微元器件的结构特征是进行功能设计和生产制造的重要信息,与产品的服役性能密切相关。随着现代微纳制造技术的快速发展,微元器件逐步趋于精细化、精密化和材料复杂化,使得微结构的跨尺度特征测量面临更加紧迫的需求和严苛的挑战。尽管扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscope,SEM）凭借其所具备的高精度、非接触和测量范围广等优势而被广泛用于微结构的跨尺度特征测量和分析任务中,但是在实际应用时会受到来自内部与外部的诸多因素干扰,进而造成图像质量的退化。针对微结构跨尺度特征尺寸测量的迫切需求和SEM测量技术所面临的挑战,本文主要开展了以下研究:（1）针对超视场微结构跨尺度特征尺寸测量和分析需求,搭建了基于SEM的微纳操作和测量系统。为解决系统的成像稳定性分析和变倍率标定问题,首先提出了一种基于Log搜索的快速亚像素模板匹配方法,用于系统的静态和动态稳定性分析;并进一步提出了一种放大倍数可连续变化的标定模型和参数求解方法,利用纳米定位平台的运动特征实现系统的去标定板高精度标定;最后通过实验证明了所提方法能够有效保证系统标定与测量的准确性和可靠性,为后续相关方法的研究提供可靠的实验基础。（2）研究了SEM图像的降噪与对比度和可视化增强方法。针对微结构形貌特征和材料特性、系统自身和周边环境等内外耦合因素共同作用所造成的图像质量退化问题,通过探究SEM图像噪声来源与作用机理,提出了一种基于偏微分方程的微结构图像融合对比度和伪彩色可视化增强方法。仿真和实验案例均表明所提方法能够有效抑制并消除SEM图像中的局部阴影和噪声,增强后的图像比源图像具有更清晰可辨的微结构形貌信息,为后续微结构特征尺寸的测量和分析提供可靠的数据保障与技术支持。（3）研究了SEM视场内微结构局部特征尺寸的精密测量方法。为解决微结构局部特征的边缘检测问题,首先提出了一种基于灰度直方图的边缘高光检测和矫正方法抑制并消除微结构图像的边缘效应,并进一步提出了一种基于自适应偏微分方程的扩散方法降低伪边缘和残余噪声的影响。最后为实现微结构局部特征尺寸的精密测量,提出了一种基于线扫描轮廓式的特征边缘准确定位和测量方法。仿真和实验结果均表明所提方法具备强鲁棒性和稳定可靠的测量精度,能够有效保障微结构局部特征尺寸的精密测量与分析任务的实施。（4）研究了SEM超视场微结构全局特征尺寸的精密测量方法。为达成超视场微结构的全局高分辨率成像,提出了一种基于灰度均衡化与自适应渐入渐出融合的快速图像拼接方法。该方法有效解决了SEM图像的细节冗余、噪声干扰以及成像系统的灰度扰动问题。基于所获得的超视场高分辨率图像,提出了一种基于Zernike亚像素边缘检测的方法实现微结构跨尺度特征尺寸的精密测量。综合实验证明所提方法能够有效实现超视场微结构的全局高分辨率成像以及跨尺度特征尺寸的精密测量和分析。最后,对全文主要研究内容和创新点进行了总结,并对未来研究工作作出了展望。