專利名稱：一種計(jì)量型高精度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，特別涉及一種計(jì)量型高精度X射線顯微鏡掃描樣品臺(tái)。
背景技術(shù)：
近年來顯微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)，通過成像系統(tǒng)處理后即可獲得掃描圖像。掃描樣品臺(tái)在掃描過程中，理論上必須保持X射線光束中軸、樣品觀測(cè)中心點(diǎn)及成像系統(tǒng)中心相對(duì)位置保持不變。實(shí)際中，由于掃描樣品臺(tái)的精度所限，在掃描過程中往往由于轉(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程中產(chǎn)生，導(dǎo)致樣品在掃描過程中觀測(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、I、Z三個(gè)方向的跳動(dòng)及繞X軸與Z軸的擺動(dòng)。由于X射線顯微系統(tǒng)的成像特點(diǎn)，沿X方向的轉(zhuǎn)軸跳動(dòng)誤差與沿z軸的軸線擺動(dòng)誤差對(duì)成像精度影響不大，一般可以忽略不計(jì)，本實(shí)用新型中配置的傳感器系統(tǒng)只測(cè)量I與z方向的跳動(dòng)與沿X軸的軸線擺動(dòng)誤差，并對(duì)樣品臺(tái)在這三個(gè)方向的誤差進(jìn)行修正。

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)致掃描圖像失真的計(jì)量型高精度X射線顯微鏡掃描樣品臺(tái)。本實(shí)用新型的技術(shù)方案是一種計(jì)量型高精度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，掃描轉(zhuǎn)臺(tái)(2)提供被掃描樣品所需的旋轉(zhuǎn)掃描運(yùn)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)上分別安裝徑向跳動(dòng)誤差測(cè)量傳感器(4)與軸向跳動(dòng)誤差和擺動(dòng)誤差測(cè)量傳感器組(5)，樣品架(8)固定于y方向平臺(tái)之上；軸向跳動(dòng)誤差和擺動(dòng)誤差測(cè)量傳感器組(5)包括兩個(gè)傳感器，所述兩個(gè)傳感器沿固定底座(I)的對(duì)稱中心對(duì)稱分布；所述兩個(gè)傳感器輸出值的平均值即為測(cè)得的掃描轉(zhuǎn)臺(tái)(2)的軸向跳動(dòng)誤差；所述兩個(gè)傳感器輸出值的差值即為掃描轉(zhuǎn)臺(tái)(2)的擺動(dòng)誤差；徑向跳動(dòng)誤差測(cè)量傳感器(4)用于測(cè)量出掃描過程中掃描轉(zhuǎn)臺(tái)(2)轉(zhuǎn)軸發(fā)生徑向跳動(dòng)引起的徑向跳動(dòng)誤差；根據(jù)所述軸向跳動(dòng)誤差、所述擺動(dòng)誤差、所述徑向跳動(dòng)誤差，消除由誤差導(dǎo)致的圖像失真。所述的掃描樣品臺(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)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。所述的掃描樣品臺(tái)，所述三維定位平臺(tái)(6)采用橋式結(jié)構(gòu)，y方向移動(dòng)主要在掃描轉(zhuǎn)臺(tái)(2)的中空內(nèi)移動(dòng)，降低了掃描樣品臺(tái)的高度。根據(jù)徑向誤差測(cè)量傳感器與軸向誤差和擺動(dòng)誤差測(cè)量傳感器的測(cè)量數(shù)據(jù)，可采用主動(dòng)修正控制方法對(duì)掃描轉(zhuǎn)臺(tái)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)過程中對(duì)跳動(dòng)誤差進(jìn)行修正?！?br> 圖I為X射線顯微鏡掃描成像原理圖；圖2為本實(shí)用新型計(jì)量型高精度X射線顯微鏡掃描樣品臺(tái)結(jié)構(gòu)主視圖；圖3為本實(shí)用新型計(jì)量型高精度X射線顯微鏡掃描樣品臺(tái)結(jié)構(gòu)俯視圖；圖4為本實(shí)用新型計(jì)量型高精度X射線顯微鏡掃描樣品結(jié)構(gòu)臺(tái)立體圖；圖5為本實(shí)用新型誤差計(jì)算原理圖。I底座；2掃描轉(zhuǎn)臺(tái)；3傳感器安裝座；4徑向跳動(dòng)誤差測(cè)量傳感器；5軸向跳動(dòng)誤差和擺動(dòng)誤差測(cè)量傳感器組；6三維定位平臺(tái)；7標(biāo)定球；8樣品架。
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)說明。參閱圖2 圖4，掃描轉(zhuǎn)臺(tái)2安裝在固定底座I上，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)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上分別安裝徑向跳動(dòng)誤差測(cè)量傳感器4與軸向跳動(dòng)誤差和擺動(dòng)誤差測(cè)量傳感器組5，樣品架8固定于y方向平臺(tái)之上。掃描前，樣品可通過三維定位平臺(tái)6在x、y、z三個(gè)自由度方向進(jìn)行調(diào)整，實(shí)現(xiàn)樣品的精確定位。掃描樣品時(shí)，可通過控制安裝在固定底座I上的掃描轉(zhuǎn)臺(tái)2實(shí)現(xiàn)樣品的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。標(biāo)定時(shí),將標(biāo)準(zhǔn)的標(biāo)定球7放在樣品架8上方,對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的標(biāo)定球7進(jìn)行掃描,通過投影圖像測(cè)量標(biāo)定球7在掃描過程中的位置誤差，推出各傳感器輸出與掃描轉(zhuǎn)臺(tái)2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)各傳感器的讀出，獲得實(shí)際樣品的位
