1、隨著全球經(jīng)濟和人類社會的快速發(fā)展，人類在尋找可再生能源技術(shù)的同時也希望儀器設(shè)備朝著小型化、輕量化、微型化以及節(jié)能化發(fā)展。光學(xué)自由曲面靈活的空間布局和極高的設(shè)計自由度，能有效地簡化光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)并提高光學(xué)性能，在照明領(lǐng)域、新能源領(lǐng)域和成像光學(xué)系統(tǒng)中均有良好的應(yīng)用前景。
　　首先，本文在研究自由曲面在照明應(yīng)用的基礎(chǔ)上，根據(jù)幾何體光學(xué)特性，首次提出了采用橢球體構(gòu)建自由曲面的一種算法來實現(xiàn)均勻照明和特定形狀的照明。通過求解幾何體方程得到自由

2、曲面的離散數(shù)據(jù)點，并建立優(yōu)化算法模型，得到目標(biāo)面得到離散點照度分布。為快速獲得連續(xù)的照度分布，提出一種輪廓法的設(shè)計思想，從能量守恒定律和反射定律出發(fā)，通過求解方程組得到橢球面邊緣輪廓，并借助二分法優(yōu)化橢球焦參數(shù)保證了橢球面的曲面連續(xù)性，該方法極大提高了自由曲面反射器的設(shè)計效率。在此基礎(chǔ)上提出了一種基于擴展光源的自由曲面橢球反射器設(shè)計方法，該方法包括兩個優(yōu)化步驟:第一個優(yōu)化步驟用于獲得較均勻的離散點光斑;第二個優(yōu)化步驟用于實現(xiàn)連續(xù)照度分布

3、的照明光斑。
　　其次，為實現(xiàn)太陽能輻射在光伏電池表面上均勻照射，論文根據(jù)幾何光學(xué)原理（邊緣光線原理、光線可逆原理、費馬原理），首次提出一種基于復(fù)眼原理設(shè)計的太陽能聚光器，無需優(yōu)化或者求解偏微分方程，這種結(jié)構(gòu)可有效改善光伏電池均勻性，增加太陽光接收角，提高跟蹤器的容差。同傳統(tǒng)型菲涅爾聚光器相比較具有較好的光學(xué)性能。
　　第三，論文針對傳統(tǒng)菲涅爾聚光器在折射界面上散射損失、吸收損失以及菲涅爾損失等缺點，首次基于棱鏡偏移原理提出

4、了一種無需二次光學(xué)元件的復(fù)合型菲涅爾聚光器系統(tǒng)。這種結(jié)構(gòu)更加緊湊的復(fù)合型菲涅爾聚光器克服了現(xiàn)有菲涅爾聚光器均勻性低等缺點，同時大大提高了太陽能聚光效率，降低了聚光系統(tǒng)的成本。
　　第四，論文突破傳統(tǒng)光學(xué)成像系統(tǒng)設(shè)計理論和方法，將反射式自由曲面引入到光學(xué)成像系統(tǒng)的設(shè)計中。首次根據(jù)出瞳主光線角度與屏幕的映射關(guān)系，利用微分原理得到自由曲面反射器初始結(jié)構(gòu)，并采用奇次多項式擬合自由曲面反射器，最終將自由曲面反射器與折射透鏡相結(jié)合實現(xiàn)軸上和離