双光子内窥成像技术是一种基于双光子激发原理的新型内窥成像技术，具有光学层析能力、穿透深度深、光毒性小、无标记成像等技术优势，可以同时实现细胞结构成像和功能成像，在生命科学、临床医学等领域具有巨大的发展潜力。在近十几年的发展中，压电陶瓷扫描式双光子内窥成像技术不断取得突破，并在生物医学成像领域实现了新应用。本文对压电陶瓷扫描式双光子内窥成像技术及其在国内外的研究进展进行了总结，并介绍了该技术在生物医学成像领域的应用。

为解决精密定位平台大运动行程与大扫描范围之间的矛盾性问题, 实现大行程跨尺度纳米定位, 该文提出了一种基于双压电陶瓷驱动原理的精密定位平台。该装置结合了粘滑驱动定位平台大运动行程、压电扫描器大扫描范围及高分辨率的优点。平台由基座、驱动模块、柔性铰链机构和导轨组成。驱动模块包括大、小压电陶瓷, 大、小压电陶瓷分别以扫描和步进模式驱动定位平台。实验表明, 该精密定位平台最大运动行程为21 mm, 最大扫描范围为4.9 μm, 最小分辨率为16 nm, 水平运动方向最大步进运动速度可达10 mm/s, 满足大行程、大扫描范围兼容的要求。

为了解决离子电导显微成像系统中传统跳跃工作模式高速扫描时存在的运动过冲以及成像速度慢的问题, 提出了一种基于双压电纳米定位平台的高速扫描方法。根据扫描系统需求提出了采用大行程-慢速和小行程-快速压电纳米定位平台串联的设计方案, 满足探针Z向测量量程要求并可快速回提探针。以菱形位移放大机构和导向机构为构型, 设计并确定双压电驱动扫描平台的关键几何参数。基于解析模型计算了定位平台的静力学性能参数并采用有限元分析方法分析了双压电平台的静/动态特性。最后, 加工了双压电平台样机并进行了离子电流过冲和形貌扫描成像的测试。实验结果表明: 所设计的双压电驱动探针定位平台在保证成像稳定的前提下可使下探速度至少达到500 nm/ms,有效地减小了电流过冲, 提高了系统成像效率。

为了提高原子力显微镜(Atomic Force Microscope,AFM)的成像速度, 本文提出了一种新的AFM结构设计方案并搭建了相应的实验系统。在该方案中, Y、Z扫描器集成于测头内驱动探针进行慢轴扫描和形貌反馈; X扫描器与测头分离, 驱动样品做快轴扫描。X扫描器采用高刚性的独立一维纳米位移台, 能够承载尺寸和质量较大的样品高速往复运动而不易发生共振; 同时Z扫描器的载荷实现最小化, 固有频率得以显著提高。为了避免测头的扫描运动引起检测光束与探针相对位置的偏差, 设计了一种随动式光杠杆光路; 为了便于装卸探针以及精确调整激光在探针上的反射位置, 设计了基于磁力的探针固定装置和相应的光路调节方案。对所搭建的AFM系统的初步测试结果表明, 该系统在采用三角波驱动和简单PID控制算法的情况下, 可搭载尺寸达数厘米且质量超过10 g的较大样品实现13 μm×13 μm范围50 Hz行频的高速成像。

针对交通数据采集应用，设计了一种符合一级激光安全等级的中短距离、高速、高精度脉冲激光扫描器(Laser Scanner)。为了解决激光扫描器的快速、高精度测距问题，提出了一种数字化全波形脉冲检波方法。该方法通过脉冲波形前沿拟合判定激光脉冲的达到时刻，以模拟数字转换器(Analog to Digital Converter, ADC)的采样时钟作为计数器，对回波延时进行计算；再根据回波信号的强度对测距结果进行补偿修正，显著减小了测距幅相误差。扫描器的信号处理基于高速ADC和FPGA实现。测试结果显示，激光扫描器的测距频率达到50000点/s，单点测距精度为±4 cm，能够满足车型自动分类、交通流量调查和客流密度检测等系统的数据采集需求。

针对大角度的高速光扫描, 利用三角形畴反转结构的电光偏转性质, 设计了一种大角度电光偏转器, 由1个抛物形和10个半抛物形畴反转结构偏转器级联组成。通过对抛物形和半抛物形偏转器的参数优化, 得到了该电光偏转器的优化结构, 设计完成的级联偏转器整体尺寸为130.0 mm×16.0 mm×0.5 mm(长×宽×高), 当施加电场为±10.09 V/μm时, 偏转器扫描范围为±30.6°。利用光束传播法(BPM)对偏转器进行了性能仿真,仿真表明在修正电压下, 偏转器很好地实现了大角度的电光偏转功能, 仿真结果与理论分析相符合。

基于压电陶瓷驱动器, 选用 2×2微扫描模式, 降低了系统控制难度。分析了影响微扫描器控制的几个因素, 设计了一款以单片机为核心的控制电路, 解决了微扫描器位移与同步的控制问题, 并以此构建了一款基于国内某制冷型探测器的反射式微扫描热像仪, 通过实验验证了采用 2×2微扫描模式能够有效提升热像系统的空间分辨力。

研制了直视式合成孔径激光成像雷达(SAIL)电控抛物波面扫描器，该扫描器由线性相位调制的电光晶体和柱面镜构成，其中电光晶体采用4个三角形电极施加电场实现线性相位调制，具有体积小、响应速度快等优点。实验测试表明该直视式SAIL电控抛物波面扫描器获得了与理论吻合的抛物波面相位，扫描准确可控，很好地验证了该扫描器在直视式合成孔径激光成像雷达应用的有效性。

采用线列焦平面探测器成像须借助光机扫描覆盖视场，而高线性大摆角的扫描器是实现高性能扫描型热像仪的重要条件。针对基于某支撑技术而研究的大摆角扫描器做光机优化设计，对所需电机驱动转矩进行理论计算和选型，并用 Motion进行仿真验证，验证结果能达到设计要求。

针对采用长线列焦平面红外探测器的高端热像仪发展需求，提出研究高线性大摆角扫描技术。从伪物扫描方式、扫描匹配技术、等时间采样和等角度采样、扫描器控制带宽分析、控制对象系统辨识、数学模型建立和控制器设计实现等方面展开论述，并给出设计验证实例。