光学衍射层析成像以折射率为内源性染剂，非侵入式地获取生物样本的三维结构信息，并有希望实现对活体样本（如活细胞等）的长时间动态观测，在生物医学和生命科学领域具有重要的意义。然而，光学衍射层析成像依赖于弱散射近似和干涉测量，前者极大地限制此项技术在集群细胞和组织等厚样本上的观测表现，后者则会显著地增加成像系统的复杂度。针对上述问题，研究人员开发了一类基于非干涉强度测量原理的衍射层析成像技术。首先，对非干涉强度衍射层析成像进行基本描述，包括其成像系统、成像指标和重建问题等；接下来从非干涉相位恢复、三维光学传递函数、多层递归正向传播模型和神经网络4条技术路线介绍非干涉强度衍射层析成像的研究成果和最新进展，并对上述方法进行对比；最后讨论当前面临的问题和挑战以及未来的研究方向。

光学衍射层析成像技术是一种新兴的对细胞和组织进行非侵入、无创伤、无标记快速三维成像的技术，在细胞代谢、病理和肿瘤诊断等方面都有很大的应用前景。传统的光学衍射层析成像技术视场范围较小，视野内仅有单个或数个细胞，难以直接观察到细胞间的相互作用，无法对散射较强的厚、大细胞进行成像，这在一定程度上限制了其进一步应用。针对视场范围较小的不足，提出了一种用满采集物镜的视场数的大视野光学衍射层析成像技术，可以获得更高的散射光子通量，提高成像质量，减弱伪影、振铃等边缘效应，视野内可以观测到多种状态的细胞和细胞间相互作用。结果表明，大视野光学衍射层析成像技术在兼具亚细胞分辨率和无标记活细胞长时程三维观测能力的同时，具有更大的视野、更小的边缘效应，生物应用前景更加广泛。

折射率是生物样本最重要的光学属性，经常作为内源性“标记物”进行无标记定量成像。虽然通过测量光程差获取相位信息的传统定量相位成像方法已被广泛研究，然而其获取的相位结果是样本折射率与厚度的耦合产物，无法重建三维形态学信息。近年来，以光学投影层析方法为开端，研究人员率先开启了以三维折射率定量成像为目标的形态学特征重建方法研究。然而光学投影层析方法未考虑衍射效应，导致其精度不足。为解决该问题，基于散射反演求解的光学衍射层析技术应运而生，并在无标记生物三维成像方面展现出巨大的潜力。本文锁定生物折射率三维无标记定量成像研究，聚焦光学投影层析和光学衍射层析两种方法的发展历程，从正向测量模型、反演算法以及实现方法三方面进行综述，并对该研究未来的工作进行展望。

差分相衬(Differential phase contrast, DPC)成像是一种基于部分相干照明调控的无标记非干涉相位成像方法, 它为未染色透明样品提供了一种快速、有效且高分辨率的可视化手段。DPC通过多次非对称照明调控或非对称孔径调制使不可见的样品相位信息转换为成像器件可直接探测的强度信号, 从而为定性相衬成像甚至定量相位重建提供了可能。近年来, 随着该领域研究的逐步深入, 成像的相位传递函数得以明确推导, DPC已经逐步从定性观察走向了定量研究。另一方面, 得益于全孔径照明调控和高效相位反卷积算法, DPC定量相位成像的空间分辨率可达到非相干衍射极限, 并能够获得低噪声、高精度的定量相位重构结果。通过与三维光学传递函数理论交融借鉴, DPC最近已被进一步拓展到了三维衍射层析领域, 实现了厚样品三维折射率的定量成像。文中从DPC成像方法的基本原理、成像系统与算法优化等几个方面对其历史发展、研究现状和最新进展进行了详细综述, 并讨论了该方法现存的一些关键问题以及今后可能的研究方向。

从方程描述、方程求解和方程解析解三个层面, 对雷达成像和衍射层析的内在联系进行了系统性梳理.首先, 介绍了描述成像问题的电磁散射方程, 发现描述雷达的方程是二维的面积分方程, 而描述衍射层析的方程是三维的体积分方程.指出成像对象不同是导致方程不同的根源, 并利用等效原理建立了两种成像间的联系.其次, 指出两种成像的相同点是, 对非线性的电磁散射方程的线性化近似求解.最后, 指出两种成像的回波信号(在空间谱域)和成像目标(在空间域)均构成一组傅里叶变换对.给出了两种成像的解析解的统一数学模型, 即成像结果可表示为观测点(散射系数或散射势)卷积点扩展函数(PSF)的形式.通过PSF对两者的成像性能进行了比较.

三维X 射线衍射层析术(3DXRD)是一种快速的、无损的结构表征技术，用于研究毫米尺度的多晶样品中晶粒(亚晶粒)的空间分布。基于上海光源成像线站BL13W1建立三维了X 射线衍射层析术实验方法，并对图像重构中的若干影响因素进行了研究。通过椒盐噪声消除、对比度增强，有效提高了寻峰精度；利用德拜-谢勒环粗校与优值方程循环迭代细校相结合的方法，实现了衍射数据的精确校准，进一步采用并行运算，校准效率提高了4.5 倍。实验结果表明，该方法可同时实现近场和远场衍射信息探测，从而获取样品中晶粒的尺寸、质心位置、晶体学取向等信息，并能够给出晶粒形变程度的定量信息。

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.

研究了用数字全息层析成像技术测量微毛细管结构的可行性。考虑毛细管具有理想的柱对称结构, 因此采用单幅全息图获取到的物光波复振幅数据来模拟不同角度下的投影数据。分别运用滤波反投影重建算法和傅里叶衍射重建算法对微毛细管进行折射率三维重构;根据重构的折射率切片图, 进一步运用相关的边缘提取算法处理得到毛细管的内径及壁厚尺寸。实验结果表明, 在合理的光路环境设置下, 满足Rytov近似条件下的傅里叶衍射重建算法比滤波反投影重建算法更能够正确反映物体的结构尺寸, 更适合用于微小弱散射物体的几何参数测量。实验结果验证了用数字全息方法实现衍射层析重建的可行性, 从而为具有柱对称结构的弱散射物体的无损测量提供了一种新的途径。

在普通X射线源上进行X射线衍射断层扫描成像检测晶体材料内部缺陷的研究极少, 短波长X射线衍射仪(short wavelength X-ray diffractometer, SWXRD)相比同步辐射装置, 体积小巧、 实用和维护费用低。 在SWXRD上进行X射线衍射断层扫描时, 缺陷边界的确定直接影响成像的质量和缺陷的辨别。 采用衍射强度阈值法对测试数据进行处理, 使得缺陷边界清晰可辨。 运用Gauss函数拟合测试数据探索各种因素对阈值大小的影响, 解决阈值设定的难题。 通过研究置于铝粉中的不同直径像质计对阈值大小的影响, 发现阈值为基体强度的91%较合适。 然后测试铝板上的细缝进一步验证了阈值法对缺陷边界的改善和阈值选择的准确性。

提出了一种基于强度关联成像的新型三维衍射层析技术。利用强度关联成像技术(鬼成像)可实现无透镜傅里叶变换的特点,并结合衍射层析技术和二步相位恢复算法,使用波长为650 nm的赝热光实现了强度关联三维衍射层析。详细描述了强度关联三维衍射层析的基本原理以及具体实验结果,为在第三代同步辐射光源实现非相干X光衍射成像积累了经验。