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近年来,随着“绿色照明”的理念深入人心,LED光源因其低功耗、长寿命、无污染、无频闪等优点,正逐步取代传统光源,成为照明领域的新宠。但是,由于LED光源,尤其是大功率LED集成光源,在结构和光学特性上与传统光源有着较大的不同,使得现有的照明系统设计方法无法应用于LED灯具的设计。而目前常用的自由曲面设计方法是将单颗LED光源近似为理想点光源来完成的,但LED集成光源的尺寸不能像点光源一样忽略不计,该方法同样不适用于LED集成光源的一次光学设计。33033
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由于LED为朗伯型光源，不能直接应用于照明场合，为了能够尽量充分的利用LED芯片发出的光能，实现较高的光能利用率，并且满足对目标照明区域的照明要求，必须对LED芯片进行适当的配光设计。其中，一次光学设计是把LED芯片封装成LED光源时所进行的设计，而二次光学设计是将经过一次光学后的LED光源再经过一个光学系统改变它的光学性能。论文网
一次光学设计：每个LED光源都有一个特定的光强分布特性，即配光曲线，我们称这个形成过程叫LED的一次光学设计，主要包括LED的封装树脂透镜以及内部反射器等。一次光学设计决定了LED光源的发光角度、光通量、光强分布、色温范围以及显色指数等参数，其主要目的是为了保证LED芯片的出光质量并尽可能多地取出LED芯片发出的光能。在通常情况下，LED芯片的配光曲线为朗伯型，即发光强度随角度变化呈余弦分布，而LED光源的一次光学设计与二次光学设计之间的相互配合是非常关键的，为了方便进行后续的第二次光学设计，在第一次光学设计中应尽可能保持LED芯片的出光规律，即封装后LED光源的出光特性也为朗伯型。
二次光学设计：每一个光学系统也有一个特定的光强分布特性，我们称这个形成过程叫做二次光学设计，二次光学设计的叫法是相对于一次光学设计而言的，是在LED芯片一次光学设计的基础上完成的。二次光学设计决定了LED光学系统的出光效果、光强分布、色温分布状况等参数，其主要目的是保证整个光学系统的出光质量，并尽可能多地将光能照射到预期的目标照明面上。LED二次光学设计中应用的主要光学元件有反射器，透镜，折光板等。基于自由曲面的LED二次光学系统设计是当前国内外的主流发展方向，最为常用的设计方法有两种：数值优化法和直接设计法，其中直接设计法又包括同步多曲面设计法、剪切法。
因此,研究大功率LED集成光源的二次光学系统配光设计就显得尤为迫切。本课题结合非成像光学、边缘光线和自由曲面的相关理论,对面向大功率LED集成光源的定向准直照明和大范围均匀照明等常见照明要求的一次光学系统配光设计方法进行了研究。定向准直照明问题：提出了一种面向大功率LED的准直透镜设计方法。在已知光源辐射特性及出射光束发散角度要求的前提下,根据光学扩展量守恒定律,计算出光学系统的基本尺寸,然后应用边缘光学原理以及同步多曲面设计方法,迭代计算得到自由曲面的面型数据,建立光学模型。 矩形区域均匀照明问题：提出了一种基于等差数列的新型反馈优化设计方法。按照等差数列的分布形式更改光源网格的划分,以改变各网格对应的光通量,进而改变目标面的照度分布,与各种误差的积累对模型的影响相抵消,最终实现预期的照度均匀分布。在初始模型基础上,利用所提反馈方法经过几次优化就可以得到理想的光学模型。本课题利用以上方法设计了一种基于折射-反射-折射结构的准直透镜,实现矩形区域照度均匀分布的自由曲面透镜以及成花瓣状照度分布的透镜,利用光学仿真软件Zemax对上述设计进行仿真验证,结果均达到了预期的设计要求所得实际的照明效果与仿真结果基本保持一致,证明了所提设计方法的正确及可行性。