光谱成像技术是一种新颖的多维成像技术,由光学二维成像技术和光谱分析技术相结合而形成,可以同时探测到目标的空间信息和光谱信息。其中,高光谱成像技术一直是国内外研究的重点。高光谱成像系统由前置成像系统和高光谱分光系统两部分组成。本文围绕曲面棱镜Offner型高光谱成像系统,从前置成像系统和高光谱分光系统两部分展开对高光谱成像技术的研究。基于几何像差理论的研究,讨论了系统结构、色散元件参数对高光谱分光系统的像差影响,及色散元件材料特性对系统谱线分布非线性的影响。通过以上研究及分析,分别设计了色散元件为一次透射和二次透射式的两种曲面棱镜Offner型高光谱分光系统,并完成了像质分析及热稳定性分析。基于消色差、消热差基本理论的研究,分析并建立了一种复杂透射式长焦距光学系统的无热化模型,提出了一种基于权重分组进行材料挑选的光学系统无热化设计方法——1+∑法。在常温下满足像质要求的光学系统基础上,计算每一片透镜产生色差及热差能力的综合权重,通过比较权重进行初始结构的分组、等效及光学材料挑选,从而实现无热化设计。依据此方法及与光谱分光系统衔接时光瞳匹配的特点,完成了前置成像系统的初始结构设计和无热化设计。该方法极大地简化了光学系统无热化设计方法,可避免机械补偿或光学变焦补偿像质,能够使复杂透射式长焦距光学系统在大温差环境保持光学性能稳定。针对应用场合,进行了高光谱成像系统的一体化设计与热稳定性分析。本文中设计的高光谱成像系统工作波段为400nm~1000nm、数值孔径为0.167、平均光谱分辨率为4nm,共有150个光谱通道,前置成像系统焦距300mm。实现了在0℃~+40℃温差环境下的高像质、高光谱分辨率的成像要求。