为了提高数字全息重构的精度,采用希尔伯特变换的方法对数字全息位相重构进行了理论分析和实验验证。首先利用傅里叶变换滤除全息图中的0级项,然后运用希尔伯特变换对已经滤除0级项的全息图实现90°相移,并构造出解析信号,从而可以求出物体的包裹位相,最后利用最小二乘法进行位相解包裹得到物体的真实位相;并将希尔伯特变换法与常规傅里叶变换法重构的实验结果进行了对比和分析,获得了标准偏差的对比数据。结果表明,该方法比常规傅里叶变换法重构精度要高。这一结果对提高位相重构的精度是有帮助的。

为了提高数字全息显微中的重建精度及速率, 采用理论分析与实验验证相结合的方法, 对数字全息显微中基于同态信号处理的广义线性重建算法进行了理论分析, 比较了同一物场在不同物光与参考光强比条件下的实验结果。结果表明, 随着参考光与物光光强比的不断增大, 广义线性重建算法再现像质得到明显改善,但当这一比值增大到一定值时, 再现像质量则逐渐下降。寻找合适的物光、参考光光强比, 是利用数字全息广义线性重建算法实现高质量再现像的重要条件。

为了提高预放大数字全息显微系统的成像质量，采用理论分析与实验验证相结合的方法，分别对采用平面及球面参考光记录的预放大数字全息显微系统进行了研究和比较。结果表明：在通常的实验条件下，系统的横向分辨力主要取决于显微物镜的成像分辨力;记录距离较小时，两种系统的横向分辨力均随着记录距离的增大略有降低;但当记录距离较大时，球面参考光预放大数字全息系统的横向分辨力降低得更为明显，即平面参考光预放大数字全息显微系统较为优越;在记录距离为0的情况下，即像面数字全息成像情况下，两种系统的再现像均具有最高的分辨力，在利用普通工业用传感器条件下，横向分辨力远超过了2.19 μm，且像质较好。因此，尽可能减小全息图的记录距离，或者采用像面数字全息系统，可以有效提高数字全息系统的成像分辨力。

为了快速、准确地再现球面参考光预放大数字全息图的三维信息，采用理论推导和实验验证相结合的方式，对等曲率物光和参考光预放大数字全息显微系统的相位畸变补偿问题进行了研究。推导了该系统的点扩展函数，进而获得了物体再现光场的复振幅及相位畸变表达式，利用估测的相位掩模对再现光场相位畸变预补偿后进行相位解包裹，结合自动相位补偿方法获得待测样品较为准确的相位分布。对人体血红细胞进行了实验研究，结果表明，利用相位掩模对再现光场进行预补偿，一方面可以避免相位解包裹的错误，另一方面还可以有效消除再现光场的二次相位畸变，以实现利用单次自动相位补偿方法获得光场正确的相位分布。

为快速、准确地对中药饮片细胞进行形貌表征，采用理论分析与实验验证相结合的方法，对球面参考光像面数字全息显微术进行了研究。结果表明，通过适当调整参考点源的位置，球面参考光像面数字全息显微术可以准实时地消除显微物镜引入的二次相位畸变，利用自动相位补偿算法能够快速、有效地消除因参考光偏离光轴带来的一次相位畸变，准确再现样品的相位信息。基于研究结果，利用所建立的球面参考光像面数字全息显微术对中药饮片蒲黄细胞进行定量成像，由相位分布给出了细胞的大小及形貌特征。

为了提高基于图像分割与合并的相位展开算法的精度，对已有的一种算法进行多方面改进，采取区域不等分措施，使得区域信息完整、准确再现；针对不同区域的噪声及欠采样情况，分别采取不同的相位展开算法；对分块合并时重叠区域进行加权叠加处理。利用仿真和实测数据对算法进行了验证，结果表明，改进算法能更准确、快速地恢复出被测物体的相位信息。改进后的算法不但适合于超大规模图像的相位展开，也适合于部分区域条纹过密的包裹相位图的展开。

细胞三维定量成像为中药饮片显微鉴别提供了新方法。为了提高数字全息显微成像质量，采用理论分析与实验验证相结合的方法，对球面参考光像面数字全息显微术的记录和再现过程进行了研究，提出了利用标准分辨率测试板对系统放大倍数、物距等参数进行标定的方法；并利用实验结果对两种常见的相位解包裹方法进行了对比。结果表明：球面参考光像面数字全息图不仅具有较高的信息容量，而且再现过程非常简单，还可以在记录过程中实时观察被记录样品的情况，并选择恰当的被记录区域。利用美国空军分辨率测试板的强度再现像就可以对全息成像系统的放大倍数等参数进行精确标定；利用基于横向剪切的最小二乘解包裹方法可以得到具有较大纵深细胞的准确相位；采取边缘识别技术，可以提高细胞再现像显示效果。

焦深是表征成像系统性能的重要参数。基于透镜相干成像的焦深判据,利用数值积分和计算机模拟的方法,分析和推导了菲涅耳数字全息成像系统的焦深,给出了相应的焦深表达式,并与利用理想成像四分之一波像差的判据得到的焦深进行了比较。结果表明：菲涅耳数字全息成像系统的焦深不同于透镜相干成像系统的焦深。在记录距离和CCD参数一定的条件下,离轴菲涅耳数字全息成像系统的焦深略大于同轴菲涅耳数字全息的焦深;离轴对称偏置情况下的焦深略大于非对称情况下的焦深。利用像强度判据得到的焦深,能够较好地表征数字全息成像系统的性能。