液晶空间光调制器(LCSLM)在非显示领域有着广泛的应用。利用夏克哈特曼波前探测器对LCSLM的相位调制特性进行测量,结果表明,低阶Zernike模式的线性相位调制范围相对较大,随着调制范围的增加,衍射效率下降明显。对LCSLM用于非球面面形测量的可能性进行初步探讨,为扩展非球面面形检测方法提供一种全新的思路。

为了提高基于普适模型的无波前探测自适应光学（AO）算法的收敛性能，建立了一套基于Zernike模式的127单元变形镜AO系统仿真模型。以峰值斯特列尔比（Sr）和提出的快速稳定收敛百分比为评价标准，研究不同湍流强度下扰动系数、Zernike模式数、斜率因子对校正效果和收敛速度的影响，验证了该仿真系统对静态畸变波前良好的校正能力。结果表明，扰动系数小于0.01时系统可以稳定收敛；增加Zernike模式数可以提高系统收敛时的Sr，但同时收敛速度会有所降低。提出的改进矢量化斜率因子，可以有效提升系统在一次迭代后的校正效果，特别是对大畸变波前具有较强的适应性。

采用自适应光学(AO)系统对湍流大气进行校正时，非等晕性误差的影响不可避免。基于空间谱滤波技术，围绕湍流大气角度、聚焦、角度与聚焦相耦合非等晕性问题，进行了统一建模，给出了不同情况下的理论描述公式，分析了纯角度和纯聚焦非等晕误差中不同泽尼克模式分量所占比份。针对典型AO系统工作模式，分析了不同高度大气层对非等晕性误差的贡献。实际应用时，根据应用场景，应对AO系统工作模式和信标模式做优化匹配选择。

根据Zernike模式在单位圆的同心孔径圆域内某些模式间具有一定耦合性的结论及对应Zernike模式像差在一定同心光瞳区域内的相互抵消特性, 对具有相同角频率不同阶数的Zernike模式建立组合模型, 同时根据同心光瞳区域内像差均方根值的降幅比参数给出了同心光瞳直径为4 mm时的Zernike模式线性共轭组合模型。最后通过共轭组合模型对光学质量影响的研究发现, 共轭模型组合之后能显著提高光学质量。同时也表明Zernike模式组合对光学质量的影响不具备叠加性, 而对共轭组合模型表现为补偿关系。

选择合适的滤波函数是瞳面相位差波前传感器成功实现的关键。以建立的瞳面相位差波前传感器模型为基础，采用模式法进行波前相位的恢复，考察不同类型、不同大小滤波函数对波前恢复效果的影响。结果表明，滤波函数种类的选择对传感器相位恢复效果的影响不大，在合适的大小范围内，都可以得到令人满意的恢复精度，如离焦作为滤波函数时，其峰谷(PV)值在(2π±π)rad范围内；球差作为滤波函数时，PV值在小于等于π rad范围内。同一种滤波函数，当其大小超过一定范围时，如离焦大于3π rad、球差大于π rad时，随着其大小的增加，相位恢复精度逐步降低。具体应用时，可根据实现的成本和制作难易程度在滤波函数大小合适的范围内确定滤波函数的种类。

根据瞳面相位差波前传感器的特点，提出把模式分解和随机并行梯度下降算法结合起来实现波前相位的恢复。以32单元变形镜的初始面形和Roddier提出的相位生成方法随机产生的一帧相屏为研究对象，分析所提出的相位恢复算法的性能。结果表明，两种情况下的畸变波前都得到了很好的恢复。当像差仅含有低阶成分时，使用模式分解法就可获得令人满意的效果。高阶成分较多时，各阶之间的耦合使得模式分解法的误差增大。采用模式分解法得到初始解，在初始解的基础上继续采用随机并行优化算法进行优化，可以得到精确解。对噪声情况下的相位恢复结果表明，该相位恢复算法具有较强的抗噪能力。

风载引起的主镜变形是大口径望远镜必须考虑的问题。针对类似于 Subaru望远镜的薄镜面能动光学系统，采用固定点力反馈控制方法对风载进行校正，本文引入了压强模式的概念，提取出风载产生的镜面变形的大部分信息，并据此对固定点力反馈控制方法进行了研究，得到如下结论: 风载产生的镜面变形主要是平移、倾斜、像散和离焦等低阶像差；相同系数的情况下，平移和倾斜压强模式可以产生更大的镜面变形，对固定支撑点产生更大的力；基于压强模式的固定点力反馈控制方法对风载有较好的校正效果。

控制算法的收敛速度一定程度上限制了无波前探测自适应光学技术在实时波前畸变校正中的应用。从理论分析角度提出将模式法和区域法结合起来以提高算法收敛速度,并以61单元变形镜为校正器,建立基于随机并行梯度下降算法自适应光学系统仿真模型。结果表明:达到同样的校正效果时,采用组合优化的算法收敛速度要明显优于基于区域法的收敛速度,从而验证了理论分析的合理性。

针对微加工薄膜变形镜的交连值很大而且存在多级交连的特性,通过对连续面形变形镜拟合像差原理的理论分析,根据最小二乘原则,以模式法建立了微加工薄膜变形镜的电压解耦模型。测量并用高斯函数拟合了微加工薄膜变形镜的面形影响函数,计算出高斯指数、特征宽度和交连值分布。依据模式法电压解耦模型,实现对前10阶Zernike多项式的拟合并分析了拟合残差。结果表明,模式法可以作为微加工薄膜变形镜的电压解耦模型。为搭建基于微加工薄膜变形镜的自适应光学系统提供了算法支持。