基于光场显微成像的微纳阵列三维形貌测量

发布时间：2017-10-25 01:07

  本文关键词：基于光场显微成像的微纳阵列三维形貌测量

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【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,并将实验结果与精度可达纳米量级的WYKO NT1100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
【学位授予单位】：北京理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP391.41
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-10
• 第1章 绪论10-20
• 1.1 微纳阵列概念及特性10-12
• 1.2 微纳阵列的应用及前景12-14
• 1.3 微纳阵列三维形貌测量研究现状14-19
• 1.3.1 现有测量方法14-18
• 1.3.2 现有测量方法的不足18
• 1.3.3 新方法的提出18-19
• 1.4 本章小结19-20
• 第2章 光场成像系统总体方案设计20-28
• 2.1 光场函数形式选择20-21
• 2.1.1 七维全光函数20
• 2.1.2 五维光场函数20-21
• 2.1.3 四维光场函数21
• 2.2 光场参数化方法选择21-23
• 2.2.1 点--方向参数化22
• 2.2.2 球面参数化22
• 2.2.3 双平面参数化22-23
• 2.3 光场采集方式选择23-27
• 2.3.1 单相机移动23-24
• 2.3.2 相机阵列24
• 2.3.3 基于微透镜阵列的光场相机24-25
• 2.3.4 基于微透镜阵列的光场显微镜25-27
• 2.4 本章小结27-28
• 第3章 光场显微镜硬件系统设计28-39
• 3.1 光场显微镜系统概述28-30
• 3.2 系统设计基础30-34
• 3.2.1 显微物镜30-31
• 3.2.2 探测器31-34
• 3.3 微透镜阵列参数设计34-36
• 3.3.1 微透镜阵列尺寸34-35
• 3.3.2 子透镜口径35-36
• 3.3.3 微透镜阵列焦距36
• 3.4 系统分辨率36-38
• 3.5 本章小结38-39
• 第4章 三维形貌测量软件系统设计39-50
• 4.1 光场图像预处理39-40
• 4.2 数字重聚焦获取焦点堆栈40-47
• 4.2.1 子图像中心坐标提取40-42
• 4.2.2 数字重聚焦42-47
• 4.3 基于深度信息的三维形貌测量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 本章小结49-50
• 第5章 微纳阵列测量实验与结果50-65
• 5.1 光场显微镜实验系统50-54
• 5.1.1 光场显微镜实验系统概述50-51
• 5.1.2 实验系统装调校准51-54
• 5.2 光场图像采集54-57
• 5.2.1 待测微纳阵列光场图像采集54-56
• 5.2.2 其他光场图像采集56-57
• 5.3 三维形貌测量57-61
• 5.3.1 找子图像中心57-59
• 5.3.2 获取焦点堆栈59-60
• 5.3.3 三维形貌恢复60-61
• 5.4 实验结果分析61-64
• 5.5 本章小结64-65
• 第6章 误差分析与改进65-73
• 6.1 实验装置元件加工制造误差65-66
• 6.2 实验装置装调误差66-69
• 6.2.1 微透镜阵列与探测器之间的耦合距离误差66-67
• 6.2.2 微透镜阵列与探测器之间的旋转角度误差67-68
• 6.2.3 微透镜阵列与探测器之间的倾角误差68-69
• 6.3 环境误差69-70
• 6.4 图像处理方法误差70-72
• 6.4.1 确定子图像中心坐标误差70-71
• 6.4.2 重聚焦图物像深度换算引入误差71-72
• 6.5 系统分辨率的提高72
• 6.6 本章小结72-73
• 结论73-75
• 参考文献75-79
• 攻读学位期间发表论文与研究成果清单79-80
• 致谢80

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本文编号：1091356