双自由曲面光束整形系统可在不改变光束相位分布的情况下实现光束空间光强分布的按需调控，然而其需要设置虚拟平面来进行双自由曲面面形的求解。研究发现，传统单一虚拟面法在应用于结构紧凑和扩束倍率较大的系统时，存在设计不精准、整形效果差等缺陷，为此，提出了一种基于虚拟面迭代策略的双自由曲面光束整形系统设计方法。基于不同参数的同轴透射式和离轴反射式光束整形系统的数值仿真研究结果，表明该方法可有效规避传统虚拟面法的局限性。以将束腰半径为5 mm的高斯光束整形为半径30 mm的准直平顶光束的透射式双自由曲面光束整形系统为例，虚拟面迭代法所设计的光束整形系统将光强分布均匀性和能量利用率相对于单一虚拟面法而言分别提升了2.93%和8.93%。

近年来，自由曲面在高性能离轴反射成像系统中应用越来越广泛。文中基于矢量像差理论和遗传算法求解初始结构，采用视场离轴和孔径离轴相结合的方式，利用XY多项式描述的自由曲面增大自由度校正离轴像差，设计了一个大视场大相对孔径的制冷型离轴反射光学系统。系统工作波段为长波红外8~12 μm，焦距400 mm，F数为2，视场角为 $ 8^{\circ} \times 5^{\circ} $,平均RMS波像差为0.037 054λ（λ=9 μm）。探测器冷光阑和光学系统出瞳相匹配，实现100%冷光阑效率，系统能量集中度较高，成像质量良好。