一种自由曲面光学系统设计的方法，包括选择非球面系统，非球面方程为基础，利用光学设计软件，导出非球面面形数据；将得到的非球面面形数据导入到数据处理软件中；引入自由曲面的数学描述表达式；将非球面高次项所构成的面形分布作为转化自由曲面面形部分，进行自由曲面面形的拟合；利用优化拟合算法将非球面面形分布转换为自由曲面面形分布，得到自由曲面数学表达式中各项的拟合系数；将转化得到的自由曲面光学系统，本发明得到的自由曲面光学系能够有效提升传统光学系统的成像质量，无需改变原有光学系统性能，直接将非球面面形替换为自由曲面面形，此方法在MTF调制传递函数与畸变方面有着明显的提升，满足光学系统更高成像质量的发展方向。