从手持/便携式角度出发, 采用双光纤光路设计了激光拉曼测试装置中的探头, 并确定关键器件性能、型号及尺寸.利用Zemax软件进行光学模拟仿真, 得到入射光路的工作焦距为13.5 mm, 像方数值孔径为0.23; 收集光路的像面焦距为13.46 mm, 数值孔径为0.235.用SolidWorks软件进行机械设计, TracePro软件进行探头整体光路模拟, 通过计算机数字控制机加工和3D打印两种方式制作得到整体尺寸为50 mm×33.5 mm×17 mm的探头.用设计的拉曼探头对酒精样品进行了测试, 测得酒精拉曼光谱与商用产品测得的结果基本一致, 且在200~300 cm－1波数范围内有更好的信号表现.对K粉及冰毒进行了拉曼光谱测试, 实测数据与理论数据基本一致.实验结果表明拉曼探头的设计达到了预期效果, 并具有良好的性能.

面阵CCD 具有灵敏度高、动态范围大的优点，适用于荧光测量、DNA 测序、拉曼光谱分析和低光度检测，因此，研制基于面阵CCD 的高灵敏度微型光纤光谱仪具有重要的实际价值。光学系统采用了优化后的交叉非对称型Czerny-Turner 结构，并获得了1 nm 的光学分辨率。结合DC-DC 和LDO 的设计方法，通过USB 供电实现了6 路电压输出的复杂电源系统设计；通过Verilog HDL 完成了CCD 驱动时序设计；采用Altera 公司的EPM7064 芯片实现了驱动信号输出。CCD 输出的视频信号经双相关采样的高速16 位AD 芯片AD9826 转换后存储在独立的静态RAM 中，使得数据的采集和读取分离。所设计与实现的微型高灵敏度光纤光谱仪的灵敏度是通常基于线阵CCD 的微型光谱仪的11 倍左右，动态范围20000:1，信噪比达到500:1，很大程度地提高了微型光纤光谱仪的性能。

根据显微镜照明系统的特点，设计了一款适用于裂隙灯显微镜的科勒照明系统，以实现对眼球的照明与检测。将照明系统分为集光镜与聚光镜两部分，集光镜选用三片式结构，聚光镜选用双胶合结构；根据显微镜照明系统要求，利用最小球差公式求解得到集光镜的初始结构，并用光学设计软件Zemax进行优化设计；将聚光镜添加到光路中，进行整体优化，利用TracePro软件对接收面的光照均匀度进行模拟仿真。整个科勒照明光路总长280 mm，可变光阑面距离集光镜20 mm，距离聚光镜142 mm，工作距离95 mm，接收面光照度在水平方向上均匀度达到93.9%，在垂轴方向上达到92.5%，光斑边缘光滑，清晰分明。该照明系统整体结构简单，其性能很好地满足了整机要求。

为了实现所研制的角膜地形图仪应用于临床检验, 将Klyce经典的三维形貌重构模型改成光线逆追踪法进行建模: 获得24环每环256个点的亚像素级二维数据; 将这些数据由最小二乘法估算出原始假设椭球面; 对该椭球面进行修正, 得到最符合真实角膜的曲面。先采用Canny算法得到像素级的二维数据; 然后对数据的灰度进行平滑降噪; 之后对数据的灰度梯度进行3次拟合以获得亚像素级数据; 最后, 用标准的角膜地形图仪获得的清晰图片实现三维重构。通过分析两者获得的曲率半径及屈光度数据, 发现其误差小于0.9%, 表明该方法具有可行性。

利用光学设计软件Zemax设计了一套具有6×, 10×, 16×, 25×与40×放大倍率的五档式数码裂隙灯显微镜光学系统.在传统体视裂隙灯显微镜光学系统结构的基础上将数码型裂隙灯显微镜划分为共用前置物镜、伽利略望远镜、摄影物镜三部分, 用平行式伽利略望远镜系统结构来改变倍率.研究了共用前置物镜、伽利略望远镜及摄影物镜的光学特性与技术指标要求, 选取了合适的透镜类型.在共轴时拥有良好的成像质量基础下, 将光学系统过渡到非共轴情况, 再进行优化.优化后除40×时衍射极限较低外, 在6×, 10×, 16×, 25×情况下系统调制传递函数曲线值在空间频率为115 lp/mm处基本大于0.2, 点列图显示不同倍率下的弥散斑大小均基本小于艾里斑.该光学系统具有良好的成像效果, 且整体结构简单, 易加工, 成本低, 其性能很好地满足了整机要求.

