微纳米尺度的表面结构在众多科研领域均扮演着重要角色，表面结构与特定器件的各种功能特性息息相关，例如粘附、润滑、抗反射以及电接触特性等等。因此，为了深入定量地研究粗糙表面结构与各种功能特性之间的相互依赖关系，统计参数可控的复杂粗糙表面的数字化设计、高精度加工、定量测试表征以及应用的研究迫在眉睫。另外，用于扫描探针显微镜(SPM)等微纳米尺度测量仪器校准的粗糙结构标准样品的制作及校正方法的探索也有待发展。　　本课题围绕可控表面统计参数的新型微纳米尺度三维粗糙度样品的设计、加工、表征和应用开展研究，主要进行了以下几个方面的工作。　　(1)提出可控表面参数的微纳米尺度三维粗糙度样品的数字化设计创意，结合数字滤波和傅立叶变换算法，设计出不同偏态、峰度及相关长度的一系列的粗糙表面。对比了基于Johnson转换和基于Pearson转换的算法，为提高设计精度与效率提出了有效建议。　　(2)应用飞秒激光双光子直写和聚焦离子束两种技术加工出尺寸为20μm×20μm和5.12μm×5.12μm的多系列不同表面参数的三维粗糙度样品，加工精度分别为195.3 nm和4.8nm。　　(3)利用原子力显微镜(AFM)和激光扫描共焦显微镜(LSM)对粗糙度样品进行测试表征，14种表面参数的定量评价表明其实测表面参数和相应的设计值吻合较好。　　(4)实现了基于迭代最近点(ICP)算法的表面设计和实测数据的三维空间自动配准。为进一步提高匹配的效率和精度，发展基于NURBS样条拟合及Levenberg-Maquardt算法的匹配方法，结果表明该算法在三维复杂结构的空间配准上优于传统的ICP算法，能有效提高匹配效率和精度，为后续加工工艺的优化以及样品的实际应用提供了依据。　　(5)比较了AFM和LSM测试结果的径向功率谱密度特性。频域的分析结果揭示AFM和LSM探针在测量时与样品结构相互作用下的滤波特性。在较大相关长度下，两测试结果和设计表面间的频谱特性吻合度更高。　　(6)探索了统计参数可控的三维样品用于探针尺寸表征的可行性。结果表明对小相关长度的样品的扫描图像盲估计得到的探针尺寸和扫描电子显微镜测试尺寸一致，通过控制三维样品的表面参数，所制备的样品同样可以用于估计针尖形貌尺寸。此外，应用微纳米尺度三维粗糙度样品对SPM的图像内漂移校正进行研究，基于来回扫描图像间的特征点识别与匹配校正方法，取得了显著的效果。　　基于以上研究，本论文在以下几个方面具有创新之处:　　(1)针对当前国内外纳米尺度标准样品通常为周期性或单一参数结构等局限，提出了可控表面参数的微纳米尺度三维粗糙度样品的数字化设计创意，可望为现有校准用单一参数的标准样品提供补充。　　(2)利用飞秒激光直写(DLW)和聚焦离子束(FIB)方法加工出了系列表面参数可控的粗糙度样品，定量表征结果表明该两种方法均能够实现复杂三维样品的高保真度加工，而其中FIB加工的样品精度在纳米数量级，为完善纳米量值传递体系和和粗糙度样品的功能特性验证奠定物质基础。　　(3)发展空间匹配、表面参数以及频域分析等方法对加工表面进行定量表征，并对比AFM和LSM的测量结果，分析了因仪器原理不同带来的差异。上述表征分析为后续加工工艺的优化以及样品的实际应用提供了方法依据，并为评价纳米功能表面测量方法和步骤的标准化打下良好的基础。