大范围白光干涉微结构表面测量关键技术与系统研究

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1、分类号学号D201177116学校代码10487密级博士学位论文大范围白光干涉微结构表面测量关键技术与系统研究学位申请人：雷自力学科专业：测试计量技术及仪器指导教师：刘晓军教授答辩日期：2018年11月30日ADissertationSubmittedinPartialFulfillmentoftheRequirementsfortheDegreeofDoctorofPhilosophyinEngineeringResearchontheKeyTechnologiesandMeasuringSystemforLarge-scaleMic

2、rostructureSurfaceTopographywithWhiteLightInterferencePh.DCandidate:LeiZiliMajor:MeasurementTechnologyandInstrumentSupervisor:LiuXiaojunHuazhongUniversityofScienceandTechnologyWuhan,Hubei430074,P.R.ChinaNovember,2018独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研宄工作及取得的研。，宄成果尽我所知，除文

3、中已经标明引用的内容外本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研宄成果。对本文的研宂做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：ｙ曰期年月＆曰．１＞３Ｉｆ学位论文版权使用授权书，即本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检。索、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本

4、学位论文，可以采用影印。，在保密□年解密后适用本授权书本论文属于不保密、。Ｐ“（请在以上方框内打，指导教师签名；学位论文作者签名：曰期丨月曰曰期：ｈ／月曰如以年Ｉ咖识扣ｙ华中科技大学博士学位论文摘要表面形貌是制造产品和科学样件重要质量特征，直接影响其功能特性；表面形貌测量，对于其功能质量分析和优化具有重要意义。微观功能结构性表面，如IC表面、MEMS表面、微镜阵列表面等，是一种尺度上微观、结构功能上宏观的特殊表面，具有表面不连续、精度高的特点，需要微结构尺寸形位的高精度测量与分析评定，要求大范围、高精度、高

5、效率的结构性表面测量手段。本文基于白光干涉测量原理，研究功能结构性表面大范围、高精度、高效率测量的关键技术和系统。论文主要内容与工作如下：提出了连续快速垂直扫描与外触发同步图像采集相结合的白光干涉表面测量新模式，实现了扫描驱动和图像采集的时间复用，解决了传统步进扫描干涉图像静态采集效率低的问题，并建立了该测量模式下白光干涉信号的动态曝光积分采样模型,为进一步研究高精度微结构表面恢复算法提供了理论依据。提出了基于干涉信号包络匹配和相位判别的表面形貌恢复算法，研究了干涉信号包络相关性与相对高度差之间的关系，给出了包络最优相关位置下的匹配相位

6、同周期判定条件，建立了多周期包裹相位均值求解表面高度的方法。该算法从根本改变了以等光程位置作为测量绝对基准的传统路径，在动态采集引起干涉信号对比度下降的情况下，能有效实现微结构表面的高精度恢复。提出了一种基于干涉质量评价模型的三维图像拼接方法，以消除图像噪声对三维拼接的不利影响。基于三维形貌恢复图像中噪声产生机理分析，建立了分类定义三维图像中的有效高度点和噪声的干涉质量评价模型，导出了表征高度有效点分布的高度质量矩阵，基于高度质量矩阵改进了三维拼接过程中特征提取、相关匹配和高度融合三个关键环节的算法，逐次消除噪声造成的拼接误差，提高了白

7、光干涉横向大范围表面重构的准确性。提出了一种基于最大信息熵的微结构特征提取方法。应用干涉质量评价模型的分类定义屏蔽三维图像噪声，并抽取用于表面评定的普通有效点集合和边界敏感点集合；I华中科技大学博士学位论文依据待提取微结构特征的梯度和高度属性，在普通有效点集合的二维属性空间中划分各种待提取特征的分布区域，利用最大信息熵的熵值判定条件，获取划分各特征区域的属性阈值；对于特征类间的边界敏感点，以已提取特征集合的评定基准作为理想要素，根据边界敏感点与理想要素的距离事件发生的概率对其进行特征归类，实现了大范围微结构表面特征的高效准确分析提取。在

8、关键技术研究成果基础上，建构了大范围白光干涉微结构表面测量系统，并测试验证了所研制仪器的准确性、快速性和稳定性。关键词：表面微结构；白光干涉；快速测量；大范围；图像拼接；特征提取II华中科技大学博士学位论文