用于光热辐射测量和释光测量的带有集成光学系统的手持件的制作方法

专利名称：用于光热辐射测量和释光测量的带有集成光学系统的手持件的制作方法
用于光热辐射测量和释光测量的带有集成光学系统的手持件相关申请的交叉引用本申请要求于2010年5月13日提交的标题为“用于光热辐射测量和释光测量的带有集成光学系统的手持件(Handpiece with IntegratedOptical System forPhotothermal Radiometry and LuminescenceMeasurements)，，美国临时申请 61/334，436的优先权，该申请的内容通过引用结合在此。
背景技术：
本披露涉及在口腔卫生保健中的检测方法。由于氟化物的广泛使用，龋齿的发病率已可观地减少。然而，可以检测并监控在牙·釉质、牙本质、根面上或下面，或在牙齿修复的边缘周围的早期脱矿质或小龋齿病变的非创伤性、非接触的技术的发展对于该问题的临床处理是基本的。在牙科中，近期的科研目标已是使用激光荧光检测牙齿脱矿质和龋齿(例如牙釉质和/或牙根)、牙科沉积物、以及牙垢与病变深度和大小的定量分析、以及牙釉质的矿物成分[M. L.辛亚娃、Ad. A.马梅多夫、S. Yu.瓦希尔奇科、A. I.沃尔科娃和V. B.罗切诺夫，2003，“在牙科中的荧光诊断法”，激光物理学，14，No.8，2004，pp. 1132 - 1140]。这些原理已用来发展数种基于荧光的技术，例如QLFTM和DIAGNOdentTM诊断装置。UV辐射(488nm)已用来检查牙釉质[苏珊· M.海厄姆、尼尔·彭德、埃尔伯特 德·若斯兰·德·容和菲利普·史密斯，2009。应用物理学杂志105，102048，R.希伯斯特和R.保卢斯，Proc. SPIE 3593，141 (1999)]。该研究表明健康牙釉质的自发体荧光峰值在533nm的波长，而龋齿组织的自发体荧光红移40nm。还表明虽然实际上龋齿区的吸收度在激励波长显著更高，但龋齿区的自发体荧光亮度是低于健康牙釉质的自发体荧光亮度的数量级。在牙釉质脱矿质或龋齿病变已发展时荧光的减少已有助于在与声牙釉质比较时提高龋齿病变的孔隙度。具有水的相关联上升和病变的折射系数的降低，导致增加的散射与光路长度、吸收和自发荧光体的减少[H.伯杰克哈根、F.松德斯特伦、B.安格玛-曼森和
H.莱德，瑞士邓特.J. 6，1982]。在长激励波长，龋洞的自发荧光体亮度可以比健康组织的自发荧光体亮度更高[R.希伯斯特等人]。对于640或655nm的激励波长，龋齿病变的完整(在大于680nm的波长)自发荧光体亮度可以近似地是大于健康牙釉质的对应完整自发荧光体亮度的一个数量级。具有带有这些波长的感应荧光从来自细菌代谢物的荧光团的激励导致的某种指示。认为这些荧光团源于在一些细菌种类中发现的卟啉[S.M.黑海姆等人]。更近来地，基于激光感应荧光和光热辐射的组合测量发展了新系统。该系统作为在2006年7月18日提交的标题为“使用红外光热辐射测量(PTR)和受调制激光释光(LUM)诊断牙齿中的缺损的方法和设备(Method and Apparatus Using Infrared PhotothermalRadiometry(PTR)andModulated Laser Luminescence (LUM) for Diagnostics of Defectsin Teeth)”的美国专利申请No. 2007/0021670中所描述，在牙齿上检查激光的释光和光热效应(PTR-LUM)的The Canary Dental Caries Detection SystemTM商业上可得。该激光是非创伤性的，并可以检测在齿面下的大小几分之一毫米并直到五毫米的牙齿腐烂。当激光脉冲在牙齿上聚焦时，牙齿产生并释放热。通过分析发射光和来自牙齿的热特征，可以获得包括牙釉质的早期脱矿质(病变)的信号的非常准确的信息[尼克莱德斯，L，曼德里斯，A.，艾布拉姆斯，S. H.，“使用同时频域红外光热辐射测量和激光释光的新颖牙齿动态深度轮廓测定法成像(Novel Dental Dynamic Depth ProfilometricImaging using SimultaneousFrequency Domain Infrared PhotothermalRadiometry and Laser Luminescence)，，，生物医学光学杂志，2000年I月，第5卷，#1，31-39页，琼，R. J.