随着超精密加工工艺水平的不断提升,元件表面的加工精度不断提高,复杂微观结构和宏观自由曲面的加工技术逐渐成熟,同时对相应的测量技术也提出了需求。针对高曲率及大倾角表面的形状测量,现有基于光学子孔径拼接技术和机械扫描技术的测量方法由于引入更多的扫描和运动自由度,不仅使仪器成本急剧增加,而且系统精度难以进一步提高,无法实现对此类元件形状特征的精密测量。另外,由于微观高曲率及大倾角表面元件局部结构对探测光的遮挡,即使引入多维机械扫描也难以测得此类样品的局部形状。高曲率及大倾角表面的光学成像与测量成为目前计量领域极具挑战性和亟待解决的难题之一。本课题通过研究高曲率及大倾角元件在明场共焦成像模式下测量分辨率降低以至无法观测的原因,提出了基于中介层散射原理的高曲率及大倾角表面共焦形状测量方法,同时针对轴向峰值定位这一共焦测量技术的共性问题开展了深入分析。主要内容如下:(1)基于线性光学成像原理及共焦成像理论,对高曲率及大倾角表面的共焦显微成像机理进行研究,分析了成像系统有限收集孔径对信号光收集能力不足而导致的理论分辨率下降和信噪比降低的问题,并在共焦轴向响应和传递函数两个方面对光滑倾斜样品的共焦成像能力进行分析。(2)针对传统基于反射和衍射原理形状测量方法中,高曲率及大倾角表面镜面反射产生的信号光中心法线偏转而引起的信号光有效收集孔径减小,甚至无法被收集的问题,开展了基于中介层散射原理的高曲率及大倾角表面共焦形状测量方法研究。利用物理气相沉积技术,在样品表面沉积一层易去除的纳米级厚度的中介层,构建了一个各向同性散射表面,避免了由于样品表面镜面反射导致信号光中心法线偏转的问题。载有样品表面位置信息的散射信号总能充满成像光瞳,不随表面倾斜角度变化而变化,解决了大倾角表面测量分辨率降低甚至不可测的问题。在数值孔径NA=0.75下对光滑倾斜曲面的探测能力达到88.4°,曲面可探测角度超过传统反射成像方法理论极限的82%。同时,利用中介层共焦响应同时产生轴向峰值位置移动和包络展宽的卷积特性,进行中介层厚度误差校正,解决了基于中介层散射共焦形状测量的理论严密性问题。(3)针对轴向响应峰值定位这一共焦显微仪器的共性核心问题,分析了高数值孔径下共焦系统轴向响应特性,建立了共焦系统sinc2轴向响应模型,将sinc2模型的适用范围从低数值孔径情况下推广至高数值孔径,并提出了基于sinc2函数拟合的共焦轴向响应峰值定位方法,sinc2拟合方法比高斯模型具有更高的拟合精度与效率。标准台阶高度测量实验证明,sinc2拟合方法平均拟合时间比高斯拟合方法缩短21.3%。(4)开展中介层散射共焦测量仪器集成研究,为高曲率及大倾角样品提供成像及面形测量手段。阐述了中介层散射共焦测量系统及仪器集成的核心技术,并集成了中介层散射共焦测量仪器装置,包括激光照明模块、光束扫描模块、数据采集模块和宽场成像模块等,对典型高曲率及大倾角样品进行了面型测量,并对荧光染色生物样品进行了扫描成像及三维轮廓检测等。