从显微成像测量线宽的理论模型出发，分析了限制测量精度的边缘定位误差因素，基于阶跃边缘衍射光强微分的灵敏探测原理，提出一种平移差分的微结构线宽显微测量方法，即使用压电陶瓷微位移平台微量移动待测微结构沟槽，两步平移并采集三幅对沟槽清晰成像的显微图像，显微图像依次相减得到两幅差分图，将线宽测量转为差分脉冲距离测量，利用差分脉冲在阶跃边缘附近梯度变化灵敏度高的特点，突破衍射极限，提高线宽测量精度；再用纳米精度压电陶瓷位移台标定与显微成像系统有关的倍率测量常数，以压电陶瓷位移台的高精度保证测量结果的准确性。以可溯源计量部门、线宽为30.00 μm的标准沟槽样板作为待测样品，10次测量得到线宽测量平均值30.03 μm，标准差0.005 μm，并对本方法进行了不确定度分析，最终得到合成不确定度为0.37%（k=1）。

为了实现深宽比大于6∶1的硅通孔的形貌测量，提出了一种基于像差补偿的近红外显微干涉检测方法。该方法采用近红外宽带光作为光源，能够穿透硅通孔，检测系统中内置变形镜自适应像差补偿模块，主动补偿硅通孔引入的调制像差。在检测硅通孔三维形貌时，依据COMSOL Multiphysics有限元仿真软件得到的三维硅通孔高深宽比结构对探测光的调制像差规律，指导设置需变形镜补偿的像差种类和量值，用基于频域的评价函数指标阈值，判定硅通孔底部图像的聚焦状态，获得待测硅通孔清晰的底部图像，本质上提升探测光的重聚焦能力。在此基础上，使用垂直扫描干涉法得到待测硅通孔的深度与其三维形貌分布。实验测量了直径为10 μm、深度为65 μm、深宽比为6.5∶1和直径为10 μm、深度为103 μm、深宽比为10.3∶1的硅通孔深孔，并与高精度SEM的测量结果对比，深度测量的相对误差为1%。与白光显微干涉测量结果对比表明，本文所提出的方法可以获得清晰的高深宽比硅通孔的底部图像，有效增强底部的宽谱干涉信号和对比度，能够准确测量更高深宽比硅通孔的三维形貌。

光学显微成像技术具有实时性、高分辨率和非侵入性等特点，其成像尺度可跨越细胞、组织乃至生命体，极大地拓展了人们对生命本质的认识边界。然而，受限于光学显微成像系统有限的空间带宽积（Space-Bandwidth Product，SBP），常规的光学显微镜难以同时兼具大视场和高分辨率，使得显微成像在大视场生物成像应用中受到较大的限制，例如，对脑神经网络以突触为单位的神经回路成像。近年来，大视场光学显微成像技术得到不断的发展，其SBP的视场相较于传统的光学显微镜有了十倍甚至百倍的提升，在保持高分辨率的基础上拓展了成像视场，从而可以满足生物医学领域重大问题的研究需求。本文介绍了近年来几种典型的大视场光学显微成像技术及其生物医学应用，并对其未来发展做了展望。

空间分辨率是光学显微成像系统的核心指标，根据光学衍射理论，成像系统的空间分辨率由照明光波长与显微物镜的数值孔径共同决定。而在实际成像过程中，根据不同判据得出的显微成像系统分辨率略有差异，需要根据光源的相干性和被观测目标的结构等特征选择合适的判据来准确计算成像系统分辨率。通过理论分析和数值模拟，给出了不同情况下成像分辨率的计算方法，并对比了在相干光源和非相干光源照明下，对双缝目标和双点目标成像时成像分辨率的差异。

微电子机械系统（Micro-Electro-Mechanical System，MEMS）具有小型化、高集成度的特点，随着MEMS结构深宽比的不断增大，对MEMS结构尺寸的测量提出更高的要求。过焦扫描光学显微技术（Through-focus Scanning Optical Microscopy，TSOM）是一种高精度无损的光学测量方法，通过采集一组离焦图并沿扫描方向截取TSOM图像，利用库匹配的方法从中提取待测结构的尺寸信息。该方法对于纳米级结构测量有着极高的灵敏度，然而对于微米级特征尺寸存在建库困难且易受环境干扰的问题。本文针对微米级MEMS沟槽结构，在传统的光学显微镜基础上进行改造，建立了TSOM光学系统采集离焦图像，利用图像特征提取方法生成TSOM特征向量集，结合机器学习的方法建立不同槽宽尺寸的回归预测模型，对微米级MEMS槽宽尺寸实现纳米级测量精度，单点重复性测量2 μm槽宽的相对标准差（Relative Standard Deviation，RSD）在1%左右，10 μm和30 μm槽宽RSD分别低于0.2%和0.35%，结果表明该方法对于微米级MEMS沟槽测量具有极高的应用前景。