随着人口老龄化,年龄相关性白内障患者日益增多,通过植入人工晶状体可以使白内障患者的视力基本得到恢复。由于白内障患者对术后的视觉质量要求越来越高,个性化设计的人工晶状体已逐渐在临床上推广使用,而多焦点人工晶状体的出现,则成功解决了单焦点人工晶状体术后难以解决的近视力问题。对人工晶状体的发展历史做了简要的阐述,详细地说明了单焦点和多焦点人工晶状体的设计思想及特点,介绍了多焦点人工晶状体的发展现状,最后对人工晶状体未来的发展进行了展望。

针对基于RGB混色技术在小角度、近距离空间内较难实现彩色LED,且有关彩色变焦照明相关文献也较少的问题, 设计了一款彩色变焦照明系统。系统主要由LED光源、TIR透镜、微结构透镜组成, 可在650mm处实现良好混色照明, 变焦范围为4.2°～9.1°(半光强角), 且变焦照明过程中, 在光强下降为20%的角度内能量利用率达85%以上, 半光强角内的能量利用率始终在75%以上, 满足设计要求。

在灯具设计中, 特别是开发投光灯、轨道灯等类型灯具时, 经常会遇到系列化设计问题。在不修改基本外形结构的情况下, 要想获得不同发光角度、照度均匀, 提出了一种通过鳞甲片改变出光角度的反射罩设计方案, 包括鳞片参数的计算、基面合理分隔方法、实际仿真模拟。最终给出同样基面, 发散角(FWHM)为20°、40°、60°, 光能利用率均达到75%, 匀光效果85%左右的设计结果, 证明该设计方法可行性。

基于液体透镜的变焦系统不需要移动光组即能实现变倍的功能, 这种变倍工作方式可应用于具有特定需求的成像系统, 近年来备受关注。探讨了液体透镜参数(变焦范围, 通光口径)对变焦系统变焦性能的影响, 从理论上得到了液体透镜变焦系统最大变倍比以及最大视场角的计算公式。根据理论计算的结构, 求得该结构下液体透镜变焦系统的变焦曲线表达式。从变焦曲线可知, 系统从短焦向长焦方向变化时, 系统变倍比增长速度越快, 系统焦距变化越灵敏。利用上海理工大学研发的液体透镜进行仿真, 设计了一款变倍比为6,全视场角为60°的液体透镜变焦系统高斯结构。该设计不仅验证了理论推导的正确性, 也可作为实际液体透镜变焦系统的初始结构。

为了对灯具设计效果进行评价,提出了一种快速评价方法。基于实际灯具光强的实测数据,利用软件仿真来获得受照面的照明效果,从而有效控制误差和降低成本。对单个灯具在自由摆放位置和旋转角度的条件下,利用网格法划分受照面,由光度学理论计算得到受照面的照度分布。依据几何光学独立性,扩展到总体方案的照度分布。将照明效果用照度曲线和图像显示,从而对灯具设计状况获得快速、有效、直观的评价。为使图像更具直观性和有效性,提出了图像颜色随照度变化近似满足人眼gamma特性。以研制的天幕灯为例,证明了该方法的可行性。

分析了电润湿液体变焦透镜的光学特性和变焦系统设计理论，将各组元焦距作为变量，列出了该液体透镜变焦系统的变焦方程.利用粒子群算法优化求解变焦方程，得到符合条件的初始结构；再利用优化设计软件进行像差平衡，设计了一个具有4片液体透镜，焦距为20～120 mm的大变倍比液体透镜变焦系统.系统各焦距处光学传递函数在66 lp/mm处均大于0.3，畸变小于2%，满足设计要求.

混色均匀性对大部分彩色 LED照明而言都是一个难点, 尤其体现在近距离小角度空间范围。本文由此提出了准直透镜与复眼微结构组合的混色透镜设计, 具有良好的混色效果, 适用于智能照明。根据实际仿真, 对设计方法进行特性分析, 以找到能量利用率和混色效果之间的平衡点。最后给出一个发散角为 20°、能量利用率达到 93%且在远近空间都具有良好混色效果的设计结果, 证明该设计方法的可行性。

液体透镜是一种新的光学元件, 它实现了无机械变焦, 给变焦系统的设计提出了一种新的概念。使用一种比较少见的口径较大的液体透镜组成变焦系统。对液体透镜的原理进行了介绍, 对液体透镜变焦系统的设计方法进行可行性分析, 给出了各种设计方案, 使用Zemax对变焦系统进行仿真。针对大视场给出使用了前置透镜组的方案, 得到了一个视场60°, 变倍比6.2倍的变焦系统。

为了寻找多组全动型变焦系统的解算方法及降低全动型变焦距系统设计时对经验的过分依赖，提出了一种方法用于计算全动变焦系统组元的光焦度分配。以中焦端结构为初始结构，将组元的间距设为变量，构造出不同变焦位置的运动方程，并设置适当的边界条件，用粒子群优化算法求得最佳解。该最佳解就是不同变焦位置处各组元的位置。该方法在一定程度上降低了变焦系统光焦度分配的难度，更为变焦系统高斯结构求解提供了一种新的思路。为了验证该方法，优化了一个100倍的变焦系统。该方法为全动变焦光学系统的设计提供了一个可行的技术参考。

为了使发光二极管(LED)光源在近距离内满足特定角度范围内出射的高效照明, 提出了一种基于光学扩展量的复合椭球面聚光器(CEC)的设计方法。首先, 根据LED 光源的发光特性和非成像光学中的光学扩展量守恒理论, 建立了CEC 的母线方程, 进而依据边缘光线理论和几何光学中的光线追迹原理, 设计了CEC 结构的前后表面面型。最后利用光学设计软件ZEMAX 对所设计的系统进行光线追迹仿真, 结果表明在CEC 出口处可获得的角度大小为51.6°, 在距离出口后4 mm 处8 mm×8 mm 大小的探测器上可利用的光能达到69%。模拟仿真与理论计算结果基本吻合, 证明了该设计方法的合理性。整个系统尺寸较小, 为实现聚光系统的小型化和简单化提供了一种有效的设计方案。