目前抑郁症、癫痫和阿尔茨海默症等神经系统疾病的发病率正在快速增长,病理切片证明其发病原因与神经元胞体和突触的形态变化等表征有关,因此成像技术的好坏对研究发病机理显得尤为重要。当前对活体神经组织进行高分辨率成像的主流方法是双光子荧光显微成像技术,由于生物组织的高散射和高吸收作用,其成像深度被限制在皮质表面下1000μm左右,无法获得更深组织的高分辨率图像。为克服成像深度的限制,出现了双光子荧光内窥成像系统,但其直接植入直径较大的折射率渐变透镜会严重损坏组织的结构和功能。近几年出现的一种超薄的超表面透镜因具有完全控制光束的相位、偏振和振幅的能力而引起了广泛关注,这种尺寸可调、调控效率高的元件特别适合于微型光学系统。若能结合双光子内窥成像技术与高数值孔径超透镜用于生物组织成像,将在几乎无损伤条件下获得超深生物组织的双光子荧光高分辨率成像,进而促进神经科学的发展。本文的主要工作是设计一种适用于微内窥成像系统的超透镜,然后基于超透镜的聚焦结果在小鼠神经皮质模型中计算双光子、三光子荧光成像分辨率和信噪比。首先,我们介绍了传统高数值孔径物镜的聚焦原理Richards-Wolf矢量衍射理论和多光子荧光成像的理论计算方法。然后,设计了一个基于偏振不敏感超透镜的多光子荧光微内窥成像系统,使其能够在组织损伤较小的条件下植入到感兴趣部位进行多光子成像。基于广义斯涅尔定律设计了一个单波长偏振不敏感超透镜,并使用线性偏振和径向偏振的高阶中空高斯光源对超透镜进行聚焦测试,结果表明了该单波长偏振不敏感超透镜的聚焦功能与传统高数值孔径物镜一致。比较两种偏振光焦点的光强分布和焦斑大小表明径向偏振光的焦点在保持较小半高宽的同时分布较均匀。当波长为915 nm的径向偏振5阶中空高斯光束经超透镜聚焦时,得到了接近分辨率极限的焦点,半高宽为0.56μm。为提高多光子成像效果,使激发光与荧光的焦点重合,本文设计了中心工作波长分别为915-510 nm和1280-510 nm的双波长偏振不敏感超透镜。聚焦结果显示设计的双波长超透镜具有同时调控两个波长的能力,且两个波长的焦平面基本重合。最后,根据小鼠皮质的物理参数在FDTD软件中设计了体积为400×400×850μm~3的小鼠皮质精细模型,并使用径向偏振5阶中空高斯光束经超透镜聚焦在皮质模型中成像,基于多光子激发理论计算了双光子、三光子荧光成像分辨率和信噪比。在915 nm波长激发下实现了分辨率为0.75μm、信噪比为1.9的双光子荧光成像;在1280 nm波长激发下实现了分辨率为0.908μm、信噪比为5.65的三光子荧光成像。本文的研究结果证明了偏振不敏感超透镜可以替代传统物镜进行成像的可行性;验证了使用两种材料基于大规模空间分割复用设计的双波长超透镜的可行性;说明了使用基于双波长偏振不敏感超透镜的多光子荧光内窥成像系统可以实现对小鼠皮质组织高分辨率超深成像的能力。同时,该微内窥系统可结合肠镜、胃镜及高能量光源等用于肿瘤的检查和治疗。