为了增大传统光学系统的焦深，使其适应不同工作条件下的大焦深要求，通常的做法是减小光学系统的光圈数，该方式对获取图像的直接影响就是导致系统进光量减少，光学系统角分辨率和成像信噪比降低，无法有效获取具有高频信息的图像。波前编码成像技术作为新型的成像技术，结合光学成像及数字图像处理，在实现光学系统大焦深方面，展现出了极大优势。同传统光学系统相比，波前编码成像系统在扩展成像系统焦深方面有了量级上的提高，然而，波前编码成像技术作为一个交叉学科，许多特点不为人所知。本文致力于三次位相板波前编码系统的研究，已期能够为三次位相板波前编码系统的设计、装配及图像复原工作做出一定的贡献，其主要研究内容及创新点如下:　　1)结合三次位相板的编码理论，对三次位相板波前编码系统点扩散函数的偏移特性进行分析，计算点扩散函数无偏情况下位相板参数和离焦量的关系以及波前编码系统无离焦状态下和有离焦状态下轴上点的斯特列尔比，指出轴上点斯特列尔比不适合波前编码系统位相板优化的原因，引入轴外点斯特列尔比，并对轴外点斯特列尔比的特性进行分析;　　2)提出基于轴外点斯特列尔比的位相板参数优化方法，利用光学设计软件(CODE V)和数据处理软件(MATLAB)相结合的方式，采用遗传算法实现了波前编码系统基于轴外点斯特列尔比的位相板参数优化，对经典的三次位相板和变型的三次位相板进行了位相参数优化，同时比较了基于轴外点斯特列尔比优化方法和基于MTF稳定性优化方法的优化结果，给出了波前编码系统的设计思路和设计过程;　　3)为实现三次位相板波前编码系统的工程化，对位相板在实际镜头装配过程中出现的倾斜影响进行分析，通过坐标变换的方式建立数学模型，推导位相板倾斜对系统点扩散函数产生的影响，同时对不同温度工况下位相板面型的变化进行数学推导，给出了不同温度工况下位相板面型的变化模型，对常规光学系统和三次位相板波前编码系统不同温度下的成像性能进行了仿真分析;　　4)对优化后的长波红外系统进行了加工、装配相关工作。进行实验光路搭建，通过实验获取不同距离的图像，将获取的波前编码图像进行图像复原，通过图像对比波前编码系统和常规光学系统的景深大小，验证了波前编码系统对于传统光学系统在景深方面有极大的优势。