散射介质在我们的日常生活中无处不在,例如毛玻璃,粗糙墙面,不透明的生物组织等。一方面,散射介质是成像过程中的一个阻碍,因为其会随机地改变光线的传播方向,进而破坏物与像之间的直接对应关系;另一方面,散射介质也是一个很好的光学元件,其对光线的强散射特性可扩大成像系统的数值孔径,进而实现超分辨率成像;同时,散射介质在工业及医学领域也具有广泛的用途,例如多模光纤作为一种特殊的散射介质,近期被用于探索制作新一代超细内窥镜及便携式光谱仪。因此,研究散射介质成像具有很强的现实需求和应用前景。基于散射介质成像,目前常用的技术有点聚焦扫描、计算鬼成像、散斑相关、深度学习、传输矩阵等。在这些方法中,点聚焦扫描技术、计算鬼成像技术在成像过程中需要执行长时间的扫描操作;散斑相关技术只对薄的特定散射介质才有效;而深度学习技术的成像质量严重依赖于训练样本的特征及其数量。与以上方法相比,传输矩阵技术具有无需扫描、适用于厚散射介质、成像性能稳定等优点。因此研究传输矩阵在散射成像中的原理及技术,对科学研究和工程应用都有重大的价值。基于传输矩阵思想,本论文首先研究了散射介质的光场传输响应特性,通过构建光场传输矩阵对不同散射环境下的目标进行了成像;其次,针对光场传输矩阵在某些特定应用领域,特别是在光纤内窥镜研究过程中尚且存在的缺陷,探索了一种基于散射介质光谱传输矩阵的柔性内窥成像方法。论文的主要研究工作和创新性成果如下:(1)研究了散射介质光场传输矩阵技术的成像机理,并分析了影响成像质量的关键因素。首先,基于光子随机步行模型及光场传播理论分析了光线经过散射介质以及到达最终成像面的完整传播过程,并以此为依据构建了散射介质的光场传输矩阵;其次,基于线性时不变理论推导了目标物体的空间信息与其输出散斑光场之间的对应关系,利用仿真实验验证了基于光场传输矩阵进行散射成像的理论可行性;更进一步地,针对光场传输矩阵技术中的核心问题,例如散斑光场获取、重建算法进行了研究,并分析了光场测量误差、探测器分辨率等因素对成像质量的影响。(2)通过实验验证了光场传输矩阵技术对强度型目标的成像能力,并提出了一种复振幅型目标构建方法,进一步验证了其对复振幅型目标的成像能力。首先,搭建了物光与参考光分离的物参分路成像系统,结合数字相移干涉技术,获取了散射介质的光场传输矩阵,并基于该传输矩阵对强度型目标进行了成像;其次,提出了一种基于液晶空间光调制器(LC-SLM)的复振幅型目标构建方法,搭建了物参共路成像系统,验证了光场传输矩阵技术不仅可以重建目标物体的振幅(强度)信息,同时还能重建其相位(形貌)信息,具有复振幅成像能力。(3)针对目前光场传输矩阵技术只能克服光场的单程畸变,无法对散射介质背后的目标进行内窥成像这一问题,提出了基于往返光场传输矩阵的主动照明内窥成像思想。该往返光场传输矩阵不仅记录了反射光的输出传输响应,同时还记录了入射光的输入散斑照明光场,因此具有同时克服入射及出射两次散射的能力。实验中,搭建了主动照明内窥成像实验系统,对由数字微镜器件(DMD)构建的二值强度型目标及USAF 1951分辨率测试板进行了成像,验证了该方法的可行性。(4)针对光场传输矩阵技术对成像系统稳定性要求高这一局限,提出了基于散射介质光谱传输矩阵的柔性内窥成像方法。该方法利用对形变不敏感的单模光纤来导光,利用对光谱响应敏感的散射介质来进行随机空间-光谱信号编码,可用于探索制作新一代超细柔性内窥镜。实验中,首先测量了散射介质的光谱传输矩阵,然后基于目标的光谱传输响应对其空间信息进行了重建,最后验证了该成像方法对光纤形变的鲁棒性。