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首先入射光从介质表面经过足够长的传播距离（该距离远大于平均自由程mfp）后，到达聚焦超声区，此过程遵循漫射理论。
其次到达聚焦超声区的散射光与超声波发生作用，受到声波的调制。这个过程一直是超声调制光学成像技术的研宄重点和难点，至今仍未完全弄清楚。一般认为有三种可能的机制：（1）散射介质的光学性质（包括吸收系数、散射系数和折射率）被超声场机械波所感应而发生变化，结果导致散射光被调制，这种机制实际是强度调制机制，因此不需要相干光作光源；Mahan和Weng先后在1998年和2007年对此给出了自己的解释。但至今尚未有实验观察到非相干光的超声调制现象的报道。（2）散射介质中的散射体在超声场作用下作受迫运动，导致相干散射光的光程和相位随之变化，最终体现在相干光散斑的强度随超声信号而变化；1995年Leutz和Maret曾用动态光散射的方法研究了这个机制，但所建模型需要改进；（3）超声场造成介质折射率的变化，同样影响着散射光光程变化，从而使散射光强受超声调制。后二种机制属于相位调制机制，需要相干性很好的光源。2001年Wang就后二种机制的综合作用和影响作出了较完整的描述,并用Monte Carlo模拟加以验证。在Wang的理论基础上，Sava进一步研究了在各向异性、空间不均匀的散射介质中，散射光与脉冲超声场的相互作用机制。
最后从超声区出来的调制光以弹道光（包括蛇行光）或漫射光的方式到达介质表面。2005年Zhu等利用Monte Carlo模拟证明了从超声区域出来的调制散射光在单层组织中的分布（远离声光作用区和边界）仍满足漫射理论，而调制深度（调制光强与未被调制光强的比值）只与超声区的声光特性有关，不受超声区外介质的光学参数和组织结构等的影响，是最终进行图像处理的较佳物理量。研究结果为超声调制光学成像技术进行数据处理提供原理性依据。