光学系统的口径、光阑、焦距等参数决定了该系统的景深或者焦深。大景深或者大焦深可以更多的获得物空间的相关信息或者抑制离焦带来的像质下降的问题。从上世纪初开始,人们就开始研究能够扩展系统景深或者焦深的技术。1995年,Colorado大学的Dowski和Cathy等人首次提出波前编码技术,该技术简单易用,极大地扩展了系统景深或者焦深。从此,波前编码技术得到迅速发展,国内外学者对其进行了一系列系统的研究,并应用到各领域以及各种光学系统中。本课题的目的在于研究波前编码技术在空间光学系统中的应用,以及提出多重波前编码技术的概念。在空间光学系统中,波前编码技术可以很方便的扩展系统焦深,使空间相机能够抑制由于温差或者卫星振动导致的离焦,从而解决了离焦导致的像质退化的问题。基于相位板在系统中的位置引起相位函数变化的理论推导模型可以解释相位板位置变化对系统成像和焦深延拓的影响,因此利用这一原理可以指导相位板在实际装调中的应用。同时,在传统波前编码技术的基础上,提出了多重波前编码这一全新概念,分别从几何成像、傅立叶光学、以及光线追迹等方面对其解释和阐述,并设计出多重波前编码光学系统。与传统波前编码不同的是,多重波前编码可以实现光圈和景深的联合延拓。本文对三次相位板的波前编码技术的理论基础、推导过程、技术方案和系统实现等方面进行了深入的研究,搭建了基于同轴三反(Three Mirror Cassegrain,TMC)空间相机的波前编码光学系统实验平台。在光学设计、光学元件设计、理论分析等方面开展了富有成效的研究工作,为三次相位板在TMC系统中的焦深延拓技术研究夯实了理论基础和积累了大量的实验数据。另外,设计出具有光圈和景深联合延拓的多重波前编码系统。本文具体的研究工作主要包括:第一,对基于景深延拓的波前编码技术进行理论阐述和数学分析。对三次型、圆对称以及自定义面型的相位板的成像特点进行分析。经过前期理论研究,并分析空间光学系统的工作特性以及三种相位板的焦深延拓能力,提出三次型相位板的波前编码空间光学系统。搭建了基于TMC空间相机的波前编码系统,并对其成像以及图像解码进行了测试和实验。第二,提出基于自定义面型的相位板面型研究方法。针对三次型为代表的奇对称和以偶次型非球面为代表的圆对称相位板,通过分析其各自对光线的调制作用以及成像特点的差异,提出一种自定义面相位板。该面型综合了三次型相位板焦深延拓率较大、以及圆对称型相位板易于加工的特点。与传统的单一型相位板相比,分段的面型削弱或消除了传统相位板由于不同视场角、不同孔径角下球差不一致的缺陷。另外,减小了焦深边缘处与对焦处、中心视场与边缘视场出的畸变,提高了可应用性。更重要的是,这种面型是圆对称形式的,与传统三次型、对数型、正切型等奇次非对称的面型相比,降低了加工难度。仿真表明:自定义面型能够实现焦深或者景深的延拓。第三,分析与研究相位板的位置偏差对波前编码系统成像以及焦深延拓的影响。根据波前编码系统的结构特点,相位元件的位置是影响成像结果的关键因素。基于三次相位板,推导出当相位板出现偏心和倾斜时的相位函数表达式。仿真与实验结果均表明,仅存在相位板偏心时,z向偏心容忍度要大于x或y向偏心,而且在容忍度之内,相位板偏心将会降低系统三分之一的焦深延拓率。第四,提出多重波前编码技术的概念。在传统波前编码技术的基础上,根据传统波前编码几何成像特征与傅立叶光学特性,提出多重波前编码技术应当具有两种作用的透镜:共掩模透镜和差异掩模透镜。前者的作用是对通过该透镜的所有光线具有统一无差别的调制,相当于粗调;后者的作用是对通过该透镜不同孔径、不同视场角的光线具有差异性的调制,相当于局部微调。这样,在这两类透镜的作用下,无需相位板,同样达到波前编码技术的景深或焦深延拓功能。另外,与传统波前编码技术不同的是,该技术能实现光圈和景深的联合延拓,具有更加广泛的应用领域。相位板是基于模糊函数与傅立叶光学理论推导出的具有改变成像光线特征的光学元件,并结合数字图像处理,能够拓展原有系统的焦深或者景深的作用。将其应用于空间光学系统中,使系统对温差或卫星振动导致的离焦不敏感,从而抑制离焦带来的像质急剧退化问题。该技术应用于空间光学系统中,能够完全替代目前的温控设备以及机械调焦机构,提高系统的可靠性和稳定性,同时减轻卫星载荷、降低发射成本。多重波前编码技术利用自身光学元件的共掩模和差异掩模作用,同样获得传统波前编码技术的成像特性,达到光圈和景深联合延拓的目标。