光学显微成像技术具有实时性、高分辨率和非侵入性等特点，其成像尺度可跨越细胞、组织乃至生命体，极大地拓展了人们对生命本质的认识边界。然而，受限于光学显微成像系统有限的空间带宽积（Space-Bandwidth Product，SBP），常规的光学显微镜难以同时兼具大视场和高分辨率，使得显微成像在大视场生物成像应用中受到较大的限制，例如，对脑神经网络以突触为单位的神经回路成像。近年来，大视场光学显微成像技术得到不断的发展，其SBP的视场相较于传统的光学显微镜有了十倍甚至百倍的提升，在保持高分辨率的基础上拓展了成像视场，从而可以满足生物医学领域重大问题的研究需求。本文介绍了近年来几种典型的大视场光学显微成像技术及其生物医学应用，并对其未来发展做了展望。

现代生物学和生物医学领域迫切需要研制兼顾大视场、高分辨率的显微成像技术和仪器以对生物样品实现跨尺度观测，满足重大科学问题的研究需求。受限于系统的空间带宽积，传统商业显微镜无法满足这一需求，且现有高空间带宽积显微成像系统存在体积庞大、实施成本高昂等问题。本文基于HiLo光切片技术和自主设计的大视场高分辨显微物镜，研发了具有高空间带宽积特点的大视场高分辨HiLo光切片显微成像系统，测试了系统的成像视场和分辨率。应用该系统对小鼠脑切片开展了白光照明明场成像实验，并与OLYMPUS商业显微镜成像结果做了对比；对小麦种子荧光切片开展了光切片成像和宽场荧光成像对比实验。实验结果表明, 大视场高分辨HiLo光切片显微成像系统的成像视场达到4.8 mm×3.6 mm (对角视场为6.0 mm)，横向分辨率达到0.74 μm，轴向分辨率达到4.16 μm。大视场高分辨HiLo光切片显微成像系统兼有大视场和高分辨率成像的优势和快速光切片成像的能力，能够对大体积生物样本开展快速三维成像，将为胚胎发育、脑成像、数字病理诊断等研究提供有力的技术支撑。

传统光学成像实质上是场景强度信号在空间维度上的直接均匀采样记录与再现的过程。在此过程中，成像的分辨率与信息量不可避免地受到光学衍射极限、探测离散器采样、成像系统空间带宽积等若干物理条件制约。如何突破这些物理限制，获得分辨率更高，视场更宽广的图像信息，是该领域的永恒课题。本文概括性地介绍了分辨率、超分辨率与空间带宽积拓展的相关基础理论，核心机理及其在计算光学成像中的若干实例。通过将这些具体个案置入“计算光学成像”这个更高维度的体系框架去分析与探讨，揭示了它们大多数都可以被理解为一种可称作“空间带宽积调控”策略，即利用成像系统的可用自由度，在成像系统有限空间带宽积的限制下，以最佳方式进行编解码和传递信息的过程，或者形象地说——“戴着脚镣跳舞”。这实质上是一种在物理限制下，在“得”与“失”之间所作出的符合规律的权衡与选择。本文的结论有望为设计和探索面向各类复杂现实成像应用的新型成像机理与方法提供有益启示。

光学成像已成为跨尺度表征生物系统信息的主要方法之一，近年来生物样本的快速、无损且全面表征对成像系统的可解析量提出了更高的要求。数字全息通过干涉成像方式，可准确重构光波前的振幅和相位信息，具有快速、无损、三维成像等优势，在数字病理诊断、细胞无标记观察和实时监测等方面得到了广泛的研究和应用。本文首先介绍了实现高通量成像的主要方式，并分析了数字全息的优势及空间带宽变化，展示了基于希尔伯特变换的面向高通量多通道复用数字全息技术的理论框架，并介绍了基于该理论框架设计的拓展视场双通道复用数字全息显微成像系统。该系统在不牺牲空间和时间分辨率的情况下，可实现超越传统离轴全息显微镜8倍的空间带宽积。所介绍的数字全息复用技术可充分利用单幅强度图像的冗余空间带宽，可用于高通量多通道复用数字全息成像。