菲涅耳非相干相关全息(Fresnel incoherent correlation holography,FINCH)系统采用非相干光照明记录菲涅耳全息图。FINCH技术最显著的优点在于能够快速对三维物体进行成像,并且大量研究结果表明该系统具有较高的成像分辨率。目前,FINCH已经成为光学成像的一个重要工具,尤其是在生物显微成像方面。但由于受到空间光调制器(spatial light modulator,SLM)以及图像传感器(CCD、CMOS)的像素数和像素尺寸的限制,FINCH系统的记录视场相比于传统的光学全息成像要小很多,因此限制了FINCH技术在面对较大范围成像时的适应能力,所以扩大FINCH技术的记录视场尤为重要。本文基于对FINCH系统的记录原理及SLM有效孔径的理论分析,设计了一种大视场掩模,通过搭建实验光路并利用计算机的简单控制,有效扩大了FINCH系统的记录视场。另一方面,FINCH的光路配置为共路同轴的干涉系统,所以至少需要进行两次全息图的记录,并采用相移法去除零级像和孪生像来获得最终的复值全息图,该方法不适合对活细胞进行观察或记录快速移动的物体,因此基于FINCH系统的单次曝光技术应运而生。本文着重研究了基于FINCH系统的实时动态成像方法,具体分析了一种在SLM上分区域加载相位掩模实现单次曝光记录方法的原理,并通过数值模拟仿真和实验验证了本研究方法的可靠性。针对进一步推动非相干数字全息(incoherent digital holography,IDH)技术在实时显微成像方面的发展和应用,本文的主要研究内容具体如下:(1)介绍了非相干数字全息技术的提出和发展过程,以及FINCH系统的提出与国内外研究现状,分析了FINCH系统在大视场成像和单次曝光成像方面的研究背景。(2)对FINCH系统的记录与再现过程进行了理论推导,首先给出了SLM的特征函数方程式,接着计算了系统的点扩散函数(point spread function,PSF)并给出了全息图的表达式,然后利用相移线性叠加公式获取复值全息图,最后讨论了几种全息图的再现方法,重点介绍了角谱衍射算法的重建过程;另外,介绍了FINCH系统的光路设置,以及各个光学元件的参数和作用,通过模拟成像和实验探究了该系统的三维全息成像特性。(3)分析了影响FINCH系统记录视场的相关因素,给出了SLM的有效记录的视场角,设计了不同双透镜光轴中心位置的大视场掩模,利用计算机调控加载在SLM上的相位掩模,有效扩大了SLM的记录孔径。并通过实验记录了不同视场下的全息图,将各个全息图进行再现、拼接处理后得到大视场再现像,实验结果说明了采用本方法可以有效扩大记录视场,并且不会影响FINCH系统的分辨率。(4)介绍了基于FINCH系统的三光轴单次曝光方法,并对比了所提出的方法与平形相移方法的区别与所占的优势,本文所研究的实时成像方法主要利用了SLM的可分区域的加载方式,将SLM等分为三个区间并分别加载上不同相移角度的双透镜掩模,通过单次拍摄获取包含三幅不同相位子全息图的复合全息图,经过三步相移线性叠加和角谱衍射法进行数据处理后获得清晰的再现像。在计算机上对单次曝光全息记录过程进行了模拟仿真,并设计搭建了实验光路记录了旋转骰子的动态视频,实验结果充分证实了单次曝光方法具有实时动态成像的能力。