高光谱成像技术在物证检验领域的应用具有非常重要的意义, 其不仅能够记录物证的光谱特征用以分析物质成分, 而且能够准确记录不同成分的空间分布情况, 从而实现无损、 快速、 定位分析物证成分的功能。 高光谱成像物证检验技术的光谱检测范围通常集中在可见-近红外区域, 而现有基于高光谱成像技术的物证检测设备基本只能单独覆盖可见波段或者近红外波段, 无法实现可见-近红外的宽波段检测需求。 为了拓宽成像光谱仪的检测波段范围从而实现提高物证检验精度和增加物证检验种类的目的, 首先分析了推扫式成像光谱仪的组成结构及工作原理, 剖析了直接研制宽波段成像光谱仪的技术难度和高昂成本, 最后提出了将短波段范围的400～1 000 nm可见高光谱成像仪和900～1 700 nm近红外高光谱成像仪相结合的方式实现宽波段范围的方法。 通过2台高光谱成像设备线视场匹配将独立的2台设备联合作为1台设备使用, 采用定标板辅助装调的方法实现2台高光谱成像仪线视场的像素级拼接, 将设备拼接带来的误差降低到不影响输出结果的程度, 最终研制出一种波段范围可达400～1 700 nm的可见-近红外宽波段高光谱物证检测设备。 搭建实验系统, 分别固定2台独立的短波段范围高光谱成像光谱仪, 利用平移台带动检材沿着垂直于线视场的方向移动实现推扫, 所获取的数据立方体具有400～1 700 nm的宽光谱范围, 400～1 000 nm的光谱分辨率为2.5 nm, 1 000～1 700 nm的光谱分辨率为4 nm。 实验结果表明该方法的可行性, 对于宽波段高光谱成像仪的研制具有指导意义, 使高光谱成像仪在物证检验领域具有更高的应用价值和更广的应用范围。

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%。

为了提升扫描干涉场曝光光束对准精度，保证制作的光栅掩模槽形的质量，建立了曝光光束对准误差模型，利用模型对光束对准误差进行了分析。同时为了满足系统对光束重叠精度的要求，设计研制了光束自动对准系统，并对曝光光束进行了对准实验。分析结果表明，当光束存在较大对准误差时，光栅基底表面曝光对比度大幅下降，而且由于采用步进扫描的曝光方式，光刻胶表面出现了各处曝光不均匀的现象，影响光栅掩模槽形的质量。设计的对准系统可以对光束角度与位置进行对准调节，系统整体表现出良好的收敛性能，多步调节后可使光束位置对准精度优于10 μm，光束角度对准精度优于9 μrad。这样的曝光光束对准精度可以满足系统要求，达到了预期的设计目的。

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。

光束自动对准技术是扫描干涉场曝光系统中的关键技术之一，两曝光光束位置与角度的重合程度直接影响所制作光栅掩模的槽型质量。针对光束对准过程中光束调整的两个运动维度之间存在相互耦合的情况，推导了存在耦合时对准算法的收敛条件，并分析了光路中反射镜与解耦平面之间存在的装调误差对对准性能的影响。分析得出，装调误差降低了光束对准系统性能，甚至导致对准算法发散，通过调节光路中反射镜M₂和解耦平面的距离L₂与反射镜M₁和解耦平面的距离L₁的比值L₂/L₁可以优化系统的收敛性能。实验结果表明，当L₂/L₁较大时对准系统调节性能较差，收敛速率较低；当L₂/L₁较小时光束对准系统可以快速地收敛到目标位置，有效地对光束进行对准调节。推导证明与模拟分析可为光束对准系统以及整个曝光光路的设计提供理论指导。

