專利名稱：一種具有計(jì)量轉(zhuǎn)軸的高精度x射線顯微鏡掃描樣品臺(tái)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于顯微CT掃描成像技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種具有計(jì)量轉(zhuǎn)軸的高精度X射線顯微鏡掃描樣品臺(tái)。
背景技術(shù)：
近年來(lái)顯微CT技術(shù)在科研和工業(yè)領(lǐng)域日益受到重視，其應(yīng)用領(lǐng)域涵蓋了新型材料、半導(dǎo)體/微電子、石油/采礦/地質(zhì)、考古/文物、生物/醫(yī)療、生命科學(xué)、食品檢測(cè)、空間技術(shù)、軍工/國(guó)防等多個(gè)領(lǐng)域。因此，產(chǎn)品有著巨大的潛在市場(chǎng)規(guī)模。由于X射線的穿透特點(diǎn)，使得復(fù)雜零件內(nèi)部結(jié)構(gòu)的測(cè)量成為可能。恰好彌補(bǔ)了三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)等傳統(tǒng)精密測(cè)量?jī)x器只能對(duì)外部尺寸進(jìn)行測(cè)量的先天不足。 圖I為X射線掃描成像原理圖。X射線源發(fā)出的X射線穿透樣品后進(jìn)入成像系統(tǒng)，通過(guò)成像系統(tǒng)處理后即可獲得掃描圖像。實(shí)際中，由于掃描樣品臺(tái)的精度所限，在掃描過(guò)程中往往由于轉(zhuǎn)軸的跳動(dòng)和擺動(dòng)，使得上述要求難以滿足，導(dǎo)致圖像的重構(gòu)出現(xiàn)誤差或失真。因而，樣品臺(tái)的轉(zhuǎn)軸的位置精度對(duì)掃描后的成像是否存在失真起到至關(guān)重要的作用。CT掃描樣品臺(tái)的精度誤差主要由關(guān)鍵零部件在其加工與裝配過(guò)程中產(chǎn)生，導(dǎo)致樣品在掃描過(guò)程中觀測(cè)中心出現(xiàn)徑向跳動(dòng)、軸向跳動(dòng)以及軸線擺動(dòng)，轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)過(guò)程中轉(zhuǎn)軸的位置誤差將導(dǎo)致樣品位置的偏移，進(jìn)而導(dǎo)致成像誤差。通用掃描樣品臺(tái)的精度一般難以滿足高分辨率成像的需求，使得掃描結(jié)果與被掃描物體實(shí)際結(jié)構(gòu)之間存在一定的失真，因此需要對(duì)掃描臺(tái)轉(zhuǎn)軸的跳動(dòng)與擺動(dòng)誤差進(jìn)行測(cè)量和修正。樣品臺(tái)轉(zhuǎn)軸位置誤差可分為五個(gè)分量，即沿x、y、Z三個(gè)方向的跳動(dòng)及繞X軸與Z軸的擺動(dòng)?，F(xiàn)有掃描樣品臺(tái)未考慮這五個(gè)誤差對(duì)圖像重構(gòu)的影響，導(dǎo)致掃描結(jié)果與被掃描物體實(shí)際結(jié)構(gòu)之間存在一定的失真。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的主要目的是提供一種能減小或消除由轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)軸的位置精度誤差而導(dǎo)致掃描圖像失真的具有計(jì)量轉(zhuǎn)軸的高精度X射線顯微鏡掃描樣品臺(tái)。本實(shí)用新型的技術(shù)方案是—種具有計(jì)量轉(zhuǎn)軸的高精度X射線顯微鏡掃描樣品臺(tái)，掃描轉(zhuǎn)臺(tái)(2)安裝在固定底座(I)上，固定底座(I)外部安裝掃描轉(zhuǎn)臺(tái)(2)的驅(qū)動(dòng)裝置，驅(qū)動(dòng)掃描轉(zhuǎn)臺(tái)(2)轉(zhuǎn)動(dòng)，掃描轉(zhuǎn)臺(tái)(2)上部固定安裝三維定位平臺(tái)(6)，固定底座(I)外側(cè)安裝傳感器安裝座(3)，傳感器安裝座⑶上分別安裝z向跳動(dòng)誤差測(cè)量傳感器(4)、X向跳動(dòng)誤差測(cè)量傳感器(8)、第一擺動(dòng)誤差測(cè)量傳感器(5)、第二擺動(dòng)誤差測(cè)量傳感器(7)及第三擺動(dòng)誤差測(cè)量傳感器
