双光子荧光显微成像技术凭借其探测深度大、分辨率高、对组织光损伤小等优势,已经被广泛应用于活体组织生命现象的观测和研究中。神经网络分布在三维空间中,神经信号传导时,神经纤维两侧的钙离子浓度会发生变化,通过对钙离子进行荧光标记,探测荧光信号的变化,可以研究神经细胞的各种生命活动。神经信号的传导速度很快,在毫秒量级,因此,钙离子荧光信号也相应的在三维空间中快速变化。三维随机扫描成像技术可以很好地探测这些荧光信号,并要求荧光显微成像系统的扫描速度尽可能的快(kHz量级)。二维随机扫描技术发展迅速,扫描速度很快,因此,光轴方向上的扫描速度成为制约整个系统扫描速度的主要因素。为了实现快速荧光信号的三维随机扫描,必须发展出新的快速轴向扫描方法,使光焦点能快速、跳跃式地在光轴方向上移动。针对现有轴向扫描方法存在的扫描速度慢、荧光信号信噪比低、扫描范围小等问题,为发展出新的快速轴向扫描方法,实现神经细胞中快速荧光信号的三维成像,本文由双光子荧光显微成像理论出发,对新型快速轴向扫描方法进行研究,得到主要创新结论如下:(1)提出了基于移动物镜中少数透镜的快速轴向扫描方法。将物镜分为聚焦透镜组和主透镜组,两者之间为近平行光路,平行光路长度改变后,系统成像质量变化小,光学特性稳定;聚焦透镜组由一到两片透镜组成,质量仅为0.1g,由透镜驱动器带动其在光轴方向移动,实现快速大范围的轴向扫描。系统定位精度高,轴向扫描频率约为8.76kHz、扫描范围为0-505.3μm。(2)设计了一种基于环形位移放大机构的透镜驱动器。驱动器使用环形位移放大机构对位移进行两级放大,结构简单紧凑,位移放大率高,运动传递连续无摩擦,利于模块化安装;三组驱动器件能单独控制,可提供较大的驱动力,轴向扫描速度快,位移输出平台可以实现沿z轴轴向扫描或沿x、y轴转动;位移输出平台上可安装透镜、反射镜等光学元件,用途广泛。(3)提出了基于数字微镜的快速轴向扫描方法。扫描系统由多个模块级联而成,通过对每个模块的单独控制,改变入射光的发散角,经过显微物镜的聚焦,可以得到不同的聚焦深度,实现对生物样品的快速轴向扫描。系统扫描频率为10kHz,通光孔径较大,模块数为5时,最大扫描范围可以达到771.1μm,各扫描点轴向分布均匀,通过增加模块数量可以进一步提高系统的轴向扫描范围和成像分辨率。系统结构简单,采用模块化设计,方便用户升级和改造,不受横向扫描系统的制约,具有操作灵活、实用性强的特点,可以满足共聚焦和双光子显微镜系统对轴向扫描速度和扫描范围的要求。