本文提出了一种基于多级微反射镜和栅格分束器的静态轻型傅立叶红外变换光谱仪, 通过两个多级微反射镜实现光程差的空间离散和干涉图的静态二维采样, 通过引入栅格分束器有效降低了系统的体积和重量。作为该光谱仪的核心光学器件, 多级微反射镜的阶梯高度一致性、面型平整度和结构精度是决定采样间隔、分辨率和噪声等仪器指标的主要因素。本文提出了基于MOEMS技术的厚度依次减半多层膜法, 制作了台阶高度为0625 μm, 阶梯数为32的低阶梯多级微反射镜。测得实际阶梯高度平均值为6269 nm, 表面粗糙度均方根值为172 nm。分析了阶梯高度误差对光谱复原的影响, 提出了两种阶梯高度误差校正方法, 分别为通过修正因子来减小膜厚监控误差, 和利用最小二乘余弦多项式算法对复原光谱进行校正。校正后的复原光谱误差(SCE)降低为234%, 满足系统对光谱复原的要求。最后, 将该低阶梯多级微反射镜置入光谱仪中, 得到乙腈样品的干涉图和复原光谱图。

由于系统装调与器件定位精度的限制，空间调制傅里叶变换光谱仪中的两个多级微反射镜在对准过程中会产生相对位置的平移和旋转。为了明确对准误差对系统产生的影响，利用线性系统理论与标量衍射理论分别建立了平移误差与旋转误差对应的干涉图像与复原光谱的模型。通过对计算结果的分析，平移误差与旋转误差均会对边缘的干涉图元进行剪裁，从而在复原光谱中引入伴线，带来光谱噪声。根据平移误差与旋转误差对干涉图像的作用特点，提出一种对干涉图像进行区域补偿的方法，通过扩展多级微反射镜的阶梯级数扩大干涉区域，然后利用干涉图像内部有效的干涉图元进行光谱反演；计算表明该方法可以有效抑制对准误差给系统带来的影响，从而降低多级微反射镜的定位精度要求。

提出了一种基于多级微反射镜的静态化新型红外傅里叶变换成像光谱仪结构。系统不含狭缝和可动部件，因此光通量大、结构稳定。介绍了该成像光谱仪的工作原理和光程差的产生方式。根据系统原理对后置成像光学系统进行了分析与设计。结果表明:在-20 ℃~60 ℃的温度范围内,系统成像质量良好。全视场传递函数在CCD奈奎斯特频率17 lp/mm处大于0.6。系统的均方根(RMS)最大光斑直径小于12 μm，系统单个像元能量集中度大于80%，冷光阑匹配效率接近100%。以RMS光斑直径变化为标准，计算了系统的公差灵敏度矩阵，计算结果表明,后置成像系统0视场光斑尺寸小于16 μm的可能性为97.7%。

空间调制傅里叶变换红外光谱仪无可动部件, 系统稳定而紧凑, 而且程差可控, 可实现在线监测和实时检测。 多级微反射镜是光谱仪干涉系统的关键器件, 其在系统中的位置精度对光谱仪性能影响很大。 本文对多级微反射镜的倾斜误差引起的光程差变化进行了理论计算, 并利用光学软件进行了模拟仿真。 分析结果表明, 随着多级微反射镜倾斜角度的增大, 干涉图对比度下降, 对应的光谱图脉冲谱线展宽, 信噪比下降, 严重时会出现波数偏离。 以上分析方法对后期系统公差分配及装调有着重要的指导意义。

由于光谱分辨率或光谱信噪比只能作为光谱仪干涉系统的性能评价指标，但不能用于光学系统的公差分析与优化，所以将系统分为三个子系统：前置光学系统、干涉系统与后置光学系统，分别采用不同的评价标准分析系统公差。前置光学系统采用波像差为评价标准，给出波像差与光谱噪声的关系，分析误差对波像差的影响，间接给出各种误差对系统性能的影响。干涉系统直接采用光谱噪声作为评价标准，可直接给出各种误差对系统性能的影响。后置光学系统采用光斑尺寸作为评价标准。通过这种方法，计算出三个子系统的灵敏度矩阵，并且给出了前置光学系统与后置光学系统的公差分配。

对基于多级微反射镜的傅里叶变换红外光谱仪进行了光学分析，研究了光源尺寸、光强分布的不均匀性和光学系统像差等因素对光谱复原的影响。发现光源尺寸影响光谱分辨率，光强分布的不均匀性和光学系统像差会产生基线噪声。数值计算的结果表明，当光阑的尺寸小于2.5 mm，不均匀的标准偏差小于0.5，准直系统的波像差均方根值小于0.05，以及缩束成像系统的光斑直径小于30 μm时，光谱复原的噪声可以忽略。给出了光学系统的设计结果。

随着环境科学、气象监测和空间探测等前沿基础研究领域的发展，可便携、实时监测的光谱仪器的需求变得更加迫切。以多级微反射镜为关键器件的空间调制微型傅里叶变换红外光谱仪体积小、无可动部件，可实现实时检测与在线监测。模拟分析了多级微反射镜的台阶高度及表面粗糙度对复原光谱的影响，得到多级微反射镜的台阶高度允许的最大误差为±0.18 μm，反射面表面粗糙度的最大容限为150 nm和200 nm。根据实验研究及对比分析，选用多次光刻电镀方法制作了多级微反射镜。测试表明，以此方法制作的多级微反射镜表面粗糙度均方根(RMS)值为90.23 nm，台阶高度误差值为±0.1 μm，基本满足系统的设计要求。

对基于多级微反射镜的傅里叶变换红外光谱仪的衍射效应进行了计算分析, 讨论了多级微反射镜宽度, 衍射距离以及波长产生的衍射效应对光谱复原的影响. 从模拟的结果可知, 在衍射距离小于10 cm, 反射面宽度大于0.5 mm的情况下, 衍射效应较小, 而且探索出了一种可以减小噪声的数据处理方法. 文章的结论将应用于微型傅里叶变换红外光谱仪的设计、 数据处理以及系统的优化.