基于光场显微成像的微纳阵列三维形貌测量

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1、基于光场显微成像的微纳阵列三维形貌测量高海波2016年1月中图分类号：TH742UDC分类号：681.7基于光场显微成像的微纳阵列三维形貌测量作者姓名高海波学院名称光电学院指导教师胡摇答辩委员会主席郝群教授申请学位工学硕士学科专业仪器科学与技术学位授予单位北京理工大学论文答辩日期2016年1月3Dtopographymeasurementofmicro-nanoarraybasedonlightfieldmicroscopyphotographyCandidateName：GaoHaiboSch

2、oolorDepartment:SchoolofOptoelectronicsFacultyMentor:HuYaoChair,ThesisCommittee：Prof.HaoQunDegreeApplied:MasterofEngineeringMajor：InstrumentofScienceandTechnologyDegreeby:BeijingInstituteofTechnologyTheDateofDefence：January,2016研究成果声明本人郑重声明：所提交的学位论文是

3、我本人在指导教师的指导下进行的研究工作获得的研究成果。尽我所知，文中除特别标注和致谢的地方外，学位论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京理工大学或其它教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的合作者对此研究工作所做的任何贡献均已在学位论文中作了明确的说明并表示了谢意。特此申明。签名：日期：北京理工大学硕士学位论文摘要随着精密机械加工技术的发展而出现的微纳阵列，因其具有常规光学元件所不具有的优良光学性能，被广泛应用于成像、光通信和精密检测等领域，并体现出无可替代的

4、作用。微纳阵列的三维形貌对其光学性能有着至关重要的影响，因此对微纳阵列三维形貌的测量越来越受到人们的关注。现有的测量方法虽各有优点，但测量速度均相对较慢，测量效率低。为了满足现代工业高效生产的需求，本论文提出了基于光场显微成像的微纳阵列三维形貌测量方法。该方法仅需一次成像采集一幅微纳阵列的光场图像，然后通过数字重聚焦算法获取焦点堆栈，最后利用深度信息提取等算法由焦点堆栈获得微纳阵列深度图及其表面三维形貌。本论文针对提出的测量方法进行了以下几个方面的研究工作：1、设计光场成像方案。通过分析比较，本

5、论文选择使用四维光场函数形式并用双平面参数化方法来表达光场，并选择基于微透镜阵列的光场显微镜来采集光场。2、设计光场显微镜硬件系统。根据探测范围和测量分辨率等测量参数要求，分析、计算光场显微镜主要元件的参数，并基于市场调研确定各主要元件选型。3、对光场图像处理以获取三维形貌的算法进行深入研究，包括数字重聚焦、深度信息提取等算法。4、搭建光场显微镜实验系统并进行测量实验。基于前文的系统设计，实际搭建了一套光场显微镜实验系统，并对实验系统的装调方法进行了深入研究。基于装调好的实验系统进行了测量实验，

6、并将实验结果与精度可达纳米量级的WYKONT1100光学轮廓仪测得的结果进行比较与分析，验证了基于光场显微成像测量微纳阵列三维形貌的可行性。5、进行测量误差分析并提出改进方法。全面且详细地分析了实验测量误差来源及对测量结果的影响，并为减小测量误差提出了改进方法，最后对如何提高系统测量分辨率进行了探讨研究。本论文的研究为光场显微镜在不同周期微纳阵列三维微观形貌检测中的应用奠定了理论和实验基础。关键词：微纳阵列；三维形貌测量；光场显微成像I北京理工大学硕士学位论文AbstractWiththedev

7、elopmentoftheprecisionmachiningtechnology,micro-nanoarrayiswell-developed.Becauseofitsexcellentopticalperformanceoverconventionalopticalcomponents,micro-nanoarrayiswidelyusedintheimaging,opticalcommunication,precisedetectionandsoon,andplaysanirreplac

8、eablerole.Thethree-dimensional(3D)topographyofmicro-nanoarrayhasaveryimportantinfluenceonitsopticalperformance.So,the3Dtopographymeasurementofmicro-nanoarraydrawsmoreandmoreattention.Althoughtheexistingmeasurementmethodshavetheirownadvantages,theirme