随着机械、电子、光学、材料和半导体等工业不断地微型化、精密化的需求,开发的微纳米结构的三维形貌、表面膜厚、内部结构以及物理性质等特性对微纳米结构的研发和生产质量控制至关重要。因此,针对微纳米制造领域的三维非接触式测量系统及其技术的研究具有重要的学术价值和现实意义。本文提出并搭建了一种基于Linnik型偏振白光干涉架构的三维非接触式测量实验系统,并对其关键技术进行了研究,主要包括显微镜光学自动对焦技术、Linnik型白光干涉条纹自动搜索技术、微观表面三维形貌重构及系统标定技术、透明膜厚三维重构技术、材料内部应力双折射分布测量技术和光学三维断层显微测量技术。该系统架构在传统的Linnik干涉架构基础上进行了改动和扩充,可以针对不同的技术功能,切换到相应的模式中,且不必对该测量架构进行任何的改装和拆卸,从而使系统具备了很高的灵活性和稳定性。本研究的主要工作内容和创新点如下：1.在Linnik干涉架构中集成一个基于改进的像散法的光学自动对焦系统,以保证显微镜对焦过程中正确对焦位置的唯一性,实现了Linnik结构两个干涉臂的快速自动对焦。自动对焦系统具有190(±95)μm的动态范围,线性段的平均灵敏度为70mV/μm,平均标准偏差为41.6nm,理论分辨率4.4nm,实际测量精度55nm,自动对焦时间不大于0.3秒。2.在两个干涉臂实现快速自动对焦的前提下,提出一种通过调整干涉臂的光程差来实现干涉条纹自动搜索的策略,实现了对比度最好的干涉条纹的自动搜索,自动搜索速度为2.2min/mm,搜索到的最佳干涉条纹对比度的位置偏离理想位置不超过一个干涉条纹周期。3.利用频域分析法实现微纳米结构的表面三维形貌重构,并通过系统标定得到了测量标准不确定度±3.6nm、纵向(Z方向)的测量精度误差3.08%、横向X方向的测量精度误差2.69%、横向Y方向的测量精度误差2.16%、横向实际分辨率为1.31μm、纵向理论分辨率为0.59nm。4.通过对傅立叶相位和振幅这两种方法进行测量灵敏度分析的结果,提出了傅立叶相位和振幅加权的透明膜厚测量技术,该技术结合了傅立叶相位的高分辨率和傅立叶振幅的高重复性的两个优点。测量结果的纵向分辨率达到纳米级,由于采用显微测量技术,其横向分辨率就等于显微物镜的分辨率。5.利用Linnik白光干涉架构结合偏振测量原理,通过对Berek补偿器的标定,实现了对材料内部应力双折射的相位延迟分布、主轴方向分布、应力分布和反射率分布的同时测量。测量结果的相位延迟标准偏差不大于4°,主轴方向标准偏差不大于4.5°。6.提出了用于光学相干断层显微测量的具有高计算效率和极小残余寄生条纹量的五点差分格式移相算法,有效地重构出了样本的三维断层显微图像。并对包括探测器非线性和PZT移相器对波长依赖性在内的两个主要系统误差及其改进方法进行了分析。7.针对前述的PZT移相器对波长具有依赖性的问题,提出了移相量八倍于半波片旋转角的消色差几何移相干涉技术及系统,其具备了目前最大的几何移相放大倍率和最好的消色差性。该部分为本文的扩展研究内容。