大景深光学成像系统能获得更多物方信息且在一定程度上能减小系统由离焦引起的像差,因此大景深一直是光学设计者所追求的目标之一。波前编码技术由于其独特的优点,自提出以来就受到学者们关注,并成为景深延拓方法中最前沿的技术之一。波前编码技术利用具有编码作用的相位板在系统光瞳处对系统光线进行调制。经过调制后,成像系统的光学传递函数和点扩散函数变得对离焦不敏感,从而使得系统在很大范围内具有相似的成像特性。但由于经过调制后的系统光学传递函数过低,探测器在不同像面采集到的是一系列一致模糊的图像。这些模糊的图像被称为编码图像。随后通过数字图像处理技术,对编码图像进行解码获得清晰图像,最终达到景深延拓的目的。该技术在不降低系统光通量的情况下,大幅度扩大了系统的景深,在各个领域都具有广泛的应用前景。目前,波前编码技术的研究主要涉及编码相位板的面型、解码算法、优化算法等多个方面。在编码方面,编码功能始终由单块相位掩模板提供,而单块相位掩模板编码效果存在一定局限性。在解码方面,多种不同的图像复原算法已被应用于波前编码系统解码。但是随着数字图像处理技术的不断发展,解码算法在解码质量和解码速度方面均有提高的可能性。本文主要研究内容如下:第一,论文基于传统波前编码理论,提出联合调制波前编码概念。该技术使得编码不局限于单块掩模板,而使得系统中多个元件参与编码过程中。论文通过光线追迹推导,证明了该方法的可行性。另外,基于光学设计原理,还提出了联合调制波前编码系统的优化理论、优化算法以及系统设计方法。第二,对波前编码系统解码算法进行了详细研究,在分析了基于PSF的解码方法的基础上,提出了快速空域解码算法;通过与常用解码算法对比仿真实验,证明了快速空域解码算法在保证解码质量不降低的前提下,解码速度比常用的维纳算法提高了13倍。在此基础上,开发基于Open Cv的波前编码解码程序。第三,基于联合调制波前编码技术,开发了大景深大光圈成像系统。通过与传统系统的对比实验证明,联合调制波前编码系统在光圈和景深方面比传统系统均有明显优势。同时也证明了,联合调制波前编码技术不仅能扩大系统景深,而且将传统波前编码系统设计过程中的像差矫正过程和编码设计过程相结合,简化了光学系统设计步骤,降低了设计难度,也为诸多像差矫正难度较高的光学系统设计提供了新的方法。最后,基于对波前编码系统成像质量提升的考虑,在编码和数字图像处理两个方面,分别提出了基于切趾法和超分辨率成像的像质提升方法。仿真结果表明,上述两种方法可有效提高波前编码系统的成像质量。