依据LED点光源模型发光特性, 以特定尺寸圆目标屏获得均匀准直照明为目标, 采用Skew-Ray 追迹法描述光线和设计TIR透镜, 其中将透镜全反射区域进行简化处理, 主要通过折射区域的双自由曲面相互配合控制光线实现照明目标。经过对透镜设计结果与１ｍｍ×１ｍｍ 的LED扩展光源模型的组合进行非序列光线追迹模拟, 模拟结果表明在距离光源2m范围内特定尺寸目标屏所获得光能利用率至少可达到79.6%, 同时目标屏在近场和远场处照明均匀度可分别达到95.9%和83.9%, 若以±1°作为光线准直半角标准, 目标屏准直光线百分比可分别达到88.6%和73.8％。

针对朗伯型发光特性的LED光源, 采用田口方法和传统遗传算法过程相融合的混合田口基因算法(HTGA)对用于光束整形的TIR透镜进行结构优化设计, 以期在特定目标屏上获得均匀照明效果。此算法把透镜结构参数组合作为染色体, 以目标屏上所获得的照明效果为基础构建评价函数, 最终优化获得TIR透镜结构参数。整个过程在Matlab和Tracepro共同搭建的平台上进行。仿真结果表明, HTGA算法充分利用田口方法的参数设计特性, 提高了传统遗传算法优越性, 最终优化所得TIR透镜在实现光能利用率60%的情况下, 使照明均匀度达到88%, 有效改善目标屏上的照明均匀性。

利用时域有限差分(FDTD)程序计算了二维砷化镓石墨点阵柱状光子晶体的能带。结果表明, 这种二维石墨点阵柱状光子晶体在0.53～0.58的归一化频率区间有一个完全光子带隙。基于此, 构造了一种二维砷化镓石墨点阵柱状光子晶体应力传感器的模型, 利用FDTD方法, 计算了传感器共振腔TEy模的共振峰波长沿x轴方向和y轴方向应力变化的情况, 以及共振峰波长随应力环境变化的情况。计算结果表明, 传感器共振峰波长随应力环境变化具有很好的线性特性, 其应力响应灵敏度为0.0111 nm/MPa; 这种石墨点阵柱状光子晶体传感器沿x轴方向和y轴方向的应力响应灵敏度相同。

发光二极管（lighting emitting diode，LED）取代传统光源作为投影仪，特别是微投影显示系统的光源是一种趋势。采用由非球面构成的TIR透镜代替锥形光管和CPC集光器，并通过整个系统最终在目标屏上形成的照明效果为依据，对TIR透镜的内部结构尺寸参数进行优化设计，采用经过优化设计的TIR 透镜作为对LED光源所发光束进行收集整形的光学元件，克服了在传统投影显示系统中经常出现的锥形光管或复合抛物面集光器 (compound parabolic concentrator，CPC) 给整个系统所带来的光学体积大的缺点。以单片式LCOS（liquid crystal on silicon）结构为基础，利用RGB LED时序方式进行混色，设计了一套LED微投影显示系统，并通过光线追迹程序对其光学性能进行模拟评估。结果表明：在考虑时序混色方式影响的情况下，整体系统光能效率为2.38%，系统光学体积仅为125cm3，达到了对系统结构简单紧凑的设计要求。

照明系统作为投影仪的重要组成部分,对于整个系统的亮度和均匀度起着决定性作用.本文提出了一种特殊的复合抛物面聚光器(Compound Parabolic Concentrator,CPC)作为回复反射器微型投影仪照明系统,目的在于利用CPC特殊的几何结构对UHP(Ultra High Performance)光源发出的部分光线进行收集循环利用,以提高整个系统的光能利用率.通过在Tracpro软件中建立整个单片式LCOS微型投影仪照明系统进行光线模拟,结果表明:使用特殊CPC回复反射器以后,投影到屏幕上的能量提高约为单纯利用椭球形反光碗收集光线时的两倍.