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。

双光子内窥成像技术是一种基于双光子激发原理的新型内窥成像技术，具有光学层析能力、穿透深度深、光毒性小、无标记成像等技术优势，可以同时实现细胞结构成像和功能成像，在生命科学、临床医学等领域具有巨大的发展潜力。在近十几年的发展中，压电陶瓷扫描式双光子内窥成像技术不断取得突破，并在生物医学成像领域实现了新应用。本文对压电陶瓷扫描式双光子内窥成像技术及其在国内外的研究进展进行了总结，并介绍了该技术在生物医学成像领域的应用。

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。

根据变焦距理论和显微物镜的特点, 利用Zemax设计了一款可连续变倍的显微物镜。该物镜由4组双胶合透镜组构成, 结构简单, 成像质量良好, 变倍范围在0.5×～2.5×之间, 最大数值孔径达到0.1, 共轭距346 mm, 物距76 mm, 空间频率65 lp/mm处, 全视场内的调制传递函数均大于0.3, 适用于可见光光谱, 可以与1/2 inch CCD相匹配。通过对所设计的变倍显微物镜进行公差分析, 得到一套比较宽松的公差, 适合批量生产。设计结果表明, 该变倍显微物镜可以满足工业视频检测的要求。