用于研究牙科复合材料聚合收缩动力学的非接触式测量系统及方法与流程

1.本发明涉及一种复合材料聚合收缩动力学的非接触式测量系统及方法，尤其是指一种用于研究牙科复合材料聚合收缩动力学的非接触式测量系统及方法。


背景技术：

2.为了评估材料的聚合收缩，出现了许多方法，如膨胀法、圆盘法和应变片法等。然而这些都是接触型测量方法，限制了试样在聚合过程中的自由收缩，只能获得有限的信息。为了更好地表征聚合收缩动力学，数字图像相关(dic)的非接触式光学技术被应用于聚合收缩中，并且利用dic具有全场形变测量的能力，以及结合外部同步触发技术对dic方法进行了改进，使这种方法能够更好地研究初始聚合收缩过程。dic虽然具有非接触测量能力，可以表征深度分辨上的聚合收缩，但在存在以下缺点：1、dic是一种表面变形测量技术，需要专门设计的实验仪器来辅助测量系统，才能评估深度分辨聚合收缩；2、必须在试样表面仔细地制作散斑图案，以保证较高的测量分辨率和精度；3、dic的灵敏度低，使得一些聚合行为难以被观察到。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于针对上述问题，提供一种结构简单、使用简单方便和灵敏度高的用于研究牙科复合材料聚合收缩动力学的非接触式测量系统及方法。该装置和方法采用的硬件少、结构简单，无需dic的专门设计的实验仪器来辅助，并且具有较高的灵敏度。
4.本发明的目的可采用以下技术方案来达到：
5.一种用于研究牙科复合材料聚合收缩动力学的非接触式测量系统，包括激光二极管、第一透镜、柱面透镜、分束器、第二透镜、反射镜、第三透镜、滤光片、ccd相机、第四透镜和衍射光栅；所述第一透镜、柱面透镜、分束器和第二透镜从上到下依次设于激光二极管的下方，所述第二透镜的下方设有玻璃载片，所述反射镜、第三透镜和滤光片从下到上依次设置，所述ccd相机、第四透镜和衍射光栅从上到下依次设置；所述激光二极管发出的光线依次经过第一透镜、柱面透镜和分束器，通过分束器后衍射为第一衍射光和第二衍射光，第一衍射光依次经过反射镜、第三透镜和滤光片并射到参考面上；第二衍射光经过第二透镜射到玻璃载片上的标本，标本产生反射光并依次入射到第二透镜、分束器、衍射光栅、第二滤光片和ccd相机。
6.作为一种优选的方案，所述分束器为立方体分束器。
7.作为一种优选的方案，所述激光二极管为超辐射激光二极管。
8.作为一种优选的方案，所述标本为牙科复合材料。
9.一种用于研究牙科复合材料聚合收缩动力学的非接触式测量系统的测量方法，包括以下步骤：
10.步骤1、搭建相敏光学相干层析系统；
11.步骤2、将牙科复合材料置于玻璃载片上形成待测样件，再把待测样件移动到相机的视场范围内，然后通过激光二极管对待测样件进行照射，使样品固化，并通过ccd相机对图像连续采集；
12.步骤3、对搭建的相敏光学相干层析系统的测量精度进行评估；
13.步骤4、利用步骤2中采集到的待测样件的干涉图像组，提取幅频信息，实现材料的截面轮廓成像；
14.步骤5、将相邻之间的幅频图像进行差分计算后，利用矢量梯度算法对牙科材料的聚合收缩性能进行估计。
15.进一步地，所述步骤s1的具体内容为：
16.根据光学干涉原理搭建相敏光学相干层析系统：当被测对象和参考平面共有m个表面的反射光参与干涉时，其干涉光强的表达式为
[0017][0018]
其中i为干涉光的光强；为光在第d和第b个表面上反射时产生的相位变化；k＝2π/λc为波数，λc为光波长；λ
db
为第d和第b个表面之间的光程差。因为基于光学相干层析的聚合物固化监测技术系统使用了宽带光源的空间调制，采用反射式衍射光栅为分光原件，所以(1)式中的波数k可以在空间展开，使干涉光形成光谱。在经过ccd相机采样和加窗后，光谱图像的光强表达式为
[0019][0020]
其中w(k)为相机的矩形窗函数，δk为波数展开方向最小采样间隔对应的波数带宽。对(2)式的光谱沿k轴进行傅里叶变换，得到的幅频特性表达式为
[0021][0022]
