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扩大光学成像系统的景深范围一直是光学领域的研究热点，因为大景深光学成像系统不仅可以拥有更多的物像信息，而且还可以校正由于离焦引起的一些像差。而波前编码成像技术完美的将光学成像技术和数字图像处理技术结合在一起，其在光学成像系统的光瞳位置引入相位掩模板，使得光学成像系统的光学传递函数和点扩散函数对离焦像差不敏感，这样在不同离焦位置就可以获得各离焦位置的中间模糊图像，再通过图像复原技术对不同离焦位置的中间模糊图像进行图像复原，复原出不同离焦位置的清晰图像。波前编码成像技术不仅保证了光学成像系统的光通量和成像分辨率，扩大了光学成像系统的景深范围，而且还可以抑制球差、象散、匹兹凡面弯曲、色差以及由安装误差和温度变化引起的离焦带来的像差。正是由于波前编码成像技术的优势，使其成为了目前研究的前沿。本文的主要工作可以概括为以下四个方面：（1）通过推导出的三次相位板得出波前编码系统中的点扩散函数峰值位置的近似表达式，并对点扩散函数峰值位置进行分析，其是以焦面为对称轴的抛物线族。不考虑沿光轴的振荡，近似峰值位置可以被精确定位。提出了可用于评价含有三次相位板的波前编码系统性能的非轴向斯特列尔比NASR，并且NASR可用于评价MTF的一致性和可恢复性，以及用于相位板参数优化；（2）分析探测器噪声对波前编码系统在图像复原过程中产生的影响，通过添加高斯随机噪声来模拟探测器噪声，使用直接逆滤波、维纳滤波和Lucy-Richardson滤波算法,对波前编码成像系统焦点位置和离焦位置的中间模糊图像进行图像复原，并对复原图像评价分析，给出含噪声情况下复原滤波器性能的变化；（3）对波前编码光学成像系统中不同离焦位置的退化函数采用权值法构造权值PSF，其理论思想是使全部离焦位置复原后的图像像质最为相似且尽可能地接近于真实景物。分别对不同相位板参数的波前编码系统的中间模糊图像采用焦点位置PSF、均值PSF和构造的权值PSF进行图像复原仿真实验，并对复原图像进行评价分析；（4）对波前编码成像技术应用于手机摄像头的成像进行研究。结合光学传递函数的离焦“不敏感性”和系统的“可恢复性”对波前编码光学成像系统的相位板参数进行优化，由基于此方法获得的相位板参数设计了一个手机镜头的波前编码光学成像系统，并采用构造权值法对该系统的中间模糊图像进行图像复原，实验结果证明该系统的焦深扩大了40倍。