[12]实用新型专利说明书专利号 ZL
200620028886.1
[51]Int.CI.
A61C 19/04 (2006.01)G01N 21/25 (2006.01)
[45]授权公告日2007年9月12日[22]申请日2006.06.08[21]申请号200620028886.1
[73]专利权人长春星叶生化科技有限公司
地址130012吉林省长春市长春硅谷大街4000号
9楼902A[72]设计人徐经伟 刘大力 白石英 石增良
[11]授权公告号CN 200945199Y
权利要求书 1 页 说明书 6 页 附图 4 页
[54]实用新型名称
基于半导体色敏传感技术的新型口腔用电脑比色仪[57]摘要
本实用新型涉及一种基于半导体色敏传感技术的新型口腔用电脑比色仪，其由信号检测、信号处理、结果显示部分构成。信号检测部分通过具有2个不同结深PN结的硅色敏传感器接收来自于口腔牙齿颜色的反射光信号，并将光信号转换成与入射光波长对应的两个电流信号；信号处理部分由两个对数放大器和一个差动放大器组成，其输出与口腔牙齿颜色的反射光信号有关的电压信号；结果显示部分由模数变换电路、接口电路、中央CPU、存诸器和显示器组成，其来自于信号处理部分的电压信号转换成计算机能够识别的数字信号后，与存储在计算机存诸器中的标准数据进行比较，从而在显示器中给出比色信息。本仪器具有不受外界环境干扰、准确性高、方便实用等优点。
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权 利 要 求 书
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1、基于半导体色敏传感技术的新型口腔用电脑比色仪，由信号检测、信号处理、结果显示部分构成，其特征在于：
(1)信号检测部分由具有2个不同结深PN结的硅色敏传感器组成，其接收来自于口腔牙齿颜色的反射光信号，并将光信号转换成与入射光波长对应的两个电流信号；
(2)信号处理部分由两个对数放大器和一个差动放大器组成，来自于硅色敏传感器的两个电流信号分别接对数放大器的反相输入端，两个对数放大器的输出电压作为差动放大器的输入信号，差动放大器用于实现对两个输入电压的减法运算，其输出与口腔牙齿颜色的反射光信号有关的电压信号；
(3)结果显示部分由模数变换电路、接口电路、中央CPU、存诸器和显示器组成，来自于信号处理部分的电压信号转换成计算机能够识别的数字信号后，与存在计算机存诸器中的数据进行比较，从而在显示器中给出比色信息。
2、如权利要求1所述的基于半导体色敏传感技术的新型口腔用电脑比色仪，其特征在于：硅色敏传感器是以SiO2作绝缘层，以铝作电极，以体材料Si为滤光片，重掺杂的N型区和P型区以及P型区和轻掺杂的N型区构成两个不同结深的PN结。
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说 明 书
基于半导体色敏传感技术的新型口腔用电脑比色仪
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技术领域
本专利属于光机电一体化领域，具体涉及一种电生理检测、监护设备与传感器中的高灵敏度、高可靠性的基于半导体色敏传感技术的新型口腔用电脑比色仪。 背景技术
计算机选色(CCS)技术是将所有备用材料事先在标准条件下进行测色，并将结果制成数据库，然后针对某一颜色检索出与其最为相近的材料。CCS作为一种客观的比色方法，在印染等工业领域已经得到广泛应用，它具有客观、快速、准确以及不受环境干扰的特点，国际上已经开始尝试将其应用于牙科临床配色，由于我国目前在此方面的研究尚属空白，因此，研究CCS在口腔临床上的实用性具有重要的意义。比色技术在口腔修复中十分重要，为了使经修复后的牙齿美观，与口腔环境协调，医生需要测量病人牙齿的颜色，然后选择具有相同或者最相近的颜色的修复材料，对牙齿进行修复。目前临床采用的是人工视觉比色方法，要确定牙齿和修复材料的颜色是否一致，相当困难，因为主要的修复材料是半透明，基部牙本质颜色的透出对表面颜色有影响，而天然牙齿颜色在不同的部位有逐渐移行的色彩变化，这样就给比色造成了很大的困难。又因为肉眼比色方法依赖于医师对色彩的准确理解和掌握，同时还会受到光源、周围环境以及情绪等主观因素的影响，因此有大量相关研究指出肉眼比色会导致明显的比色失误，且重复率较低。经常出现修复部位与牙齿环境颜色不同而造成的不协调，影响修复效果。我们的产品就是为满足目前我国口腔临床市场的需求而研制的。 目前，国外只有德国VITA公司在21世纪初推出一种小型电脑比色仪，并且从2004年起开始在中国市场上销售，它是通过测量反射频谱进行测色的，因而受外界条件影响较大，而且价格比较昂贵，且该种类型仪器的研制，在国内尚未见报道。为此，本项目提出研制一种实用的有自主知识产权的有广阔应用前景的电脑比色仪。我们所研制的仪器与国外同类产品有较大的价格优势，而且在性能上也不低于国外产品；因此，本项目产品将能够取代进口产品并能大量出口。 实用新型内容
