专利名称：一种光学检测装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种光学检测装置，尤其是一种检测空间若干光束矢量方向和某个空 间位置光斑形状的光学检测装置。
背景技术：
很多大型设备都需要在空间用光束来模拟其自身的定位坐标系，通过交叉光束来 确定坐标原点的空间位置，以此保证其它相关配套设备在空间定位和相对运动时的准确性 和精确性。尤其，在医学放射检查和放射治疗领域，放射检查设备(例如CT、X线模拟定位 机等)和放射治疗设备(例如医用直线加速器、多叶光栅准直器、Y刀、Co60治疗机等) 都是通过三维激光定位灯在空间拟合出这些设备的治疗中心轴和空间定位坐标系，利用射 野模拟灯照射出的光斑位置和形状拟合出病人的照射靶区(疑似病灶检查区域或病灶治 疗区域)位置和形状，然后再由医生遥控射线束照射靶区。在这种情况下，如果三维激光定 位灯拟合出来的空间坐标系和这些设备的现实机械空间坐标系相比误差过大，或者，射野 模拟灯照射出的光斑位置和形状与TPS(治疗计划系统)软件规划好的射线照射靶区数字 坐标位置和形状不一致，则会对正常人体组织和OAR(危及器官)产生过量射线照射，后果 是非常严重的。如前所述的相关医学放射检查或治疗设备价格昂贵，且大多还为国际跨国 公司市场垄断，大多数医疗机构从经济角度讲不可能请生产销售公司对相关设备进行常规 运行中的系统定位精度验证，而我国的医疗行业管理机制正在逐步完善之中，国家对大型 医疗设备的运行质量保证体系也发布了相应的精度指导规范，因此，广大医疗机构迫切需 要一种经济的、智能的、便携的、可靠的设备定位精度检测装置来满足目前的临床需求。本申请人提出的申请号为“ 200610060836. 6 ”的中国专利申请公开了 一种名为“医 学放射治疗相关设备定位精度的检测方法及其装置”的技术方案。如图1所示，该装置包括 用于采集医学放射治疗相关设备光束照射点位置信息的采样主机1和用于处理来自采样 主机1的采样信息以及向采样主机1发出采样请求指令的手持控制器2，所述采样主机1包 括分布在主机壳体10左右两侧面和顶面的三个转盘20，转盘的外表面各布置有沿转盘半 径方向差分排布的一维传感器阵列50，分别用于接收来自医学放射治疗相关设备放置场所 左侧、右侧和顶部三个方向的激光定位灯100所发出的激光定位信息以及医学放射治疗相 关设备本身发出的模拟灯光信息200。该装置能实现对医学放射治疗相关设备治疗定位精 度的符合使用要求的低成本检测，但仍存在以下缺陷问题1.机械结构固定，探测方向有限。由于左侧转盘、右侧转盘和顶部转盘20在主机 壳体10坐标系轴线上旋转，因此探测方向仅限于左右和顶部轴线视角附近，如果要探测别 的方向，势必要移动采样主机1，这样就需要重新定位并且引入新的误差。2.需要治疗床移动配合进行光源照射方向探测，引入治疗床移动误差。当要求证 空间某个激光灯光源照射过来的光柱的入射方向时，在采样主机1不动的情况下，最多只 能到激光光柱和探测平面的一个交点，必须在采样主机1底部的治疗床移动配合，才能得 到下一个交点，最后通过两个交点建立空间直线方程。因此，就引入新的治疗床移动误差。
