СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЦВЕТА ОБЪЕКТОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2003 года по МПК G01J3/46 

Изобретение относится к области оптических измерений и может использоваться для определения цвета объектов с частично прозрачной и диффузно рассеивающей свет внутренней средой, в частности зубов.

Известен способ определения цвета объектов, при котором освещают исследуемый объект и установленные рядом с ним элементы цветовой шкалы. Оператор, обозревая исследуемый объект и элементы цветовой шкалы, определяет тот элемент шкалы, который наиболее близок по цветовой раскраске к исследуемому объекту и который затем принимается за меру цвета для указанного объекта [1].

Устройство для осуществления данного способа содержит стандартное осветительное устройство и цветовую шкалу (например, элементы системы VITA)[1].

Недостатком известного способа и устройства является низкая достоверность в определении цвета объектов, обусловленная субъективным фактором (цветовое восприятие у разных операторов разное и меняется от состояния организма).

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является способ определения цвета объектов, заключающийся в подаче излучения для освещения поверхности объекта и регистрации излучения на выходе приемного световода, по параметрам которого судят о цвете объекта (например, путем определения координат цвета)[2].

Устройство для реализации указанного способа содержит осветительный блок, блок регистрации излучения, подключенный выходом к блоку управления и обработки сигналов, выход которого подключен к входу осветительного блока с выходным окном, приемный световод, выходное окно которого оптически связано с входом блока регистрации излучения [2].

Недостатком известного способа и устройства являются высокие требования к точности угловой (не менее 1^o) и линейной (не более 0,1 мм) установки входного окна приемного световода относительно исследуемой поверхности объекта, вытекающие из реализуемой оптической схемы (при нарушении юстировок меняется коэффициент отражения от поверхности объекта и изменяются условия регистрации светового потока, что увеличивает погрешность измерения), а при определении цвета таких объектов как, например, зубы во рту пациента (объекты с частично прозрачной и диффузно рассеивающей свет внутренней средой), эти требования выполнить практически невозможно, а отсюда значительные погрешности в определении цвета объектов.

Изобретение решает задачу повышения точности (достоверности) определения цвета объектов с частично прозрачной и диффузно рассеивающей свет внутренней средой, преимущественно зубов, при одновременном исключении из процесса подготовки измерения сложных и длительных угловых и линейных юстировок исследуемого объекта относительно устройства для определения цвета объектов.

Сущность изобретения состоит в автоматизации технологии определения цвета объектов с частично прозрачной и диффузно рассеивающей свет внутренней средой, преимущественно зубов.

Технический результат от использования изобретения заключается в обеспечении объективного (автоматизированного) определения цвета таких объектов, как, например, зубы, которые в традиционной стоматологической практике определялись только субъективными способами ("на глазок" с использованием цветовых шкал).

Указанный технический результат достигается тем, что в способе определения цвета объектов, заключающемся в подаче излучения для освещения поверхности объекта и регистрации на выходе приемного световода излучения, по параметрам которого судят о цвете объекта, излучение для освещения поверхности объекта подают коаксиально относительно приемного световода и перед освещением поверхности объекта входное окно световода устанавливают непосредственно на поверхности объекта или на расстоянии не более 5 мм.

Целесообразно излучение для освещения поверхности объекта формировать таким образом, чтобы углы падения световых пучков, проходящих через круг, лежащий в плоскости входного окна приемного световода с центром, совпадающим с геометрическим центром входного окна приемного световода, не превышали 25^o к поверхности выше указанного круга, при этом диаметр указанного круга должен превышать диаметр входного окна приемного световода не менее чем на 1 мм.

Указанный технический результат также достигается тем, что в устройстве для определения цвета 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 входом блока регистрации излучения, выходное окно осветительного блока и приемный световод установлены коаксиально относительно друг друга и входное окно приемного световода предназначено для установки на поверхности объекта.

Целесообразно, чтобы приемный световод выступал из выходного окна осветительного блока на менее чем на величину диаметра выходного окна осветительного блока.

