自由曲面相比于传统面型具有更高的光学设计自由度,空间布局更为灵活,将其应用在照明光学系统中,不仅可以极大地简化照明系统的结构,还能够赋予光学系统更加精细的光束控制能力以实现复杂的照明分布。随着自由曲面加工技术的不断进步,采用自由曲面配光光学元件的照明系统有望逐步取代传统照明光学系统,实现更加节能、紧凑、高效、低成本的现代照明应用。截止目前,自由曲面照明领域的研究工作主要聚焦于零扩展度光源的研究,并且绝大部分的照明对象为平面照明目标。然而,随着日益增长的照明应用需求,诸如三维曲面目标照明、超紧凑照明等应用需求的出现,设计者需要在自由曲面照明光学设计过程中充分考虑光源尺寸、形状以及照明目标的空间位置和面型等信息。关于这些工作的研究,目前尚处于初级阶段。本论文对自由曲面照明光学设计方法展开进一步研究,旨在建立一套高效、可靠、普适的自由曲面照明光学设计解决方案。具体研究内容如下:（1）针对零扩展度光源,依次研究了可分离变量光线映射法、最优传输理论光线映射法、辛变换光线映射法和最小二乘光线映射法的能量映射机制。第一种方法属于简单的能量网格划分,易于理解和实施;第二种方法则从照明光学的本质出发,采用最优传输理论对光源空间和照明目标空间进行能量网格划分,从而建立起光源与照明目标之间更优的能量拓扑映射关系;第三钟、第四种方法的提出是为了提升映射关系的可积性条件,使光线在经过自由曲面后的实际偏折方向与预期光线偏折方向尽可能保持一致,从而提升自由曲面的光束调控质量。（2）针对三维（3D）目标照明问题,提出了一种通用的自由曲面照明光学设计框架。采用特殊的能量转化机制,将复杂的3D目标照明设计问题简化为传统的二维目标照明设计问题。具体地,在光轴上引入一个与光轴垂直的虚拟平面,将3D目标上的光照度分布转化至该虚拟平面上,通过设计自由曲面光学元件实现转化后的虚拟光照度分布,则可以自动地在3D目标面上实现预期照明分布。该设计框架可以处理远场、近场照明问题;此外,这种设计框架也为其它自由曲面照明光学设计方法解决3D照明问题提供了新的思路,诸如蒙日-安培方程、支撑二次曲面等方法。仿真计算和实验测试结果均验证了该设计框架的有效性。（3）针对扩展光源照明系统中的光照度获取问题,首先研究了基于投影立体角的光照度计算方法,然后开发了基于反向光线追迹的光照度计算方法。对于第一种照度计算方法,在照明目标面上的观测位置处引入一个参考球面,将从光源边界出发到达观测点的光线与参考球面的相交部分投影至照明目标平面,通过计算投影面积来确定该观测位置处的相对光照度。对于第二种照度计算方法,从照明目标面上的观测点朝着光源空间进行反向光线追迹,找出能够对观测点处产生照度贡献的自由曲面部分,并由此计算观测点处的相对光照度。仿真结果表明,相比Monte-Carlo光线追迹法,这两种光照度计算方法具有省时、照度噪点更低的优势。（4）针对扩展光源照明设计问题,研究了三种优化算法,包括遗传算法、反馈优化算法和局部面型调控优化算法。采用遗传算法设计出了超紧凑的非球面配光透镜,并完成了实验测试和验证;在反馈优化算法中引入了具有“记忆”效应的反馈优化机制,使得优化过程能够实现快速收敛;在局部面型调控优化算法中,通过直接调整自由曲面的局部曲率来调控该局部曲面所对应的目标面上观测位置的光照度值,从而对自由曲面实现针对性的优化,进而提升整体优化效率。