为了实现对跨尺度零件微小结构的尺寸精度和定位精度的同时测量，提出一种基于宏微复合标定的测量方法。建立不同尺度传感器组合式测量的标定模型，利用变焦扫描显微系统测量零件微尺度特征，利用双目系统测量定位显微设备，从控制坐标转换精度的角度设计加工特殊的标定块，将其作为跨尺度中转坐标系，标定变焦扫描显微重建点云坐标系与测头坐标系的空间转换关系，从而将局部测量点云统一至一个数据集中以完成所有局部区域的整体拼接。与理论模型对比分析，所提测量方法的各孔圆心坐标分布圆度误差为0.0438 mm，平面度误差为0.0252 mm，对喷注器各孔位姿的点误差值小于0.029 mm，孔轴向误差小于0.1140°。与面结构光传感器重建结果对比分析，所提模型能够在保证高精度重建三维形貌的情况下，更加正确地获取跨尺度零件的尺寸和位置。

随着精密仪器制造和半导体加工产业的蓬勃发展，对微小结构表面形貌的观察和测量是现代科学研究的一个重要方向。激光扫描共聚焦显微成像技术因高分辨率、高信噪比和优秀的层切能力在三维表面形貌测量领域备受青睐。介绍共聚焦显微成像技术的基本原理，并对适用于三维表面形貌测量领域的共聚焦显微成像方法进行综述，包括共聚焦成像的不同扫描方法、不同探测手段及基于光谱的共聚焦成像技术。最后，对共聚焦显微成像技术未来的发展趋势进行展望。

基于条纹投射和正弦相位调制技术，提出了一种用于测量物体表面三维形貌信息的光纤干涉系统。通过杨氏双孔结构实现了条纹投射，并以余弦电压信号驱动压电陶瓷实现正弦相位调制。为了消除机械振动、温度波动等外部干扰，采用相位控制系统对相位漂移进行检测，并生成实时相位补偿信号。补偿后相位误差可达6.8 mrad，从而获得高精度的干涉条纹相位稳定度。对待测件的表面轮廓连续测量两次，时间间隔为10 min，测量重复度达到0.05波长。实验结果证明：该系统能够实现较高精度的表面形貌测量。

针对相移干涉法测量表面三维形貌时深度测量范围受波长限制这一问题, 提出一种四波长表面形貌干涉测量系统。通过滤波片的轮换, 将白光LED光源的光切换出4个不同波长的光源, 并依次进行单波长干涉。为解决多波长干涉图像数据处理, 采用基于椭圆拟合的算法, 在逐帧逐点的相位计算条件下, 运用大小尺度相结合的算法实现高精度宽范围的表面形貌测量。实验结果表明: 在深度测量范围扩大到约41倍的条件下, 测量经中国计量科学研究院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相比, 相对误差为4.09%。说明在一定的深度范围内, 该系统能够实现表面形貌的高精度测量。

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。

为了测量被测物面的微观特征量及这些特征量间的关系, 提出基于数字微镜器件 (DMD)的跨尺度测量方法, 研究针对 DMD的控制方法及基于 DMD的测量策略, 在不对测量系统硬件做任何修改的前提下, 仅通过软件编程实现对 DMD结构光参数的改变, 理论上可实现从 0.1 μm到 1 mm的跨尺度测量。搭建了基于 DMD的跨尺度测量平台, 实验结果表明, 轴向测量精度与横向分辨力均可达到微米级, 可实现对表面微观结构的快速扫描。该方法可以较好地解决目前诸多表面形貌测量中存在的多尺度问题。

为了实现对金刚石砂轮表面形貌的非接触精密测量, 开发了基于干涉原理的金刚石砂轮表面形貌专用测量系统, 研究了该系统的测量原理和关键技术。根据垂直扫描白光干涉显微测量原理以及被测对象的特征, 提出了适用于砂轮测量的方法,研究了系统的自动扫描范围、垂直方向的扫描方法、单次测量三维表面的恢复算法和磨粒的识别算法。结合自行设计的夹具搭建了砂轮测量系统, 并对多次测量拼接算法进行了实验分析。实验结果表明: 基于区域重合大小(重合度为30%~50%)的拼接算法获得的拼接前后重合区域的相关系数均大于0.8, 拼接后重合区域的高度差均小于0.4 μm。得到的结果显示所搭建的系统可以恢复砂轮的形貌, 其测量范围和精度满足砂轮磨粒评定和分析的要求。

为了实现光刻胶表面形貌的广域、高精度测量，对新一代测量理论及测量方法进行了研究。首先分析了被测物件的特性，根据其柔软、透明的特征提出应用光干涉法和机械探针相结合的方法进行测量，同时阐明了使用此方法进行表面形貌测量的优点，并据此原理搭建了光学多探针表面形貌测量装置，光学测量部分采用白光干涉计，探针部分采用拥有8只球型探头的多点悬臂测量探针。然后应用此装置对标准刻槽试件和半透明光造型薄膜试件进行了测量。测量52 nm的标准刻槽试件时得到了测量误差小于2%，标准偏差小于1 nm的结果，表明本装置可以达到高精度测量表面形貌的目的。通过测量高约400 nm的树脂材料证实了此装置可以克服多重反射的影响测量透明薄膜的表面形貌。

研制了基于同一显微镜基体实现原子力探针扫描测量与非接触光学测量两种功能的复合型超精密表面形貌测量仪。分析了基于白光显微干涉原子力探针的测量方法、探针微悬臂变形量与白光干涉条纹移动量的关系以及探针微悬臂测量非线性误差的修正方法，和通过融合垂直扫描系统的位移量和悬臂梁变形量得到了原子力探针的工作方式。研制了三维精密位移系统和基于白光显微干涉的原子力探针测头。采用原子力探针扫描测量对NT-MDT公司生产的扫描探针校准光栅TGZ2_PTB进行了重复性实验，实验显示标准差为0.96 nm，相对重复性误差为3.08%。给出了原子力探针扫描测量、相移干涉测量及白光干涉垂直扫描测量的测量实例。实验结果表明，所研制的超精密表面形貌测量仪可用于超精密加工工程表面、光学表面以及微纳几何结构的测量。