微纳结构器件的表面形貌特征是评定其质量和性能的重要参数,与可靠性、使用寿命和物理机械特性都紧密相关。随着MEMS芯片的图形密度、深宽比和集成化程度的不断提高,都给微纳米量级的表面形貌测量带来了极大挑战。数字全息技术具有非接触、全视场和实时定量相位成像等特点,被广泛应用于活细胞检测和微结构测量中。本文围绕数字全息中数值重建、相位恢复、畸变补偿和双波长测量等关键技术展开研究,提出了自适应可靠度掩模生成方法和数值相位畸变补偿方法,搭建了四种数字全息实验装置,旨在探索和实现高分辨率、低噪声、无畸变和大测量范围的数字全息技术。论文的主要工作和创新点总结如下:1.对比分析了微结构形貌测量方法的国内外研究现状,总结了目前数字全息领域五个主要研究方向,提出了将数字全息应用于微结构形貌测量中需要解决的关键问题。2.详细阐述了三种常用数字全息方法的记录和再现原理,理论分析了相位畸变产生机理和离轴全息频谱特点。针对不同全息光路和样本所对应的频谱分布差异大的问题,采用了基于区域识别的空间滤波算法,自适应生成滤波窗口来准确提取目标像频谱,实验证明了该算法的有效性。3.针对数字全息系统中相干噪声、相位包裹、条纹位错和畸变叠加等问题,提出了完整的相位恢复方法应该包括相位滤波、相位解包裹和相位畸变补偿三个步骤。对比了多种相位滤波方法,通过仿真实验定量评估出加窗傅里叶滤波WFF算法具有最佳降噪性能。详细分析了三种经典的相位解包裹算法,针对包裹相位图中相干噪声和条纹错位引起的相位异常,提出了具有自适应可靠度掩模的相位恢复方法,仿真与实验结果证明了该方法能准确恢复出可靠的样本轮廓。4.针对数字全息系统中相位畸变补偿问题,实验分析了双曝光法的优势和局限性,详细阐述了远心显微结构、Zernike多项式拟合和双拟合法的畸变补偿原理和实现方案。针对密集型微结构相位畸变补偿困难的问题,提出了具有曲线拟合预处理和自动背景分割的畸变补偿方法。仿真与实验结果证明了该方法能准确补偿复杂密集型微结构中的相位畸变。5.为了准确测量反射式微结构的三维形貌,搭建了无透镜傅里叶变换数字全息装置。当记录距离为13cm时,测试出再现强度像和相位图的实际横向分辨率分别为17.54μm和31.25μm,能观测到MEMS芯片上明显的电极缺陷。搭建了远心像面数字全息显微装置,实验证明了该装置能从光路中补偿二次相位畸变,测试出再现强度像和相位图的实际横向分辨率分别为3.91μm和6.20μm,并验证了所提出的相位恢复算法的有效性。6.为了扩大数字全息的纵向测量范围,搭建了基于干涉复用技术的单曝光双波长数字全息实验装置。采用的双波长为633nm和671nm,构建的合成波长为11.18μm。针对双波长全息中畸变叠加和噪声扩大的问题,提出了基于包裹相位图畸变数值补偿、Curvelet滤波和免疫算法的双波长相位恢复方法。实验测试了高度标称值为1.99μm标准台阶样块,取得了较理想的测量结果。