TWI542329B - 具有光譜掃描之光硬化裝置 - Google Patents

Description

具有光譜掃描之光硬化裝置

本發明係關於一種適宜用於激活包含於填充、重建、壓印、黏著結合或增白用材料中之光可硬化基質，特定言之，應用於牙科領域之光硬化裝置或設備，該裝置或設備具有一光源及用於控制、調節、瞄準、選擇及將光能輸送至待照明區域之光學及電子構件。

材料之光硬化係由(例如)在聚合期間發生之化學反應組成，該化學反應係用於將組成該材料之大分子永久結合於一起。其係藉由傳遞光輻射誘發，該光輻射係使包含於該材料中之光引發劑產生可改質材料結構之共價鍵，藉此可獲得所需物理性質，如材料硬化或材料於一支撐物上之黏性結合。

光硬化之有效性主要係視光引發劑及其對於(例如)聚合物鏈上產生大自由基之適宜性而定，故應可利用位於該材料中所存在之光引發劑之感光度光譜內之波長照射該材料。然而，用於(例如)牙科領域中之光可硬化材料以及包含於其等組合物中之光引發劑正不斷發展，藉此使必須考慮之感光度光譜更多樣性。

為了滿足醫師的需求，因此，光硬化裝置需產生適宜使含有各種不同光引發劑(如樟腦醌(CQ)、苯基丙二酮(PPD)及二苯基氧化膦(lucirin))之材料光硬化之廣闊光譜，就此而言，對應於感光度光譜之標的波長範圍係如圖1所示。

此外，在所使用之大部份材料中，此化學反應係會導致曝露區之溫度升高之放熱反應，因加上組織自身所吸收之光能所導致之溫度升高，該溫度甚至上升得更高。

現有裝置，如可用於牙科之彼等裝置，係使用兩類光源，即：

‧放射遍及一寬光譜之光輻射之光源，藉此滿足該寬光譜的問題；

‧或產生涵蓋極狹窄光譜，或實際上為單色輻射之光源，因此限制所傳遞之能量，及進而使曝露組織之加熱保持於控制下。

就第一類光源而言，所使用之光源主要涉及鹵素燈泡、弧光燈(例如，氙氣燈)或放電燈。

彼類型之光源產生極寬光譜之光輻射。然而，就可用於與所使用之光可硬化材料相互作用之輻射而言，此等光源之效率甚低，儘管其等之販售價格及維護仍甚為昂貴。此外，彼類型光源需求大量能量以用於其與主動冷卻裝置相關之操作(強制對流)而消散所排放之熱。因此，難以製造視需要藉由可再充電電池供電及使用彼等類型之光源之可擕式裝置。

此外，藉由彼等寬光譜光源所放射之輻射中不可忽略的部分係位於紅外範圍內且其可對所處理之組織產生非所要之熱作用(如壞死)，該等作用會加重彼等由光硬化所引發之放熱反應的作用。

最後，需實用一種複合光學過濾系統以限制所放射之輻射功率，進而避免因曝露於紅外輻射而燒傷所處理之組織。

第二類型包括使用發光二極體(LED)之裝置。此類光源呈現傳遞高效率光譜之優勢(設若其對應於處理用之光可硬化材料)，因所產生之全部能量係可用於待誘發之化學反應。使用此等光源之裝置亦呈現低能量消耗且因此適宜用於藉由視需要以可再充電電池構成之獨立電源供電。其等之小體積可獲得精簡的人體工學裝置。最後，使用此類型光源之光學裝置可經極簡化，因為LED一般係封裝於呈現最佳透光性之透明材料中。此等材料亦經模製成具有可製造適宜用於收集及引導所產生之光能之整合光學裝置的形狀。

由於LED放射光譜所涵蓋之窄波長範圍(輻射功率50%者係約20奈米(nm))，故僅安裝單個二極體之設備無法傳遞寬得足以誘發各種不同材料之光硬化之放射光譜。

在嘗試解決彼缺點時，現有解決方案係將傳遞至LED之能量功率增加至超出習知標稱值。此會增加二極體在其放射光譜界限所放射之輻射強度，藉此加寬其工作放射光譜。然而，於此等情況下，輻射之總強度會增加，進而在組織中產生病患難以接受之溫度升高現象。

