照明设计问题是非成像光学里的两大问题之一,另一个是太阳能收集问题。相比于传统的照明方式,自由曲面照明具有更灵活的空间布局和更高的设计自由度。本论文致力于自由曲面照明设计方法及其优化方法的研究,旨在建立一套有效的连续自由曲面的设计理论,为自由曲面照明提供了一套可靠的光学解决方案。论文首先对目前主要的一些设计方法进行了总结,并指出这些方法中存在的一些不足,通过结合这些方法各自的优点提出一套有效的连续自由曲面照明的设计方法。根据光源的不同,自由曲面照明设计方法可以分为针对点光源的自由曲面设计方法和针对扩展光源的自由曲面设计方法。目前针对点光源的自由曲面设计方法主要包括基于微分方程的自由曲面设计方法、划分网格法和SP方法。由于基于微分方程的自由曲面设计方法的适用范围窄、划分网格法难以得到连续的曲面、SP方法所得的光分布不连续,本文提出一种混合设计方法,该方法融合了三种方法各自的优点,并互相弥补了各自的缺点,最终通过该方法得到了一张能实现所需光分布的连续且光滑的自由区面。对于具有一定扩展的光源,针对点光源的自由曲面设计方法很难实现预定的照明效果,优化方法一定程度上能够消除这样的问题,但最根本的方法是能提出一套针对扩展光源的自由曲面照明设计方法。本文作为尝试将用于太阳能收集的一些非成像光学理论和方法引入到照明设计中去,并提出了一种用于照明设计的SMS方法。总体来说,本文主要做了两项任务：第一项任务,对目前主要的几种针对点光源的自由曲面设计方法进行了总结,并提出了一种混合的自由曲面设计方法；第二项,提出了一种用于照明设计的SMS方法,弥补了针对扩展光源的自由曲面设计方法的空缺。