生物样品的研究是目前生命科学研究领域的重要课题,显微成像技术为相关研究者提供了对生物活细胞观察的平台。由于细胞的动态过程一定程度上能反映其生命周期的演化进程,定量成像生物活细胞对于生物医学研究具有重要意义。细胞一般具有透光、内部组织复杂及微结构等特点,对这类样品的定量成像,要求成像技术对折射率和厚度敏感,数字全息显微技术在对该类样品定量成像方面优势明显。数字全息具有高灵敏、高分辨率以及快速、无损测量等优点,尤其适合在不损伤细胞的基础上对细胞内部组织及其生命过程进行实时成像观测。随着数字全息成像技术的发展,数字全息显微成像技术特别适用于三维形貌测量、微小物体的显微成像以及动态细胞的实时分析,其不仅能够对物体轮廓进行测量,也能获取已知尺寸物体的折射率。近年来,数字全息成像技术在生命科学、材料科学等领域的应用研究不断深入。本论文分别对面阵CCD时空扫描数字全息方法和双波长数字全息成像方法进行了优化,主要包括两部分内容:第一部分,研究时空扫描记录的优化方案,通过构建符合四步相移条件时空全息图、构建同轴时空全息图,提高成像质量。首先,基于离轴马赫曾德干涉光路搭建时空扫描数字全息成像系统,扫描待测物体实时记录一组全息图;将所记录的全息图序列中某一像素列设置为基线,按照时间顺序提取该基线遍历的所有单列全息图进行合成,得到一幅时空全息图。在使用面阵CCD完成该记录过程时,全息图序列中有多个基线位置可供选择,通过合理设计实验可以合成多幅具有相移的时空全息图,进行四步相移优化处理,实现了消除频谱干扰项并提高成像质量。在时空扫描系统构建中,通过离轴全息图的傅里叶频域坐标计算出不同时空全息图之间的相移量,再结合Matlab可以实现对系统实时定量的调整,从而获得满足四步相移的时空全息图。其次,在时空扫描成像实验中,研究通过调整离轴干涉图的干涉条纹角度,采用条纹面与扫描方向正交的方式记录并合成一张同轴时空全息图。在相同相移量的前提下,同轴时空全息图的构建简单,重建更容易满足四步相移法从而实现消除零级和负一级频谱,并且无需消除离轴引起的相位畸变。实验中,对蜻蜓翅膀等生物样品进行成像,其结果显示该方法对成像质量有一定提高,验证了该方法的有效性。第二部分,对双波长数字全息成像实验系统进行改进,并对双波长数字全息相位重建中的噪声特性进行分析研究。首先,提出了一种基于偏振复用的双波长数字全息实时成像系统,能实现双波长的单曝光记录,并能灵活调整频谱位置以减少零级谱影响。实验中,通过单曝光记录微流控芯片的双波长数字全息图并重建其振幅和相位图,验证了该系统单曝光记录的成像能力。其次,通过模拟分析,验证了线性回归相位恢复方法能对双波长数字全息轴向测量范围有所扩大;并且结合模拟和实验,对该方法在双波长重建过程中相位噪声放大抑制作用进行讨论。