发光二级管LED(Light Emitting Diode)的照明系统设计对LED照明的普及以及真正实现绿色照明起了至关重要的作用,然而要想同时达到像面均匀照明和高的光能利用率是非常困难的。传统的成像光学强调能否在像面成像以及成像的质量,而LED的照明设计需要达到一定光能的利用率和均匀性要求,因此在设计中要使用非成像光学的评价方法。然而通常的照明设计软件如ASAP只能对光学系统进行模拟,不具有优化功能。本文正是在研究了入射光线孔径角和光线在像面高度之间关系的基础上,提出了一种可以在光学设计软件ZEMAX中自动优化系统的方法,从而使优化过程更加方便和精确。整个研究过程分为以下几个部分:首先,针对LED作为朗伯光源和非朗伯光源两种情况,公式推导得出了入射光线孔径角和光线在像面交点坐标的关系,得出结论:为实现像面均匀照明的效果,可以通过改变不同孔径角入射光线的相对权重值,来改变像面上到达该孔径角光线的区域的光线数即照度,从而改变像面照度分布,达到均匀照明的效果;然后在光学设计软件ZEMAX中利用宏语言编写了基于最小二乘法的评价函数验证该关系;最后对某实际LED产品,通过修改宏命令中的不同孔径角光线的相对权重在ZEMAX中优化得到了非球面透镜,实现了圆形光斑和椭圆光斑的均匀照明;通过在照明设计软件ASAP中对整个光学系统的模拟,以及对光线追迹得到的像面照度分布、光能利用率等结果的分析,证明了该方法是行之有效的。