全息模式波前传感器(HWFS)是一种模式型的波前传感器,它利用多模复合的全息元件和位敏探测器来获得入射光中特定模式Zernike像差的强度。然而,多模复合全息元件中的光衍射过程通常会伴随着高阶衍射产生的干扰光。这些干扰光会分散激光能量,降低探测信噪比。提出一种通过引入强度调制的方法来消除由二元相位型全息元件衍射产生的干扰光。该方法不仅可以应用于全息模式波前传感器中干扰光的消除,也适用于其他基于二元相位型全息元件的应用,如全息成像、像移干涉仪、光束偏转器等。

大口径反射镜组件检测存在的设备昂贵、环境要求苛刻等问题。基于S-H波前传感器的子孔径拼接检测技术，对其拼接算法进行改进，提出混联拼接算法，有效减小拼接导致的面形检测误差。该方法结合自准直波前检测系统和高精密二维扫描系统形成大口径反射镜反射面形拼接检测系统。对比实验表明，该系统测量误差为0.072 λ，满足高功率固体激光器对大口径反射镜组件装校过程面形控制的要求。

介绍了四棱锥传感技术的基本原理和数学模型.当以调制模式工作时,可计算复原矩阵或梯度矩阵.分析了调制半径在不同像差条件下对复原速度和精度的影响,对无调制模式采用复原矩阵进行了仿真,并与调制模式进行了对比.实验结果表明:无调制状态下,经过校正,残差RMS可减至0.05,调制状态下,梯度矩阵重构效果较好,残差RMS可减至0.02;对大像差的输入信号,调制模式的精度和速度都优于无调制模式.结果表明,四棱锥波前传感技术具有高速度、高精度和灵活的工作模式,是一种先进的波前传感技术.

由于光斑质心探测精度直接影响夏克-哈特曼波前传感器的波前探测精度, 本文提出基于标记分水岭法来确定阵列光斑质心探测窗口。首先, 对采集到的夏克-哈特曼阵列光斑图像进行平滑并求出其梯度图像; 然后, 利用大津(OTSU)阈值法在求出的梯度图像上进行目标标记, 最后在标记过的梯度图像上进行分水岭分割, 确定出每个光斑的探测窗口。由于该方法确定的质心探测窗口是对光斑实际大小进行匹配, 故有效地抑制了噪声对质心探测的影响。实验结果表明: 利用该方法确定光斑探测窗口所计算的质心精确度和稳定性均比传统的在子透镜窗口中计算光斑质心的方法要高。统计多幅图像计算得到的窗口质心标准差的平均值为0.010 9, 比传统法计算出的平均值0.073 4提高了6倍, 满足哈特曼波前传感器对光斑质心计算稳定性和精确度的要求。

在哈特曼波前测量过程中，需要对哈特曼图像进行网格划分用于计算波前斜率。传统的网格划分方法通过观察哈特曼图像手动调整网格位置和网格间距。该方法不但需要人工干预，还给波前实时测量带来困难。为实现哈特曼图像网格划分的自动化，研究了基于相关法的哈特曼图像网格自动划分方法。该方法首先对哈特曼图像进行自相关求取网格行列数以及网格间距，然后利用该网格建立相应的模拟光斑图像，最后对模拟光斑图像和哈特曼图像进行互相关求取网格最佳位置。该方法无需人工干预，耗时短，实现了网格实时自动划分。

为实现快速高分辨的哈特曼波前测量, 研究了基于Fourier变换的波前重构方法。在软件设计和代码实施基础上进行了时间性能统计分析, 采用模拟数据和实际斜率数据进行波前重构, 并将重构结果与VMM方法获得的结果进行了比较, 分析其误差产生的原因及噪声的统计特性与误差空间分布的关系。仿真和实验结果表明, FTR方法具有从斜率数据准确重构出波前的能力; 相对VMM方法FTR拥有更优的时间性能; 基于相同的斜率FTR方法重构出波前与VMM方法的差别主要分布在孔径的边缘, 在附加在斜率测量上的噪声具有零平均的性质时, 最有可能获得一致的波前。

夏克哈特曼波前传感器因其可以同时测量激光的强度及相位信息，已广泛用于激光光束质量检测中。根据实际检测的要求，设计夏克哈特曼传感器系统的参数是构建检测系统的重要一环。综合考虑了夏克哈特曼传感器的动态范围、灵敏度和精度等要求及其相互制约问题，进行了夏克哈特曼传感器的参数设计。 说明了具体的指标设计过程，并根据设计指标，研制了激光光束检测系统。系统实际达到的单孔径的动态范围为3.7λ(λ=632.8 nm)，灵敏度为0.01λ，菲涅耳数为2.468，符合激光光束检测系统的要求。

建立哈特曼传感器的模型，证明在高空间分辨力下，可以采用Hudgin模型进行波面重构，避免了采用Fried模型带来的复杂性。对哈特曼子孔径缺失破坏连续性的问题进行了分析，介绍了相应的边缘处理算法。完成了基于离散傅里叶变换的波面重构算法数值模拟，实现了波面的无损重构。针对实际应用中输入波面在被遮挡处不连续的问题，提出了基于最小二乘解的拼接方案，实现了非连续波面拼接。分析了影响波面重构速度的主要因素，提出了提高波面重构性能的方法。

针对传统的地基大口径望远镜自准直干涉检测受器材限制和环境影响而检测困难的问题，提出了基于Shack-Hartmann 波前探测器的子孔径拼接波前检测方法。介绍了子孔径拼接检测理论和拼接算法，研究了Shack-Hartmann 下实现子孔径上波前精确测量的方法，设计了具有透射孔的光阑实现自准直光路中子孔径毫米级的定位。实验使用32 单元的Shack-Hartmann 波前探测器和40 mm 的平面反射镜，实现了口径扩展比1.8 的子孔径拼接检测；对比表明均化误差的处理方法优于两两拼接方法，其拼接检测结果与全口径检测结果之差的PV 值为0.5 波长。实验结果表明，这种技术在大口径望远镜波前自准直检测中有很好的应用前景。

液晶微透镜阵列是利用液晶的电控双折射特性和微电子工艺制作的微光学元件,具有焦距可调、工作电压低甚至阵列数目、透镜孔径以及形状可调的优点,应用于哈特曼波前探测技术时可以有效提升哈特曼波前传感的动态探测能力,显示出良好的竞争力。简要概述了哈特曼波前传感技术和液晶微透镜阵列制作技术的发展、现状,对不同类型的液晶微透镜阵列制作技术的优缺点进行了分析,并着重介绍了基于液晶空间光调制器的微透镜阵列在波前探测领域的应用。