LED作为一种新型的固态冷光源，具有体积小，寿命长，发光效率高，节能环保等优点。LED广阔的市场前景引发了对于LED应用的研究高潮，特别是在道路照明应用方面，但是由于LED芯片发出的光呈Lambertian分布，这样的光场分布如果不经过二次光学设计而直接应用到实际的道路照明中的话，将会造成严重的光浪费，LED二次光学设计问题成了限制LED在道路照明应用方面进一步推广的主要问题。本文针对传统的照明设计方法不能进行错误预估的缺点，采用了将非成像光学理论，照明设计软件和计算机编程相结合的方法来进行LED道路照明系统的二次光学设计，根据非成像光学中经典的光学扩展度守恒以及边缘光线原理，得到透镜的曲面方程，然后利用Matlab编程计算出自由曲面透镜的离散点，进行三维建模，并在Tracepro中进行仿真验证了设计的正确性。最终设计出了两款自由曲面透镜分别实现了圆形均匀照明和矩形均匀照明。这种设计方法改变了原有的设计思路，利用编程使得复杂的计算变得方便快捷，通过提前对设计过程之中产生的误差进行修正，提高了设计的效率和精确性。自由曲面作为设计中的一个核心概念，如何设计出理想的曲面满足道路照明的参数是设计的关键。本文中采用了新型的网格映射算法来计算自由曲面透镜的面型数据，以往的算法的求解过程非常的复杂，最终是将所求问题转换为二阶蒙特安培方程来求得数值解。求解过程对数学的要求都非常的高。可操作性不强。而本文所采用的方法是将光源和照明面进行了划分，形成光源与照明面之间的一一映射，简化了以上方法繁琐的推导和复杂的数学运算，易于通过编程实现，计算效率很高。本文设计出了两款自由曲面透镜的三维模型，并对其性能进行了仿真测试：圆形均匀照明和矩形均匀照明的照度均匀性分别达到85.1%和75.2%，效率达到90%以上，矩形照明实现了道路照明所需的蝙蝠翼型配光曲线。相比高压钠灯可以节约50%的耗电量，具有很高的经济价值。