此外，當用較寬波段的復色光成像時，由于光學媒質(zhì)的折射率隨波長而異，各色光經(jīng)透鏡系統(tǒng)逐面折射時，必會因色散而有不同的傳播途徑，產(chǎn)生被稱為色差的成像缺陷。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，后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(zhì)量，即使在近軸區(qū)也不能幸免。
各種像差的實際值需通過若干條光線的追跡而得知。但是，在稍大于近軸區(qū)的范圍(稱賽德耳區(qū))內(nèi)，成像缺陷可以用初級像差(也稱賽德耳像差)來描述。初級像差值只需通過對二條近軸光線的追跡就能全部計算出來。像差，特別是初級像差已有相當完整的理論，是光學系統(tǒng)設計的理論基礎。
為使光學系統(tǒng)在具有大的孔徑和視場時能良好成像，必須對像差作精細校正和平衡，這不是用簡單的系統(tǒng)所能實現(xiàn)的。所以，高性能的實際光學系統(tǒng)需要有較復雜的結構形式。
一個光學系統(tǒng)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(zhì)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(tǒng)設計工作應包括：對光學系統(tǒng)進行整體安排，并計算和確定系統(tǒng)或系統(tǒng)的各個組成部分的有關高斯光學參量和性能參量；選取或確定系統(tǒng)或系統(tǒng)各組成部分的結構形式并計算其初始結構參量；校正和平衡像差；評價像質(zhì)。
像差與光學系統(tǒng)結構參量(如透鏡厚度、透鏡表面曲率半徑等)之間的關系極其復雜，不可能以具體的函數(shù)式表達出來，因而無法采用解方程之類的辦法直接由像差要求計算出系統(tǒng)的精確結構參量�，F(xiàn)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(tǒng)的做法是根據(jù)追跡光線得到的像差數(shù)據(jù)及其在系統(tǒng)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，然后再追跡光線求出新的像差數(shù)據(jù)加以訐價。如此反復修改，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。這是一個極其繁復和費時很多的過程。
電子計算機的問世和應用，給光學設計工作以很大的促進。光學自動設計能根據(jù)系統(tǒng)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(fā)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(zhì)量。
在光學自動設計中，需構造一個既便于計算機作判斷又能反映所設計系統(tǒng)像質(zhì)優(yōu)劣的評價函數(shù)，以引導計算機對結構參量的修改。通常，用加權像差的二次方之和構成評價函數(shù)，它是系統(tǒng)結構參量的函數(shù)。每修改一次結構參數(shù)(稱為一次迭代)都會引起評價函數(shù)值的變化，如果有所降低，就表示像差有所減小，像質(zhì)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(jīng)過若干次迭代，由計算機自動找出一組結構參量，使其評價函數(shù)為極小值。現(xiàn)在用于光學自動設計的數(shù)學方法很多，較為有效、已為大家所采用的有阻尼最小二乘法，標準正交化法和適應法等。