测量细胞三维形貌数据是研究细胞的生命活动规律与细胞体积关系等生物医学问题的重要手段。其中，精确测量细胞的高度是难度最高的环节，传统的光学测量方法只能获得细胞的二维轮廓信息。现代光学利用光的波动性，提出了很多相位测量手段，达到了纳米级甚至更高的测量精度。相移干涉显微技术是通过对同一视野的细胞干涉图案进行相位调制，用数字成像器件进行记录，得到一系列具有一定相位变化的细胞干涉图。然后通过对图像进行处理后进行联合运算，得到细胞的高度信息。作者首先研究了相移干涉显微技术的测量原理，推导出干涉成像与偏振相移过程的数学表达式。分析影响成像对比度与光亮均与度的因素，为后续进行的光路设计与优化提供了理论支撑。设计了两种基于棱镜分光，单CCD成像的同步分光偏振移相系统，该系统能够在CCD靶面上呈现四幅空间位置分离的相移图片，这样就节省了图像采集过程的时间，避免了原系统的移相误差与延时误差。文章还分析了两种分光系统的分光过程，对其分光能力进行了测试，设计方案二与设计方案一相比，有较好的分光效果且降低了研发成本，适用于生物活细胞相位的调制。掌握了图像处理的整个流程与其中的关键技术，深入研究了相位提取算法，根据相位提取算法不同的设计目的对其进行了重新分类。通过相位解缠对比实验比较分析了三种经典相位解包裹算法的特点，这三种算法是枝切法、质量图导引法和Matlab自带算法。通过比较分析得到了质量图导引算法有着较好的相位解缠效果，枝切法在细胞相位解缠过程所用的运算时间上有一定的优势的结论。搭建了基于双角度入射实现细胞高度测量的相移干涉显微系统，能够在细胞折射率未知的前提下测量细胞的高度值，具有较高的测量精度。设计能够通过单CCD一次曝光获得四张不同相位图片的同步相移分光系统。该系统包括能够将一束入射光分为空间位置分离的四束平行光的分光系统和在分光系统的由四分之一波片和检偏器组成的移相系统组成。改进后的空间相移干涉显微系统提高了测量过程的实时性，消除了原系统的移相误差和延时误差，使测量结果更加精确可靠。