以100 W向下照射的LED灯为研究对象,计算了在单纯导热、热辐射和导热耦合以及对流、热辐射和导热耦合3种情况下透镜的温度及热应力分布,并对透镜外表面特征点的温度变化进行了测量。研究了透镜封闭腔内空气热对流和表面热辐射对透镜温度分布的影响,分析了表面发射率对透镜中心温度的影响以及热膨胀系数对最大热应力的影响。实验结果表明:热对流对透镜温升的影响不足1%,热辐射对透镜中心温升的影响为13.3%。透镜中心温度随光源及透镜表面发射率近似呈线性变化,最大热应力也随热膨胀系数呈线性变化。最大热应力集中在透镜的边角处,而最大变形总位移却位于透镜中心。因此,在大功率LED透镜设计过程中,在满足光学要求的前提下,可考虑涂覆低发射率的涂层来降低透镜温度。同时,为减小热应力及热变形,应尽量避免边角结构,选择热膨胀系数较小的材料。

基于能量守恒定律和网格划分法，设计了一款用于超薄直下式发光二极管（LED）平板灯的大角度透镜。以朗伯型发光LED在高度为96 mm下的目标面照度分布作为期望照度分布，对大角度LED透镜进行反馈优化，使其在高度为25 mm的目标面上就形成具有期望照度分布的光场。为探究优化后的大角度LED透镜对直下式LED平板灯的厚度减薄程度，将目标面高度分别设为20，25，30 mm，方形LED阵列的间距分别设为96，82，75 mm，利用LightTools软件模拟分析了直下式LED平板灯的目标面照度均匀度。研究结果表明，当目标面高度为25 mm、方形LED阵列的间距为82 mm时，目标面上的照度均匀度最好，其值(照度最小值除以照度最大值)达至0.8756，符合国家LED室内照明应用技术要求。

根据非成像光学原理，提出了基于经纬划分和切面迭代的自由曲面求解方法。先在三维坐标系中建立自由曲面与目标面的相对位置模型，并对自由曲面沿经纬方向角度均分；再根据自由曲面各经纬带上能量与目标面各微带上能量对应相等，实现目标面网格划分并求得与自由曲面各网格对应的目标节点坐标；选取自由曲面初始网格节点，利用Snell方程和切面迭代法，沿经纬方向分别求解，得自由曲面各节点坐标，即可拟合成所求自由曲面。对用该方法设计的LED透镜进行模拟，结果表明对于目标面为轴对称区域的均匀照明，该方法可快速精确地获得对应的光学系统，使得LED光源能够广泛应用于道路照明系统中。