单分子定位技术通过随机激发荧光标记获得一组稀疏的图像序列，同时对荧光点进行亚像素级别定位，最终实现超分辨显微成像。基于拟合的单分子定位算法，如单发射（SE）及多发射（ME）定位算法，通过对估计器性能进行改进提高了单分子定位的精度和速度；然而，受失配误差和串扰误差的影响，SE算法和ME算法在不同密度情况下各有优劣，均无法达到全密度范围内最优的估计效果，并且分别存在荧光分子利用效率低和计算量大的缺点。本文提出了自适应混合发射单分子定位（SM）算法，该算法通过图像荧光发射密度及强度自适应地确定的拟合区域以及所采用的拟合模型及模型初值，有效避免了上述两种误差的影响，达到了全密度范围内一致、良好的定位效果。在仿真和实验数据上将所提SM算法与SE算法、ME算法进行比较，结果显示，SM算法重构图像的分辨率和对比度在不同发射密度下均具有优势。

成熟人红细胞膜骨架是由膜下多种蛋白组成的三角晶格网状结构，在维持红细胞形态、变形性、运动和代谢等功能方面扮演着重要角色。单分子定位超分辨成像（SMLM）技术在解析骨架超微结构方面展现出了强大的能力，但分辨率的提升对成像分析手段提出了更高要求。作为一种常用的空间分析方法，Vorono?分割在SMLM图像聚类分析中已被广泛应用。笔者利用自主搭建的SMLM超分辨成像系统获得红细胞膜蛋白和骨架蛋白的超分辨点簇图像，对点簇质心进行Vorono?分割，并对Vorono?多边形面积分布进行伽马函数拟合，发现自由膜蛋白CD59的伽马分布峰值对应的x轴坐标x_peak为0.78。结合模拟结果，验证了自由膜蛋白CD59呈随机分布。进一步，肌动蛋白、血影蛋白N端和原肌球蛋白的Vorono?分析结果显示它们的x_peak均为0.86，而锚蛋白的x_peak为0.84，说明骨架膜蛋白呈相对均匀的分布状态，但锚蛋白较其他骨架蛋白更具随机性。Vorono?方法可助力阐释红细胞膜骨架蛋白的空间分布特性，同时也为点簇状SMLM超分辨图像数据的深入提取提供了新思路和新方法。

基于宏观反射式傅里叶叠层成像理论，提出一种主动相干光学合成孔径超分辨成像空间目标探测系统。采用主动相干光源配合单个小孔径相机，采集目标低分辨图像序列，通过傅里叶叠层拼接算法重构接近等效合成孔径倍率的超分辨图像。给出了系统的总体方案和详细设计，并通过搭建的宏观反射式近红外主动相干光学合成孔径超分辨成像地面实验装置验证了系统的超分辨成像能力。该系统有望通过小孔径实现等效合成孔径全天时高分辨成像效果，大幅缩减载荷口径需求。弥补传统空间目标探测系统夜间成像能力的不足，提升空间目标夜间探测能力。

显微成像技术受限于光学成像系统的衍射极限，无法分辨亚波长尺度的结构。通过饱和散射抑制成像技术已经实现了单个纳米颗粒的超分辨成像，但是涉及到纳米颗粒集合，需要考虑纳米颗粒间的耦合作用。利用超越衍射极限的双光束方法，可以在有序金纳米棒阵列上实现远场超分辨光学成像。本文设计了纳米棒长径比为2的5×5金纳米棒阵列，通过矢量光场理论和热扩散理论计算了金纳米棒阵列在连续波激光下的热分布，并模拟了双光束激光即脉冲激发光和连续波抑制光下的散射成像。仿真结果显示，连续波激光能够有效抑制金纳米棒阵列对脉冲激光的散射，双光束方法实现了80 nm横向特征尺寸的超分辨成像。

膜蛋白在细胞膜上的时空分布形式决定了其活性状态及功能，在调控细胞生命活动过程中起着重要作用。单分子定位超分辨成像（SMLM）技术为在纳米尺度解析膜蛋白的空间分布提供了可能，但分辨率的极大提升对图像准确聚类分割提出了更高要求。基于密度的空间聚类算法（DBSCAN）是常用的聚类方法之一，但其对于膜蛋白分布不均匀的SMLM超分辨图像的分割效果往往不太理想。本文提出了一种结合多次DBSCAN和层次聚类的混合聚类算法，该算法以DBSCAN方法为分割基础，通过进一步的面积阈值分析和层次聚类，在保持超分辨点簇图像精确聚类识别的前提下，仍能保留每个点簇内的多次定位信号。将该算法应用于模拟数据集和实验数据分割得到的轮廓系数等性能普遍优于传统DBSCAN算法。这种混合聚类方法为膜蛋白SMLM超分辨图像的聚类分割提供了新思路和新方法，有助于更精准地分析膜蛋白在纳米尺度上的空间分布信息。

