随着生命科学、计算机科学和信息技术的飞速发展,生物信息学应运而生并成为人类健康、疾病防治、药物研究、生命奥秘探索等领域最有研究价值、最大收益、最受瞩目的学科之一。生物信息学的研究基础是海量生物信息的采集、处理、存储、分析和解释,其中生物信息采集的最主要手段是显微成像技术,尤其是高通量荧光显微成像系统是海量生物信息采集的最有力工具。高通量荧光显微成像系统依赖于高信息密度生物芯片、高通量光学系统和高通量图像传感器,生物芯片制备技术目前已经高度成熟,每平方毫米可容纳数百万个信息点,高通量图像传感器的发展日新月异,而商用显微镜在高通量方面却发展缓慢,光学系统已成为高通量荧光显微成像技术的瓶颈,已经不能满足高通量筛选、高通量测序等生物信息学应用领域对生物信息高通量采集的需求。本论文以高通量基因测序荧光显微成像光学系统作为研究对象,从高通量实现方式及对光学系统要求、高通量显微物镜、高精度检焦光学单元、激光照明光学单元、荧光成像仿真五个方面进行了相关研究工作:1.高通量实现方式及对光学系统的要求。从信息通量概念出发,讨论了提高测序通量的方式,包括:提高数值孔径、增大物方视场、增多荧光通道、提高样本更换移动速率和优化图像采样。并论述了高通量荧光显微成像对光学系统要求,包括显微物镜、检焦单元和照明单元。2.高通量显微物镜。提出了一种液固浸没双胶合光学结构,解决了无盖玻片高通量基因芯片浸液折射率过大偏差而影响像质的问题。应用该光学结构分别设计了TDI成像模式的高通量光学系统和凝视成像模式的高通量显微物镜,其拉赫不变量均超过2,其中凝视成像模式的显微物镜采用二次成像出瞳外置设计降低了高通量系统对光路中滤光片和管镜口径的要求。3.高精度检焦方法。以高通量测序仪荧光显微成像对检焦光学单元要求为依据,基于激光差动共焦检测技术,设计了一种快速、高精度检焦光路,物镜焦面检测精度达到1/10焦深,并基于此提出了多位置差动共焦技术,拓展了检焦线性工作范围。并分析了光学像差对检焦精度的影响,指出检焦单元准直镜设计要考虑补偿物镜的像差,并设计了消热差准直镜以适应工作环境温度变化。4.激光照明光学单元。以高通量荧光显微成像对照明光学单元要求为依据,设计了半导体激光落射式明场临界照明光路,实现了大视场、高均匀性照明。针对抛光硅片基底基因芯片高反射特点,提出了一种基于特制棱镜全内反射分光的落射式暗场照明方法,能够有效抑制激光背景,并克服了高数值孔径、短工作距离显微物镜的机构限制,最后给出了照明棱镜设计和分析结果。5.多通道荧光成像仿真与照明激光功率优化。多通道荧光显微成像光学系统存在光谱串扰,通过计算荧光能量链路,建立荧光成像仿真模型,通过分析多通道荧光图像特点,以仿真图像信噪比作为判据建立了照明激光功率优化方法,,应用该方法对高通量测序光学系统的四个波长激光功率进行了优化,并通过成像测试验证了该方法的正确性。