超分辨显微成像技术由于其突破光学衍射极限的特性,可清晰成像细胞内的超精细结构,已经成为了生命科学领域强有力的研究手段之一。其中随机光学重建显微镜（STORM）作为一种单分子定位显微成像技术,相对于其他的超分辨显微成像（如结构光,受激发射损耗显微镜技术等）而言,拥有成像系统结构复杂度低,分辨率高等优点。STORM的成像系统需要高功率激光,高效率的物镜和科研级相机等基本器件,为了满足成像稳定性的需要,往往还需要纳米级的定位系统进行漂移校正。同时,定位重建算法是STORM成像结果的另一个关键之一,更快更准确的数据处理算法也能够促进STORM进一步推广应用。本文的主要研究工作是围绕一套Z轴漂移自校准的随机光学重建显微镜系统及其数据处理系统展开,对该系统中多个关键的硬软件部分进行了相关研究,进行了各项表征,最后展示了其在生物科学领域的可应用性。首先本文详细叙述了STORM的背景、原理等,并分析了其单分子定位的数据处理的方法,后介绍了Z轴漂移校准的方法。其次是Z轴漂移自校准的随机光学重建显微镜系统的搭建工作和系统表征,其系统搭建包括低成本大功率激光器、激光安全连锁系统,激光耦合光路,显微镜耦合光路、焦检测光路以及整个系统的集成控制等。利用荧光豆样本对其稳定性和自校准的性能进行了表征,展示了其稳定的Z轴漂移自校准的能力和适用性,证明了其在可以在实验过程中完全胜任Z轴漂移校准的工作。然后基于原Wind STORM算法和并行计算的思想构建了Wind STORM PLUS数据处理系统,使其用于大数据的高速处理,通过对不同尺寸和不同密度的模拟数据和实际数据处理对比,在大数据集下,Wind STORM PLUS相较于原有Wind STORM的速度提升了10倍,并快于Thunder STORM中最快的Phasor算法,极大缩短了数据的处理时间和提高了原算法的适用范围。同时面对复杂数据的背景噪声问题,结合荧光点在时间上所表现的闪烁特点,基于时域迭代小波变换的方法,构造了新的背景估计算法用于复杂数据的预处理。最后通过该随机光学重建显微镜成像系统的进行了细胞骨架结构的超分辨成像,包括微管蛋白和肌动蛋白的超分辨显微成像生物学应用,展现了该系统在生物医学研究领域的应用价值与应用潜力。