为改善传统哈特曼-夏克波前传感器对待测波前采样不足的缺点, 对哈特曼-夏克波前传感器和微扫描进行了分析, 提出一种提高哈特曼-夏克波前传感器采样率的透镜式微扫描方法。通过在微透镜阵列之前加入由PZT驱动的透镜扫描装置, 对CCD采集的光斑分布情况进行高分辨率微扫描图像重建, 通过对重建后的光斑分布进行波前重构, 提高了哈特曼波前传感器对待测波前的采样率。通过对比实验验证, 波前复原精度提高了41%, 可以有效提高哈特曼传感器对波前探测的精度。

为提高哈特曼夏克波前传感器（HS-WFS）的光斑质心探测精度以实现光学系统的高精度波前检测，提出了一种有效的质心探测方法。该方法利用非线性滤波和窗口法对整幅光斑图像进行全局处理后，结合中值滤波、三次样条插值和自适应Otsu阈值法对单个光斑进行局部处理。分析了三次样条灰度插值点个数不同，探测精度和计算时间的变化规律。采用该方法探测了含有噪声的光斑图像，其质心探测误差仅为0.0442 pixel，比传统的非线性滤波、Otsu阈值法和探测窗口法探测精度分别提高了91.86%、87.97%和31.79%。对已知波像差的光学系统进行了仿真检测，得到的波前检测精度峰谷(P-V)值为0.0098 λ，精度均方根(RMS)值达到0.0027 λ。结果表明该方法能够提高质心探测精度，可用于高精度光学系统的检测。

为实现使用Hartmann-Shack(哈特曼夏克)波前传感器对高分辨率物镜进行高精度检测，提出了使用二维插值多项式替代泽尼克(Zernike)多项式为重构基底对被测波前进行模式重构的方法。为了验证方法的可行性，仿真高分辨率物镜设计波像差为待测波前，得到重构误差均方根(RMS)值为0.0609λ。模拟理想球面波为待测波前，重构精度随拟合阶数增加稳定变化。经过重构正弦波前、余弦波前、非球面波前以及含有低阶球差、彗差、象散、场曲和畸变等像差的一般波前，进一步对比了Zernike多项式和二维插值多项式为基底的重构精度，得到了一种较Zernike多项式拟合精度更高更稳定的模式重构基底。

离焦模糊图像的清晰度较低，因此必须对其进行复原。传统方法通常采用圆盘或高斯函数来近似离焦造成的点扩散函数，复原效果不够理想。为此，提出利用哈特曼夏克波前传感器探测离焦波前，根据所得波前计算光学系统的点扩散函数，并采用Richardson-Lucy算法对模糊图像进行复原。搭建了实验用的光学系统，采集了离焦模糊图像以及相应的波前信息，获得了清晰的复原图像，并利用客观图像评价方法对退化图像和复原图像进行了评价，同时与传统方法得到的复原图像进行了比较。实验结果表明，该方法能精确重建点扩散函数，有效提高图像的质量。

在描述Hartmann-Shack波前传感器原理的基础之上,研究了在测量波前像差过程中人眼定位误差所引起的测量误差,给出了光学系统下与人眼视度相关的误差数学表达式,分析了在满足眼镜镜片国家标准(GB 10810-1996)的条件下人眼定位可允许的误差范围,这对于改善和提高Hartmann-Shack测量人眼波前像差的精度具有现实的意义。研究结果表明误差会随着被测眼视度的增加而增加。

提出了一种适用于哈特曼夏克波前传感器的环形子孔径拼接检测技术的拼接复原算法。该算法通过建立各个环形子孔径内有效的哈特曼夏克斜率数据和全孔径波前相位的关系，避免了环形子孔径区域的波前复原过程，从而有效地解决了环形子孔径区域的哈特曼夏克波前传感器有效采样率低的问题。算法对斜率测量噪声较不敏感，具有较好的抗噪声干扰的能力。算法对除球差的各阶像差均具有较高的精度；算法对球差拼接复原后存在离焦残差，分析表明残差的大小只与球差大小有关而与环形子孔径排布方式无关，并通过去除球差的耦合误差得到较高的拼接复原精度。

提出了一种利用小口径哈特曼-夏克(H-S)波前传感器检测大口径光学系统或元件的波面拼接检测方法。其基本原理是将待测大口径波面划分为多个小口径波面,通过最小二乘法得到各个子波面斜率图相对于基准子波面斜率图的拼接参数,恢复出全孔径波面斜率图,再利用模式法复原出待测波面。建立了全局优化拼接方式的数学模型,并进行实验验证。实验采用一有效口径37.5 mm的哈特曼-夏克波前传感器对一平面反射镜面60 mm的区域进行测试,将拼接波面与利用干涉仪直接测量的全孔径波面对比,其波面残差(RMS)值为0.04 λ,拼接算法精度达到λ/40。结果表明,全局优化拼接检测方案能够用于大口径光学表面的检测。

腔内像差扰动对激光器输出模式有显著的影响,直接带来输出光束质量和能量的下降。采用数值迭代法分析了正支共焦腔腔内倾斜扰动对耦合输出相位模式的影响,并采用泽尼克像差对波前相位进行了拟合,得到前35阶泽尼克系数、点扩展函数(PSF)和环围能量曲线,从而全面反映光束质量。并采用哈特曼-夏克(Hartmann-Shack,H-S)波前传感器进行了实验定量测定,用模式法进行了波前复原计算。针对腔内低阶像差校正问题进行了原理性实验研究,建立了控制腔内凸镜的像差校正系统。结果表明,控制系统对腔内准静态像差扰动闭环效果较好,输出光束前10阶泽尼克像差、波前畸变的峰值(PV)和均方根(RMS)值均得到明显减小。

为了提高光斑的质心探测精度，要对采集的光斑图在质心位置确定之前进行抑噪预处理，采用5种常用的图像处理方法对光斑图进行抑噪处理。仿真和实验结果表明，两种非线性滤波算法效果最好，极大地提高了质心探测精度，为波前相位探测中的数据处理提供了有益的参考。

采用哈特曼-夏克(Hartmann-Shack)波前传感器分析了腔内扰动对无源正支共焦腔调腔光模式的影响,用模式法进行了波前复原计算。引入等量扰动,腔内凹镜对于腔模的影响大于凸镜；且对于大菲涅耳数非稳腔,腔内倾斜扰动量与输出光束中查涅克(Zernike)倾斜像差系数具有较好线性关系。建立了基于哈特曼-夏克波前传感器进行腔外探测,控制腔内凹镜的低阶像差校正系统,比较了在不同腔内扰动状态下对倾斜像差的控制结果。实验表明,对于腔内扰动频率较低或者准静态的情况,控制系统对腔内倾斜像差的校正具有较好的效果。