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。

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。

针对开放光路TDLAS(可调谐半导体激光吸收光谱技术)气体检测系统中, 由于角反射器在生产及使用过程中表面光洁度下降及大气传输扰动造成回波信号入射方向与接收透镜光轴非严格平行, 从而导致系统探测灵敏度下降的问题, 分析回波信号与菲涅尔透镜光轴夹角不同时的汇聚点偏移量, 设计了由圆锥体反射器和抛物面反射器组成的二次光学元件, 并运用TracePro光学软件对其参数进行优化。在回波光线-6°~6°入射角偏差范围条件下对优化设计的光学接收组件进行聚光特性模拟。模拟结果表明: 优化设计的光学接收组件接收角为4.9°, 光学效率为78.24%, 与单独菲涅尔透镜及菲涅尔透镜-复合抛物面聚光器(CPC)光学接收组件相比聚光性能明显提高, 适用于实际检测过程。

液晶显示领域不断提出缩减成本方案，对于液晶电视LED背光系统，提出了一种大角度背光透镜设计方案，即在目标接收屏面具有较大照度辐射角度的背光透镜设计。采用特定的双自由曲面设计，入光孔设置为类椭圆型结构面将光源出射的光通量进行等角度划分，根据接收屏面的理想照度分布与入光孔每一角度出射光通量对应关系计算出出光面自由曲线。借助底部微结构处理，再根据模具及产品成型要求补全外观结构，得到符合设计指标的方案，有效地解决了因增大角度引起的黄斑问题，并达到目标接受面均匀度的要求。针对32英寸(81 cm)的液晶电视背光模组，采用12颗最大正向电流为350 mA的LED灯珠，在模组高度为30 mm的系统中，设计的背光透镜模组达到了要求的亮度及均匀度。

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。

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。

针对直下式液晶电视LED背光系统，提出了一种轻薄化的均匀照明设计方案。采用二次曲面光学透镜，可有效避免光学透镜在大角度均匀照明下全反射的发生，且能在目标面达到符合标准的亮度及均匀度。实验结果表明: 采用21颗1 W灯珠，在灯箱高度为25 mm的情况下，背光系统可达到31.5寸液晶电视背光源的亮度和均匀度要求，相对于传统的直下式背光系统，大大减少了器件的使用数量及灯箱厚度，提高了器件的出光效率和系统稳定性。

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。