显微成像系统对于现代生物医学的发展有着举足轻重的作用,但长久以来,光学显微系统一直面临一个难题:横向高分辨率和轴向大观测范围不能兼得,直到共聚焦技术的提出,这个难题才得到了很好的解决。共聚焦技术通过逐点照明和小孔光阑来去除空间非焦平面的杂散光来获得轴向的高分辨率,并且通过对物体的逐层扫描来获得物体的纵深信息。使用这种显微成像方法来观测静态物体时既能得到高精度的横向分辨率,又能获得大景深的三维信息。但是由于扫描需要一定的时间,所以在观察动态物体时就很难获得清晰的图像,这就提出了另一个难题,如何在满足高空间分辨率的基础上提高时间分辨率。多焦点衍射元件可以将入射光在轴向上形成多个焦点,而离轴的多焦点衍射元件则可以将多个焦点在垂轴方向上分离。将离轴多焦点衍射元件和显微成像系统进行有机的结合可以将物体的多个物面在同一个像面同时成像,这样就可以减少扫描时间,提高显微镜的时间分辨率。本文围绕多焦点显微成像系统,从关键光学元件的设计、加工到宽波段多焦点显微成像系统光路设计和搭建,再到多焦点显微成像系统的色差矫正及实验验证进行了深入的研究,其主要内容分为以下几个方面:1、提出了一种新型平面多焦点衍射元件的设计方法。建立了台阶结构的优化目标函数,实现了能够适用于多个工作波长的多焦点平面衍射元件的设计;比较了不同多焦点光学元件的设计方法,验证了新方法的优越性;对可能影响平面多焦点衍射元件衍射效率的设计参数进行了研究,为设计高衍射效率的多焦点光学元件提供了理论依据。2、设计并搭建了多焦点显微成像系统。将多焦点衍射元件和4F系统结合,建立多焦点成像模块;分析了多焦点衍射元件焦距、离轴量等几何参数以及4F系统中透镜焦距和多焦点成像时物距间隔之间的关系;根据实验中所用图像传感器的尺寸和实际光路确定了4F系统中各光学元件的几何参数;将多焦点成像模块和商用显微镜系统进行结合,完成多焦点显微成像系统的搭建。3、对多焦点显微成像系统中非零衍射级次像进行色差校正,提高了成像分辨率。分析了多焦点衍射元件周期线宽长度对非零衍射级次像所带来的色差大小,包括中心周期线宽和衍射元件中不同位置的周期线宽对色差的影响;计算了不同光学材料对不同波长的色散大小,选取合适的光学材料所制成的等边三角棱镜对衍射元件带来的色差进行反向补偿及校正,分析了非零衍射级次入射光的角度和最终色差校正结果的关系,确定了色差校正最佳入射角,评估了残余色差对显微系统分辨率的影响,结果表明残余色差对显微镜分辨率的影响可以控制在150 nm以内。4、采用光刻胶掩膜法,对多焦点衍射元件进行了加工并对其加工误差敏感度进行了分析。建立了多焦点衍射元件衍射效率的分析模型,分析了可能影响多焦点衍射元件衍射效率的加工误差,并且对多焦点衍射元件目标衍射级次的衍射效率均匀性进行了分析;利用表面轮廓仪和白光干涉仪等多种表征方法对加工的多焦点衍射元件进行了表征实验。5、对多焦点显微成像系统进行成像测试,评估其成像性能。基于多焦点显微成像系统,利用分辨率板对其消色差性能进行评估,验证了等边三角棱镜消色差性能,实验结果表明残余色差对分辨率的影响控制在103 nm;对多焦点显微成像系统的能量利用率进行了测试,实际能量利用率为79.55%,达到了理论衍射效率的92%。选取合适的观测样品,如透明微球、人体血红细胞和其他生物细胞,使用多焦点显微成像系统对其进行实时观测,验证多物面同时成像的性能,并基于多焦点图像融合,得到了大景深并且清晰的图像。论文的研究工作表明,基于等边三角棱镜校正色差的多焦点显微成像系统有助于提高显微镜对动态物体成像的时间分辨率。通过等边三角棱镜进行色差校正,具有操作简便、灵活度高、光能利用率高等特点。本文的研究工作为高时间分辨率的多焦点显微成像系统提供了理论和技术基础。