在生物医学领域的研究中,成像分析测试设备是观测细胞与生物组织的结构形态和生命状态的重要工具,其中显微成像仪器是生命科学研究中最常用的成像工具。传统的光学显微镜只能获取物光波强度的二维分布图,并不能给出被测物体的三维空间信息,难以满足日益发展的生物医学研究的要求。光学显微层析成像技术就是一种能实现样品内部三维结构测量的技术手段。但是典型技术包括光学投影层析术和激光扫描共聚焦显微术等都是以测量光强度为基础,对于相位型生物样品和低散射样品的成像对比度低,而且是利用共聚焦技术逐点扫描,存在成像速度慢的制约。因此,发展新的光学显微层析成像技术,对细胞、微小生物组织等样品实现无扰、高分辨、定量的显微分析是目前生物医学研究迫切需求的。数字全息显微层析成像技术就是近几年发展起来的一种新型三维成像技术,首先全息记录下待测物体在各个观测角下的数字全息图,数值再现出全角度下的复振幅数据,然后运用一定的重建算法重构出物体内部结构的三维折射率分布。它具有成像速度快、宽光束照射且所需光功率低、无需荧光标记可实现无扰分析以及具有高空间分辨率的优点。作为一种高分辨率的安全无损的内部结构三维成像技术,如果成功开发无疑能够为生命科学、临床医学、生物技术、新材料和制药等高新技术的发展提供先进和安全的检测技术和研究工具,因此数字全息显微层析成像技术的研究具有重要的科学意义和应用价值。本文首先针对影响层析重建像质量的关键问题,即数字全息显微再现像的像质优化问题展开了一系列的研究,具体内容包括:研究数字全息显微记录光路结构参数的优化设计,对三种典型记录光路的系统成像分辨率进行理论分析和比较,并给出实验结果证明像面数字全息记录方式是一种最优化的全息记录和成像方式;对像面数字全息图数值再现波前的主要畸变进行了分析,提出适合数字全息显微层析成像应用要求的波前校正方法;针对层析成像实验中样品旋转时的轴向移动所导致的记录像的离焦问题,对数字全息显微成像数值再现中的最佳再现距离的自动判定进行研究,提出基于累积边缘检测的自动聚焦判定方法。给出实验结果证明上述各方法的正确性与可靠性。对数字全息显微层析成像系统进行整体设计和搭建,在Mach-Zenhder型透射式的像面离轴数字全息显微记录光路的基础上,对物光路中的样品环境进行设计和具体的配置,创造出满足层析重建算法的光路环境,设计样品定位标记并提出相应的校正样品移位误差的处理方法。在投影采集光路系统中加入基于单片机开发的样品角度自动转动装置,并基于Matlab语言开发出相关的交互式控制程序,实现对样品旋转与数字全息图采集的联动控制。结合傅里叶投影切片理论深入研究数字全息显微层析成像的理论模型,给出将数字全息显微投影数据用于执行层析重建算法重建出物体内部折射率分布的基本原理和计算机实现步骤。研究分析算法的重建准确度、计算效率、抗噪鲁棒性等性能并对算法进行优化,通过数值模拟验证了将数字全息显微术与层析成像术相结合重建物体内部折射率分布的可行性与可靠性。结合傅里叶衍射投影理论深入研究数字全息显微衍射层析重建的理论模型,推导出像面数字全息显微记录方式下的衍射层析重建公式,获取衍射层析重建所需的透射场数据。对基于傅里叶衍射投影定理的两种衍射层析重建算法进行研究,并分别给出具体的计算机实现步骤。通过数值模拟验证了在衍射不能忽略情况下将数字全息显微术与衍射层析成像术相结合重建出物体内部折射率分布的可行性与可靠性,并对两种算法的重建准确度、计算效率、抗噪鲁棒性等性能进行了对比分析。用单模光纤和保偏光纤分别模拟圆柱对称和非圆柱对称结构的显微生物组织,并以半透明线状结构的微虫作为实际生物样品,用本文的数字全息显微层析成像系统进行实验研究。根据样品圆柱对称的结构特点,提出只用单幅像面全息图获取的散射场数据执行层析重建算法,并针对相位畸变补偿的不彻底所导致的重建像畸变,提出了有效消除重建误差的处理方法。实验结果均表明,在衍射不能忽略情况下,傅里叶衍射层析重建算法比基于傅里叶投影切片定理的层析重建算法更适合用于对显微生物样品的三维折射率分布的精确测量。本文最终实现了对截面40微米左右直径大小的微小生物体的层析重建,从而为微小生物样品内部结构的无损、定量测量提供了新的途径。