大视场、高分辨力星载高光谱成像仪已成为空间遥感的迫切需求,要求其望远系统在宽视场内具有高空间分辨力。在共轴三反系统的几何光学成像理论基础上,研究了用于高光谱成像仪的大视场离轴三反消像散（TMA）望远系统的设计问题,编制了初始结构计算程序,采用视场离轴方式,设计了一个波段范围0.4～2.5μm、焦距360 mm、相对孔径1：4、线视场11.42°的离轴三反望远系统,其主镜为6次非球面,次镜和三镜为二次曲面,考虑到市售探测器的限制,提出了视场分离的分光方法,在离轴三反系统的焦平面附近加一个刀口反射镜实现视场分离。在奈奎斯特空间频率28 lp/mm处,调制传递函数大于0.75,成像质量接近衍射极限。

根据高分辨力、大视场的要求,考虑到市售探测器的限制,提出了视场分离分光的方法,分析了视场分离分光的原理。利用此方法设计了一个星载高分辨力、大视场高光谱成像仪光学系统,该系统由11.42°远心离轴三反消像散（TMA）望远系统和2个Offner凸面光栅光谱成像系统组成,运用光学设计软件CODEV对高光谱成像仪光学系统进行了光线追迹和优化,并对设计结果进行了分析,分析结果表明,光学系统在各个谱段的光学传递函数均达到0.7以上,完全满足设计指标要求。

设计了一种单光束紫外-真空紫外分光光度计，主要由150W氘灯辐射源、前置超环面聚光镜、Seya-Namioka全息凹面光栅单色仪、后置反射光学系统、光学调制器、样品/探测器转台、光电倍增管探测器及计算机控制系统组成。利用ZEMAX光学设计软件，对该单光束紫外-真空紫外分光光度计光学系统进行了优化设计，并设计了正弦波长扫描机构。对设计结果进行了分析，从设计结果的分析表明，所设计的单光束紫外-真空紫外分光光度计满足设计指标要求，扫描光谱范围115-400nm，光谱分辨力小于0．5nm，波长精度小于0.1nm。

根据大视场短波红外成像光谱仪的要求,考虑到市售探测器的限制,提出了视场分离的方法,分析了视场分离方法的原理.利用此方法设计了一个星载大视场短波红外成像光谱仪光学系统,该系统由11.42°远心离轴三反消像散前置望远系统和2个Offner凸面光栅光谱成像系统组成,运用光学设计软件CODEV和ZEMAX对成像光谱仪光学系统进行了光线追迹和优化,并对设计结果进行了分析,分析结果表明,光学系统在各个谱段的光学传递函数均达到0.7以上,完全满足设计指标要求.

分析了大气临边成像光谱探测的原理,依据应用要求设计研制了光栅色散型紫外/可见临边成像光谱仪原理样机。该样机采用宽波段折射式消色差前置望远光学系统与改进的Czerny-Turner光谱成像系统匹配的结构形式,工作波段为540～800nm（一级光谱）和270～400nm（二级光谱）,通过切换紫外、可见带通滤光片来实现两个波段分别探测,质量为8kg,体积为450mm×250mm×200mm。用该样机进行了实验室光谱实验,并对光谱分辨率进行了分析,测量了该样机的实际光谱分辨率。测量结果表明,该样机的实际光谱分辨率为1.3nm,接近其理论光谱分辨率1.12nm,满足设计指标1.4nm的要求,并具有体积小、质量轻等特点,适合空间遥感应用。

为了减小超光谱成像系统的质量和体积，校正光谱成像的谱线弯曲，提出了一种新型带有Fery曲面棱镜的OFiner超光谱成像系统。在该系统中，一对Fery曲面棱镜位于OFiner中继系统的两臂，光束两次通过Fery棱镜进行分光，因此当获得指定大小的色散值时该结构具有比传统结构更小的质量和体积。为了减小可见近红外（VNIR）光谱通道的非线性色散，在该结构中还引入一对消色差火石Fery棱镜。设计了应用于VNIR和短波红外（SWIR）两个光谱通道的超光谱成像系统，并给出了设计结果。结果表明，该光谱成像系统在两个光谱通道内的谱线弯曲均小于0．1个像元，色畸变均〈0．045个像元，而非线性度小于0．1，可满足机载或星载超光谱成像仪的要求。

线扩散函数是评价成像系统成像质量的一个重要参数，线扩散函数的模拟分析与验证对成像仪的研制至关重要。本文首先分析中波红外全景成像仪探测器所接收到的辐亮度，从理论上估算了全景成像仪的线扩散函数，然后通过斜缝法加以验证，试验结果证实了理论模型的正确性。并对线扩散函数经离散傅里叶变换计算而得MTF传递函数，结果与理论得出的系统MTF基本符合，进一步证明了这种模拟分析方法的可行性。

用于大气临边探测的高光谱成像仪是一种探测大气痕量气体的新型空间光学遥感仪器。分析了利用高光谱成像仪进行大气临边探测的原理,设计并研制了一台紫外/可见高光谱成像仪原理样机,该样机光学系统由前置望远系统和改进的Czerny-Turner光谱成像系统组成,工作谱段为280～390 nm和560～780 nm,通过转轮切换紫外、可见滤光片分别探测这2个波段。高光谱成像仪原理样机质量为15 kg,体积500 mm×350 mm×200 mm。对该样机的性能进行了检测并测量了低压汞灯的光谱。性能检测结果表明,空间分辨力为0.44 mrad,光谱分辨力为1.3 nm,均满足设计指标要求。该样机结构紧凑、质量小,在空间大气痕量气体探测领域有广泛的应用前景。

为满足空间紫外遥感高精度光谱辐射测量工作的要求，设计了一种Ebert-Fastie型双层结构平面全息光栅双单色仪，由球面准直聚光镜、平面和屋脊转向镜、平面全息光栅及入射、出射和中间狭缝组成，扫描波长范围160～400nm。这种双层结构的特点在于两块完全相同的平面全息光栅安装在同一转轴上做到同轴转动，不但把机构基本上简化为一个单色仪的结构，而且确保了两块光栅同步地进行光谱扫描，色散相加，光谱分辨率小于0．15nm。此外，前后两单色系统被隔成基本封闭的腔体，用来割断两单色系统杂散光之间的相互影响，抑制整个系统的杂散光，整个系统的杂散光水平可达10^-6，满足空间紫外遥感高精度光谱辐射测量的要求。