如今,固态半导体照明作为第四代照明光源已经逐步取代以白炽灯、卤素灯为主的传统照明,LED以其光效高、体积小、寿命长、抗冲击、可调光、维修和更换相对简单、价格便宜化等诸多优势在各个行业得到了广泛的应用。现在国内外很多的照明企业都具备生产和装配各种LED灯具产品的能力。可以预见,LED在今后的智能照明和智慧城市的进程中,一定会发挥举足轻重和不可磨灭的作用。但是,如何设计出能够实现用户舒适光体验的照明灯具是亟待解决的大需求。基于LED的自由曲面配光设计能够将原有复杂、庞大的照明系统简单化,且能够实现对光的精确控制。因此,本文主要根据两个典型的设计案例--投光灯和洗墙灯,来探讨基于LED自由曲面设计的光学系统在灯具中发挥的重大作用与具体的设计方法,具体的研究内容如下。首先,研究了常用的自由曲面设计方法,对其进行验证与总结。其次,指出其在设计过程中的优势与劣势,提出了新的设计方法--剖面求解法,通过投光灯透镜的设计案例来验证方法的准确性与实用性。通过能量守恒去推导并最终建立LED光源与目标面之间的映射关系,构建出了一款新型的洗墙灯透镜,该洗墙灯透镜不具备轴对称性,能够更加合理的实现照度均匀,提升光能利用率。两款灯具的透镜经过反复开模和修模的验证,最终均达到了理想的光学效果。具体的,投光灯透镜能够实现目标面的矩形光斑照明,边界清晰且均匀度高;洗墙灯透镜能够实现非偏转的、高照度、高均匀度、高洗墙距离的照明效果。为以提高灯具照明的光体验度,提供了技术引导及设计思路;也为非成像光学理论在实际中的应用提供了具体的实例论证。