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。

激光光斑中心的准确定位对共焦显微系统有着重要作用。为了提高光斑中心定位的准确性, 设计了一种基于OpenCV的高精度光斑中心定位检测方法。首先对采集到的光斑图像进行降噪滤波, 再通过聚类分析, 筛选连通域排除粗大误差, 然后对目标连通域边缘进行形态学处理, 最后将边缘数据拟合成椭圆定位光斑中心。仿真与实验结果表明：该方法与其他传统光斑中心定位方法相比, 具有小于0.1 pixel的亚像素级定位精度, 检测结果更稳定, 是一种高精度的光斑中心定位方法。

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。

测量技术正不断向着精密化、智能化、集成化的方向发展, 具有代表性的光谱共焦测量技术是在激光共焦显微技术的基础上发展而来, 利用色散原理和光谱仪解码分析实现高精度测量。光谱共焦测量技术可进行位移测量、三维重建、表面粗糙度检测和厚度检测, 具有无接触、高效率、在线测量等优点, 在精密测量中发挥着重要作用, 被广泛应用于微电子、工程材料、生物医学和航空航天等领域。近年来, 光谱共焦系统在光学系统结构、光学镜头设计、光源优化和数据处理算法等各个方面取得了重大进展。文章对光谱共焦测量技术进行综述, 论述了光谱共焦测量技术相较于其他测量方法的优势, 综述了光谱共焦技术的测量原理、发展历程与应用进展, 并对光谱共焦测量技术的发展趋势进行了展望。

提出一种高速传感共焦显微成像方法(HSSCM)对样品表面形貌进行高效率、高精度的成像测量。HSSCM将共焦轴向响应曲线沿轴向平移S, 然后将平移前后两条曲线相减并除以两曲线的和, 继而构成具有不受样品反射率影响的、高信噪比的传感成像特性曲线。在实际扫描成像过程中, 轴向扫描间隔同样设定为S对样品进行逐层逐点扫描, 扫描完成后将每个测量点轴向多层扫描数据中光强最大值和光强次大值相减除以两者相加, 然后利用传感成像特性曲线反算得到样品高度, 通过获得每个测量点的样品高度便可实现对样品形貌的高精度测量和3D形貌重构。理论分析和实验表明, 通过优选平移量S, 和传统共焦显微成像方法相比, HSSCM在具有高成像精度的前提下将扫描成像效率提高了至少3倍。

多层膜极紫外光刻掩模“白板”缺陷是制约下一代光刻技术发展的瓶颈之一, 为提高对掩模“白板”上的膜层微结构缺陷的分辨能力, 提出了一种微分干涉差共焦显微探测系统方案。基于标量衍射理论, 计算了系统横向和轴向分辨率。利用MATLAB建模仿真, 在数值孔径为065、工作波长为405 nm时, 分析比较了微分干涉差共焦显微系统、传统显微系统和共焦显微系统的分辨率。结果表明微分干涉差共焦显微系统具有230 nm的横向分辨率和25 nm轴向台阶高度差的分辨能力（对应划痕等缺陷形式)。此外, 仿真和分析了实际应用中探测器尺寸、样品轴向偏移等的影响, 模拟分析了膜层微结构缺陷的探测,结果表明本系统可以探测200 nm宽、10 nm高的微结构缺陷, 较另外两种系统有更好的探测能力。

搭建了共焦布里渊显微镜装置，采用532 nm的单模激光器激发样品布里渊散射光，显微物镜放大倍数为100倍，数值孔径为0.8，采用串联扫描式多通道法布里-珀罗（F-P）干涉仪收集布里渊光。从实验中测得了装置的共焦光强响应曲线，以及二氧化硅玻璃、硅胶和聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）3种样品的布里渊光谱。采用全新的光子数组分权值数据处理方法仿真分析了此装置的轴向成像分辨力，以及测试样品为二氧化硅玻璃-硅胶-PMMA多层样品时，样品的频移、轴向声速和纵向弹性模量3种参量的轴向成像特性,并对此方法获得的3种参量的轴向成像特性曲线进行了误差分析。仿真结果显示，光子数组分权值数据处理方法可使装置的轴向成像分辨力提高至约2 μm。在信噪比高于1.46 dB时，通过误差关系曲线可获得精确的布里渊频移值、轴向声速和纵向弹性模量。

与拉曼光谱等光谱测试分析方法相比，布里渊光谱可反映测试样品弹性系数等力学性能。采用中心波长为532 nm的单纵模激光器作为激发源，使用扫描型多通道双串联式法布里-珀罗干涉仪对产生的布里渊光进行探测，成功搭建了一套共焦布里渊光谱测试装置。系统利用具有远程通信功能的套接字端口方式获取光子数，进行光谱采集和显示。该方法可进一步应用于与共焦布里渊显微成像相关的大型系统远程联动装置，在仪器设计方面具有广阔的应用前景。利用该套基于套接字编程的共焦布里渊光谱测试装置，测得树脂玻璃、硅胶和二氧化硅玻璃的布里渊光谱，并计算得到相应的纵向弹性系数。

为了提高激光共聚焦系统的扫描速度，本文提出一种逐场扫描的场同步扫描方法。构建了激光共焦显微系统，将美国THORLABS公司的GVS002型二维检流计振镜应用于该系统，根据光学系统参数以及扫描范围要求计算振镜的整场扫描波形。借助NI公司的PCIe6353多功能数据采集卡, 输出行同步的扫描波形，同时，对共焦显微系统共焦位置上针孔处的光强信号进行采集，先后扫描一幅256×256和512×512的图像，记录扫描图像和成像时间; 然后，在相同的硬件结构下，以场同步的方式输出扫描波形，记录扫描图像和成像时间。实验结果表明: 场同步方式扫描256×256图像的速度可提高10倍，扫描512×512图像的速度可提高5倍，且满足共焦显微成像的清晰、抗干扰能力强等要求。与行同步扫描方法相比，场同步扫描方法可以消除行与行之间转换的停留时间，在不改变硬件的情况下大幅提高扫描速度。