针对头盔显示器(HMD)液晶像源的特殊要求, 选择了一款小尺寸、高光效的发光二极管(LED)作为背光光源。基于此LED的光强分布曲线, 利用非成像光学理论设计了双自由曲面透镜阵列, 以期进一步提高背光光效。首先对单个LED设计了3款不同半径的双自由曲面透镜, 形成了亮度均匀的圆形光斑。然后对单个透镜进行切割, 形成矩形光斑, 并用4个矩形透镜拼接成透镜阵列。选择了效果最优的透镜进行了加工和测试。结果表明: 与传统的采用两层扩散膜的背光结构相比, 采用透镜阵列和两层扩散膜后的背光的光能利用率提高了13.94%, 背光亮度提高了96.4%, 非均匀性由23.8%略提高到23.1%, 半亮度视角由37°降低到19°。用设计的透镜及其阵列对LED光源发出的光线进行准直, 易形成高亮度的均匀矩形光斑, 满足头盔显示器液晶像源背光的要求。

发光二极管(LED)已经成为头盔显示器液晶像源主流背光源。LED 发散角较大，大量的光线无法得到有效利用而造成能量的浪费，故需要对LED 进行二次光学设计以有效提高光效。背光包括由若干个LED 组成的阵列。对单个LED 设计了双曲面透镜，形成了8 mm 直径的均匀圆形光斑。对单个透镜进行切割，以形成矩形光斑。但由于切割面的全反射，矩形面积内存在亮斑。对透镜进行了优化设计，获得了亮度均匀的矩形光斑。4个矩形透镜拼接成透镜阵列。为消除杂散光斑，对透镜再次进行了优化设计。根据设计结果加工了透镜阵列并对背光进行了实际测试。测试结果表明：和传统背光结构相比，采用两层扩散膜和透镜阵列后，背光亮度提高了96.4%，非均匀性由23.8%略提高到23.1%，半亮度视角由39°降低到23°。满足头盔显示器液晶像源背光的要求。