一种cl系统的扫描装置制造方法
【专利摘要】本实用新型涉及一种基于计算机断层扫描成像CL系统的扫描装置。所述扫描装置包括：支架、机械臂、X射线源、探测器、承载架、载物台；所述机械臂通过枢接轴与所述支架枢接，所述X射线源和所述探测器分别安装于所述机械臂的第一、第二安装座；所述承载架固定安装于所述支架上，所述载物台安装于所述承载架上，所述载物台上具有样本固定位置，所述承载架及所述载物台位于所述机械臂的第一安装座和第二安装座之间；相对于所述支架，所述机械臂能定位于多个角度上，且所述X射线源与所述探测器及承载架保持对齐，扫描时所述机械臂摆动可以实现多种模式下的检测方式。
【专利说明】—种CL系统的扫描装置
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种X射线成像检测装置，尤其涉及一种基于计算机断层扫描成像CL系统的扫描装置。
【背景技术】
[0002]X射线计算机断层扫描成像技术(CT-computed tomography)是一种有效的检测物体内部结构三维结构信息的无损检测方法，在工业、医学诊断等领域都有广泛的应用，其扫描对象在三维方向上尺度相近。在扫描长宽远大于厚度的板状构件，如扫描多层印刷电路板、微机电器件以及古生物化石时，CT的成像效果并不令人满意。近年来，X射线计算机分层扫描成像技术的研究和发展令人瞩目，其特点在于，扫描的对象是平板状的物体，X射线只在厚度方向穿透物体。典型的CL系统主要包括三部分:x射线源、探测器及载物台。
[0003]CL技术本质上是一种非同轴扫描的有限角度投影的CT技术，专门用于板状构件检测的技术，它属于非精确重建，通过对构件的不完全扫描，实现对其内部结构形态及缺陷的层析检测，可解决常规CT扫描方式无法对板状构件进行断层扫描的问题。由于长轴方向穿透厚度大，透视图像的对比度灵敏度降低，使得板状构件进行断层扫描对于常规CT扫描变得十分困难甚至因无法穿透而无法实现。而采用非同轴方式扫描时，射线沿与板状样本平面法线成一定角度的方向穿过，以板状构件平面法线方向为轴旋转样本，从多个角度对样本进行扫描时，射线穿过样品的厚度相差不大，通过调节射线能量，可以获得较好的对比度灵敏度。在电子器件研发领域、古生物学与复合材料研究等领域对于CL技术的需求十分迫切。
[0004]随着数字探测器和计算机技术的发展，现代CL系统以传统分层成像技术及CT技术等为基础，迅速发展取代了传统的分层成像系统。通过数字探测器存储各个角度下的投影数据，再利用修改的CT图像重建算法对投影数据进行处理，最终得到物体的断层图像。一种常见的CL系统结构图如图1所示。扫描过程中物体以样本法线为旋转轴旋转扫描得到一系列的数字投影图。与传统方法相比，现代CL技术成像的分辨率更高，成像效果更好。图1所示的系统结构虽然成功的完成了 CL扫描系统，并实现了显微级扫描，但仍有很大的改进空间，首先视野有限是限制其扫描自由度的一大问题，而单侧固定式载物台固定样本不便也是一则，质量较大物体在重力影响下垂而无法重建，样品的倾斜角不方便调整以及扫描方式单一等。
实用新型内容
[0005]本实用新型提供一种基于计算机断层扫描成像CL系统的扫描装置，目的在于能够实现应用计算机层析成像技术对板状样本的扫描，即在非同轴条件下完成投影数据采集，从而重建板状样本断层图像，以及常规CT采用的同轴扫描方式无法对板状样本进行三维层析扫描的问题，完成微米级分辨率下对板状构件的质量信息与空间结构信息重建。
[0006]为解决上述问题，本实用新型提供一种基于计算机断层扫描成像CL系统的扫描装置，一种基于计算机断层扫描成像CL系统的扫描装置，所述扫描装置包括:支架、机械臂、X射线源、探测器、承载架、载物台；所述机械臂具有枢接轴、第一安装座和第二安装座，所述机械臂通过所述枢接轴与所述支架枢接，所述第一安装座和第二安装座分别位于所述枢接轴的两侧；所述X射线源安装于所述机械臂的第一安装座，所述探测器安装于所述机械臂的第二安装座，所述探测器与所述X射线源对齐；所述承载架固定安装于所述支架上，所述载物台安装于所述承载架上，所述载物台上具有样本固定位置，所述承载架及所述载物台位于所述机械臂的第一安装座和第二安装座之间；相对于所述支架，所述机械臂能定位于多个角度上；且所述X射线源与所述探测器及承载架保持对齐，通过机械臂摆动可实现多角度扫描样本，并且扫描开始前不需要校正。
