海洋是生命起源之地,海洋中的生物多样性远超陆地生物。海洋微生物是海洋生物系统中的重要角色,对海洋生态系统和人类社会发展有着重大影响,人们越来越重视海洋微生物资源的开发。海洋微生物长期生活在水下特殊的物理、化学和地质环境中,造成了其在物种、基因组成、形态结构上的多样性,具有巨大的潜在研究价值。海洋微生物在环境检测、微生物修复、微生物制药以及探索物种起源和进化等方面具有巨大的开发潜力。本文针对海洋微生物的原位探测问题,开展了水下并行相移数字全息成像系统的理论与实验研究。该系统所使用的偏振相机嵌有微偏振片相移阵列芯片,基于圆偏振光干涉可以同时获得四幅相移相差π/2的全息图,利用四步相移算法解调得到全息光场分布,然后利用图像处理算法进行滤波、降噪处理,最后利用角谱法完成近场的图像再现。该系统利用并行相移的方法消除了零级像和孪生像的干扰,可以实时探测目标的动态变化,且透射式的同轴光路能够提高CCD空间带宽积的利用率,具有结构简单、鲁棒性强、再现速度快、精度高等优点。本文围绕水下并行相移数字全息成像系统,主要完成了以下研究工作:(1)通过查阅国内外的论文、期刊等资料,深入了解课题的研究背景和意义,阐述了常见的水下探测方式,介绍了相移数字全息成像技术的发展、历史和应用。(2)研究学习并行相移数字全息成像相关的理论知识,包括并行相移数字全息技术的原理、并行相移的实现方法、再现算法和图像处理方法等内容。(3)介绍了水下并行相移数字全息成像系统的设计思路和方案,并利用数学方法推导验证了实验方案的可行性。根据设计方案对实验器件进行选型,搭建调试桌面实验装置。(4)完成了光学分辨率检验板、雌果蝇和雌蚊在空气中和模拟水环境中的实验,然后对实验结果和误差进行了分析和总结。