研究了棱镜色散型光谱仪的特点及分光原理，提出一种新型的小入射角棱镜分光光谱仪的设计方法。该光谱仪采用了全反射光路，不需要加入校正透镜，避免因色差引起的像差，成像质量好，可以有效地校正光谱弯曲。给出了成像光谱仪系统设计实例，运用光学设计软件Zemax对成像光谱仪光学系统的成像质量进行了分析。结果表明，光学系统在各个谱段的光学传递函数均接近衍射极限，光谱弯曲很小，完全满足设计指标要求。

考虑到机载遥感平台对成像光谱仪小型化、 轻量化要求的逐渐提高, 在分析了主要几种成像光谱仪特点的基础上, 重点阐述了技术成熟度较高的光栅色散和棱镜色散型成像光谱仪, 研究了基于Offner中继成像结构的紧凑型成像光谱系统。 结合Offner同心光学系统成像特点, 在给定系统指标的情况下, 设计出了两种在发散和会聚光束中使用色散元件的全球面光谱系统, 给出了系统的调制传递函数、 点列图以及系统谱线弯曲、 色畸变曲线。 结果表明, 两种结构的Offner成像光谱仪, 实现了遥感仪器小型化的目的, 具有接近衍射极限的优良成像性质。 同时, 很好地控制了系统的谱线弯曲和色畸变, 保证了获取光谱数据的一致性。

为实现大气层外太阳光谱辐照度(SSI)变化的长期例行监测，设计了一种星载宽光谱太阳光谱仪结构。全系统仅使用单片折反式曲面棱镜实现太阳光谱250～2500 nm的分光，并通过棱镜转动实现谱平面上多探测器的同步扫描探测；同时基于Huygens子波点扩展函数（PSF）仿真了光谱仪的光谱响应函数（SRF）和光谱分辨率。分光棱镜在±2.5°扫描转角内的全谱段子午像差小于8μm；光谱分辨率在紫外谱段(250～400 nm)为0.7～3.5 nm，可见/近红外谱段(400～1000 nm)为3.5～35.0 nm，短波红外谱段(1000～2500 nm)内为28.5～41.2 nm。整个系统结构简单紧凑，性能稳定可靠，分光和像差校正能力满足大气层外太阳光谱辐照度长期监测需求。