光学成像是军事、科研、生产和生活等诸多领域中获取外界信息的最常见技术手段,成像系统的性能可用OTF(光学传递函数)准确描述。数学上OTF是成像系统出瞳孔径函数P(x,y)的归一化自相关,而大多数实际成像系统的P(x,y)是一个包括强度和相位的二维复值函数,因此OTF的测量实际上是对P(x,y)的强度和相位的测量。随着计算光学成像等先进技术的快速进步,理论上只要精确知道一个光学系统的OTF,就可以用数值计算的方法对其产生的光学像进行数值修正,得到理想的高分辨图像,传统的测量方法已经不能满足这些新技术的实际需求,必须发展新的方法对成像系统的光学特性进行精确二维检测。为了精确测量成像系统的出瞳透射函数P(x,y),本文提出了基于空域叠层扫描成像技术(PIE)和频域PIE的两种测量方法。其中,基于空域PIE的测量方法,在未引入待测成像系统时,扫描衍射物体记录一系列衍射强度分布,重建照明光波前和衍射物体的复振幅分布;之后将待测成像系统引入测量系统,扫描同样衍射物体再次记录一系列衍射强度分布,进而重建包含待测光学元件信息的波前信息。该方法直接测量系统对点物体成像时,系统出瞳面上的光束波前和理想汇聚球面波前的相位差来得到P(x,y)的相位分布,并以此为基础分解出各级几何像差系数。基于频域的PIE测量方法则使用发光二极管(LED)阵列代替传统照明光源,产生不同出射方向照明光,采集多幅低分辨率图像,实现对待测样品频谱信息的扫面,利用物、像和系统相关传递函数(CTF)之间的傅里叶关系,采用系列角度照明方法和迭代图像重建法,直接重建出二维CTF复振幅分布和超分辨图像。和传统的波前测量方法相比,所提出的两种方法都是采用共光路系统,而且不依赖于额外的参考光束,不仅具有紧凑的光学结构,还可避免参考光和系统振动所引起的误差,具有使用方便、分辨率高和精度高的系列优点。数值计算表明,这两种方法所得到的成像系统的像差系数误差都低于0.1%,实验结果表明实际测量误差低于1%。这两种技术的提出,解决了传统方法难以实现二维复值出射函数精确测量的关键技术问题,为光学成像元件的检测提供了全新检测方法,也为计算光学成像等新的成像技术的进一步发展提供新的技术手段。