Выходное окно осветительного блока выполнено в виде цилиндра из оптически прозрачного материала со сквозным каналом, проходящим по его оси симметрии, для установки приемного световода, при этом высота цилиндра составляет не менее одного диаметра его основания.

Также целесообразно введение оптически прозрачного колпачка для защиты входного окна приемного световода, при этом входное окно приемного световода устанавливают с зазором от дна колпачка или в непосредственном контакте с указанным дном.

Величина зазора между входным окном приемного световода и дном колпачка должна быть не более 5 мм с учетом толщины дна колпачка.

Колпачок может иметь сквозной канал в дне.

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 заявленного 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 совокупностях признаков известных технических решений с достижением такого же, как у заявляемого устройства, положительного эффекта не имеется. На основании этого сделан вывод, что предлагаемое техническое решение соответствует критерию "изобретательский уровень".

Способ и устройство определения цвета 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 поверхность объекта (фронтальный вид).

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

На фиг.3 показано устройство для определения цвета объекта.

На фиг.4 показаны элементы излучения (по три группы с разными спектрами излучения), установленные на торце выходного окна осветительного блока.

На фиг.5 показан колпачок в разрезе со сквозным каналом в дне.

Способ определения цвета объектов заключается в следующем.

На поверхность исследуемого объекта 1 подают излучение, сформированное коаксиально относительно приемного световода 2 таким образом, чтобы углы падения световых пучков, проходящих через круг, лежащий в плоскости входного окна приемного световода 2 с центром, совпадающем с геометрическим центром входного окна приемного световода 2, не превышали 25^o, при этом диаметр указанного круга должен превышать диаметр входного окна приемного световода 2 не менее чем на 1 мм (фиг.1, 2). Часть излучения проникает внутрь объекта, поглощается, диффузно рассеивается и выходит наружу через освещаемую поверхность объекта 1, неся информацию о его цвете, и попадает во входное окно приемного световода 2. При этом перед освещением поверхности объекта входное окно (оптический вход) приемного световода 2 устанавливают непосредственно на поверхности объекта 1 (фиг.1, 2) или на расстоянии не более 5 мм. Информация о цвете объекта может быть получена из излучения с выходного окна приемного световода 2 разными известными способами [1].

Следует заметить, что для правильного определения реальной цветовой характеристики исследуемого объекта необходимо учесть влияние на результат измерения световых потоков, отраженных от поверхности объекта (зуба) и рассеянных в его поверхностном слое. Отраженные световые потоки от поверхности исследуемого объекта не несут информации о цвете объекта и вносят погрешность в результат измерения. Расположение входного окна световода 2 непосредственно на исследуемой поверхности объекта полностью защищает устройство от отраженного сигнала. Поверхностный слой вносит изменения в информацию о цвете объекта, при этом его цвет может совершенно отличаться от цвета объекта. Например, эмаль зуба может иметь разную матовость и наблюдаться глазом человека как белая дымка на исследуемой цветной поверхности. Наблюдение такого объекта при различных углах падения световых пучков на его поверхность приводит к различным восприятиям цвета объекта, так как при разных углах падения пути распространения, а следовательно, и рассеяние света в поверхностном слое разные. Следовательно, необходимо формировать световые пучки (углы падения на исследуемую поверхность), так как они распространяются и падают на исследуемую поверхность в реальных условиях, и наблюдать объект нормально к исследуемой поверхности. При естественном освещении днем на улице или в помещении, даже через облака, при нормальном наблюдении объекта, преобладают световые пучки с углами падения, не превышающими 25^o к нормали. При нормальном наблюдении исследуемого объекта, освещенного искусственными источниками света, световые пучки обычно распространяются как при естественном освещении. Таким образом, формирование светового излучения с вышеуказанными углами падения пучков и его коаксиальность относительно световода обеспечивают его соответствие естественному природному освещению исследуемых объектов, а следовательно, и правильности их цветовосприятия. Необходимо, чтобы эти характеристики обеспечивались хотя бы в зоне, прилегающей к входному окну приемного световода 2 (в пределах круга, лежащего в плоскости входного окна приемного световода, с центром, совпадающим с геометрическим центром указанного окна, и диаметром, превышающим диаметр указанного окна не менее чем на 1 мм), поскольку световые потоки, поступающие на входное окно световода 2 из зон, удаленных от указанного окна, оказываются значительно меньше световых потоков, поступающих из прилегающей к указанному окну зоны (сказывается поглощение света материалом объекта 1, зуба).

