光学相干层析成像(Optical Coherence Tomography,OCT)是近年来发展迅速的一种层析成像方法,具有高分辨、非接触、无损伤和快速成像等优点,已被广泛应用于生物医学等众多领域。本论文针对临床和法庭科学中存在的实际问题,分别研制了时域OCT(TDOCT)、光谱域OCT(SD-OCT)和扫频OCT(SS-OCT)三套成像系统。TD-OCT系统用于无损地检测鲜红斑痣皮肤真皮浅层的毛细血管畸变程度,从皮肤OCT图像中提取的特征参数可以辅助评估病况,并为光动力疗法方案的制定提供客观参考。SD-OCT系统用于法庭科学领域的无损三维物证成像,成功开拓了包括油漆物证的种类同一鉴定、破损痕迹推断检验、被掩盖划痕显现检验、胶带物证种类同一鉴定、潜在指纹物证显现检验、法医病理死因推断检验和人体皮肤毛囊个体识别特征研究等新应用方向。而SS-OCT系统则用于体外实现牙齿根尖的无损实时横切面成像,可评估根管治疗术中手术器械对根管壁造成的损伤。成像速度是衡量OCT系统性能的重要参数,因此自OCT诞生之日起,提高成像速度一直是研究的重要方向。首先,本论文提出并实现基于脉冲时间拉伸原理的40 MHz超高速扫频激光器,它具有全光纤化和波数线性输出的优点。基于该激光器,进一步实现了目前世界上最快的SS-OCT系统,无需A-line平均即可得到高质量的OCT生物样品图像。其次,针对超高速OCT成像系统海量数据快速处理的难题,本论文提出了一种光计算OCT(OC-OCT),对OCT基本实现方法进行了原理性创新,用全光学方法实现了实时傅里叶变换以替代数字电信号的快速傅里叶变换(FFT),在实验中成功实现了世界上最快的10 MHz实时成像速度,比使用SS-OCT实现的最快实时成像速度记录提高了3倍以上。最后,本论文提出将混频和色散优化概念引入光计算OCT中,在有效降低系统成本的同时,显著提高了纵向分辨率和信噪比。色散优化混频光计算OCT(DOFM-OC-OCT)实验系统成功地对样品实现了17.3体每秒(VPS)的三维实时层析成像。本论文一方面展示了OCT在临床医学和法庭科学等领域的巨大应用前景,同时也进一步发展了超高速OCT成像的新原理和方法,并将相关技术指标推向新高度。我们相信,基于全新原理的DOFM-OC-OCT有望成为新一代超高速OCT成像方法,并在一些重要应用如临床三维混合现实手术的实时导引中体现其巨大价值。