此外，醫師並非總是瞭解何種光引發劑包含於所使用之材料中。因此，即使醫師擁有多種安裝有具不同放射光譜之LED之設備，但醫師仍無法知道應使用哪一種。

本發明之一目的係解決上述缺點及提供可涵蓋一適宜涵蓋材料中所含光引發劑之光譜波長之寬波長範圍之光硬化燈或裝置，並藉由一消耗極少能量且無需使用主動冷卻構件之裝置及藉由限制放射能量以便控制曝露組織之加熱來實施。

此目的係藉由包含用於誘發光可硬化材料硬化之一光源之一光硬化裝置實現，於該裝置中，該光源包含至少兩個各放射確定波長範圍內之光之發光二極體，該至少兩個LED之波長範圍部份重疊以涵蓋較單一LED之波長範圍更寬之一連續波長範圍，該光硬化裝置進一步包含選擇性激活各LED，換而言之，一個LED接著一個LED地激活各LED之激活構件。

因此，藉由使用具有可涵蓋不同但重疊之波長範圍之放射光譜之LED，可涵蓋整個寬波長範圍及確保在大量光引發劑中誘發硬化，且可無需知曉標的波長地實施。

此外，例如，相較於使用鹵素燈、弧光燈或放電燈之光源，選擇性激活本發明設備中之各LED可用於限制所放射輻射之功率及所消耗之能量，同時亦可完整地掃描藉由組合LED之放射光譜所構成之寬波長範圍。

此等優點無法以同時激活二極體獲得。於此等情況下，光硬化設備需安裝一功率電子電路以可以高功率供電給各LED，同時供電給所有LED，及實際供電給用於限制所放出之熱量之主動冷卻構件，同時激活LED。

於本發明之一態樣中，光硬化裝置包含用於自單一電源選擇性供電給該LED各者之開關構件。

於本發明之另一態樣中，該光硬化裝置包含在一確定時間間隔內至少一次地依序激活LED中之每一者之控制構件。藉此施用即使在完成掃描前中斷LED激活程式或程序，可確保完整掃描藉由組合LED之放射光譜所構成之寬波長範圍。

於本發明之另一態樣中，該光硬化裝置包含依序激活各LED複數次及逐漸減少傳遞至LED之功率之控制構件。此降低病患所感受到之溫度加總現象及限制用於硬化之材料所經受之溫度應力。

根據本發明之又一態樣，該光硬化裝置包含在確定激活時間內依序激活各LED之控制構件，放射最大輻射熱之LED係在激活期開始時被激活，而放射最小輻射熱之LED係於激活期結束時被激活。類似地，此等控制係用於更好地分佈熱至處理區之傳遞及因此改善病患舒適度及限制熱應力。

根據本發明之一特定特徵，該裝置具有四個各別放射光譜集中在420 nm、440 nm、460 nm及480 nm之LED以涵蓋自至少410 nm延伸至490 nm之一連續波長範圍，該範圍係用於誘發含有諸如樟腦醌、苯基丙二酮或二苯基氧化膦之光引發劑之材料的硬化。

根據本發明之另一特定特徵，該裝置進一步包含至少一個用於將LED所放射之光輻射引導及/或瞄準於處理區之波導。

根據本發明之一特定態樣，該裝置進一步包含適宜用於接收來自以下電源中之至少一者之電力之連接構件：獨立電源、主電源及牙科用單元。

本發明之其他特徵及優點係自一以非限制性實例方式提供並參照附圖之本發明下述特定實施例之描述知曉。

本發明係關於一種將指定波長範圍(放射光譜)內之光輻射施加至一光硬化材料之光硬化裝置。術語「光可硬化材料」係用於指示在指定波長之光輻射作用下，特定言之，藉由激活包含於該材料中之光引發劑並產生可改變該材料結構(硬化、黏著等)之共價鍵而轉變之任何類型之分子結構的材料。如非限制性實例，該光可硬化材料可為(特定言之)用於使諸如填充、重建、壓印、黏著結合用之材料或需激活之材料(如增白劑)硬化之複合材料。本發明係特定但非排他地應用於牙科領域所使用之光可硬化材料。本發明亦應用於陶瓷領域等中形成表面塗層之光可硬化材料。

