随着大功率LED在通用照明中的广泛应用，业界对LED照明光学品质的要求也不断提升。基于自由曲面光学的光线调控技术使得LED照明的光学性能得到极大提升。光效、照度均匀度、亮度均匀度和颜色均匀度是评价LED照明光学性能的四个重要指标。目前，在光学指标要求较低的场合，已有的自由曲面光学设计方法能基本满足需求。但针对特定需求的高品质LED照明，已有的设计方法还存在各种不足：针对单扩展光源，缺乏一种灵活调控光分布，并同时实现高光能利用率，高亮度均匀性和高照度均匀性的自由曲面设计方法；针对阵列扩展光源，缺乏一种通用且简洁的设计方法，能实现大距高比和近场条件下的均匀照明；针对光色问题，缺乏一种能同时实现颜色均匀性和光发散角可控的光学设计方法。因此，本文针对上述问题进行了深入系统的研究，并提出以下的创新性设计方法。　　针对已有的实现矩形光斑的自由曲面算法，在自由曲面透镜构建过程中，因为映射方式的缺陷和构点方式引入的法向矢量偏移，会导致实际生成的光斑与预设光斑存在较大偏差。提出了一种新的构点方法，通过引入法向矢量误差阈值控制重新构建新的种子线和新的自由曲面，消除构点方式在构点过程中引入的法向矢量漂移影响，从而实现更准确的自由曲面透镜。在此基础上，又提出了一套反馈优化方法也可以消除法向矢量引入的偏差，从而来改善光斑劣化。　　针对单扩展光源，基于能量守恒定律和能量网格映射理论，提出了一种新型的自由曲面透镜网格分布优化算法。该方法通过灵活调整目标平面的能量网格划分和进行目标平面整体偏移，能够实现在指定的照明区域内任意的照度分布。基于该方法，针对LED扩展光源，设计了两款光滑的非对称道路照明透镜，在不同规格的道路上都能实现满足国家标准的光分布：在双向六车道的沥青道路上，相比于传统对称透镜，单自由曲面非对称路灯透镜的总亮度均匀性从0.3提高到0.6，纵向亮度均匀性从0.5提高到0.8，并且光功率密度（LPD）从0.9下降到0.7；全内反射（TIR）非对称透镜的总亮度均匀性能达到0.7，纵向亮度均匀性能达到0.85，透镜出光光效能达到93%。　　针对阵列扩展光源，基于特征点取样和数值拟合方法，提出了一种自由曲面照度分布函数算法。该方法通过对光源和目标平面光分布统一用照度分布函数表达，摒弃了受环境条件限制的基于光强度表达的传统方法，并能有效地解决扩展光源对光学性能的恶化影响。基于该方法，针对LED阵列扩展光源，设计了一款距高比为4的自由曲面背光透镜，与传统透镜相比较，新透镜的照度均匀性从0.45提高到0.84，亮度均匀性能够达到0.92。　　针对LED照明的颜色均匀性的优化设计，提出一种自由曲面分段叠加优化算法。该方法通过调控不同发光角度的光，使其在目标平面进行叠加混光，从而实现高颜色均匀度。基于该算法，针对荧光粉涂覆LED，通过设计的大发散角自由曲面TIR透镜，在保证大发散角的同时，能获得更小的垂直尺寸（0.52倍），空间颜色均匀性增强了84%，归一化标准方差（NSD）从0.888降到0.429；设计的小发散角的TIR波纹透镜能使NSD从0.792下降到0.232。