随着社会的不断进步和发展,传统白炽灯,荧光灯等照明光源逐渐被淘汰,而LED由于其独有的优势以及特定的光学性能逐渐占据主导地位,广泛应用于社会各种环境和领域。LED具有效能高、可靠性高、寿命长、有利于环保等优点,所以LED经常运用于图像彩色视觉这样需要均匀照明条件的领域。但LED也存在一些不足之处,未经二次光学设计的LED为朗伯体分布,照度均匀度较较差容易产生眩光,且照明效率不高,很难满足大部分照明系统要求。目前二次光学设计大多由基于折射或镜面反射进行设计,无法满足人眼视觉感官舒适度以及一般散射检测照明均匀性的要求。本文主要研究成果包括:1、提出一种漫透射的数学模型并设计了一种漫透射自由曲面提高目标平面特定区域的光照均匀性。首先,根据透射曲面表面属性和目标平面的光照要求,建立漫透射自由曲面轮廓上的一系列非线性函数。然后,利用数字方式求解方程以获得描述曲面轮廓的一组点坐标。使用MATLAB数据交换和光学软件Trace Pro,获得光源的实体模型。最后,通过实验比较几种照明系统的照明性能,实验结果证明了该设计方法的有效性。2、在上述设计方法中照明系统的中心光束难以完全扩射,这使得照明系统难以进一步提高目标面上的照明均匀性。另外通过应用上述设计方法以增强均匀性而获得照明系统的厚度与直径之比通常大于1:2,需要进一步提高照明系统的紧凑性。鉴于上述缺点与需求,本文提出并设计了一种基于镜面反射与漫反射相结合的组合自由曲面照明系统。首先,镜面反射曲面将LED的中心光束水平扩散到漫反射曲面,然后漫反射曲面将LED发射的所有光线重新分配到目标平面。另外,在设计漫反射自由曲面时,针对传统利用目标平面上相邻点的辐照值相等来约束曲面面型,本文提出一种新的约束条件来求解曲面轮廓的一系列非线性方程并通过绕z轴旋转获得完整的自由曲面。3、在评估照明系统的性能时,照明均匀性是非常重要的指标。在先前研究中对照明图案均匀性的评估主要基于机器视觉下的感知。然而,照明系统通常用于人类视觉感知,并且当评价照明的均匀度时必须考虑人眼的视觉效果。为了充分考虑人眼视觉感知对照明图案均匀度评价的效果,本文借鉴人类视觉系统(HVS)并根据人眼视觉的带宽特性,提出了一种评估照明图案均匀度的新评价指标。实验结果表明,所提出的均匀性测量与人类视觉所使用的一致。本文提出的评价指标同样适用于当缩放光斑图案的尺寸时人眼所感知的均匀性。这为照明系统设计与照明图案均匀性研究开辟了一个新的探讨领域。