随着现代设备不断更新,新兴行业对于产品的加工精细度要求越来越高,对零部件微结构的精密、快速检测,也越来越重要。光学干涉的形貌测量方法因其高灵敏度和高精度的特性正获得广泛应用,但如传统白光干涉仪,使用二维面阵相机拍摄完全部三维干涉图像后才能获得高度信息,难以同时实现高分辨率、大视场、实时计算,和探头小型化,因而不适用于一些持续进行精密加工且希望原位实时检测的工业场景。为了同时实现高分辨率、大视场、实时性好,且探头小型化的测量系统,本文设计了基于光纤光路的光谱干涉测量系统,用于测量样品的三维形貌,并实验验证了其可靠性。本文主要工作如下:（1）设计了基于光纤光路的光谱干涉测量系统,它使用光纤光路替代自由空间光路,探头与参考臂和探测器分离,实现了探头小型化;使用光纤光谱仪采集干涉光谱并计算一个被测点的相对高度;使用基于扫描振镜的光斑扫描模块实现三维形貌测量,典型地,在18 mm×18 mm的大视场范围内,可以实现光束半径为约7μm的高分辨率扫描光斑;由于采用光点扫描的方式,可以同步进行样品扫描与形貌计算,实时性好。（2）设计了能量重心法作为形貌测量应用的算法,提升了计算速度,减小了测量误差。针对广泛使用的相位斜率法计算速度慢、误差大的问题,本文设计使用能量重心法,它采用简单的初等运算,摒弃了相位计算,无需迭代求得相位的斜率,因而计算速度快。仿真表明能量重心法的计算用时比相位斜率法下降了84%,计算误差下降了96%,且能量重心法对数字滤波器的带宽要求更低,能避免伪峰的干扰,更符合实际不透明样品的应用需求。对不透明样品的实验同样表明能量重心法误差更低。（3）研究了样品的局部反射率变化对形貌测量结果的影响,为数据分析方案改进提供了方向。由于点扫描式光谱干涉形貌测量系统作为一种新型形貌检测手段还未获得广泛应用,其可靠性还有待验证,本文对多种具有不同特性的样品进行了形貌测量和标定。实验表明:与现有商业光学轮廓仪（如白光干涉仪和共聚焦显微镜）相似,样品的局部反射率变化和扫描光束半径的大小会共同影响测得样品的形貌结果,如宽度等横向特征,但系统测量结果,尤其是深度测量结果与商业光学轮廓仪相对误差小于1%,具有可靠性。此结论对于一般样品以及大孔径比的小孔的形貌分析具有指导意义。（4）设计用置于样品上方的300μm针孔模拟不同深径比的微深孔,实验证明了光谱干涉测量系统可以正确测得微深孔的形貌。光谱干涉系统具有高灵敏度和大量程的特性,尤其适合测量微深孔样品。但少有研究分析深微孔对测量孔底形貌的影响,因此本文提出用置于样品上方的300μm针孔模拟不同深径比的微深孔。实验表明,光谱干涉测量系统可以正确测得针孔模拟的微深孔孔底样品形貌。最终,本系统成功用于测量非干涉手段难以测量的真实微深孔样品,其深径比约为20,孔直径约为250μm。（5）设计使用无衍射光束扩展光谱干涉测量系统的焦深,证明了艾里光束具有比相应高斯光束更长的焦深,且能测得正确的形貌。为了扩展光谱干涉测量系统的焦深,本文通过仿真和实验,设计并实现了半高全宽均为约10μm的高斯光束、贝塞尔光束、艾里光束,实验表明它们有相同的合焦分辨率。使用三种光束作为光谱干涉测量系统的扫描光斑,扫描测量了同样的浅孔样品。测得形貌表明,生成高斯光束在合焦时测得孔深约为3μm,但在离焦1 mm后小孔的形貌有明显变化;生成贝塞尔光束在6 mm的离焦范围内测量结果没有明显变化,但可能由于旁瓣的影响,测得样品深度为0.5μm,与实际差别较大;生成艾里光束在离焦0～2 mm内测得形貌基本不变,测得孔深约为3～4μm。实验证明了艾里光束具有比相应高斯光束更长的焦深,且能正确测得小孔的深度。总的来说,本文设计并实现了用于产品表面微结构形貌检测的光谱干涉测量系统;验证了这一新型设备的可靠性;分析了系统的测量特性,系统可以用于测量传统设备难以检测的微深孔样品,且实时性好。本文还研究了使用无衍射光束实现了扩展光谱干涉系统的焦深,实验表明生成的艾里光束具有焦深扩展能力,能在2mm离焦范围内正确测得小孔的深度。