细胞、病毒、生物大分子对生命活动具有重要影响,其探测和形貌结构的表征是生命课题研究的基础。光学显微成像方法因其试样要求低,环境适应性好,检测方便、快捷、无损等特点,在生物样品的表征探测方面具有巨大的优势。但受光学衍射极限影响,光学显微成像方法分辨力较低,限制了其应用拓展。由于散射体的散射光场偏振特性与散射体的微观结构参数密切相关,通过对散射光场的偏振特性的测量可以提高生物样品的探测表征能力。本文基于纳米散射场光子偏振状态测量成像方法和时域有限差分（Finite-Difference Time-Domain,FDTD）方法数值模拟,利用金纳米颗粒和纳米孔结构,通过散射场偏振参数测量,实现了腺病毒颗粒以及Shp2蛋白分子的高敏感成像探测;在无荧光标记情况下,实现了椭球状、长棒状以及不规则形状的多尺度细胞微观结构的高分辨表征。主要的研究内容和结果如下:归纳总结了Mie散射理论和准静态近似、几何光学近似以及Rayleigh-Debye-Gans近似条件下的电偶极子、球形和椭球形颗粒的散射特性,给出了对应的散射场表达式。基于散射体引入的偏振相位延迟,提出了一种散射场光子偏振状态测量方法——快速偏振参数非直观显微成像（Polarization parametric Indirect Microscopic Imaging,PIMI）,通过穆勒矩阵推导和傅里叶级数展开,实现了偏振参数计算。利用液晶相位延迟器（Liquid Crystal Variable Retarder,LCVR）搭建了PIMI检测系统,精确标定了PIMI系统中LCVR的延迟相位以及偏振旋转角度与延迟相位之间的关系,同时,基于菲涅尔反射定律,量化标定了系统内非偏振分光镜以及高数值孔径物镜引入的线偏振像差,并针对线偏振像差进行了相应的角度补偿。针对蛋白分子的成像探测,提出了基于纳米孔结构的PIMI成像方法。基于电偶极子近似和FDTD仿真方法分析了固态纳米孔及修饰Shp2蛋白分子后的散射特性。利用纳米孔修饰Shp2蛋白分子前后散射光场的变化,实现了Shp2蛋白分子的成像探测。为进一步实现蛋白分子的高通量并行与定量探测,基于固态纳米孔结构,提出并设计了一种新型的纳米圆柱孔阵列结构,并对纳米圆柱孔结构进行了表征,根据傅里叶环相关法计算得到表征结果的图像分辨率为88 nm。通过FDTD仿真发现,纳米圆柱孔内部形状的不对称造成了其周边散射光场分布的不对称,模拟实现了纳米圆柱孔中体积差为0.014091)7)的蛋白分子的成像探测。利用生成对抗网络进一步提高了偏振参数图像的分辨率。为实现对衍射极限以下尺寸的病毒颗粒的光学成像探测,提出了利用金纳米颗粒结合PIMI成像的方法。基于准静态近似法和FDTD仿真分析了金纳米颗粒的局域散射场特性,利用PIMI成像方法获得了金纳米颗粒局域散射光场的空间分布特征,与FDTD仿真结果的对比一致,印证了实验结果的准确性。同时,通过金纳米颗粒标记腺病毒,基于金纳米颗粒、金纳米颗粒/腺病毒耦联体二者散射光场的变化,实现了对直径80 nm的腺病毒的成像探测。利用自相似的神经编码方法强化了上述实验结果中散射光场的差异,进一步提高了腺病毒成像探测结果判断的准确性。最后,通过FDTD仿真发现,金纳米颗粒尺寸越小,金纳米颗粒/腺病毒耦联体的散射强度越低,散射光场分布的不对称性越明显。对椭球状、长棒状以及不规则形状的多尺度细胞的散射场光子偏振状态进行了测量。采用FDTD仿真方法分析了不同结构模型下的细胞散射特性。在无荧光标记情况下,利用PIMI系统获得了宫颈脱落细胞和细菌细胞的整体形貌、细胞核和线粒体等细胞器、细菌表面褶皱、边界等结构的高分辨图像。通过对比发现,PIMI成像方法的分辨能力要高于传统光学显微成像和微分干涉相差显微成像。基于PIMI成像方法在细胞微观结构解析方面的超分辨能力,可将其作为巴氏涂片检测和微生物培养研究的一种新的观察手段。