长期从事光学仪器和光学系统设计研究工作。1958年研制了我国第一台高精度经纬仪，1959年研制了我国第一台大口径高倍率观察望远镜。1967年为我国第一代遥感卫星负责设计了高质量光学系统。在地对空的摄影光学系统中，研究并解决了高级色差的校正、减少中心遮拦和防止杂光、便于工艺实现等问题，促进了我国各种大型靶场光学测量装备顺利研制成功。主持过全国性的电影物镜与电视摄像镜头的设计工作，为我国摄影光学系统研究打下了坚实的基础，在航天遥感的光学系统设计中做出了富有成效的工作，并得到了应用。

1958年，他作为课题负责人之一，研制成国内第一台高精度经纬仪；1961年他作为负责人之一，研制成“折反射望远系统”，设计了长焦距光学系统，研究了校正2级光谱，减少中心遮拦，防止杂光等问题，所采用的方法在国外尚未见报导，成果应用于中国第一台大型靶场测量装备及以后的各种光学测量装备中；1983年他负责设计“210工程”中的光学系统，该工程为中国第一颗核爆炸试验提供了高速摄影仪器，获得了有价值的数据；1967年他负责设计的“6711工程”光学系统，研究了二级光谱校正及温度补偿等问题。该系统在中国第一颗地面回收卫星侦察相机中得到应用，所摄图形清晰，效果良好。以上项目均获1978年全国科学大会奖、中科院重大科技成果奖、吉林省科学大会奖。

1962年他为光学系统负责人，研究的光栅单色光计，是中国第一台长狭缝光栅单色光计，其中校正残留慧差方法为国内外首创；1969年他作为光学系统负责人，设计了“6倍长焦距黑白电视用光学系统”，产品于1969年国庆节在天安门广场转播游行盛况时得到应用。以上两项均获1978年中科院重大科技成果奖及吉林省科学大会奖；他作为负责人之一研制的“大倍率望远镜”，是部队使用的第一台国产大型军用侦察望远镜。1979年他负责研制“跟踪电视变焦距系统”，产品曾应用于1980年太平洋远程火箭试验中，得到好的结果，获国防科委科技成果二等奖；他主要参加研制成的“变折射率内窥镜”，“90倍投影物镜”、“自聚焦复合透镜面列阵”均获中科院科技进步三等奖；他作为主要参加者研制成的“多光束干涉光谱技术”1991年获陕西省科技进步二等奖；他负责的“长焦距大视场光学系统”1990年通过鉴定，达到国际同类系统先进水平，为中国空间光学发展作了技术储备；他主持的与加拿大合作研究项目“适应恶劣条件下CID广角电视光学系统”，处于国际领先水平，解决了加方难题，受到加方多次感谢与赞誉。

他在国内首先提出光谱仪光学系统设计方法，对光栅光谱仪提出校正慧差方法，属国际首创；他提出的衍生高级色差的理论，成功地应用于中国的大型跟踪测量经纬仪中，他开拓建立了中国机械补偿的变焦距系统校正二级光谱的方法，提出了梯度折射率光学系统的P．W设计方法，系统研究了光学系统象差校正结果判断方法。

在中科院西安光学精密机械研究所期间，他把目光瞄向空间光学的未来发展趋向，成为863－2详查普查两用相机光学思想提出者，该项目于2000年8月获国家发明专利；他是921“神舟”遥感光学系统设计负责人，“神舟号”宇宙飞船上就有着他的研究成果。

薛鸣球院士共主编、合著专著3本，发表论文60余篇。

1 王之江，薛鸣球.论平面光栅单色光计的光学质量.物理学报，1963 （11）：706-716

2 薛鸣球，王之江.光谱仪光学系统设计.见：光学设计论文集.北京：国防工业出版社，1964.211-221

3 电影镜头设计组.电影摄影物镜光学设计.北京：中国工业出版社，1971

4 薛鸣球.电影摄影物镜光学传递函数的质量指标.电影光学，1973 （4）：29-34

5 薛鸣球.变焦距物镜的高斯光学.电影光学，1978（3）：1-5

6 林大键，薛鸣球.高级色差理论.物理学报，1980（2）：260-263

7 薛鸣球.定焦与变焦光学系统中长焦距二级光谱的校正与色差平衡.电影光学，1980（2）：14-19

8 薛鸣球.我所光学设计工作的发展.光学机械，1982.32-38

9 薛鸣球.电视跟踪用光学系统.仪器仪表学报，1984（3）：225-229

10 薛鸣球.轴向梯度折射率光学元件的设计.光学学报，1985（7）：577-584

11 薛鸣球，李品新，吴煜.长焦距光学系统研究.高速摄影与光子学，1989（4）：289-293

13 薛鸣球.光学系统时间畸变和色时间滞后的研究.光子学报，1995 （6）：481-484

14 高万荣，薛鸣球，等.长焦距光学系统杂光系数测量的新方法及其理论分析.光学学报，1996（11）

16 薛鸣球.高分辨宽覆盖遥感相机光学系统研究.苏州丝绸工学院学报，2000（1）：1-6

薛鸣球院士对学生态度温和但要求严格，他非常注重学术氛围的营造与学生实际能力的培养。在担任空间室主任期间，定期组织学术报告会，要求学生就自己的研究做学术交流。

薛鸣球院士非常注重团队活力与凝聚力的培养，在紧张的科研工作中，他利用自己的业余所长给大家教授侨牌，带出了西安光机所最早一批侨牌爱好者，闲暇之余，大家在一起打打侨牌，即放松了身心，又无形中增强了凝聚力。

薛鸣球院士淡泊名利，虽自己简朴至极却待人宽厚无比。

西安光机所空间室成立初期，适逢大环境下科研经费紧张，研究所进行机制调整，科研人员不再吃皇粮，必须靠自己去打拼。刚成立的空间室只有12人，经费非常有限，运行非常困难，为保证科研工作的正常开展和科研人员的工资收入不受影响，薛院士拿出自己原有课题结余的经费给大家发工资，使大家得以度过困境。担任空间室主任期间，薛鸣球还出台了关爱奖励制度。对空间室元老级科研人员，退休时给予两个月工资作为奖励，其他人员奖励一个月工资。薛鸣球平时生活非常简朴，参加重要会议时曾因穿着过于朴素被门卫拒之门外，可他却常常自己出资请科研人员聚餐，一来给大家打打牙祭，二来交流感情，增强凝聚力，同时还可以交流学术难题，迸发创新思想。

在承担某项目期间，薛鸣球经常赴长春光机所讨论光学方案与设计，为节省经费，他选择乘坐火车出行，但火车票非常难买，他经常连坐票都买不到，就带一块布，铺在地上坐。冬天火车到长春天还不亮，他下火车就去吃一碗豆腐汤，暖暖身体。开完会后又急忙赶回所里，处理所里的事情。

1995年当选为中国工程院院士。

薛鸣球院士逝世后的挽幛写道：“江南塞北山河有象量经纬还是疾风知劲草，天上人间光彩无疆探星辰留得桃李已成蹊”。

余建军：“薛院士的治学非常严谨，对自己的学生要求也很高。”

沈为民：“跟随薛院士以后，我才真正体会到了什么是为国家建设服务，什么是为国防事业作贡献。也许我不可能像做到他那样游刃有余，从容大度，但至少，我会努力向他学习。”