显微镜的光学孔径和测量带宽的有限性限制了生物应用中的信息获取，包括在观测生物体系的精细亚细胞结构动力学过程、活体超快瞬态生物学过程，以及介观离体组织的高效三维成像等，这一问题成为多领域生物医学研究的制约因素。传统荧光显微镜的局限性促使研究人员着手探索新型荧光显微成像原理和方法。研究者们引入了人工智能手段，以提高荧光显微成像的速度和精度，从而增加信息获取的通量。本文以细胞生物学、发育生物学和肿瘤医学为视角，详细分析了在这些领域中通量限制带来的挑战。结合深度学习，突破了传统荧光显微成像的通量限制问题，为物理光学和图像处理领域的进一步发展提供了契机。这一创新助力于生物医学研究的推进，使科学家能够更全面、深入地理解生命和健康领域的复杂现象。因此，本研究不仅对生物医学领域具有重要意义，而且为未来的研究和应用提供了崭新的可能性。

在显微成像过程中，受系统景深限制，沿光轴方向不同层面之间聚焦位置存在显著差异，同时不同层面的显微图像存在部分聚焦区域重叠，现有多聚焦融合算法往往无法并行提取和融合多幅显微图像中最清晰的聚焦部分。提出一种多聚焦显微图像融合算法，首先构造了一种类高斯四邻域梯度算子并结合快速引导滤波，实现高频聚焦信息的提取；同时针对大视场显微图像序列中存在聚焦信息重叠、像素数量大的情况，引入了一种小区域聚焦度量方法，提高了对聚焦清晰区域高频信息提取的能力，实现了多图最佳聚焦点的融合。拍摄3组包括4 mm和2 mm对角线视场的多聚焦显微图像序列进行测试，相较5种常用多聚焦图像融合算法，所提算法的峰值信噪比平均提高了2.4772，结构相似性指数达0.9400以上，对聚焦清晰区域有更好的融合效果，融合图像细节丰富且清晰度高，能够满足大视场多聚焦显微图像融合的准确性要求。

针对HDMI数码显微相机在观测时由于不同目标反光水平不一致而出现过曝、曝光收敛速度慢、不稳定的问题，提出一种自动曝光优化方法。相较于传统的HDMI显微相机中的自动曝光控制方法，所提方法实现了基于感兴趣区域的曝光控制，可对RAW图像中的任意区域进行测光和亮度统计，拓展亮度统计的动态范围并实现基于不同目标的曝光控制，提升亮度统计的准确性，解决因目标过亮或者过暗而出现的过曝现象。同时设计了可变的曝光调节步长，该功能能够根据当前亮度水平动态调整曝光步长，实现曝光的粗调和细调，以平衡曝光收敛速度和曝光精确度。最终结合实际的相机进行实验，所提曝光控制优化方法相较于原有的自动曝光法曝光偏离度降低了一半，曝光收敛时间缩短了一半以上，最快能在4帧图像内完成曝光收敛。

拉曼显微成像技术无需样本制备，具有无损、无创、对水溶液不敏感的优点，可在微米或纳米尺度下表征样本的生化组分及分布，成为生命科学领域重要的研究工具。随着对复杂生物样本研究的不断深入，拉曼显微成像也被期待能够实现对生物样本中的分子组成与分布的动态立体观测。首先，系统性地梳理近年来三维拉曼显微成像技术的研究进展，包括基于自发拉曼散射、相干拉曼散射、表面增强拉曼散射以及拉曼标签的不同三维成像方法的技术手段、改进策略与实验结果。然后，总结了不同成像技术在细胞生物学、发育生物学等方面的应用进展。最后展望了不同三维拉曼显微成像技术在生物医学光学显微成像技术应用中所面临的挑战和发展前景。

