高光谱成像技术能够同时获取地物的图像和“指纹”光谱信息,在地物精确分类和识别等应用方面有巨大优势。目前,高光谱成像技术已广泛应用于资源调查、气象观测、地质勘测、海洋研究、植被分析和气体监测等遥感观测领域,并发挥了重要作用。随着高光谱成像技术研究的不断深入,应用范围的不断扩展,安装平台种类的持续增长,尤其是微小卫星平台、无人机平台的飞速发展,对高光谱成像仪器的体积、重量、成像质量和成本控制提出了更高的要求。传统成像光谱仪的结构形式和设计方法已经不能兼顾这些苛刻的要求,近些年蓬勃发展的自由曲面光学技术为这些难题的综合解决提供了契机。因此,本文将自由曲面光学技术用于高光谱成像光谱仪系统,建立了自由曲面成像光谱仪系统设计新方法,解决了大视场、高数值孔径与小型化之间的相互制约难题。主要研究内容包括:（1）大视场自由曲面Offner曲面棱镜成像光谱仪光学系统设计方法研究。自由曲面Offner曲面棱镜成像光谱仪光学元件均工作在偏心和偏转状态,光线追迹过程复杂,引入自由曲面反射镜增加了系统设计的难度,如何选定自由曲面反射镜的初始镜面参数成为系统设计的难题。本文针对曲面棱镜色散光谱仪结构提出了“逆向光学设计”思想,通过推导光线追迹公式,构建系统像差与光学曲面的偏微分方程,通过拟合离散数据点,获得了包含自由曲面参数的初始结构,独立开发了一套求解自由曲面反射镜初始结构的程序,建立了大视场自由曲面Offner曲面棱镜成像光谱仪光学系统设计流程,完成了优化设计。设计结果表明,采用该设计方法,在保持相同光学性能的前提下,光学系统较原系统总长度减少了44%,体积减少了75%,该设计方法有效地降低了自由曲面成像光谱仪的设计难度。（2）紧凑型Offner成像光谱仪的矢量像差分析方法研究。将矢量像差理论应用于紧凑型Offner光栅成像光谱仪的像差分析,合理地解释了Offner光栅成像光谱仪的波长差异性现象。通过引入Offner光栅成像光谱仪“等效视场偏心矢量”的概念,建立了系统的三阶矢量像差表达形式,解析了系统设计的关键因素。此外,根据自由曲面、孔径光阑和色散元件的矢量像差分析结果,确立了Offner光栅成像光谱仪自由曲面的最优位置。采用本文的设计方法,设计了光谱范围0.4μm-1μm、狭缝尺寸22.5mm、数值孔径0.167、光谱分辨率优于2.7nm的大视场自由曲面Offner光栅成像光谱仪。相比同指标球面成像光谱仪,本文设计的成像光谱仪总长度减少了37%,并且体积降低了75%。本文提出的新设计方法,有力推动了大视场自由曲面Offner光栅成像光谱仪小型化的发展。（3）高数值孔径自由曲面成像光谱仪设计方法研究。根据系统矢量像差分析结果,提出的“偏置变形孔径光阑”和“单光线像差校正”设计方法,可以在实现大视场的同时,获得高数值孔径的设计。采用近轴光线追迹数据及矢量像差约束条件,计算了“偏置变形孔径光阑”的初始参数。然后,采用软件间数据交互计算与优化的方法,通过光学设计软件Zemax和数据处理软件Matlab实现自由曲面离散数据点的快速获取,简化了自由曲面光学系统的设计过程和复杂性。提出了一种改进的自由曲面面形拟合策略,能够兼顾离散数据点与法矢量,自由曲面拟合结果更优。针对本文提出的高数值孔径自由曲面成像光谱仪设计方法,开发了相应的软件模块,对此前的成像光谱仪系统优化了设计,在指标和成像质量相同、不增大结构尺寸的前提下,数值孔径提升至0.2,集光能力提升了40%。该设计方法对具有大视场、高数值孔径、小型化成像光谱仪的研制具有重要应用价值。（4）自由曲面成像光谱仪杂散光分析方法与抑制技术研究。针对紧凑型成像光谱仪系统“多级-多次衍射”杂散光问题,提出了“孔径补偿”的杂散光抑制设计方法,设计了能够消除“多级-多次衍射”杂散光的大视场紧凑型自由曲面成像光谱仪。本文也对自由曲面成像光谱仪的可制造性进行了详细研究和分析,制定了可行的检测和加工方案。加工完成了自由曲面成像光谱仪核心光学元件“自由曲面反射镜”,检测结果表明,自由曲面的各项指标满足公差要求,进一步证明了自由曲面成像光谱仪具有确实可行的制造能力。