胶囊内窥镜具有体积小、续航时间长、无疼痛等优势, 被广泛应用于人体内部空间的观察。但传统的胶囊内窥镜存在观察范围小、成像相对照度较低、图像质量较低等缺点。设计了一款成像范围大、相对照度高、分辨率高的胶囊内窥镜镜头, 镜头视场角(FOV)为150°, F数为2.8, 总长度小于6 mm, 平均视野中相对亮度超过90%。调制传递函数(MTF)在200 lp/mm时超过30%, 并且镜头仅用了5片球面镜, 结构紧凑, 解决了传统的胶囊内窥镜的劣势, 利于医护人员对病情进行准确的判断。

为解决载气式、超声振动和惯性力等现有微输送方法在较宽输送速率范围内难以克服的角形金属粉体堵塞难题, 本文研究以超声驻波场声辐射力为驱动力, 通过悬浮分散微喷嘴内密集态粉末颗粒, 实现金属粉末的稳定微输送。以激光熔覆技术中常用且易堵塞的100目、200目和300目角形铬粉和200目角形钛合金粉为对象, 进行脉冲式和连续式两种模式的微输送精度和稳定性实验研究。实验显示, 300目角形铬粉单脉冲输送质量可控范围为0.4~16 mg且连续输送速率可控范围为6.0~65 mg/s; 脉冲微输送质量的变异系数随微喷嘴内径的增大而大幅降低(小于2%)、连续输送速率的变异系数均低于6%。实验结果表明, 声辐射力驱动微米级角形金属粉末具有较大的输送速率可控范围、输送精度、稳定性和多种角形金属粉末的普适性, 可从根本上解决角形粉末喷嘴微输送的堵塞问题。本文研究结果也可为其它尺度金属粉末和非金属粉末的微输送提供参考。

设计了一种用于空间遥感卫星的高分辨率离轴三反光学系统,该系统具有大视场、长焦距、高分辨率的特点,其焦距f为1 200 mm,F/#为10,水平视场角可达±2.5°、垂直视场角可达±2.5°。当卫星轨道高度为300 km,传感器像元尺寸为8 μm时,地元分辨率GSD可达2 m。通过对参数的多次优化,最终设计的光学系统在空间频率62.5 lp/mm处全视场MTF值均大于0.3,成像效果优良,接近衍射极限。

针对激光熔覆或3D微打印等金属零件先进制造技术对稳定微量输送金属粉体的要求, 分析了微米尺度金属粉体脉冲输送机理。为提高金属粉体脉冲输送分辨率和输送稳定性, 设计了余弦修圆波形、正弦修圆波形和正弦余弦组合修圆波形作为压电致动器的驱动电压波形。对平均粒径为100 μm的均匀球形TC4钛合金粉体进行了脉冲微输送实验。实验结果表明: 余弦修圆波形使粉体做“前进”运动, 正弦修圆波形使粉体做“后退”运动; 分散态粉体单颗稳定输送达粉体总量的90%, 密集态粉体脉冲微输送过程中密实度可控, 粉体微输送过程稳定, 无结拱现象发生。本文的研究结果也可为其它微米尺度材料或其他形状粉体的脉冲微输送提供参考。

开展了微流体数字化技术制备聚合物薄膜电阻的研究。搭建了聚合物薄膜电阻按需喷射制备系统, 将聚乙撑二氧噻吩/聚苯乙烯磺酸(PEDOT/PSS)聚合物以13.4%的最佳重叠率, 按需喷射到RC(Resin-Coating)相纸表面, 由聚合物液滴形成的薄膜在相纸表面毛细作用下迅速干燥形成薄膜电阻, 并通过退火处理进一步降低薄膜电阻的阻值。实验研究了系统参量对聚合物液滴直径的影响, 并通过改变薄膜电阻的行数、列数和层数以及退火处理的条件, 制备了阻值为3.5～23.2 MΩ的薄膜电阻。实验显示薄膜电阻阻值和行数近似线性关系, 并且随着制备列数和层数的增大而减小, 退火处理可以使薄膜电阻的阻值降低10%～40%。以相同制备参数和退火条件制备的薄膜电阻具有较好的一致性, 薄膜电阻的阻值随温度的升高而减小并趋于稳定。实验结果表明, 基于微流体数字化技术制备聚合物薄膜电阻具有工艺简单、成本低廉、电阻电学性能优越等优点。

基于微流体数字化技术搭建了聚合物微透镜阵列按需喷射制备实验系统。以UV固化胶为喷射材料, 将其按需喷射到镀有疏水化薄膜的玻璃基片上, 在界面张力和疏水化效应的作用下, 形成平凸状的微液滴, 再经紫外光固化后形成微透镜阵列。实验研究了系统参量对稳定微喷射与微透镜直径的影响, 稳定微喷射出了黏度值为50×10-3 Pa·s的UV胶, 制得了最小直径达25 μm的微透镜, 进而制备出了直径变异系数C·V达0.64%、焦距均匀性误差为1.7%的15×15微透镜阵列。微透镜在扫描电子显微镜下具有较好的表面形貌, 采用白光干涉/轮廓仪(VSI模式)测得其轮廓算术平均偏差Ra为247.99 nm(扫描区域: 29.4 μm×39.3 μm), 扫描区域轮廓曲线平滑。通过微透镜阵列的成像实验, 得到了微透镜阵列所成的清晰实像。实验结果表明, 采用微流体数字化技术进行聚合物微透镜阵列的按需喷射制备过程简单、成本低廉、工艺参数稳定; 制备的微透镜阵列几何与光学性能优越。

介绍了微流体脉冲驱动-控制技术, 分析了微流体脉冲驱动-控制过程, 指出在这一过程中影响微流体流动的主要因素是微流道固壁加速度和流体内部的黏性力。采用"椭圆修圆法"对方波驱动电压进行修圆, 针对修圆点的位置决定微流体的驱动方向, 获得了不同修圆位置和修圆系数的驱动电压修圆波形。通过实验探索了波形修圆对微流道固壁运动加速度、微流体脉冲惯性力和流体驱动效果的影响规律并进行了机理分析。所得流体体积流量可在0~15.4 pl/min连续变化,远小于现有的微流体驱动技术。本文的研究成果可为微流体脉冲驱动-控制技术在微流体系统中的进一步应用提供参考。

采用以脉冲为微流动基本形态、脉冲当地惯性力为主动力的微流体数字化技术进行了基因芯片微阵列制备实验。在搭建的基于微流体数字化技术的基因芯片微阵列制备系统上，实验验证了脉冲点样系统参量(收敛角2θ、微喷嘴内径d、电压幅值U和驱动频率f)对样点直径和脉冲点样稳定性的影响规律。以实验规律为依据，提出了制备样点直径约为100 μm的中等密度微阵列的实验路线，制备出了样点平均直径为102.2 μm、微阵列密度约为4 000 spot/cm2的基因芯片微阵列(点样溶液为3×SSC柠檬酸盐缓冲液)。得到的研究结果可为建立高密度基因芯片脉冲点样技术提供实验研究基础。

共焦腔是一般稳定腔的特例，由于等价性，共焦腔中自再现模的振幅分布、损耗和光斑尺寸常常被用于讨论一般稳定腔。为了分析具有大菲涅尔数的圆镜共焦腔，本文利用传输矩阵方法对腔模进行计算和讨论。研究结果表明:传输矩阵方法的结果与Fox-Li积分迭代法的结果一致，并且传输矩阵方法实用于大菲涅尔数共焦腔。