国内外研究的Dyson棱镜成像光谱仪有自身像差较小、高透过率等优点。对Dyson棱镜式成像光谱仪存在的色散均匀性进行改进，通过分析不同材料棱镜的色散规律，选用了熔融石英及CaF₂材料构成的消色差棱镜组，并采用超环反射面及透镜组校正其余像差。优化得到一种长度为80 mm的狭缝、色散较为均匀的Dyson棱镜成像光谱仪，同时采用双反物镜结构及拼接狭缝的手段达到总体200 km的幅宽要求。结果表明，在400~2500 nm波段范围及狭缝长度为80 mm的条件下，光谱分辨率为10 nm，光学系统设计值在25 lp/mm截止频率下，调制传递函数大于0.6。通过各波长色散后的像面光谱位置可以得出，在400~1200 nm范围内，色散曲线与拟合直线之间的拟合精度由单材料棱镜时的0.88提高到两种材料棱镜时的0.94，色散均匀性也得到了极大的改善。

快照式光谱成像系统可实时获取运动目标的光谱图像,在动态目标跟踪和识别等领域有着迫切的应用需求。快照式光谱成像系统的光谱分辨率与空间分辨率相互制约,针对现有快照式分光成像系统数值孔径小、难以同时实现高光谱分辨率和高空间分辨率的问题,提出了一种基于Dyson同心结构的新型快照式分光成像系统,它具有数值孔径大、成像性能优和结构紧凑等优点;视场离轴和复杂化设计可在保持光学成像性能的同时,增大机械装调空间,具有很好的工程可实施性。优化设计得到的新型快照式分光成像系统的数值孔径达到了0.3,光谱分辨率优于0.54 nm,空间采样点数为112×24。这种高光谱分辨率和高空间分辨率的快照式分光成像系统可为研究对大视场内快速运动目标进行精确探测识别的快照式光谱成像系统提供重要的理论基础。

研究了一种在1.0~2.5 μm短波红外波段上可用于机载精准农业观测的成像光谱仪光学系统。研究分析了用于精准农业探测所需的成像光谱仪科学性能参数, 着重改进了Dyson成像光谱仪系统并获得了完善的消像散条件, 使得其各组成部分在沿光轴方向和垂直光轴方向均具备足够的空间, 确保了狭缝、探测器和光学镜片的光机结构放置。设计成像光谱仪具备良好光学性能, 光学系统F数为1.5, 视场28°, 狭缝长度25 mm, 光谱分辨率12.7 nm, 空间分辨率1 mrad, 系统像差得到充分校正, 公差比较宽松。该系统的研究将为精准农业遥感应用提供一种思路。

本文主要设计一种新型的可用于机载的紫外-可见-近红外高光谱成像系统，从而为沿海水色环境与污染观测提供一种有效的观测仪器。首先,根据探测目标特点确定了仪器系统的性能设计参数，选择了Dyson成像光谱系统来满足系统在宽谱段上的高信噪比和高光学性能; 但Dyson成像光谱系统的结构过于紧凑，因此对Dyson成像光谱系统进行了研究，调整了狭缝、像面和光学元件的位置，使它们在轴向和垂直轴向上均具备足够的间隔，并在这种大空气间隔下分析了系统的完善消像差条件。通过光程分析和弯月透镜的加入，使改进型Dyson系统在0.278的数值孔径和320~1 000 nm的宽波段上具备良好的成像结果，全视场全波段MTF值在探测器奈奎斯特频率下(38.5 lp/mm)高于0.5，研制原理样机的光谱分辨率为3.375 nm，满足设计要求。该系统可为沿海水色环境的高光谱观测提供良好的工程应用基础。

为解决传统Dyson成像光谱系统结构过于紧凑而难于实际应用的缺点, 通过减薄半球透镜厚度和偏置狭缝位置的办法, 将狭缝、像面与半球透镜之间拉开了足够的轴上距离和垂轴距离; 结合光程进行分析, 获得了改进后Dyson系统的消像散条件; 在半球透镜和凹面光栅之间增加两个球面透镜, 对轴上距离带来的额外球差和色差进行校正.结合改进的Dyson成像光谱仪和Schwarzschild双反射镜系统, 设计了宽波段、小F数高光谱成像仪光学系统.对一工作波段为320~1 000 nm的实例设计结果进行分析可知, F数为1.8的全系统像差得到充分校正, 全视场全波段调制传递函数值在0.5以上, 光谱分辨率达到3.6 nm.该系统可用于沿海环境的高光谱观测.

