发光二极管（LED, Light Emitting Diode）自发明以来，以其寿命长、体积小、光效高、能耗低、环保无污染等诸多优点，被认为是理想的新一代照明光源。随着制造成本的不断降低以及工艺的不断完善，LED照明技术已经开始正式应用到不同的照明领域当中，取代传统的照明光源。其中，LED路灯在城市道路照明中所体现出来的优越性得到了越来越多人的重视。由于LED光源的光场分布特点，使其在不经过处理的情况下不能够满足道路照明的需求。基于此，本文以非成像光学理论作为指导，通过进行二次光学设计，对如何在提高LED光能利用率的同时得到理想的光斑形状，满足不同的道路照明需求进行了研究。本文首先阐述了LED的工作原理、优点以及性能指标并对LED照明技术进行了简单的说明。然后对二次光学设计中所应用的基本原理：非成像光学理论中的重要概念进行了研究。在此基础上进行了实现均匀照度圆斑的自由曲面透镜的设计，对设计的结果进行了光学仿真分析并阐述了整个二次光学设计的流程以及设计过程中所用到的三个不同的软件工具。接着将二次光学设计应用到了LED道路照明的研究当中，提出了在特殊路段的照明光斑设计思路并通过以均匀照度环形光斑的设计与实现为例子解决了在环形交叉路口的道路照明问题。最后讨论了设计过程中的点光源假设对最终结果造成的影响。