波前编码技术是一种光学与数字图像处理混合成像技术，在一定程度上能够实现普通光学系统无法达到的性能需求，已在光学成像领域中得到了广泛的应用，尤其是在扩展非相干成像光学系统景深方面获得了显著的效果。然而，由于波前编码系统成像过程较普通光学系统有所差别，成像特性的很多方面仍不被人们所熟知。本文开展了波前编码技术成像特性的理论研究，并将该技术应用于红外光学系统的无热化设计，以期能为波前编码技术的发展和应用做出一定的贡献。本文的主要研究如下：　　针对奇对称相位掩模板波前编码系统的点扩散函数（PSF）在像面上随离焦像差的偏移特性，研究了波前编码系统斯特列尔（Strehl）比的非轴向特性，研究了非轴向斯特列尔比与相位板参数的关系。根据非轴向斯特列尔比幅值与波前编码系统成像特性的关系，提出了基于非轴向斯特列尔比相位板参数的优化方法。通过快速傅里叶变换的方法研究了指数、对数和正弦形式的相位掩模板的PSF偏移量和非轴向斯特列尔比的特性，证明了非轴向斯特列尔比的广义性和相位板参数优化方法的正确性。　　研究了波前编码系统对初级像差的敏感性。针对于除离焦像差外的含有其它像差的波前编码系统的PSF和OTF难于解析的特点，本文基于光线像差和点列图的评价方法，研究了波前编码系统对初级球差、初级像散和初级彗差的敏感性。根据波像差与光线像差的关系，给出了含像差的波前编码系统光线像差表达式，计算了光线像差的上下边界和点列图尺寸。根据光线像差及点列图的结果分析了波前编码系统对像差的敏感性。在相同边界条件下，分别通过数值仿真和光学设计软件从空域和空间频域验证了分析结果的正确性。　　研究了波前编码系统编码图像复原过程噪声放大率、信噪比（SNR）的变化特性和退化函数模型。以线性滤波器作为波前编码系统图像复原滤波器，计算了图像复原过程噪声的放大率，给出了编码图像SNR与复原图像SNR之间的关系。由SNR变化的结果，提出了基于SNR为约束条件的相位掩模板参数优化方法。在退化函数模型方面，提出了使用权值PSF作为波前编码系统复原过程退化函数模型，将使用权值PSF复原的编码图像与正焦PSF复原的图像进行了比对试验。　　将波前编码技术应用于红外光学系统无热化设计过程中。研究了热环境下相位掩模板相位函数随温度的变化特性，提出了在设计过程中进行相位板热效应参数补偿方法。在热效应分析的基础上，设计一套工作温度范围为-40°C~+60°C的长波红外无热化光学系统，并且通过实验验证了所设计系统的性能。