显微物镜是观测物体内部细微结构的重要的光学仪器，广泛应用于各个领域。然而，显微物镜中高分辨率和大景深的矛盾性以及显微物镜中存在的球差均使物镜像质急剧下降，这两方面问题将大大限制显微物镜对物体的三维观测能力。波前编码技术作为近年来新兴的扩展景深技术，具有较好的离焦不变特性，于此同时对像差也有一定的抑制作用。基于此，本文在波前编码技术离焦不变性的基础之上，开展了波前编码系统对球差敏感性的分析，并将波前编码技术应用于大景深显微物镜设计。本文的主要研究内容如下：显微物镜成像理论及波前编码技术特性分析。该部分为全文的理论基础。针对显微镜的成像特点，对其成像特性进行分析，指出显微镜对物体进行三维观测时主要受到的景深限制，而且系统中球差的影响不容忽视。从编码和解码角度分析了波前编码技术的离焦不变性，为波前编码技术在显微物镜中的应用奠定基础。波前编码系统球差敏感性空间域特性研究。根据波像差与光线像差的之间的关系，推导了含离焦和球差的波前编码系统光线像差表达形式，并对光线像差边界进行求解。利用一维光线像差和二维光线像差（点列图）的性质，研究了波前编码系统随离焦及球差的变化特性。波前编码系统球差敏感性空间频域特性研究。利用稳相法，推导了含有球差的波前编码系统光学传递函数(OTF)表达式，基于此，由空间频域角度研究了球差对波前编码性能的影响以及不同位相板参数对球差抑制能力的影响。通过与离焦不变性进行比对，进一步分析波前编码系统对球差的敏感程度。此外，分析了同时含有离焦和球差时的波前编码系统随像差的变化特性，从空间频域角度验证空间域分析的正确性。基于波前编码技术的大景深消球差显微物镜设计。设计了放大倍率为100倍、数值孔径为1.1的显微物镜。应用波前编码技术扩大了该显微物镜的的景深，且在一定程度上控制了显微物镜的球差对成像质量的影响，以实例说明波前编码技术适用于提高显微镜的三维观测能力。