星载CO₂成像光谱仪具有图谱合一、高空间分辨率、高时间分辨、非接触和长期监测的优点，已成为监测全球温室气体变化的重要手段之一。为解决大视场因入射狭缝较大，信噪比低，成像质量不佳的问题，文中对Offner成像光谱仪的光学系统初始结构设计提出了一种新方案。该方案基于在30 mm狭缝处发出的子午光线、弧矢光线在中心波长处相切，提高入射光线在整个光谱范围内的利用率。利用光学设计软件，设计在1594~1619 nm波段范围内，F数为2.5，光谱系统分辨率为0.1 nm的成像光谱仪。设计结果表明，点列图均方根（RMS）半径小于5 μm，系统在33 lp/mm处的传递函数优于0.7。此外，该系统采用像元合并（即扩展像元）的方法，进一步提高光谱信号的探测强度，该设计方案能够满足应用于星载CO₂成像光谱仪大视场、高光谱分辨率和高信噪比的遥感探测需求。

针对一款基于DMD的光谱维编码Offner光谱成像仪对凸面闪耀光栅的性能要求，提出了一种凸面闪耀光栅的宏观-微观一体化优化设计方法，利用三维偏振光追迹算法有机融合了宏观层面的Offner光学系统设计与微观层面的凸面闪耀光栅槽型设计。介绍了编码孔径Offner光谱成像系统的组成和工作原理，并结合系统的使用要求设计了一款平均衍射效率为85.47%的中波红外凸面闪耀光栅。在此基础上，采用超精密单点金刚石车床成功制备了曲率半径为120 mm、周期为99.945 μm、闪耀角为1.1783°、槽深为1.834 μm的凸面闪耀光栅。测试结果表明，在3~5 μm光谱范围内，最大衍射效率为93.46%，平均衍射效率为84.29%，与理论设计值较为吻合，验证了凸面闪耀光栅设计方法的有效性。

高衍射效率的凸面闪耀光栅是高光谱分辨率成像光谱仪的核心分光元件，其制作方法包括机械刻划法、电子束直写法、X射线光刻法、全息离子束刻蚀法等，其中全息离子束刻蚀法因为具备良好的各向异性，不受尺寸与曲面形状限制，杂散光低，完全没有鬼线，制造时间短等优点成为现今光栅制造领域常用方法之一。传统全息离子束刻蚀凸面光栅时基底的弯曲会导致槽形闪耀角的不一致性，并且在制作小闪耀角凸面光栅时基底表面会有部分区域无法被刻蚀和槽形曲面不连续的现象，而摆动刻蚀凸面闪耀光栅可以克服上述缺点。对全息离子束刻蚀方法制作凸面闪耀光栅多方面进行了综述。

为满足在各种谱线分布下对遥感仪器的光谱辐射定标，减小辐射定标光源对空间光学遥感仪器定标系数的影响，解决目前辐射定标光源光谱模拟精度低、光谱动态调节范围小的技术难题，本文从光谱叠加理论出发，根据多光谱合成原理，提出一种凸面光栅的Offner型宽动态范围辐射定标系统的设计方法。通过推导Offner型光谱成像光学结构的消像散条件，设计了一种柱面镜Offner型光谱成像光学系统，实现了宽光谱光束的精确细分，建立了数字微镜与其阵列面空间光谱辐射分布的映射关系。利用数字微镜的空间光调制特性，实现了辐射定标光源光谱分布大动态范围模拟。实验表明，辐射定标光源相邻单位阵列微镜的输出光谱峰值间隔小于0.5 nm，3种典型色温T=3000 K、T=5000 K和T=7000 K光谱模拟精度分别为5.2%、4.1%和3.2%。本文提出的设计方法有效提高了辐射定标光源的光谱模拟精度，减小了光谱不匹配对空间光学遥感仪器定标系数的影响。