本发明公开了一种制冷型紧凑无遮拦自由曲面光学系统，该系统由依次排列的：第一反射镜，第二反射镜和第三反射镜组成。三个反射镜均为自由曲面，采用XY多项式或Zernike多项式，相对于同轴系统存在倾斜、或偏心与倾斜同时存在。三个反射镜呈圆周排列，光线在空间上多次相交，结构紧凑。入射光线没有被三个反射镜遮拦，可以100％到达最终像面。光路中存在中间像面，位于第二反射镜和第三反射镜之间，靠近第二反射镜。系统光阑位于第一反射镜附近。本发明缩减了传统离轴三反系统的体积，在紧凑的空间内实现了二次成像技术，使得出瞳位于第三反射镜之后并位于交叠光路之外，可匹配制冷探测器冷阑，实现100％冷光阑效率，提高目标作用距离。