CN112512459B - 牙科光聚合装置 - Google Patents
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Abstract
一种牙科光聚合装置具有口腔内端头部分和手柄部分。该牙科光聚合装置具有聚合光源和光混合元件。聚合光源具有表现出第一光发射峰值波长的第一LED和表现出第二光发射峰值波长的第二LED。第一LED和第二LED各自被配置用于发射在380nm至495nm波长范围内的可见光。第一光发射峰值波长和第二光发射峰值波长彼此相差至少10nm。光混合元件由具有后部部分和相邻前部部分的实心透明体形成。后部部分具有方底截头棱锥的形状。进一步地，前部部分具有凸形状。后部部分形成光混合元件的后端部，并且前部部分形成光混合元件的前端部。后端部形成第一对角线尺寸，并且与前部部分相邻的后部部分形成更大的第二对角线尺寸。光混合元件被布置成后端部面向聚合光源，并且前端部背向聚合光源。
Description
技术领域
本发明涉及一种牙科光聚合装置，该牙科光聚合装置具有第一 LED和第二LED以及光混合元件，该第一LED和该第二LED表现出相差至少10nm的第一光发射峰值波长和第二光发射峰值波长，该光混合元件用于将从第一LED和第二LED发射的光混合成具有均匀光强度分布的光束。
背景技术
光硬化材料或光固化材料被广泛用于牙科中的牙齿修复。许多此类材料被制成提供类似于天然牙齿的光学特性的光学特性。进一步地，此类材料通常可以精确且方便地放置，立即硬化，并且硬化的材料通常相对耐用。因此，这些材料是外观不太悦目并且随时间推移而自硬化的材料(例如汞合金)的有利替代。
光硬化材料常常包括可聚合的基质材料和包括着色剂的填料材料，并且可初始地为大致柔软或可流动的，使得它们能够以所需的位置和形状施加。例如，为了修复牙齿，牙科材料可填入龋洞并成形为使得所修复的牙齿很像自然牙齿。一旦形成所需形状，就可通过使材料暴露于所需波长的光而固化。光通常活化牙科材料中引起基质材料聚合的光引发剂。
可被在约450nm(纳米)和500nm之间的波长内的蓝光硬化的牙科材料已在牙科中普遍使用。因此，用于使此类牙科材料硬化的发光装置通常发射在此类波长范围内的光。此类发光装置可以例如从德国的3M德国股份有限公司(3M Deutschland GmbH)以商品型号EliparTM S10购得。
WO 2015/164180 A1公开了一种适于发射蓝光的牙科光照射装置。
该装置具有光源、用于对从光源发射的光进行准直的器件和光导。光准直器件包括平凸透镜和由圆锥形中空环形结构形成的反射镜。反射镜被布置成使得其内部截面朝向透镜变宽。
尽管现有装置提供了某些优点，但仍然期望提供一种光装置，该光装置以最大化的可靠性和效率来使牙科材料硬化。
发明内容
本发明涉及一种牙科光聚合装置。牙科光聚合装置包括口腔内端头部分和手柄部分。牙科光聚合装置还包括聚合光源和光混合元件。
聚合光源至少包括第一LED(发光二极管)和第二LED。第一LED 表现出第一光发射峰值波长，并且第二LED表现出第二光发射峰值波长。第一LED和第二LED各自被配置用于发射在380nm至495nm波长范围内的可见光。第一光发射峰值波长和第二光发射峰值波长彼此相差至少10nm。
光混合元件由具有后部部分和相邻前部部分的实心透明体形成。后部部分具有方底截头棱锥的形状。棱锥的中心轴形成光轴。进一步地，前部部分具有凸形状。后部部分形成光混合元件的后端部，并且前部部分形成光混合元件的前端部。
后端部形成第一对角线尺寸。进一步地，与前部部分相邻的后部部分形成更大的第二对角线尺寸。光混合元件被布置成后端部面向聚合光源。光混合元件被布置成前端部背向聚合光源。
本发明的优点在于提供了一种适于发射均匀光的牙科光聚合装置。特别地，由牙科光聚合装置沿光轴发射的光束在垂直于光轴的平面上具有均匀(或基本均匀)的光强度分布。这意味着光束在其外周边处具有与在其内周边的光束相同(或基本相同)的光强度。这允许以最大化的效率使牙科材料硬化，因为牙科材料的区域以适合引起牙科材料硬化的强度被完全照射。进一步地，由于以不足的光强度照射牙科材料的风险被最小化，因此使可靠性最大化。
