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投影显示系统主要由照明系统和投影成像系统两部分组成，其中照明系统作为投影显示系统的重要组成部分对于投影图像亮度和均匀性起到了决定性作用。本文以基于LCOS微显示芯片的微投影显示照明系统为重点，对照明系统的设计理念和模型的光学追迹结果进行了研究和分析。主要研究工作体现在：1)在总结目前三种采用不同微显示芯片的主流投影显示技术的光学结构和原理，以及其它几种投影显示技术的基础上，将非成像光学中的光学扩展量概念应用到投影显示照明系统设计中去，并对几种在投影显示照明系统设计中经常采用的光学元件的工作原理进行了模拟分析。2)首次设计出用于对UHP光源发出的光束进行收集、循环利用的特殊抛物面回复反射器SPR(Special Parabolic Retro-reflector)。与具有相同功能的球形回复反射器SR(Spherical Retro-refleetor)相比，SPR可以使系统收集光能效率提高6％，有利于进一步提高UHP光源微投影显示系统的光能利用率。3)首次提出以系统光能利用率和照明均匀性构建评价函数，采用光线追迹和结构优化相结合的方法，将TIR透镜放入投影显示照明系统进行优化设计，以完成对LED光源所发出的大角度光线进行收集和整形的目的。模拟结果表明，优化后的TIR透镜可实现将LED大角度扩展光束中67％的光能压缩到15°范围以内，并使目标屏的照明均匀性得到一定的改善，这为LED光源微投影显示系统设计提供了新的发展空间。4)在以上理论研究和模拟分析的基础上，将优化和改造得到的照明光学元件应用到微投影显示的照明系统设计中，分别采用UHP和LED光源，设计了四套单片式LCOS微投影显示系统模型，通过光线追迹模拟结果，对系统性能进行了评价分析和对比。在本文的最后，对所做的工作进行总结，并指出下一步工作研究方向。