随着现代医学技术对于人眼测量需求的急剧增大,基于Shack-Hartmann (SH)波前传感技术的人眼波前像差仪已经成为了现代眼科临床检测人眼像差的标准化设备。目前的商用系统的在大动态范围屈光度、散光度测试时需要用可移动部件调焦来做预补偿,我们设计并实现了一次成像且不需可移动部件补偿离焦和不需要大尺寸CCD的人眼波前像差仪,能够在暗条件下对大尺寸瞳孔进行有效测量。根据预定的技术指标,本论文对提高测量动态范围的各类方案作了比较,并提出了利用角放大倍率小于1的望远镜系统压缩波前斜率,再结合后处理算法增大动态测量范围的方案,有效提高了系统的量程,最终动态范围大于-12D-+12D。同时为能在系统中采用小尺寸CCD,另外在微透镜阵列后焦面与CCD平面之间插入中继成像透镜,使得小尺寸CCD能够匹配较大的人眼瞳孔尺寸。此外还给出了系统装配因素以及人眼抖动因素对系统精度的影响分析。在后处理算法中,本论文详细阐述了算法每个环节中所需要考虑的实际问题。并提出了基于空间频率与估计的SH像点指定算法,使得SH像点指定不再依赖于局部搜索窗,能够根据人眼波前像差的主要分量自动调节搜索窗位置,从而达到有效增加SH指定算法的动态适应能力,进而提高了整体系统的动态测量范围。在系统的标定过程中发现系统误差与输入波前的屈光度散光度有关,给出实验和理论证明指出造成此种系统误差的原因是系统使用的成像中继透镜,并发现所有的SH像点的局部偏移分别是对应的微透镜单元位置和局部波前斜率的函数。进而给出了基于主光线追迹和矢量像差理论的系统误差分析,给出了SH像点偏移与对应微透镜单元位置和波前斜率的解析模型。结合该模型对系统进行了标定。将此系统应用于检测人眼的轴外波前像差,提出了基于双Zernike多项式展开的人眼波前像差全局表示方法。给出了对于几种简单的光学元件包含的双Zernike模式项的仿真分析,并结合传统光学像差理论分析了这些特殊的双Zernike模式组合项。