自由曲面光学表面是非旋转对称的光学表面，目前已经被越来越广泛地应用于光学工程领域，通过不同的表征形式，可以扩展光学设计的自由度，实现设计大视场、大相对孔径的光学系统等目的。但由于自由曲面在设计、加工、检测及装调等过程中还存在很多技术性问题，所以目前其仍未能普遍用于高分辨率的反射望远光学系统。由于反射望远系统的装调精度要求高，所以目前复杂的望远系统均使用计算机辅助装调技术进行装调。计算机辅助装调技术是利用数学模型将失调光学系统的成像形式参量与失调量之间建立联系，通过测量成像形式参量得到系统的失调量，进而调整光学系统实现装调的目的。传统的计算机辅助装调方法是基于数学近似或迭代的方法对失调量进行精确求解，由于自由曲面的特殊光学特性，难以通过解析像差公式、建立并解算方程组的方法得到含自由曲面的复杂光学系统的失调量，那么，提出一种新的装调方法就成为自由曲面光学表面应用于反射望远系统的必要技术突破。本文基于以上问题针对自由曲面光学表面的光学特性以及计算机辅助装调技术进行研究，以期解决含自由曲面反射望远系统装调过程中的不确定性、装调效率低及盲目性等问题，从而弥补传统计算机辅助装调方法的不足，提高自由曲面光学表面的实用性。主要的研究内容总结为以下几个方面：(1)对自由曲面光学表面的成像特性进行了详细分析，并且讨论了各种表征方式的特点；(2)基于矢量像差理论，围绕球差、彗差和像散在整个视场中的分布规律，阐述了离轴光学系统的三阶波像差特性；(3)基于人工神经网络，提出了一种新的计算机辅助装调算法，设计此算法的数学结构，编写实用程序，模拟仿真光学系统的装调情况，并由此指导了超大视场自由曲面光学系统的实际装调；(4)完成了自由曲面光学表面的设计、检测与装调数据链路的搭建，分析了其在实用过程中的技术问题。