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Mirau型干涉显微物镜中干涉平板的装配误差问题,建立了参考板倾斜时的干涉光强表征模型,通过对光瞳面内测试光束和参考光束的分割,求解参考板倾斜时干涉光强的积分表达形式,通过数值计算定量分析参考板倾斜度对干涉条纹包络、对比度的影响,并采用宽带光八步移相算法进行三维形貌复原,据此确定参考板倾斜误差的容限。设计了50×Mirau型干涉显微物镜的参考板倾斜验证结构,通过实验测量了标准台阶板,验证了仿真分析模型的准确性,确定了50×干涉显微物镜中参考板倾斜误差容限为1.5°。

激光内雕机在进行激光内雕时, 经常会存在激光“炸点”不均匀的情况, 需要对其进行放大分析, 从而更好地控制激光束的能量。根据企业激光内雕“炸点”观察需求, 设计了一款长工作距变焦显微物镜。玻璃内部的“炸点”观察范围为9~32 mm, 系统采用光学变焦方式, 变焦范围为6~24 mm, 放大倍率为4×~16×, 变倍比为4倍。探测器采用了一款型号为VA-1MG2的1/2 in(1 in=2.54 cm)CCD, 其像元大小为5.5 ?滋m。利用Zemax进行光学系统设计优化, 在截止频率91 lp/mm处, 各组态下各视场的MTF值均大于0.4, 在中心视场和0.7视场处均接近衍射极限。点列图的RMS半径也均小于艾里斑半径, 满足长工作距变焦显微系统的各项指标需求。

为了实现非接触式、快速高精度的光学检测,设计了一种共聚焦激光扫描显微光学系统。在保证设计指标的前提下,简化了各光组的结构,采用7片球面透镜并以K9玻璃作为透镜材料。使用Zemax软件对光学系统进行了设计和仿真。结果表明:物镜的数值孔径为0.49;系统的径向和轴向光学分辨率分别为0.400 μm和0.772 μm;显微聚焦系统聚焦弥散斑直径小于2 μm;照明系统聚焦弥散斑直径小于10 μm;探测系统的聚焦光斑直径小于20 μm;根据仿真结果确定了针孔1和针孔2的尺寸均为20 μm,且厚度不超过0.1 mm;各子系统的MTF曲线均接近衍射极限,具有很高的光学传输效率。

针对癌细胞突变基因诱导荧光信号弱、光谱覆盖范围宽、现有显微镜不能检测等局限, 本文设计了光谱波段为450~800 nm、数值孔径为0.95的荧光显微物镜。物镜采用+ + -结构, 因宽光谱、大数值孔径像差校正难度大、透镜片数多、装调困难, 前组设置成敏感组分, 承载物镜装调的调校功能, 承担90%以上光焦度; 中间组为弱光焦度组分, 用于校正大数值孔径下的二级光谱, 显著降低了二级光谱校正元件的加工难度; 后组为负光焦度组分, 用于平像场和增大物镜的工作距离。物镜的设计参数为: 总长58 mm、工作距0.21 mm、视场0.625 mm、倍率40×、数值孔径0.95, 结果表明: 其像质接近衍射极限, 畸变小于0.2%, 满足多种癌细胞突变基因的弱信号生物监测设计要求。

为了解决传统显微物镜景深与分辨率的矛盾，采用波前编码的方法，设计研究了波前编码的10倍显微物镜，结合传统光学设计软件，采用基于MTF一致性的相位板参数的优化方法，实现了在像面附近一定范围内系统的点扩散函数一致性；此外，还设计了扩展三次相位编码板的10倍显微物镜，比较了采用两种不同相位板系统的焦深扩展的效果，结果显示三次相位板的焦深扩展效果较好，可以将传统10倍显微物镜的焦深扩展15倍。成像模拟仿真结果显示滤波后的编码像在±15倍焦深范围内成像清晰，从而扩大了系统的景深。

干涉显微物镜是干涉测量显微镜的关键部件，在微纳表面三维形貌测量中应用广泛。设计了一款无限远共轭大倍率Mirau干涉显微物镜，其放大倍率为50×，数值孔径为0.5。基于系统长工作距的特性，干涉物镜采用反远距物镜结构。根据二级光谱理论，分析了干涉物镜的二级色差校正，合理选择了玻璃材料和初始结构。利用光学设计软件Code-V进行系统优化设计，设计结果表明，光学系统全视场范围内在800 lp/mm处的调制传递函数大于0.3，其他各项指标满足设计要求。通过非序列模式建模对所设计的干涉物镜进行光线追迹，仿真分析得到清晰的牛顿环干涉图，结果验证了设计的合理性。