随着汽车行业的飞速发展和LED技术的不断进步，LED在汽车照明中的应用越来越普遍，但是由于LED发光特性不同于传统光源，为达到国标配光标准，提高系统性能，需对LED进行二次光学设计。自由曲面设计自由度灵活，空间布局小巧，能量利用率高，光强分配和出射角度控制方便，非常适用于LED前照灯光学系统的二次光学设计。本课题对大功率LED汽车前照灯自由曲面光学系统的设计进行了探索性的研究，具体工作如下：首先，通过对汽车产业及LED前照灯的发展现状及前景的分析，阐述了本课题研究工作的重要意义。研究了车前照灯国家标准《汽车用LED前照灯》（GB25991-2010）的配光要求。在介绍非成像光学理论的基础上，分析了光度学基本概念、自由曲面光学设计方法及前照灯光学系统设计流程。其次，在研究总结前人采用的自由曲面光学器件设计方法的基础上，提出了两种不同的光学设计实现方法：自由曲面反射器和自由曲面透镜。根据光源的空间光强分布以及前照灯所需实现的特定照明，基于非成像光学理论，通过能量守恒定律和Snell定律推导出LED光源出光角度和目标照明区域坐标序列间能量、矢量的对应关系，在确定了映射关系后，引入照度优化因子，通过对优化因子的调整，利用迭代计算求解出自由曲面的面型数据，并用机械建模软件将面型数据拟合为光学模型。再次，在专业仿真软件中对上述光学模型追迹光线仿真，产生的光型和照度分布完全满足GB25991-2010的配光要求，验证了所述设计方法的正确性。最后，对全文的工作进行了总结，并对本课题未来的研究进行了展望，提出了需要进一步研究的问题。