瓦级大功率白光LED器件的发展,为LED在通用照明和特种照明提供了广泛的应用前景。为充分利用LED器件的光通量,并为相应的照明场景提供优质合理的光学配光,同时依靠CAD/CAE和精密加工等技术的支持,基于非成像光学的自由曲面光学器件的研究得到了迅速的发展,旨在实现严格的光形控制、精确地光能量分布、以及照明系统的整体高光效。为克服当前自由曲面光学器件设计中的一些瓶颈,提高LED照明应用的整体性能,本文进行了离散多面拟合自由曲面光学器件的算法研究和应用,并取得以下几点成果：第一,基于拟合光滑拓扑关系的思想,提出了折射离散子面拟合空间自由曲面重构光学器件的算法。推导了旋转笛卡尔椭球的极坐标方程,使用离散笛卡尔椭球构建多面阵列,来计算光强空间与目标照度空间的离散拓扑关系；通过对该拓扑关系进行三维曲面拟合,生成了完全不同于传统网格划分的连续拓扑关系；根据连续拓扑关系,在三维建模软件中构建了自由曲面透镜,并使用光学模拟软件追迹得到了目标照度分布,与预期光斑基本一致,从而为连续自由曲面透镜设计提供了可行的设计方法。第二,基于CIE推荐的路面亮度系数表对道路照明的配光进行了两维参数化优化,并利用离散子面拟合算法设计了相应的自由曲面透镜。在通用照明场景下,计算了不同位置的灯具在测试区域的单灯亮度系数表,分析和讨论了各灯具对于路面整体亮度贡献的影响。基于单灯亮度系数表,使用两维参数化的三角函数,分别沿道路横向和纵向来描述整个路面的照度分布,并通过对各参数的优化,获得了满足高亮度均匀性、高纵向均匀性、高照度均匀性和高亮度／照度比的水平照度分布；在此基础上,拓展了第二章的离散多面拟合算法,计算并设计了基于优化配光的透镜模型,仿真结果基本达到设计要求,为优质道路照明的二次光学提供了一种解决方案。第三,设计完成了离散多面组合的面板式收光的自然光照明光学系统和折反式多面组合的LED前照灯远光照明光学系统。基于离散多面的面板式收光器采用了平板式的结构,实现了41.4%的自然光收集率,面板结构紧凑、便于加工；基于多面组合的LED前照灯远光光学系统,仅需要使用7.6W的LED光源,即可实现满足国标《GB25991-2010汽车用LED前照灯》规定的照明要求；对于这两种离散多面光学系统,分别试制了实物样品,测试结果与理论计算基本一致。无论是结构紧凑的面板式收光器还是性能高效的LED前照灯远光光学系统,都具备良好的应用前景。