精密测量技术是先进制造业得以高速发展的基础。光谱共焦传感器具有测量精度高、检测速度快、系统集成度高等技术优势，已成为先进制造领域当前备受关注的精密测量技术之一。首先，介绍光谱共焦测量原理，分析构成光谱共焦传感器的关键器件；然后，针对点光谱共焦传感器，综述构成传感器的色散物镜、宽光谱光源、光谱检测装置，以及光谱处理算法等关键技术方面的研究进展；其次，针对线扫描光谱共焦传感器，综述扫描方式、光路结构、光谱检测装置，以及光谱信息处理方法等关键技术；最后，总结当前光谱共焦传感器的研究重点、难点，以及未来的技术发展方向。

为了实现对大口径高次非球面镜的面形精度检测，本文针对一个内径572 mm、外径 800 mm的半环形凹高次非球面反射镜，进行补偿检测系统设计和轻量化分析。基于三级像差理论，采用双透镜与单反射面的结构对非球面反射镜进行补偿检测，得到均方根（RMS）值为0.0037λ（λ=632.8 nm）的补偿检测系统。采用三角形孔对高次非球面镜进行轻量化，轻量化后镜体质量小于30 kg，轻量化率为32.7%。结合机械支撑结构，对高次非球面镜与支撑结构在自身重力作用下进行有限元分析。当光轴与重力方向平行时，RMS值为0.012λ。当光轴与重力方向垂直时，RMS值为0.013λ，镜体所受最大应力为1.308×10⁵ Pa，机械支撑结构所受最大应力为1.381×10⁵ Pa，非球面镜和支撑结构所受应力都小于各自材料的极限应力。

为了完成大口径高次非球面的面形精度检测，提出一种双球面反射式补偿检测系统设计方法。选择与边缘相切的球面为最佳比较球面，拟合出外径为860 mm、中孔为200 mm的高次非球面镜的非球面梯度与法线像差。基于三级像差理论推导补偿检测系统公式，计算出初始参数分析补偿效果并改进优化得到最终结构。经光学软件仿真模拟系统波前差均方根（RMS）小于1/90λ，经过公差分析，98%结果波前差RMS小于1/40λ，满足实际检测要求。该方法能够解决待检高次非球面镜无法检测的难题。

为了满足大角域范围覆盖、高信息量获取的需求, 设计了一种可见光范围的长工作距广角工业内窥镜。该镜头基本结构采用多级成像，物镜系统采用反远距型结构, 转像系统采用透镜式。镜头像面处接 1/3 英寸 CCD, 基于成本及像质方面综合考虑, 采用球面透射式且非胶合方案。使用 ZEMAX 软件对该镜头进行了优化设计, 并进行了像质评价。最终镜头由一个蓝宝石窗口、12 片球面透镜及一个用来延长光程的厚平面组成, 全视场角为 102°, 焦距为 3.25 mm, 工作距全长为 730 mm。光学系统入瞳直径为 1 mm, 成像弥散斑半径大小在 6 μm 以内, 接近衍射极限, 在 50 lp/mm 处的调制传递函数值大于 0.4, 最大畸变值小于 25%。评价分析表明设计结果满足技术要求, 结构合理。

鉴于大口径激光雷达系统在污染物检测方面的需求, 理论设计了一种多波长激光雷达光学系统。该系统由接收主系统和光纤分束耦合部分组成, 工作波长为 355、532、1064 nm, 检测波长为 632.8 nm，接收主系统采用卡塞格林结构, 光纤分束耦合部分采用透射的形式, 引入色差。系统通光口径为 Φ680 mm, 有效焦距为 1548.53 mm, 通过对玻璃材料的选型和光焦度分配, 使用修正的相对部分色散 P 和阿贝数 V 建立消色差方程组, 用 PW 法求解初始结构。使用 Zemax 软件优化出满足要求的光学系统, 最终优化结果波前都优于 λ/15 (λ=632.8 nm), 表明设计的光学系统可用于实际生产加工中。

为了提高星敏感器探测极限星等的能力，通过参数计算、选型设计了一种复杂化双高斯结构的光学镜头，经ZEMAX软件优化后，最终得到由12片球面透镜组成的无渐晕折射式光学镜头。该镜头的入瞳直径为125 mm，系统焦距为200 mm，全视场角2ω为14.84°，谱段范围为500~800 nm。20 ℃温度下的设计结果表明，该光学系统的均方根弥散斑半径小于3.5 μm，全视场光学设计调制传递函数（MTF）在60 lp/mm处大于0.7，3×3像元内的能量集中度大于90%，畸变小于1%，最大倍率色差为1.6 μm。经加工、装调后，60 lp/mm处实测光学系统的最低实验室静态MTF为0.324。

为了实现非完善成像离轴三反系统的高质量装调,提出了一种置于三反系统焦点前的像差补偿系统的设计方法。基于高斯光学,推导了补偿系统参数与像点空间位置的关系,并根据三级像差理论,设计出补偿系统的初始结构。利用有效口径为400 mm、F数为3.9的离轴三反系统,对所提方法进行了分析,验证了方法的可行性。所提方法有效提高了优化效率,适用于多种类型的反射系统。最终设计结果以相对较小的口径实现了非完善成像离轴三反系统的高质量装调,有效降低了装调成本,提高了装调效率。

为实现大口径折反式355 nm激光接收系统的装调,提出了局部针对性的调试方法。 两镜系统采用波长为355 nm和632.8 nm、镜间距一致的4D干涉仪自准直调试法;透镜组采用355 nm激光器 和干涉仪前置镜头组成的自准直检测光路调试法。调试后得到两镜系统波像差均方根(RMS)为 0.2026λ, 满足设计指标0.2λ(λ为632.8 nm)的要求;透镜组调试后,理论后截距与自准直检测 后截距差值在设计指标容差范围内。两镜系统与聚 焦透镜组系统组合调试后,像方与物方焦点重合,接收系统调试满足设计要求。所提方法降低了系统装 调难度,缩短了系统装调周期。

基于初级像差理论,将卡式系统与前端透镜组相结合,设计了一种可变远距离大功率激光聚焦光学系统。目标物体在500~5000 m范围内变化时,通过调节前端透镜组到卡式系统的距离来改变焦面位置,实现对聚焦光斑大小的控制;通过透镜组的位置可反推出不同的目标距离。使用Zemax光学软件对初始结构进行优化,设计结果表明,在不同目标距离下,光斑大小均能满足设计指标要求。