随着科技的不断发展，各种高附加值产品的光学组件，已经转向具有微结构特点的、非回转对称的复杂自由曲面光学元件。自由曲面光学元件的面形不同于传统的球面透镜、棱镜及反射镜等光学元件的面形。它是一种复杂的、不规则的、非球面的、甚至是非回转对称的各种变形透镜、棱镜及反射镜，随意组合的自由曲面面形。用它构成的光学元件，可满足各种不同光电资讯系统资讯发送、接收、转换传递与存储的特殊需要。由于大多数自由曲面的面形构造复杂，不可能用传统的少量的参数给出准确的定义，通常是采用一系列离散型值点来表示其面形。自由曲面光学元件已被用于各种高精度的成像系统随着LED的急速发展，自由曲面光学元件亦被广泛应用于LED照明产品上。
一）LED的应用
LED 光源在照明领域的应用，是半导体发光材料技术高速发展及“绿色照明”概念逐步深入人心的必然产物。 “绿色照明”理念是国外照明领域在上世纪80 年代末期提出的，实现该计画之重要步骤就是要发展和推广高效、节能的照明器具，节约照明用电，减少环境及光污染，建立一个优质高效、经济舒适、安全可靠、有益环境的照明系统。被称为第四代光源的半导体照明（LED）晶片，理论寿命可达10万小时，相似照度下的能耗仅为白炽灯的十分之一，是最具发展潜力的高技术领域之一。
LED 以其固有的优越性正吸引着世界的目光。根据市场上的研究及调查报告，美国、日本等国家和台湾地区对LED 照明效益进行了预测，美国55% 白炽灯及55% 的日光灯被LED 取代，每年节省350 亿美元电费，每年减少7.55 亿吨二氧化碳排放量。日本100% 白炽灯换成LED ，可减少1 – 2 座核电厂发电量，每年节省10 亿公升以上的原油消耗。台湾地区25% 白炽灯及100% 的日光灯被白光LED 取代，每年节省110亿度电。日本早在1998 年就编制〝21 世纪计画〞，针对新世纪照明用LED 光源进行实用性研究。近年来，日本日亚化工、丰田合成、 SONY 、住友电工等都已有LED 照明产品面世。世界著名的照明公司如飞利浦、欧司朗、 GE 等也投入大量的人力物力进行LED 照明产品的研究开发和生产。美国GE 公司和EMCORE 公司合作成立新公司，专门开发白光LED ，以取代白炽灯、紧凑型萤光灯、钨灯和汽车灯。德国欧司朗公司与西门子公司合作开发LED 照明系统。台湾目前的LED 产量仅次于日本列在美国之前，从1998 年开始投入6 亿台币进行相关开发工作。
随着大功率LED在灯光装饰和照明中的普遍使用，大功率LED作为道路照明的灯源已经成为很多城市道路照明的选择。道路照明灯是使用时间最长而且耗电最大的灯，路灯采用LED作为灯源可以大大减轻城市的电力能源紧缺，节约国家能源。由于路灯都是横插式的，使用LED制造路灯只能制成单面发光，只需在安灯泡时调正位置，就可以达到与传统照明同样的光照效果。一个完善的道路照明系统一般是由灯源，电缆线，以及供电系统来组成，由于LED耗电省、电压低、电流小，安装电缆的截面相应减小，节约了安装成本。
二 ）一般LED 光源的限制
大部分LED光源的辐射角分布为110度至120度的郎伯分布（Lambertian distribution），照在地面上的光型将会为面积较大的圆型的光斑，约50%的光散落到马路之外而损耗掉，而且会对远处的车辆或行人产生眩光，与路面照明的要求不符（见图一左边所示）。
三 ）LED路灯
本实验室研发了自由曲面的光学设计技术，可以对LED光源进行非常有效的二次光学配光（见图一右边所示），关于LED路灯的配光设计有很多种，最常见的两种是：
第一种是弧形排列的LED路灯。单个LED模组采用轴对称的全反射透镜（见图二）或反光杯进行配光，透镜配光的辐射角宽度足以覆盖道路的宽度；再将LED模组排列在一个弧面上，在道路方向产生一个长方形的光型分布。图三为弧形排列的一个LED路灯的设计，路灯采用了72颗高功率LED，单颗LED的输出光通量为60流明。透镜设计采用轴对称的全反射—折射结构，先将郎伯分布LED光源的光准直，然后再通过透镜上表面的凹形非球面扩散，形成±27.5°的光度分布（在10米高处覆盖约2.5个车道的宽度）。 LED透镜模组再排列在一个弧面上，弧面方向形成±60°左右的配光，于是在10米的高度产生约长度约35米，覆盖2.5个车道宽度约为8米的方形的光型。
这种LED路灯的二次光学元件（透镜或反光杯）的设计和加工较为简单，引入全反射透镜可以最大可能地提高光的利用效率，透镜需要产生一定的角度分布足以在要求的高度位置覆盖住所需的道路宽度，而道路方向的配光则通过LED排列的弧面来调整。采用弧形的排列使高功率LED的散热板设计和灯头的结构设计较为复杂。