优选地，第一对角线尺寸和第二对角线尺寸各自垂直于光轴延伸。进一步地，第一对角线尺寸优选地由形成光混合元件的后端部的方形形状的表面形成。第二对角线尺寸优选地由后部部分和前部部分之间的过渡处的方形形状的截面形成。第二对角线尺寸直接在到前部部分的过渡处在相对边缘之间测量。优选地，前部部分关于光轴轴向对称。
优选地，聚合光源和光混合元件光学耦合，使得从聚合光源发出的光穿过光混合元件。光混合元件优选地被配置为在光穿过光混合元件时对光进行混合。光优选地被混合，因为其被光混合元件反射多次。优选地，反射基于光混合元件和包围光混合元件的空气之间的全反射。优选地，光混合元件未被涂覆，特别地可以不是镜面的。
如本文所述，第一光发射峰值波长是指在从第一LED发射的光谱上，光强度在第一光发射峰值波长处形成最大值。进一步地，如本文所述，第二光发射峰值波长是指在从第二LED发射的光谱上，光强度在第二光发射峰值波长处形成最大值。
在一个实施方案中，所述第一光发射峰值波长是在440nm至 460nm范围内的特定波长，并且所述第二光发射峰值波长是在460nm 至485nm范围内的特定波长。此实施方案对于使包括作为光引发剂的樟脑醌的牙科材料进行聚合可能是特别有利的。因此，对于使包括其它光引发剂的牙科材料进行聚合，可以使用第一光发射峰值波长和第二光发射峰值波长的替代范围。在一个示例中，第一光发射峰值波长为457nm，并且第二光发射峰值波长为469nm。应当注意，由于LED 可以用作本发明的第一LED和第二LED，因此它们通常可具有在指定范围内的光发射峰值波长。为了提供本发明的牙科光聚合装置，可以选择表现出可能彼此远离的光发射峰值波长的LED。虽然优选的是使用表现出440nm的第一光发射峰值波长的第一LED和表现出485nm 的第二光发射峰值波长的第二LED来实现45nm的差值，但已发现10nm的差值对于以较大批量生产牙科光聚合装置具有优势。这是因为 LED的光发射峰值波长通常遵循正态分布，使得使用仅具有极端光发射峰值波长的LED在经济上将是不利的。
在一个实施方案中，口腔内端头部分包括具有后端部和前端部的光导。光导的前端部优选地形成牙科光聚合装置的光输出端。光导的前端部可以由光导的弯曲部分形成。光导的前端部优选地为用于用光照射患者的牙齿中或牙齿上的牙科材料的光导的端部。此类弯曲部分便于进入患者口中。进一步地，光导被布置成后端部与光混合元件的前端部相邻。因此，光混合元件的前端部面向光导，特别是面向光导的后端部。
在一个实施方案中，在光混合元件和聚合光源之间提供间隙。光混合元件和聚合光源之间的间隙优选地为气隙。光混合元件和聚合光源之间的间隙优选地具有在0.1mm和1mm之间并且优选地为0.5mm 的宽度。
在一个实施方案中，牙科光聚合装置包括具有透光或透明面板的壳体，该透光或透明面板布置在光混合元件的前端部和光导的后端部之间。透明面板优选地与光混合元件的前端部并与光导的后端部间隔开。光混合元件的前端部和透明面板之间的间距优选地在0.1mm和 3mm之间，优选地为0.5mm。进一步地，光导的后端部和透明面板之间的间距优选地在0.1mm和3mm之间，优选地为0.5mm。
在一个实施方案中，牙科光聚合装置具有操作模式，在该操作模式中，第一LED和第二LED同时被启用以发射光。操作模式可以是优选的或默认的操作模式。操作模式还可以是唯一的操作模式。可选地，牙科光聚合装置可以具有进一步的操作模式，在该进一步的操作模式中，第一LED和第二LED中的每一者可选择性地单独使用。
在一个实施方案中，第一LED表现出第一光发射范围，在该第一光发射范围中，光在距第一光发射峰值波长正负9nm的波长范围内发射，并且第二LED表现出第二光发射范围，在该第二光发射范围中，光在距第二光发射峰值波长正负10nm的波长范围内发射。第一光发射范围和第二光发射范围基于FWHM值(半最大值全宽度)来限定。例如，第一LED可以表现出第一光发射范围，在该第一光发射范围中，光在441nm至459nm的波长范围(FWHM)内发射，并且第二LED 可以表现出第二光发射范围，在该第二光发射范围中，光在449nm至469nm的波长范围(FWHM)内发射。在第一光发射范围内，以第一光发射峰值波长之外的波长发射的任何光表现出比以第一光发射峰值波长发射的光更低的光强度。进一步地，在第二光发射范围内，以第二LED的第二光发射峰值波长之外的波长发射的任何光表现出比以第二光发射峰值波长发射的光更低的光强度。
