随着微细加工、微光学、微机械和微电子等技术的不断发展，越来越多的微器件需要进行精密三维测量。因此对微观轮廓形貌进行快速准确的检测，已成为现代精密测试技术与仪器研究的重要课题。共焦测量方法由于具有高精度、高分辨率及易于实现三维成像数字化的独特优势而在微观轮廓检测中得到广泛重视。近年来，全场并行共焦检测技术引起各国专家的普遍关注。该技术将单点扫描变为多路并行探测，同时对被测表面的不同点进行检测，实现了全场同步测量。本论文工作是在国家自然科学基金项目″纳米三坐标测量机关键技术的研究″(50175024)和教育部科学技术研究重点项目″基于微光学的多功能三维探测头的研制″(01103)的支持下进行的，通过课题的研究，对全场并行共焦检测系统及其关键技术进行了深入的研究，对探测系统的光学特性和精度特性进行了理论分析和实验验证。研究具有高精度、高速度的共焦测量技术与方法，使全场并行共焦探测系统具有更大的灵活性、更广的适用性，为共焦三维探测技术的实用化打下良好研究基础。 论文的主要研究工作有： (1) 在傅立叶分析基础上，对全场并行共焦技术进行了系统深入的理论分析。提出了并行共焦系统各项特性指标的判定依据，给出了全场并行共焦系统的设计与配置方法。论文分析了影响全场并行共焦探测系统特性的各种因素，详细讨论了各种误差因素对并行共焦检测精度的影响，对优化并行共焦检测技术具有理论价值和实用意义。 (2) 在理论和实验基础之上组建了一套全场并行共焦测量装置，编制了并行共焦探测的数据图像采集与处理专用软件，并在此基础上进行了大量的实验研究，为全场并行共焦测量系统设计与仪器化提供了理论基础和实践参考。 (3) 为获得更高的测量精度和测量速度，对改善并行共焦检测系统性能的各项关键技术与途径进行了研究，提出几种优化系统特性的方法与技术，从而解决常规共焦检测技术中的不足，降低误差因素对并行共焦检测精度的影响。 (4) 为使并行共焦检测系统具有更广阔的应用范围，论文对数字化光源在并行共焦系统中的应用进行了探索性研究，以适应特定的测量要求和任务，使得设计的光学系统更简单、更具柔性化。 论文取得的创新性研究成果如下： (1) 针对传统光源的噪声和漂移影响大的缺点，首次提出了一种基于像散原理 11合肥工业大学博士学位论文 的全场并行三维检测新方法。该检测方法利用微透镜阵列和像散元件构成并行像散光路，实现了对测量表面的全场同步检测。通过使用像散光斑光强差动算法，有效抑制光源的噪声和漂移的影响，可以在较大采样间距下获得较高的轴向分辨率，有效解决测量分辨率和测量速度之间的矛盾。论文给出了并行像散检测系统的组建方案，对系统的性能参数和影响因素进行了分析和讨论，组建了实验装置并进行了实验验证。实验结果证明并行像散探测系统特性与理论分析是基本吻合的，表明像散法在并行三维检测中的应用是可行的.该方案有一项专利获得国家专利局授权，一项发明专利己通过初审。 (2)为提高并行共焦检测系统的测量精度和分辨率，首次将差动共焦原理应用于全场并行检测系统中，并进行了实验验证。该检测系统在常规全场共焦系统基础上，反射光路采用差动设计，使用两个CCD同步测量离焦光斑强度信号。通过使用光斑光强差动算法，可以有效抑制光源的噪声和漂移对测量结果的影响;利用差动共焦特性曲线中的线性关系，实现在较大采样间距下获得较高的轴向分辨率。该方案有一项专利获得国家专利局授权，一项发明专利已通过初审。 〔3)首次提出了一种数字化点光源阵列产生新方法，将其应用于全场并行共焦探测系统中，并进行了实验验证。该方法基于数字光处理(DLP)技术，采用数字微反射镜器件(DMD)取代传统微光学元件(如微透镜阵列和微针孔阵列)，解决了传统微光学元件光学参数固定的缺陷，实现了简便灵活、可编程的二维点光源成像，各种光学参数可以很方便的通过软件调整以适应不同的测量要求，该方案已申请一项发明专利。