完成以高速FPGA技术为核心，实现根据外部需求使用外触发同步控制的线阵CCD采集光谱信号的驱动。通过测试，设计的CCD驱动采样固定延时时间为2.809 9 μs，延时精度不大于86.1 ns，线阵CCD采集到的光谱信号满足光谱分析要求。设计实现外触发方式控制TCD1304采集光信号，可以为后期工业测试提供应用参考。

为了基于中阶梯光栅光谱仪特殊的二维原始光谱图像实现各波长与其强度信息的一一对应, 进而得到可以直接读取所需波段或波长光信号强度信息的一维光谱曲线。对其原始光谱进行分析研究, 通过获得接收像面上各波长光斑位置与探测器像元的精确对应关系, 实现谱图的还原处理。采用多项式拟合方法分别对中阶梯光栅光谱仪的棱镜色散方向和光栅色散方向上光斑的位置坐标进行拟合, 建立起波长与像面之间的关系式, 为减小光线追迹数量, 同时采用级次间拟合的方式建立谱图还原模型。实验结果表明: 通过该方法, 可实现快速、高精度的谱图还原模型建立, 模型的计算误差最大为0.023 92 mm, 即谱图还原精度优于1个像元。该算法具有较强的灵活性和普适性, 适用于各类中阶梯光栅光谱仪的谱图还原模型计算。

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。

制作高闪耀角一致性的曲面闪耀光栅需要工作台能够进行曲线拟合运动, 因此针对曲面闪耀光栅离子束刻蚀机三维工作台的控制算法开展研究。首先, 介绍了曲面闪耀光栅离子束刻蚀机三维工作台的原理方案。接着, 根据曲面刻蚀机的实际使用要求, 给出了工作台运动轨迹的理论计算方法。然后, 提出了一种适用于工作台的圆弧拟合算法, 实现了工作台所需的曲线拟合运动。最后, 在多组工作参数下开展了三维工作台运动轨迹的测量实验, 并将理想轨迹与实测轨迹进行了对比。实验结果表明：工作台进行15个周期的直线拟合运动的累积定位误差小于0.218 mm, 角度误差小于002°; 进行40个周期的曲线拟合运动的累积定位误差小于0.2 mm, 转角误差在-0.2°~0.1°。 此方法实现了三维运动工作台扫描刻蚀与摆动刻蚀的功能, 工作台的稳定性、精度、抗干扰能力满足设备使用要求。

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。

研究了一种改进的基于Hough变换圆检测的瞳孔识别方法。直接利用Hough变换圆检测进行瞳孔识别准确度低、运算量大, 为此, 本文提出了改进的识别方法。在实现Canny边缘检测的基础上, 利用Hough变换进行求解时, 限定检测的半径范围, 在此范围内, 根据参数空间圆的方程, 求出对应的圆心坐标, 得到最佳拟合圆, 最终实现瞳孔识别以及中心点定位。在vc++6.0开发平台下, 对150幅图像进行瞳孔识别检测实验, 结果显示, 直接利用Hough变换检测方法的准确率为70.7%, 平均速度为1 s; 本方法的准确率为94%, 平均速度为0.45 s, 可见相较于直接利用Hough变换进行瞳孔识别, 本文方法在识别准确率和识别速度方面均有显著提高。结果表明, 此方法能够快速而准确地进行瞳孔识别以及中心点定位。

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。

中阶梯光栅光谱仪具有高色散、 高分辨率、 宽波段、 全谱瞬态直读等诸多优点, 是先进光谱仪器的代表之一。 在中阶梯光栅光谱仪民用化、 商品化的发展趋势之下, 其二维谱图图像处理的地位越来越重要。 目前, 国内一般先利用质心提取算法计算光斑质心再结合谱图还原算法计算有效波长, 但这种方法难以达到较为理想的要求。 为了提升运算速度、 波长提取精度以及成像误差补偿能力, 提出了基于谱图还原的有效波长提取算法。 利用谱图还原算法, 将探测器拍摄的二维谱图转换为一维图, 通过改进的直方图双峰法选取阈值对一维图降噪, 实现了二维谱图中全部有效(x, y)点对应波长的一次性提取。 先将二维谱图转换为一维图进行图像处理, 使算法在提升运算速度的基础上提取精度也得到了改善, 还可以对一定范围内的成像误差进行补偿。 采用标准汞灯作为待测光源开展了中阶梯光栅光谱仪成像实验, 并使用该算法进行数据处理。 实验结果表明, 不仅能够自动补偿光谱仪0.05 μm(两个像元)以内的成像偏差, 而且能在精确提取有效波长的基础上大幅提升运算速度, 波长误差小于0.02 nm, 满足中阶梯光栅光谱仪图像处理的要求。