提出了一种基于曲面能量映射的反馈优化设计方法,通过预先计算目标面能量分布趋势重新分配目标面网格单元,构建新的自由曲面透镜面型。采用该方法设计并分析比较了一系列透镜,仿真发现:当目标面半径与目标面高的比值(DHR)为2、透镜高和LED宽度的比值从1∶1变化到1.5∶1时,照度非均匀性下降了8.97%~11.95%;当透镜高和LED宽度的比值为1.5∶1、DHR从1.8变化到2.2时,照度非均匀性下降了7.60%~16.49%。所提方法能有效改善扩展光源下目标面的照度均匀性,设计过程不依赖于仿真软件,迭代次数少,简便易行。

基于能量守恒定律和网格划分法，设计了一款用于超薄直下式发光二极管（LED）平板灯的大角度透镜。以朗伯型发光LED在高度为96 mm下的目标面照度分布作为期望照度分布，对大角度LED透镜进行反馈优化，使其在高度为25 mm的目标面上就形成具有期望照度分布的光场。为探究优化后的大角度LED透镜对直下式LED平板灯的厚度减薄程度，将目标面高度分别设为20，25，30 mm，方形LED阵列的间距分别设为96，82，75 mm，利用LightTools软件模拟分析了直下式LED平板灯的目标面照度均匀度。研究结果表明，当目标面高度为25 mm、方形LED阵列的间距为82 mm时，目标面上的照度均匀度最好，其值(照度最小值除以照度最大值)达至0.8756，符合国家LED室内照明应用技术要求。

提出了基于能量映射关系和易加工性约束的照度偏离量累加反馈优化算法, 并设计了一款可实现照度均匀分布的基于板上芯片(COB)型发光二极管(LED)光源的自由曲面透镜。本算法将每次迭代反馈优化后的仿真光分布与目标光分布的照度偏离量, 累加到预设目标光分布进行修正, 并利用修正后的目标光分布结合能量映射关系重构自由曲面透镜模型; 同时, 从易加工性的角度提出在反馈优化过程中将透镜外曲面下半部分约束为竖直面。以Cree CXA1816 COB LED为光源设计了相应的自由曲面透镜, 结果表明, 经过3次反馈优化后即可在距离光源1000 mm、半径为1480 mm的圆形区域实现均匀照度分布。根据设计结果加工了相应的透镜并进行照明效果的测试, 实测的照度分布与仿真结果比较吻合。

提出了一种激光光束整形自由曲面透镜的设计方法，这种方法可以对有一定发散角的激光光束进行整形。设计分为两个过程：1）设计初始结构，以准直激光光束作为输入光束，采用能量网格划分法，设计自由曲面整形透镜，将设计好的透镜作为下一步设计的初始结构；2）逆向反馈优化法，以带有一定发散角的光束作为输入光束，用上一步获得的透镜作为初始结构，采用逆向反馈优化的方法作进一步优化设计。应用这种方法，以束腰为10 mm，发散半角为2.5°的发散激光光束为例，将其整形为40 mm×40 mm的方形光束，辐射照度均匀度达到了90.4%。最后，对设计的透镜进行了加工误差分析和安装误差分析。分析结果表明：透镜表面面形误差在±5 μm范围内对目标平面辐射照度的均匀度几乎没有影响；透镜安装时，纵向位移误差dz对目标平面辐射照度的均匀度影响较小，横向误差dx、倾斜角误差dφ对辐射照度均匀度影响较大。

由于多重散射的影响，当激光光束经过散射介质(例如牛奶、生物组织等)之后将形成散斑。如何调制激光光束，使其经过散射介质之后能实现有效地聚焦是一项具有重要意义的研究工作。研究了利用空间光调制器和连续顺序反馈优化算法对入射光波前进行相位调制，从而实现了激光光束经过散射介质的有效聚焦，得到的最大光强增长因子为50.6139。还研究了空间光调制器上的总调制单元个数、每个调制单元的相位精度对光强增长因子的影响。实验研究结果表明，目标位置处的光强随着总调制单元数的增加而增加，并且随着调制单元的相位精度的增加而增强。