本实用新型的目的在于提供一种结合了计算机选色技术和半导体色敏传感技术的能够在口腔修复临床上使用的电脑比色仪。
本专利所述的电脑比色仪可以用来取代目前临床上使用的人工视觉比色方法，该
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仪器具有小型轻便、操作简单、能够在很短的时间内配出准确颜色的特点。 本实用新型所述电脑比色仪由信号检测、信号处理、结果显示部分构成。 信号检测部分由具有2个不同结深PN结的硅色敏传感器组成，其接收来自于口腔牙齿颜色的反射光信号，并将光信号转换成与入射光波长对应的两个电流信号； 信号处理部分由两个对数放大器和一个差动放大器组成，来自于硅色敏传感器的两个电流信号分别接对数放大器的反相输入端，两个对数放大器的输出电压作为差动放大器的输入信号(如图4所示，差动放大器的一端接地)，差动放大器用于实现对两个输入电压的减法运算，其输出与口腔牙齿颜色的反射光信号有关的电压信号； 结果显示部分由模数变换电路、接口电路、中央CPU、存诸器和显示器组成，其是先在计算机中建立输入电压与光固化树脂颜色一一对应的标准数据曲线，再通过测得电压值，给出比色信息。即来自于信号处理部分的每次测得的牙齿颜色信息的电压信号转换成计算机能够识别的数字信号后，与存在计算机存诸器中的标准数据进行比较，从而在显示器中给出每次测量结果的比色信息。
该仪器的关键技术是色敏传感器的研制和软件系统的开发，本专利首次将硅色敏传感器应用于口腔修复用比色仪中，更加准确的测定牙齿颜色，以达到最佳的修复效果。
由于本专利采用对数变换元件和差动放大器实现对两个输入电压的减法运算，只要测出输出电压，就可根据在计算机数据库中已经建立的电压与光波长(颜色信息)对应值的标准曲线，测定与输出电压相对应的口腔牙齿的颜色信息。具有不受外界环境干扰准确性高、方便实用等优点，克服了其他比色仪由于直接测量频谱而受外界影响大的缺点。该种类型仪器的研制，在国内尚未见报道。 本专利产品的技术指标：
工作温度范围：0-70℃，光谱响应范围：400-700nm，光谱分辨率：25nm，响应时间＜15秒，恢复时间＜30秒，整机重量低于3kg。 附图说明
图1：硅色敏传感器结构示意图； 图2：硅色敏传感器等效电路图；
图3：硅色敏传感器的相对于入射光距离不同的二个PN结对不同波长的光的吸收灵敏度示意图；
图4：电脑比色仪整体电路方框图；
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图5：本专利的软件系统原理方框图。
本专利所述的硅色敏传感器是由两个结深不同的PN结组成，如图1所示，电极11、12、13分别是三个铝电极，用SiO2作绝缘层14，它以体材料Si为滤光片，15、16、17分别是N型区、P型区和N型区，在硅中分别掺杂失主和受主获得N(轻掺杂)、P、N(重掺杂)区。来自于牙齿的反射光入射到色敏传感器的两个PN结上后，会分别在深、浅PN结产生一个光电流，两个光电流的比值与入射光的波长是相对应的，通过不同波长的入射光在深、浅PN结(深、浅PN结是相对于入射光或电极11、12的距离而言)所产生的两个光电流的比值与波长的对应关系可以探测单色光，也可以区分两个不同光谱组成的复色光，即色差辨别。具有不受外界环境干扰、准确性高、方便实用等优点，克服了其他比色仪由于直接测量频谱而受外界影响大的缺点。 如图1所示，N-P-N是两个P-N结二极管。浅结(距离入射光或电极11、12距离近的PN结，在本专利中称为浅结)的二极管PD1是N-P结，深结(距离入射光或电极11、12距离远的PN结，在本专利中称为深结)的二极管PD2是P-N结。图2是该色敏传感器的等效电路图，当有入射光照射(从牙齿反射来的光是不同波长单色光的复合)时，N、P、N每个区域及其间的势垒区中都有光子吸收。