如何突破传统光学衍射极限、提高成像分辨率是现代光学超显微成像技术的发展方向和研究热点。与传统的直观强度成像技术完全不同,非直观成像技术是针对现有成像光路偏振态、波相位、波矢方向等光波矢量状态参数实行模式化调制,根据该光波矢量与物质的耦合传导、近场获取信息、远场传输与物理反演近场光波参数变化,并用这些参数变化直接表征物质结构与多维物化信息,从而获得非直观图像的测量方法。与传统的直观光学显微成像方式相比,在提高分辨率的同时,还具有快速凝视、高测量效率、物质多维信息互补分析、生物活体无损等优势。本论文首先介绍了光的电磁场理论和微观物质结构的近场偏振耦合基本原理。分析了点扩散函数(PSF,Point Spread Function)在实现非直观超分辨成像中的作用,并通过方解石双折射现象分析,验证了相位差与偏振态调制变化对PSF的影响。根据物质结构各向异性与近场动态耦合机理,论文中提出了远场偏振参数非直观超显微成像的新方法,即在传统显微镜光路中置入偏振模式化调制装置,采用偏振调制光源照射被测试样,与具有各向异性结构特征的物质发生耦合作用,从而获得具有不同PSF分布的近场信息,再通过拟合、过滤,来实现对PSF扩展域的收缩,以打破衍射极限,提高分辨率。这为实现非直观超显微反演成像提供了理论依据。论文在分析物质各向异性结构与光学矢量参数相互作用关系的基础上,根据被测试样物质各向异性结构特征,研究并提出了一种基于偏振参数模式化调制的非直观图像反演方法。首先根据试样物质类型选择适合的物理模型,对试样进行模式化调制照明,读取非直观图像数据并进行远-近场拟合过滤,按照相关物理模型提取非直观图像中的偏振参数;再从光场的所有像素的模式化调制变化的差分中直接采用快速傅里叶变换获取非直观参数,实现超分辨图像反演。实验表明,非直观偏振参数成像对于近场散射光场更加敏感,能够获得更精细的散射分布,分辨率更高,对比传统直观成像,远场偏振参数调制成像检测能够使分辨率达到30-70nm,具有更高的几何形貌分辨率,内部结构的更高灵敏性,特别具有物化特征传感能力,具有重要的科学意义与工程应用价值。根据上述非直观成像理论,论文阐述了非直观成像测量系统原理样机的设计方法,包括对偏振空间位相、双正交偏振间相位差等进行周期性调制的光机系统设计,根据不同照明、摄像条件、试样等偏振参数模式化调制,进行非直观测量结果分析的软件设计等。分析了测量模型的标定方法和可能的误差来源,利用已有的CCD噪声模型,通过设定不同的CCD像面照度,分别仿真并计算各照度下传统强度成像获得的信噪比、以及通过偏振参数调制成像获得的测量精度,最终建立直观成像强度图像的信噪比与非直观成像的偏振参数模式化调制获取的图像测量的精度关系,从而分析获得降低噪声对偏振参数调制非直观成像精度的影响的途径。针对大数值孔径物镜引起的误差标定,提出了一种基于琼斯光瞳技术的像素(组合)单元标定方法,较好地消除了偏振参数调制非直观成像系统相应的不均匀响应导致的固定图形噪声。论文还介绍了非直观超显微成像技术在石墨烯材料、人体手皮细胞及人民币细微纹线检测等方面的实际处理效果,应用结果充分显示了非直观成像继承了常规宽场光学成像的快速高效性,还同时拥有超分辨三维形貌与多维物化特性的成像探测能力,以及低成本、高可重复性、试样无损等优点。最后,论文对完成的主要工作进行了总结,并对非直观超显微成像技术的未来发展前景进行了展望。