可以用作第一LED的合适LED例如可以从美国飞利浦(Philips Lumileds)以名称Luxeon Z Color Royal Blue获得。可以用作第二LED 的合适LED例如可以从美国飞利浦以名称Luxeon Z Color Blue获得。
在一个实施方案中，光混合元件一体形成。优选地，光混合元件由聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)或玻璃制成。例如，光混合元件可以注射成型为单件。
在一个实施方案中，光混合元件的第一对角线尺寸由具有第一边缘长度的方形限定。优选地，第一边缘长度在2mm至6mm的范围内。优选地，光混合元件的第二对角线尺寸由具有第二边缘长度的方形限定。优选地，第二边缘长度在8mm至15mm的范围内。光混合元件的第一边缘长度优选地为3.5mm。光混合元件的第二边缘长度优选地为 8mm。
光混合元件的长度优选地在10mm至20mm的范围内，并且特别优选地为13mm。光混合元件的长度优选地大于第二边缘长度，优选地为第二边缘长度的至少两倍。已经发现的是，长度更大的光混合元件提供更好的均匀度。另一方面，应限制光混合元件的长度以避免过度强度损失。利用本文指定的长度，已经确定了最大化均匀度和最小化损耗之间的适当平衡。
在一个实施方案中，光混合元件的前部部分具有球形形状。球形形状优选地基于在12mm和25mm之间、优选地为17mm的半径。进一步地，光混合元件的后部部分优选地在尺寸上从第一对角线尺寸朝向第二对角线尺寸增加。光混合元件优选地为完全透明的并且被空气包围。特别地，光混合元件可以不包括任何涂覆的和/或镜面的外表面。因此，穿过光混合元件的光的反射基于光混合元件和周围空气的边界处的全反射。
在一个实施方案中，牙科光聚合装置还包括用于打开或关闭聚合光源的启用按钮。牙科光聚合装置还可以包括用于对时间段进行预选择的选择按钮，在时间段之后，所启用的聚合光源被自动停用。牙科光聚合装置还可以为电池供电的。特别地，手柄部分可以包括用于为牙科光聚合装置供电的电池。牙科光聚合装置可以为无线的。特别地，牙科光聚合装置可以没有电源线。进一步地，电池可以是例如以非接触式方式可再充电的。
附图说明
图1是根据本发明的实施方案的牙科光聚合装置的侧视图；
图2是根据本发明的实施方案的牙科光聚合装置的截面视图；
图3是可以与根据本发明的实施方案的牙科光聚合装置一起使用的聚合光源的详细视图；
图4是可以与根据本发明的实施方案的牙科光聚合装置一起使用的光混合元件的详细视图；
图5是图4的光混合元件的详细视图；
图6是由根据本发明的牙科光聚合装置确定的光强度分布的编译；并且
图7是示出从根据本发明的牙科光聚合装置发射的光的不同波长的光强度曲线的图。
具体实施方式
图1示出了牙科光聚合装置1。牙科光聚合装置1具有口腔内端头部分2和手柄部分3。口腔内端头部分2包括光导21，该光导在光导21的自由端部处形成光输出端22。示例的牙科光聚合装置1还具有开/关按钮4和定时器设置按钮5。开/关按钮4使得用户能够选择性地启用和停用光聚合装置1。进一步地，定时器设置按钮5允许用户调整时间段，在该时间段，在经由开/关按钮4启用时，聚合光装置1自动保持启用。开/关按钮还允许用户在牙科光聚合装置自动保持启用时关闭牙科光聚合装置。例如，首次推压和释放开/关按钮4在经由定时器设置按钮5选择的时间段内启用牙科光聚合装置1。在没有任何进一步推压开/关按钮的情况下，牙科光聚合装置1在该时间段内保持启用。然而，在牙科光聚合装置1保持启用期间，可以通过推压(和释放) 开/关按钮在任何时间关闭牙科光聚合装置1。用户可以在手柄部分3 处握持牙科光聚合装置1以便使用。
图2以截面视图示出了牙科光聚合装置1。牙科光聚合装置1包括用于向光导21的光输入端23发射蓝光的聚合光源6。在聚合光源6 和光输入端23之间布置有光混合元件7。
口腔内端头部分2包括用于将口腔内端头部分2可移除地安装在手柄部分3上的附接件24。手柄部分3包括封闭的壳体31。壳体31 气密地封装聚合光源6、光混合元件7、电池32和电子电路33。在该示例中，壳体31具有被透明面板34封闭的窗口。因此，在光混合元件和光导21的光输入端23之间布置有透明面板34。
