近年来,中心为零光强的空心光束常用于显微成像系统,用以实现超分辨成像或提高成像质量。例如,在常用的超分辨成像技术—受激发射损耗显微镜中,使用环形空心焦斑损耗焦斑周围的荧光,获得小于衍射极限的荧光光斑而实现超分辨成像。空心光束也被用于提高贝塞尔荧光显微镜的成像质量。本课题重点研究了空心光束在显微成像系统中的应用,开展了空心焦斑的理论模拟分析,提出使用半圆半波长延迟相位板获取贝塞尔空心光束用于提升贝塞尔光片荧光显微镜的成像质量,并重点开展了空心焦斑的实验研究。论文的主要工作有:(1)开展了空心焦斑的理论研究。基于高数值孔径的聚焦矢量理论,对四种入射偏振光束包含x偏振光,y偏振光,左旋圆偏振光,右旋圆偏振光中,插入不同相位板(螺旋相位板,半圆半波长延迟相位板,中心半波长延迟相位板)生成的空心焦斑开展数值模拟和分析。(2)开展了空心焦斑的实验研究。本文构建了一套扫描成像系统,包含软件和硬件,实现了点扫描成像;在此平台上,使用螺旋相位板和四分之一玻片,实现了空心焦斑的横向和纵向扫描成像。(3)空心光束用于获得贝塞尔荧光光片显微镜高对比度成像的研究。贝塞尔光束激发的光片荧光显微镜因高轴向分辨率、宽视场成像等优势,使得贝塞尔光束成为光片荧光显微成像的重要照明方式,但因为贝塞尔光束存在旁瓣较高,引起焦面以外的荧光激发,降低了图像的信噪比。本文针对该问题,提出了使用简单易行的半圆半波长延迟相位板实现空心贝塞尔光束,使用差分成像的方法去除贝塞尔光束的旁瓣。即将具有类似旁瓣分布的实心贝塞尔光束和空心贝塞尔光束对样品两次成像,再使用这两个图像进行差分,从而较好的消除了旁瓣,信噪比和对比度得到改善,成像质量也得到了增强。