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。

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。

基于光谱共焦的碱金属气室壁厚测量传感器是通过直接测量光波波长信息来得到透明材料厚度值, 是一种非接触式厚度测量传感器。色散物镜是厚度测量传感器的核心部件, 色散物镜的线性度和色散范围决定了厚度测量传感器的精度和分辨率。文章介绍了基于光谱共焦的厚度测量传感器的原理, 分析了波长信息与轴向色散范围之间的关系, 利用ZEMAX光学设计软件对色散物镜进行设计, 采用多重结构进行优化。在420~620nm的波长区间内实现0.801mm的轴向色散范围,使用最小二乘法对波长和轴向色散进行线性拟合所得线性度为0.9975。配合0.001nm的高分辨率光谱仪, 传感器测量精度可以达到纳米级, 满足对碱金属气室壁厚高精度测量的需求。

根据光谱共焦位移传感器的工作原理及线性轴向色散条件,选择3种色散物镜用玻璃材料N-KZFS11、N-SF66和N-PK52A,并结合像差理论设计了由3个单透镜和2个双胶合透镜组合成的线性色散物镜初始结构。利用Zemax光学设计软件对色散物镜的初始结构进行优化和公差分析。结果表明:在450~650 nm波长范围内,各波长弥散斑均远小于艾里斑,色散物镜测量范围可达1.05 mm,轴向色散与波长之间的线性判定系数R²达0.997,理论分辨率可达105 nm。

光谱共焦三维形貌仪具有精度高、测量范围大、适应性强等特点，其关键部件是产生轴向色散的物镜，色散物镜轴向色散与波长间的非线性会导致系统整体性能下降。分析了共焦法检测表面形貌的工作原理，以及产生线性轴向色散的条件，根据共焦光学系统的基本设计原理，在预设的设计指标及要求下，完成一个超大色散线性物镜组设计。该色散物镜组采用四级串联结构，在400～700 nm光谱范围内达到30 mm的色散范围，波长离焦量和波长之间线性度通过线性回归拟合得出判定系数为1，满足色散的线性度要求。

针对彩色共焦距测量系统中测量范围和分辨率的调制问题, 采用色散和聚焦功能分离的思路设计了一款色散物镜, 其色散功能由纯球面折射透镜组成的色散管镜来实现, 聚焦功能则采用商业物镜实现。使用ZEMAX软件对色散管镜的结构、材料及像差进行了设计及优化, 仿真结果显示所设计的色散管镜在可见光范围内能获得优于230 mm的轴向线性色散, 实际加工的成品管镜的轴向线性色散范围可达160 mm。实验测量了色散管镜及它结合不同聚焦物镜后的色散特性。实验结果表明, 色散管镜结合不同聚焦能力的物镜能够具有高线性度的轴向色散区域; 结合4倍和10倍放大倍率的商用物镜, 分别获得了1 300 μm和225 μm的测量范围, 其轴向分辨率分别为2 μm和0.4 μm, 实现了测量范围和分辨率的调制。

由于色散物镜轴向色散与波长间的非线性会导致仪器整体性能下降，本文研究了光学系统轴向色散与透镜组之间的关系，推导了轴向色散的传递公式。为得到较大的线性轴向色散，根据轴向色散的传递公式提出了一种正负透镜组均采用线性色散光焦度组合且正负透镜组分离的镜头结构。光学优化设计表明，具有正负透镜分离结构的色散物镜可以得到低的球差和大的轴向色散，而且具有较大的工作距离。设计的色散物镜在430~710 nm得到了1 mm的轴向色散，轴向色散与波长之间的相对非线性度为4.6%，灵敏度的波动量小于整体的1/3，优于之前的研究。采用所设计的色散物镜，光谱共焦显微镜能够得到优于0.3 μm的轴向分辨率和优于5 μm的横向分辨率，满足精密测量的需求。