数字全息显微技术作为微纳米领域的一种重要表征、测试手段,不仅具有高精度、非接触及实时性等光学干涉技术的普遍特点,而且可在横向分辨力为微米甚至亚微米级的测量中获得亚纳米级纵向分辨力,因此在材料、制造以及生命科学等领域有着广泛的应用。随着科技的发展,测量需求也向尺度小而精度高的方向发展,对数字全息显微技术提出了新的挑战。由于微纳米制造及生命科学测量需求的提升,数字全息显微技术应用于微纳米几何量测量中,在测量分辨力、测量视场以及测量效率方面仍有不足。本文以改进数字全息显微技术在以上三方面的不足为目的,对相关理论进行分析讨论,并搭建相应实验系统,验证改进方法的有效性。论文的主要内容包括:1、系统地分析了数字全息显微术的原理及关键技术,并介绍像面全息显微方法,从理论角度阐述了数字像面全息显微方法作为一种特殊的数字全息显微术的表现形式,能够更加完整地收集系统光信息的特点;2、为提高测试系统的横向分辨力,本文利用角合成孔径技术,在保有纳米级纵向分辨力的基础上实现测试系统的超光学衍射分辨率测量;3、信噪比是影响测量系统中纵向分辨力的重要因素,本文利用像面全息显微方法对数字全息显微术中测量信噪比较低的问题进行改善;4、对于数字全息显微术中有效测量视场受孔径衍射的影响而不能达到真正的全视场问题,本文利用像面全息显微方法扩大视场,实现100%的全视场测量;5、提出了基于光程长差分的解析算法,将其应用于液态环境微粒三维位置的纳米级测量中,使传统数字全息显微技术的测量效率大幅提高;6、针对被测样品类型研制多套数字全息显微系统,利用数字像面全息显微方法以及光程长差分解析算法对微纳米尺度的结构、器件以及活体生物细胞、微粒进行观察和实验测试。