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,而且可以减小系统体积、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,使得现有的照明系统无法直接应用于LED,从而必须根据LED照明的需求做专门的光学设计。故进行LED照明系统光学设计方法研究既具有理论价值又含有实际的意义。针对现在常见的照明要求,本课题对LED阵列排布,利用边缘光线理论以及网格法构造光学自由曲面来实现高能量利用率的均匀照明的光学系统设计方法进行了探索性研究:LED阵列排布问题:在已知光源的光辐射特性以及目标面上所需的照度分布的前提下,建立光源数学模型,基于微分几何知识,计算出目标面上照度均匀度取得极值时的LED排列间隔大小。根据现实情况提出了多种适用于照明系统的光学排列模型,以达到均匀照明的目的。自由曲面构造问题:在已知光源的光辐射特性以及目标面上所需的照度分布的前提下,基于光通量守恒原理划分能量网格,然后根据边缘光线理论以及光学折反射定理,迭代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。本课题随即利用以上的设计理论设计了多种LED阵列的排布,以及能形成照度均匀的圆斑和矩形斑光学系统,并且利用光学仿真软件Tracepro对各种设计做了验证,证明了设计的正确及有效性。