中文摘要：

在基础医学等研究领域，迫切需要发展能够对荧光样品进行三维成像的光学层析成像技术，这种技术必须既能实现非相干全息记录，又能兼有快的成像速度和好的图像清晰度。光学扫描全息技术（OSH）是目前最有潜力实现该目标的一种技术方案，它可以对非相干散射场三维景物信息进行整体获取，因而成像速度较快。但现有OSH技术的图像重建解码函数对纵向位置参数的敏感程度不高，导致邻层图像混叠而降低图像清晰度。本项目基于光学加密技术中的随机相位编码原理，提出一种新的OSH层析成像方法，能够有效滤除邻层离焦图像，得到较清晰的聚焦层图像，并提高系统纵向分辨率；运用光学加密系统中提高加密容量及偏差容忍度的分析方法，对影响OSH系统纵向分辨率的随机相位函数以及加解密数据偏差等因素进行深入的研究，得到理论分析及数值模拟结果；开展原理性验证实验工作，为今后OSH技术在生物医学、材料检测等领域的实用性研究提供理论和技术基础。

结论摘要：

对物体进行三维的光学层析成像，是目前许多研究领域迫切需要发展的一项技术。以医学应用为例，已有的技术主要是依靠沿纵向逐层分次成像，来得到样品的各截面图像。如果能够实现在一次数据采集过程中就将各层截面信息全部记录下来，然后待需要时再通过数字方法重建任一截面图像，则无疑会有助于提高探测效率。而光学扫描全息技术（OSH）是具有良好潜力实现该目标的一种技术方案。 OSH技术通过使用二维主动光学外差扫描物体，并用单像素探测器把沿纵向分布的各层强度信息记录到复数全息图中，然后，再根据需要可以从复数全息图中反演重建出某一层的图像信息。因此，这种技术尤其适用于无法进行面阵全息成像的场合，具有减小探测系统体积、降低系统成本等优点。但传统的OSH系统在重建聚焦层图像时，是通过记录的全息图与针孔光瞳的脉冲响应函数进行卷积，因而在恢复出聚焦层图像的同时，非聚焦层（离焦层）会表现为程度不同的模糊图像，影响层析成像效果。本项目在前期初步研究的基础上，提出采用具有随机相位分布特性的光瞳，取代针孔光瞳，并从理论和实验两方面，对这种基于随机相位编码的光学扫描全息方法（RPE-OSH）进行了深入系统的研究。主要工作包括（1）对RPE-OSH系统的聚焦层成像点扩散函数、横向分辨率、离焦层像斑弥散特性、随机光瞳函数偏差影响、二值化光瞳函数重建效果等基础理论问题进行了较深入的探讨；（2）建立了一套RPE-OSH原理性实验装置，开展了系统横向分辨效果、两层截面物体的层析成像效果、光瞳函数分布对重建效果影响等方面的实验工作，并与相同条件下传统OSH系统的重建效果进行对比；（3）探讨了一些新型光学扫描全息技术方案以及应用方法，如利用压缩传感技术实现无机械扫描运动的OSH系统，以及将RPE-OSH技术应用于光学平板平行度测量方案等。数值模拟分析及实验研究结果表明，本项目所提的采用随机相位编码的方法，可以在多种成像性能方面有效地提高光学扫描全息系统层析图像的重建效果。项目所得的研究成果，进一步从理论上完善了光学扫描全息层析成像，并在技术上积累了经验，为今后开展更深入的实用性研究奠定了基础。