LED已经成为头盔液晶显示的主流背光光源，为了提升LED主视角亮度，减小背光模块的体积，对双自由曲面透镜进行了扁平化设计，形成透镜薄膜，仿真结果表明光线透过透镜薄膜后，存在中心亮度升高、光斑缩小的问题。采用反馈优化方法修改了双自由曲面透镜设计时的能量分布，并重新设计了透镜薄膜，仿真结果表明优化后的光斑尺寸从2.3 mm增加到7.1 mm。采用无掩模直写光刻技术制备了两层透镜薄膜，分别包含一个扁平化后的自由曲面。对包含和不包含透镜薄膜的背光模块进行了测试，测试结果表明：包含透镜薄膜的背光模块平均亮度比不包含的提升了18.1%，设计的透镜薄膜可有效提升LED背光亮度，减小背光模块体积。