CN210990229U

CN210990229U - 一种基于硅光电倍增器的口内影像扫描仪

Info

Publication number: CN210990229U
Application number: CN201921603054.1U
Authority: CN
Inventors: 周红武; 曹强荣; 胡安元; 卜荣君
Original assignee: Tianyi Ruishi Suzhou Oral Health Care Technology Co ltd
Current assignee: Tianyi Ruishi Suzhou Oral Health Care Technology Co ltd
Priority date: 2019-09-25
Filing date: 2019-09-25
Publication date: 2020-07-14
Anticipated expiration: 2029-09-25

Abstract

本实用新型公开了一种基于硅光电倍增器的口内影像扫描仪，其整体尺寸较小、功耗较低且受磁场干扰的可能性较小。一种基于硅光电倍增器的口内影像扫描仪，包括激光器、用于对所述激光器出射的激光光束进行处理的光学机构及用于使激光光束形成的光斑移动的扫描机构，所述口内影像扫描仪还包括用于收集影像板激发的荧光的荧光收集机构及用于进行光电转换的硅光电倍增器，所述硅光电倍增器包括雪崩光电二极管阵列，所述雪崩光电二极管阵列由多个阵列式排布的雪崩光电二极管组成。所述雪崩光电二极管阵列包括至少一行雪崩光电二极管，组成所述一行雪崩光电二极管的多个雪崩光电二极管沿与所述激光光束在影像板上的扫描轨迹平行的方向排列。

Description

一种基于硅光电倍增器的口内影像扫描仪

技术领域

本实用新型属于激光扫描成像领域，涉及一种基于X射线的影像扫描装置。

背景技术

激光扫描成像具体是指通过X射线记录影像，并利用激光读取记录于一种柔性影像板的图像。计算机X射线摄影术(Computed X-ray Radiography,CR)已经广泛应用于医疗健康领域，相对于传统的X射线摄影技术，其主要特点在于采用了柔性、可擦除的影像板(Imaging Plate,IP)代替卤化银胶片，并可用计算机存储和显示图像信息。X射线穿透物体照射到含有光激励荧光粉的影像板上，会产生一帧潜影(Latent Image)并存储在影像板中。当使用一定波长(600-700nm)的激光照射时，影像板会激发出特定波长(350-450nm)的荧光，其能量分布特性和潜影形态完全相关，这些荧光被收集、转换成电信号并数字化，从而将潜影转换成可以存储和传输的二维数字图像。

在齿科行业，普遍采用CR扫描仪读取影像板上的齿廓信息。应用于齿科等的口内影像扫描仪是一种弱光检测仪器，目前应用最广泛的弱光探测器主要采用光电倍增管(PMT)。目前的口内影像扫描仪存在如下几个问题：

1、口内扫描仪的外形不能实现小型化，不方便客户根据实际应用移动。另外，也增加了后期生产开模以及实践生产用料的成本；

2、其中PMT工作电压一般是几百至上千伏特，这对电路设计而言是有一定难度的，另一方面也会造成整个口内扫描仪的功耗高，也容易损坏；

3、受光阴极限制探测效率较低；

4、对磁场敏感，设备周围环境的电磁场都会影响设备的正常工作，口内影像扫描仪作为医学影像类设备，如受到电磁场干扰，其影像质量会下降，这些干扰会以一种形态显示在影像上，从而影响医生观片，进一步的影像医生对患者的诊断。

实用新型内容

针对上述问题中的至少一个，本实用新型提供一种基于硅光电倍增器的口内影像扫描仪，其整体尺寸较小、功耗较低且受磁场干扰的可能性较小。

为达到上述目的，本实用新型采用的技术方案为：

一种基于硅光电倍增器的口内影像扫描仪，包括激光器、用于对所述激光器出射的激光光束进行处理的光学机构及用于使激光光束形成的光斑移动的扫描机构，所述口内影像扫描仪还包括用于收集影像板激发的荧光的荧光收集机构及用于进行光电转换的硅光电倍增器，所述硅光电倍增器包括雪崩光电二极管阵列，所述雪崩光电二极管阵列由多个阵列式排布的雪崩光电二极管组成。

