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LED作为一种新型半导体固体光源，具有安全可靠性强、节能、环保等优点。是近年来全球最具发展前景的高新技术领域之一。但是对于色温可调的LED光源，缺少对混光均匀性的相关研究。同时在LED照明产品中仍然存一些问题。LED工作时会产生大量的热，需要及时的散发出去，否则会影响正常工作。因此本文基于此两点，提出了对集成IC光源模组热学分析以及与实验对比，设计了相关光学系统来实现混光均匀并有效的提高光能利用率。本文的主要工作有: 1、为了避免在色温调节时引起的颜色不均匀等缺点，本论文提出了均匀混光的光学系统，不但可以有效的代替一系列偏光透镜的相关功能，而且可以大大降低设计的复杂程度。该光学系统由TIR准直透镜、菲涅尔透镜和均匀自由曲面透镜3部分组成。其中TIR透镜用于9颗LED灯珠（包含5颗白光LED和4颗红光LED）光线的准直，菲涅尔透镜对准直后的光线进行再聚焦，旨在将扩展光源面积有效的减小，为第三个透镜的设计降低难度。然后通过均匀透镜在菲涅尔焦平面上对光线进行均匀处理，不但提高了光利用率，而且有效改善了光色均匀均匀度。具体的实施办法:首先通过严密的推导计算建立了光学系统的各个部分透镜，然后通过已有的光源光谱图和配光曲线建立光源模型，在此基础上组装成光源模组，接着讨论了菲涅尔透镜焦距对聚光的影响。最后以50mm的菲涅尔透镜为标准，对距离光源3m大小为5m×5m的目标面进行分析，发现光能的利用率有效的改善了66.45％。照明面的光色的均匀性也得到了有效的保证。 2、集成IC的LED光源模组的热学仿真和分析，研究了包括铝、氧化铝和氮化铝3种材质的基板对热学性能的影响，并研究了添加翅片后其性能分布，并与实际进行了对比分析。 3、在集成IC的LED光源模组基础上，通过添加红光LED使得普通白光LED的显色性得到有效的改善，通过积分球的测试发现显色指数可以实现从Ra=83.2～95.5可调。而且通过红光LED电流的渐变，可以实现色温在5484K～6523K范围内可调节。