设计并制备了一种具有较大变倍比及较高成像质量的充液式连续变焦微型柱透镜系统。该系统由埋入聚二甲基硅氧烷基片的两片对称弯月柱透镜及一片双凸柱透镜构成：两弯月柱透镜边缘位置胶合形成空腔，改变注入其中的液体折射率，可实现柱透镜系统的连续变焦；双凸柱透镜的优化设计可控制柱透镜系统整个变焦范围内的像差。当柱透镜系统中注入的液体折射率由1.3330变化到1.5530时，可实现系统后焦距由52.292~4.972 mm的连续平滑变化。整个变焦范围内，柱透镜系统径向弥散斑均方根半径始终小于5 μm，接近衍射极限。对柱透镜系统的可能公差进行了详细分析，证实了该设计的可行性，并完成了透镜系统的加工制备及后焦距、调制传递函数曲线的测量。该变焦系统具有变倍比高、体积小、结构简单稳定、成像质量高等优势，可用于集成化的微型设备中。

综合考虑了透镜的焦深、厚度、球差等因素,对高斯公式法(实物成实像法)测量凸透镜焦距的不确定度进行了较全面的分析,并提出了校正由透镜厚度及球差引起的系统测量偏差的方法。对于选定的标称焦距为25.0 mm的凸透镜,其测量不确定度随着物距的增大先减小后增大,校正前最小值为1.26 mm,其中透镜球差的存在对于测量不确定度的影响最为突出。系统测量偏差校正后,其不确定度变化趋势不变,最小值降低为0.10 mm,这大大提高了测量结果的准确度。不确定度分析结果表明将物点置于透镜的二倍焦距附近得到的测量结果更为可靠,所得结果为实验操作提供指导依据。

介绍了一种利用非对称液芯柱透镜结合实时光学图像特征提取方法测量液相扩散系数(D)的方法。该方法基于图像采集系统的软件开发工具包对采集系统进行二次开发, 并用自编应用软件对图像中特定区域进行亮度及宽度的特征提取。然后, 依据图像特征自动寻找出实验所选液体折射率薄层清晰成像点的位置并记录该位置随时间的变化关系。最后, 根据Fick第二定律计算出液相扩散系数。采用这种方法, 实验研究了室温(25 ℃)条件下乙二醇在纯水中的扩散过程, 测得其扩散系数D=1.164×10-5 cm2/s, 与文献报导值的相对误差为0.34%。与直接观察测量法相比较, 此方法实现了测量的自动化, 避免了人为主观判断误差, 具有测量快速、准确, 计算耗时短, 实验测量结果稳定的特点。

设计并制作了一种基于聚二甲基硅氧烷(Polydimethylsiloxane，PDMS)基片的可变焦微型柱透镜。这种柱透镜主要由一根埋入PDMS基片中的玻璃毛细管构成，通过选择毛细管内液体的折射率实现变焦功能。液体折射率为1.451 8~1.550 2时，柱透镜焦距可由21.369 mm减小到3.362 mm，变焦倍数达到6.4倍。用散射光成像方法观察并拍摄了平行光通过这种可变焦柱透镜后的光线轨迹图; 用ZEMAX光学设计软件摸拟了成像过程，模拟结果和实验图像相符; 用高斯光学的逐次成像方法推导出了这种柱透镜的焦距公式，焦距的计算结果和实验以及模拟结果吻合。PDMS基片中可变焦微型柱透镜的成功制作，为“芯片上的实验室”提供了一种重要的光学成像元件。

从景深的基本概念出发,研究了电子目镜显微镜的景深与其物理景深和几何景深之间的关系。提出物理景深与几何景深在数学上满足“相或”而非“求和”关系的观点, 并以此推导出了电子目镜显微镜的景深满足的计算公式。设计了毛细管测量系统, 用其测量了有效数值孔径不同时电子目镜显微镜(横向放大率为20×10)的景深, 以及有效数值孔径等于显微物镜数值孔径时, 不同规格电子目镜显微镜的景深。实验测量结果与理论推导结果基本吻合, 表明电子目镜读数显微镜的景深值等于物理景深与几何景深中的较大值, 而不是两者之和。

基于近轴条件下的高斯公式，导出了电子目镜显微镜的几何和物理景深公式并分析了其适用的条件。通常情况下，电子目镜显微镜的景深值由其物理景深决定，景深值与显微物镜的有效数值孔径的平方成反比，与电子目镜的放大倍数无直接关系。用Zemax软件模拟了10×20电子目镜显微镜的景深，软件模拟值与计算值完全相符。为了验证景深公式，设计了毛细管测量系统，用其测量了有效数值孔径不同时电子目镜显微镜的景深以及有效数值孔径等于显微物镜数值孔径时不同规格电子目镜显微镜的景深。实验测量值与计算值十分吻合。

加工制作了一种液芯变焦柱透镜，并利用这种柱透镜精确测量液体的折射率。在空心的柱透镜内注入待测液体，通过测量液芯透镜的焦距，根据焦距和折射率之间的关系，计算出液芯介质的折射率。此方法有效地提高了折射率测量的灵敏度，减小了测量系统的景深。选取20×显微物镜可实现液体折射率在1.3~1.642范围内的精确测量，单次测量误差小于0.0002。对透镜折射率灵敏度曲线以及测量系统景深曲线的分析表明，增加折射率灵敏度和测量系统的有效数值孔径，可以进一步提高测量的准确度。

介绍了一种用玻璃毛细管成像法精确测量微量液体折射率的方法及测量装置。该方法以充入透明液体的毛细管构成柱透镜, 基于共轴球面光学系统的成像原理, 对光学成像系统的放大率进行单一参数的测量, 进而计算出待测液体的折射率。测量了纯水、乙醇、乙二醇、丙三醇的折射率, 各种待测样品的需要量均小于0.002 mL, 结果显示本试验装置的测量准确度与目前商用阿贝折射仪(±0.000 2)相当。另外, 测量了不同浓度的乙二醇水溶液的折射率, 并对测量的数据点进行了曲线拟合, 测试结果与阿贝折射仪测量结果和理论公式计算结果所拟合曲线吻合完好。该方法具有待测液体用量极少、操作方便和折射率测量精度高的特点, 适用于微量液体折射率的精确、快速测量。

液体折射率的毛细管焦点测量法具有样品需要量极少和封闭测量的特点，在微量液体的折射率测量方面有重要的应用前景。为了提高毛细管焦点测量法的测量精度和改善测量的方便性，用内置CCD的电子目镜取代传统目镜，在计算机上直接观察和判断毛细管焦点的成像状态；用电动精密位移台取代传统的手动精密位移台；用新的测量系统对不同浓度的乙二醇水溶液做了折射率测量。结果表明，折射率的测量精度达到±0.0002；一次性测量样品需要量小于0.002 mL。在毛细管焦点测量法中引入电子目镜和电动精密位移台，提高了微量液体折射率的测量精度。

介绍了一种无损测量透明毛细管管壁折射率的方法。该方法利用平行光经过装有不同已知折射率标准液体的毛细管后会聚焦点位置不同的原理，通过CCD对会聚焦点位置成像后的图像进行判断，计算出毛细管外轮廓位置和焦距，进而计算出毛细管管壁的折射率，其测量精度可达0.005。分析了毛细管内外径对管壁折射率测量的影响，结果表明，管壁越厚，测量精度越高；同时对毛细管管壁折射率灵敏度和成像系统的景深值进行了计算和比较,结果显示，标准液体折射率越低，标定精度越高。该方法使用设备简单，操作方便，便于对图像观察和识别，实现了对毛细管管壁折射率的无损精确测量。