随着科技的不断发展， 各种功能的微纳结构不停涌现， 在精密仪器、 航空
航天、 生物医学、 国防军工等领域发挥着重要作用。 微纳结构作为一项科技基
础设施是各学科发展的源动力， 其技术发展水平已经成判断一个国家科技实力
的重要指标。 高精度测量， 作为微纳结构制造的前提条件之一， 是加工精度和
器件性能的重要保障手段。 而如今， 为了追求更加卓越的性能， 微纳结构不断
向更精细、更复杂的方向发展。 同时， 对微纳结构需求的提升又给微纳测量技
术带来了新的挑战。 数字全息显微技术通过计算机模拟衍射过程恢复被测物体
三维信息，并且相较于其他测量方法免去了扫描步骤，可实现面形信息的快速
构建，具有测量范围广、高分辨率、鲁棒性强、重建速度快等优势，在微纳结
构测量领域中有很大潜力。
近年来， 数字全息显微技术在国内外众多研究人员的共同推动下， 发展十
分迅猛， 研究内容主要集中在系统稳定性提升、 零级像和孪生像消除、相位畸
变校正、 噪声抑制、 纵向测量范围拓宽横向分辨率提升等方向。 尽管如此， 数
字全息显微仍然存在一些亟待解决的问题， 主要有： (1) 数字全息显微系统在对
大梯度微纳结构测量时， 其大梯度区域产生的高频信息无法进入光学系统， 导
致该方法无法实现大梯度微纳结构的表征。 (2) 为提升微离轴数字全息方法的实
时性， 前人提出同步相移的干涉结构， 但该结构会引入新的图像匹配问题， 现
有空间一致性标定方法只有像素级精度， 标定精度还有待提升。 (3) 尽管在结构
光照明的加持下， 数字全息显微能够实现超分辨， 但该方法需要多次相移以完
成超分辨信息的解调， 如何进一步提升其采集效率， 是当今面临的一大难题。
本论文针对微纳器件检测需求及目前数字全息测量方法中尚存的问题， 具
体开展的研究工作和取得的研究成果如下：
第一， 为解决大梯度微纳结构的测量局限性， 首先分析了该问题的生成原
理， 提出一种多角度拼接数字全息测量方法，该方案通过为样品添加倾斜角度
以降低样品不同区域的梯度，使其区域的物光能够被显微物镜收集，再通过倾
斜衍射、高精度面型重建和基于重叠区域的拼接算法实现大梯度微纳结构完整
的三维形貌获取。
第二， 搭建了基于偏振棱镜分光的同步相移微离轴数字全息系统，并针对
其存在的图像空间失配问题，提出了一种基于相位差最小化的空间一致性标定
方法，通过仿真和实验证明了其亚像素级的标定精度和算法有效性。
第三， 建立了结构光数字全息的成像模型， 通过仿真和实验验证了其三维
超分辨能力， 在此基础上， 提出一种快速结构光数字全息测量方法， 利用偏振
复用技术调制结构光光场， 配合偏振分光棱镜实现两幅相移图的同步采集， 提
升了结构光数字全息的实时性。
本文从数字全息显微技术尚未解决的问题和难点出发， 给出了相应的解决
方法， 并通过理论建模、 计算机模拟和实验验证的方式多维度证明方法的有效
性， 用于提升原有测量方法的应用领域、 测量精度和测量效率， 上述方法的成
功实现为日益迫切的微纳结构测量需求提供新的解决思路，促进微纳技术的持
续发展。