，韩，C.，曼德里斯，A.，桑切斯，V.，艾布拉姆斯，S. H.，“在人的牙齿中的龋齿和人工表面病变中的非侵入的、非接触的频域光热福射测量和释光深度轮廓测定法(Non-intrusive, Non-contactingFrequency-Domain Photothermal Radiometry an (!Luminescence Depth Profilometry ofCarious and Artificial Sub-surfaceLesions in Human Teeth)，，,生物医学光学杂志，2004年7-8月，9，#4，809-81，琼，R. J.，海伦· A.，马特维尼克· A.，曼德里斯，A.，艾布拉姆斯· S. H.，阿曼奇· B. T.，使用红外光热辐射测量和受调制释光的牙釉质和牙根龋齿的体外 检测和量化(In vitro Detection and Quantification of Enameland Root Caries UsingInfrared Photothermal Radiometry and ModulatedLuminescence),生物医学光学杂志 13
(3),048803,2008] 0随着病变生长，具有信号的对应变化。随着补充矿质进展，信号反转表明牙齿状况的改善。通过改变信号的频率，可以探测直到齿面下面5_。低频信号可以穿透齿面下面的缺陷和病变。上述系统的一个显著缺陷是典型地需要复杂且昂贵的光学传送系统。此外，一些系统包括经昂贵的纤维束装置光学地连接到远程检测器和激光源单元的手持件。这导致众多缺陷，包括成本、复杂性和由于包覆纤维束的线缆重量的不方便性。发明概述在此提供了一种用于在样本例如齿面上执行光热测量的设备。可以用一个手持件的形式提供的该设备容纳了若干光学部件，包括一个激光器、一个红外检测器、一个二向色分光镜、以及用于将激光束传送到所测量样本上并从该所测量样本收集光热辐射的聚焦和光束引导器件。这些光学部件中的一些可以在直接附装到用于内部光学部件的被动散热的导热顶端部分的一个光具座上提供。该手持件可以包括一个光束采样光学元件和用于检测释光的一个光检测器，以及用于在一次测量期间获得样本的图像的一个照相机。因此，在一个方面中，提供了一种用于从物体检测光热辐射的设备，该设备包括一个狭长外壳；一个激光器，该激光器用于在该外壳内产生一个激光束；一个聚焦元件，该聚焦元件被定位以便将该激光束聚焦通过在该外壳的远端部分的一个孔径并聚焦到该物体的一个表面上，并收集响应于该激光束在该物体内生成的光热辐射；以及一个二向色分光镜，该二向色分光镜定位在该外壳内，以便将该光热福射从该激光束空间地分离；以及一个红外检测器，该红外检测器在该外壳内提供以便检测该光热辐射。可以参考以下详细说明和附图
实现本披露的功能的和有利的方面的进一步理解。附图简要说明现在仅参考附图举例描述实施方案，在附图中图I提供了用于齿面的光热辐射(PTR)和释光(LUM)测量的口腔卫生诊断手持件的等距视图。图2提供了在图I中所示出的口腔卫生诊断手持件的(a)平面、(b)侧面和(C)横向图。图3 (a)和(b)提供了在图I中所示出的口腔卫生诊断手持件的剖面图。图4是其中详细示出了光具座的口腔卫生诊断手持件的剖面图。图5 (a)- (d)示出了在图I中所示出的口腔卫生诊断手持件的各种剖面图，其中这些视图在垂直于手持件的纵轴的平面中示出。图6 (a)示出了与手持件一起使用的控制和处理单元的实施方案，并且图6 (b)示出了手持件、控制和处理单元以及其他系统附件的照片。图7展示了集成到手持件的顶端部分的照相机的操作。 图8示出了在手持件的顶端部分上滑动接收的保护顶端。图9示出了与手持件一起使用的校正装置。详细说明将参考在以下讨论的详情描述本披露的各种实施方案和方面。以下说明和附图展示了本披露，并且不解释为限制本披露。披露了众多具体详情以便提供本披露的各种实施方案的透彻理解。