Световод 2 устанавливают непосредственно на поверхность исследуемого объекта (фиг. 2) тогда, когда поверхностный слой объекта прозрачный (не матовый), а следовательно, рассеянный на нем световой сигнал слабый и им можно пренебречь.

Световод 2 устанавливают на расстоянии (не более 5 мм) тогда, когда поверхностный слой объекта матовый или шероховатый, а следовательно, поступающий на входное окно приемного световода рассеянный этой поверхностью световой сигнал (этот сигнал также несет информацию о цвете объекта) оказывается соизмеримым с рассеянным внутри объекта. Следует отметить, что экспериментальные исследования по определению цвета реальных зубов показали, что при расстоянии между входным окном световода и поверхностью объекта более 5 мм начинают сказываться погрешности измерения цвета, обусловленные проникновением во входное окно световода отраженного от поверхности объекта светового сигнала, который не несет информации о цвете объекта (зуба), а поэтому вносит погрешность в результат измерения.

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

Выходное окно 4 осветительного блока 3 выполнено в виде цилиндра из оптически прозрачного материала, внутри которого установлен приемный световод 2. Высота цилиндра (толщина окна 4) должна быть по крайней мере более одного ее диаметра. Торец цилиндра со стороны выхода излучения матируется.

Осветительный блок 3 может быть выполнен в виде трех групп 7, 8, 9 элементов излучения, работающих либо в разных областях спектра излучения (например, голубом, зеленом и красном), либо во всем видимом спектре излучения (белый свет). Каждая группа состоит из одного и более элементов излучения. Для улучшения спектральной равномерности потока излучения на выходе окна 4 желательно использовать как минимум 3 элемента излучения в каждой группе. Все элементы излучения устанавливаются по кругу на внутренней стороне окна 4 (фиг.4). Причем элементы каждого цвета устанавливаются с одинаковым угловым смещением относительно друг друга. Например, в качестве элементов излучения могут быть использованы элементы многоэлементных светодиодов типа LF59EMBGMBC.

Блок 5 регистрации излучения может быть выполнен на основе фотодиода и операционных усилителей по известным схемам [3]. Если в качестве элементов излучения осветительного блока 3 применены "белые" элементы излучения, то в блоке 5 регистрации излучения должны быть применены по крайней мере три фотоприемника с установленными на их оптических входах разными светофильтрами, спектрально избирательными соответственно в областях "голубого", "зеленого" и "красного" спектров пропускания. Возможно применение и других известных принципов цветоделения [4].

Один из вариантов исполнения блока 6 управления и обработки сигналов представлен на фиг. 3 Блок 6 содержит узел 10 выборки-хранения аналогового сигнала, микроконтроллер 11, имеющий на аналоговом входе аналого-цифровой преобразователь (например, микроконтроллер типа MSP430P325), цифровой индикатор 12 и электрическую кнопку 13 запуска. При этом одна часть (три выхода) микроконтроллера 11 через балластные резисторы (на фиг.3 не показаны) подключена к группам светодиодов 7, 8, 9 осветительного блока 3, вторая часть выходов - к входам индикатора 12. Аналоговый вход микроконтроллера через узел 10 выборки-хранения подключен к выходу блока 5 регистрации излучения. Кнопка 13 запуска подключена к входу запуска микроконтроллера 11.

