多光锥耦合数字X射线探测器的耦合装置

摘要

本发明公开了一种多光锥耦合数字X射线探测器的耦合装置。包括由多个光锥矩阵排布的光锥阵列、多块子电路板组成的耦合电路板，耦合电路板中心设有图像传感器芯片阵列，图像传感器芯片阵列由多块图像传感器芯片组成，每个图像传感器芯片与一个光锥的小端对应耦合；子电路板固定在电路板支架上，子电路板下方设有安装板，安装板上设有水平调节机构和竖直调节机构。本发明在受到光锥阵列结构尺寸限制、各子电路板之间调整间隙小、竖直方向有其它电路板阻隔等约束条件下，仍可对多个图像传感器芯片进行前后、左右、上下、旋转、俯仰的五维调整，使得图像传感器芯片与光锥耦合精度高、无需胶粘，可只对损坏的图像传感器芯片进行更换、维修费用低。

说明书

技术领域

本发明涉及一种X射线探测器，尤其涉及一种多光锥耦合数字X射线探 测器的耦合装置。

背景技术

数字X射线探测器能够将不可见的X射线信号转换为便于处理的数字图 像信号，是数字化X射线照相术(DR)和计算机X射线断层扫描术(CT)等各种 数字X射线成像系统的核心器件。基于光锥耦合的数字X射线探测器具有分 辨率高、图像畸变小、结构紧凑等诸多优点，在肿瘤早期诊断、大分子晶体学 研究等领域有明显优势。其基本组成部分包括三大部分，即用于将入射X射 线转换为可见光的X射线转换屏、带有图像传感器芯片(CCD或CMOS图像 传感器芯片)的图像数据采集电路、在X射线转换屏和图像传感器芯片之间进 行耦合的光锥。为了实现大面积成像，需要将多个光锥及相应图像传感器芯片 进行阵列式的拼接，形成多光锥耦合数字X射线探测器。

在基于光锥耦合的数字X射线探测器中，光锥与图像传感器芯片之间要求 高精度耦合，耦合误差需要控制在微米量级。目前通用的做法是在调整好光锥 与图像传感器芯片的相对位置之后，用光敏胶或环氧树脂等粘接剂将光锥和图 像传感器芯片粘结固定在一起。但是这种粘结固定的方法存在不足之处：无法 单独更换图像传感器芯片或光锥，无论光锥或图像传感器芯片损坏都将导致探 测器整体报废。这种方法用于多光锥耦合时的风险更大，因为多光锥是采用多 个光锥排列成光锥阵列，光锥阵列中任何一个光锥或任何一个图像传感器芯片 损坏，以及任何一处光锥与图像传感器芯片耦合出问题，都会导致所有光锥和 图像传感器芯片报废。比如，采用2×2排布的4个光锥，在定制时一般将4 个光锥的大端熔接在一起组成了一个接缝小于100μm的2×2光锥阵列，不能 对单个光锥进行移动调节，若采用粘结固定的方法进行耦合，则光锥阵列与耦 合电路板上的四个图像传感器芯片中任一处耦合不合格，甚至任一颗图像传感 器芯片出故障，都会造成整个光锥阵列报废。

另外，现有的光锥是一端大一端小的结构，在光锥拼接成光锥阵列时，为 尽量减小各光锥之间的接缝，一般都将光锥阵列的大端熔接在一起形成一个整 体，单个的光锥无法移动，这就造成在光锥小端进行调节的空间很小，并且各 电路板之间调整间隙小。并且，在垂直于电路板的竖直方向往往还会有其它电 路板的阻隔。这些都对耦合装置的设计造成困难。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术中光锥阵列中的每个光锥都 是与对应的图像传感器芯片采用粘结方法固定在一起，任一处光锥或图像传感 器芯片损坏都要报废所有的光锥与图像传感器芯片，造成浪费大、维护费用高 等缺陷，提供一种可独立对每块图像传感器芯片进行包括前后左右上下旋转俯 仰在内的五维调整，使得图像传感器芯片与光锥耦合精度高、并且在图像传感 器芯片损坏时只需对损坏的图像传感器芯片进行更换、维修费用低的多光锥耦 合数字X射线探测器的耦合装置。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种多光锥耦合数字X射线探测器的耦合装置，包括由多个光锥按矩阵 排布并将光锥的大端熔接在一起所形成的光锥阵列、由多块子电路板按矩阵排 布的耦合电路板，所述耦合电路板中心设有与光锥阵列上下对应耦合的图像传 感器芯片阵列，所述的图像传感器芯片阵列由在子电路板上分别设置图像传感 器芯片组成，每个所述图像传感器芯片各自与一个光锥的小端对应耦合；所述 子电路板固定在电路板支架上，所有的子电路板下方设有水平的安装板，所述 安装板上设有对子电路板进行前后、左右和旋转调节的水平调节机构，以及对 子电路板进行上下和俯仰调节的竖直调节机构。

