通过分析光学系统结构参数变化对像差的影响, 提出通过优化各光学表面的曲率进行光焦度合理分配来减小各表面产生的初级像差, 从而实现降低各加工装调公差灵敏度的方法.利用该方法优化了一个小像差相互补偿的焦距为25 mm, 全视场角为26°, 入瞳孔径为18 mm, 光谱范围为500 ~800 nm的大视场纳型星敏感器光学系统, 系统全长40 mm, 光学系统成像质量满足指标要求.与所设计的大像差相互补偿光学系统进行了公差灵敏度对比分析, 结果表明：光焦度合理分配后的光学系统, 第5片透镜的厚度公差对均方根弥散斑半径的影响从3.75 μm降低到0.17 μm; 第5和第6元件间隔公差对均方根弥散斑半径的影响也分别从4.36 μm和4.74 μm降低到0.25 μm和0.18 μm.蒙特卡罗分析表明, 均方根弥散斑半径小于7.59 μm的概率从23%增加到了80%.实验测试结果表明, 星敏感器在全视场范围内, 能量集中度在Φ17 μm范围内优于80%, 满足星敏感器的指标要求.

f-theta透镜作为激光扫描系统中必不可少的部件, 对系统工作面尺寸、测量速度、测量精度等起着决定性的作用。为改变以往f-theta透镜扫描范围小、工作波长单一等不足, 设计出了一种工作于486 nm~656 nm波段的广角f-theta透镜。通过初级像差分析, 确定系统的初级结构参数, 利用光学材料的不同色散性能分配合理的光焦度来进行色差校正。设计结果表明: f-theta镜头像散值在像差容限范围内满足平像场要求, f-theta镜头系统最大色差为3 μm, 线性畸变误差值不超过0.015%, 光能利用率接近90%, 聚焦性能接近衍射极限, 满足多工作波长、高精度激光打标机的实际需求。

分析了电润湿液体变焦透镜的光学特性和变焦系统设计理论，将各组元焦距作为变量，列出了该液体透镜变焦系统的变焦方程.利用粒子群算法优化求解变焦方程，得到符合条件的初始结构；再利用优化设计软件进行像差平衡，设计了一个具有4片液体透镜，焦距为20～120 mm的大变倍比液体透镜变焦系统.系统各焦距处光学传递函数在66 lp/mm处均大于0.3，畸变小于2%，满足设计要求.

为了寻找多组全动型变焦系统的解算方法及降低全动型变焦距系统设计时对经验的过分依赖，提出了一种方法用于计算全动变焦系统组元的光焦度分配。以中焦端结构为初始结构，将组元的间距设为变量，构造出不同变焦位置的运动方程，并设置适当的边界条件，用粒子群优化算法求得最佳解。该最佳解就是不同变焦位置处各组元的位置。该方法在一定程度上降低了变焦系统光焦度分配的难度，更为变焦系统高斯结构求解提供了一种新的思路。为了验证该方法，优化了一个100倍的变焦系统。该方法为全动变焦光学系统的设计提供了一个可行的技术参考。

为了寻找求解多组元全动型变焦系统更加简单而有效的方法，采用程序法的形式，通过给定初始参数(各组元倍率、间隔)，对目标系统进行初始数据计算；然后通过给定其限制条件(正切差、变焦曲线曲率、视场角和系统总长)作为控制指令对数据进行优化；最终给出满足条件的光焦度分配，并计算出系统各组元数据参数。为了验证该方法的可行性，以四组元全动型变焦物镜为例，计算出了满足条件的系统参数，通过程序给出的初始数据在光学设计软件Zemax 上完成光学系统仿真设计。将程序给出的光焦度分配与Zemax 给出的焦距结果进行了对比，结果表明两者数据非常接近，从而证实了该方法的可行性。

为了寻找简单的多组全动型变焦系统的解算方法及降低全动型变焦距系统设计时对经验的过分依赖，提出了一种全新的方法来计算系统组元的光焦度分配。以组元之间的间隔为初始量，把组元的运动形式作为自由量，通过计算公式求出满足间隔要求的光焦度分配和组元运动形式。该方法在一定程度上降低了变焦系统光焦度分配的难度，更重要的是，为探寻新的变焦运动方式提供了一种新的思路。在得到系统的光焦度分配之后又推导出一种求解系统组元移动曲线的简单方法。为了验证该方法的可行性，设计了一个四组式全动型变焦系统。所设计系统优化后的光焦度分配值和计算的结果都很接近，并且得到了组元的移动曲线，从而验证了该方法的正确性。

为了寻找新的变倍补偿方式并降低设计变焦距系统时对经验的过分依赖，提出了一种光焦度分配及变焦补偿方法。首先以组元之间的间隔为初始量，把组元的运动形式作为自由量，通过计算公式求出满足间隔要求的光焦度分配和组元运动形式。这种方法在一定程度上降低了变焦系统光焦度分配的难度，同时为探寻新的变焦运动方式提供了新的思路。为了验证该方法的可行性，以三组式变焦系统为例，在同一指标下得到了4种不同的变焦运动方式。比较几种运动形式后认为三组全动型变焦方式为最优变焦方式。计算结果表明，得到的4种变焦方式的计算结果和优化后的结果都很接近，验证了该方法的准确性。