成像光谱仪可以获取物体形态和光谱特性，以此来识别物体类型和鉴别物质成分，被广泛应用于农业、工业、航天遥感等各个领域。分光成像系统是成像光谱仪的核心部件，其直接影响整个成像光谱仪的性能。Littrow-Offner分光成像系统以凸面光栅为分光元件，属同心系统，其既继承了Offner中继光学系统固有像差小、成像质量高、相对孔径大、集光本领强等优点，同时还具有Littrow光学系统结构简单、紧凑的优点，符合现代成像光谱仪要求同时满足高分辨率和小体积的发展趋势。本文首先介绍Littrow-Offner分光成像系统的结构及其工作原理，理论分析它的成像特点。接着运用杨氏公式研究它的子午和弧矢成像特性，发现此型结构固有正像散的存在。因此，分析后加入带有负像散的弯月透镜抵消系统中的固有正像散。基于工作波段范围内像散最小，给出确定其初始结构的方法。其次，以应用于拉曼成像光谱仪为例，基于理论分析确定其初始结构，设计优化紧凑型单狭缝分光成像系统。为拓宽系统的工作波段，在单狭缝系统的基础上设计优化双狭缝分光成像系统。再以应用于空间遥感探测大气中二氧化碳的星载成像光谱仪为例，设计优化分辨率高达0.03nm的三个甚高光谱分辨率的此型分光成像系统,其包括O₂-A带、弱CO₂带和强CO₂带，工作波段覆盖0.758².085m。最后，以应用于拉曼成像光谱仪的单狭缝分光成像系统为代表性实例，通过详细的分析和优化公差分配，得到符合加工和装调要求的公差分配结果。