介绍了一种基于双液芯柱透镜(DLCL)测量液相扩散系数的方法-等观察高度测量法,该方法利用双液芯柱透镜的前液芯作为扩散池和主要成像元件,后液芯作为辅助消球差元件。选择双液芯柱透镜上某一固定高度作为观测位置,根据观测位置处扩散图像宽度随时间的变化规律,基于Fick第二定律计算液相扩散系数。用等观察高度测量法测得室温(25 ℃)下0.33 mol/L氯化钾水溶液的扩散系数D=1.8530×10 ^-5 cm ²/s,测量结果与文献值之间的相对误差为0.65%。该方法利用双液芯柱透镜在一定折射率范围内减小球差的优势,使得测量液相扩散系数具有精度高(相对误差小于1%)、速度快(测量时间约为60 min)和扩散过程可视化的特点。

基于双液芯柱透镜的折射率空间分辨测量精度高的特点，本文采用两种方法在室温(25 ℃)下分别测量了不同浓度的蔗糖水溶液的液相扩散系数。方法一: 等折射率薄层移动法，通过记录扩散过程中特定折射率薄层随时间的变化关系计算液相扩散系数。方法二: 瞬态图像分析法，通过读取一幅瞬态扩散图像中图像宽度与扩散位置之间的关系确定液相扩散系数。双液芯柱透镜的前液芯作为扩散池和主要成像元件，后液芯作为消球差辅助系统。充分利用了双液芯柱透镜可以按需减小特定液体薄层处的球差以及能够在一定的折射率范围内同时减小球差，两种方法均具有测量精度高的特点。两种方法的测量结果与文献值的相对误差分别小于13%和39%，表明用双液芯柱透镜测量液相扩散系数时，测量系统稳定可靠，测量结果准确。

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。

研究了基于迈克尔逊干涉条纹对比法测量微位移的实验。用He-Ne激光器、反射镜和分束镜组成的干涉光路, 其中一个反射镜固定在被测物体上, 通过被测物体的移动带动反射镜移动使干涉光路发生变化, 从而导致干涉条纹的改变。在形成干涉条纹的位置利用线阵CCD采集干涉条纹图像, 用序列图像对比的方法对图像进行处理和计算, 得出被测物体的微位移。实验表明利用序列图像对比的方法测量微位移, 方法切实可行、测量准确度高、测量的精度能够达到微米量级。

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。