21世纪最热门的话题之一能源问题，发光二极管，简称LED，作为第四代新型能源，以其长寿命、坚固耐用、绿色环保等诸多的优势已经被广泛应用于各种照明领域。但是由于其发光的角度相对较大，光源强度分布也近似为朗伯型，不能够直接用于各种光学系统的照明。因此，通常情况下，为了满足不同应用场合的需求，我们需对光能进行重新分配。相较于进行多芯片或多器件的排列组合与利用球面透镜或者传统的抛物面反射器来进行配光的方式，自由曲面光学器件可自由的分配光强，实现更好的照明效果，因此便成为目前被广泛研究的重点课题之一。但是传统的将扩展光源视为点光源的设计方法已不能满足近场、小尺寸透镜的设计情形,因此便发展了自由曲面透镜的优化设计方法。本论文基于非成像光学理论，在TracePro环境下，将二次B样条理论、scheme语言、优化引擎结合使用，提出了一种正向实现自由曲面透镜的优化设计方法。该设计方法通过优化自由曲面-更改模型-实现光线重新分布这种正向的设计过程，避免了系统对反馈函数的建立；采用规则的二次曲面代替自由曲面，避免了系统对初始自由曲面的计算；更重要的是该方法首次实现对自由曲面局部的控制和优化，即仅针对于结果不好的局部自由曲面进行优化，保留已优化好的部分，避免对结果的负面影响，同时节省了优化时间。本论文分别对不同种类自由曲面匀光和准直透镜进行了优化，同时基于对单透镜的优化来进行合理的阵列设计，其模拟结果均满足照明要求。