单分子免疫检测,是指将免疫复合物限制在极小的体积内,对产生的信号进行计数,是一种“数字化”的免疫检测技术。单分子免疫检测仪的核心类似于一个荧光显微系统,但普通的荧光显微镜结构复杂,且与生物芯片规格无法匹配,不能很好地满足检测需求。针对自行研制的生物芯片规格,合计了一套高性能的单分子免疫检测光学系统。根据设计要求,确定了合适的初始结构; 在荧光显微系统原理和像差分析理论的基础上,使用光学设计软件Zemax对系统进行反复优化设计; 设计出了满足单分子免疫检测成像要求的光学系统。系统的成像部分由15片折射透镜组成,工作距离为4mm,放大倍率为-4.52,调制传递函数值在奈奎斯特频率73lp/mm处均大于0.44,畸变为0.8%,照明部分采用柯勒照明方式,在整个视场范围内,物面上的照度均匀度达到97%。整个系统采用国产常规玻璃,有利于加工和降低成本。经优化后的高分辨率荧光显微系统结合当前发展成熟的全自动化检测技术,可以极大提高单分子免疫检测的检测灵敏度和准确率。

为了解决在现有道路照明条件下，因环境照度不够、环境光强快速变化等原因，造成车辆对周边物体自动识别的准确率低的问题，本文通过软件仿真，设计了一种车载红外补充照明系统。使用红外 LED作为光源，光源发出的光线经抛物面反射镜准直后，通过单排复眼透镜，在距离光源 25 m处得到均匀性大于 90%的矩形光斑，系统的辐射能利用率达到 98%，通过 30个照明模块组成平面阵列，目标照明面的平均辐照度大于 0.8 W/m2。结果表明，采用单排复眼透镜实现匀光，其结构简单，装配公差宽松；本设计方法适用于其他照明系统。

积分球出射光在远距离处的大辐照面上辐照均匀性及辐照度受出射光角度影响较大。针对这一问题，提出将复合抛物面聚光器逆用为复合抛物面反射器的积分球出射光角度调制方法。首先，研究复合抛物面反射器光束调制原理并推导抛物线方程；其次，分析复合抛物面反射器的参数对辐照面辐照均匀性及辐照度的影响，确定复合抛物面反射器的发散角与截取比等尺寸参数；最后，建立发散式太阳模拟器光学系统模型并仿真。仿真结果表明：复合抛物面反射器将积分球出射光半角由82°调制为25°；在太阳模拟器有效辐照面Φ1000 mm内，与未使用复合抛物面反射器相比，当复合抛物面反射器的截取比为20%时，辐照均匀性提高了0.24倍，为97.30%，辐照度提高了5.1倍，为553.54 W/m²，实现了远距离处高辐照均匀性的大辐照面模拟。

针对体表组织较厚部位的血管识别困难的问题，提出一种用于体表血管提取与三维成像的双目系统与图像处理算法。成像系统设计采用会聚双目近红外增强相机与近红外LED阵列，并基于朗伯特辐射模型优化了LED阵列的辐照分布均匀性。图像处理算法先通过以Frangi滤波为基础的单目图像处理流程提取左图像中血管骨架，再通过改进的滑窗匹配算法结合右图信息计算血管骨架深度。实验分析了该系统在手背、小臂、颈部以及仿体模型上的血管提取效果、立体匹配有效率以及处理速度，验证了该系统在体表组织较厚部位的实用性。

现有太阳模拟器在辐照度调节时存在调节范围窄、数值不连续等缺陷,这会严重影响辐照不稳定度和光谱匹配度。针对这个问题,提出基于环带聚光与对称匀光理论的太阳辐照调制方法。首先,研究椭球聚光镜配光所形成的辐照面的能量分布;接着,研究光学积分器的匀光机理,提出基于通孔的能量调制方法,结合辐照度分布函数获得均匀的辐照度分布;最后,设计辐照调节系统,通过改变辐照调节板开孔尺寸实现辐照度的连续调节,利用Lighttools软件进行辐照度仿真。仿真结果表明:太阳模拟器的辐照度在490.38~1473.78 W/m ²范围内连续可调,且椭球聚光镜的斜率误差为σ=2 mrad时,不同辐照度下的不均匀度均优于1.76%(达到太阳模拟器校准规范的A级要求),实现了太阳模拟器辐照度的宽范围调节,且辐照度调节不会改变辐照不稳定度和光谱匹配度。

针对大型金属桶内底部高反射表面缺陷检测难度大的问题,提出了一种内窥式的机器视觉检测方法。综合考虑金属桶的结构特性和表面特性,结合双向散射分布函数,对桶底的非正向照明方案进行了仿真研究。结果表明,在理论条件下,桶底照度呈现良好的均匀性。对应的实验验证结果显示,实际照明情况与仿真结果基本一致,相比于一般照明方式,图像的质量得到了有效提高。

数字聚合酶链式反应(dPCR）作为一种新的核酸检测技术, 在生物医学等领域得到广泛的应用。为了进一步提升现有的dPCR检测系统的检测效率, 设计了一套基于大视场荧光显微镜的dPCR检测系统, 将照明系统与滤波模组设计于显微镜物空间, 结合复眼照明系统实现大面积匀光照明, 照明面积可达到32mm×22mm, 照明均匀性达到80%以上, 提出一种结合神经网络的培养皿计数检测方法, 可以有效筛选出培养皿中已经蒸发的培养皿。整个系统从相机曝光到检测结束仅需要几秒钟时间, 相比传统的图像拼接式检测方法, 其检测效率得到了明显提高。

为了解决常规照度照明系统中存在的透镜厚度厚和照度不均匀等问题,设计距高比(DHR)为3的双自由曲面透镜。根据能量映射理论对光源与目标面进行网格划分,利用边缘光线理论和斯涅耳定律构造双自由曲面透镜,并采用实际光源进行模拟。与单自由曲面透镜相比,双自由曲面透镜的厚度减小2.95%,透镜的横向尺寸减小10.50%。采用互补反馈校正法对透镜进行优化,优化后的单、双自由曲面透镜的照度均匀度分别为80.48%和87.05%,能量利用率分别为88.61%和91.23%。与单自由曲面照明系统相比,双自由曲面透镜的光学性能均有所提高。对于高DHR和透镜尺寸很小的照明系统,可以实现较高的照度均匀度和能量利用率。

提出了一种基于非视觉和视觉效应的光谱重构解决方案,以实现健康照明的理念。建立了四通道光谱重构计算模型,利用该模型根据生理节律因子、色品坐标和照度直接求解脉冲宽度调制的占空比。设计了一种可远程控制的光谱可重构的发光二极管光源,用以实验验证。讨论了生理节律因子和显色性指数的可调谐性,为相关参数的选择提供了理论指导。实验结果表明,测量值与理论值之间的相对误差较小。此外,计算模型能够指导同一色品坐标上的光谱重构,以实现生理节律因子和显色性指数的调控。因此,计算模型能良好地指导光谱重构。该研究为下一代健康照明光源的设计提供了有益参考。