传统非实时图像拼接方法易因局部图像失配导致全局拼接中断。此外，显微图像具有大量相似的微观结构，存在特征检测耗时长、误匹配率高等问题。为此，提出一种基于载物台运动信息的显微图像预测拼接算法。通过控制电动载物台XY轴移动距离来决定相邻图像间重叠区域大小，在图像的重叠区域采用加速稳健特征算法检测特征点。利用图像间前后位置关系预测待匹配特征点的范围，在预测范围内筛选出最小欧氏距离的待匹配点。最后通过匹配特征点对的斜率粗筛选匹配点对，随机抽样一致性算法进行精匹配并计算单应性矩阵配准图像完成拼接，使用改进的加权平均算法融合拼接图像。实验结果表明：与暴力匹配和快速最近邻搜索算法相比，所提算法匹配率提高7.95%~26.52%，有效提高配准精度。同时，当图像分辨率为1600×1200时，多图拼接速率为2 frame·s^-1，其效果优于AutoStitch软件拼接效果。

光谱共焦显微技术结合了共焦显微镜的高空间分辨率和光谱分析的高波长分辨率，凭借精度高、适用性强、无损检测等特性，广泛应用于工业生产、生物医疗和半导体芯片等领域。首先介绍点光谱共焦系统的原理，指出点光谱共焦检测效率低的缺点。其次，针对光谱共焦显微技术的关键性能指标改善，阐述了在光源、色散物镜和光谱信号检测等方面所取得的主要成果，并对各类光源进行定性对比。随后展示光谱共焦显微技术的扫描方法，梳理了相关研究进展，并总结了相关方法的优点和缺点。最后，展望光谱共焦显微技术未来的发展趋势。

近几十年来，光片荧光显微镜作为荧光显微技术的一种革新，显著提升了生命科学研究中对组织与细胞结构和功能的高时空分辨率成像能力。相较于传统的落射荧光显微技术，光片显微镜通过选择性逐层照明生物样本，大大提高了光子利用效率，降低了光毒性，并显著提升了成像速度。光片显微镜问世以来，其在生命科学研究中的应用范围逐渐拓宽，从胚胎学、神经科学到肿瘤研究等多个领域均有所涉及，不仅可用于观察细胞和组织的基本结构，还可用于实时监测生物过程中的动态变化。同时，其跨尺度的特点使其适用于从宏观到微观的多个尺度上的观察。本文综述了光片显微镜在高通量成像、超分辨成像以及易用性方面的应用及发展，旨在为生命科学研究人员提供全面的了解和参考，推动光片显微镜在更多领域的应用和发展。

超分辨荧光成像技术因其能够突破光学衍射极限的限制，为生命科学研究带来全新的观察尺度而获得了诺贝尔化学奖。但是，传统的超分辨荧光显微镜需要极为复杂的光学系统来突破衍射极限，通常伴随着明显的光毒性和低时间分辨率，昂贵的造价以及日益复杂的操作限制了其在生物医学领域中的推广应用。因此，全球各大研究团队都在积极寻求具有近红外、高亮度和抗光漂白的替代荧光探针，并通过改善成像装置与算法，进一步拓展超分辨显微技术的应用范围。稀土元素纳米材料由于其独特而优异的物理化学特性，如显著的反斯托克斯光谱位移、无背景噪声、抗光漂白、光稳定性、低毒性和高成像穿透能力等，持续受到化学、物理学和材料学领域的广泛关注，是近期兴起的一种稳定性优异的无机荧光探针。本文首先简要介绍了上转换纳米颗粒的发光机制，然后讨论了纳米结构材料中实现光子上转换的主要限制。此外还介绍了镧系元素掺杂上转换纳米粒子在超分辨生物成像、分子检测等领域的应用，以及介绍了包括降低激光功率要求和耦合技术难度、提高激光直扫成像分辨率与速度、提高多路复用成像效率等应用技术优势。最后重点介绍了颗粒合成方面的主要挑战、可行的改进措施以及对未来发展的展望，为稀土纳米材料在生命科学成像领域的推广应用提供有力的理论基础与技术支撑。