光学时域延展成像（Optical time-stretch imaging,OTSI）是近年来发展起来的新型超快成像技术,具有皮秒量级的时间分辨率和微米量级的空间分辨率。作为一种非常重要的诊断和检测工具,OTSI已经在微观粒子检测、化学动力学研究和生物细胞成像等领域,对超快或非重复的瞬态现象的成像展示出了巨大的科研和应用价值。OTSI的工作原理主要分为两个方面,一是基于色散傅里叶变换理论的频谱-时间的映射,该过程将带有空间信息的频域脉冲转换到时域,同时对脉冲进行时间展宽;二是基于频谱编码的空间-频谱的映射,该过程利用空间扫描光场,将被测样品的空域信息一一编码到频域脉冲的光谱上。然而,由于传统时间色散介质的固有局限性,光学时域延展成像的光谱一般被限制在1550 nm波段,影响了其应用领域的推广。同时,在自由空间频谱编码结构中,对光纤耦合效率提升的研究存在不足。本文在基于角色散和时域色散的关系、材料色散和4f光学结构等基础上,针对现阶段OTSI系统存在的上述问题和研究不足,结合三种新型的时域色散结构和具有4f结构的空间频谱编码系统,在系统的时间色散和空间结构优化方面,开展了相关研究,主要工作内容和创新点如下:在时间色散研究方面,首先研究了新型双光栅结构时间色散的理论模型,在0.8μm波段可获得-10.2 ps/nm/m的色散值,提出了基于双光栅结构的时域色散成像方案,系统理论上的时间分辨率和空间分辨率分别达到了14.3 ps和16μm。其次,研究了新型双棱镜结构的时间色散和脉冲拉伸原理,在2.0μm波段获得了-0.5 ps/nm/m的色散值,提出了基于双棱镜结构的时域延展成像方案,理论上可获得最高11.5 ps的时间分辨率,且具有小于1 d B的色散损耗。同时,还提出了基于透明介质的时域延展成像方案,设计了透明介质的时间色散结构,在0.62μm波段理论上可获得15 ps/nm/m的色散值,系统具有0.6 ps的时间分辨率和28μm的空间分辨率。频谱编码作为光学时域延展成像的关键部分,对系统的光场传输效率起决定性作用,课题对其中的耦合系统结构进行了优化,将4f系统和频谱编码相结合,设计了基于4f结构的频谱编码光学成像系统。利用4f系统的对称性结构,将自由空间光到光纤的耦合效率从不足20%提高到了70%。同时,分别对自制样品和自然物体进行了基于4f系统的高效频谱编码成像实验。本文研究了三种新型结构的时间色散,将OTSI系统可应用的光谱范围扩展至可见光和近红外波段,同时还可有效降低系统的光损耗、成本并减小系统复杂度。基于4f结构的频谱编码系统能够较好地改善光耦合效率,提高光能利用率。课题的研究为进一步扩大光学时域延展成像的应用领域和改善系统的性能提供了重要的理论指导和实际应用价值。