大尺寸、高精度三维形貌测量技术在超高精度加工检测领域发挥着重要的作用,相关仪器设备的研发关乎国家核心竞争力,对于我国制造业发展具有重要意义。本文的研究对象是分米级尺度视场、微米级横向分辨率、纳米级矢高分辨率的超高精度测量问题。本文的基本理论是白光干涉测量理论。本论文从仪器总体实现角度着手,目的是突破大视场高精度三维形貌测量领域的关键技术,具体包括大视场双远心Michelson干涉镜头设计及检测技术、宽谱段高准直度均匀照明系统设计技术、适用于杂光干涉叠加和光谱退化现象的三维形貌解算方法等。本研究主要开展了以下工作:1、介绍了课题研究背景和三维形貌测量技术应用领域,系统回顾了三维形貌测量技术实现机理,分析了现有技术的优势及不足,总结出国际上主流测量技术的分布框架图,介绍了三维形貌测量技术的国内外发展状况,说明了我国在“大视场高精度三维形貌测量”领域的技术空白性。2、创新性提出照明成像一体化Michelson白光干涉结构,基于干涉叠加理论和部分相干光理论,开展成像Michelson白光干涉结构的适用性分析。有别于先前公式的表达形式,提出了应用零级干涉条纹极值点和空间延迟量做和求解矢高分布的新思路,讨论了干涉图潜在影响因素,分析了干涉场的基本特征,指出干涉叠加将引起干涉图包络极点的偏移,分析了采用零级极值求解和偏移量补偿相结合来提高三维形貌矢高计算精度的可行性。3、完成了照明成像一体化Michelson白光干涉系统的优化设计,在宽谱段、大视场条件下对系统特性做出了详细分析,明确光学系统边界限制。完成了成像系统的设计及测试,在大视场成像的条件下系统畸变优于0.03%,在目标空间分辨率45lp/mm下,具有高于90%的概率使MTF值达到0.6,应用分辨率号板法和干涉仪测量法验证了镜头全视场下的空间分辨率特性。在照明光学系统部分,采用复杂化科勒照明结构,在100mm×100mm的照明区域内实现了准均匀照明,照明不均匀度小于3%,照明光线相对测量平面法线的入射角小于1°,总辐射光谱能量密度为475W/m2。4、构建了大视场双远心Michelson干涉成像系统物理光学仿真模型,利用该模型分析了光源光谱积分波长的步进值对干涉图的影响、谱段带宽对条纹对比度的影响和多重干涉叠加对干涉测量效果的影响。研究发现分光棱镜的两个临近物方焦平面的工作面会产生杂光干涉场,重点分析了该杂光干涉场叠加对目标信号干涉场产生的退化效应,研究分析了条纹畸变和条纹展宽的可能诱因。5、提出了并验证了“多峰联动零级极点偏置补偿法”,完成了算法的标定、验证和测试。搭建了Michelson白光干涉测量试验系统,同时完成开发系统驱动软件开发。总结了现有的三维形貌解算方法,对比插值法、重心法和傅里叶变换法对标准台阶形貌解算结果,分析了多重干涉叠加效应和光谱退化效应对干涉图的影响。提出并验证了“多峰联动零级极点偏置补偿法”,给出了此方法的测量结果,最后分析了该方法的适用性。