数字全息显微镜（DHM）可以对生物样本的复杂波前进行数值重建，但是物体波前存在二次相位畸变和高阶像差，使得成像物体存在一定的相位像差。基于此，提出一种基于径向基神经网络（RBF）的相位畸变补偿算法。使用RBF网络构建非线性函数，最小化损失函数来估算物体的实际相位，损失函数考虑了全息面和RBF网络的输出。在仿真中以原模型为基准计算全局的均方误差，所提算法的均方误差为0.0374，主成分分析法（PCA）的为0.0470，频谱质心法（SCM）的为0.3303。搭建DHM系统用于HL60细胞的成像幅度和相位对比度观察，结果显示，所提算法能够更好地消除载波频率和相位畸变。所提算法无需了解光学参数，且可以通过调整采样点数量控制计算时间和插值精度，在弱散射物体或微纳结构三维形态测量中具有潜在的应用前景。

自发拉曼光谱检测具有宽光谱高分辨但信号较弱的特点，因此杂散光的影响不可忽视。针对自行设计的单细胞拉曼光谱仪光栅转动下系统杂散光产生的机理进行了研究，给出了杂散光抑制方法，特别是多重结构下消除杂散光光学陷阱的设计方法，通过TracePro软件仿真验证了其杂散光抑制的有效性，分析结果显示，杂散光抑制后不同波长处杂散辐射比降低了12%~47%，细胞拉曼光谱仪整体杂散光水平低于10^-6，经杂散光抑制后的光谱仪更加有利于微弱光信号的探测。

针对高通量荧光显微成像中高密度、低信噪比、亚衍射极限荧光斑点的自动化精准检测和定位问题，基于UNet提出一种轻量级神经网络方法。该方法采用挤压和激发通道层注意力机制和残差模块优化特征信息，构建密度图和偏移量多输出架构，直接执行检测和亚像素定位。在公开数据集和模拟数据集进行实验，所提方法对低信噪比和高密度的荧光点检测优于当前算法，尤其对于达到衍射极限的高密度荧光点，有很好的检测性能，比如在128×128像素具有1200个荧光点并且大部分点达到衍射极限的图像下。所提算法对斑点的识别精度F1分数超过97.6%，定位误差为0.115 pixel，相比最新deepBlink方法，F1提升16.2个百分点并且定位误差减小0.63 pixel。

MicroRNA（miRNA）是癌症等重大疾病检测过程中一类非常重要的标志物。定量实时聚合酶链式反应由于逆转录限制主要存在扩增偏差大的问题，Northern印迹杂交存在灵敏度低的不足，下一代测序和单分子阵列技术兼有检测限低及灵敏度高的优势。然而，扩增偏差大或缺乏简化的工作流程不利于即时点对点医疗诊断、治疗以及预后。基于此，提出一种基于单分子检测原理的miRNA检测方法。首先，依据泊松分布，利用三明治夹心结构形成复合物，链霉亲和素-poly-HRP与酪胺-Alexa Fluor 488分子通过催化沉积的方式生成并放大信号；然后，运用纤维蛋白水凝胶而非微流控芯片固定复合物；最后，进行单分子计数处理，通过样点寻址、样点筛选、图像重合及信息提取等4个步骤识别并统计阳性点个数，从而实现miRNA超灵敏定量检测。以人类miR-21为检测对象，检测下限是6 fmol/L。该方法在体外诊断检测miRNA方面有较好的潜在应用价值。

受激拉曼散射是相干拉曼散射中的一种, 其产生的信号在三阶非线性效应下得到了显著地增强, 且没有非共振背景的干扰, 光谱与自发拉曼光谱几乎完全一致。 因此, 基于受激拉曼散射的显微成像技术具有无标记、 高特异性、 非侵入等优点, 已成功运用在生物细胞成像中并取得了许多重大的成就。 受激拉曼信号与激发光的波长相同, 易受到激发光背景噪声的干扰, 为解决该难题, 常采用光学调制与相敏检测相结合的方法对其进行检测。 检测过程中, 调制深度对受激拉曼信号强度和信噪比有重要影响。 针对此, 基于相关理论深入分析了调制深度对受激拉曼信号强度及信噪比的影响。 同时考虑到在生物光谱成像等应用中, 细胞光损伤阈值对两束激发光功率之和的限制, 分析了不同调制深度下, 获取最大信号强度及最佳信噪比的激发光功率配置方法。 通过搭建受激拉曼实验系统, 以二甲基亚砜为研究对象, 进行实验验证。 研究结果表明, 在光损伤阈值的限制条件下进行受激拉曼损耗检测时, 同一调制深度下, 当泵浦光与斯托克斯光光功率比为1: 1时信号强度达到最强, 比值为1∶2时信号的信噪比达到最佳。 在泵浦光与斯托克斯光光功率比相同的条件下, 受激拉曼信号强度和信噪比均随调制深度的降低而降低且近似呈线性相关。 实验得到的二甲基亚砜受激拉曼光谱图也验证了在实际样品的光谱检测中, 调制深度越高得到的光谱信号越强, 信噪比越佳, 整体的光谱质量也越好。 该研究结果是对受激拉曼显微技术在信号调制与检测方面的完善, 可为受激拉曼光谱检测和细胞成像实验做出参考性指导。

为解决干涉型锥形微纳光纤传感器结构尺寸长、加工重复性低的问题,设计了一种非绝热锥形微纳光纤传感结构。首先基于光纤模式理论研究了干涉型锥形微纳光纤传感器的传感灵敏度对腰部直径的依赖关系及其不同部位的传感特性,并研究了非绝热条件下在光纤拉锥过程中进行模式控制的方法。在此基础上设计并制作了腰部直径为3.1 μm、锥腰长度为1.1 cm的锥形微纳光纤传感结构,其低折射率检测灵敏度高达90250 nm/RIU。该结构具有尺寸短、加工重复性好的特点,为实现传感器的小型化、集成化提供了基础,有望用于生物医疗、环境监测等领域。

为了满足原子发射光谱仪在紫外至近红外宽谱段范围内的高光谱分辨率快速检测需求，采用精密角位移平台直接驱动光栅，配合面阵探测器，实现高精度光谱分段快速扫描探测。但在扫描过程中，探测器像元波长增量与光栅转角呈非线性关系，且不同像元的波长增量不同，这对该光谱仪波长定标造成障碍。为校正光栅色散的非线性，基于光栅方程精确计算光栅转角与探测器首尾两端像元波长的映射关系,针对同一光栅转角，探测器其余像元波长利用首尾像元波长按照局部线性色散规律计算得到，从而完成全谱段光谱定标。依据定标所得转角与探测波段对应关系依次驱动光栅转动，实现宽谱段范围内的分段高精度光谱快速扫描探测。利用汞灯光源对该定标方法的波长检测精度进行检验，在200~800 nm的宽谱段范围内，波长准确度优于0.018 nm，波长重复性优于0.001 nm。

结合光学像差理论和光栅色散原理,采用像元分辨率匹配方法,提出了一种宽光谱高分辨率光栅光谱仪初始结构设计方法。在综合考虑机械加工装调和光谱仪通光效率的基础上,将其应用于波长为200~1000 nm、分辨率为0.01 nm的Czerny-Turner型光栅光谱仪光学系统初始结构设计中。运用ZEMAX软件对光谱仪光学结构进行了仿真和优化,结果表明,该设计方法可以同时兼顾光谱探测范围、分辨率、通光孔径等各项设计要求,仪器设计性能均能满足各项指标要求。