第二种是平面排列的LED路灯（见图五）。 LED路灯的设计采用了XY方向非对称长方形配光的自由曲面光学元件（见图四），长方形的配光直接在单个LED光学元件上完成，整体路灯只需将具有长方形配光的LED模组简单的排列在一个平板上即可，这种LED路灯在机械结构、散热、及电源控制方面比较简单，不同等级公路和不同灯杆高度的道路照明只需要增加不同数量的LED模组即可。由于配光为长方形非对称的分布，较为简单的轴对称的全反射透镜无法实现，需要采用非对称自由曲面的透镜，透镜的设计和加工工艺比较复杂。
由于一般的光学软体（如Zemax, CodeV等）针对自由曲面的优化设计方法不够成熟，设计一个非对称的自由曲面需要花很多的时间用手工不断反复的调整和设置操作参数，一个比较复杂的自由曲面往往需要多达一个月甚至几个月的时间，有时所设计曲面，其光学效率还不理想。这里采用了边缘光线扩展度（Etendue）守恒的原理创建了一套自由曲面控制网格的节点向量的精确计算方法，可以在较短时间内（一般为几个小时甚至更短）优化出具有最优效率及精确配光的自由曲面光学元件。
二次光学配光的好处
- 符合国家《城市道路照明设计标准》所要求的长方形的光斑
- 提高光学效率
- 避免产生眩光
- 将配光所产生的光学损耗降至最小
- 光学效率达到80%以上
- 大大提高路面照度分布的均匀性，均匀度可达70%~80%
四）LED 汽车照明系统
LED车头灯的许多优势为汽车照明带来了革命性的发展，包括提高安全标准（反应时间短），设计具有灵活性，改善包装、减少能源损耗及增长产品的可用寿命。 LED 前照灯的灵活设计更能使厂商在保有前方照明和转弯侧面照明的功能下突出自己独有的全新设计。除此之外，一些LED前照灯的款式是不能配合现时的车头灯技术，例如：卤素灯（Halogen）及高强度气体放电灯（HID）。 LED 前照灯比非LED前照灯的厚度薄百分之五十五以上，所以留下的空间可以给引擎室或在散热格栅上加上装饰花纹。
设计原理见图七，朗伯型LED向上布置，把一个自由曲面复合椭球面反光杯放在LED的上面，从而将光集中到反光杯的出口边缘。同时，反光杯内的聚焦点正好是LED放置的位置。而反光杯外的聚焦点会随着光线的不同出射角而改变聚焦点。
由垂直至横向方向的光线，聚焦点由FV¢转到FH¢。比较短的FV¢集中在反光杯的边缘，这是由垂直方向形成的光线所组成，而横向方向的光线就聚焦在离较短的FV¢2mm逺的较长的FH¢ 上。由于反光杯是一个渐变聚焦的系统，光线由LED发出，再在反光杯聚焦，形成极狭长的椭圆形光斑于反光杯的边缘上，在右下方放一个15度斜角的挡板来整形光斑。
图八显出LED车头灯低光束的光线追踪。如用光学设计软件LightTools可追踪约五百万条光线，其车头灯模拟结果可参考图九。于25米的距离远的接收屏幕上，最大的光照度可达到140 勒克斯（lux）。光强较强的热点接近原点，这是横向H’-H’线的及垂直的V’-V’ 线的交叉点，而这个热点可提高道路方向上较远的光照。
于左边横向方向上的切割线可令对面行车线司机不受到刺眼的强光影响。此外，当位于光斑左边的15度切割线促成右边行人道上的照亮度，但幷不会使道路上的行人目眩，而光斑也绝对符合欧洲机动车法规（ECE standard）。
五）超精密加工技术国家重点实验室（暨先进光学制造中心）
超精密加工技术国家重点实验室设立于香港理工大学（见图十）。项目组在自由曲面光学设计，加工及测量上做了大量的研究工作，率先提出了：《开拓用于光电技术及通讯产品的自由曲面光学组件之设计及制造能力》的研究课题，建立了自由曲面光学设计, 加工, 测量一体化的集成平台，大大缩短了产品研发的周期，提高产品的加工精度及质量, 有助解决国际上对复杂自由曲面光学元件在设计、超精密加工及测量技术的核心技术难点及瓶颈，幷拥有自主的知识产权，减少依赖国外的技术, 缩短了我国在自由曲面光学制造技术上与国外的差距,使我国的自由曲面光学在光电产品, 光通讯产品及航天中的应用可达世界先进水平。其成果获得国家教育部技术进步奖二等奖。
项目组将其研发成果及技术转移及应用到不同的LED照明产品上，如LED路灯, 背光照明及室内照明等。实验室中心拥有先进的超精密加工设备及测量设备，并为工业界提供一站式的服务，包括：自由曲面及非球面光学产品的设计、光学塑胶产品的原型制造、超精密加工光学模芯、精密模具的设计及制造、超精密表面测量、精密光学塑胶产品的注塑成形及大量生产。此外，中心也致力于技术推广，与工业界合作研究开发新产品，以应对不同市场的需求。