(9), z向跳動(dòng)誤差傳感器(4)用于測(cè)量樣品臺(tái)轉(zhuǎn)軸的z向徑向跳動(dòng)誤差，X向跳動(dòng)誤差測(cè)量傳感器(8)用于測(cè)量樣品臺(tái)轉(zhuǎn)軸的X向徑向跳動(dòng)誤差，第一擺動(dòng)誤差測(cè)量傳感器(5)、第二擺動(dòng)誤差測(cè)量傳感器(7)及第三擺動(dòng)誤差測(cè)量傳感器(9)用于測(cè)量樣品臺(tái)轉(zhuǎn)軸軸向跳動(dòng)及擺動(dòng)誤差。所述的具有計(jì)量轉(zhuǎn)軸的高精度X射線顯微鏡掃描樣品臺(tái)，所述三維定位平臺(tái)(6)包括三個(gè)可分別沿X、y、Z方向自由移動(dòng)的平臺(tái)，工作時(shí)Z方向平臺(tái)沿固定安裝在掃描轉(zhuǎn)臺(tái)
(2)上的導(dǎo)軌移動(dòng)，X方向平臺(tái)沿固定安裝在z向平臺(tái)上的導(dǎo)軌移動(dòng)，y方向平臺(tái)沿固定安裝在X向平臺(tái)上的導(dǎo)軌移動(dòng)；通過(guò)調(diào)整三個(gè)平臺(tái)的位置，實(shí)現(xiàn)對(duì)樣品掃描位置三個(gè)方向的精確定位。所述的具有計(jì)量轉(zhuǎn)軸的高精度X射線顯微鏡掃描樣品臺(tái)，以所述掃描轉(zhuǎn)臺(tái)(2)圓心為基準(zhǔn)，第一擺動(dòng)誤差測(cè)量傳感器(5)與第二擺動(dòng)誤差測(cè)量傳感器(7)夾角90°，第二擺動(dòng)誤差測(cè)量傳感器(7)與第三擺動(dòng)誤差測(cè)量傳感器(9)夾角成90°，第一擺動(dòng)誤差測(cè)量傳感器(5)與第三擺動(dòng)誤差測(cè)量傳感器(9)夾角180°，樣品架(10)固定于y方向平臺(tái)之上。根據(jù)Z向跳動(dòng)誤差測(cè)量傳感器4、X向跳動(dòng)誤差測(cè)量傳感器8、第一擺動(dòng)誤差測(cè)量傳感器5、第二擺動(dòng)誤差測(cè)量傳感器7及第三擺動(dòng)誤差測(cè)量傳感器9對(duì)掃描轉(zhuǎn)臺(tái)2轉(zhuǎn)軸測(cè)量誤差的大小，可采用主動(dòng)修正控制方法對(duì)掃描轉(zhuǎn)臺(tái)2進(jìn)行誤差修正，也可采用數(shù)學(xué)算法在三維圖像重構(gòu)過(guò)程中對(duì)跳動(dòng)誤差進(jìn)行修正，即可減小或消除由轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)軸的位置誤差精度而·導(dǎo)致掃描圖像失真問(wèn)題。

圖I為X射線顯微鏡掃描成像原理圖；圖2為本實(shí)用新型具有計(jì)量轉(zhuǎn)軸的高精度X射線顯微鏡掃描樣品臺(tái)主視圖；圖3為本實(shí)用新型具有計(jì)量轉(zhuǎn)軸的高精度X射線顯微鏡掃描樣品臺(tái)俯視圖；圖4為本實(shí)用新型具有計(jì)量轉(zhuǎn)軸的高精度X射線顯微鏡掃描樣品臺(tái)立體圖；圖5為本實(shí)用新型誤差計(jì)算原理圖；I固定底座；2掃描轉(zhuǎn)臺(tái)；3傳感器安裝座；4z向跳動(dòng)誤差測(cè)量傳感器；5第一擺動(dòng)誤差測(cè)量傳感器；6三維定位平臺(tái)；7第二擺動(dòng)誤差測(cè)量傳感器；8x向跳動(dòng)誤差測(cè)量傳感器；9第三擺動(dòng)誤差測(cè)量傳感器；10樣品架；11標(biāo)定球。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合具體實(shí)施例，對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。