随着精密、超精密加工技术的不断发展,精密、超精密加工件在机械制造、航空、冶金、集成电路、生物医疗等领域得到越来越广泛的应用。在微观尺度下实现高精度加工件的三维测量不仅能够指导加工参数设计,而且对加工件的变形机理以及失效机制分析等具有重要的意义。近年来,微观尺度精密测试技术不断进步,涌现出大量微观尺度下三维测量的方法。其中,利用扫描电子显微镜(Scanning Electron Microscope,SEM)结合数字图像处理技术实现微观物体三维测量的方法,具有非接触、效率高、测量范围大、可实现多功能分析等优点得到国内外学者的共同关注。然而,由于SEM是以微观物体二维测量、表征以及可视化而设计,将其应用于三维测量,不仅面临SEM图像的噪声、漂移失真以及马达运动误差等诸多问题,而且目前的三维测量算法仍然需要进一步完善。因此,针对以上问题,本文开展系统的分析研究,提出基于图像矫正的SEM三维测量方法。在国家自然科学基金“跨尺度纳米操作机驱动机理及自动化操作方法研究”(项目编号为61774107)资助下,本文在总结国内外三维测量技术以及SEM内部实施三维测量的研究现状的基础上,针对SEM内部实施三维测量所面临的问题,分别从SEM噪声及漂移失真模型、失真矫正方法及其优化方案、基于图像矫正的SEM三维测量方法、三维测量应用实验四个方面进行了深入研究,具体研究内容如下:(1)SEM成像机理及其失真模型研究。由于SEM失真导致三维测量的精度及效率降低,所以本文在分析SEM结构与成像机理的基础上,研究SEM图像噪声、漂移失真的成因以及相应的失真模型,为失真矫正方法及其优化方案提供理论基础。实验结果表明:SEM的噪声失真模型接近于高斯噪声分布,而图像漂移则是随着时间的变化,图像整体空间发生了相同的位移失真。(2)SEM图像失真矫正方法及其优化方案研究。针对噪声失真,由于传统局部均值降噪效果差,本文研究采用非局部均值的方法对SEM图像进行降噪,利用像素块的相似性提高图像的质量。但像素块相似度的计算比较复杂,导致运行效率较低,通过GPU加速技术,利用线程的并行计算对相似度计算进行优化。实验结果表明:本文算法不仅效率高,而且有效的提高降噪效果。此外,针对漂移失真,本文提出采用图像配准的方式实现SEM漂移失真矫正。并对配准技术进行改进,将配准技术中的特征点提取与图像相关技术相结合,提出鲁棒的图像配准方法。实验结果表明:本文优化方案相比于传统方法,能够有效提高矫正精度。(3)基于图像矫正的SEM三维测量技术研究。由于SEM仅有单一成像传感器,本文提出基于矫正的图像,采用聚焦法实现SEM内部的三维测量。通过硅片三维测量实验验证了本文方法的可行性。此外,针对聚焦法对三维信息的误差估计,研究三维测量的优化方案。首先分析SEM的景深模型,为选择合适的成像参数提供理论基础。其次,针对尖峰误差估计,本文提出采用概率密度分布的方法实现误差估计的剔除。实验结果表明:该方法可以有效的剔除尖峰误差估计,提高三维可视化效果。并设计人机交互界面,将本文工作进行系统集成,为SEM内部实现非接触式三维测量提供便利。(4)SEM三维测量应用实验研究。介绍SEM内部三维测量获取飞秒激光加工件三维信息的应用背景。利用本文方法实现加工件的三维测量以及研究SEM工作距离、采样步长、非局部均值降噪(Non-Local Means,NLM)以及位移矫正算法等对测量精度的影响。实验结果表明:从定性的角度,本文方法可以提供较好的三维可视化效果。从定量的角度,本文方法最佳的SEM工作距离为7mm,采样步长为5μm。通过对图像进行矫正,测量精度相比于传统的聚焦法可以提高10%左右,精度可达94.8%,达到预期目标,表明本文方法的正确性与可靠性,为SEM内部实现非接触式三维测量提供新的思路。