本发明提供一种用于太阳模拟器光学系统的自由曲面聚光镜设计方法，包括以下步骤：步骤S1、根据系统要求确定光学系统的F#数；步骤S2、确定光学积分器大小，即确定聚光反射镜需要在第二焦面处形成弥散斑的大小；步骤S3、确定光源与第二焦面的距离，根据光源的配光曲线，确定光源的发光角度；步骤S9、将所设计的自由曲面母线绕光轴旋转一周，即获得自由曲面反射镜的加工面型。本发明提供的自由曲面聚光反射镜能够精确控制光线走向，在第二焦面处形成与光学系统匹配F#数、大小与光学积分器匹配、均匀的弥散斑，能够有效的提升光学系统输出的均匀性；本发明提供的自由曲面反射聚光镜至少具有二阶连续性，加工成本提升较少，经济性好。