随着精密加工、微器件的发展,微观表面形貌测量技术也取得了极大的进步,在诸多领域的应用日益广阔和深入,如材料科学、航空航天等。现有的非接触测量方法虽然各具优点,但是无法测量大倾角斜面,同时也不能适应不同材质表面测量,而近些年兴起的三维变焦技术则有望解决这一问题。本文主要围绕两个问题展开研究:(1)显微镜景深通常较小,超过景深范围成像模糊,需要解决超大景深显微成像问题。(2)实现复杂结构的三维测量。主要工作内容如下:根据光学小景深和三维变焦原理搭建实验系统,通过移动被测物获得变焦分层序列图像。针对图像拍摄过程中由于实验环境不稳定如载物台振动、光照变化等导致的图像失配,对序列图像进行配准使得其在几何位置上对齐,方便后续算法处理。主要对比分析了基于特征和灰度信息的配准方法,提出利用结构相似性(SSIM)定量评价配准质量,并将参考图像和配准后图像叠加对比显示,更加全面地衡量配准效果,从配准质量和时间效率上确定了基于SURF特征配准的优越性。针对显微成像中的景深限制问题,进行多聚焦图像融合研究获取大景深显微图像。从空域、金字塔变换域和小波域三个方面进行融合实验,从客观评价值和融合图像的效果对比分析了不同方法的优劣,得出了基于变换域的融合方法要比空域好,而小波域的融合图像虽然部分细节丢失但是整体效果比金字塔的融合方法偏好的结论。为了选择合适的聚焦评估函数,对比分析了不同聚焦评估算子和窗口大小对测量结果的影响,并在聚焦峰值附近根据三点高斯插值获得初步深度图。同时对深度图中值滤波后,进行可靠性分析去除一些误差点,改善整体表面结构。将大景深融合图像作为纹理与深度图结合,重构被测物的三维表面形貌,并通过标准量块进行误差分析验证算法的可行性。