共焦扫描显微测量技术是一种用于微米及亚微米尺度测量的三维光学显微技术。因其具有无需样品制备、测量速度快、成本低、不损伤测量表面以及可直接测量高度大于半波长的台阶轮廓等优点,而被广泛用于材料学、微电子学、光学、生物工程学及医学领域的三维微尺度结构测量,成为现代微纳米计量、测量科学领域的重要分支。提高测量分辨率,扩展量程范围,增强抗扰动能力是仪器科学与技术发展的核心问题。近年来,由于曲面、大台阶微结构元件横向线宽加工精度日益提高,轴向刻蚀深度不断增大,以及混合材料、掺杂材料基底微结构元件的广泛应用,现代光学立体显微技术发展迫切需要兼顾获得三维高分辨率和大量程特性,抑制表面反射率跳变扰动和长时间扫描测量光功率漂移扰动,以满足微米及亚微米尺度几何参数无损测量需求。然而,受光学扫描物镜焦深扩展与轴向探测灵敏度提高的矛盾关系制约以及轴向探测灵敏度与测量光能量损失的相关性制约,现有共焦扫描显微技术难以兼顾上述特性。可见,三维高分辨率、大量程和非均匀反射扰动抑制特性的兼顾性问题是现代共焦扫描显微技术发展亟待解决的重要课题。课题“超分辨移相共焦和复色差动共焦扫描显微技术及理论”的研究目的是解决共焦扫描显微技术三维高分辨率、大量程和非均匀反射扰动抑制特性的兼顾性问题,为实现混合材料、掺杂材料基底以及曲面、大台阶微结构轮廓几何参数无损测量提供关键技术和基础理论。研究成果可推广应用于微光学元件、大规模集成电路、微光机电元件、微沟槽结构机械元件、红外探测器光敏元件的微结构轮廓几何参数无损测量。本课题主要研究内容如下:首先,针对超分辨滤波噪声抑制问题,基于凸函数优化理论开展了超分辨滤波器设计中旁瓣全局最小化控制方法的研究,通过相位旋转变换和变量代换将旁瓣振幅模函数转换为凸函数,降低了旁瓣强度最小化滤波器设计目标函数的阶次,进而给出可满足旁瓣全局最小化抑制充分必要条件的超分辨滤波器设计方法,解决了在完整复振幅定义区间上N区等宽环带超分辨滤波器设计旁瓣全局最小化充分性、严密性问题,证明了其旁瓣全局最小化滤波器解的不唯一性;其后,提出了合成复振幅超分辨滤波器,不仅给出了合成滤波器相位调制元件参数与传统复振幅调制的等价关系模型,分析了分支光路调整误差对超分辨滤波效果的影响,而且对合成复振幅超分辨滤波原理进行了实验验证。该滤波器具有结构简单、相位调制精度高、易于批量制造的优点;第三,针对传统共焦扫描显微测量技术的原理局限,开展了超分辨移相共焦扫描显微测量机理研究,深入阐述了超分辨移相共焦显微测量方法兼顾获得高分辨率、大量程和非均匀反射扰动抑制特性的原理先进性,重点分析了移相误差、二次共焦定位误差的影响规律和轴向量程扩展特性,讨论了近轴与非近轴衍射系统普遍适用性和边缘位置判据,揭示了轴向、横向测量特性的变化规律。实验表明,在NA=0.85、λ=632.8nm条件下,轴向分辨率达到0.5nm,横向线宽测量结果相对于标准光栅标称宽度的比较误差小于0.15μm;最后,针对传统共焦扫描显微测量技术的原理局限,开展了超分辨复色差动共焦扫描显微测量机理研究,利用复色光聚焦轴向色散特性,构建了两个可交替工作的独立响应线性区,克服了轴向灵敏度提高与量程扩展之间的矛盾,在不牺牲三维测量分辨率前提下,使量程扩展1倍;此外,以两路差动探测信号差与和的比值为共焦响应函数,获得非均匀反射扰动抑制特性和轴向超高灵敏度特性。实验表明,在NA=0.75、λ=632.8nm条件下,轴向分辨率达到1nm,横向线宽测量结果相对于标准光栅标称宽度的比较误差小于0.1μm。