一种牙科树脂内应变场的测量装置

摘要

本发明公开了一种牙科树脂内应变场的测量装置，包括光学测量系统、探测头和数据处理器；光学测量系统中光纤耦合器的一输入端与光源连接，一输出端连接探测头，在另一输出端设置由反光元件构成的用于形成参考光的光学组件，在另一输入端设置用于接收物光与参考光形成的干涉光的光电成像装置；探测头用于将光纤输出的探测光照射在被测牙齿并接收反射回的物光；数据处理器用于根据光电成像装置成像得到的干涉光谱计算获得被测牙齿树脂内的应变场测量结果。本发明牙科树脂内应变场的测量装置，基于干涉层析测量方法实现在线测量树脂内应变场分布，以便根据在应力作用下树脂内应变场的变化对其内部缺陷进行检测。

权利要求

1.一种牙科树脂内应变场的测量装置，其特征在于，包括光学测量系统、探测头和数据处理器；

所述光学测量系统包括提供相干光的光源、光纤耦合器，光学组件和光电成像装置，所述光纤耦合器的一输入端与所述光源连接，一输出端通过光纤连接所述探测头，在另一输出端设置由反光元件构成的用于形成参考光的所述光学组件，在另一输入端设置用于接收物光与参考光形成的干涉光的所述光电成像装置；

所述探测头用于将光纤输出的探测光照射在被测牙齿并接收反射回的物光；

所述数据处理器与所述光电成像装置相连，用于根据所述光电成像装置成像得到的干涉光谱计算获得被测牙齿树脂内的应变场测量结果；

所述数据处理器根据干涉光谱计算获得被测牙齿树脂内的应变场测量结果，具体包括：采集的干涉光谱以如下公式描述：

其中，I(k)表示干涉光光强度，DC表示直流分量，AC表示自相干分量，IR表示参考光光强度，Ij表示第j层表面反射回光的光强度，k为波数，k＝2π/λ，λ为波长，M为参与干涉的表面个数，φj0为参考面与第j层表面干涉时的初始相位，Λj为第j层表面与参考面之间的光程差；

按照如下公式计算牙科树脂内第j层表面与参考面之间的距离zj：其中，nj表示折射率，Λj通过以下公式计算获得：

fk表示干涉光谱沿波数k轴的变化频率。

2.如权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述光学组件至少包括沿光路依次布置的第一透镜、第一反射镜、光程调节组件和第二反射镜；

所述第一透镜用于将光纤的输出光调整为平行光；

所述第一反射镜的法线与所述第一透镜的中心轴成45度角；

所述光程调节组件至少包括相互垂直设置且反射面相向的第三反射镜和第四反射镜，所述第三反射镜与所述第一反射镜平行，所述第二反射镜与所述第四反射镜相向，且两者法线的夹角为45度；

所述第一反射镜的反射光以45度入射角入射到所述第三反射镜，经所述第三反射镜、所述第四反射镜依次反射后，所述第四反射镜的反射光垂直入射到所述第二反射镜；

所述光程调节组件可沿其入射光的方向位移。

3.如权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述光学测量系统与所述探测头通过光纤跳线连接。

4.如权利要求1所述的测量装置，其特征在于，在所述光纤耦合器的输入端与所述光电成像装置之间的光路上依次设置有第二透镜、反射式衍射光栅和第三透镜。

5.如权利要求1所述的测量装置，其特征在于，在所述探测头内至少设置有用于调整光束的第四透镜。

6.如权利要求1-5任一项所述的测量装置，其特征在于，所述光纤耦合器为分光比为

50:50的光纤耦合器。

7.如权利要求1-5任一项所述的测量装置，其特征在于，所述光电成像装置为CCD相机。

8.如权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述数据处理器根据干涉光谱计算获得被测牙齿树脂内的应变场测量结果，还包括：根据如下公式计算牙科树脂内第j层表面的离面位移wj：其中，Δφj表示变形前后干涉光谱的相位变化，kc表示光源输出光的中心波数，Δnj表示变形前后折射率的变化量；

