发光二极管LED具有功耗低、体积小、寿命长、无红外辐射等特点,是一种节能环保的绿色光源,在照明系统的应用中有着传统光源不能替代的优点。但是由于LED的外形和发光特性和传统光源有着很大的不同,使得现有的许多照明系统无法应用于LED,因此对LED照明系统的深入研究是必要而有意义的。本文针对LED照明系统及其设计理论进行了研究,其主要工作如下： 1.针对应用在照明系统中的LED光源进行了研究,总结了LED的发光原理和光学特性,探讨了LED照明系统选择LED光源的理论依据,并给出了LED照度分布和光通量的计算方法。 2.针对LED照明光学系统,研究了应用于点光源和应用于扩展光源的设计理论和方法。重点论述了包括光学扩展量和边缘光线原理的非成像光学理论。并研究了一种非成像光学设计方法——SMS设计方法。 3.基于非成像光学理论,应用SMS设计方法设计了微型投影系统中的LED聚光器。提出了创新的“折叠光”四曲面结构,运用Lighttools软件对设计结果的仿真表明,与现有聚光器相比,聚光器光能利用率提高了近20％,在相同输出口径下,纵向尺寸减小了四分之三。 4.推导和完善了LED阵列通过透镜阵列聚光后的光强分布公式,并以此为基础设计了铁路信号机中的LED照明光学系统。经实验测试,样品达到国家规定的信号机相关的发光强度、发散角、发光口径等光学性能指标,且理论设计与实验结果一致。