超高分辨率荧光成像技术的发展,使得突破光学衍射极限的活体实时观测成为可能,为研究细胞内特定蛋白以及基因调控提供了强有力的研究手段。其中,基于单分子定位技术的随机光学重建显微技术(STORM)空间分辨率达到了约20nm,使得STORM成像技术在很多领域得到了应用。相对于横向分辨率的极大提高,目前仍没有合适的办法可以实现纳米级的纵向成像分辨率,研究如何在轴向提高荧光分子定位的精度仍是超分辨成像领域的热点问题。本文研究了柱透镜参数与点扩散函数椭圆率的相互关系,完成了成像仿真,设计并搭建了STORM-SIM系统,优化了柱透镜参数的选择,利用所搭建的系统完成了对细胞微丝骨架的3D-STORM与2D-SIM成像。第一部分主要介绍3D-STORM成像的算法及完成成像过程的仿真(第2章)。讨论了3D-STORM采用的单分子定位算法。详细描述了质心法与高斯拟合法的原理,并利用MATLAB,使用高斯拟合算法完成3D-STORM的模拟工作。第二部分主要介绍了基于柱透镜的三维超分辨率成像系统的搭建以及柱透镜参数的优化(第3、4章)。设计了一套基于OLYMPUS IX-83搭建的STORM-SIM光学系统,完成各个部分的调试工作,包括光源模块、光路切换模块和荧光成像模块等。设计柱透镜安装位置,利用三个不同的柱透镜,研究如何优化柱透镜参数的选择。该系统光路简单,调试方便,在普通实验室也能实现。结果表明,该系统3D-STORM成像轴向分辨率可以达到约90nm。第三部分主要介绍成像系统工作于SIM模式下的情况(第5章)。详细介绍SIM成像过程与算法,利用DMD生成矩形光栅,经傅里叶变换后滤波产生正负一级光束在焦平面进行干涉产生余弦条纹照明样品。着重介绍了系统中的关键技术与参数,并进行实验成像。最后,对全文做出了总结,分析了实验中的不足和可行的解决方法,并对超分辨率成像进行了展望。