根据连续变焦理论模型, 编制连续变焦计算程序, 求得变焦系统初始解, 建立理想光学模型, 通过选材选型及迭代优化, 实现仅由 4片红外透镜及两片平面反射镜组成的中波红外连续变焦光学系统。该系统 F#为 4、工作波段为 3.7～4.8 .m、视场变化范围为 20°×16°～2.0°×1.6°、光学零件最大口径为 71 mm、零件总重 64 g, 系统包络为 172 mm×108 mm, 系统采用两个二元衍射面用于消色差, 通过材料合理配置及主动补偿实现系统消热差设计。该中波红外连续变焦光学系统重量轻、总长短、包络小, 在－40℃～＋60℃温度范围全视场成像质量良好。

基于离轴三反光学系统和多列线阵探测器,设计了一种具有宽波段高光谱分辨率的中阶梯光栅光谱仪。首先,以仪器性能指标为约束优化中阶梯光栅的结构参数,使光栅在保证高色散的同时将宽工作波段折叠重合在较小的光谱级次内,并采用多列线阵探测器采集信号。然后,以离轴三反光学系统作为会聚镜,以离轴抛物镜作为准直镜,实现了高色散宽自由光谱的像差校正。最终,设计的中阶梯光栅光谱仪工作波段为400~900 nm,F数为4.5,光谱分辨率在402.31,541.82,870.48 nm时分别为0.003,0.004,0.005 nm,系统体积为380 mm×325 mm×230 mm。

简述了光谱仪的原理、阶梯光栅的基本原理和光栅光谱仪的特性参数。针对目前国内正在研制的光纤阵列太阳光学望远镜,提供了一种太阳光栅光谱仪结构的设计方案。根据太阳光栅光谱仪接收整个太阳光谱的要求,该方案采用了双狭缝设计。根据太阳光栅光谱仪尺寸大、分辨率高、色散大的特点,该设计方案采用了白瞳设计,并对结构中各个元件的选择进行简要阐述。光谱仪采用光纤接入,光栅工作在准Littrow角条件下,以获得高衍射效率,同时辅以棱镜增大横向色散,分开重叠的光谱级次。整个系统结构简单紧凑,可以有效地缩小光谱仪尺寸。

为满足高速多传感器大视场图像处理系统结构紧凑、高实时性的迫切要求，进行了以全可编程平台 ZYNQ为基础的多传感器实时图像拼接技术研究。重点介绍了该设计的基本架构、工作原理及 ZYNQ的功能模块设计等，通过对图像处理的结果表明，该技术满足高速实时图像处理的要求，同时可以扩展到更为复杂的多传感器大视场实时图像处理任务。

单色仪是成像光谱仪进行光谱连续定标的必备设备, 为了对高光谱成像光谱仪进行连续光谱定标, 设计了一种轻小型高光谱分辨率的光栅单色仪。 采用水平式Czerny-Turner光路结构, 以高光谱分辨率为出发点, 通过推导计算, 从光栅选型、 焦距计算、 狭缝尺寸的确定等方面详细论述了光栅单色仪的设计思路, 给出仪器的重要必要结构参数, 并论述了这些结构参数对仪器光谱分辨率和体积的影响。 根据光栅单色仪的光路特点, 对入射狭缝组件、 准直物镜组件和成像物镜组件、 扫描结构、 机身等进行轻小型机械结构设计, 并给出正弦杆扫描机构的结构参数与仪器输出波长和波长扫描精度的数学关系, 完成了仪器的整体结构设计和装调。 应用汞灯可见光光谱进行波长定标, 采用最小二乘法得到定标曲线, 并提出步进数极限误差与定标曲线相结合的方法, 求得仪器的波长重复性和波长准确度; 仪器在400~800 nm波长范围内, 光谱分辨率优于0.1 nm, 波长重复性达±0.096 6 nm, 波长准确度达±0.096 9 nm。

大视场、超光谱分辨率、高空间分辨是光谱成像仪的发展方向，谱线弯曲和色畸变的抑制则是二维谱图信息准确提取的前提。提出了一种棱镜光栅光谱成像结构形式，并采用矢量方法构建了棱镜光栅组合色散元件的数学模型，优化了分光模块的结构参数，基于此组合色散元件设计了一个具有近直视光路结构的超光谱成像仪光学系统。该系统光谱范围为400~800 nm，入射狭缝长为14 mm，F数为2.4，其光谱分辨率达0.5 nm，调制传递函数(MTF)在探测器奈奎斯特频率68 lp/mm处均大于0.7，谱线弯曲和色畸变均小于1 μm，低于单个像素的13.5%。