置誤差。參閱圖5，軸向跳動(dòng)誤差和擺動(dòng)誤差測(cè)量傳感器組5包括兩個(gè)傳感器，這兩個(gè)傳感器沿固定底座I的對(duì)稱中心對(duì)稱分布。兩個(gè)傳感器輸出值的平均值即為測(cè)得的掃描轉(zhuǎn)臺(tái)2的軸向(圖中y軸方向)跳動(dòng)誤差；兩個(gè)傳感器輸出值的差值即為掃描轉(zhuǎn)臺(tái)2的擺動(dòng)誤差。工作過程中，徑向跳動(dòng)誤差測(cè)量傳感器4通過測(cè)量z方向平臺(tái)的跳動(dòng)大小獲取掃描轉(zhuǎn)臺(tái)2的徑向跳動(dòng)誤差。軸向跳動(dòng)誤差和擺動(dòng)誤差測(cè)量傳感器組5沿z方向分別安放在掃描樣品臺(tái)兩端，掃描過程中若掃描轉(zhuǎn)臺(tái)2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)時(shí)樣品臺(tái)位置由基準(zhǔn)面Al-Bl移動(dòng)至A2-B2平面，則A2點(diǎn)與B2點(diǎn)沿z方向的坐標(biāo)變化即為轉(zhuǎn)軸的z方向跳動(dòng)誤差，y方向坐標(biāo)的均值即為樣品臺(tái)轉(zhuǎn)軸y方向的軸向跳動(dòng)誤差，I方向坐標(biāo)的差值即為轉(zhuǎn)軸的擺動(dòng)誤差9。若掃描過程中掃描轉(zhuǎn)臺(tái)2的轉(zhuǎn)軸發(fā)生徑向跳動(dòng)、軸向跳動(dòng)與擺動(dòng)，則掃描成像后獲得的二維成像圖像與掃描樣品內(nèi)部實(shí)際結(jié)構(gòu)之 間存在一定的偏移或擺動(dòng)，若采用這些帶有偏移或擺動(dòng)的二維圖像進(jìn)行三維重構(gòu)，則生成的三維圖像必定存在失真。本實(shí)用新型根據(jù)徑向跳動(dòng)誤差測(cè)量傳感器與軸向跳動(dòng)誤差和擺動(dòng)誤差測(cè)量傳感器組5的測(cè)量誤差，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)致掃描圖像失真問題。若掃描過程中掃描轉(zhuǎn)臺(tái)2轉(zhuǎn)軸發(fā)生徑向跳動(dòng)，則徑向跳動(dòng)誤差測(cè)量傳感器4可測(cè)量出該誤差的大小，將該誤差值反饋至控制器中，控制器控制三維定位平臺(tái)6向跳動(dòng)誤差相反方向移動(dòng)，移動(dòng)位移的大小與跳動(dòng)誤差相等，即可消除誤差對(duì)圖像的影響；若掃描過程中樣品臺(tái)轉(zhuǎn)軸發(fā)生徑向跳動(dòng)、軸向跳動(dòng)與擺動(dòng)，則徑向跳動(dòng)誤差測(cè)量傳感器4與軸向跳動(dòng)誤差和擺動(dòng)誤差測(cè)量傳感器組5可實(shí)時(shí)測(cè)量出誤差的大小。若掃描過程中有誤差存在，則掃描過程完成后，獲得的圖像是具有圖像偏移或擺動(dòng)的失真二維圖像，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)致的圖像失真問題。應(yīng)當(dāng)理解的是，對(duì)本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來說，可以根據(jù)上述說明加以改進(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1.一種計(jì)量型高精度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，掃描轉(zhuǎn)臺(tái)(2)提供被掃描樣品所需的旋轉(zhuǎn)掃描運(yùn)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)上分別安裝徑向跳動(dòng)誤差測(cè)量傳感器(4)與軸向跳動(dòng)誤差和擺動(dòng)誤差測(cè)量傳感器組(5)，樣品架(8)固定于y方向平臺(tái)之上；軸向跳動(dòng)誤差和擺動(dòng)誤差測(cè)量傳感器組(5)包括兩個(gè)傳感器，所述兩個(gè)傳感器沿固定底座(I)的對(duì)稱中心對(duì)稱分布。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的掃描樣品臺(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、I、Z方向自由移動(dòng)的平臺(tái)。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的掃描樣品臺(tái)，其特征在于，三維定位平臺(tái)(6)采用橋式結(jié)構(gòu)。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種計(jì)量型高精度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，掃描轉(zhuǎn)臺(tái)(2)提供被掃描樣品所需的旋轉(zhuǎn)掃描運(yùn)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)上分別安裝徑向跳動(dòng)誤差測(cè)量傳感器(4)與軸向跳動(dòng)誤差和擺動(dòng)誤差測(cè)量傳感器組(5)，樣品架(8)固定于y方向平臺(tái)之上；可實(shí)現(xiàn)樣品掃描臺(tái)旋轉(zhuǎn)過程中轉(zhuǎn)軸的徑向誤差、軸向誤差與轉(zhuǎn)軸擺動(dòng)誤差的實(shí)時(shí)測(cè)量，所測(cè)量的誤差結(jié)果可以用來對(duì)樣品運(yùn)動(dòng)進(jìn)行誤差修正，解決了掃描樣品臺(tái)由于精度誤差導(dǎo)致三維圖像重構(gòu)失真的難題。
文檔編號(hào)G01N23/04GK202631458SQ20122028718
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