本发明公开一种通过单次曝光实现轴向相位差波前重建的装置及方法，该装置包括依次设置的激光器、扩束器、待测平板、会聚透镜、分光镜、反射镜一和反射镜二以及图像采集装置，该装置不需要移动图像采集装置即可实现不同离焦量的两幅衍射光斑的同时采集，充分利用了图像采集装置有效区域。波前重建方法利用轴向相位差法重建，根据功率谱密度计算得出最佳离焦位置，然后调整反射镜位置实现最佳离焦位置衍射光斑采集。轴向相位差结合负反馈调节方法实现相位恢复方法快速收敛，待测平板的复振幅快速估计。