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光声成像技术是一种利用病变组织与周围的正常组织的光学性质的差异来进行成像的医学影像技术。它结合了纯光学成像的高对比度特性和纯超声成像的高穿透深度特性的优点，具有无损伤、无电离效应等优势，可以提供高分辨率的组织成像，是一种应用前景非常诱人的无损医学成像方法。现行的光声成像方法大都是通过复杂的成像算法来实现图像重建。但是由于重构算法需要对成像物体进行长时间扫描和采集数据，重建图像也会带来许多噪声，难以实时在位地成像。
本论文采用“光吸收—诱导光声信号—声透镜变换—超声波检测—图像重建”的方法，克服利用算法成像的缺点，实现了基于有机玻璃声透镜和4f铝声透镜的光声层析成像系统直接对样品产生的光声信号进行二维成像，同时利用时间分辨技术实现了同时多层的光声层析成像。本文的主要工作如下：
第一，推导了二维光声Fourier变换过程，结合声透镜与时间分辨技术对光声成像系统的理论进行了研究。声透镜可以把生物组织某个层面产生的光声声压分布成像于像面上，具有实时成像的优势。同时，在声透镜的光声成像系统中，即使点声源在物面前后很大范围内移动时，都可以在同一探测平面上清晰成像。因此可利用时间分辨技术结合声透镜进行光声层析成像，实时获得样品的光声图像。
第二，设计了基于有机玻璃声透镜和快速采集系统的光声层析成像系统。由于基于Boxcar和峰值保持技术的光声层析成像系统对于多层样品的光声层析成像时，每一层光声图像的重建都需要进行一次完整的实验，调整“控制门”的延时来获得该层的图像信息，无法实现实时的多层光声层析成像。为了解决这个问题，课题组成功研制了一套采样率达到50M的快速采集系统对光声信号进行快速完整的采集，并利用峰值成像的原理进行实时的多层光声层析成像实验。利用该成像系统，实验成功获得了强散射介质中单层样品以及多层样品的光声层析图像。实验结果显示，本系统不仅能对多层样品同时成像，而且成像质量好，系统的横向分辨率约为4mm，较基于Boxcar的光声层析成像系统提高了1mm。
第三，通过模拟光学成像的特性，在理论上推导了4f铝声透镜光声成像系统的工作原理。设计了4f铝声透镜来代替有机玻璃声透镜，进行实验。实验成功的获得了单层、多层样品的光声层析图像。通过实验，测定系统的横向分辨率可以达到近2mm，与基于有机玻璃声透镜的光声成像系统相比提高了2mm，与理论计算值基本吻合。
第四，利用基于4f铝声透镜和快速采集系统的光声成像系统对模拟血管和连续的猪肉生物组织样品进行光声成像实验，成功的获得了生物组织样品的光声图像。同时，利用图像处理方法，在不失真的条件下真实地放大了原始光声图像，并增强了光声图像对比度，在临床运用中具有较高的实际意义。