进入20世纪以来，随着电视广播媒体和计算机媒体的出现和发展，以及网络技术的应用和信息技术的进步，为了在多种场合获得大屏幕、多色彩、高亮度以及高分辨率的现实效果，作为图像信息的主要载体，显示产业发展迅猛，在商务、科研、娱乐及教育领域起着日益重要的作用。在信息领域，显示产业的产值已超过1000亿美元/年。未来几年是显示设备市场结构调整的关键时期，基于微显示芯片的投影显示技术具有无辐射、显示面积大及数字化等优点，在显示领域中占据了越来越重要的地位，代表了未来显示技术的发展方向，即在任何地方，任何平面都可以成为一个屏幕。目前投影显示中使用最广泛的光源是UHP（Ultra HighPerformance）光源，它除了在亮度上满足要求之外，在体积、色域、寿命等方面都存在不足之处。与UHP光源相比，LED光源体积小、寿命长、色域广、造价低、驱动电压低、反应时间短以及环保无污染等优点，目前已被广泛应用于通用照明、特殊照明及LCD背光源等领域并被越来越多的厂商接受用来替代UHP光源。但与UHP光源相比，LED光源仍然亮度较低，这是LED光源现在仍然无法取代UHP光源在投影显示中的地位的一个重要原因。另外，UHP光源是点光源，其光学整形方案成熟，而LED光源是朗珀辐射的面光源，不利于光能的收集和利用。对于投影显示，在LED光源本身亮度就不如UHP光源的前提下，如果LED光源的光能利用率又不高，那么之前所述的LED光源的诸多优势都将付之东流。本论文正是基于这两个问题开展的研究。本论文在充分调研了LED的芯片结构以及封装结构的基础上，根据投影显示照明系统的要求，设计了多芯片LED阵列光源的封装结构，有效解决了散热问题，克服了单芯片LED光源亮度不足的问题。制备了RGB多芯片LED阵列光源，并对其性能进行了测试和表征。测试结果表明，RGB LED光源分别可达到400lm、1020lm和176lm的光通量。本论文根据多芯片LED阵列光源的结构以及辐射模型，利用非成像光学原理，分别设计并优化了圆形compound parabolic concentrator(CPC)、自由曲面光收集系统以及矩形CPC。通过光学设计软件模拟、优化并比较三种光收集系统的优劣之后，选择并制备了实心矩形CPC作为LED投影显示照明系统的光收集器件。该收集器件不仅体积小、光收集效率高，而且有效压缩了光束发散角，实现了与LED芯片和投影显示芯片的有效匹配。将制备的实心矩形CPC与多芯片LED阵列光源集成在一起，制备了投影显示用RGB LED模块，并对RGB LED模块性能进行了测试与表征。测试结果表明，RGB LED模块分别可以达到480lm、1165lm和181lm的光通量。测得出射光束的发散角为±16o，与模拟结果吻合。由于上述制备的矩形CPC为实心光学元件，因此在出射端会存在折射使光束发散角增大，影响投影显示系统光能利用率。为了克服这一缺点，对实心矩形CPC进行了改进，设计、优化并制备了空心矩形CPC以及基于空心CPC的LED模块，对模块的性能进行了测试与表征。测试结果表明，空心矩形CPC的收集效率为85%，出射光束发散角为±12o，与模拟结果相吻合，可有效提高LED光源在投影显示系统中的光能利用率。本论文基于空心矩形CPC，提出了LED投影显示照明系统解决方案，并对该方案中光能利用率与投影显示芯片的尺寸关系进行了分析。该分析对于投影显示照明系统设计及光学元件的选择和制备都有指导意义。