3.测量时，不能动态调整传感器采样表面20的法向角度，这样，就无法保证传感 器采样表面20同外部光斑入射方向垂直，假如不垂直，照射在传感器采样表面20的光斑轮 廓将会有较大的形变失真，采样主机1也就无法获取真实有效的光斑信息。4.采用一维传感器阵列50差分排布探测精度较为有限。首先，一维传感器阵列 50经过差分排布，且经过旋转转化为二维探测面后，需要将极坐标系变形为直角坐标系，这 样就会导致探测精度不均衡，内图光斑分辨率较高(0. 5mm)，向外图精度逐次递减，最外图 光斑分辨率较低(4mm)；其次，探测面旋转轴中心有盲区；再次，一维传感器后端的信号放 大电路和A/D (模拟信号转换为数字信号)电路集成度不高，且电子元件性能一致性误差导 致光斑检测精度变差。另外，采用一维传感器阵列50差分排布，经过旋转转化为二维探测 面，导致采样周期过长，采样实时性不足。机械旋转需要一定的时间，机械转子和轴承的误 差也将叠加到探测面的定位精度中去。5.必须配备专用的控制器2硬件，硬件性能配置较低，导致光学采样后期图形学 分析计算硬件资源不足，且可靠性不高。6.只能检测自身发光的设备，如激光定位灯100。由于采样主机1内部没有设计 定位外置光源的指示模块和遥控模块，因此不能和外置的可控微型激光光源配合检测一些 自身不发光的目标设备。

发明内容
本发明要解决的技术问题是克服以上缺陷，提出一种光学检测装置，简化检测操 作、提高检测精度。本发明的光学检测装置，尤其是指一种检测空间若干光束矢量方向和某个空间位 置光斑形状的光学检测装置。本发明的技术问题是通过以下技术方案予以解决的。一种光学检测装置，包括底座、竖直滑轨、转动滑轨和视觉探头，所述视觉探头包 括视觉传感器阵列和光学镜头组；所述底座上安装有第一驱动机构，所述第一驱动机构与 竖直滑轨的底端连接，并驱动竖直滑轨绕底座的竖直轴线水平旋转；所述竖直滑轨上安装 有第二驱动机构，所述第二驱动机构与转动滑轨连接，并驱动转动滑轨绕竖直滑轨上端横 向轴线在设定角度范围内转动。所述转动滑轨上安装有第三驱动机构，所述第三驱动机构与视觉探头一端部连 接，并驱动视觉探头沿转动滑轨的轴线平行移动。所述第一驱动机构包括安装在底座上的第一伺服电机、与第一伺服电机输出端固 定的第一传动机构；所述竖直滑轨包括竖直滑轨架和固定在竖直滑轨架底端的旋转杆，所 述第一传动机构的输出端与旋转杆固定。所述第一传动机构包括与第一伺服电机输出轴连接的小齿轮、与小齿轮啮合的大 齿轮、与大齿轮同轴固定的主轴，所述旋转杆与主轴固定连接。所述第二驱动机构包括安装在竖直滑轨架上的第二伺服电机、由第二伺服电机驱 动旋转的竖直丝杆、与竖直丝杆螺纹配合的竖直滑块、与竖直滑块铰接的连杆；所述转动滑 轨包括转动滑轨架，所述转动滑轨架与竖直滑轨架通过连接轴铰接，所述连杆的另一端与 转动滑轨架铰接。
所述第三驱动机构包括安装在转动滑轨架上的第三伺服电机、由第三伺服电机驱 动旋转的转动丝杆、与转动丝杆螺纹配合的转动滑块；所述转动滑块与视觉探头一端部连 接。所述视觉传感器阵列为二维视觉传感器阵列。所述底座上还设有水平传感器，所述水平传感器用于测量底座放置面与水平面的 绝对角度偏差。在转动滑轨的一端还装设有定位指示激光光源。在底座、竖直滑轨或转动滑轨上还安装有用于遥控外置可控微型激光光源的遥控
ο所述视觉传感器阵列、第一伺服电机、第二伺服电机、第三伺服电机与安装在底座 内的控制主板电连接，所述控制主板设有与外界设备连接的USB总线通讯接口。所述底座上还设于与控制主板电连接的显示屏。本发明与现有技术对比所具有的有益效果是1.检测装置可以带动光线探测面(视觉探头4)实现大于半球范围内的运动，即在 半球范围内无探测盲区，用单个采样面即可捕捉到任意角度入射过来光斑信息，极大地方 便了检测工作。2.由于探测面可以法向伸缩移动，这样不用移动检测装置就可以得到任意多个光 束与光斑采样面的交点，可以轻松构建光束中心轴线的空间直线方程，并可以通过冗余交 点来对直线方程进行修正和校验，提高了检测精度。