中频波前均方根(PSD1)是用来评价光学元件中频段波前质量的关键参数, 在对其进行数值计算之前, 需要对波前数据进行频率域滤波。滤波后的数据易导致待测区域内、外的数据截断, 引入较大的边缘高频误差与吉布斯噪声, 从而严重影响了计算准确度。为了减小数据截断带来的影响, 通过对边缘截断的数据做趋优填充, 减少截断区域内外的空间频率突变。通过对现有的空域预处理方法进行对比, 提出了一种四向扩展平均算法。经试验验证, 所提出的方法可以较好地还原光学元件的中频段面形, 显著提高PSD1测量准确度, 试验表明所提出的方法较标准值的误差平均值小于5%。

基于Zernike多项式波前拟合法, 提出计算离焦位置任意波长透射波前Zernike系数的算法, 在聚焦位置Zernike系数基础上补偿离焦距离内Zernike系数变化量.以典型的消色差望远物镜为例, 根据设计波长及权重优化其工作位置, 计算不同波长的聚焦位置与工作位置的离焦量, 使用该算法验证消色差系统工作位置任意波长Zernike系数.与在工作位置直接使用Conrady-Zernike公式对比表明, 该算法对于与位置有关的Zernike系数计算效果明显, Z1的绝对误差由6.78降低到了1.41, Z4的绝对误差由6.83降低到了1.45.

波前像差可以很好地反映光学系统的性能,波前检测结果通常用一组Zernike多项式线性组合表示。透射式光学系统波前需要在特定波长下检测,由于检测仪器的限制,目前只有少数波长的波前可以得到准确检测。提出一种新的思路,通过分析透射波前Zernike系数与波长的函数关系,间接反映波前随波长的变化规律,从而实现任意波长波前的检测。利用Zemax对光学系统建模,采集光学系统在不同波长时的波前Zernike系数,通过Matlab曲线拟合工具寻找Zernike系数与波长曲线可能存在的函数形式,并最终确定了Conrady-Zernike公式。模拟的光学系统使用这种解析式计算所得Zernike系数的最大误差在1%以内。结果表明透射式光学系统的波前Zernike系数与波长之间基本符合Conrady-Zernike公式的关系。

以斜率检测的面形重构算法为基础，结合导轨指向误差的实验标定结果，分析了导轨指向误差来源对实际检测结果的影响，并对理论分析进行了数值仿真与补偿。结果表明，基于扫描哈特曼原理的波前检测技术对高频误差不敏感；通过拟合低频误差可提高波前检测精度。该研究结果对波前检测技术的工程应用具有重要指导意义。

针对成像光学系统的波像差检测, 提出波像差梯度偏离值评价方法, 用于表征波前的成像性能.定义波像差梯度偏离值为波前成像点与成像能量中心的偏离值, 相对波像差梯度偏离值为波像差梯度偏离值与艾里斑大小的比值.相对波像差梯度偏离值与波前口径、形状、焦距均无关, 其与波像差梯度偏离值均可以用成像尺寸、成像集中度以及成像能量分布等方式进行评价.大量的波像差实际检测结果表明, 成像集中度和成像能量分布在不同的检测分辨率条件下的稳定性较好, 分辨率每相差一倍产生的差异通常小于10%.中频误差含量不同的两个球面和非球面波像差的实例比较结果表明波像差梯度偏离值可以很好地评价波像差的空间频率分布特征.根据出瞳位置的波像差梯度偏离值分布和像面位置的波像差梯度分布情况, 可以方便地指导光学加工和系统装调.该方法可以用于制定波像差指标, 进行波前质量控制.

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。

提出了一种可用于小口径光束波面检测的横向剪切干涉仪。该干涉仪由偏振分光棱镜、光轴与其表面平行的晶体平板、1/4波片、反射镜及CCD构成。被测光束由偏振分光棱镜进行透射起偏和反射检偏，利用反射镜的反射两次经过晶体平板、1/4波片来实现剪切光束的等光程干涉。通过晶体平板剪切复制波面以获得小的剪切量，可用于小口径光束波面的检测。晶体平板的旋转可以改变剪切量，实现了不同口径不同波前的光束波面检测。对该干涉仪进行了仿真分析，得到了不同入射角情况下的剪切干涉图，仿真结果与理论分析结果相一致。实验中，旋转晶体平板得到的剪切干涉图与仿真结果相一致，很好地验证了该剪切干涉仪的有效性。

对大口径连续相位板(CPP)在子孔径拼接检测过程中存在的几种影响检测精度的主要因素,包括定位误差、系统误差和拼接模式等进行了归纳并分析了其对检测精度的影响权重。通过对子孔径重叠区域分布的均匀性计算，分析了检测误差对拼接质量的影响。结果表明，定位误差是影响CPP拼接精度的主要原因，而对系统误差进行有效处理可以进一步减小重叠区非均匀性，拼接模式的选择对CPP的拼接结果的影响有限。通过CPP深度特性对重叠区域均匀性的统计分析表明，在像素级别的检测中，重叠区域均方根残差随着CPP深度的增加而线性增加，即拼接精度随CPP深度的增加而降低。

提出了一种大口径干涉仪标准镜绝对面形精度的传递方法，在已知一台干涉仪参考镜绝对面形的前提下，可向待测标准镜进行精度传递。由于检测温度与使用温度的不同，待测标准镜在另一台干涉仪作参考镜时，绝对面形会发生变化，变化集中在离焦量上; 在待测标准镜使用状态下，通过对经典三板互检法得到的竖直方向直线绝对面形的分析，得到标准镜使用状态离焦量的估计，以此修正直接精度传递结果，最终得到待测标准镜使用状态下的绝对面形。比较同一块光学元件在两台干涉仪上标定前和标定后的测量结果，标定后的面形差值更小且分布一致性更好，证明了本方法的有效性和可行性。

在高功率激光系统中，大口径元件的中频波前影响系统的安全运行，中频波前均方根(PSD1)是用来评价中频波前质量的关键参数。由于大口径干涉仪在系统传递函数(STF)上不能完全满足中频波前的检测要求，提出采用小口径高分辨率干涉仪检测的统计分析方法，建立了统计理论模型，分析了测量不确定度。建立了子区域PSD1检测装置，提出了子区域倾斜补偿法，提高了检测精度。理论及实验结果表明针对400 mm×400 mm分析区域，子区域数量设置为4×4，置信水平为95.4%时，测量不确定度为±0.266 nm。该方法与大口径干涉仪检测法的对比实验表明，400 mm×400 mm分析区域内检测结果偏差小于5%。子区域统计分析法是对大口径干涉仪检测法的有益补充，对先进光学制造工艺的优化具有重要的参考价值。