根据如下公式计算牙科树脂内第j层表面的离面应变εj：

说明书

一种牙科树脂内应变场的测量装置

技术领域

[0001] 本发明涉及牙科检测技术领域，特别是涉及一种牙科树脂内应变场的测量装置。

背景技术

[0002] 牙科树脂是一种广泛应用于临床的牙色修复材料，具有对牙齿修复的美观性好、修复时对牙体切割少等优点。在修复过程中，该材料要经历一个从填入窝洞时的全塑性状态，经聚合反应发生固化，最终达到高刚性弹性状态的变化过程，在过程中并伴随着体积收缩，体积收缩产生收缩应力，会影响树脂本身及粘结界面，会导致在牙科树脂内出现孔洞、裂缝、缺口等缺陷，因此会造成临床上树脂修复后出现微渗漏、边缘染色、继发龋、术后敏感、釉质折裂等问题。现有技术中，对牙科树脂内缺陷的检测是采用传统的三维有限元分析理论进行分析，然而该方法难以得到与实际情况一致的检测结果。

[0003] 近年来，在材料检测领域的研究中发现，当材料内部存在孔洞、缺口、裂缝等缺陷的材料在受力变形时，其缺陷周围的部分会形成一个应力集中区域，该区域内材料所受的应力远大于其他位置，相应会产生明显形变，因此，可以根据材料受应力作用时内部的应变情况，来对材料内部缺陷进行分析检测。

发明内容

[0004] 基于此，本发明提供一种牙科树脂内应变场的测量装置，基于光学干涉原理获得被测牙齿树脂内多层面的干涉光谱，根据干涉光谱获得树脂内的应变分布，以便根据在应力作用下树脂内应变场的变化对其内部缺陷进行检测。

[0005] 为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

[0006] 一种牙科树脂内应变场的测量装置，包括光学测量系统、探测头和数据处理器；

[0007] 所述光学测量系统包括提供相干光的光源、光纤耦合器，光学组件和光电成像装置，所述光纤耦合器的一输入端与所述光源连接，一输出端通过光纤连接所述探测头，在另一输出端设置由反光元件构成的用于形成参考光的所述光学组件，在另一输入端设置用于接收物光与参考光形成的干涉光的所述光电成像装置；

[0008] 所述探测头用于将光纤输出的探测光照射在被测牙齿并接收反射回的物光；

[0009] 所述数据处理器与所述光电成像装置相连，用于根据所述光电成像装置成像得到的干涉光谱计算获得被测牙齿树脂内的应变场测量结果。

[0010] 可选地，所述光学组件至少包括沿光路依次布置的第一透镜、第一反射镜、光程调节组件和第二反射镜；

[0011] 所述第一透镜用于将光纤的输出光调整为平行光；

[0012] 所述第一反射镜的法线与所述第一透镜的中心轴成45度角；

[0013] 所述光程调节组件至少包括相互垂直设置且反射面相向的第三反射镜和第四反射镜，所述第三反射镜与所述第一反射镜平行，所述第二反射镜与所述第四反射镜相向，且两者法线的夹角为45度；

[0014] 所述第一反射镜的反射光以45度入射角入射到所述第三反射镜，经所述第三反射镜、所述第四反射镜依次反射后，所述第四反射镜的反射光垂直入射到所述第二反射镜；

[0015] 所述光程调节组件可沿其入射光的方向位移。

[0016] 可选地，所述光学测量系统与所述探测头通过光纤跳线连接。

[0017] 可选地，在所述光纤耦合器的输入端与所述光电成像装置之间的光路上依次设置有第二透镜、反射式衍射光栅和第三透镜。

[0018] 可选地，在所述探测头内至少设置有用于调整光束的第四透镜。

[0019] 可选地，所述光纤耦合器为分光比为50:50的光纤耦合器。

[0020] 可选地，所述光电成像装置为CCD相机。

[0021] 可选地，所述数据处理器根据干涉光谱计算获得被测牙齿树脂内的应变场测量结果，具体包括：

[0022] 采集的干涉光谱以如下公式描述：

[0023]

