偏振光能够探测生物组织的微观结构信息,而作为一种非标记、无损伤的检测技术,偏振成像技术已经在生物医学尤其是肿瘤癌症检测领域显示出潜在的应用前景。偏振方法的基础是偏振测量,快速稳定的偏振测量系统对偏振调制器件提出了较高的要求;同时,由于偏振测量具有复杂的误差源及误差传递性质,偏振测量系统必须经过合理的设计才能获得精确的测量结果。本论文对偏振测量系统的设计方法进行了系统的研究,提出了新型偏振调制器件和方法,并将偏振设计理论与偏振调制技术相结合进行了生物体系中偏振测量系统的设计。本论文以误差传递为线索,在降噪-优化-校准三个方面系统地研究了偏振测量系统的设计方法。本论文研究了全面评估偏振测量系统的方法,兼容现有优化指标;研究了检偏通道数目对优化的影响;归纳了偏振元件误差的校准方法,提出了非偏振元件偏振残差的校准方法,并在生物测量系统中对其进行了验证;提出了光束漂移的校准技巧及相应的60次穆勒矩阵测量方案;提出了最佳校准偏振态的选取方法。此外,由于待测体系通常具有特定的偏振特征,而且不同的偏振调制元件具有不同的精度,为了充分利用这两个特点,论文提出了分步式优化和分步式校准的思想。本论文提出了一种新型偏振调制器件和方法,发明了基于自聚焦透镜(GRIN lens)的GLP(GRIN lens polarimeter)偏振测量系统。GRIN lens不仅是波前调制器件,还是偏振调制器件。GLP偏振测量系统不仅能够实现单帧同时性偏振态测量,而且能够遍历所有可能的偏振调制方式,这意味着它不仅包含现有的各种偏振调制方式,还能开发出全新的偏振调制方式。本论文将偏振设计理论与偏振调制技术相结合,设计了生物体系中的新型偏振显微系统。基于分焦平面偏振相机的偏振显微系统既具备最佳的穆勒矩阵测量能力,又具备同时性斯托克斯向量成像能力。通过临床生物组织病理切片的偏振成像研究,验证了使用偏振显微系统进行快速癌症切片诊断的潜力。同时,本论文总结了将偏振测量方法应用于生物诊断的步骤:从局部偏振指标测量到全穆勒矩阵测量,再到有针对性的局部偏振指标测量。穆勒矩阵测量能够反映组织全部的偏振光学信息,而局部偏振指标测量往往更加快速和准确。