传统衍射光学元件受制于采样方法和正、逆向衍射算法的局限性,通常工作在傍轴和远场区域,且成像面为平面。随着衍射光学元件的应用领域不断扩展,对于衍射光学元件的工作区域要求开始有了变化,比如工作在近场区域且具备大衍射角,或者成像面为曲面。本文从瑞利-索末菲衍射理论出发,研究了近场大衍射角衍射元件的设计方法,在近场区域实际衍射图样与目标衍射图样的相关系数明显优于现有大衍射角衍射光学元件设计方法;以及适用于大纵深曲面成像的衍射光学元件的设计方法,其纵深与最远工作距离之比超过0.3。主要的研究工作包括:1.以相干成像理论为基础,研究了在大衍射角条件下,用迭代算法设计衍射光学元件时,衍射光学元件面和成像平面采样点之间的空间位置关系。2.以瑞利-索末菲衍射积分公式为基础,通过对光场信息以及点扩散函数的离散化矩阵进行降维处理,得到了无远场和傍轴近似的正、逆向衍射计算方法。3.将以上采样方法与正、逆向衍射计算方法用于改进GS算法,得到了近场大衍射角衍射光学元件的设计方法,并给出设计步骤与实例。4.以相干成像理论为基础,研究了在成像面为曲面的条件下,用迭代算法设计衍射光学元件时,衍射光学元件面和成像曲面采样点之间的空间位置关系。5.将以上采样方法用于改进近场大衍射角衍射光学元件的设计方法,得到曲面成像衍射光学元件的设计方法,该方法适用于大纵深曲面成像衍射光学元件的设计,并给出设计步骤与实例。6.以衍射光学元件面与成像面采样点的空间位置关系为基础,研究了衍射光学元件的成像分辨率随衍射角度和曲面面型变化的规律。