然而，在某些实施方案中，不描述众所周知的或常规的详情，以便以便提供本披露的实施方案的简明讨论。如在此所用，术语“包括”应解释为包括的并开放的，并且非排斥的。具体地，当在本说明和权利要求中使用时，“包括”及其变体意思是包括具体特征、步骤或部件。这些术语不应解释为排斥其他特征、步骤或部件的存在。如在此所用，术语“示例性”意思是“用作实例、例证或展示”，并且不应解释为优于在此所披露的其他配置优选或有利。如在此所用，在连同颗粒的尺寸的范围、混合物的成分或其他物理性质或特征一起使用时，术语“大约”和“近似地”意思是覆盖可以在尺寸的范围的上下限中存在的轻微变体，从而使得不排斥其中尺寸的平均大部分被满足但其中统计上尺寸可以在该区域之外存在的实施方案。不旨在排斥实施方案例如来自本披露的实施方案。在一个实施方案中，提供了其中光学部件集成到光具座上的用于光热辐射(PTR)和释光(LUM)诊断测量的手持件。如在以下所讨论，通过将光学部件直接集成进入手持件内到光具座上，提供了良好适应于常规临床使用的紧凑、鲁棒且便宜的手持件。图I展示了如在外部等距视图中所示出的PTR-LUM手持件100的实例实现方式，并且图2提供了该手持件的边缘、侧面和平面图。手持件100包括主体部分110和顶端部分120。顶端部分120在顶端部分120的近端固定到主体部分，并在远端传送和接收光辐射。顶端部分120滑动地接收沿顶端部分的轴向可移除地附装的保护壳130。包括光源和检测器的光学部件安装在手持件100内容纳的光具座上，如在以下进一步讨论。手持件100通过电缆140连接到外部控制和处理设备(未示出)。任选地提供滤光器150以便阻塞已散射激光辐射并保护操作员的眼睛。滤光器可以搭扣配合到接收槽以便容易附装和移除。通过将滤光器直接结合到手持件上，临床医生不需要在整个扫描或诊断程序戴保护性激光护目镜，并可以通过移动手持件以便从直视视线移除滤光器，容易地观察患者的口腔解剖学。因为对于临床医生来说观察真实色彩的口腔解剖学以便帮助诊断或引导诊断程序经常是重要的，所以该特征是临床上有用的。参见图2，可以采用手持件100以便使用位于主体部分110的顶部上的按钮160与控制和处理单元(在以下进一步描述)通信。例如，用户可以按下按钮以便发动和/或终止测量或系列测量。按钮160或其他输入和/或控制元件可以装入手持件100，从而使得提供防止流体泄漏到手持件内部的流体紧封。如在图2中所示出，顶端部分120可以由在顶端部分中提供的狭槽128(在图2中仅示出了单个狭槽)中接收的紧固件122和124固定到主体部分110，并与主体部分中的螺纹孔配合。因此，顶端部分不需要通过内部光具座固定到主体部分，如在以下进一步示出。可以采用内部ο形环以便在主体部分110和顶端部分120之间提供密封。实例手持件提供了方便并良好适配于临床使用的轻量的人机工学设计。通过在手持件的主体和顶端部分内容纳所有光学部件(例如，激光二极管和检测器)，移除了经光纤束到手持件的光传送辐射和来自手持件的光传送辐射的需要，因此允许该装置经简单的、柔软的、便宜的且轻量的电缆(该电缆可以容纳用于传递各种控制和已检测信号和电力的·多条电线)连接到控制和处理设备，此外，与光缆相对的电缆的使用减小了最小线缆弯曲半径，允许在临床程序期间在较宽的运动和方向范围上操纵手持件。可以在电缆上放置屏蔽以便在信号沿电缆传输时将与该信号的电气干扰最小化。在一个实施方案中，手持件100具有足够小以便允许在儿童或成人的口部之内扫描牙齿的大小。此外，手持件设计在正常使用期间保护了光学元件免于损坏。如在图2中所示出，可以使用紧固件122和124将顶端部分120从主体部分110移除，这使得能够高效制造和现场维修。图3提供了容纳在主体部分110和顶端部分120内的内部部件的详图。在主体部分110内容纳了光具座200，该主体部分110还在应变消除设备210中接收电缆140 (没有示出额外导线和到光学部件的电气连接)。电缆140将检测器和激光器与外部控制和处理设备电气接合，以便向激光器供电并处理来自检测器的信号。光具座200已附装到将在以下进一步描述的数个光学部件。顶端部分120在其远端包括光束聚焦和光束引导光学部件202，并还容纳用于在诊断程序期间获得牙齿的图像的光学照相机230。