分离培养SD大鼠骨髓间充质干细胞，传代纯化后接种至共聚焦培养皿，置于自主研发搭建的平场定量相位显微镜下，利用荧光及相位双通道证实线粒体特征后，进行长时间无标记观察，分析平场定量相位显微镜观察到的线粒体分裂、融合过程，以及细胞凋亡过程中的线粒体变化。平场定量相位显微镜无标记观察到的线粒体可与荧光标记的线粒体完全重叠，表明平场定量相位显微镜可以清晰观察线粒体并进行无标记高分辨率成像。同时，平场定量相位显微镜可以对培养条件下的骨髓间充质干细胞进行长时间无标记观察，并高分辨率记录线粒体分裂、融合过程。此外，还利用平场定量相位显微镜首次完整记录了CCCP作用下线粒体的变化，该变化直观地呈现了线粒体途径的细胞凋亡过程。平场定量相位显微镜可以对培养的细胞进行长时间无标记高分辨率观察，为线粒体动力学的研究提供了一种新的观察手段。

在纳米激光直写加工系统中，显微物镜是其中的关键部件，行业发展的趋势是在大数值孔径（NA）下具有更大的物方视场，并且能适应双光子聚合（Two-photon polymerization，TPP）胶折射率的变化。对比当前TPP效应研究所用显微物镜的指标，挖掘了物方视场、NA和镜片数的关系，并提出物镜的合成敏感度指标（Synthetic sensitivity index，I_ss）。结合I_ss设计了一款波段为500~800 nm、NA大于1.3、物方视场为1.0 mm的显微物镜。该物镜的设计结果为，调制传递函数曲线接近衍射极限，波像差均方根小于0.07λ，以内调焦方式来适应TPP胶折射率的变化。公差分析表明该设计结果具有可行性。

针对已完成光栅胶合的一体化干涉仪组件,提出了一种利用平场校正滤光片形成高频外差干涉调制数据进而进行系统级平场校正的方法。依据空间外差光谱技术干涉调制的原理,给出了平场校正所需的外差干涉频率范围(即平场校正滤光片的光谱范围)的计算方法。通过理论和仿真分析确定了平场校正滤光片的主要技术参数,并进行了实验验证。实验结果表明,该平场校正方法使复原光谱的平均信噪比提升了115.7%,复原光谱的固定频率噪声和高频段光谱失真的抑制效果尤为显著。

在激光等离子体诊断等领域中,以平焦场光栅为核心器件的软X射线光谱仪发挥着重要作用。利用电子束光刻-近场全息法制作的平焦场光栅兼具电子束光刻线密度变化灵活,以及全息光栅低杂散光、抑制高次谐波等的特点。采用光线追迹方法分析电子束光刻-近场全息法制作平焦场光栅的主要制作误差对其光谱成像特性的影响。结果表明:电子束光刻制备熔石英掩模和近场全息图形转移过程的制作误差均会导致谱线展宽;以目前应用较多的软X射线平焦场光栅(中心线密度为2400 line/mm、工作波段在0.8~6.0 nm)为例,当熔石英掩模在光栅矢量方向的长度为50 mm时,电子束光刻分区数目应保证在1500以上;熔石英掩模线密度偏差引入的谱线展宽可以通过调整近场全息制作参数来消除;确定了近场全息中的两个主要影响因素--熔石英掩模与光栅基底的间距和夹角;近场全息中各误差因素之间有相互补偿的效果,故除了尽可能消除制备过程中的每一种制作误差外,也可以通过优化不同误差之间的分配来降低制备误差。本研究对优化电子束直写掩模策略、降低掩模制作难度、设计和调整近场全息光路有重要帮助。

为满足飞秒激光微纳加工系统对高加工精度和大加工范围的需求, 首先确定了该系统的重要组成部分-无限共轭距显微物镜所需具备的特性及设计指标。依据薄透镜组的初级像差理论, 针对飞秒激光波长推导出光学系统为校正匹兹凡场曲和二级光谱所需满足的条件。该镜头由11片球面透镜构成, 所选用材料皆为国产玻璃, 同时避免三胶合结构的使用。设计了一套工作波长为785~815 nm, 数值孔径为0.9, 像方视场为22.5 mm, 放大倍率为40×的近红外平场复消色差显微物镜。设计结果表明: 该镜头的MTF良好, 全视场波像差均小于0.08λ, 各种几何像差均远小于公差且满足平场和复消色差条件, 能量集中度高。使用补偿器放松材料公差、加工公差和装调公差, 公差分配后全视场RMS波像差小于0.09λ, 满足实际应用要求。

近红外光谱分析作为石油勘探过程中油品成分鉴别的一种重要手段，多年来引起人们的广泛关注和深入研究。针对石油勘探过程中油藏井温度高、空间局促等苛刻环境条件，研制了一种能够在高温环境中连续稳定工作的实用化微型近红外光谱分析仪，其体积为154 mm×66.5 mm×38 mm。该微型近红外光谱分析仪采用凹面光栅作为分光元件，针对油气特征波段进行理论计算和Zemax软件仿真，设计出通量高、杂散光少、成像优质的全息凹面光栅。探测器选用Hamamatsu公司二级半导体制冷线阵电荷耦合器件(CCD)，通过合理的光路设计和紧凑的结构布局，实现了在70 ℃的高温环境下稳定工作。通过标定及相关性能测试，结果表明：该微型近红外光谱分析仪光谱范围达到1550~1890 nm，分辨率优于4.8 nm，波长准确性±1.1 nm，信噪比1202∶1；利用该光谱分析仪对0#柴油和水的吸光度进行了应用实验，结果充分证明该系统的实用化水平。

基于稀疏约束的鬼成像光谱相机, 能够通过单次曝光获得目标场景的三维空间光谱数据立方体。但是由于不同波长的散斑场在探测器的同一位置处, 使得仪器的光谱分辨率和信噪比受到限制。为了解决上述问题, 提出了利用平场光栅分光将不同波长的光场在探测面上错开一定距离的系统, 实现了基于平场光栅的稀疏约束鬼成像高光谱相机。通过对系统成像过程的理论推导, 得到了系统的关联函数, 并通过实验和数值模拟验证了理论推导结果。在保证原先光谱相机优点的同时, 基于稀疏约束的鬼成像高光谱相机可以分别调控光谱分辨率和空间分辨率, 实现可控的信噪比。此外, 还能够根据不同波长的光场特性来优化测量矩阵, 从而提高图像恢复质量。

光谱匹配对光谱曲线的稳定性和准确性均有严格要求，而高光谱图像数据中的光谱曲线受多种因素影响。对此，以平场域法为基础，设计了自动搜索平场域策略，并结合黑暗像元法和其他研究领域常用的经验法，提出一种改进的高光谱图像预处理方法，实现了基于高光谱图像本身数据的自动反射率反演。使用3幅各具特点的图像数据进行的实验表明，本文方法比传统的内部平均法和平场域法有更强的准确性和鲁棒性，能有效改善光谱匹配的效果。