白光共聚焦位移传感器在机车轮轴划痕深度测量中有很好的适用性，色散物镜是决定传感器检测范围与分辨率的关键器件。根据检测需求，结合白光共聚焦原理和线性色散条件选择合适的初始结构，利用Zemax光学设计软件对初始结构进行优化与分析，设计了一款高线性度短共轭距色散镜头，测量范围为1 mm，工作光谱范围为400 nm~700 nm，镜头球差小于1.7 μm，系统轴向位移分辨率为0.615 μm，色散线性判定系数R²为0.997 5，共轭距为104 mm，使镜头小型化的同时具有高分辨率和高线性度的优点。

医用硬性内窥镜作为诊治医疗器械，其畸变直接影响医生对手术位置判断的准确性，因此内窥镜相对百分畸变的测量是一个亟需解决的问题。设计了一种基于图像处理的相对百分畸变检测系统，通过CCD相机采集校准靶板图像，对内窥镜视轴和目标靶板的板面进行垂直校准后，更换畸变靶板采集图像，计算机将得到的图像进行滤波、感兴趣区域提取和尺寸统计，最终获得相对百分畸变。以30°腹腔内窥镜为测量模型，实验得到设计的校准系统在待测内窥镜全视场70%位置所测量的相对百分畸变值优于未垂直校准系统2.2%。结果表明，系统的检测结果一致性较高，且准确度高于未垂直校准系统。

针对现有显微外科手术中内窥镜工作距离短、不能实现光学变倍、无法获得立体图像的问题，提出了长工作距、可变档变倍的双光路3D外视镜光学系统设计方案，其中单条光路由前后两组变焦系统组成，前变焦组子系统采用光学补偿的三组元式结构，其作用是实现工作距离、物方视场可变的同时保持出射光线平行；后变焦组子系统采用机械补偿的四组元式结构，其作用是接收前组子系统的平行光并保持像面位置及像高不变，组合而成的整体光学系统共有三个运动组元，通过三组联动的形式可达到变倍效果，该方案类比于筒长无限的显微镜，中间光路平行使得安装方便且可灵活插入分光器件，并推导了前变焦组子系统焦距与物方工作距离的关系方程，依据选定像元数为1920×1200、像元尺寸为4.8 μm×4.8 μm的高清CMOS，优化设计了物方分辨率为6.8~31.8 μm、物方视场范围为Φ15~Φ70 mm、工作距为180~380 mm、整体缩小倍率1/β可实现分别为1.36×、2.36×，3.36×、4.36×、5.36×以及6.36×的六个档位变化的3D外视镜光学系统。通过给定合理的公差范围，仿真结果表明，六档倍率情况下的光学系统调制函数在105 lp/mm空间频率处优于0.15概率达到90%以上，变倍凸轮曲线平滑无拐点，可满足显微外科手术要求。

为了实现振镜旋转角度的高精度测量，设计了一种利用反射式圆形衍射光栅的角度测量系统，对该系统的测量原理、测量过程、测量精度等进行了相应的设计、仿真与验证。设计与振镜同轴的反射镜，搭配反射式圆光栅以及光敏检测器件，利用反射式圆光栅产生的±1级衍射光干涉，把振镜转角位移量转化为干涉条纹光强的变化，以实现振镜转角的测量。实验结果表明：该测量系统能实现振镜±10°的角度测量，测量精度为10″。实现了振镜旋转角度的高精度测量，并且该装置结构紧凑，满足扫描振镜的小巧化设计需求。