多孔径成像系统是以自然复眼为原型,以微透镜阵列为主要成像元件的新型成像系统。由于其独特的成像原理,多孔径成像系统具有视场大、体积小和结构紧凑的特点,在医疗成像、运动探测、微型相机等领域具有广泛的应用前景。在多孔径成像系统中,不同成像通道负责不同视场的成像,负责边缘视场成像的通道往往面临像差难以控制的问题。自由曲面由于其复杂多变的面型,易于实现对大角度入射光线的偏折与清晰成像。同时,随着超精密车削、复制成型技术等复杂表面超精密加工工艺的不断成熟,批量加工出基于自由曲面的微透镜阵列已成为可能。本文从大视场的设计需求出发,以不同通道间视场不重叠的多孔径成像系统为研究对象,提出了将自由曲面引入到微透镜阵列的设计优化中来提高多孔径成像系统的成像性能,并根据设计结果完成多孔径系统加工来验证系统实际成像效果。本文主要工作如下:(1)基于设计需求并为了减小系统加工、装配难度,提出了以单层自由曲面透镜阵列、立体光阑阵列和探测器为主要结构的多孔径成像系统。(2)使用ZEMAX完成了通道数为3×3,视场范围为48°×48°,工作波段为8-11μm,子通道F数为2.5的多孔径成像系统的优化设计。优化后的每个子通道像面的MTF曲线都能够接近系统衍射极限。根据成像光束在指定位置的光束口径大小,确定了立体光阑阵列具体尺寸。(3)完成了包括微透镜阵列、立体光阑阵列和探测器的多孔径成像系统在软件中的建模,并采用光线追迹的方式完成了对优化后系统的成像仿真。(4)最后使用单点金刚石车削技术加工了自由曲面透镜阵列模具,使用模压成型技术实现了透镜阵列最终加工,使用3D打印的方法制作了光阑阵列。根据多孔径成像系统成像原理,搭建了成像测试平台,完成了系统成像测试和像质评价。