为了降低直下式背光的厚度并提升亮度, 设计了一种光学增亮膜。基于Snell定律设计了对单个LED发出光线起均匀照度作用的二维微结构曲线。该微结构曲线是把LED看做理想点光源设计并计算的, 但考虑到实际的LED是一个正方形发光面, 因此对该微结构曲线进行了优化, 提升了它对实际尺寸LED的均匀照度作用。根据LED的排布规律提出了一种正六边形蜂窝拼接排布方案, 并进行了仿真分析。仿真结果表明: 使用光学增亮膜的背光中心亮度提升了172.4%。根据微结构设计结果采用无掩膜直写光刻工艺制作了实际样品并进行了效果测试, 测试结果表明: 中心亮度提升了136.2%, 厚度降低了13 mm。采用本文设计的光学增亮膜可以有效地提高背光亮度同时降低背光厚度, 满足汽车抬头显示器的直下式背光亮度高、体积小的要求。

针对直下式LED背光模组厚度大的缺点,设计了一种带有圆台的超薄直下式LED背光模组。通过调整圆台斜面角度和底面直径,来改变LED灯珠光强极大处的指向和位置,降低混光高度。利用圆台、圆锥、反射隔板构建正六边形照明单元,用TracePro软件模拟不同的排列间距、混光高度、圆锥尺寸对均匀度的影响。结果表明：当排列间距为26 mm,混光高度为16 mm,圆锥高度为10 mm时,均匀度达到了94.27%。该背光模组在确保高均匀度的同时极大地降低了厚度,为直下式背光模组的轻薄化提供了理论依据和研究方向。

针对直下式液晶电视LED背光系统，提出了一种轻薄化的均匀照明设计方案。采用二次曲面光学透镜，可有效避免光学透镜在大角度均匀照明下全反射的发生，且能在目标面达到符合标准的亮度及均匀度。实验结果表明: 采用21颗1 W灯珠，在灯箱高度为25 mm的情况下，背光系统可达到31.5寸液晶电视背光源的亮度和均匀度要求，相对于传统的直下式背光系统，大大减少了器件的使用数量及灯箱厚度，提高了器件的出光效率和系统稳定性。

针对直下式LED背光源的均匀照明系统，采用双自由曲面组合，设计了一种大角度光学透镜结构。通过近光源面的自由曲面将光发散成的c/cos3(θ)型光场分布，再利用远光源面实现目标面的均匀分布。这样可以在短距离条件下实现大面积的均匀照明，相对于传统的单自由曲面设计，有效地避免了全反射的发生，提高了照明区域的面积。采用光线追迹软件对所设计的结构进行仿真，通过对模拟结果的分析，在灯箱厚度为15 mm时，单透镜均匀照明面积可以达到60 mm。采用正三角阵列分布，整个目标面均匀度达到87.5%。相对于传统的大功率器件的直下式光源方式，提高了照明的均匀度，同时大大减少了箱体的厚度。