高光譜成像儀作為精密的光學儀器，其光學系統是其重要的組成部分。一般來說高光譜成像儀光學系統通常包括望遠鏡和光譜儀兩個部分，望遠系統對目標成像，再由光譜儀系統進行分光。下文對高光譜成像儀光學系統做了介紹。

從結構形式上來說，望遠系統可分為折射系統、反射系統和折反射系統三種。

折射式望遠系統：

折射式系統可應用于可見光及近紅外光譜區域。系統可調變量多，容易實現大視場、高成像質量的要求。但受到玻璃材料光學特性影響，如折射率穩定性、材料均勻性、材料物理特性等，系統譜段、焦距、通光口徑設計受到很大限制。此外，系統對于環境溫度和氣壓變化的要求很高，限制其在空間探測方面的應用。折射系統還需要使用較大口徑非正常色散光學材料來校正系統的二級光譜，通常使用多組光學鏡片，光學系統結構較復雜，體積、重量較大。

折射光學系統在應用中需注意以下問題：

1）光學系統應具有較寬的溫度適應范圍。

2）光學系統選用光學材料應具有耐輻射特性，或進行耐輻射照防護的設計。

3）折射光學系統結構設計要保證光學鏡片處于零應力條件下裝配，以避免應力集中或應力釋放對光學性能的影響，同時要消除重力的影響。

折反式望遠系統：

折反系統多為兩反系統配合校正透鏡的形式，主要優點有：

1）系統焦距主要由反射面決定，容易校正色差和二級光譜。光學系統結構比折射系統簡單。

2）選用低膨脹系數的玻璃作反射鏡，同時用低膨脹系數的金屬做反射鏡的支撐材料，光學系統對環境溫度變化不敏感。

但折反系統存在中心遮攔，會減少入射光能量，降低系統 MTF值；反射面加工精度比折射面要求高；系統受折射材料限制，無法達到寬波段要求；視場分離設計較困難。

全反射式望遠系統：

全反射系統中參與成像的光學表面全部為反射面，是近年來各國光學設計專家重點研究的一種系統類型。全反射系統優點如下：

1）反射式光學系統不存在色差，也不存在二級光譜色差，因此可以應用于寬譜段成像，特別是用于衛星遙感偵察和高光譜成像的光學系統。

2）反射式光學系統的設計靈活多變，可以借助折轉反射鏡來折疊光路，使結構緊湊，可以用非球面獲得大孔徑、大視場、長焦距等多種性能要求的系統。

3）反射式系統的零件數相對較少，重量較輕，結構相對簡單。