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在当今半导体照明产业迅速蓬勃发展的这样一个大背景下。LED芯片应用技术，尤其是LED的二次光学设计技术，越来越得到人们的重视。本课题的研究内容正是基于06年度国家863计划“半导体照明工程”课题《室内数字智能化LED照明系统开发》（课题号:2006AA03A155）与北京市科委课题《LED在国家游泳中心建筑物景观照明上的应用研究》的第三子题《LED给定光分布的研究》基础上展开的。 随着LED光效的进一步提高以及对LED芯片使用中积累的应用经验，人们逐渐意识到LED光源与传统光源在灯具配光设计应用中存在着巨大差别。这种差别主要体现在光源的发光特性上（传统光源是360°发光的立体光源，具有一定的空间尺寸，而LED光源的光强分布多为给定角度的朗伯余弦分布，光源尺寸较小。采用传统照明光学设计方法往往根本无法得到满意的光分布（配光曲线））。由于现有照明光学设计理论缺乏系统性，照明光学虽然是一门古老的学科，但是随着近年来一些新应用的提出，传统的设计方法表现的越来越力不从心。 在传统的成像光学设计中，我们主要考察光学系统的成像特性，通常的设计方法是采用光路追迹软件，模拟几条光线通过光学系统的光路，之后评价系统所成像的质量。而照明光学所考察的内容却是光能的利用、传递与能量最终在目标照明面的分布方式。主要考虑如何尽可能多的利用光能并在目标照明面上得到要求的照度分布。简而言之，照明光学设计技术的难点是:如何在目标照明平面上，获得照度均匀分布的照明光斑。这也是本文研究的核心课题。 在对这一问题的研究中，作者首先分析了成像光学与非成像光学在设计方法上的区别，之后根据这些区别，提出了照明光学设计实际上是非成像光学设计这一基本论点。在对这一论点的研究过程中，作者详细探讨了非成像光学中拉赫不变量、光学扩展量以及最大能量收集率间的关系;并通过公式推导，揭示了拉赫不变量、光学扩展量以及面间能量传递的关系。这些理论的讨论为后续简化自由曲面直接设计法方程的形式奠定了基础。 在之后的内容中，作者根据复合抛物聚能器(CPC)的缺点，设计了几种改进CPC，并且推导给出了几种改进CPC的设计公式。该改进方法已成功应用于几种实际灯具的设计中。 由于CPC本身固有的缺点，我们仍需思考能否发展出一种通用设计技术，圆满解决指定形状（圆形或矩形）均匀照明区域的设计问题。考虑我们在非成像光学理论研究中所讨论的拉赫不变量、光学扩展量以及面间能量传递的关系。我们利用这种关系，结合非成像光学边缘光线原理，成功的对自由曲面直接设计法进行了改进。 传统的自由曲面直接设计法，考察曲率和斜率对光线的偏转作用。而曲率往往被表示为曲面矢径的二阶偏导数，建立的微分方程往往也是二阶非线性蒙特安培方程，难以求解。通过引入面间能量传递的关系表达式，结合非成像光学边缘光线原理，我们成功的推导出了联系自由曲面上动点M坐标值与目标照明面坐标值的一阶拟线性偏微分方程表达公式，降低了设计难度。同时在推导公式的过程中，引入朗伯余弦系数的概念，提高了计算精度。该自由曲面透镜设计理论同样可被应用于自由曲面反射镜的面型设计中。经专家鉴定，采用该方法设计的配光透镜照明效果达到国内先进水平。