基于精确的LED光源近场模型, 提出了一种LED光学扩展量测量方法.通过追迹LED近场光源模型中的光线数据, 可获得LED光功率关于光学扩展量的关系曲线, 直观反映出LED光源的光学扩展量特性和光能利用率等信息.以紫外曝光系统中的UV-LED阵列面光源为例, 对三款不同型号的UV-LED进行了实际测量.通过测量得到的光学扩展量和光能利用率曲线, 可以对UV-LED的光束质量作出判断, 并为阵列面光源的优化设计提供帮助.

为了解决环形交叉路口的照明问题，基于非成像光学的光学扩展量守恒理论，提出了一种产生环形光斑透镜的方案。该方案对单个透镜和透镜阵列进行设计，并利用TracePro软件对其进行模拟，结果均能得到环形光斑。对于单个透镜，随着光源尺寸的增大，目标照明面的照度均匀性降低，光能利用率基本保持不变，当发光二极管（LED）光源尺寸为5 mm×5 mm时，目标照明面的照度均匀性为86.5%，光能利用率为90.3%。对于3种透镜阵列，通过设置合适的初始参数，得到目标照明面的照度均匀性在91%以上，光能利用率均在90%以上，符合道路照明设计标准。

为了使发光二极管(LED)光源在近距离内满足特定角度范围内出射的高效照明, 提出了一种基于光学扩展量的复合椭球面聚光器(CEC)的设计方法。首先, 根据LED 光源的发光特性和非成像光学中的光学扩展量守恒理论, 建立了CEC 的母线方程, 进而依据边缘光线理论和几何光学中的光线追迹原理, 设计了CEC 结构的前后表面面型。最后利用光学设计软件ZEMAX 对所设计的系统进行光线追迹仿真, 结果表明在CEC 出口处可获得的角度大小为51.6°, 在距离出口后4 mm 处8 mm×8 mm 大小的探测器上可利用的光能达到69%。模拟仿真与理论计算结果基本吻合, 证明了该设计方法的合理性。整个系统尺寸较小, 为实现聚光系统的小型化和简单化提供了一种有效的设计方案。

激光投影显示技术是显示技术近年来的发展趋势, 本文设计了一种新的针对激光光源的照明系统, 它由激光器阵列作为光源、改进的卡塞格林汇聚系统、光纤导光棒、激光散射器及4f 中继系统组成。改进的卡塞格林汇聚系统收集激光器阵列发出的光能耦合进光纤, 激光在光纤中传输, 使光束混合均匀, 激光散射器对光束匀光及整形, 通过4f 中继系统照射在0.61 英寸(1 英寸=2.54 cm)LCOS 芯片上, 形成高效均匀的照明光束, 光纤可弯曲可合束能实现超高亮度照明。用光学扩展量评价了系统的光能利用率。最后通过软件模拟, 验证了方案的可行性。

基于边缘光线原理和光学扩展量守恒思想, 结合复合抛物面聚光器和轴对称自由曲面透镜, 设计并研制了大功率发光二极管扩展光源的反射/折射准直器.运用Tracepro软件对系统进行光束追迹模拟仿真和实验, 研制出均匀光斑的光辐射模拟器.模拟器输出发散角为±12°光束, 测量距离出射面50 cm处光屏的光斑, 在尺寸为14 cm× 14 cm的光照范围内, 测得光斑水平方向中心线上的光度均匀度优于4.1%, 竖直方向中心线上的光度均匀度优于3.8%.

设计激光投影机光学系统需要从如何减小光学系统的体积和提高激光光源的光效两个方面考虑。研究了激光显示照明系统中的复眼透镜, 并对设计的复眼小透镜矩形单元进行了优化, 发现在复眼透镜整体尺寸和单颗复眼小透镜焦距一定的情况下, 整个复眼透镜上的阵列越多, 即复眼透镜上蜂窝的数量越多, 其匀光效果就越好, 且此时投影机系统的体积也较小。为了提高激光光源的光效, 设计中对复眼透镜在不同数值孔径照明光束下的匀光效果进行了讨论。并对优化设计后的复眼透镜进行40 000条光线追迹, 实验显示其光线透过率可以达到92.5%, 且几乎无杂散光。

在方棒照明系统的基础上，根据激光光源的发光特性和准直性，设计了一款用于激光投影显示的，基于光棒匀光的照明光路系统。此系统具有结构简单、开发周期短、加工成本低的优点。仿真结果表明: 设计的激光投影机光能量利用率达到78%，均匀度达到85%，满足激光投影显示中对集光和照明的设计要求。

激光显示消散斑问题是激光显示的重要研究课题,是阻碍激光显示真正实用化的一个关键难题。综述了国内外已有的消散斑方案的优劣以及可行性,并重点分析了双屏幕振动消散斑方案。在此基础上,提出了新的三种理论消散斑方案:铁电液晶消散斑,波导扰动光纤消散斑和旋转散射片消散斑。

以非成像理论中光学扩展量的传递规律为依据，给出了激光二极管（LD）阵列作为光源的新型激光投影显示系统中方棒照明光路元器件尺寸及入射光束孔径角的确定方法。选用3×8红光LD阵列作为光源，0.45 inch(1 inch=25.4 mm)硅基液晶(LCOS)芯片为空间光调制器（SLM），应用光学设计软件Zemax给出了方棒照明系统的设计实例，包括LD阵列光源光束整形系统、方棒匀光系统、方棒中继系统的设计。结果显示方棒照明系统具有较高的光能利用率及较好的光斑均匀性。由此得出较高光能传递质量的新型激光投影显示系统中方棒照明系统的设计方法。

介绍了激光硅基液晶芯片的显示原理，针对硅基液晶光学引擎的特点，采用光学扩展量表征系统的光能利用率，并分析了光学扩展量的变化与光能利用率的关系。利用光学软件Zemax和Tracepro设计了三片式激光硅基液晶光学引擎。实验结果表明:此光学引擎体积小,光学扩展量小,照度均匀性高达到92%以上,能量利用率达到56%以上,满足设计要求。