Для исключения механического повреждения входного окна приемного световода 2 при установке на поверхности объекта при определении его цвета применяется оптически прозрачный защитный колпачок 14 (фиг.3). При определении цвета зубов защитный колпачок 14 является сменным - одноразового применения (устанавливается каждый раз при определении цвета зубов нового пациента) для соблюдения необходимых гигиенических требований. При установке колпачка 14 допускается зазор между дном колпачка и входным окном приемного световода 2 (до 5 мм с учетом толщины дна колпачка).

В дне колпачка 14 может быть сквозной канал (фиг.5).

Для повышения механической прочности приемного световода 2 и исключения проникновения в него излучения со стороны окна 4 он устанавливается в твердую оптически непрозрачную (металлическую) трубочку (на фиг.3 не показано).

Устройство работает следующим образом. Вначале устанавливают защитный колпачок 14. Если поверхность объекта прозрачная (не матовая), то колпачок 14 устанавливают без зазора относительно входного окна световода 2. Если же поверхность шероховатая или матовая, то колпачок устанавливают с зазором, не превышающим 5 мм (с учетом толщины дна колпачка). При необходимости регистрации слабых цветовых оттенков применяется колпачок 14 со сквозным отверстием в дне (при этом снижается уровень паразитного сигнала, который вызван отражением светового сигнала, поступающего с выходного окна 4 на дно колпачка 14 при установке последнего с зазором). Далее выходное окно приемного световода 2, защищенное колпачком 14, устанавливают на поверхность объекта 1 в исследуемой точке. Нажимают кнопку 13. При этом на управляющий вход узла 10 выборки-хранения с выхода микроконтроллера 11 поступает сигнал, по которому на выходе узла 10 запоминается напряжение, обусловленное начальными смещениями в блоке 5 и узле 10. Далее это напряжение преобразуется аналого-цифровым преобразователем микроконтроллера 11 в цифровой код (начальный код - N0), который затем заносится в оперативную память микроконтроллера 11. После этого с одного из выходов микроконтроллера 11 на одну из групп элементов излучения (например, 7) поступает электрический импульс (импульс "подсвета"), вызывающий свечение этих элементов. Световой сигнал с выхода группы элементов 7 проходит выходное окно 4, которое представляет собой некогерентный световод, создающий равномерное и коаксиальное распределение плотности мощности световых потоков на наружной своей грани (матовость на этой грани и использование нескольких одноцветных элементов излучения, установленных с одинаковым угловым смещением относительно друг друга на противоположной грани окна 4, обеспечивает равномерность распределения спектральной плотности мощности излучения на поверхности объекта 1) и далее поступает на объект 1 (Так как приемный световод 2 выступает из выходного окна 4 не менее чем на величину диаметра окна 4, то углы падения пучков излучения на поверхность объекта 1 не превышают 25^o).

Часть светового потока, рассеянного во внутренней среде объекта 1, попадает во входное окно приемного световода 2, проходит этот световод и поступает на вход блока 5 регистрации излучения. В конце импульса подсвета выходной сигнал блока 5 запоминается в узле 10 выборки-хранения, затем преобразуется в цифровой код (N1), который запоминается в оперативной памяти микроконтроллера 11. Аналогичным образом происходит работа устройства с группами элементов излучения 8,9. При этом в память микроконтроллера 11 заносятся коды N2, N3. Цвет объекта может быть описан по-разному в зависимости от используемой цветовой системы [1, 4], например в виде координат цвета (X, Y, Z). При этом конечный результат измерения представляется в виде совокупности трех функций:
Х=F1{(N1-N0); (N2-N0); (N3-N0)},
Y=F2{(N1-N0); (N2-N0); (N3-N0)},
Z=F3{(N1-N0); (N2-N0); (N3-N0)},
где F1, F2, F3 - функции, описываемые в виде таблиц, определяемых и заносимых в постоянную память микроконтроллера 11 при калибровке устройства по эталонным образцам.

За значения X, Y, Z принимаются те значения табличных функций F1, F2, F3, для которых их табличные значения (N1-N0), (N2-N0), (N3-N0) оказываются наиболее близкими измеренным значениям (N1-N0), (N2-N0), (N3-N0) для данного исследуемого объекта 1.