3.采用二维视觉传感器(CMOS或者CCD传感器)加组合光学镜头的方式来探测光 斑信息，大大提高了对光斑采样的分辨率精度和采样区域面积，由于是集成度较高的一体 化二维阵列视觉传感器，采样精度在探测面上是均勻分布的，也不存在盲区问题。后端信号 放大电路集成度高，一致性好，不会引入新的误差。且二维视觉传感器采样实时性好，快速 反应了光斑的变化特征。4.安装有定位指示激光光源，用它的光斑可以指导用户安装外置的可控微型激光 光源，并在采样主机上设置有遥控装置，遥控外置的可控微型激光光源开启状态，以达到通 过外置光源自动检测不发光目标设备定位精度的目的。5.利用标准USB总线可以和通用便携式电脑配合使用，充分利用已有硬件资源， 而且，通用便携式电脑稳定性好，硬件配置(如CPU和内存配置)高，能大大提高后期图形 学分析计算能力，通用设备可靠性高，降低了后期维护成本。6.本装置重量轻、体积小、检测时间短，在临床设备校验中由一个人操作即可完成 全项目类别的检测，可使一些复杂的临床校验项目的检测频率大大提升，有力地保障了临 床治疗质量体系的建设，填补了对医学放射、放疗相关设备定位精度进行低成本高效率综 合检测的行业设备的国内外空白。本装置用途广泛，可以进行各种光学项目检测，尤其适用于医用直线加速器、X线 模拟定位机、Y刀、Co60治疗机和激光定位灯等多科目定位精度测量，以医用直线加速器 为例，能够检测的项目(按检测顺序排列)如下1.将采样主机放在治疗床上，利用内部的水平传感器测量治疗床平台的水平度误 差并调整其至允许误差范围。
2.测量加速器机房三位交叉激光定位灯所发出的激光定位线的一致性，定量分析 显示出位置误差并校准。3.测量直线加速器小机头(Collimator)和大机头(Gantry)的旋转中心轴，并得 到物理等中心点的空间位置。4.测量三位交叉激光定位灯虚拟等中心点与直线加速器物理等中心点的一致性5.利用光野中的“暗十字线”线，测量小机头(Collimator)的旋转角度，定量分析
显示出角度误差。6.利用外置式遥控激光光源，测量大机头(Gantry)的旋转角度，定量分析显示出
位置误差。7.通过测量三位交叉激光定位灯所发出的激光线偏移来验证治疗床的各种运动 精度(包括平移、升降和旋转运动)，定量分析显示出位置误差。8.通过测量三位交叉激光定位灯所发出的激光线偏移来验证激光线和直线加速 器标尺灯的一致性，定量分析显示出位置误差。9.测量灯光野的形状和位置误差，间接计算出机头内准直器的开合形状和位置误差。10.测量射野验证灯通过多叶光栅准直器后的光野的大小，间接计算出多叶光栅 准直器的叶片定位精度和运动精度。11.测量射野验证灯照射的光斑大小，再去测量X射线胶片曝光产生的影像，可直 接验证灯光野与照射野的一致性，定量分析显示出误差。以上定量分析的测量结果，均由“定位仪”自动测量“被检测光斑”在“定位仪”内 部虚拟构建的三维坐标系中的位置及偏移量，并通过专配的三维图形分析软件辅助分析偏 移性质，模拟现实结果和理论目标之间的相互关系，指导用户减小误差。从上可以看出，本 发明装置应用广泛，操作方便、检测精度高。


图1为现有技术中的光线放射设备空间定位精度的检测装置结构图；图2为本发明一种检测装置的立体结构图；图3为图2部件连接结构图；图4为图2的电子模块布置图；图5为本发明检测装置的电气控制结构框图；图6为本发明检测装置的探测区域示意图；图7为直线加速器应用本发明检测装置进行定位检测的示意图。
