薄膜衍射成像在成为轻量化大口径天基望远镜的重要发展方向时,也面临一些亟待解决的关键问题。譬如薄膜元件环带结构不可避免的加工缺陷,薄膜材料在空间环境中的形变,系统运行扰动对成像光学参数的影响,望远镜空间布置时引入的光学误差,以及成像参数的长期可靠性与稳定性等问题。论文从成像光束波前畸变出发,提出了基于自适应光学的薄膜成像方法,即将自适应光学系统作为薄膜天基成像系统的末端组成,实现成像波前的实时反馈控制,获得高分辨率的目标图像。论文根据薄膜天基成像波前像差的准静态特性,结合空间成像对系统规模严格限制的要求,提出了以目标图像为优化对象的无波前传感自适应光学实现薄膜高性能成像的方法。为厘清薄膜元件成像特性和无波前传感自适应光学校正算法特性对薄膜成像的影响,论文采取算法理论结合薄膜成像实验研究的方法,并以点目标成像递进到扩展目标成像的方式,从以下几个方面开展相关研究。论文首先开展了点目标成像波前畸变校正算法研究,为薄膜点目标成像应用提供算法研究和实验积累。论文分析了基于搜索的盲优化算法和基于模型的通用模式校正算法在波前像差校正中的局限性,提出了基于模型的无波前传感自适应光学同步校正算法。论文采用数值仿真的方法,验证了同步校正算法对静态和动态波前像差的校正能力,分析了算法的噪声特性,提出了基于动态区域提取的波前校正算法。在对校正算法充分研究的基础上,论文详细介绍了点目标透镜成像波前像差校正实验,并从成像效果和校正速度两个方面,分析了同步校正算法和随机并行梯度下降(Stochastic Parallel Gradient Descent,SPGD)算法的校正能力。实验结果表明,同步校正算法能获得1.1DL近衍射成像,其收敛速度是SPGD算法的4倍。随后,论文开展了扩展目标成像波前像差校正算法研究,为薄膜扩展目标成像应用提供算法研究和实验积累。论文首先介绍了扩展目标SPGD算法和基于目标图像频域分析的模型校正算法,并分析其局限性;然后从理论上推导了基于图像空域的同步校正算法。针对目标成像探测对相机大视场与全靶面需求和自适应光学对相机高帧频要求之间的矛盾,提出了基于目标图像局部区域提取的波前像差校正与图像复原算法。最后,论文详细介绍了扩展目标透镜成像波前像差校正实验,分析了不同算法复原目标图像的能力。实验结果表明基于图像局部区域提取算法的静态波前像差校正速度是传统方法的近20倍;其动态波前像差校正速度是传统方法的4倍;该算法的快速收敛性有利于薄膜成像的动态波前像差校正。论文在对点目标和扩展目标波前像差校正算法研究与实验积累的基础上,开展了基于自适应光学的薄膜成像实验研究。首先介绍了典型薄膜成像元件——菲涅尔波带片(Fresnel zone plates,FZP)的成像特性,分析其波前像差和强背景噪声双重退化因素,然后开展了基于传统自适应光学的点目标FZP成像实验研究,讨论了传统自适应光学改善薄膜成像性能的有效性和局限性;随后,论文详细介绍了基于无波前传感自适应光学的点目标和扩展目标FZP成像实验研究;重点分析和讨论了同步校正算法、SPGD算法、局部区域提取算法应用于薄膜成像的有效性和必要性。FZP点目标获得了1.1DL近衍射成像,同步校正算法的校正速度为SPGD算法的4倍;系统调制传递函数MTF的中频分量明显提高,表明无波前传感自适应光学有效改善了薄膜成像系统的性能。FZP扩展目标成像波前像差校正后,目标图像分辨率获得了明显提高,局部区域提取算法的收敛速度提高了近3倍。最后,论文初步探索了基于自适应光学薄膜成像的图像后处理算法,目标图像经后处理后,图像强背景噪声得到了有效去除,图像分辨率明显提高。论文工作从算法理论和实验研究证实了自适应光学应用于薄膜成像的有效性和必要性。研究结果表明自适应光学实时波前像差校正协同图像后处理是薄膜高性能成像的有效途径。