针对现有无人机(UAV)载高光谱成像仪存在的技术问题,设计一种紧凑型可见近红外成像光谱系统。首先采用成像光谱仪与面阵相机共光路一体化进行设计,然后利用高帧频面阵图像来反演相机的位置和姿态参数,最后对同步获取的推扫高光谱图像进行高精度的空间信息校正。该系统的工作范围为400~1000 nm,幅宽方向的视场为43.6°,飞行方向的视场为20.0°,焦距为13 mm,光谱分辨率优于2.5 nm。利用ZEMAX软件对系统进行优化设计和分析,其中光谱仪部分采用棱镜-光栅-棱镜型(PGP)的设计,具有质量轻、成本低和资源利用率高的特点。

针对现有的棱镜-光栅的组合设计存在结构复杂、调试困难的问题,建立了三棱镜-光栅组合色散的数学模型,提出了仅需改变三棱镜、光栅的空间相对位置来提高光谱色散线性度的双目标优化方法,获得了线性度良好的棱镜-光栅组合结构参数。采用光学标准件对模型的正确性进行仿真和实验验证。仿真结果表明:在400~1000 nm波段,系统具有长为15 cm、光谱线性度良好、结构简单的特点。实验结果表明,在420~780 nm波段,整体分辨率优于2 nm,进一步证明了该方法的有效性。本研究为棱镜-光栅组合设计提供了一种灵活、简单的结构设计方法。

为了满足地物成像光谱分析的需要，设计了同轴安装、体积小、重量轻的适用于无人机载的棱镜-光栅-棱镜型可见近红外成像光谱仪.通过角放大率选择、光焦度分配、相对孔径计算设计了视场较大的前置物镜；通过光栅方程求解、体相位全息光栅布拉格条件约束、棱镜折射定律设计了光谱系统的初始结构；通过工作光谱上下限出射角与探测器光谱维宽度的关系确定了成像物镜的焦距；通过出射光角度明确了出射光谱的非线性.设计的无人机载成像光谱仪工作光谱范围为400~1 000 nm，视场角为40°，全工作波段在空间截止频率20.8lp/mm处的传递函数值均大于0.67，光谱分辨率小于3 nm.装调了无人机载成像光谱仪对室外绿化树木进行光谱推扫成像实验，实现了树叶的多光谱成像.该成像光谱仪能够有效实现光谱成像，性能良好.

PGP模块是超光谱成像仪中重要分光器件。 为了能够在制作前有效预测PGP整个系统的衍射效率分布及其衍射特性, 提出了PGP整体化设计方法。 从体位相全息光栅设计角度出发, 结合棱镜与光栅各项参数的制约关系, 编制了计算PGP整体衍射效率的分析软件, 综合考察了棱镜与光栅各项参数对PGP模块衍射特性的影响, 讨论了光栅布拉格波长的漂移特性, 据此设计了一种用于成像光谱仪的宽波段高衍射效率PGP分光模块。 模拟结果表明: 棱镜1材料的色散系数越小, PGP的光谱带宽越窄； 光栅布拉格波长的漂移增大了PGP模块和光栅的光谱带宽, 带宽增大使光栅的角度选择性随之增大, 拓宽了棱镜1材料的选择要求； 棱镜1顶角、 光栅的胶层厚度和相对介电常数调制度等参数是影响PGP衍射效率分布的重要因素, 制作时需要精确控制。 利用此方法设计的PGP分光模块在400～1 000 nm波段范围内衍射效率不低于50%, 并给出具体设计参数, 这对PGP制作具有一定的参考价值。

大视场、超光谱分辨率、高空间分辨是光谱成像仪的发展方向，谱线弯曲和色畸变的抑制则是二维谱图信息准确提取的前提。提出了一种棱镜光栅光谱成像结构形式，并采用矢量方法构建了棱镜光栅组合色散元件的数学模型，优化了分光模块的结构参数，基于此组合色散元件设计了一个具有近直视光路结构的超光谱成像仪光学系统。该系统光谱范围为400~800 nm，入射狭缝长为14 mm，F数为2.4，其光谱分辨率达0.5 nm，调制传递函数(MTF)在探测器奈奎斯特频率68 lp/mm处均大于0.7，谱线弯曲和色畸变均小于1 μm，低于单个像素的13.5%。

针对平面光栅和棱镜成像光谱仪难以校正谱线弯曲的问题，提出了利用棱镜光栅（P-G）组合分光元件并结合系统物镜畸变校正谱线弯曲的方法。分别计算了棱镜和光栅产生的谱线弯曲以及P-G组合元件产生的光谱弯曲，分析了棱镜和光栅的谱线弯曲特性，并基于此设计了P-G组合分光元件和消谱线弯曲成像光谱仪结构。通过优化设计得到光学系统的光谱分辨率高于2 nm，点列图均方根(RMS)半径小于8 μm，系统谱线弯曲和光谱弯曲小于2 μm。证明了P-G组合元件结合系统物镜畸变可补偿校正整个工作波段的谱线弯曲和光谱弯曲。最后的设计结果表明，基于P-G分光元件的成像光谱仪系统在满足像质要求的前提下，谱线弯曲小于1/4像元尺寸，满足使用要求。

利用成像光谱仪图谱合一的特性，研制了一台用于临床诊断及术中导航定位的棱镜-光栅-棱镜式小型医用成像光谱仪。介绍了该成像光谱仪的设计原理，根据应用需求对其光学系统进行了分析，测试了光谱分辨率、谱线弯曲、色畸变等重要光学参数。结果显示，该光谱仪的实际光谱分辨率优于5 nm，满足应用需求。将该仪器与手术显微镜集成，进行了大鼠脑肿瘤在线诊断，获取了大鼠脑部胶质肿瘤的成像光谱数据。通过光谱数据分析，实现了脑肿瘤位置与大小的准确判断。该仪器具有光谱分辨率高、体积小、与手术显微镜有通用接口、可在手术中进行在线诊断等优点。

提出了一种基于棱镜-光栅-棱镜分光器件的短波红外成像光谱仪光学系统，该系统由离轴三反射式望远物镜、准直镜、棱镜-光栅-棱镜和会聚镜组成，光谱覆盖950~2 500 nm，空间视场达到22.5°.在实现宽视场、宽波段设计的同时，优化设计了棱镜-光栅-棱镜分光器件的各个参量.通过偏斜会聚镜光轴和棱镜-光栅-棱镜光轴在光谱维的角度，可以良好地校正色畸变keystone和谱线弯曲smile，将二者控制在5 μm以下，使得成像光谱仪获取的光谱信息更为准确.