由于光谱仪的尺寸限制，微型光谱仪在满足一定光谱范围时，其分辨力往往难以小于0.1 nm。而一些特殊应用场合要求光谱仪不仅具有微小的尺寸，还要求具有极高的光谱分辨力。本文基于Zemax 光学设计软件，通过选择合适的初始结构参数与评价函数，自动优化准直镜、聚焦镜、柱透镜、光栅，以及CCD 间倾角和距离，设计出光谱分辨力高达0.05 nm，尺寸为90 mm×130 mm×40 mm 的Czerny-Turner 结构微型光谱仪。在此基础上优化出8 个光栅倾斜角度，使微型光谱仪光谱分辨力在优于0.05 nm 的同时，波段范围达到了820 nm～980 nm。所设计的光谱仪具有超高的光谱分辨力、微小的外形尺寸与适中的光谱范围等特点。

高光谱分辨力是未来成像光谱仪发展的必然趋势。而传统的基于单色仪的光谱定标为了让单色仪输出足够光强，使得定标光源带宽与成像光谱仪的光谱通道带宽变得很接近，会显著影响定标精度。本文从理论上定量分析了定标光源带宽对定标精度的影响机制，提出了通过反卷积计算法和多像元合并法来修正定标光源带宽对光谱定标的影响。最后，通过不同带宽的定标光源对仪器进行光谱定标，并使用上述两种方法进行修正，得到的光谱分辨力精度均优于0.2 nm，达到了定标系统的精度，验证了方法的可行性。

为了测量大气层中分布在近红外波段(1 591～1 621 nm)的CO₂ 吸收光谱，设计了一种高分辨力光谱探测仪，并开展了相关原理样机的研制。对国外载荷进行分析，系统选用了平面反射光栅分光的结构形式。光谱仪由前置望远物镜及成像光谱仪组成，望远镜采用匹兹伐结构，以满足系统大相对口径、小瞬时视场的特点。通过ZEMAX进行仿真和优化设计，系统实现了0.1 nm 的高光谱分辨力，在20 lp/mm 处MTF 大于0.65。这种方案工程实现性好，设计方法与结果合理可行。

为满足空间大气痕量气体探测的迫切需求, 设计并研制了一个空间遥感大气痕量气体临边探测仪原型样机.该样机光学系统由离轴抛物面望远镜和改进型Czerny-Turner光谱仪组成, 工作波段为380～570 nm.在工作波段内, 点列图半径的均方根值均小于9 μm, 校正了像散, 整个工作波段内同时获得了良好的成像质量.原型样机质量12 kg, 体积420×350×200 mm3, 空间像元分辨力0.6 km, 光谱分辨力0.86 nm, 各项指标均满足要求.利用临边探测仪原型样机进行了外场观测试验, 外场观测光谱数据与模拟光谱数据进行了比对, 二者具有很好的一致性, 表明大气痕量气体临边探测仪功能和性能良好, 满足大气痕量气体探测的应用要求.

为了诊断等离子体X射线, 利用X射线布拉格衍射原理研制了球面弯晶谱仪。实验采用α-石英作为其晶体分析器色散元件, 晶体弯曲半径为250 mm, 布拉格角为30°～67.5°; 采用接收面积10 mm×50 mm的X射线胶片作为摄谱器件, 接收等离子体X射线谱线信息。通过在“阳”加速器装置上进行实验, 得到了钛等离子体X射线K壳层激发谱线信息, 其光谱分辨力可达到1 000以上, 光谱带宽约为0.43 eV。

提出一种光谱分析仪光学系统的优化设计方法.该方法以光线光学为依据,在光源和光瞳上以高密度取样,将追迹实际取样光线得到的点列图作为评价依据,根据光谱分析系统的评价指标,将整个系统以单色器入口为分界点分为两个子系统,分别对其进行优化设计,研制了对结果的后处理模块,并将其集成到光学设计软件中去.给出了一个原子吸收分光光度计光学系统实例,使用波段为190～860nm.设计结果和样品实验表明,该系统达到0.3nm的光谱分辨力要求.

根据菲涅耳衍射理论,采用微光学元件制作技术,通过三次套刻制作出八位相台阶的二元离轴菲涅耳透镜.这种微型光学元件同时具有色散分光和聚焦功能,用来作为分光元件时,具有较高的光谱分辨本领和衍射效率.实验测出其衍射效率大于68%.

对声光可调谐滤光器(AOTF)及其分光系统的光学特性进行了实验研究，提出了提高衍射光谱纯度的有效方法，分析了正交双偏振方法和光电结合的调制解调方法，并以近红外区域水的吸收峰测量谱图为例，对几种分光系统的改进效果与傅里叶变换红外光谱仪的测量效果进行了对比验证。结果表明，两种方法均能有效地消除零级光的影响，但正交双偏振方法以牺牲光能利用率为代价，调制方法能够在不降低光能利用率的情况下提高AOTF分光系统的光谱分辨力和信噪比，并可以简化光路结构。

根据声光互作用原理,以TeO2晶体为互作用介质,选取互作用长度为28mm,设计制成近红外声光可调滤光器 (AOTF),其衍射波长与超声频率存在对应关系.测试结果表明,该器件的工作波长范围为0.9～2.6μm,驱动频率为40~120MHz,光谱分辨力为7.268nm,6.957nm(对应波长分别为1.5μm,2.4μm).