浸没光栅是星载温室气体监测成像光谱仪光学系统中的核心分光元件，能够实现更高的光谱分辨率和更紧凑的结构尺寸。推导了浸没光栅的色散率公式，并对比了采用浸没光栅和普通平面光栅时的光谱分辨率。针对温室气体O₂-A带的探测需求，利用有限元计算方法开展了浸没光栅槽形结构的优化设计，得到了兼有高衍射效率和低偏振灵敏度的全反射型浸没光栅槽形参数，并分析了光栅结构参数和等效介质层的制造公差。设计结果表明，在750~770 nm波段范围内，该浸没光栅-1级平均衍射效率高于92%，偏振灵敏度低于1%。

为提高光谱共焦位移传感器的检测效率和稳定性，设计一种性能参数可调的宽视场轴向色散镜头。基于快照式光谱共焦测量原理，提出一种轴向色散倍增的宽视场色散镜头设计方案。将色散镜头关于中间光阑前后对称放置，建立轴向色差和剩余像差评价函数，得到库克结构初始参数，实现对称的半组镜头。在前组不变的情况下，采用复杂化库克结构设计不同数值孔径的后组，替换后组可实现具有不同轴向色散距离、分辨率和视场的轴向色散镜头。为了测试轴向色散镜头的性能，搭配成像光谱仪分光模块、针孔阵列板和白光LED，组成快照式光谱共焦测量实验装置，验证了研制的可调两种性能参数的轴向色散镜头具有良好性能。所提轴向色散镜头设计方案可用于构建快照式光谱共焦测量系统并实现高精度和高效率的3D形貌测量。

为提高和扩大光谱共焦位移传感器的测量精度和测量范围，并解决像方测量大数值孔径和物方光纤小数值孔径匹配下镜头过长的问题，设计一种紧凑型长轴向色散光谱共焦镜头。色散镜头用5个球面镜片，在工作波长450~700 nm内轴向色散范围达3.5 mm，波长和焦移线性拟合相关系数为0.97，像方数值孔径为0.48，光学长度为135 mm。在相同的镜头参数下，该色散镜头的轴向长度相比普通色散镜头减少了约35%。最后利用设计的色散镜头搭建光谱共焦位移测量系统，并进行性能评估实验。实验结果表明，该系统的最大测量标准差为0.05 μm，最大平均绝对误差为0.04 μm，实际轴向分辨率优于0.5 μm，对被测物的最大测量角约为28.5°。

湿法刻蚀技术作为中阶梯光栅的主要制备方法之一，具有制造成本低、周期短、杂光少、所制作光栅的闪耀角误差小等优点。为解决某高分辨率光谱仪在近红外波段（800~1100 nm）的分光需求，尝试选择70.52°槽顶角的湿法刻蚀硅中阶梯光栅来代替90°槽顶角的传统中阶梯光栅。依据（100）硅光栅的结构特点以及光学设计给出的光栅工作条件，利用有限元数值计算法求解电磁场分布，理论分析了硅中阶梯光栅在工作波段内多个级次的衍射特性。在此基础上，利用紫外光刻-湿法刻蚀技术，在单晶硅基底上制作了槽密度为42 lp/mm、闪耀角为54.74°、有效面积超过46 mm×28 mm的对称V形槽光栅，并根据制备实验结果分析讨论了工艺过程中硅光栅质量的重要影响因素。测试结果表明，该光栅在各工作级次对应闪耀波长下的衍射效率均在45%~55%范围内，满足指标要求。

根据静止轨道特点，分析设计覆盖近紫外至长波红外波段的成像光谱仪光学系统，将0.3~12.5 μm的光学全谱段细分为5个子谱段并集成于光学系统，每个子谱段均采用4个分光系统在视场内拼接实现宽幅所需的超长狭缝，狭缝总长最长达241.3 mm，通过内扫描实现400 km×400 km地面覆盖。重点研究满足拼接要求的紧凑型长狭缝分光系统，指出其实现高保真分光成像需满足低畸变、低杂散、高信噪比、均匀光谱响应等条件。据此，设计基于凸面闪耀光栅的Offner型和Wynne-Offner型高保真分光系统，并研制各个子谱段的原理样机。给出全谱段长狭缝和凸面闪耀光栅两种核心元件的研制结果，单条狭缝最长达61.44 mm，5个谱段的光栅槽密度范围为8.8~312.1 lp/mm，峰值效率均在70%以上，最高达86.4%。以可见近红外和长波红外两个谱段为例，给出分光系统装调和测试过程，结果表明所研制的分光系统具有高保真性能，各项指标均满足要求。

