目前的显示产品种类非常的多样化,其中的大部分采用了液晶显示。显示光学系统的一个重要的组成部分就是背光光学系统。LED具有体积小、结构紧凑的特点。LED背光光学系统分为直下式背光光学系统和侧入式背光光学系统。由于侧入式背光光学系统光能利用率较低且不适用于局部动态调光,因此采用直下式背光结构进行局部动态调光的LED背光光学系统的设计。直下式LED背光光学系统中光源发出的光线直接作用在光学膜层,具有结构简单,节约能耗等优点,应用局部动态调光的话,有很多优点,比如说可以减轻过长时间的全显示屏的照明模式给我们眼睛带来的负担,而且,还可以让整个屏幕的重点突出。本文研究了全显示屏照明、中心照明、边缘照明和随机照明这四种不同模式的照明形式。重点研究了传统的直下式LED背光光学系统中的四种不同照明模式下的照度均匀度和整机中心点亮度,采用同步多曲面技术,分析产生方形光斑的自由曲面透镜的最佳优化方法,利用函数关系式迭代解法获得透镜母线并拟合形成自由曲面透镜。改进后的自由曲面透镜具有不同的出光角度和光斑形状,采用九点法分析光斑的照度均匀度,将自由曲面透镜应用于直下式LED背光光学系统。应用不同的布灯方式,对比了传统的LED背光光学系统和改进的LED背光光学系统在布灯方式、光源发光角度、照度均匀度、中心点亮度等方面的性能差异。