在成像光学系统中,以光学自由曲面代替传统的球面和非球面,能够提升光学系统的成像质量,减少系统中光学元件的数量并简化光学系统结构。但光学自由曲面具有复杂的表面结构,使用传统自由曲面设计方法得到的结果,虽然在理论上满足了成像需要,却在实际加工和装调时存在着较大的难度,降低了光学自由曲面的实用性。本文针对光学自由曲面应用中设计和制造脱离的现状,在成像光学自由曲面的设计过程以参考面的形式引入制造约束,可以控制曲面的形状和位置,在保持光学性能的同时降低加工难度。整个光学自由曲面设计过程可以分为构建和迭代两步,在构建和迭代阶段均对曲面面型加以约束,从而得到满意的光学系统几何结构,并设计了圆柱型离轴三反成像系统来验证本方法的可行性。本文的主要工作如下:(1)根据等光程原理,以特征点和特征光线为基础构建光学系统中所有自由曲面的初始结构。在每一个采样视场中选择一个参考点对剩余特征点的空间分布进行约束,从而控制曲面的形状和位置参数。(2)将构建得到的自由曲面初始结构通过迭代的方式加以优化,并在迭代的过程中对曲面表达式系数进行直接调整,从而在提升成像质量的同时保证系统结构不会大幅偏离初始结构,得到光学性能良好的成像系统。(3)使用基于制造约束的光学自由曲面设计方法,设计F/2.0,视场为4°×4°,焦距为200 mm的圆柱型离轴三反成像系统,要求系统中的三个自由曲面反射镜均为圆柱形且分布在同一圆周上,有效降低后期加工难度。