1 东北林业大学计算机与控制工程学院，黑龙江 哈尔滨 150000
2 东北林业大学机电工程学院，黑龙江 哈尔滨 150000
光谱共焦显微技术结合了共焦显微镜的高空间分辨率和光谱分析的高波长分辨率，凭借精度高、适用性强、无损检测等特性，广泛应用于工业生产、生物医疗和半导体芯片等领域。首先介绍点光谱共焦系统的原理，指出点光谱共焦检测效率低的缺点。其次，针对光谱共焦显微技术的关键性能指标改善，阐述了在光源、色散物镜和光谱信号检测等方面所取得的主要成果，并对各类光源进行定性对比。随后展示光谱共焦显微技术的扫描方法，梳理了相关研究进展，并总结了相关方法的优点和缺点。最后，展望光谱共焦显微技术未来的发展趋势。
光谱共焦显微技术 精密测量 宽光谱光源 色散物镜 扫描成像 激光与光电子学进展
2024, 61(6): 0618024
红外与激光工程
2024, 53(1): 20230444
合肥工业大学仪器科学与光电工程学院，安徽 合肥 230009
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。
光谱共焦传感器 色散物镜 宽光谱光源 光谱仪 峰值提取 激光与光电子学进展
2024, 61(2): 0211005
1 湖北工业大学 机械工程学院, 湖北 武汉 430068
2 现代制造质量工程湖北省重点实验室, 湖北 武汉 430068
3 华中科技大学 机械科学与工程学院, 湖北 武汉 430074
现有的光谱共焦显微镜色散物镜的量程大多在数毫米量级, 为满足工业测量领域对大量程线性色散物镜的需求, 文章从线性色散物镜设计原理出发, 采用高性价比环境友好型光学玻璃, 设计了一款仅由五片全球面镜片组成的超大量程线性色散物镜。设计结果表明, 该物镜在400~700nm波长范围内的轴向色散达到30.44mm, 且色散-波长线性度高于0.99, 具有优异的线性关系, 理论分辨率可以达到2.034μm。
光学设计 色散物镜 线性色散 光谱共焦 optical design dispersive objective linear dispersion chromatic confocal ZEMAX ZEMAX
1 苏州大学光电科学与工程学院教育部现代光学技术重点实验室，江苏 苏州 215006
2 苏州大学光电科学与工程学院江苏省先进光学制造技术重点实验室，江苏 苏州 215006
为提高光谱共焦位移传感器的检测效率和稳定性，设计一种性能参数可调的宽视场轴向色散镜头。基于快照式光谱共焦测量原理，提出一种轴向色散倍增的宽视场色散镜头设计方案。将色散镜头关于中间光阑前后对称放置，建立轴向色差和剩余像差评价函数，得到库克结构初始参数，实现对称的半组镜头。在前组不变的情况下，采用复杂化库克结构设计不同数值孔径的后组，替换后组可实现具有不同轴向色散距离、分辨率和视场的轴向色散镜头。为了测试轴向色散镜头的性能，搭配成像光谱仪分光模块、针孔阵列板和白光LED，组成快照式光谱共焦测量实验装置，验证了研制的可调两种性能参数的轴向色散镜头具有良好性能。所提轴向色散镜头设计方案可用于构建快照式光谱共焦测量系统并实现高精度和高效率的3D形貌测量。
光学设计 光谱共焦 快照式 宽视场轴向色散 光学学报
2023, 43(20): 2022001
1 苏州大学光电科学与工程学院教育部现代光学技术重点实验室，江苏 苏州 215006
2 苏州大学光电科学与工程学院江苏省先进光学制造技术重点实验室，江苏 苏州 215006
为提高和扩大光谱共焦位移传感器的测量精度和测量范围，并解决像方测量大数值孔径和物方光纤小数值孔径匹配下镜头过长的问题，设计一种紧凑型长轴向色散光谱共焦镜头。色散镜头用5个球面镜片，在工作波长450~700 nm内轴向色散范围达3.5 mm，波长和焦移线性拟合相关系数为0.97，像方数值孔径为0.48，光学长度为135 mm。在相同的镜头参数下，该色散镜头的轴向长度相比普通色散镜头减少了约35%。最后利用设计的色散镜头搭建光谱共焦位移测量系统，并进行性能评估实验。实验结果表明，该系统的最大测量标准差为0.05 μm，最大平均绝对误差为0.04 μm，实际轴向分辨率优于0.5 μm，对被测物的最大测量角约为28.5°。
光学设计 光谱共焦 轴向色散 反摄远结构 光学学报
2023, 43(14): 1422001
华中科技大学光学与电子信息学院，湖北 武汉 430074
光谱共焦显微成像（CCM）技术基于色差共焦原理，利用不同波长的焦点位置不同实现深度测量，并使用共聚焦设置滤除离焦光以及杂散光从而提高信噪比。首先，介绍CCM的基本原理以及不同扫描方案。然后，对CCM的发展历程进行梳理，并阐述CCM的国内外研究进展。针对光学设计、信号产生模型、光谱数据处理、减小串扰等关键问题，对相关的研究方案进行了总结。凭借无损检测、高分辨率、高信噪比、层析成像等诸多优势，CCM技术在生物医学、工业检测等领域得到广泛应用。
三维成像 光谱共焦显微成像 共聚焦显微成像 超高分辨率 层析成像 激光与光电子学进展
2023, 60(12): 1200001
1 中国科学院大学, 北京 100000
2 中国科学院光电技术研究所, 成都 610000
位移检测技术是几何量精密测量的基础, 在当代精密制造领域应用广泛。光谱共焦位移测量技术具有对环境杂散光、被测物倾斜、材料类型不敏感, 测量频率高以及分辨率高等优点, 可以检测位移量、表面粗糙度、三维形貌以及单层或多层透明材料的厚度, 在精密位移测量领域中占据重要地位。近年来, 利用衍射光学元件提高光学系统性能的光谱共焦测量技术被广泛研究。文章综述了基于衍射色散原理的光谱共焦位移测量技术的研究进展。首先, 介绍了光谱共焦位移测量原理和衍射光学元件的色散特性; 其次, 阐述了基于衍射色散原理的光谱共焦位移测量技术的发展历史及研究进展;最后展望了该技术的发展趋势。
位移测量 衍射光学元件 光谱共焦传感器 displacement measurement diffractive optical elements chromatic confocal sensor
1 中国工程物理研究院材料研究所，四川 江油 621908
2 清华大学深圳国际研究生院，广东 深圳 518055
3 清华大学清华-伯克利深圳学院，广东 深圳 518055
随着我国先进制造业的快速发展，光谱共焦位移测量技术以其精度高、适应性强、效率高等优势而得到广泛关注，被应用于诸多行业。本文首先介绍了光谱共焦技术的应用进展，对其在表面形貌及工件厚度测量方面的研究成果进行分析，从多个方面说明了光谱共焦技术在位移测量过程中的性能特点。其次，针对光谱共焦技术的关键组成阐述了其研究进展情况，包括宽谱光源、色散物镜、共轭小孔以及光谱检测与处理等方面的主要成果，展示了各种创新思想在光谱共焦技术中的具体实现，并对各种技术方案进行对比分析，梳理了光谱共焦仪器的技术特点及优缺点。最后，对光谱共焦位移测量技术存在的技术问题进行了总结和展望，以期为光谱共焦技术的性能提升和应用拓展提供有益参考。
仪器，测量与计量 位移测量 光谱共焦技术 宽谱光源 色散物镜 共轭小孔 激光与光电子学进展
2023, 60(3): 0312014
光学 精密工程
2022, 30(17): 2067