參閱圖2 圖4，掃描轉(zhuǎn)臺(tái)2安裝在固定底座I上，固定底座I外部安裝掃描轉(zhuǎn)臺(tái)2的驅(qū)動(dòng)裝置，可驅(qū)動(dòng)掃描轉(zhuǎn)臺(tái)2轉(zhuǎn)動(dòng)。掃描轉(zhuǎn)臺(tái)2上部固定安裝三維定位平臺(tái)6，三維定位平臺(tái)6包括三個(gè)可分別沿X、Y、z方向自由移動(dòng)的平臺(tái)，工作時(shí)z方向平臺(tái)可沿固定安裝在掃描轉(zhuǎn)臺(tái)2上的導(dǎo)軌移動(dòng)，X方向平臺(tái)可沿固定安裝在z向平臺(tái)上的導(dǎo)軌移動(dòng)，y方向平臺(tái)可沿固定安裝在X向平臺(tái)上的導(dǎo)軌移動(dòng)。通過(guò)調(diào)整三個(gè)平臺(tái)的位置，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)樣品掃描位置三個(gè)方向的精確定位。固定底座I外側(cè)安裝傳感器安裝座3，傳感器安裝座3上分別安裝z向跳動(dòng)誤差測(cè)量傳感器4、X向跳動(dòng)誤差測(cè)量傳感器8、第一擺動(dòng)誤差測(cè)量傳感器5、第二擺動(dòng)誤差測(cè)量傳感器7及第三擺動(dòng)誤差測(cè)量傳感器9，z向跳動(dòng)誤差傳感器4可測(cè)量樣品臺(tái)轉(zhuǎn)軸的z向徑向跳動(dòng)誤差，X向跳動(dòng)誤差測(cè)量傳感器8可測(cè)量樣品臺(tái)轉(zhuǎn)軸的X向徑向跳動(dòng)誤差，第一擺動(dòng)誤差測(cè)量傳感器5、第二擺動(dòng)誤差測(cè)量傳感器7及第三擺動(dòng)誤差測(cè)量傳感器9可測(cè)量樣品臺(tái)轉(zhuǎn)軸軸向跳動(dòng)及擺動(dòng)誤差，以掃描轉(zhuǎn)臺(tái)2圓心為基準(zhǔn)，第一擺動(dòng)誤差測(cè)量傳感器5與第二擺動(dòng)誤差測(cè)量傳感器7夾角90°，第二擺動(dòng)誤差測(cè)量傳感器7與第三擺動(dòng)誤差測(cè)量傳感器9夾角成90°第一擺動(dòng)誤差測(cè)量傳感器5與第三擺動(dòng)誤差測(cè)量傳感器9夾角180°，樣品架10固定于y方向平臺(tái)之上。第一擺動(dòng)誤差測(cè)量傳感器5、第二擺動(dòng)誤差測(cè)量傳感器7及第三擺動(dòng)誤差測(cè)量傳感器9分別安裝在樣品臺(tái)正上方，對(duì)樣品臺(tái)的軸向誤差跳動(dòng)誤差及擺動(dòng)進(jìn)行測(cè)量，采用上述三個(gè)傳感器分別測(cè)量樣品臺(tái)上的三個(gè)點(diǎn)的位置坐標(biāo)的變化，根據(jù)這三個(gè)點(diǎn)位置坐標(biāo)的變化來(lái)計(jì)算樣品臺(tái)轉(zhuǎn)軸的軸向跳動(dòng)(y向的平動(dòng))誤差與擺動(dòng)誤差(樣品臺(tái)的傾斜)大小，例如如果這三個(gè)誤差測(cè)量出的樣品臺(tái)的y向坐標(biāo)大小一致，則說(shuō)明樣品臺(tái)只發(fā)生了 I向的軸向平動(dòng)，無(wú)擺動(dòng)發(fā)生，當(dāng)測(cè)量三個(gè)點(diǎn)的y坐標(biāo)大小不一致時(shí)，說(shuō)明樣品臺(tái)發(fā)生了一定的傾斜，傾斜的角度a與P可通過(guò)這三個(gè)點(diǎn)的y坐標(biāo)計(jì)算出來(lái)，采用這樣的傳感器布置才能準(zhǔn)確計(jì)算出樣品臺(tái)誤差的變化。樣品臺(tái)工作時(shí)，可通過(guò)控制安裝在固定底座I外側(cè)的掃描樣品臺(tái)2的驅(qū)動(dòng)裝置實(shí)現(xiàn)樣品的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；三維定位平臺(tái)6的x、y、z三個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)可采用單獨(dú)控制的方式進(jìn) 行每個(gè)自由度的單獨(dú)調(diào)節(jié)。