光学显微镜在科学的研究与发展过程中发挥着不可替代的作用。但是,由于衍射极限的存在,传统光学显微镜的分辨率极限只有入射光波长的一半。随着科学技术的发展,大量能够实现超分辨成像的技术已经被研究出来。其中利用微球透镜实现超分辨光学成像的方式具有设备成本低、原位观测等优势,这种简单高效的超分辨成像方法引起了科学界的广泛关注。但是通过更便捷的操作方式利用微球透镜实现超分辨成像是目前研究的难点,这也是导致微球透镜超分辨成像技术难以普及的原因。本文提出并设计了一种面向微球透镜超分辨光学成像的多维自动化操作系统,通过探针作为操作工具实现了微球透镜的精准操作。利用该操作系统,通过微球透镜实现了对字母图案、蓝光光盘底部条纹等样品的非接触式扫描超分辨光学成像,突破微球透镜成像范围的局限。同时,提出了样品粘附观测的成像方式,突破了使用方式空间上的局限。通过探针在微球透镜底部操作,突破了原本只能用于观测的功能局限。通过实验验证了该操作方式对微球透镜超分辨成像理论的运用与发展具有重要的实际意义。本文的主要研究内容如下:(1)结合微球透镜的成像原理,理论分析了操作方案的可行性。论证了微球透镜非接触式超分辨成像的可行性,证明了液体介质对成像效果的提升作用,并阐明了微球透镜的超分辨成像能力与其产生的光子纳米喷流相关。综合考虑研究目的、成像方式、成像效果等因素,微球透镜的材质选用钛酸钡玻璃(barium titanate glass,BTG),浸没方式选用全浸没。最后通过光学仿真证明了微球透镜的成像效果不会因探针的存在以及液体介质的波动而产生影响,证明了探针粘附微球透镜操作方式的可行性。(2)针对探针粘附微球透镜的操作方式,设计并搭建了多维自动化实验操作系统。对探针操作的运动系统进行运动学分析与动力学分析,通过力学分析计算了运动系统的速度与加速度上限,得出结论移动速度不能大于10.3m/s,加速度则不能超过4.68m/s2。然后为运动系统配置合适的光学成像系统及协同操作系统,建立了实验操作系统。最后,综合考虑刚度、粘附稳定性、成像效果、操作难易等多方面因素,操作探针选用ST型钨探针。(3)通过对不同样品的超分辨观测实验,验证了该微球透镜多维自动化操作系统的实用性与灵活性。通过探针粘附的微球透镜实现了对蓝光光盘底部条纹的超分辨成像。通过实验及分析得出结论,当光子纳米喷流在样品内部时,可以获得相对清晰的图像,证明了微球透镜非接触式超分辨成像的可行性。通过探针控制微球透镜对蓝光光盘底部扫描成像,并将图像拼接在一起,实现了连续区域大范围超分辨成像。通过操作微球透镜对倾斜的蓝光光盘底部进行扫描观测,证明了该操作系统具有三维扫描超分辨成像的能力。通过微球透镜实现了对结构复杂的字母图案的超分辨观测,以及大鼠肝脏切片等生物样品的放大显微观测,验证了该操作方式的灵活性。提出了一种微球透镜粘附观测的操作方式,使微球透镜在不影响成像效果的前提下,突破了空间上的使用限制。通过实验对被粘附的酵母菌细胞进行了移动、移取、扫动的简单操作,使得样品在被微球透镜观测的同时,还能对其进行简单的微纳操作,突破了微球透镜原本仅仅用于“看”的功能局限。