[0024] 其中，I(k)表示干涉光光强度，DC表示直流分量，AC表示自相干分量，IR表示参考光光强度，Ij表示第j层表面反射回光的光强度，k为波数，k＝2π/λ，λ为波长，M为参与干涉的表面个数，φj0为参考面与第j层表面干涉时的初始相位，Λj为第j层表面与参考面之间的光程差；

[0025] 按照如下公式计算牙科树脂内第j层表面与参考面之间的距离zj：

[0026]

[0027] 其中，nj表示折射率，Λj通过以下公式计算获得：

[0028]

[0029] fk表示干涉光谱沿波数k轴的变化频率。

[0030] 可选地，所述数据处理器根据干涉光谱计算获得被测牙齿树脂内的应变场测量结果，还包括：

[0031] 根据如下公式计算牙科树脂内第j层表面的离面位移wj：

[0032]

[0033] 其中，Δφj表示变形前后干涉光谱的相位变化，kc表示光源输出光的中心波数，Δnj表示变形前后折射率的变化量；

[0034] 根据如下公式计算牙科树脂内第j层表面的离面应变εj：

[0035]

[0036] 由上述技术方案可以看出，本发明提供的一种牙科树脂内应变场的测量装置，包括探测头、光学测量系统和数据处理器，其中光学测量系统包括光源、光纤耦合器、光学组件和光电成像装置。光学测量系统中光源产生的相干光进入光纤耦合器，一部分光经光纤耦合器的一输出端输出到探测头，用于照射被测牙齿；另一部分光输出到光学组件，形成参考光返回；被测牙齿反射回的物光与参考光在光纤耦合器内发生干涉，形成的干涉光由光电成像装置接收得到干涉光谱。牙科树脂内存在多层面结构，探测光照射到树脂经各层面形成反射光，反射光与参考光干涉得到干涉光谱，根据测量的干涉光谱可获得被测牙齿树脂内的应变场分布。

[0037] 本发明牙科树脂内应变场的测量装置，基于光学干涉理论，测量获得牙科树脂内多层面的干涉光谱，基于干涉光谱获得其内部应变场分布，实现了牙科树脂内应变场的在线测量，可进一步根据牙科树脂受应力作用时树脂内应变分布的变化对其内部缺陷进行分析检测。

附图说明

[0038] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

[0039] 图1为本发明实施例提供的一种牙科树脂内应变场的测量装置的示意图；

[0040] 图2为本发明又一实施例提供的一种牙科树脂内应变场的测量装置的示意图；

[0041] 图3为本发明实施例中建立的牙科树脂内的多层结构模型示意图。

具体实施方式

[0042] 为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

[0043] 请参考图1，为本实施例提供的一种牙科树脂内应变场的测量装置的示意图，本实施例牙科树脂内应变场的测量装置包括光学测量系统1、探测头2和数据处理器3；

[0044] 所述光学测量系统1包括提供相干光的光源10、光纤耦合器11，光学组件12和光电成像装置13，所述光纤耦合器11的一输入端与所述光源10连接，一输出端通过光纤连接所述探测头2，在另一输出端设置由反光元件构成的用于形成参考光的光学组件12，在另一输入端设置用于接收物光与参考光形成的干涉光的所述光电成像装置13；

[0045] 所述探测头2用于将光纤输出的探测光照射在被测牙齿并接收反射回的物光；

[0046] 所述数据处理器3与所述光电成像装置13相连，用于根据所述光电成像装置成像得到的干涉光谱计算获得被测牙齿内的应变场测量结果。

[0047] 本实施例提供的牙科树脂内部应变场的测量装置，包括探测头2、光学测量系统1和数据处理器3，其中光学测量系统1包括光源10、光纤耦合器11、光学组件12和光电成像装置13。光学测量系统中，光源10产生的相干光进入光纤耦合器11，一部分光经光纤耦合器的一输出端输出到探测头2，用于照射被测牙齿；另一部分光输出到光学组件12，形成参考光返回；被测牙齿反射回的物光与参考光在光纤耦合器11内发生干涉，形成干涉光由光电成像装置13接收得到干涉光谱。

