随着科学技术的发展,多种显微成像技术已经突破了 200nm的光学衍射极限,实现了超分辨成像。其中微球透镜超分辨成像技术是一种将微球放置在样品表面,利用光学显微镜获取超分辨图像的方法,具有实时高效、操作简单、成本低廉、原位观测等优势,拥有广阔的发展前景。但是微球透镜成像视野小限制了微球透镜的实际应用,而利用图像拼接软件将微球透镜获取地连续区域的图像拼接在一起,这种方法降低了微球透镜成像的效率和实时性,因此微球透镜超分辨成像方法还不能得到广泛的应用。本文针对微球透镜大面积成像效率低、实时性差的问题,提出了基于“球-冠”复合透镜的超分辨光学快速扫描拼接成像方法。首先利用理论和仿真分析了“球-冠”复合结构不仅可以使微球透镜在空气中成像,而且可以使大直径的微球透镜也具有超分辨成像的能力,从而一次可以获取更大面积的超分辨图像,减少图像拼接的次数,提高图像拼接的效率。其次利用自动扫描拼接成像系统可以提高微球扫描样品的速度,自动采集并拼接图像,实时获取拼接后的图像,使微球图像拼接同样具有实时性。通过实验验证,这种基于“球-冠”复合透镜的快速扫描拼接成像方法在空气中对蓝光光盘和芯片电路结构都能实现快速大面积的拼接成像,具有广阔的应用前景。本文的主要研究内容如下:(1)利用理论及仿真分析影响微球透镜超分辨成像的因素,结合微球透镜的成像方式,论证上半部分有浸没介质的钛酸钡微球在空气中具有较高的成像分辨率。通过仿真验证了球冠结构具有更好的成像效果,且与单个微球想比,球冠结构可以将纳米喷流的焦点聚焦到微球透镜的底部,实现超分辨成像。将微球透镜与球冠结构结合制作成“球-冠”复合透镜,用于在空气中扫描样品表面,获取超分辨图像。(2)设计并搭建了基于“球-冠”复合透镜的自动扫描平台,对探针微操作机械手进行了运动学分析,验证了机械手的运动范围满足探针的行程要求。开发了一套自动扫描拼接成像软件系统,通过软件系统,“球-冠”复合透镜可以自动扫描样品表面并采集超分辨图像,实时地拼接图像扩大成像视野。将自动扫描平台和自动扫描拼接成像软件系统进行联合测试,利用软件系统补偿机械硬件的误差,提高图像拼接的质量。(3)将直径为150μm、250μm和450μm的钛酸钡微球分别制作成“球-冠”复合透镜,利用蓝光光盘检验出150μm和250μm的复合透镜在空气中可以实现超分辨成像,通过电极芯片确定了复合透镜的极限分辨率为90nm。“球-冠”复合透镜浸没在水中和酒精中也可以实现超分辨成像,在水中的成像质量高于酒精中,且在水中的放大倍数更高。在成像视野方面,“球-冠”复合透镜极大的提高了微球超分辨成像的区域,减少了图像获取的次数。利用自动扫描拼接成像系统,在空气中分别获取了蓝光光盘和芯片电路结构的大视场拼接图像。对于沟槽结构内侧壁的观测,由于复合透镜体积小,可以将其移动到沟槽的内部实现对样品的侧视超分辨成像,通过蓝光光盘以及芯片电路结构验证了侧视超分辨成像的可行性。