基于反/折射球面罗兰圆建模和宽波段Dyson象散校正方法, 解释了大相对孔径高光谱分辨率的Dyson光谱成像系统存在的大工作距设计难题。 从工作距的角度, 比较了已有文献中报道的三种Dyson光谱成像系统改进思路。 在大工作距要求下, 采取第一种思路, 即在传统型Dyson光谱成像系统结构基础上, 引入球面弯月透镜和平面-非球面透镜。 建立了平面-非球面校正透镜的三阶像差模型, 给出了改进型Dyson光谱成像系统。 设计结果表明: 改进型Dyson光谱成像系统具有12 mm工作距, F/1.8相对孔径, 在0.38～0.9 μm谱段范围内光谱分辨率约为0.45 nm, 以及接近衍射极限的优良成像性质, MTF在全波段全视场100 lp·mm-1线处大于0.7, 最大像面均方根值半径小于1.2 μm。 同时, 系统的Smile(谱线弯曲)和Keystone(色畸变)得到了很好的控制, 保证了获取光谱数据的一致性。 改进型Dyson光谱成像系统具有大相对孔径和高光谱分辨率的特点, 而且系统焦平面探测器和系统入射狭缝两者的彼此间隙位置合适, 易于装配。 解决了传统型Dyson光谱成像系统实际应用中工作距不足的问题, 可为大气遥感、 农林调查、 海洋生物等领域的高光谱成像信息探测提供一个新型的高光谱成像系统, 对光谱成像系统的发展具有良好的促进意义。

基于Dyson同心光学系统的凹面光栅成像光谱仪具有像差小、 孔径高、 结构简单紧凑的优点, 同心结构要求光谱仪子系统的物面和像面必须重合为一个平面, 且物点和像点之间距离非常小。 现有的焦平面探测技术和装配技术难以满足理论设计要求。 为了解决实际中物点和探测器的安置问题, 对传统Dyson同心光谱仪光学系统进行了改进设计, 通过在成像光束中引入离轴反射镜实现像面位置的转移。 结果表明: 改进后的光学系统由于成像光束发生折叠, 物面和像面成功分离, 且改进后系统的全波段像差得到更合理的分配。

针对传统长波红外成像光谱仪难以同时实现弱遥感信号下高信噪比和小型化的现状，在数值孔径NA为0.19和0.33，工作波段为8~12 μm下，设计并对比分析了两种具有同心结构的Offner凸面光栅和Dyson凹面光栅光谱仪，借助Zemax软件，获得了它们的最优解。当NA1=0.19时，两者均能理想成像，Offner结构大小为245 mm×213 mm×111 mm，调制传递函数(MTF)大于0.38，光谱分辨率为35 nm，谱线弯曲小于4.8% , 色畸变小于12.8%；Dyson结构大小为308 mm×61 mm×49 mm，MTF大于0.48，光谱分辨率为12 nm，谱线弯曲小于0.047%，色畸变小于0.138%。当NA2=0.33时，Offner结构无法理想成像，Dyson结构仍有很好的像质，大小为317 mm×88 mm×88 mm，MTF大于0.71，光谱分辨率为1 nm，谱线弯曲小于0.015% ,色畸变小于0.028%。设计结果表明，长波红外波段中，相对于Offner结构，Dyson结构具有数值孔径大、体积小、光谱分辨率和传递函数高以及谱线弯曲和色畸变小的优点。

主要对一种远心成像光谱仪系统, 即Dyson成像光谱仪进行了设计研究。 这种成像光谱仪结构简单紧凑, 仅由一个半球透镜和一个凹面光栅组成。 在Rowland圆与折射理论的基础上, 分析了Dyson成像光谱仪在宽波段下可消除像散的重要条件, 即光栅半径与半球透镜半径之比, 并获得了具备极高光学性能的光学系统参数计算条件。 为了使这种成像光谱仪更适宜于工程化应用, 又在其基础之上设计和分析了探测器表面脱离半球透镜的方法。 设计实例获得了数值孔径0.33, 工作波段0.38~1.7 μm, 狭缝长度15 mm, 像面表面成像斑均方根值半径小于2.5 μm的Dyson成像光谱仪结构和改进后的像斑均方根值半径小于8 μm的改进型Dyson成像光谱仪结构。 该设计方法和设计结果合理可行, 优化结构性能优越, 并可用于工业及遥感等多个领域。