针对目前微透镜设计与加工中存在的问题,本文提出了一种大尺寸、高填充率的微透镜阵列设计与加工方法，并成功应用于基于手机屏幕的三维集成成像显示系统。根据焦面模式下的集成成像原理，建立了透镜阵列参数与集成成像显示关键参数的关系，并设计了高填充率透镜阵列的孔径与焦距。采用超精密铣削方法加工出金属母板，通过纳米压印和图形转移复制的方法，在涂有UV固化胶的PET透明膜上得到了高填充率的微透镜阵列膜，并将其应用于基于手机显示屏的集成成像系统。测试结果表明，在5.7英寸全高清手机屏幕上，直接覆盖孔径为0.526 mm、焦距为2 mm、填充率为100%的透镜阵列，可以实现立体图像出屏距离达4 cm、视场角为12.5°的集成成像显示效果。系统的设计与透镜阵列的制作完全满足集成成像要求，裸眼观看立体图像清晰、逼真，系统集成度高，使用方便。

光学旋涡在很多领域开展了广泛的研究和应用。介绍了一种基于涡旋波片的光学旋涡产出方法, 并通过波片组合的方法可以产生任意拓扑荷的光学旋涡, 该方法具有很好的灵活性。同时由于波片的透过率非常高, 实验中拓扑荷为3 的光学旋涡的产生效率高达93%以上。通过干涉产生的叉形光栅叉数和方向进一步检测了产生光学旋涡的拓扑荷。利用产生的光学旋涡还进行了初步的光学操控实验, 验证了轨道角动量对于微颗粒的动态操控作用。该方法将在更多领域得到推广和应用。

为了得到微观动态样品的三维形貌图, 提出了基于红蓝双小孔光阑的单物镜立体显微成像方法, 并建立了一个结构简单的单物镜立体显微系统。该系统在物镜出瞳处放置分别用红、蓝滤光片覆盖的双小孔光阑, 当采用白光照明时, 彩色CCD将接收到分别用红光和蓝光表示的两个不同视角的图像。采用数字图像处理方法可获得具有视差的立体像对, 基于相位的双目匹配算法可得到样品的三维形貌。实验结果表明, 该方法重构了微观样品, 其景深达到241.50 μm。与现有的双物镜体视显微方法相比, 设计的立体显微系统简单且紧凑, 利用单次拍摄即可得到微观动态样品的三维形貌图, 在显微镜和内窥镜中很有应用前景。

提出了一种将光场显微镜与裸眼三维显示技术相结合的方法，实现了利用光场显微镜对微观样品进行三维裸眼实时观察的技术。该技术将光场显微镜得到的子图像阵列直接投影在微透镜阵列的焦平面上，在空间一定区域内双眼可分别观看到两幅不同视角图像，使观察者产生立体视觉。该系统具有结构简单，无需相干光源，无需佩戴特殊眼镜，可多人同时观看等优点，应用前景广泛。

传统集成成像系统以重构场景为记录场景的镜像，而当用相机阵列代替透镜阵列获取元素图像时，两种阵列参数的不匹配会破坏上述镜像关系。为了得到相机阵列获取的元素图像经透镜阵列重构后的物像关系，本文提出用同名点间距计算集成成像重构像距的方法。该方法通过获取端场景物距、相机焦距等参数，得到同名点间距，并等效至重构端透镜阵列系统来实现光学参数的匹配。理论计算表明，同名点间距不同，得到的重构像距也不同。对与透镜阵列参数匹配的同名点间距进行变换处理，即可精确再现不同重构像距的景物。最后，通过实验验证了本文所提方法的有效性。

为了得到理想的抗串扰三维图像，研究了用相机阵列记录三维场景时，如何排列所获取的元素图像并使其与重构的微透镜阵列匹配的问题。通过分析集成成像原理，讨论了元素图像间距、微透镜阵列间距、焦距等几个重要参数之间的关系，证明了对于固定的微透镜阵列，元素图像间距是场景重构时的重要因素，并结合分析给出了最佳设计参数。系统分析了元素图像阵列放置在焦面或焦面以外的物像关系，以及元素图像间距的作用，针对上述因素对成像串扰及景深的影响，论证了在焦面成像时串扰最小，景深最大的结论。所证明的结论对用相机获取大场景时排列所获元素图像，实现三维再现具有指导意义。

设计并制备了一个新型类贝塞尔调制螺旋相位片，该相位结构是由类贝塞尔函数表示的振幅信息加载到螺旋相位上构成的，通过选择合适的调制参数，使得透射率在相位结构边缘处为零，能够大幅度消除再现光学旋涡光束的旁瓣。采用在纯相位型元件上调制复振幅的编码方法，实现振幅型到纯相位型的转换。通过优化多灰阶激光直写工艺，对每一个像素高度进行调制，直接将该相位片加工在基底是玻璃的光刻胶上。搭建光路验证了光束强度分布，并取得了与理论预期高度一致的结果，为产生高质量旋涡光束提供了一个简便、可靠和低成本的微光学元件手段。

An optimized iterative technique combining the merits of conventional Gerchber-Saxton (G-S) and adaptive-additive (A-A) algorithms to design multilevel computer-generated holograms for the creation of a desirable structured intensity pattern for multiple optical manipulation is theoretically adopted. Optical trap arrays are demonstrated with the help of liquid crystal spatial light modulator and a microscopic optical tweezer system. Additionally, continuous locked-in transport and deflection of microparticles with the generated optical lattice is proven experimentally. The proposed method possesses apparent high efficiency, high uniformity, and dynamic and reconfigurable advantages.

An efficient and inexpensive method that uses a glass plate mounted onto a motorized rotating stage as a beam-steering device for the generation of dynamic optical traps is reported. Force analysis reveals that there are drag and trapping forces imposed on the bead in the opposite directions, respectively, in a viscous medium. The trapped bead will be rotated following the beam’s motion before it reaches the critical escape velocity when the drag force is equal to the optical trapping force. The equilibrium condition facilitates the experimental measurement of the drag force with potential extensions to the determination of the viscosity of the medium or the refractive index of the bead. The proposed technique can easily be integrated into conventional optical microscopic systems with minimum modifications.