標(biāo)定時(shí),將標(biāo)準(zhǔn)的標(biāo)定球11放在樣品架10上方,對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的標(biāo)定球11進(jìn)行掃描，通過(guò)投影圖像測(cè)量標(biāo)定球11在掃描過(guò)程中的位置誤差，推出傳感器輸出與轉(zhuǎn)臺(tái)誤差之間的函數(shù)關(guān)系。在實(shí)測(cè)樣品時(shí)利用此函數(shù)關(guān)系式，根據(jù)傳感器的讀出，獲得實(shí)際樣品的位置誤差。參閱圖5，樣品臺(tái)工作過(guò)程中，z與X向誤差測(cè)量傳感器通過(guò)測(cè)量z與X方向平臺(tái)的跳動(dòng)大小獲取掃描轉(zhuǎn)臺(tái)2轉(zhuǎn)軸的徑向跳動(dòng)誤差大小。掃描過(guò)程中若樣品臺(tái)發(fā)生y方向的移動(dòng)或擺動(dòng)，設(shè)發(fā)生移動(dòng)或擺動(dòng)樣后，測(cè)量點(diǎn)的位置由基準(zhǔn)面的Al、BI、Cl變化至A2、B2、C2。根據(jù)A2點(diǎn)的坐標(biāo)與B2點(diǎn)的坐標(biāo)可求出D2點(diǎn)的坐標(biāo)，D2點(diǎn)y坐標(biāo)的值即為掃描樣品臺(tái)轉(zhuǎn)軸的I向跳動(dòng)誤差，A2點(diǎn)與B2點(diǎn)z坐標(biāo)之差即為掃描轉(zhuǎn)臺(tái)2轉(zhuǎn)軸的z向跳動(dòng)誤差，A2點(diǎn)與B2點(diǎn)X坐標(biāo)之差即為轉(zhuǎn)軸的X向徑向跳動(dòng)誤差,B2點(diǎn)與A2點(diǎn)y坐標(biāo)之差與z坐標(biāo)之差的比值即為掃描樣品軸線在yoz平面內(nèi)擺動(dòng)誤差a，D2點(diǎn)與C2點(diǎn)y坐標(biāo)之差與z坐標(biāo)之差的比值即為掃描樣品軸線在yoz平面內(nèi)擺動(dòng)誤差P，由此可準(zhǔn)確計(jì)算掃描樣品臺(tái)的5個(gè)誤差大小。(圖中Al，BI，Cl即圖中底部三角形的三個(gè)頂點(diǎn)，A2，B2，C2是上面傾斜三角形的三個(gè)頂點(diǎn)，Dl, D2是兩直線與y軸的交點(diǎn)。)根據(jù)z向跳動(dòng)誤差測(cè)量傳感器4、X向跳動(dòng)誤差測(cè)量傳感器8、第一擺動(dòng)誤差測(cè)量傳感器5、第二擺動(dòng)誤差測(cè)量傳感器7及第三擺動(dòng)誤差測(cè)量傳感器9對(duì)掃描轉(zhuǎn)臺(tái)2轉(zhuǎn)軸測(cè)量誤差的大小，可采用主動(dòng)修正控制方法對(duì)掃描轉(zhuǎn)臺(tái)2進(jìn)行誤差修正，也可采用數(shù)學(xué)算法在三維圖像重構(gòu)過(guò)程中對(duì)跳動(dòng)誤差進(jìn)行修正，即可減小或消除由轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)軸的位置誤差精度而導(dǎo)致掃描圖像失真問(wèn)題。在進(jìn)行三維重構(gòu)時(shí)，首先對(duì)對(duì)掃描獲得的二維失真圖像進(jìn)行數(shù)學(xué)算法處理，將傳感器測(cè)量的誤差值帶入將二維圖像算法修正公式中，消除二維圖像的偏移與擺動(dòng)，再進(jìn)行圖像的三維重構(gòu)，即可消除由誤差導(dǎo)致的圖像失真問(wèn)題。應(yīng)當(dāng)理解的是，對(duì)本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，可以根據(jù)上述說(shuō)明加以改進(jìn)或變換，而所有這些改進(jìn)和變換都應(yīng)屬于本實(shí)用新型所附權(quán)利要求的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求1.