具体实施例方式如图2和图3所示的一种用于医疗放射相关设备的光学检测装置，包括底座1、竖 直滑轨2、转动滑轨3和视觉探头4。底座1上设有通讯接口 11与外接PC机5连接。竖直 滑轨2可以围绕主机底座1的中心轴A-I轴线旋转360°角度al ；转动滑轨3可以围绕竖 直滑轨2上的旋转轴A-2(垂直于图3中的纸面)旋转角度a2(a2为0度到95度)；机器 视觉探头4可以沿转动滑轨3的中心轴A-3在a3范围内轴向平行移动，该移动可以使得视觉探头4的光斑感应屏40与外部激光光柱有不同的交点。A_2轴在空间永远垂直于A_1轴 和A_3轴。当a2角度(即A-I轴与A-3轴夹角)为零时，A_1轴与A_3轴在空间上重合； 当a2角度为90度时，A_1轴与A_3轴在空间上垂直相交。底座1上还设有显示屏10，在测 量工作状态下，用户可以通过该液晶显示屏10读出测量的实时机械位置数据，而光斑图像 数据则实时通过缆线上传到通用便携式PC机5。如图3所示，主机底座1内部装设有第一伺服电机12和由第一伺服电机12带动 的第一传动机构，第一传动机构包括与第一伺服电机转轴固定的小齿轮18、与小齿轮啮合 的大齿轮17、主轴20，大齿轮17和主轴20固定连接，主轴20因此在第一伺服电机带动下 绕A_1轴转动。主轴20通过轴承15同轴安装在主轴承座13内部，主轴20上面的各种线 缆通过主轴20内部的导电滑环14与主机底座1内部的设置的控制主板相连。竖直滑轨2包括竖直滑轨架25，竖直滑轨架25下端通过旋转杆28与主轴20固定 相连，这样当主轴20转动时，竖直滑轨架25也随之绕A_1轴转动。竖直滑轨架25上安装 有第二伺服电机21，第二伺服电机21的输出轴连接有竖直丝杆22，第二伺服电机21可带 动竖直丝杆22绕自身轴线旋转。竖直丝杆22上通过螺纹配合装设有竖直滑块23，这样当 竖直丝杆22旋转时，竖直滑块23将沿竖直丝杆22轴线上下平行移动。竖直滑块23与连 杆M的一端通过圆柱销铰接。转动滑轨3包括转动滑轨架33，转动滑轨架33的下部与竖直滑轨架25的上端通 过圆柱销铰接连接，该铰接轴26即为A_2轴。连杆M的另一端与转动滑轨架33的下部也 通过圆柱销铰接连接。这样，当第二伺服电机21工作时，竖直滑块23的上下移动带动连杆 24和转动滑轨3运动，转动滑轨3就可以随之绕竖直滑轨架25上的圆柱销铰接轴
轴)转动设定的角度。转动滑轨架33上安装有第三伺服电机30，第三伺服电机的输出轴连 接有转动丝杆31，第三伺服电机30可带动转动丝杆31绕自身轴线旋转。转动丝杆31上 通过螺纹配合安装有转动滑块32，转动滑块32与视觉探头4 一端固定连接，这样当转动丝 杆31旋转时，转动滑块32将沿转动丝杆31轴心线平行移动，从而带动视觉探头4在设定 的距离范围a3内移动。如图6所示，本测量装置通过竖直滑轨2的360°转动和转动滑轨3的0°到95° 的摆动，可以实现大于半球范围的光线探测区域。同时还可以通过机器视觉探头4沿A-3 轴在a3范围内的轴向平行移动，检测出外部光源的入射方向及其光斑的大小。视觉探头4包括光斑感应屏40和二维视觉传感器阵列和光学镜头组41。外部光 线依次经过光斑感应屏、光学镜头组、二维视觉传感器阵列，物距为前两者间的距离，像距 为后两者间的距离。表1是“一维传感器差分旋转定位光斑(现有技术采用，简称A方案)”与“二维 传感器阵列加光学镜头组定位光斑(本发明方案采用，简称B方案)”两种技术设计的性能 对比。表 权利要求
