现在大部分产业愈发依赖电能,其中照明产业消耗大部分电能,为了实现节能环保、可持续发展,需要进一步提高照明的电能使用效率,实现绿色、节能、高效照明。LED发光二极管作为新一代绿色光源具有发光效率高、耗能小、使用寿命长等优点,逐渐被运用到各个照明领域。但由于LED光强呈现朗伯体分布,发散角较大,不能直接运用于具体的照明领域。因此,为了满足不同场合对于LED光源照明要求,需要在LED一次光学设计的基础上,进行二次光学设计,以便提高LED光源的均匀度、发散角、光能利用率等性能。本文致力于研究高均匀度、小发散角的照明光学系统设计方法,旨在建立基于透镜的二次光学设计理论,为获得均匀性高、发散角小的照明光学系统提供解决方案。针对LED光源发散角过大,均匀性过低的问题,本文设计两套均匀照明光学系统装置,最终达到预期目标,获得了均匀性、发散角均满足具体运用场景的均匀光斑。本文首先提出一种基于近焦点非球面透镜光学照明系统设计方法。在进行均匀照明系统设计时,先是根据几何光学和光学扩展量守恒,计算求解出非球面透镜的面型参数,然后再结合对照明光学系统的总体性能要求,在ZEMAX中定义出非球面透镜的初始结构和评价函数。接着进行多轮优化,获得了焦距为76.79mm,直径为200mm非球面透镜。随后,将优化生成的非球面透镜导入到Trace Pro中进行建模并进行光线追迹仿真实验,根据仿真结果获得的最优参数进行实物加工。最后对获得的实例光学系统进行光度值测量和结果分析。实验结果证明,本文提出的均匀照明系统可以在60cm处实现发散角0±8.53°的均匀照明,光斑均匀性达到95.82%。鉴于非球面透镜高阶系数存在相互限制,本文在基于非球面透镜光学系统的基础上,进一步研究,提出了基于自由曲面透镜的均匀照明光学系统。利用自由曲面透镜和复合抛物面反射镜进行光学系统设计。在设计光学系统时,先是根据非成像光学原理和光学系统的总体性能要求,确定自由曲面透镜的初始结构,然后构造评价函数进行优化。接着,将优化生成的自由曲面透镜导入Trace Pro中,并根据自由曲面透镜,优化复合抛物面反射镜。经过多轮优化,最终获得最优的光学系统模型,然后根据模型参数进行实物加工。本文采用不同形状的LED芯片对均匀照明光学系统装置进行实验,分别得到了方形和圆形均匀光斑。光学系统获得光斑的均匀性都会随着距离的增加而略微下降,但出射光束发散角稳定。在距离自由曲面80cm处,该系统均获得光斑的均匀度都优于97%,发散角都约为0±2.86°。