胶原纤维遍布人体全身组织,其对组织和器官的机械稳定性、弹性和功能至关重要,因此,了解胶原纤维的结构和方向对研究胶原纤维本身在组织中的作用和对一些疾病的诊断治疗具有重要意义。现有的检测胶原纤维结构方向的技术虽然取得了非常好的成果,但仍然具有一定的局限性。例如基于光学散射方式来检测胶原纤维结构和方向的技术都无法避免成像深度浅的问题,而且需要对组织进行固定、切片等处理,无法实现在体测量,而依靠X射线的技术则产生电离辐射。偏振光声成像技术依靠组织的各向异性光吸收特性提供对比度,从而能对光学各向异性的物质进行特异性成像,目前该技术还处以初步探索阶段。本研究利用胶原纤维具有很强的光学各向异性的特点,采用偏振光声成像的方法来检测胶原纤维的结构和方向。本研究首先分析了各向异性物质在线偏振光照射下引起的光声效应,根据该光声效应提出了基于高次谐波的偏振光声成像方式,并对该方式进行了数值仿真。之后设计搭建了双聚焦偏振光声成像实验系统,该系统既能对组织进行二维偏振光声成像也能三维偏振光声成像,此外还标定了该系统在二维成像以及三维成像时的横向分辨率。在三维偏振光声成像时,该系统还使用了基于相干系数权重的合成孔径聚焦技术来提升系统的横向分辨率,为了对三维数据进行可视化,还编写了基于可视化工具包以及光线投射算法的三维重建算法。在之后分别设计了二维以及三维的各向异性和各向同性仿体实验,对仿体二维以及三维偏振光声成像,以验证二维和三维偏振光声成像的理论和本文搭建的偏振光声成像系统。最后使用该偏振光声成像系统对离体牛腱以及猪眼睛视神经乳头周围巩膜的胶原纤维成像,检测其胶原纤维的排列方向。对系统成像深度测定的实验表明偏振光能在5倍于光子自由程的深度下仍然保持一定的偏振性,本文设计的偏振光声成像系统能在3倍的光子自由程深度下区分各向异性的物质。二维各向异性以及各向同性的仿体实验表明,在二维偏振光声成像时。基于高次谐波和各向异性度的成像方式均能区分和量化各向异性的物质,而且基于高次谐波的成像方式鲁棒性要强于基于各向异性度的成像方式。三维各向异性和各向同性仿体实验表明光每通过一层各向异性物质都会在该层物质的光声信号随入射光偏振角的变化曲线中引入特定的高次谐波成分,必须通过检测该高次谐波成分才能在三维情况下正确区分和量化物质各向异性。仿体实验验证了基于高次谐波的偏振光声成像理论,也证明了本文搭建的偏振光声成像系统能够对各向异性物质进行特异性成像以及量化物质的各向异性。离体牛腱胶原纤维的偏振光声成像表明牛腱胶原纤维的各向异性度低于0.15,其光声信号在二倍入射光偏振角频率处的强度也低于0.2,但是偏振光声成像依然能对其实现特异性成像,并检测胶原纤维的排列方向。对离体猪眼睛视神经乳头周围巩膜的胶原纤维成像表明,在视神经乳头周围的圆周纤维区域,具有很强的各向异性,而远离该区域外侧的胶原纤维则大部分为各向同性。综上所述,本文提出的基于高次谐波的偏振光声成像技术和设计的偏振光声成像系统能够检测胶原纤维的结构和方向,以及量化各向异性的强度。相较其他方法,偏振光声成像技术更加直接,且更有可能实现在体测量,研究内容对偏振光声成像的理论探索以及应用研究都具有一定的意义。