光学显微技术广泛应用于微纳结构检测领域,在科学研究和国民经济中发挥着重要作用。但受衍射极限的影响,光学显微镜的横向分辨率最高约为波长的一半,在可见光波段其横向分辨率最高约为200 nm。基于微球透镜的超分辨显微成像方式具有简单直接、免标记等优点,一经发现就受到国内外研究人员的广泛关注。本文在微球透镜超分辨成像分辨率的分析、成像放大倍率的量化、成像清晰度的提升以及与干涉技术相结合实现三维形貌测量等问题上进行了深入研究。本文首先从几何光学、倏逝波传输和光子纳米喷射三个方面介绍和解释了微球透镜的放大效应和超分辨效应;以此为基础研究微球尺寸与微球透镜放大倍率的关联性,求解出微球透镜放大倍率与微球尺寸的关系式;通过对比实验,研究了微球透镜成像方式、入射光波长以及膜层厚度对于成像清晰度的影响,并结合光子纳米喷射效应对实验结果进行了仿真与分析。实验与仿真发现,将折射率为1.68、直径为8μm的三聚氰胺甲醛树脂微球部分浸没在膜层厚度为1.5μm的聚二甲基硅氧烷（PDMS）中,在短波长的单色光下微球透镜的聚焦效果最好,微球透镜的超分辨成像最清晰。更进一步地,从二维成像往三维测量方面拓展,研究了微球透镜超分辨与干涉显微技术相结合的测量方法。通过调节干涉物镜中参考板和分光板的相对位置,匹配微球透镜引入的光程差,获得样品经微球透镜超分辨成像的干涉图。通过移相算法和消除倾斜、曲率的处理算法,实现了微纳结构的三维检测。