光学自由曲面是指没有任何回转对称性的光学曲面。与现有的回转对称非球面相比,自由曲面光学元件具有改善光学系统成像质量、减少光学系统的元件数量和大小、增加光学设计的柔性等优点。正是由于这些优点,自由曲面光学元件在许多光电产品和光通信产品中有极为广泛的应用需求。然而由于光学自由曲面的几何特征复杂,且面形精度和表面质量要求较高,使得加工和检测过程变得极为困难。无论是哪一种加工方法,在自由曲面光学元件加工中都不可避免地会在已加工表面产生面形误差和表面粗糙度等。这些面形误差和表面粗糙度的存在,导致光学系统的光学性能降低。因此,研究面形误差和表面粗糙度对光学性能的影响就显得很重要。本文利用高斯滤波方法,从所获取的自由表面形貌数据,分离出面形误差和表面粗糙度,以分别研究面形误差和表面粗糙度对光学性能的影响。对于仅有面形误差的光学自由曲面,利用波像差分析面形误差的影响。对于仅有粗糙度的光学自由曲面,在比较现有的表面散射理论的基础上,将利用Harvey-Shack散射理论推导的散射表面传递函数分析表面粗糙度的影响。波像差的求解主要包括：光线追迹、实际波阵面和理想波阵面的拟合以及波像差计算等步骤。在现有的针对非球面光线追迹方法中,主要是利用迭代算法计算入射光线与光学曲面的交点,再利用矢量形式的折反射定律进行光路计算。然而在这个过程中,由于迭代起点选择问题,会存在“伪交点”和“光线溢出”的情况,导致整个追迹过程失败。为了避免这个问题,本文提出将光学自由曲面离散化的做法,将平行光直接入射到离散点上,采用矢量形式的折反射定律进行光线追迹。通过球面验证了所提出的光线追迹方法的可行性。这种算法既能避免上述存在的问题,算法也比较简单。光线追迹完成后,建立理想波阵面与实际波阵面的Zernike多项式的拟合方法；求解理想波阵面与实际波阵面偏差,即可研究面形误差对光学性能的影响。表面粗糙度对光学散射有着直接的影响。在现有的表面散射理论中,Harvey-Shack散射理论是从线性系统理论出发的,适用于研究任何入射角度的散射。然而,Harvey-Shack散射理论推导出的表面散射传递函数是以平面作为基准面进行研究的。对于光学自由曲面,其基准面不再是平面,而是自由曲面。本文将表面粗糙的光学自由曲面看作是一个随机场,利用统计学方法对表面粗糙的光学自由曲面进行了数学推导,得到的结论是：Harvey-Shack推导出的散射表面传递函数不依赖于基准面。因此,本文对光学自由曲面的光散射分析,是通过对散射表面传递函数进行傅里叶逆变换得到点扩散函数后,通过点扩散函数来研究表面粗糙度对光学性能的影响。