本发明的实施例提供了一种基于自由曲面的均匀照明系统及其设计方法，涉及照明技术领域。基于自由曲面的均匀照明系统包括准直模块、光学积分器和准直扩束系统，准直模块包括双自由曲面准直透镜阵列，准直模块用于接收光源光线，并形成准直光线；光学积分器用于接收准直光线，并形成多个细光束重新混合，且每个细光束范围内的微小不均匀性由于处于对称位置的细光束相互叠加，使细光束的微小不均匀性获得补偿，从而使整个孔径内的光能量得到有效均匀的利用；准直扩束系统用于接收混合后的细光束，并形成均匀照明光斑。采用准直模块、光学积分器和准直扩束系统依次设置，不仅可以形成均匀照明光斑，还能够实现光路紧凑、且满足照明效果。