大视场高分辨率成像与定量相位成像是光学显微成像和生命科学领域的两项重要研究课题。以传统光学显微成像方法为基础,近年来发展出的“计算光学显微成像”技术为同时实现大视场高分辨率成像和定量相位成像提供了新的思路和理论,其中最具代表性的就是傅立叶叠层成像方法。本文系统的研究了傅立叶叠层成像方法的相关理论,针对目前尚存的几个关键问题提出了解决方案,进一步提高了测量精度、成像效率以及成像通量,实现了毫米级成像视场、亚微米级空间分辨率和毫秒级时间分辨率的动态定量相位显微成像。本文主要工作和创新点:(1)提出了一种基于自适应更新步长的迭代重构算法,解决了重构算法在有噪声情况下的准确求解问题。对凸问题的最优化迭代求解的收敛性进行了数学证明,对已有的傅立叶叠层成像最优化求解算法进行了分类和总结,并分析了全局梯度法和增量梯度法在有噪声情况下的收敛特性和收敛的充要条件,最后以此为基础提出了更新步长自适应缩小的增量梯度求解算法,在保证最快的收敛速度和计算效率的前提下,显著提升了在有噪声情况下系统的成像质量和重构精度。(2)提出了一种基于模拟退火法和非线性回归的LED(Light-Emitting Diode,发光二极管)定位误差校正方法。在分析了常见的系统误差对重构结果影响的基础上,针对其中影响最大、也最为关键的LED定位误差进行了数学建模,然后以重构误差代价函数最小化为目标,利用模拟退火法和非线性回归算法求解出整个LED阵列的四项全局定位参数。相比传统的全局模拟退火法,本方法由于使用了局部明场的初始搜索校正和非线性回归,所以能够将LED定位误差的校正速度提升3倍以上。(3)提出了一种针对傅立叶叠层成像方法的空频域最优采样率标准。针对传统傅立叶叠层成像技术需要采集大量冗余信息而导致的测量效率低的问题,分析了傅立叶叠层成像方法对采样率和冗余度的最低要求,提出了空频域最优采样率标准,并以此为基础提出了一种基于照明角度降采样的傅立叶叠层成像方法,该方法能够从冗余度最低的原始低分辨率图像中恢复出最多的高分辨率信息,从而将成像速度提升2倍以上,同时也为设计傅立叶叠层成像系统和选择最佳的系统参数提供了指导。(4)设计并构建了一种基于LED可编程聚光镜的高通量傅立叶叠层成像系统。使用低倍物镜,在保证成像视场大小的前提下,利用基于LED阵列的油浸聚光镜可以使照明数值孔径提升到1.2。另外,为了保证高通量重构时的重构精度,将高密度LED阵列安装于聚光镜的前焦面以满足最佳频域采样率和数据冗余度。该系统首次实现了使用10倍显微物镜达到1.6的合成数值孔径和最高154nm的半宽分辨率,即在相同成像分辨率条件下将空间带宽积提升了近50倍。(5)提出了两种基于傅立叶叠层成像的高速动态定量相位显微成像方法。首次对傅立叶叠层成像的光学传递函数进行了精确建模,然后利用照明角度内切于物镜数值孔径时相位传递函数能够覆盖所有低频信息成分的特性,提出了基于环形照明的高速傅立叶叠层成像技术,只使用4到12幅明场图像就能获得物体高精度的相位分布,最高帧率可达25帧/秒。此外还提出了基于颜色复用的单帧傅立叶叠层成像技术,使用三个不同颜色、照明角度内切于物镜数值孔径的LED同时照明物体,然后从单帧彩色明场图中恢复物体高精度的相位分布,动态相位成像帧率达到50帧/秒。