光学自由曲面设计自由度多,校正像差能力强,随着加工制造技术的日趋成熟,被广泛地应用到光学系统设计中,来提高系统性能,简化系统结构。反射式光学系统亦具有诸多优点,将自由曲面应用到反射式光学系统设计中,可以设计出大视场、小F数的离轴反射光学系统。本文研究了含有自由曲面的离轴反射式光学系统设计,采用逐步逼近优化的方法,结合面形优化策略和视场优化策略,使用XY多项式表征的自由曲面设计出了焦距为440mm,入瞳直径为88mm,视场为20×20的离轴两反射光学系统,系统点列图半径小于所选CCD像元尺寸MTF曲线在30lp/mm处高于0.5,整个系统结构紧凑；基于离轴两反系统技术指标,进一步扩大视场,结合Zemax宏语言编程结构限制方法,同样使用XY多项式表征的自由曲面设计出了F数为5,视场为20°×10°的离轴三反射光学系统,系统成像质量接近衍射极限。最后,使用Zemax模拟离轴三反光学系统装调,简要分析了单个光学元件的倾斜和偏心之间的失调补偿关系,以及多个光学元件各参量之间的失调补偿关系,指导系统装调过程。