基于能量守恒定律和网格划分法，设计了一种实现LED阵列近场均匀照明的自由曲面大角度透镜，其内曲面为椭圆形曲面、外曲面为自由曲面.根据能量守恒定律建立映射关系，对光源和目标面进行网格划分，并结合折射定律，迭代求解出外自由曲面数据点.分析了椭圆形内曲面的长短轴比值对透镜菲涅耳损耗和照度均匀性的影响.结果表明：短轴与长轴的比值在0.35~0.55时，出光效率和照度均匀性最佳.通过反馈优化法对LED阵列进行优化，重新划分网格，使叠加部分光照度减弱，提高了整体光照均匀性.仿真结果表明：仅对透镜外自由曲面的面型数据点进行优化，在目标面高度为80 mm，透镜出光角度为157 °时，优化后的整体光照均匀度由优化前的0.40提高到0.84，出光效率大于0.9.