其中δk为波数展开方向ccd相机对应的最大波数带宽。利用幅频特性(3)，第d和第b表面之间的光程差可以用峰值频率f
db
表示为
[0023]
λ
db
＝2π/δk
·fdb
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0024]
(4)式表明峰值频率f
db
与对应表面间的光程差λ
db
之间是线性关系，因此可以通过它对轮廓进行测量，其测量深度和深度方向的分辨率分别为
[0025]
λ
max
＝π/2δk
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0026]
λ
min
＝π/δk
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)
[0027]
其中深度方向的分辨率约为几十微米。干涉光谱的相频表达式为
[0028][0029]
其中kc为中心波数，若被测对象发生了光学长度大小为δwj的微小位移后,那么位移前后的相位差为
[0030][0031]
其中n为材料内部折射率。
[0032]
然后用激光二极管光源照射，在ccd摄像机上形成干涉光谱并被采集记录。
[0033]
进一步地，所述步骤s2的具体内容为：
[0034]
首先将牙科复合材料置于玻璃载片中间位置作为待测样件，将试样调整到视场中心后，在距离样件垂直高度10cm的位置，使用波长455nm、辐射功率可达1200mw/cm2的光线对样品进行照射，使样品固化，期间以采样频率6帧/s的速度对图像连续采集3min。
[0035]
进一步地，所述步骤s3的具体内容为：
[0036]
以1秒6帧的采样率和50ms的曝光率记录了90s内玻璃片在静止状态下的干涉信号，根据相位和光程差变化量之间的关系，通过测量的相位差值可以进一步估计光程差变化δλ：
[0037][0038]
进一步地，所述步骤s4的具体内容为：
[0039]
用ccd摄像机对材料的干涉信号进行多帧的连续采集，对记录下来的干涉图像进行傅里叶变换，得到材料的幅频信息，进而实现材料内部的界面轮廓成像。
[0040]
进一步地，所述步骤s5的具体内容为：
[0041]
在材料形变前后的图像中，具有坐标(m,j)的的每个像素的复值信号可以表示为形变前：
[0042][0043]
形变后：
[0044][0045]
由应变引起的相位变化大多是有规律的，数学上可以通过在乘积中得到差分相位如：
[0046]
a1(m,j)a2*(m,j)≡b(m,j)＝b(m,j)exp[i
·
φ(m,j)]
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(11)
[0047]
其中b(m,j)＝a2(m,j)a1(m,j)以及且相位变化φ(m,j)与坐标像素(m,j)的散射体的光程差形变δλ
db
(m,j)之间存在明显的关系：
[0048][0049]
通常，收缩应变是通过求离散的相变场φ(m,j)的轴向梯度并在所选择的处理窗口n
x
×
nz像素的大小上进行平均来估计的。
[0050]
复值b(m,j)在所选处理窗口内横向平均以获得更规则的阵列：
[0051][0052]
这里，m＝1..n
x
是与处理窗口内的垂直列数相对应的水平索引，j＝1..nz是垂直索引。在平均矢量中，小幅度噪声像素的贡献被显著抑制，并且不会强烈失真合成矢量b(j)的相位φ(j)。事实上，这种具有随后提取帧间相位变化φ(j)的平均的矢量表示非常接近用于oce实现的kasai估计器。对于非零应变，如此提取的φ(j)取决于垂直指数j，因此可以通过在处理窗口的垂直尺寸nz内的φ(j)的常规最小二乘拟合来找到相位梯度。
[0053]
然后，我们定义包含帧间相位差的水平平均垂直增量δφ(j)＝φ(j 1)-φ(j)的复数值c(j)：
[0054][0055]