根据硅的光学性质，其对短波长部分吸收系数大，复合光中短波长的部分在传感器中经过很短的距离就能吸收完毕，因此，浅结光电二极管对短波长的光的灵敏度高。而硅对长波长部分吸收系数小，长波长光的透射深度比较大，红外光部分其透射深度能一直达到该色敏传感器的深结区，如图3所示，因此，深结光电二极管对长波长光的灵敏度高。在具有一定波长范围的复合光的照射下，该器件中两只光电二极管的短路电流的比值I1/I2不同，I1是浅结二极管的短路电流，I2是深结二极管的短路电流。所以根据器件的短路电流比，我们可以得到与入射光波长范围(颜色信息)密切相关的电流信号。在确定的工艺条件下，短路电流比几乎只与入射光信息相关，这是一个突出的优点，使得它在单色光与复色光的辨别上，较少的受到外界条件变化的干扰。
如图4所示，色敏传感器中的两个光敏部分PD1和PD2连接在两只运算放大器IC1、IC2的反相输入端，即将运算放大器做电流输入型使用。连接在IC1、IC2的反相输入端与输出端之间的两只二极管D1和D2用作对数变换元件，在工作时它们并不改变PD1和PD2的短路电流的性质，因此可以在入射功率的宽广范围内稳定地测定光的波长，也即测知物体的颜色或光的颜色。IC3为一差动放大器，用于实现对两个输入电压(即IC1、IC2的输出电压)的减法运算。该信号采集电路的输出电压Vo(λ)与不同颜色的波长之间的关系可用下式表示
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Vo(λ)＝Vo[lgISC2(λ)-lgISC1(λ)]R2/R1
式中Vo为常数，Isc1、Isc2分别为IC1、IC2输入电流(R2、R1串联电阻)。显然，只要测出输出电压Vo(λ)，就可根据输出电压与光的波长对应值的标准曲线测定实际操作时入射的颜色光的波长。
如图5所示，是本专利的信号显示部分，其采用常的计算机编程技术，基本工作过程可描述为：工作开始后，计算机程序开始对系统进行初始化，开中断后，由于采样为高级中断，所以先判断A/D转换结束与否，然后进行颜色识别的主要数据处理，即线性化处理，光源发光率修正，所得颜色数字量进入查表程序，最后将颜色值送入显示或键盘处理程序。
中断处理程序：包括采样程序和键盘处理程序。
处理程序：包括线性化处理、光源发光率修正值查取、颜色值的判断与控制信号输出。
附加程序：包括键处理程序，显示程序。 具体实施方式 实施例1：
如图1所示，为本专利所述的硅色敏传感器结构示意图，是由两个结深不同的PN结(N-P结和P-N结)组成。利用半导体工艺(MOCVD技术)制备硅色敏传感器，硼(B)作为失主和氮(N)作为受主掺杂材料，由掺杂的失主浓度控制重掺杂和轻掺杂，各层的厚度由生长时间控制，大约1微米，如图1所示，电极11、12、13分别是三个铝电极，用SiO2作绝缘层14，区域15、16、17分别是重掺杂的N型区、P型区和轻掺杂的N型区，是两个P-N结二极管。浅结(距离入射光或电极11、12距离近的PN结，在本专利中称为浅结，由重掺杂的N型区15和P型区16构成)的二极管PD1是N-P结，深结(距离入射光或电极11、12距离远的PN结，在本专利中称为深结，由P型区16和轻掺杂的N型区17构成)的二极管PD2是P-N结。
图2是该色敏传感器的等效电路图，11、12、13分别对应三个铝电极。来自于牙齿的反射光入射到色敏传感器的两个不同结深的PN结上后，会分别在深、浅PN结产生一个光电流，两个光电流的比值与入射光的波长是相对应的。当有入射光照射(从牙齿反射来的光是不同波长单色光的复合)时，N、P、N每个区域及其间的势垒区中都有光子吸收。根据硅的光学性质，其对短波长光吸收系数大，复合光中短波长的部分在传感器中经过很短的距离就能吸收完毕，因此，浅结光电二极管对短波长的光的灵敏度高。而硅对长波长光吸收系数小，长波长光的透射深度比较大，红外光部分其
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透射深度能一直达到该色敏传感器的深结区，如图3所示，因此，深结光电二极管对长波长光的灵敏度高。在具有一定波长范围的复合光的照射下，该器件中两只光电二极管的短路电流的比值I1/I2不同，I1是浅结二极管的短路电流，I2是深结二极管的短路电流。所以根据器件的短路电流比，我们可以得到与入射光波长范围(颜色信息)密切相关的电流信号。在确定的工艺条件下，短路电流比几乎只与入射光信息相关，这是一个突出的优点，使得它在单色光探测与复色光的辨别上，较少的受到外界条件变化的干扰。