该示例中的牙科光聚合装置1是整体无线装置。这意味着牙科光聚合装置1例如没有电源线，而是由电池32供电。电池32是可再充电的，例如经由设置在壳体31上的触点(未示出)或无线地。为了给电池32充电，可以提供充电装置(未示出)。
图3更详细地示出了聚合光源6。聚合光源6包括第一LED 61和第二LED 62。第一LED 61和第二LED 62被配置为在可见紫光和蓝光 (380nm至495nm)的光谱内以不同但重叠的波长范围发射光。因此，整体聚合光源6被配置为在相对于各个第一LED 61和第二LED 62的波长范围扩展的波长范围内发射光。特别地，在该示例中，第一LED 61 被配置为以457nm的第一光发射峰值波长发射光，并且第二LED 62 被配置为以469nm的第二光发射峰值波长发射光。如图7所示，从牙科聚合光装置1发射的光的所得曲线(以实线示出)形成平台P，其中光强度I在约454nm至472nm的波长范围内基本相同。因此可以使包括樟脑醌的牙科复合材料以增加的效率硬化。图7的图中以虚线示出的曲线表示樟脑醌的吸收光谱。
在该示例中，第一LED 61和第二LED 62以管芯的形式提供，该管芯被粘结在电路板63上并且被透明盖64封装。透明盖64具有平坦面64a，从第一LED 61和第二LED 62发出的光透射穿过该平坦面。
图4更详细地示出了聚合光源6和光混合元件7。
光混合元件7由实心透明体形成，例如由聚甲基丙烯酸甲酯 (PMMA)或玻璃制成的实心透明体。特别地，光混合元件7具有后部部分71和相邻前部部分72。后部部分71根据方底截头棱锥而成形。前部部分72具有形成光混合元件7的前端部74的球形外表面。光混合元件7的对称轴形成光轴A。后部部分71和前部部分72一体形成。进一步地，光混合元件7没有内部空隙。在光混合元件7的后端部73 处的后部部分71具有第一对角线尺寸D1(见图5)。后端部73形成方形形状的后表面，其中方形具有对应于第一对角线尺寸D1除以1.41 的第一边缘长度E1。后部部分71还具有更大的第二对角线尺寸D2(见图5)。第二对角线尺寸D2基于方形形状的截面，该方形形状的方形具有对应于第二对角线尺寸D2除以1.41的第二边缘长度E2。光混合元件7被布置成后部部分72朝向聚合光源6，并且前部部分71远离聚合光源6。聚合光源6被布置成与光混合元件7的后端部73相邻(但不直接接触)，使得从聚合光源6发射的光发射到光混合元件7中。特别地，聚合光源6被布置成使得第一LED 61和第二LED 62相对于光轴A对称地布置。因此，从第一LED 61和第二LED 62发射的光在光混合元件7中大致均匀地混合。由于第一LED 61和第二LED 62以不同波长范围发射光的事实，从光混合元件发射的光通常形成被接收到光混合元件7中的光的累积。从光混合元件7发射的光在进入光导之前最终穿过透明面板34(如图2所示)。
光混合元件7被配置为将来自聚合光源6的光转换成在垂直于光轴A的平面上具有均匀(或相对均匀)的光强度分布的光。使用计算机软件模拟从聚合光源发射、透射穿过光混合元件并从透明面板34射出的光的光强度分布。使用从美国新思科技公司(SynopsysTMInc.)以名称LightTools获得的模拟软件进行模拟。在此模拟中，从透明面板 34射出的光的光强度分布是在直接布置在透明面板34上的平面中以及在远离透明面板34的多个距离处确定的。经由在各种不同距离处的确定，可以评估在一定距离范围内的光强度分布的变化。光强度分布随距离的变化可以与牙科光聚合装置1在患者的口腔中的使用有关，例如，在光输出端(图2中的22)被放置在距患者的牙齿或距用光照射的位置的不同距离处的情况下。在这方面，应当注意，尽管相对于透明面板34执行模拟，但如果相对于光导的光输出确定，则光强度分布的变化是相同(或基本相同)的。这是因为通常由平行的透明光纤束形成的光导在其从光输入端(图2中的23)朝向光输出端(图2中的 22)的途中不(或不显著)改变光(特别是光的取向)。
确定光强度分布的位置称为M0至M5。表1中提供了对应的距离：
| 位置： | M0 | M1 | M2 | M3 | M4 | M5 |
| 以mm为单位的距离 | 0 | 1 | 3 | 5 | 7 | 10 |
