随着人们对眼用镜片轻量化、功能性、舒适性以及新颖性等要求的提高，传统的眼用镜片已经不能满足现代眼镜行业的需求。基于数字化表面处理的自由曲面技术正在颠覆着传统的镜片制造业。自由曲面镜片由于其大的自由度，能够最大限度地按照人为设定的要求控制顶焦度分布和柱镜顶焦度分布等，因此自由曲面的应用是近年来眼镜光学设计领域的一个大热门。眼用自由曲面镜片主要以非球复曲面镜片和渐进多焦点镜片为代表。本文从渐进多焦点镜片的新颖性、大的市场需求性等出发，在分析现有测量与评价方法以及现有设计方法存在问题的基础上，提出了一种在设计过程中全面综合地评价自由曲面镜片光学特性的带有柱镜轴向的模拟评价方法，提出一种对渐进多焦点镜片初始模型进行整体优化以减小像散区柱镜顶焦度变化的逐点定向曲率补偿优化设计方法，并且提出镜片-眼瞳模型中双面自由曲面镜片的模拟评价方法。首先详细阐述国内外自由曲面镜片的研究现状，指出我国作为世界人口大国大力发展个性化镜片设计的迫切需求。从渐进多焦点镜片概述出发，结合曲面的基本理论，分析曲面的特点以及主曲率、主方向、平均曲率的基本概念和相关方程，为自由曲面镜片的模拟评价方法及优化设计研究奠定理论基础。其次，提出了带有柱镜轴向的模拟评价方法，详细分析其评价原理及步骤，给出评价结果。分析数值计算步长对带有柱镜轴向的模拟评价结果的影响，指出数值计算步长越小精度越高，但计算时间越长。比较并分析带有柱镜轴向的模拟评价方法较常用模拟评价方法的优缺点，并提出用于评价满足一定条件的自由曲面镜片的简化模拟评价方法，指出该方法具有很大的计算时间优势。基于推导出的曲面各点任意方向法曲率计算公式，提出逐点定向曲率补偿优化设计方法。给出优化设计步骤及优化设计实例，并通过加工和测试实验验证优化设计效果。分析表明：逐点定向曲率补偿优化方法与初始设计过程和设计方法无关，适用于任何设计方法设计的渐进多焦点镜片的优化。最后，从关注镜片佩戴状态下的视力出发，首次提出在镜片-眼瞳模型中评价双面自由曲面镜片的思想，通过光线追迹的方法计算每一根进入眼瞳的光线经过镜片前、后表面的位置，再将前、后表面相应位置、任意方向的法曲率进行迭加计算，最后得到顶焦度分布和带有柱镜轴向的柱镜顶焦度分布，从而能更加精确合理地评价实际佩戴状态下双面自由曲面镜片的光学特性，并分析与讨论其评价结果的影响因素。