在单细胞水平解析生物器官的三维精细结构,对于认知器官和研究其功能至关重要。面向大样本成像的仪器中,光学显微成像方法是以亚微米分辨率快速获得完整器官结构的强有力工具。然而,利用光学成像方法对大体积样本（例如哺乳动物的大脑）施行三维显微成像及可视化,需要面对成像质量和分辨率、大数据获取和处理等诸多挑战。本文围绕显微光学层析成像方法对大样本进行快速三维高分辨率成像时,存在的背景抑制能力差、海量数据获取和处理等问题展开了以下研究。提出了一种高通量高清晰的光学层析显微成像新方法——线照明调制光学层析成像。在焦面上以线共聚焦照明光束施行单线结构照明调制,焦面外是均匀照明,通过对不同调制图像的相减,去除相同强度的焦面外背景信号,获得光学层析图像。通过理论分析和小鼠脑片等物理模型实验测试,验证了该方法在信噪比、背景抑制能力和空间分辨率等方面的成像性能。与点共聚焦、双光子、线共聚焦和结构光等常用光学层析成像方法相比,该方法具有更优的背景抑制能力,其信背比相比金标准激光共聚焦扫描显微成像提高1个数量级。通过运用该方法对多种荧光标记的生物样本进行成像,结果表明该方法能显著改善背景抑制能力、无残留调制伪影,并具有对大范围样本快速成像的优点,解决了传统荧光显微光学层析成像方法在高分辨率高速成像时背景抑制欠佳的问题。设计并研制了高清荧光显微光学切片断层成像系统（HD-f MOST）。通过将上述新成像方法与组织切削相结合,打破了光学成像深度限制,实现了高清三维光学成像。采用数据获取与重建并行处理等加速方法,该系统可在5天内完成体素分辨率为0.32×0.32×1.00μm3的小鼠全脑多色成像,成为当今以相同体素分辨率实现大样本光学成像速度最快的技术。得益于线照明调制高质量的成像,该系统实现了小鼠全脑原始10 TB级数据集的在线无损压缩,其压缩率达到3%,与结构光显微光学切片断层成像系统相比提升近1个数量级。通过对猕猴脑等多种器官进行三维高清结构成像,并与活体成像结合初步探索小鼠视觉功能神经环路,展现了该系统在生物学特别是脑科学领域具有广泛的应用前景。提出从数据质量源头提升数据处理和分析效率的新策略。使用本文搭建的系统对荧光蛋白标记的小鼠全脑神经元形态进行了三维高清成像,结果表明该系统可探测到强背景中的微弱信号,获得完整高质量的数据集。通过分析小鼠全脑原始数据的质量,结果表明平均信背比为130,与结构光显微光学切片断层成像系统相比提升了26倍,使神经元形态重建的速度提升了67%,证明该系统获得的高质量图像能够显著加速数据处理。通过在线统计荧光蛋白标记小鼠全脑神经元的数目,平均准确率达到95%,验证了该系统获得的高质量原始数据支持在线分析。综上,本文提出的基于线照明调制高清显微成像方法在快速高分辨率光学成像时能显著提高背景抑制能力,为大样本光学成像解决大数据获取和处理的难题开辟了新途径,展现了本文提出的线照明调制光学层析成像方法和高清荧光显微光学切片断层成像技术在生物医学特别是脑科学研究中具有巨大的潜力。