1.一种光学检测装置，其特征在于包括底座(1)、竖直滑轨O)、转动滑轨C3)和视觉 探头G)，所述视觉探头(4)包括视觉传感器阵列、光学镜头组和光斑感应屏；所述底座(1) 上安装有第一驱动机构，所述第一驱动机构与竖直滑轨O)的底端连接，并驱动竖直滑轨(2)绕底座(1)的竖直轴线水平旋转；所述竖直滑轨( 上安装有第二驱动机构，所述第二 驱动机构与转动滑轨C3)连接，并驱动转动滑轨C3)绕竖直滑轨( 上端的横向轴线在设 定角度范围内转动。
2.如权利要求1所述的光学检测装置，其特征在于所述转动滑轨(3)上安装有第三 驱动机构，所述第三驱动机构与视觉探头(4) 一端部连接，并驱动视觉探头(4)沿转动滑轨(3)的轴线平行移动。
3.如权利要求2所述的光学检测装置，其特征在于所述第一驱动机构包括安装在底 座⑴上的第一伺服电机(12)、与第一伺服电机(12)输出端固定的第一传动机构；所述竖 直滑轨( 包括竖直滑轨架0 和固定在竖直滑轨架0 底端的旋转杆( )，所述第一 传动机构的输出端与旋转杆08)固定。
4.如权利要求3所述的光学检测装置，其特征在于所述第一传动机构包括与第一伺 服电机输出轴连接的小齿轮(18)、与小齿轮啮合的大齿轮(17)、与大齿轮(17)同轴固定的 主轴(20)，所述旋转杆08)与主轴OO)固定连接。
5.如权利要求3所述的光学检测装置，其特征在于所述第二驱动机构包括安装在竖 直滑轨架0 上的第二伺服电机(21)、由第二伺服电机驱动旋转的竖直丝杆(22)、 与竖直丝杆0 螺纹配合的竖直滑块(23)、与竖直滑块铰接的连杆04)；所述转动 滑轨C3)包括转动滑轨架(33)，所述转动滑轨架(3 与竖直滑轨架0 通过连接轴06) 铰接，所述连杆04)的另一端与转动滑轨架(3 铰接。
6.如权利要求5所述的光学检测装置，其特征在于所述第三驱动机构包括安装在转 动滑轨架(3 上的第三伺服电机(30)、由第三伺服电机(30)驱动旋转的转动丝杆(31)、 与转动丝杆(31)螺纹配合的转动滑块(3 ；所述转动滑块(3 与视觉探头(4) 一端部固 定连接。
7.如权利要求1 6中任意一项所述的光学检测装置，其特征在于所述视觉传感器 阵列为二维视觉传感器阵列。
8.如权利要求7所述的光学检测装置，其特征在于所述底座(1)上还设有水平传感 器(19)，所述水平传感器(19)用于测量底座放置面与水平面的绝对角度偏差。
9.如权利要求7所述的光学检测装置，其特征在于在转动滑轨(3)的一端还装设有 定位指示激光光源(35)。
10.如权利要求9所述的光学检测装置，其特征在于在底座(1)、竖直滑轨( 或转动 滑轨C3)上还安装有用于遥控外置可控微型激光光源的遥控器⑵)。
全文摘要
本发明公开了一种光学检测装置，包括底座、竖直滑轨、转动滑轨和视觉探头；底座上安装有第一驱动机构，与竖直滑轨的底端连接，并驱动竖直滑轨绕底座的竖直轴线水平旋转；竖直滑轨上安装有第二驱动机构，与转动滑轨连接，并驱动转动滑轨绕竖直滑轨上端的横向轴线转动；转动滑轨上安装有第三驱动机构，与视觉探头一端部连接，并驱动视觉探头沿转动滑轨的轴线平行移动。本发明使用单个采样面即可捕捉到任意角度入射过来光斑信息，实现半球范围内无探测盲区，极大地方便了检测工作。不用移动检测装置就可以构建光束中心轴的空间直线方程，提高了检测精度。重量轻、体积小、检测时间短。尤其适用于医学放射、放疗设备的光学定位检测。
文档编号G01B11/24GK102072708SQ20101054626
公开日2011年5月25日 申请日期2010年11月16日 优先权日2010年11月16日
发明者杨诚 申请人:杨诚