物体的表面形貌是其非常重要的一种几何特征,尤其是在工业零部件中,表面形貌的差异不但影响着零件的性能,甚至能从根本上改变其特性与功能。因此,表面形貌的高精度测量技术在工业和学术领域应用广泛,有着巨大的研究价值与前景。本文基于对焦显微法测量表面形貌的原理,围绕聚焦评估、深度计算、点云优化等关键技术深入研究,设计开发出相关软硬件实验系统。本文的主要研究内容如下:(1)为了应对真实聚焦曲线与理想模型下高斯曲线的差异,提出了基于自适应区间的聚焦曲线拟合算法,能够利用尽可能多的有效数据来计算点的深度,同时保持较低的计算复杂度;(2)对于重建的三维点云数据中存在的大量噪声点(深度值计算错误的点),本文对其分布规律进行分析,提出了基于中值滤波的点云去噪方法,实现了点云的降噪优化;(3)提出了基于空间连续性的点云优化方法,对那些因缺乏材质纹理信息而难以直接计算的点的深度进行估算,并且通过融合大小聚焦评估窗口计算出的点云,在保证点云较低平均误差的同时提高其局部精度。(4)研究光学成像原理,基于点扩散模型设计并实现了离焦图像仿真系统,同时提出了利用真实聚焦和离焦图像计算扩散参数的方法。该仿真系统能够模拟真实硬件设备对物体表面纵向扫描的过程,合成出关于设计模型的有限景深图像序列,以此帮助分析三维重建算法的问题;(5)搭建软硬件系统平台,利用本文提出的三维重建改进算法进行表面形貌重建实验,验证其可行性。