所述光锥阵列由四个光锥按两行两列排布，所述的子电路板和电路板支架 也相应设置四个，每个子电路板上设置一个图像传感器芯片，每个所述图像传 感器芯片各自与一个光锥的小端对应耦合。

在与其它子电路板支架不邻接的各子电路板支架的每个外侧壁上至少设 置两个所述的水平调节机构。

所述水平调节机构包括固定在安装板上的螺旋推进支架、在水平方向上顶 压电路板支架的水平螺旋推进组件和保持螺旋推进组件与电路板支架接触的 限位件。

所述水平螺旋推进组件包括固定在螺旋推进支架上的螺旋推进主体、螺接 在螺旋推进主体中且顶端顶压在电路板支架外侧壁的螺旋推杆。

所述限位件为拉伸的弹簧，所述弹簧一端固定在螺旋推进支架上或螺旋推 进主体上，弹簧另一端固定在电路板支架上，所述弹簧弹力收缩保持螺旋推杆 对电路板支架外侧壁在水平方向上的顶压。

所述的水平螺旋推进组件为微分头(又称千分头、测微头)或螺纹副。

所述竖直调节机构包括设置在耦合电路板外侧四角对应的每个电路板支 架上的第一竖直调节机构和设置在靠近耦合电路板中心处的每个电路板支架 下方的第二竖直调节机构；所述第一竖直调节机构设置在所对应的电路板支架 外侧并下压电路板支架外侧角，所述每个电路板支架外侧角下方的安装板上设 置有调节限位柱，所述调节限位柱限制第一竖直调节机构下压子电路板的距 离，所述第二竖直调节机构向上顶压电路板支架。

所述第一竖直调节机构包括下部固定在安装板上的第一竖直螺旋推进组 件，所述第一竖直螺旋推进组件的上端固定有向下压紧电路板支架的压架组 件，所述第一竖直螺旋推进组件上设有将压架组件向上顶推的弹性件；所述压 架组件包括水平设置压板，所述压板底面固定有在子电路板上滑动并压紧子电 路板的顶压头。

所述第二竖直调节机构包括固定在安装板上的第二竖直螺旋推进组件，所 述第二竖直螺旋推进组件前端设有滑动顶压件。

所述光锥设置四个以上，且所有光锥排布成矩形阵列；所述图像传感器芯 片与光锥的小端一一对应耦合设置，所述图像传感器芯片分设到不同的子电路 板上。

本发明采用多个光锥按矩阵排布并将光锥的大端熔接在一起所形成的光 锥阵列，将耦合电路板相应分割设置为多块子电路板，图像传感器芯片也设置 多个，与光锥的小端一一对应耦合，子电路板对应设置电路板支架，这样由于 子电路板和电路板支架都是各自独立设置，从而能够对对全部或部分的子电路 板实现前后、左右、上下、旋转、俯仰的五维调整。由于独立调整保证图像传 感器芯片都能与对应的光锥进行较好的耦合，分别调整后使得整个设备达到最 佳的耦合效果，提高了耦合精度，并大大降低了设备的维修成本。

