全场透射X射线显微镜（TXM）具有纳米量级空间分辨、原位、无损和三维（3D）成像等优点，目前已被广泛应用到多个研究领域中。纳米三维成像线站是上海同步辐射光源（SSRF）二期工程建设内容之一，该线站瞄准前沿领域中的科学问题和国家战略需求，主要实验方法为TXM和纳米计算机断层扫描（CT），能量范围为5~14 keV，空间分辨率的设计指标为20 nm。该线站基于弯铁光源，光束线采用柱面准直镜、双晶单色器和超环面聚焦镜设计方案。实验线站采用自主设计、整体集成的全场TXM系统，实验站中单毛细管聚焦元件、TXM机械系统、纳米CT控制及数据采集软件均为自主研发。2021年SSRF纳米三维成像线站（BL18B）完成了带光调试与性能测试，实现了20 nm分辨率的TXM成像，是国际上首条基于弯铁光源并实现20 nm分辨率成像的光束线站，测试结果全部达到线站设计指标，2022年该线站将对用户开放使用。

将掠入射改进的Kirkpatrick-Baez (KBA)型X射线显微镜用于研究激光等离子体惯性约束聚变,它由两对正交的反射镜构成。研究了针对掠入射反射系统的光线追迹程序,利用该程序设计了KBA反射镜,得出对于这种双反射镜结构,孔径光阑放在第二块反射镜上结构更紧凑的结论。研究了KBA显微镜的场曲以及俯仰角对成像质量的影响,找出了最优的离焦距离,制定了系统的俯仰角误差。

设计并成功研制了单毛细管椭球镜,并通过光学及X射线方法测试了它的特性。椭球镜的面形误差为15 μrad,能量为9 keV时聚焦光斑直径为40 μm,聚焦光斑发射角为1.75 mrad。基于研制的椭球镜,在上海光源X射线成像线站搭建X射线纳米成像系统,并实现了纳米成像,这表明该椭球镜可满足X射线纳米成像的需求。

研制了光发射电子显微镜(PEEM )高精度微聚焦系统，以实现上海光源软X射线PEEM光束线的高质量聚焦。根据上海光源PEEM光束线的概况，给出微聚焦系统光学元件的基本参数。基于Kirkpatrick-Baez(KB镜)两镜方案，设计了PEEM线微聚焦系统。介绍了KB镜姿态调整机构的设计方案，即利用三垂直线性驱动装置和两水平线性驱动装置相结合来实现五维调节，分析了姿态调节机构的原理与工作过程，给出了微聚焦系统的整体设计方案。测试了KB镜系统的机械性能，给出水平调节机构以及第一面镜子Pitch运动的测试结果，结果显示: 水平调节机构分辨率为0.6 μm，重复精度为0.85 μm，Pitch角度分辨率为0.4″，重复精度为0.5″，优于指标要求。其它参数的测试结果亦均优于指标要求。实验表明，微聚焦系统机械指标的实现保证了PEEM线光斑的高质量聚焦。

在不改变现有硬件条件的情况下, 开展超分辨扫描重建方法, 可以在不增加系统成本的基础上提高高分辨X射线显微镜的成像性能.设计了基于亚像素扫描的超分辨扫描模式, 按照设计的调制方式进行亚像素位移的移动, 采集多幅具有互补信息的低分辨率图像; 然后基于系统的点扩散函数, 对高分辨率图像进行复原; 最后结合POCS超分辨重建算法重建出高分辨图像.实验结果表明, 10倍光耦探测器下的衬度噪声比提高了20%左右, 空间分辨力提高了0.2 μm(约15%), 细节分辨能力超过探测器像素尺寸1.35 μm的限制, 可以看到在低分辨率图像中看不到的细节.实验说明用超分辨技术提高高分辨X射线显微镜的分辨率是有意义的.

X射线显微镜具有很高的分辨率，但随着光子能量的增加和研究物体尺寸的减小，物体对X射线的吸收减少，X射线穿透物体后携带出来的信息很弱，成像对比度很低，因此对生物样品等轻元素组成的物质进行显微成像时需要借助相位衬度成像方法。介绍了近年来新发展的几种应用于高分辨X射线显微镜的相衬方法，主要包括泽尼克(Zernike)相衬法、微分干涉法和离轴全息法。着重介绍了这几种相衬显微成像方法的基本原理和主要研究进展，并比较了各自的优缺点，力图通过X射线相衬显微成像技术的发展历程呈现其在生物样品内部结构检测中的潜在优势和主要问题。

通过光线追踪模拟在SGⅡ激光装置上利用第9路激光入射到Cu背光靶面产生X射线，通过Au网格背光照相，利用KBA显微镜对此网格成像,获得了清晰的网格图像。通过对实验网格数据的分析发现:在掠射角减小的方向，空间分辨力随视场的变化比掠射角增大的方向变化小，与光线追踪模拟比较，二者均表明KBA的视场是非对称的，从实验图像数据得出，视场的不对称相对于中心位置约为30%。

利用光线追迹的方法模拟了KBA显微镜成像,确定了光轴的方向并计算了KBA显微镜的几何调制传递函数。根据KBA模拟光路,提出了利用可见光作为模拟KBA-X射线显微镜的光轴在激光原型装置上的瞄准和安装的方法,该方法掠入射角的调节精度为0.25°。利用周期为20 μm的Ni网格在激光原型装置上对KBA显微镜进行了X射线成像实验,用X射线CCD记录图像,获得了较清晰的网格图像。

设计了一套由4个反射镜组成的非共轴掠入射X射线显微镜,分析了该系统的像差和成像质量.为了研制出高质量的设备,需要制定合理的加工和装配公差.研究了由于元件和结构参数(反射镜的半径,物距,掠入射角等)的误差而引起的高斯参数和像差的变化.首次用点列图和调制传递函数来定量评价图像质量降低的程度,并在此基础上制定了合理的加工和装配公差.在这些公差的约束下,研制成一套非共轴掠入射X射线显微镜,在激光引爆的惯性约束聚变的诊断实验中,用该系统获得了高质量的图像.