数字全息,作为一种光学成像技术,具有对物波波前的复振幅(特别是相位信息)进行定量成像和测量的独特优势,已广泛应用于物理、化学、生物、医学等许多领域。近来,在传统离轴数字全息和同轴数字全息的基础上,发展出微离轴数字全息以及共路离轴数字全息。微离轴数字全息与传统的离轴数字全息(如基于马赫-曾德或迈克尔逊干涉仪的离轴数字全息)相比,具有需要图像传感器带宽更小的优势,并且与传统的同轴数字全息相比,其需要测量量更少。共路离轴数字全息,相较于传统的离轴数字全息光路结构更加稳定,对机械振动和空气扰动的抗干扰能力更强,所需光学元件更少,已被广泛应用于定量相位成像等领域。本论文主要针对基于数字全息的定量相位显微成像技术,特别是微离轴数字全息和共路离轴数字全息以及基于共路离轴数字全息的定量偏振显微成像技术,开展了理论和实验研究。论文的主要研究内容如下:1.第一章综述了基于数字全息的相位显微成像技术的历史背景和研究进展。主要介绍了离轴全息成像技术以及同轴全息成像技术的研究进展,并介绍了近几年发展起来的微离轴全息成像技术和共路离轴全息成像技术。2.第二章对数字全息技术进行了基本的理论分析。简要介绍了全息成像的基本理论以及全息图的再现方法,重点介绍了离轴数字全息的记录以及离轴数字全息再现。3.第三章简要介绍了偏振的基本理论以及偏振敏感介质的偏振特性描述,并在此基础上对基于数字全息的偏振敏感样品的测量方法做了理论分析。介绍了常见的用于描述偏振光的表征形式:琼斯(Jones)矢量;在此基础上,对常见的偏振器件的矩阵形式和运算方法进行了描述与归纳,重点介绍了使用琼斯(Jones)矩阵描述方式对一般偏振敏感材料偏振特性的描述。在本章的最后介绍了使用圆偏振光照明的偏振敏感样品琼斯矩阵测量方法和使用线偏振光照明的偏振敏感样品琼斯矩阵测量方法。4.第四章提出了一种能同时适用于对较大尺寸物体(几十厘米)和较小尺寸物体(几微米)进行定量相位成像的共路微离轴数字全息成像方法。该方法中,使用通过一大尺度会聚透镜产生的会聚球面波作为照明光源,在照明光会聚面(即物波频谱面)上放置一特制圆孔光阑,实现全息记录的参考光来自靠近物光圆孔光阑边缘的参考针孔中,所需的照明光和相干参考光源则由一个1×2单模光纤分束器产生。该方法由于采用了单模光纤分光和微离轴共路干涉光路结构,具有成本低、光路简单、抗干扰能力强的优点,提供了一种将传统显微镜改造成高分辨全息定量相位显微镜的低成本途径。5.第五章提出了一种结构简单、特别适用于微流控环境的分波前共路双通道偏振全息显微成像方法。该方法通过采用一个特殊设计的三通道组合偏振显微镜头成功实现了共路双通道离轴偏振全息记录和偏振信息(如样品双折射光轴取向和双折射相位延迟量)的单击数字重现。利用该方法设计的微流控偏振全息显微成像光路结构简单,大大提高了偏振成像系统的稳定性和便携性,为发展便携型微流控单击偏振显微成像系统提供了一个新的可行途径。6.第六章提出了一种基于光纤分束和沃拉斯顿棱镜的多通道偏振全息显微成像方法。该方法是基于共路离轴数字全息结构,能够对微流控通道中的动态样品进行偏振成像并且实现了对动态偏振敏感介质琼斯矩阵的一步测量。该方法仅需要使用两个光纤分束器、一个沃拉斯顿棱镜和一个会聚透镜就能实现全息图的四通道角分复用,极大的减少了光学元件的数量,并且由于采用了共路离轴的设计,使得光路对振动和空气扰动的抗干扰能力更强。利用3D打印技术设计制备了基于该方法的四通道偏振全息成像装置并用该成像系统对微流控通道中的淀粉颗粒、绣线虫等样品进行了偏振成像实验,成功得到了它们的琼斯矩阵参量,实验验证了该技术的实际可行性。