随着科学技术的发展,在航天、航空、材料、光电子、生物医学和信息等产业中,研制和开发出了越来越多的高精密设备,各种各样的微小、精细的元器件得到了广泛的应用,而元件的表面质量恰恰是影响仪器设备精度的关键因素,这就对元件表面轮廓的三维测量提出了更高的要求。表面测量、分析与评价,是一个多学科交叉研究的课题,具有重要的科学意义和应用价值。现有的各种高精度光学表面测量仪器,往往是针对单参数测量的,大多不能很好地兼顾精度和量程之间的矛盾。虽然触针式轮廓仪可以在较大的测量范围内实现高分辨率,但存在着触针的机械压力和损伤对测量精度的影响,不适合测量软质和高精度表面,限制了其应用范围;含有丰富信息,不允许划伤的表面要求非接触测量,因此,开发和研制一种非接触的、高精度的、多功能的表面测量系统势在必行。基于此,本文提出了一种多功能的共焦表面测量系统,该系统兼顾了高精度和大量程,由共焦、显微和光学视觉位移测量三个子系统组成,采用显微系统进行粗瞄准,共焦系统进行精细瞄准和小量程、高分辨力的测量,再通过与聚焦物镜的移动相配合,用精密视觉位移测量系统实现大量程测量。应用深度信息和图像重构技术可以获得物体表面形貌图。这样系统不仅可以解决高精度、含有丰富信息和软质材料制品的形貌测量问题而且也适用于常规机械制品的表面形貌的测量,同时具有显微观察能力,可以更好地展现和分析表面特性,是一种应用范围十分广泛而且技术含量又很高的新型仪器。在微电子、微机械、光学加工、航空航天、生物医学和材料科学等领域有着广阔的应用前景和实用价值。本文首先阐明了共焦系统具有高的横向分辨力和轴向分辨力的原因,对影响轴向分辨力的相关因素进行了分析,为系统的优化设计奠定了理论基础。设计并研制了多功能的共焦表面测量系统,对系统的主要组成部分——共焦光学测头、显微视觉检测和精密视觉位移测量部分进行了设计,并对共焦光学测头的几个关键要素——光源、物镜、针孔和光电探测器等进行了详细的研究和分析。为了提高表面测量的精度,准确的分离和提取所需的特征信号,对表面评定的核心技术——评定基准的确定进行了研究,提出了基于双密度小波的表面形貌误差分离的实现方法,并用模拟信号和实测粗糙度样板信号进行了对比分析、计算,与用高斯滤波中线和DB小波中线计算的粗糙度参数Ra值相比,准确度提高了4%,而且能更好的从形貌误差信号中分离出粗糙度、波度和形状误差。为了更好的观察和分析表面的特性,对采集的序列显微图像进行了高精度的聚焦形貌重构。对影响聚焦评价函数曲线的各种干扰,本文给出了双密度小波软阈值去噪的方法,在消除干扰的同时,保持了数据点位置的不变,信噪比的提高。最后,对所研制系统进行了性能测试和实验研究:比较了不同特性的表面对轴向响应曲线的影响;用所研制的系统测量了表面粗糙度样板和台阶;对系统的误差源进行了分析,结果表明该系统具有较高的测量精度,而且功能多、体积小、使用方便。