曲面光学元件涉及微结构曲面光学元件和连续曲面光学元件等。该类光学元件对光学系统成像质量的提高具有显著优势,因而得到了广泛使用。但通过传统光学手段对该类光学元件面形进行成像却是一个困难的问题。产生这一问题的原因是,在共焦扫描测量、干涉测量等光学系统中,由待测曲面光学元件表面反射的成像光因发生镜面反射而偏离成像系统光轴,导致成像失真。要从根本上解决这一测量难题,需先在光学成像原理上有所突破。本论文针对这一问题,以曲面光学元件表面的三维显微成像需求为背景,开展基于中介层散射的两步移相宽场三维显微成像技术研究,旨在为曲面光学元件表面的快速、宽场三维成像提供技术和理论支持。本论文的主要研究内容如下:(1)为揭示曲面光学元件表面无法被传统光学系统有效成像的根本原因,建立了宽场结构光照明三维显微成像系统对曲面光学元件样品成像时的有效光瞳模型,推导了其对应的光学传递函数表达式。研究了在各种表面局部倾角和物镜数值孔径条件下的截止频率的数学表达式,并对几种典型情况进行了仿真和对比分析。该研究工作解决了曲面光学元件在宽场结构光照明三维显微系统中成像能力的理论评价问题,为基于中介层散射的宽场结构光照明三维显微成像方法(FSSIWM)提供了理论依据。(2)针对传统光学成像时曲面光学元件表面样品出现的成像分辨率降低、信噪比降低和形状失真的问题,提出了基于中介层散射的宽场结构光照明三维显微成像方法。该方法利用结构光照明三维显微成像方法对沉积荧光中介层(均匀且易去除)的曲面光学元件表面成像,使样品表面对光的镜面反射转换成散射,从而使成像光能够充满物镜孔径,照明光瞳和成像光瞳完全重合,并能使元件不同倾角区域的成像分辨率统一。该方法解决了传统光学方法因镜面反射导致的成像信号损失和成像失真问题,可实现曲面光学元件表面三维形状的快速宽场三维成像。(3)针对传统三步移相宽场结构光照明三维显微三步法中空域解算时结构光条纹的相位与理论不严格匹配时,准焦图像易出现带状伪信息的问题,提出了两步移相宽场结构光照明三维显微方法(两步法)。两步法通过傅里叶域基频滤波处理每层结构对应的两步移相图之差,解算出被余弦调制的准焦结构对应的强度信息。与传统三步法相比,该方法具有如下优点:避免了空域解算出现的带状伪信息问题;移相步数从3减少到2,对荧光中介层的照明时间减少了1/3,并可降低光漂白几率;使系统采集结构光图像数据所需的时间减少了1/3。另外,两步法可在不改变原有光学系统结构的情况下以模块的形式嵌入到传统三步法所用的成像系统中。(4)基于上述分析和所提出的方法,设计并研制了宽场结构光照明显微成像系统。在搭建的实验系统上测试了微柱面镜元件,验证了所提出的基于中介层散射的宽场结构光照明三维显微成像方法和两步法的有效性。实验结果表明两步法三维成像结果可避免三步法中的带状伪信息,物镜数值孔径为0.25时,微柱面镜表面可成像倾角48.94°,是等数值孔径传统光学成像时理论极限的3.38倍。基于中介层散射的结构光照明显微成像方法可实现曲面光学元件表面成像,且两步法条纹解算效果优于三步法。