针对紫外-可见光谱定标精度需求,设计了一款波段范围在185~900nm的三光栅单色仪; 为提高单色仪的波长扫描精度,降低高精度波长扫描机构在工程上的成本。建立了光栅转角误差对扫描机构波长精度的影响模型,设计了基于高精度编码器的转角误差补偿装置,通过软件不同参数设置和算法设计的补偿算法,实现了波长扫描机构的精度校正; 实验结果表明,通过参数算法补偿后,扫描机构的波长准确性精度和波长重复性精度在工作波段范围内有所提高,不同波长下其精度的提高程度不同,其中,波长准确性精度提高比范围为20.8~35.2%,波长重复性精度提高比范围为61.5~95.2%。实验结果验证了误差补偿装置及补偿算法的有效性,提高了波长扫描机构的精度,降低了高精度波长扫描机构在工程应用上的成本。

在短波红外成像光谱技术的应用背景下,对HgCdTe短波红外焦平面探测器的校正技术进行研究,包括坏像元校正和非均匀性校正,并提出先进行坏像元校正后进行非均匀性校正的探测器校正原则;在标准辐射源下,对正常像元的输出值进行正态分布拟合,并通过3σ准则设定正常像元输出值阈值的方法,确定探测器中坏像元的数量与位置,然后根据短波红外成像光谱技术的应用要求,对坏像元进行光谱二邻域均值替换;坏像元校正完成后,再采用运算量小、实时性强的两点法对探测器进行非均匀性校正。综合校正结果表明:探测器坏像元得到有效剔除,坏像元输出值得到良好校正,且非均匀性校正效果明显,图像细节更加丰富。

凹面衍射光栅兼具色散分光与光束聚焦功能, 同时具有像差校正、 低杂散光、 无鬼线和高信噪比等优势而受到光谱仪器领域的广泛关注。 衍射效率作为凹面光栅最重要的技术指标之一, 其测量技术水平逐渐成为光谱仪器行业最为关注的课题之一。 传统方法一般采用双单色仪结构实现凹面光栅衍射效率的测量, 该方法主要存在两方面问题, 一是测量标准反射镜和待测光栅的出射光谱带宽不同, 二是光栅叠级、 杂散光的影响; 上述问题的存在降低了高性能凹面光栅衍射效率测量的准确性。 本文提出了一种基于傅里叶光学原理测量凹面光栅衍射效率的新方法; 针对该方法建立了凹面光栅衍射效率测量的数学模型, 并采用光学追迹和傅里叶光学方法相结合对其进行了仿真分析, 从而验证了该方法的正确性; 针对动镜横移误差、 倾斜误差、 光源稳定性、 动镜运动距离误差等因素影响凹面光栅衍射效率测量精度的问题, 提出引入辅助探测器的方法来进一步提高衍射效率测量精度, 并对有无辅助探测器情况下的上述误差对衍射效率的影响进行了数学推导和仿真分析, 分析结果表明引入辅助探测器可以有效抑制了上述误差对凹面光栅衍射效率测量的影响。 对比传统双单色仪测量方法而言, 该方法不仅能够解决传统测量方法存在的问题, 同时还具有多波长同时测量、 高光通量、 高分辨率、 高波数精度等优势, 可以有效提高凹面光栅衍射效率的测量精度和测量效率。

为了保证中阶梯光栅光谱仪能够具有足够的波段范围, 设计了一套校正装置,对该校正装置的校正原理、波段校正范围、校正分辨率等问题进行了讨论和研究。首先, 对中阶梯光栅光谱仪的光学元件进行了公差分析, 并介绍了自动光谱校正的原理和流程。选定聚焦镜作为调整环节并根据CCD接收器像面的利用情况给出了调整分辨率要求, 然后设计了校正装置, 并对校正装置的分辨率进行了理论计算。最后, 对校正装置的校正效果进行了实验验证。实验结果表明: 校正装置在方位方向的校正分辨率可达0.006 25°、俯仰方向的分辨率可达0.006 25°、前后方向的分辨率可达0.005 mm。校正装置可以将10像素的波段偏移调整回CCD正常接收范围内, 从而保证光谱仪器的全谱段波段范围。

中阶梯光栅光谱仪凭借交叉色散特性实现全谱瞬态直读, 面阵探测器接收的二维光谱图像需要还原成一维谱图以提取有效波长。 由于二维谱图含有庞大的数据, 且有效信息仅占极小比例, 因此在谱图还原前进行背景去除能够减小数据量、 提高运算速度。 详细分析了中阶梯光栅光谱仪二维图像的特点, 并针对其特点提出了背景去除算法。 将图像边缘检测方法应用于弥散光斑的检测中, 选择合适的边缘检测算子与原始图像卷积得到边缘图像, 设置边缘图像的全局阈值对其进行二值分割, 最终利用二值边缘图像映射原始图像得到去除背景的二维谱图。 依据不同元素灯在不同积分时间下所拍摄的谱图, 对比不同边缘检测算法的背景去除效果, 分析了各算子对算法速度、 精度的影响。 实验结果表明本文提出的算法运算简单、 边缘图像阈值易于计算、 目标提取精度高, 处理后的图像可以与谱图还原算法有效对接, 谱图处理速度显著提升。

为满足高光谱成像系统高空间分辨率和高光谱分辨率的要求, 并应对实际应用中对仪器小型化、 轻量化、 高光学效率的新需求, 研究一种基于利特罗结构的棱镜色散高光谱成像系统, 采用离轴两反的利特罗结构形式减小光学系统的体积, 同时为平面棱镜提供准直光路, 并以宏编程的优化方式, 避免系统中光路干涉。 结果表明, 通过非球面反射镜和双校正透镜的设计, 该光学成像系统的谱线弯曲均小于2.1 μm, 色畸变小于1.3 μm, 控制在18%像元内, 在400～1 080 nm可见—近红外（VNIR）工作波段的光学调制传递函数（MTF）均达到0.9以上, 光谱分辨率为1.6～5.0 nm, 光谱透过率在51.5%以上, 系统在整个工作光谱范围都具有较高的透过率和像质。

为了实现对不同矿物成分的识别，研制了一台用于矿石光谱分析的短波红外成像光谱仪，并基于此台仪器获取了多种矿石的图像信息和光谱信息。阐述了设计原理，并对整个系统的光学设计结果进行了成像质量分析。采用单色准直光法对该系统进行了测试，得到各光谱通道的中心波长以及光谱分辨率等光谱性能参数，测试结果显示，该仪器光谱分辨率优于10 nm，满足应用需求。利用研制出的成像光谱仪对岩石样品进行了实验，并对获得的光谱曲线进行了光谱分析。实验分析结果表明，该仪器具有良好的性能，能够较为准确地判断不同矿石。设计的短波红外成像光谱仪具有高分辨率、结构简单、小型化、重量轻等优点，便于机载成像，有益于其在地质勘探领域的应用。

中阶梯光栅光谱仪凭借着高分辨率、小体积、全谱瞬态直读等优异特性成为了现代光谱仪器研究的热点和重点。为了进一步缩小它的体积，提高仪器信噪比和检出限，设计了一种新型结构的中阶梯光栅光谱仪，其折叠主光路的设计可以在不改变成像质量、不降低光谱分辨率的前提下减小仪器体积，光学尺寸小于165 mm×70 mm×65 mm，光谱分辨率为0.06 nm@200 nm。同时设计了挡板、光阑等结构减小仪器的杂散光，经过光线追迹仿真实验，新型中阶梯光栅光谱仪杂散光低于2×10-5，显著地提高了仪器的信噪比。