对生命的探索一直是人类的研究热点。在生命科学研究中,荧光标记技术和光学成像技术的结合,使得能够观测到介观层面信息,衔接上了现有的宏观与微观信息,对生命科学研究具有重要意义。然而通用的荧光光学成像方法需要通过扫描得到三维信息,无法对三维荧光信息同时记录。全息成像技术可在非扫描条件下记录样品的三维信息,排除扫描过程对时间的消耗。其关键在于采用干涉方法记录下物光的完整信息。荧光是一种宽带光,荧光全息中如何实现荧光干涉是其中的难点；此外,荧光的信号强度较弱,全息又是一种离焦探测方式,如何充分利用荧光的信号强度是实现荧光全息成像的关键。本文以实现荧光非扫描三维成像的需求为驱动,结合荧光信号的低相干度和弱信号强度特点,系统深入地研究了宽带弱信号光的全息探测方法,以及干涉系统的光程差(Optical Path Difference, OPD)理论,基于此研究结果提出了一种适合于探测宽带弱信号光的双球面波自全息(Self-interference Holography, SH)成像方法,基于此方法建立的双球面波自全息探测系统解决了现有系统不能同时满足高信噪比和高相干度要求的难题,为实现宽带弱信号光的全息探测提供了有效途径。本文从系统成像效果,分辨率和拉格朗日不变量(Lagrange invariant)三个方面展开研究。(1)研究了干涉系统的光程差变化,发现采用双球面波干涉时可灵活控制并减小系统的光程差,在信号强度高的小记录距离处就可实现高相干度干涉,满足了探测宽带弱信号光的高信噪比和高相干度要求。实验验证发现,采用此方法可以有效地解出波前信息,且系统的信噪比可提高3-20倍(与具体记录参数有关)。(2)研究了自全息系统的分辨率,特别是双球面波自全息系统的分辨率变化规律和引起分辨率变化的因素,并用实验结果验证了理论分析。分析发现在球面波参考光系统中,可通过增加像方数值孔径来提高分辨率。与利用横向放大率来提高分辨率的平面波参考光系统相比,球面波参考光系统的优点是可在上述信号强度高且光程差小的近焦面提高分辨率。从而在保证系统分辨率的同时,也保证了系统的信噪比和相干度。(3)发现当全息系统满足“空间非相干,参考光和物光都包含物体信息,用来重建像的波前是参考光与物光的共轭乘积”三个条件时,光学成像系统中的拉格朗日不变量不再成立。发现并证实了自全息成像系统的横向放大率和角放大率可以不受拉格朗日不变量限制而独立变化。