光学自由曲面具备较高的设计自由度与像差校正能力；全息光学元件具备特有的波前调控特性、选择性、复用性、轻薄性与易加工性。在成像与显示光学系统设计中，将自由曲面与全息光学元件相融合，可以获得较为优秀的系统指标和系统性能，使系统形态更加紧凑、轻便，且得到离轴非对称的新型系统结构。简要介绍了自由曲面光学与全息光学元件的基本原理、光线追迹特性、应用领域等，阐述了自由曲面光学与全息光学元件的融合设计方法，基于对全息光学元件的分类，总结了融合自由曲面光学与全息光学元件的成像与显示光学系统的设计与应用，讨论了两类元件融合设计的限制因素并对未来的发展趋势进行了展望。

针对离轴光学系统装调过程中自由度高且互相耦合的问题，提出一种新的离轴自由曲面反射式光学系统装调方法，采用计算全息图（CGH）实现多镜共基准定姿定态，解耦合系统各镜片的装调自由度，显著降低系统装调复杂度；分析CGH用于定姿定态时的定位精度，提高系统装调精度和效率，适应不同构型的离轴光学系统。利用上述方法，完成口径为210mm、视场为2°×2°的近红外长波红外双波段离轴反射式光学系统装调，全视场波像差RMS小于0.126λ（λ=632.8nm），达到设计预期，装配周期短，成像质量优良。

在离轴多反光学系统的装调过程中，光学对准工作成本高、操作复杂。光学系统的一体化加工制造方法通过在设计过程中加入制造约束避免了离轴多反系统的反复装调。然而，现有自由曲面离轴多反系统的设计方法很少考虑制造约束，设计的光学系统无法满足一体化加工制造的要求。针对这一问题，提出了一种符合制造约束的离轴多反系统自动生成方法。首先，提出了由共圆程度函数和遮拦评估函数构成的制造约束模块，对初始结构的合理性进行判断；其次，通过对离轴多反系统的光路结构进行光线追迹，构建了光学系统初始结构的综合目标搜索函数；然后，以搜索获取的初始结构参数为输入，结合改进的Wassermann-Wolf（W-W）法，提出了制造约束下自由曲面离轴多反系统的设计方法。实验结果表明，所提方法可以在保证较高成像质量的前提下，快速、准确地设计出符合制造约束的自由曲面离轴多反系统。

随着科技的进步，尖端产品和先进光电系统对光学系统的成像质量要求越来越高，光学非球面元件能有效地校正像差、减少系统所需光学元件数量、减轻系统重量，因此被广泛应用。其特殊的面形特征决定了它的加工和检测相对于球面更加困难，而检测精度直接决定了加工精度，非球面检测技术的重要性显而易见。根据测量原理对光学非球面的检测技术进行了概述；根据目前直接面形轮廓法在光学非球面的加工中应用最广的情况，结合最新检测手段，重点介绍了非球面直接面形轮廓法测量技术；并介绍了近年来日益受到人们关注的自由曲面及面形轮廓法在自由曲面检测的应用；最后总结了光学非球面检测技术的现状和发展趋势。

自由曲面具有良好的像差矫正能力，但没有足够的初始结构供设计者参考，因此研究自由曲面初始结构的设计方法是有意义的. 通常初始结构设计方法为大量点和光线的追迹或数值求解微分方程组，运算量大且复杂。文章从光学系统对光波变换的角度出发，推导自由曲面解析表达式，并设计一款工作波段较宽，相对口径较大的离轴红外光学系统，工作波段3~12μm，焦距300mm，F/2.5，视场角2.04°×2.56°，像质接近衍射极限且100%冷光阑效率，全视场波像差RMS值平均为0.059λ@3.67μm.

提出一种基于双自由曲面的均匀照明设计方法，根据几何光学理论和能量映射关系，设计了距高比为1的双自由曲面透镜。通过将扩展光源和透镜表面离散化，对扩展光源进行反向追迹构建新的双自由曲面。借助光学仿真软件模拟了光学性能，结果表明：在距离光源1000 mm处的目标面实现了半径为1000 mm的均匀圆形照度分布，照度均匀度达92.3%，该方法有效提升了基于扩展光源的目标面的照度均匀性，设计过程无需对自由曲面反馈优化，大大缩短设计时间，过程简易方便。