在图4中示出了容纳在主体部分110和顶端部分120内的折叠光学设备的详图。光具座200支撑半导体激光器205和透镜210，该透镜210将已发射激光校准，随后该已发射激光由反射镜215向二向色分光镜220重定向。半导体激光器205可以是具有约660nm的波长的激光二极管以便从齿面同时生成释光和光热辐射。 已校准激光束由已在该其上具有光学涂层的二向色分光镜220重定向，该光学涂层在入射激光束的波长具有高反射率，同时使热辐射经过。激光束在基本轴向的方向上沿光路225传播到顶端部分120，绕开拾取棱镜230，并在顶端部分120的远端遇到反射镜235。反射镜235向聚焦元件240反射已校准激光束，该聚焦元件240在激光束从顶端部分120出现时将该激光束聚焦。应当理解的是激光束不需要在垂直于其内部传播轴的方向上离开装置。聚焦元件240可光学地传输在激光波长与在释光和光热辐射的波长的光。在一个实例中，聚焦元件在可见光谱中并在中红外光谱中可传输。聚焦元件240具有适合将激光聚焦到所希望的光斑大小的焦距。例如，8. 6mm的焦距产生平均约50微米的光斑大小。聚焦元件240提供收集并充分校准响应于激光辐照从齿面发射的释光和光热辐射的额外任务。尽管聚焦元件240示作传输光学部件，但对于本领域普通技术人员将明显的是聚焦元件240和反射镜235可以用单个曲面镜例如离轴抛物面反射镜替换。已收集释光由反射镜235沿顶端部分120的轴引导，并且已收集释光束的一部分遇到光束米样兀件例如拾取棱镜230 (或另一合适兀件,例如滤光器),并被引向滤光器245和光检测器250。滤光器245移除不需要的已反射和已散射激光，并且光检测器250被选择以便具有适合于检测已收集释光的光谱响应。在一个实例中，光检测器250可以是硅光电二极管，并且滤光器245可以是具有与激光波长和功率匹配的带宽和光密度的便宜的彩色玻璃滤光器(例如RG 715长通滤色器)。如以上所提到，聚焦元件240还收集并校准由反射镜235反射，并被引向二向色分光镜220的已发射光热辐射。二向色分光镜220传递红外辐射并反射已散射激光的大部分。二向色分光镜220还可以充分反射已收集释光。在一个实施方案中，光吸收元件例如吸收窗可以置于二向色分光镜220和红外检·测器260之间，以便将已收集释光和已散射和/或剩余激光衰减，并传输中红外光谱区中的光热辐射。在一个实例中，二向色分光镜可以进一步结合吸收基体。用于吸收基体的合适材料是长通滤波材料，例如吸收波长小于约I. 85微米的光的锗。在另一实例实施方案中，红外检测器260和激光器205的位置可以颠倒，并且二向色分光镜220可以具有用于传输激光束和释光辐射并反射光热辐射的光学涂层。在这种实施方案中，包括在以上所描述的吸收窗以便衰减以其他方式由红外检测器260检测的已反射激光功率和释光辐射是有益的。二向色分光镜传输已收集光热辐射，该已收集光热辐射随后由透镜255聚焦到红外检测器260上。红外检测器可以是灵敏的中红外检测器，例如带有跨约2 μ m到5 μ m的灵敏光谱区的光电HgCdZnTe检测器。红外检测器260可以为增强的性能和灵敏度安装在热电冷却器上。如在图4中所示出，在以上所描述的光学部件(除在顶端部分120中提供的光学部件之外)安装在光具座200上。在一个实例实现方式中，以轻量且导热的材料例如铝形成光具座200。在图4中所示出的实例实现方式中，当光具座容纳在主体部分110内时，该光具座附装到顶端部分120，由此使得能够迅速且高效散热进入顶端部分120。由此，顶端部分120也可以由轻量且导热的材料例如铝制作。这种实施方案使得顶端部分能够为安装在光具座200上的光学部件(主要是激光二极管，并且任选地是附装到检测器260的热电(TE)冷却器)充当高效气冷散热器。该特征对改善可以具有强烈取决于温度的噪声层的热检测器260的性能尤其有用(例如在以上所描述的实例HgCdZnTe检测器情况下)。此外，通过将光具座直接附装到坚硬的顶端部分120，可以获得相对于将光学部件附装到主体部分110改善的机械隔离。图5提供了一系列剖面图，其中每个图都在垂直于手持件的纵轴的平面中。图5(a)示出了穿过二向色分光镜220和反射折叠镜215的剖面，而图5 (b)展示了在二向色分光镜220和反射折叠镜215后面穿过光具座200的剖面。