采用基于迈克耳孙干涉仪的非相干数字全息显微成像系统能够得到物体在非相干光照明下的全息图。对基于迈克耳孙干涉仪的非相干数字全息显微成像系统进行了理论和实验研究。利用标量衍射理论计算了该系统在记录过程中的点扩展函数，获得了系统横向放大率及重建距离的具体表达式。搭建了基于迈克耳孙干涉仪的非相干数字全息显微成像系统的实验光路，利用CCD记录全息图，用广义相移数字全息干涉术去除孪生像与零级像，并用角谱算法得到了清晰的重建像。实现了分辨率板和洋葱表皮细胞等样品的非相干全息显微成像，验证了该系统的可行性。分辨率板的成像实验表明，该系统的横向分辨率可达512 lp/mm。微米洁面刷软毛的成像实验表明，该系统具有呈现物体三维结构的特性。

搭建了基于空间光调制器的非相干光照明全息记录系统，建立了系统的波动数学模型，获得了系统的点扩展函 数、横向放大率以及再现距离的具体表达式。实验给出了分辨率板的相移数字全息图和重建像，然后对两个非荧光 骰子进行全息拍摄，在不同平面实现了数字聚焦。给出了该系统下的彩色全息实验结果。结果表明这种非相干光照 明全息系统可以快速获取三维物体的全息图，再现时结合相移算法可以得到无零级像和共轭像的高质量重建像。

提出了一种以再现参考光的峰值信噪比为判断条件的获取实际相移量的两步相移数字全息迭代方法。分析了再现参考光波的峰值信噪比与相移误差的关系。通过峰值信噪比的1阶、2阶导数来判断迭代方向及峰值信噪比是否达到最大，从而优化迭代过程、降低相移误差，并采用光学实验验证了该方法的可行性。

通过对相移数字全息技术的理论分析，提出了一种适用于动态三维物体成像的全新的同步多路相移全息方法。此方法通过在自由空间连续产生90°相位延迟的参考光束，与激光衍射透过物体后的光场进行干涉，利用四台相机构成的平衡探测器系统同时拍摄多帧干涉图像，根据菲涅耳衍射和傅里叶光学原理动态实时重现物体三维信息。模拟仿真和实验结果表明，该方法实现了单次相移数字全息技术，同步多路的采集可以用于动态物体的实时测量，大量同步多帧图像的获取提升了图像的质量。

提出了gyrator变换全息图, 利用gyrator变换快速算法模拟实现了gyrator变换全息图的产生和再现, 并研究了基于相移数字全息的gyrator变换全息图.在此基础上提出了采用正弦相位光栅实现光学图像加密的新方法.该方法利用gyrator变换在相空间的旋转特性, 将gyrator变换的角度、光栅的频率及光栅的旋转角度作为加密密钥, 并利用两个或两个以上的gyrator变换系统的级联实现图像加密, 增加了系统的安全性.依据相移数字全息进行的两个gyrator变换系统级联的仿真实验验证了该方法的可行性、有效性及其良好的安全性能.

相移数字全息图用传统数字再现可以消除零级像与共轭像, 但数字全息术记录的全息图及数字再现像的分辨率被CCD的分辨率所限制。将新兴的压缩感知算法用于数字全息图的稀疏重建, 以实现由部分全息图数据得到高分辨率再现像。分析了压缩感知用于重建数字相移全息图的原理, 并利用该算法对计算机模拟的相移全息图进行了重建。结果表明, 压缩感知算法能够对数字全息图稀疏重建, 利用50%的部分全息图数据重建出了较高质量的再现像, 并消除了零级像和共轭像。当选用合适的观测器如数字微反射镜器件或随机位相片实现随机观测矩阵时, 可以实现单像素成像, 从而突破记录全息图CCD分辨率的限制。

将全息图拼接技术应用到相移数字全息术中，改善再现像的质量。用全息图强度相关原理进行全息图拼接，再通过标准四步算法对拼接后的全息图进行运算，恢复原始物光。作为对比，对没有拼接的全息图进行了同样的操作。计算机模拟实验证明该全息图拼接技术可明显提高再现像的质量。同时，通过对光学实验获得的全息图进行零填充和拼接对比研究证明，前者只能提高系统成像的细节显示能力，后者能够提高再现像的分辨率和视场大小。