光学显微技术以其特有的优势广泛应用于生物医学领域。在显微成像中,样品聚焦是实现高质量成像的重要前提,精确聚焦的样品能够提供模糊程度最小、细节最丰富、对比度最高的显微图像。因此,先后提出了大量的自动聚焦技术,如包括基于数字图像处理的经典自动聚焦技术,以及一系列新型自动聚焦技术,如基于快速曲线拟合、针孔调制和深度学习的自动聚焦技术等,这些技术大多都基于强度成像实现对于在焦位置的准确判断。与这些方法不同,本文提出了一种新型基于波前传感的自动聚焦技术,将波前重建、波前数值传播和在焦定位用于自动聚焦之中,成功实现了快速、准确的自动聚焦。与现有基于强度成像的自动聚焦技术相比,该技术具有系统简单、速度快和准确性高的优点。在波前传感自动聚焦方法中,需要通过数值波前传播计算大量多焦面波前,并对这些波前进行在焦判断,因此波前传感自动聚焦技术虽然有效降低了图像采集数量和采集时间,但是大量的数值计算依旧限制了其快速应用。为了进一步提高波前传感自动聚焦技术的速度,本文还在硬件和软件方面改进了该技术。在硬件方面,本文提出了基于GPU并行计算的波前传感自动聚焦技术,将原先需要顺次计算的波前数值传播和在焦判断升级为并行计算过程,在保证在焦定位精度的基础上有效加快了处理速度。虽然实验验证了基于GPU并行计算的快速波前传感自动聚焦技术能够明显加快自动聚焦速度,但是昂贵的GPU计算卡增加了自动聚焦的实现成本,另外并行计算增加了算法复杂性,导致此方法的通用性降低。在软件方面,本文设计了基于像素点数目压缩的快速波前传感自动聚焦技术:通过在空域选择亚视场或是通过频域下采样的方式,有效减少图像像素点数目,从而明显加快自动聚焦的速度。本文还定义了空域和频域像素点数目压缩的阈值以保证自动聚焦的精度。数值模拟和实验测量都证明了基于像素点数目压缩的波前传感自动聚焦技术能够准确快速实现在焦位置定位。本文提出的波前传感自动聚焦技术仅需要采集少量的多焦面图像(一般小于10幅),并可以结合GPU并行计算和像素点数目压缩分别从硬件与软件两方面大幅提升自动聚焦速度与效率。更重要的是,该技术无需复杂的光机构件,系统简单,操作便捷。因此,波前传感自动聚焦技术具有速度快、精度好、自动化程度高和设备简单等诸多优点,有助于高质量的显微成像应用。