图5 (c)展示了穿过照相机300(在以下进一步讨论)的剖面，并且图5 (d)示出了穿过位于顶端部分120的远端，包括聚焦元件240的收集光学器件的剖面。图5 (d)还示出了展示激光器的光束形状的圆锥体270，以及穿过保护壳130 (在以下进一步描述)的剖面。为获得激光感应的光热辐射和释光的灵敏检测，手持件可以与相敏检测系统例如锁定放大器交互。在这种实施方案中，在所希望的频率调制激光亮度，并且向锁定放大器提供与已调制激光电流的相位有关的检测器信号和参考信号。对于本领域普通技术人员将明显的是可以使用其他调制方法。例如，在一个实施方案中，可以经集成到手持件的机械切割转盘光学地切割激光功率光束，其中该切割转盘经强制空气对流提供检测器的额外主动冷却。锁定放大器可以在控制和处理单元内容纳的数据采集板上提供。用于提供锁定功能的合适数据获采集板是国家仪器NIUSB-6221-0EM板。替代地，可以在与控制和处理单元接合的额外系统中分离地提供锁定放大器。图6 Ca)展示了容纳数据采集板和处理、用户接合以及任选的外部联网所需要的额外电子设备的控制和处理单元I的实例实现方式。控制和处理单元I可以包括处理器、 存储器、数据总线，并可以包括存储介质例如闪存存储器或硬盘。示出了控制和处理单元I通过电缆2与手持件100接合。在被成形以便在手持件100不使用时固定手持件100的手持件支撑结构8和凹处5支撑手持件100，以便在固定手持件100时保护顶端部分120的远端。控制和处理单元还可以包括操作钥匙3和外部控制4。图6 (b)示出了在与该系统一起使用的附件之间的控制和处理单元I、手持件100和外部计算装置10的照片。可以将控制和处理单元I编程以便处理从手持件100获得的诊断测量值。例如，控制和处理单元I可以执行许多功能，包括但不限于基于已测量信号生成与被检查的齿面或齿面的部分相关联的数值输出、存储和/或处理诊断数据、存储和/或处理图像数据、显示图像、信号或数值输出、以及存储涉及治疗建议和患者信息的信息。在一个实施方案中，控制和处理单元I处理已接收光热(PTR)和释光(LUM)测量值，以便提供与已扫描牙齿的口腔卫生状态相关的复合数值结果。在提供来自在给定位置的测量值的口腔卫生的单个统一数量表示的实施方案中，由控制和处理单元I将来自给定测量值的数据存储为四个分离信号；PTR振幅和相位以及LUM振幅和相位。可以通过将这四个信号组合来获得统一的诊断测量。在一个实例实现方式中，根据以下加权公式处理信号·以总值的45%加权的PTR振幅·以总值的15%加权的PTR相位·以总值的10%加权的LUM相位·以总值的30%加权的LUM振幅可以将该四个读数与从健康牙釉质面和/或从一块标准羟磷灰石发现的读数比较。可以将已测量信号额外地或替代地与健康牙釉质面比较。来自这些比较步骤的结果可以为每个读数在固定刻度上(例如在I到100的刻度上)提供(该刻度不需要为每个读数类型相等)，表明状况的严重性。可以然后如以上所描述将四个固定刻度结果加权，向操作员提供表明已检查区域的健康的分级或范围(例如，在从I - 100的刻度上)。在另一实例实施方案中，来自单个频率的读数可以用以下方式组合(PTR 振幅 xPTR 相位)/ (LUM 振幅 x LUM 相位)，以便创建一个单个读数。
可以通过如下将来自每个读数的标准差组合来执行检错LUM振幅xLUM相位xPTR振幅x PTR相位。然后可以检查单个读数/合并标准差的比率，并且如果该比率动态地提高，则这可以表明读数错误，这可以然后向操作员传达。可以将单个读数与其与得自正在检查的健康牙釉质和健康牙齿的单个读数的差向操作员传达。在另一实例中，可以通过如下将来自每个读数的标准差组合成一个数字来执行检错IOOx { (PTR-A-std/PTR-A) ~ 2 + (PTR-P-std/PTR-P) ~2+ (LUM + std/LUM-A)~2+(LUM-P-std/LUM-P)'2}'1/2在另一实施方案中，在手持件中进一步提供用于获得所选择牙齿的图像的照相机。在图4中所示出的实例配置中，照相机300位于接近顶端部分120的远端。将照相机·接近顶端部分的远端定位提供了众多益处。第一，这将照相机从光具座热学地且机械地隔离，从而使得传感器远离红外检测器。