微结构元件制造是先进制造技术研究中关键的研究方向之一,在微结构元件的加工过程中,对其三维面形的测量是保障其制造精度的关键步骤。现有的主流测量方法大都需要扫描,难以实现机上测量,无法在加工过程中进行面形参数的实时反馈。光场显微成像是一种三维成像手段,可通过单次曝光获得被测微结构表面的三维信息,有望实现机上测量,具有较好的应用前景。目前基于光场显微的微结构三维面形测量技术中,受微结构样本表面纹理少、反射率过高等因素影响,对于其深度信息的提取尚不够精确可靠,且与常规显微成像相比,基于微透镜阵列的光场显微成像具有较严重的横向分辨率损失。针对微结构表面测量的需求以及光场显微成像技术的特点,本文进行了以下几个方面的研究工作:1、分析了基于几何光学的四维光场显微成像模型,并研究了光场数据可视化处理算法,为后续研究奠定基础。通过四维光场的函数化表征,建立光场显微成像的数学模型。通过研究光场数据的坐标转换,实现了光场数据的数字重聚焦和视角分离可视化处理。2、针对微结构表面特点研究了光场数据离焦信息和匹配信息相融合的三维形貌重构方法,提高了三维重构的可靠性。基于数字重聚焦图像研究了基于离焦信息的深度提取方法,基于视角分离图像研究了基于匹配信息的深度提取方法。针对单一信息中存在深度误提取的情况,将图像信息融合的方法应用到微结构表面的三维形貌重构。3、研究了基于频域分析的光场分辨率增强方法,有效提高了成像分辨率。从频域角度入手,分析光学系统结构对于光场图像频域信息采样的影响。针对衍射效应的影响,进行了基于波动光学的光场成像模型分析,应用反卷积重构算法进行光场显微的分辨率增强。针对空间带宽积受限问题,将傅里叶叠层成像技术应用到光场显微系统中进行分辨率增强。4、设计并搭建了光场显微实验系统并进行了微结构表面测量实验,验证了上述方法和算法的可行性。基于上述测量方法对系统参数的需求,分析并计算了各主要元件的参数,设计并搭建了实验系统。对微结构表面进行了测量实验,分析了实验结果,就实际实验中出现的问题提出了改进措施。本文针对光场显微成像中的三维重构和分辨率增强进行的研究工作,为光场显微成像技术在微结构表面测量领域实现高精度定量测量奠定了技术基础。