光学显微镜被广泛应用于细胞学、肿瘤学、遗传工程学及植物学等各领域的生物医学检测。传统高性能光学显微镜存在体积较大、价格昂贵且需要专业人员在实验室操作完成等不足,限制了显微检测技术面向个人用户及基层的现场检测应用。因此开发一种微米级分辨率、小畸变的便携式显微镜,满足现场实时检测的需求,具有重要的现实意义和广阔的应用前景。针对以上检测需求,光学透镜由于性能稳定、造价低廉且原理简单等优点被作为市面上商用便携式显微镜常采用的解决方案,通常可满足一般的工业及生物医学检测应用场景。然而也普遍存在着分辨率较低、畸变和色差较大以及视场范围较小等不足。为改进这些不足并提供补充方案,本论文将可无畸变放大成像的光锥引入便携式显微镜中,设计并实现了中继锥镜、耦合光锥和耦合锥镜结构的显微镜,并对其重要性能指标,包括分辨率、视场范围、畸变及体积等展开了研究。最后结合图像预处理方法及模式识别算法将耦合光锥显微镜应用于酵母菌的分类检测,结果证明该检测系统相比基于机器学习的分类检测方法具有准确率高和检测速度快的优点,在生物医学传感检测中具有很大的应用潜力。本论文的主要内容和贡献如下:1、设计和实现了基于中继锥镜结构的便携式显微镜。针对高倍率物镜畸变较大、低倍率物镜分辨率不足的问题,考虑到光锥的数值孔径和耦合效率高、无畸变放大等特性,为了在不增加畸变的前提下提高分辨率,设计了 6倍缩放比的光锥,将其放置在低倍率物镜（4×）前,研制了中继锥镜结构的便携式显微镜。实验结果显示显微图像未发现肉眼可见畸变和色差,但添加光锥前、后显微镜分辨率都为4.4μm,未能达到提升分辨率目的,同时在对血液细胞显微观测时无法识别细节信息。2、设计和实现了基于耦合光锥的便携式显微镜。将光锥与智能手机CMOS图像传感器（简称CMOS）端面贴合（耦合）成像,设计和研制了基于耦合光锥的便携式显微镜。该显微镜分辨率可达3μm,与基于物镜的显微镜（10×,NA=0.25）性能相当;无肉眼可见畸变和色差;视场范围为0.64mm2,为物镜显微镜（10×）视场的4倍。由于结构中未使用透镜,无需调焦,体积大幅缩小,显微镜镜筒高32mm,直径25mm。3、对耦合光锥显微镜的分辨率的关键影响因素进行了理论分析,并据此提出显微镜加工和设计的改进措施。分析了光在耦合光锥显微镜中的几何光学传输路径,结果表明影响光锥和CMOS耦合效率及信噪比的因素为光锥的数值孔径、有效填充率、端面的反射率,以及耦合介质的折射率。提出了显微镜加工过程中关键指标优化设计的措施,为进一步提高耦合光锥显微镜分辨率提供了理论指导。4、设计并实现了耦合锥镜结构的便携式高分辨率显微镜。为进一步提升分辨率,通过在耦合光锥（6×）前添加前置物镜（40×）,研制了耦合锥镜结构的便携式显微镜。前置物镜缓解了光锥小端纤芯大小引起的欠采样限制,将分辨率由3μm提升到1μm,可实时、清晰的分辨酵母菌轮廓及结构。视场范围为140μm×100μm,畸变为0.19%,仅比添加物镜前增加了 0.06%,这个畸变率仍远低于市面上大部分的便携式物镜显微镜。5、使用耦合光锥显微镜结合模式识别算法对酵母菌进行了分类、识别的定量检测。针对烘焙、酿酒中对酵母发酵过程状态监测的实际需求,提出了基于耦合光锥显微镜结合图像预处理和模式识别算法对酵母菌活性进行实时监测的方案。首先采用自适应直方图均衡化的预处理方法,明显改善了显微图像光照不均现象和“光纤孤岛”带来的伪影干扰。其次针对活、死细胞的形态和灰度分布特征设计了匹配的滑动卷积检测窗,可实现对图像快速逐行、逐列扫描以获取活、死细胞的分布位置和数量,分类识别准确率分别达92.8%和85%。该检测方法相比基于机器学习的分类检测方法具有操作简单、成本低以及准确率较高的优势。