小麦是人类主要食物来源之一, 广泛分布于世界各地。赤霉病是小麦的主要病害, 目前赤霉病的检测技术无法实现小麦快速、无损的在线检测。为了研究短波红外成像光谱技术应用于小麦赤霉病检测的可行性, 基于LabVIEW开发专用于样品检测的数据采集系统, 利用短波红外光谱仪获取样本光谱图像并进行数据分析与处理。实验数据表明: 赤霉病小麦种子与健康小麦种子的短波红外光谱图像在1350~1600nm光谱范围内谱线数据特征差异明显, 证明短波红外成像光谱技术应用于小麦赤霉病的检测具有一定的推广应用性。

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。

作为对天文光谱进行观测的仪器, 成像光谱仪有着十分重要的作用。 由于传统的狭缝型成像光谱仪的狭缝限制, 对面源天体的观测需多次扫面, 才能获得完整的面源三维数据立方体(x, y; λ), 这样将会浪费大量的观测时间。 为了实现目标物体三维数据立方体的快速扫描, 提出了一种基于微透镜阵列的无狭缝、 静态化、 快速高效的可见光到近红外波段积分视场成像光谱仪结构, 并对其基本工作原理进行分析。 为了扩展微透镜阵列积分视场成像光谱仪在医学、 农业、 物探等其他领域的应用潜能, 该研究的光谱波段选择可见光到近红外波段。 根据视场积分的工作原理, 分析和设计了像方远心结构的离轴三反前置成像系统。 系统采用视场离轴方式, 波段范围400～900 nm, 相对口径F/5, 主镜、 次镜和三镜皆为二次非球面, 二次非球面系数分别为: -7.05, -0.92和-1.61。 为减小系统体积, 在离轴三反系统的焦平面附近放置反射镜。 系统在奈奎斯特空间频率60 lp·mm-1处, 调制传递函数大于0.75, 成像质量接近衍射极限, 满足系统要求。

为了满足激光诱导等离子体分析系统（LIPS）对分光系统的分辨率， 光谱范围， 体积等多方面要求。 本文研制了一台中阶梯光栅光谱仪， 该光谱仪能同时获得所有谱段范围内的光谱信息， 令LIPS系统可实现快速在线实时分析。 并且， 该光谱仪采用可调节延迟时间的ICCD作为后端探测器， 令整个系统可根据实际实验情况选择最优延迟时间接收光谱， 提高了整个系统的信噪比。 最后， 搭建了一套激光诱导等离子体分析系统， 对研制的中阶梯光栅光谱仪在系统中的可用性进行验证。 通过对合金样品测试， 整个系统的分辨率达002 nm， 光谱范围覆盖190～600 nm。 并且研制的LIPS系统光谱重复性较好， 特征元素波长提取误差不超过001 nm， 可较准确的对样品成分进行分析。

为了获得宽波段高分辨率的单色光, 对成像光谱仪进行了波长标定, 设计了一款扫描式三光栅单色仪。光栅扫描系统采用蜗轮蜗杆机构, 针对传统安装方式带来的光栅有效口径损失及杂散光等问题, 创造性地提出了蜗轮蜗杆转台偏轴安装的方法, 通过蜗轮蜗杆转台初始位置的偏移, 有效抑制了扫描过程中光栅实际有效口径的减小和仪器杂散光增加等问题。单色仪光学系统采用水平式C-T结构, 通过三块光栅实现280~2 240 nm的宽波段输出, 保证整个波段内的高衍射效率和光谱分辨率; 并针对蜗轮蜗杆的非线性扫描, 使用多种数学模型对单色仪系统进行了光谱定标。最终的实验和测量证明, 仪器在280~560 nm、560~1120 nm、1 120~2 240 nm三个波段的光谱分辨率分别为0.1、0.2、0.4 nm, 波长重复性分别为 0.094、0.186、0.372 nm, 波长准确度分别为0.096、 0.191、0.382 nm, 达到了设计目标, 满足成像光谱仪波长定标的使用要求。

