本发明公开了一种大相对孔径高光谱成像光学系统,包括:三狭缝组件、平面折转镜、第一透镜、第二透镜、第三透镜、凹面光栅和像面,三狭缝组件用于提升长波红外辐射的入射能量,提高高光谱成像系统的信噪比。目标辐射的长波红外谱段经三狭缝组件入射到平面折转镜,依次经第一透镜、第二透镜和第三透镜透射后,由第三透镜后表面入射到凹面光栅,经凹面光栅色散分光后反射第三透镜后表面,依次经第三透镜、第二透镜和第一透镜透射后汇聚到像面处。本发明可实现长波红外谱段三狭缝狭缝同时高光谱成像,提升长波红外高光谱成像仪的信噪比,具有相对孔径大、狭缝长、体积小、成像质量好等优点,可用于星载、平流层飞艇和机载红外高光谱成像领域。