液晶显示技术作为主流的平板显示技术之一,在平视显示器中成为了最常用的数字像源。随着液晶像源产品的应用环境越来越复杂,对其亮度、体积、重量都提出了越来越高的要求。作为液晶像源的关键组成部分,背光源对其显示质量和整机重量都有着关键性的影响。因此,对液晶像源的背光模组进行高亮薄型化研究具有重要意义。本文首先对LED背光进行了二次光学设计,基于斯内尔定律以及能量守恒定律建立方程组得到双自由曲面透镜,并根据边缘光线理论对其做了基于扩展光源的优化设计,经过仿真得到均匀的圆形光斑。然后基于自由曲面各点的入射光线的矢量信息设计了相应的扁平化算法,将初始透镜的前后曲面分别进行了扁平化,得到双层高亮光学薄膜,且在3×3薄型化结构阵列的仿真中验证了增亮均光的效果。但是考虑到双层膜存在位置对准的问题,又设计了单自由曲面透镜,同样对其做了扁平化设计,得到单层高亮光学薄膜。根据设计结果,利用无掩模光刻直写设备对设计好的两款高亮光学薄膜进行了制备。针对制备过程出现的问题,进行了光刻工艺的优化,并最终得到了两款符合要求的高亮光学薄膜。将其置于LED背光中进行实际测试。为了保证一定的视角宽度和较好的视觉效果,在背光中放置了两层扩散膜。测试结果表明:与传统LED背光相比,加入双层高亮光学薄膜后背光的平均亮度提升了21.13%,非均匀性降低至13.35%;加入单层高亮光学薄膜后背光的平均亮度提升了17.53%,非均匀性降低至16.08%。前者亮度和均匀性相对更好,后者由于没有膜之间的对准问题,使用的稳定性更高。因此证明了本文的两种设计都有效地实现了LED背光高亮薄型化的目的。