本文以扩展光源的非成像光学设计为研究对象，以非成像光学理论以及光度学知识为理论基础，系统地研究了扩展光源的非成像光学中常用光学器件：透镜与反光杯的设计，并将传统针对扩展光源的非成像光学设计方法——同步多曲面法应用机器视觉照明系统中，取得效果明显。提出两种新的针对于扩展光源的非成像光学设计算法——镜面反射法与最大能量法，具体研究内容如下：1、研究机器视觉照明系统，提出将针对扩展光源的非成像光学设计方法——同步多曲面法，应用于机器视觉的照明系统光学部分设计，通过实验表明均匀度有大幅提升，由传统的被照面照度均匀度0.8124提升至0.8870。同时由于机器视觉照明中某些特殊信息需不同波长的光照射，所以需在照明系统中更换具有不同波长光的光源，采用六组光学仿真证明了使用同步多曲面法，可以在光源具有相同尺寸的情况下使用同一个光学系统仍可以保证被检测面上高均匀度，照度均匀度分别可达到0.8772、0.8760、0.8992、0.9012、0.8781、0.8902。2、提出针对扩展光源设计实现目标面均匀照度的反光杯的新算法——镜面反射法，该方法区别于传统非成像光学设计的点对点模式，实现了扩展光源整体发光面对应反光杯面上微面元的映射，并在设计之初考虑在偏离纵轴（y轴负方向）光轴顺时针θ角度接受面接受到来自光源的能量分为两部分：1）整个扩展面能量直接在θ角方向能量的投影IS；2）整个扩展面能量经过反光杯面在θ角方向能量的投影IM。通过两部分能量与目标面能量分布映射的关系求解反光杯各微细面元，得到整个反光杯面型。该方法设计反光杯体积小，结构紧凑，对光学控制性良好，在目标面实现的照度均匀度达到0.9213。3、提出针对扩展光源设计小角度反光杯的新算法——最大能量法，该方法可以针对具有任意表面形状的扩展光源，不仅是COB封装的LED光源，也可以是球状表面的无极灯，或者是其它任意形状表面均匀发光的扩展光源，具体提出了COB光源及无极灯光源的表面光源建模，提出核心算法“最大能量角”的求解，并在使用同样反光杯口径与同样光源发光面尺寸的情况下，通过与传统设计的小角度反光杯对比，效果优势非常明显，能量利用率更高，其传统设计目标面的光能接受为106.32lm，通过最大能量法设计之后目标面的光能接受量提升393.61%，接受光通量为524.81lm。照明效果更优，将光能主要集中在目标所需照明范围区域，实现最大照度为设计目标的2.75倍。