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节能环保的新一代绿色光源LED，因其各项性能的迅速提高，即将代替传统光源成为主要照明光源。如何对LED光源进行有效的光学设计，使得光源在经过光学系统之后，能够在目标面上实现均匀照明要求，且照明系统结构紧凑、能量利用率高，是LED照明系统设计中急需解决的问题，也是LED光源能否全面取代传统光源的关键问题之一。本论文以非成像光学理论、自由曲面理论和微分几何理论为基础，对LED均匀照明系统的一般设计理论开展研究，建立通用的均匀照明系统数学模型，并以具体的室内主照明系统、室外LED路灯均匀照明为研究对象，探讨二维和三维均匀照明系统的设计方法。具体研究内容为：1.研究了两种面向点光源LED和一种面向面光源LED的均匀照明系统设计理论，并建立通用数学模型。对点光源LED，研究了基于划分网格法和偏微分法的设计理论；对面光源LED，探讨了多重曲面同步设计法（SMS）的设计理论。2.用划分网格法设计均匀配光透镜：针对轴对称照明情况，建立光源LED和接收面的映射关系，得到二维均匀照明系统的数学模型，并推导出透镜的面型方程组，用Matlab求出数值解后在机械软件Rhino中建立透镜模型，通过光学追迹软件Trace-pro仿真分析透镜的特性和配光效果。基于配光角度的不同和元件加工维护上的考虑，设计了三种不同面型的自由曲面LED配光透镜。针对具体均匀照明系统，建立精确的数学模型，并分析光源尺寸、位置及元件各结构参数等因素对系统能量利用率、照明均匀性的影响。3.用偏微分方程数值求解法设计均匀配光透镜：研究偏微分照明设计理论，针对非轴对称的照明情况，设计出一款矩形照明面的均匀配光透镜。4.对面光源LED，用SMS法建立面光源均匀照明系统的数学模型，推导出关于透镜上下表面的面型方程组，求解出轮廓点后通过样条曲线拟合并建立透镜模型，并用Trace-pro仿真和分析光学系统。5．将本文中所设计的透镜方案用于室内和路面照明中，用光学软件DIAlux仿真照明效果并作出结果分析。