新型LED比色光源下口腔比色板色度值研究.docx
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新型LED比色光源下口腔比色板色度值研究
新型LED比色光源下口腔比色板色度值研究
宋洁文姚科丘颖宁李彦
【摘要】目的通过对自制白光发光二极管（Light-EmittingDiode，LED）矩阵光源的光学测定，了解其光学参数及对口腔比色版的色度值影响，为研发便携式LED口腔比色光源提供数据参考。
方法采用波长主峰为450~470nm单晶GaN蓝光LED矩阵，在其表面涂覆稀土钇铝石榴石（YttriumAluminateGarnet,YAG）荧光粉并使用一定比例硅酸盐红色荧光粉调节色温的方法制作色温接近5500K的连续光谱白光光源。
使用4π结构积分球测试LED光源光学指数并了解其与D55标准照明体的拟合程度。
并将此光源与人工日光D65标准光源作对照，观察二者对各3块口腔常用Vita3DMaster和VitaClassia比色板CIEL*a*b*色度值的影响，并用Δ
值对差别进行比较。
结果自制白光LED光源光通量φ=389.90lm，色品坐标x=0.3342y=0.3335，色温Tc=5453K，主波长λd=600.2nm，峰值波长λp=455.0nm，半宽度Δλp=25.6nm，显色指数Ra=95.3。
3块VITA3DMaster和VITAClassial上同一色标L*、a*、b*均值在同一光源下两两比较差异无统计学意义（P>0.05）。
不同光源下VITA3DMaster和VITAClassial各色标间色差Δ
均值分别为1.58NBS和0.96NBS。
结论自制白光LED矩阵光源达到D55标准照明体的色温和显色指数要求，能作为重组日光光源以替代自然日光应用于口腔临床。
【关键词】发光二极管；比色板；光源；颜色
DentalshadeguidecolourvaluesresearchunderanewLEDlight
SONGJie-wen,YAOKe，QIUYinning，LIYan
【Abstract】ObjectiveOpticalparametersofaself-developedwhiteLEDarrayhavebeenmeasuredtounderstandtheirimpactstocolourvaluesofshadeguidefordentalapplication.ItistoprovidedatareferenceforportableLEDshadeguidelightsource.MethodsWhitelightsourcewithcontinuousspectrumhaving5500KcolourtemperatureismadedbycoatingYttriumAluminateGarnet（YAG）onthesurfaceofGaNLEDarray,whichhasemissionwavelengthat450~470nmrange,andusingcertainpercentageredphosphorsilicateforcolourtemperaturetuning.OpticalparametersofsuchLEDaremeasuredbyanintegratingspherewith4πstructure.TheresultsarecomparedwiththatofD55standardlight.ThisLEDlightsourceisalsocomparedwithD65standardlightbyobservingtheirimpactstoCIEL*a*b*colourvaluesofthreecommonlydentalusedVita3DMasterandVitaClassiashadeguide.TheirdifferencesofΔ
arecompared.ResultsTheresultshowssuchself-developedLEDlightsourcehasopticalfluxφ=389.90lm,chromaticitycoordinatesx=0.3342y=0.3335,colourvalueTc=5453K,emissionwavelengthλd=600.2nm,peakwavelengthλp=455.0nm,half-widthΔλp=25.6nm,colourrendingindex（CRI）Ra=95.3.ThesamemeancolourvalueofL*、a*、b*ofthreeVITA3DMasterandVITAClassialunderthesamelightsourcehasnostatisticaldifferences.Thecolourdifferences,whicharemeanΔ
ofVITA3DMasterandVITAClassialunderdifferentlightsourcesare1.58NBSand0.96NBSrespectively.ConclusionSelf-developedLEDlightarraymeetsrequirementofbothcolourtemperatureandCRIofD55standardlight.Therefore,itcanbeusedondentalapplicationtoreplacenaturalsunlightasareconstructedlightsource.
