为了揭示曲面复眼玻璃透镜光学精密模压过程中各个子眼应力分布变化状况，通过建立有限元模型，应用MSC.Marc有限元软件对不同工艺参数下的玻璃透镜模压、保压阶段进行了仿真研究，得到了温度、模压速率、模压力对各子眼应力的影响规律和模压力、位移曲线。然后，对不同模压方式下应力变化过程进行研究，发现在球形预形体变形量较大的场合，恒速率模压工况会出现随下压量增加导致外力过大、阻碍应力松弛的现象。最后，对保压阶段进行研究，得到了不同保压力对填充效果和子眼应力分布的影响规律。

作为一种典型的微纳光学元件，仿生复眼微视觉系统有机结合了光子学与微纳米技术的前沿科学成果，在机器人视觉导航、无人驾驶、微型飞行器系统等前沿领域具有广阔的应用前景。超快激光加工作为一种先进的制造技术，具有真三维加工、适用多种材料、微纳加工精度等优异特征，已成为制造多级结构仿生复眼视觉系统的理想工具。本文介绍了自然界昆虫复眼的结构特点，阐述和分析了各类型仿生复眼的超快激光加工研究进展，包括平面微透镜阵列、超疏水复眼透镜和大视场复眼透镜，最后分析了超快激光加工技术制备复眼透镜存在的问题和发展趋势，为仿生复眼视觉系统的进一步研究与开发提供有效参考。

为实现太阳模拟器的大辐照面积均匀照明, 研究了大面积发散太阳模拟器光学系统的设计与仿真。分析了复眼透镜阵列组与发散投影系统的工作原理及旁瓣效应的产生机理; 基于嵌套建模思想, 结合多项式拟合方法, 得出了氙灯轴上的强度分布曲线, 并根据氙灯发光能量对称的性质, 实现了氙灯空间光强分布的模拟; 结合提出的光学系统设计边界条件与参数, 设计了光束整形系统、复眼透镜阵列组和发散投影系统。实验结果表明: 大面积发散太阳模拟器的工作距离为20 000 mm, 辐照面直径为1 500 mm, 辐照均匀度为92.8%, 满足均匀照明的使用需求。

在阴影遮挡等非视距应用场景中,可见光通信系统的性能受限于严重的光功率衰减影响。基于仿生复眼的工作原理,设计了一种球面仿生复眼微透镜组和复合抛物面聚光器耦合的光学接收天线。利用TracePro软件分析球面仿生复眼的非成像特性,发现当探测面面积一定时,随着邻子眼光轴夹角减小,能量收集比率逐步提高,当邻子眼光轴夹角小于局部最优值时,能量收集比率达90%以上,接近最优。光轴夹角的局部最优值与探测器面积呈正相关。复眼的大视场特性随邻子眼光轴夹角的增大而逐步丧失,最终趋近于单透镜特性。对于可见光通信非视距链路的应用,可获得天线增益达56.45,视场角大于90°。利用MATLAB对室内信道进行数值分析,证明了仿生复眼多级耦合光学天线在阴影遮挡严重的场景下依旧能保持较高的馈入光功率,与普通的单透镜天线相比,平均功率提高了20 dBm,表明所设计的光学天线具有大视场和高增益的特性,可有效提高室内可见光通信系统的抗阴影遮挡性能。

大面积平行光曝光机是印刷线路板(PCB)、显示面板和触摸屏等电子产品重要的制造设备,由于采用复眼结合反射镜的非轴对称科勒照明光路,其曝光均匀度只有0.85左右,难以满足高精度加工制造的需求。针对此问题,提出了采用自由曲面复眼替代传统的球面复眼,建立了高均匀度复眼单元的自由曲面面型设计方法。光线追迹仿真实验结果显示,采用所提方法后曝光均匀度提高到了0.91以上,满足高精度加工制造所需的高曝光均匀度的要求。所设计的自由曲面复眼的面型连续,可以通过金刚石车削进行精密加工,有望在大面积平行光曝光机照明光路中得到广泛应用。

