5, которое представляет собой некогерентный световод, создающий равномерное и коаксиальное распределение плотности мощности световых потоков на поверхности калибровочной пластины. Часть светового потока, рассеянного во внутренней среде калибровочной пластины, попадает во входное окно приемного световода 2. Если световод 2 выполнен монолитным, то фоточувствительные элементы 8, 9 должны быть установлены на таком расстоянии (примерно 5 мм и зависит от диаметра световода), чтобы большинство прямых световых пучков с выхода световода (они соответствуют центральному участку затемненной области, кривая 3, фиг.2) попадали на фоточувствительный элемент 8, а большинство наклонных пучков (соответствуют краевому участку в затемненной области, кривая 3, фиг.2) - на фоточувствительный элемент 9. Если световод 2 выполнен из двух (не менее чем из двух) коаксиально расположенных относительно друг друга оптических волноводов, то торец световода 2 должен устанавливаться вплотную к чувствительным элементам 8, 9. При этом диаметр элемента 8 должен быть равен диаметру волновода 15 (регистрируется излучение от центрального участка затемненной области, кривая 3, фиг.2) и внешний диаметр элемента 9 должен быть не меньше внешнего диаметра волновода 16 (регистрируется излучение краевого участка затемненной области, кривая 3, фиг.2). В течение времени работы каждой из групп элементов излучения 10, 11 или 12 выходы фотоприемных устройств поочередно через коммутатор микроконтроллера 17 подключается к входу аналого-цифрового преобразователя микроконтроллера 17. Таким образом, в память микроконтроллера 17 заносятся цифровые эквиваленты Р1(λ), P2(λ). Табличные значения функций (2), (1) занесены в память микроконтроллера 17, который с учетом Р1(λ), Р2(λ) вычисляет ε_э (λ), ε(λ). Результат вычисления отображается на цифровом индикаторе 18.

Следует отметин, что для повышения точности перед (или после) измерением оптических характеристик исследуемого объекта можно произвести измерение оптических характеристик калиброванной пластины, которые известны. Тогда в выражениях (1), (2) вместо P1(λ), Р2(λ) следует применять:

где P1₀(λ), Р2₀(λ) - мощности излучения, зарегистрированные соответственно от центрального (первого) и кольцевого (второго) участков затемненной области при работе с калибровочной пластиной. Калибровочную пластину целесообразно выполнять двухслойной (при использовании в качестве исследуемых объектов зубов) из белого материала. При этом верхний слой следует выполнять из материала со слабым светорассеянием (эквивалент эмали), а нижний слой - из материала с сильным светорассеянием (эквивалент дентина).

Устройство на фиг.5 работает практически аналогично устройству на фиг.3. Отличие только в том, что поочередно включаются осветительные блоки 4 и 20. И блок регистрации излучения 6 регистрирует на выходе волновода (премного волновода) световода 2 попеременно излучения Р1₀(λ), Р2₀(λ).

На основе заявляемого изобретения был создан экспериментальный прибор. Исследования его показали, что он правильно определяет показатели светорассеяния эмали и дентина зубов, на основании которых определялся и цвет зубов в соответствии со стоматологической шкалой цветовых раскрасок VITA.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. Синяк М.А. Спектрофотометр: взгляд изнутри // "Publish" - 2000 г., №2.

2. Патент США 5759030 А, 02.06.1998.

1. Способ определения оптических характеристик многослойных объектов с частично прозрачной и диффузно рассеивающей свет внутренней средой, преимущественно зубов, заключающийся в подаче излучения на поверхность исследуемого объекта коаксиально относительно приемного световода и в регистрации излучения на выходе приемного световода, отличающийся тем, что на поверхности объекта в зоне входного окна приемного световода формируют область частичного затемнения, обеспечивающую изменяющееся в пространстве распределение плотности мощности рассеянного излучения, попадающего во входное окно приемного световода, регистрируют пространственное распределение мощности рассеянного излучения в области частичного затемнения, по которому судят об оптических характеристиках многослойного объекта.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в области частичного затемнения формируют переменное во времени пространственное распределение плотности мощности рассеянного излучения.

3. Устройство для определения оптических характеристик многослойных объектов, содержащее осветительный блок с выходным окном, блок регистрации излучения, имеющий не менее двух фоточувствительных элементов, подключенный выходами к блоку управления и обработки сигналов, выход которого подключен к входу осветительного блока, приемный световод, выходное окно которого оптически связано с входным окном блока регистрации излучения, при этом выходное окно осветительного блока и приемный световод установлены коаксиально относительно друг друга и входное окно приемного световода предназначено для установки на поверхности исследуемого объекта, отличающееся тем, что фоточувствительные элементы блока регистрации излучения оптически согласованы с выходным окном приемного световода и расположены коаксиально относительно друг друга с возможностью регистрации пространственного распределения мощности излучения, рассеянного исследуемым объектом.

4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что приемный световод выполнен не менее чем из двух оптических волноводов, каждый из которых оптически связан с отдельным фоточувствительным элементом блока регистрации излучения.

5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что оптические волноводы приемного световода выполнены коаксиальными относительно друг друга.

6. Устройство по п.4, отличающееся тем, что оно содержит второй осветительный блок, выход которого оптически связан с одним из оптических волноводов приемного световода, а выход другого оптического волновода оптически связан с входом блока регистрации излучения, входы второго осветительного блока электрически связаны с выходами блока управления и обработки сигналов.