偏振方法具有非侵入、无损伤、潜在信息量大并对亚波长微观结构敏感等优势,在生物医学领域具有诱人的应用前景,并且具有与现有成熟光学方法相兼容的特性,这就意味着我们无需对现有光学系统进行较大的光路改动,通过加入合适的偏振器件到其中即可升级为偏振光学系统。穆勒矩阵作为包含样品全部偏振特征信息的表征方法越来越受到关注。随着穆勒矩阵测量和分析方法的不断发展,其在癌症诊断方面的良好应用潜力开始逐步显现,面对当今逐年上升的癌症病发率,穆勒矩阵显微成像装置成为市场化的需求。但目前国内外对穆勒矩阵相关课题的研究仍然相对不足,市场上还没有成熟的商业仪器能够实现穆勒矩阵显微成像。目前市场上比较成功的偏振显微成像商业产品是Abrio及其后续产品,但其主要适用于弱散射体系样品的测量,与穆勒矩阵测量相比,只能获得样品的部分偏振信息,对生物组织这类散射退偏效应较强的样品定量测量误差很大,因此在应用范围上有一定局限性。基于此,本论文在实验室长期工作的基础上,将偏振方法与商用光学显微镜相结合,通过在显微镜上加装偏振模块,设计了一款模块化穆勒显微镜,并初步展示了这种显微镜在生物医学领域的应用潜力。本论文工作中首先完成了模块化穆勒显微镜的设计与搭建,并对装置进行了优化与校准,提高了装置的可靠性与测量结果的精确度,为模块化穆勒显微镜的实际应用奠定了基础。论文充分利用偏振方法的兼容性,引入模块化思想,通过对比分析确定了装置测量与数据处理分析方案,从硬件和软件两方面着手对装置各模块进行研究设计,并对其进行了误差分析以及优化与校准方法研究,实现了穆勒矩阵显微成像的全自动化测量-处理-演示系统。随后,论文将模块化穆勒显微镜应用到了海洋微生物、材料以及人体癌变组织等多类样品中。通过定性、定量分析以及Monte Carlo模拟,表明了穆勒矩阵成像参数能够反映不同生物组织的结构特征,证明了模块化穆勒显微镜具有观测海洋微生物特性、区分材料样品以及辅助癌症检测的潜力。