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针对直下式LED背光源的均匀照明系统，设计了一种边发射型二次光学透镜结构。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。这样有效地避免了大角度均匀照明下全反射的发生。采用正三角阵列LED布局方式，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15mm时，就能将LED所发出的光发散，达到87.5％均匀度。该结构透镜结合大功率LED器件应用于背光系统，相比传统的大功率器件的直下式光源方式，大大减少了箱体的厚度；而相对于小功率器件的直下式背光系统，大大减小了使用器件的数量，提高了系统的可靠性。