采用一种新的结构形式对口径1.2 m、焦距2~6 m、相对孔径1/1.67~1/5的可见/近红外波段连续变焦距望远镜进行了设计。为适应目前地基大口径望远镜总体结构形式的需要，前端主系统采用Cassegrain反射式结构，后端采用三组元机械补偿变倍形式，使结构更加简洁。在高斯光学计算、像差分析基础上对各组元初始结构选择，并进行整体优化。设计结果各项性能指标均满足要求，且结构紧凑、补偿曲线平滑，表明这种结构形式是大口径连续变焦距望远镜一种较好的光学解决方案。

为了验证相位差异波前检测器演示系统利用自带光源独立完成波前检测任务的能力，搭建了基于相位差异法检测镜面面形的实验平台。测试时在焦面和离焦面上同时采集短曝光图像，在已知离焦量的前提下解算出波前相位分布并恢复出目标，从而实现对大镜面像差的估计。为了进一步验证相位差异测量方法的准确性，对相位差异法与高精度的ZYGO干涉仪得到的测量结果进行了比较分析。实验结果表明: 两种方法获得的面形误差分布及误差的峰谷值(PV)和均方根值(RMS)一致性很好，而波前RMS的测量精度达到了2.83/1 000λ。得到的结果表明提出的相位差异法能有效地检测出镜面的像差，且准确性很好。

设计了1.23 m地基望远镜自适应系统的非共光路标定系统。针对自适应光学系统非共光路像差检测中遇到的问题, 构造了离焦量不可测情况下的相位差异法的评价函数。利用多通道约束波前的解集和像差检测与变形镜调整互相迭代最终收敛的办法, 弥补了测量条件不理想对像差检测的影响。与双通道相位差异法相比, 多通道相位差异法对目标光源形状的容忍力更强, 理论上对波前求解精度更高。将该方法应用于1.23 m地基望远镜自适应系统的非共光路静态像差测量中, 取得了良好的效果, 使光路装调更加方便。通过改变变形镜的初始偏置对测得的像差进行校正, 提高了望远镜光学系统的成像质量。

为了验证相位恢复波前传感器的性能，搭建了相位恢复传感器和Zygo干涉仪对不同波前畸变进行比较测量的实验平台。采用液晶空间光调制器产生的单项像差来验证相位恢复传感器对各种像差的检测能力，把相位恢复测量结果与高精度的Zygo干涉仪测量结果进行比较分析，结果表明在面形误差分布及误差的峰谷(PV)值和均方根(RMS)值上，两者具有一致性，对于波前RMS的测量精度达到3λ/1000左右，这说明相位恢复测量方法的可行性和准确性。

针对自适应光学系统非共光路像差检测中遇到的若干实际问题, 设计了基于多通道相位差异法的波前探测器, 用于在不对光路进行任何改变的前提下定量测量自适应光学系统的第一像面到成像相机之间的像差。与前人的双通道相位差异波前探测器相比, 该方法对波前具有更强的约束力, 从而能够对目标光源的形状容忍力更强, 理论上对波前求解的精度更高。将该方法应用于1.23 m口径自适应光学系统的非共光路的静态像差测量, 取得了良好的效果, 为光路装调带来了极大的方便。将测得的像差直接用于变形镜的初始偏置, 大大提高了成像质量。

提出了一种基于PIX总线的千单元可扩展波前探测图像恢复技术。采用波前探测与图像恢复相结合的方式来克服大气扰动和系统像差对图像分辨率的影响，满足大型地基望远镜高分辨率成像的需求。首先利用波前探测的方法得到波前相位畸变量，再由此恢复退化图像。其核心部件-波前处理器则采用波前处理主板和可扩展的波前处理子板相结合的方式来满足不同光学系统对波前处理规模的需求，波前空间采样数可扩展至千单元数量级。系统在室内进行了激光光源图像恢复实验，使激光光源的能量集中度提高50%左右；在室外对恒星和0.6″的双星图像进行了恢复，其半高全宽下降了约80%。系统采用大规模现场可编程门阵列(FPGA)作为波前处理的核心器件，实现了波前探测的实时处理和透过大气成像的退化图像的高分辨率图像恢复。