为获取更多空间信息、精确遥感测绘、准确发现和识别目标,低成本、小型化、高分辨相机的需求日益迫切。为满足高分辨率的要求,传统光学设计往往采用增大光学系统口径、增长焦距、使用多个透镜校正像差的方法,这必然导致成像系统体积重量成倍增加、研发周期长、工程实施困难。虽然可以通过锐化提高对比度和通过平滑提高信噪比等图像处理方法进一步提高图像清晰度,但是两者之间相互制约、难以兼顾,而且这种方法提升图像质量的能力有限。为满足更高的应用需求,如何既简化光学系统复杂度、又提升图像质量,成为急需解决的问题。随着新型成像技术和计算机信息处理技术的飞速发展,计算成像方法已经蓬勃发展并被广泛关注。传统成像方法是将光学系统设计与后期的图像处理分开研究,首先通过光学系统进行物空间到像空间的重构表示,然后再用特定的算法对探测器获取的数字图像进行图像处理。由于光学成像系统和图像处理系统之间具有独立性,所以光学元件约束造成的光学成像缺陷和算法约束造成的图像处理缺陷无法相互补偿。传统成像方法容易错失全局最优设计方案,一定程度上也增加了系统复杂度。本文提出一种新型计算光学设计方法,对传统设计方法进行改进,使光学成像系统设计和图像处理系统设计有效结合,实现整个系统的全局优化设计。计算光学设计方法把复杂的成像过程简化成端对端成像模型,由成像目标先验信息为整个设计过程提供良好的约束条件,通过对像差进行选择性校正实现光学成像系统和图像处理系统的综合匹配,最后采用端对端的评价指标作为全局优化的优化判据,通过同时调整成像链路中各个环节的参数来满足端对端评价指标要求,从而使系统整体性能达到最优。在具体实现过程中,以ZEMAX光学设计软件自动优化能力和C程序设计软件高效的图像处理能力为基础,把传统光学设计的最优结构作为计算光学设计的起点,通过自定义优化函数UDOP(User Defined Operands)和动态数据交换DDE(Dynamic Data Exchange)协议,将端对端评价标准MSE(Mean Squared Error)引入到光学系统设计过程中,对光学成像系统和图像处理系统进行联合优化。本文对单透镜和双透镜成像系统进行仿真验证,仿真结果表明,计算光学设计方法以全局最优为目标,使光学成像系统和图像处理系统达到最佳匹配状态,提高了最终图像的分辨率。计算光学设计方法可以突破传统光学成像的瓶颈,寻找到整个系统的最优解,将有望在降低光学系统复杂度的同时获得高分辨率图像,可广泛应用于天文观测、遥感测绘、环境监测和军事侦察等重要领域。