光学显微镜自17世纪被发明以来,一直是人们认识和探索微观世界的重要工具,凭借其非接触、对样品损伤小、成像机制丰富等优点,光学显微镜在生物医学、生命科学、材料科学等多个领域已有广泛应用。但传统的光学显微技术只能清晰成像垂直于探测物镜光轴的样品横平面信息,而对于平行于光轴的轴平面信息的获取一般需要依靠扫描来完成,既耗时又容易引入对准误差。因此,对于直接型轴平面光学显微成像技术的探索具有重要的研究意义及实际应用价值。本文系统地介绍了轴平面光学显微成像技术的基本概念、实现手段、发展现状等相关内容,围绕直接型轴平面光学显微成像技术的成像原理及其在光学微操纵、超分辨成像、活细胞成像等方面的应用展开了一系列研究。本文的主要工作内容和创新点如下:1.搭建了一套利用45°倾斜反射镜进行像面转换的直接型轴平面光学显微（Axial plane optical microscopy,APOM）成像系统,只需单次曝光即可在轴平面达到70μm×70μm的成像视场。利用矢量衍射积分首次构建了该系统点扩散函数的三维理论模型,理论模拟了APOM系统的特殊点扩散函数,并对其进行了实验验证。研究了APOM系统能够实现轴平面成像的条件,并给出了实验操作中达到该条件的评判标准以及实现方法。以上工作对后续实验具有重要的指导意义。2.提出了一种基于轴平面成像的特殊光束光学微操纵实验方案,设计并搭建了相应的光学系统。该系统利用空间光调制器产生无衍射光束,以此实现对微粒沿预设轨迹的操控,并最终利用APOM技术同时对微粒运动的横向和轴向信息进行实时成像,解决了传统光镊实验中无法直接观测轴向捕获动态的问题。本论文利用该系统成功实现了对贝塞尔光束沿直线轨迹输运微粒以及韦伯光束沿抛物线轨迹输运微粒动态过程的实时观测,输运距离分别达到23μm和35μm。该技术无需扫描即可快速获取并直观展示轴向光学捕获过程,能够应用到对其它特殊光束的研究中。3.提出了一种轴平面单分子定位超分辨显微成像（AP-SMLM）方法,设计并搭建了相应的光学系统。该系统利用同一高数值孔径物镜既产生轴向光片又收集荧光信号,无需扫描即可最终获取厚样品的轴平面超分辨图像,避免了传统厚样品成像中由于扫描而引入的耗时和对准误差等问题。本文利用该系统实现了对成纤维细胞COS-7和多形性胶质母细胞瘤GBM10内不同细胞器的轴平面超分辨成像,与Exchange-PAINT技术结合,实现了无需色差校正的多目标轴平面超分辨成像,成功揭示这些细胞器在轴向空间的精细结构和分布状态。该系统对此类免疫标记的细胞样品在约17μm的厚度范围内均能达到横向83 nm和轴向103 nm的平均分辨率。该技术获取轴向信息方便快捷、分辨率高、视场大且与其它技术兼容性强,为进一步研究组织或微小生物等三维厚样品的轴向超精细结构提供了一种新思路。4.首次将轴平面光学显微技术应用到酵母菌成像中,体现该技术的实际应用价值。利用改进后的AP-SMLM系统实现了对裂殖酵母活细胞的轴平面实时成像,成功观测到了胞质分裂过程中分裂环随时间变化的收缩动态。同时实现了裂殖酵母固定细胞的轴平面超分辨成像,揭示了与胞质分裂密切相关的肌球蛋白调节轻链rlc1在分裂环上的分布形态。该技术对于成像酵母菌分裂环这类具有特殊轴向结构的样品具有独特优势,有利于进一步研究组成分裂环的各类蛋白质的分布关系和生物功能,在生物化学、分子遗传学等领域具有潜在的应用价值。