声光可调协滤波器（AOTF）成像光谱仪可同时获取探测目标的空间图像和光谱信息，具有体积小、质量轻、中心波长挑选灵活等优势。提出一种基于AOTF成像光谱仪组合变焦光学系统设计方案并完成了主动变焦前置光学系统仿真设计。该方案由主反式变焦前置系统和具有任意放大倍数的投影系统组成，可实现大变焦范围主动变焦成像。前置光学系统的初始结构由主反式变焦系统设计理论确定，利用同轴系统的离轴解和参数优化完成离轴三反远心结构的设计和系统像差校正，构建逐步逼近优化法实现主动连续变焦。在Code V中的仿真结果表明：前置变焦系统工作波段为0.5~1.7 μm，变焦范围为260~520 mm，短焦处调制传递函数大于0.68@34 lp/mm，长焦处大于0.45@34 lp/mm，全场的均方根半径小于0.345 μm，成像质量良好。

声光可调谐滤波器(AOTF)成像光谱仪能够同时获取图像、光谱及偏振信息,已成功应用于航天、农业、林业、医学及食品安全等领域,具有较好的发展前景。光学系统是AOTF成像光谱仪获取信息的关键部件之一。为此,研究国内外常见的AOTF成像光谱仪光学系统,介绍AOTF的工作原理及光谱仪的总体设计方案,计算全系统的前置、准直及成像等子系统光学设计参数,完成共口径光学系统的仿真设计。前置光学系统采用自由曲面离轴三反结构,与准直系统的光曈匹配,准直及成像系统为光阑前置的离轴三反系统。仿真设计结果表明,在工作谱段为0.4~5.0 μm、焦距为125 mm、F数5和视场角为5.3°的情况下,系统的MTF值分别在谱段0.4~1.0 μm、1.0~3.0 μm和3.0~5.0 μm下均接近于衍射极限且大于0.57,畸变小于5%,成像质量良好。

基于AOTF的成像光谱仪是集图像、光谱及偏振信息为一体的新型探测仪器, 仪器的光谱传递函数是衡量仪器性能的一项重要指标。介绍了单AOTF型和双AOTF型成像光谱仪的工作原理, 利用光学域光谱透过函数, 推导了以波数Δv表示的单、双型AOTF光谱传递函数, 在工作波段为400 nm~900 nm内, 计算对比了单、双AOTF型光谱传递函数, 并对影响双AOTF型光谱传递函数的因素进行了仿真分析, 最后对仪器参数的选取进行了分析和讨论。结果表明: 在入射光极角30°, 声光互作用长度5 mm工作波段下, 当双AOTF型成像光谱仪工作中心波长相等时, 相比同一工作中心波长时的单AOTF型成像光谱仪, 光谱传递函数提高了68%; 当工作中心波长不相等时, 双AOTF型光谱传递函数并不绝对优于单AOTF型, 存在临界值。

基于AOTF的成像光谱仪是集图像、光谱及偏振信息为一体的新型探测仪器,由于声光晶体是其核心分光器件,它的性能将影响目标信息的获取能力。因此,研究提高声光晶体衍射效率的方法是AOTF成像光谱仪研制的重点和关键。首先介绍了AOTF成像光谱仪的工作原理,基于耦合波理论推导了声光晶体衍射效率方程,然后对AOTF成像光谱仪声光晶体衍射效率的影响因素进行数值仿真分析,最后,用Tracepro软件对不同入射光进行了仿真计算。分析结果表明,当AOTF成像光谱仪工作波长范围在0.4 μm～0.9 μm时,为使衍射效率能达到最大值,各个影响因素的最优值是：换能器长度d为2.5 mm,光栅倾斜角φ选择在80°,入射光选择o光。