[0007]基于上述构思，所述承载架上具有对齐水平面的安装面，所述载物台安装于所述安装面，所述载物台上的样本固定位置也对齐水平面，样本的水平放置，重力作用下样本无需固定。
[0008]基于上述构思，所述承载架与所述载物台之间安装有一转动机构，所述转动机构驱动所述载物台绕所述承载架中心垂线转动；所述载物台具有水平位移机构。
[0009]基于上述构思，所述机械臂与所述支架之间安装有角度驱动装置，所述角度驱动装置安装于所述机械臂或支架，所述角度驱动装置驱动所述机械臂调整角度。
[0010]基于上述构思，所述水平位移机构包括X位移板和Y位移板，所述X位移板和Y位移板叠置连接，其中位于底侧的位移板与所述转动机构连接，其中位于上侧的位移板顶面为所述样本固定位置；所述X位移板或Y位移板均包括:连接板、动力装置及导轨，所述动力装置及导轨位于所述连接板与下部部件之间，所述动力装置驱动所述连接板沿所述导轨相对于下部部件进行X或Y方向位移，载物台的二维运动，可以通过多次扫描补偿视野，实现对大型样本的扫描，固定于载物台上样本位置调整可在控制端简易实现。
[0011]基于上述构思，所述转动机构包括环形转座、动力装置和导轨，所述动力装置和导轨位于所述环形转座与所述承载架之间，所述导轨导引所述环形转座相对所述承载架进行同轴转动，所述动力装置驱动所述环形转座转动，所述水平位移机构安装于所述环形转座之上。
[0012]基于上述构思，所述机械臂的转动轴轴心线穿过所述样本固定位置。
[0013]基于上述构思，所述机械臂结构为矩形中空结构臂或放倒的U形结构臂结构，所述第一安装座和第二安装座均设有滑轨，所述探测器和所述X射线源分别通过所述滑轨可滑动地安装于所述第一安装座和第二安装座，从而可以改变扫描放大比，可以实现高分辨率下的显微级别扫描，也可实现低分辨率的全局扫描。
[0014]基于上述构思，所述承载架整体呈U形，具有水平安装面、中部环形台和两端的固定臂，所述环形台为空心结构，位于所述安装面中部，所述固定臂顶部具有与所述支架连接的连接轴，所述连接轴与所述机械臂的枢转轴轴心线重合。
[0015]基于上述构思，所述支架内部形成一操作空间，所述承载架位于所述操作空间，所述机械臂至少一端在所述操作空间内调整；所述支架在所述操作空间两侧设置有第一支点及第二支点；所述承载架两端分别定位于所述第一支点、第二支点；所述机械臂的枢转轴与所述第一支点及第二支点其中至少一个支点重合。
[0016]综上所述，本实用新型提供一种基于计算机断层扫描成像CL系统的扫描装置，有效得解决了计算机层析成像技术对板状样本的扫描，即在非同轴条件下完成投影数据采集，从而重建板状样本断层图像；解决了常规CT采用的同轴扫描方式无法对板状样本进行三维层析扫描的问题，完成微米级分辨率下对板状构件的质量信息与空间结构信息重建；此外本实用新型对于CL扫描方式下未来的新扫描方式有较强的适应性，可供调节的扫描条件包括放大比，扫描角度，样品位置等，系统更为灵活多变。
【专利附图】
【附图说明】
[0017]图1为现有技术计算机断层扫描成像CL系统结构示意图。
[0018]图2为本实用新型计算机断层扫描成像CL系统结构组成示意图。
[0019]图3为本实用新型计算机断层扫描成像CL系统部件对应关系示意图。
[0020]图4为本实用新型计算机断层扫描成像CL系统简易空间示意图。
[0021]图5为本实用新型计算机断层扫描成像CL系统结构示意图。
【具体实施方式】
[0022]体现本实用新型特征与优点的典型实施例将在以下的说明中详细叙述。应理解的是本实用新型能够在不同的实施例上具有各种的变化，其皆不脱离本实用新型的范围，且其中的说明及图示在本质上是当作说明之用，而非用以限制本实用新型。
[0023]参照图2、图3所示:本实用新型实施例提供的CL系统的扫描装置至少包括一个支架I (图2中未示出)、一个机械臂2、一个X射线源3、一个探测器4、一个承载架5及一个载物台6。
