相位恢复法是一种利用多个离焦面光强分布采用基于傅里叶变换的迭代变换恢复瞳面相位分布的波前传感方法。采用改进的傅里叶迭代变换算法, 当波前传感范围超过1个波长时, 需要在迭代过程中采用相位解包裹算法。针对18块正六边形拼接的复杂光瞳, 提出采用路径无关和最小二乘相结合的混合相位解包裹算法, 提高了波前传感精度和动态范围。通过仿真比较了所提方法与单独采用一种相位解包裹方法时的波前传感性能, 分析了所提方法的动态范围及噪声对算法精度的影响。仿真结果表明, 当波前PV值为3.5λ时, 算法的精度为λ/43; 当噪声RMS值为10(图像为12Bit量化)时, 算法的精度优于λ/40。

利用傅里叶变换得到了Zernike多项式和环扇域内正交多项式的功率谱密度(PSD)分布，以及正交多项式每项所对应的峰值径向空间频率和半峰值径向空间频率范围。通过对比发现，正交多项式与相同阶的Zernike多项式PSD分布相似，但是却含有更高的空间频率成分。通过计算机仿真，发现正交多项式中每一项都基本上只代表特定的空间频率范围，根据相位度量的环扇形镜面面形空间频率分布，选择适当的正交多项式的项进行拟合，不仅能够节省运算时间，而且还可以保证拟合精度。

提出了一种防伪光栅结构-双层交叉叠合式共振亚波长光栅, 其特点是可以展宽共振亚波长光栅的共振波长宽度, 使得当将其应用于防伪时能得到更佳的光变效果。 分析了半峰全宽展宽的原理, 指出共振宽度值的大小依赖于耦合到光栅波导层内一级衍射光的能量。 优化设计了此种光栅的结构参量。 用矢量衍射理论对该结构的共振特性和制作工艺误差进行了研究。 研究表明： 这种防伪光栅的共振光谱峰值并不随着入射角的改变而降低, 共振半峰全宽最大值约为同等条件下基本共振光栅结构的7倍, 该结构的共振性能对光栅制作误差不是很敏感, 是一种应用价值较高的防伪光栅结构。

相位变更（Phase diversity,PD）波前传感是一种较新的波前传感方法，它使用相对简单的光学系统，运用最优化计算方法，借鉴图像处理中的一些技术手段，在得到波前信息的同时，还可以得到目标的清晰像。PD方法经过20多年的发展，在理论上和技术上日臻完善，已经在空间望远镜共相位调整，目标成像清晰化处理等多个领域得到了应用。但PD方法也存在计算量大，探测动态范围小等缺点，其在实际光学系统中的应用仍有待于进一步的研究和探讨。

相位变更(PD)方法是一种基于两个或多个不同离焦面图像来恢复光瞳畸变波前相位的光学波前传感技术。它使用相对简单的光学系统, 运用统计最优化计算方法, 借鉴图像处理中的一些技术手段, 在得到波前信息的同时, 还可以得到目标的清晰像。但当图像存在噪声时, 用于优化算法的误差函数会出现许多局部极值点, 这会影响算法的收敛速度, 甚至会导致算法陷入局部极值而得不到正确的估计解。为消除这些影响, 需对图像进行降噪处理。在实际光学系统中, 由于光瞳大小的限制, 实际得到图像的高频信息一般要远少于低频信息, 所以宜使用低通滤波器对图像进行滤波。仿真中通过比较各种滤波器性能, 针对含有加性高斯噪声的图像, 采用了对图像模糊影响较小的巴特沃思(Butterworth)低通滤波器。研究结果表明, 利用滤波器处理后的图像, 相位恢复结果的均方根误差(RMSE)比未使用滤波器有明显下降。

由美国喷气推进实验室提出的MGS (modified G-S) 算法,是一种基于迭代FFT变换的相位恢复波前传感方法。其中,多离焦面的使用保证算法迭代解具有唯一性,多种相位解包裹方法的引入使得算法既有很高的传感精度又有可观的传感动态范围。但当传感非连通域复杂光瞳时,由于受瞳内遮挡区域的伪包裹相位值影响,路径无关型解包裹算法失效,从而导致MGS算法迭代失败。为此首先对MGS算法做了进一步细节优化,在此基础上设计出一套普适于非连通域复杂光瞳的路径无关型解包裹算法流程,它能根据光瞳实际遮挡排布自适应设定最优解包裹步骤和路径。通过搭建实验光路,验证了该解包裹算法的可行性,并结合干涉测量对改进MGS算法在非连通域复杂光瞳中的波前传感精度做了初步标定。

在傍轴近似条件下, 可以利用光强传播方程(ITE)对畸变波前进行相位恢复。对于衍射受限的光学系统, 很难获得相位的边界径向斜率值作为边界条件, 此外, 要获得精确的圆域边界采样值也并非易事。为了克服上述困难, 进一步研究了相位恢复改进方法, 即改变了方程的表示形式、计算区域和边界条件, 并用多重网格法进行求解获得重构相位, 最后再将其修正。为了验证算法的精确性, 搭建了实验系统对算法进行实验验证, 将由CCD探测的光强分布进行计算得到的相位分布与相位恢复算法(PR算法)的结果进行比较, 证明在光强分布非均匀的情况下, 该方法恢复的相位均方根误差能够达到017 λ, 可以适用于波前传感精度要求不是很高的相位恢复。

提出了一种应用价值较高的防伪光栅结构-间隔叠合式双层亚波长光栅,可以展宽基本光栅的光谱峰值带宽、改善光谱线形和光变效果。分析了亚波长光栅光谱峰值带宽展宽和线形改善的原理,用矢量衍射理论验证了理论分析的合理性,并对特定防伪光变设计要求的双层光栅进行了参量优化和光变特性分析。结果表明,满足同相位条件的光谱线形与基本光栅相同,带宽为基本光栅的两倍;满足反相位条件的光谱线形为准矩形,带宽大于基本光栅;亚波长光栅在传统和非传统照明条件下倾斜均能产生彩色光变效果,且传统照明情况下的光变速率较大,利用这种光变速率差可以制作各向异性光变效果。

对相关哈特曼－夏克波前传感器的波前重构方法进行了研究，提出了一种基于相邻子图像间相对平移量的波前重构新方法。与常用的基于单一参考子图像的波前重构方法相比，新方法的动态范围有了很大提高。在8×8去4角的子孔径划分下，测量离焦波面时，新方法的动态范围可提高约16倍，子孔径数目越多，动态范围提高的倍数也越高。精度分析表明，两种波前重构方法在8×8去4角的子孔径划分下精度相近，在子孔径数目更多时，相邻子图像处理法的波前重构精度低于单一参考子图像法。

用耦合波理论分析了亚微米光栅对光波场的衍射作用，给出了在TE和TM偏振入射条件下矩阵形式的耦合波方程，研究了光栅在TE偏振入射条件下可见光波段内的反射和透射零级衍射特性。亚微米光栅零级衍射效率是波长、偏振和入射角的函数，在不同照明、观察和光栅参数条件下，光栅零级衍射具有非常复杂的光谱结构，经过适当的优化光栅参数，零级衍射具有许多独特的衍射特性，在许多应用领域具有广泛的应用前景。