LED是新一代绿色光源。它在耗电量、发光效率、使用寿命和安全性方面相比于传统光源具有明显的优势,因此普及LED照明是利国利民的好事。图案摇头灯是一套技术含量较高的设备,特别是引入LED光源后,其光学系统的设计难度变大。研究LED图案摇头灯不仅有利于LED照明的发展,还可以积累技术经验,并能提高我国在舞台灯光设备上的技术水平。目前,大功率LED在舞台灯光设备领域的应用前景广阔,但是由于其发光面积和光束角均比较大,所以在一定程度上会阻碍大功率LED在舞台灯光设备中的应用。本文首先介绍了LED照明技术的发展情况,并分析了LED舞台照明产业的发展现状。其次,介绍了非成像光学的基本理论以及在照明中的应用。然后,针对大功率LED光束角和发光面都较大的问题,本文首次独创性的提出获得最小化光束角的算法,以尽量减小聚光后的光束角,并利用该算法设计了一种非连续自由曲面反射器,此反射器可以减小因不同方向光学扩展量不同而对均匀度和光斑形状造成的影响。变焦系统是LED图案摇头灯的一个重要部分,设计过程难度较大。其设计过程需要熟练掌握光学设计软件ZEMAX,了解光学设计的理论和各种方法。通过查阅量大的相关文献,在熟悉变焦的基本原理和设计理论之后,通过对现有的初始结构进行优化和改进,最终我们设计并获得了一种满意的变焦结构。非成像光学与成像光学的设计理论有较大的差异,但是在LED图案摇头灯光学系统的设计过程中这两种理论都有体现。由于光学系统各部分会相互影响,因此这两种理论的差异会造成一定的冲突,而本文很好地把这种冲突对光学系统的影响降低到了最小。