在超远距离准直照明等特种照明领域中,大功率白光发光二极管(Light Emitting Diode,LED)光源有着极高的使用价值。但是由于该光源的发光面尺寸不可忽略,属于扩展光源,因此在使用时势必会造成准直照明系统出射光束的发散,该发散特性将会影响其照明距离与照明效果。针对上述问题,本文从理论推导、软件仿真与实验测试三个方面对以下内容进行了研究。(1)本文首先基于费马原理,推算出了准直平凸透镜的解析表达式,并设计出了一套以自由曲面构建技术为基础的平凸准直透镜的面型设计算法。(2)以成像光学相关理论为基础,推导出了在扩展光源准直照明系统中,出射光束发散角的计算公式,研究了扩展光源准直照明系统的结构参数对出射光束发散特性的影响。以出射光束发散特性理论为基础继续对准直照明系统进行深入研究,推导出了扩展光源准直照明系统的极限照明距离和可照明半径的表达式。并分别分析了光学系统的横向尺寸和纵向尺寸对极限照明距离和可照明半径的影响。(3)在光学软件中对上述理论进行了仿真模拟,仿真结果与理论预期相符。在此基础上,将所设计具有最优结构参数的透镜进行实体加工,与CREE公司生产的大功率LED光源共同封装成探照灯进行实验测试,进一步证实了本文理论的正确性与实用性。(4)以本文理论为指导,设计了一款超远距离探照灯,该探照灯的横向尺寸为75cm,电功率为149W,能够在2公里处实现半径为35.1m、照度为1.32lx的圆形区域照明,光束发散角度为1°,准直性极高,照度均匀性优良,各项指标符合设计要求。本文的研究内容揭示了扩展光源准直照明中影响极限照明距离的关键因素。对于超远距离探照灯、高速车辆照明灯、搜救灯、舞台追光灯的设计制造具有重大的理论指导意义。