在照明光学领域,发光二极管(LED)以其节能环保、体积小、低热量、寿命长、抗震性能好等诸多优点逐渐取代了卤钨灯、白炽灯等传统光源而成为照明界新贵。但随着应用环境的不同和增多,以及LED封装工艺的缘故,普通规格LED光源的光照度很难满足各式各样的环境要求,因此,激起了人们对LED光源二次配光设计的研究。这类研究不仅要从光学角度着手,LED灯具的外形、尺寸的匹配也应该是设计者要考虑的重要因素。本课题在边缘光学原理和非成像光学的理论支持下对LED二次配光的新型自由曲面透镜进行了研究,主要探索研究了超薄型透镜、高光效且小聚光角透镜,以及两种自由曲面匀光准直透镜。基于几何光学知识和光学扩展量守恒理论,构建出满足设计者要求的透镜曲面的一阶微分方程,再利用高精度数值算法来求解得到曲线的坐标点集,并将计算得到的数据导入SolidWorks中三维建模及Light Tools对所建模型进行光学仿真,针对仿真结果中照度分布和理论预期的差异,以及传播光路的分析来判断设计的优劣。最后,本文选择了其中一种双面均匀准直透镜做了精密表面加工,并测试了其光学性能。本文第一章介绍了全球LED产业近些年的发展情况,以及照明设计的发展趋势,简单介绍了LED在不同照明领域中的应用,进一步反应出行业对LED二次配光设计的迫切需求。第二章介绍了非成像光学中,聚光照明系统和LED二次光学设计的几种形式,说明了各种设计形式各自的优点,针对不同的配光要求可以采用相应的形式来满足,本文的工作重点是基于相关理论设计新型透镜结构,实现传统结构的透镜难以实现的二次配光效果。第三章着重介绍了自由曲面光学理论基础,阐述了本文透镜设计中用到的方法和原理,包括光束断面积法和蒙特卡洛法以及边缘光线原理,并简单说明了曲面曲线计算中用到的高精度数值算法:四阶龙格库塔方程。接着分成四个小节较详细的介绍了薄型透镜、高光效且小聚光角透镜和两种双面均匀准直透镜的设计方法,以及在设计过程中应该注意到的一些因素,同时还给出了设计所设置的参数,为后期的三位建模和光学仿真提供了数据支持。第四章是对透镜设计的仿真和分析,通过SolidWorks的三维建模和Light Tools的光学仿真,得到了所设计透镜的模型和光学特性,对比光源能量和接收器接收的能量,能够看出所设计透镜对光能利用率的高低;接收器显示的照度平均偏差和标准偏差反应了透镜配光均匀性能的好坏;进一步地改变接收器的距离后再比较接收器的照度平均偏差和标准偏差来判断均匀准直透镜的准直出光性能。第五章介绍了透镜的注模加工方法,简单阐述了透镜的注模加工工艺以及透镜材料的选择,对加工出的透镜模型进行了实物的光学测试并对测试结果进行了分析。