一種具有計量轉軸的高精度x射線顯微鏡掃描樣品臺的製作方法

2023-06-01 04:02:36

專利名稱：一種具有計量轉軸的高精度x射線顯微鏡掃描樣品臺的製作方法
技術領域：
本發明屬於顯微CT掃描成像技術領域，特別涉及ー種具有計量轉軸的高精度X射線顯微鏡掃描樣品臺。
背景技術：
近年來顯微CT技術在科研和エ業領域日益受到重視，其應用領域涵蓋了新型材料、半導體/微電子、石油/採礦/地質、考古/文物、生物/醫療、生命科學、食品檢測、空間技術、軍エ/國防等多個領域。因此，產品有著巨大的潛在市場規模。由於X射線的穿透特點，使得複雜零件內部結構的測量成為可能。恰好彌補了三 坐標測量機等傳統精密測量儀器只能對外部尺寸進行測量的先天不足。圖I為X射線掃描成像原理圖。X射線源發出的X射線穿透樣品後進入成像系統，通過成像系統處理後即可獲得掃描圖像。實際中，由於掃描樣品臺的精度所限，在掃描過程中往往由於轉軸的跳動和擺動，使得上述要求難以滿足，導致圖像的重構出現誤差或失真。因而，樣品臺的轉軸的位置精度對掃描後的成像是否存在失真起到至關重要的作用。CT掃描樣品臺的精度誤差主要由關鍵零部件在其加工與裝配過程中產生，導致樣品在掃描過程中觀測中心出現徑向跳動、軸向跳動以及軸線擺動，轉臺旋轉過程中轉軸的位置誤差將導致樣品位置的偏移，進而導致成像誤差。通用掃描樣品臺的精度一般難以滿足高解析度成像的需求，使得掃描結果與被掃描物體實際結構之間存在一定的失真，因此需要對掃描臺轉軸的跳動與擺動誤差進行測量和修正。樣品臺轉軸位置誤差可分為五個分量，即沿X、y、Z三個方向的跳動及繞X軸與Z軸的擺動。現有掃描樣品臺未考慮這五個誤差對圖像重構的影響，導致掃描結果與被掃描物體實際結構之間存在一定的失真。

發明內容
本發明的主要目的是提供一種能減小或消除由轉臺轉軸的位置精度誤差而導致掃描圖像失真的具有計量轉軸的高精度X射線顯微鏡掃描樣品臺。本發明的技術方案是—種具有計量轉軸的高精度X射線顯微鏡掃描樣品臺，掃描轉臺(2)安裝在固定底座(I)上，固定底座(I)外部安裝掃描轉臺(2)的驅動裝置，驅動掃描轉臺(2)轉動，掃描轉臺(2)上部固定安裝三維定位平臺(6)，固定底座(I)外側安裝傳感器安裝座(3)，傳感器安裝座⑶上分別安裝z向跳動誤差測量傳感器(4)、X向跳動誤差測量傳感器(8)、第一擺動誤差測量傳感器(5)、第二擺動誤差測量傳感器(7)及第三擺動誤差測量傳感器
(9), z向跳動誤差傳感器(4)用於測量樣品臺轉軸的z向徑向跳動誤差，X向跳動誤差測量傳感器(8)用於測量樣品臺轉軸的X向徑向跳動誤差，第一擺動誤差測量傳感器(5)、第二擺動誤差測量傳感器(7)及第三擺動誤差測量傳感器(9)用於測量樣品臺轉軸軸向跳動及擺動誤差。所述的具有計量轉軸的高精度X射線顯微鏡掃描樣品臺，所述三維定位平臺(6)包括三個可分別沿X、y、Z方向自由移動的平臺，工作時Z方向平臺沿固定安裝在掃描轉臺
(2)上的導軌移動，X方向平臺沿固定安裝在z向平臺上的導軌移動，y方向平臺沿固定安裝在X向平臺上的導軌移動；通過調整三個平臺的位置，實現對樣品掃描位置三個方向的精確定位。所述的具有計量轉軸的高精度X射線顯微鏡掃描樣品臺，以所述掃描轉臺(2)圓心為基準，第一擺動誤差測量傳感器(5)與第二擺動誤差測量傳感器(7)夾角90°，第二擺動誤差測量傳感器(7)與第三擺動誤差測量傳感器(9)夾角成90°，第一擺動誤差測量傳感器(5)與第三擺動誤差測量傳感器(9)夾角180°，樣品架(10)固定於y方向平臺之上。根據Z向跳動誤差測量傳感器4、X向跳動誤差測量傳感器8、第一擺動誤差測量傳感器5、第二擺動誤差測量傳感器7及第三擺動誤差測量傳感器9對掃描轉臺2轉軸測量誤差的大小，可採用主動修正控制方法對掃描轉臺2進行誤差修正，也可採用數學算法在 三維圖像重構過程中對跳動誤差進行修正，即可減小或消除由轉臺轉軸的位置誤差精度而導致掃描圖像失真問題。


