一种具有计量转轴的高精度x射线显微镜扫描样品台

摘要

本发明公开了一种具有计量转轴的高精度x射线显微镜扫描样品台，扫描转台(2)安装在固定底座(1)上，固定底座(1)外部安装扫描转台(2)的驱动装置，驱动扫描转台(2)转动，扫描转台(2)上部固定安装三维定位平台(6)，固定底座(1)外侧安装传感器安装座(3)，传感器安装座(3)上分别安装z向跳动误差测量传感器(4)、x向跳动误差测量传感器(8)、第一摆动误差测量传感器(5)、第二摆动误差测量传感器(7)及第三摆动误差测量传感器(9)，根据各传感器测量误差的大小，可采用主动修正控制方法对扫描转台(2)进行误差修正，也可采用数学算法在三维图像重构过程中对跳动误差进行修正，即可减小或消除由转台转轴的位置误差精度而导致扫描图像失真问题。

说明书

技术领域

本发明属于显微CT扫描成像技术领域，特别涉及一种具有计量转轴的高精度x射线显微镜扫描样品台。

背景技术

近年来显微CT技术在科研和工业领域日益受到重视，其应用领域涵盖了新型材料、半导体/微电子、石油/采矿/地质、考古/文物、生物/医疗、生命科学、食品检测、空间技术、军工/国防等多个领域。因此，产品有着巨大的潜在市场规模。

由于x射线的穿透特点，使得复杂零件内部结构的测量成为可能。恰好弥补了三坐标测量机等传统精密测量仪器只能对外部尺寸进行测量的先天不足。

图1为x射线扫描成像原理图。X射线源发出的x射线穿透样品后进入成像系统，通过成像系统处理后即可获得扫描图像。实际中，由于扫描样品台的精度所限，在扫描过程中往往由于转轴的跳动和摆动，使得上述要求难以满足，导致图像的重构出现误差或失真。因而，样品台的转轴的位置精度对扫描后的成像是否存在失真起到至关重要的作用。CT扫描样品台的精度误差主要由关键零部件在其加工与装配过程中产生，导致样品在扫描过程中观测中心出现径向跳动、轴向跳动以及轴线摆动，转台旋转过程中转轴的位置误差将导致样品位置的偏移，进而导致成像误差。通用扫描样品台的精度一般难以满足高分辨率成像的需求，使得扫描结果与被扫描物体实际结构之间存在一定的失真，因此需要对扫描台转轴的跳动与摆动误差进行测量和修正。样品台转轴位置误差可分为五个分量，即沿x、y、z三个方向的跳动及绕x轴与z轴的摆动。现有扫描样品台未考虑这五个误差对图像重构的影响，导致扫描结果与被扫描物体实际结构之间存在一定的失真。

发明内容

本发明的主要目的是提供一种能减小或消除由转台转轴的位置精度误差而导致扫描图像失真的具有计量转轴的高精度x射线显微镜扫描样品台。

本发明的技术方案是：

一种具有计量转轴的高精度x射线显微镜扫描样品台，扫描转台(2)安装在固定底座(1)上，固定底座(1)外部安装扫描转台(2)的驱动装置，驱动扫描转台(2)转动，扫描转台(2)上部固定安装三维定位平台(6)，固定底座(1)外侧安装传感器安装座(3)，传感器安装座(3)上分别安装z向跳动误差测量传感器(4)、x向跳动误差测量传感器(8)、第一摆动误差测量传感器(5)、第二摆动误差测量传感器(7)及第三摆动误差测量传感器(9)，z向跳动误差传感器(4)用于测量样品台转轴的z向径向跳动误差，x向跳动误差测量传感器(8)用于测量样品台转轴的x向径向跳动误差，第一摆动误差测量传感器(5)、第二摆动误差测量传感器(7)及第三摆动误差测量传感器(9)用于测量样品台转轴轴向跳动及摆动误差。

所述的具有计量转轴的高精度x射线显微镜扫描样品台，所述三维定位平台(6)包括三个可分别沿x、y、z方向自由移动的平台，工作时z方向平台沿固定安装在扫描转台(2)上的导轨移动，x方向平台沿固定安装在z向平台上的导轨移动，y方向平台沿固定安装在x向平台上的导轨移动；通过调整三个平台的位置，实现对样品扫描位置三个方向的精确定位。

所述的具有计量转轴的高精度x射线显微镜扫描样品台，以所述扫描转台(2)圆心为基准，第一摆动误差测量传感器(5)与第二摆动误差测量传感器(7)夹角90°，第二摆动误差测量传感器(7)与第三摆动误差测量传感器(9)夹角成90°，第一摆动误差测量传感器(5)与第三摆动误差测量传感器(9)夹角180°，样品架(10)固定于y方向平台之上。

根据z向跳动误差测量传感器4、x向跳动误差测量传感器8、第一摆动误差测量传感器5、第二摆动误差测量传感器7及第三摆动误差测量传感器9对扫描转台2转轴测量误差的大小，可采用主动修正控制方法对扫描转台2进行误差修正，也可采用数学算法在三维图像重构过程中对跳动误差进行修正，即可减小或消除由转台转轴的位置误差精度而导致扫描图像失真问题。

