显微ct转轴运动误差校正方法
【专利摘要】本发明涉及数控加工与测量设备应用领域，为提高显微CT重建结果的三维空间分辨力，测量方法简单、实用、可靠，为此，本发明采用的技术方案是，显微CT转轴运动误差校正方法，包括以下步骤：（1）在显微CT中的旋转样品台上加装位移传感器和参考圆柱体，以实现对转轴误差运动的监测；（2）对具有转轴误差运动测量功能的样品台中参考圆柱体的加工误差和安装误差进行标定；（3）CT扫描过程中，在采集各幅投影图像的同时采集3个传感器的测量值；（4）求解出转轴运动误差导致的各幅投影图像的位置误差；（5）校正各幅投影图像的位置误差并对投影图像进行三维重建。本发明主要应用于数控加工与测量设备。
【专利说明】显微CT转轴运动误差校正方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及数控加工与测量设备应用领域，具体讲，本发明涉及一种转轴运动误差校正方法，特别是涉及一种应用于显微CT扫描过程中转轴运动误差校正的方法。
【背景技术】
[0002]传统CT (Computed Tomography,计算机断层扫描)技术(包括医用CT和工业CT)可以对被测物的内部结构进行三维重建，并早已成为无损检测领域的重要技术手段，其分辨力一般处于毫米级。显微CT可以达到更高的空间分辨力，其出现使得对样品内部进行高分辨力三维成像成为了可能。相比于传统CT，由于显微CT使用了微焦点射线源(或同步辐射光源)、高分辨力射线探测器和精密运动组件，并使用专门的高精度重建算法进行三维重建，其空间分辨力可以达到微米级甚至是纳米级。这使得其迅速引起广泛关注，被国内外学者争相应用于自己的研究领域，如激光内雕加工微结构、MEMS加工与封装、功率器件封装、生物骨骼微结构分析、石油及地质岩芯分析、生物化石分析、几何量计量等领域。
[0003]空间分辨力在I微米到几个微米的显微CT被称为微米CT，空间分辨力优于I微米的显微CT被称为纳米CT。微米CT 一般使用微焦点射线源，由于射线源焦斑尺寸处于微米级，其空间分辨力亦可以达到微米级。纳米CT的组成一般分为两种，一种是使用同步辐射光源的纳米CT，由于同步辐射光源的光线具有很高的平行度，这类显微CT可以达到很高的空间分辨力，另一种使用毛细管等聚光装置把微焦点射线源发射出来的射线进行再次聚焦，以实现极小的焦斑尺寸来达到纳米级的空间分辨力。
[0004]常见的X射线显微CT采用锥束CT的扫描方式，即在进行CT扫描时使用锥束X射线和面阵X射线探测器，射线源和探测器固定不动，旋转样品进行扫描。其使用的重建算法也属于锥束CT重建算法。
[0005]显微CT技术的产生既是为了解决对样品内部结构进行高分辨无损检测的需求，提升其空间分辨力也就成了显微CT研究的永恒主题。为了达到这一目标，该领域的研究工作主要集中在减小射线源焦斑尺寸，提升探测器分辨力，改善闪烁体质量，开发新的重建算法，校正各种伪影几方面。但是显微CT中旋转样品台的转轴运动精度对其成像分辨力的影响一直以来并没有得到足够的重视。即便使用高精度滚动轴承的旋转样品台，其端面圆跳动和径向圆跳动也都有数个微米。显微CT所使用的锥束重建算法，在理论上严格要求在CT扫描过程中(此时旋转样品台处于转动中)射线源的焦斑中心，旋转样品台转轴和面阵探测器中心在同一直线上，且与样品台转轴相垂直。因此，数个微米的旋转样品台转轴运动误差无疑将导致CT重建结果产生误差，从而降低其三维空间分辨力。
【发明内容】
[0006]本发明旨在解决克服现有技术的不足，提高显微CT重建结果的三维空间分辨力，测量方法简单、实用、可靠，为此，本发明采用的技术方案是，显微CT转轴运动误差校正方法，包括以下步骤:[0007](I)在显微CT中的旋转样品台上加装位移传感器和参考圆柱体，以实现对转轴误差运动的监测；
