光学系统作为自然验光仪的核心系统，直接关系到自然验光仪的性能和测量结果。基于各类验光仪光学系统的特性的研究，提出一种敞开视窗型光路结构代替雾视光学系统，以达到限制眼球自动调节能力的目的。基于所设计的敞开视窗型自然验光仪光路结构，通过理论分析和实验方法研究其光学成像特性，提出了一种通过测量眼底反射像环的厚度来验光的方法（简称环厚法），同时还设计了一组适合环厚法的调焦光路来实现。通过研究验光仪中调焦光学系统的光学成像特性，首先建立了调焦组的移动量与屈光度之间的关系，设计了系统的初始结构参数，从而在Zemax中建立相应的调焦光学模型。同时，在Zemax中还建立了-20D，-15D，-10D，-5D，0D，5D，10D，15D，20D这九种人眼模型，以及整个敞开视窗型的光路结构。最后通过zemax的建模优化功能确定光学系统的设计参数，并用该光学系统对上述九种人眼模型进行模拟验光，其相对误差在6%以内。实际搭建相应的测试平台对上述九种标准模拟眼进行实验测量,其相对误差在7%以内。测量结果分析表明，运用所设计的自然验光仪光学系统进行验光具有较高的可靠性。