为了满足半导体缺陷检测系统对成像系统高分辨的要求，依据系统的特点和设计指标，设计了一种近紫外-可见光大数值孔径折反式物镜。在近紫外-可见光波段对光学玻璃材料的色散特性进行分析，通过二级光谱理论计算，选择合适的玻璃材料，对光学系统的二级光谱进行了校正。该物镜使用11片球面透镜，结构紧凑。设计出一套光谱范围为360~520 nm、数值孔径为0.9、焦距为5.65 mm、视场大小为0.8 mm、工作距离为0.8 mm的物镜，采用无限远共轭折反式结构。设计结果表明：该物镜的MTF较好，全视场波像差小于0.09λ(λ=632.8 nm)，各种几何像差均得到了较好的校正，满足复消色差条件，并且结构简单，具有较长的工作距离，为实际的生产装配和应用提供了便利。

为了产生轴向双焦点中空环形光斑，基于矢量衍射积分得出的环带半径公式，设计产生了呈环带分布的轴向双焦点的螺旋相位，并研究了这种螺旋相位在高数值孔径物镜聚焦区域的光斑特性。首先，给出了线偏振以及圆偏振的涡旋光束在高数值孔径物镜聚焦条件下的积分表达式。然后，利用此积分表达式数值模拟了线偏振光与圆偏振光在不同轴向偏移距离及螺旋拓扑荷值时的聚焦光场分布。最后，将轴向双焦点螺旋相位加载到纯相位空间光调制器上，分别对圆偏振光与线偏振光入射进行实验研究。线偏振光入射时，实验产生了拓扑荷为1且轴向距离为±10 μm、±15 μm的双聚焦环形光斑；圆偏振光入射时，产生了轴向距离为±20 μm且拓扑荷为1到4时的双聚焦环形光斑。数值模拟与实验结果表明：圆偏振光与线偏振光经此螺旋相位调制后，在紧聚焦区域可产生轴向距离与暗斑大小可调的中空环形双焦点；圆偏振光较线偏振光产生的空心光斑光强分布更均匀，呈圆对称分布。此轴向双焦点螺旋相位有望在光学微操控、双光束超分辨纳米光刻以及STED显微成像方面获得一定的应用。

非球面柱面微透镜是一种重要的微光学元件，具有激光准直、聚焦、匀化等功能，在激光通信、光纤传感、激光雷达测距、激光泵浦等系统中具有广泛的应用。为了减小光电系统的体积、提升光纤性能，增大透镜数值孔径是一种常用的解决方案。提出采用折射率更大的硅作为低折射率石英基底的替代材料，使得微透镜在相同体积下数值孔径大幅提升，同时可以降低加工量从而提升制备效率。针对传统石英微透镜的制备方法不再适用硅基微透镜的问题，提出基于掩模移动曝光方法制备光刻胶非球面图案，使用多次涂胶和循环曝光方法，分别解决厚胶涂覆均匀性差及曝光掩模痕迹明显等问题，最终利用等离子体刻蚀技术进行图案转移传递，从而实现微透镜的制备。以数值孔径2.9的硅基非球面柱面透镜阵列为例开展实际制备工艺实验，所制备的微透镜列阵面型精度PV为0.766 μm，表面粗糙度Ra为3.4 nm，表面光洁与设计值符合较好，验证了制备方法的可行性。该方法有望促进非球面柱面微透镜列阵在紧凑化红外光电系统中的大规模应用。

采用光刻离子交换工艺制作了半径不同的圆形孔径变折射率平面微透镜阵列，在离子交换过程中分6个时段取样，测量不同开孔大小的变折射率平面微透镜阵列的离子交换深度、宽度和透镜元的焦距、畸变、数值孔径，发现离子交换宽度和深度之比随着离子交换时间增长而减小，在z方向和r方向的离子平均扩散速率逐渐减小，且开孔半径小的变折射率平面微透镜阵列减小得更快；随着离子交换时间增长，两种孔径的变折射率平面微透镜阵列的焦距逐渐变短，且开孔半径小的焦距相对更短；不同开孔半径的变折射率平面微透镜阵列的数值孔径随着离子交换时间增长而变大，其畸变随着离子交换时间增长而减小。变折射率平面微透镜阵列的光学特性随离子交换时间而改变的规律，为不同光学系统中所需的变折射率平面微透镜阵列的制作提供参考。