[0008](2)对具有转轴误差运动测量功能的样品台中参考圆柱体的加工误差和安装误差进行标定；
[0009](3) CT扫描过程中，在采集各幅投影图像的同时采集3个传感器的测量值，3个传感器的测量值代表参考圆柱体沿X轴、Y轴的平动和绕Z轴的转动；
[0010](4)将3个传感器的测量值，连同步骤(2)标定出的参考圆柱体的加工误差和安装误差一同代入传感器测量值与投影图像位置误差关系式，求解出转轴运动误差导致的各幅投影图像的位置误差；
[0011](5)校正各幅投影图像的位置误差并对投影图像进行三维重建。
[0012]在第(I)步中，所述的显微CT中的旋转样品台由一个转台和一个XYZ三维线性平台组成；转台用来实现CT扫描；XYZ三维线性平台被安装在转台之上，用来调整样品与转轴间的相对位置；加装的参考圆柱体被安装在转台之上，用来反映转轴运动误差；加装的3个位移测量传感器用来监测参考圆柱体沿X轴、Y轴的平动和绕Z轴的转动，它们通过柔性铰链安装在转台基座上；柔性铰链用于对传感器和参考圆柱体间的间隙进行微米级的调整。
[0013]在第(2)步中，所述的标定方法是首先将一个标准球夹装在样品台上，通过显微CT观察标准球处于4个相互垂直的转角位置时在像面上的投影位置，通过调整XYZ三维线性平移台的X轴和Z轴即可将标准球球心调整至与转轴重合；然后对该标准球进行CT扫描，在采集各幅投影图像的同时采集3个传感器的测量值；再提取标准球在各幅投影图像中的球心坐标，连同3个传感器的测量值代入传感器测量值与投影图像位置误差关系式，求解出标准圆柱体的加工误差和安装误差。
[0014]在第(2 )步中，所述的标定方法还可以是将一个标准球固定在样品台上，对其进行连续的多圈CT扫描，在采集各幅投影图像的同时采集传感器的测量值，提取标准球在连续多圈CT扫描所获得的所有投影图像中的球心坐标，将其横坐标排成一个序列并作去基频处理，处理后任取单圈CT扫描的球心坐标连同传感器的测量值代入传感器测量值与投影图像位置误差关系式，求解出标准圆柱体的加工误差和安装误差。
[0015]在上述方法第(2)步中，所述的标定方法还可以是在样品台上固定一个标准双球棒或标准针规或其他可以反映转轴运动误差的标准物，并加装3个额外的位移测量传感器来监测标准物沿X轴、Y轴的平动和绕Z轴的转动；在各个CT投影的转角位置同时采集6个传感器的测量值；将检测标准物的3个额外的位移测量传感器中的两个的测量值做去基频处理后，连同另一个额外的位移测量传感器的测量值代入标准物标定公式，求解出转轴沿X轴、Y轴的平动和绕Z轴的转动；将转轴沿X轴、Y轴的平动和绕Z轴的转动连同检测参考圆柱体的传感器的测量值代入传感器测量值与转轴运动误差关系式，求解出标准圆柱体的加工误差和安装误差。
[0016]在上述方法第(5)步中，所述的校正各幅投影图像的位置误差并进行重建，是先沿位置误差的反方向按误差量对各幅投影图像进行平移，然后再进行三维重建。
[0017]在上述方法第(5)步中，所述的校正各幅投影图像的位置误差并进行重建，还可以是使用带有转轴误差校正接口的三维重建算法，将各幅投影图像及其位置误差一同代入重建算法，重建算法在重建的同时减小或消除转轴运动误差对重建结果的影响。[0018]传感器测量值与投影图像位置误差关系式为:
[0019]
【权利要求】
1.一种显微CT转轴运动误差校正方法，包括下列步骤: (1)在显微CT中的旋转样品台上加装位移传感器和参考圆柱体，以实现对转轴误差运动的监测； (2)对具有转轴误差运动测量功能的样品台中参考圆柱体的加工误差和安装误差进行标定； (3)CT扫描过程中，在采集各幅投影图像的同时采集3个传感器的测量值，3个传感器的测量值代表参考圆柱体沿X轴、Y轴的平动和绕Z轴的转动； (4)将3个传感器的测量值，连同步骤 (2)标定出的参考圆柱体的加工误差和安装误差一同代入传感器测量值与投影图像位置误差关系式，求解出转轴运动误差导致的各幅投影图像的位置误差； (5)校正各幅投影图像的位置误差并对投影图像进行三维重建。