稀土类发光材料由于其丰富的光学特性而具有重要的研究与应用价值。其中，稀土上转换发光材料在近年来尤为受人瞩目，与之相关的研究成果遍布物理、化学、生物、材料和多个交叉领域。有别于大多数发光材料的共性，上转换材料的激发-发射谱峰波长呈现为反斯托克斯位移，因此能够在短波长谱带范围绕过背景噪声且传输发光信息。作为对这一光物理机制的理解运用，人们通过化学方法合成了纳米尺度的稀土上转换发光材料，并且在生物样品荧光显微成像中成功证实了上转换发光标记物的高信噪比检测。以上转换发光微纳材料的光物理性质研究为主题，介绍和梳理了稀土上转换纳米材料在偏振光谱解析、单纳米颗粒超分辨发光成像、微型激光器构筑方面的研究进展。

荧光辐射差分显微成像是一种荧光染料普适性强、光毒性较低的超分辨成像技术。然而传统荧光辐射差分成像由于受其成像原理限制，系统复杂度较高、稳定性低且成像速度受限。针对上述问题，本文设计搭建了一套多色虚拟荧光差分显微系统，并对该系统的成像方法和参数间的制约关系进行了分析，基于已有的多色虚拟荧光辐射差分显微术原理，进一步考虑了信噪比和背景噪声等的影响，建立了可通过实验验证的虚拟荧光辐射差分显微成像模型。实验表明，本系统与方法具有结构简单、背景去噪能力强、荧光染料普适性强以及光毒性低等特性，成像分辨率较共聚焦系统提升了1.9倍，成像速度较传统的荧光辐射差分显微系统提升一倍，在3个波长上均获得了良好的成像效果，并在生物细胞成像中得到实验验证。

脂滴是真核细胞中必不可少的一种球形细胞器，与很多细胞生理学过程息息相关。荧光成像技术是观察研究脂滴最有力的工具之一。受光学衍射极限的限制，传统的宽场以及共聚焦显微镜所能达到的成像分辨率约为250 nm左右，这对于观测小脂滴，尤其是新生脂滴（尺寸约30~60 nm）来说是远远不够的。在这种情况下，近年来新兴的各种能够打破衍射极限的超分辨荧光显微镜（如受激发射损耗显微镜、结构光照明显微镜以及光激活定位显微镜等）逐渐吸引了科研人员的兴趣。为了得到高分辨率脂滴荧光图像，除了上述超分辨显微镜之外，还需要具有与之相匹配的高性能荧光探针。本文将简要介绍这几种超分辨显微镜的工作原理，讨论其对荧光探针光物理性质的特殊要求，并进一步系统总结脂滴超分辨成像荧光探针的研究进展。与此同时，本文将分析对比不同超分辨显微镜在脂滴荧光成像方面的优势与不足，并对其发展趋势进行展望。

超分辨光学显微成像技术具有非接触、无损伤等优点。现有超分辨成像手段大多依赖荧光染料，限制其应用场合。近年来基于频谱平移原理的无标记远场显微成像手段被提出，但其分辨率受限于波导材料折射率。利用双曲超材料(hyperbolic metamaterials，HMM)的空间频率带通滤波特性，结合亚波长光栅，激发大面积均匀高频体等离激元(bulk plasmon polariton，BPP)照明场，得益于照明的高波矢量，物体的高频信息可以转移到传统成像系统的通带，为远场图像提供亚波长空间信息。基于该方法，采用0.85数值孔径标准物镜，532 nm波长下2.66k₀横向波矢的BPP照明中心距为100 nm双缝结构成像，横向分辨力提高至λ/5.32。进一步提高BPP的横向波矢可使分辨力提升至λ/7.82。该方法无需标记，便于与传统显微镜集成，为生物医学、芯片工业、材料科学等领域的应用提供了一种可视化的超分辨手段。