随着机械工业、半导体工业和生物技术的发展，超精密加工、纳米技术、微机电系统、活体细胞工程等都对微纳尺度的三维表面形貌测量提出了更高的要求，需要具有实时动态观测特性、高分辨率及大量程的三维表面形貌精密测量仪器。数字全息术是一种基于光波衍射和干涉原理的成像与测量技术，它可以同时获取物光波的振幅和相位信息，得出被测物的三维形貌，同时具有非接触、实时、大景深、高分辨率和相衬成像的优点，能广泛应用于微纳表面测量、微机电结构特性分析、微粒检测、细胞生物学等方面。本文围绕数字全息显微三维表面形貌精密测量技术展开研究，主要工作有：分析了数字全息记录与重建过程的物理光学原理，进行了数字全息的数学建模。基于建立的数学模型，对同轴数字全息术和离轴数字全息术的记录与再现过程进行了软件仿真。根据采样定理和频谱分离要求，分别推导了离轴数字全息记录光路的各种参数设定条件。开展了离轴数字全息记录光路的测试实验，验证了离轴数字全息光路设计的参数设定条件，进一步改进优化了光路设计。搭建了基于平面波照明的离轴数字全息显微测量系统，利用菲涅耳重建算法和角谱重建算法分别获得了较为理想的测量结果，其重建的横向测量参数与纵向测量参数与标准值均有良好的一致性。