光栅光谱仪是目前应用广泛的一种光谱分析仪器,基于光色散的原理,提取不同波段的光谱。随着各领域对光栅光谱仪的需求与应用要求,光栅光谱仪在快速发展着,普遍应用在天文、国防、农业、生物学等领域,并逐渐向高精度、便携式、智能方向发展。本文在阐述了光栅光谱仪的应用范围与未来发展方向后,提出了研究以中阶梯光栅为主色散元件、平面光栅为交叉色散元件的高精度双光栅光谱仪。为打破一维探测元件对一维光谱仪器在探测像元方面的限制,提高光谱仪器的分辨率与探测器的有效利用率,选择交叉色散的分光系统是最为有效的手段。首先,交叉色散的分光系统能使光谱仪器应用在更宽的光谱波段内;其次,交叉色散分光系统能在两个互相垂直的方向分光,从而形成二维光谱,可以采用二维面阵CCD进行探测;再次,交叉色散分光系统可以解决中阶梯光栅光谱重叠的问题,从而提高光谱分辨率及光利用效率。本光谱仪选择采用Czerny-Turner结构,设计出波长范围为280～450nm,中心波长分辨率为0.1nm的高精度光谱仪。主要依据是Czerny-Turner结构紧凑、可以有效的降低像差并且有较好的平场特性;并且系统入射光线与出射光线之间的夹角是固定的,在系统中没有需要移动的部件,稳定可靠;采用二维探测器,实现全谱直读,响应度更好,仪器反应速度更快,能够实现高智能化和自动化。论文根据中阶梯光栅光谱仪的系统结构与设计要求初步计算确定系统各元件的设计参数,推导出系统方程,并将结构放入ZEMAX软件,对系统进行仿真优化。双光栅的结构在空间三个维度上都要采用复杂的坐标变换,提高了系统仿真难度。针对不同波长范围采用多重结构进行整体系统优化,最终得到最优解,并完成了系统公差分析。最终仿真结果表明,高精度双光栅光谱仪光学设计方案可行、可靠;系统结构简单,降低了设计及生产成本,稳定性好;可以达到设计指标的要求。