提出一种基于相位差异法的衍射光学系统波前反演误差分析方法。从衍射光学系统波前反演模型出发,分析了产生波前反演误差的物理因素;对各影响因素进行了理论建模,建立了衍射光学系统波前反演误差分析方法。以某衍射光学系统为应用实例,分析了各因素对波前反演误差的影响规律,并验证了误差分析模型与方法。实验结果表明,模型分析结果与实际误差之间的平均偏差小于13.5%,可为衍射光学系统的空间应用提供支撑。

简易光学系统因系统结构简单而存在严重像差, 导致所成图像出现模糊、失真等问题.对简易光学系统的成像特性进行分析, 在已知光学系统焦距和光瞳孔径的条件下, 建立含有像差的点扩散函数模型和图像复原模型, 根据焦面和离焦面图像以及精确的离焦量, 无需点扩散函数的先验信息, 采用相位差异法对简易光学系统所成图像进行重构.实验结果表明：单透镜、双透镜和三透镜系统复原图像质量评价指标提升率分别达到24.96%、24.80%和42.04%, 重构后图像质量均有明显提升.

阐述了基于相位差异（PD）的波前传感技术的基本原理；仿真分析了PD技术的噪声适应性及探测器离焦误差对精度的影响；利用PD技术的波前传感结果分别辅助装调了离轴、同轴三反光学系统，并分别将多视场的波前图与干涉检验的结果进行对比。实验结果表明，利用PD技术可实现三反光学系统的波前传感及辅助装调。与干涉检验的结果相比，波前传感结果的RMS偏差均优于0.02λ，检测精度满足工程需求。

针对附加像差为离焦模式的相位差异波前探测技术在实际工程应用中遇到的各类误差问题，以探测拼接型望远镜的共相误差为例，通过数值仿真对焦面位置误差、离焦量误差、图像对准误差、曝光延时误差及噪声误差对波前探测精度的影响进行了定量分析。并提出了通过改进相位差异算法进行消除相应误差项的方法，使得波前探测的均方根误差分别由校正前的0.06λ、0.0581λ、0.0754λ、0.0796λ、0.0737λ 分别下降为5.8834 × 10^-4 λ、6.664 × 10^-4 λ、3.5853 × 10^-5 λ、6.1837 × 10^-5 λ、0.0013λ, 且对于各误差项在较大误差范围内，仍可以保持上述相同量级的波前探测精度。结果表明:该方法可以有效地消除误差,大幅度提高波前传感精度，对于相位差异波前探测技术在实际工程中的应用具参考意义。

采用相位差异法应用于稀疏孔径系统的波前相位传感，对图像噪声引起的波前相位估计的准确性下降以及迭代时间较长等进行研究。采用二阶巴特沃斯低通滤波器对退化图像进行降噪处理，同时对滤波后的图像频谱和光学传递函数应用切趾法截取高信噪比的低频区域和与之相应的光学传递函数作为约束条件，推导了滤波切趾处理后的相位差异法目标函数的表达式。仿真结果表明，所提出的方法在不同强度噪声情况下，都能有效地降低噪声影响提高相位估计精度，同时缩减算法迭代时间。

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。

阐述了基于相位差异(PD)的波前传感技术的基本原理，并将该技术的应用领域由单色光或准单色光拓展为宽光谱照明。在大量计算机模拟仿真的基础上，设计了宽光谱PD 技术的验证实验。用积分球照明作为光源，在实验室搭建了某相机调制传递函数测试实验平台，利用宽光谱PD 技术进行波前解算和最佳焦面位置的确定，并对所采集的图像进行复原处理。此外，针对某相机的外场成像实验所采集的图像，利用宽光谱PD 技术进行解算，得到了相机成像时的波前像差。实验结果表明：利用宽光谱PD 技术解算得到的波前与干涉检验结果的均方根(RMS)偏差小于0.03λ，解算得到的焦面位置与测试得到的理想焦面位置偏差小于0.03 mm，检测精度满足工程实际需求。

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。

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。

阐述了基于相位差异(PD)的波前传感技术的基本原理，针对该技术的目标函数变量多、非线性程度高等特点，提出了基于遗传算法的相位差异技术。开展了利用相位差异技术实现离轴三反光学系统在不同装调阶段的波前检测，结合干涉检验方法设计了针对扩展目标的相位差异高分辨率成像和相位估计对比实验。通过定量移动高精密平台获得焦面和离焦图像，并将解算的波前图与干涉仪的检测结果进行定量比对，验证了相位差异技术提高成像质量和正确解算波前相位信息的能力。实验结果表明，对于粗装调的光学系统，估算的波前和干涉检验结果偏差的均方根(RMS)值仅为0.0329λ；对于装调完成后的系统，相位差异技术的检测偏差RMS值小于0.013λ。