针对二维工作台测量镜本身的面形误差以及装调等因素引起面形变化对二维工作台定位精度的影响, 提出了一种用于纳米精度二维工作台测量镜面形误差的在线检测方法。利用两路激光干涉仪检测面形微分数据的基本原理, 分析了零点误差和积分累计误差对测量镜面形误差检测的影响并提出了改进方法。利用三路激光干涉仪组成两组不等跨度的检测机构, 得到两组工作台测量镜面形的原始数据, 通过这两组数据之间的关系修正跨度间的面形细节误差, 得到了精确的测量镜面形误差量。对此方法进行了理论推导、仿真计算和实验验证, 并将结果与Zygo干涉仪测量得到的离线检测结果进行了对比, 结果显示其差异在±10 nm之间, 且趋势有较好的一致性。 得到的结果验证了提出的方法可正确测量和真实地还原测量镜的面形误差。

为了能对自主研制的脑肿瘤手术医用显微成像光谱仪进行光谱定标, 设计了由单色仪、钨灯光源、棱镜-光栅-棱镜成像光谱仪及手术显微平台组成的光谱定标系统。采用单色仪波长扫描法, 自主开发了相应的光谱定标系统软件, 获得了显微成像光谱仪全谱段的光谱数据, 完成了数据处理和分析等工作。通过调整光路、单色仪定标、成像光谱仪定标3个步骤实现了系统的光谱定标。定标结果表明: 显微成像光谱仪的光谱区大于400~900 nm; 定标精度高于0.1 nm, 光谱分辨率高于3 nm, 各项特征指标均高于设计指标。测试验证实验表明, 所建立的光谱定标系统定标精准,结构简单、紧凑,操作简单, 符合显微成像光谱仪的实际临床应用要求。

针对空间外差光谱技术测量光谱范围较窄（10 nm左右），制约其应用范围的问题，提出了一种光栅-平面镜结构的可调式空间外差光谱仪系统。该系统将传统的双平面光栅式空间外差光谱仪中的一块光栅换成平面镜，让另一块光栅可旋转来组成可调式结构; 通过旋转光栅切换测量波段，展宽其测量范围；对平面镜施加微小俯仰角以确保谱图还原的单值性；从而拓展了仪器的应用范围。搭建了原理样机并对其性能进行了实验验证。结果表明，设计的仪器的光谱范围达到了100 nm左右，分辨率优于0.29 nm。该仪器结构简单，光栅制作难度低，易于实现谱图还原。另外，通过增加光栅旋转切换次数和引入抑制杂光措施等手段，还可进一步展宽波段范围，提高系统光谱分辨率。

扫描干涉场曝光系统中的干涉条纹周期是相位锁定系统的重要参数，为精确测量干涉条纹周期，根据扫描干涉场曝光系统的特点提出了分束棱镜移动测量干涉条纹周期的方法，根据高斯光束传播理论，分析了该方法的理论误差；提出了周期计数法对周期测量数据进行计算。为降低对系统二维工作台运行及稳定精度的要求，提出了小行程高精度位移台辅助测量周期的方法，并进行了相关实验验证。结果表明：小行程位移台辅助周期测量方法在原理上可行，对于干涉条纹线密度1800 line/mm 的系统参数，小行程位移台辅助周期测量的重复性可达到1.08×10-5(σ值)，曝光实验的实测值与理论模型之间一致性较好，验证了该周期测量方法的可行性。

为了提高成像光谱仪的光谱定标精度,降低定标过程的复杂度, 本文基于单色仪扫描定标法的原理,提出了交互光谱定标的思想,设计了适用于单色仪与成像光谱仪的交互光谱定标系统。分别对单色仪与成像光谱仪进行了光谱定标实验,并对定标数据进行了处理分析。结果显示：单色仪光谱定标精度优于±0.1 nm;成像光谱仪的光谱区大于400~800 nm,光谱分辨率优于3 nm。该交互光谱定标系统避免了对单色仪和成像光谱仪分别定标需要两个探测器的弊端,定标过程中只需切换定标模式,简化了定标过程,能够同时保证单色仪与成像光谱仪的定标精度,具有复杂度低、通用性强、适用范围广及较高的定标精度等优点,可满足实际使用要求。