本发明涉及光学设计技术领域，尤其涉及一种自由曲面光学系统的设计方法，设计方法包括对光学系统中的单个自由曲面进行优化设计，包括步骤：S1、在光学系统中设定一系列离散的采样视场和波长，按理想物象关系确定每个采样视场和波长组合对应的像点坐标；S2、确定前后波前面，获得波前面表达式；S3、确定参考光线；S4、选择接受面和入射光线面，求解对应的待优化的自由曲面上的特征点坐标和法线信息；S5、针对特征点坐标进行面型拟合，实现对待优化的自由曲面的优化设计；本发明所提供的自由曲面光学系统的设计方法，不依赖设计人员设计经验，整个设计过程更为自动化和智能化；且对于折射、反射、衍射或混合光学系统都能适用。