基于矢量像差理论，提出了以Zernike 多项式为表征函数的自由曲面光学系统像差分析方法，推导了在未消像散和彗差的光学系统中引入自由曲面后系统像差解析表达式，利用光学设计软件对远离光阑位置的自由曲面所导致的像差节点分布特性进行了仿真验证。仿真结果与理论推导一致，证明该方法可以用来解析自由曲面光学系统像差。最后，应用该方法设计了含有自由曲面的大视场离轴三反光学系统。系统焦距850 mm，F 数6.5，系统在成像视场20°×2°范围内的畸变小于0.25％，成像质量满足使用要求。

离轴反射光学系统克服了传统折射系统的材料限制,具有大口径、小体积、轻量化、无色差等优点,随着自由度极高的自由曲面的大量应用,校正了离轴系统引入的非对称像差,成为了研究的热点。针对离轴三反初始结构求解复杂的问题,介绍了几种离轴反射系统的常用设计方法,从设计原理上将其归结为两类思路:一是根据像差理论先建立同轴系统的初始结构,通过对光学系统的离轴优化实现无中心遮拦;二是直接构建无中心遮拦的简单光学系统,在优化过程中利用复杂面型进行像差优化。根据两类设计原理对不同结构的光学系统进行了实例设计,优化过程和