由于色散物镜轴向色散与波长间的非线性会导致仪器整体性能下降，本文研究了光学系统轴向色散与透镜组之间的关系，推导了轴向色散的传递公式。为得到较大的线性轴向色散，根据轴向色散的传递公式提出了一种正负透镜组均采用线性色散光焦度组合且正负透镜组分离的镜头结构。光学优化设计表明，具有正负透镜分离结构的色散物镜可以得到低的球差和大的轴向色散，而且具有较大的工作距离。设计的色散物镜在430~710 nm得到了1 mm的轴向色散，轴向色散与波长之间的相对非线性度为4.6%，灵敏度的波动量小于整体的1/3，优于之前的研究。采用所设计的色散物镜，光谱共焦显微镜能够得到优于0.3 μm的轴向分辨率和优于5 μm的横向分辨率，满足精密测量的需求。

色散物镜是光谱共焦显微镜的关键组件, 其轴向色散线性度和色散范围会影响光谱共焦显微镜的性能。在线性轴向色散的理论基础上, 研究了优化选择材料组合的方法, 给出了优化模型和求解方法, 得到了具有最大色散的材料组合及其光焦度分配, 并使用光学设计软件对优化结果进行了模拟。模拟结果表明, 使用本文优化方法得到的材料组合, 波长与轴向色散成线性关系, 而且具有最大的轴向色散。使用得到的最大色散材料组合进行色散物镜设计, 得到了较好线性度的色散物镜, 并具有较短的有效焦距。本文给出的优化选择材料组合的方法可以为设计光谱共焦显微镜提供指导, 有效缩短镜筒长度, 提高光谱共焦显微镜的性能。