生命体是由大量有机排列的分子组成的，其结构不仅与分子的位置分布有关，还与分子的排列方式和空间取向有关。偏振荧光显微成像技术利用荧光的偏振特性，能够对生物结构的分子取向进行观测和成像，进而从分子层面揭示生命活动的功能和代谢信息，有力推动了生物医学相关领域的研究和发展。本文从偏振荧光成像原理出发，对目前存在的多种偏振荧光显微成像技术进行原理介绍和现状分析，列举了其在生物医学领域的相关应用，讨论了其发展趋势及前景，旨在为该领域的科研人员了解偏振荧光显微成像技术提供参考。

对目标进行更多属性信息的获取, 是光学传感器不断追求的目标。 偏振属性探测和传统光谱成像技术相结合的偏振光谱成像技术具有分辨“异物同谱”、 实现“目标凸显”、 “动态调节”、 “耀斑抑制”的能力, 蕴藏非常重要的应用潜力。 目前的偏振光谱成像系统存在诸多的缺点, 如结构复杂、 体积大、 通道串扰、 多维信息提取繁琐等问题。 针对上述问题, 提出一种基于线性渐变滤光片（LVF）和像素化偏振调制的紧凑型偏振光谱成像方法。 涉及关键技术有: 基于高光谱分辨率需求与短焦距约束, 采用双高斯结构作为初始光学结构, 并通过参数设计进行光学系统的仿真与实现; 采用LVF作为分光元件, 进行参数设计与验证, 与像素化偏振调制探测器在像面上进行耦合, 实现光谱信息与偏振信息同步获取。 基于上述技术路线进行了样机集成, 在实验室暗室对系统样机进行光学指标测试, 最终指标为: 工作波段: 430~880 nm, 空间分辨率: 0.22 mrad, 光谱分辨率为: 10 nm, 四偏振态同步获取, 系统传递函数: 0.547, 偏振探测精度: 89.4%, 光机系统总尺寸: 45 mm×45 mm×80 mm。 在室外进行推扫实验, 成像效果良好, 中心波长不同偏振态下的单色图有较明显的强度变化; 对全局图像进行多维信息提取与融合, 不同地物的特征光谱曲线有明显的波谱差异, 满足预期设计目标。 该方法突破了传统偏振光谱成像技术路线的缺点, 为偏振光谱成像多维信息获取提供了一种新型且有重要应用价值的方法。

为提高偏振调制激光测距方法精度，针对采样信号存在波形变形问题，提出了基于改进移动最小二乘（IMLS）算法的偏振调制激光测距方法。首先，基于偏振调制测距原理分析了调制信号波形变形产生的原因和频率解算准确度对测距精度的影响；然后，提出了基于IMLS算法的偏振调制激光测距算法，搭建了偏振调制激光测距系统；最后，分析和验证了IMLS算法的权函数、影响半径等参数对测距精度的影响，并对所提算法、摇摆法、最小二乘法进行了测距精度对比分析和验证。实验结果表明：在11.94 m的被测距离下，选用正态加权函数作为权函数，形状参数为3，影响半径为500 kHz时，基于IMLS算法的偏振调制激光测距算法的误差最小，仅为0.111 mm，此方法的测距精度优于摇摆法和最小二乘法。基于IMLS算法的测距方法适用于偏振调制测距系统，可有效提升测距精度。

向列相液晶可变相位延迟器(LCVR)已逐渐成为空间偏振调制仪器的研究热点，然而，国内没有液晶器件在空间使用的经验，液晶器件在各种空间环境下的适应性如何尚未可知。因此，本团队设计了一套星载向列相液晶相位延迟测试系统，该系统不仅可以在地面的空间力、热模拟环境中测试LCVR的关键性能，还可以搭载在卫星上对LCVR的相位延迟稳定性进行在轨验证。本文首先阐述了LCVR相位延迟的测量方法并实现了光机电系统的优化设计，在此基础上，研究了LCVR在空间力、热模拟环境中的电光性能。研究结果表明：力学试验前后，LCVR的电光性能未发生明显变化；在热试验中，LCVR的相位延迟-电压曲线的稳定性在0.185°以内。本次试验发现LCVR的相位延迟-电压曲线随环境温度呈线性变化，该结果为未来星上数据校准提供了数据支持。最后，在长达9个月的不间断运行测试中，LCVR的相位延迟-电压曲线长周期变化小于1°，标准偏差为0.27°。这表明该液晶试验仪长周期工作性能良好，可以满足在轨测试需求。

传统荧光显微成像技术以荧光强度为成像对比度,在获取生物分子位置和浓度信息中具有重要作用,为分子层面的生物医学研究提供了成像工具。而偏振作为荧光的另一重要特性,可以在另一维度提供分子的方向和结构信息,已被广泛应用于荧光偏振显微成像技术中。除此之外,荧光偏振调制也可以通过增强荧光图像稀疏性进而增强图像对比度来获取超分辨尺度的生物分子的位置和方向信息。从物理基础、技术原理、基本实现装置和生物应用等方面,总结了基于荧光偏振特性的不同荧光偏振调制成像技术在分子方向结构成像、超分辨显微成像以及二者的结合方面的发展概况,并对该技术未来的发展方向进行了展望。