由于大气湍流造成了空气折射率的随机变化,光波在大气中传播时波前发生了畸变,导致目标在成像设备上的图像产生模糊,降低了目标的成像质量。自适应光学技术是克服和补偿大气湍流影响的最有效措施,而波前传感器是自适应光学系统的核心部分之一。目前应用较为广泛的波前传感器主要有夏克-哈特曼传感器、四棱锥传感器、曲率传感器等几种。作为一种新的波前传感技术,光场相机具有光学结构简单、光能利用率高、探测精度高等优点,使其受到了越来越多国内外学者的关注。特别是,光场相机独特的光学结构使其能够避免子图像的重叠交叉,因而在扩展目标探测的应用场合具有很大的优势。本文主要研究光场相机在波前探测中所涉及的关键理论和技术问题,其主要工作包括以下内容:一、对光场相机的波前探测技术进行了深入的理论研究。从光学结构出发,分析了光场相机捕获光场的特性,给出了各参数的匹配条件。在此基础上,利用传输矩阵推导得到了光场相机的斜率测量公式,利用傅里叶光学理论分析了微透镜的斜率滤波特性。同时,讨论了光场相机在波前探测中的各项误差源,分析了各种因素对测量精度的影响,推导得到了各项误差的近似计算公式,为光场相机的深入研究打下了坚实的理论基础。二、建立了光场相机的波前测量系统,深入研究了光场相机对点目标和扩展目标的波前探测性能。通过线性度和测量精度等多个评价指标来分析光场相机的波前探测性能。研究发现,光场相机探测点目标的线性度不佳且与微透镜尺寸有关,而探测扩展目标的线性度较好。针对点目标的探测,提出了调制和离焦两种改善线性度的方法,其中调制法效果更佳,而离焦法的优势在于结构简单、不需要额外增加光学器件。针对扩展目标的探测,分析了参考图像选择尺寸、探测目标类型和尺寸、装配误差等对光场相机测量精度的影响;研究了光场相机子孔径的数字调整能力,它通过对CCD像元进行不同的组合来获得不同的子孔径布局;鉴于子图像位移估计中图像相关法的运算量较大,以相关谱相位法作为替代算法进行了研究,结果表明相关谱相位法的算法精度与图像相关法基本相同,但算法运算量减少到了质心算法的量级。在测量精度方面,将光场相机与经典的夏克-哈特曼传感器进行了对比研究,结果表明两者的精度基本相同(其中点目标探测时光场相机进行了调制),但光场相机可以直接探测扩展目标,光学结构简单且无需其它辅助的光学器件。三、建立了基于光场相机的自适应光学仿真系统,研究了系统的闭环控制和光场相机的闭环探测性能。将自适应光学系统分成了诸多功能模块,建立了各模块的仿真模型,并在此基础上构建了61单元的自适应光学仿真系统。在闭环控制方面,研究了自适应光学系统的控制算法,分析了纯积分控制器增益系数的选取;讨论了变形镜的模式,研究了模式筛选的原理和方法。在光场相机的闭环探测性能方面,通过系统进行了大量点目标和扩展目标的闭环成像模拟,结果表明:采用光场相机作为波前传感器时自适应光学系统能够获得较好的闭环校正效果;相对于点目标,光场相机在扩展目标探测中能够取得更好的波前探测效果。