光学显微成像设备及光学检测仪器日益走向精密化,推动着各行各业的科学与技术发展。然而,在部分行业的生产、实践和科学研究中,例如野外环境监测、远程医疗和农林业等领域,研究人员对具有低成本、便携式和抗环境噪声等特点的显微成像设备具有迫切需求。随着激光二极管(LD)、半导体发光二极管(LED)、光纤及二元光学元件等现代光学元件、CMOS/CCD光电图像传感器及计算机技术的发展,利用廉价光学元器件和计算成像算法相结合的方式,实现成像算法取代部分复杂光学元件,可以使得原本复杂的光学显微成像设备变得更加结构简单、便携化。本文深入、系统地探讨了如何利用基于波前重构的计算成像的方法实现光学显微成像设备的简单化、数字化、廉价化和便携化。本文创新点如下:a.讨论了标量角谱理论、基于距离/波长改变的Gerchberg-Saxton(G-S)迭代算法、基于距离/波长改变的光强传输方程(TIE)、图像自动聚焦方法(测量离焦距离和测量照明波长)等波前重构算法及其支撑算法在计算显微成像中的适用范围、求解方法及它们的综合使用流程;本论文提出的综合算法流程明显降低了波前重构算法对精密硬件的依赖性,对基于波前重构的计算成像方法进一步走向实用化具有推动作用。b.类比数码相机(数字成像显微镜)、传统双光路数字全息装置,讨论对比了多个图像自动聚焦判定标准;基于大量数据对比,我们认为基于图像二维导数的Tamura系数的判定法以及基于图像二维导数的Gini系数的判定法更加适合在部分相干光照明下的图像自动聚焦算法;指出了在部分相干光照明条件下,可以利用图像自动聚焦算法对CMOS/CCD图像传感器记录的离焦图像进行离焦距离测量和照明波长测量。c.系统性地讨论了部分相干性光源、CMOS/CCD光电图像传感器的自身的参数对离焦(无透镜)显微成像分辨率的影响。d.基于LED照明和商用板型(Board-type)CMOS图像传感器,深入研究基于波前重构的计算成像方法在光学仪器中的应用,创造性地构建了多光谱无透镜显微成像装置和便携式多模式显微成像装置。在成像效果方面,多光谱无透镜显微成像装置具有成像分辨率高(1μm)、成像面积大(6.4mm*4.8mm)等特点;在光谱分辨能力方面,利用图像自动聚焦算法测量准单色光的精度达到了1nm,这也为光谱测量领域提供了新的思路。基于LED阵列、图像自动聚焦算法和波前重构算法,我们构建了便携式多模式相位显微镜,能够实现定量显微显微成像和暗场成像,最终实现对生物组织非线性系数的测量。e.利用图像自动聚焦算法测量离焦距离的方法,提出了一种便携、廉价的测量透明材料体折射率(Bulk refractive index)的新方法。该方法与商用的阿贝折射率测量仪精度相当,但是其测量范围几乎不受限制,传统阿贝折射率仪的测量范围为1.3<n<1.8,而本论文的折射率方法的测量范围为1<n<∞。