光学显微镜由于存在衍射极限,成像系统分辨率一直受限在半波长的量级。最近数十年,各种光学超分辨显微成像技术被不断提出和发展。其中微球显微术通过将介质微球置于样品表面,能在白光照明下突破衍射极限,并且操作简单,成本低廉,为生物样本和纳米结构的实时超分辨成像提供了一种简单、直接的方式。但目前关于微球显微术的研究还不系统,成像机理的探究还不完善,因此相关的研究仍然是超分辨显微成像领域的一个重要热点。本文首次提出和发展了 一种基于微探针—微球的超分辨显微成像新方法。在理论分析和方法研究的基础上,搭建了一套超分辨显微成像系统。利用成功制备的各类微探针—微球,实现了 DVD光盘、蓝光DVD、纳米级光栅结构和点阵结构等各类样品的可选区、超分辨显微成像,并在显微成像的过程中有效地避免了样品表面和微球间的相互损伤以及微悬臂的断裂。本文解决了微球超分辨成像的理论方法及关键技术问题,并首次使这一技术方法向实用化迈进,具有十分重要的科学意义和广泛的应用价值。本文的主要研究内容及创新点如下:提出和发展了一种基于微探针—微球的超分辨显微成像新方法,实现样品的可选区、低损伤超分辨显微成像。首次利用微探针(毛细管微探针和AFM微悬臂)将微球固定,控制微球与样品间的接触状态,使得微球处于近场范围内(光线未弥散前)收集样品的高频信息,从而获得更高放大率和高分辨率的显微图像;利用二维步进移动机构控制微探针,首次实现样品表面任意区域的超分辨显微成像。此外,利用AFM微悬臂的超高灵敏度,在微球与样品之间横向相对移动的过程中,AFM微悬臂会随样品表面的变化而产生纵向的微纳米偏转,始终保持微球与样品之间处于“软接触”的状态,从而保护了样品和微球不受损伤和污染,也有效地避免了成像过程中微悬臂的断裂。全面系统地开展了基于微球的超分辨成像理论研究,试图揭示微球超分辨的成像机理。分别从几何光学和波动光学的角度对微球成像的传统光学特性和近场光学特性进行分析,建立数理模型,探讨微球的直径、微球内外折射率、入射波长和成像距离等因素对微球显微成像的放大倍率和分辨率的影响规律;同时,利用ZEMAX和FDTDsolutions等仿真软件对这些因素之间的相互关系及规律开展全面系统的仿真研究与理论验证,并揭示了单一微球、微球阵列及微探针—微球在不同条件下的聚焦特性。利用自行研发的微纳米显微操作系统,成功制备了各类微探针—微球透镜。为了制备微探针—微球,自主研发了微纳米显微操作系统,包括微纳米扫描移动平台,显微镜系统和粘合部件等。并利用这一系统,采用毛细管或AFM微悬臂等作为基体,利用微纳米操纵等方法,将选定的微球胶粘固定在基体外端,待胶固化之后,成功制备了各类微探针—微球,包括毛细管微探针—微球,AFM微悬臂—单微球,AFM微悬臂—双微球等。微探针—微球透镜可以保持微球本身的超分辨能力,并能调整微球和样品之间的横向和纵向位移,以实现样品可选区、低损伤的超分辨显微成像。在一次实验之后,若妥善保存,微探针—微球透镜可以多次重复使用。搭建了一套超分辨光学显微成像系统,首次系统地开展了基于微球及微探针—微球的超分辨光学成像实验研究,得到了满意的结果,为微球显微术的实际应用提供了坚实基础。在基于微探针—微球显微成像的原理与方法研究基础上,自行研究建立了一套超分辨显微成像系统,结合微纳米扫描移动平台和制备的各类微探针—微球,开展了广泛的实验技术研究,分别实现了单个微球、多个微球、毛细管微探针—微球、AFM微悬臂—微球等在反射照明与透射照明条件下对各类样品的超分辨显微成像,从而为微球显微术今后的广泛应用提供了理论和技术基础。