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。

研究了基于选择最优滤光片多光谱成像系统优化问题,采用了优化的滤光片组合,组建了一个六通道的多光谱成像系统。利用提出的基向量和多项式组合的方式重构光谱数据,成功重建出博物馆、美术馆等展览馆常用的两种典型光源模拟器D65和A光源下油画的光谱反射率,并以光谱均方误差和色差综合误差评价成像质量。对两种光源下重建结果分析可得,最优滤光片的选取与光照环境密切相关。根据光照环境不同采用选取出的最优滤光片可得到最好光谱成像图,并且能在光谱和色度上都达到较高精度。

在给定的照明和观察条件下，由普通商业数码相机的信号值重建物体表面的光谱反射率是当前颜色科学工程领域的重要研究课题。选用佳能EOS 400D数码相机分别配合蓝色、绿色滤光片来采集物体表面的RGB信号，分别采用R矩阵法和主成分分析法（PCA）进行色卡和国画中指定色块的光谱反射率重建研究。实验结果表明，R矩阵法的色度精度和光谱精度均优于PCA。利用R矩阵法重建国画中参考色块光谱反射率，结果表明该算法能满足高精度艺术品再现的需要，具有较高的应用价值和现实意义，在颜色复制、颜色质量评估和数字典藏等领域拥有广阔的应用前景。

对国画样品反射参量和特性进行测量与分析，结合色度学相关理论提出了一种利用亮度信息匹配的国画图像重建方法。采用色调饱和度亮度(HSI)色空间对国画辐亮度与色度信息进行分离，利用Gaussian函数对不同照明角度下PR-715实测图像色块亮度数值进行拟合，从而建立对应的空间亮度函数关系式。选择90°照明角实拍图像为参考色块，将该图像HSI色空间的色度信息与拟合空间亮度信息相结合，重建出任意照明角度下的国画色块图像，并与Canon EOS 400D单反相机实拍图片进行比较分析。结果表明，利用亮度信息匹配方法能够准确对国画色块图像进行重建，该方法具有较高可行性与可靠性，对绘画艺术品文化遗产数字化的重建与真实复制有重要的实际应用价值。

在400~720 nm波段范围，基于液晶可调谐滤波器(LCTF)和CMOS相机组合的多光谱成像系统，以四季豆叶片为研究对象每隔5 nm进行成像。根据图像亮度信息法和波段指数法的相关原理，首先分别计算得到各波段四季豆叶片的波段指数值和可识别度；然后对四季豆叶片的波段指数值和可识别度进行排序，综合图像的灰度离散、亮度信息丰富和波段的相关性小等特点，得出545、630、645、720、650和570 nm波段有较大的波段指数值和较好的识别度；最后根据最小欧氏距离法和光谱角度匹配法分别对四季豆叶片的特征波段的分类精度予以计算，两种方法的分类精度分别为100.00%和83.33%，得出选取的特征波段对四季豆叶片具有较好的分类精度。因此，545、630、645、720、650 和570 nm波段可作为四季豆叶片的特征波段。

从大量的成像光谱数据中选择出有效的特征波段, 用于对园艺作物的特征进行快速识别和分类。基于LCTF(liquid crystal tunable filter)成像的优点在于能够连续改变光谱透过中心波长。首先实验选取园艺作物——萝卜叶片为研究对象, 获取萝卜叶片表面每隔5nm各波段图像的灰度信息；然后求出各波段的灰度值标准差和相关系数；最后通过波段指数排序选取萝卜叶片的有效特征波段。实验结果表明, 在530nm、550nm、535nm、555nm和715nm波段具有较理想的波段指数值, 这些波段离散度大, 信息量丰富且波段间相关系数小, 因此这些波段是识别萝卜叶片的有效特征波段。