针对基于传统光学元件的成像光谱仪，在实现大视场与宽波段的同时难以满足结构紧凑的问题，在Offner成像光谱仪的第三反射镜引入圆锥曲面叠加条纹泽尼克多项式表征的自由曲面。基于矢量像差理论，分析了四阶以下的泽尼克多项式在系统中引入的像散与系统视场、波长的关系，通过选取合理的多项式叠加到圆锥曲面，设计了一款工作于可见光到短波红外波段（400~2500 nm）、体积仅42 mm×82 mm×100 mm的成像光谱仪。系统实现了双波段探测，来自两个不同宽度狭缝的光线经光栅分光后，通过分束器将工作波段分为可见近红外（400~1000 nm）和短波红外（1000~2500 nm），优化设计结果表明，光谱分辨率分别为2.8 nm和4 nm，成像质量良好，为实现宽波段紧凑型成像光谱仪的设计提供了理论参考。

为在复杂环境下实现目标的高精度、高分辨率探测与识别,基于红外双波段成像光谱仪的准确性高、虚警率低的优点,针对像元大小为25 μm、阵列尺寸为384 pixel×288 pixel的制冷型双色量子阱红外探测器,设计了一款红外双波段共像面成像光谱仪。由于红外双波段系统的谱段较宽,色差难校正,所以前置望远物镜采用的是离轴两反系统。光谱分光系统采用谱线弯曲较小的Offner凸面光栅结构。为了获得更高的光谱分辨率和衍射效率,同时为了更有效地利用探测器,对光栅的双衍射级次进行设计,中波波段和长波波段分别采用二级衍射和一级衍射进行分光。为了减小到达探测器的杂散光对成像结果的影响,设计了二次成像中继系统,用以保证系统实现100%的冷光阑效率。为了更好地进行光瞳衔接匹配,各部分系统均实现了远心性。最终系统的成像结果显示,点列斑均方根半径小于一个像元,调制传递函数接近衍射极限,没有明显的冷反射现象,成像质量较好,符合红外双波段成像光谱仪的设计要求。

热红外成像光谱仪广泛应用于工业研究、环境监测以及自然资源探测等多个领域。随着大面阵红外探测器技术的发展，大视场大相对孔径热红外光谱仪已成为遥感领域新的发展方向。本文介绍了一种基于凸面光栅的同轴Offner 结构，对常规Offner 结构进行改进，仅使用一块大凹面反射镜，在凸面光栅的位置插入带有负像散的校正透镜。设计验证结果表明，这种结构在热红外波段具有非常优异的表现，较传统Offner 结构能实现更大的视场，更小的F 数。最后利用这种结构设计了60 mm 狭缝视场，F 数为2 的热红外光谱仪，其成像弥散斑直径小于5 mm，MTF 达到衍射极限。该热红外光谱仪系统结构紧凑，非常适合航天航空遥感的应用。

研究了Offner型成像光谱仪消像差结构的参量和性能.用几何法推导出Offner型成像光谱仪的波长使用范围、系统线色散以及光谱分辨率的计算公式；在理想像差条件下，分析了Offner型成像光谱仪光谱分辨率与入射狭缝的宽度、凸面光栅分辨率和探测器像元尺寸各个因素之间的关系;探讨了提高光谱分辨率采用的方法和技术，解决了光谱仪的各个参量和光谱分辨率之间的矛盾.研究表明：当系统像差很小可忽略时，通过减小狭缝宽度，有利于提高光谱分辨率； Offner型成像光谱仪的分辨率由入射狭缝宽度、光栅和CCD像元尺寸三者中分辨本领最低的参量确定.

针对Offner双镜三反射成像光谱仪的消像差结构,采用几何方法推导出光谱分辨率的计算公式,分析了入射狭缝的宽度、凸面光栅分辨率、系统像差和探测器像元尺寸各个参数对光谱分辨率的影响,提出了分光系统像差的计算方法和优化设计方法,并探讨了提高光谱分辨率的方法和技术,即在优化系统像差的同时,适当减小狭缝宽度和探测器像元尺寸,有利于提高系统的光谱分辨率。该系统利用消像差优化设计同时考虑光谱分辨率的设计方法,具有十分重要的实用价值,为成像光谱仪的研制提供经验和借鉴。

为了减小超光谱成像系统的质量和体积，校正光谱成像的谱线弯曲，提出了一种新型带有Féry曲面棱镜的Offner超光谱成像系统。在该系统中，一对Féry曲面棱镜位于Offner中继系统的两臂，光束两次通过Féry棱镜进行分光，因此当获得指定大小的色散值时该结构具有比传统结构更小的质量和体积。为了减小可见近红外(VNIR)光谱通道的非线性色散，在该结构中还引入一对消色差火石Féry棱镜。设计了应用于VNIR和短波红外(SWIR)两个光谱通道的超光谱成像系统，并给出了设计结果。结果表明，该光谱成像系统在两个光谱通道内的谱线弯曲均小于0.1个像元，色畸变均<0.045个像元，而非线性度小于0.1，可满足机载或星载超光谱成像仪的要求。

用傅里叶光学对凸面光栅Offner结构成像光谱仪的光学系统进行了分析;给出了当探测器的接收面放在负一级光谱像平面上时的光强分布公式,建立了探测器接收面上的光强分布与地面目标的空间信息及光谱信息之间的一一对应关系.在此基础上可以对目标进行直接分析.