针对在波前测试时，参考镜面自身面形误差、光能利用率不足、环境振动和空气扰动等对干涉测量结果的影响，提出一种基于偏振光栅（PG）分光的同步移相剪切干涉测量方法，通过将横向剪切干涉与同步相移技术相结合实现待测波面的准共光路相移测量。该方法采用1/4波片、PG和平面反射镜的组合作为横向剪切结构，可获得两束剪切的正交线偏振光，线偏振光经二维相位光栅、透镜、小孔光阑和相位延迟阵列构成的同步移相结构后，在CCD上可同时采集到4幅移相剪切干涉图。对x和y方向的剪切干涉图采用基于相位相关的图像配准算法、四步移相算法以及基于离散余弦变换法（DCT）的相位解包裹算法进行处理，得到差分相位分布，再用基于差分Zernike多项式的最小二乘波前重构算法对其进行重构，得到待测波面。通过搭建实验装置对一块透镜和凹面反射镜进行测量，结果表明，该方法的测量结果具有准确性和稳定性，该方法能够很好地应用于波前动态测量，对透射波前和光学元件的面形检测具有重要意义。

本文针对共轭平移差分方法中的关键参数进行研究，提出了一种基于逆向优化策略的平移量最优解确定方法。首先对差分逼近精度及信噪比进行研究，建立噪声条件下的平移量与面形重建误差模型；然后将被测面面形估计值和随机噪声引起的面形偏差作为变量，利用差分Zernike算法求解面形重建容许误差下的最佳平移量区间；最后采用商用干涉仪对标准镜进行不同平移量下的面形绝对检测对比实验。实验结果表明：平移量的取值会直接影响面形测量精度，在最佳平移区间内进行面形绝对检测所得结果与传统三面互检方法所得结果基本吻合，证明了所提方法可以有效提高平面光学元件的面形测量精度。

提出了一种基于哈特曼原理子口径斜率扫描再重构波面的检测方式, 研究了一种解决大口径光学系统不同俯仰角下的像质评价的方法。该方法无需同等口径标准镜, 通过扫描方式获取波面信息。采用光学软件与数学分析软件通过DDE接口连接进行计算机联合仿真的方式进行探究, 仿真光学系统采用主镜Φ720 mm, 次镜Φ100 mm的卡塞-格林系统来验证该方法的可行性, 利用随机误差注入及多次扫描平均的方法进行了该检测方式中重构波面精度的研究; 系统探究了光斑中心提取误差、子口径定位误差、子口径倾斜误差对于该检测方法重构波面精度的影响。给出了该方法仿真结果与光学软件仿真结果的对比, 并获取了误差注入时各误差与重构波面精度的物理模型。

红外光学系统在**、航空航天、民用等领域应用越来越广, 系统面临的外界环境复杂多变。只用光学分析软件来评估系统性能的传统方法不仅无法综合考虑不同材料间耦合影响, 也不能较为准确地描述热物理梯度场, 因此对结果的精确性分析略显不足, 而光机热集成分析是综合多物理场作用的有效方法, 涵盖了光学、机械、热学三个方向对系统性能的影响因素。通过研究Zernike多项式拟合算法, 编制了学科间的数据转换程序, 实现了分析模块间的数据传输, 并在热不敏红外系统的设计过程中采用光机热集成分析方法得到高低温工况下的光学系统传递函数, 为指导系统设计改进、提高系统性能提供了有力的理论依据。

为了实现波面检定仪无线调节单元的限位功能, 采用限位控制系统来限制电机的位置行程, 并通过 CC2530控制板获取触发限位开关的电压信息以及精密直流电机的限位状态电压信息。实验结果表明, 波面检定仪无线调节单元的限位系统可实现对调节单元的限位控制, 并获取相应的限位信息, 还能使波面检定仪无线调节单元的调节更加准确和有效, 从而可实现对样品面形的精确测量。

针对正弦移相干涉(SinPSI)中位相调制无法精确控制的问题, 提出了一种从时域频谱提取波面信息的任意正弦调制SinPSI方法(ASM-SinPSI)。首先,根据SinPSI信号频谱的第一、三个谱峰强度关系确定调制幅度, 并采用空间随机点的方法避免了分母零值的问题, 然后从SinPSI信号的前三个谱峰中获得波面位相的正切数值与符号信息, 最后以反正切计算波面位相。数值仿真表明: 在未知调制信息情况下, ASM-SinPSI的波面位相提取误差为0.016 rad。在调制幅度为1.6、2、2.5、3 rad时的测量实验中, ASM-SinPSI均可精确提取波面位相, 与真实波面偏差的最大值为0.058 7 rad。在1.5~3.5 rad区间内的任意调制幅度下, ASM-SinPSI无需精确预知调制信息即可高精度提取波面位相, 放宽了对移相器的严苛要求。

针对较厚的组织,普遍采用的自适应光学技术由于其单次校正视场范围有限,空间光调制器或可变形镜的刷新率有限,难以满足大视场范围波前畸变的快速校正,进而难以满足大视场高速成像的需求。结合共轭型自适应光学系统和相干光自适应校正技术,提出了一种并行的波前畸变校正算法,该算法可以在不增加空间光调制器等刷新次数的前提下,通过并行测量多个导引星的波前畸变,实现大视场范围内像差的一次性校正,为生物组织深处的高速、高分辨成像提供一种可行的参考方案。仿真结果表明:在采用9个导引星时,针对5层随机相位屏构成的薄散射介质,该算法单次校正的有效视场约为传统算法的4.7倍;对于120 μm厚的小鼠大脑组织切片样本,单次校正的有效视场约为传统算法的4.6倍。所提算法可以通过增加导引星的数量来进一步增大一次校正的视场范围,并且不会显著增加校正时间,在活体生物样本的大视场成像中具有广阔的应用前景。

提出了基于稀疏子孔径正交多项式的拼接算法.该算法采用Mathematica9.0对圆域Zernike多项式进行Gram-Schimdt正交化, 构造出稀疏子孔径区域内的标准正交多项式——Z-sparse多项式, 并采用该正交多项式进行稀疏子孔径区域波前数据的拟合.实验表明：根据算法重构与直接检测的全孔径波前残差PV=0.071 9λ, RMS=0.007 4λ.该算法可对所提取的七个子孔径波前像差数据进行有效的拼接.

稀疏子孔径拼接检测是大口径、超大口径光学系统像质检测的主要方法之一，其拼接检测的精度与子孔径排列方式、数目以及大小密切相关。本文通过建立数学模型，推导出子孔径个数k 在1 到无穷区间取值，子孔径个数k 与填充因子M的关系曲线，从而得出在1.5 m 以下系统检测的最优的七个稀疏子孔径排列布局图，并通过Φ200 mm 自准干涉检验，验证了这种排列布局的合理性。