[0024]机械臂2具有底部的第一安装座和上端的第二安装座，机械臂2可转动地安装于支架1，第一安装座和第二安装座分别位于机械臂枢接轴心的两侧；x射线源3安装于机械臂2底端的第一安装座，通过滑块固定于轨道上，X射线源3可沿机械臂2向上发射X射线。射线中心射束对准载物台6旋转中心，X射线源3为了调节放大比，可在滑块上沿机械臂2长度方向上下滑动。
[0025]探测器4安装于机械臂2的上端第二安装座，探测器4与X射线源3对齐；探测器4通过滑块和滑轨固定于第二安装座，滑轨顺机械臂2长度方向安装，探测器4可沿滑轨滑动，X射线中心射束穿过载物台6中心对准探测器4中心，中心射束与探测器4平面保持垂直，滑块带动探测器可调节投影分辨率。如图3所示扫描过程中，扫描过程中保证X射线源3-载物台6中心-探测器4三点一线。
[0026]承载架5固定安装于支架I上,承载架5中部是一个中空转台,载物台6安装于承载架5上，承载架5与载物台6之间可安装有一转动机构，以转动机构驱动载物台6绕承载架5中心垂线转动，使样本以自身法线为中轴自传，实现扫描所需投影的目的。载物台6上具有样本固定位置，载物台6能带动样本在二维平面上移动，将样本中最关注的部分移动至视野中心，承载架5及载物台6位于机械臂2的第一安装座和第二安装座之间。
[0027]相对于支架，机械臂能定位于多个角度上；且X射线源与探测器及承载架保持对齐。如此配合可实现对大型样本的高分辨率扫描。
[0028]现建立如图4空间简述该系统扫描装置扫描原理:由X射线源3发射的锥束相对于样本保持一定角度倾斜入射；x射线源3于探测器4都保持静止，样本以其中心法线为转轴旋转，做周向旋转进行扫描。扫描形成的投影数据能获得的垂直于构件方向和平行于构件方向的质量信息，投影信息经过重建后可完成构建被扫描区域的数字断层图像。
[0029]本系统的标准扫描过程如下:
[0030]1.根据扫描所需的角度，调节机械臂2与水平面呈角度Φ，由于载物台6保持水平，因而可以保证扫描时射线与样本角度为Φ ;
[0031]2.根据样本分辨率需求，调节放大比，即X射线源3与探测器4在滑块带动下运动到成相应比例的位置，对扫描锥束锥角或计数水平有特殊要求的情况，可在相应的放大比条件下拉近或推远探测器4及X射线源3 ；
[0032]3 ;将样本扫描重点通过载物台6微调移动至载物架5的中空转台中心；开始扫描时转动机构带动载物台6承载的样本进行以样本法线为中心线的自转运动，从O度到360度采集所需的投影数据，利用计算机对投影数据应用合理的算法进行重建得到物体的断层图像。
[0033]以下结合附图对本实用新型图5所示的具体实施例详细说明如下:
[0034]如图5所示，实施例中支架I内部形成一操作空间11，机械臂2的底端可在操作空间11中转动，操作空间11的两侧分别为第一支撑竖板12及第二支撑竖板13，底部为一支撑横板14 ;支撑横板14的两端分别与第一支撑竖板12及第二支撑竖板13的底端相连接，支架I整体结构为一个类U形的结构。第一支撑竖板12及第二支撑竖板13的顶端分别形成一第一支点121及一第二支点131，并且第一支点121及支点131分别位于操作空间11的两侧，以便于支撑承载架5，支架I用途主要为支撑作用。支架I的具体形态仅作说明用途，并非限制为该结构形状。
[0035]机械臂2可转动地安装于与支架I的第一支点121上；机械臂2与支架I之间最好安装有角度驱动装置21，角度驱动装置21安装于机械臂2或支架I上，角度驱动装置21能驱动机械臂2调整角度，本实施例中角度驱动装置21由伺服电机提供精确驱动控制，可通过齿轮或传动带带动机械臂2转动，或将伺服电机直接与机械臂2同轴相连。当然，也有可能不使用伺服电机带动的角度驱动装置21，比如增加一机械臂2定位装置(比如齿轮式刹车机构)，只要能选择性地将机械臂2固定在需要的角度即可，可例如以手动的方式驱动机械臂2进行转动到需要的角度，然后由定位装置固定，也能简单地实现。