数字全息衍射层析成像技术是近年来光学成像领域的研究热点之一,它是一种新型的三维成像技术,结合了数字全息与衍射层析两种技术的优势,既具有数字全息技术全视场、非接触、无损、非标记成像的优点,又具有衍射层析技术对微小样品高精度、定量的三维成像的优势。目前数字全息衍射层析成像技术已经应用到了生物医学、微光学器件检测、温度场等领域,具有重要的研究意义和应用前景。数字全息衍射层析成像的成像过程分为两个步骤,首先利用数字全息成像方法获取样品在不同照明角度下的全息图,对全息图进行数值再现可获得样品在各个方向上的散射场分布,然后以多角度下的散射场分布为基础数据,利用衍射层析再现算法即可重建出物体三维折射率的分布。本文分析了数字全息衍射层析成像理论,并围绕多角度照明数字全息衍射层析成像质量的优化、实验系统的构建和成像验证展开研究,主要内容如下:阐明了数字全息衍射层析成像的理论模型,一方面分析了数字全息成像技术,主要针对预放大离轴菲涅尔数字全息的记录和再现,通过不同角度照明情况下记录相应的全息图,利用数值再现算法可获取各个照明角度下的复振幅分布;另一方面,阐述了光学衍射层析重建的理论模型,分析了各个角度得到的复振幅分布与物体函数三维频谱之间的关系。优化了光学衍射层析三维成像再现算法。由于在物体函数三维频率域中频谱点离散化的问题,提出了基于单次赋值的最近邻插值算法;同时在基于多角度照明的数字全息衍射层析成像系统中,由于探测器的记录视角会受到系统数值孔径的限制,因此,在三维物体函数的频率域中会产生“锥形频谱缺失”的问题,针对这个问题,研究了正约束迭代的方法以恢复缺失的频谱,通过最近邻插值算法和正约束迭代算法提高了三维重建精度。设计并搭建了基于数字全息的衍射层析成像系统。在预放大离轴菲涅尔像面数字全息的成像系统的基础上,设计了多角度照明样品的实验系统,包括基于平移扫描和振镜扫描两个实验系统,编写了labview程序控制振镜和图像采集设备CCD的程序。根据光学衍射层析理论,将透明样品放在一个弱散射场的环境中,以满足光学衍射层析中一阶Rytov的近似条件。在此分析的基础上,我们使用特定折射率的匹配液对样品的周围环境进行相应的匹配,并通过实验验证了数字全息衍射层析算法三维成像的有效性。该成像技术为微小样品内部结构的无损、定量测量提供了一种有效方法。