本文以非成像光学理论和自由曲面设计理论为基础,采用Matlab中GUI界面开发了一款包含6种自由曲面配光镜的照明元件设计软件,实现了在界面中只需对其输入特定的参数即可输出配光镜的面型,有效的简化了自由曲面配光镜的设计过程。将该软件应用到室内照明和LED汽车前照灯照明系统中,得到的仿真结果符合国家标准。具体的研究内容如下:(1)为了提高自由曲面配光镜的设计效率,开发了一款应用于实际照明系统的照明元件设计软件。该软件包括6款常规配光镜和6款自由曲面配光镜。其中常规配光镜的设计是参考《基于非成像光学理论的LED汽车前照灯光学系统》中光学元件设计部分。本论文重点对6款自由曲面配光镜的设计进行了深入研究。软件可通过尺寸、配光角度和能量利用率等参数的限制直接优化出照明元件面型,缩短了设计周期。(2)在软件中,针对点光源和发光面较大的扩展光源对自由曲面配光镜模块进行设计。针对点光源,首先为了实现不同的配光角度,采用网格划分法设计了3款不同面型的形成圆形光斑的自由曲面配光镜;其次利用斯涅尔方程和切面迭代法,分别沿经纬方向求解自由曲面各节点坐标,拟合曲面轮廓模型,设计了一款形成矩形光斑的自由曲面配光镜。针对发光面较大的光源,采用SMS法建立扩展光源光学系统的数学模型,推导出关于自由曲面透镜的面型方程组,对其数值求解后进行样条曲线拟合,完成了2款配光镜的设计。(3)将所设计的照明元件设计软件应用到室内照明和LED汽车前照灯照明系统中,用光学追迹软件Trace-pro进行仿真,仿真结果满足国标要求。同时在LED汽车前照灯的方案中通过与二次曲面透镜的方案进行对比,结果表明自由曲面配光镜可有效的提高光能利用率及照明均匀性。