为了解决现有电脑验光仪和视力筛查仪体积庞大、价格昂贵的问题，设计并搭建了一套基于哈特曼波前检测原理的小型无透镜屈光测量系统。首先，对测量原理进行了详细介绍；接着，利用Zemax软件对图像采集光路进行模拟，并分析了实际测量屈光度与仪器-人眼距离的函数关系；最后，成功搭建了试验样机，并通过对中国计量科学研究院模拟眼进行屈光测量来验证函数关系的正确性及测量结果的准确性。实验结果表明该系统能有效地对-10~+10 D范围内的模拟眼进行屈光测量，测量结果显示：球镜度重复测量误差最高不超过0.20 D，变异系数不超过3%；柱镜度重复测量误差最高不超过0.25 D，变异系数不超过9%。此外，该系统结构简单且成本低廉。在满足测量结果准确性、稳定性要求的前提下，该系统更适用于需要仪器小型化的场合，具有广阔的应用前景。

从斜率复原波前是夏克-哈特曼波前传感器这一类斜率采样探测器的核心流程。传统的复原算法中，区域法对局部波前的复原效果好，但易受斜率噪声的影响，同时空间分辨率较低；模式法抗噪能力强，但没有精确复原局部波前的能力。本文提出了基于B样条函数的快速复原算法，将波前展开为B样条曲面的线性组合，并将复原问题从斜率最小二乘问题转化为泊松方程，利用斜率的Taylor展开式估计散度，再通过超松驰迭代法进行快速求解。该方法将B样条函数的理论散度积分和实际散度估计分离，可以方便地扩展到不同阶次和不同节点数量的B样条基复原算法中。另外，通过改变散度估计的计算区域，可以灵活控制并平衡算法的局部复原能力和抗噪能力。对变形镜驱动器响应函数的测量实验表明，该方法具有较好的局部复原能力、抗噪能力和任意精度的空间分辨率。

夏克-哈特曼波前传感器是自适应光学系统的重要组成部分,其检测精度直接影响着整个系统的性能。数值模拟技术具有成本低、易于实现等优点,因此,采用数值模拟技术建立了夏克-哈特曼波前传感器的仿真平台,并对其进行了测试。测试结果表明,该仿真平台能很好地表征湍流相位的统计特征,并根据自适应光学系统的工作环境优选光斑定位算法及参数,同时处理特殊情况(如子孔径缺光),以保证波前复原的准确性。此外,该仿真平台可以分析不同畸变波前和噪声水平下的光斑定位误差和波前复原误差,为进一步研究和优化自适应光学系统参数以及提高整个系统的检测精度和性能提供了一个非常有用的工具。

夏克-哈特曼波前传感器(SHWS)通常要求每个子透镜的对应光斑必须在其相应的子孔径范围内,以方便确认光斑与子孔径间的对应关系。提出了一种基于软件的识别方法即迭代外推法,可以在光斑跑出其对应子孔径范围时,仍能确认每一个光斑对应的子孔径,使SHWS具有更大的动态范围。该方法首先找到一个可排序的3×3光斑阵列,并建立关于光斑质心坐标与其行列序号间关系的多项式函数,以预估和搜索相邻光斑;然后利用已搜索光斑区边缘处的3×3光斑阵列,继续向外搜索,直到找到所有光斑,完成所有光斑的行列排序;最后通过调整光斑行列序号的整体偏移,确认光斑与子孔径间的对应关系。仿真研究了该迭代外推法的性能,并通过实验进一步验证了该方法的实用性。

对比研究缺光子孔径斜率置零复原法和缺光子孔径去除复原法的波前复原误差。首先研究了单子孔径缺光的情况,分析表明:缺光子孔径斜率置零法的波前复原误差呈现随子孔径中心相对全口径中心的半径的增大而增大的规律,即孔径中心部分的缺光子孔径的复原误差小,孔径边沿缺光子孔径的复原误差大;而缺光子孔径去除法的波前复原误差在孔径上分布比较均匀并且较小。缺光的子孔径数目增加后,波前复原误差也随之增加。对比研究了多子孔径缺光的情况,结果表明缺光子孔径去除复原法虽然计算量大,但波前复原误差要小得多。

扩展目标夏克-哈特曼波前传感器子图像之间偏移量的计算是影响波前传感精度的关键,通常采用相关算法来实现,并通过抛物线插值等方法来达到亚像元精度。子图像相对偏移量的计算也可以采用计算相关函数质心的方法来实现,其主要步骤是先计算子图像间的相关函数,在此基础上计算相关函数的质心,达到亚像元精度。通过仿真研究表明这种算法的精度与进行相关运算时的图像大小、计算质心时的相关函数窗口大小以及相关函数阈值的设定有关;同时,图像的信噪比也会影响算法的精度。研究表明,图像的信噪比小于1时,质心算法的计算误差相对较大;当图像的信噪比高于2时,相关函数质心算法的误差大约是抛物线插值法误差的一半。实验结果与仿真结果也基本吻合。

提出了一种提高夏克-哈特曼波前传感器光斑质心的定位精度算法, 分析了光斑质心的探测误差, 采用与光斑尺寸匹配的探测窗口及插值法提高了图像的分辨率, 并使用二阶矩算法计算了质心位置。采用该算法对含有噪声的光斑图进行图像处理与计算, 并给出了待测件的波前重构示意图。结果表明, 相对于传统算法, 该算法将质心的探测精度提高了约0.8倍。