使用发光二极管LED作为照明光源，不仅可以节省能源、减少污染，还可以减小照明系统的体积、延长照明系统的寿命。由于LED光功率及发光特性等因素的影响，使现有的LED无法直接应用于照明系统，并且传统的配光方法已不再适用LED光源，必须要根据照明需求重新对LED进行光学设计，因此进行LED照明系统光学设计方法研究具有十分重要的意义。除了配光设计，LED照明系统还需要解决散热问题，若不能将热量及时散去，将会影响其正常工作。本文围绕LED照明系统的配光设计、散热设计进行研究，具体完成的工作如下：1.研究了LED器件的光学特性、电学特性、热学特性,以及LED的驱动和调光技术。2.利用光学仿真软件建立了LED的光源模型，分析了透镜折射率、透镜半径以及反光碗锥角对光学建模的影响。3.基于非成像光学，根据折射定律、能量守恒定律推导出关于自由曲面的微分方程，利用数值方法求解并建立实体模型，最终利用Tracepro进行仿真，得到照度均匀度约为90%，符合设计要求。4.分析了结温对LED性能的影响。讨论了LED的散热方式，并设计实验对半导体制冷和压缩机制冷效果进行了对比和分析。最后，对全文的工作进行了总结，并对本课题未来的研究进行了展望，提出了需要进一步研究的问题。