现代高性能光电系统要求系统轻量化且保证高成像质量,其中在航天、航空、智能成像以及移动医疗等领域的要求更高。实现光学系统轻量化的趋势是采用由单体光学器件和计算成像联合的成像方法,但是单体光学器件结合计算成像的方法目前面临的主要问题是:（1）传统像差优化函数没有考虑与计算成像的关联性,无法发挥两者结合的成像质量最优化,需要构建适用于计算成像的单体光学器件像差优化目标函数;（2）由于单片光学器件需要达到多镜片复杂光学系统的成像质量,因此它的面形较传统光学元件面形更为复杂,需要研究具有高通用性、高效率、低成本的检测方法,解决设计的单体光学器件的面形检测问题。基于上述研究背景及存在问题,本文主要研究内容包括:针对单透镜计算成像系统的像差优化函数构建问题,提出了基于圆域对称型像差函数的单透镜像差平衡方法。该方法首先根据计算成像数学模型,确立与之匹配的单透镜设计要求,对应的像差要求为非对称型像差项完全消除,对称型像差项允许部分保留,然后利用Zernike多项式将其转化为对36项Zernike多项式系数的控制目标函数。实际优化过程中,以单透镜的面形参数（r,k,n,αi）为变量对36项系数进行参数化表达,构建各项系数与单透镜面形参数的显式数学函数,进行非对称型和对称型像差函数优化目标的设置,以变步长最小二乘法分别求解局部最优解。利用所提的像差平衡方法,分别根据计算成像设计了单透镜显微成像系统和单透镜天基成像系统,验证了该像差平衡方法在有限距离共轭距和无限远共轭距两种系统的可行性。针对设计的单体光学器件面形检测问题,提出了一种动态角度补偿的复杂面形干涉测量方法。该方法是在角度补偿原理基础上,提出用动态可编程控制的Tip/Tilt镜作为动态角度补偿元件,通过Tip/Tilt镜控制实现主动、灵活的角度补偿方法。该方法可根据被检元件的面形特征,自主规划Tip/Tilt镜的补偿角度及偏摆路线,自适应实现多自由度复杂面形元件的高精度检测。建立了基于Tip/Tilt镜的统一误差模型,避免每更换一次偏摆角度就需要进行相应的标定实验,有效节省检测时间。最后,通过实验验证了该方法的面形检测精度PV值优于λ/10,最大可测面形法线偏转角为2.8°,并且用搭建的干涉测量装置对圆域对称型像差单透镜面形进行检测,利用该装置的良好兼容性可以有效降低加工/检测成本。为了验证本文提出的圆域对称型像差单透镜计算成像方法的可行性,分别进行了基于深度学习的单透镜显微计算成像实验和单透镜天基计算成像仿真实验。两个实验共同证明了提出的单透镜计算成像系统设计方法的可行性,即光学设计阶段残留的对称型像差可以通过计算成像有效消除,为轻量化、便携化的单透镜计算成像系统实际应用奠定基础。最终,设计并搭建了一套基于深度学习的便携式多功能（多光谱成像、虚拟相衬成像）生物医学显微成像装置。通过USAF-1951分辨率板的成像实验,证明了所提方法的成像分辨率（417nm@1.38μm）优于同等指标的科研级商用显微物镜（417nm@1.95μm）。通过对肿瘤病理切片（未染色）的成像实验,验证了本文的虚拟相衬单透镜显微成像可以达到传统商用相衬显微镜的效果,两者图像结构相似度为0.75。