研制了高精度的光谱共焦位移测量系统并完成相关测试。基于色差理论和材料优化选择设计一种色差与波长成线性关系的色散物镜，有助于平衡系统在全测量范围的灵敏度。理论分析了系统参数对系统的影响规律，计算了针孔尺寸与系统的分辨率和信噪比的关系，给出了参数优化结果。利用设计的线性色散物镜和参数优化结果，构建了光谱共焦测量系统，完成了系统的校准、测试和应用研究。结果表明，系统的轴向测量范围达到1 mm，分辨力优于0.5 μm，全程测量误差小于2 μm，符合设计要求。

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。

色散物镜是光谱共焦显微镜的关键组件, 其轴向色散线性度和色散范围会影响光谱共焦显微镜的性能。在线性轴向色散的理论基础上, 研究了优化选择材料组合的方法, 给出了优化模型和求解方法, 得到了具有最大色散的材料组合及其光焦度分配, 并使用光学设计软件对优化结果进行了模拟。模拟结果表明, 使用本文优化方法得到的材料组合, 波长与轴向色散成线性关系, 而且具有最大的轴向色散。使用得到的最大色散材料组合进行色散物镜设计, 得到了较好线性度的色散物镜, 并具有较短的有效焦距。本文给出的优化选择材料组合的方法可以为设计光谱共焦显微镜提供指导, 有效缩短镜筒长度, 提高光谱共焦显微镜的性能。

光谱共焦位移传感器具有精度高、适应性强等特点，传感器的关键部件是产生轴向色散的物镜。本文对传感器的工作原理进行了分析，推导了计算物镜光学参数的公式，并依据此公式计算结果设计物镜，得到了满足设计指标的物镜，且与理论计算相符。传感器的工作波长范围是500~700 nm，设计的色散物镜利用高色散玻璃和双胶合透镜达到了1 mm 的量程，配以合适的光谱仪，传感器分辨率优于1 μm。物镜使用齐明透镜和双胶合透镜减小球差，使得各波长的最大球差约为0.6 μm，满足物镜精度要求。