本文主要研究了应用LED光源的小型DLP投影显示系统。投影显示系统的小型化、长寿命是投影技术的发展方向，随着LED技术的发展和成熟，为投影显示系统的小型化和长寿命提供了新的可能。LED光源相比于传统的UHP光源，具有无红外辐射、器件小、功耗低、寿命长等优点，但同时由于LED的外形和发光特性等和现有的投影灯源不同，使得现有的照明系统无法应用于LED，且无法满足投影小型化的要求，目前LED光源的光通量输入相比于传统的UHP光源还是远远不足，那么如何有效地传输光能，也成为一个需要解决的问题。本文对DLP投影显示光学系统设计理论、分析方法和系统实现进行了系统的研究，并用LED代替传统的UHP光源作为投影显示系统的光源，结合LED的特性和DLP投影显示系统的参数，利用非成像光学分析方法，设计适用于DLP投影显示系统的LED照明系统，并且深入分析了DLP投影显示系统中的许多光学器件的初始结构和设计方法。使用光学仿真软件LightTools对系统进行模拟，对系统的进行整体性能综合评价对系统设计和特点进行了深入的研究与分析。第一章简要介绍了投影显示技术，分析比较了三种主要的投影显示技术，分别为CRT投影显示技术，LCD投影显示技术，DLP投影显示技术，介绍了投影机的性能指标，详细介绍了两种传统光源的照明系统：方棒系统和透射行复眼系统，比较了传统的UHP光源和LED光源，介绍了两种光源的优缺点，并分析了LED投影显示的发展现状。第二章主要对非成像光学系统进行研究，简要介绍了非成像光学系统历史以及同成像光学系统的区别。详细介绍了理论最大集光比和光学扩展量。第三章主要介绍了设计中所使用LED的特性，包括光学特性和电学特性，简要介绍色轮在投影机中的作用，并且结合这些特性设计了LED驱动。第四章提出了LED照明系统中的方棒照明系统设计和锥度光棒照明系统设计，使用光学仿真软件LightTools对系统进行模拟，主要研究了方棒长度和均匀性的关系以及锥形方棒锥度，长度的设计对最后出射光束角度和均匀性的影响，并给出设计结果。第五章引入CPC的概念，介绍了边缘光学理论并且结合本文中具体使用到的LED光源特性对CPC进行优化，通过模拟计算，分析出射光束角度、均匀性和光能利用率。第六章着重分析了DLP投影显示系统的结构和原理，简要介绍DMD器件的原理，讨论DLP投影显示系统中的主要两种结构：远心光路系统和非远心光路系统。设计TIR棱镜结构，照明透镜组，投影物镜，搭建一个完整的以LED作为光源的DLP投影系统。第七章对全文进行总结，对文中提出的设计进行比较，并总结工作，展望新的工作方向。