大功率LED（Light Emitting Diode，发光二极管）凭借其寿命长、能耗少、光效高等优点正逐渐取代传统的照明灯具，越来越广泛的应用于照明各个领域中。而单颗LED光通量较小，需要将多颗LED芯片排列或者封装在一起来满足照明要求，这就促进了大功率LED集成光源的发展。本课题首先详细介绍了LED的结构及其发光原理和非成像光学关于照明光学设计理论，然后针对面向LED集成光源的三维光学设计，然后对大功率LED光源形成矩形板的应用于照明的光学设计进行了探索性的研究。首先，建立了一种扩展光源模型，让大家对目前市场上的LED集成光源有一个直观的认识。在对指定光强三维补偿因子的推导的基础上，提出了新型的大功率LED光学透镜系统。在已知光源的光辐射特性以及出射光强分布需求的前提下，基于能量守恒原理和光学扩展量守恒，带入三维补偿因子进行了计算，再根据边缘光线理论，对等照度的透镜模型计算。根据光学折射定理迭代计算得到自由曲面的点数据，在机械设计软件中将离散的面型数据拟合成为完整的光学自由曲面。其次，说明了两种对应于目标面矩形斑照度的光学设计方法，即经纬线的自然划分与经纬网格对应的透镜设计，与不同经度由高向低纬度展开的辐射环带对应透镜设计。各自根据相应的能量对应公式，在LED光源出光的立体角度划分后与目标面照明区域之间建立起相对应的关系，两种方法各自设计LED光学透镜对应的目标面照明区域偏重于不同的长宽比例，后者长宽比接近1。然后，在软件中通过迭代计算生成了最终的光学透镜模型。最后，在光学仿真软件中对上述理论计算得出的光学模型进行仿真验证，仿真结果表明，光学系统出光效率及照明面上的照度均匀度均与设计的预期目标相符合，验证了所述设计方法的正确性。