圖I為X射線顯微鏡掃描成像原理圖；圖2為本發明具有計量轉軸的高精度X射線顯微鏡掃描樣品臺主視圖；圖3為本發明具有計量轉軸的高精度X射線顯微鏡掃描樣品臺俯視圖；圖4為本發明具有計量轉軸的高精度X射線顯微鏡掃描樣品臺立體圖；圖5為本發明誤差計算原理圖；I固定底座；2掃描轉臺；3傳感器安裝座；4z向跳動誤差測量傳感器；5第一擺動誤差測量傳感器；6三維定位平臺；7第二擺動誤差測量傳感器；8x向跳動誤差測量傳感器；9第三擺動誤差測量傳感器；10樣品架；11標定球。
具體實施例方式以下結合具體實施例，對本發明進行詳細說明。參閱圖2 圖4，掃描轉臺2安裝在固定底座I上，固定底座I外部安裝掃描轉臺2的驅動裝置，可驅動掃描轉臺2轉動。掃描轉臺2上部固定安裝三維定位平臺6，三維定位平臺6包括三個可分別沿X、Y、z方向自由移動的平臺，工作時z方向平臺可沿固定安裝在掃描轉臺2上的導軌移動，X方向平臺可沿固定安裝在z向平臺上的導軌移動，y方向平臺可沿固定安裝在X向平臺上的導軌移動。通過調整三個平臺的位置，即可實現對樣品掃描位置三個方向的精確定位。固定底座I外側安裝傳感器安裝座3，傳感器安裝座3上分別安裝z向跳動誤差測量傳感器4、X向跳動誤差測量傳感器8、第一擺動誤差測量傳感器5、第二擺動誤差測量傳感器7及第三擺動誤差測量傳感器9，z向跳動誤差傳感器4可測量樣品臺轉軸的z向徑向跳動誤差，X向跳動誤差測量傳感器8可測量樣品臺轉軸的X向徑向跳動誤差，第一擺動誤差測量傳感器5、第二擺動誤差測量傳感器7及第三擺動誤差測量傳感器9可測量樣品臺轉軸軸向跳動及擺動誤差，以掃描轉臺2圓心為基準，第一擺動誤差測量傳感器5與第二擺動誤差測量傳感器7夾角90°，第二擺動誤差測量傳感器7與第三擺動誤差測量傳感器9夾角成90°，第一擺動誤差測量傳感器5與第三擺動誤差測量傳感器9夾角180°，樣品架10固定於y方向平臺之上。第一擺動誤差測量傳感器5、第二擺動誤差測量傳感器7及第三擺動誤差測量傳感器9分別安裝在樣品臺正上方，對樣品臺的軸向誤差跳動誤差及擺動進行測量，採用上述三個傳感器分別測量樣品臺上的三個點的位置坐標的變化，根據這三個點位置坐標的變化來計算樣品臺轉軸的軸向跳動(y向的平動)誤差與擺動誤差(樣品臺的傾斜)大小，例如如果這三個誤差測量出的樣品臺的y向坐標大小一致，則說明樣品臺只發生了 I向的軸向平動，無擺動發生，當測量三個點的y坐標大小不一致吋，說明樣品臺發生了一定的傾斜，傾斜的角度α與β可通過這三個點的y坐標計算出來，採用這樣的傳感器布置才能準確計算出樣品臺誤差的變化。樣品臺工作時，可通過控制安裝在固定底座I外側的掃描樣品臺2的驅動裝置實現樣品的旋轉運動；三維定位平臺6的x、y、z三個自由度的運動可採用單獨控制的方式進 行每個自由度的単獨調節。標定時,將標準的標定球11放在樣品架10上方,對標準的標定球11進行掃描，通過投影圖像測量標定球11在掃描過程中的位置誤差，推出傳感器輸出與轉臺誤差之間的函數關係。在實測樣品時利用此函數關係式，根據傳感器的讀出，獲得實際樣品的位置誤差。參閱圖5，樣品臺工作過程中，z與X向誤差測量傳感器通過測量z與X方向平臺的跳動大小獲取掃描轉臺2轉軸的徑向跳動誤差大小。掃描過程中若樣品臺發生y方向的移動或擺動，設發生移動或擺動樣後，測量點的位置由基準面的Al、BI、Cl變化至A2、B2、C2。根據A2點的坐標與B2點的坐標可求出D2點的坐標，D2點y坐標的值即為掃描樣品臺轉軸的I向跳動誤差，A2點與B2點z坐標之差即為掃描轉臺2轉軸的z向跳動誤差，A2點與B2點X坐標之差即為轉軸的X向徑向跳動誤差,B2點與A2點y坐標之差與z坐標之差的比值即為掃描樣品軸線在yoz平面內擺動誤差a，D2點與C2點y坐標之差與z坐標之差的比值即為掃描樣品軸線在yoz平面內擺動誤差β，由此可準確計算掃描樣品臺的5個誤差大小。(圖中Al，BI，Cl即圖中底部三角形的三個頂點，Α2，Β2，C2是上面傾斜三角形的三個頂點，Dl, D2是兩直線與y軸的交點。)