一种用于户外LED照明的自由曲面透镜结构设计方法，该方法有三大步骤：步骤一：LED光源分析；步骤二：发光模型建立；步骤三：数学模型分析。它首先由计算机模拟，通过分析其能量分布特点建立LED发光模型；然后，以特定透射光斑的形状、尺寸以及LED灯具的安装与分布特点为变量，确定由光源出射的原始透射光线与调制后光线的对应关系，建立数学模型；最后，结合实际工程要求，采用数学模拟软件求解相关方程组，得到面型空间分布点坐标数据，从而拟合出满足工程要求的二次配光透镜的自由曲面。本发明构思科学，它设计出满足要求的路灯二次配光透镜构型，很大程度实现了光能的均匀分配。它在LED照明应用技术领域里具有较好的实用价值和广阔的应用前景。