液晶显示作为主流的平板显示技术,在各个显示领域都有着广泛的运用。背光模组作为液晶显示器的重要组成部分,其提供的光线的亮度、色度、均匀性、视角及背光模组的厚度等都对显示器的最终性能有很大的影响。直下式背光模组具有较高的光效,但同时面临着厚度过大、大间距稀疏透镜阵列下背光均匀度不高。因此通过二次光学透镜降低模组厚度,提高超薄LED背光均匀性成为了液晶显示领域的重点。论文基于非成像光学理论,通过两种结构的自由曲面透镜来实现直下式背光照明。针对非旋转对称结构的透镜,由于其可形成矩形光斑,在直下式背光中更易形成均匀背光,这里本文对比采用了传统的基于辐射型网格均匀采样算法和更为先进的基于双极坐标系的非均匀采样算法分别进行了设计,第一种传统算法下透镜由于偏差的存在曲面非连续,不利于加工且光斑劣化严重;第二种算法在传统算法的基础上进行了很大改进,设计出来的透镜曲面连续,且矩形光斑照度均匀,在超薄背光方案中表现良好,充分验证了该透镜在直下式背光中应用的可行性。针对旋转对称结构的透镜,本文主要研究了在折射式透镜下扩展光源造成的光斑劣化问题以及利用反射式透镜实现大间距稀疏阵列设计问题。对于扩展光源问题,本文提出了一种新的基于曲面能量映射的反馈优化算法,无需借助光学仿真软件的数据交互和反馈,只需要通过计算软件多次迭代优化面型后,即可取得不错的效果。对于LED大间距稀疏阵列下背光不均问题,提出反射式透镜的设计方法,并基于Solid Works系列零件设计表对反射式透镜做进一步优化,成功实现了小OD下较大的DHR,使得最终的反射式透镜满足设计要求。根据论文提出的旋转对称结构透镜相关算法和优化方法,设计并实际加工了OD10mm,pitch60mm反射式透镜,实现了超薄化背光。