单色仪广泛应用于光谱定标、物质分析等方面，因此，对于高光谱分辨率单色仪系统的研究具有重要意义。本文基于矢量光栅方程推导考察了入射狭缝高度对光谱仪器谱线弯曲的影响程度，给出了谱线弯曲同波长、狭缝高度的解析表达式，进而提出了一种基于狭缝高度抑制谱线弯曲的单色仪光谱分辨率优化方案。结合高灵敏度、超快时间响应探测器的性能指标要求，设计了一款光谱分辨率为0.1 nm，波段范围为185 nm~900 nm的三光栅单色仪光学系统，并搭建样机验证狭缝高度对谱线弯曲的影响，进一步探究了狭缝高度对光谱分辨率的影响规律。实验结果表明：在狭缝宽度一定时，对狭缝高度进行优化，可将光谱分辨率从0.32 nm提高至0.1 nm。

为了提高光波导近眼显示成像系统的视场角，本文提出了一种等周期变倾角干涉条纹复用方法，用于扩展增强现实眼镜耦合元件体光栅的角度带宽。该方法通过复用等周期变倾角干涉条纹满足了不同入射角的布拉格条件，并且消除了体光栅周期变化对入射光衍射角度的影响，从而提升耦合元件体光栅的角度响应范围，降低光栅衍射引入的杂散光。利用严格耦合波理论对复用三幅等周期变倾角干涉条纹的体光栅进行模拟，在波长为530 nm的TE和TM偏振态下，复用后的体光栅角度带宽分别为3.6°和3.3°，与单幅干涉条纹体光栅相比，角度带宽扩展了1倍。该方法有望打破体光栅角度带宽受光栅材料的限制，用于扩展近眼显示成像系统的视场角，实现轻量化、高效率、大视场、低杂散光的增强现实眼镜。

机械刻划是以中阶梯光栅为主导的大闪耀角、高衍射级次光栅的主要加工方法，其大闪耀角特性使中阶梯光栅的刻划加工难度大幅增加。当光栅刻划刀对刃误差较大，或刀具非力平衡设计时，刻划过程中刀具会受到较大水平扭矩，易导致刀具颤振现象，从而影响光栅质量。为抑制刀具颤振，提高光栅刻划稳定性，针对光栅刻划刀弹性支撑机构的颤振抑制性能开展研究，提出了双层平行弹簧支撑机构。通过有限元仿真对比分析了新旧刀架机构的结构刚度和模态特性，并利用加速度传感器测试了两种刀架机构的刻划刀具颤振状态，对比了两种刀架对颤振的抑制效果。结果表明，双层平行弹簧刀架机构受刻划扭矩时，在刀具夹持处及柔性铰链处的变形较传统刀架结构分别减少了36%和24%，一阶模态提升了2.8倍。颤振信号在时域下基线两侧幅值分别降低了13.6%及22.5%。光栅刻划实验表明，新机构有利于刻划制造中阶梯光栅，所提出的刀架优化设计方法和颤振抑制技术可为光栅刻划制造技术提供理论指导。

为了获得数字微镜器件（DMD）的真实光学特性，提出了微镜单元杂散光分布测试方法，并搭建实验装置对2×2阵列区域微镜单元的杂散光分布情况进行测试。提出了一种杂散光测试方法，并针对微镜单元尺寸小、配置方式灵活的特点，设计了汇聚光斑大小连续可调的照明系统以及可以对微镜单元清晰成像的成像系统。通过实验得到了2×2阵列区域微镜单元的杂散光分布情况。测试结果表明，单个微镜单元中心孔道位置附近反射的能量较强，靠近边缘位置反射的能量则相对较弱。此外，测试区域之外的微镜单元也会反射一部分能量，测试区域内微镜单元杂散光绝对强度最大值出现在中心孔道附近，其灰度值为6.86，紧邻测试区域微镜单元杂散光绝对强度最大值同样也出现在中心孔道附近，其灰度值为4.01，由此可以说明中心孔道位置附近的杂散光较强；测试区域内微镜单元的杂散光相对强度相对较弱，从测试区域边缘开始急剧增大，经过大约两个微镜单元后达到峰值，数值为293.5%，此后开始急剧下降。

为克服传统星敏感器精度与视场、体积、质量等参数难以兼顾的问题，本文研究了一种基于衍射光栅的高精度干涉星敏感器结构。利用角谱理论，建立了星光入射角度与探测器上像点质心位置、像点能量之间的数学模型，确定了干涉星敏感器利用像点质心位置和相对能量分别进行粗定位和精定位的方法及粗精定位结合获得星光入射角度的方法，得出干涉星敏感器单星测量角分辨率和光栅周期、两块光栅之间的距离及像点光强信号电子学细分倍数有关的结论。通过计算机仿真模拟，验证了干涉星敏感器精定位及粗精定位结合的可行性。在光栅周期为50 μm，两块光栅距离为50 mm，像点光强信号每变化一个周期采用1024倍电子学细分的情况下，单星测量角分辨率达0.1″，与传统星敏感器相比精度有显著提高。

超精密位移测量技术不仅是精密机械加工的基础，在以摩尔定律飞速发展的芯片制造行业中也起到决定性的作用。以光栅栅距为测量基准的光栅位移测量系统被广泛应用于多维测量系统，光栅位移测量系统与激光位移测量系统相比，大大降低了对使用环境的湿度、温度和气压的要求。本文主要介绍了近年来国内外基于二维光栅的位移传感系统光学结构的发展现状，从零差式和外差式光栅干涉测量原理入手，综述了基于单块二维光栅的光学结构到多块二维光栅耦合设计的光学结构发展历程，对比分析了几种二维光栅位移测量系统的优缺点，并展望了二维光栅位移测量系统发展趋势，总结了二维光栅位移测量系统的工程化进程。

针对目前应用Savitzky-Golay(SG)滤波器进行高光谱图像滤波过程中空间信息无法利用, 造成小麦赤霉病高光谱分类识别模型精度仅能达到87.088 9%的问题, 提出高光谱图像空-谱维联合SG滤波(TSG滤波)的方法, 使模型精度相比采用SG滤波提升了12.066 7%。 该算法将一维的SG卷积核按四个方向扩展成二维的SG卷积核, 根据卷积定理利用快速傅里叶变换对高光谱图像数据进行空间及光谱维联合快速滤波。 设置TSG滤波核窗口系数m=2~4, 阶数n=3~5, 滤波后图像信噪比提升了10%以上、 峰值信噪比高于30 db、 结构相似度大于96%, TSG滤波能保持原图特征并显著提升图像信噪比。 对比Pavia University高光谱图像经TSG滤波(m=3, n=4)、 SG滤波(m=7, n=3)后的灰度图像与光谱图, 可以看出TSG滤波后图像条带噪声得到了抑制、 特征峰相对峰值高度最高提升31.68%、 特征波段平均强度提升41.83%, 而SG滤波后图像条带噪声依然清晰且特征峰相对峰值高度至少降低了13.40%。 构建基于TSG-PCA-SVM算法的小麦赤霉病高光谱分类识别模型, 训练集包含500个样本点, 测试集包含4500个样本点, 模型测试集分类精度高达99.155 6%、 卡帕系数0.983 613, 对于小麦高光谱数据集中全部116 880个样本点的总分类精度高达99.206 0%。 经TSG滤波后分类模型精度高、 一致性好, 分类精度相较于SG滤波后的87.088 9%获得了显著提升。 综上所述, 该研究为高光谱图像滤波提供了一种新的思路, 为小麦赤霉病高光谱识别系统构建提供了参考与依据。