2.如权利要求1所述的显微CT转轴运动误差校正方法，其特征是，在第(I)步中，所述的显微CT中的旋转样品台由一个转台和一个XYZ三维线性平台组成；转台用来实现CT扫描；XYZ三维线性平台被安装在转台之上，用来调整样品与转轴间的相对位置；加装的参考圆柱体被安装在转台之上，用来反映转轴运动误差；加装的3个位移测量传感器用来监测参考圆柱体沿X轴、Y轴的平动和绕Z轴的转动，它们通过柔性铰链安装在转台基座上；柔性铰链用于对传感器和参考圆柱体间的间隙进行微米级的调整。
3.如权利要求1所述的显微CT转轴运动误差校正方法，其特征是，在第(2)步中，所述的标定方法是首先将一个标准球夹装在样品台上，通过显微CT观察标准球处于4个相互垂直的转角位置时在像面上的投影位置，通过调整XYZ三维线性平移台的X轴和Z轴即可将标准球球心调整至与转轴重合；然后对该标准球进行CT扫描，在采集各幅投影图像的同时采集3个传感器的测量值；再提取标准球在各幅投影图像中的球心坐标，连同3个传感器的测量值代入传感器测量值与投影图像位置误差关系式，求解出标准圆柱体的加工误差和安装误差。
4.如权利要求1所述的显微CT转轴运动误差校正方法，其特征是，在第(2)步中，所述的标定方法还可以是将一个标准球固定在样品台上，对其进行连续的多圈CT扫描，在采集各幅投影图像的同时采集传感器的测量值，提取标准球在连续多圈CT扫描所获得的所有投影图像中的球心坐标，将其横坐标排成一个序列并作去基频处理，处理后任取单圈CT扫描的球心坐标连同传感器的测量值代入传感器测量值与投影图像位置误差关系式，求解出标准圆柱体的加工误差和安装误差。
5.如权利要求1所述的显微CT转轴运动误差校正方法，其特征是，在上述方法第(2)步中，所述的标定方法还可以是在样品台上固定一个标准双球棒或标准针规或其他可以反映转轴运动误差的标准物，并加装3个额外的位移测量传感器来监测标准物沿X轴、Y轴的平动和绕Z轴的转动；在各个CT投影的转角位置同时采集6个传感器的测量值；将检测标准物的3个额外的位移测量传感器中的两个的测量值做去基频处理后，连同另一个额外的位移测量传感器的测量值代入标准物标定公式，求解出转轴沿X轴、Y轴的平动和绕Z轴的转动；将转轴沿X轴、Y轴的平动和绕Z轴的转动连同检测参考圆柱体的传感器的测量值代入传感器测量值与转轴运动误差关系式，求解出标准圆柱体的加工误差和安装误差。
6.如权利要求1所述的显微CT转轴运动误差校正方法，其特征是，在上述方法第(5)步中，所述的校正各幅投影图像的位置误差并进行重建，是先沿位置误差的反方向按误差量对各幅投影图像进行平移，然后再进行三维重建。
7.如权利要求1所述的显微CT转轴运动误差校正方法，其特征是，在上述方法第(5)步中，所述的校正各幅投影图像的位置误差并进行重建，还可以是使用带有转轴误差校正接口的三维重建算法，将各幅投影图像及其位置误差一同代入重建算法，重建算法在重建的同时减小或消除转轴运动误差对重建结果的影响。
8.如权利要求1所述的显微CT转轴运动误差校正方法，其特征是，传感器测量值与投影图像位置误差关系式为:
9.如权利要求5所述的显微CT转轴运动误差校正方法，其特征是，求解出标准圆柱体的加工误差和安装误差，其中标准物标定公式、传感器测量值与转轴运动误差关系式分别为:
【文档编号】G01B15/04GK103759681SQ201410012954
【公开日】2014年4月30日 申请日期:2014年1月10日 优先权日:2014年1月10日
【发明者】胡晓东, 邹晶, 须颖, 赵耕砚, 陈津平, 胡小唐 申请人:天津大学