随着科学与科技的进步,LED(Light Emitting Diode)光源因其独特的优点,逐渐取代了日常生活中绝大部分的照明光源。但是与传统的照明光源相比,LED光源的光束发散角较大,对于一些特定的照明要求,需要在LED光源的发光方向添加一些折射或者反射型结构,使得光源发出的光线可以达到特定照明要求,这样的光学结构,便是本文中需要研究的自由曲面二次光学透镜。在生活照明以及成像照明领域,LED光源的引入使得光学元件的微型化有了长足进步。本文以非成像光学和光度学理论作为基础,系统的研究了简易投影系统中的匀光照明系统,方棒照明系统和复眼阵列照明系统,并分析了这两种系统在目前趋于微型化的投影照明系统中的局限性。这两种照明系统长度较长,光学元件多,对于现在应用十分广泛的微型投影灯系统而言,这样的照明系统不但会增加投影灯产品的长度,而且多元件的照明系统,使得装配误差大大增加,产品的生产成本也不能得到有效降低。针对这些问题,本文提出了两种不同的的投影灯结构,一种以自由曲面TIR透镜作为匀光照明系统,一种以自由曲面双凸透镜作为匀光照明系统。第一种结构的投影灯,照明部分是矢量法编程求得的TIR透镜,其直径为25 mm,高度为13.5 mm,透镜材料为PC(聚碳酸酯,Polycrabonate),单片投影物镜的直径为15 mm,厚度为5.5 mm,投影物镜材料为PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯),整体系统结构长度为81 mm,投影图案均匀度可以达到80%以上。第二种结构的投影灯,照明部分是基于ODE方法,编程求得的凸透镜,其直径为24 mm,厚度为5.9 mm,透镜材料为PMMA,在距离透镜2 mm上的菲林片图案区域的照明均匀度可以达到85%以上,将该片凸透镜以菲林片的位置为对称面,对称放置在投影物镜系统中,并以此为不变量优化投影物镜。最终的投影物镜全视场为40度,像方F数为5.6,在距离1000 mm处可以形成直径为600 mm的图案。根据设计的结果,借用高新企业的生产制作平台,将光学元件生产出来并测试,经过一到两次优化后,最终得到了与目标设计相符的投影灯。