由于计算机光学元件在光束整形、光学图像处理、光通信和光互连等领域,具有许多卓越的、传统光学元件难以具备的技术优势和特点,计算机光学已发展成为现代光学技术领域最具活力、最有发展潜力的前沿学科分支。本论文研究了计算机光学元件的基本设计理论和优化设计算法,开发了实现任意目标光束图样的计算机光学元件设计信息处理系统软件。首先,本论文对计算机光学元件的基本设计理论进行了分析,着重研究了标量衍射理论及其主要优化设计算法。在目前相位恢复问题领域最具代表性的GS算法基础上,针对该算法对初始值敏感,易陷入局部最优解等缺陷,引进不动点迭代法解非线性方程对迭代过程进行加速的思想,通过中间相位的替换,对GS算法进行了有效的改进,提出了一种基于GS算法的新算法,能够明显的优化设计结果的整体性能,提高收敛速度,对初始值的敏感程度有所降低,在一定程度上避免了陷入局部最优解。模拟设计的两个实例表明,相对于GS算法,用改进算法进行设计,均方误差分别减小了29.23%和20.63%,拟合系数分别提高了0.65%和0.77%。其次,本论文在改进算法的基础上,利用面向对象和模块化的设计方法,集成VC++和MATLAB开发出一套计算机光学元件设计信息处理系统。该系统具有良好的集成应用环境,丰富的二、三维绘图功能,且同时具备运行速度快、易于扩展和移植等特点。最主要的是该系统能够实现任意目标图样的计算机光学元件的仿真设计,从而改进了传统的计算机光学元件的设计一般只针对单一目标图样进行的不足,提供了一种重复性的、低成本的试验手段,更能适应未来实时、动态性的应用要求。最后,本论文用该软件系统仿真设计了将高斯光束整形为超高斯光束的计算机光学元件和将四个方形光束整形为椭圆形光束的计算机光学元件,并对设计结果进行了分析与验证,结果证明了本系统的有效性和正确性。