传统的变焦系统是基于光学系统中具有共轭关系的物像平面在变焦过程中保持稳定进行设计的,但是在一些应用场景中需要光学系统的焦平面在变焦过程中保持稳定,已经成熟的变焦系统设计的理论不再适用。这种特殊的变焦光学系统在光信息处理领域、精密测量和机器视觉领域具有重要应用。我们在几何光学的框架下,对这种特殊的变焦系统的近轴特性进行了推导,得到了三组元变焦系统机械补偿的轴向位移曲线方程。然后,我们基于粒子群算法理论的全局优化算法对设计工作建立了数学模型,并且以光学系统中的评价函数作为种群的适应度对系统进行评价,变焦系统的设计问题转化为在特定搜索空间中寻找最优解的问题。根据变焦系统的特点,我们对粒子群算法进行了修正,对修正后的粒子群算法的特性进行了验证,并且和蒙特卡洛方法进行了对比,结果显示提出的方法具有稳定性和高效性。然后,我们基于提出的方法设计出了一系列针对常见的应用场景和设计需求的一阶设计结果,设计具有紧凑和高变焦比的特点。为了进一步证明了该方法的有效性,我们对一阶设计结果进行了后续的优化,并且给出了实际透镜的设计结果和性能分析。实验结果表明,尽管粒子群算法的概念简单,但是该方法是一种非常具有应用前景的工具,在设计复杂的光学系统时可以自动化地检索最佳的起始点,这也是未来实现自动化的光学设计的重要一步。