光学探测单个不发光的微纳米粒子在生物医药与纳米光电子学等领域具有重要研究价值,例如重大疾病的早期诊断中可作为分子探针在细胞层面上实现分子水平的生物靶标探测。但是利用光学方法探测微纳米级的粒子具有很大挑战性如同大海捞针,因为极其微弱的信号已经淹没在强大的背景噪声中。本课题组在前期的工作中设计了正交显微偏振成像系统实现了小到5nm的单个金纳米粒子的探测。本文利用该系统研究光与高分子聚合物相互作用下散射光场的振幅和相位变化规律,在该成像系统高灵敏度探测的支持下旨在研究在生物环境中无须标记的生物靶标的直接成像与尺寸识别方法。聚苯乙烯微球具有与生物环境相似的光学性质,常用于模拟生物系统。本文以其为生物靶标,研究了：1)高会聚光照射下粒子与光相互作用后的散射光场的振幅与相位分布：主要利用正交偏振和外差干涉原理进行研究,x方向线偏振光经过高数值孔径物镜后变为高会聚光,该会聚光与粒子发生相互作用并产生散射光场,经物镜收集后与y方向偏振的参考光进行干涉,进而得到y方向的粒子的散射光场振幅和相位分布；2)基于粒子散射光场的振幅和相位图像分布特征的粒子尺寸确定方法：利用米氏散射和FDTD算法进行模拟仿真,对比分析了单微纳米球散射光场振幅和相位图像分布特征对单个微纳米粒子尺寸大小的影响,同时利用本课题组设计的正交显微偏振成像系统进行实验验证,确定了一种通过振幅和相位图案区分识别不同尺寸的粒子的方法；3)直径分布在50 nm～1μm粒子对会聚光的去偏振贡献：主要通过计算不同大小的粒子散射光场的去偏振转换率与会聚光源本身的去偏振转换率的相对比值进行分析。本文通过数值仿真与实验数据的对比,实现了直径分布在50nm～1μm高分子聚合物微纳米球的无标记探测和尺寸确定方法。本论文的创新之处如下：1)分析了高数值孔径物镜下会聚光场的米氏散射,发现随着粒子直径增加,粒子振幅图像分布由四瓣结构变为壳状结构,粒子相位图像分布在粒子中心位置的变化趋势由几乎不变、缓慢变化到快速变化；2)确定了一种通过振幅和相位图案区分识别不同尺寸的粒子的方法：当粒子振幅分布图案为四个花瓣结构,且粒子中心位置处相位分布基本不变时,粒子一般小于200nnm；当粒子振幅分布图案为微弱壳状结构,且粒子中心位置处有缓慢相位变化时,粒子一般小于600nm；当粒子振幅分布图案为明显壳状结构,且粒子中心位置处有明显相位跳跃时,粒子一般介于600nm～1μm；3)确定了高数值孔径物镜(NA=1.2)下产生去偏振的最小临界入射角为37°,可应用于FDTD仿真中加快仿真效率。