尺寸小、成本低和寿命长的非制冷热红外成像光谱仪对探测高温目标有巨大潜力，但其严重的内部噪声会降低检测灵敏度。非制冷热红外成像光谱仪主要的噪声包括探测器噪声、光机元件表面散射杂光引起的噪声、光栅非工作级次产生的杂光噪声和光机元件自身的背景辐射噪声。推导了包含上述噪声的噪声等效温差（NETD）公式，以Offner型热红外成像光谱仪为例，分析NETD与系统F数和机械元件内表面光学属性等主要影响因素之间的关系，研究了光机表面抛亮处理在抑制光谱仪内部背景辐射噪声方面的能力。最后，采用像元间线性关系法扣除了剩余的噪声，使探测信号与目标本身信号基本一致。

光谱成像系统采用分区光栅作为分光元件,能够实现光学元件的复用,具有工作波段宽、光谱分辨率高和结构紧凑等优点。然而,该系统的孔径光阑位于分区光栅处,宽波段光束同时入射至各通道光栅区域上,不同频率光栅的多级衍射光会导致不同通道之间产生干扰,其难以被消叠级滤光片去除。该问题严重影响有效光谱信号的提取和分析,甚至淹没有效目标信号。通过光线追迹确定系统中衍射杂散光的来源,并根据分析模型计算衍射杂散光系数。根据光学系统的结构特点,提出采用线性渐变滤光片和光阑镀膜两种衍射杂散光的抑制方法,并分析了滤光片带宽要求以及光阑镀膜对衍射杂散光系数的改善效果。分析结果表明,光阑镀膜方法能够将系统的衍射杂散光系数降至0.57%。相较于线性渐变滤光片方法,光阑镀膜方法易于实现,适用于基于分光光栅的光谱成像光学系统的衍射杂散光的抑制。

在谱域光学相干层析系统中,波数线性光谱仪不仅可以降低图像的插值误差、提高图像质量,还可以提高系统的成像速度和灵敏度。因此,针对现有棱栅型分光光学系统的不足,提出了一种结合棱栅结构分光和物镜像差补偿的方法,通过引入畸变和垂轴色差,实现了极高的波数线性度。设计了工作波段为750~950 nm,光谱分辨率为0.1 nm,长约为148 mm的波数线性光谱仪。设计结果表明,该光谱仪的波数线性度达到0.0056,约为像差补偿前的11倍。仿真分析结果表明,该分光系统可以明显改善光学相干层析系统的灵敏度,相比未补偿的系统,补偿后系统在光程差为3.5 mm处的灵敏度提高了7.8 dB。

设计和研制了用于静止轨道高光谱遥感卫星的中波红外成像光谱仪分光成像系统。根据静止轨道特点分析光学系统指标参数,指出分光成像系统具有狭缝长、相对孔径小和体积紧凑的特点。设计了波长为3~5 μm,狭缝拼接长度为49 mm,光谱采样间隔为50 nm,系统F数为5.4的双狭缝Offner型分光成像系统。采用整机制冷提高系统灵敏度,分析结果表明,工作温度低于160 K时,系统噪声等效温差(NETD)可降低至0.2 K,并根据制冷温度进行消热差设计。根据光学设计结果,研制材料为全铝合金的分光成像系统原理样机,自研的凸面闪耀衍射光栅的峰值效率高达86.4%。利用可见光和近红外光的高级衍射谱测试常温下样机性能,结果表明,研制的样机光谱成像质量优、光谱畸变小,各项指标均满足设计要求。