大功率LED集成光源在实际照明工程应用很多, 但是集成光源的照明效果不是很理想。为了解决大功率LED集成光源难以直接应用于照明的问题, 根据非成像光学理论, 设定合适的初始参数, 利用能量守恒建立LED光源与目标照明面之间的映射, 设计了筒灯反射器和透镜。并用Tracepro软件对这两类光学器件进行模拟仿真, 均得到了良好的均匀圆形照明光斑。仿真结果表明,设计出的反射器和透镜, 随着发光光源面积增大, 照度均匀性都降低, 当光源尺寸均设置为1 mm×1 mm时, 照明面上照度均匀性都达到95%以上, 当光源尺寸增大10 mm×10 mm时, 照明面的照度均匀性下降到85%, 符合对均匀性很高的室内照明设计标准。

为了解决环形交叉路口的照明问题，基于非成像光学的光学扩展量守恒理论，提出了一种产生环形光斑透镜的方案。该方案对单个透镜和透镜阵列进行设计，并利用TracePro软件对其进行模拟，结果均能得到环形光斑。对于单个透镜，随着光源尺寸的增大，目标照明面的照度均匀性降低，光能利用率基本保持不变，当发光二极管（LED）光源尺寸为5 mm×5 mm时，目标照明面的照度均匀性为86.5%，光能利用率为90.3%。对于3种透镜阵列，通过设置合适的初始参数，得到目标照明面的照度均匀性在91%以上，光能利用率均在90%以上，符合道路照明设计标准。

根据编码结构光检测原理，建立了结构光测量系统的数学模型，研究了该模型各参量之间的相互关系及误差，得到了优化的系统结构参数。按照系统的几何结构，建立了深度信息的计算模型。分析了系统参数对模式成像的影响，实现了测量系统的模式像在不同参数值下的动态变形，并确定了图像坐标随深度值变化的几何关系。通过分析系统参数与深度信息的误差关系，确定了系统集成应遵守的约束条件，集成了最优系统结构。实验结果表明，按照优化参数建立的系统，其测量相对误差约为0.3%，基本满足编码结构光测量系统三维重建的高精度要求。

本文针对交比不变原理的结构光光平面标定方法,利用泰勒展开和矩阵扰动原理分别对系统的测量误差和光平面标定误差进行分析,提出了结构光测量系统的误差传递模型。并给出了一个实验特例的精度要求,即满足在1 000 mm的测量距离上获得±0.5 mm以内的测量精度情况下,各标定参数所需满足的精度要求,以及标定样本的精度要求。对误差传递模型所得出的标定参数的精度要求进行实测实验验证,得到测量数据的均方根误差为0.333 4 mm,满足理论上的精度要求。该实验结果证明了本文所述的误差分析可以有效地对结构光系统误差进行定量分析。