光谱成像仪是一种可以同时采集目标的空间结构信息和光谱信息的新型光谱遥感设备,将成像技术和光谱技术有机融合,实现被测目标的定时、定位、定量、定性分析,解决了传统光学仪器领域不能同时对目标进行图像分析和光谱分析的难题。与在准直光束中使用光栅或棱镜作为色散元件的传统光谱成像系统相比,同心光谱成像系统可以很好得校正谱线弯曲(Smile)和色畸变(Keystone)的问题,并且具有平像场、体积小和质量轻等优点,可以适应各种遥感平台的搭载,已广泛应用于军事侦察、资源勘查、环境监测、天文观察等领域。以曲面光栅作为色散元件的同心光谱成像仪,具有结构简单紧凑、便于装调等优点,但光栅在实现宽工作波段、高衍射效率方面困难较大。因此,以具有宽自由光谱范围和高光谱透过率的棱镜作为同心光学系统色散元件的光谱成像系统受到了关注,而且取得了较好的研究成果。但是,棱镜的缺点是色散具有非常明显的非线性,增加了光谱定标的难度,而且光谱取样的非线性会严重影响光谱敏感度。此外,作为实现光谱成像仪高保真、高空间分辨率成像的前置望远成像镜头,需要根据光谱成像系统特点展开进一步的研究。鉴于此,本论文对同心光谱成像仪的整体光学系统进行了较为深入的研究。主要研究内容包括以下几方面：第一,基于几何像差理论和波像差理论,利用光线追迹法建立了同心光谱成像仪像差分析模型,推导了结构参数、色散元件参数对同心光谱成像仪像差的影响,加深了对同心光谱成像系统的理解,为同心光谱成像仪的光学设计提供了理论指导。第二,设计了Offner凸面光栅光谱成像仪光学系统和Dyson凹面光栅光谱成像仪的光学系统,并制作原理样机。第三,设计了以消色差Fery棱镜作为色散元件的同心光谱成像仪系统,实现宽工作波段、高光谱透过率要求,并通过消色差棱镜组合,抑制棱镜色散的非线性。第四,针对不同的应用场合,设计不同的前置成像镜头,并与同心光谱成像系统进行一体优化,进一步实现高像质、平像场、高光谱分辨率的要求。这些研究成果为实验室的曲面光栅便携式光谱成像仪的研制,和将来的机载光谱成像仪、星载光谱成像仪的研发,提供理论基础和设计依据。