分辨率是成像系统最重要的性能参数。理想成像系统的分辨率由衍射极限决定。利用衍射光学的技术与器件,能够突破受限于衍射极限的分辨率,实现光学超分辨。本论文研究了实现光学超分辨的衍射器件的设计方法,以最大限度地缩小主瓣尺寸G、提高中心强度或Strehl 比S、降低最高旁瓣强度M,从而获得全局最优的超分辨性能,具有重要的理论意义与实用价值。基于线性规划、泛函变分理论及矩阵的广义特征值理论,本论文提出了横向、轴向及三维超分辨衍射器件(DSE)的全局优化设计方法,克服了已有的DSE 的设计方法不能保证获得全局最优的超分辨性能的不足。从理论上证明了,具有全局最优超分辨性能的DSE 必为0、π相移的纯相位器件。还提出了迭代离散化方法,能够高效率地提高π相位突变位置的求解精度。基于该全局优化设计方法,本论文系统地给出了光学超分辨的基本限制,为DSE 的设计和性能评估提供了重要依据。对于传统成像模式下的横向超分辨,给出了:1)设定S 的下限和M 的上限时,G 的精确下限;2)设定M 的上限时,G 的精确下限;3)设定G 和M 的上限时,S 的精确上限;4)设定S 的下限和G 的上限时,M 的精确下限;5)当引入光束整形系统调整出瞳强度分布时,G一定时S 的精确上限。对于共焦成像模式下的横向超分辨,给出了G 一定时S的精确上限。对于传统成像模式与共焦成像模式下的轴向超分辨,给出了沿光轴的主瓣尺寸一定时,S 的精确上限。通过扩展该全局优化设计方法,还可以给出双焦点成像系统中双焦点强度比一定时,双焦点Strehl 比的精确上限。基于几何光学与Rayleigh-Sommerfeld 标量衍射理论,本论文建立了一种大数值孔径成像系统中DSE 的衍射模型,能够方便地用于DSE 的设计,克服了已有的衍射模型难以进行DSE 设计的不足。本论文完成了几种DSE 的研制与实验测试,实验结果与理论设计基本吻合,从而验证了该全局优化设计方法的有效性。