金刚石微槽在微电子散热器件和光学器件等领域都有非常大的潜在应用价值。系统研究了激光脉冲能量、扫描速度、扫描次数、重复频率和离焦量对金刚石微槽形貌、微槽宽度、微槽深度及微槽深度与宽度的比值的影响规律。研究结果表明，金刚石微槽的深度与激光脉冲能量、扫描次数呈正相关，随着激光脉冲能量和扫描次数的增大，微槽深度逐渐增加，并且当激光脉冲能量达到200 μJ，扫描次数增加到30时，微槽深度趋于稳定；金刚石微槽的深度与扫描速度呈负相关，当扫描速度为5 mm/s时，可获得深度较大的微槽；微槽的深度随着激光重复频率的增大而增加，当激光重复频率达到60 kHz时，微槽的深度趋于稳定。当离焦量从负值变化到正值时，微槽的深度先增加后减小，当离焦量为－1 mm时，微槽的深度达到最大。在激光脉冲能量为200 μJ，扫描速度为5 mm/s，扫描次数为30，重复频率为60 kHz，离焦量为－1 mm的优化参数下，能够获得微槽深度与微槽宽度的比值大于12的金刚石微槽。

为实现对蓝宝石衬底加工过程的质量监控，开发了一套蓝宝石衬底表面形貌检测和评价专用系统。基于经典垂直扫描白光干涉技术，利用其干涉图像的波动性，采用图像十字截面的灰度值方差作为清晰度评价函数，以实现系统的自动对焦；参考国家标准GB/T 29505-2013推荐的衬底测量点数及其位置分布，针对不同尺寸的蓝宝石衬底，依据同一层单位圆相邻圆心的距离来增加相应的测量点数；选取了二维、三维粗糙度评价参数作为系统评价参数，并对多点位置的粗糙度做统计参数分析。用R_a为0.1，0.2，0.4，0.8 μm的标准件对系统进行误差补偿，得到误差补偿方程，之后，用商业仪器3D光学轮廓仪Zygo7300进行对比实验，对R_a为0.8 μm标准件的5个不同位置进行了对比测量，两者测量的R_a值的误差为-0.012~0.011 μm；误差补偿完成后，分别对2英寸和4英寸蓝宝石衬底进行测量和评价分析。实验结果表明：该测量系统的精度为纳米级，能够实现不同尺寸蓝宝石衬底表面形貌的测量与分析，以及表面质量分布的评价。

彩色共聚焦技术因其高分辨率、高测速的特点, 在表面形貌测量领域备受关注, 然而现有的彩色共聚焦技术多为单点测量, 一定程度上限制了测量效率。本文在彩色共聚焦技术的基础上, 以DMD作为光分束器件, 结合自主研发的大口径色散管镜, 利用面阵彩色相机作为光电接收器件, 研究和建立了基于数字微镜器件的并行彩色共聚焦实验平台, 实现了对被测物面上多个探测点的并行图像处理。最终, 利用所搭建的并行彩色共聚焦测量系统, 对50 μm高的台阶和自制台阶进行了测量, 并对硬币的表面形貌进行了三维恢复。实验结果表明, 该测量系统的轴向测量范围为300 μm, 测量精度达到微米级; 同时, 能够较好地恢复硬币的表面形貌特征, 具有较好的测量效率与可靠性。

针对彩色共焦距测量系统中测量范围和分辨率的调制问题, 采用色散和聚焦功能分离的思路设计了一款色散物镜, 其色散功能由纯球面折射透镜组成的色散管镜来实现, 聚焦功能则采用商业物镜实现。使用ZEMAX软件对色散管镜的结构、材料及像差进行了设计及优化, 仿真结果显示所设计的色散管镜在可见光范围内能获得优于230 mm的轴向线性色散, 实际加工的成品管镜的轴向线性色散范围可达160 mm。实验测量了色散管镜及它结合不同聚焦物镜后的色散特性。实验结果表明, 色散管镜结合不同聚焦能力的物镜能够具有高线性度的轴向色散区域; 结合4倍和10倍放大倍率的商用物镜, 分别获得了1 300 μm和225 μm的测量范围, 其轴向分辨率分别为2 μm和0.4 μm, 实现了测量范围和分辨率的调制。

为了测量被测物面的微观特征量及这些特征量间的关系, 提出基于数字微镜器件 (DMD)的跨尺度测量方法, 研究针对 DMD的控制方法及基于 DMD的测量策略, 在不对测量系统硬件做任何修改的前提下, 仅通过软件编程实现对 DMD结构光参数的改变, 理论上可实现从 0.1 μm到 1 mm的跨尺度测量。搭建了基于 DMD的跨尺度测量平台, 实验结果表明, 轴向测量精度与横向分辨力均可达到微米级, 可实现对表面微观结构的快速扫描。该方法可以较好地解决目前诸多表面形貌测量中存在的多尺度问题。

为了实现对金刚石砂轮表面形貌的非接触精密测量, 开发了基于干涉原理的金刚石砂轮表面形貌专用测量系统, 研究了该系统的测量原理和关键技术。根据垂直扫描白光干涉显微测量原理以及被测对象的特征, 提出了适用于砂轮测量的方法,研究了系统的自动扫描范围、垂直方向的扫描方法、单次测量三维表面的恢复算法和磨粒的识别算法。结合自行设计的夹具搭建了砂轮测量系统, 并对多次测量拼接算法进行了实验分析。实验结果表明: 基于区域重合大小(重合度为30%~50%)的拼接算法获得的拼接前后重合区域的相关系数均大于0.8, 拼接后重合区域的高度差均小于0.4 μm。得到的结果显示所搭建的系统可以恢复砂轮的形貌, 其测量范围和精度满足砂轮磨粒评定和分析的要求。

并行共焦测量技术的核心是将单点共焦测量变成多点同时扫描测量, 从而使共焦测量速度显著提高。本文介绍了共焦测量技术原理, 综述了用于并行共焦的并行光源技术, 分析了这些方法的优点和不足。结合作者近年来的研究成果, 重点阐述了基于微透镜阵列和数字微镜器件(DMD)产生并行光源的新方法。分析和研究了DMD的空间光调制机理, 最终建立了一种单光源双光路并行像散共焦测量系统。