作为一种广泛应用于生物在体成像的实用工具，光片荧光显微镜（light sheet fluorescence microscopy，LSFM）因其成像速度快、分辨率高、光毒性及光漂白小的特点而深受生物学家青睐。本文介绍了LSFM的工作原理，计算了LSFM的成像分辨率，为物镜、相机选型提供参考；回顾了LSFM的发展历史，对目前已有的LSFM进行分类，介绍了基于高斯光束、无衍射光束的LSFM与视场扩展方法，并介绍了针对生物样品特性改进的扫描共焦平面激发（swept confocally-aligned planar excitation，SCAPE）显微镜与开顶式光片（open-top light-sheet，OTLS）显微镜；对使用LSFM在病理分析、神经科学、胚胎发育等生物研究方面取得的进展进行简单总结，展示了LSFM在肿瘤病理评估、人脑可视化分析、模式生物的神经系统与胚胎发育研究等方面的优势；最后对LSFM的发展方向与应用潜力进行了展望，其与人工智能、图像处理、光遗传等技术结合可能带来更叹为观止的科学发现。

荧光显微镜作为揭示细胞亚结构与生命活动动态过程的关键工具，已成为生命科学研究中不可或缺的一环。光片荧光显微镜（light sheet fluorescence microscopy，LSFM）作为一种以选择性平面激发和探测为特征的先进成像技术，凭借其低光毒性、高时空分辨率和大视野等优势，近年来在生命科学与医学研究领域获得广泛关注。特别是单物镜光片系统的出现，进一步提高了样品兼容性与系统灵活性，为多尺度、长时程及三维动态成像提供了新途径。本文系统回顾了LSFM的发展历程与多样化构型，重点综述单物镜系统的技术原理、典型应用与性能优势，分析其在视野、光路复杂度和信号传输效率等方面的瓶颈，并探讨无需变倍的多尺度单物镜光片成像系统在结构创新、多模态融合及智能成像控制方面的发展潜力，为构建高性能、生物友好型、通用化成像平台提供参考。

本文首先对荧光共聚焦中的点扫描共聚焦与转盘共聚焦进行了对比，前者采用单点激发单点探测的串行成像方式，成像速度慢；后者采用多点激发多点探测的并行成像方式，成像速度快。接下来分析了双转盘共聚焦系统存在的问题，如微透镜盘和微针孔盘必须精确对准、视野受二向色镜大小限制、成像质量受限、盘片系统加重导致转速受限、盘片系统需要精密配准等。基于这些问题，开发出了无天花板的单转盘共聚焦系统，其具有多色、快速、易用、稳定等特色，通过分辨率测试等对其性能进行了分析，其光学分辨率在xy方向可达230 nm，在z轴方向可达470 nm。最后，从分辨率和穿透深度、光漂白和光毒性、信噪比、成像速率、系统复杂性、成像视野等方面对3种技术的性能进行对比分析。比较显示，单转盘技术在成像视野、成像速率、光毒性和系统复杂性等方面均优于点扫描和双转盘技术，使其在生物医学研究中展现出突出的应用价值。

光学显微镜是推动生命科学持续发展的核心工具。无标记相位成像利用折射率作为内源性对比机制，能够避免荧光标记带来的光毒性与光漂白，正日益成为解析细胞结构与动力学的重要途径。自1932年泽尼克发明相衬显微镜以来，相位成像技术已由二维定性观察迈向三维定量解析，其中数字全息显微和光学衍射层析是两项具有代表性的里程碑方法。然而，这类干涉式技术对高相干光源和复杂干涉光路的依赖，在系统稳定性、成像噪声控制与工程化应用方面存在根本性瓶颈，因而始终未能在生命科学实验室中取代相衬显微镜的普遍地位。近年来，计算光学定量相位成像技术的发展与光强衍射层析技术的兴起，突破了传统干涉测量的固有限制，标志着无标记定量相位成像进入了全新的发展阶段。在此背景下，本团队依托十余年的理论积累与方法创新，将先进的计算成像框架与工程化设计深度融合，率先在国际上研制出新一代基于光强衍射层析的无标记显微成像仪器。该仪器兼具高分辨率、高稳定性与高通量，能够在无标记条件下实现对活细胞结构与动态过程的长期、定量和多尺度观测。本文系统梳理了无标记相位成像的发展脉络，重点总结了本团队在计算光学成像与仪器研发方面的最新进展，并展望其在疾病机理解析、药物筛选、临床诊断以及未来科学仪器体系中的广阔前景。

单分子定位超分辨成像（single molecular localization microscopy，SMLM）作为一项突破光学衍射极限的技术，实现了纳米级空间分辨率，为生命科学研究提供了颠覆性的成像手段。然而，SMLM在实际应用中仍面临诸多挑战，如硬件系统高度依赖进口、制样流程繁琐、双色成像探针缺乏、数据分析挖掘不足等。这些瓶颈限制了SMLM设备的利用率，阻碍了其广泛应用和产业化发展。本文提出一套SMLM“九要素”全链条解决方案，包括硬件系统、软件控制和图像重建3个“硬实力”要素和精准制样、闪烁探针、数据分析挖掘、特色试剂耗材、特异性抗体和实际应用6个“软实力”要素。其中，“硬实力”可通过采购与集成市场化成熟组件实现快速部署，“软实力”则需依赖长期技术沉淀与领域认知积累。该方案的提出可推动SMLM从“高端仪器”向“高效工具”转化，促进超分辨成像技术的普惠化应用，为高端显微成像设备的使用提供新思路。

