棒阳极X射线源能够深入到被检物内部进行无损检测，是具有小孔腔特征的金属管壁零部件的可靠性检测的首选方法。具有良好电子光学设计的聚焦系统是棒阳极X射线源获得高分辨率检测的关键之一。首先，从电子光学理论出发，结合棒阳极X射线源的结构特点建立了聚焦系统模型。然后，优化了聚焦系统模型的电子光学参数。最后，搭建了样机，并进行了分辨率测试实验。仿真与实验结果均表明，在50~130 kV加速电压下，样机的分辨率优于50 μm。

为了提升多普勒信号的有效性,增加激光多普勒测速仪的工作距离和可测量范围,提出了一种基于液体透镜的品质因子增强技术。对多普勒信号的品质因子分布进行了理论分析,然后以高斯光学为理论基础,对基于液体透镜的激光多普勒测速仪出射高斯光束的腰斑位置和大小进行了仿真分析。最后搭建了基于液体透镜的激光多普勒测速系统,对不同驱动电流下的品质因子进行了测量。理论分析和实验结果表明:通过改变液体透镜的驱动电流,多普勒信号的品质因子显著增加,大幅提升激光多普勒测速仪的工作距离和可测量范围。

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。

利用自聚焦透镜和单模光纤搭建了基于光纤旋转连接器的内窥式扫频光源光学相干层析成像系统.利用Zemax模拟了内窥探头的光学性能, 分析了光纤到自聚焦透镜的距离和自聚焦透镜节距对探头性能参量的影响.在综合考虑元器件成本以及成像要求后, 选择无需定制, 节距为0.24 Pitch的自聚焦透镜, 确定光纤与自聚焦透镜之间的距离为0.7 mm.经实验测得该系统的横向分辨率约为19.5 μm, 纵向分辨率约为9 μm, 工作距离约为7 mm, 成像深度为6.2 mm(空气中), 与理论值接近.为了验证该系统对生物组织的成像性能, 利用该系统对猪食道进行离体成像, 重建后的层析图中可以明显地观察到猪肠道的表皮层和固有层.测量系统的各项成像性能参量以及对生物组织的成像性能表明该探头在内窥成像中是可行的.

在光纤熔接过程中,为了实现光纤高质量熔接,需要一个高清显微物镜来确保纤芯的准确对准。运用Zemax软件设计一款用于光纤纤芯对准的显微物镜,该物镜由6片透镜组成,放大率为8倍,数值孔径为0.25,工作距为13.4 mm,共轭距为85 mm,以CCD作为图像接收器件。显微物镜采用正向光路进行优化设计,正向光路设计的显微物镜更能贴近实际使用状态,能够更加清晰准确地检测到纤芯位置。该物镜工作波长为486～656 nm,具有工作距离长、共轭距短、精度高等特点。

显微镜是有着漫长发展史的经典光学仪器之一, 它的性能在不断提高, 但显微物镜工作距离短在很大程度上限制了其应用。随着市场对长工作距离显微镜的迫切需求, 其研发将具有重要意义。本文根据设计要求, 初定物镜结构, 然后利用 ZEMAX进行设计、优化, 给出了一工作距离 150 mm、线视场 0.8、放大倍率 5倍、分辨力 6 μm的折射式以及折反射式显微物镜的设计结果, 并对比了二者的优缺点。

提出了一种用于长工作距离下显微成像的数字全息合成孔径方法。首先, 在不同斜入射照明条件下记录多幅包含不同物光频谱范围的数字全息图。然后, 利用每一幅全息图通过数字方法重构并放大物体强度像。最后, 通过非相干叠加这些强度像得到分辨力提高且散斑噪声减小的合成物体强度像。理论分析和实验结果表明, 此方法可应用于长工作距离下的原位显微观测。

提出一种新型的长工作距离短镜筒透射式的CCD显微物镜,并作了详细地分析,给出该系统的光学设计结果和数据。