高光谱成像仪的精细分光能力能探测出物质微小的差异,而长波红外谱段是大气的主要透过窗口之一,又是地物光谱特征的重要覆盖区域,因此长波红外高光谱成像仪在遥感应用领域,尤其是在矿物勘探,化学化工,城市热流分析以及军事等方面,具有重要的应用价值。本文首先介绍了国内外长波红外高光谱成像仪的研究发展现状,指出长波红外高光谱成像技术必定也会像可见短波高光谱成像技术一样,向着宽幅、高分辨率的方向发展。接着对长波红外精细分光方式进行了详细的研究,发现光栅色散型分光方式在长波红外波段具有独特的优势。利用改进型的Offner结构设计了一款长狭缝小F数的光谱仪以及与之匹配的望远镜,并对核心器件凸面闪耀光栅进行了深入的设计分析。最后讨论了长波红外系统背景辐射抑制方法,为仪器的性能提升打下了坚实的基础。论文的主要研究内容及创新点如下:1.设计并实现了国内首个基于凸面闪耀光栅分光的长波红外光谱仪的光学系统,该系统采用改进型的同轴Offner结构,性能指标先进。其狭缝视场达到60mm,F数为2,成像弥散斑半径小于5μm,MTF达到衍射极限,光谱弯曲及光谱畸变均小于10μm。2.对核心分光器件进行了深入的研究,提出了一种先进行衍射效率优化设计,再进行基本结构参数计算的闪耀光栅设计方法,并评估各类参数误差对光栅最终性能造成的影响,为多种槽型结构的凸面闪耀光栅更灵活的应用于成像光谱仪奠定基础。3.研究了高阶非球面在简化光学结构方面的应用,并仅用6片透镜设计了一款视场60°、F数为2、近似像方远心的透射式望远镜,适用于宽幅高分辨率的高光谱成像系统。4.分析了长波红外高光谱成像仪背景辐射的抑制方法,提出多种常温抑制手段联合可以大幅降低背景辐射的影响,在仪器200K的温度下即可达到单一制冷到100K温度下的背景辐射抑制效果。