本发明公开了一种自由曲面光学系统，包括第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜、第四反射镜和图像传感器，第一反射镜为光焦度为负的高次凸非球面反射镜；第二反射镜为光焦度为正的自由曲面反射镜；第三反射镜为光焦度为负的球面反射镜；第四反射镜为光焦度为正的自由曲面反射镜；目标光束投射至第一反射镜之后，依次经第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜和第四反射镜反射之后，投射至图像传感器。本发明的光学系统布局紧凑，减少了光学系统自由曲面反射镜的数量，降低了工程实现难度，系统装调自由度减少，加快了计算机辅助装调收敛速度。