因此，由照相机生成的热主要由顶端部分的热质量耗散，并且不传播回到红外检测器260。第二，将照相机300接近顶端部分的远端定位允许使用带有短工作距离因此需要最少光学部件的便宜照相机。图4和7展示了其中所使用的照相机300是带有集成的NTSC视频信号生成的微型CMOS成像传感器的实例实施方案。该照相机有效地是“针孔”型成像系统(带有小的孔径和固定透镜)，因此在没有成像或光束重引导光学器件例如反射镜和移动透镜的添加复杂度和成本的情况下提供巨大的视场深度和视角。非常大的视场深度在相对于齿面的宽范围距离调整针孔成像系统的放置。可以选择工作距离310为约15-20mm，提供直径约10_20mm的成像区。理解以上描述的针孔型照相机仅是照相机的一个实例，并且其他微型照相机可以代替针孔型照相机。如在图7中所进一步示出，所采用的唯一光学部件是直角棱镜305，这提供了鲁棒且简单的设计。可以通过使用直角照相机模块来省略棱镜305。在另一实施方案中，可以将照相机放置在距顶端部分120的远端的增加的轴向距离(在315示出)，以便改善其中做出LUM测量的区域的操作员直视视线，如在图7中所示出。成像平面的中心相对于顶端边缘的偏移将因此增加。合适的偏移距离约为20mm。在图7中所示出的实例实现方式中，照相机从激光在其被传送的位置将是空间偏移320的空间区域采样。因为照相机的光路不干扰PTR-LUM检测系统的光路，所以空间偏移是有益的。尽管在替代实施方案中可能在扫描期间将牙齿区域直接成像，但这需要过滤由成像系统收集的光，由于滤光器排斥光谱成分因此这不能反映所成像牙齿的真实彩色图像，所以这是有问题的。因此，该装置可以操作从而使得在不测量诊断数据时向照相机供电，因此避免漫射激光的收集，并还在测量过程期间避免电气和/或热串扰。由于仅在使用期间向照相机供电限制了废热的生成，因此这种方案也是有益的。顶端部分120可以与在图8中进一步详细示出的外壳体130配合。壳体130包括圆锥段405，该圆锥段405带有在其中提供的用于传送激光束与收集光热的和释光的辐射的孔。可以选择圆锥段的长度以便在顶端部分120维持相对于聚焦元件240的焦距的合适工作距离。壳体130还包括为集成照相机300提供光入口的孔径410。壳体130可以例如经特征415和在顶端部分120中的对应突出特征搭扣配合到顶端部分120上。
壳体130可以是和用于保护手持件并消除病人之间的任何交叉污染的无菌的且透明的罩盖，例如薄透明材料组合使用的可置换件。该罩盖安装在手持件的顶端部分120上，因此其不起皱或变形，由此避免信号的偏转或照相机图像的失真。实例罩 盖材料是可以用具有适合于覆盖顶端部分120的形状的袋子、护套或软护套的形式提供的透明聚合物层。该罩盖可以是可置换的。首先将该罩盖放置在顶端部分上，并且随后将保护壳体130放置在罩盖上，以便将其固定在保护壳体130和顶端部分120之间的适当位置。保护壳体130保护罩盖免于无菌屏障的意外破坏(刺穿/撕裂)。该罩盖在可见和近红外光谱的至少一部分(其中传送激光并且生成释光的部分)和中红外光谱(其中生成光热辐射)上部分地或基本上透明。在一个实例中，罩盖的透明度在感兴趣的光谱区上是至少75%。在另一实例中，罩盖的透明度在感兴趣的光谱区上是至少90%。在一个实例实现方式中，可以提供具有聚焦元件240的不同工作距离(或焦距)的多个大小的顶端部分120。根据临床情况，不同的工作距离可以是有用的。例如，可以使用与于用来扫描后牙的咀嚼面上的凹槽或牙间(在牙齿之间)的顶端部分不同的顶端部分来扫描平滑面。在这种情况下，还可以为每个不同的顶端部分120提供不同的壳体130，因此给定壳体130的圆锥部分405为对应的顶端部分120调节工作距离。同时，可以用通用长度使用一个圆锥，这提供来自宽范围的齿面的最优信号。在一个实施方案中，进一步提供用于校正手持件的响应的校正装置。在图9中所示出的实例实现方式中，校正装置500包括适配于接收顶端部分120的外表面的内部轴向孔510。校正装置500包括校正参考材料520，例如适合于光热和/或释光信号的校正的羟磷灰石材料。还可以提供容纳黑体参考材料(例如玻璃碳)的第二校正装置。