生物复眼具有良好的光学特性，如视野大、体积小、无像差、对运动物体敏感等。而对运动物体敏感对昆虫十分重要，如飞行昆虫觅食时需要追逐小型、快速移动的目标等。受昆虫复眼对运动物体敏感的启发，制备了具有5个小眼的单层复眼，每个小眼由1个菲涅耳透镜构成。通过飞秒激光双光子聚合加工技术和软光刻复写技术，制备出具有高精度和可重复性的柔性仿生复眼。实验结果表明，该仿生复眼可以获得可辨识的图像并且可以用于追踪运动目标。

针对使用光纤光谱仪探测远距离宽光谱弱信号的应用需求，基于成像光学与非成像光学的混合设计方法，设计了大口径菲涅耳透镜聚光系统。系统由直径为1.1 m的菲涅耳透镜、匀光棒、全反射准直器和中继透镜组组成，接收端为直径为2 mm、数值孔径为0.22的光纤束。大口径菲涅耳透镜具有质轻体小的优点，解决了传统大口径透镜体积大质量大的问题。由匀光棒和全反射准直器组成的非成像光学元件后组可减小由菲涅耳透镜口径增大引起的球差和宽光谱色差，使光信号能量分布更加均匀且出射角度减小；中继透镜组进一步控制光束发散角和光斑尺寸，使光信号在光纤束端面高效率耦合，提高系统的光能利用率。仿真和实验结果均表明，所设计的后组系统能够减小像差影响，有效控制光束发散角度和光斑尺寸，提高光能利用率，满足光纤光谱仪对远距离宽光谱弱信号进行光谱探测的需要。

为满足激光雷达收集系统对远距离荧光信号探测要求，提出了一种基于多软件协同循环优化各环带面形的非球面环带菲涅耳透镜设计方法，并进行了透镜面形误差分析及透镜样件性能测试。利用该方法设计了一个直径为300 mm、焦距为670 mm的高收集效率菲涅耳透镜，使用LightTools软件对设计的菲涅耳透镜进行了光学仿真，收集效率可达52.2%。仿真和实验结果均表明：在400~950 nm光谱范围内，设计的菲涅耳透镜减小了透镜球差和色差对收集系统的影响，具有较高的能量收集效率，提高了系统光能利用率，满足系统性能指标要求。

设计并制备了口径为20 mm的法布里-珀罗干涉仪，该干涉仪在632.8 nm处的光谱分辨率为0.5 nm，自由光谱范围为9.0 nm。将口径为1.1 m的低成本菲涅耳透镜用作集光元件，使用自行搭建的法布里-珀罗干涉仪和工业电荷耦合器件（CCD）相机成功探测到30 m外平均功率为0.7 mW的汞灯光谱，实现了μlx量级的弱光光谱探测。采用增强型互补金属氧化物半导体（ICMOS）相机，可在10 m外检测到飞秒激光光丝诱导的质量分数为13×10^-6的NaCl气溶胶的时间分辨荧光光谱。建立的基于菲涅耳透镜和法布里-珀罗干涉仪的光谱测量装置在空气污染物和有害物质远程检测中具有广阔的应用前景。

为探索以菲涅耳透镜为聚光器的聚光光伏模组中，多结电池中心局部高辐射功率对短路电流的影响，测量菲涅耳透镜的高亮度光斑直径，并据此分别测试室内不同局部光照面积下和户外不同尺寸透镜下的GaInP/GaInAs/Ge三结电池的短路电流，利用电路网络模型分析实验结果。结果表明，短路电流与局部聚光的面积无关；小尺寸菲涅耳透镜聚焦下，沿光轴电流与辐射功率同步变化；透镜尺寸增大到一定程度，电池中心局部承受过高辐射功率，电流受峰值隧穿电流限制，宏观体现为焦平面处短路电流下降。电池放置在焦平面两侧，均可缓解局部高辐射功率，短路电流最高提升 8.0%。

太阳能聚光器聚焦方法主要有三种,介绍了不同太阳能聚光器的结构设计和聚光原理,并对其聚光性能进行了分析。同时,对国内外最新研究现状进行了总结和论述。三种聚光器中,折射式聚光器常采用不同形状的菲涅耳透镜作为主要光学元件,其设计自由度高,但透镜对光谱敏感容易产生色散;反射式聚光器结构简单,对太阳光谱有天然优势,但其聚光比普遍偏低,且占地面积较大,聚光效率与反射面上的镀层折射率等因素有关;混合式聚光器将不同原理的聚光器进行组合搭配,实现了太阳光能量的最大化利用,同时能在出口处得到均匀光斑。混合式太阳能聚光器中,平板型聚光器因其动态的聚光比和高聚光效率,越来越受到人们的广泛关注,但平板型太阳能聚光器仍需考虑制造和耦合误差的问题。太阳能聚光器是聚光光伏系统的重要组件之一,因此有关聚光器的研究具有重要的应用价值。聚光器的光学设计将向聚光效率更高、接收面聚焦光斑更均匀和系统结构更紧凑的方向发展,随着加工技术的不断成熟,聚光器将更加高效、轻量,其成本将进一步降低。

设计了一种基于蓝绿光发光二极管光源的黄疸光疗仪光源系统。根据光线在皮肤和组织中的传递过程及胆红素和光红素之间的转化过程,通过光谱匹配,建立与目标光谱匹配度较高的光源光谱。对光源阵列进行设计和仿真,建立了光源系统,并进行照度测试,照度平均值达32.9 μW·cm ^-2·nm ^-1,均匀度达81%。为进一步提高光源系统均匀度,在光源系统中采用菲涅耳透镜阵列,当菲涅耳透镜的环距为1 mm、透镜到光源的距离为1 cm时,均匀度提升至85%,照度为31 μW·cm ^-2·nm ^-1,与设计要求相符。

针对当前聚光光伏系统中自动跟踪系统故障率高及跟踪成本大等问题, 提出了一种由线聚焦菲涅耳透镜、反射式二次聚光器和全反射棱锥组成的组合式免跟踪聚光光学系统, 论述了各组成元件的工作原理与设计方法。在光学设计软件Zemax里对该系统进行结构优化与仿真分析, 结果表明, 在俯仰角最大为16°时, 该系统的平均聚光效率为24.1%, 与FRS系统相比提高了18.7%。集成了基于组合式免跟踪聚光光学系统的免跟踪聚光光伏模组, 初步测试结果表明, 该模组在非跟踪状态下光电转换效率最高达到19.6%, 4 h后光电转换效率仍能达到5.9%。

为降低干涉带来的影响, 将一种随机位相分布引入菲涅耳透镜阵列, 对阵列中每一个菲涅耳透镜施加0或π的二值化位相变化, 打乱阵列位相的周期性排布, 减少微透镜后多光束在匀化面干涉带来的影响.通过数值计算对激光束的匀化过程进行了模拟, 设计的菲涅耳透镜口径为0.5 mm, 焦距为6 mm, 阵列数目为20×20, 光斑整体均匀度达到90%, 光束能量利用率达到96%.利用设计和制备的16台阶随机位相型菲涅耳透镜阵列对1 064 nm波长的激光光束进行匀化, 均匀度为83%, 光束能量利用率为89%.研究结果表明, 通过引入随机位相可有效减少干涉带来的影响, 提高微透镜阵列对单模高斯光束的匀束效果.