现代显微镜中的物镜受限于瑞利衍射极限，其分辨率不能满足生物成像、材料科学以及光刻等领域的需求。目前，突破瑞利衍射极限的方法可分为近场(如扫描近场光学显微镜、超透镜、微球透镜)和远场(如受激辐射损耗显微镜、光激活定位显微镜、随机光学重建显微镜)方法。然而，前者利用纳米探针散射物体表面一个波长范围内的倏逝波，极具挑战性；而后者对样品有选择性，只适用于荧光分子样品，且会对样品造成损伤。近年来，平板透镜利用波带片、光子筛以及梯度超构表面等人工微纳结构来控制光的衍射，具有小型化、高数值孔径、大焦深、亚衍射极限聚焦等功能，为远场无标记超分辨率成像提供了一个可行的解决方案。本文从衍射聚焦光学的统一理论出发，总结平面衍射透镜的最新进展，揭示基于光场调控实现纳米聚焦的物理机制，介绍平板衍射透镜的设计原理、光学性能、微纳结构特性和材料影响，详细讨论平板衍射透镜的光学像差(如离轴像差和色差)及其校正，平板衍射透镜在纳米成像、光刻以及光电子能谱仪中的应用，最后展望其未来的发展方向和机遇。

简易光学系统因系统结构简单而存在严重像差, 导致所成图像出现模糊、失真等问题.对简易光学系统的成像特性进行分析, 在已知光学系统焦距和光瞳孔径的条件下, 建立含有像差的点扩散函数模型和图像复原模型, 根据焦面和离焦面图像以及精确的离焦量, 无需点扩散函数的先验信息, 采用相位差异法对简易光学系统所成图像进行重构.实验结果表明：单透镜、双透镜和三透镜系统复原图像质量评价指标提升率分别达到24.96%、24.80%和42.04%, 重构后图像质量均有明显提升.

Despite the unique advantages of optical microscopy for molecular specific high resolution imaging of living structure in both space and time, current applications are mostly limited to research settings. This is due to the aberrations and multiple scattering that is induced by the inhomogeneous refractive boundaries that are inherent to biological systems. However, recent developments in adaptive optics and wavefront shaping have shown that high resolution optical imaging is not fundamentally limited only to the observation of single cells, but can be signifi- cantly enhanced to realize deep tissue imaging. To provide insight into how these two closely related fields can expand the limits of bio imaging, we review the recent progresses in their performance and applicable range of studies as well as potential future research directions to push the limits of deep tissue imaging.

利用多物理场软件COMSOL,建立241单元变形镜模型,计算得到变形镜驱动器影响函数数据。利用基于子孔径斜率法的241单元自适应光学系统光学像差校正程序,以3~60项泽尼克多项式拟合残差的均方根值为目标,分析了变形镜结构参数对系统校正能力的影响,确定了最佳参数值,计算得到最佳参数下的变形镜耦合量为11%。在241单元自适应光学系统中哈特曼传感器与变形镜之间存在不同平移和旋转误差的条件下,分析了系统对泽尼克多项式拟合能力的影响。结果表明,平移量和旋转量分别不能超过3 mm和6°。

依据典型的人眼基本结构及参数, 分别建立了基于-5 D近视的眼表散光和眼内散光模型, 并模拟了传统的球面修正、Q值优化和波前像差引导的准分子激光角膜原位磨镶术(LASIK手术)对角膜基质的切削, 分别对比了手术前后的视网膜光斑分布图和眼球波前像差图。结果表明: 传统的球面修正和Q值优化的LASIK手术对角膜前表面引起的散光有抑制作用, 但对眼内散光的矫正效果较差; 球面修正会引入较大的球差, Q值优化手术可以减小术后的球差, 但无法修正眼内的其他高阶像差; 波前像差引导的LASIK手术对任何类型的近视、散光或是无规则的高阶像差都可以全面修正。

星点质心定位精度直接决定了星敏感器姿态测量精度的极限, 其误差源之一是弥散斑模型的选取。星敏感器光学系统像差无法完全消除, 必然影响弥散斑分布, 研究光学像差对星点质心定位误差的影响对工程应用具有重要意义。文中以Gauss弥散斑模型为比较, 研究了离焦等4种光学像差对星点质心定位的影响机理和分布规律, 结合质心定位的物理过程推得光学像差影响下的误差解析式, 并实现数值仿真, 结果表明: 光学像差形成不同的弥散斑模型, 导致不同的星点质心定位误差分布; 星点弥散斑边缘能量减弱趋势对质心定位误差影响较大, 若控制光学像差使相应弥散斑边缘能量呈缓慢趋势减弱, 则有利于定位误差的减小。光学像差影响下的星点质心定位误差分析对相应的误差补偿具有指导意义, 提出的各光学像差的控制意见有利于指导星敏感器光学系统设计。

借助理论分析和数值模拟,设计了基于高能电子束团的辐射成像系统,并通过Geant4和GPT软件对成像系统的相关参数进行了优化。模拟中分析了影响系统空间分辨率及物质厚度分辨率的因素,结果显示,模拟中设计的成像系统空间分辨率达到μm量级,并且具有一定的厚度分辨能力。该设计指标满足对一定厚度及结构的样品进行成像的要求。

为了满足斜拉桥拉索表面缺陷的远程检测要求，基于摄远型物镜结构原理设计加工了高分辨率视频摄远物镜光学及机械系统。根据物方300 m 外分辨4 mm 线宽的分辨率要求，按照焦距f′=320 mm 计算，确定摄远物镜像方分辨率为234 cycle/mm。选择适当初始结构，用光学设计软件OSLO 进行焦距缩放、替换玻璃、减少镜片等多步骤优化，最后得到相对孔径为1/5.7、视场角为2 ω =1.379°、分辨率达到250 cycle/mm 的摄远物镜光学结构。合理设计光机结构，加工装调实验样机。分辨率测试实验证明其实际物方分辨率可以达到300 m 远分辨4 mm 线宽。在斜拉桥工程现场成像实验表明该系统符合实际工程结构表面缺陷远程检测的要求。

生物样品折射率的空间变化导致了光学畸变的产生，这种畸变对于共聚焦显微镜观察厚的生物样品和活体体内组织成像是一种严重的限制。自适应光学(AO)技术是通过快速反应的变形镜使镜面发生形变来补偿像差，在共聚焦显微镜中应用自适应光学技术可以校正光学畸变，观察深层组织活动，进行活体成像和实时检测。详细分析了共聚焦显微镜中像差的来源及光学畸变的特点，讨论了目前在共聚焦显微镜中自适应光学校正的方案及研究现状，讨论了共聚焦显微镜中自适应光学的波前传感器、畸变测量和波前校正器，并探讨了目前超高分辨率显微成像技术的发展方向。