光学相干层析成像技术因具有高分辨,非入侵和实时成像的特点,被广泛应用于各种基础研究和临床医学中。但光在通过无序的生物组织时,由于折射率不均匀而发生的多次散射,限制了OCT的成像深度为1～2 mm。近些年来,随着使用空间光调制器优化入射光的波前、样品反射/传输矩阵测量和时间反演等技术的出现,人们提出了很多新型的穿透散射介质成像和聚焦的技术,这其中就包括反馈式的波前整形、光学反射/传输矩阵的测量、光学记忆效应、光学相位共轭和基于神经网络深度学习等技术。为了克服散射带来的畸变和实现穿透高散射介质的成像,本论文把散射介质成像和聚焦等理论与OCT技术相结合,在实现更深的成像深度、提高系统的采样速度、提高波前整形的速度、研究光束在介质内部的传输特性和实现光束位于介质内部的聚焦等方面,一共做了以下四部分的工作:1.通过把光学反射矩阵的测量、奇异值分解和基于光外差探测的OCT技术相结合,实现了从样品深度位置处占主导地位的多次散射光子中对携带与成像平面有关的单次散射光子的提取,并最终验证了该新型的基于反射矩阵的OCT技术具有穿透高散射介质的成像能力。在采样速度方面,使用锁相探测代替了最初的四步相移法来实现对样品光复电场的测量,每个点的采样时间从原来的4.15 s缩短到了0.37 s。在成像深度方面,新型OCT系统的成像深度达到了15.2倍的平均散射自由程,而传统的OCT一般为6～7倍的平均散射自由程。2.搭建了一台高灵敏度的相位敏感干涉仪来准确重构光的复电场信息,并在此基础上提出了基于单次输入到输出光场的分析法来实现最优化波前的高速测量,最后通过在空间光调制器上加载这一波前实现了光束位于散射介质后的聚焦,整个波前整形过程只需113 ms。无论是实现穿透高散射介质后光束的聚焦还是无畸变的成像,波前整形技术的最大意义在于它证明了光的散射是可以被克服和补偿的。而传统的波前整形方法,不论是迭代式的回馈算法还是传输矩阵的测量,往往需要花费大量的时间。因此,不管是为了提高成像分辨率还是为了增加成像深度,只有提高波前整形中最优化波前的测量速度,才能更好的把该技术应用在各类光学成像方法中。同时,对于所有基于点扫描的光学成像技术来说,实现光束位于成像平面的汇聚是成像的首要条件。因此,把波前的测量时间从初始的几分钟缩短到了几百毫秒这一工作,为将来突破光学成像深度的极限提供了一定的基础。3.在能够准确测量样品反射矩阵的基础上,通过引入时间反演算法计算出了位于介质内部不同深度和横向位置处的空间分辨率矩阵。首次实现了对样品不同位置处实际分辨率的客观评估,和传统意义上的空气中的横向和轴向分辨率不同,实际分辨率矩阵的测量可以更好的帮助人们认识物质的微观结构。最后,通过提出了成像贡献量的概念,从客观数值上解释了随着成像深度加深图像逐渐变模糊的原因。4.提出了一种不依赖于导星、具有更普遍适用性的方法实现光束在散射介质内部的聚焦。光束在介质内部的传输和能量的再分布是一个十分复杂的过程,首先通过时间反演算法得到了光束在样品内部不同深度位置处的能量分布,这一反演结果的重要意义在于它就像在介质内部放入了一个相机一样,可以实现了对介质内部光束的观察。再基于样品反射矩阵的测量和对其求逆来找到最优化的波前,通过使用空间光调制器按照这一波前对入射光进行相位调制。最终,实现了在样品200μm深度位置处光束的再次汇聚。同时,在位于样品300μm深度位置时,虽然没有获得完美的汇聚光斑,但光的汇聚度有所提高且相对能量也有一个数量级的提升。