理解大脑的结构与功能是21世纪最具挑战性的前沿科学问题。神经科学的核心目标在于在回路和细胞量级理解神经系统如何编码、处理信息。近年来,光学显微成像结合钙指示剂和转基因技术逐渐成为记录神经元活动的主要方法。实现了在细胞水平对视场内神经回路中特定类型的一群神经元活动情况实时成像记录。然而,传统的桌面级非线性光学显微镜体积庞大不够灵便,并不适用于清醒活动动物脑功能钙成像的需求。开发用于清醒动物脑功能钙成像的微型显微镜的研究工作重点主要集中在两个方面:其一是如何在远端实现高效激发、收集荧光,包括激发类型、光传导方式与介质的选择,以及前端镜体的设计等问题;其二是微型扫描器的开发制作,包括精确控制、畸变矫正和提升速度等方面。在现有压电共振光纤扫描器的基础上,我们对其结构和驱动控制进行了优化。首先提出低能耗四片式结构,实现驱动大直径特种光纤;然后设计制动信号,缩短光纤悬臂复位时间,提升了成像帧速;最后根据实测扫描轨迹矫正重构图像,消除了畸变。利用经优化的扫描器,搭载350μm直径特种光纤实现8 fps稳定无畸变的扫描成像。为高效、准确地观察、记录清醒动物神经元钙活动提供了微型扫描机制。在上述扫描机制的基础上,设计开发了基于单根光纤的小鼠头戴式微型非线性光学显微镜原型机。单根特种光纤高效传输激发光并收集荧光,前端镜体结构简单。通过色散预补偿优化,保证激发光脉冲无畸变传输,提升激发效率。光学特性测试显示该系统具有良好的脉冲传输效率和成像分辨率,且能够满足多种类型的成像需求。为后续清醒动物脑功能钙成像研究提供了一套可靠的显微成像系统针对清醒小鼠神经元钙成像的需求,设计适于头部佩戴的简易封装和连接件,组装拆卸方便,质量小于1 g;设置用于模拟运动状态的滚轮,尽可能使实验小鼠接近自然状态。通过优化设置,在提高系统成像帧速同时,有效控制了诸如有效成像时段占比降低、有效扫描线数减少以及每像素停留时间缩短等问题。实现对病毒标记的清醒活动小鼠神经元钙成像记录,测试显示本系统具有信号水平高、快速稳定、无畸变成像的特点。实现对一群神经元胞体细胞的钙活动状态监测、记录和分析。本论文针对清醒小鼠神经元钙成像的需求,优化了扫描器结构和驱动控制,实现驱动具有优秀光学性能的大直径特种光纤作高速扫描;设计了基于搭载该光纤的微型显微镜原型,单光纤设计结构简单;引入了头戴式配套设计,实现连续成像记录。为神经生物学研究提供了一种新的研究工具。