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。

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。

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。

为了将LED发出的光均匀投射到3m远直径为1m的圆形区域内,设计了一种LED(发光二极管)射灯。采用菲涅尔透镜对射灯进行二次光学配光设计,并通过调整菲涅尔透镜的各个独立环带的倾角来优化投射光的分布。文中对菲涅尔透镜的投光效果、安全性和加工误差等方面进行了考察,结果表明设计是安全的、可靠的并具有良好的投光效果。

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。