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大屏幕显示是显示技术发展中的一个重要领域，投影显示技术以其优异的性能和出色的性价比成为大屏幕及超大屏幕显示的主流技术之一。尽管该技术及相关产品发展迅速，显示图像质量得到很大提高，但是与CRT电视相比，目前投影光源普遍存在的寿命短、功耗大、成本高、更换困难，以及随之带来的显示色度问题，成为投影显示进一步发展的瓶颈。本文以单片式DLP投影显示技术为研究对象，研究了DLP光学引擎中照明系统、分色合色系统以及投影物镜的相关光学理论，并主要针对投影显示系统新型投影光源的使用和相应光学系统的设计，以及分色合色系统的色度学原理和设计方法进行了研究和讨论。同时，作为设计实例，设计了微型LED投影光学引擎，以满足超便携投影显示的使用要求。
分析了传统单片式DLP光学引擎照明系统中超高压水银灯的工作原理及其优缺点，研究了积分方棒的光学展开理论。阐述了传统单片式DLP光学引擎中色轮系统的彩色显示和色温调节原理，结合色度学基本理论提出了适合于单片式DLP光学引擎的色度学特性计算公式。利用该公式计算分析了夏新DL52HWT背投电视的色度学特性，计算结果表明该系统显示的白场最高色温为12201K，与12000K 的实际指标基本符合，验证了所提出公式的正确性。同时还基于该理论对色轮滤色片进行了优化设计，分析结果表明设计结果较原有色轮滤色片在光谱能量利用率方面有所提高，其色度学特性也能满足显示需要。
提出使用大功率高亮度单色LED光源代替传统的超高压水银弧光灯作为投影光源的设计方案，并结合超便携投影显示的应用需求提出了微型LED投影光学引擎的设计指标。设计了包含LED光源和准直器、会聚系统、积分方棒和中继系统在内的照明系统。光学系统设计的结果以及非成像光学和几何光学理论的相关分析计算表明，照明系统的光能输出和照度均匀性均达到了设计指标。
针对微型LED投影光学引擎照明系统的设计结果以及LED光源的相对光谱功率分布，提出了采用X棱镜作为合色元件的分色合色系统设计，实现了结构紧凑且高可靠性的系统设计，突破了传统单片式DLP光学引擎的固有结构。经过对X棱镜中薄膜光谱反射率曲线的设计和分析，使得微型LED投影光学引擎的色度学特性符合数字投影机广泛使用的sRGB颜色规范。根据光学引擎的整体指标提出投影物镜的具体设计要求，完成了微型LED投影光学引擎反远距投影物镜的光学系统设计和工程化，最终完成了投影物镜的光学系统及光学零件制图。
利用LightTools光学仿真软件对包括照明系统、分色合色系统和投影物镜在内的微型LED投影光学引擎的设计结果进行整体建模仿真，光线追迹的结果显示屏幕上最终的光通量为22.8流明，ANSI十三点照度均匀性为+91.6％，一91.2％，满足屏幕光通量大于21.89流明以及照度均匀性大于90％的设计指标。同时利用光线追迹结果分析了光学引擎中各主要部分的光能利用率，通过与非成像光学理论的分析结果比较可知，仿真追迹结果与理论分析结果基本符合，验证了光学引擎的设计结果。