二次扭曲光栅是能够在不同衍射级产生不同焦距的光栅,也可以看成是多焦点透镜。它已经被广泛应用在多平面成像、流体测速、粒子追踪等领域。传统的三维物体成像方法需要进行机械扫描,而基于二次扭曲光栅的多平面成像方法可以在一次曝光中获得多个平面的图像。因此,该方法具有实时性强、效率高的特点。本论文将从理论分析入手,研究二次扭曲光栅的优化设计以及在粒子测速、多粒子相位校正中的应用。本文首先从理论上分析了二次扭曲光栅的成像原理。讨论了二次扭曲光栅和透镜以不同的距离组合用于多平面成像时,系统放大率的变化。通过理论和实验证明了当二次扭曲光栅和透镜的间距等于透镜的焦距时,可以使每个成像平面保持相同的放大率,更适合应用于多平面成像。其次,研究了基于二次扭曲光栅实现不等间距成像的基本原理。从理论上分析了实现不等间距同时成像的方法,并推导出不同层面间距的公式。提出了一种二次扭曲光栅和偏振复用相结合的成像光路系统,用于实现不等间距成像。实验分别对尺寸较大的和微小的静态样品进行非等间距成像,证明了该技术可以对5个前后距离不等的字母透明片同时成像,将成像透镜换成了显微物镜后,可对固定在琼脂中的酵母菌进行多平面成像。将酵母菌和培养液共同导入微流管作为动态样品成像,并利用记录到的结果对酵母菌的运动速度进行计算,体现了该系统的强实时性。同时,为了更加灵活地实现不等间距成像,基于闪耀型二次扭曲光栅和扇形分域板设计了一种特殊的光栅,这种光栅可以实现四个方向衍射级的自由调控,每一个衍射级的焦距都可以独立调制。最后,比较了不同结构光束照明下的不等间距成像效果。通过数值模拟贝塞尔光束的光强分布和传播过程,分析了贝塞尔光束的无衍射和自修复的特性。实验中,分别将贝塞尔光束和高斯光束作为照明光源实现多平面成像,对其成像结果进行分析比较,表明基于贝塞尔光束照明的多平面成像可以减少背景噪声,提高成像质量。由于在动态样品的实验中微流管会产生一个附加相位,使得被成像样品的相位产生了一定程度的变形,通过数字全息的方法可以去除这个附加相位,进一步恢复出酵母菌本身的相位分布。