如图4所示，是本专利所述的电脑比色仪整体电路方框图。色敏传感器(其结构如附图1所示)接受来自于牙齿的反射光(光源)，色敏传感器中的两个光敏部分PD1和PD2连接在两只运算放大器IC1、IC2(型号OP37，武汉半导体厂)的反相输入端，两只运算放大器IC1、IC2的另一端接地，即将运算放大器做电流输入型使用。连接在IC1、IC2的反相输入端与输出端之间的D1和D2两只二极管用作对数变换元件，两个二极管的正向端接运算放大器的反相输入端，反向端接运算放大器的输出端。在工作时它们并不改变PD1和PD2的短路电流的性质，因此可以在入射功率很宽广的范围内稳定地测定光的波长，也即测知物体的颜色或光的颜色。来自于两只运算放大器IC1、IC2的输出信号接差动放大器IC3的输入端，IC2的输出端接地，IC3为一差动放大器(型号LF356，武汉半导体厂)，用于实现对两个输入电压(即IC1、IC2的输出电压)的减法运算。该信号采集电路的输出电压Vo(λ)与不同颜色的波长之间的关系可用下式表示
Vo(λ)＝Vo[lgISC2(λ)-lgISC1(λ)]R2/R1(R2、R1是串联电阻) 式中Vo为常数，Isc1、Isc2分别为IC1、IC2输入电流。显然，只要测出差动放大器的输出电压Vo(λ)，就可根据输出电压与光的波长的对应值测定其颜色波长。 在本专利仪器使用前，需先建立计算机标准数据库，即先将各种光固化树脂(常用的用来镶复牙齿的29种光固化树脂)在特定背景下(实际操作时，牙齿也要在相同的特定背景下，才能使结果准确，如在口腔诊室固定照明光的特定背景下)，依次放在本专利的仪器前，针对每一种光固化树脂(光源反射光)，该仪器的硅色敏传感器的浅、深PN结(N-P结和P-N结)都会产生两个光电流，进而在差动放大器IC3的输出端产生一个电压输出信号，将此信号经过模数转换(A/D)，通过接口电路后导入计算机(CPU)，再向计算机输入此时的颜色信息，如光固化树脂的颜色编号等，使进入计算机的电压值与光固化树脂一一对应，进一步将相关信息存储在计算机的存储器内(ROM)，从而在计算机内建立了光固化树脂颜色信息与电压信号对应关系的数据库。然后将天然牙的测色结果(电压值)同样地经过硅色敏传感器、运算放大器IC1、IC2、差动放大器IC3通过模数转换(A/D)及接口电路后(如图4所示)输入计算机
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(CPU)，与数据库(ROM)中已存有的光固化树脂的电压信息(色度值)进行比照，并分别计算测量值与标准光固化树脂间的相互色差，依照最小色差选出色度最为相近的光固化树脂，并将结果通过显示装置显示出来，指导牙科医生按此结果选用相应的光固化树脂进行牙齿的镶复等工作。
涉及本专利的计算机软件主要用汇编语言编写而成。由基本测色原理可知，单片机系统主要数据处理内容有线性化处理、颜色识别。软件可分为四个模块，即： 主程序：主程序流程图如图5所示。程序开始对系统进行初始化，开中断后，由于采样为高级中断，所以先判断A/D转换(使用7135A/D转换器)结束与否，然后进行颜色识别的主要数据处理，即线性化处理，所得颜色数字量进入查表程序，最后将颜色值送显示或键盘处理程序。
中断处理程序：包括采样程序和键处理程序。
处理程序：包括线性化处理、颜色值的判断与控制信号输出。 附加程序：包括键处理程序，显示程序等。
适用本专利的计算机编程方法可以有很多种，本专利不局限于其中的一种或几种，该部分内容也不是本专利的发明点所在，只要能够完成本专利的发明目的，通过计算机这一高技术手段将测得的牙齿的颜色信息与标准的光固化树脂的颜色信息进行比较，从而给操作者提供比以往通过人眼观察准确得多，且更加接近于实际牙齿颜色的判断结论即可。
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说 明 书 附 图
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200620028886.1说 明 书 附 图 第3/4页
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