例如，当光锥设置成2×2排布的矩形阵列，由于在解决本发明技术问题 过程中，必须考虑到由于光锥阵列的大端熔接在一起形成一个整体，造成在光 锥小端进行调节的空间很小，并且各子电路板之间调整间隙小，在垂直于子电 路板的竖直方向往往还会有其它电路板的阻隔等不利因素。因此，本发明采用 将耦合电路板分为四块子电路板并按两行两列排布，四块独立的子电路板与光 锥阵列中的四个光锥上下一一对应安装的方式，实现每块子电路板上的图像传 感器芯片与光锥阵列中相应光锥的小端进行精密耦合。四个子电路板分别固定 在四个电路板支架上，对应每块子电路板都分别设有对其进行前后、左右、旋 转运动调节的水平调节机构和对其进行上下、俯仰运动调节的竖直调节机构， 图像传感器芯片与相应光锥之间不使用胶粘固定。由于独立调整保证每块图像 传感器芯片都能与对应的光锥进行较好的耦合，分别调整后使得整个设备达到 最佳的耦合效果，提高了耦合精度。并且，当其中一块图像传感器芯片出现问 题，只需对其进行更换，大大降低了设备的维修成本，避免了现有光锥与图像 传感器芯片粘接在一起造成任一处耦合失败导致所有光锥和图像传感器芯片 都报废的问题。

为了有效地实施水平调节，每个电路板支架不与其它电路板支架相邻的两 个外侧壁上都设置两个或两个以上的水平调节机构，从而能够对子电路板实现 前后左右，甚至是旋转调节。为了有效地实施竖直调节，每个电路板支架上设 置至少一个第一竖直调节机构用于下压子电路板，以及至少两个第二竖直调节 机构用于向上顶推子电路板，从而能够实现上下和俯仰调节，并能够利用杠杆 原理使图像传感器芯片平稳地紧贴光锥的小端。本发明中竖直方向调节机构与 相应电路板支架之间采用滑动接触，可有效减小水平方向调节时的阻力，防止 损坏图像传感器芯片的光敏面。另外，本发明通过对与各子电路板固定在一起 的电路板支架的操作实现对各子电路板及图像传感器芯片的调节操作，而各电 路板支架与子电路板的尺寸相当，这样就能在不损伤子电路板的前提下将对图 像传感器芯片的水平和竖直调节操作从耦合电路板的中心位置转移到耦合电 路板的外侧，使水平和竖直调节操作都在远离图像传感器芯片的外围空间进 行，从而避免了水平和竖直方向调节困难、操作不便、操作视线受限等诸多不 便。

本发明在受到光锥阵列结构尺寸限制、各子电路板之间调整间隙小、竖直 方向有其它电路板阻隔等约束条件下，仍可独立对每块图像传感器芯片进行前 后、左右、上下、旋转、俯仰的五维调整，使得图像传感器芯片与光锥耦合精 度高、无需胶粘，可只对损坏的图像传感器芯片进行更换、维修费用低。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明实施例1的结构示意图；

图2是本发明实施例1的侧面部分结构示意图；

图3是本发明实施例1四分之一结构的示意图；

图4是本发明实施例1光锥与图像传感器芯片和耦合电路板位置关系图；

图5是本发明实施例1部分结构的俯视图；

图6是图5中B-B剖视图；

图7是本发明实施例1水平螺旋推进组件的结构示意图；

图8是本发明实施例1第一竖直螺旋推进组件的结构示意图；

图9是本发明实施例1第二竖直螺旋推进组件的结构示意图；

图10是本发明实施例1顶压头的结构示意图。

具体实施方式

实施例1，本实施例通过一个2×2光锥阵列具体说明本发明。

方位定义：以整个耦合电路板的中心为中心，位于耦合电路板中心的每块 子电路板或电路板支架的角称为中心角，与中心角呈对角线对应的角为外侧 角。

如图1、4所示，一种多光锥耦合数字X射线探测器的耦合装置，包括由 四个光锥5按两行两列排布并将大端熔接在一起所形成的光锥阵列、由四块子 电路板31按两行两列排布的耦合电路板。

