基于非成像光学理论, 提出了一种阵列型LED光学系统的优化设计方法。通过对二次B样条理论、Scheme语言和优化引擎的结合使用, 实现了对准直透镜和柱面镜的优化设计。通过对两款透镜的灵活使用, 实现了光能量的传输和重新分配, 进而达到高效、高均匀性的照明要求。采用48颗, 1.2 mm×1.2 mm朗伯体发光的线性阵列LED芯片作为光源, 透镜材料均为PMMA。采用该设计方法设计的系统, 其能量利用率可达到62.6%以上, 非均匀性小于5%。

为实现曝光系统均匀照明的目标，基于非成像光学，提出了一种阵列型模组的匀光照明系统优化设计方法。该方法首先通过对单模组的光学设计，实现半发散角度和阵列间距的初步计算，然后通过TracePro软件的Scheme宏语言和优化引擎相结合，实现对模组阵列间距的进一步优化，从而实现对整个光学系统的均匀照明设计。光源采用日亚紫外LEDSTS-DA1-2394E，阵列模组个数为5，阵列纵向间距为28 mm，横向间距为24 mm。该光学系统通过TracePro软件模拟仿真和实验结果表明：在距光源300 mm的距离处，可实现目标面积上的均匀照明，其非均匀性均小于5%，准直角度约为4°。

针对液晶显示屏幕检测中光源照明均匀性较差的问题，基于非成像光学理论提出了一种大口径小角度的发光二极管(LED)照明光源设计方法。光源采用阵列式照明方式，对单颗LED 设计菲涅耳透镜实现小角度的准直照明；推导阵列均匀照度分布条件并利用TracePro 软件进行优化，确定阵列最优间距；最终通过在照明面上的光斑拼接叠加实现均匀矩形照明。照明光源由12×9个配光单元形成均匀方形阵列排布，每两个配光单元间距30 mm。仿真结果表明，光源的发光角度小于±10°，在距光源170 mm 的照明面上，平均照度大于45000 lx，非均匀性3.8%，均满足设计指标。该方法设计的阵列式光源无论平均照度还是照度均匀性均比现有光源有明显优势。

提出了一种自由曲面准直透镜的优化设计方法。通过对二次B 样条理论、Scheme 语言和优化引擎的结合使用，实现了准直透镜的优化设计。采用1 mm×1 mm 朗伯体发光的LED 作为光源，透镜材料为聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，通过对两款不同结构准直透镜的优化设计，可以实现发散角为±5° 的准直照明，能量利用率均可达90%以上。与现有的优化方法相比较，此方法具有对初始模型依赖较低、设计方法简单和普适性高等特点。

针对现有LED光源建模适用条件及可靠性不确定性的问题, 对紧凑型LED配光设计中光源建模可靠性进行了研究.通过优化设计具有不同透镜光源直径比模型的方法, 对点光源、表面光源、ray文件光源三种建模方式在系统中的差异进行分析对比.整体设计以ray文件光源模型为基准, 以常规紧凑型全反射式透镜为二次配光元件, 对不同透镜光源直径比(光束角分别为±15°、±10°、±5°)的光学系统进行优化设计和分析计算.结果表明: 在能量利用率误差为±2%的范围内, 光束角为±15°, 透镜光源直径比大于36∶2时, 表面光源建模可代替ray文件光源建模；光束角±10°, 透镜光源直径比为44∶2时, 表面光源建模可代替ray光源建模；光束角为±5°, 透镜光源直径比为82∶2时, 表面光源建模可代替ray文件光源建模.但是在±2%误差范围内, 点光源无论在何种透镜光源直径比, 任何光束角下均不能代替ray文件光源.这一结果为紧凑型系统设计中光源模拟提供了依据, 同时解决了采用ray文件光源建模进行辅助优化设计耗时较长的问题, 为相关研究提供了参照依据.

为满足聚光光伏系统的聚光需求，解决传统点聚焦式聚光光伏系统中聚焦光斑不均匀、径长比过大和聚光比较小的缺点，在不增加二次匀光器件的前提下，设计了径长比小、聚焦光斑相对均匀、聚光比高的聚光光伏系统。根据几何光学柯勒照明原理、等光程原理和反射定律，通过数值求解等光程方程组获得聚光镜各个面型的轮廓曲线。利用TracePro软件对所设计的聚光系统进行光线追迹模拟，结果表明：在聚光比为725的情况下，聚焦光斑最大照度仅为太阳照度的2300倍，是点聚焦情况下的1/10左右，系统的径长比为0.3，接收角为0.72°。系统设计实现了结构紧凑，聚光性能高的设计目标，为高倍聚光光伏系统的小型化，简单化提供了一种有效的解决途径。

针对衍射型微透镜阵列的激光匀束系统提出一种新的优化设计方法。利用非成像光学中的等能量映射方法，建立了基于Macro宏语言的自定义优化函数。系统采用微透镜阵列和聚光球面镜作为匀光元件，在Zemax软件的序列模式中对微透镜阵列单元的非球面面型进行自动优化，实现了照度均匀性大于90%、能量利用率为83%的6 mm×6 mm方形光斑的优化设计。采用TracePro光学软件对设计结果进行了仿真验证。此方法无需传统方法复杂的数学计算和器件参数的反复调整，是一种十分有效的微透镜阵列激光匀束系统的设计方法。

从非成像光学理论出发，提出了一种新的实现自由曲面透镜的局部优化设计方法。初始模型采用规则的二次曲线代替自由曲线，通过对TracePro软件中的Scheme编程语言和优化引擎的结合使用，对匀光透镜进行局部优化设计，最终实现了LED均匀照明。结果表明：当光源为1 mm×1 mm朗伯体发光的LED时，可以在1 m处实现发散角为±15°内的均匀照明，光能利用率达到80.89%，均匀性达到95%以上。与目前通用的全局优化方法相比较，在视场角和均匀性方面有明显的改善。此方法还有过程简单、对初始模型要求较低和通用性好等特点。

针对现有发光二极管(LED)汽车后转向灯存在的配光性能不准确、能量利用率低等问题，设计了一款准直配光一体化的LED后转向灯透镜。该透镜根据非成像光学原理和斯涅尔定理，通过迭代求解的方法设计而成，其高度为832 mm，直径为1264 mm。利用光学软件TracePro对实际光源和后转向灯透镜进行光线追迹模拟，结果表明：在x方向±80°，y方向±80°的矩形区间，发光强度均大于16 cd; 在x方向±20°，y方向±10°内发光强度呈近似矩形分布，且各测试点结果均满足GB17905-2008要求。该透镜可精确控制LED发出光线，有利于提高配光性能及能量利用率。

从道路照明评价指标出发, 对发光二极管(LED)道路照明的配光进行优化设计。综合考虑照度分布与道路照明评价指标之间的函数关系, 建立了LED路灯照度分布的数学模型。以照明评价指标为优化条件, 亮度-照度比Q为优化目标, 求解有约束的最优化问题, 得到配光曲线。以沥青路面主干路为例, 把得到的配光曲线导入照明模拟软件中进行仿真模拟。配光优化结果表明：其横向配光呈非对称分布, 且最大光强偏向机动车道方向, 比传统的对称式配光曲线节能30.3%; Q为0.072 7, 高于一般沥青路面的比值; 同时各项照明评价指标均符合CJJ 45-2006的要求, 配光性能良好。