CO2是重要的温室气体,近几十年来,其排放量不断增加,引起的气候问题已经成为全球关注的重大环境问题之一。为了研究CO2对气候变化和全球生态系统的影响,需要高精度测量大气CO2在全球范围内的时空变迁。本文研究适用于低成本微小卫星的大气CO2柱浓度探测成像光谱仪光学系统。首先,阐述大气CO2柱浓度遥感探测原理,利用逐线积分辐射传输模型(LBLRTM)数值分析探测精度、光谱分辨率和信噪比要求之间的相互关系,确定仪器的光谱分辨率及信噪比要求,进而确定光学系统F数及前置、分光系统的指标参数。根据这些指标和光学系统微小型化要求,重点研究基于逆卡塞格林前置成像物镜和平场消像散离轴三反中阶梯衍射光栅Littrow装架分光系统方案,具有三个波段共用一个光学系统,结构紧凑的优点。接着,基于平场消像散离轴三反Littrow装架分光系统的对称特性,从半部系统出发,根据其初级像差公式,求解分光系统初始结构。借助商用光学设计软件,设计了F数4、光谱分辨本领21000的微小型大气CO2柱浓度探测成像光谱仪光学系统。为进一步减小成像光谱仪体积,研究和分析采用浸没衍射光栅提高光谱分辨本领、减小分光系统体积的原理与方法。研究与优化设计表明,采用中阶梯浸没衍射光栅,成像光谱仪分光系统体积减小为原来的40%。最后,对设计得到的中阶梯浸没衍射光栅光学系统进行公差优化分配,得到符合实际加工要求的公差分配结果,并设计遮光结构,分析系统杂光,结果表明系统杂光抑制性能良好。设计得到了结构紧凑、体积小、探测精度可达2ppm的大气CO2柱浓度探测成像光谱仪光学系统,为今后研制低成本微小卫星大气CO2遥感器样机奠定了基础。