为了解决投影系统的畸变大、尺寸大和能量利用率低等问题，基于双高斯结构与自由曲面照明系统设计一个新型小畸变投影系统，主要针对自由曲面的建模方法与光路结构开展光学系统的设计。根据边缘光线理论与斯涅耳定律，采用数值迭代法来设计自由曲面照明系统。仿真结果表明，照明系统的照度均匀度可达87.86%，能量利用率可达94.38%。成像系统采用双高斯结构作为初始结构进行设计，投影系统经过非球面优化后的畸变为0.26%，光学传递函数在93 pl/mm的频率处大于0.8，35°边缘视场处大于0.6，而且该投影系统的成像质量高并且结构紧凑，镜片数量少。通过公差分析可知，Q5公差等级满足系统的性能要求，公差要求较低。

为了解决常规照度照明系统中存在的透镜厚度厚和照度不均匀等问题,设计距高比(DHR)为3的双自由曲面透镜。根据能量映射理论对光源与目标面进行网格划分,利用边缘光线理论和斯涅耳定律构造双自由曲面透镜,并采用实际光源进行模拟。与单自由曲面透镜相比,双自由曲面透镜的厚度减小2.95%,透镜的横向尺寸减小10.50%。采用互补反馈校正法对透镜进行优化,优化后的单、双自由曲面透镜的照度均匀度分别为80.48%和87.05%,能量利用率分别为88.61%和91.23%。与单自由曲面照明系统相比,双自由曲面透镜的光学性能均有所提高。对于高DHR和透镜尺寸很小的照明系统,可以实现较高的照度均匀度和能量利用率。

减光式烟雾报警系统中的准直系统收集大角度红外光线获得平行光, 保证光线长距离传输不发散, 逐点计算并优化减光式烟雾报警准直系统。针对理想点光源, 依据等光程原理及折射定律, 求解烟雾报警准直系统初始结构的离散数据点, 将离散数据点拟合成自由曲线。利用光学仿真软件建模并优化准直系统的初始结构, 得到较好的LED自由曲面准直系统。自由曲面准直系统的厚度为20 mm, 口径为28 mm, 准直角度为±1.5°, 光能效率高达89.82%。

为了实现激光均匀照明, 在分析常规匀光技术的基础上设计了新型的激光匀光系统, 并对该系统的匀光技术及光斑均匀性进行研究。新型的匀光系统是利用无刷电机带动光束整形散射器以高于摄像机电子快门的频率旋转, 使多支光束在积分时间内叠加, 形成一个均匀照明效果。新型的匀光系统能够消除激光散斑与干涉条纹, 实现匀光的目的。实验结果表明: 新型匀光系统使激光光斑有效区域内均匀性到达95%以上, 光能利用率为90%。新型匀光系统提高了照明均匀性及光能利用率, 从而提高了被照明目标的成像质量。

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。

为满足高亮度发光二极管(LED)的准直照明要求，克服传统LED准直镜径长比过大、结构厚重的缺点，设计了小径长比、结构紧凑以及高度准直的LED准直系统。准直镜设计基于LED为理想点光源，光线在准直镜内部经历了两次反射，根据几何光学的等光程原理和折、反射定律，通过数值求解等光程方程组获得准直镜各个面型的轮廓曲线，系统径长比为0.1。利用TracePro软件对所设计的准直系统进行光线追迹模拟，结果表明，光源为理想点光源时，在Φ50 mm的出光口径处，光线经准直镜出射的光束发散角（光强半值角）为5.4°；光源采用实际高亮度白光LED时，光线经准直镜出射的光束发散角变为6°，在距准直镜1 m处接受屏上，Φ60 mm光斑照度均匀性为92%，光效为52.11%，适用于高亮度LED准直照明领域。系统设计实现了结构紧凑，准直性能高的设计目标，系统公差满足装配要求，为大功率高亮度LED准直照明系统的小型化、简单化提供了一种有效的解决途径。

为了提高聚光系统的聚光效率，设计了一种户外聚光测试系统.选二阶菲涅耳聚光系统为测试对象，采用局部测量法测试其性能.利用软件模拟聚光系统的透过率、聚光效率和聚光光斑照度分布，并利用户外聚光测试系统对二阶菲涅耳聚光系统进行实验测试.将模拟结果与实验结果对比发现:二者的光斑分布均匀性比较接近，透过率相差1.800%；聚光效率相差4.346%，主要差异来源于加工误差和测量误差.据此可以为设计和加工提供信息反馈，从而改进加工工艺，提高聚光效率.

设计并优化了高效且结构紧凑的折射/全反射/反射/折射式(RIXR) LED准直系统, 用于收集大角度范围内的光线获得具有较小发散角的准直光束。首先, 根据非成像光学理论中的边缘光线原理以及多面同步(SMS)设计方法计算系统初始结构的面型; 然后, 利用Zemax光学设计软件对初始结构进行优化设计; 最终得到最佳结构的LED准直系统。优化设计得到的RIXR型准直系统的半口径为20 mm、纵横比为0.25、集光角为200°。LED准直系统经反向光线追迹得到边缘视场(±3.178°)点列图的均方根半径<2.1 μm, 故边缘视场达到了很好的聚焦效果。充分考虑材料的吸收损失和界面的反射损失后, 光能利用率高达83.48%。实验表明, 基于RIXR结构的LED准直系统具有光能利用率高、结构紧凑、体积小、便于应用等特点。

为弥补因太阳模拟器光线发散角大、测试口径小不适用于光伏聚光系统测试的缺陷，设计了大口径、高平行度的室内聚光测试系统。另外还提出了一种新的聚光测试方法：分立光谱局部测量法。首先选二阶菲涅耳聚光系统为测试对象，利用单色光局部测量法测试该聚光系统的聚光效率，然后利用各种单色光的权重与聚光效率计算聚光系统的平均聚光效率，最后将实验结果与模拟结果进行对比分析。二阶菲涅耳聚光系统模拟聚光效率为88.623%，聚光测试系统测得聚光效率为85.45%，二者的聚光效率相差3.173%，透射比和光斑照度的均匀性均比较接近。聚光效率的差异主要来源于聚光系统的加工制作误差和测量误差。通过实验数据分析，验证了室内聚光测试系统的科学性与可行性。室内聚光测试系统光线发散角为0.267°，与太阳光发散角相匹配，出光口径为145 mm，可实现大口径聚光系统的性能测试。该系统结构简单、成本低，在太阳能聚光领域内有广阔的应用前景。