提出了一种基于光强传输方程（TIE）的数字全息相位解调方法，并利用离散余弦变换进行了求解。仿真和实验结果表明，与传统的基于快速傅里叶变换的相位解调方法相比，该方法在没有损失精度的基础上加快了解包裹过程。此外，通过选择一个合适的延拓方案来计算强度的偏导数后，该方法的效率可进一步提高。提出的基于TIE的新型相位解调方法具有较高的处理速度和精度，可以实现相位测量的实时应用。

本文针对普通显微镜相衬成像需要手动聚焦、切换相位板等问题，提出了一种基于深度学习的自动聚焦相衬显微方法，并且基于该方法设计了一种基于U-Net的网络框架。在该网络框架中引入残差模块和空间注意力机制，目的是使网络更好地利用特征图之间的关系，同时使用密集模块加强特征信息复用，以提高网络的性能。采用三种不同类型的样本在不同的焦距下进行训练网络，数值计算和实验结果表明，所提方法可以快速、精准地实现自动聚焦相衬成像，并达到去噪的效果。此外，将本文所提网络框架与U-Net、生成对抗网络进行了比较，较高的SSIM值显示了所提网络框架的优势。最后，使用基于少量数据集即可完成训练的生成对抗网络对自动聚焦相衬成像进行验证，证明了该方法的可行性。本文所提出的基于改进U-Net的自动聚焦相衬成像方法有助于细胞生物学研究。

提出了一种基于分束棱镜分光的共路离轴数字全息光路系统，该系统不仅能任意调节物光光强与参考光光强的比值，还可以灵活调节全息图频谱三项分离的距离，解决了传统针孔滤波共路离轴数字全息系统记录的全息图条纹对比度不高和记录器件的空间带宽积利用率不充分的问题。在理论和实验上分析了系统调试条纹对比度和频谱三项距离的可行性，介绍了相应的调节方法，并通过实验分析验证了该系统的成像性能。

提出了一种改进的基于相位梯度最小化的相位快速自动补偿方法。所提方法利用Zernike多项式拟合像差,并将评价函数写作含多项式梯度的表达式,采取拟牛顿法进行优化得到了对应系数,从而实现了相位补偿。在优化过程中,所提方法可实时给出评价函数与各多项式系数之间的导数,有效提高了优化速度。此外,所提方法还可利用采样技术,进一步提高处理速度。分析和实验结果表明,所提方法速度快、精度高,适用于高速动态全息显微成像。

提出了两种光瞳在光学扫描全息系统中实现边缘提取的方法,基于双光瞳外差检测来获取物体的全息信息。首先,采用LG光束-轴锥镜光瞳和小孔滤波器作为两个光瞳构建复合光场,并对物体进行扫描,提取边缘信息;其次,在小孔滤波器不变的情况下,采用幂函数分布的振幅型光瞳作为另一种光瞳,完成边缘信息的提取。计算机仿真实验结果表明,使用本文所述的两种光瞳相比使用环形光瞳时实现的边缘提取质量均有提升,且无须进行数字图像处理,简化了实验步骤。

基于瑞利-索末菲矢量衍射理论和振幅透过率函数,研究了轴锥镜的柱矢量光束聚焦特性。研究结果表明,径向偏振光的矢量聚焦场由径向分量及轴向分量构成,而角向偏振光的矢量聚焦场仅由角向分量构成,同时聚焦场焦深随束腰半径的增大而增加。相较理想情况,锥顶为双曲线时,焦深几乎不变,但光强因干涉效应发生振荡,其依赖于入射光的束腰半径,当径向偏振光束腰半径达到4 mm,角向偏振光束腰半径达到3.5 mm时,振荡现象消失。研究结果为轴锥镜的实际应用,以及进一步完善柱矢量光束聚焦场理论提供了参考。

利用Cu2+离子注入的方式在熔融石英和石英晶体上分别制备了平面光波导结构.通过棱镜耦合实验测试了两种光波导的导模特性, 结果表明：在同样的注入条件下熔融石英上形成了增加型的光波导结构, 而石英晶体上形成了位垒型的光波导结构.研究了退火温度对两种光波导导模折射率的影响, 熔融石英光波导中导模的折射率随着退火温度的升高而降低, 而石英晶体光波导中导模的折射率随着退火温度的升高先增加后降低.为了进一步分析离子注入两种材料形成光波导的微观机理, 利用SRIM模拟了Cu2+离子注入两种材料的电子能量损失和核能量损失, 并且模拟了两种光波导结构的折射率分布.模拟结果表明：熔融石英光波导的主要形成原因是离子注入表面的折射率大于其体材料的折射率, 而石英晶体光波导的主要形成原因是离子射程末端的折射率小于其体材料的折射率.因此, 在熔融石英光波导的形成中电子能量损失起主要作用, 而在石英晶体光波导的形成中核能量损失起主要作用.