多尺度光学成像系统突破了传统光学设计的局限性,将大尺度成像系统的全视场信息获取能力与小尺度成像系统的强像差矫正能力相结合,实现大视场高分辨率成像。其中,相比于共心球透镜,采用类双高斯系统作为成像主物镜能有效增大成像焦距,更能满足日益增长的成像需求,但类双高斯系统的非旋转对称性导致多尺度成像系统存在中心视场与边缘视场成像退化不一致的问题。因而需要针对不同视场成像退化程度设计不同结构的小尺度相机,这无疑增加了设计和加工难度。针对以上问题,本文将计算方法与光学系统设计相结合,研究基于波前编码的多尺度成像系统MTF一致性,即利用相位编码元件对入射光波进行相位调制,调制成像光线轨迹分布,使不同视场输出一致的MTF曲线,利用解码算法进行图像反演恢复得到一致的清晰图像,最终达到多尺度系统不同视场成像质量一致。主要研究内容如下:第一,对多尺度成像系统在信息获取以及信息传递方面的优势进行分析研究。通过理论推导论证了相位编码元件对相位信息的调制以及对成像光线轨迹分布的影响。同时以光学系统点扩散函数为基础,研究分析了相位编码元件对光学几何像差的矫正理论。第二,针对现有相位编码元件优化方法的不足,建立基于成像视场MTF一致性的相位编码元件优化模型,考虑在Zemax光学软件中同时优化相位编码元件的参数与其它光学元件变量,由各光学元件与相位编码元件共同承担编码与像差矫正的任务,增加了设计变量,降低了设计难度。通过分析编码系统的图像解码理论,选取维纳滤波作为解码算法进行信息复原。此外,对分别引入三次相位编码元件与混合型相位编码元件的三片式光学系统不同成像视场MTF曲线进行了优化设计,仿真结果验证了该方法的适用性及有效性,并选择编码性能更优的混合型相位编码元件作为最终设计的相位编码元件面型。第三,针对成像需求,完成多尺度成像系统中心单通道结构的设计,并利用多重结构模块仿真小尺度相机阵列排布,同时由光线追迹得到不同视场成像质量评价图,验证以类双高斯为主成像物镜的多尺度成像系统在不同视场的成像不一致性。此外,在该系统光阑位置引入混合型相位编码元件进行优化设计,利用维纳滤波算法对编码图像进行解码得到清晰的复原图像,从仿真图像及其图像质量评价指标数值对比可知,相位编码元件的引入使该系统在不同视场输出图像质量一致性提高,即多尺度成像系统在大视场范围内可使用同一结构的小尺度相机,有效降低了设计和加工难度。