太赫兹波因其独特的透射性与低能量性在成像与无损检测领域得到了广泛的应用。为了提升成像的质量，本文对自由曲面透镜和自由曲面轴棱锥的设计和制备方法进行了探究，并从理论、仿真和实验三个方面进行了验证，证明了设计的透镜及轴棱锥可以应用于工程实践中，本文主要内容如下：
　　首先介绍了太赫兹波成像的发展以及自由曲面透镜成像的优势和现状，接着介绍了一种基于数值计算的自由曲面透镜设计方法，并对其原理进行了推导，从理论上证明了其合理性。之后介绍了测试透镜性能的仿真软件和3D打印技术，并且论证了可以使用3D打印技术来制作太赫兹波段的自由曲面透镜，最后介绍了测试透镜性能的实验系统。
　　使用上述设计方法并借助软件Mathematica成功设计了3种太赫兹波段焦距100mm的自由曲面透镜，并用3D打印技术将其制作出来。为了验证透镜的聚焦性能，在仿真软件中，将准直波束入射到设计的自由曲面透镜上，得到的出射波束的焦距在设计值100mm左右，且束腰半径较小。之后搭建实验系统进行实验验证，结果与仿真接近，证明了设计的透镜可以用于太赫兹波的聚焦。最后使用该实验系统对分辨率板扫描成像，自由曲面透镜的成像效果略好于常规球面透镜。
　　然后介绍了无衍射波束中的贝塞尔波束，以及增大无衍射距离的双轴棱锥结构。再介绍一种自由曲面轴棱锥的设计方法，利用此方法设计了入射表面为自由曲面的轴棱锥,并通过3D打印将其制作出来。将双轴棱锥结构中的常规轴棱锥替换为制作的自由曲面轴棱锥，进行仿真和实验，得到的波束的无衍射距离不短于常规轴棱锥，且投送距离长于常规轴棱锥，证明了设计的轴棱锥可以应用于双轴棱锥系统中来产生无衍射波束。
　　本文采用两种原理近似的设计方法分别设计了用于聚焦的自由曲面透镜和用于产生无衍射波束的自由曲面轴棱锥，并通过仿真和实验证明了其性能不弱于常规透镜和轴棱锥。