优选地，所述雪崩光电二极管阵列包括至少一行雪崩光电二极管，组成所述一行雪崩光电二极管的多个雪崩光电二极管沿与所述激光光束在影像板上的扫描轨迹平行的方向排列。

更优选地，所述荧光收集机构包括柱面镜，所述柱面镜的母线与所述激光光束在影像板上的扫描轨迹平行。

进一步地，所述柱面镜的NA大于0.5，且所述柱面镜的表面上镀有紫外高增透膜层。

优选地，所述荧光收集机构包括柱面镜、棒镜或光纤透镜。

优选地，所述口内影像扫描仪还包括用于滤除激发激光的滤光片，所述滤光片设置于所述荧光收集机构和所述硅光电倍增器之间。

优选地，所述激光器为单模半导体激光器。

优选地，所述光学机构包括依次设置的准直透镜、孔径光阑以及聚焦透镜。

更优选地，所述准直透镜由单个非球面镜组成，所述非球面镜的焦距为15～25mm，所述孔径光阑的直径为5～10mm，所述聚焦透镜的焦距为100～180mm。进一步地，所述非球面镜上镀有介质膜层。

优选地，所述扫描机构包括用于将激光光束反射到影像板上的振镜及用于驱动所述振镜在一定角度内偏转的振镜电机。

本实用新型采用上述技术方案，相比现有技术具有如下优点：

减小口内影像扫描仪的整体尺寸，极大的方便了医生移动诊断；该口内影像扫描仪采用硅光电倍增器，可以降低整个口内影像扫描仪的成本；在实际应用中硅光电倍增器的驱动电压只有几十伏特，电路设计难度以及成本下降，功耗降低；对电磁场敏感程度低，不易受到其干扰，可以避免进行电磁屏蔽，从而减少由此引起的成本增加，而且该口内影像扫描仪的应用不会受到磁场的太多限制，即使在电磁干扰大的环境中依然能够使用。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为根据本实用新型实施例的一种口内影像扫描仪的结构示意图；

图2为光线沿柱面镜的母线方向的传播示意图；

图3为光线沿柱面镜的非母线方向的传播示意图；

图4为一维阵列的硅光电倍增器的结构示意图。

上述附图中，

1、激光器；2、光学机构；21、准直透镜；22、光阑；23、聚焦透镜；3、扫描机构；31、振镜；32、振镜电机；4、影像板；5、柱面镜；6、滤光片；7、硅光电倍增器；71、雪崩光电二极管。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的较佳实施例进行详细阐述，以使本实用新型的优点和特征能更易于被本领域的技术人员理解。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本实用新型，但并不构成对本实用新型的限定。此外，下面所描述的本实用新型各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以互相结合。

本实施例提供一种基于硅光电倍增器的口内影像扫描仪。参照图1所示，该口内影像扫描仪包括激光器1、光学机构2、扫描机构3、荧光收集机构、滤光片6以及硅光电倍增器7。上述各部件和机构沿光线的传播路径依次设置。具体如下：激光器1发出激光；光学机构2对激光器1发出的激光光束进行处理(如准直、聚焦等)；处理后的激光光束经扫描机构3反射至影像板4上，与此同时，扫描机构3会相应移动而改变使激光光束照射在影像板4的不同位置上，即改变激光光束在影像板4上所形成的扫描光斑的位置；荧光收集机构设置在影像板4之后，激光光束照射到影像板4上之后会激发产生荧光，通过荧光收集机构将影像板4产生的散射光收集；滤光片6设置在荧光收集机构之后，用于滤除散射光中激发激光，只允许荧光通过；硅光电倍增器7设置在滤光片6之后，将收集的荧光进行光电转换，而输出相应的电信号。

本实施例中，激光器1采用单模半导体激光器。该单模半导体激光器出射的激光光束10的波长为635nm，且发光面大小恒定，约为1～4μm，其具有优秀的光束质量，保证了整个口内影响扫描仪具有良好的空间分辨率，且这会极大的减少激光整形光路的设计难度，这将在下文中进行详细描述。

本实施例中，光学机构2包括沿激光光束的光轴依次设置的准直透镜21、孔径光阑22以及聚焦透镜23。准直透镜21对激光光束进行准直处理而形成平行光束，优选地，准直透镜21由单个非球面镜组成。即本实施例中只使用了一个非球面经对激光进行准直，通过该单个非球面镜对NA为0.2的激光实现较好地准直相差控制在衍射极限之内。激光经过准直透镜21后通过孔径光阑22，该孔径光阑22为圆形刀口状设计，并且内部黑化处理，从而有效控制系统的杂散光，扩大整个光学系统的焦深。本实施例中的光学机构2采用长工作距以及低放大倍率的光学设计，实现口内影像扫描仪的高空间分辨率，即在整个扫描角度范围内，激光光斑都很小，处于光学系统衍射极限之内。具体描述如下。

