衍射光学元件（Diffractive Optical Elements，DOE）质量轻、设计灵活，非常契合集成化或轻量化的应用需求。但是DOE具有严重的色散特性，在偏离其设计波长时会给图像带来大尺寸的色散模糊，因此难以应用在宽波段成像系统上。针对DOE波段窄的缺陷，本文通过引入计算成像技术，将光学设计与图像算法进行联合设计，实现了单片衍射元件在415nm~685nm的可见光波段下的清晰成像。在光学设计上，构建了点扩散函数模型（Point Spread Function，PSF），对衍射元件的结构进行编码和数值优化，以获得目标PSF。在图像复原算法中，借鉴了图像金字塔的思想，在多个尺度上对图像进行复原。仿真显示，传统的位相菲涅尔衍射透镜在415nm~685nm成像时，其平均MTF在0.1时的频率仅有2.6lp/mm，而本文的衍射计算成像方法在相同条件下可达到113.3lp/mm。本文的结果证明，基于计算成像的衍射成像技术可以在保持轻薄的物理结构的同时，获得宽波段消色差的清晰成像效果。

本文的主要研究内容为：

1. 对衍射计算成像光场传输理论、衍射元件相位调控原理，衍射图像退化模型进行了分析和探讨，分析了其产生色散的原因和图像复原的难点，由此确定光学端和计算端的设计目标；列举介绍了一些典型的复原算法，讨论了本文的像质评价方法。
2. 研究了衍射元件的消色差方法，构建了以PSF为导向的衍射元件优化模型，通过衍射元件微结构高度编码调控光场相位，引入了基于粒子群优化的数值优化方法，使衍射元件的光谱PSF保持一致性，从而实现消色差的目的。通过优化计算，编码优化消色差衍射透镜的MTF的可分辨频率由传统透镜的2.6lp/mm上升到8.6lp/mm。利用离子束刻蚀的方法，加工了8mm、20mm、40mm编码优化消色差衍射透镜，对8mm口径的编码优化消色差衍射透镜进行实际的星点目标、分辨率靶成像测试，探讨了口径与成像清晰度的关系。进行了色彩保真度测试，验证了其消色差性能。

针对所设计的编码优化消色差衍射透镜的成像特点，研究了相适应的图像复原算法。编码优化消色差衍射透镜成像的模糊核尺寸大，易引入伪影和噪声，对此本文参考了多尺度去卷积复原的方法，提出了跨尺度先验去卷积复原的方法，先下采样到低尺度上进行去噪去模糊，再上采样回原尺寸作为引导图像进行复原，逐步恢复图像细节。对跨尺度先验算法性能做了对比测试，说明了其有效性。结合编码优化消色差衍射透镜进行计算成像，并对图像质量进行了定量评价，结果高于传统衍射元件的成像质量。最后对消色差衍射透镜计算成像过程进行了实验分析，说明了本文方法的有效性。