针对发光二极管(LED)光源的发光特点, 根据非成像光学的光学扩展量理论建立了获得均匀照明反射器的一般方程, 实现了在特定目标面上的均匀照明, 进而依据该方程设计了用于体视显微镜的LED照明系统。利用TracePro软件对所设计的系统进行光线追迹仿真, 结果表明在Φ90 mm的范围内照度均匀性达到90.6%, 不考虑反射率损失时能量利用率可达到99.6%。该设计方案采用单一反射器实现均匀照明, 为实现照明系统小型化和简单化提供了一种有效的途径。

设计了一块球面-非球面柱透镜, 用于将高斯圆斑整形为平顶线斑。通过编写Zemax编程语言批量添加操作数与设置默认优化函数优化结合的方法完成设计, 并与性能参数相同的非球面透镜-柱透镜组进行比较, 同时分析了球面-非球面柱透镜最后一面到像面距离的不同对线斑长宽比和平顶度的影响。与非球面透镜-柱透镜组相比, 线斑尺寸相同但平顶度一般(边缘处约下降10%), 在一定范围内调整最后一面到像面的距离可使平顶度变好(可达到90%), 但会使长宽比变小(由88.33降至20.38)。所得结果表明, 若要获得能量均匀分布的线斑, 在长宽比可调整的范围内, 球面-非球面柱透镜的设计可以简化光束整形系统结构, 满足轻量化的要求, 是一种可行的方法。

基于非成像光学理论，根据固体照明光源LED特性，开展了车用照明准直光学镜头的优化研究。以非成像光学的理论为基础，从现有准直透镜结构出发，建立了简化的LED准直照明结构模型，并利用光学仿真设计软件Zemax对简化的模型进行了优化设计；利用三维建模软件SolidWorks建立准直结构模型，导入光学仿真软件TracePro中进行仿真分析并进一步优化，优化后的准直透镜光能利用率提高了6%；根据优化结果开模制作准直结构样品；最后，建立测试系统，开展优化前后透镜的光学性能对比测试。研究结果表明，5 m处中心最大光强提高了约128%，在相同照度(50 lx)处照射面积提高了约25%。

通过设计基于LED光源的自由曲面透镜实现均匀圆形光斑的实例，提出一种快速建立光学器件模型的方法。该方法根据几何光学和非成像光学理论建立透镜的数学方程，由Matlab实现透镜面型数据的数值计算，由TracePro编程完成透镜建模，以动态数据交换（DDE）协议为基础建立Matlab与TracePro间的会话，可在TracePro中自动创建透镜实体模型。仿真结果表明，光通量为100 lm，光源尺寸1 mm×1 mm，视角120°的LED朗伯型光源在5 m远处的目标面上形成半径为3 m的圆形光斑，光斑照度均匀性可达0.7，透镜效率为87%。与传统实现透镜实体模型的设计方法对比，本方法可以简化设计过程，节省设计时间，进一步证明其准确性和可靠性。