在生物医学领域的研究中,成像分析测试设备是观测细胞与生物组织的结构形态和生命状态的重要工具,其中显微成像仪器是生命科学研究中最常用的成像工具。快速,灵敏的三维数据采集是现代生物显微技术的主要挑战之一。本论文以基于离轴菲涅尔波带片的层析显微成像系统为研究对象,提高层析显微成像系统的成像质量为目标,对系统的核心元件离轴菲涅尔波带片进行优化设计,使其同时实现层析显微和减小系统像差两种功能。本文首先分析了层析显微系统的核心元件离轴菲涅尔波带片的结构设计和成像原理。并介绍了消像差离轴菲涅尔波带片的设计思想,即基于光程函数的像差系数计算方法。其次本文针对层析显微系统中的像差种类,设计了消像差离轴菲涅尔波带片并进行仿真验证。首先对层析显微系统中所存在的几何像差进行分析,确定层析显微系统中存在球差、彗差、像散、场曲。其次针对上述层析显微系统中所存在的像差种类,依据两个曝光点在全息面形成的干涉条纹可以减小系统像差为原理,利用基于光程函数的像差系数计算方法求得消像差离轴菲涅尔波带片的刻槽分布函数系数,最后在ZEMAX软件中对消像差离轴菲涅尔波带片的栅线分布进行仿真验证。结果表明0级和±1级衍射光球差W040减小62%～70%、彗差W131减小96%～98%、像散W222减小71%～82%和场曲W220减小96%～96%。同时离轴菲涅尔菲涅尔波带片的刻蚀深度决定了各个衍射级的能量分配。为了其前三个衍射级的衍射效率相等,最终确定消像差离轴菲涅尔波带片刻蚀深度为374nm。最后本文搭建层析显微光路验证消像差离轴菲涅尔波带片的实验可行性。首先采取湿法刻蚀工艺对消像差离轴菲涅尔波带片进行制作,并且针对消像差离轴菲涅尔波带片的加工误差建立了一维理论和仿真模型后进行分析。其次在制作完成后,进行层析显微系统的构建,分析了基于离轴菲涅尔波带片的层析显微系统的原理及光路设计,讨论了离轴菲涅尔波带片和透镜紧贴和离轴菲涅尔波带片置于透镜焦点时两种层析显微光路,最终选取了物方远心光路作为消像差层析显微光路。最后在各元件参数不进行改变的条件下,进行细胞图像采集。并采取平均梯度,信噪比等图像指标进行定量分析,结果表明平均梯度增加2.8%,信噪比增加18%。