阶跃型元件是一种表面非连续、有形貌突变的元器件,具有宏观基底面形和微观浮雕双重三维形貌特征。特别是应用于红外波段的阶跃型元件,其基底宏观面形的非球面偏差大,且微观浮雕存在微米级阶跃变化。干涉测量是最为广泛的三维形貌高精度检测方法。但常规的单一短波长干涉测试手段,因受其工作波长制约,难以确定条纹级次,存在2π相位模糊等问题,不能用于大偏差的阶跃型元件三维形貌检测。双波长干涉技术通过获取较长等效波长的干涉信息,确定条纹级次,实现测试量程至数微米量级、甚至毫米量级的扩展。本文将针对双波长移相干涉检测阶跃型元件三维形貌中的关键技术,开展双波长干涉测试装置研制、高反射率与大偏差阶跃型元件形貌测试方法等方面的研究。针对阶跃型元件三维形貌变化范围大、单一波长激光干涉检测能力受限问题,研制了一套斐索型双波长移相干涉仪,工作波长为632.8 nm和532 nm,等效波长可达3.34μm,实现了微米级阶跃形貌检测量程的扩展。针对阶跃型元件曲面基底三维形貌的高精度检测需求,研制了小F数双波长标准球面透镜组,提出了前组近似无焦与齐明球面组合的设计方案,前组与齐明透镜的镜间距偏差±20mm变化范围内,标准球面透镜组球波面仍满足要求,其系统测量准确度优于λ/20(PV,λ=632.8 nm)。斐索型双波长移相干涉仪与小F数双波长标准球面透镜组的研制,为阶跃型元件三维形貌的高精度检测技术的研究提供了实验基础。硅、锗材料的阶跃型元件在可见光波段反射率较高,其形貌检测存在多光束干涉引入的相位复原误差问题。为此,提出了单波长下的π/4载频交叠重构法,仿真过程中元件反射系数高达0.9时,算法的相位恢复误差仍优于0.008λ(PV,λ=632.8 nm)。结合π/4载频交叠重构法与传统的双波长分时移相干涉技术,优化了两种波长π/4与π/2结合的移相方案;提出了双波长多光束干涉相位融合法,利用等效波长与单波长相位数据间的融合,获取合成相位数据的整数与小数部分,实现了高反射率阶跃型三维形貌的检测。非球面或其他大面形偏差基底的阶跃型形貌变化剧烈,单一波长激光干涉条纹过密难以分辨,双波长分时移相干涉技术失效。为此,提出了双波长同时工作产生低频莫尔条纹的移相干涉方法,针对单波长高频干涉条纹与双波长低频莫尔条纹共存的干涉图分离问题,研究并构建了莫尔条纹光强分布模型,融合莫尔条纹加乘处理、空域载频、和频谱选通等技术;利用基于等效波长下π/2移相的干涉条纹直接解调方法,实现了大偏差阶跃型三维形貌检测中莫尔条纹的相位解调。为进一步降低移相误差的影响,结合载频交叠重构理论,提出了双波长载频交叠重构方法,在等效波长π/2移相量的±1 0%误差范围内,实现了莫尔条纹相位解调的复原精度优于20 nm(PV)。双波长载频交叠重构方法对莫尔条纹载频量有限制条件,影响了方法的适用范围。为了降低双波长同时工作中莫尔条纹的处理分离难度,增加实用鲁棒性,提出了基于莫尔条纹时域移相理论的等效波长时域相位解调方法,利用等效波长下π/(2k)的时域移相优化方案、莫尔条纹时域光强频谱的分离获取、和等效波长移相干涉条纹的常规移相算法处理,摒弃了对莫尔条纹载频量的限制条件,实现了阶跃型三维形貌检测对莫尔条纹空域载频的零依赖。