发光二极管(LED)作为新一代光源,具有高效、节能、环保、寿命长等优点,广泛应用于各种场合。由于LED光源的空间光强近似朗伯余弦分布,直接用LED进行照明将会在目标面上形成一个中心亮四周逐渐变暗的圆形光斑,导致其辐照均匀性差,能量利用率低,还容易产生眩光,很难满足实际照明需求。因此会进行二次光学设计使其光能分布能够满足实际的照明需求,从而实现高辐照均匀度、高照明效率的目的。本文提出一种采用total internal reflection(TIR)和漫射自由曲面结合的间接照明模式,利用漫射自由曲面进行辐照度优化的设计方法,规划光线到达目标照明面的辐照度,在保证辐照度均匀度的条件下,提高照明效率。本文主要研究成果包括:1:提出了一种采用发光二极管(LED)和漫透射自由曲面的间接照明模式,并基于边缘光线原理设计了一种具有双自由曲面的紧凑旋转对称透镜。将LED光源视为点光源,首先根据Snell定律、偏微分方程法、能量守恒定律以及折射定律进行数学建模。建立相关的一系列数值方程组,利用Matlab计算该方程组得到一系列各个方向上的二维轮廓曲线坐标。然后用Solidworks将其合成为自由曲面透镜。仿真结果表明,与单漫透射自由曲面和平面相比,该方法具有更好的均匀性和更高的效率。2:通过反射或折射重新分布发射光是提高光照性能的有效方法。然而,传统的反射镜或折射镜片对加工精度和材料要求很高。本文提出设计了一种用于口腔手术照明的基于漫透射面的照明系统,提高了目标平面特定区域的光照均匀性。它为口腔手术中的照明提供了一个均匀和广阔的视野。首先,根据单颗LED朗伯体发光特性,搭建漫透射自由曲面辐照度分布的数学模型,设定目标照明面期望值。由此可推导出外表面光照分布的非线性方程组。数值求解得到的非线性方程组,可以相应地得到一组二维曲线。随后,将求解非线性方程组所得到的二维曲线导入三维建模软件Solidworks中进行旋转便可得到相应的自由曲面。仿真结果表明,双自由曲面的光学均匀度良好。3:基于上述透镜的设计方法,由于漫反射面是由两个边界放样所得,如果该漫反射自由曲面未经过具体的设计,所得照明系统产生的效果往往达不到实际需求。针对上述问题,根据LED的朗伯特性和理想漫反射面,本文提出了一种多次漫反射自由曲面的设计方法,基于单颗朗伯体LED建立相应的数学模型。利用Runge-kutta法求解所建立的方程组可以相应地得到二维曲线的坐标点。随后根据所得到的二维曲线得到漫反射自由曲面。最后,利用光学仿真软件Trace Pro进行了模拟,仿真结果表明,均匀性和效率都有明显提高。