常规成像系统的焦平面结构决定其具有极高的光学增益和有限的焦深范围，导致系统高成像质量与弱激光防护能力的矛盾性问题。波前编码成像技术具有大焦深特点和光场调控作用，通过像面离焦能够在保证成像质量的前提下有效提升系统的激光防护性能。研究波前编码成像系统成像质量和激光防护性能的权衡问题，分析系统激光防护性能的极限至关重要。以反正弦型相位掩膜板为例，分别建立离焦波前编码成像系统的成像模型和激光传输模型，研究系统的成像质量和激光防护性能随离焦参数的变化规律。通过解耦方式将系统的成像质量作为基本约束条件，引入定量评价指标得到系统允许的最大离焦参数为9.70λ（λ为波长），并在此基础上评估系统的极限激光防护性能。结果表明，在该条件下系统的最大单像素接收功率的降幅达到96.37%，回波探测器接收功率降至0.217‰，成像系统的抗激光损伤和反激光主动探测性能分别提升一个和三个数量级以上。

光学稀疏孔径技术以其所具有的降低透镜加工面积、增大数值孔径和提升分辨率的能力被应用到超构透镜的设计和优化中。然而，目前稀疏孔径超构透镜的研究仅限于单波长，通常难以应用到宽波段成像领域。笔者基于波前编码和稀疏孔径技术设计了一种消色差稀疏孔径超构透镜。该消色差稀疏孔径超构透镜在加工面积降低至全孔径超构透镜25%的情况下，在可见光波段（400~700 nm）可实现与理想透镜一致的分辨率。该消色差稀疏孔径超构透镜既实现了对可见光波段的消色差，又解决了大孔径超构透镜的加工难题，具有加工成本低、消色差范围大、成像清晰等特点，在图像采集领域具有重要的应用价值。

短波红外波段具备全天时、全天候成像的优良潜力，借助焦平面探测阵列在现代社会发挥着日益重要的作用。为了解决短波红外成像系统的离焦问题以提升平台适用性，将波前编码技术引入短波红外波段。针对无法配置调焦机构的轻小型短波红外成像系统，在光瞳位置放置三次方型相位板扩展景深。将相位板参数转换为径向坐标系数，利用调制传递函数一致性和图像可恢复性优化该系数。利用640 pixel×512 pixel的短波红外图像仿真波前编码成像性能，通过Lucy-Richardson经典算法还原中间模糊图像。光学设计和图像仿真结果表明，波前编码系统至少在±20倍景深范围内能够有效降低系统对离焦的敏感性，复原图像峰值信噪比最高可达38.5038 dB。

矢量像差理论表明, 一个已经校正过初级像差的光学系统, 在微小失调量状态下仍会出现特定的像差表现, 而工作在恶劣环境下的机载、星载光学系统这种情况尤为明显。波前编码技术已被证实对一阶、三阶像差有一定的钝化作用, 基于波前编码原理, 从矢量像差的角度研究了三次相位板对光学系统失调产生像散的钝化作用, 并以卡式折反系统为例做了仿真验证。研究显示, 波前编码计算成像系统对于元件倾斜引起的失调像散不敏感, 系统轻微失调时仍能保持良好的成像效果, 这对于降低光学系统的装调难度以及增强机载、星载光学系统的环境适应性具有一定的意义。

为了在不降低空间目标成像光学系统分辨率的前提下, 扩展系统的景深, 并且提高系统的可靠性, 本文提出并设计了一种基于波前编码技术扩展景深的空间目标成像光学系统。在所设计的初始空间目标成像光学系统的基础上, 基于不同物距调制传递函数曲线的一致性以及图像的可复原性优化了立方相位板, 并且利用FOPD算法, 对中间图像实现了较好的复原效果。对比了初始光学系统与波前编码光学系统的成像效果, 结果显示波前编码光学系统的焦深和景深得到显著的扩展。该光学系统总长为41 mm, 焦距为20 mm, 工作波长为850 nm。仿真实验结果表明, 无需调焦机构, 该系统的焦深达到了原系统的28倍, 系统景深从0.956~1.1 m扩展至0.5~130 m。该系统可满足于空间交会对接、卫星捕获等领域无调焦机构大景深成像的需求。

消热差是红外光学系统设计的重要环节之一,本文介绍使用波前编码技术进行红外光学系统消热差设计的原理及方法,分析波前编码的基本原理,给出波前编码光学系统调制传递函数(Modulation Transfer Function, MTF)的表达式。在此基础上,以三片式长波红外光学系统为例,利用ZEMAX光学设计软件分析其在常温(+20 ℃)、-40 ℃和+60 ℃下的成像质量。分析结果表明,该系统在常温下的成像质量接近衍射极限,但是当温度在-40~+60 ℃之间变化时,MTF值迅速下降且出现零点,说明系统的成像质量急剧恶化,不再满足使用要求。加入波前编码相位版进行消热差设计后,MTF值对温度不再敏感,在不同温度下可以得到较为清晰的目标图像,表明波前编码技术可以实现红外光学系统的消热差设计。

鉴于常规成像系统激光防御性能与成像质量之间的矛盾, 设计了一种基于像面离焦的波前编码系统, 分别围绕该技术反激光侦察与抗致盲的机理和效能开展了相关研究工作。首先利用菲涅尔-基尔霍夫衍射理论, 建立了像面离焦波前编码成像系统激光传输模型; 基于该模型, 评估对比了系统各平面的光场分布特征与激光防御性能, 并进一步研究了系统参数的优化规律。结果表明, 对比常规成像系统, 离焦波前编码系统能在保持较好成像质量的同时, 将回波探测器接收功率与像面最大单像素入射功率分别降低两个和一个量级以上, 大幅提升了系统的反激光侦察与抗致盲性能。