随着材料科学和工艺技术的进步,发光二极管(LED-Light Emitting diode)的光电转换效率不断提高,从原来的不足llm/W发展到了100lm/W以上；在色度方面也有了很大的改善,已经可以实现可见光波段内的所有颜色。这些技术突破拓展了LED的应用领域,使其不仅可以应用于传统的指示灯和显示等领域,而且可以用于大功率的照明领域。LED进入照明领域,首先要解决的两个关键性问题是配光和散热。传统的配光措施是通过球面、非球面、反光碗等光线偏折系统改变光线的传输路径,找到全局的最优解,从而达到提高光能利用率的目的,这些配光措施虽然简单,但是很难同时兼顾光照均匀性和光能利用率这两个指标。本文针对上述不足,结合非成像光学和自由曲面的相关理论,设计了一种用于LED路灯照明的自由曲面透镜,该透镜是利用双向迭代原理构造而成,实现了LED光线空间与路面网格区域的一一对应,不仅提高了光能利用率,同时也改善了路面的照度均匀性。论文内容主要包括以下几个方面：1、利用自由曲面构造的一般原理,结合LED的配光曲线及空间折射定律的理论,在遵循光通量守恒的原则下,详细介绍了用于LED路灯照明的自由曲面透镜的设计方案。提出了两种路面网格划分方式——平行线网格和辐射线网格,并分析了这两种划分方式对于构造结果的影响以及它们各自的优缺点。改进了自由曲面的构造方式,设计了一种基于辐射线网格的自由曲面构造方法。2、在改进的自由曲面构造方式的基础上,利用MATLAB的数值计算功能计算出了自由曲面上特定的坐标点,通过这些坐标点,在建模软件ProE的帮助下建立了自由曲面的空间立体模型。3、从LED的发光特性着手,运用TracePro强大的光学模拟分析功能分析了在LED阵列组合、柱面透镜、梯形反光碗等传统配光方式下路面的光照情况,在此基础上重点分析了自由曲面透镜的配光方式对路面的光能利用率和照度均匀性的影响。结果表明,在透镜组合的方式下,路面的光能利用率可达84%,而照度均匀性也在0.77左右。另外,还分析了误差对路面光能利用率的影响,验证了该配光方式的可行性。4、简单介绍了功率型LED散热的相关知识及有限元热分析理论,并根据这一理论,利用ANSYS软件模拟了多种情况下的散热,并对其效果进行了分析,结果表明,散热设计能够很大程度上降低LED芯片的温度,是LED照明设计中的关键环节。