在众多的现代光学系统,如超大口径空间成像系统,太赫兹探测成像技术,X-射线波段或深紫外光刻技术中,衍射光学元件(Diffractive Optical Element,DOE)由于其独特的工作原理以及结构紧凑,重量轻,设计灵活等优点可以实现基于传统玻璃材料的折射式光学系统很难或者不可能实现的功能,正在吸引越来越多的研究和关注。然而,由于DOE中严格的干涉和衍射物理机理的限制,传统的DOE通常只能工作在特定的单一波长和单一视场,极大地限制了DOE的应用,特别是在大口径或特殊波段的成像领域。本文针对DOE成像技术中普遍存在的单波长和单视场的物理局限,以近年发展起来的新型光子筛(Photon Sieves)衍射器件为例,提出和研究了基于波前编码的宽带宽视场衍射成像技术。通过对入射光子筛的波前进行编码和操控,实现宽带光谱的成像,为DOE的应用提供了一个崭新的思路。本文的主要研究内容以及取得的创新性成果如下:1.提出基于波前编码的光子筛宽带衍射成像技术。在传统光子筛(Conventional Photon Sieves,CPS)前端置入特定设计的非球面位相元件对入射波前进行编码,组成分离式波前编码光子筛成像系统(Separated Wavefront Coding Photon Sieves System,SWFCPSS)。理论研究表明,该系统的点扩散函数和调制传递函数对入射波长不敏感,可以显著拓展光子筛的光谱工作带宽。使用模糊函数和静态位相法作为数学分析工具,推导出了SWFCPSS中的非球面位相编码元件为三次非球面面形,其中三次非球面位相编码系数?直接影响SWFCPSS的有效光谱工作带宽。实际设计、制作了相同数值孔径(口径D=50mm,焦距f=500mm)的SWFCPSS(?=20?)和CPS进行成像性能比较。测试结果验证了SWFCPSS的有效光谱工作带宽可达14nm,约为CPS工作带宽(0.32nm)的44倍。此外,由于DOE相同的物理机制,将我们提出的波前编码原理应用到一般的DOE(菲涅尔波带片,菲涅尔透镜等),同样具有宽光谱的衍射成像性能,表明了该技术的通用性。2.提出了采用光子筛的微结构空间编码实现波前编码的思想。通过对DOE微结构的空间分布进行编码,实现了DOE的衍射聚焦功能和波前编码功能集成在一个单一的DOE上。理论计算和设计了单片式宽光谱波前编码光子筛(Wavefront Coded Photon Sieves,WFCPS)。WFCPS不需要附加任何额外的光学元件,通过操控其筛孔微结构的空间分布,使得在很宽的光谱范围内的入射光产生一致的聚焦性能,大大降低了衍射器件聚焦能力对波长的敏感性,实现宽光谱照明下衍射元件的清晰成像。同时,WFCPS具有抑制轴外像差,拓展工作视场角的性能。实验制作了口径D=50mm,焦距f=500mm的WFCPS(?=30?)和CPS。成像测试结果验证了CPS只可以在窄带范围0.32nm、轴上附近(Field=-0.5~o-0.5~o)清晰成像。然而,相同设计参数下的WFCPS可以在宽光谱28nm、大视场Field=-4~o-4~o范围内清晰成像。理论和实验结果表明,WFCPS不论是在光谱工作带宽还是入射视场角都得到了很大的拓展,有效降低了DOE对波长以及对轴外像差的敏感性。进一步将具有宽带消色差特性的WFCPS与折射式透镜相混合,构成WFCPS折衍射元件,从理论和实验上成功实现了单片式折衍射元件在400nm到700nm全可见光范围(300nm带宽)的宽带消色差成像。3.薄膜型DOE能够大幅度降低空间成像系统的体积和重量,在空间大口径光学应用领域具有独特的优势和巨大的潜能。然而,传统薄膜DOE在空间光学成像系统的应用中存在巨大色差。本文进一步提出了利用WFCPS的宽带消色差特性结合Schupmann消色差方法,设计了口径500mm的宽光谱薄膜光子筛主镜空间望远系统。在工作波段450nm到650nm范围内(200nm带宽)达到衍射极限的成像性能,且具备大口径、轻量化的优势。该设计结果在基于衍射元件的空间成像技术中具有重要作用。本论文提出的理论思想、设计方法、实验方案和实验结论为DOE(光子筛,菲涅尔波带片,菲涅尔透镜等)的应用提供了新的思路和科学依据。