随着微纳米领域研究的不断深入,微纳材料在芯片研发制造、生物医疗及航空航天等高精尖领域的应用也更加广泛,同时微纳操作技术在微纳材料的制备、加工、组装和检测等方面有着不可替代的作用。扫描电子显微镜（SEM）作为微纳尺度下对样品观测和操作的重要平台,具有高效、实时、测量范围大、仓室接口丰富扩充性好等优点,多自由度微纳操作机器人能与SEM稳定兼容。但SEM作为样品实时平面可视化观测表征的仪器设备,无法通过实时成像获得样品沿电子束方向的深度信息,因此如何通过SEM图像获取样品的深度信息是当前微纳操作中的研究重点之一。本文针对SEM成像过程中成像噪声对微纳尺度目标的拾取、组装、测量等操作的影响,根据SEM二次电子成像原理研究其图像噪声产生机制并对其进行定性分析,训练降噪卷积神经网络实现对SEM图像中复合噪声进行降噪处理,通过多种微纳操作对降噪效果进行验证。为了进一步研究二次电子和背散射电子的产生及分布对成像的影响,使用蒙特卡洛方法对电子-固体相互作用过程进行计算,通过计算生成指定拍摄参数条件下样本的二次电子与背散射电子图像。进一步阐明扫描电子显微镜成像和光学成像机理的差异,同时通过计算生成的二次电子和背散射电子图像可作为后续图像处理和三维重建另一角度的基准图像。随后在双二次电子探测器立体视觉的研究基础之上,通过二次电子图像的阴影信息实现目标物体表面形貌三维重构,并将获取的深度信息和微纳操作结合实现操作中深度方向的视觉引导。本文主要研究内容如下:（1）由于SEM在成像机理上的特殊性,成像过程中电磁干扰、热干扰、环境振动及样品特性等因素会产生成像漂移和复合噪声,严重影响基于SEM视觉引导的微纳操作系统的操作精度。分析SEM图像中的噪声成分及其可能成因,研究发现使用基于传统图像处理技术的降噪方法需要人工选取参数且适应性差,难以应对复杂的SEM实际拍摄环境、效率较低。因此本文使用双二次电子探测器和背散射电子探测器对微纳操作目标进行图像采样,构建训练数据集,使用有监督的训练方式训练降噪卷积神经网络。将训练好的卷积神经网络对微纳米拾取、搬运、检测等微纳操作中关键步骤图像进行降噪,降噪的速度、保边特性和多种评价指标明显优于传统滤波降噪方法。识别和判断降噪后图像中的目标及其空间位置关系,通过视觉引导与微纳操作结合以此提高操作精度。（2）为了深入研究SEM成像过程中电子束与材料间的相互作用关系,探究二次电子和背散射电子强度对SEM成像的影响。本文建立了电子在材料内部发生弹性散射与非弹性散射模型,使用蒙特卡洛模拟分析电子-固体相互作用,研究二次电子和背散射电子的生成机理,模拟两种信号的成像图像。阐明了 SEM成像和光学成像机理间的本质差异,为后续基于阴影的三维重建提供了理论支撑,同时模拟生成的图像可以作为神经网络降噪和三维重建过程中的部分基准图像。（3）由于SEM独特的成像原理和微纳尺寸下操作平台的局限性,基于双探测器的双目三维重建与单探测器多视角的重建方法精度和效率不高,因此本文从SEM成像原理本质出发使用基于阴影的三维重建方法对微纳操作样品的表面形貌进行恢复、获得深度信息,再利用其对操作实现深度方向上的视觉引导。深度视觉引导与纳米线拔取、场效应管组装与电学性能测试等操作结合,操作效率明显提升,为后续开展实时复杂操作的深度视觉引导奠定了基础。