LED作为一种新兴照明光源,具有光电转换效率高、耗电少、寿命长、体积小、环保等优点。基于LED光源的城市化道路照明成为目前应用研究的热点,将LED应用于道路照明时需要对LED光源进行二次配光设计。目前用于道路照明的二次配光透镜主要是TIR透镜,该透镜具有结构尺寸大,散热性差的问题。本文通过在出射面为自由曲面的TIR透镜上叠加菲涅尔面,设计出了比传统的自由曲面TIR透镜厚度更薄、重量更轻的透镜,并据此进行了系统应用。主要研究内容如下:首先,根据光源参数和道路照明的设计要求,利用能量守恒定律、边缘光线理论和斯涅尔定律进行编程获得双自由曲面TIR透镜的面形;为简化制造工艺、降低成本,又进一步获得单自由曲面TIR透镜的面形;然后,对单自由曲面TIR透镜的出射面进行菲涅尔面的构建和优化,得到了自由曲面菲涅尔面的TIR透镜;再分别对这三种TIR透镜进行了光照度均匀性和光效的分析,并对带菲涅尔面的TIR透镜进行了公差分析。最后,用自由曲面菲涅尔面TIR透镜完成了远场照明阵列设计和一个近场投影照明系统的设计及优化。仿真结果表明,三种经优化的自由曲面TIR透镜其照度均匀性依次为83.3%、82.0%和82.0%,光效依次为98.2%、98.2%和96.6%,说明自由曲面变菲涅尔面后的TIR透镜仍保持了较好的照明效果。从外形和体积上看,变菲涅尔面后TIR透镜出射面的高度由8.6mm降到了 1.08mm,体积和质量缩小了约20%,这使得LED光线在透镜内部的光程明显缩短,有效提高了透镜的散热效率。公差分析表明,在较为宽松的公差设置下,单项光源位置误差引起的最大照明损失不超过3.2%,对照明影响较小。从自由曲面菲涅尔面TIR透镜的应用看,良好的阵列设计可以在略微降低光效的情况下成倍增加远场照明照度值;而单独使用在近场投影照明时,可达到78.3%的照度均匀性和94.3%的光效,在结合了复眼透镜和聚焦镜后,照度均匀性和光效可增加4%。