现代光电成像设备不仅需具备更高(高分辨率)、更远(远作用距离)、更大(大成像视场)的成像性能,而且需要满足更小(小体积)、更轻(轻重量)、更低(低成本、低功耗)的实际应用需求。传统光电成像系统为了满足此类需求,采用更大的相对孔径、更长的系统焦距、更多的透镜数量,或者引入非球面甚至自由曲面等复杂面型以实现光学像差校正,导致光电成像系统结构复杂、成本高。此外,利用图像复原算法进一步优化光学系统残余像差,提高图像可读性已成为现代光电成像设备的必备能力,但传统光学设计和图像复原算法设计过程互相独立,导致传统光电成像系统设计容易错失光学系统和图像处理系统的全局性最优方案。针对传统光电成像系统设计中的问题,本文基于计算成像全局性优化思想,将光电成像链路上的光学系统设计和图像复原处理这两个独立设计的“节点”作为整体考虑,进行全局性优化。即将图像复原处理过程引入光学设计中,基于光学-图像的像差选择性校正原则,利用图像复原算法分担光学像差的校正压力,以图像复原算法复杂度换取光学系统的简化设计,从而在获得同等成像性能的前提下降低光学结构复杂度,减小光学系统体积重量,提高能量利用率。本文利用泽尼克像差多项式研究各光学像差传递特性,并通过对其特性曲线变化趋势的分析建立像差选择性校正原则,结合计算成像理论建立光学-图像联合自动优化迭代实现光学成像系统全局性最优化设计,以极简光学系统实现传统设计复杂光学系统成像性能。主要研究内容如下:(1)利用各光学像差泽尼克多项式分析其传递特性,并依据各像差曲线下降趋势、截止频率和过零点情况等分析图像复原算法对像差校正的难易程度。通过对各像差退化图像与复原图像进行分析以建立图像复原算法对各像差的选择性校正原则。(2)利用Zemax的二次开发功能建立用户自定义优化操作数UDOP将端对端图像评价指标作为光学-图像自动优化迭代评价参数,结合计算成像理论分别实现单透镜、三透镜光学系统与图像复原算法的全局性联合优化。(3)研究光学系统PSF的空间变化特征,并分析图像复原的最优分块数量。基于此对联合设计极简光学系统输出模糊图像进行SVPSF分区域复原,最终实现联合优化单透镜复原图像对比度提升5倍,三透镜复原图像对比度提升1.5倍。本文基于各光学像差对图像的退化程度和退化图像的算法可复原程度不同,通过光学-图像全局性自动优化迭代方式,设计易于图像复原算法处理的光学传递函数/图像逆卷积核,最终实现联合优化三透镜复原图像质量可媲美传统设计六透镜成像质量,证明光学联合设计方法在同等成像性能下可简化光学结构,为实现高性能SWaP计算成像提供了新思路,该方法可应用于无人机监控、遥感测绘、生物医学、机器视觉、森林防火、公安侦察、智能监控等可见光/红外军民用光电成像设备的镜头设计过程。