光学显微具有对样品损伤低、可特异性成像等优点，是生物医学、生命科学、材料化学等多个领域中必不可少的成像手段。然而，传统光学显微镜多采用平行光照明整个样品，无法有效区分在焦信号和离焦背景，不具备三维层析成像能力。基于此，提出一种基于共振扫描的稀疏结构光照明三维层析显微（SSI-3DSM）技术，通过共振扫描聚焦光斑快速生成稀疏条纹结构光，利用多步相移减除背景噪声实现对待测样品的三维层析成像。相较于扫描宽场成像，该方法将轴向分辨率提升1.3倍，信背比提升12倍。此外，该技术性能稳定、成本较低、便于商业化开发，可与结构光照明、单分子定位等超分辨显微成像技术相结合以进一步提高横向分辨率。

提出一种非轴向扫描的细胞显微深度成像技术, 在显微系统中加入菲涅耳透镜, 利用菲涅耳透镜的色散将不同激发光波长聚焦到不同的轴向位置, 以实现对两个或多个焦平面同时成像.基于405 nm和532 nm两种激发光波长, 在传统的荧光显微镜的激发路径中加入对应的两个成像探测器来探测两个不同焦平面所对应像面的成像信息, 搭建得到一个能够实现探测深度约为12 μm的基于菲涅耳透镜的荧光显微深度成像系统, 并与基于显微物镜色差无菲涅耳透镜的荧光显微深度成像系统的成像深度和轴向分辨率进行实验对比.实验结果表明: 加入菲涅耳透镜能够实现系统对不同焦面的同时成像; 对于同一荧光波段, 保证系统横向分辨率的同时, 扩大了成像景深.该系统可以实现荧光生物细胞内部不同深度处的多波段同时探测.

频谱编码显微镜是用衍射光栅和光谱分析装置来获得显微图像.样品上不同的位置被不同的波长照明, 通过对反射光光谱进行解码来得到空间信息.搭建了一个基于超连续光源和自制光谱仪的频谱编码显微成像系统, 其横向分辨率为1.72±0.13 μm(编码线方向)和1.26±0.08 μm(垂直于编码线方向), 测得不同横向位置处的轴向分辨率有差异.对离体猪肝组织不同部位进行了成像(可见血管、肝窦内皮细胞和肝细胞); 对鸡心组织以10 μm深度间隔进行成像, 测得不同深度处结构信息不一样.结果表明, 采用该频谱编码成像的方法能够进行高分辨的深度成像.

传统成像获取信息不足, 成像质量有一定局限性。为此, 提出了一种深度成像模型。模型包含深度矩阵、分解函数、散焦算子、自适应正则项等部分。深度矩阵的获取有双目立体视觉、结构光或飞行时间法等实现方法; 分解函数用于将图像按深度值的不同分割为若干子图像; 散焦算子可以通过深度散焦法来计算; 自适应正则项的引入能减少图像的阶梯效应, 增强图像的光滑性。通过局部标准差和局部平均梯度这两个评价指标检验深度成像模型的效果。实验结果表明, 深度成像模型效果显著。

综述了基于相位辅助的三维数字成像与测量的核心技术。以相机模型为基础，建立了三维数字成像系统模型和三维测量网模型，并介绍了相关的标定技术。在主动立体视觉的理论框架下，综述了相位提取、相位展开、对应点搜索等单视点深度像重建的关键技术。介绍了深度数据后处理技术，其中包括多视点深度像的匹配、融合和简化的代表性算法。同时，对系统标定、深度像重建、深度数据后处理等各个环节对整体测量精度的影响分别进行了论证。