微小球体是微光学、微机械等领域中最常见的元器件形态之一,其表面微观形貌对于其多方面应用特性有着重要的影响。例如,直径介于几百微米至几毫米的微球型靶丸是惯性约束聚变(Inertial Confinement Fusion,ICF)实验的核心部件之一。靶丸表面任何微小缺陷都有可能引发不对称压缩,导致实验效率降低,甚至打靶失败的严重后果。传统的球面检测手段,如用轮廓仪、圆度仪、原子力显微镜进行检测,存在着检测效率低、容易划伤工件表面、孤立缺陷容易遗漏等问题。光学干涉测量法具有非接触、采样密度高、效率高、精度高等优点,是较为理想的表面形貌检测方法。但目前仅有美国和法国的相关科研机构开展了靶丸表面形貌光学方法检测的研究工作,分别采用移相衍射干涉和数字全息显微的技术路线,实现了靶丸全表面的无遗漏检测。而我国目前仍沿用着原子力显微镜旋转扫描的传统检测方法。本文主要针对基于移相衍射干涉测量原理的靶丸全表面形貌检测方法及关键技术进行研究,主要研究内容如下:针对移相衍射干涉测量方法进行研究,并对光机结构进行设计,提出了基于偏振控制的移相衍射干涉靶丸全表面形貌检测方法。通过对光的传输过程以及干涉光路中各类光束的偏振态约束进行干涉场内杂散光成份的选择性滤除,实现移相干涉的同时大幅提高干涉信号的对比度。解决了传统光路分光式移相衍射干涉测量方法中必须使用短相干长度光源以及干涉信号对比度差的问题,使该方法适用于低反射率的靶丸表面形貌检测。并针对多个光学器件引入的系统误差,采用点衍射检测光波面畸变标定方法,提高检测精度。针对机械式移相中普遍存在的线性移相误差抑制方法进行研究,提出了基于误差互补修正的移相干涉测量相位提取方法。通过构造的五帧算法与经典Hariharan算法在同一相位处对于等量线性移相误差产生的解相误差大小接近,符号相反的特点,将两种算法进行误差互补,大幅提高定步长解相算法的线性误差抑制能力,同时避免产生错误的虚数相位解。并针对最小二乘迭代算法不适用于圆形域相位解包裹的问题,采用多二值化掩膜边界限定条件对算法进行改进,使其能够在圆形域内进行有效的相位扩展还原。针对传统偏心误差修正方法残余误差过大的问题,提出了适用于微球检测的偏心误差修正方法。通过引入光程差数学模型的分析和高阶近似,实现偏心误差与Zernike误差项间的准确映射,提高偏心误差修正精度。并对波面拟合中归一化极径近似误差的影响进行了分析,给出了相应的修正方法。针对靶丸全表面形貌检测子孔径拼接数据量大的问题进行了研究,确定了二维匹配与三维匹配结合的拼接方案。在对各子孔径的空间位置进行排布设计的基础上,采用基于映射图像匹配的环内子孔径数据拼接方法,提高拼接效率;采用迭代最近点点云匹配方法,提高数据环带之间拼接的容错能力。并针对迭代最近点算法存在的局限性,采用虚拟极小半径横向压缩的处理方法,提高微观形貌点云数据匹配的准确性。依据靶丸检测原理,设计搭建了用于靶丸全表面形貌检测的移相衍射干涉仪实验装置,并分别以低反射率的红宝石探头和GDP靶丸为检测对象进行了实际测量。单孔径检测中,得到对比区域内形貌误差PV值和RMS值分别为66.17nm和16.89nm,与Wyko扫描白光干涉仪检测结果一致,测得红宝石表面粗糙度为0.0149μm,与厂家给定的标称值一致。GDP靶丸半球拼接后的赤道截面轮廓与原子力显微镜扫描结果基本一致。从而证明了本文提出的靶丸全表面形貌检测方法及相关方法是可行的、有效的。