根據z向跳動誤差測量傳感器4、X向跳動誤差測量傳感器8、第一擺動誤差測量傳感器5、第二擺動誤差測量傳感器7及第三擺動誤差測量傳感器9對掃描轉臺2轉軸測量誤差的大小，可採用主動修正控制方法對掃描轉臺2進行誤差修正，也可採用數學算法在三維圖像重構過程中對跳動誤差進行修正，即可減小或消除由轉臺轉軸的位置誤差精度而導致掃描圖像失真問題。在進行三維重構吋，首先對對掃描獲得的ニ維失真圖像進行數學算法處理，將傳感器測量的誤差值帶入將ニ維圖像算法修正公式中，消除ニ維圖像的偏移與擺動，再進行圖像的三維重構，即可消除由誤差導致的圖像失真問題。應當理解的是，對本領域普通技術人員來說，可以根據上述說明加以改進或變換，而所有這些改進和變換都應屬於本發明所附權利要求的保護範圍。
權利要求
1.ー種具有計量轉軸的高精度X射線顯微鏡掃描樣品臺，其特徵在幹，掃描轉臺(2)安裝在固定底座(I)上，固定底座(I)外部安裝掃描轉臺(2)的驅動裝置，驅動掃描轉臺(2)轉動，掃描轉臺(2)上部固定安裝三維定位平臺(6)，固定底座(I)外側安裝傳感器安裝座(3)，傳感器安裝座(3)上分別安裝z向跳動誤差測量傳感器(4)、X向跳動誤差測量傳感器(8)、第一擺動誤差測量傳感器(5)、第二擺動誤差測量傳感器(7)及第三擺動誤差測量傳感器(9)，z向跳動誤差傳感器(4)用於測量樣品臺轉軸的z向徑向跳動誤差，X向跳動誤差測量傳感器(8)用於測量樣品臺轉軸的X向徑向跳動誤差，第一擺動誤差測量傳感器(5)、第二擺動誤差測量傳感器(7)及第三擺動誤差測量傳感器(9)用於測量樣品臺轉軸軸向跳動及擺動誤差，根據z向跳動誤差測量傳感器(4)、x向跳動誤差測量傳感器(8)、第一擺動誤差測量傳感器(5)、第二擺動誤差測量傳感器(7)及第三擺動誤差測量傳感器(9)對掃描轉臺(2)轉軸測量誤差的大小，採用主動修正控制方法對掃描轉臺(2)進行誤差修正，後者採用數學算法在三維圖像重構過程中對跳動誤差進行修正，即可以減小或消除由轉臺轉軸的位置誤差精度而導致掃描圖像失真問題。
2.根據權利要求I所述的具有計量轉軸的高精度X射線顯微鏡掃描樣品臺，其特徵在於，所述三維定位平臺(6)包括三個可分別沿x、y、z方向自由移動的平臺，工作時z方向平臺沿固定安裝在掃描轉臺(2)上的導軌移動，X方向平臺沿固定安裝在z向平臺上的導軌移動，y方向平臺沿固定安裝在X向平臺上的導軌移動；通過調整三個平臺的位置，實現對樣品掃描位置三個方向的精確定位。
3.根據權利要求I所述的具有計量轉軸的高精度X射線顯微鏡掃描樣品臺，其特徵在幹，以所述掃描轉臺(2)圓心為基準，第一擺動誤差測量傳感器(5)與第二擺動誤差測量傳感器(7)夾角90°，第二擺動誤差測量傳感器(7)與第三擺動誤差測量傳感器(9)夾角成90°，第一擺動誤差測量傳感器(5)與第三擺動誤差測量傳感器(9)夾角180°，樣品架(10)固定於y方向平臺之上。
全文摘要
本發明公開了一種具有計量轉軸的高精度x射線顯微鏡掃描樣品臺，掃描轉臺(2)安裝在固定底座(1)上，固定底座(1)外部安裝掃描轉臺(2)的驅動裝置，驅動掃描轉臺(2)轉動，掃描轉臺(2)上部固定安裝三維定位平臺(6)，固定底座(1)外側安裝傳感器安裝座(3)，傳感器安裝座(3)上分別安裝z向跳動誤差測量傳感器(4)、x向跳動誤差測量傳感器(8)、第一擺動誤差測量傳感器(5)、第二擺動誤差測量傳感器(7)及第三擺動誤差測量傳感器(9)，根據各傳感器測量誤差的大小，可採用主動修正控制方法對掃描轉臺(2)進行誤差修正，也可採用數學算法在三維圖像重構過程中對跳動誤差進行修正，即可減小或消除由轉臺轉軸的位置誤差精度而導致掃描圖像失真問題。
文檔編號G01N23/04GK102692421SQ20121020099
公開日2012年9月26日 申請日期2012年6月18日 優先權日2012年6月18日
發明者董友, 須穎 申請人:東營市三英精密工程研究中心