高精度快速三维表面形貌测量在微机电、光学、微电子等领域有着极其重要的作用,而共聚焦显微测量技术作为一种亚微米精度的三维表面形貌测量技术,具有轴向层析度高、对比度高、非接触、无需样品特殊制备等优点,已成为现代微纳测量科学领域的重要分支。近年来,随着微纳加工技术的发展,微纳结构器件的横向及轴向精度要求日益提高,轴向跨度不断增大。现有共聚焦测量方法因存在以下局限性而不能满足微纳结构形貌检测要求:（1）测量位置在像面焦点,尽管光信号最强,但是光强随轴向位置变化的轴向响应曲线变化率在焦点处为最小,导致轴向测量精度仍然较低;（2）使用逐点逐层扫描方式成像,三维测量速度慢,尤其是待测表面面积大的样本。可见,提高测量精度的同时提高测量速度是共聚焦三维表面形貌测量的核心问题,也是现代精密测量行业亟待解决的重大科学问题。本课题“差动并行共聚焦高精度快速三维表面形貌测量方法研究”的研究目的是解决共聚焦显微测量方法三维分辨率和测量效率均较低的问题,为微纳结构台阶样品及反射率不一致样品的高精度快速三维表面形貌无损测量提供关键技术和理论基础。本课题主要研究内容如下:首先,针对传统差动共聚焦显微测量技术的原理局限,开展了差动并行共聚焦轴向显微测量的机理研究,深入阐述了差动并行共聚焦轴向测量方法兼顾高轴向分辨率和快速完成全视场大范围测量特性的原理,讨论了不同差动参数和不同物镜条件下对物方差动测量曲线的影响,揭示了差动并行共聚焦测量特性的变化规律。然后,针对传统差动共聚焦横向分辨率受衍射极限限制,传统结构光照明超分辨成像不能提升纵向分辨率的问题,开展了满足共轭关系的结构光照明超分辨率成像方法研究。深入阐述了满足共轭关系的结构光照明显微成像原理,设计了与差动并行共聚焦兼容的二维点阵式结构光照明方案及与之配套的超分辨率成像重建方法,用以提升差动并行共聚焦横向分辨率。实验结果表明,二维各向同性结构光照明成像方法实现横向分辨率173nm（NA=0.95条件下）,比同条件明场照明下的横向分辨率提高了58%。第三,搭建了差动并行共聚焦高精密快速三维表面形貌测量系统,开展了验证测量原理的实验研究,分析并优化了影响测量精度和速度的关键参数。针对台阶样品开展了三维表面形貌测量实验,验证了所述方法具备高精度、大测量范围和快速测量的特点。实验结果表明,用NA=0.75的物镜,标称值为500nm高度的标准台阶样品,差动并行共聚焦高精度快速三维表面形貌测量方法与光学表面轮廓仪具有相近测量精度和测量范围的情况下,测量速度提高了两个数量级。最后,针对全视场范围三维形貌测量受照明光空间均匀性及样本反射率均匀性扰动干扰的问题,开展了误差溯源、分析、分离、补偿与修正的方法研究,提出采用对数相差的差动信号构建方法来修正照明不均匀和被测样品反射率不一致等乘法性误差的方法,深入阐述了乘法性误差补偿原理,实验验证了其可行性。该误差补偿方法提升了差动并行共聚焦三维表面形貌测量方法抗干扰能力,进一步保障其精度在全视场内的一致性。综上所述,本项目提出的差动并行共聚焦三维表面形貌测量方法兼具高精度、高分辨及高效率的特点。它通过构建共聚焦差动信号来实现纳米量级纵向测量精度,通过各向同性结构光照明成像方法实现水平方向超分辨率,通过并行成像提升其测量效率。差动并行共聚焦三维表面形貌测量方法的提出丰富了共聚焦显微成像理论,其优良特性预示着它将是一种具有极大发展潜力的三维表面形貌测量方法。该研究成果可推广应用于微机电系统、半导体加工制造、精密光学等领域的三维表面形貌还原与测量。