【Keywords】LED；VITAClassial；VITA3DMaster；Lights；Colour
随着大众审美意识的增强，患者对牙齿美学的要求也达到了一个新高度。
颜色是对修复体美学评价的重要标志之一，因此牙体比色成为修复是否成功的关键环节。
目前临床上常用的比色法包括视觉比色法与比色仪法两种，后者包括包括分光光度计和色度计。
比色仪临床应用不需要特定光源，但存在边缘丢失效应，信号转换差异等问题而导致比色结果一致性和可重复性较低[1,2]。
采用牙科比色板进行视觉比色目前是临床上最广泛使用的比色方式，此方式对比色光源要求较高。
本实验采用自制YAG荧光粉白光LED及CIE标准比色光源D65作为人工光源，对临床上常用的VitaClassial和Vita3DMaster比色板进行色度分析，为研发便携式LED口腔比色光源提供数据参考。
材料和方法
1.自制LED光源的制备：
自制铜底板3*8LED矩阵，功能分区如（图1）。
其中3*6矩阵为白光LED，采用波长主峰为450~470nm单晶GaN蓝光LED，在其表面涂覆YAG荧光粉，荧光粉被激发后产生的黄光与原先用于激发的蓝光互补而产生白光。
使用一定比例硅酸盐红色荧光粉调节色温和显色指数（ColorRenditionIndex，CRI）。
预留3*2矩阵作为红蓝光波长LED，用作补色及模拟“A”光源色温。
LED矩阵上方使用透光率为88%，雾度为91%的PMMA扩散板对LED产生光线进行匀面及扩散处理。
LED供电电路电压9V，聚合物锂离子电池供电。
A:
白光二极管
B:
模拟“A”光源色温红白光二极管
C:
补色用蓝光二极管
图1自制LED光源矩阵分区图
2.LED光源光学指数测定：
使用国家标准GB/T24824《普通照明用LED模块测试方法》推荐的4π结构积分球，LED放置位置及方向见（图2）。
实验采用spektron涂层喷涂内层，φ=2.0m，环境控温积分球（PMS-80，Everfine，中国）。
测试环境温度为25.3°C，相对湿度为60%，地面无震动。
A:
自制LED光源B：
光挡板C：
光泽吸收阱
图2积分球内部光源测试结构
仪器状态如下：
扫描范围：
380.0nm~800nm，扫描间隔：
5.0nm，主通道峰值：
Ip=39357（G=5，D=50），参考通道：
REF=19504（R=4）。
3.LED光源下口腔比色板色度值检测：
3.1测试对象：
VitaClassial和Vita3DMaster口腔用比色板各3个（VITA，德国），自制披覆吸光绒布夹具固定。
3.2测试条件：
采用CS-1000A光谱扫描色度仪（Konica-Minolta，日本），45/0度光学几何结构（图3），测试环境温度为24.5°C，相对湿度为60%，黑色吸光绒布背景。
为了避免周围环境影响，除了照明光源外，测光室隔绝一切外来光源，测色在暗室中进行。
A:
自制LED光源/CIED65光源B：
口腔比色板色标C：
色度仪
图3比色板色度检测45/0光学结构示意图
3.3测试方法：
测色前对色度仪进行20min预热，用标准白板标定。
比色板所有色标固定于夹具上，用无水酒精擦拭干净吹干放置于与色度仪水平的工作台上。
调整夹具高度，使色标唇面中份与色度仪视探头中心位置对应，分别用CIED65标准光源和自制LED光源测量3次，取平均值。
所有测试过程由同一人完成。
测量数据为各个色标样品在自制LED光源和D65光源下的L*、a*、b*值，X、Y、Z三刺激值和Cab*值。
3.4计算及统计学分析：
根据色差Δ
公式计算色差结果。
采用SPSS10.0统计分析软件对测试数据进行统计分析。
采用单因素方差分析和SNK法进行两两比较，检验水准ɑ=0.05。
结果
1.LED光源光学指数：
光度参数：
光通量φ=389.90lm，辐射通量M=1.48W
颜色参数：
色品坐标x=0.3342y=0.3335/u'=0.2111v'=0.4739，色温Tc=5453K，主波长λd=600.2nm，峰值波长λp=455.0nm，半宽度Δλp=25.6nm，显色指数Ra=95.3（表1），光谱相对能量分布（图4）。
表1自制LED光源特殊显色指数
Color
R1
R2
R3
R4
R5
R6
R7
R8
R9
R10
R11
R12
R13
R14
97
96
92
96
95
91
97
99
97
89
94
69
97
95
Ra=
/8=95.3
图4自制LED光源光谱相对能量分布曲线
2.LED光源下口腔比色板色度值：
3块VITA3DMaster上色标在不同光源下L*、a*、b*平均值如（图5），比色板间同一色标在单一光源下L*、a*、b*均值两两比较差异无统计学意义（P>0.05）。
不同光源下各色标间平均色差Δ
见（图6），总色差均值为1.58NBS。
3块VITAClassial上色标在不同光源下L*、a*、b*平均值如（图7），比色板间同一色标在单一光源下L*、a*、b*均值两两比较差异无统计学意义（P>0.05）。
不同光源下各色标间平均色差Δ
见（图8），总色差均值为0.96NBS。
图5VITA3DMaster比色板色标在不同光源下L*、a*、b*平均值
（标准=CIED65标准光源，样本=自制LED光源）
图6两种光源下VITA3DMaster比色板各色标间色差Δ
