随着生命科学、机械微加工、微电子和材料科学等领域的快速发展,对三维物体的几何特征测量提出了更高的要求,迫切需要高分辨率、快速及高精度的测量手段。在光学测量领域中,数字全息技术是基于干涉记录和衍射再现的一种三维信息表达技术,它可以较好的记录物体的波前信息,能够满足上述要求的同时还具有合理的灵敏度和动态测量范围,是一种较为理想的物体三维形貌测量技术。本文采用理论分析、计算机模拟和实验验证相结合的方法,围绕物体表面三维形貌的数字全息测量方法进行研究。在对数字全息形貌测量的国内外研究现状进行总结和分析时发现,激光的波长、照明角度以及观察方向等因素都会对相位产生影响,但目前的方法大多基于多波长、旋转照明光的方法,改变观察矢量的方法在数字全息形貌测量中未见报道。根据数字全息重建相位与物体表面高度的几何关系,建立了数字全息三维形貌测量的数学模型,提出了通过旋转CCD改变观察矢量的三维形貌测量方法。该方法在数字全息记录时,通过精密旋转台以微小角度旋转CCD,记录下两幅不同观察矢量的单波长数字全息图,将重建相位差解包裹并减去倾斜分量后,代入相位差和高度的关系方程便可得到物体的表面三维形貌信息。首先对研究方法进行了详尽的理论分析和数值仿真计算;然后给出了一种能够将CCD接收面校准在旋转台转轴上的校准方法,基于离轴数字全息术设计了两种改变观察矢量的采集方案,一种是单CCD旋转的两次拍摄方案,一种是双CCD的单次实时拍摄方案;最后搭建旋转单CCD的实验光路对半径16mm的半球状工件进行数字全息形貌测量,所得计算结果与物体真实值具有很好的一致性,实验验证了所提基于旋转CCD的数字全息形貌测量方法的可行性和准确性。作为所提方法的应用推广,对生物医学领域用的假牙牙冠表面进行形貌测量实验,测量结果很好地反映了假牙牙冠表面的轮廓信息,可为牙医在进行修补牙齿以及制作假牙的过程中提供指导。