在能源紧缺、污染严重的现实环境下，发光二极管(Light Emitting Diode)作为新一代的光源，凭借其诸多优点已经得到越来越高的重视，为了进一步推广LED的应用，LED照明相关技术的发展是至关重要的，因此开展LED照明光学设计的研究具有重要的实用价值。传统的基于成像光学理论的照明设计，虽然原理简单，但是结构比较复杂，不能满足照明系统紧凑性的要求，而且没有考虑能量利用率的问题。由于非成像光学的基本理论即光学扩展量和边缘光线理论，分别从能量和光分布方面对光学系统进行控制。因此将非成像理论应用于照明设计，可以有效地简化照明系统的结构，实现对光能的控制，进一步满足照明系统对小型化、高效化的追求。本文在归纳总结LED照明系统设计内容与步骤的基础上，以非成像光学理论为依据，根据LED光源配光曲线及照明面的光分布要求，将能量和光走向作为照明设计的研究对象，力求实现高均匀度和高能量利用率的透镜设计。本文针对满足一般室内需求的圆斑照明，提出利用能量守恒控制边缘光线，结合传统的光学设计软件，可以快捷方便的实现设计目标，避免了复杂的计算。并以无影灯设计为例，证明该方法的可行性。之后针对光源排列，又提出球面阵列化的方式，以满足无影灯的应用要求。本文针对特殊照明，提出利用映射原理，将光源和目标面进行网格划分，对应网格内能量相等。该方法通过逐步建立透镜曲面，实现各种形状的照明光斑设计。并以实现矩形照明的路灯设计为例，证明该方法的可行性。