偏振光学成像是一种非标记、无损伤的检测技术，对亚波长微观结构的变化比较敏感，可以提供丰富的组织结构和光学信息。然而，在可见波段范围内，生物组织是强散射介质，光在组织中传播时会经历多次散射，失去原本携带的相位和偏振信息，从而影响光学成像的对比度和分辨率。本团队结合空间频域成像和偏振光学成像方法，搭建了偏振空间频域成像系统。通过高频空间频域成像控制照明光的穿透深度，利用穆勒矩阵表征样品浅层的偏振参数，进而反映样品浅层的微观结构信息。实验结果显示：偏振空间频域成像系统测得的灰阶板漫反射率与标准值线性相关（R²=0.99988）；退偏系数与脂肪乳体积分数成正比关系，二向衰减系数随二向衰减器导致的二向衰减增大而增大；该系统可以准确测量四分之一波片和全波片的相位延迟，表明该系统可以准确测量样品的偏振参数。对比传统偏振光成像和偏振空间频域成像结果可以发现，偏振空间频域成像可以有效控制成像深度，精确测量样品浅层的穆勒矩阵。采用该系统对烧伤猪皮进行检测，测量结果显示：猪皮组织内部的胶原蛋白结构被破坏，相位延迟降低。本研究结果预期能够有效提升浅层组织偏振特性检测的准确性，促进肿瘤的早期检测。

针对目前临床上尚缺乏有效可行的烧伤程度精准诊断的难题，本课题组研究了基于空间频域成像的烧伤程度无创定量评估方法。本课题组通过基于单次快照多频解调方法的空间频域成像技术，实时、大面积、高分辨地反演出了与烧伤组织结构、生理特性紧密相关的光学参数(吸收系数与约化散射系数)，并结合系统聚类方法与多参数降维分析，提高了烧伤程度分类的准确性，缩短了分类时间。鼠烧伤模型的实验结果表明：动态监测光学参数的变化趋势可以显著区分出三种不同的烧伤程度，系统聚类分析缩短了分类时间，基于主因子的多参数降维分析表现出了更强的抗干扰性。本文方法为临床烧伤的早期诊断提供了一种极具潜力的实现途径。

人体皮肤组织的光学参数和生理参数对于众多疾病的检测与监测具有重要意义，基于空间频域成像技术提取光学、生理参数具有潜在的临床应用价值。空间频域成像技术需要至少在两个波长下提取氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白浓度；在反演人体皮肤组织中的氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白浓度时，皮肤中的黑色素会增加结果的不确定度。本课题组搭建了一套空间频域成像系统，在反演人体皮肤组织生理参数的算法中引入最小二乘法和最小误差准则，以解决不确定度问题。实验结果表明：该系统获得的梯度漫反射板的测量值与准确值线性相关，且获取的组织仿体的吸收系数与直接测量法获取的吸收系数的偏差在0.3%～9.6%之间，验证了该系统测量光学参数的有效性。通过对不同黑色素含量的组织仿体进行测量后发现，系统的测量浓度与配制浓度之间显著相关。血液仿体实验和动脉闭塞实验结果表明，系统测量的氧合血红蛋白、脱氧血红蛋白、总血红蛋白浓度以及血氧饱和度随时间变化的趋势符合血液实验变化趋势和闭塞条件的变化趋势，进一步验证了空间频域成像算法提取生理参数的准确性。在体和离体实验结果均说明空间频域成像方法可以用于组织体中血氧饱和度的测量，为实现相关疾病的无创、快速检测提供了新手段。

本文提出了一种单像素空间频域成像的实时化方法，该方法可动态测量多波长下的空间频域漫反射图像，并快速重构光学参数。动态单像素成像采用交叠成像窗口方式，即只更新少数测量值来重建新一帧图像，其他测量值与前一帧共享，因此在相同的测量时间内可以获得传统方法两帧图像间的多帧中间状态图像，有效提高了单像素成像的帧率。针对空间频域漫反射图像的频谱分布，设计了圆形路径下单像素采样模板的测量顺序及成像窗口交叠长度，以保证动态成像过程中漫反射图像的直流成分和交流成分同步更新。为快速重构光学参数图像，提出一种基于区间优化和像素优化的快速查表法，该方法有效减少了传统查表法重构光学参数过程的冗余运算，提高了重构速度。使用搭建的单像素空间频域成像系统对所提方法进行了一系列仿体验证，结果表明，所提方法可以实现超过10 frame/s的多波长漫反射图像的实时测量，并可以以低于2%的误差实时重构光学参数图像。

