为了提高大尺寸台阶结构的单边测量精度、缩短测量时间, 基于变速扫描技术, 并利用傅里叶变换提取法及单边台阶评价算法进行扫描干涉信号的处理, 提出并搭建了具有变速扫描功能的白光干涉测量系统。并且利用该系统对标称值为9.976±0.028 μm的台阶标准样板进行了测量, 10次重复性测量结果为9.971 μm, 标准偏差量为0.007 μm, 测量时间仅为35 s, 远小于常规扫描方法的222 s, 大大缩短了测量时间, 因此说明了该系统在大尺寸台阶结构测量中, 具有较高的精确性与高效性。

光学显微三维测量耦合效应是指沟槽或台阶样品高度测量准确性受横向周期影响产生原理误差的现象。采用卷积不相关原则和有限能量损失原则, 分别建立了薄样品和深沟槽样品光学显微三维测量的解耦合模型, 揭示了被测样品特征参数与光学仪器表征能力之间的关联关系。与现有W/3准则相比, 光学显微三维测量解耦合准则能够客观反映光学仪器表征能力受样品结构差异变化的影响, 指示高度测量解耦合评定的示值区域, 预见高度测量原理误差产生, 为沟槽或台阶样品三维结构表征提供了一种新的计量评定准则。

提出一种基于波数分辨的低相干干涉台阶高度测量系统。由宽带光源发出的光通过光纤迈克耳孙干涉仪获取被测量信息，色散光栅将宽谱干涉光束色散成波长在空间连续分布的光片，由线阵CCD 探测。将线阵CCD 的各个像元探测到的各个波长干涉信号转换成对应的波数干涉信号。对于波数干涉信号，相邻两个干涉信号峰值之间的波数变化量与干涉仪光程差的绝对值呈正比。因此，利用此测量系统可实现对台阶高度等物理量的绝对测量。利用缩短测量系统中光纤迈克耳孙干涉仪的两个干涉臂的长度减小环境干扰对测量系统的影响，获得高测量精度。本测量系统的测量分辨率为6.03 nm。对一个高度为50 μm 的台阶重复10次测量，测量结果的标准差为6.8 nm。

随着环境科学、气象监测和空间探测等前沿基础研究领域的发展，可便携、实时监测的光谱仪器的需求变得更加迫切。以多级微反射镜为关键器件的空间调制微型傅里叶变换红外光谱仪体积小、无可动部件，可实现实时检测与在线监测。模拟分析了多级微反射镜的台阶高度及表面粗糙度对复原光谱的影响，得到多级微反射镜的台阶高度允许的最大误差为±0.18 μm，反射面表面粗糙度的最大容限为150 nm和200 nm。根据实验研究及对比分析，选用多次光刻电镀方法制作了多级微反射镜。测试表明，以此方法制作的多级微反射镜表面粗糙度均方根(RMS)值为90.23 nm，台阶高度误差值为±0.1 μm，基本满足系统的设计要求。

近年来, 多维阶高测量问题倍受关注, 两波长或波长扫描方式的塔尔博特效应被应用于多维阶高测量。研究表明, 基于塔尔博特(Talbot)效应的阶高测量方法具有仪器结构紧凑、无需机械扫描、稳定性高和测量范围大等优点。因没有光栅或检测器件的任何机械移动, 可避免由此导致的相位问题及测量误差。取代相位信息, 该方法采用衍射条纹的最大衬比度来判定塔尔博特像, 测试中均采用占空比为12的龙基(Ronchi)光栅作为周期结构衍射物, 利用不同波长塔尔博特像的像距来确定物体阶高。因为测量的是条纹衬比度而非绝对强度, 所以阶高测量精度依赖于条纹衬比度, 最大衬比度的获取与判定是非常重要的。在分析对比的基础上指出, 采用非龙基型光栅, 如正弦振幅光栅或相位光栅, 能使成像条纹分布更合理, 有效地提高成像条纹的衬比度。研究还表明, 所采用周期结构衍射物的空间周期越小, 分辨率就越高, 从而给出了分辨率同衍射物空间周期的定量关系。

利用集成聚焦式测头的纳米测量机实现了高精度的台阶高度标准评价,该系统的测量范围可以达到25 mm×25 mm×5 mm。描述了纳米测量机的工作原理,通过内嵌激光干涉仪和角度传感器的实时测量与反馈,实现高精度定位与扫描。聚焦式测头只作为零点传感器,与3个激光轴交于一点,避免了阿贝误差影响。通过将聚焦式测头的输出信号引入到纳米测量机的数字信号控制器中,实现定位系统的辅助测量,减小了聚焦式测头的非线性对测量结果的影响。根据ISO 5436-1:2000的评价方法对经过标定的台阶高度进行评价,14次测量的均方根(RMS)偏差为0.237 nm。

台阶高度测量是目前新提出的国际计量比对项目之一，当前的趋势是向纳米量级精度发展并尽量扩大测量范围。在分析现状和背景的基础上，大致归类了测量台阶高度的几种光学方法，着重介绍了其中绝对干涉方案的最新进展，从测量原理、测量精度以及量程等几方面比较了它们的优缺点。在此基础上提出以可调谐半导体激光器作为光源，采用可调合成波长链法实现纳米级精度毫米级量程的台阶高度测量，详细分析了方案的原理误差，得到最后的结论。