自由曲面光束强度与波前调控旨在借助多个自由曲面实现对光束强度与波前两个属性的精准调控，然而这一调控工作通常要求观测平面垂直于光轴，导致系统光路布局受限。针对这一问题，文中提出了一种可实现灵活光路布局的自由曲面光束强度与波前调控方法。首先设定一个垂直于光轴的虚拟观测平面，并建立目标离轴观测平面上的特定照明分布和该垂轴虚拟观测平面上相应照明分布之间的映射关系。结合斯涅耳定律、局部能量守恒定律和光程守恒约束，建立针对垂轴虚拟平面的带有非线性边界条件的光束调控Monge-Ampère (MA)方程，之后采用有限差分法求解该垂轴布局光束调控模型，进而得到非垂轴观测平面上自由曲面光束强度与波前调控的数值解。采用该方法设计了一个用于调控点光源光束强度与波前的自由曲面透镜，借助蒙特卡洛光线追迹，验证了该方法在非垂轴观测平面上自由曲面光束强度与波前调控中的有效性。

光片显微镜是近些年来研究较多的生物成像技术，相较于传统的激光共聚焦扫描显微镜而言，光片显微镜能够实现快速、低光毒性的体积成像。光片显微镜的照明光束可以选择高斯光束或其他无衍射光束（如贝塞尔光束、艾里光束等）。艾里光片显微镜是目前研究较多的技术，但是普通的艾里光片显微镜存在一个较大的问题，艾里光束具有自弯曲的特性，导致艾里光片在视场的两端超出探测物镜的景深范围，无法发挥出最优的成像效果。将艾里光束旋转45°形成平板艾里光片，使艾里光片不超出探测物镜的景深，以增大光片显微镜的成像视场。并利用双光子荧光激发技术，免除图像的后处理过程，大大提高了成像的效率。利用Matlab进行光学仿真，得到平板艾里光片显微镜的成像视场（~900 μm）比普通艾里光片显微镜的成像视场（~600 μm）增加了50% 。搭建的平板艾里光片显微镜利用荧光微球进行校正实验，得到成像系统的横向分辨率为(1.93±0.17) μm，轴向分辨率为(3.19±0.41) μm。对斑马鱼脑出血模型的实时观测中，可以得到时间分辨率为x×y×z = 0.60 mm×0.60 mm×0.40 mm/60 s 的成像结果，并可以对局部血管的生长和发育进行实时监测，有利于脑出血疾病的机制探究。