新型LED比色光源下口腔比色板色度值研究.docx

1、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-Emitting Diode，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450470nm单晶GaN蓝光LED矩阵，在其表面涂覆稀土钇铝石榴石（Yttrium Aluminate Garnet,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4结构积分球测试LED光源光学指数并了解其与D55标

2、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Vita 3D Master和Vita Classia比色板CIE L* a* b*色度值的影响，并用值对差别进行比较。结果 自制白光LED光源光通量=389.90lm，色品坐标x=0.3342 y=0.3335，色温Tc=5453K，主波长 d=600.2nm，峰值波长 p=455.0nm，半宽度p=25.6nm，显色指数Ra=95.3。3块VITA 3D Master和VITA Classial 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VITA 3

3、D Master和VITA Classial各色标间色差均值分别为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 Dental shade guide colour values research under a new LED lightSONG Jie-wen, YAO Ke，QIU Yinning，LI Yan【Abstract】 Objective Optical parameters of a self-developed white L

4、ED array have been measured to understand their impacts to colour values of shade guide for dental application. It is to provide data reference for portable LED shade guide light source. Methods White light source with continuous spectrum having 5500K colour temperature is maded by coating Yttrium A

5、luminate Garnet (YAG) on the surface of GaN LED array, which has emission wavelength at 450470nm range, and using certain percentage red phosphor silicate for colour temperature tuning. Optical parameters of such LED are measured by an integrating sphere with 4structure. The results are compared wit

6、h that of D55 standard light. This LED light source is also compared with D65 standard light by observing their impacts to CIE L* a* b* colour values of three commonly dental used Vita 3D Master and Vita Classia shade guide . Their differences of are compared. Results The result shows such self-deve

7、loped LED light source has optical flux =389.90lm, chromaticity coordinates x=0.3342 y=0.3335, colour value Tc=5453K, emission wavelength d=600.2nm, peak wavelength p=455.0nm, half-widthp=25.6nm, colour rending index (CRI) Ra=95.3. The same mean colour value of L* 、a*、 b*of three VITA 3D Master and

8、VITA Classial under the same light source has no statistical differences. The colour differences, which are mean , of VITA 3D Master and VITA Classial under different light sources are 1.58NBS and 0.96NBS respectively. Conclusion Self-developed LED light array meets requirement of both colour temper

9、ature and CRI of D55 standard light. Therefore, it can be used on dental application to replace natural sun light as a reconstructed light source. 【Key words】LED；VITA Classial；VITA 3D Master； 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

10、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Vita Classial和Vita 3D Master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*8 LED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450470nm单晶GaN蓝光

11、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（Color Rendition Index，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/T 24824普通照明用LED模块测试方

12、法推荐的4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，=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：380.0nm800nm，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：Vita Classial和Vita 3D Master口腔用比色板各3个（VITA，

13、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/CIE D65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

14、探头中心位置对应，分别用CIE D65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C ab*值。3.4计算及统计学分析：根据色差公式计算色差结果。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=0.05。结果1.LED光源光学指数：光度参数：光通量=389.90lm，辐射通量M=1.48W颜色参数：色品坐标x=0.3342 y=0.3335/u =0.2111 v =0.4739，色温Tc=5453K，主波长d=60

15、0.2nm，峰值波长p=455.0nm，半宽度p=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ColorR1R2R3R4R5R6R7R8R9R10R11R12R13R149796929695919799978994699795 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VITA 3D Master 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见（图

16、6），总色差均值为1.58NBS。3块VITA Classial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见（图8），总色差均值为0.96NBS。图5 VITA 3D Master 比色板色标在不同光源下L* 、a*、 b*平均值（标准=CIE D65标准光源，样本=自制LED光源）图6 两种光源下VITA 3D Master比色板各色标间色差图7 VITA Classial 比色板色标在不同光源下L* 、a*、 b*平均值（标准=CIE D65标准光源，样本=

17、自制LED光源）图8 两种光源下VITA Classial比色板各色标间色差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

18、）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Vita Classial和Vita 3D Master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

19、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=0.3342 y=0.3335，范围位于标准照明体D50D65之间，与D55（x=0.3332 y=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= 10080显色性优良, Ra= 7950显色性一般, Ra0.05）。在两种光源下同一色标的比对

20、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(single number toler-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VITA 3D Master各色标间平均色差最大为2.24NBS，色差均值为1.58NBS。VITA Classial各色标间平均色差最大为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

21、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1Hugo B, Witzel T, Klaiber B. Comparison of in vivo visual and computer-aided tooth shade determination.

22、Clin Oral Invest, 2005,9(4):244-250.2Cal E, Guneri P, Kose T. Comparison of digital and spectrophotometric measurements of colour shade guides. J Oral Rehabil, 2006, 33(3):221-228. 3Alvaro DB, Allyson AB, Vinicius Rosa,et al. Visual and instrumental agreement in dental shade selection: Three distinc

23、t observer populations and shade matching protocols. Dental materials, 2009, 25(2):276-281.4ISO. Dentalmaterials-Determination of colourstabilitys. ISO7491:2000.5Paravina RD, Power JM. Esthetic color training in dentistryM. 1st ed. St, Louis:Mosby, 2004.6荆其诚，张增慧，焦书兰，等. CIE标准照明体A、D65、D65、D75色度点的颜色匹配和

24、允许范围, 光学学报，1982,2（1）：86-91.7伊元夫, 王忠义, 温宁, 等. 两种VITA比色板的色度学比较. 口腔颌面修复学杂志，2003,4(2): 97-100.8MC Donald R, Smith KJ. CIE94 - a New Colour-difference Formula.J Soc Dyers Col, 1995,111(12):376-379.9 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