一種具有計(jì)量轉(zhuǎn)軸的高精度X射線顯微鏡掃描樣品臺(tái)，其特征在于，掃描轉(zhuǎn)臺(tái)(2)安裝在固定底座(I)上，固定底座(I)外部安裝掃描轉(zhuǎn)臺(tái)(2)的驅(qū)動(dòng)裝置，驅(qū)動(dòng)掃描轉(zhuǎn)臺(tái)(2)轉(zhuǎn)動(dòng)，掃描轉(zhuǎn)臺(tái)(2)上部固定安裝三維定位平臺(tái)(6)，固定底座(I)外側(cè)安裝傳感器安裝座(3)，傳感器安裝座(3)上分別安裝z向跳動(dòng)誤差測(cè)量傳感器(4)、X向跳動(dòng)誤差測(cè)量傳感器(8)、第一擺動(dòng)誤差測(cè)量傳感器(5)、第二擺動(dòng)誤差測(cè)量傳感器(7)及第三擺動(dòng)誤差測(cè)量傳感器(9)，z向跳動(dòng)誤差傳感器(4)用于測(cè)量樣品臺(tái)轉(zhuǎn)軸的z向徑向跳動(dòng)誤差，X向跳動(dòng)誤差測(cè)量傳感器(8)用于測(cè)量樣品臺(tái)轉(zhuǎn)軸的X向徑向跳動(dòng)誤差，第一擺動(dòng)誤差測(cè)量傳感器(5)、第二擺動(dòng)誤差測(cè)量傳感器(7)及第三擺動(dòng)誤差測(cè)量傳感器(9)用于測(cè)量樣品臺(tái)轉(zhuǎn)軸軸向跳動(dòng)及擺動(dòng)誤差。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的具有計(jì)量轉(zhuǎn)軸的高精度X射線顯微鏡掃描樣品臺(tái)，其特征在于，所述三維定位平臺(tái)(6)包括三個(gè)可分別沿x、y、z方向自由移動(dòng)的平臺(tái)。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的具有計(jì)量轉(zhuǎn)軸的高精度X射線顯微鏡掃描樣品臺(tái)，其特征在于，以所述掃描轉(zhuǎn)臺(tái)(2)圓心為基準(zhǔn)，第一擺動(dòng)誤差測(cè)量傳感器(5)與第二擺動(dòng)誤差測(cè)量傳感器(7)夾角90°，第二擺動(dòng)誤差測(cè)量傳感器(7)與第三擺動(dòng)誤差測(cè)量傳感器(9)夾角成90°，第一擺動(dòng)誤差測(cè)量傳感器(5)與第三擺動(dòng)誤差測(cè)量傳感器(9)夾角180°，樣品架(10)固定于y方向平臺(tái)之上。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種具有計(jì)量轉(zhuǎn)軸的高精度x射線顯微鏡掃描樣品臺(tái)，掃描轉(zhuǎn)臺(tái)(2)安裝在固定底座(1)上，固定底座(1)外部安裝掃描轉(zhuǎn)臺(tái)(2)的驅(qū)動(dòng)裝置，驅(qū)動(dòng)掃描轉(zhuǎn)臺(tái)(2)轉(zhuǎn)動(dòng)，掃描轉(zhuǎn)臺(tái)(2)上部固定安裝三維定位平臺(tái)(6)，固定底座(1)外側(cè)安裝傳感器安裝座(3)，傳感器安裝座(3)上分別安裝z向跳動(dòng)誤差測(cè)量傳感器(4)、x向跳動(dòng)誤差測(cè)量傳感器(8)、第一擺動(dòng)誤差測(cè)量傳感器(5)、第二擺動(dòng)誤差測(cè)量傳感器(7)及第三擺動(dòng)誤差測(cè)量傳感器(9)，根據(jù)各傳感器測(cè)量誤差的大小，可采用主動(dòng)修正控制方法對(duì)掃描轉(zhuǎn)臺(tái)(2)進(jìn)行誤差修正，也可采用數(shù)學(xué)算法在三維圖像重構(gòu)過(guò)程中對(duì)跳動(dòng)誤差進(jìn)行修正，即可減小或消除由轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)軸的位置誤差精度而導(dǎo)致掃描圖像失真問(wèn)題。
文檔編號(hào)G01N23/04GK202631459SQ20122028720
公開日2012年12月26日 申請(qǐng)日期2012年6月18日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月18日
發(fā)明者須穎, 董友 申請(qǐng)人:東營(yíng)市三英精密工程研究中心