高分辨率、轻质、低功耗的光电成像系统是航空、航天光电成像系统发展的不变趋势。衍射光学元件具有超薄和超轻量化的结构,且单元件能够对波前进行复杂的调制,是大口径高分辨率成像系统的重要发展方向之一。美国的moire卫星,就搭载了直径为20米的衍射主镜;虽然衍射光学元件能够实现大口径的成像,但受限于衍射光学元件的色差及衍射效率,在航空强约束环境下,以增大口径提高系统能量、用后镜组校正色差的技术路线没有发展应用前景,因此必须攻克单衍射透镜的宽谱段成像技术。传统的宽谱段衍射成像技术,需要复杂的光学色差校正组件,导致成像系统的能量透过率低。新兴的计算光学成像方法,以图像算法为核心结合衍射系统的成像特性,具备了替代复杂色差校正组件的功能。且随人们认知水平的提升,建立谐衍射光学系统设计和图像处理协同优化的技术路线,对宽谱段衍射成像系统的技术进步具有十分重要的意义。本文研究单衍透镜的宽谱段计算成像技术,主要包括以下几方面的研究内容:（1）研究谐衍射光学元件宽谱段成像像质退化模型:针对谐衍射光学元件色差造成的边缘伪影、模糊,以及衍射效率降低造成的衍射杂散光效应,构建其成像质量退化模型并验证了其正确性,为谐衍射光学元件的优化设计和图像复原算法构建奠定理论基础。（2）研究谐衍射光学元件宽谱段消色差逆向优化设计算法:围绕当前光学设计软件对衍射光学元件色差优化不足的问题,以约束元件的点扩散数作为光学设计与图像处理算法的纽带,构建衍射光学元件与图像算法联合的优化设计的框架;在目标函数中构建光学色差与图像复原先验的双约束因子,开发基于目标函数辅助的直接二分搜索的谐衍射光学元件优化算法;设计在可见光谱段的消色差谐衍射透镜,并基于严格电磁理论对其正确性进行了仿真验证。（3）研究单衍射透镜的计算成像图像处理算法:以谐衍射透镜宽谱段下成像像质退化模型为基础,设计多通道分区域图像复原与超分辨重构的深度残差网络（MZDDR）模型;以图像标准化测试数据集对MZDDR网络模型进行测试,验证算法在一般图像处理任务中的鲁棒性;通过搭建单衍射透镜成像装置,对外景进行成像实验,解决单衍射透镜的宽谱段成像质量退化问题,测验系统超分辨重构的效果;对消色差谐衍射透镜成像系统进行仿真成像实验,测试成像系统性能;对普通谐衍射透镜计算成像系统与消色差谐衍射透镜计算成像系统的性能进行比较,证明衍射光学元件与图像算法联合的优化设计框架对计算成像性能的提升。论文中推导了谐衍射光学元件的成像像质退化模型。针对宽谱段下谐衍射光学元件的逆向优化设计问题提出了基于目标函数辅助的直接二分搜索优化设计方法,设计了消色差谐衍射透镜。并根据像质退化模型提出了相适应的计算成像算法——多通道分区域图像复原及超分辨重建的深度残差网模型。搭建了普通谐衍射透镜计算成像系统装置,系统测验成像效果良好,超分辨重构效果能提升1.4倍。仿真模拟了消色差谐衍射透镜计算成像系统,其表现出更佳的成像性能,PSNR和SSIM较普通谐衍射透镜计算成像系统分别提高了3.13d B、0.03,验证了在计算成像系统中衍射光学元件与图像算法联合的优化设计框架的优越性,为推广衍射成像系统的应用提供了一条新的技术路线。