[0048] 被测牙齿树脂内存在多层面结构，探测光照射到牙齿，由各层面形成反射光，返回的各层面反射光与参考光干涉得到干涉光谱，根据得到的干涉光谱可计算获得被测牙齿树脂内的应变分布，因此本实施例牙科树脂内应变场的测量装置，基于光学干涉理论，获得牙科树脂内多层面的干涉光谱，基于干涉光谱获得其内部应变场分布。

[0049] 本实施例牙科树脂内应变场的测量装置基于干涉层析测量方法获得牙科树脂内应变场分布，实现了对牙科树脂内应变场的在线实时测量，应用在临床中通过测量牙齿内应变场在应力作用中的变化，可以对牙科树脂内部缺陷进行分析和检测。

[0050] 下面对本实施例牙科树脂内应变场的测量装置作进一步详细说明。

[0051] 请参考图2，本实施例牙科树脂内应变场的测量装置，在光学测量系统1中，由光源10提供相干光，光源可采用激光器，其输出端通过光纤与光纤耦合器11的一输入端连接。

[0052] 光纤耦合器11的一输出端通过光纤连接探测头2，在另一输出端连接用于形成参考光的光学组件12。

[0053] 在一种具体实施例中，参考图2所示，所述光学组件12至少包括沿光路依次布置的第一透镜120、第一反射镜121、光程调节组件和第二反射镜122，所述第一透镜120用于将光纤的输出光调整为平行光，所述第一反射镜121的法线与所述第一透镜120的中心轴成45度角。

[0054] 所述光程调节组件至少包括相互垂直设置且反射面相向的第三反射镜123和第四反射镜124，所述第三反射镜123与所述第一反射镜121平行，所述第二反射镜122与所述第四反射镜124相向，且两者法线的夹角为45度。由光纤输出的输出光经第一透镜120后调整为平行光，入射到第一反射镜121，第一反射镜121的反射光以45度入射角入射到所述第三反射镜123，经所述第三反射镜123、所述第四反射镜124依次反射后，所述第四反射镜124的反射光垂直入射到所述第二反射镜122，经第二反射镜122反射后光经原光路返回到光纤耦合器11，提供参考光。

[0055] 所述光程调节组件可沿其入射光的方向位移，如图2中所示箭头所指的方向。通过调节光程调节组件沿该方向的位置，可调节参考光的光程。在实际测量时，需要调节参考光和被测件反射回的物光的光程近似相等，可通过所述光程调节组件对参考光的光程进行调节，调节两者的光程差。

[0056] 在光纤耦合器11的另一输入端设置光电成像装置13，被测牙齿反射回的物光与参考光形成的干涉光由光电成像装置13接收，成像得到干涉光谱。优选的，在所述光纤耦合器11的输入端与所述光电成像装置13之间的光路上依次设置有第二透镜15、反射式衍射光栅
14和第三透镜16。当光源10采用宽带光源时，通过衍射光栅14对干涉光进行光谱展开。

[0057] 其中，第二透镜15用于将光纤的输出光调整为平行光，第三透镜16用于将光栅的平行光进行汇聚，汇聚到光电成像装置13的光感应面上。

[0058] 本实施例中，光电成像装置13可采用CCD相机，所述光纤耦合器优选采用分光比为50:50的光纤耦合器。

[0059] 本实施例测量装置，所述光学测量系统1与所述探测头2通过光纤跳线4连接，使探测头与光学测量系统之间连接和拆卸方便，并可根据测量需要改变长度。

[0060] 本实施例测量装置，可将光源10和光电成像装置13通过连接线与数据处理器3连接，通过数据处理器3可对光源进行控制，并对测量的数据进行处理，获得测量结果。

