相位是光场信息的重要组成部分。在光学显微成像领域，大部分生物细胞对光的吸收较弱，传统的亮场显微无法准确地表征细胞的结构特征，因此相位成像成为非标记细胞观测的重要方法。经典的相衬显微镜基于干涉成像原理，通常需要大块的折射棱镜或者复杂的成像系统，因而系统臃肿，易受环境扰动。超表面是一种特征尺寸在纳米或微米量级的光学元件，具有强大的光场调控能力，超表面集成在显微系统中可以实现方向无关、单摄式的定量相位成像，具有小型、轻便、易集成等优点。本综述回顾经典的相位成像技术原理，详细介绍基于剪切干涉、相位衬比和强度传输方程等3类超表面的相位成像技术原理，比较不同技术的优缺点和适用场景，指出超表面在相位成像领域面临的挑战，并对未来发展趋势进行展望。

定量相衬显微可以在无荧光标记的前提下实现对透明样品的高衬度、定量化相位成像，对活细胞及其动态过程观测具有重要意义。然而，传统的定量相衬显微需要记录3幅相移图像才能获得样品定量的相位图像，耗时较长。提出一种基于双通道卷积神经网络的定量相衬显微相位重建方法。该方法可以利用2幅相移图像获得样品的定量相位图像，将传统定量相衬显微的成像速度提高了1.5倍，重建速度提高了1个数量级。实验中，利用COS7细胞的数据对网络进行训练，该网络可以成功实现对3T3细胞的定量相位成像，说明该网络具有一定的泛化能力。该方法有望为活细胞以及亚细胞器互作网络的动态观测提供有力手段。

为克服扫描计算成像系统测量和计算速度慢的缺点，综述一些快速计算成像技术，从测量和计算方面论述提高速度的方法。在基于光场调制的计算光学成像法中，介绍轴向扫描、横向扫描、多波长扫描、散射介质、多距离等调制方式。针对快速定量相位成像技术，介绍定量相位成像方法、基于Kramers-Kronig关系的快速定量相位成像方法、基于对角扩展采样的计算成像方法、基于对称照明的单帧计算成像方法。针对自动聚焦技术，介绍自动聚焦技术分类、核心算法、基于Tanimoto系数和多相梯度绝对值的自动聚焦方法、基于特征区域提取和细分搜索的快速自动聚焦方法。

果蔬品质检测在其生长、储存各环节都具有重要意义，同时也是栽培、保存方案制订的依据。针对果蔬种植过程中对样本全域生理信息定量实时获取的需求以及现有检测技术的不足，本文从宏观生长的微观物质基础和相位成像机理出发，以番茄果实糖度检测为例，提出了一种果蔬生理信息的相位检测方法，基于细胞相位图像提取两个相位参量并联合宏观糖度值构建数据立方体对番茄糖度分布进行了表征。该方法可根据需要对任意局部区域进行采样检测，无须对细胞样本进行预处理，只需要采集任意角度下的一幅相位图即可，具有数据量小、计算简便的优势，整个分析过程只需要0.5 s左右。与现有成熟检测方法的对照实验表明，细胞相位参量与糖度值表现出了明显的正相关性，且对局部糖度差异敏感。所提方法与高光谱成像检测结果具有良好的一致性。该相位检测表征方法操作简便，运算速度快，可为番茄糖度乃至其他果蔬的多种生理特性快速检测提供参考。

白细胞分类在血液分析、临床疾病的诊断和治疗中具有重要意义。人工镜检作为血细胞分析的金标准，耗时较长且高度依赖检测人员的经验。定量相位成像可测量细胞各处的相位分布，是研究细胞形态学和生物化学特征的有效方法。利用基于数字全息显微和明场显微成像的共定位相位成像系统对健康人外周血涂片中的5种白细胞进行研究，定量分析了不同白细胞及其亚结构中的相位分布情况，提取出多个有效辅助白细胞分类的特征参数，并进一步分析了镜检中容易混淆的异型淋巴细胞。结果表明，利用提取的细胞亚结构特征参数可对白细胞进行有效分类，也能较好区分异型淋巴细胞。因此，基于共定位相位成像的细胞亚结构特征参数可为白细胞分类、各类血液疾病的诊断和治疗提供依据和参考，且此种方法无须再对常用的染色样品进行特殊处理，应用场景众多。

提出了一种基于微透镜阵列分割波前及多平面相位恢复的定量相位成像技术。针对大动态范围的相位物体实现定量相位成像，该技术同时施加了横向波面分割、轴向多衍射平面和多波长照明三种约束。该技术记录了两种不同波长照明下，微透镜阵列焦面附近不同衍射距离的强度分布图，采用多平面相位恢复算法提取透过相位物体的数字复振幅光场，通过双波长数字复振幅光场相位提取算法，实现了大动态范围下的相位物体成像。数字仿真实验中，在640 nm和685 nm的照明下，对相位变化范围大、结构复杂的相位物体进行了模拟仿真，结果表明，该技术可以高效、便捷地实现高精度相位成像。

采用定量相位成像技术对飞秒激光在玻璃材料内部加工的空腔结构进行定量相位成像检测。首先通过改变飞秒激光的脉冲能量在玻璃内部制作了不同结构的空腔，然后使用定量相位成像装置对样品进行了成像表征。结果显示：定量相位成像技术在对内部空腔进行成像的同时，还可以探测到玻璃空腔周围光学性质改变的区域。研究了玻璃内部有无掺杂对加工结果的影响，并分析总结了飞秒激光在玻璃内部加工的三维模型。定量相位成像技术既可以对样品进行无损检测，有效提高样品的检测效率，又可以定量测量样品的光学特性，因此，该技术在激光加工检测领域中具有广阔的应用前景。

基于六光子双数态，研究了两输出光子计数测量方案的最大似然估计量及其相位灵敏度，并用最大似然估计量重构双折射样品的二维显微图像。数值结果表明，两组两输出测量方案可以避免暗点处的相位灵敏度发散，从而克服显微图像的散斑问题。与单光子情况相比，重构的图像整体品质因子接近于理想的六光子双数态增益因子。

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。