本实施例中，准直透镜21由一个非球面镜组成，且非球面镜的焦距为15～25mm。由于本实施例中选用单模半导体激光器作为激光光源1，该激光器的慢轴以及快轴的M²都接近1，因此只使用了一片非球面镜对激光进行准直。该非球面镜的焦距为15-25mm，能够对NA为0.2的激光实现完美准直，像差控制在衍射极限之内；同时该非球面镜表面镀有约99.5％透过率的介质膜层，从而保证激光有足够的功率。所述孔径光阑22直径为5～10mm，从而增大光学系统的焦深。本实用新型的口内影像扫描仪为平场扫描，因此该光阑(3)口径大小的设定是非常关键的，由于平场扫描会造成不同角度的光线具有不同的光程，即IP板不同空间位置上的激光光斑大小会有很大差距，本实施例中将孔径光阑22直径设定为5～10mm，则可以较好地避免上述问题。所述聚焦透镜23的焦距为100～180mm。为了覆盖扫描整个影像板的同时减少激光的扫描角度，光学系统采用长工作距设计，但是如果工作距太长，必然会导致整个光学系统光学放大倍率变大，由于单模半导体激光器的发光面的大小恒定，约为1-4um左右，光学系统放大倍率过大，那么其像面的光斑大小也会随之变大。因此，本实施例的口内影像扫描系统选用实现焦距设定为100-180mm的聚焦透镜23进行光束的聚焦，即在光学放大倍率以及低扫描角度之间做出平衡，并配合以小孔径光阑22实现在整个扫描角度内激光光斑大小都处于衍射极限之内，即实现无f-θ透镜的平场扫描的同时，实现口内影像扫描仪的高空间分辨率，即在整个扫描角度范围内，激光光斑都很小，处于光学系统衍射极限之内。

本实施例中，扫描机构3包括用于将激光光束反射到影像板4上的振镜31及用于驱动振镜31转动的振镜电机32。振镜31固定在振镜电机32的输出轴上，振镜电机32在一定角度内往复转动，从而带动振镜31在一定角度内往复转动，因此，激光光束经振镜31反射到影像板4上形成的激光光斑也沿一轨迹往复移动，该轨迹即为激光光束在影像板4上的扫描轨迹。本实施例中的扫描轨迹优选为一沿直线延伸的轨迹。振镜31每转动一个行程，激光光斑完成对影像板4的其中一行的扫描；往复多个行程，直至激光光斑实现对整个影像板4的扫描。

本实施例中，荧光收集机构包括柱面镜5，且该柱面镜5的母线与激光光束在影像板4上的扫描轨迹平行。柱面镜5设置在邻近影像板4的位置上，从而能够紧靠影像板4设置，从而能够更多地收集荧光。如图2和图3所示，采用柱面镜5进行荧光收集，柱面镜5只对一个方向的光束进行汇聚(非母线方向)，另一个方向(母线方向)的光束按照原入射方向进行传播。该柱面镜5的NA大于0.5，且柱面镜5的表面上镀有紫外高增透膜层。

在另外一些实施例中，柱面镜5还可替换为棒镜或是光纤透镜。

本实施例中，滤光片6设置在柱面镜5和硅光电倍增器7之间。

所述的硅光电倍增器7包括雪崩光电二极管阵列，雪崩光电二极管阵列由多个阵列式排布的雪崩光电二极管组成。雪崩光电二极管阵列包括至少一行雪崩光电二极管，组成所述一行雪崩光电二极管的多个雪崩光电二极管沿与所述激光光束在影像板4上的扫描轨迹平行的方向排列。例如，所述扫描轨迹自左至右水平延伸，则组成一行雪崩光电二极管的多个雪崩光电二极管也自左至右水平排列。本实用新型中将硅光电倍增器7(Siliconphotomultiplier-SiPM)作为口内影像扫描仪的光电转换器件。该硅光电倍增器7由成百上千个工作在盖革模式下的雪崩光电二极管(APD)单元构成，每一个APD单元都串联一个约几百千欧姆的电阻用以控制APD单元的雪崩淬灭和电压恢复。由于APD单元工作在反向击穿电压之上，当某一个APD单元接收到一个光子时，所产生的光生载流子将触发雪崩击穿，光电转换增益可达10⁵～10⁶。硅光电倍增器7可以进行单光子探测，且探测效率比光电倍增管高、工作电压低，增益高、单光子分辨本领优于光电倍增管、对磁场不敏感、体积小、功耗低以及容易制作大规模增阵列等优点。

