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使用固体照明光源特别是发光二极管(LED)作为光源进行照明系统设计,不仅可以节省能源、减少污染,而且可以减小体积、延长系统使用寿命。但是由于LED的外形和发光特性等和现有光源不同,使得现有的基于成像光学的照明系统无法直接应用于LED。自由曲面灵活的空间布局和设计自由度,能够简化光学系统的结构,提高像质。尤其在照明光学系统的设计中由于光学自由曲面可以在分配光强的同时控制散射角度,非常适用于基于LED的照明系统设计,故此展开研究既具有理论价值又含有实际的意义。本课题对微分方程数值解构造光学自由曲面来实现高能量利用率的均匀照明的设计方法进行了探索性研究。基于微分几何知识和光学折反射定理构建微分方程(组),并利用数值解法直接得到自由曲面的面型数据。根据现实情况提出了适用于自由曲面照明系统的光学模型,并通过将光源包埋入自由曲面的方法实现100%的理论能量利用率。本课题随即对理论设计进行了实践探索,使用灌注法加工了自由曲面透镜,并将其导入DLP投影系统中对其实际效果进行了测试。本文第一章介绍了现有照明产业的现状、分类,分析比较了目前主要的几种传统照明系统的光学结构;再介绍了发光二极管光源的发展现状,最后详细阐述了光学自由曲面的应用及发展现状。第二章介绍了非成像光学的发展历史和基本内容,并且着重论述了微分方程构造自由曲面的设计方法,给出了光学自由曲面的矢量方程组和数值解法;随后给出了实现100%的理论能量利用率的设计方法,并对系统的实际表现进行了仿真模拟;最后给出了几种类轴对称均匀照明的实现方法。第三章给出了应用第二章的方法实现自由曲面设计的具体过程。第四章介绍了自由曲面的实际加工方法,并详细介绍了使用灌注法加工自由曲面的流程和问题解决方法。第五章介绍了在构建基于LED的照明系统中电学、热学、机械加工问题的解决方法,并对相关系统的性能进行了测试。本文最后一章,对本课题的研究工作进行总结,指出了新的工作方向。