设计并组建了光纤照明的多分辨率数字全息显微镜系统。激光器出射的激光经光纤耦合器、光纤分束器, 分别形成照明样品的照明光波和参考光波。照明光波经扩束准直后透过样品形成物光波, 与参考光在图像传感器表面干涉形成全息图。相 较于普通数字全息显微镜, 该系统更加紧凑稳定, 并且通过转动物镜转盘, 可选择采用不同的显微物镜, 实现多分辨率显微 定量相位成像。对该系统进行了实验测试, 首先用标准样品聚苯乙烯微球验证了该系统定量相位成像的准确性, 并测量了系 统的时空噪声, 得到空间噪声在2 nm以内, 时间噪声在0.8 nm以内; 然后将系统应用于单模光纤、微光学元件和生物样品的 测量, 获得了准确的定量相位像。实验结果表明组建的光纤照明多分辨率光纤型数字全息显微镜稳定性高, 能够实现准确的 定量相位成像。

数字全息显微术是数字全息术和光学显微术相结合的定量相位成像技术。为克服高相干光源(激光)照明产生的散斑噪声和寄生条纹噪声,以及参物光路分离系统结构的不稳定性(易受外界震动干扰),实现了白光照明(卤素灯照明)的基于光栅衍射的共路离轴数字全息显微定量相位成像。首先基于理论分析和计算,得出系统可采用的光学元件参数和系统结构参数;然后建立了一套卤素灯照明的光栅衍射共路数字全息显微成像系统;最后对系统的成像准确度和时空噪声进行了测量。实验结果表明,该系统具有高准确度的成像性能,并具有非常高的时空敏感性(空间噪声为0.6 nm,时间噪声为0.04 nm)。

根据衍射理论及艾里函数的定义, 在考虑产生艾里光束立方相位掩模板的中心偏离傅里叶变换透镜光轴的情况下, 理论推导了艾里光束的强度峰值轨迹表达式, 并研究了光束初始发射角对艾里光束加速轨迹的影响。研究发现在横向加速度一定的情况下, 初始发射角越大, 光束传输轨迹的变化越大。利用全息缩微输出系统制备较大尺寸的相位掩模板, 产生了加速艾里光束, 较大幅度地改变了艾里光束的初始发射角, 并达到了大幅度调控艾里光束传输轨迹的目的。

采用样品转动结构的光学衍射层析技术存在“苹果核频谱缺失”的问题,为此,本文提出傅里叶衍射映射正约束迭代算法以恢复缺失频谱,实现高精度折射率层析成像.首先基于光学衍射层析成像原理,采用带有样品转动装置的数字全息显微成像系统记录下360°视角内各个角度的显微全息图,计算得到每个角度的复振幅像分布;然后运用傅里叶衍射映射和正约束迭代相结合的衍射层析成像算法,计算得到样品内部折射率的三维分布.实验结果表明,该方法能有效地恢复缺失频谱,高精度地测量微小样品内部的折射率三维分布.

利用部分相干光源，通过空间光调制器加载相位图，产生了具有3个加速主锤的部分相干加速光束。数值模拟和实验结果表明，相位掩膜板控制参数β和傅里叶变换透镜焦距f是影响主锤加速度的主要因素，并给出了二者对加速度影响的定量关系。研究结果为今后不同的科学研究需要整形出具有不同加速轨迹的三角主锤加速光束提供了依据。

全息信息简化是基于波前再现的全息三维显示技术重要的课题。对全息三维显示的信息量与再现像的视差角与视场角的关系进行了分析，指出全息三维显示的巨大信息量是为了提供足够的视差和视场，以达到人眼立体视觉效果。在牺牲垂直视差并保证足够的水平视差角和视场角的条件下，利用光栅对全息图进行取样，计算了光栅取样全息图对信息压缩的极限，分析了简化后全息图再现像的特点和存在的问题，对于信息压缩后的光栅取样全息图的再现进行了设计。

基于色度学原理，研究了彩色计算全息颜色的匹配问题，给出了电子显示色系下颜色量与计算全息物光波振幅之间的等色传递关系.首先，讨论了电子显示色系和彩色计算全息色系之间的颜色传递问题，并且给出了这两个色系下颜色量的转换方法.其次，以彩色全息再现像与原始计算目标颜色一致为目的，分析了彩色计算全息色系下的颜色量和与其对应物光波振幅的关系，并得出了颜色量和物光波振幅间应满足的一般方程.最后，本文选取PAL制式彩色显示色系下的彩色目标为全息图计算物体进行了彩色全息显示实验，结果表明本文所述彩色计算全息颜色匹配方法是有效的.本文的研究工作将为彩色计算全息显示的实用化奠定一定的理论基础和技术依据.

基于颜色传递和匹配原理，讨论了彩色计算全息色系和计算机显示色系下颜色量的一般转换关系，同时研究了计算全息物光波振幅和其对应的颜色量之间的等色传递问题，建立了计算全息物光波振幅与计算机显示色系下颜色量之间所应满足的关系。在此基础上对计算彩色彩虹全息术颜色复现机理进行了详细的讨论，给出了计算彩色彩虹全息术颜色复现时的三原色。

提出了一种用于采集含空间孤立物体场景的高速、高密度三维面形采集方法。该方法将三幅图案高速投影到被测物体上并同步采集图像，从而实现场景三维形貌及纹理的高速记录。其中两幅图案是互相具有π相移的正弦条纹，采用傅里叶变换法求解变形条纹相位。将拍摄到的两幅变形条纹图相加可得到物体表面纹理。另一幅图案用来确定条纹级次，实现绝对相位测量，解决高速形貌采集中孤立物体相位展开难题。它由一系列宽度与正弦条纹周期相同的竖条构成，采用三种灰度对竖条编码。每个竖条由单一灰度或两种在竖直方向上周期性分布的灰度构成，这样可编 6个码。将竖条按由这些码构成的伪随机序列排列，得到编码图案。测量时，对拍摄的编码图案解码，通过子序列匹配来确定对应正弦条纹的级次。设计了采用 DLP投影仪及高速摄像机的高速测量系统。采用提出的方法实现了 640×480分辨率下每秒 60帧和 320×240分辨率下每秒 120帧的三维形貌及纹理采集。

建立了一套预放大式数字全息显微成像系统，通过对样品进行显微放大，实现了高分辨率的定量相位成像；并通过计算机控制相机自动曝光记录序列的数字全息图实现了动态相位成像。用标准样品验证了系统测量的准确性；以活体洋葱表皮细胞和血红细胞为样品，获得了清晰的定量相位像；以置于水环境的草履虫为样品，实现了动态成像。实验结果表明建立的系统可以实现高分辨率的动态定量相位成像，可以应用于生物活体样品的显微研究。