自从人类步入21世纪以来,科技、文化与生活水平都有了质的飞跃。人们对于生活的态度也在逐步转变,从过去追求温饱小康到如今的强调和谐自然与可持续发展。因此,为了满足人们生产生活需要,照明领域也在不断革新。其中,LED凭借其低能耗、高光效、寿命长等一系列优点成为了日常照明应用中的中流砥柱。然而LED与传统光源不同,朗伯体型的发光使其对光学系统的适配要求更加地严苛,因此设计出能使LED芯片高效发挥的光学系统成为了照明行业中一个亟需解决的重要问题。随着对于照明光学的不断研究,人们逐步建立了非成像光学的理论,并提出了一系列光学系统的设计方法。本文根据非成像光学理论,结合一些已存在的传统设计方法,基于二次光源面法这一分析方法,提出了一种名为扩展量填充的自由曲面设计方法,旨在针对扩展光源实现高精度的照度分布控制。本文的主要内容:首先介绍了非成像光学的基本概念及光学扩展量守恒定律和边缘光线原理,并介绍了常用的非成像光学的设计方法。本文创新性地提出了一种名为扩展量填充法的自由曲面设计方法,该方法针对扩展光源进行设计,对光学系统中的光学面进行离散化后,使用光锥这一概念来进行光学系统中光场的特征描述,通过控制光学面子面上出射光锥的角度宽度及光锥方向,最终实现对目标面上照度分布的精确控制。本文对上述方法进行了理论分析和算法实现并使用该方法进行了两个多自由曲面透镜设计,通过光学仿真以及对透镜样品的实际测量,验证了该设计方法的有效性。最后,根据最终的实际效果与研究过程中遇到的一些问题,本文分析了该设计方法中存在的不足之处以及可能的解决方法,并结合如今的应用环境探讨了未来的发展前景与一些可行的完善措施。