随着三维全息成像的快速发展，三维全息成像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，三维全息成像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。三维全息成像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、加工与改造等。此外，近几年三维全息成像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，使其在诸多应用方面比Ｘ射线有更大的应用优势。
三维全息成像显微成像的实际应用仍然存在诸多问题主要体现在以下两方面：
1、成像分辨率受限于光电探测器的靶面尺寸和像素间隔，三维全息成像的分辨率远远小于传统光学全息的分辨率。三维全息成像采用光电探测器记录全息图，目前ＣＣＤ的光敏面尺寸（小于５０ｍｍ×５０ｍｍ）远远达不到银盐干板等记录介质的尺寸（１００ｍｍ×１００ｍｍ以上），且ＣＣＤ的分辨率（１００ｌｉｎｅ／ｍｍ）比传统光学全息中使用的银盐干板的空间分辨率（５０００ｌｉｎｅ／ｍｍ）要低得多，这就严重限制了三维全息成像成像系统的数值孔径和再现像的分辨率，决定了三维全息成像只能直接记录物体的中低频信息。
2、细胞折射率和细胞形貌的解耦透明细胞的相位正比于细胞的折射率和厚度，因此在检测细胞信息时涉及到细胞折射率和细胞形貌的解耦问题，这也是目前生物细胞三维全息成像成像中的研究热点。针对这一问题，近几年国内外许多研究组尝试通过对三维全息成像层析技术的研究来解决，三维全息成像层析技术可实现生物组织成分检测、细胞内部多层折射率三维重建或与折射率变化相关的物理量测量及重建误差分析等，但目前这一技术尚不成熟，有待进一步研究。
此外，生物细胞的在体成像、大视场成像等方面也是目前需要研究的方向。结论三维全息成像作为一种新型的实时、非破坏性的全视场三维定量相衬成像方法，特别适于无染色剂标记生物活细胞的定量相衬成像和实时动态监测，是目前国内外光学与生物医学交叉学科领域的研究热点。目前三维全息成像显微成像已经成功应用于活体细胞的形貌检测、生物学参数和生理状态分析等。发挥三维全息成像可进行数值处理和自动聚焦的灵活优势，可对快速变化和离焦样品进行实时清晰成像，已经将三维全息成像推广应用到药效反应、细胞动力学分析等领域，它所提供的定量生物信息可为生物医学研究提供更加丰富的基础数据，有利于发现新的生物现象，推动和辅助药物筛选和临床诊断的快速发展。
然而，当前三维全息成像显微技术仍然面临许多挑战性的问题，如成像分辨率受限、折射率与厚度信息的解耦问题等，这些问题的解决将使三维全息成像显微技术更具实用性，将大力推动其在生物医学和生命科学等领域的应用。
