随着社会与科技的发展、能源消耗的加剧以及人们对照明的要求的日益提高,传统光学器件已经不再能满足要求,人们希望光学仪器设备在能够实现复杂的功能的同时更加便携集成化和节能,自由曲面照明应运而生且不断蓬勃发展。自由曲面由于具有极高的设计自由度和灵活的空间布局,可以有效控制光束分布并简化光学系统结构,成为近年来光学设计领域的研究热点。光束由其强度分布特性和相位分布特性两方面决定,光束整形是指对光束强度分布或相位分布进行调控,或者对二者同时调控,然而单个自由曲面只能实现对光源出射光束的方向或光强分布的调控,双自由曲面由于具有更高的自由度,可同时实现对光束传播方向和光强分布的调控。平行光照明是最为典型的理想照明模式之一,实际应用中,当光源扩散角对实际照明的影响可以忽略时,可视为平行光照明。本文提出的单个自由曲面以及双自由曲面的设计方法主要基于平行光整形,并对实际应用中具有一定扩散角度的准直光做了详细的分析。论文首先针对准直光束强度分布的整形,从Snell定律和能量守恒定律出发,提出了柱坐标系下的基于椭圆型Monge-Ampere(MA)方程的单个自由曲面设计方法,建立相应的数学模型,给出了该模型的数值求解算法,通过实例验证了该方法的有效性。为解决柱坐标系中存在的顶点约束问题,提出了更具有普适性的直角坐标系下的单个自由曲面设计方法,并将该方法应用于光刻离轴照明中,将LMK运输问题进行类比以寻找合适的初始结构,采用MA方法设计了四种离轴照明模式,均能获得很好的照明效果,分析表明该方法对准直光束扩散角具有较大容差,设计获得的连续的自由曲面使得曲面更便于加工。为实现对准直光束的强度分布和相位分布的同时调控,论文针对现有准直光束整形方式与自由曲面设计方法的诸多不足,首先提出了一种柱坐标系下的有效的基于Monge-Ampere方程的双自由曲面设计方法,针对平行光束(激光束)整形建立了相应的数学模型,通过数值求解得到双自由曲面透镜前后表面两个自由曲面的面型数据,获得了光滑的双自由曲面透镜模型,使入射光束经过该透镜偏折后产生预定的强度分布和相位分布。在此基础上为解决困扰已久的顶点约束问题,进一步建立直角坐标系下的双自由曲面设计数学模型,使该方法更为通用。另外论文还对准直光束发散角进行容差分析,以完善整个准直光束双自由曲面设计理论系统。最后,论文采用该双自由曲面设计方法设计了用于激光光束整形的双自由曲面透镜,搭建了激光光束整形实验系统,对其做了一系列模拟分析。该实验验证了双自由曲面设计方法的有效性,同时,实验结果中暴露的问题表明该方法对自由曲面透镜加工具有极高的精度要求,为使该方法具有普适性和实用性更强,双自由曲面设计方法需要结合实际加工精度做进一步改善。