[0061] 下面对本实施例测量装置中数据处理器根据干涉光谱计算获得牙科树脂内应变场的计算方法进行说明，

[0062] 牙科树脂内存在多层面结构，照射到被测牙齿的探测光，经牙科树脂内各层表面被反射，形成的反射光与参考光发生干涉，根据此建立牙科树脂内多层结构模型，如图3所示，图中R表示参考面，zj表示牙科树脂内第j层表面与参考面之间的距离，各层表面的折射率依次表示为n1，n2，…，nj，…。

[0063] 相应的，采集的干涉光谱以如下公式描述：

[0064]

[0065] 其中，I(k)表示干涉光光强度，DC表示直流分量，AC表示自相干分量，IR表示参考光光强度，Ij表示第j层表面反射回光的光强度，k为波数，k＝2π/λ，λ为波长，M为参与干涉的表面个数，φj0为参考面与第j层表面干涉时的初始相位，Λj为第j层表面与参考面之间的光程差。

[0066] 按照如下公式计算牙科树脂内第j层表面与参考面之间的距离zj：

[0067]

[0068] 其中，nj表示折射率，Λj通过以下公式计算获得：

[0069]

[0070] fk表示干涉光谱沿波数k轴的变化频率。

[0071] 本实施例测量装置能够测量到的最大深度zmax和深度分辨率zmin分别为：

[0072]

[0073]

[0074] 其中，λc和Δλ分别表示低相干宽带光源的中心波长和波长带宽，N为线扫描CCD相机沿波数k轴的像素数。在代入实际参数时，测量深度可达到毫米级，深度分辨率为微米级。

[0075] 本实施例测量装置，在被测牙齿产生热变形时，根据测量获得的干涉光谱可以计算获得牙科树脂内的离面位移和离面应变。

[0076] 根据干涉光谱计算牙科树脂内的离面位移和离面应变具体包括：

[0077] 根据如下公式计算牙科树脂内第j层表面的离面位移wj：

[0078]

[0079] 其中，Δφj表示变形前后干涉光谱的相位变化，kc表示光源输出光的中心波数，Δnj表示变形前后折射率的变化量。

[0080] 根据如下公式计算牙科树脂内第j层表面的离面应变εj：

[0081]

[0082] 本实施例牙科树脂内应变场的测量装置，可以在线测量获得牙科树脂产生热变形时的位移场和应变场，获得卷绕相位、离面位移场、离面应变场等测量结果，可以根据位移场及应变场的变化对树脂内部缺陷进行分析。

[0083] 在实际测量中，代入实际参数，本实施例测量装置的测量深度可达到毫米级，深度分辨率为微米级，应变场的测量灵敏度为微应变级，因此可实现对牙科树脂的高精度的微应变测量。

[0084] 采用本实施例牙科树脂内应变场的测量装置对牙科树脂进行缺陷检测，具体可采用如下方法：在被测牙齿降温过程中，将测量装置的探测头照射到被测牙齿，获得一系列温度下的被测牙齿树脂内的应变场测量结果，所述一系列温度具有均匀的温度差。然后可根据获得的一系列温度下的应变场测量结果，对被测牙齿内部缺陷进行分析。

[0085] 具体的，在临床应用中对患者牙齿进行检测前，可让患者口含温度约为40摄氏度的温水10秒后吐出；然后，开启测量装置，将探测头照射到患者的被测牙齿；在牙齿降温过程中，分别测量在38℃、37℃、36℃、35℃、34℃时牙齿树脂内的位移场和应变场分布图，包括卷绕相位、离面位移场、离面应变场的测量结果，比较各温度下位移场和应变场的变化，以分析检测牙齿树脂内部缺陷。

[0086] 以上对本发明所提供的一种牙科树脂内应变场的测量装置进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。