相比传统的球面或非球面光学元件,自由曲面光学元件具有更高的面形自由度,能够根据光路设计需求灵活地调整局部面形分布,对光线传播方向的控制更具针对性和目的性。因此在某些特殊的光路结构,如离轴或非旋转对称光学系统设计中,利用自由曲面光学元件的高设计自由度,可以有效简化系统结构,减小体积和重量,提高光学性能。对于任意形貌的自由曲面光学元件,随着面形自由度增加,用于表征面形的函数所包含的变量越多,系统优化的复杂性也随之变大。和传统的旋转对称型光学系统设计相比,自由曲面光学系统的设计难度要大得多。特别是对于一些空间曲面——平面的物像映射方式成像的光学系统,设计难度更大。本文提出一种自由曲面局部面形控制方法,即视场非均匀网格化优化设计方法,通过规划多视场的结构布局,实现对自由曲面局部曲率的优化控制。本文将此方法应用于两种具有典型特征的自由曲面光学系统设计当中,设计结果表明,视场非均匀网格化优化设计方法对自由曲面光学系统设计具有有效性和实用性。本文针对两种Varifocal变焦类型的自由曲面光学系统进行了优化设计,分别是渐进多焦点眼镜和全景环带变焦系统,对应于单透镜变焦系统和多透镜变焦系统。渐进多焦点镜片与人眼光学模型匹配构成一套成像光学系统,采用视场非均匀网格化优化设计方法对渐进多焦点镜片视远区、渐进加光区和视近区的光焦度分布进行优化控制。根据人眼的渐进视距习惯,设计出符合老花眼的渐进多焦点镜片,即符合渐进视距曲面——视网膜曲面的变焦距物像映射成像关系。全景环带变焦物镜是利用多片自由曲面光学元件实现全景镜头环绕方位角方向变焦的无像散光学系统,当物镜绕光轴旋转时,其视场变化范围是从0°方位角对应的70°~110°俯仰角视场绕光轴向两侧按余弦曲线过渡到±180°方位角对应的80°~100°俯仰角视场,同时指定的90°俯仰角中心视场不变。全景环带变焦物镜的物像映射关系是3D立体圆柱面——2D平面环带映射关系。采用局部视场网格密集化方法优化自由曲面曲率分布,显著降低了全景环带变焦光学系统的网格畸变像差。