偏振光衍射成像技术可以提供丰富的与细胞结构及组成成分相关的信息，在生物细胞无损检测领域具有重要的研究和应用价值。本文对酵母菌结构特征参数与其偏振衍射特征之间的定量关系进行了深入分析，分析结果表明：酵母菌单体短轴尺寸与偏振衍射条纹空间频率之间存在定量关系，基于偏振衍射实验测量图像可以实现酵母菌单体短轴尺寸分布的快速统计，并且酵母菌单体长短轴之比与退偏系数之间成高斯线性相关（R²=0.9986）。此外，结合偏振衍射图像纹理特征与支持向量机聚类模型可以实现酵母菌发芽率的快速统计，准确率为98.1%。利用多元线性回归模型可以预测出酵母菌母体和芽体的短轴比，模型调整后的决定系数为0.86。本研究结果可为基于偏振衍射特征的细胞结构参数反演研究提供借鉴。

以光纤通信为代表的光纤科学与技术的发展取得了辉煌成就, 以光纤传感为代表的光纤科学与技术的研究已延伸到社会发展和人们生活的各个方面, 以光纤为基础的各种新型微纳结构光子器件不断被设计和制作成功, 新的应用领域和潜力不断被挖掘。将微纳光纤探针应用到光镊领域, 不仅可以操控数量庞大的微粒, 还可以精确操控单个微粒, 这在微粒组装、筛选等领域有重要应用。将光纤探针应用到生物细胞的操控中, 能给研究细胞之间的相互作用提供新思路。

提出了一种可将光散射信息整合到干涉相位成像系统的设计方法。建立了均质细胞、单核细胞、双核细胞模型,通过分析样品的相位分布信息快速定量提取样品的形态特征,确定了样品的亚结构特征。通过红细胞和中性粒细胞实验,指出了结合散射信息的必要性和优势。研究结果验证了所提系统的可行性,并提出了改进方向。该系统结构简单、便于操作,为细胞形态结构特征的快速无损检测提供了参考。

针对动态观察活体细胞形态的数字全息显微应用, 提出了一种结合划线拟合和深度学习的自动相位像差补偿方法.首先在全息面提取中心十字线上的物光场相位值, 通过二次多项式数值拟合构建相位掩模完成相位像差初步补偿.然后在成像面运用卷积神经网络生成二值化图像掩膜, 提取物光场中无物体区域的相位值, 再次通过高阶多项式进行数字拟合构建相位掩模完成相位像差精确补偿.最后得到无相位像差的再现相位像.该方法通过在全息面划线取值和数字拟合有效补偿物光中的主要相位像差, 降低了成像面物光场的图像轮廓复杂性, 利用有限的训练数据集获得能够准确建立图像分割的深度学习模型, 从而实现了准确的无需人工干预的数字全息显微自动相位像差补偿.基于离轴数字全息显微成像系统对多种具有不同形态特征的活体细胞开展动态观察实验, 并进一步应用该方法进行子宫内膜癌细胞抗药性筛选.结果表明该方法可以很好地用于动态显微观察, 从而为生物学细胞动态研究提供实验依据.

基于干涉成像原理，提出了一种结构简单的轴向可调式共光路干涉成像系统的设计。该设计充分利用光路可逆性和分光棱镜的反射、折射特性，先通过棱镜将入射光分为两束平行光，一束照射到样品上被反射载物台反射作为物光，另一束则直接被反射作为参考光，然后利用上述棱镜使反射回的物光和参考光合束发生干涉。通过调整棱镜的分光层与光轴之间的夹角可分别实现不同类型的干涉。分别以傅里叶变换和三步相移范数法为例对实验获得的干涉条纹进行相位恢复，并通过对结果的分析评估了系统的性能，对设计用于生物细胞相位成像的可行性进行了论证。所设计的系统结构简单、操作方便、系统误差小，可为均质细胞的无损免标记形态检测提供一种简单易行的方法。

相位显微成像技术在生物细胞形态观察和类别识别中有着重要的应用。基于稳定性强的共光路系统，提出了一种利用反射镜将光束一分为二，然后重叠，产生共光路干涉的方法，该方法利用光束的几何放大作用，免加载显微物镜，即可将干涉图像放大在成像屏上，且通过调节反射镜的角度，实现同轴、离轴和微轻离轴相位显微成像，对图像进行相位恢复处理后，可了解相位样品的形态结构，理论和实验结果表明该方法可行，为生物细胞相位显微成像新技术的开发研究提供了一种方法。

定量相位成像可对透明均质的样品成像获得其定量相位数据和物理厚度信息，但是难以直接获得样品的三维形态分布。对此，提出一种简单的方法，从两个相互垂直的方向对样品进行定量相位成像，根据相位数据进行解包，应用Canny方法从解包相位中提取投影面的轮廓线并拟合，确定轮廓线的中心轴与旋转轴后，利用曲线180°旋转操作，可快速重构样品的三维表面。对均质淋巴细胞和红细胞模型应用本方法开展数值仿真实验，成功地重建了模型的三维表面，从而证实了本方法的准确性和可行性。

动态定量观察生物样品对生命与生物科学研究具有重要意义。研究了一种适用于长期定量观察生物活细胞的数字全息相衬显微成像方法。针对实际生物细胞显微观察中通常生物样品处于半封闭状态，设计了一种光纤与空间光混合的全息记录光路。针对长期观察过程中光学系统和细胞培养基引起的相位畸变，通过在全息面和成像面分别进行像差校正，获得高质量的样品相衬图像。并对造骨细胞MC3T3-E1和骨细胞MLO-Y4进行了长时间的显微观察实验，验证了该方法。