随着微纳米加工技术、纳米超材料的发展以及超精密结构的日益复杂,对于微小空间结构三维尺度测量的需求日益迫切。共焦显微技术具有独特的三维层析能力、高分辨力、对被测样品无特殊要求、非接触测量不会损伤样品表面等优点,可广泛应用于微结构三维形貌测量方面。目前外差共焦仍然是提升共焦显微系统轴向分辨力的主要手段之一,但是由于该系统采用硬针孔结合光电探测器的方式存在针孔离焦位置调节困难、容易堵塞等诸多问题,致使系统测量性能难以达到最优,同时缺乏收集光倾斜下系统的三维相干成像模型。为了解决上述问题,进一步提高系统的测量性能,建立准确的系统模型,本课题“分瞳移焦型外差共焦显微成像方法研究”主要完成的工作内容如下:（1）建立“分瞳移焦型外差共焦”的三维相干成像模型。针对共焦显微系统采用硬针孔探测存在的各种问题,提出一种“分瞳移焦”的探测臂光路结构,采用CCD相机软针孔进行探测,同时简化探测臂光路。建立收集光倾斜下的三维相干成像模型,由于在共焦系统的探测臂中加入光栅,致使分光后的收集光倾斜入射成像透镜,对探测面上衍射光场分布进行分析。本文基于无限距共焦显微成像理论,建立了系统整体的三维相干传递函数模型,讨论光束倾斜对系统响应的影响。（2）开展了对称移焦相位光瞳滤波器的设计。基于相位型光瞳滤波器的调制特性,建立了倾斜照明下的光瞳优化模型,并利用遗传算法对光瞳结构进行优化设计,仿真结果表明,所设计的共轭相位光瞳滤波器,可使两路探测光在成像透镜焦面处分别产生最优的正负离焦量,同时径向分辨力提升6%,通过外差处理使系统轴向分辨力提升74%,可有效扩大系统的测量范围。（3）由于系统中采用空间光调制器（SLM）实现数字光瞳,针对SLM的位姿会影响光瞳调制作用的问题,本论文分析了光瞳相位图平移及旋转对调制作用的影响,仿真结果表明,光瞳偏移量在小于38μm时仍然可以保证系统的分辨力。为保证相位图加载准确性,提出了一种基于菲涅尔波带片的SLM相位图对准的方法,通过平行光束光斑中心与菲涅尔波带片聚焦光束对准实现相位图位置确定。通过所提方法使光瞳相位图与光束对准,实验结果表明最终对准精度达到6.5μm,满足系统光路对准精度要求。（4）最后,搭建了实验平台,并对所设计的光瞳滤波器和系统的整体性能进行了相应实验。实验结果表明:由于光栅分光导致的光束倾斜入射探测透镜不会对共焦系统探测结果产生影响;本实验所设计的光瞳,可以实现轴向移焦,并且轴向超分辨因子GA=1.042,径向超分辨因子GT=1.052;最终搭建了分瞳移焦型外差共焦系统,结果表明在以平面镜作为被测样品,测量物镜NA=0.2的情况下,系统具有25μm的测量范围,相比于普通共焦系统测量范围提高了47%,线性区斜率提高了66%,采用软针孔探测时能够达到轴向30nm的分辨力,验证了本课题建立的收集光倾斜下的三维相干成像模型的准确性。上述结果表明,本论文所提方法能够简化探测臂光路,使系统更易于集成,解决了硬针孔存在的各种问题;同时通过共轭光瞳的调制,使外差共焦系统测量范围扩大的同时,进一步提高了系统的三维分辨力。