近年来,随着能源问题的日益严峻,人们的环保意识不断增强,受到这种情形的影响,全世界都在寻找可替代能源。LED凭借其诸多优点,例如:耗电量少、工作时间长、光效高等成为了代替传统光源的不二选择。随着LED光源的普及,针对LED光源发光特性的研究也逐渐开始发展,在这其中最重要的莫过于对LED光源的二次配光设计。一般的配光设计中往往将LED光源简化成点光源,但在实际应用中LED光源具有一定的大小,如果还是继续用这样的方法进行配光设计,实际效果往往不尽如人意。所以本论文通过非成像光学理论对LED的二次配光设计提出新的探索。1.提出了针对扩展光源非成像光学设计的一种分析方法,即“二次光源分割法”,并利用此方法设计了一款针对扩展光源的TIR准直透镜。通过将光源理想化为点光源设计出的传统TIR准直透镜在1m处所成光斑的均匀性差,能量主要集中在正负9.5°的区域内,准直效果稍差;相比于同样结构的传统TIR准直透镜,该透镜在1m处所成光斑近似方形,能量主要集中在正负6.5°的区域内,准直效果较好,照度均匀,光能利用率达到84.9%。2.提出了一种基于照度的反馈设计方法来设计自由曲面,详细阐述了其设计原理与实现方法。针对有明确孔径要求的光学系统,通过运用该方法并结合“二次光源分割法”,能够实现对光学系统出光面上出射光锥光锥角大小的控制,并获得高光能利用率。3.结合上述两种方法,设计了一款运用在投影仪光学引擎当中的准直透镜组。基于系统结构的要求,运用光学扩展量守恒理论计算得到,当准直透镜组出光面的出光角大小在6.3°左右时,可以实现光能的最大利用率。通过建立光机引擎系统模型并进行仿真,在DMD芯片表面得到了照度均匀的矩形光斑,均匀度达到了92%,系统光能利用率达到了79%。通过实际模具加工与光效性能测试,投影仪样机整体效率高达40.2%,满足市场要求。