随着人们对高质量图像需求的日益增加,光学系统设计越来越复杂。为了消除系统像差造成的图像模糊,现代光学成像系统一般会将多组透镜进行组合,甚至引入非球面和自由曲面。不过这也导致了加工装配难度高、价格昂贵、体积大等问题。本文提出了单透镜计算光学实时成像技术,该技术将光学系统与图像实时处理相结合,通过图像复原弥补系统像差造成的图像模糊,减少前端光学系统的光学元件数量的同时保证了图像质量。传统图像复原算法多是基于空间不变的点扩散函数(PSF),但由于像差的影响,实际光学系统的PSF随视场变化而变化。本文在分析光学系统像差和空间变化的PSF基础上研究单透镜成像的图像退化原因,将像差校正问题转换成图像复原问题。设计了基于空间变化PSF的单透镜计算光学实时成像系统,并通过光学软件CODE V仿真和实验测量两种方式获取其空间变化的PSF。对于模糊图像,通过相位差异算法进行重叠分块复原,每个子图像块采用不同的PSF。利用CODE V和MATLAB仿真验证方案的有效性,并通过多次实验确定相位差异算法中的最佳离焦量。然后根据实验测量事先得到的空间变化PSF,以非盲图像复原的方式对采集到的模糊图像进行实时复原。最终以FPGA为核心处理器设计硬件平台,完成图像的采集、复原、存储与显示,并进行系统实验验证,应用主观评价标准和客观评价标准评判图像复原效果。实验结果证明,该系统对单透镜所成的模糊图像有较好的复原效果,其像质得到明显改善,极大地缩短了处理时间,实现了系统小型化与实时化。