随着科学技术日新月异的发展,表面形貌与轮廓测量日益成为测量学重要的测量对象,表面测量技术也已成为科学测量技术的一个重要发展分支,在高分子材料科学、微纳米电子科学、微机电系统科学、薄膜科学以及生命科学等研究领域,与精密仪器及零件制造、新材料制造技术、芯片制造工艺检测及加工质量评定等工业领域都有广泛而重要的应用。近年来,结合微电子技术、计算技术、光学技术、传感技术以及信息处理技术等高新技术,基于各种原理的表面形貌与轮廓测量仪器相继问世,其测量范围小至亚纳米级,大到毫米级,为科学研究和工业应用提供了先进的观测和分析手段。在实际测量工作中,采用原子力显微术(Atomic Force Microscope,AFM)获取物质三维表面形貌的测量技术因纵向分辨率高而在纳米级表面测量领域得到较多应用,但是却有探头易损坏、扫描范围小、扫描速度慢等缺点。基于位置敏感探测器(Position Sensitive Detector,PSD)光电探头的表面轮廓测量技术的扫描范围大,可达到毫米级,但只有微米级纵向分辨率,无法得到表面细节信息。基于此,本文提出了将AFM探头与PSD光电探头相结合的三维表面轮廓测量新方法,并研制了双探头三维表面轮廓测量系统。这种方法克服了当前表面形貌测量仪器在分辨率与测量范围难以兼容的问题,初步实现了在同一开放式工作平台进行高精度表面形貌与大范围轮廓的综合测量。本文从系统的工作原理、系统设计研制以及实验测试技术三个方面对双探头三维表面轮廓测量系统进行了研究,主要的创新点及研究工作如下:首次提出了将AFM探头与PSD光电探头测量技术相结合的三维表面轮廓测量新方法。由本方法,可实现样品在同一工作站中完成纳米级表面形貌及轮廓的测量工作。研制开发了一套双探头三维表面轮廓测量系统。设计了双探头的工作模式;设计了二维电控扫描台,设计了本测量系统的数据采集方案与光栅式电控扫描控制逻辑,实现了时间最优与成本最优的扫描方法。基于测量系统的特点,设计了功能完善、界面友好、控制参数丰富的软件系统。本软件系统可实现从微米级扫描范围到毫米级扫描范围的有序衔接,并可实现高精度表面形貌测量控制、大范围表面轮廓测量控制、图像采集、图像处理以及表面三维重建功能。利用本系统进行了三维表面轮廓测量实验。实验包括AFM探头测量范围标定实验,PSD光电探头的表面轮廓测量实验,包括零件、芯片、垫片等一系列样品,最后,还进行了大范围表面轮廓测量和局部形貌测量综合实验,得到了较好的实验结果,验证了系统的可行性与稳定性。