本文關鍵詞：基于光場顯微成像的微納陣列三維形貌測量

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【摘要】：隨著精密機械加工技術的發(fā)展而出現的微納陣列,因其具有常規(guī)光學元件所不具有的優(yōu)良光學性能,被廣泛應用于成像、光通信和精密檢測等領域,并體現出無可替代的作用。微納陣列的三維形貌對其光學性能有著至關重要的影響,因此對微納陣列三維形貌的測量越來越受到人們的關注�，F有的測量方法雖各有優(yōu)點,但測量速度均相對較慢,測量效率低。為了滿足現代工業(yè)高效生產的需求,本論文提出了基于光場顯微成像的微納陣列三維形貌測量方法。該方法僅需一次成像采集一幅微納陣列的光場圖像,然后通過數字重聚焦算法獲取焦點堆棧,最后利用深度信息提取等算法由焦點堆棧獲得微納陣列深度圖及其表面三維形貌。本論文針對提出的測量方法進行了以下幾個方面的研究工作:1、設計光場成像方案。通過分析比較,本論文選擇使用四維光場函數形式并用雙平面參數化方法來表達光場,并選擇基于微透鏡陣列的光場顯微鏡來采集光場。2、設計光場顯微鏡硬件系統(tǒng)。根據探測范圍和測量分辨率等測量參數要求,分析、計算光場顯微鏡主要元件的參數,并基于市場調研確定各主要元件選型。3、對光場圖像處理以獲取三維形貌的算法進行深入研究,包括數字重聚焦、深度信息提取等算法。4、搭建光場顯微鏡實驗系統(tǒng)并進行測量實驗。基于前文的系統(tǒng)設計,實際搭建了一套光場顯微鏡實驗系統(tǒng),并對實驗系統(tǒng)的裝調方法進行了深入研究。基于裝調好的實驗系統(tǒng)進行了測量實驗,并將實驗結果與精度可達納米量級的WYKO NT1100光學輪廓儀測得的結果進行比較與分析,驗證了基于光場顯微成像測量微納陣列三維形貌的可行性。5、進行測量誤差分析并提出改進方法。全面且詳細地分析了實驗測量誤差來源及對測量結果的影響,并為減小測量誤差提出了改進方法,最后對如何提高系統(tǒng)測量分辨率進行了探討研究。本論文的研究為光場顯微鏡在不同周期微納陣列三維微觀形貌檢測中的應用奠定了理論和實驗基礎。
【關鍵詞】：微納陣列 三維形貌測量 光場顯微成像
【學位授予單位】：北京理工大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TP391.41
【目錄】：

• 摘要5-6
• Abstract6-10
• 第1章 緒論10-20
• 1.1 微納陣列概念及特性10-12
• 1.2 微納陣列的應用及前景12-14
• 1.3 微納陣列三維形貌測量研究現狀14-19
• 1.3.1 現有測量方法14-18
• 1.3.2 現有測量方法的不足18
• 1.3.3 新方法的提出18-19
• 1.4 本章小結19-20
• 第2章 光場成像系統(tǒng)總體方案設計20-28
• 2.1 光場函數形式選擇20-21
• 2.1.1 七維全光函數20
• 2.1.2 五維光場函數20-21
• 2.1.3 四維光場函數21
• 2.2 光場參數化方法選擇21-23
• 2.2.1 點--方向參數化22
• 2.2.2 球面參數化22
• 2.2.3 雙平面參數化22-23
• 2.3 光場采集方式選擇23-27
• 2.3.1 單相機移動23-24
• 2.3.2 相機陣列24
• 2.3.3 基于微透鏡陣列的光場相機24-25
• 2.3.4 基于微透鏡陣列的光場顯微鏡25-27
• 2.4 本章小結27-28
• 第3章 光場顯微鏡硬件系統(tǒng)設計28-39
• 3.1 光場顯微鏡系統(tǒng)概述28-30
• 3.2 系統(tǒng)設計基礎30-34
• 3.2.1 顯微物鏡30-31
• 3.2.2 探測器31-34
• 3.3 微透鏡陣列參數設計34-36
• 3.3.1 微透鏡陣列尺寸34-35
• 3.3.2 子透鏡口徑35-36
• 3.3.3 微透鏡陣列焦距36
• 3.4 系統(tǒng)分辨率36-38
• 3.5 本章小結38-39
• 第4章 三維形貌測量軟件系統(tǒng)設計39-50
• 4.1 光場圖像預處理39-40
• 4.2 數字重聚焦獲取焦點堆棧40-47
• 4.2.1 子圖像中心坐標提取40-42
• 4.2.2 數字重聚焦42-47
• 4.3 基于深度信息的三維形貌測量47-49
• 4.3.1 常用的深度信息提取方法47-48
• 4.3.2 深度信息提取48-49
• 4.4 本章小結49-50
• 第5章 微納陣列測量實驗與結果50-65
• 5.1 光場顯微鏡實驗系統(tǒng)50-54
• 5.1.1 光場顯微鏡實驗系統(tǒng)概述50-51
• 5.1.2 實驗系統(tǒng)裝調校準51-54
• 5.2 光場圖像采集54-57
• 5.2.1 待測微納陣列光場圖像采集54-56
• 5.2.2 其他光場圖像采集56-57
• 5.3 三維形貌測量57-61
• 5.3.1 找子圖像中心57-59
• 5.3.2 獲取焦點堆棧59-60
• 5.3.3 三維形貌恢復60-61
• 5.4 實驗結果分析61-64
• 5.5 本章小結64-65
• 第6章 誤差分析與改進65-73
• 6.1 實驗裝置元件加工制造誤差65-66
• 6.2 實驗裝置裝調誤差66-69
• 6.2.1 微透鏡陣列與探測器之間的耦合距離誤差66-67
• 6.2.2 微透鏡陣列與探測器之間的旋轉角度誤差67-68
• 6.2.3 微透鏡陣列與探測器之間的傾角誤差68-69
• 6.3 環(huán)境誤差69-70
• 6.4 圖像處理方法誤差70-72
• 6.4.1 確定子圖像中心坐標誤差70-71
• 6.4.2 重聚焦圖物像深度換算引入誤差71-72
• 6.5 系統(tǒng)分辨率的提高72
• 6.6 本章小結72-73
• 結論73-75
• 參考文獻75-79
• 攻讀學位期間發(fā)表論文與研究成果清單79-80
• 致謝80

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本文編號：1091356