机械臂2结构可为矩形中空结构臂或放倒的U形结构臂结构，中部留空，以防止与承载架5和载物台6发生运动干涉，机械臂2具有中的U形架体和底端的第一安装座22和一上端的第二安装座23，三部分可焊接而成，材质可为钢性好的金属材质，比如高碳钢、铝钛合金(轻质还能节能，减少磨损造成的误差)。这两个安装座如图所示可为三角框架结构，具有一个顺机械臂2长度方向的安装臂，在该安装臂上可供安装滑轨。第一安装座22和第二安装座23分别位于机械臂2的枢接轴心的两侧，第一安装座22和第二安装座23分别具有第一导轨221及第二导轨231 ;探测器4以后部机体可滑动的安装于第一导轨221上，X射线源3通过一射线源架可滑动的安装于第二导轨231上，并且所探测4与X射线源始终为对齐状态。
[0036]如图2至5所示，承载架5固定安装于支架I上，承载架5整体呈U形，具有水平安装面51、位于中水平安装面51中部的环形台52(也就是中空转台)和两端向上延伸的固定臂53，环形台52为空心结构，固定臂53顶部具有与支架连接的连接轴54，连接轴54与机械臂2的枢转轴轴心线重合，连接轴54的其中之一与机械臂2的枢接轴可为套筒轴结构，通过轴承连接在这一侧连接轴54上,也能以其它连接方式穿过机械臂2的枢接轴固定于第一支点121上。
[0037]环形台52包括环形转座521、动力装置522和导轨，动力装置522和导轨位于环形转座521与承载架5之间，导轨导引环形转座521相对承载架5进行同轴转动，动力装置522驱动环形转座521转动，动力装置522包括但不限于马达、电机等。且载物台6固定于环形转座521之上，以便该载物台6可被环形转座521带动而自转。
[0038]如图2至5所示，载物台6安装于承载架5上，载物台6上具有可替换载物板61，载物板材质为对X射线吸收较小的碳纤维板，针对分辨要求较高的样本可替换为有机玻璃板；载物板61对齐水平面且上述机械臂2的转动轴轴心线穿过载物板61所在水平面；承载架5及载物台6位于机械臂2的第一安装座22和第二安装座23之间。
[0039]载物台6包括X位移板62及Y位移板63，X位移板在环形转座521之间设置安装有动力装置64及导轨65，X位移板62通过动力装置64和导轨65沿环形转座521进行X方向位移。Y位移板63的上表面为样本固定位置61, Y位移板63的和X位移板62之间安装动力装置64及导轨65，Y位移板63通过动力装置64和导轨65沿X位移板62进行Y方向位移；本实施例动力装置64为丝杆与驱动电机，动力装置64还可以是液压缸或者电机带动的齿轮齿条机构等。
[0040]本系统的扫描装置除了完成经典的CL扫描方式之外还可以实施其它的扫描成像方式。例如:在载物台不转动的情况下，开始采集投影数据后机械臂随Φ角变化转过一定角度后得到扫描的投影图像，根据相应可行的重建算法便能得到物体断层成像结果；
[0041]或在φ角在一定范围内往复运动变化的情况下，转台保持自转情况下得到扫描投影图像，根据Φ角变化轨迹使用相应重建算法得到物体的断层图像；
[0042]在转台不发生转动的情况下，机械臂从0-360度多周旋转可实现传统CT的扫描形式；
[0043]针对样本所需分辨率较大而视野不足的情况，可将样本按照所需分辨水平下，视野大小分割成多个紧密靠近并有小部分重叠的分块，针对每个分块进行标准模式扫描，再以低分辨率大视野情况下扫描的投影结果作为参照，将重建所得层析图像按照分块拼接成完整的样本图像。
[0044]与传统技术相比本CL系统的扫描装置设计有以下几点改进:
[0045]1.载物台水平放置，重力作用下样本无需固定，且样本位置调整可在控制端简易实现；
[0046]2.依靠机械臂刚性和机械可靠性保证X射线-载物台中心-探测器三点一线，系统组建以及扫描开始前不需要校正；
[0047]3.载物台能实现二维运动，可以通过多次扫描补偿视野，实现对大型样本的扫描;
[0048]4.X射线源以及探测器可以自由调整位置，从而可以改变扫描放大比，可以实现高分辨率下的显微级别扫描，也可实现低分辨率的全局扫描；
[0049]5.本系统扫描形式灵活多变，通过转台、载物台以及机械臂的摆动可简单地实现各种复杂扫描要求，给未曾实践过的扫描方式留下了许多探究空间。