为实现角膜地形图仪中实时图像检测, 找到一种图像清晰度评价函数对实时角膜图像进行快速、稳定、精确的判别至关重要。基于角膜地形图仪中光学成像系统, 分析系统离焦对图像清晰度的影响, 并提出一种关于图像清晰度的评价方法。该方法选择拉普拉斯函数作为全局图像粗调的评判参数, 通过霍夫圆变换及亚像素边缘检测来确定图像的中心点, 并采用Sobel算子与Canny算子相结合的边缘检测方法根据中心点找出最清晰边缘, 从而实时获得最清晰的角膜图像。实验表明, 该方法具有很好的稳定性和抗噪性, 能够准确、有效地评价角膜图像的清晰度, 可用于角膜地形图仪中实时图像的精准检测。

为了实现检测角膜的表面形貌, 设计了基于Placido盘的角膜地形图仪投射照明系统。首先, 根据人眼的明视觉光谱光视效率、CCD元件光谱响应曲线以及仪器对面光源照度与发光均匀性的要求, 进行了LED背光源设计。其次, 根据角膜地形图仪检测原理, 比较了球形和椭球形Placido盘的利弊, 在背光源照明下分析了这两种面型Placido盘的光照情况。分析显示, 椭球形Placido盘的最大辐照度优于球形盘。采用反向逆推法建立数学模型, 利用Matlab软件求解确定了盘上黑白条纹环的分布。最后, 根据上述设计参数进行了Placido盘加工, 搭建了投影照明实验装置, 并利用标准模型眼对所获得的投射照明系统进行检测。实验结果表明: 在主波长为625 nm的AlGalnP红色LED面光源照明的情况下, 采用所设计的24环椭球型Placido盘成像到CCD上的黑白条纹环满足等间隔均匀分布的要求, 检测精度可达到0.05 m-1, 较好地满足了角膜地形图仪对投射照明系统的高对比度、高精度的要求。

为实现基于Placido盘的角膜地形图仪中图像的有效采集, 根据人眼角膜的特点以及所选用的CCD面阵参数, 设计了一套对称式消色差物镜及准直照明透镜系统。利用初级像差理论及PW法计算成像镜头的初始结构, 根据近轴光线追迹公式计算准直照明透镜参数, 利用Zemax光学软件进行系统优化。成像镜头结构由2组4片镜片组成, 有效焦距为20 mm, 后工作距离为19.2 mm, 相对孔径为1/3, 全视场角为8°, 光学总长控制在20 mm以内。在镜头分辨率66 lp·mm－1处, 所有视场的调制传递函数值均大于0.3, 全视场畸变量小于0.5%。该系统具有整体结构简单、紧凑、易加工、成本低、成像质量好等特点, 其性能很好地满足了整机的要求。

渐进多焦点镜片可为佩戴者提供自远点到近点全程、连续的清晰视觉。检测仪器由光源、聚焦镜、CCD、镜片夹具和转动装置等构成,用于检测渐变镜片视远区、视近区、渐变区的度数变化。提出了仪器装置的总体设计方案,通过CCD采集图像,经过后续处理可以得到镜片的屈光度分布图。结果表明,该仪器操作方便可行。

目前微型紫外光谱仪多采用背向减薄式或镀膜CCD作为感光元件, 针对其价格昂贵的问题, 提出了将高性价比的CMOS传感器芯片S11639应用于紫外可见光谱仪中的设计方案, 系统采用非对称性的切尔尼特纳光学系统进行分光处理, 利用STM32微处理器芯片配合复杂可编程逻辑器件CPLD来设计电路将数据上传到上位机, 进行光谱图像显示。通过实验对比, 验证了用该方案设计的微型紫外可见光纤光谱仪, 具有良好的紫外敏感性, 频谱范围为200～900 nm, 分辨率可达1.5 nm。