在极紫外、软X射线及硬X射线等极短波谱范围,传统的光学材料吸收性极强,因此折射光学系统难以适用,而衍射光学系统可以胜任。菲涅尔波带片就是一种特殊的衍射结构,它是由一系列宽度不同的同心圆环组成,通过各环带的衍射光在焦面发生相干叠加形成聚焦光斑。近年,随着人们对分辨力的要求日益苛刻,需要更高分辨力的衍射光学元件,然而菲涅尔波带片的分辨力极限由其最外环宽度的特征尺寸决定,严重受限于现有微细加工技术水平。2001年,Kipp等人提出了光子筛的概念,采用微纳透光小孔取代菲涅尔波带片的环带结构。与菲涅尔波带片相比,光子筛具有明显的优势:(1)在相同的最小特征尺寸下,光子筛具有更高的分辨力;(2)光子筛设计自由度更大,通过优化设计微纳小孔的直径、位置和数量,能够更好的抑制旁瓣和其他衍射级次,成像对比度更好;(3)光子筛不存在分离结构,不需要额外的支撑结构,更加利于轻量化的实现。由于这些优点,光子筛在阵列直写光刻、大口径望远镜以及X射线聚焦成像等领域已经逐步取代菲涅尔波带片,成为研究热点。本论文对光子筛的光学特性作了比较全面的研究。针对光子筛低数值孔径和高数值孔径的不同情形,分别分析了其标量衍射和矢量衍射特性,并对两种情况下的设计方法进行比较,证实了高数值孔径下对光子筛结构进行重新优化的必要性;利用光子筛小孔位置和尺寸变化对相位的共同调制特性,设计了新型的准相位型光子筛,在相同加工条件下,能够实现更加锐利的聚焦光斑;分析了照明光源对光子筛聚焦特性的影响,重点分析光源偏振特性对高数值孔径光子筛聚焦特性的影响,对线偏振光、径向偏振光以及角向偏振光三种特殊情况进行了数值仿真分析,表明偏振特性对衍射光场的横向分布和纵向分布都存在显著的影响;对光子筛的焦深特性进行研究,并设计了长焦深光子筛,阐述两种不同设计思路,并进行数值仿真,验证两种设计均能实现纵向强度一致性较好的聚焦光斑;研究了光子筛的像差特性,重点研究光子筛的色差特性,并进行了色差补偿设计,实现了连续较宽光谱范围和离散多波长照明条件下的聚焦,初步提出光子筛波像差等效模型的建立方法;分析了光子筛制作误差对聚焦效果的影响,针对大口径、低数值孔径光子筛应用和加工需求,提出一种方孔型光子筛结构及制作方法,进行了理论分析、数值仿真和实验验证,证明该光子筛在保持聚焦特性的同时,制作过程中耗时更少、成本更低。