二元光學元件的設計問題十分類似于光學變換系統中的相位恢復問題：已知成像系統中入射場和輸出平面上光場分布，如何計算輸入平面上相位調制元件的相 位分布，使得它正確地調制入射波場，高精度地給出預期輸出圖樣，實現所需功能。
近幾年來，隨著制作工藝水平的發展和衍射元件應用領域的擴展，二元光學元件 特征尺寸進一步縮小，其設計理論已逐漸從標量衍射理論向矢量衍射理論發展。通常情況下，當二元光學元件的衍射特征尺寸大于光波波長時，可以采用標量衍射理 論進行設計。計算全息就是利用光的標量衍射理論和傅里葉光學進行分析的，關于二元光學元件衍射效率與相位階數之間的數學表達式也是標量衍射理論的結果。在 此范圍內，可將二元光學元件的設計看作是一個逆衍射問題，即由給定的入射光場和所要求的出射光場求衍射屏的透過率函數。基于這一思想的優化設計方法大致有 五種：蓋師貝格－撒克斯通(Gerchberg-Saxton)算法(GS)或誤差減法(ER)及其修正算法、直接二元搜索法(DBS也稱爬山法 (HC))、模擬退火算法(SA)和遺傳算法(GA)。
其中模擬退火算法是一種適合解決大規模組合優化問題的方法，它具有描述簡單、使用靈活、應用廣泛、 運行效率高和較少受初始條件限制等優點；遺傳算法是一種借鑒生物界自然選擇和自然遺傳機制的高度并行、隨機、自適應搜索算法，它將適者生存原理同基因交換 機制結合起來，形成一種具有獨特優化機制的搜索技術，而且特別適用于并行運算，已被應用到諸多領域。在國內，中國科學院物理研究所楊國楨和顧本源提出任意 線性變換系統中振幅－相位恢復的一般理論和楊－顧(Y-G)算法，并且成功地應用于解決多種實際問題和變換系統中。在許多應用場合中，二元光學元件的特征 尺寸為波長量級或亞波長量級，刻蝕深度也較大(達到幾個波長量級)，標量衍射理論中的假設和近似便不再成立，此時，光波的偏振性質和不同偏振光之間的相互 作用對光的衍射結果起著重大作用，必須發展嚴格的矢量衍射理論及其設計方法。
矢量衍射理論基于電磁場理論，須在適當的邊界條件上嚴格地求解麥克斯韋方程 組，已經發展幾種有關的設計理論，如積分法、微分法、模態法和耦合波法。前兩種方法雖然可以得到精確的結果，但是很難理解和實現，并需要復雜的數值計算； 比較起來，模態法和耦合波法的數學過程相對簡單些，實現也較容易。這兩種方法都是在相位調制區將電磁場展開，所不同的是它們的展開形式，模態法將電磁場按 模式展開，而耦合波法則將電磁場按衍射級次展開。因而，耦合波方法涉及到的數學理論較為簡單，給出的是可觀察的衍射各級次的系數，而不是電磁場模式系數。 但總的來說，用這些理論方法設計二元光學元件都要進行復雜和費時的計算機運算，而且僅適合于周期性的衍射元件結構。因此，當衍射結構的橫向特征尺寸大于光 波波長時，光波的偏振屬性變得不那么重要了，仍可采用傳統的標量衍射理論得到一些合理的結果。對于更復雜的衍射結構，還有待發展實用而有效的設計理論。