衍射光学元件(Diffractive Optical Elements,DOE)可对光波进行振幅和相位调制,具有重量轻、易于复制等优点,在光束整形、衍射成像等方面有广泛的应用前景。但现有算法设计的元件成像时都受噪声影响,再现像的光强分布不均匀,如何提高再现像质量是目前的研究重点之一。DOE的设计是通过相位恢复算法实现,但目前对DOE的改进多是从算法入手,少有考虑衍射中物理因素的影响。本文从光场传播中发生的光波泄漏现象入手,提出了一种增加振幅自由度的方法来抑制光强的不均匀分布,提高DOE成像质量。具体工作内容为:(1)研究了设计DOE的基本理论知识,包括标量衍射理论与直边菲涅尔衍射等,学习了元件性能的评价函数,光强、振幅分布不均匀性,衍射效率,均方误差等。研究了几种设计DOE的相位恢复算法,通过matlab使用GS算法和模拟退火算法,设计了傅里叶变换型、菲涅尔衍射型、无透镜傅里叶变换型三种类型的DOE。(2)研究了光在传播过程中如何衍射到信号窗口以外的区域,以及这部分泄漏光的强度分布形式,以此为基础为设计DOE使用的目标图像增加均匀和非均匀振幅自由度,利用matlab设计傅里叶型DOE,发现该方法设计的元件,再现像光强不均匀性从不增加自由度时的14%左右降到了1%以下,均方误差从10%左右降低到0.1%以下,从而验证该方法的可行性。综上所述,本文主要研究了改善DOE成像质量的方法,基于光场传播特性提出了为目标图像叠加不同振幅自由度的方法,并用GS算法和模拟退火算法设计傅里叶型DOE,结果表明元件再现像的不均匀性及误差均有明显降低,证明增加振幅自由度的方法是有效的。