如图1、4所示，所述耦合电路板中心设有与光锥阵列上下对应耦合的图 像传感器芯片阵列，所述的图像传感器芯片阵列由在每个子电路板31上分别 设置的一个图像传感器芯片4组成，由于要求四个所述图像传感器芯片4之间 边缘接触或间隙配合，则四个图像传感器芯片4都要位于每个子电路板31的 中心角上才能实现将四个图像传感器芯片4拼合在一起并且也成为两行两列 的2×2排列。

如图4所示，光锥阵列是四个2×2排列的光锥5组成，每个光锥5都是 上部为长方体状、下部为棱锥台形，四个光锥5通过上部的长方体部分(光锥 大端)进行拼合粘接固定在一起，棱锥台的底面(光锥小端)分别与图像传感 器芯片4对应进行耦合。光锥阵列通过固定架(图中未示出)固定在X射线 探测器设备中。

如图1～3、5、6所示，每个所述子电路板31分别固定在一个电路板支架 32上，在所有的子电路板31下方设有水平的安装板6，所述安装板6上设有 对每个子电路板31进行前后、左右和旋转调节的水平调节机构1，以及对每 个子电路板31进行上下和俯仰调节的竖直调节机构2。

每个电路板支架32不与其它电路板支架32相邻的两个外侧壁上都设置至 少两个水平调节机构1，这些水平调节机构1间隔设置，一般是要对称或均匀 设置在电路板支架32的外侧壁上，从而能够对子电路板31实现前后、左右移 动，甚至是旋转调节。每个电路板支架32上设有第一竖直调节机构21用于下 压子电路板31，以及设置有第二竖直调节机构32用于向上顶推子电路板31， 第一竖直调节机构21和第二竖直调节机构22的设置数量可根据需要设定，一 般设置一个第一竖直调节机构21和两个第二竖直调节机构22，从而能够实现 对子电路板上下和俯仰调节，并能够利用杠杆原理使图像传感器芯片4平稳地 紧贴光锥5的小端。通过安装板6将耦合电路板、水平调节机构1和竖直调节 机构2固定在X射线成像设备中。

电路板支架32为平板的结构，设置在子电路板31下方，子电路板31放 置在电路板支架32上并通过螺钉将二者固定连接在一起。电路板支架32与子 电路板31形状配合一致，都为方形，其中远离图像传感器芯片4的子电路板 31的两侧边缘位于其下方的电路板支架32的边缘内侧，即子电路板31尺寸 小于电路板支架32，，使得电路板支架32上留出了设置竖直调节机构2的位 置。

如图1～3、5、6所示，在与其它子电路板31支架不邻接的各子电路板 31支架的每个外侧壁至少设置两个所述的水平调节机构1，在与其它电路板支 架32相邻的两个外侧壁上无需设置水平调节机构1。这样就可避免因水平调 节机构1设置在耦合电路板内侧引起操作不便的问题。本实施例中在每个子电 路板31的两个外侧壁上都分别设置两个水平调节机构1，从而能够对子电路 板31实现前后、左右，甚至是旋转调节。

如图1～3、5、6所示，所述水平调节机构1包括固定在安装板6上的螺 旋推进支架11、顶压电路板支架32的水平螺旋推进组件13和保持螺旋推进 组件与电路板支架32接触的限位件12。其中螺旋推进支架11为板式结构， 竖直设置在电路板支架32外侧并且其下端通过螺钉固定在安装板6上。

如图1、2、7所示，所述水平螺旋推进组件13包括固定在螺旋推进支架 11上的螺旋推进主体131、螺接在螺旋推进主体131中且顶端顶压在电路板支 架32外侧壁的壁面上的螺旋推杆132。螺旋推进主体131和螺旋推杆132都 水平设置，螺旋推杆132在水平方向上推动电路板支架32水平移动。螺旋推 进主体131在螺旋推进支架11上的固定方式有螺接、焊接、卡接等多种方式， 本实施例中在螺旋推进支架11开有安装孔，将螺旋推进主体131插入安装孔 内并通过螺母旋紧固定。螺旋推进主体131内设有内螺纹，螺旋推杆132旋装 在螺旋推进主体131内且其前端顶压在电路板支架32的外侧壁面上。通过手 动旋转螺旋推杆132的后部，调整螺旋推杆132前进或后退。