结果示于图6中。位置M0至M5处的每个光强度分布以二维假色表示100的形式示出，其中不同的颜色表示不同的光强度。每个表示100表示在4×4mm的参考区域上确定的光强度。在不同位置M0至 M5处在垂直于光混合元件的光轴的平面上限定参考区域。进一步地，参考区域被布置成其中心在光轴上。光强度的理想均匀分布以均匀的颜色表示。位置M0处的表示100相对均匀地着色。如位置M0处的图标 101和图标 102所示，该区域的不同位置处的强度之间的偏差相对较小。图标 101沿Y轴以曲线形式示出了表示100的光强度，而图标 102沿X轴以曲线形式示出了表示100的光强度。图标 101和图标 102两者的曲线各自在参考区域的基本上整个范围内都表现出相对平坦的部分。这表明光强度分布相对均匀。从位置M0至M3处的表示100可见，光强度分布的均匀性在5mm的距离范围内没有显著改变。在高达10mm的距离范围内(见M4和M5)，光强度分布仍然是可接受的。
Claims (12)
1.一种牙科光聚合装置，所述牙科光聚合装置包括口腔内端头部分和手柄部分，并且还包括聚合光源和光混合元件，其中所述聚合光源至少包括表现出第一光发射峰值波长的第一LED和表现出第二光发射峰值波长的第二LED，其中所述第一LED和所述第二LED各自被配置用于发射在380nm至495nm波长范围内的可见光，其中所述第一光发射峰值波长和所述第二光发射峰值波长彼此相差至少10nm，其中所述光混合元件由具有后部部分和与所述后部部分相邻的前部部分的实心透明体形成，其中所述后部部分具有方底截头棱锥的形状，所述方底截头棱锥的中心轴形成光轴，并且其中所述前部部分具有远离所述后部部分的凸形状，其中在所述后部部分的与所述前部部分相背的位置处形成所述光混合元件的后端部，并且所述前部部分形成所述光混合元件的前端部，其中在所述后端部处形成第一对角线尺寸，并且在所述后部部分的与所述前部部分相邻的位置处形成更大的第二对角线尺寸，并且其中所述光混合元件被布置成所述后端部面向所述聚合光源，并且所述前端部背向所述聚合光源。
2.根据权利要求1所述的牙科光聚合装置，其中所述第一光发射峰值波长是在440nm至460nm范围内的特定波长，并且所述第二光发射峰值波长是在460nm至485nm范围内的特定波长。
3.根据权利要求1所述的牙科光聚合装置，其中所述口腔内端头部分包括具有后端部和前端部的光导，所述光导的前端部形成所述牙科光聚合装置的光输出端，并且其中所述光导被布置成后端部与所述光混合元件的前端部相邻。
4.根据权利要求3所述的牙科光聚合装置，其中在所述光混合元件和所述聚合光源之间提供间隙。
5.根据权利要求1所述的牙科光聚合装置，所述牙科光聚合装置具有操作模式，在所述操作模式中，所述第一LED和所述第二LED同时被启用以发射光。
6.根据权利要求1所述的牙科光聚合装置，其中所述第一LED表现出第一光发射范围，在所述第一光发射范围中，光在距所述第一光发射峰值波长正负9nm的波长范围内发射，并且所述第二LED表现出第二光发射范围，在所述第二光发射范围中，光在距所述第二光发射峰值波长正负10nm的波长范围内发射，其中所述第一光发射范围和所述第二光发射范围基于FWHM值(半最大值全宽度)来限定。
7.根据权利要求1所述的牙科光聚合装置，其中所述光混合元件一体形成。
8.根据权利要求7所述的牙科光聚合装置，其中所述光混合元件由聚甲基丙烯酸甲酯制成。
9.根据权利要求1所述的牙科光聚合装置，其中所述光混合元件的所述第一对角线尺寸由具有在3mm至6mm范围内的第一边缘长度的方形限定，其中所述光混合元件的所述第二对角线尺寸由具有在7mm至10mm范围内的第二边缘长度的方形限定，并且其中所述光混合元件的长度在10mm至20mm的范围内。
10.根据权利要求1所述的牙科光聚合装置，其中所述光混合元件的所述前部部分具有球形形状。
11.根据权利要求1所述的牙科光聚合装置，所述牙科光聚合装置还包括用于打开或关闭所述聚合光源的启用按钮，以及用于对时间段进行预选择的选择按钮，在所述时间段之后，所启用的聚合光源被自动停用。
12.根据权利要求1所述的牙科光聚合装置，其中所述手柄部分包括用于为所述牙科光聚合装置供电的电池。
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