生物组织内部结构的检测及成像方法是生物医学领域的一个重要研究课题。与传统的超声波成像、磁共振成像、X射线计算机层析成像等非光学成像方法相比,光学成像方法(如光学相干层析成像、激光扫描共聚焦显微镜、光声层析成像等)具有分辨率高、安全无侵害、成像速度快、成本低等优势,因此近年来受到了人们的广泛关注。生物医学的光学成像方法依赖在生物组织内部传输的光子获取信息。然而,对于波长在光谱范围内的电磁波(即光波)来说,生物组织是一种强散射介质。光在生物组织中传播时会发生严重的散射效应,从而使其丢失方向信息。而最近发展起来的波前调控技术有望解决这一问题。波前调控技术依靠振幅或相位调制器件对入射光的波前进行调控,从而实现对光传输路径的控制。然而,若想将波前调控技术应用于组织内部结构检测,则需要解决焦点峰背比不高、系统装置复杂且需设计、实验样品制备困难等难题。针对这些问题,本文对基于波前调控的光聚焦技术进行了理论及实验研究,并以其为基础搭建了透过散射介质进行荧光结构检测的成像系统,为探索生物组织内部结构检测方法提供指导。现将本文的主要创新点总结如下:1.基于波前调控的光聚焦技术基础研究。(1)提出了一种用于数字微镜(Digital Micro-mirror Device,DMD)振幅调控光聚焦系统的优化判据——SBR判据。使用基于DMD振幅调控的光聚焦模型对此判据进行模拟,获得了 22.5%的相对增强因子值(大于传统TPI判据的15.9%)。同时,本文使用基于DMD振幅调控的光聚焦实验系统对该判据进行了实验研究,验证了模拟结果的正确性。此判据对于提高基于DMD振幅调控光聚焦系统的焦点峰背比具有重要意义。(2)针对目前波前调控光聚焦领域中参考场定义不明确问题,在研究了散斑光场强度统计分布特性的基础上,提出了一种适用于整个波前调控光聚焦领域的参考场定义标准——1/e2准则。使用此准则,本文进行了基于DMD振幅调控的光聚焦实验,得到的增强因子数值均在合理范围之内,论证了此准则的有效性。此准则为比较不同光聚焦实验的实验结果提供了标准。(3)基于超像素原理,研究了使用DMD进行相位和振幅共同调控的方法,并将其应用到波前调控光聚焦实验装置中。使用该装置进行了基于遗传算法的波前调控光聚焦实验,获得了高达71.4%的相对增强因子值。2.样品制备方法。在散射样品制备方面,研究了散射介质的散射特性,并据其制备了具有强散射特性的ZnO散射片样品;根据生物组织的吸收、散射特性,制备了与生物组织具有相近光学参数的TiO2组织仿体。在荧光结构样品制备方面,搭建了一套光刻系统,并用其制备了尺寸在1 00μm～1mm范围内的荧光结构样品;使用喷涂法制备了尺寸小于100μm的荧光结构样品。另外,针对本文的特定实验需求,设计并制备了具有散射特性的微观荧光结构样品。3.基于波前调控光聚焦技术、光学记忆效应原理和激光扫描荧光显微成像原理,分别搭建了基于DMD振幅调控、基于液晶型空间光调制器相位调控和基于超像素原理的相位振幅共同调控的荧光结构检测系统,实现了透过散射介质对微观荧光结构的显微成像。使用SSIM指标对这三种荧光结构检测系统的成像性能进行了评估,结果表明:高峰背比的光焦点对于提高荧光结构检测系统的成像性能至关重要。本荧光结构检测系统对于生物组织内部结构的显微成像具有一定指导意义。