如下文更詳細描述般，光硬化裝置包含用於掃描一對應於複數個各由各別確定LED所放射之波長範圍之光譜頻帶之延伸波長範圍的構件。

圖2顯示根據本發明一實施例用於光硬化重建及壓印材料(如特定用於牙科領域之複合物)之目的之光硬化裝置。該裝置係藉由末端處具有一可拆卸滅菌光導1之一手持件6所構成。該裝置亦提供有一電源連接器，其連接至可拆卸可再充電電池3或對應於一主電源之外部電源，或適宜用於併入牙科用椅中之一模組之電源，該連接器之末端4係插入可拆卸電池3之位置。一操作者界面5係用於選擇及顯示預錄入之激活程序或程式。藉由觸發器2進行激活。一充電器基部7係用於對電池3充電。此充電器基部包含監視所放射之光能之構件，使用者將光導1之末端插入光學感應器8之入口窗，而所放射之光能強度係顯示於(例如)一顯示螢幕上或指示燈9之類比量表上。

圖3顯示(例如)如圖2中所示裝置之根據本發明一實施例之光硬化裝置100之組件元件。該光硬化裝置100包含一前端部分110，該前端部分具有一光源或光學區塊111，其安裝有各放射光在各別確定波長範圍之四個發光二極體LED1、LED2、LED3及LED4。

該等LED(LED1至LED4)係耦合至一用於將LED(LED1至LED4)所產生之光能引導、瞄準及放射至對應於待激活之光可硬化材料之光化區之波導113。該波導113及光學區塊111係藉由一元件114耦合於一起，其中波導113係可拆卸地安裝於該元件114之一端，及光學區塊111係經由一支撐元件119安裝於該元件114之另一端。

波導113可係藉由融合光纖、藉由一組透鏡、藉由一光學材料剛性管或藉由一液體光纖構成。

波導113係如圖4所示藉由一端件115與元件114結合並藉由元件114引導，該端件115內部包含一反射器116用於降低LED(LED1至LED4)所放射之輻射的發散並包含用於容置該等LED之中心開口116a。

該光硬化裝置100具有一第二部分，該第二部分對應於一控制單元120且緊位於在前端部分110下方。此控制單元120包含一卡片121，於該卡片之一面上安裝有具操作及安全指示器1221之一螢幕122以及控制按鍵123，及於其另一面上係一電子控制電路(未顯示於圖1中)。該控制單元係經由連接器構件124連接至一電源，該電源可(特定言之)藉由包含充電電池之一獨立電源，或連接至主電源之一外部電源，或可位於醫師牙科用單元上之一實際局部電源構成。光學區塊111之LED(LED1至LED4)及光強度感應器118係電連接至該電子控制電路。

圖5係本發明光硬化裝置之一實施例中一電子控制電路300之方塊圖，此電路係位於控制單元120之上述卡片121之其中一面上。

該電路130包含一經程式化以控制所有聚合參數之一中央處理單元(CPU)卡片301(例如，一可程式化微控制器)。此卡片包含一非揮發性記憶體302(例如，電可擦除可程式化唯讀記憶體(EEPROM))，該記憶體含有呈可經由一下載界面306選擇及可光學修改之功能選單形式供各功能選單應用之光硬化參數。根據本發明之具體功能選單係描述於下文。

醫師係使用液晶顯示(LCD)螢幕122及控制按鍵123選擇所提功能選單中之一者，隨後藉由觸發器或觸發器按鍵2啟動光硬化循環(參見圖2)。

該CPU卡片301控制光學區塊111中之LED(LED1至LED4)之選擇性激活及控制其等傳遞之功率。CPU卡片301設定脈衝寬度調節(PWM)直流/直流(DC/DC)轉換器之參數並對其進行控制，藉此可儘可能地減小手持件中所產生之溫度升高量。電流調節器304持續地伺服控制傳遞至LED(LED1至LED4)之能量。

就根據本發明選擇性激活LED以掃描整個寬光譜而言，CPU卡片301經由二極體選擇器305隨其自CPU卡片接收到之控制訊號而變激活LED中之一或其他者以控制各LED(LED1至LED4)之激活。於所描述之實施例中，藉由連接至電流調節器304之輸出之電晶體1130至1133，藉由選擇器305控制電晶體之開/關狀態來實施LED之選擇性激活。

電路300係經由連接器構件124連接至一電源400，該電源同樣可為形成牙科用單元之一部分之電源401、諸如主電源之外部電源402，或使用電池403(例如，可藉由誘導、接觸等充電之Li離子、In-Cd、MnAl等類型之電池)之獨立電源。

