为了获得高均匀性、对称性及一些特殊形状强度分布的白光发光二极管(LED)光束以满足某些特定的需求, 基于白光LED光源为朗伯光源的特性, 运用自由曲面透镜的方法对LED光束进行了光束整形, 分别采用单一自由曲面透镜以及全内反射(TIR)透镜与微透镜阵列组合两种不同的整形结构, 进行了加工工艺和原理理论分析, 并通过了实验验证。结果表明, 实验得到的圆形均匀光斑, 其总光线利用率高达96%, 有效面积光线利用率为88.4%; 得到的矩形均匀光斑, 总光线利用率为91%, 有效面积光线利用率为78.7%, 光束均匀度均在60%以上;通过自由曲面透镜方法进行白光LED光束整形效果极佳。该整形方法为白光LED光源的进一步广泛应用提供了重要的指导。

提出了充分利用灯具空间, 具有单体双向多功能的光学设计新理念。结合LED与CPC, 根据光学扩展量守恒, 借助光路可逆原理与边缘光线原理, 构造矩形复合抛物面。根据我国最新的《读写作业台灯性能要求》GB/T 9473-2017, 以出光口半宽、台灯辐照高度、截短后杯体长度比为3个因素, 设计正交实验, 确定台灯矩形复合抛物面最适合参数为: 出光口半宽50 mm、最大进光半角47.73°、截取杯体长度36 mm。在照明方面, 该矩形复合抛物面能够满足关于A、AA级的照度和照度均匀度要求; 在弱光聚集方面, 其太阳能芯片位置的照度是不经聚光情况的1.25倍; 在聚光模式下, 太阳能芯片的光伏转化效率是非聚光模式下的1.66倍。这是对当前市面上非聚光模式收集太阳能方式的补充。

为进一步利用太阳能, 提出了“双向”利用光线的LED车灯设计新理念。运用光路可逆原理与边缘光线原理, 构造矩形复合抛物面, 对LED车灯进行“双向”二次配光设计。计算了远光灯矩形复合抛物面反光杯所需的最大出光半角、理论长度, 借助tracepro软件, 模拟研究了该矩形复合抛物面结构的最高光通量、平均光通量、光通量利用率随长度的变化关系, 进一步截取较理论长度综合光学性能更好的反光器应用长度L=130 mm, 并在此长度下, 模拟了该LED远光灯照度分布情况与弱光收集情况。该类型车灯的LED照明与弱光收集互为补充, 双向提高了LED车灯空间重复利用率。在照明方面, 该灯能够满足现行标准GB25991-2010的要求, 相同照度下, 照明范围更大; 相同照明范围内, 照度更高; 在弱光收集方面, 是对当前太阳能汽车非聚光模式收集太阳能的补充。

分析了LED光源应用于舰载搜索灯的巨大优势,对其中的关键技术进行了研究,分别利用CPC和TIR聚光原理对封装后的LED光源进行了二次配光设计,并建立了相应的光学模型,通过对比前后的仿真结果分析了两者的优缺点,为舰载LED搜索灯的应用研究提供了有益的借鉴。

为满足目标面上均匀照明的需求, 设计了一款自由曲面透镜。根据LED光源的发光特点, 结合光学成像的特性, 非成像光学原理和能量守恒定理, 推导出实现光能量在目标面上均匀分布的自由曲面面形的微分方程, 采用matlab的ode算法求出面形上的离散坐标点, 对离散坐标点拟合后得到透镜模型, 通过光学模拟仿真软件对透镜模型进行光线追迹。结果表明, 配光角度为80°的透镜, 透镜的口径与光源发光面宽度之比大于等于9时, 目标面上的照度均匀性大于0.9, 光能利用率约为85%。该设计方法可以快速精确地设计出所需的透镜, 而且透镜结构紧凑, 单颗就能实现均匀照明, 有利于LED光源照明系统的小型化。

随着半导体照明技术的发展,LED路灯应用日益广泛。其二次配光设计对LED路灯照明具有重要的作用。LED路灯应用中,为了使其照度和照度均匀度满足一定的要求,设计采用了自由曲面透镜的二次配光。根据折射定律、目标照明面光分布和照度均匀建立自由曲面的方程,数值法求得面型数据并导入建模软件拟合成透镜实体,对利用自由曲面透镜配光的LED及LED路灯进行了光线追迹仿真及分析。结果表明基于自由曲面透镜的LED路灯具有较好的照度、亮度和均匀度。

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。

将光纤照明技术运用到矿灯领域中, 需要根据光纤照明的特点设计相应的二次配光系统, 以满足实际配光的需求。利用光学仿真软件TracePro开展了对新型光纤LED矿灯系统的二次配光问题的仿真研究。配光器件主要采用单个反光腔、透镜及其组合。从反光腔形状、深度和口径、透镜类型和尺寸等方面入手, 探讨了各个因素对配光效率、光斑大小、光照均匀度的影响。通过对仿真结果的比较和分析发现, 反光腔主要影响配光效率, 而透镜主要影响光照均匀度和光斑大小。得到了合适的新型光纤-矿灯的二次配光系统, 即锥形腔配合菲涅尔透镜。结果表明, 该组合具有配光效率高、光照度均匀、光斑大小适中、实际尺寸小、方便井下作业等优点。