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LED背光已经成为液晶电视的主流，目前大尺寸LED液晶背光采用的侧入式系统相对于直下式背光系统来说存在着整体亮度低、均匀性不高、对比度低。大尺寸直下式LED背光技术尚未十分成熟，如何解决直下式LED背光系统的超薄化设计问题就十分关键，因此进行相关方法的研究具有重要意义，本文主要研究了两种不同的直下式LED背光系统设计方法。针对直下式背光系统中两种不同设计方法提出了差异性设计方案：对于小功率白光LED直下式背光系统，分析并计算出LED在近场照明面上的照度分布理论模型，提出了采用交错非均匀排列的结构，通过理论计算得出了非均匀排列中的LED横向间距、纵向间距、背光模组混光高度三者之间的关系表达式，并且计算出满足背光系统的均匀性的最大平坦条件，实现了小功率LED直下式背光系统中的快速有效设计。对于大功率白光LED直下式背光系统，提出了采取LED与光学发散透镜相组合的结构方式，基于非成像光学理论，设计了在超短空间距离上的均匀方斑透镜，将需要实现的目标照明面划分为均匀的矩形网格，然后再将LED光源的角度进行等比例划分，并且使得目标照明面上的矩形网格与LED光源角度进行一一对应，得到相对应的能量关系式，通过Snell定律的矢量表达式计算得到自由曲面透镜的曲线坐标值，最后通过曲线插值拟合得到透镜模型。为了进行论文中设计方法实用性的验证，制作并测试46英寸小功率LED直下式背光以及55英寸大功率LED直下式背光样品，测试结果表明，文中的设计方法具有一定的实用价值。