本发明属于光学系统设计技术领域，具体涉及一种反射式非球面光学系统设计方法。包括以下步骤：①设计全球面初始结构；②确定4面反射镜的反射球面光焦度排序并在光焦度最大的M2反射镜上引入非球面进行求解；③确定M2反射面的入射光线方程；④确定M2反射面的出射光线方程；⑤确定M2反射面的目标非球面点坐标；⑥确定M2反射面的目标非球面与子午面交线方程；⑦确定M2反射面的目标非球面方程；⑧利用最小二乘法原理求解；⑨获得目标非球面方程；⑩求解出作为未知面的M2反射面后，以光焦度由大到小的顺序逐一求解下一未知面，直至解出所有反射非球面。本方法解决了传统初始结构优化法依赖设计经验问题，提高了设计效率。