尽可能地增大出射光强，提高光通量利用率，是准直照明系统二次光学设计的研究目标。分别针对纯折射型和全内反射型的准直照明系统，研究了光源参数对其照明性能的影响，从理论上推导了系统出射光强、光通量利用率与光源出射度和配光曲线指数之间关系的表达式，并进行了实验验证。研究结果表明，系统出射光强与光源出射度成正比。光源配光曲线指数较小时，相比纯折射型准直照明系统，全内反射型准直照明系统的光通量利用率更高、出射光强更大、照明范围更广；但当光源配光曲线指数较大时，纯折射型准直照明系统具有更大的出射光强和更优的光斑陡边性。该结论可为准直照明系统二次光学设计中光源参数与配光元件结构的匹配优化提供理论依据。

在理论上，全内反射透镜可对所有光线进行收集，因而是远距离准直照明系统二次光学设计的首选结构。利用光学软件进行仿真和实验测试，分析了基于该类型配光元件的扩展光源准直照明系统的照明特性，包括光强分布特性、光斑照度均匀性和光通量利用率，并揭示了出射光束发散特性的决定机制。研究发现：与同口径平凸准直透镜的配光效果相比，全内反射透镜的光通量利用率提升显著，但出射光束发散角也明显增大，使得二者出射光束光强无明显差别；且由于中心折射部分和边缘全反射部分的出射光束发散角不同，故全内反射透镜的照明光斑照度均匀性明显变差。

研究一种可以在高横纵比的线形区域形成特定照度分布的LED透镜设计方法, 即分部设计法。全反射部分根据边缘射线原理和斯涅耳定律设计, 采用数值积分迭代法计算, Matlab编程得到全反射部分的轮廓线; 透射部分用试错法设计, 用SolidWorks将全反射部分和透射部分整合出了一款新的拱形透镜。设计的透镜尺寸为25 mm×18 mm×10 mm。模拟与实践结果表明: 透镜匹配扩展光源后, 光学效率高于85%, 半光强角可达9°×135°, 可以在横纵比大于15的线形区域实现均匀照明。

随着大功率LED光源性能的不断提高, 大功率LED路灯已经得到了广泛的应用。针对大功率LED路灯设计, 提出适用于多芯片的新型二次光学系统, 实现光学透镜模组化设计。利用微槽群阵列技术进行模组散热器设计, 提高LED路灯的散热效率。通过测试配光曲线和温度等参数, 分析LED路灯的性能。

提出了一种新的、利于实施计算的实现大范围均匀照明的LED灯具透镜设计方法。基于能量守恒定理和光线折射Snell定理，通过Matlab编程计算出自由曲面透镜坐标点。借助CAD软件和光学模拟软件Tracepro，模拟了自由曲面透镜的具体应用，在光源高为3m，接收面直径为10m的圆形照明区域，得到了均匀度达80%以上的照度分布，该设计可以应用在商场、工厂等室内照明灯具上。

将光纤照明技术运用到矿灯领域中, 需要根据光纤照明的特点设计相应的二次配光系统, 以满足实际配光的需求。利用光学仿真软件TracePro开展了对新型光纤LED矿灯系统的二次配光问题的仿真研究。配光器件主要采用单个反光腔、透镜及其组合。从反光腔形状、深度和口径、透镜类型和尺寸等方面入手, 探讨了各个因素对配光效率、光斑大小、光照均匀度的影响。通过对仿真结果的比较和分析发现, 反光腔主要影响配光效率, 而透镜主要影响光照均匀度和光斑大小。得到了合适的新型光纤-矿灯的二次配光系统, 即锥形腔配合菲涅尔透镜。结果表明, 该组合具有配光效率高、光照度均匀、光斑大小适中、实际尺寸小、方便井下作业等优点。