本发明提供一种DOE光路成像系统，包括准直模块、光学校正模块、DOE模块和会聚模块，所述准直模块用于对入射光进行准直处理并输出准直后光束，所述光学校正模块接收所述准直后光束并对所述准直后光束进行校正，输出校正后光束，所述DOE模块接收所述校正后光束并利用至少一个衍射光学元件将所述校正后光束转变为平行光并输出，所述会聚模块将所述DOE模块输出的光进行会聚并输出出射光束。由于准直模块输出的准直后光束存在一定的发散角，准直后光束经过光学校正模块校正，再经过DOE模块折转以及会聚模块会聚输出，使得DOE光路成像系统输出的出射光束的发散角减小，角半径减小，从而可以改善散焦问题。本发明还提供一种光刻机，包括上述DOE光路成像系统。