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随着大功率LED流明效率不断提高、成本不断下降,大功率LED在通用照明与特种照明领域得到了越来越广泛的应用,如LED路灯、LED背光、LED汽车前照灯等等。高光效、光形可控与高空间颜色均匀度是实现高品质LED照明不可或缺的三个关键因素。为了克服现有光学设计方法的不足之处,提高LED照明品质,本论文围绕上述三个关键因素开展了LED封装与应用的自由曲面光学研究,并取得以下创新性成果：在光效与光形可控方面,对于圆对称光斑点光源情况,提出了一种新的任意配光曲线光源计算简单、任意出光角度准确可控的LED均匀照明自由曲面透镜设计算法。对于圆对称光斑扩展光源情况,提出了一套创新的基于反馈优化的扩展光源自由曲面透镜设计算法,包括优化目标平面面积网格划分、优化光源能量网格划分与两者协同优化三种设计方法。有效克服了扩展光源对照明效果的劣化,UE从0.53提高到0.90。对于圆光斑空间整体均匀照明问题,提出了一种新的逆向设计方法,包括优化配光曲线与实现任意配光曲线的新自由曲面透镜算法两部分。基于该方法,设计了两个集成自由曲面透镜的新型直下式背光用LED模块,在大距高比时显著提高了UE(从0.446提高到0.915)，同时大大减少了LED数量(1/4以下)。对于非圆对称光斑(例如常用的矩形光斑)点光源情况,提出了一种改进的非连续自由曲面透镜算法,具有任意配光曲线计算简单、能量对应灵活、光形可控度高等优点。同时,提出了两种新的连续自由曲面透镜算法,分别为基于中心辐射与基于矩形网格能量对应关系。新型自由曲面透镜出光效率高,能够实现均匀的近似矩形光斑,已成功应用于LED道路照明。对于非圆对称光斑扩展光源情况,基于同样的反馈优化设计思路,创新地提出了二次光学与一次光学相集成的应用导向型LED封装模块(ASLP),可实现均匀矩形光斑,能直接满足道路照明的需求。ASLP具有体积小(-1/8)、系统光效高(提高-8.1%)、成本低(降低17%)、方便客户使用等优点。同时,设计了一基于LED阵列光源的道路照明用多功能集成ASLP模组,具有系统光效高(提高-19.4%)、维护替换方便等优点。对于非圆对称光斑空间整体均匀照明问题,以实现亮度均匀道路照明为目标,提出了两种新的亮度均匀光学设计方法,分别为组合法与亮度均匀自由曲面透镜算法。这两种方法都显著提高了道路亮度均匀度,UL从0.30迅速提升到0.70,并已经成功应用于实际LED道路照明。同时,提出了一种新的亮度均匀非对称自由曲面透镜设计算法以提高道路照明利用率,平均亮度提高了25%。除了光效与光形可控方面,对LED照明空间颜色均匀度(SCU)也进行了研究。提出了一种采用自由曲面透镜来提高LED照明SCU的新方法。集成自由曲面透镜的新型LED封装模组的SCU从0.334增加到了0.957,并且对不同荧光粉层结构具有较好的稳定性与一致性。同时,采用空间颜色均匀自由曲面透镜能够大大降低LED的(?)u’v’值,提高LED照明品质。该新方法具有工艺简单、成本低、光效高、效果显著等优点。本文提出了一系列创新的自由曲面透镜设计算法与空间整体均匀照明设计方法,并基于这些算法设计了多种新型自由曲面透镜与新型LED封装模块,为实现光效高、光形可控、空间颜色均匀的高品质LED照明提供了一套有效的光学解决方案,将可以在LED通用照明与特种照明中得到广泛应用。