定義
根據光線傳播的規律結合設計基礎理論而建立起光學系統的知識體系。套用如攝像機、燈具等設計。
簡介
眾所周知，光線的傳播遵循三條基本定律：光線的直線傳播規律：即光在均勻媒質中沿直線方向傳播；光線的獨立傳播規律，即兩束光在傳播途中相遇時互不干擾，仍按各自的途徑繼續傳播，而當兩束光匯聚於同一點時在該點上的光能量是簡單的相加；反射定律和折射定律，即光在傳播途中遇到兩種不同媒質的光滑分界面時，一部分反射另一部分折射，反射光線和折射光線的傳播方向分別由反射定律和折射定律決定。
基於上述光線傳播的基本定律，可以計算出光線在光學系統中的傳播路徑。這種計算過程稱為光線追跡，是設計光學系統時必須進行的工作。
幾何光學中研究和討論光學系統理想成像性質的分支稱為高斯光學，或稱近軸光學。它通常只討論對某一軸線（即光軸）具有旋轉對稱性的光學系統。如果從物點發出的所有光線經光學系統以後都交於同一點，則稱此點是物點的完善像。
利用光學系統的近軸區可以獲得完善像，但沒有什麼實用價值。因為近軸區只有很小的孔徑和很小的視場，而光學系統的功能，包括對物體細節的分辨能力，對光能量的傳遞能力以及傳遞光學信息的多少等，正好是被這兩個因素所決定的。要使光學系統有良好的功能，其孔徑和視場要遠比近軸區所限定的為大。
當光學系統的孔徑和視場超出近軸區時，成像質量會逐漸下降，這是因為自然點發出的光束中，遠離近軸區的那些光線在系統中的傳播光路偏離理想途徑，而不再相交於高斯像點之故。這時，一點的像不再是一個點，而是一個模糊的彌散斑，物平面的像不再是一個平面，而是一個曲面，而且像相對於物還失去了相似性。所有這些成像缺陷，稱為像差。
用單色光成像時，有五種不同性質的像差，即球差、慧差、像散、場曲和畸變。前三種像差破壞了點點對應。其中，球差使物點的像成為圓形彌散圓，慧差造成彗星狀彌散斑，而像散則導致橢圓形彌散斑。場曲使物平面的像面彎曲，畸變使物體的像變形。
用較寬波段的複色光成像時，會產生色差。色差分兩種：位置色差和倍率色差。前者導致不同的色光有不同的成像位置，後者導致不同的色光有不同的成像倍率。兩者都使像帶色而嚴重影響成像質量。
一個光學系統必須滿足一系列要求，包括：放大率，物像共軛距，轉像和光軸轉折等高斯光學要求；孔徑和視場等性能要求，以及校正像差和成像質量等方面的要求。這些要求都需要在設計時予以考慮和滿足。因此，光學系統設計應包括：對光學系統進行整體安排，並計算和確定系統或系統的各個組成部分的有關高斯光學參量和性能參量；確定系統或系統各組成部分的結構形式並計算其初始結構參量；校正和平衡像差；評價像質。
像差與光學系統結構參量（如透鏡厚度，表面曲率半徑等）之間的關係極其複雜，不可能以具體的函式式表達出來，因而無法採用解方程之類的辦法直接由像差要求計算出系統的精確結構參量。現在能做到的是求得滿足初級像差要求的解。
初級像差是實際像差的近似表示，僅在孔徑和視場較小時能反映實際的像差情況，因此，按初級像差要求求得的解只是初始的結構參量，需對其進行修改才能達到像差的進一步校正和平衡，在這一過程中，傳統的做法是根據追跡光線得到的像差數據及其在系統各面上的分布情況，進行分析，判斷，找出對像差影響大的參量，加以修改，然後再追跡光線求出新的像差數據加以評價。如此反覆修改，直到把應該考慮的各種像差都校正和平衡到符合要求為止。這是一個極其繁雜和費時很多的過程。
電子計算機的問世和套用，給光學設計工作以很大的促進。光學自動設計能根據系統各個結構參量對像差的影響，同時修改對像差有校正作用的所有參量，使各種像差同時減小，因此能充分發揮各個結構參量對像差的校正作用，不僅加快了設計速度，也提高了設計質量。
在光學自動設計中，需構造一個既便於計算機作判斷又能反映所設計系統像質優劣的評價函式，以引導計算機對結構參量進行修改。通常用加權像差的二次方之和構成評價函式，它是系統結構參量的函式。每修改一次結構參數（稱為一次疊代）都會引起評價函式值的變化，如果有所降低，就表示像差有所減小，像質有所提高。
結構參量的改變要有一定的約束，以保證有關邊界條件得到滿足。所以，所謂光學自動設計，就是在滿足邊界條件的前提下，經過若干次疊代，由計算機自動找出一組結構參量，使其評價函式為極小值。現在用於光學自動設計的數學方法很多，較為有效已為大家所採用的有阻尼最小二乘法，標準正交化法和適應法等。
著名光學設計師
魯道夫•京斯萊克
英國光學設計家，攝影史家。1929年創辦該大學的套用光學系。1938年京斯萊克被聘為美國羅切斯特市伊士曼柯達公司的光學設計所主任。京斯萊克是英國康拉迪光學設計學派的傳人，著有多部光學設計專書。
亞歷山大•尤金•康拉迪（Alexander Eugen Conrady，
1866年－1944年，英國光學設計家。
1901年入英國籍，並成為英國倫敦華生父子公司的光學設計師，設計顯微鏡、攝影機和潛水艇潛望鏡等光學鏡頭。
恩斯特•萬德斯萊布(Ernst Wanderslab）
1879年-1963年， 德國光學設計家， 耶拿大學博士學位。於1925年，和蔡司公司的同事威利•墨爾特一起設計成功六片三組 孔徑 f/2.8 的比噢天塞鏡頭（Biotessar）；於1930年利用含稀土元素鑭的光學玻璃設計出 套用廣泛的 孔徑 f/3.5 和 f/2.8 的 四片三組 天塞鏡頭(TESSAR)。
光學設計軟體
ZEMAX是美國焦點軟體公司所發展出的光學設計軟體,可做光學組件設計與照明系統的照度 分析,也可建立反射,折射,繞射等光學模型,並結合最佳化,公差等分析功能。
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