空间频域算法作为白光干涉测量的重要算法之一，被广泛应用于微纳结构表面形貌测量领域。然而，传统空间频域算法中存在着由被测样品倾斜及表面形貌起伏变化引起的相位误差累积效应，并且该相位误差与干涉信号中零光程差位置的偏移程度密切相关。为此，对相位误差累积效应的原理进行分析，并在传统空间频域算法的基础上提出了一种基于包络信号辅助分析的方法以抑制相位误差累积。该方法首先通过包络信号分析对原始干涉信号中的零光程差位置的偏移进行对称性校正，再通过空间频域算法对校正后的对称信号进行相位分析，从而尽可能抑制零光程差位置偏移对空间频域分析的影响。为了验证本文方法的有效性，分别从仿真和实验的角度对该方法进行讨论。

提出了一种基于空间频域分析的白光干涉测量算法,该算法通过消除相位信息中的2π模糊来实现高精度的表面形貌测量。在频域分析中可以同时提取样品的相干形貌和相位形貌。相干形貌虽然不受2π模糊的影响,但是包含测量误差,精度较低。相位形貌虽然能够实现较高精度的表面形貌测量,但存在2π模糊问题。因此采用相干信息与相位信息相结合的方式来消除相位信息中的2π模糊。此外,针对由背景噪声和光源扰动所引起的局部相位突变,提出了相邻像素点差分分析方法,有效消除了局部相位突变,从而提高了测量的稳定性。该方法不需要复杂的计算,工作效率较高。分别从理论和实验两个方面进行分析,以验证提出方法的有效性。

基于显微白光干涉术,利用扫描干涉显微镜对四台阶面阵微光栅记录了128幅白光干涉图,并分别运用重心法、空间频域算法、移相算法及包络曲线拟合法对扫描干涉图进行了分析处理。被测微光栅的形貌及周期在各算法下均完全吻合,台阶总高最大相差0.8%。同时,用美国Veeco白光轮廓仪对同一样品的形貌及光栅周期进行了测试,数据显示两者结果非常吻合,仅台阶总高相差0.7%。研究结果表明,所采用的四种算法均适用于微观三维形貌的测量。

白光干涉术测量表面形貌, 解决了单色光干涉测量中的相位不确定困扰。基于扫描白光干涉术的空间频域算法, 具有受噪声影响小、计算精度高的优点。运用这一算法通过 Mirau扫描干涉显微镜对台阶状样品表面进行了两次白光扫描测试, 得出了台阶表面形貌结果, 且两次测量的台阶高度相差不超过 1 nm。同时, 利用 Zygo Newview 7200白光形貌仪对同一样品表面进行了测试对比, 结果表明:两者得到的样品表面形貌一致, 台阶高度相差 0.9 nm。此外, 实验数据处理的结果还表明:运用空间频域算法进行分析时二阶以上的色散完全可以忽略。

运用扫描白光干涉法对30CrMnSiA合金韧窝断口复杂的三维表面微观形貌进行了检测。系统采用Linnik干涉结构, 并通过基于扫描空间余弦傅里叶频域分析的算法重建断口表面三维形貌。实验中扫描行程达120 μm, 纵向检测精度优于5 nm, 余弦傅里叶分析表现出很强的位相提取和噪声抑制能力, 韧窝断口微观形貌的三维重建效果理想。采用小岛法对获得的三维形貌数据进行分形维数测算, 在40%～70%相对切割高度处, 断口表面分形维数为1.630 4～1.643 2, 平均值为1.641 7, 标准差为0.012 0。结果显示, 30CrMnSiA合金韧窝断口微观形貌具有典型的分形特征。实验表明, 扫描白光干涉术是检测断口微观三维形貌的一种有效方法, 具有纵向精度高, 测程范围大, 重构效率高等特点。

为了精确定位白光干涉条纹的零光程差位置，采用空间频域算法通过傅里叶变换提取白光干涉信号中心波长的相位信息并结合包络中心算法去除相位模糊从而实现零光程定位。实例测量了具有相位突变的计算全息元件的表面轮廓，其平均刻蚀深度为1.63 μm。测量表面形貌连续分布的微透镜阵列，0.32 mm×0.32 mm 视场内表面PV 为370.99 nm，RMS 为62.4 nm。空间频域算法能够有效定位白光干涉零光程差位置，适合于测量微观表面轮廓分布。