光学成像系统是人民生产生活中信息获取手段中最重要的手段之一。在遥感、图像处理等多个领域内蓬勃发展。光学系统是光学成像仪器的核心部分,其性能优劣直接决定成像质量。其中像差是光学系统仪器的内在特性,因此精确的像差测量是光学成像系统的重要环节。相位差法是一种应用广泛的像差测量方法,其光路简单易于搭建。采集数据较少,仅通过采集光学系统的一幅焦平面图像和一幅已知离焦距离的离焦面图像,来重建系统像差,和恢复目标物体的像。本文对已有的相位差法进行研究,通过对相位差法模型分析,提出了一种基于相位差法的大动态像差测量方法。该改进方法通过向相位差法的模型添加点状光源先验信息的正则化项,来对评价函数模型进行约束,在保证测量精度的前提下,提高了大动态像差测量的鲁棒性。在此基础上,本文阐述了该大动态像差测量方法的离散化实现方案和实现细节,并使用对该方法的模块化程序实现方案进行阐述。并且,针对待测像差动态范围较大等特点,提出了一种基于k均值聚类的稀疏迭代初始点的选择方法。该方法可以使得迭代初始点的分布更加稀疏与均匀,可以提高算法的求解效率。本论文对提出的改进像差测量方法进行数值仿真,并仿真在各类采集误差和噪声的影响下改进算法对大动态像差的测量精度。根据数值仿真结果,本文设计大动态像差测量验证实验,设计光路图,搭建光路,和采集数据。并验证改进相位差法对像差测量精度以及像差测量稳定性。数值仿真结果和验证实验结果均表明,本改进像差测量方法法对像差的测量精度较高,对像差测量范围显著提升。