光谱共焦位移传感器具有检测精度高、采样频率快、无接触测量等优点,在位移和高度测量、表面形貌与粗糙度测量、透明材料厚度测量等技术领域被广泛使用。现有的光谱共焦位移传感器大多采用针孔滤波式光路,在运动机构的驱动下通过点扫描采样方式实现三维形貌测量,受机构的运动速度影响,测量效率受到制约。论文研究并设计了一种狭缝滤波式的线扫描光谱共焦光学系统,一次采样测量即可获得线视场内的面形高度信息,可以解决探测器采样频率快而扫描机构速度慢之间的不协调问题,用于提高三维形貌的检测效率。线扫描光谱共焦位移传感器主要由光源、色散物镜和成像光谱仪三部分组成。论文首先介绍了光谱共焦位移传感器的测量原理,分析了影响系统性能的主要因素。其中色散物镜的色散线性度直接影响波长与位移之间的转换精度;测量范围和轴向测量精度主要由色散物镜的工作波段、轴向色散能力和数值孔径决定,同时数值孔径也决定了被测物允许的最大倾角。各项影响因素的参数分析为线扫描光谱共焦位移传感器系统设计提供了较为充分的理论依据。在成像光谱仪设计方面,对光谱仪的组成和工作原理进行了分析。对比不同分光方式的特点,选择了 Offner型光谱仪作为光谱分析系统。设计了一款与色散物镜相匹配的Offner型成像光谱仪,其光谱分辨率达到0.3 nm。最后完成了光谱仪样机的研制。在色散物镜设计方面,提出了一种简便高效的线扫描色散物镜设计方法,避免了目前采用多重结构光路方法难以全面约束物镜色散线性度的问题。利用近轴面和衍射面构建具有线性色散和目标视场的色散光学模型,预先为色散物镜提供等量逆向的轴向色差。色散物镜采用单结构逆向设计,从而线性色差的控制转化成单结构光路成像质量的优化,实现了像质评价参考面的统一。同时,结合远心色散模型,研究了色散物镜玻璃材料与轴向色差和垂轴色差的关系,为色散物镜的优化提供了理论指导。根据所提出的方法,设计了一款工作波长在580-780 nm,线扫描宽度为16 mm,色散范围为0.37 mm,线性度为0.9997的色散物镜。最后从系统的角度出发,将设计的色散物镜和成像光谱仪拼接,验证了狭缝的滤波能力,分析了系统的测量精度。结果表明,系统位移测量的设计精度达到了预期的0.56 μm。