自由曲面用于矫正像差，提高光学系统成像质量是光学设计领域一个重要的发展方向。波前编码技术-Wavefront coding（以下简称WFC）是较为独特的一种将自由曲面用于成像光路以提高成像质量的方法。其将光学与近代数字图像处理技术相结合，在光学系统焦深扩展方面有重要的技术突破。该技术创造性地将光学与近代数字图像处理技术相结合，通过在孔径光阑或者出瞳位置插入一块特殊的相位掩模板，在光瞳函数上附加一个特定的相位分布，使得在较大的焦深范围内，其光学传递函数（OTF）或者点扩散函数（PSF）不变或对物距变化不敏感，从而在探测器上形成差异极小的模糊的中间图像，再通过后续的数字滤波手段对中间图像进行解码，恢复成清晰的最终图像。WFC技术不仅在光学系统焦深扩展方面有重大的技术突破，而且能很好的控制离焦及离焦相关像差，同时也可以校正系统制造安装误差和温度变化引起的像面离焦。　　 本文在深入研究波前编码自由曲面设计方法的基础上，重点研究了三次面型自由曲面（即三次位相板）的实际应用问题，并在多种光学系统中成功应用自由曲面以增大光学系统焦深。由于该技术涉及光学及数字两个领域，因此本文还重点研究了应用中的信噪比问题。根据人眼信噪比模型，给出了适合本技术应用的频率信噪比模型。本文研究对于深入拓展波前编码技术的应用较有理论和实践意义。　　 主要工作如下：　　 1.完成了三次自由曲面在双高斯照相物镜中的应用设计。在传统系统光阑位置加入三次位相板，经优化后，即可在焦平面附近得到满意的光斑分布。扩展焦深范围在5倍左右；创新性地在红外折反系统中加入三次位相板，解决系统温度离焦问题。模拟结果表明，在常规使用环境-40°～+60°下，三次自由曲面较好解决了红外系统温度离焦问题，在两个极限温度下，系统MTF的一致性达到95％；将三次位相板用于由三块反射镜组成的离轴三镜消像散系统（TMA系统）中，所设计的TMA系统地面分辨率达到了米级，覆盖宽度为几十公里，解决以往主动调焦机构可靠性差的问题。减小了系统尺寸，使相机结构紧凑，利于实现轻量化。　　 2.研究了三次自由曲面加工公差对系统成像结果的影响。采用的自由曲面元件属于无光焦度元件，因此除了面形不规则以及偏心外，其它各项公差对系统MTF的影响都非常小。　　 3.借鉴人眼可分辨信噪比的概念，提出了一种用于分析波前编码系统性能的信噪比模型，该模型具有直观性。仿真分析结果表明，该信噪比完全能够真实反映系统性能。并可以作为设计过程中较为有力的评价参数。　　 4.设计、搭建WTC实验系统。保持景深位置不变，像面进行离焦，拍摄不同离焦位置照片，图像复原结果表明该系统最终可扩展焦深40倍。