在数字光刻照明系统中,利用复眼透镜对365 nm发光二极管(LED)进行了匀光设计,透镜阵列采用近六边形的排列方式, 能基本覆盖圆形光。近六边形阵列相对于方形结构能减少无效透镜数量,能更有效地利用透镜发挥匀光效能。用软件分别仿真了近六边形、9×9方形透镜的照明系统, 并对比了其照度图,结果表明使用近六边形阵列的照明系统照度更为均匀。用近六边形阵列设计的照明系统与数字微反射镜(DMD)、 光刻镜头相结合,进行了2 μm精度的数字光刻实验,其像面照度均匀,线条清晰。

根据LED发光特性以及彩色滤光片式硅基液晶芯片特性, 从成像光学的角度导出了复眼照明系统的基本成像公式.在此基础上由彩色滤光片式硅基液晶芯片目标区域的大小及其对光束入射角以及LED经整形以后的光斑尺寸与发散角的要求, 根据推导的复眼系统的基本成像公式计算彩色滤光片式硅基液晶芯片复眼照明系统的初始结构, 利用复眼照明系统中的多重共轭成像关系, 将复眼成像, 中继透镜成像分别优化, 最后将两者通过孔径与中间像匹配的基本要求进行复眼阵列组合, 设计了基于彩色滤光片式硅基液晶芯片的大照度入射光下的复眼照明系统.该系统以较小的复眼数, 在保证彩色滤光片式硅基液晶芯片照明要求的条件下, 较好地解决了照明系统效率、均匀性与大角度问题.与传统计算方法相比, 该方法简单明了.非成像软件的模拟结果证明该方法准确, 均匀性好, 效率高.实验样机结果验证了本文所提方法的正确性和有效性.

车载抬头显示系统(HUD)可以将车辆相关信息显示在前挡风玻璃的驾驶员平视范围内,可以避免低头看仪表,从而缩短眼球对前方的视觉盲区时间,对减少因低头走神引起的交通事故有着重要的价值。对基于DLP的HUD微型投影显示光学系统进行了研究,利用复眼透镜对LED光源进行匀化整形,利用TIR棱镜进行转向,利用投影镜头进行成像,整个光学系统呈“U”字型排列,结构紧凑,体积较小,成像质量满足使用要求。

为获得高亮度均匀白光束，基于复眼透镜光束匀化原理，设计了一套以三基色半导体激光器为光源的双复眼透镜光束匀化合成光学系统。该系统包含两套复眼透镜模组，第一套模组将分立三基色激光束聚焦合成均匀白光斑，第二套模组将白光斑转换为空间均匀白光束。对系统进行仿真，并对空间不同位置处的光分布进行照度和色度均匀性分析，结果表明所得光束为均匀白光束，理论上验证了该光学系统的可行性。搭建了实验光路，分别在距离系统1、2、5 m 处对合成白光束进行测量，结果表明合成光束照度均匀性均大于90%，色坐标标准差均小于0.0027。该光学系统合成的白光束具有亮度高、色坐标和强度分布均匀等优势，有望在医用光疗、显示、车用照明等领域得到广泛应用。

针对现有自适应前照灯技术存在的照明模式少、对光线控制不精准、光能利用率低和散热难度大等缺点,提出一种基于发光二极管(LED)和复眼透镜的自适应前照灯设计方案,以数字微镜为核心,利用复眼透镜在数字微镜上形成均匀且具有明暗截止线的光斑,并用复合抛物面聚光器（CPC）和弯形导光管收集多余的光线重新利用,通过控制数字微镜上微镜的翻转位置和翻转频率实现欧洲经济委员会(ECE)标准中“近光（Passing beam）”的4 种照明模式.仿真结果表明:4 种照明模式的平均光能利用率为43.62%,配光结果满足ECE R123 标准,数字微镜上有59.46%的微镜工作且没有微镜一直处于“OFF”态,光能利用率高,散热难度小.