随着现代社会的迅速发展,传统荧光灯或白炽灯已慢慢开始消失。而新一代照明光源发光二极管（简称LED）凭借着自己独特的优势逐渐占据主导地位。在社会的各种环境和领域我们都可以看到LED的身影。环保、高效能,寿命长和可靠性高这些都已经成为了LED的代名词。完美的同时也存在着一些不足之处,由于发光二极管发光模式为朗伯体分布,目标面上的照度效率不高,而且比较容易产生眩光。须对LED进行一定的配光设计,才能满足照明需求。本课题的研究内容就是基于LED二次光学设计,提出基于点光源的均匀照明二次光学设计;基于LED模组二次光学设计,并设计出一款超薄直下式LED平板灯。最后基于LED光源模块在光纤景观灯的应用进行二次光学设计,在设计中,通过LED与聚合物光纤两者的有效结合,设计了一款光纤照明系统,并对其照明效果进行了验证。本文具体内容如下:首先,介绍了与本文相关的几个光度学参量,并指出其定义公式。然后介绍了非成像光学理论,最后论述了光学设计的类型、光学设计的步骤以及光学设计时所需软件。为接下来的研究内容奠定了理论基础。其次,基于LED点光源进行二次光学设计,针对点光源均匀照明问题,根据能量守恒定律,通过MATLAB编程,设计一款自由曲面透镜,实现了基于LED点光源二次光学设计的均匀照明。由于点光源是设计者在设计时所采取的近似方法,所以,又讨论了在透镜高度一定的情况下,LED光源尺寸对均匀度的影响问题。接着,基于LED模组进行二次光学设计,设计出一款半圆柱微结构透镜的直下式LED平板灯,实现了以15mm厚度的高均匀度照明。首先以正六棱柱体作为设计模块,该模块的照明性能主要受到四个参数影响。根据该四个参数进行单一变量分析,分别得出相对条件下各个参数的最佳值,最后采用Taguchi实验法得出最佳的透镜设计参数。把得到的多个测试模块组合并优化得到302mm×285mm×15mm的超薄LED平板灯,其均匀度达到95.53%,光效率达到95.99%,符合现在超薄节能发展的要求。最后,基于LED光源模块在光纤景观灯的应用进行二次光学设计,并结合光纤照明技术,设计了一种光纤景观灯。基于能量补偿分别解出耦合透镜和光纤端面透镜的3D模型数据,最后通过光学仿真及实验得到验证。实验结果表明在-100mm—100mm范围内,端头均匀度达到80.4%。