针对弱散射样品的拉曼光谱信号弱, 探测时间长的问题, 提出了一种基于剪切模式的快速激光共焦拉曼光谱探测方法, 该方法通过减少信号传输单元来减小曝光时间, 通过只采集信号靶面单元有效拉曼光斑区域的方式, 在保证拉曼信号强度的基础上同时提升拉曼光谱探测信噪比, 进而减少所需探测时间, 实现弱散射样品的快速拉曼光谱探测。实验表明, 与传统共焦拉曼光谱探测系统相比, 文章采用的剪切模式可将硅拉曼光谱探测速度提升37.5倍以上, 为共焦拉曼光谱显微技术的快速探测提供了一种新的技术途径。

为精确、快速测量镜组内各透镜间的轴向间隙, 提出一种基于五维自动调整的差动共焦间隙测量方法。该方法根据CCD探测器实时获取的光斑信号检测被测镜组光轴的平移偏差与倾斜偏差, 依据偏差信息、通过五维自动调整技术实现镜组高精度调整, 再利用差动共焦高精度层析定焦和镜组内部光线追迹实现轴向间隙高精度测量。分析和实验表明, 本方法可以有效提高姿态调整效率3.4倍, 透镜间隙重复测量精度可达到0.53μm。该方法为实现镜组间隙的快速高精度测量提供了有效途径, 同时还为透镜的中心厚度、焦距、半径等多种参数快速高精度测量提供了有效方法。

光束扫描系统在光学显微成像中扮演着重要的角色，针对现有光束扫描中继系统尺寸、像差较大以及装调精度要求高的问题，提出一种双二维微机电系统（MEMS）振镜光束扫描方法。该方法采用两片二维MEMS振镜进行光束远心扫描，其中，一片MEMS振镜替代传统中继系统中的scan lens和tube lens，避免像差的引入，缩减系统尺寸，最终完成了小型化、结构简单和无像差的光束扫描系统设计。基于该方法构建了小型化共焦扫描显微镜，并对台阶样品进行扫描成像，验证了该方法的可行性。该方法为光学显微成像提供了一种新型的光束扫描手段，可为光学显微成像技术在深空探测、现场检测和生物医学等领域的进一步应用提供一种新的技术途径。

球面光学元件的曲率半径、厚度、折射率、焦距和面形等多参数的高精度检测是光学元件超精密制造的迫切需求，但现有测量方法受层析定焦能力、抗散射能力及抗环境扰动能力的制约，难以实现上述参数的高精度共基准测量。为此，本团队提出了高层析、高分辨、抗散射和抗干扰的激光差动共焦多参数高精度共基准测量方法，并进一步与菲索干涉光路融合，实现了球面元件多参数的高精度、共基准、高效率测量。本文系统地介绍了所提出的激光差动共焦干涉元件参数系列测量方法及其仪器化研究进展，分析了目前存在的问题，展望了未来的发展趋势。

激光共焦拉曼光谱技术由于具有分子指纹及层析成像特性，成为探索微观分子世界的重要手段；但受原理限制，现有激光共焦拉曼光谱技术的分辨力及图谱成像能力逐渐桎梏了其发展。近年来，围绕激光共焦拉曼光谱技术性能改善方面，本研究团队基于发明的超分辨激光差动共焦技术，提出了激光差动共焦拉曼图谱成像系列新方法和新技术。系统地介绍所提激光差动共焦拉曼图谱系列测量方法及仪器化研究进展，并对未来发展方向进行了评述和展望。

矿物分类与识别是地质研究领域的重要内容, 对地质勘探和环境演化的研究具有重要意义。 然而, 传统的矿石分类识别方法依靠专业人员通过矿石的外形及物理性质进行人工鉴定, 主观性强, 准确率低, 激光诱导击穿光谱技术(LIBS)由于其元素“指纹”特性、 灵敏度高以及快速在线检测的特点, 非常适合用于地质研究领域。 利用共焦激光诱导击穿光谱技术与机器学习结合, 提高了矿石分类识别的精准度, 利用共焦LIBS系统获得8种天然矿石样品(金矿、 铜矿、 银辉矿、 赤铁矿、 铝矿、 方铅石、 磷灰石以及闪锌矿)的光谱数据, 采用主成分分析方法(PCA)对数据进行降维处理, 并对降维后的数据采用线性判别分析(LDA)、 最邻近规则(KNN)以及支持向量机(SVM)三种方法进行特征谱线的高精准分类识别。 首先, 采用标准铜片作为样品, 对比了非共焦LIBS系统和共焦LIBS系统的稳定性及其对PCA主成分累计贡献率的影响, 结果表明与非共焦LIBS系统相比, 共焦LIBS系统的稳定性提升了63.75%, 主成分累计贡献率提高了17.81%; 然后, 采用共焦LIBS系统获取上述8种矿石样品的光谱信息, 并进行去噪等预处理, 采用PCA对矿石特征数据进行提取, 并保留累计贡献率达到99.4%的前10维特征空间; 最后, 将特征数据分别与LDA, KNN以及SVM结合构建分类模型, 进行种类识别。 结果表明, PCA方法与LDA和KNN方法结合的分类准确度分别为95.78%和92.58%, 而与SVM相结合的方法, 准确率可达到97.89%。 因此, 采用共焦激光诱导击穿光谱技术与PCA和SVM相结合的方法, 可为地质勘探和矿物识别领域提供一种快速、 高准确度的分类识别方式, 具有广阔的应用前景。

针对大批量球面光学元件曲率半径的快速、高精度、非接触测量难题, 提出一种基于差动共焦技术的批量元件曲率半径快速测量方法。先将一已知曲率半径的样件S0在其共焦位置进行扫描定焦, 获取其差动共焦曲线和线性段方程; 依次装卡同批次被测元件S1-Sn并无扫描地获得其离焦量; 根据样件曲率半径和被测件离焦量换算出被测样品曲率半径。仿真和实验表明, 精度可达12.2ppm, 同时测量速度比传统式差动共焦曲率半径扫描系统提高59倍。方法仅需1次扫描和N次快速装卡即可实现N件球面元件曲率半径的快速、高精度、非接触式检测, 为大批量球面元件的高效率、高精度加工检测提供全新途径。

针对自由曲面测量问题, 构建了一套高精度大量程激光差动共焦传感器。该传感器基于激光差动共焦原理, 利用归一化单点定焦模型减小被测表面倾斜角度、反射率的影响, 结合非等距分数阶累加预测算法预判焦点位置, 实现快速跟踪定焦。将气浮导轨与PZT结合拓展轴向扫描范围。实验表明, 该传感器轴向分辨力优于3nm, 可测量表面倾斜角度达22°, 轴向扫描范围达50mm, 差动曲线的过零点标准偏差为5.7nm, 有良好的重复性。该传感器为自由曲面的面型轮廓测量提供了一种新的方法。