对于理想光学成像系统,当物像距不满足共轭关系时,在原共轭像点处光线无法聚焦,而是形成一个能量分散的弥散斑,图像迅速模糊,引起细节及纹理的丢失。大的景深或者焦深意味着像面包含更多的信息,因此现代社会的科研工作和工业生产中,光学系统的景深或焦深扩展成为了光学设计者关注的热点。以往的景深拓展的方法如光瞳滤波法是以牺牲系统分辨率为代价。常用的图像合成法,合成算法复杂、计算量大、增加硬件的运行时间。新近出现的波前编码技术,采用景深延拓的方法很好解决了分辨率和景深的矛盾,因此得到国内外科学界与产业界的广泛关注,在理论与技术研究方面取得很大进展的同时,在机器视觉、生物或医学显微成像、红外成像等领域得到了成功的应用。波前编码成像技术是光学设计与数字图像复原两步成像的过程。波前编码技术是通过在光学系统的光瞳面上添加一块特殊的相位编码板从而实现对光学系统的波前进行调制,使得其在较大的景深范围内,其光学传递函数和点扩散函数对物距变化不敏感,得到中间一致的模糊像,最后利用数字成像解码技术将中间像恢复成清晰的大景深图像。本论文着重对目前波前编码技术中存在的三个关键问题:波前编码系统的大视场效应、新型的可调谐的相位编码板、波前编码显微成像系统的实验展开了相关的研究工作。论文从理论分析、系统设计、软件仿真、成像实验等几个方面详尽论述了波前编码的以上关键技术的分析及解决方案。本文的主要研究工作为:首先,对八种非旋转对称的一维矩形可分离相位模板建立统一的评价体系,从希尔伯特空间角及MTF曲线包含面积两个指标进行分析评价,得到了大量可靠的分析数据;对三次相位编码系统的宽光谱成像特性进行了分析研究,并通过相位偏移量的计算来衡量各色光点扩散函数偏移的程度;详细的分析了三次相位板和传统系统的离焦传递函数的特性,及相位板参数对系统景深拓展的影响;比较了三次相位板、多项式、高次方相位板的景深拓展的效果。其次,提出了结构对称的双三次相位板结构来解决大视场波前编码系统的视场效应的问题。首次将波前编码技术应用于超广角成像镜头,设计了超广角波前编码系统;利用所设计的相位模板进行系统仿真;利用双对称三次相位板结构,有效的改善大视场引起的子午和弧矢方向上的成像差异,并证明了采用双对称相位板结构的光学系统仍然具有明显的景深扩展的效果。第三,在原有的可调谐相位板的理论分析基础上,提出了新型可调谐的余弦组合相位编码板结构,分析了新型余弦可调谐相位板在不同相对位移组合下的离焦不敏感性及频率带宽的改变的性质。证实新系统的带宽调节功能更灵活,而且对机构设置要求更宽松。第四,在现有的国产低端195生物显微镜系统的基础上,自行设计了 10倍的波前编码显微物镜,并搭建了波前编码系统的实验平台,对波前编码技术的有效性进行了验证,对波前编码显微镜系统的空间域与频率域的成像一致性进行了分析。实验证实波前编码系统比较原有的10倍显微镜系统焦深拓展了 15倍。