数字全息技术利用光电传感器记录下物光与参考光的干涉图样,在计算机上进行重建之后,不仅能得到样品的振幅信息,还能获取相位信息,具有普通光学成像无法比拟的优点。该技术在相位显微、干涉计量、粒子检测、细胞观测等诸多领域都有应用并取得了一定的成果,但同时,数字全息的复杂的光路设计以及采用强相干性的激光作为照明光源等要求也造成了数字全息的应用产品化困难。对该方法的改进研究也一直得到了国内外众多研究人员的关注,例如基于弱相干光源—LED的无透镜数字全息方法,不仅简化了系统光路,还在结构、体积和系统功耗等各方面都有显著的优势,但该方法在理论应用模型、具体算法实现等方面仍然需要很多的完善。本文通过对数字全息两步成像法过程中所涉及到的各个环节的系统阐述,建立了基于弱相干光源的无透镜数字全息显微成像方法的理论应用模型。其中,在记录方面,讨论了弱相干光源的相干性、记录光路对再现像的影响、干扰像出现的原因等;在再现方面,推导了衍射的不同算法、相位解包裹的算法以及消除干扰像的优化算法等。接着,论文在MATLAB平台上对该模型进行了仿真实验,验证了理论的正确性,并探究了记录距离、再现距离、参考光角度、干扰噪声等具体参数的影响。在实验验证方面,论文搭建了基于弱相干光源的无透镜数字全息显微成像系统平台,在硬件方面,选用了3D打印机作为机械框架,加入了LED、工业相机、微孔装置、下位机等部件,并制作了暗箱;在软件方面,则是基于MFC开发了配套的应用程序,包含了图像采集、图像处理以及全息重建等模块。通过在该平台上的成像实验验证,探究并解释了LED的相干性、光源距离、记录距离等因素对系统成像的影响,并给出了较优的成像参数。在初步应用研究中,基于系统平台,记录了乳腺癌细胞MDA-MB-453的数字全息图,重建了样品的振幅信息和相位信息,定性比较了其与光学显微成像的差异。定量分析了样品的相位信息,根据相位与厚度的转换模型,粗略估算了样品的厚度。用数字图像处理的方法消除了再现像中的干扰像及噪声,提高了信噪比,得到了具有一定应用价值的振幅图和相位图。