基于孔径分割的全斯托克斯测量仪可以获取目标的全部偏振信息, 但是偏振探测仪器自身的误差会影响测量结果的准确度, 因此需要对测量仪获取斯托克斯矢量[S0, S1, S2, S3]时的测量误差进行分析。首先, 研究了偏振光学中斯托克斯矢量相关理论; 其次, 介绍了基于孔径分割的全斯托克斯测量仪的工作原理和测量原理。然后, 分析了测量仪获取斯托克斯矢量时的误差源。最后, 仿真分析了该误差源对斯托克斯矢量和目标偏振信息(偏振度、椭率角和方位角)的影响。最终仿真结果表明: 波片相位延迟量±5°时, 偏振度和椭率角的相对误差为1.16%、4.55%, 波片快轴方向相对于x轴的角度为±2°时, 方位角的相对误差为7.68%; CCD探测器的噪声信噪比为40 dB时, 偏振度、椭率角和方位角的相对误差约为1%。分析结果为实验装置元件参数的选择提供参考依据, 为基于孔径分割的全斯托克斯测量仪的优化提供理论支持。

天体物理学的发展对实测天文的要求越来越高，天文光谱偏振观测能够获得更多的天体信息，可为进一步的研究提供全面的资料。以中国科学院国家天文台的2.16 m地基式天文望远镜为平台，设计并研制了基于声光可调谐滤波器的偏振成像光谱仪，光谱范围为450~900 nm，光谱通道数为128个。以声光可调谐滤波器(AOTF)为分光元件，光谱通道可电调谐，可以同时获得图像光谱偏振信息。该设备由望远镜准直系统、声光可调谐滤波器、望远镜成像系统，补偿准直系统，补偿成像系统及探测器组件组成。介绍了声光可调谐滤波器的偏振成像光谱仪的工作原理、设计方案及各光学子系统的设计参数分配，最终完成了一个设计质量在32 lp/mm 的空间频率下, 调制传递函数(MTF)均值为0.5的光学系统。

基于广义惠更斯菲涅耳原理，推导出啁啾脉冲高斯光束在湍流大气中传输的光谱解析表达式，并对解析表达式进行了数值仿真。结果表明：啁啾参数越大，光源谱宽越宽；当光源相对谱宽大于0.336时，轴上点光谱产生蓝移；湍流使得轴上点光谱的相对频移量减小，相对频移量随源光谱宽的增大而非线性增大；增大光束束腰半径可减小湍流对光谱频移、光束展宽的影响。

对双波段红外扫描成像光学系统进行了研究，结合三次成像技术和100%冷光栏效率技术，设计了一个共口径双通道红外扫描成像光学系统。该系统包括前端共用的双反射系统、分束镜、准直镜组、扫描镜和成像镜组。光波经过双反射系统在主镜之后被分束镜分成中波红外通道(3 μm～5 μm)和长波红外通道(10 μm～12 μm)，经准直镜组及成像镜组会聚探测器上，实现中波红外系统与长波红外系统共口径同步成像。设计结果表明，长波红外系统传递函数在18 lp/mm处达到0.4以上，中波红外系统传递函数在18 lp/mm处达到0.78以上，满足实际应用的要求。

基于声光可调谐滤波器(AOTF)的成像光谱仪是一种新型的成像光谱仪，它除了具有一般成像光谱仪的二维空间信息与一维光谱信息外，还能获得目标的偏振信息。在实际应用中AOTF可接收的光束孔径角一般不大于5°～6°，因而受到所采用声光晶体可接收角度的限制，AOTF光谱成像仪的光学系统不能同时兼顾大孔径与大视场。要求AOTF成像光谱仪视场满足128×128像元，TeO2晶体尺寸为10 mm×10 mm，根据声光可调谐滤波器成像光谱仪光学系统的特点，分析比较了2种光学系统总体方案，最终将系统的孔径光栏放置在晶体上，TeO2晶体尺寸限制了孔径光栏的尺寸，晶体可接收的角度决定了系统的视场角，提高了能量利用率，获得较高的图像信噪比。