为满足红外双光栅光谱仪波长重复性±0.05 nm的指标要求，设计了光谱仪的波长扫描机构，分析了影响波长重复性的误差源。根据光谱仪结构特点和指标要求，设计了基于丝杠和摆杆的正弦机构作为波长扫描机构，依据凹面光栅扫描原理，推导了光机参数转换公式，分析了各误差源对波长扫描机构的影响。分析结果表明，在丝杠重复定位精度为±1.2 μm时，光谱仪在760~2200 nm波段范围内的重复性应优于±0.05 nm。设计了红外双光栅光谱仪原理样机，并进行了实验验证。以汞灯为光源对其多个特征波长进行7次扫描，计算波长扫描机构在特征波长处的波长重复性。实验结果表明，光谱仪的波长重复性为-0.038~0.041 nm，波长扫描机构满足使用要求。

光栅光谱仪作为研究太阳辐射的重要设备之一, 其波长扫描机构的精度很大程度上决定了最终测量结果的准确性。从光机系统的光栅参量误差和机械结构误差两方面入手, 对丝杠摆杆波长扫描机构展开综合精度分析, 依据凹面光栅色散原理, 推导出波长λ与摆杆末端沿丝杠方向位移x, 摆杆长度l, 光栅常数g和入射光线与出射光线夹角半值δ之间的关系。再对等式求导, 依据误差叠加原理, 计算出在红外工作波段650 nm~2 400 nm范围内, 其波长定标误差应不超过±1.227 nm。在实验样机上进行验证, 以汞灯为光源拟合出误差与波长的关系曲线, 并以氦氖激光器为光源加以验证。实验结果证明了理论计算的正确性, 该分析方法为双光栅光谱仪零部件精度指标的确定提供了依据。

单色仪是成像光谱仪进行光谱连续定标的必备设备, 为了对高光谱成像光谱仪进行连续光谱定标, 设计了一种轻小型高光谱分辨率的光栅单色仪。 采用水平式Czerny-Turner光路结构, 以高光谱分辨率为出发点, 通过推导计算, 从光栅选型、 焦距计算、 狭缝尺寸的确定等方面详细论述了光栅单色仪的设计思路, 给出仪器的重要必要结构参数, 并论述了这些结构参数对仪器光谱分辨率和体积的影响。 根据光栅单色仪的光路特点, 对入射狭缝组件、 准直物镜组件和成像物镜组件、 扫描结构、 机身等进行轻小型机械结构设计, 并给出正弦杆扫描机构的结构参数与仪器输出波长和波长扫描精度的数学关系, 完成了仪器的整体结构设计和装调。 应用汞灯可见光光谱进行波长定标, 采用最小二乘法得到定标曲线, 并提出步进数极限误差与定标曲线相结合的方法, 求得仪器的波长重复性和波长准确度; 仪器在400~800 nm波长范围内, 光谱分辨率优于0.1 nm, 波长重复性达±0.096 6 nm, 波长准确度达±0.096 9 nm。

为提高光栅光谱仪的波长扫描精度, 设计了一套可对光栅转动情况进行实时反馈的系统结构, 实现了仪器在高速和高精度扫描上的统一。在对反馈结构进行设计时, 应用光栅尺测位移技术对正弦丝杆上的滑块进行位移反馈, 由计算机对其进行接收和处理。对比实验显示, 仪器本身波长扫描精度为 0.7 nm, 加入反馈电路进行反馈后波长扫描精度可达 0.15 nm。结果表明, 加入对光栅转动情况的反馈结构后, 可使光栅光谱仪满足高精度扫描要求。

为了使上海光源(SSRF)研制的SX-700单色器的主要设计指标——波长扫描转角重复精度满足优于0.43″的要求，研究了单色器的波长扫描组件—光栅正弦机构的转角精度误差来源。设计单色器结构时，运用有限元分析软件ANSYS对光栅正弦机构进行数值模拟计算，并根据模拟结果对光栅正弦机构的转角重复精度进行了误差分析，得到的转角重复精度为0.28″。依据分析结果制定了工程设计方案，并成功加工、装配了SX-700单色器。利用作者建立的一套由光电自准直仪组成的测试系统对光栅正弦机构的转角重复精度进行测试，实测精度为0.15″。结果表明，设计的SSRF的SX-700单色器光栅正弦机构的转角重复精度满足设计要求。