类似于前面的平均步骤，复数值c(j)也可以被视为复值平面中的矢量，并且再次在矢量意义上进行平均(现在在垂直方向上)。如果处理窗口的垂直尺寸小于应变不均匀的垂直尺度，则像素间相位变化增量δφ(j)在理想情况下应该相同。实际上，它们会因为去相关效应和其他测量噪声或物理不均匀性而波动。在处理窗口的垂直大小上再次构造基本增量向量的和会产生具有更稳定相角的更稳定的复量：
[0056][0057]
事实上，这种求和对应于复值向量b(m,j)和c(j)的实部和虚部的平均，而不是它们角度的直接平均。从图1中这种运算的几何解释可以清楚地看出，这使得合成矢量的角度特别稳健，并且对可能偶尔具有单独的求和b(m,j)或c(j)的非常强的相位误差具有特别强的容忍度。还要注意，振幅保持对于抑制来自最弱像素的噪声贡献是正的，本课题选择α＝1会产生较好的结果。
[0058]
如此评估的像素间垂直相位增量δφ与所寻找的应变ε成正比，其中d是像素间距离，可表示为：
[0059][0060]
实施本发明，具有如下有益效果：
[0061]
本发明的激光二极管发出的光线依次经过第一透镜、柱面透镜和分束器，通过分束器后衍射为第一衍射光和第二衍射光，第一衍射光依次经过反射镜、第三透镜和滤光片并射到参考面上；第二衍射光经过第二透镜射到玻璃载片上的标本，牙科复合材料产生反射光并依次入射到第二透镜、分束器、衍射光栅、第二滤光片和ccd相机。最终在ccd相机中形成干涉光谱并被采集记录。ccd相机以采样一定的频率速度对图像连续采集，用ccd摄像机对材料的干涉信号进行多帧的连续采集，对记录下来的干涉图像进行傅里叶变换，得到材料的幅频信息，进而实现材料内部的界面轮廓成像，然后将相邻之间的幅频图像进行差分计算后，利用矢量梯度算法对牙科材料的聚合收缩性能进行估计，从而得到标本的聚合收缩性能。整个过程无需使用专门设计的实验仪器来辅助测量，并且不用在标本表面制作散斑图案，结构简单、使用方便和灵敏度高。
附图说明
[0062]
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。
[0063]
图1是本发明用于研究牙科复合材料聚合收缩动力学的非接触式测量系统的结构示意图。
具体实施方式
[0064]
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作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0065]
实施例：
[0066]
参见图1，本实施例涉及牙科复合树脂材料检测装置，包括激光二极管1、第一透镜2、柱面透镜3、分束器4、第二透镜5、反射镜6、第三透镜7、滤光片8、ccd相机9、第四透镜10和衍射光栅11；所述第一透镜2、柱面透镜3、分束器4和第二透镜5从上到下依次设于激光二极管1的下方，所述第二透镜5的下方设有玻璃载片12，所述反射镜6、第三透镜7和滤光片8从下到上依次设置，所述ccd相机9、第四透镜10、第二滤光片14和衍射光栅11从上到下依次设置；在使用时，激光二极管1发出的光线依次经过第一透镜2、柱面透镜3和分束器4，通过分束器4后衍射为第一衍射光和第二衍射光，第一衍射光依次经过反射镜6、第三透镜7和滤光片8并射到参考面上；第二衍射光经过第二透镜5射到玻璃载片12上的标本13，标本13产生反射光并依次入射到第二透镜5、分束器4、衍射光栅11、第二滤光片14和ccd相机9。最终在ccd相机9中形成干涉光谱并被采集记录。ccd相机9以采样一定的频率速度对图像连续采集，以得到标本13的幅频信息，进而实现材料内部的界面轮廓成像，进而通过计算得到标本13的聚合收缩性能，无需使用专门设计的实验仪器来辅助测量，并且不用在标本13表面制作散斑图案，结构简单、使用方便和灵敏度高。
[0067]
所述分束器4为立方体分束器4。
[0068]
所述激光二极管1为超辐射激光二极管1。
[0069]
所述标本13为牙科复合材料。
[0070]
本实施例还提供了一种用于研究牙科复合材料聚合收缩动力学的非接触式测量系统的测量方法，包括以下步骤：
[0071]
步骤1、搭建相敏光学相干层析系统；
[0072]
