随着人类对微观物体研究的不断深入,传统光学显微镜已经不能满足某些场合下的研究需求。本论文研究了多维度显微成像系统及其一系列的图像数据处理方法。通过融合显微视觉技术、计算机三维重构技术、分子高光谱成像技术以及图像拼接技术等多种技术,实现对传统光学显微镜的硬件拓展以及多模式图像采集与多维度数据处理功能。在系统设计方面,本论文提出一整套方案完成了对光学显微镜的硬件拓展以及系统配套的软件开发。系统对图像采集的曝光时间控制范围可达0.1ms-65s,调节精度为0.1ms；系统对样本在三维空间的移动精度可达0.1um；系统对透射光波长的调节范围为550-1000nm,光谱分辨率可达lnm。系统的软硬件均具有很好的稳定性,系统能够在一个小时以上的连续长时间工作中,实现多模式的高质量图像采集。在数据处理方面,本论文从多个角度对图像处理方法进行了研究,包括二维散焦图像的预处理、基于二维散焦图像的三维表面重建、相邻视场的图像拼接以及图像三维空间数据加光谱数据的四维信息重建。在以上图像处理功能的实现过程中,本论文对现有方法进行比较分析并针对某些步骤提出了一些改进型方法：(1)在二维图像预处理阶段,本论文提出了一种基于空白图像的掩膜生成方法和一种基于最大类间方差的像素值替换法,有效去除了背景信息与高亮噪点。(2)在三维表面全焦图像生成阶段,对于从多层散焦图像中提取的清晰区域,本论文提出一种光强补偿的加权平滑算法和一种缺失区域的补齐方法,实现了全焦图像中重叠区域的平滑与缺失区域的填补。(3)将三维重建方法与图像拼接算法相结合,分别对相邻视场中生成的全焦图像与高程数据进行拼接,再将两者的拼接结果结合在一起实现多视场三维模型的拼接。(4)实现了图像三维空间数据加一维光谱数据的四维图像数据采集,并定义了这种四维图像的数据格式；将三维重建方法与高光谱成像技术相结合,实现了三维模型与其对应光谱数据共四维信息的重建。本论文通过实验验证了系统所设计的各种数据处理功能,具有一定创新性与科研价值。本论文同时总结了系统当前的局限性与下一步的改进方向,为该系统的进一步发展提出建议。