於所描述之實例中，該四個LED(LED1至LED4)放射各自放射光譜或波長範圍SpA、SpB、SpC及SpD之光，如圖6中所示。更準確而言，LED1之放射光譜係中心在420 nm之波長上，LED2之放射光譜係中心在440 nm之波長上，LED3之放射光譜係中心在460 nm之波長上及LED4之放射光譜係中心在480 nm之波長上。此涵蓋一自400 nm延伸至500 nm(或就50%之輻射強度而言，自410 nm至490 nm)之連續波長範圍，藉此至少部份地涵蓋諸如樟腦醌(CQ)、苯基丙二酮(PPD)及二苯基氧化膦之光引發劑之標的波長光譜。

如圖6中所示，鄰近放射光譜(即，SpA&SpB、SpB&SpC、及SpC&SpD)部份重疊以涵蓋自LED1120所涵蓋之第一波長連續延伸至LED1123所涵蓋之最後波長之整個放射光譜或波長範圍。

放射光譜較佳在實質上對應於各LED所放射之50%輻射強度的波長處重疊。此確保輻射在整個連續波長長度內(在此自410 nm延伸至490 nm)具有至少50%之最小強度。

根據本發明，LED係依一個接著一個的方式選擇性地激活(即，供電)。此選擇性激活LED可依各種序列(LED選擇)以各種常數或改變LED之電源參數實施。

用於光硬化之激活程式或程序實例係描述於下文。此等光硬化程序可利用電子控制電路300之記憶體302中之下載或預錄入功能選單選擇。各者對應於一稱為「激活」期之確定時間，於該激活期期間，預定(最佳週期)之二極體激活序列進行操作。

圖8顯示一光硬化程序之一第一元件，其中在激活期內重複相同序列數次(此處為12次)，該程序係由在固定功率下以確定時間間隔(此處為1秒)激活LED(LED1至LED4)中之各者。藉由此程序，在各序列期間掃描由四個LED之放射光譜所涵蓋之整個波長範圍。因此，掃描係於連續且寬之波長範圍內，甚至在僅一序列(此處持續1秒)後即中斷該程序之情況下進行。

圖7顯示與上述第一實例不同之一光硬化程序之第二實例，於該實例中，在最後數個序列(此處為最後四個序列)期間，逐漸降低傳遞至LED之功率(藉由降低傳遞至其之電源電流)。於此激活程序中，由LED所放射之輻射熱係朝激活程序終點遞減，藉此限制循環結束時所發生之溫度升高量，因其另外會在曝露材料中進行放熱交聯或聚合反應。當材料在一病患上(例如，在牙科領域中)硬化時，病患感覺到溫度過度升高感覺可藉此降低而病患之舒適度獲得改善。

圖9顯示包含四個序列之光硬化程序之第三實例，於各序列中，僅激活一個LED，且序列之順序係以激活期開始時激活放射最大輻射熱之二極體開啟激活期及在激活期結束時激活放射最小輻射熱之二極體之方式決定。此除了避免曝露材料之放熱交聯或聚合反應所放出之熱，亦避免循環結束時溫度過度升高。藉此改善病患之舒適度。

