将叠层扫描成像技术(ePIE)用于成像透镜透射波前的高精度测量。将透镜的透射光束照射至一个固定于二维扫描台的衍射物上,并在其后的探测器上形成衍射光斑,扫描台横向扫描并记录衍射物在每个位置所形成的衍射光斑,采用ePIE精确重建衍射物体的光场复振幅,并据此反演出透镜后表面的透射光波前;移去透镜后重复上述步骤,可以重建入射到透镜上的光束波前;将透射波前减去入射波前即可得到透镜的透射波前。该方法具有准确性高、结构简单、成本低廉等优点。

介绍了四棱锥传感技术的基本原理和数学模型.当以调制模式工作时,可计算复原矩阵或梯度矩阵.分析了调制半径在不同像差条件下对复原速度和精度的影响,对无调制模式采用复原矩阵进行了仿真,并与调制模式进行了对比.实验结果表明:无调制状态下,经过校正,残差RMS可减至0.05,调制状态下,梯度矩阵重构效果较好,残差RMS可减至0.02;对大像差的输入信号,调制模式的精度和速度都优于无调制模式.结果表明,四棱锥波前传感技术具有高速度、高精度和灵活的工作模式,是一种先进的波前传感技术.

为了研究彩色数字全息检测应用中波面重建方法对重建场质量与计算速度的影响,及不同波长记录的重建场的准确融合,采用理论分析及实验验证的方法,给出了不同色光物光重建场准确重叠的方法及彩色数字全息波面实时再现的详细过程,并分析比较了几种波面重建算法的特点及计算速率。结果表明,使用球面波为重建光的可变放大率波面重建算法能适应各种大小的物体,且可获得较高分辨率的像,并占用较少的计算时间,能较好适用于彩色数字全息检测应用。

由于相位补偿不稳定性的存在，大气热晕效应的相位校正一直是研究人员十分关心的问题。对变形镜驱动器影响函数耦合矩阵进行正交化获得了按照空间频率划分的变形镜本征模式，建立了采用变形镜本征模式进行波前重构的数值模型，对基于该波前重构方法的自适应光学系统校正大气热晕进行了数值模拟。数值模拟结果表明，与直接斜率法相比，变形镜本征模式法可以通过本征模式的选择，改变校正相位的空间频率成分，消除空间高频成分对热晕校正的影响，从而抑制相位补偿不稳定性的发生，提高自适应光学系统闭环控制的稳定性和对大气热晕的校正效果。

提出一种对孔径网格逐点扫描重构波前的方法。该方法基于Hudgin模型，在孔径阵列的对角线上选取P个已知参考点。每个参考点都按行扫描计算得到一个波面，按列扫描又得到一个波面，这样P个参考点得到2P个波面，对这2P个波面求平均即为重构波面。对如何选择参考点进行了介绍，并说明选择高低坐标对称搭配的参考点为佳。建立了波面相位误差估算模型，并从理论上推出波面重构误差随参考点的增加而改善。对新方法进行了实验证验，与传统的矩阵求逆方法进行比较，结果表明，两种方法效果相当，但新方法计算量更小，具有较强的实用性。

在离轴数字全息的应用研究中，将数字全息图视为单位振幅平面波照射下的光波场，利用1次快速傅里叶变换(FFT)计算菲涅耳衍射积分是最流行的物光波前重建方法(简称1-FFT法)。然而，用球面波为重建波，利用像平面滤波技术及角谱衍射理论，存在需要4次FFT的另一种波前重建方法(简称FIMG4FFT法)。基于快速傅里叶变换理论对这两种方法进行研究。结果表明，尽管FIMG4FFT重建方法需要进行4次FFT计算，却能用较少的计算资源高效率地重建同等质量的物光场。为便于实际应用，详细给出FIMG4FFT方法在彩色数字全息图像重建及物体微形变检测中的应用实例。

通过对相移数字全息技术的理论分析，提出了一种适用于动态三维物体成像的全新的同步多路相移全息方法。此方法通过在自由空间连续产生90°相位延迟的参考光束，与激光衍射透过物体后的光场进行干涉，利用四台相机构成的平衡探测器系统同时拍摄多帧干涉图像，根据菲涅耳衍射和傅里叶光学原理动态实时重现物体三维信息。模拟仿真和实验结果表明，该方法实现了单次相移数字全息技术，同步多路的采集可以用于动态物体的实时测量，大量同步多帧图像的获取提升了图像的质量。

为实现快速高分辨的哈特曼波前测量, 研究了基于Fourier变换的波前重构方法。在软件设计和代码实施基础上进行了时间性能统计分析, 采用模拟数据和实际斜率数据进行波前重构, 并将重构结果与VMM方法获得的结果进行了比较, 分析其误差产生的原因及噪声的统计特性与误差空间分布的关系。仿真和实验结果表明, FTR方法具有从斜率数据准确重构出波前的能力; 相对VMM方法FTR拥有更优的时间性能; 基于相同的斜率FTR方法重构出波前与VMM方法的差别主要分布在孔径的边缘, 在附加在斜率测量上的噪声具有零平均的性质时, 最有可能获得一致的波前。

考虑自适应光学系统对波前处理计算量和实时性的要求, 对原有基于块运算的波前处理算法进行了改进和优化, 提出了一种自适应光学系统波前处理算法。该算法基于重复利用核心模块的方式完成波前斜率计算, 利用矩阵与向量相乘的可分解性完成波前复原计算。在像素时钟的同步下, 完成整个波前处理运算, 给出促动器所需的促动量。采用一片Virtex-4 LX80现场可编程门阵列(FPGA)作为核心处理芯片进行了实验, 结果表明该算法对于同样规模的自适应光学系统可降低约为50%的硬件资源, 提高了系统的波前处理规模; 与原算法帧同步结束后有338 μs的计算延时相比, 本文提出的算法可在帧同步结束前完成整个波前处理的运算, 提高了自适应光学系统的控制带宽。利用改进后的算法在原系统上进行了室内的光源校正实验, 取得了很好的效果。

建立哈特曼传感器的模型，证明在高空间分辨力下，可以采用Hudgin模型进行波面重构，避免了采用Fried模型带来的复杂性。对哈特曼子孔径缺失破坏连续性的问题进行了分析，介绍了相应的边缘处理算法。完成了基于离散傅里叶变换的波面重构算法数值模拟，实现了波面的无损重构。针对实际应用中输入波面在被遮挡处不连续的问题，提出了基于最小二乘解的拼接方案，实现了非连续波面拼接。分析了影响波面重构速度的主要因素，提出了提高波面重构性能的方法。