图7VITAClassial比色板色标在不同光源下L*、a*、b*平均值
（标准=CIED65标准光源，样本=自制LED光源）
图8两种光源下VITAClassial比色板各色标间色差Δ
讨论
目前临床上常用的比色法包括视觉比色法与比色仪法两种，后者包括分光光度计，色度计和RGB设备等。
比色仪临床应用不需要特定光源，但存在边缘丢失效应，信号转换差异等问题而导致比色结果一致性和可重复性较低[1,2]，目前临床应用较少。
采用牙科比色板进行视觉比色目前是临床上最广泛使用的比色方式，此方式对比色光源要求较高，不同光源下比色准确率存在显著差异[3]。
国际标准ISO7491中规定牙科材料色彩比较应使用朝南或北的多云自然散射光[4]。
在无自然日光条件下的比色，推荐使用全光谱D55标准光源[5]，其色温为5504K，相当于华盛顿（标准局）6月中午12点到1点晴天少云天气。
目前市场上仅有荧光灯光箱模拟标准照明体D55，且光谱功率分布拟合度较差，显色指数较低，无法满足口腔临床椅旁比色的要求。
本研究采用自制YAG荧光粉白光LED尝试拟合D55标准照明体，以CIE标准比色光源D65作为对照，对临床上常用的VitaClassial和Vita3DMaster比色板进行色度分析，为研发便携式LED口腔比色光源提供数据参考，希望开发出口腔用LED标准比色光源，通过标准光源获得比色外部环境的一致性，使整个临床和技工比色过程具有准确性及可重复性。
本LED设备采用锂离子聚合物供电，有利于设备的小型化，凸显其临床应用的便携性。
自制LED采用铜制底板，目的为加强散热，减少温度对二极管色度值影响。
光源的色温为5453K，色品坐标为x=0.3342y=0.3335，范围位于标准照明体D50~D65之间，与D55（x=0.3332y=0.3462）坐标拟合度较高，其x坐标位于匹配范围，y坐标位于允许范围[6]。
显色指数分为一般显色指数（Ra）和特殊显色指数（Ri）两种。
一般显色指数（Ra）是针对CIE规定的有代表性的8种色样的特殊显色指数Ri的算术平均值。
一般人工光源用Ra作为评价显色性的指标。
光源的显色指数愈高,其显色性就愈好。
一般认为Ra=100～80显色性优良,Ra=79～50显色性一般,Ra<50显色性较差。
本实验采用LED矩阵显色指数Ra=95.3，可认为其显色性优秀。
同时，实验结果显示特殊显色指数R12（近似孟塞尔标号3PB3/11）数值仅为69，提示自制LED光源对深蓝色显色性一般。
参考本设备目的为对照人牙颜色，根据人牙颜色及比色板色度范围[7]，R12显指低对本实验结果影响十分有限。
本LED光源采用单晶GaN蓝光LED，在其表面涂覆YAG荧光粉产生白光。
因此在功率分布曲线450~470nm波长上有一狭窄波峰，在480nm左右存在波谷，在380nm~520nm范围内与标准照明体D55的光谱功率分布拟合性较低，这也是R12显指低的原因之一，在后继实验中有待通过多光谱叠加改善。
两种口腔比色板分别在LED光源下与CIED65标准光源下，同一色标色度值L*、a*、b*值在单一光源下两两比较差异无统计学意义（P>0.05）。
在两种光源下同一色标的比对指标——色差计算采用CIE94色差公式[8]，由于该公式对不同颜色控制都可使用“单一界限值（singlenumbertoler-ance）”,即该界限值与标样的颜色无关，因此比CIELAB公式具有更好的目视一致性,更适合采用于仪器评价。
目前对于人眼能够分辨的最小色差值存在一定争议，国内学者经过研究认为当两种颜色的色差值小于5NBS时，肉眼一般无法识别[9]。
结果显示两种不同光源下VITA3DMaster各色标间平均色差Δ
最大为2.24NBS，色差均值为1.58NBS。
VITAClassial各色标间平均色差Δ
最大为1.77NBS，色差均值为0.96NBS。
故此相信，在肉眼下难以分辨两种光源下口腔比色板的差异。
通过仪器实验数据，得出自制LED矩阵光源达到D55标准照明体允许范围，并且与D65光源比较，色差控制良好的结论。
但是目测比色法除光源外，尚受到许多因素的影响：
如环境、使用的工具、医师的经验、视觉的缺陷等。
即使就光源本身而言，光源的强度对视锥/视杆细胞的不同影响、同色异谱现象等等细节因素也会导致比色的偏差。
要研发出能完全替代日光进行临床比色的LED光源尚需若干后续实验。
参考文献
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[8]MCDonaldR,SmithKJ.CIE94-aNewColour-differenceFormula.JSocDyersCol,1995,111（12）:
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[9]吴效民,宋世卿.VITA比色板色度分析.中华口腔医学杂志,1996,31（4）:
227-229.
作者简介：
宋洁文主治医师广州市第八人民医院口腔科
姚科主治医师中山大学光华口腔医学院‧附属口腔医院修复科
丘颖宁副教授南京理工大学能源与动力工程学院副教授
李彦主任医师中山大学光华口腔医学院‧附属口腔医院修复科
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