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。

全息术最初被设定为一种相干成像技术,通过物光和参考光干涉形成全息图,对全息图进行重建可以实现三维成像和物信息的获取。全息图记录过程要求物体上任意两点的光场具有空间互相干性,这一特性限制了全息术在非相干光领域的应用。空间非相干光的普遍存在和易获取等优点,使得非相干全息术的提出和发展具有重要意义。非相干全息术源于20世纪60年Mertz和Young提出的菲涅耳波带片编码成像理论,是指在空间非相干光照明情形下利用某种编码孔径对图像进行变换,实现全息图记录和再现的技术。Lohmann把这一技术进一步发展为基于分波技巧的干涉成像技术(源于同一物点的物光和参考光相干涉),实现了非相干物体的波前再现,从而明确了非相干全息记录过程中物光场中任意两点之间的互相干不再是全息图记录的必要条件。经过几十年的发展,科研人员利用非相干全息术在全息图的记录机制、重建算法、成像性能提升和应用等方面都取得了显著成果。本文聚焦于阐明空间非相干光情形下基于编码相位掩模波前调制的自干涉或无干涉数字全息术的成像原理及其演化技术的发展和应用,并在此基础上探讨该技术下一步的发展和有潜力的研究方向。

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。

阐明了编码孔径相关全息记录和再现的基本原理,介绍了现有记录编码孔径相关全息图的系统与方法,着重分析了成像系统的分辨率及再现像质量,并讨论了该技术目前存在的问题与研究方向。编码孔径相关全息已经在动态三维成像、多光谱成像、自适应光学,以及生物医学、**等领域中展现出了其应用潜力。

基于小波变换抑制偏置量，并利用初始图像消除噪声，进行非相干全息两步相移重现。给出了全息图重现及抑制偏置量计算的具体表达式。实验搭建了基于空间光调制器的非相干数字全息显微系统，给出基于三步相移技术和两步相移技术的数字全息图和重现结果，并对比了两种不同方法的两步相移重现结果。对荧光显微颗粒拍摄了两张全息图，并在不同平面实现了数字重聚焦。两步相移相比三步相移成像速度大大提高，为活体细胞动态三维成像提供可能。实验结果表明利用小波变换及初始图像能够更有效地抑制偏置量并消除噪声，在不增加相移次数的前提下，提高两步相移的再现像质量。

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。

非相干光照明的物体或者自发光物体可以认为是由无数多个点源构成,任意两点发出的光波之间不具有相干性,但同一物点发出的光被分束后是空间自相干的。非相干全息术通过某种光学技术将来源于非相干物体上同一点的光波分为两束，由于这两束光是空间自相干的，因而两束光可以干涉实现点源全息图的记录，所有点源全息图的非相干叠加构成物体的全息图。对全息图进行光学或数值重建可以恢复原始物体的三维信息。近年来，非相干全息术已经在非扫描荧光显微成像、非相干彩色全息显示和自适应光学领域展示了其应用的潜力。阐明了非相干全息术记录和再现的基本原理，介绍了记录非相干数字全息图的系统与方法,重点分析和讨论了基于自参考光的同轴数字全息成像系统的成像特性、应用的优势和局限，并介绍了这些方面的研究进展。