活细胞观测可以获得细胞的生命状态, 是生物医学中众多研究的基础。然而多数活细胞因整体透明难以观测, 通常使用泽尼克相衬及微分干涉相衬等相位成像技术来增强图像衬度。但通用的泽尼克相衬显微镜和微分干涉相衬显微镜仪器复杂、成本高昂, 且依赖于沃拉斯顿棱镜和相衬环等特定光学元器件。提出了一种基于双目视强度传输方程的多模式相位成像方法, 利用显微镜双目视筒上两个相机同步拍摄的物体欠焦及过焦图像, 可求解强度传输方程得到物体的定量相位, 并进一步计算物体的泽尼克相衬图像及微分干涉相衬图像。数值模拟和成像实验结果显示双目视多模式相位成像能够提供高质量的泽尼克相衬及微分干涉相衬图像。方法不需要借助特殊光学器件或者复杂光路, 成本低且易于实现, 有能力替代昂贵的相衬显微镜及微分干涉相衬显微镜, 在非标记生物成像中获得更广泛的运用。

多层膜极紫外光刻掩模“白板”缺陷是制约下一代光刻技术发展的瓶颈之一, 为提高对掩模“白板”上的膜层微结构缺陷的分辨能力, 提出了一种微分干涉差共焦显微探测系统方案。基于标量衍射理论, 计算了系统横向和轴向分辨率。利用MATLAB建模仿真, 在数值孔径为065、工作波长为405 nm时, 分析比较了微分干涉差共焦显微系统、传统显微系统和共焦显微系统的分辨率。结果表明微分干涉差共焦显微系统具有230 nm的横向分辨率和25 nm轴向台阶高度差的分辨能力（对应划痕等缺陷形式)。此外, 仿真和分析了实际应用中探测器尺寸、样品轴向偏移等的影响, 模拟分析了膜层微结构缺陷的探测,结果表明本系统可以探测200 nm宽、10 nm高的微结构缺陷, 较另外两种系统有更好的探测能力。

结合光的强度传输方程和微分干涉相差(DIC)显微镜设计了一套定量相位显微成像系统，用以同时揭示癌变过程组织微结构的三维改变以及由此导致的光散射特性的变化。采集257例乳腺浸润性导管癌未染色石蜡包埋组织切片的DIC图像，由强度传输方程获得其二维分布相位图，并由散射相定理进一步导出空间分辨的光散射特性图。结果表明：乳腺浸润性导管癌的分级与组织的约化散射系数、各向异性因子高度相关；随着癌症分级的提高，乳腺浸润性导管癌组织的约化散射系数显著增大，各向异性因子显著减小。利用所得的光散射特性参数预测乳腺浸润性导管癌的癌症分级，准确率可达88%。DIC显微镜自身具有的无标记、高图像衬度等特点使得该实验方法也可以用于新鲜组织或冰冻组织切片，并可用于实时、快速的病理诊断。

通过结合HF酸洗和微分干涉差显微成像对两组抛光元件的亚表面损伤进行直接观测和分析。结果显示微分干涉差显微成像相比于传统的明场成像具有更好的分辨率, 可以更有效检测HF酸洗后暴露的各种浅塑性亚表面损伤。对两组抛光元件的亚表面损伤的对比分析发现熔石英元件在抛光中会产生大量的亚表面损伤, 这些亚表面损伤绝大多数是浅塑性的划痕和坑, 仅有少量的脆性断裂损伤, 较大的抛光颗粒会产生更多更严重的亚表面损伤, 并且这些亚表面损伤被表面沉积层所掩盖, 表面粗糙度不能反映亚表面损伤的严重程度。

了解细胞生命活动途径并阐释其功能和分子机制是当前生命科学与物理科学交叉领域面临的重要科学挑战之一，而光学技术的创新与应用，能够通过监测单个细胞生理变化的细节来实现上述目标。细菌芽孢是一种特殊的休眠体，从休眠态转向营养生长的萌发过程是一种特别的细胞生理过程。光学技术和单细胞分析在芽孢萌发研究中的应用与发展，对认识芽孢萌发机理及其异质性发挥了极其重要的作用。就拉曼光谱、微分干涉差显微术、荧光成像和拉曼成像等技术的基本原理及其在细菌芽孢萌发中的应用与进展，前景与存在问题进行了简要述评。

针对传统微分干涉相衬技术对双折射性物体成像会有伪像的问题, 用双频闪耀光栅取代传统微分干涉相衬的分光元件诺曼斯基棱镜, 设计了一种微分干涉相衬方法。对双频闪耀光栅设计, 模拟入射平面波通过它之后的光强分布, 结果表明它能产生两束剪切角很小的光。用双频光栅微分干涉相衬方法对纯相位样品模拟成像, 仿真结果和物体的相位轮廓一致。分析了微分干涉相衬中的相移量和剪切量对成像对比度的影响, 加入相移量会明显提高成像图像的对比度, 而剪切量越小图像对比度越高。