本发明涉及一种基于XY多项式的LED自由曲面照明系统的设计方法，包括：在一三维直角坐标系Oxyz中根据LED点光源及其在接收面所形成的照明视场获得自由曲面的一系列数据点，包括：坐标值Qi＝(xi,yi,zi)(i＝1,2,…,n)和法向量Ni＝(ui,vi,‑1))；获得坐标值Qi与自由曲面在z方向坐标差值的平方和e1(P)；获得法向量Ni与自由曲面法向量ni的矢量差的模值的平方和e2(P)；获得一评价函数f(P)＝e1(P)+we2(P)，w为权重；选择不同的权重w，并令评价函数f(P)的梯度从而获得多个自由曲面；选取具有最佳的成像质量的最终自由曲面面形并根据其构建一自由曲面透镜实体，从而获得LED自由曲面照明系统。