光硬化裝置不限於上述實施例。特定言之，例如當使用封裝於包含一合併透鏡之模組中之LED時，不必使用波導。

此外，本發明之光硬化裝置不限於用於牙科領域之可移動設備(如手持件)。特定言之，其可呈形成靜態曝露區以放置光硬化材料(如(例如)用於指甲之塗層)之台式設備的形式。

1．．．光導

2．．．觸發器

3．．．可拆卸電池

4．．．連接器末端

5．．．操作者界面

6．．．手持件

7．．．充電器基座

8．．．光學感測器

9．．．指示燈

100．．．光硬化裝置

110．．．前端部分

111．．．光源

113．．．波導

114．．．元件

115．．．端件

116．．．反射器

116a．．．中心開口

118．．．光強度感應器

119．．．支撐元件

120．．．激活構件

121．．．卡片

122．．．螢幕

123．．．控制按鍵

124．．．連接器構件

1221．．．指示器

300．．．電子控制電路

301．．．中央處理單元卡片

302．．．記憶體

303．．．DC/DC轉換器

304．．．電流調節器

305．．．二極體選擇器

306．．．下載界面

400．．．電源

401．．．牙科用單元電源

402．．．外部電源

403．．．電池

1120．．．LED

1121．．．LED

1122．．．LED

1123．．．LED

1130．．．開關構件

1131．．．開關構件

1132．．．開關構件

1133．．．開關構件

LED1~LED4．．．發光二極體

圖1係顯示各種光引發劑之感光度光譜之實例圖；

圖2係根據本發明之一實施例之光硬化設備之透視圖；

圖3係以透視方式顯示根據本發明一實施例之光硬化設備之組件元件之剖視圖；

圖4係沿圖3之AA線之局部截面圖；

圖5係用於根據本發明一實施例之光聚合裝置之一電子控制電路之方塊圖；

圖6係顯示藉由組合四個LED之放射光譜所獲得之延長波長範圍之圖；及

圖7至9顯示可利用本發明光硬化設備實施之選擇性激活LED的程式程序實例。

100．．．光硬化裝置

110．．．前端部分

111．．．光源

113．．．波導

114．．．元件

115．．．端件

119．．．支撐元件

120．．．激活構件

121．．．卡片

122．．．螢幕

123．．．控制按鍵

124．．．連接器構件

1221．．．指示器

LED1~LED4．．．發光二極體

Claims (10)

1. 一種光硬化裝置(100)，其包含用於誘發光可硬化材料硬化之光源(111)，其中該光源(111)包含至少兩個各放射確定波長範圍內之光之發光二極體(LED1至LED4)，該至少兩個LED之該等波長範圍部份重疊以涵蓋較該等LED中之各者之波長範圍寬之連續波長範圍，其中該光硬化裝置進一步包含用於選擇性激活各LED之激活構件(300)，及其中該光硬化裝置進一步包含用於依序激活各LED複數次及逐漸降低傳遞至該等LED之功率之控制構件。
2. 如請求項1之裝置，其中其包含用於自單一電源(400)選擇性供電給該等LED(LED1至LED4)中之各者之開關構件(1130至1133)。
3. 如請求項1或2之裝置，其中其包含用於以確定時間間隔依序激活該等LED中之各者至少一次之控制構件。
4. 如請求項1或2之裝置，其中其包含至少一個用於將由該等LED(LED1至LED4)所放射之光輻射引導及/或瞄準至一處理區之波導(113)。
5. 如請求項1或2之裝置，其中其包含適宜用於接收來自以下電源中之至少一者之電力之連接器構件(124)：獨立電源(403)、主電源(402)及牙科用單元(401)。
6. 一種光硬化裝置(100)，其包含用於誘發光可硬化材料硬化之光源(111)， 其中該光源(111)包含至少兩個各放射確定波長範圍內之光之發光二極體(LED1至LED4)，該至少兩個LED之該等波長範圍部份重疊以涵蓋較該等LED中之各者之波長範圍寬之連續波長範圍，其中該光硬化裝置進一步包含用於選擇性激活各LED之激活構件(300)，及其中該光硬化裝置更包含用於在確定激活期內依序激活各LED之控制構件，其中放射最大輻射熱之LED係於該激活期開始時激活及放射最小輻射熱之LED係於該激活期結束時激活。
7. 如請求項6之裝置，其中其包含用於自單一電源(400)選擇性供電給該等LED(LED1至LED4)中之各者之開關構件(1130至1133)。
8. 如請求項6或7之裝置，其中其包含用於以確定時間間隔依序激活該等LED中之各者至少一次之控制構件。
9. 如請求項6或7之裝置，其中其包含適宜用於接收來自以下電源中之至少一者之電力之連接器構件(124)：獨立電源(403)、主電源(402)及牙科用單元(401)。
10. 一種光硬化裝置(100)，其包含用於誘發光可硬化材料硬化之光源(111)，其中該光源(111)包含至少兩個各放射確定波長範圍內之光之發光二極體(LED1至LED4)，該至少兩個LED之該等波長範圍部份重疊以涵蓋較該等LED中之各者之波長範圍寬之連續波長範圍， 其中該光硬化裝置進一步包含用於選擇性激活各LED之激活構件(300)，及其中該光硬化裝置具有四個LED(LED1至LED4)，該等LED具有中心在約420nm、440nm、460nm及480nm之各別放射光譜以涵蓋自至少410nm延伸至490nm之連續波長範圍，該光硬化裝置更包含用於自單一電源(400)選擇性供電給該等LED(LED1至LED4)中之各者之開關構件(1130至1133),其中該光硬化裝置更包含用於以確定時間間隔依序激活該等LED中之各者至少一次之控制構件。