大部分生物细胞都是无色透明体,传统光学显微镜无法对细胞进行原态清晰成像。相位显微技术以细胞的物理和光学特性为出发点,可实现无接触、无损伤检测,是研究生物细胞形态和动力学特征的有力手段。相位显微技术在其他光学测量和成像中也发挥着越来越重要的作用。相位成像的质量和效率直接影响对待测物的观测结果,而这些往往取决于成像方法和相位恢复方法。通常在单波长相位显微成像中,首先得到的非连续相位,需要进行复杂的相位解包裹运算才能获得真实相位,该过程一般比较耗时,且难以适用于复杂结构体,这对最后的成像效果将产生较大影响。因此针对免解包的相位成像方法的研究具有重大意义。本文围绕免解包快速相位成像方法及其实验进行了研究,其主要内容如下:(1)针对典型的免解包双波长成像技术中需要多帧图像数据和实验操作相对复杂的问题,为了提高成像效率,提出了两种免解包双波长三步相移成像方法:离轴干涉下微分法和任意模式下的径向希尔伯特变换求解相位的方法。两种方法只需要三幅双波长干涉图就可以实现相位恢复,且都得到了仿真验证。同时建立了双波长实验光路,对希尔伯特法进行了实验研究与验证。结果表明了两种方法的可行性。(2)为进一步提高双波长成像的效率和避免在相位成像过程中参数等变化的影响,提出了快速希尔伯特相位恢复方法。该方法只需一幅双波长干涉图,通过多次希尔伯特变换就可得到合成波长下的相位信息,不仅通过仿真和实验数据验证了该方法的可行性,且与几种典型的免解包双波长方法作了比较。结果表明该方法在保证精确性的前提下提高了测量效率。(3)针对内部结构较为复杂且解包难度较大的异质有核细胞,为快速进行细胞亚类识别,提出了一种采用包裹相位识别细胞亚结构的方法,成功提取了一些核式细胞的亚结构信息,并对其进行特征分析和初步的识别。本文基于相位显微成像的物理机理,利用双波长技术和图像处理技术,通过数学解析和数字仿真计算,提出了几种免解包快速相位恢复和亚类识别方法,并得到了实验的支持,实现了高效相位显微成像,为生物细胞显微成像技术的发展指出了新的突破方向。