提出了一种利用空间光调制器实现基于相位多样性的散斑成像方法,通过调制空间光调制器(SLM)改变成像系统的孔径函数,记录每次改变时相应的散斑图和孔径函数的变化,然后对记录的多帧结果采用最大似然估计法和拟牛顿算法重建隐藏目标图像。数值模拟结果表明,采用空间光调制器改变非相关成像系统孔径函数的方法,相比以往改变相机位置的方法,能够改善相机位置移动所带来的成像质量下降问题。

电荷耦合器件(CCD)的测量精度是影响波前复原精度的主要因素。受相机制造工艺的限制以及环境的影响,不可避免地会采集到噪声数据,从而影响低信噪比、高空间频率图像信息的采集。为了降低噪声对波前复原的影响,提出了一种基于图像补偿的改进相位差波前传感器。先在CCD相机的正常曝光时间和饱和曝光时间下分别采集两幅图像;然后融合成一幅包含准确高空间频率和低空间频率光强信息的图像。在相同信噪比下,对改进的相位差波前传感器和传统的相位差波前传感器进行了仿真。结果表明,改进的相位差波前传感器的波前反演精度有显著提高。最后通过实验进一步验证了该方法的有效性。

光学望远镜系统内部温度分布不均匀,镜面热变形等因素导致的离焦、球差等低阶大像差会严重降低光学系统的探测能力。给出了相位差法结合离焦光栅进行波前探测的原理,提出了权重线性递减的粒子群优化结合禁忌搜索的混合粒子群算法,并通过仿真验证了该算法的优化性能。采用相位差法结合离焦光栅采集两幅图像,然后通过混合粒子群算法求解目标函数,就可以重构波前,估计出波前像差。仿真结果表明,该算法可以实现对波前像差RMS值在0.859λ以下的目标函数的优化求解,优化后的波前残差达到10 -3量级,并且迭代3次左右即可以完全收敛,满足低阶大像差的校正精度要求。

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.

为进一步提高自适应光学系统的成像质量，本文针对目前广泛使用的盲解卷积，相位差法和斑点重建技术开展了深入研究；详细分析了以上三种技术的各自特点、应用场景和处理对象，并结合自适应光学系统的特点，有针对性的加以算法改进；实验采用自适应光学人眼视网膜细胞图像和自适应光学太阳黑子图像进行算法验证，结果表明经改进后的图像处理技术可以有效提高自适应光学图像的质量和分辨力，较好的满足了自适应光学系统对图像事后处理的需求。

为了定量研究相位差波前探测技术(phase diversity technique, PD)对波前探测和图像重建的精度, 本文分别进行了数值模拟以及相关实验。数值模拟中采用了均方根(root-mean-square, RMS)分别为0.1λ~0.5λ的五组随机畸变波前, 获得其退化的焦面图像和相应的离焦图像信息, 利用PD技术对其进行波前探测和图像重建, 波前探测的残余误差RMS值均达到了10－5λ水平, 重建图像在分辨率和对比度上有明显提升。搭建了基于液晶空间光调制器的实验系统, 利用液晶空间光调制器来定量施加随机的波前像差, 可以有效解决湍流屏数据难以量化的问题。同样将PD技术应用于本实验所采集到的退化焦面图像和相应离焦图像, 对于RMS值为0.306λ的随机波前像差, 探测波前的残余误差为0091λ, 图像重建结果与模拟结果高度一致, 本文列举并分析了可能造成实验误差的多种因素, 同时为该技术应用于液晶系统积累了技术基础。