近年来，随着数字图像处理方法、计算机及光电探测技术的逐步成熟，对数字全息技术的研究也随之发展的广泛而迅速，已经成为显微成像中不可或缺的重要研究方向之一。显微技术一直是生物医学研究中关键性的技术，传统的低分辨率、二维定性观察方法已经无法满足当前生物显微技术的多方面需求，因此希望能够发展实时动态、无损无标记获取高分辨率的生物细胞三维信息且可以定量测量和分析的成像手段。而数字全息所具有的多项优势使其与显微技术能够充分融合，成为实现三维显微成像的新契机。数字全息技术中将采集全息图的传统记录材料替换为CCD等光电探测元件，这样有效的避免了后续的多步化学处理过程，同时数值再现步骤在计算机中操作可以实现实时的测量，且能充分发挥数字图像处理技术的优势，实现定量分析。随着生命科学和医学领域对活体细胞动态、定量测量需求的增多，普通的光学相衬显微镜和干涉显微镜等方法已经无法完全满足，这是由于这些方法只能在细胞定性方面起到一定作用，无法提供生物细胞的真实厚度信息。相比于普通电子显微镜和传统光学显微镜，数字全息显微成像技术可以在非介入、不染色、不伤害细胞活性的情况下，可靠地对细胞的相位、厚度、折射率等参数进行三维定量测量，并通过与图像处理、计算机等技术的结合，能很好地实现实时的成像和参数分析，这些优势将在生命科学、生物医学中发挥作用，期望实现自动化、实时化地对生物样品记录、检测和分析并有助于流行疾病的早期检测和重大疾病的前期诊断。本论文中系统分析了生物细胞相衬成像的国内外研究现状，并基于数字全息技术的基本成像理论，将数字全息应用于生物细胞的成像、检测、分析及折射率测量中，主要内容如下：1.设计和构建了一套倒置式可满足活体细胞观测需求的预放大离轴像面数字全息显微成像装置，其结构的优点在于再现时无需在计算机中进行光学衍射传播操作，极大地简化了再现过程。经测定，实验装置在振幅像和相位像上的横向分辨率分别达到了0.87μm和0.977μm。分别以老鼠的大脑海马区神经元活细胞、神经球及宫颈癌细胞作为成像物体，对自然生长状况下的三种样品进行了形貌测量，并检测了不同浓度溶液中宫颈癌活细胞的形态变化，获得了多种细胞的基本形态参数。结果表明，数字全息术可定量检测活体细胞的形貌及动态变化，为生物、医学等领域对细胞行为功能的检测和分析提供了一种可靠的成像手段。2.分析了双波长数字全息术测量折射率的基本原理，设计和构建了倒置式双波长预放大数字全息显微成像装置，其两个波长分别为532nm和633nm，系统在振幅像和相位像上的横向分辨率分别可达到1.10μm和1.55μm。将盖玻片浸没在折射率已知的食用油中作为物体测量食用油的折射率，验证双波长数字全息方法测量生物细胞折射率的可行性。然后将年轮细胞生物教学样片作为实验样品来测量年轮细胞的折射率，分别得到了其在两种波长下的相位像，并通过计算获得了其折射率分布。由此可见，双波长数字全息方法可以满足生物细胞折射率测量方面的需求，具有很高的实用价值。