根据光学干涉原理搭建相敏光学相干层析系统：当被测对象和参考平面共有m个表面的反射光参与干涉时，其干涉光强的表达式为
[0073][0074]
其中i为干涉光的光强；为光在第d和第b个表面上反射时产生的相位变化；k＝2π/λc为波数，λc为光波长；λ
db
为第d和第b个表面之间的光程差。因为基于光学相干层析的聚合物固化监测技术系统使用了宽带光源的空间调制，采用反射式衍射光栅为分光原件，所以(1)式中的波数k可以在空间展开，使干涉光形成光谱。在经过ccd相机9采样和加窗后，光谱图像的光强表达式为
[0075][0076]
其中w(k)为相机的矩形窗函数，δk为波数展开方向最小采样间隔对应的波数带宽。对(2)式的光谱沿k轴进行傅里叶变换，得到的幅频特性表达式为
[0077][0078]
其中δk为波数展开方向ccd相机9对应的最大波数带宽。利用幅频特性(3)，第d和
第b表面之间的光程差可以用峰值频率f
db
表示为
[0079]
λ
db
＝2π/δk
·fdb
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0080]
(4)式表明峰值频率f
db
与对应表面间的光程差λ
db
之间是线性关系，因此可以通过它对轮廓进行测量，其测量深度和深度方向的分辨率分别为
[0081]
λ
max
＝π/2δk
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0082]
λ
min
＝π/δk
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)
[0083]
其中深度方向的分辨率约为几十微米。干涉光谱的相频表达式为
[0084][0085]
其中kc为中心波数，若被测对象发生了光学长度大小为δwj的微小位移后,那么位移前后的相位差为
[0086][0087]
其中n为材料内部折射率。
[0088]
样品s的x-z平面上的横截面，然后用激光二极管光源照射，然后从样品散射的光与参考光干涉，最后，在ccd摄像机上形成干涉光谱被采集记录。透镜l1-l4和cl的焦距分别为50mm、100mm、50mm、100mm和75mm；反射衍射光栅g为600槽/mm，闪耀波长为850nm；第二滤光片14的带通区为800-900nm。系统的空间分辨率为7.5μm
×
3μm(轴向
×
横向)，曝光时间为80ms，采集率为10fps；
[0089]
步骤2、将牙科复合材料置于玻璃载片12上形成待测样件，再把待测样件移动到相机的视场范围内，然后通过激光二极管1对待测样件进行照射，使样品固化，并通过ccd相机9对图像连续采集；
[0090]
首先将牙科复合材料置于玻璃载片12中间位置作为待测样件，将试样调整到视场中心后，在距离样件垂直高度10cm的位置，使用波长455nm、辐射功率可达1200mw/cm2的光线对样品进行照射，使样品固化，期间以采样频率6帧/s的速度对图像连续采集3min。本研究使用了三种商用牙科复合材料，皆为3m公司的产品，他们都具有相似的主要成分组成以及含有不同程度的体积载荷比。表中还提供了，本实验将以往研究对三种材料所测定的收缩应变率作为参考值，以验证实验结果的准确性和所构建phs-oct系统的有效性。
[0091]
步骤3、对搭建的相敏光学相干层析系统的测量精度进行评估；
[0092]
为了评估所建立的phs-oct系统的测量精度和准确性，以1秒6帧的采样率和50ms的曝光率记录了90s内玻璃片在静止状态下的干涉信号，使用与牙科复合材料实验相同的计算参数对这些图像进行处理以计算玻璃片前表面光程差变化量，即离面位移，测量过程离面位移应为0，测得的位移是来自于相位噪声以及系统的相对振动导致的测量误差。根据相位和光程差变化量之间的关系，通过测量的相位差值δφ可以进一步估计光程差变化δλ：
[0093][0094]
步骤4、利用步骤2中采集到的待测样件的干涉图像组，提取幅频信息，实现材料的截面轮廓成像；
[0095]
