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荧光成像因其具有特异性好、灵敏度高、光学对比度高等优点,广泛应用在生命科学、医学药学等研究领域。在这些领域中,为了更直观地了解个体的生物过程,愈加趋向于获得介观尺寸生物系统(如:完整胚胎、体外器官以及活体小模式动物等)和其内部局部区域。针对上述研究需求,光学投影层析成像系统(Optical Projection Tomography,OPT)便发展起来。目前的OPT光学成像技术只针对介观生物样本的整体同时成像,其成像过程要求光学系统探测的景深至少覆盖整个生物系统的一半,由于景深和空间分辨率存在相互制约的关系,因而OPT成像系统的空间精度受限于成像样本的体积大小。生命科学、医学药学等研究领域在要求获得生物样本的高精度完整三维信息同时,也要求获得样本内局部区域的高精度三维结构和功能信息。本文主要从改善OPT的景深与空间精度的制约关系的全域焦扫描OPT光学成像系统、实现OPT局域化成像的精准电控局域聚焦OPT光学成像系统以及探索OPT在生物医学领域应用三个方面对OPT技术展开了深入研究。在全域焦扫描OPT光学成像系统中,通过将电控调焦技术与OPT高效结合,在利用放大倍数为4倍、数值孔径为0.13的全域焦扫描OPT系统中实现了4.78mm的大范围焦平面扫描,从而改善了OPT系统中景深与空间精度的相互制约关系。利用平均直径为1μm的荧光豆来测试系统的物理特性,实验结果表明,相比于传统OPT成像系统,全域焦扫描OPT系统的空间精度提高了47%。这说明了电控调焦与OPT技术的融合,使得全域焦扫描OPT系统同时具备高空间精度、高光子收集效率以及大景深范围。在全域焦扫描OPT光学成像系统的基础上,结合OPT的成像原理,建立了精准聚焦跟踪的物理模型,通过编写相应的硬件驱动程序来实现OPT局域聚焦跟踪功能。利用平均直径为1μm的荧光豆来测试局域OPT系统的物理特性,通过对比完整荧光豆样本和样本内指定荧光豆的投影正弦图,结果表明,利用局域OPT来采集指定荧光豆时,视野范围内只有该荧光豆的投影正弦图,并且重组的空间分辨率提高了40%。最后探索了OPT技术在生物医学领域上的应用,实现了以小鼠的脑切片、肺部、胰腺为样本的三维荧光成像。这表明了基础OPT系统、全域焦扫描OPT系统以及局域化OPT系统是一个无损伤、快速、高精度的新型介观三维荧光成像研究工具,体现了OPT系统及其优化系统在生物医学研究中的广泛潜力。