[0050]虽然已参照几个典型实施例描述了本实用新型，但应当理解，所用的术语是说明和示例性、而非限制性的术语。由于本实用新型能够以多种形式具体实施而不脱离实用新型的精神或实质，所以应当理解，上述实施例不限于任何前述的细节，而应在随附权利要求所限定的精神和范围内广泛地解释，因此落入权利要求或其等效范围内的全部变化和改型都应为随附权利要求所涵盖。
【权利要求】
1.一种基于计算机断层扫描成像CL系统的扫描装置，所述扫描装置包括:支架、机械臂、X射线源、探测器、承载架及载物台；其特征在于， 所述机械臂第一安装座和第二安装座，所述机械臂可转动地安装于所述支架，所述第一安装座和第二安装座分别位于所述机械臂枢接轴心的两侧； 所述X射线源安装于所述机械臂的第一安装座，所述探测器安装于所述机械臂的第二安装座，所述探测器与所述X射线源对齐； 所述承载架固定安装于所述支架上，所述载物台安装于所述承载架上，所述载物台上具有样本固定位置，所述承载架及所述载物台安装固定于所述机械臂的第一安装座和第二安装座之间； 相对于所述支架，所述机械臂能定位于多个角度上；且所述X射线源与所述探测器及承载架保持对齐。
2.如权利要求1所述计算机断层扫描成像CL系统的扫描装置，其特征在于，所述承载架上具有对齐水平面的安装面，所述载物台安装于所述安装面，所述载物台上的样本固定位置也对齐水平面。
3.如权利要求2所述计算机断层扫描成像CL系统的扫描装置，其特征在于，所述承载架与所述载物台之间安装有一转动机构，所述转动机构驱动所述载物台绕所述承载架中心垂线转动；所述载物台具有水平位移机构。
4.如权利要求1所述计算机断层扫描成像CL系统的扫描装置，其特征在于，所述机械臂与所述支架之间安装有角度驱动装置，所述角度驱动装置安装于所述机械臂或支架，所述角度驱动装置驱动所述机械臂调整角度。
5.如权利要求3所述计算机断层扫描成像CL系统的扫描装置，其特征在于，所述水平位移机构包括X位移板和Y位移板，所述X位移板和Y位移板叠置连接，其中位于底侧的位移板与所述转动机构连接，其中位于上侧的位移板顶面为所述样本固定位置；所述X位移板或Y位移板均包括:连接板、动力装置及导轨，所述动力装置及导轨位于所述连接板与下部部件之间，所述动力装置驱动所述连接板沿所述导轨相对于下部部件进行X或Y方向位移。
6.如权利要求3所述计算机断层扫描成像CL系统的扫描装置，其特征在于，所述转动机构包括环形转座、动力装置和导轨，所述动力装置和导轨位于所述环形转座与所述承载架之间，所述导轨导引所述环形转座相对所述承载架进行同轴转动，所述动力装置驱动所述环形转座转动，所述水平位移机构安装于所述环形转座之上。
7.如权利要求1所述计算机断层扫描成像CL系统的扫描装置，其特征在于，所述机械臂的转动轴轴心线穿过所述样本固定位置。
8.如权利要求1所述计算机断层扫描成像CL系统的扫描装置，其特征在于，所述机械臂结构为矩形中空结构臂或放倒的U形结构臂结构，所述第一安装座和第二安装座均设有滑轨，所述探测器和所述X射线源分别通过所述滑轨可滑动地安装于所述第一安装座和第二安装座。
9.如权利要求3所述的计算机断层扫描成像CL系统的扫描装置，其特征在于，所述承载架整体呈U形，具有水平安装面、中部环形台和两端的固定臂，所述环形台为空心结构，位于所述安装面中部，所述固定臂顶部具有与所述支架连接的连接轴，所述连接轴与所述机械臂的枢转轴轴心线重合。
10.如权利要求1至9任一项所述计算机断层扫描成像CL系统的扫描装置，其特征在于，所述支架内部形成一操作空间，所述承载架位于所述操作空间，所述机械臂至少一端在所述操作空间内调整；所述支架在所述操作空间两侧设置有第一支点及第二支点；所述承载架两端分别定位于所述第一支点、第二支点；所述机械臂的枢转轴与所述第一支点及第二支点其中至少一个支点重合。
【文档编号】G01N23/04GK204101484SQ201420603474
【公开日】2015年1月14日 申请日期:2014年10月17日 优先权日:2014年10月17日
【发明者】邵雨濛, 魏龙, 魏存峰, 王燕芳, 阙介民, 刘宝东, 王雅霄, 袁路路, 周俊光, 孟凡辉 申请人:中国科学院高能物理研究所