如图1～3、5、6所示，所述限位件12的设置目的是让螺旋推杆132前端 一直与电路板支架32外侧壁面接触，并使得螺旋推杆132与电路板支架32 同步动作，螺旋推杆132前进或后退，电路板支架32都同时动作。限位件12 的结构有多种，一种结构是限位件12为拉伸的弹簧，所述弹簧一端固定在螺 旋推进支架11上或螺旋推进主体131上，弹簧另一端固定在电路板支架32上， 所述弹簧弹力收缩保持螺旋推杆132对电路板支架32外侧壁面的顶压。为了 保持拉力均衡，则在电路板支架32上方和下方都设有相同的弹簧，保持拉力 相同。

本实施例中，所述的水平螺旋推进组件13选用微分头。微分头属于现有 技术中的精密调节机构，有市售成品，调整精度达0.004毫米。

如图1～3、5、6所示所示，所述竖直调节机构2包括设置在耦合电路板 外侧四角对应的每个电路板支架32上的第一竖直调节机构21和设置在耦合电 路板中心处的每个电路板支架32下方的第二竖直调节机构22，所述第一竖直 调节机构21下压电路板支架32外侧角，所述每个电路板支架32外侧角下方 的安装板6上设置有调节限位柱23，用于限制第一竖直调节机构2下压子电 路板31的距离，所述第二竖直调节机构22向上顶压电路板支架32。设置第 一竖直调节机构21和第二竖直调节机构22一方面可以在竖直方向上调整电路 板支架32的高低，另一方面单独调节第一竖直调节机构21或第二竖直调节机 构22能单独调节电路板支架32外侧或耦合电路板中心处的高度，用于微调电 路板支架32及其子电路板31的倾角，实现俯仰调节，满足图像传感器芯片4 与光锥5高精度耦合的需要。

如图1～3、5、6所示，所述第一竖直调节机构21包括下部固定在安装板 6上的第一竖直螺旋推进组件212，第一竖直螺旋推进组件212竖直设置并能 在竖直方向上推动电路板支架32外侧上下运动。所述第一竖直螺旋推进组件 212的上端固定有向下压紧子电路板31的压架组件211，所述第一竖直螺旋推 进组件212上设有将压架组件211向上顶推的弹性件213。

如图2所示，所述压架组件211包括水平设置的压板211a，所述压板211a 底面固定有在子电路板31上滑动并压紧子电路板31的顶压头211b。其中压 板211a为L形，设置在电路板支架32外侧角的正上方。L形压板211a上竖 直设置至少两个顶压头211b，优选顶压头211b对称设置。顶压头211b分别 顶压在电路板支架32板面的相邻两侧边缘上，向下压紧电路板支架32。本实 施例中设置三个顶压头211b，分别设置在L形压板211a的拐角和L形压板211a 的两个支臂上。

如图10所示，顶压头211b包括顶压柱90，顶压柱90下端设有滑槽(图 中未示出)，滑槽内设有滚珠92以及限制滚珠92从滑槽内脱离的限位套91， 滚珠92超出限位套91端面的部分顶压在电路板支架32上，在电路板支架32 移动过程中滚珠92在电路板支架32上滚动。

如图1、2所示，在电路板支架32外侧角上开有穿过孔321，第一竖直螺 旋推进组件212从穿过孔321中穿过，第一竖直螺旋推进组件212的下部固定 在安装板6上、上部与压板211a固定连接，固定连接的位置在L形压板211a 的拐角处。穿过孔321孔径大于第一竖直螺旋推进组件212的外径，使得电路 板支架32能有空间进行前后左右移动而不受第一竖直螺旋推进组件212的影 响。

