LED是一种新型光源,具有发光效率高、节能和时间长等优点,其已被普遍用于工业生产以及生活中的各大领域。由于LED朗伯体分布的特性,导致其在直接使用的情况下辐照均匀度和照明效率偏低,难以满足工业生产和生活的要求,因此有必要进行二次光学设计以提升其实用价值。为了实现高照明效率、高辐照均匀度和任意形状照明为目标,本文提出了一种以切割透镜作为设计基础,辅以漫反射面(切割面、放样面、自由曲面)进行辐照度优化的设计方法,规划目标平面上产生的照明区域形状,在保证辐照均匀度的条件下,提高照明效率。首先为了确保照明区域的形状,本文将透镜切割边缘与照明区域的边界精密对接,提出了切割透镜的设计方法,该方法能够根据照明面的具体形状对透镜进行切割,其产生的二次加工透镜能够产生辐照均匀度高的对应形状的照明面。该方法将光源视为点光源,通过偏微分方程法、能量守恒定律、折射定律与边缘光线理论进行数学建模。数值求解该方程族,得到一系列各方向上的二维曲线坐标数据,利用Solidworks将其合成为表面光滑的自由曲面透镜。仿真结果表明本文的方法可使目标面的辐照均匀度超过90%,产生的矩形照明面与三角形照明面与设计的目标照明形状更加的相似。在切割透镜的基础上,为了取得更加高效的矩形照明面,本文将漫反射照明引入透镜的设计中。针对最常用的矩形照明为例,本文提出了一种组合透镜的设计方法来进行矩形照明。组合透镜由切割透镜和基座组成。本文通过目标平面的形状确定切割透镜,然后将漫反射材料施加到基座的部分表面。漫反射材料用于提高目标平面的照明效率。通过从切割透镜的轮廓与放置光源的平面轮廓来获得基座的表面。基于该方法,组合透镜设计用于矩形照明。结果表明目标平面的性能满足矩形照明的要求。辐照均匀度约为88%,照明效率提高到75%。基于组合透镜的设计,由于漫反射面是由两个边界放样所得,未经过具体的设计,其产生的漫反射照明效果存在着局限性。为了进一步提高照明面的照明效果,本文进行了折射与漫反射的双自由曲面透镜的设计。与通用的双自由曲面透镜不同,这种双自由曲面透镜分为小角度折射自由曲面和大角度漫反射自由曲面。小角度自由曲面首先限制并形成照明区域。然后,设计大角度自由曲面以提高照明区域的效率。并且这种前光漫反射有效地避免了光源投射对照明效果的影响。基于所提出的设计方法,从而获得双自由曲面透镜。结果表明,圆形照明区域的效率达到81%,辐照度分布均匀度达到91%。这种设计也适用于形成不同形状的照明区域,同时保持更好的照明效果。