附图说明

图1为x射线显微镜扫描成像原理图；

图2为本发明具有计量转轴的高精度x射线显微镜扫描样品台主视图；

图3为本发明具有计量转轴的高精度x射线显微镜扫描样品台俯视图；

图4为本发明具有计量转轴的高精度x射线显微镜扫描样品台立体图；

图5为本发明误差计算原理图；

1固定底座；2扫描转台；3传感器安装座；4z向跳动误差测量传感器；5第一摆动误差测量传感器；6三维定位平台；7第二摆动误差测量传感器；8x向跳动误差测量传感器；9第三摆动误差测量传感器；10样品架；11标定球。

具体实施方式

以下结合具体实施例，对本发明进行详细说明。

参阅图2～图4，扫描转台2安装在固定底座1上，固定底座1外部安装扫描转台2的驱动装置，可驱动扫描转台2转动。扫描转台2上部固定安装三维定位平台6，三维定位平台6包括三个可分别沿x、y、z方向自由移动的平台，工作时z方向平台可沿固定安装在扫描转台2上的导轨移动，x方向平台可沿固定安装在z向平台上的导轨移动，y方向平台可沿固定安装在x向平台上的导轨移动。通过调整三个平台的位置，即可实现对样品扫描位置三个方向的精确定位。固定底座1外侧安装传感器安装座3，传感器安装座3上分别安装z向跳动误差测量传感器4、x向跳动误差测量传感器8、第一摆动误差测量传感器5、第二摆动误差测量传感器7及第三摆动误差测量传感器9，z向跳动误差传感器4可测量样品台转轴的z向径向跳动误差，x向跳动误差测量传感器8可测量样品台转轴的x向径向跳动误差，第一摆动误差测量传感器5、第二摆动误差测量传感器7及第三摆动误差测量传感器9可测量样品台转轴轴向跳动及摆动误差，以扫描转台2圆心为基准，第一摆动误差测量传感器5与第二摆动误差测量传感器7夹角90°，第二摆动误差测量传感器7与第三摆动误差测量传感器9夹角成90°，第一摆动误差测量传感器5与第三摆动误差测量传感器9夹角180°，样品架10固定于y方向平台之上。

第一摆动误差测量传感器5、第二摆动误差测量传感器7及第三摆动误差测量传感器9分别安装在样品台正上方，对样品台的轴向误差跳动误差及摆动进行测量，采用上述三个传感器分别测量样品台上的三个点的位置坐标的变化，根据这三个点位置坐标的变化来计算样品台转轴的轴向跳动(y向的平动)误差与摆动误差(样品台的倾斜)大小，例如：如果这三个误差测量出的样品台的y向坐标大小一致，则说明样品台只发生了y向的轴向平动，无摆动发生，当测量三个点的y坐标大小不一致时，说明样品台发生了一定的倾斜，倾斜的角度α与β可通过这三个点的y坐标计算出来，采用这样的传感器布置才能准确计算出样品台误差的变化。

样品台工作时，可通过控制安装在固定底座1外侧的扫描样品台2的驱动装置实现样品的旋转运动；三维定位平台6的x、y、z三个自由度的运动可采用单独控制的方式进行每个自由度的单独调节。

标定时，将标准的标定球11放在样品架10上方，对标准的标定球11进行扫描，通过投影图像测量标定球11在扫描过程中的位置误差，推出传感器输出与转台误差之间的函数关系。在实测样品时利用此函数关系式，根据传感器的读出，获得实际样品的位置误差。

参阅图5，样品台工作过程中，z与x向误差测量传感器通过测量z与x方向平台的跳动大小获取扫描转台2转轴的径向跳动误差大小。扫描过程中若样品台发生y方向的移动或摆动，设发生移动或摆动样后，测量点的位置由基准面的A1、B1、C1变化至A2、B2、C2。根据A2点的坐标与B2点的坐标可求出D2点的坐标，D2点y坐标的值即为扫描样品台转轴的y向跳动误差，A2点与B2点z坐标之差即为扫描转台2转轴的z向跳动误差，A2点与B2点x坐标之差即为转轴的x向径向跳动误差，B2点与A2点y坐标之差与z坐标之差的比值即为扫描样品轴线在yoz平面内摆动误差α，D2点与C2点y坐标之差与z坐标之差的比值即为扫描样品轴线在yoz平面内摆动误差β，由此可准确计算扫描样品台的5个误差大小。(图中A1，B1，C1即图中底部三角形的三个顶点，A2，B2，C2是上面倾斜三角形的三个顶点，D1，D2是两直线与y轴的交点。)

根据z向跳动误差测量传感器4、x向跳动误差测量传感器8、第一摆动误差测量传感器5、第二摆动误差测量传感器7及第三摆动误差测量传感器9对扫描转台2转轴测量误差的大小，可采用主动修正控制方法对扫描转台2进行误差修正，也可采用数学算法在三维图像重构过程中对跳动误差进行修正，即可减小或消除由转台转轴的位置误差精度而导致扫描图像失真问题。在进行三维重构时，首先对对扫描获得的二维失真图像进行数学算法处理，将传感器测量的误差值带入将二维图像算法修正公式中，消除二维图像的偏移与摆动，再进行图像的三维重构，即可消除由误差导致的图像失真问题。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。