微纳气泡、胶体颗粒、微生物等微纳粒子广泛存在于日常生活和自然环境中。观察各种微粒的动态行为并对其进行精确的定量表征，可为我们了解生命科学、医学、材料及环境科学中的许多核心问题提供重要启示。本综述介绍了可对多个微粒进行实时、大景深、非标记、高精度三维追踪的数字全息显微技术，阐述了其工作原理及其应用，最后对相关技术的发展方向及面临的挑战进行了讨论及展望。

远场光学显微成像是获取待测样品三维结构信息及其动态变化不可或缺的技术。非接触无损害的快速光学三维显微成像技术在生物细胞、生物组织等生物医学成像领域具有独特的应用优势和巨大的应用需求。受限于目前的光电器件只能实现光强的直接探测，光学显微三维成像技术往往通过扫描技术、编码技术或数值算法等将光场的相位等信息转换为光强信息，再通过探测被待测样品调制的光波场强度的变化解析出原始样品的信息，以实现对样品三维形貌、内部结构或折射率分布等多种信息的可视化。利用光波的相干性，结合适当的分波技巧，实现两束光的互干涉或自干涉，将光波场相位信息编码至干涉图样的强度分布中，然后结合适当的算法对干涉图样进行重建，是实现光学三维显微成像的一个重要技术。本文对基于光的干涉，利用干涉条纹的强度提供成像对比度的三维显微成像技术进行综述，阐明了激光照明的数字全息显微、部分相干光照明的数字全息显微、光学相干断层显微和空间非相干光照明的自干涉数字全息显微成像技术的基本原理、成像特性，以及该类技术在样品定量相衬成像、三维层析成像、非扫描快速三维显微成像等领域的应用，同时对该类技术衍生的新技术以及该类技术的未来发展方向进行了详细讨论。

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。

数字全息显微成像技术因能高精度实现定量相位成像的优势受到生物成像与材料科学领域的关注,但共轭像的存在、相位包裹的困扰以及分辨率受限等问题一直阻碍了数字全息显微术的广泛应用。近些年,深度学习作为机器学习中一种对数据特征提取进行特化的模型,在光学成像领域中被广泛应用。除用于提高成像效率外,其解决成像逆问题的潜力也不断被研究人员发掘,为成像领域开辟了一条蹊径。本文从深度学习应用于数字全息显微成像的工作原理出发,介绍它解决光学成像逆问题的思路与重要数理概念,同时对深度学习的完整实施过程进行归纳。扼要地总结了近年来深度学习对于全息重建、自动聚焦与相位恢复、全息去噪与超分辨等方面的研究进展,并对该研究领域中存在的问题与发展趋势进行展望。

传统的数字全息显微技术通常采用高相干激光作为照明光源,虽然其全息图具有高的对比度,但是相干照明带来的相干噪声会降低再现像的信噪比。基于部分相干照明的数字全息显微技术(PCI-DHM),在保证相位测量精度的前提下,可以有效降低相干噪声。按照物光和参考光之间是否有夹角,PCI-DHM可以分为同轴相移和离轴PCI-DHM。介绍了同轴相移PCI-DHM和离轴PCI-DHM中的几种典型测量方案。同轴相移PCI-DHM采用等光程的物光和参考光形成同轴全息光路,利用相移干涉技术可以重建出样品的振幅/相位分布,利用光源的短相干特性,可以获得样品内部微观结构的层析图像。离轴PCI-DHM通常采用光栅在物光和参考光之间引入夹角,构成消色差干涉装置。离轴PCI-DHM技术可以通过记录单幅离轴全息图完成对动态样品振幅/相位分布的实时测量。最后,介绍了PCI-DHM在生物细胞、生物组织三维成像及微纳结构形貌测量等领域的应用。

定量相位显微技术容易受到环境扰动的影响。如何克服环境扰动对量化相位成像的影响,一直是相位成像领域研究的热点。着重介绍了物参共路数字全息显微技术和单光束定量相位显微技术。前者主要包括斐索干涉显微、Mirau干涉显微、离轴和同轴点衍射干涉显微、双球面照明的数字全息显微和空间复用数字全息显微;后者主要包括共轴数字全息和基于平行光照明、超斜照明和多点离轴照明的定量相衬显微。希望该综述能为构建高稳定性、实用化定量相位显微装置提供有益参考。

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。

采用了一种基于Michelson干涉仪的非相干光自干涉数字全息成像系统, 利用该系统记录了USAF1951分辨率板、洋葱表皮细胞、草本植物茎横切的全息图, 采用三步广义相移法对所记录的全息图进行数值重建, 消除零级像和共轭像后, 获得了高分辨率的重建像。重建后的USAF1951分辨率板的第九组第三线对可以清晰地被看到, 分辨率可达645 lp/mm。通过分析重建图像质量与衍射距离的关系, 研究衍射距离对重建图像质量的影响。通过对头发全息图的重建, 证明了该系统可以实现对三维物体全息图的记录和重建。

在数字全息显微技术中，为了提高测量精度，提出了一种利用长工作距离物镜的相移数字全息显微的测量装置和方法。该装置采用LED作为照明光源，可以有效地抑制相位噪声，提高了重建精度。通过在长工作距离物镜和样品之间加入分光棱镜的方法，构建了一种准物参共路的迈克尔逊干涉仪。该装置结构简单，调整方便，在部分相干光照明时，容易实现干涉。重建时，采用盲相移干涉技术，结合两步盲相移算法，重建出物体的表面相位分布。实验中，分别采用LED照明和He-Ne激光照明，测量了一个反射式USAF1951分辨率板的高度分布。结果表明，两者的测量结果相互吻合，但是LED照明时的噪声与激光照明时相比降低了70%。此外，为了进一步验证装置的有效性，使用该装置对刻于硅基底的微纳矩形台阶进行测量，测量结果与标称值具有良好的一致性，表明该装置在微结构的形貌测量方面有广阔的应用前景。