投影显示技术是实现大屏幕显示的有效方式。科技发展突飞猛进,人们对投影显示产品的,要求日益增高,而投影显示也逐步向高分辨率、高亮度、大屏幕、微型化等方向发展。微型投影技术是一种新型的现代投影显示技术,它以其小型化的优点,携带方便,逐渐应用到人们的日常生活中,特别在商务办公,教学,家庭影院等方面优势凸显,成为投影显示的发展趋势。数字光处理(Digital Light Processing,DLP)投影显示器具有高分辨率、高亮度、高对比度,结合发光二极管(lighting emitting diode,LED)光源优势,并加以自由曲面全内反射(Total Internal Reflection,TIR)透镜二次配光设计,实现投影机的小型化,满足人们对微投影仪的简单和便携的要求。首先,设计出一套非对称三镜组大孔径变焦镜头,实现优质成像和光束约束:小光圈F#1.2(<1.4),物方孔径和焦距28mm和33mm,中镜组实现3倍光学平滑变焦,系统长300mm;出光束3°~30°间宽幅调节,总分辨率MTF值均大于限值(0.4)。光效利用率>40%;常规材质,球面配光,构建近标准化光学模组。其次,分析了DLP微投影显示光学系统,对投影机的成像镜头和照明分别进行设计。在成像镜头中添加非球面结构设计提高成像质量。在照明部分设计中,用单个自由曲面TIR透镜代替多片透镜元件进行准直设计。缩小系统体积结构且提高了光能利用效率。最后,介绍了自由曲面光学组件的特征、数学表达式及其设计思路。详细分析自由曲面头盔显示器系统的光学设计过程,并设计出了FFS棱镜结构头盔显示器。通过对FFS棱镜和传统旋转对称结构的比较分析,揭示了自由曲面在光学设计中的重要作用。