针对水下无线光通信系统对准困难以及光斑均匀性较差的问题，基于自由曲面设计理论设计了一种能产生矩形光斑的光学天线。仿真结果表明，当透镜与目标面的距离为10 m时，该自由曲面透镜能产生均匀度达到87.3%的矩形光斑，光能利用率为93.4%。将该自由曲面透镜应用于水下发射天线，当接收机灵敏度为-30 dBm、接收孔径为50 mm时，浑浊海水的最大通信距离为2.3 m，纯水、清澈海水的最大通信距离大于10 m。用三组自由曲面透镜组成的360°全覆盖全向光学发射天线产生的光斑边缘均匀度相比单一发射天线由17.4%提高到35.2%，提高了水下光通信链路的稳定性，为解决水下无线光通信中的对准问题提供了新思路。

提出了一种基于曲面能量映射的反馈优化设计方法,通过预先计算目标面能量分布趋势重新分配目标面网格单元,构建新的自由曲面透镜面型。采用该方法设计并分析比较了一系列透镜,仿真发现:当目标面半径与目标面高的比值(DHR)为2、透镜高和LED宽度的比值从1∶1变化到1.5∶1时,照度非均匀性下降了8.97%~11.95%;当透镜高和LED宽度的比值为1.5∶1、DHR从1.8变化到2.2时,照度非均匀性下降了7.60%~16.49%。所提方法能有效改善扩展光源下目标面的照度均匀性,设计过程不依赖于仿真软件,迭代次数少,简便易行。

为解决波前传感器检测自由曲面镜片时测量口径不匹配, 在拼接检测方法中测量过程及数据处理较为繁琐等问题, 提出了一种测量自由曲面镜片的方法.该方法在扩大单次测量光束直径后对自由曲面镜片波前像差进行检测, 再由波前传感器接收缩小后的带有扩束测量区域波前信息的光束.设计光路测量得到4个直径扩大10倍后的子孔径波前像差, 完成扩束子孔径的波前重构及拼接.为验证实验的可靠性, 对测得的扩束子孔径进行波前重构后与哈特曼传感器生成的子孔径像差峰谷值进行比较, 并观察扩束子孔径拼接波面的平整性.实验结果表明: 该方法能有效增大小口径波前传感器的测量范围, 提高检测效率, 可以用于大口径镜片的波前像差检测上.

为了实现道路照明所要求的矩形光斑分布, 以满足LED路灯照明系统的要求, 依据光源特性和路面的光斑分布, 通过折射定律建立透镜母线的斜率方程, 根据该方程设计了用于矩形光斑分布的LED路灯透镜, 采用正交优化方法, 利用Light Tools软件对所设计的透镜光学系统进行仿真比较研究, 得到了一个矩形光斑分布的光学透镜。仿真结果表明, 该透镜光学系统在高度为10m的照射条件下, 照射面积为40m×10m的矩形光斑, 均匀度为0.31。对有光斑尺寸要求的LED路灯透镜来说,该方法提供了一种简单有效的设计途径。