波前是波传播到某一位置处等相位面,大偏差的等相位面一般为曲面。除理想平面和球面波,波前的矢高、边界随传播距离变化。自由曲面大偏差波前在传输过程中的几何变形与传播距离关系,是光学设计与检测的基础问题。近十年来,自由曲面大偏差波前传输特性相关研究在干涉检测、波面传感、眼像差校正等技术领域的重要性日益凸显。本文应用几何光学理论指导,针对自由曲面大偏差波前在自由空间中的传输特性与建模,围绕解析型和数值型两种建模方法展开深入研究。对于传播前后边界近似为圆形的眼像差自由曲面大偏差波前,建立了Zernike圆域正交多项式与XY多项式的系数转换关系,以Zernike圆域正交多项式表征波前,用XY多项式建立传输关系,提出了采用泰勒一阶近似的解析型波前传输模型。应用该种模型对临床案例中的眼像差大偏差波前传输求解,实现了眼像差波前在检测面与校正面之间的波前传递。对于波前梯度不满足泰勒一阶近似,以及传播之后边界变形不可忽略的自由曲面大偏差波前传输,提出了数值型波前传输建模技术。首先,由局部波前与法向光线的数学关系计算表征原始波前的光线矢量集合,包含光线所在局部波前的位置坐标和梯度数据;然后,建立经原始波前半径归一化的光线传输矩阵,求解传输后的光线矢量集;对于传输之后光线矢量集合中的离散数据点,提出非迭代的一次数值化正交变换法,构造以Zernike圆域矢量梯度多项式为基函数的矢量形式数值型正交Zernike梯度多项式,表征离散梯度数据并且根据离散梯度数据及位置坐标,反演出传播之后自由曲面波前的变形边界和矢高。该种数值型波前传输技术在解决视光学中眼像差波前的传输求解,以及自由曲面光学元件检测中的回程误差校正等方面均具有重要的应用价值和前景。