波前编码技术是由在光学系统的光瞳面插入一块特殊的相位掩膜板对光学系统的波前进行调制,使得在较大的景深范围内,其光学传递函数(OTF)或者点扩散函数(PSF)不变或对物距变化不敏感,从而在探测器上形成差异极小的模糊的中间成像,并且这些中间图像可以通过数字滤波的手段恢复成清晰的最终成像。该技术创造性地将光学设计和数字图像处理相结合在一起,不仅可以大幅度地增加光学系统的景深,而且能够校正由各种原因的离焦引起的像差,如球差、色差、像散、匹兹凡像面弯曲、畸变、以及由制造安装误差和温度变化引起的离焦像差。获得了传统光学系统无法获得的优越的成像性能,具有非常广泛的应用前景。论文首先从几何光学途径使用光线追迹方法得到适用于任意面型相位板的光线像差近似表达式,分析了奇偶对称型两种相位板波前编码系统的点列图特性,主要包括点列图的大小、边界以及光线结构三个方面。从几何光学分析得到的结果与通过傅里叶光学分析得到的结果十分吻合。通过对奇偶对称型相位板波前编码成像系统的点列图特性分析,有助于进一步的理解波前编码技术。论文接着提出了一种波前编码相位掩膜板的优化设计方法:基于遗传算法的波前编码相位掩膜板参数优化方法,并且选取了一个双胶合镜头作为波前编码研究的目标系统,用上述方法加以模拟设计计算。并对加相位板和未加相位板得到的图像进行了比较分析。模拟结果表明,该方法便捷易行,具有现实的可操作性,并且优化得到的相位板对改善系统成像质量、增加景深方面都有较好的效果。论文还将波前编码技术应用于红外系统的成像研究。模拟实验用一块三次相位板对一个红外系统进行编码,经过简单的Wiener滤波对中间图像进行解码,得到了较好的结果。模拟结果表明,加入相位板的红外系统在不同温度、不同物距和不同视场下的MTF曲线几乎完全重合在一起,这表明该系统对温度引起的离焦像差不敏感。同时,该技术不仅增大了该系统的景深,还抑制了一定的视场效应,这有利于增大红外成像系统的视场角。论文的最后提出了当入射视场角较大时,波前编码成像系统图像的边缘发生变形且难以恢复的两种解决方案。方案一是把相位板移至光路中光线较为平缓的区域,但不是系统的光阑位置;方案二是保持相位板位置不变,优化整个光学系统,使相位板前的光线能够平缓地入射到相位板。通过对一个波前编码实际系统的仿真比较,得出方案二可以有效地消除波前编码相位板引入的视场效应。