再次参见在图9中所示出的实例装置，在校正装置500里面容纳校正参考材料520，因此当在顶端部分120上固定校正装置时，校正参考材料520位于或接近聚焦元件240的焦平面，由此当执行测量时促进参考信号的收集。校正装置可以从机械加工的塑料生产，因此其在使用时不刮擦顶端部分120的外表面，并且用充足容差制造从而使得顶端正确对准校正参考材料。在一个实例中，在可移除地附装到校正参考装置500的主体以便移除和/或替换的分离部分530中容纳校正参考材料520。为确保校正参考装置500放置在顶端部分120上合适位置，定位机构(例如在顶端部分120上的凹口上搭锁的弹簧锁销540或张力结构)可以添加到主体。尽管前述实施方案涉及关于口腔卫生诊断的应用，但应当理解本披露的范围不限于牙齿的使用和应用。在此所披露的设备可以用于牙齿检测之外的宽范围的应用，包括其他生物学感测和诊断应用，以及各种材料的非破坏性试验。以上所描述的具体实施方案已举例示出，并且应理解这些实施方案可以是易受各种修改和替代形式的。应进一步理解权利要求不旨在被限于所披露的特别形式，而是覆盖落入本披露的精神和范围内的所有修改、等效和替代。
权利要求
1.一种用于检测来自物体的光热辐射的设备，所述设备包括 一个狭长外壳； 一个激光器，所述激光器用于在所述外壳内产生一个激光束； 一个聚焦元件，所述聚焦元件被定位以便将所述激光束聚焦通过在所述外壳的远端部分的一个孔径并聚焦到所述物体的一个表面上，并收集响应于所述激光束在所述物体内生成的光热辐射；以及 一个二向色分光镜，所述二向色分光镜定位在所述外壳内，以便将所述光热福射从所述激光束空间地分离；以及 一个红外检测器，所述红外检测器在所述外壳内提供以便检测所述光热辐射。
2.根据权利要求I所述的设备，其中在所述外壳内所述激光束的传播轴与在所述外壳内经由所述激光束的光束路径的一部分的所述光热辐射的传播轴基本上共线。
3.根据权利要求I或2所述的设备，其中所述激光束包括适合于在所述物体内生成释光辐射的一个波长，并且其中所述聚焦元件被配置成除所述光热辐射之外还收集所述释光辐射，所述设备进一步包括 一个光学采样元件，所述光学采样元件在所述外壳内提供，其中所述光学采样元件被定位以便将已采样释光福射重定向； 一个滤光器，所述滤光器被定位以便传输所述已米样释光福射并排斥已散射激光功率；以及 一个光检测器，所述光检测器被定位以便检测所述已采样释光辐射。
4.根据权利要求3所述的设备，其中所述光学采样元件是拾取棱镜。
5.根据权利要求I至4中任意一项所述的设备，其中所述二向色分光镜被配置成反射所述激光束并传输所述光热辐射。
6.根据权利要求5所述的设备，其中所述二向色分光镜被进一步配置成反射在所述物体内生成并由所述聚焦元件收集的释光辐射。
7.根据权利要求I至4中任意一项所述的设备，其中所述二向色分光镜被配置成传输所述激光束并反射所述光热辐射。
8.根据权利要求7所述的设备，其中所述二向色分光镜被进一步配置成传输在所述物体内生成并由所述聚焦元件收集的释光辐射。
9.根据权利要求I至8中任意一项所述的设备，进一步包括一个光吸收元件，从而使得所述光热辐射在遇到所述红外检测器之前遇到所述光吸收元件，并且其中所述光吸收元件被配置成传输所述光热辐射并吸收剩余激光功率。
10.根据权利要求9所述的设备，其中所述光吸收元件被进一步配置成吸收在所述物体内生成并由所述聚焦元件收集的释光辐射。
11.根据权利要求9所述的设备，其中所述光吸收元件包括一个长通滤波器。
12.根据权利要求11所述的设备，其中所述长通滤波器包括一个锗窗口。
13.根据权利要求9至12中任意一项所述的设备，其中所述光吸收元件与所述二向色分光镜集成在一起。
14.根据权利要求I至13中任意一项所述的设备，其中所述外壳的所述远端部分进一步包括一个反射元件，所述反射元件用于在所述外壳内沿基本上正交于所述激光束的传播轴的方向将所述激光束外部地重定向。
15.根据权利要求I至14中任意一项所述的设备，其中所述外壳的所述远端部分进一步包括用于将所述物体成像的一个照相机。
16.根据权利要求15所述的设备，其中所述孔径是一个第一孔径，并且其中所述照相机被配置成通过邻接所述第一孔径的一个第二孔径将所述物体成像。
17.根据权利要求15所述的设备，其中所述照相机是针孔型照相机。
