白光显微干涉术是微结构三维形貌无损测量的有效手段，但当沟槽深度小于光源相干长度时易产生蝙蝠翼效应。ISO-25178系列规定了由三维形貌计算沟槽深度和线宽两项特征参数的方法。该计算法则首先需要确定阶跃边缘位置，然而蝙蝠翼位于阶跃边缘，造成形貌中的阶跃边缘位置定位困难。本文针对上述问题，摒弃了从三维形貌中提取阶跃边缘位置的传统方法，依据干涉图像中矩形光栅上下表面边缘位置采样点相干峰分布的差异性，提取相干包络峰值位置，并计算得到用于区分阶跃上下表面的掩膜。本文提出的方法从垂直扫描干涉图像出发，同步实现三维形貌复原和阶跃边缘位置定位，继而准确、高效地计算沟槽深度和线宽。本文以两种不同特征参数的矩形光栅作为检测对象，比对了测量结果与标称值之间的偏差，并对测量过程中的误差项进行了分析。实验结果证明，本文方法具有良好的重复性和鲁棒性。

用光学显微干涉法进行表面形貌测量时其深度测量范围的扩大和形貌测量精度的提高是一对矛盾。为此,本文设计出了一种基于波长轮换与相移扫描相结合的三波长表面形貌测量系统,并提出了一种基于椭圆拟合与相位差大小尺度相结合的相位提取与识别算法。将这种算法运用于多波长干涉图像的数据处理,有效地提高了形貌的整体测量精度,并拓展了深度测量范围。实验结果表明: 在深度测量范围扩大近15倍的条件下,采用粗糙度国家基准校准的方波多刻线样板得到的表面粗糙度数据与校准数据的相对误差仅为4.12%,表明该系统在一定的深度范围内能够实现表面形貌的高精度测量。另外,针对该系统设计的多波长相位识别算法对环境噪声要求不高,可以支持系统的高噪声或在线测量。

提出一种用于测量微结构表面形貌的离轴显微干涉术。该技术的实验装置为一个优化的马赫-曾德尔干涉仪。其特点为参考波是具有一定载频的倾斜波。该技术中应用CCD 记录离轴显微干涉图，并用傅里叶变换方法对记录的干涉图在傅里叶面进行频谱滤波求解相位。不同于经典显微干涉术，离轴显微干涉图的载频较高，仅需单幅干涉图即可得到相位信息。因此该技术在测量中具有防振、快捷有效的特点。利用一个标准微台阶以及微孔阵列的形貌检测结果验证该技术的有效性，同时与轮廓仪的测试结果进行对比，证明结果一致。被测物也应用Mirau干涉显微镜进行测试，实验结果表明经典显微干涉图干涉信息载频不足，仅使用单幅干涉图不能得到正确相位，该组实验证明了离轴显微干涉术相对于传统显微干涉术的优越性。

为提高生物细胞形态检测速度和精度，以典型相位物体血红细胞为研究对象，结合离轴干涉、共焦显微和高速图像采集技术，提出了细胞光相位场定量测量方法，既有高测量精度又可以对流动的细胞进行实时放大观测。实验中采集单幅载频干涉图，运用快速傅里叶变换相位提取法和路径无关相位解包算法，最终获得血红细胞光相位场的定量分布，和已有的光学相位模型吻合得较好。分析表明，该系统分辨率达到亚微米量级。这种由细胞光相位场分布解构细胞形态的检测手段希望成为一种新的生物活体细胞实时在体检测和定量分析的方法。

为实现微/纳结构三维形貌的高精度测量,提出利用显微干涉技术和偏振技术相结合的方法来研制微/纳结构三维形貌亚纳米级精度测试系统。首先,利用五步相移干涉技术采集5 幅带有π/2 相移增量的干涉条纹图。然后,通过Hariharan 五步相移算法得到包裹相位图。最后,利用分割线相位去包裹算法和相位高度关系转换得到微/纳结构三维形貌。在测试过程中通过偏振片产生强度可调的线偏振光,再由1/2 波片改变偏振光在分光镜中的分光比,补偿参考镜与试件的反射性能差异,可得到亮度适中且对比度高的干涉条纹图,从而有利于实现微/纳结构三维形貌的高精度测量。系统的轮廓算术平均偏差Ra 的重复测量精度可达0.06 nm,最大示值误差不到±1%,示值变动性不到0.5%。通过对标准多刻线样板、硅微麦克风膜和硅微陀螺仪折叠梁的三维形貌测量验证了系统的有效性和实用性。

微结构是微机电系统的基本元件,其几何尺寸、运动特性、材料及力学特性直接影响微机电系统的整体性能。提出一种将计算机微视觉、米劳显微干涉、频闪成像和激光多普勒测振等技术充分融合的微结构静态和动态特性的光学测试平台,分别对微谐振器的平面和离面周期运动特性和微机械扭转镜的离面瞬时运动特性进行测试研究。实验结果表明,利用计算机微视觉和频闪成像技术能够实现微结构的平面位移、运动相位及谐振频率等周期运动参量的测试,位移的重复精度为30 nm;利用显微干涉和频闪成像技术可实现微结构的离面位移及表面扭曲等周期运动参量的测试,位移的重复精度为3 nm;激光多普勒测振技术具有在频域上对微结构瞬态运动进行分析的优点,是时域上周期运动测试的重要补充。

在移相型显微干涉轮廓仪中,由于显微放大系统对每幅干涉条纹图能通过的空间带宽有限,使得在最终计算重构样品细节形貌时出现畸变现象,通过模拟计算给出了对这种现象的分析,并给出了在一定条件下改善该畸变现象的方法。