激光车灯对比于LED车灯, 具有能耗小、体积小、亮度高等优点, 是汽车车灯发展的新方向。基于此提出了一种低功耗、高亮度的激光车灯的光学系统结构。通过搭建光学测试平台研究激光二极管经过荧光片变为白光光源的特征参数, 如光源的尺寸、光通量等, 从而建立光源模型。由点光源和接收面能量的映射关系, 求解激光车灯透镜的初始面型。根据所建立的光源模型对透镜初始面型进行优化设计, 得到最终结果。所设计的非球面透镜利用超精密加工实现, 并对激光车灯进行了组装和测试, 12.16W电功率驱动下, 25m处的照度约为106lux。

聚光光伏发电可降低光伏发电成本, 提高太阳能电池的转换效率, 是光伏发电的发展趋势。Fresnel透镜是最常用的光伏聚光镜之一, 柱面Fresnel透镜其截面呈圆形, 与平板式Fresnel透镜相比, 可在一定程度上增加太阳光的收集角度。圆柱面Fresnel透镜由于棱镜单元非回转, 各棱镜单元参数各不相同, 其加工一般采用拼接方式, 不能实现一次成型加工。针对这些问题, 提出圆柱面Fresnel透镜一次成型的超精密加工方法, 研究加工过程中超精密机床运动参数与柱面Fresnel透镜几何参数之间的关系。对加工后的透镜进行了角度检测, 其角度加工误差小于0.02%, 说明加工方法具有极高的加工精度及准确性。

Fresnel透镜是最常见的太阳能聚光镜之一, 曲面Fresnel透镜通常比平面Fresnel透镜具有更加优越的性能。基于非成像光学理论, 提出了一种新型曲面Fresnel透镜的设计方法。曲面Fresnel透镜采用圆锥曲面基底, 在满足Fresnel透镜机械参数要求的前提下, 实现Fresnel透镜第二工作面面型的求解。基于可加工性的要求, 利用该方法设计了不同形状的曲面Fresnel透镜, 通过光学仿真分析了曲面Fresnel透镜的结构参数对聚光镜会聚比、容忍角、光照均匀性的影响, 并分析了超精密加工条件下, 由于加工误差对光学效率的影响。该设计方法为参数化曲面Fresnel透镜的分析提供了一种新的途径。仿真结果表明, 具有小深宽比的曲面Fresnel透镜具有更好的均匀性和更高的能量利用率。

提出了一种准直型LED自由曲面二次光学元件的设计方法, 基于光线追迹, 满足光学元件的光学要求和曲面连续性的几何要求, 简化了自由曲面设计过程, 实现程序化设计。自由曲面的应用以能够实现自由曲面的制造为前提, 基于自由曲面的可加工性, 提出设计方法可结合加工需求灵活更改设计参数, 设计自由度高, 实验验证了设计方法的正确性。