在当今能源紧缺,环境污染的严峻形势下,新一代照明光源LED(发光二极管,Light Emitting Diode)以其独特的优势,在各个行业均得到了广泛应用。然而,如何对LED进行高效的配光设计,以满足各个应用领域对照明灯具的要求,成为目前LED照明领域亟待解决的重大课题。为了实现LED照明系统的高效率、小型化,需要针对LED光源进行二次配光设计。本课题是在非成像光学与自由曲面理论基础上,针对大尺寸以及RGBW全彩LED光源的光学系统设计进行研究。具体研究内容如下:研究自由曲面面型的设计方法,基于边缘光线理论、能量守恒定律和几何光学基本定律,采用计算过程和编程简单的ODE(Ordinary Differential Equation)法,设计了一款照度均匀的平凸透镜;采用几何求解法,设计了一款全内反射准直透镜;基于试错法,设计了手电筒变焦透镜和非对称洗墙灯透镜。针对大尺寸LED光源的变焦透镜,将ODE自由曲面法和试错法相结合,设计了一款用于舞台灯照明的变焦透镜组,实现了聚光和泛光状态都均匀的照明效果;在现有手电筒结构基础上,用全内反射(TIR)结构,成功设计了一款远射程的手电筒变焦透镜。针对RGBW全彩LED光源的舞台灯照明,为了解决光束角单一和操作困难的缺陷,提出一种由调焦片和TIR透镜组合的变焦透镜系统。并针对RGBW光源用于舞台灯照明时混光差和光斑不均匀的现象,提出了一种非规则六边形复眼透镜阵列结构。为了解决洗墙灯的远照射距离和高均匀度不能同时兼顾的难题,提出了非对称透镜结构。针对洗墙灯照明时容易出现的光斑分层和黄斑现象,提出了一种新型匀光结构。成功设计出一款光斑均匀、投射距离远的洗墙灯透镜。所有设计的产品都开模并测试,实际的测试效果与软件仿真结果基本吻合,验证了所提出方案的准确性与可行性。