如图1、2、8所示，第一竖直螺旋推进组件212同水平螺旋推进组件13 结构相同，也包括螺旋推进主体212a和螺接在螺旋推进主体212a中的螺旋推 杆212b，螺旋推进主体212a竖直设置且下部固定在安装板6上。螺旋推杆212b 前端部套装压板211a上开设的安装孔内，在螺旋推杆212b前端设有堵头212d， 堵头212d外径大于螺旋推杆212b外径，堵头212d位于压板211a上方且堵头 212d外径也大于压板211a上安装孔的内径，使得螺旋推杆212b不能与压板 211a脱离。堵头212d与压板211a之间设置有橡皮垫(图中未示出)，使第一 竖直调节机构2下压电路板支架32时具有弹性。堵头212d与螺旋推杆212b 之间通过连接套212c连接。向上顶推的弹性件213用于产生反向作用力，约 束第一竖直调节机构2，防止对图像传感器芯片4产生过大的压力。本实施例 中该弹性件213为螺旋弹簧，其上下两端分别与L形压板211a和安装板6接 触。

如图1、2、9所示，所述第二竖直调节机构22包括固定在安装板6上的 第二竖直螺旋推进组件22a，所述第二竖直螺旋推进组件22a前端设有滑动顶 压件22b。第二竖直螺旋推进组件22a的结构与第一竖直螺旋推进组件212相 同，包括螺旋推进主体221和螺接在螺旋推进主体221中的螺旋推杆222，螺 旋推进主体221也固定在安装板6上，第二竖直调节机构22具体结构同第一 竖直螺旋推进组件212，在此不再赘述。在螺旋推杆132的前端设有滑动顶压 件22b，滑动顶压件22b包括滑动套223，滑动套223内设有滚珠224，滑动 套223端部设有防止滚珠224从滑动套223内脱出的滚珠限位件225，滚珠限 位件225螺接在滑动套223上，滚珠限位件225留有中心孔，滚珠224从中心 孔露出部分顶压在电路板支架32上，电路板支架32水平移动时，滚珠224 滚动，第二竖直调节机构2在对电路板支架32竖直方向顶压的同时不影响电 路板支架32的水平移动。旋转螺旋推杆221能电路板支架32向上或向下移动， 左旋螺旋推杆221对电路板支架32顶压使其向上移动，右旋螺旋推杆221后 在重力作用下电路板支架32也自然下落。

如图2所示，所述每个电路板支架32外侧角下方的安装板6上设置有调 节限位柱23，调节限位柱23的设置位置是在第一竖直调节机构2旁边，调节 限位柱23竖直设置在电路板支架32与安装板6之间，调节限位柱23的下端 固定在安装板6上。调节限位柱23用于限制电路板支架32下移的空间，电路 板支架32下移至调节限位柱23顶面即被限位。调节限位柱23的设置数量和 位置根据实际需要，一般至少间隔设置两个。

实施例2，一种多光锥耦合数字X射线探测器的耦合装置，包括由四个以 上的光锥按矩形排布并将大端熔接在一起所形成的光锥阵列，由于要排布成矩 形阵列，光锥数量要满足阵列排布的要求，可以排布成2×3、2×4、3×3、4 ×3、4×4等多种矩形阵列，当采用超过四个的光锥时，由于位于中间位置的 电路板和图像传感器芯片不易调节，因此一般会将处于中间位置的电路板及其 电路板支架固定，固定的子电路板及其图像传感器芯片会进行预先拼装和检 测。以保证多个图像传感器芯片的装配位置能与光锥小端有良好耦合。

耦合电路板四角的四个子电路板和电路板支架是完全能实现实施例1中 进行的五维调整，则在这四个子电路板和电路板支架外侧设置对这四个子电路 板进行前后、左右和旋转调节的水平调节机构，四个子电路板中每个子电路板 都设有对其进行上下和俯仰调节的竖直调节机构。水平调节机构和竖直调节机 构的结构、设置位置都与实施例1相同，在此不再赘述。

设置多个光锥，在实现实施例1发明目的的同时还能通过多光锥耦合扩大 探测器工作面积、提高探测器的空间分辨率和充分利用X射线转换为可见光 后的信号通量。