高光谱成像仪作为精密的光学仪器，其光学系统是其重要的组成部分。一般来说高光谱成像仪光学系统通常包括望远镜和光谱仪两个部分，望远系统对目标成像，再由光谱仪系统进行分光。下文对高光谱成像仪光学系统做了介绍。

从结构形式上来说，望远系统可分为折射系统、反射系统和折反射系统三种。

折射式望远系统：

折射式系统可应用于可见光及近红外光谱区域。系统可调变量多，容易实现大视场、高成像质量的要求。但受到玻璃材料光学特性影响，如折射率稳定性、材料均匀性、材料物理特性等，系统谱段、焦距、通光口径设计受到很大限制。此外，系统对于环境温度和气压变化的要求很高，限制其在空间探测方面的应用。折射系统还需要使用较大口径非正常色散光学材料来校正系统的二级光谱，通常使用多组光学镜片，光学系统结构较复杂，体积、重量较大。

折射光学系统在应用中需注意以下问题：

1）光学系统应具有较宽的温度适应范围。

2）光学系统选用光学材料应具有耐辐射特性，或进行耐辐射照防护的设计。

云顶天宫3）折射光学系统结构设计要保证光学镜片处于零应力条件下装配，以避免应力集中或应力释放对光学性能的影响，同时要消除重力的影响。

折反式望远系统：

折反系统多为两反系统配合校正透镜的形式，主要优点有：

云顶天宫1）系统焦距主要由反射面决定，容易校正色差和二级光谱。光学系统结构比折射系统简单。

云顶天宫2）选用低膨胀系数的玻璃作反射镜，同时用低膨胀系数的金属做反射镜的支撑材料，光学系统对环境温度变化不敏感。

云顶天宫但折反系统存在中心遮拦，会减少入射光能量，降低系统 MTF值；反射面加工精度比折射面要求高；系统受折射材料限制，无法达到宽波段要求；视场分离设计较困难。

全反射式望远系统：

全反射系统中参与成像的光学表面全部为反射面，是近年来各国光学设计专家重点研究的一种系统类型。全反射系统优点如下：

云顶天宫1）反射式光学系统不存在色差，也不存在二级光谱色差，因此可以应用于宽谱段成像，特别是用于卫星遥感侦察和高光谱成像的光学系统。

云顶天宫2）反射式光学系统的设计灵活多变，可以借助折转反射镜来折叠光路，使结构紧凑，可以用非球面获得大孔径、大视场、长焦距等多种性能要求的系统。

3）反射式系统的零件数相对较少，重量较轻，结构相对简单。