用ccd摄像机对材料的干涉信号进行多帧的连续采集，对记录下来的干涉图像进行傅里叶变换，得到材料的幅频信息，进而实现材料内部的界面轮廓成像。
[0096]
步骤5、将相邻之间的幅频图像进行差分计算后，利用矢量梯度算法对牙科材料的聚合收缩性能进行估计。
[0097]
在材料形变前后的图像中，具有坐标(m,j)的的每个像素的复值信号可以表示为形变前：
[0098][0099]
形变后：
[0100][0101]
由应变引起的相位变化大多是有规律的，数学上可以通过在乘积中得到差分相位如：
[0102]
a1(m,j)a2*(m,j)≡b(m,j)＝b(m,j)exp[i
·
φ(m,j)]
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(11)
[0103]
其中b(m,j)＝a2(m,j)a1(m,j)以及且相位变化φ(m,j)与坐标像素(m,j)的散射体的光程差形变δλ
db
(m,j)之间存在明显的关系：
[0104][0105]
通常，收缩应变是通过求离散的相变场φ(m,j)的轴向梯度并在所选择的处理窗口n
x
×
nz像素的大小上进行平均来估计的。
[0106]
复值b(m,j)在所选处理窗口内横向平均以获得更规则的阵列：
[0107][0108]
这里，m＝1
…nx
是与处理窗口内的垂直列数相对应的水平索引，j＝1
…
nz是垂直索引。在平均矢量中，小幅度噪声像素的贡献被显著抑制，并且不会强烈失真合成矢量b(j)的相位φ(j)。事实上，这种具有随后提取帧间相位变化φ(j)的平均的矢量表示非常接近用于oce实现的kasai估计器。对于非零应变，如此提取的φ(j)取决于垂直指数j，因此可以通过在处理窗口的垂直尺寸nz内的φ(j)的常规最小二乘拟合来找到相位梯度。
[0109]
然后，我们定义包含帧间相位差的水平平均垂直增量δφ(j)＝φ(j 1)-φ(j)的复数值c(j)：
[0110][0111]
类似于前面的平均步骤，复数值c(j)也可以被视为复值平面中的矢量，并且再次在矢量意义上进行平均(现在在垂直方向上)。如果处理窗口的垂直尺寸小于应变不均匀的垂直尺度，则像素间相位变化增量δφ(j)在理想情况下应该相同。实际上，它们会因为去相关效应和其他测量噪声或物理不均匀性而波动。在处理窗口的垂直大小上再次构造基本增量向量的和会产生具有更稳定相角的更稳定的复量：
[0112][0113]
事实上，这种求和对应于复值向量b(m,j)和c(j)的实部和虚部的平均，而不是它们角度的直接平均。从图1中这种运算的几何解释可以清楚地看出，这使得合成矢量的角度特别稳健，并且对可能偶尔具有单独的求和b(m,j)或c(j)的非常强的相位误差具有特别强的容忍度。还要注意，振幅保持对于抑制来自最弱像素的噪声贡献是正的，本课题选择α＝1
会产生较好的结果。
[0114]
如此评估的像素间垂直相位增量δφ与所寻找的应变ε成正比，其中d是像素间距离，可表示为：
[0115][0116]
本方法的激光二极管1发出的光线依次经过第一透镜2、柱面透镜3和分束器4，通过分束器4后衍射为第一衍射光和第二衍射光，第一衍射光依次经过反射镜6、第三透镜7和滤光片8并射到参考面15上；第二衍射光经过第二透镜5射到玻璃载片12上的标本13，牙科复合材料产生反射光并依次入射到第二透镜5、分束器4、衍射光栅11、第二滤光片14和ccd相机9。最终在ccd相机中形成干涉光谱并被采集记录。ccd相机9以采样一定的频率速度对图像连续采集，用ccd摄像机对材料的干涉信号进行多帧的连续采集，对记录下来的干涉图像进行傅里叶变换，得到材料的幅频信息，进而实现材料内部的界面轮廓成像，然后将相邻之间的幅频图像进行差分计算后，利用矢量梯度算法对牙科材料的聚合收缩性能进行估计，从而得到标本13的聚合收缩性能。整个过程无需使用有专门设计的实验仪器来辅助测量，并且不用在标本13表面制作散斑图案，结构简单、使用方便和灵敏度高。
[0117]
以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。