由于荧光偏振方向求解需要旋转激发光束偏振方向，而传统结构光照明显微镜需要3个方向的结构光照明来实现超分辨，因此，偏振结构光照明显微成像技术（polarized structured illumination microscopy，Polar-SIM）作为两种技术的有机结合能够在更高精度上去探究细胞内各种亚细胞器的精确空间取向与结构。本文通过理论公式探究了干涉条纹对比度与偏振调制的关系，对比了使用Pizza波片、圆偏振与可变液晶相位延迟器进行偏振调制的优缺点，同时通过仿真模拟了在不同的偏振调制情况下偏振解析结果的准确性。最后，通过多种生物实验结果证明了Polar-SIM具有独特的偶极子超分辨方向解析能力，在解决相关生物问题方面具有广阔的应用前景。

活体显微成像技术作为生命科学研究的核心工具，能够在自然生理环境中实时追踪细胞及分子动态，为解析复杂生物过程提供了前所未有的视角。本文系统阐述共聚焦显微镜、多光子显微镜、光片显微镜和扫描光场显微镜的成像原理、技术特性及局限性，结合肿瘤学、免疫学、神经科学和发育生物学等领域的典型应用案例，横向对比不同技术的适用场景，并基于当前技术瓶颈展望未来发展方向，以期为相关研究提供技术选择参考。

超分辨成像技术是神经科学研究领域论证相关生理和病理学分子现象、变化过程和功能调控的重要技术手段，它突破了传统光学显微镜的衍射极限，使科学家能够在纳米尺度研究生物结构和物质细节。各类超分辨成像技术从时空分辨率、三维层析能力、活体成像能力等不同方面助力研究者更好地探索神经科学，从而解析神经突触相关结构以及神经递质受体的纳米级分布和动态变化，并为进一步研究神经退行性疾病提供关键细节。本文总结了近年来超分辨成像技术的阶段性发展以及不同技术的优势与局限，着重介绍了超分辨成像技术在神经系统超微结构成像、活体动物成像、脑部深度成像以及神经退行性疾病、药物开发等相关研究中的应用，旨在为其在神经科学研究中的高效、合理应用提供参考。

术中手持式内窥光学相干断层扫描（handheld endoscopic optical coherence tomography，HHOCT）通过融合光纤通讯与内窥镜技术，基于低相干干涉原理，利用亚毫米级微型化手持探针及MEMS驱动、光纤振动等灵活扫描机制，克服了传统OCT穿透深度的限制，能在血液、组织液等浑浊介质中获取视网膜分层、血管内膜等微米级高分辨率结构图像，其临床应用广泛覆盖眼科的玻璃体视网膜手术实时导航、心脏科的血管吻合评估、神经外科的深部脑组织成像及乳腺肿瘤切除中的切缘显微评估等领域，通过侧向或前向扫描探头及OCT手术钳等集成式手术器械实现操作与成像同步、消除视野盲区。当前技术在狭窄腔道适应性、多模态信息融合上存在挑战，未来将聚焦亚毫米级可弯曲探头研发、AI辅助病灶识别、机器人协同导航及低成本一次性器件普及，推动其向智能化手术导航系统演进。本文简述了HHOCT的发展现状，对其在系统结构优化、临床应用等方面的代表性工作进行了综述，并对其未来发展进行了展望。

小动物活体成像技术是研究肿瘤生物学及评估抗肿瘤治疗效果的有力工具，它允许在活体动物中无创、实时、动态地观察肿瘤的发生、发展、转移以及对治疗的反应，具有可视化、高时空分辨率、高灵敏度等优点，被广泛应用于肿瘤研究领域。该技术涵盖了光学、核医学、磁共振等多模态的成像手段，并各具特色和应用场景。本文系统总结了活体光学三维成像技术、近红外活体成像技术、活体三维断层扫描成像技术这3种主流的小动物活体成像技术的优势特点和应用方向，并介绍其在肿瘤机制研究、肿瘤转移监测、抗肿瘤疗效评估等领域的最新应用案例，以期为小动物活体成像技术在肿瘤研究及抗肿瘤治疗领域的应用提供参考。

双光子活体成像技术具有深层成像的优势，可以直观地监测活体的体内动态过程，已成为生命科学领域研究的重要手段。本文简要介绍了双光子显微镜的技术原理，综述了双光子显微镜在生命科学研究中的应用领域，重点分析了双光子显微活体成像技术的发展趋势，探讨其当前面临的挑战及未来的优化方向，旨在为进一步优化双光子活体成像技术，推动双光子活体成像技术更加广泛的应用提供参考。

为了满足便携性、低成本的需求以促进光谱仪的广泛应用，本文针对不同的光谱仪类型进行了对比分析，以交叉式切尼-特纳（Czerny-Turner，C-T）光路为参考，设计并实现了一种基于交叉式C-T结构的便携式光纤光谱仪，采用正交交叉式双球面反射镜结构压缩光路尺寸，并且搭建了样机系统进行了实验验证。通过对器件的优化选型，开发了一款具备高便携性与强功能性的低成本光谱仪。本文针对搭建的样机系统进行了波长校准，并对像差进行了简单分析，最终本系统可以在381～716 nm范围内实现1 nm的光谱探测分辨率。该设计解决了传统光纤光谱仪体积与性能的制约问题，在快速检测和即时光谱分析中具有应用价值。

双光子活体成像技术能够直观地监测活体的体内动态过程，已成为生命科学研究的重要手段，然而样本准备一直是该技术运用的难点，样本准备直接决定了成像的稳定性和成像质量。鉴于目前关于双光子活体成像的样本准备尚无系统性的介绍，本文结合实验室多年来在活体成像样本准备方面的实践积累，重点介绍肺脏、肠道、脑、肝脏、皮肤等组织的样本准备流程与上机操作要点，旨在为双光子活体成像的样本准备及上机操作提供参考，帮助研究人员掌握双光子活体成像的操作技巧，推进双光子活体成像技术更加广泛的运用。