本实施例中，所述的硅光电倍增器7为一维阵列，其长边方向与扫描轨迹平行；同时柱面镜5的曲率也为一维方向，其母线方向也与扫描轨迹平行。具体地，如图4所示，硅光电倍增器7包括一行雪崩光电二极管，这行雪崩光电二极管的多个雪崩光电二极管71沿与扫描轨迹相平行的方向间隔排列，将每个雪崩光电二极管71收集的能量作为总能量进行输出。线性扫描轨迹、柱面镜5、硅光电倍增器7线性阵列的结合实现荧光的优秀收集能力的同时能够极大的缩小整个口内影像扫描系统的尺寸。

本实施例的口内影像扫描仪具有如下特点：

1、减小口内影像扫描仪的整体尺寸，极大的方便了医生移动诊断；

2、该口内影像扫描仪采用硅光电倍增器，可以降低整个口内影像扫描仪的成本；

3、在实际应用中硅光电倍增器的驱动电压只有几十伏特，电路设计难度以及成本下降，功耗降低；

4、对电磁场敏感程度低，不易受到其干扰，可以避免进行电磁屏蔽，从而减少由此引起的成本增加，而且该口内影像扫描仪的应用不会受到磁场的太多限制，即使在电磁干扰大的环境中依然能够使用；

5、该口内影像扫描仪采用长工作距、低放大倍率、长焦深的光学机构设计，实现整个扫描角度内的高空间分辨率。

上述实施例只为说明本实用新型的技术构思及特点，是一种优选的实施例，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本实用新型的内容并据以实施，并不能以此限制本实用新型的保护范围。凡根据本实用新型的精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。

Claims

1.一种基于硅光电倍增器的口内影像扫描仪，包括激光器、用于对所述激光器出射的激光光束进行处理的光学机构及用于使激光光束形成的光斑移动的扫描机构，其特征在于：所述口内影像扫描仪还包括用于收集影像板激发的荧光的荧光收集机构及用于进行光电转换的硅光电倍增器，所述硅光电倍增器包括雪崩光电二极管阵列，所述雪崩光电二极管阵列由多个阵列式排布的雪崩光电二极管组成。

2.根据权利要求1所述的口内影像扫描仪，其特征在于：所述雪崩光电二极管阵列包括至少一行雪崩光电二极管，组成所述一行雪崩光电二极管的多个雪崩光电二极管沿与所述激光光束在影像板上的扫描轨迹平行的方向排列。

3.根据权利要求2所述的口内影像扫描仪，其特征在于：所述荧光收集机构包括柱面镜，所述柱面镜的母线与所述激光光束在影像板上的扫描轨迹平行。

4.根据权利要求3所述的口内影像扫描仪，其特征在于：所述柱面镜的NA大于0.5，且所述柱面镜的表面上镀有紫外高增透膜层。

5.根据权利要求1所述的口内影像扫描仪，其特征在于：所述荧光收集机构包括柱面镜、棒镜或光纤透镜。

6.根据权利要求1所述的口内影像扫描仪，其特征在于：所述口内影像扫描仪还包括用于滤除激发激光的滤光片，所述滤光片设置于所述荧光收集机构和所述硅光电倍增器之间。

7.根据权利要求1所述的口内影像扫描仪，其特征在于：所述激光器为单模半导体激光器。

8.根据权利要求1所述的口内影像扫描仪，其特征在于：所述光学机构包括依次设置的准直透镜、孔径光阑以及聚焦透镜。

9.根据权利要求8所述的口内影像扫描仪，其特征在于：所述准直透镜由单个非球面镜组成，所述非球面镜的焦距为15~25mm，所述孔径光阑的直径为5~10mm，所述聚焦透镜的焦距为100~180mm。

10.根据权利要求1所述的口内影像扫描仪，其特征在于：所述扫描机构包括用于将激光光束反射到影像板上的振镜及用于驱动所述振镜在一定角度内偏转的振镜电机。