当前,基于显微视觉的精密测量技术在微纳操作、MEMS元器件性能评估和全场应力-应变测量等研究中已被广泛使用,是当前精密工程领域的研究热点之一。本文以扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscope,SEM）为成像工具,针对柔顺微纳操作工具设计、模型验证和性能评估中急需的高精度微位移/形变测量需求,展开了如下研究:（1）针对SEM成像中像散所导致的图像模糊及测量精度降低问题,提出了一种基于傅里叶变换和椭圆拟合的单幅图像像散量化评估与矫正方法。首先,对包含球型目标的SEM图像进行傅里叶变换,将图像由时域空间变换到频域空间;然后,对经过变换后的图像特征区域进行最小包络椭圆拟合,并根据拟合的椭圆主轴方位角判断像散状态;最后,依次矫正各轴像散。实验结果表明,所提出的像散校正方法在单幅SEM图像下可有效量化评估像散程度,进而实现对SEM像散的矫正,为后续精密测量提供高质量图像源。（2）为了实现平面内角/线耦合微位移的有效测量,提出了一种基于增强梯度模板匹配的鲁棒型视觉微位移检测算法。首先,采用边缘提取结合自适应阈值分割方法对模板图像进行处理,建立噪声干扰下的模板模型;其次,为了实现角/线耦合下微位移的有效匹配,采用一种局部形变鲁棒的增强型梯度模板匹配算子,并就如何提升计算效率进行了详细分析;接着,为了进一步优化匹配结果,开发了基于梯度方向角的插值优化策略和基于图像矩的三自由度微位移估计方法;最后,通过系列实验对所提方法的有效性进行了验证。结果表明该算法可以在低对比度、大灰度波动和强噪声干扰（SEM成像特点）下实现对平面耦合三自由度微位移的精密测量。（3）针对弹性体微形变与位移叠加情况下的复合微运动测量问题,提出了一种基于单演相位的主动轮廓测量方法。首先,采用单演相位解析策略提取SEM图像目标边缘,解决传统边缘提取方法容易受到噪声和亮度波动干扰问题;然后,采用鲁棒性向量场卷积（Vector Field Convolution,VFC）主动轮廓法对测量目标进行轮廓追踪;最后,提出一种基于12方向的轮廓结构中心化方案,对测量目标的弹性变形与面内位移进行追踪和测量。仿真和实验结果表明,所提出的算法具有较快的收敛速度和较好的鲁棒性,可有效实现SEM下弹性体微位移/形变复合下的测量需求。（4）以直梁型柔顺铰链（微悬臂梁）力-位移测量应用为背景,对前文所提微位移/形变精密测量方法进行了实验研究。首先,在SEM腔体内搭建了包含力传感器、精密定位平台等在内的微悬臂梁力-位移测量实验系统;接着,以欧拉-伯努利梁理论和前文所述视觉精密测量方法为基础,建立了基于图像的力-位移测量映射关系;最后,在所搭建的实验环境下分别开展了基于SEM视觉的微悬臂梁本征参数标定实验和基于SEM视觉的微力测量实验,验证了所提方法的有效性。最后,对全文的研究内容进行了总结,并对未来研究进行了展望。