随着大功率的LED（light-emitting diode）的光效率提高、成本降低、发热性能改善，LED作为第四代照明光源，在照明领域应用越来越广泛。LED半导体技术投入照明领域，使得非成像光学理论快速发展。照明系统是机器视觉系统关键部件之一。机器视觉光源按照照明形式可以分为正面照明光源和背光光源。为了克服机器视觉照明设计的不足之处，提高照明品质，本论文围绕着提高正面照明光源和背光光源的光学性能开展了基于非成像光学的照明设计优化方法研究。　　固定LED阵列形式是正面照明常用的形式，但该种照明形式限制正面照明光源的照明高度调节范围。为了克服这缺点，提出一种基于 Sparrow准则的设计方法，该方法能够在不同照明高度实现照度分布最大平坦化。运用该方法设计一款高度可调光源。通过模拟分析，光源在20mm~200mm照度高度，均匀度在0.7以上，光能利用率达到50％左右。该方法让正面照明光源具有照明高度可调特性。　　固定LED阵列形式也使得正面照明光源的光斑形状是固定的。为了实现光斑形状可控，提出一种通过改变 LED模组阵列组合方式实现光斑形状可控的设计方法。通过模拟实验结果，该种照明方式可以提高不同形状检测目标轮廓照度均匀度，均达到0.9以上。另外轮廓照度的梯度幅值波动和角度偏差也大有提高，该方法能提高采集到图像的质量。　　接着对机器视觉另一类光源—背光光源的优化设计进行研究。常规的背光光源是由LED、准直透镜和扩散板组成。为了提高背光光源的光学效率，提出了一种菲涅尔损耗最小化的非球面准直透镜的设计方法。同时提出一种基于deCasteljau算法高效的曲面构造方法，该方法能够实现在较少特征点情况下，更准确控制光线。运用该种设计方法设计一款非球面准直透镜，基于尺寸为1mm*1mm的LED，准直后光线束在发散角±2.87°范围内具有光学效率90.82%，菲涅尔损耗只有8.76%。光学效率比传统的准直透镜提高了11.32%。所以，基于该准直透镜的背光光源的光学效率也相应地提高。　　面向光栅尺的光源是一种特殊背光光源，仅由单个平行光源构成。光栅尺要求平行光源具有极小的发散角和高均匀度，由于光学扩展量的限制，LED与透镜的组合无法满足其要求。所以提出基于几何设计法的初始设计方法和基于Monge-Ampe′re方程数学设计法的优化方法。运用该方法设计一款的紧凑型平行光源。该光源由激光和双自由曲面光学系统组成。通过模拟实验，光源光学效果为均匀度0.94，出射光束发散角缩小到0.03°。而基于1mm*1mmLED的平行光源，其出射发散角的理论最小值仅为0.84°，而且无法保证均匀度。所以，该设计方法大幅度提高面向光栅尺的背光光源的光学性能。