数字全息作为一种重要的测量方法,被广泛应用于物体三维形貌测量、微纳米结构测量和物体形变测量等领域,其中物体三维形貌测量可以通过单幅离轴全息图来实现样本单一波前信息的获取。但是,离轴全息测量技术由于零级频谱和±1级频谱是相互分离的,使得无法充分利用CCD空间带宽,一定程度上降低了三维形貌测量的分辨率。此外,在数字全息显微测量中,由于二次相位畸变使得包裹相位条纹密度增加,全局解包裹方法无法准确识别及校正包裹相位中条纹密度不均匀及噪声引入的相位突变点,所以会导致相位解包裹结果存在误差。针对上述问题,本文对轻离轴零级像抑制以及数值重建中相位解包裹算法进行了深入研究和探索。为了提高离轴减轻离轴全息图来消除轻离轴零级像,并通过数值重建轻离轴+1级像,获得待测样本的三维形貌特征。本论文首先设计了基于频分复用数字全息的异步单镜头和同步双镜头实验光路,其中同步双镜头实验采用质心对齐方法实现了双CCD的对齐,验证离轴减轻离轴全息图对零级像抑制的有效性。在此基础上,通过在异步单镜头和同步双镜头光路中置入显微来改变全息图的频谱分布大小,实现轻离轴全息对CCD空间带宽的充分利用,实验结果验证了上述两种实验测量方案在CCD带宽一定的条件下,离轴减轻离轴全息图来消除轻离轴零级像的可行性。为了提高在条纹密度不均匀和高噪声情况下包裹相位的相位展开精度,本论文提出了基于条纹密度自适应区域分割和相位梯度校正的相位解包裹算法。该算法首先通过对包裹相位进行正/余弦滤波检测包裹相位中密集和稀疏区域并生成密集和稀疏区域对应的0-1掩模板B0和B1,然后采用掩模板B0和B1对一阶包裹相位梯度进行自适应条纹密度的区域分割,对分割后的区域计算各自的校正阈值并进行校正,最后将校正后的一阶包裹相位梯度进行合并后采用迭代最小二乘算法计算得到连续相位。在仿真测试中通过和CPULS以及RM-WLS解包裹算法进行仿真实验的对比分析,验证了该算法可以很好地抑制条纹密度不均匀情况下包裹相位的相位突变点。在实验测试中,采用反射式离轴DHM系统测试的1951 USAF分辨率板（第6组元素第5个元素）实验图进行实验验证,相位恢复结果很好的验证了所提出算法的有效性。为了准确测量透射式待测样本的三维形貌结构,搭建了基于频分复用数字全息的异步单镜头实验光路,分别对分辨率板和“大”字待测样本进行三维形貌测量。对上述实验结果存在的问题进行分析,对实验光路优化后搭建了基于频分复用数字全息的同步双镜头实验光路,对“大”字待测样本进行三维形貌测量,实验结果表明通过离轴减轻离轴全息的方法可以有效抑制轻离轴零级频谱分量,并获得较清晰的“大”字三维形貌特征。在此基础上,搭建了异步单镜头显微和同步双镜头显微实验光路,对草履虫细胞和卵巢细胞进行了三维形貌测量,实验结果初步验证了上述两种实验测量方案在CCD带宽一定的条件下,离轴减轻离轴全息图来消除轻离轴零级像的可行性。