提出了一种准直型LED自由曲面二次光学元件的设计方法, 基于光线追迹, 满足光学元件的光学要求和曲面连续性的几何要求, 简化了自由曲面设计过程, 实现程序化设计。自由曲面的应用以能够实现自由曲面的制造为前提, 基于自由曲面的可加工性, 提出设计方法可结合加工需求灵活更改设计参数, 设计自由度高, 实验验证了设计方法的正确性。

传统的自由曲面透镜建模通常需要多个软件共同协作完成，其建模过程繁琐，且由于不同软件之间的不兼容会导致模型在导入光学仿真软件时出现微小形变。提出一种在光学仿真软件中利用Scheme语言直接进行快速建模的LED自由曲面透镜建模方法。根据光源辐射特性和需要实现的照明面上的能量分布，采用划分网格法,利用Snell方程和能量守恒定律, 沿经纬方向分别迭代求解, 在得到自由曲面各节点坐标后，分别采用3D建模软件和Scheme语言编程构建透镜模型。通过光学仿真软件，模拟计算了100万条光线，直径1mm的光源在距离地面10 m、面积为40 m×10 m的照明区域内的照度分布。结果表明：利用Scheme语言在光学仿真软件中直接快速建模避免了模型从3D软件导入光学仿真软件时产生的微小形变从而使光照均匀度由67%提升到93.5%。同时Scheme语言编程建模仅需5 s，建模速度远高于3D建模软件。

聚光光伏模组中，二次光学元件对增加太阳能电池接收到的入射光能量，提高聚焦光斑均匀性和增大菲涅耳透镜接收角具有重要作用。设计了一种用于聚光光伏模组的全反射式二次光学元件，用Solidworks软件建立了三维模型，结合实际工程应用，借助Zemax软件光学模拟仿真手段，对二次光学元件的倾角和高度等重要参数进行了优化。并制作了不同参数的二次光学元件，配合菲涅耳透镜、太阳能电池，搭建了实物聚光发电单元，在太阳模拟器下进行I-V 性能测试，结果表明当二次光学元件高度为6 mm，上圆直径为7 mm时，太阳能电池的输出功率达到最大值720 mW，与不加二次光学元件相比，输出功率提高了16%。说明该二次光学元件对提高聚光模组效率作用显著。

提出一种能实现准直光束照明的自由曲面透镜设计算法, 并基于此算法设计一种以单颗LED为光源的准直透镜。通过建立透镜后表面轮廓曲线上的点所满足的方程, 利用迭代方法并结合Matlab编程求出自由曲面轮廓曲线的离散数据点, 将数据点导入SolidWorks中进行曲线拟合并建模, 进而得到透镜的实体模型。在TracePro中对该透镜进行非序列光线追迹, 模拟结果表明: 该光学系统能够实现均匀照明, 并对最终光线可实现准直出射。

配光是LED路灯应用的主要技术问题之一。道路照明要求LED路灯在路面为均匀性良好的矩形光斑，在道路外无污染，无眩光。采用Snell定律和光源扩展度守恒原理确定自由曲面的解析方程，借助Matlab工具，采用差分法求解建立的偏微分方程，得到自由曲面的数据组，用作图软件Pro/Engineer为自由曲面透镜建模，通过计算机仿真软件TracePro进行光路仿真检验设计结果，并对所得结果进行分析。设计一款内表面为椭球面，外表面为自由曲面的LED路灯透镜，实现了路面光照总均匀度0.75，纵向均匀度0.85的效果。

针对LED照明系统中单颗LED及其透镜组合设计的发光量小, 照射范围有限, 不能满足实际照明需求的问题, 提出了一种阵列式连体透镜的LED二次光学设计。根据阵列式LED的特性建立多颗了LED光学模型, 并运用光学仿真软件TracePro对该二次光学设计进行模拟与仿真。结果表明, 阵列式连体透镜在改善光照均匀性方面具有较好的效果, 可有效地改善照明系统的光效和光照均匀性。

为在平面上实现所需的照明, 满足照明系统的要求, 需要对光学系统进行二次设计。传统的设计方法往往用规则曲面指定透镜的一个表面, 并以此为基础来设计另个一表面, 这样会导致其表面形状复杂, 不方便加工或装配。对此, 提出了一种基于单曲面迭代计算的透镜曲面设计方法, 即适当设计指定光线从透镜的一个表面到另一个表面的光路分布, 再以此分别迭代计算透镜的各个表面。该设计方法采用两个自由曲面配合成曲面透镜, 较以往的设计方法更加灵活、方便, 设计得到的曲面镜头较以往更加简单光滑, 便于加工和装配。结合一陈列灯镜头设计, 给出了基于单曲面迭代计算的曲面透镜设计计算结果。

文章主要介绍了二次光学设计在实际工作中使用的一些基本方法，以及这些方法在使用过程中的比较，并对二次光学设计的发展提出了新颖的观点。

LED 的二次光学元件设计对LED 路灯的配光及光学输出效率至关重要。文章针对大功率LED在路灯上的应用，基于选定的LED进行了一种用于LED路灯的自由曲面二次光学透镜的设计，并采用光学软件进行仿真。结果表明，采用非对称自由曲面二次光学元件可以实现LED路灯的矩形配光，采用这种LED模组组成的路灯便于结构设计、电源安装, 不同功率的LED路灯只需要增加不同数量的LED模组即可。此种设计可以在很大程度上提高LED路灯的效率，提高路面照明的均匀度。