在照明系统设计中，接收面的均匀照明以及光能的充分利用一直是光源设计急需解决的问题。目前在LED光源设计领域中，通常采用斯派罗法则分析和微分方程计算的方式进行照明效果优化，这些方式的优化层面较单一，周期长且误差较大。为了加强LED光源系统优化效率，同步提高光源系统的光照均匀度和能量利用率，论文提出了基于光照均匀度评价函数、能量利用率评价函数和综合性评价函数的优化设计算法。运用数值分析方法对单光源系统的反光杯第二面圆锥常数K与曲率半径R进行优化调整，实现整个反光杯光源系统的光照均匀度和能量利用率的同步优化。研究结果表明：利用本文算法优化后的系统比未优化的光源系统光照均匀度提高了14.2%，能量利用率提高了16.75%，与理想值的接近度提升了14.42%，验证了优化方法的可行性。在此基础上，论文进一步研究多光源系统阵列间距对系统光照均匀度和能量利用率的影响，得出光源阵列系统的最优阵列间距，在此间距下的光照均匀度与理想值的接近度为44.84%，能量利用率为88.84%，最终实现了光照均匀度和能量利用率均较好的矩形阵列光源系统。