生命有机体构成的最基本单位——细胞具有复杂多变的形态结构,为保证生命体正常运作其功能亦是形形色色各尽其责。对细胞种类和形态特征等方面的研究在生命科学、现代医学以及生物能源等领域有着极其重要的地位和价值。特别是定量相位成像技术,在近十年的发展中最为突出,该技术融合了数字全息、光学显微和现代数字图像等技术,在生命科学等领域得到了广泛应用。与传统检测方式需要对样品进行标记、染色、固定等复杂处理程序相比,定量相位成像技术具有无损伤、无侵入、无电离辐射、可实时、可定量的特点,已作为细胞检测的主要技术。本文以国家自然科学基金、江苏省自然科学基金等重大基金项目为依托,阅读分析了近些年数字全息相位显微成像技术方面的大量文献资料,较为深入地了解了生物细胞定量相位成像技术以及相应相位提取方法的特征,在对各类方法和技术进行比较分析的基础上,提出了一种基于衍射相位显微技术的两步相位成像方法并进行了实验验证。结果表明该成像方法不仅拥有传统衍射相位显微技术的稳定性,可动态检测等优势,适用范围也得到了拓展。另外,传统生物细胞的定量相位信息反映的是细胞与周围环境折射率差和细胞厚度的乘积,是一个沿光波传输方向的积分整体变化量,并不能真实有效的反映每一点的情况,表述的仅为二维分布。基于此研究现状我们提出了一类双光束非正交相位显微一次成像系统及方法,在单次曝光下可同时采集到不同角度下的两幅干涉图,节约采集时间,增强相位成像的稳定性、精确度和效率,可实现相位物体双角度快速相位显微成像,为相位体最终的三维成像奠定了基础。相位重建理论优化方面,本文针对传统相位显微技术中噪声的问题,结合三步相移干涉法提出了广义相移下的抗噪声矩阵p范数相移确定方法。该方法便于操作,抗噪能力强,且运算量小,仅需计算每两幅干涉图样光强差的范数值,降低了实验要求。此方法得到了仿真实验和光学实验的验证。另外基于此相位恢复方法我们取p为2还进行了聚苯乙烯小球成像实验,结果也表明了它的有效性。本文在实验和理论研究两方面都取得了一定的进展,所获取的研究成果对生物细胞形态分布的三维重建有一定的应用价值,也为细胞更深入的定量检测研究提供了参考。