18.根据权利要求I至17中任意一项所述的设备，其中所述红外检测器是一个(HgCdZn)Te 检测器。
19.根据权利要求I至18中任意一项所述的设备，其中所述激光器是具有约660nm的波长的一个半导体激光器。
20.根据权利要求I至19中任意一项所述的设备，进一步包括可移除地附装到所述外壳的所述远端部分的一个壳体，其中所述壳体包括一个开孔，并且其中在所述壳体附装到所述外壳时所述开孔与所述孔径对齐。
21.根据权利要求20所述的设备，其中所述壳体进一步包括一个圆锥投影，并且所述开孔定位在所述圆锥投影的远端。
22.根据权利要求21所述的设备，其中在所述开孔和所述聚焦元件之间的距离约等于所述聚焦元件的工作距离。
23.根据权利要求20至22中任意一项所述的设备，进一步包括在所述壳体和所述外壳的所述远端部分之间提供的一种罩盖材料，其中所述罩盖材料对所述激光束和所述光热辐射至少部分透明。
24.根据权利要求I至23中任意一项所述的设备，其中所述激光器、所述二向色分光镜和所述红外检测器在一个光具座上装配。
25.根据权利要求24所述的设备，其中所述光具座包括一种导热材料。
26.根据权利要求24或25所述的设备，其中所述外壳包括一个主体部分和一个顶端部分，其中所述顶端部分包括所述外壳的所述远端部分，并且其中所述光具座通过附装到所述顶端部分在所述主体部分内定位。
27.根据权利要求26所述的设备，其中所述光具座和所述顶端部分每个都包括一种导热材料，并且其中所述顶端部分为由附装到所述光具座的光学部件所生成的热提供了一个散热器。
28.根据权利要求25或27所述的设备，其中所述导热材料包括铝。
29.根据权利要求I至28中任意一项所述的设备，进一步包括可移除地附装到所述外壳的所述远端部分的一个校正装置，其中所述校正装置包括一种校正参考材料，其中所述校正参考材料安置在所述校正装置内，从而使得在所述校正装置附装到所述外壳时将所述激光束引导到所述校正参考材料上。
30.根据权利要求29所述的设备，其中所述校正装置包括 一个内部轴向孔，所述内部轴向孔用于接收所述外壳的所述远端部分的一个外表面；以及 一个内部凹处，所述内部凹处邻接所述轴向孔，所述凹处支撑所述校正参考信号。
31.根据权利要求29或30所述的设备，其中所述校正参考材料包括羟磷灰石和黑体参考材料中的一种。
32.根据权利要求I至31中任意一项所述的设备，其中所述物体是牙齿。
33.一种系统,包括 根据权利要求I至32中任意一项所述的设备；以及 一个控制和处理单元，所述控制和处理单元连接到所述设备； 其中所述控制和处理单元被配置为向所述设备提供电力并处理由所述设备检测的信号。
34.根据权利要求33所述的系统，其中所述控制和处理单元包括一种用于响应于所述激光的调制对与所述光热辐射有关的信号进行检测的一个相敏检测系统。
35.根据权利要求34所述的系统，其中所述相敏检测系统包括一个锁定放大器，其中所述锁定放大器具有与所述激光束的所述调制的相位有关的一个参考信号。
36.根据权利要求33或35所述的系统，其中所述控制和处理单元进一步包括用于支撑所述设备的一个支架，以及用于在所述设备依靠在所述支架中时保护所述设备的远端的一个凹处。
全文摘要
在此提供了一种用于在物体上执行光热测量的设备。可以作为一个手持件提供的该设备容纳了若干光学部件，包括一个激光器、一个红外检测器、一个二向色分光镜、以及用于激光束传送到所测量样本上，并从该所测量样本收集光热辐射的聚焦和光束引导光学器件。其中一些光学部件可以在直接附装到用于内部光学部件的被动散热的导热顶端部分的光具座上提供。该手持件可以进一步包括一个采样光学元件和用于检测释光的一个光检测器，以及用于在一次诊断程序期间获得该物体的图像的一个照相机。该设备可以用来扫描牙齿以便确定该牙齿的口腔卫生状态。
文档编号G01N21/63GK102947682SQ201180030712
公开日2013年2月27日 申请日期2011年5月13日 优先权日2010年5月13日
发明者金-索科·乔恩, 安德里斯·曼德里斯, 史蒂芬·阿布拉姆斯, 安娜·马特维延科, 科恩斯瓦兰·西瓦古鲁纳坦, 乔希·锡尔弗敦, 亚当·海伦 申请人:昆特姆丹塔尔技术公司