研究了一种基于数字微镜器件（DMD）具有新型光路结构的中阶梯光栅光谱仪，并采用新的谱图信息接收方式来降低其使用成本和数据处理过程的复杂程度。将具有单波长选通功能的DMD与一维探测器光电倍增管（PMT）相结合接收中阶梯光栅光谱仪的光谱信息，在降低仪器成本的同时将中阶梯光栅光谱仪谱图还原算法与DMD扫描驱动算法相整合，提高了算法效率。由于DMD的填充因子比CCD稍低，该类光谱仪对成像质量和能量集中度提出了更高的要求。本文根据DMD型中阶梯光栅光谱仪特点，在有限的可挑选的光学材料下，采用多重优化的方式合理设计了中阶梯光栅光谱仪准直镜、中阶梯光栅、棱镜、聚焦镜等各个光学元件的光路结构参数, 并且在Czerny-Turner结构中加入校正透镜和场镜，校正了系统所有像差，提高了整个光学系统的成像质量和光谱分辨率。最终设计的光谱仪系统分辨率达0.01 nm，单个微反射镜内的光斑能量聚集度达到70%。

中阶梯光栅具有刻线密度低、 闪耀角度大、 衍射级次高、 光谱范围宽、 色散率大、 光谱分辨率高等一系列突出优点, 近年来由于其优良的性能而倍受青睐。 作为评价中阶梯光栅质量的衍射效率和杂散光系数直接体现了中阶梯光栅的光学性能, 能够准确地进行中阶梯光栅衍射效率和杂散光系数的测量是光栅应用的前提。 鉴于此, 基于中阶梯光栅的衍射理论创造性地提出用一套系统对中阶梯光栅的衍射效率和杂散光系数进行检测, 该系统引入双轨结构, 具有结构简单新颖、 一机多能等优点。 通过理论分析和计算, 确定了检测系统的结构参数, 设计结果表明: 该检测系统可用于测量190～1 100 nm光谱范围内的中阶梯光栅绝对衍射效率, 同时也可用于测量200～800 nm光谱范围内的中阶梯光栅杂散光系数, 实现了将衍射效率测量和杂散光测量集于一体的设计思想。

针对成像光谱仪通过狭缝进行线视场成像时存在的孔径较小、光学透过率较低等问题, 研究了一种基于棱镜-光栅型分光结构的大孔径面视场成像光谱仪。该棱镜-光栅成像光谱仪采用表面浮雕型透射光栅, 极大地降低了光栅的制作难度与成本。大孔径面视场的成像光谱仪相较于线视场成像光谱仪有较高光学效率和时间效率。但是面视场成像光谱仪的色畸变与谱线弯曲较难校正。本文将前端望远系统与分光系统进行一体化设计, 满足远心光路匹配和孔径匹配, 较好地校正了面视场光谱成像系统中的谱线弯曲和色畸变。并且通过加入非球面反射镜及校正镜很好的校正了由于大孔径面视场所引入的非对称性离轴像差。结果表明, 设计的大孔径面视场PG成像光谱仪光谱波段范围400~1 000 nm, 光学调制传递函数达到0.65以上, 光谱分辨率达2.5 nm, 全谱段不同视场的谱线弯曲小于5 μm, 色畸变小于8 μm。

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。

基于Dyson同心光学系统的凹面光栅成像光谱仪具有像差小、 孔径高、 结构简单紧凑的优点, 同心结构要求光谱仪子系统的物面和像面必须重合为一个平面, 且物点和像点之间距离非常小。 现有的焦平面探测技术和装配技术难以满足理论设计要求。 为了解决实际中物点和探测器的安置问题, 对传统Dyson同心光谱仪光学系统进行了改进设计, 通过在成像光束中引入离轴反射镜实现像面位置的转移。 结果表明: 改进后的光学系统由于成像光束发生折叠, 物面和像面成功分离, 且改进后系统的全波段像差得到更合理的分配。