病理学和微创外科手术要求具有微小探头的内窥镜深入人体组织内部,实现细胞级成像,促使内窥镜向着光纤化、小型化和高分辨方向发展。现有的单模光纤内窥镜,采用单光纤成像时需在探测端增加机械扫描装置,采用光纤束成像时光纤束探头体积较大,受纤芯间距的影响成像分辨率不高。因此,单模光纤成像技术限制了光纤探头的小型化和高分辨。单根多模光纤能够并行传输多个物理量,探头尺寸小,能够实现区域成像。研究单根多模光纤成像技术对内窥镜发展具有重要的理论价值和实际意义。现有多模光纤扫描成像方法的抗噪声能力较差,未完全脱离机械扫描方式,如何实现无透镜、无机械扫描机构的多模光纤聚焦光斑数字扫描成像是一个重要的科学问题。现有多模光纤聚焦光斑整形方法需要多次迭代、计算量大,一次优化只能形成一个聚焦光斑,如何实现一种无迭代的批量聚焦光斑整形是一个亟待解决的科学问题。采用多模光纤内部光束作为参考光,部分区域参考光缺失,称为盲斑,影响聚焦光斑的质量。消除盲斑、消除液晶空间光调制器产生的移相误差、对液晶空间光调制器子区域划分和理想光斑聚焦范围进行优化是另一个重要的科学问题。本文针对上述问题开展研究工作,主要研究内容如下:(1)提出单根多模光纤聚焦光斑数字扫描成像方法。根据非相干成像理论和模糊介质传输矩阵理论,建立多模光纤聚焦光斑数字扫描成像模型。采用基于高斯-赛德尔迭代的成像模型求解方法实现图像重建。设计多模光纤聚焦光斑数字扫描成像系统,通过液晶空间光调制器对多模光纤输入光场进行调制,在多模光纤出射端形成扫描聚焦光斑,用于多模光纤数字扫描成像。该方法无需机械扫描机构,具有光纤化、小型化和高分辨的优点。(2)提出基于自适应并行坐标(Adaptive Parallel Coordinate,APC)算法的多模光纤聚焦光斑整形方法,用于多模光纤批量聚焦光斑整形。根据光场模态分解思想和模糊介质理论,建立基于自适应并行坐标算法的多模光纤聚焦光斑整形方法数学模型。采用在线干涉场采集和离线相位优化方式,计算量小、无迭代运算,一次优化可形成批量聚焦光斑。解决了其它聚焦光斑整形方法计算量大、需迭代运算、一次优化只能形成一个聚焦光斑的问题,大大缩短了聚焦光斑整形时间。与自适应顺序坐标上升算法(Sequence Coordinate Ascent,SCA)的对比实验表明,APC算法的聚焦光斑整形质量与SCA算法相同,APC算法形成100个聚焦光斑的时间是SCA算法的1/64,聚焦光斑数量越多,APC算法的优势越明显。(3)提出基于互补参考模态的盲斑消除方法,采用遗传算法快速寻找最优的互补参考模态,解决了盲斑导致聚焦光斑质量差的问题。分析液晶空间光调制器在移相过程中产生的误差,选择消除线性移相误差的移相算法。优化液晶空间光调制器子区域划分方式和理想光斑聚焦范围,通过理论分析和实验得到上述参数的最优解,提高了聚焦光斑质量。(4)建立单根多模光纤聚焦光斑数字扫描成像系统,研究系统脉冲响应函数标定方法。利用基于自适应并行坐标算法的多模光纤聚焦光斑整形方法形成批量扫描聚焦光斑,对标准分辨率板进行扫描和图像重建,视场范围为50μm直径的圆形区域,工作距为60μm,系统实际分辨率为2.19μm,接近系统理论分辨率2.07μm,测量时间约为随机光斑采样方法的0.45倍。分析了被测物体位置和采样平面轴向偏移对系统分辨率的影响。