在生物医学和生命科学研究中，对生物细胞在玻璃器皿培养液内和在自然条件下进行可视化观测，期望获得细胞的结构形态、动态特性、生理学参数、细胞间的相互作用、细胞对药物的反应和药物输运等信息，对于早期医学诊断和药物设计开发等具有重要意义。

但随着生物医学和生命科学的迅速发展，这些方法已经不能满足对生物活细胞的动态定量观测需求，例如泽尼克相衬显微镜和微分相衬显微镜的基本原理是把相位信息变换成强度信息，该变换一般是非线性的，因而测量的相位信息只是定性的。激光共焦显微镜和光学相干层析术虽然可以进行物体的三维形貌测量，但这两种显微镜都需要对样品进行精确扫描，导致成像系统的结构十分复杂，且成像历时长，不能实现实时动态测量。在以上技术基础上也提出了其他改进的全视场定量相衬成像方法，如希尔伯特变换相位显微术(HPM)、傅里叶变换相位显微术(FPM)和衍射相位显微术(DPM)等。然而，在这些方法中，有的需要扫描镜和平移台等机械运动装置，系统结构复杂，有的则需要波前传感器及多次曝光。

数字全息术利用面阵光电探测器（如CCD、CMOS）代替传统光学全息记录介质（如银盐干板、感光胶片），将全息图以数字化的形式存储于计算机中；然后计算机运用衍射传播理论模拟全息再现时光波的传输过程，通过数值计算得到定量的物光波场的振幅和相位分布，实现了全息图记录、存储和再现全过程的数字化。数字全息技术具有如下的优势：1)实时性：光电图像传感器能够记录运动物体的各个瞬时状态，再现过程省去了繁琐的化学湿处理过程，提高了图像信息处理速度，可用于实时处理的场合；2)信息丰富：利用单幅全息图就能定量地得到被记录物体再现像的振幅和相位信息，不仅可以得到反射型物体的形貌分布，还适用于透明或半透明物体的定量相衬成像；3)结构简单：无需任何扫描装置即可对微小物体进行无损检测，同时可以方便调节再现距离得到不同再现距离下的物光波分布，对物空间进行逐层成像，实现全场观察与测量；4)灵活性：可利用现代数字图像处理技术处理数字全息图，减少或消除在全息图记录过程中的像差、噪声与畸变等因素的影响，提高再现像质量；5)无损性：数字全息无需像荧光显微镜那样要对待测样品进行染色等预处理。综上可见，数字全息成像是一种新型的实时、非破坏性的全视场三维定量相衬成像方法。

数字全息显微成像(DHM)的横向分辨率取决于系统的数值口径，可以达到亚微米量级，而轴向分辨率可以达到亚纳米量级。并且由于数字全息技术具有非破坏性和实时性，特别适合于无染色剂标记生物活细胞的定量相衬成像和三维重建，可实时获得细胞形貌和功能分析，这将为生物医学的研究提供各种定量参数，例如细胞的新陈代谢、生死、凋亡、可塑性、信号传输，细胞膜或细胞质的移动，细胞动力过程研究以及生物组织的成像等。近几年来引起了国内外科研人员的高度重视，并逐步应用到了生物学和医学成像等研究领域。

随着数字全息技术的快速发展，数字全息显微成像已经成功用于静态细胞形貌检测、生物学参数测量和细胞动力学等生物医学研究中。在目前研究工作的基础上，数字全息技术可进一步与内窥镜技术和芯片技术结合，用于早期恶性肿瘤的诊断和其它病理学根源探究，例如病毒感染、神经变性和炎症等，使得临床诊断成为可能。数字全息技术与荧光显微镜和波前整形技术相结合，有望观察更多生物样品蛋白质的表达，可实现在各向异性介质中的成像和细胞的在体观测，进而实现多功能显微系统。数字全息技术还可与生物光子学结合，观察分子水平的细胞功能和结构，实现用光子及其技术对生物系统的检测、加工和改造等。此外，近几年数字全息与太赫兹成像的结合得到了广泛的关注。太赫兹成像的优势在于其对不透明的非金属和非极性物质（如肿瘤组织等）有较高穿透能力，这对于可见光和近红外光波段等是无法实现的，并且由于太赫兹辐射没有Ｘ射线的电离特性，因此不会对材料和人体造成伤害，使其在诸多应用方面比Ｘ射线有更大的应用优势，在医学检查、安全检测、环境监测和空间遥感等方面展现出巨大的前景。其原理图如图1所示。

 图1 生物样品的相衬成像原理。(a)入射生物细胞的相位延迟；(b)年轮细胞的相衬像

数字全息再现是数字全息技术的一个重要组成部分，它关乎数字全息图分析的成败。全息图的再现可以利用光学原理通过硬件实现，但这样的方法对于少量的全息图很容易做到，但是对于全息视频，需要花费大量的时间将其切割并制成全息图。全息图再现也可以通过计算机实现(即数字再现)，这种方法更利于全息图再现物光波信息的后期处理。数字再现主要分为两大类方法：一种方法是同轴再现，另一种方法是离轴再现。无论是同轴再现还是离轴再现，基本原理均是光的衍射。

标量衍射理论主要有三种公式表达形式：角谱衍射公式，瑞利-索末菲衍射公式及基尔霍夫衍射公式。这三个公式在理论上是统一的，不同的是，角谱衍射公式从频域的角度表达了平面光波的衍射过程，而后两者则从空域的角度表达了球面光波的传播过程。后两种公式是比较通用情况下的描述表达式，不能直接用来计算。要想将这两个公式具有实际应用价值，必须对它们作进一步处理。最常用的处理方式是菲涅尔衍射近似理论，这种方式适合于近场衍射，可以通过两种方式实现：傅里叶变换形式和卷积形式。其次是夫琅禾费近似衍射公式，这种方式适合于远场衍射。标量衍射理论中无论是哪种表达形式，通过菲涅耳近似后，都可以通过菲涅耳近似的一种或两种形式实现，这两种形式即两种再现方法——菲涅耳傅立叶再现和菲涅耳卷积再现。另外，利用角谱衍射公式再现的方法被称为角谱法。无论是角谱法，还是傅里叶变换法亦或是卷积法，它们都是通过傅里叶变换来实现，只是变换的次数不同而已。

在对数字全息图进行再现时，只有在其记录距离处再现像才会清晰，该记录距离又称再现聚焦距离(Focus distance, FD)。当再现像偏离这个位置达到一定程度(景深)时，再现像开始模糊，偏离程度越大，再现像越模糊，最终不能得到存在任何目标的再现像。因此为了获得清晰的再现像，首先要测定其聚焦距离。由于在实际现场拍摄记录全息图时，记录距离往往不是明确知道的，而是在某个范围内。如果依靠人工逐帧进行数字全息图的再现，会浪费很多时间。