На основе заявляемого изобретения был создан экспериментальный образец прибора и откалиброван по элементам системы VITA (VITAPAN classical Shade Guide). При экспериментальных исследованиях прибора он безошибочно идентифицировал элементы системы VITA и правильно определял цвет естественных зубов с отображением информации по системе VITA (Правильность работы прибора с реальными зубами оценивалась четырьмя экспертами - опытными стоматологами). Было также установлено, что прибор безошибочно работает при установке приемного световода на поверхность зуба под углами относительно нормали к поверхности объекта (зуба), не превышающими ±15^o, что не усложняет работу стоматолога при определении цвета зубов.

Источники информации
1. Синяк М.А. Спектрофотометр: взгляд изнутри// "Publish" - 2000 г., 2.

2. Патент РФ 2018793, кл. G 01 J 3/46.

3. Чернов Е.И. Прецизионные фотоприемные устройства на основе фотодиодов и их практическое применение. Ч.1. - Рязань, 1991. - 212 с.

4. Чернов Е.И. Прецизионные фотоприемные устройства на основе фотодиодов и их практическое применение. Ч.2. - Рязань, 1991. - 132 с.

Изобретение относится к области оптических измерений и может использоваться для определения цвета объектов с частично прозрачной и диффузно рассеивающей свет внутренней средой, в частности зубов. Способ определения цвета объектов заключается в подаче излучения для освещения поверхности объекта коаксиально относительно приемного световода, входное окно которого перед освещением поверхности объекта устанавливают непосредственно на поверхности объекта или на расстоянии не более 5 мм и регистрации на выходе приемного световода излучения, по параметрам которого судят о цвете объекта. При этом излучение формируют таким образом, чтобы углы падения световых пучков, проходящих через круг, лежащий в плоскости входного окна приемного световода, с центром, совпадающим с геометрическим центром входного окна приемного световода, не превышали 25^o к плоскости вышеуказанного круга, диаметр которого должен превышать диаметр входного окна приемного световода не менее чем на 1 мм. Устройство 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, который выступает из выходного окна осветительного блока не менее чем на величину диаметра выходного окна осветительного блока и выходное окно которого оптически связано со входом блока регистрации излучения, выходное окно осветительного блока и приемный световод установлены коаксиально относительно друг друга и входное окно приемного световода предназначено для установки на поверхности объекта. Технический результат от использования изобретения заключается в обеспечении объективного (автоматизированного) определения цвета таких объектов, как, например, зубы. 2 с. и 1 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Способ определения цвета объектов с частично прозрачной и диффузно рассеивающей свет внутренней средой, преимущественно зубов, заключающийся в подаче излучения на поверхность исследуемого объекта коаксиально относительно приемного световода, входное окно которого перед освещением объекта устанавливают непосредственно на поверхности объекта или на расстоянии не более 5 мм, в регистрации на выходе приемного световода излучения, по параметрам которого судят о цвете объекта, отличающийся тем, что излучение для освещения поверхности объекта формируют таким образом, чтобы углы падения световых пучков, проходящих через круг, лежащий в плоскости входного окна приемного световода с центром, совпадающим с геометрическим центром входного окна приемного световода, не превышали 25^o к плоскости выше указанного круга, при этом диаметр указанного круга должен превышать диаметр входного окна приемного световода не менее чем на 1 мм. 2. Устройство для определения цвета объектов, содержащее осветительный блок с выходным окном, блок регистрации, подключенный выходом к блоку управления и обработки сигналов, выход которого подключен ко входу осветительного блока, приемный световод, выходное окно которого оптически связано со входом 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, отличающееся тем, что приемный световод выступает из выходного окна осветительного блока не менее чем на величину диаметра выходного окна осветительного блока. 3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что выходное окно осветительного блока выполнено в виде цилиндра из оптически прозрачного материала со сквозным каналом, проходящим по его оси симметрии, для установки приемного световода, при этом высота цилиндра составляет не менее одного диаметра его основания.