作为第四代光源,LED与传统的光源相比,具有寿命长、功耗低、结构牢固和接近点光源的特点,是真正的绿色照明。因此,LED光源在多个照明领域获得了广泛的应用。但是,不同的照明领域有不同的照明需求,需要根据要求,对LED光源进行不同的照明设计。基于非成像光学理论的自由曲面透镜设计自由度高,且能对光束实现有效的控制,完成照明要求,在LED照明设计领域具有广阔的应用前景。本文研究总结了现有的自由曲面透镜照明设计方法,然后在此基础上进行了相应的设计。先基于非成像光学理论,推导出了自由曲面透镜的数学表达式;再根据能量守恒定律和照明要求,给出初值和能量拓扑关系,并借助数学软件MATLAB编程,进行数值求解,得到自由曲面的面型数据;然后,利用SolidWorks软件进行3D建模;最后,运用LightTools软件进行照明仿真。结果表明,照明面上的圆形和环形光斑均匀,达到了预设的照明要求;但所得的矩形光斑,轮廓不清晰,光斑的均匀度不高,与预设的结果有一定的差距。存在这样一种情况,有两个原因:首先,在对方程进行数值求解时,算法有一定的误差;其次,3D建模软件在进行实体建模时,存在误差,这是主要的原因。本文提出了一种基于新型LED准直系统的自由曲面均匀照明设计的方法。先设计了一种关于中心轴旋转对称的新型LED准直系统,该准直系统的集光角约为236°,出射光半发光角度小于0.2°,再在该系统的出射平面设计了自由曲面透镜,以实现不同照明目标。同样,先以非成像光学理论为基础,推导出了自由曲面透镜的面型方程;再将准直系统出射面的能量进行划分,分别对应于目标面,根据能量守恒定律,推导出“多对一”的能量拓扑关系,较上述方法能量划分更细;然后,同样进行方程的编程计算、3D建模;最后,将准直系统与自由曲面透镜进行组合,导入LightTools软件进行照明仿真,得到了均匀的圆形、环形和矩形光斑,达到了设计要求。