随着科技的飞速发展和整个社会生活品质的提高,人们在追求大屏幕高清投影显示的同时也希望投影系统能够占据更小的空间,因此投影系统逐渐朝着大屏幕、超短焦距、低投射比、大视场角、高分辨率、高清晰度的方向发展。传统的投影显示系统逐渐无法满足这些严苛的要求。超短焦投影系统能够在超短的投影距离处实现超大屏幕的投影,可以突破空间环境的限制,而且能够实现优异的成像质量,因而逐渐引起了人们的兴趣,成为投影显示领域的主流发展方向和国内外研究的热点。超短焦投影物镜作为超短焦投影系统中的关键组成部分,能够决定系统的投射比、投影画面的成像质量以及系统的体积等关键性能,因而非常有必要对新型的超短焦投影物镜进行研究。随着投射比的降低和视场角的增大,投影系统的光路结构变得越来越复杂,像差也越来越难以校正,而自由曲面具有很高的设计自由度,因此逐渐被引入到超短焦投影物镜的光学系统设计中。超短焦投影物镜系统需要解决的技术难点主要包括:第一,采用何种有效方法优化出超短焦投影系统中的自由曲面初始面形的问题;第二,如何降低超短焦投影物镜的投射比,并设计出可工程化应用的超短焦投影物镜的问题;第三,如何采用合理的方案研制出超短焦投影系统原理样机的问题。基于上述研究背景及技术难题,本文重点研究了自由曲面的光学设计方法以便于设计超短焦投影系统中的自由曲面;同时结合所提出的自由曲面设计方法,对具有低投射比的超短焦投影物镜的光学系统设计进行了研究;最后基于所设计的超短焦投影物镜光学系统,对原理样机的研制问题进行了研究。本文主要的研究内容包括:1、自由曲面光学设计方法的研究。结合成像系统中自由曲面的应用需求,在构建-迭代方法的基础上进行改进,提出了直接迭代优化的设计方法,并分别设计了自由曲面反射镜和包含自由曲面的折射透镜对该方法进行了验证。设计结果显示RMS光斑可快速收敛到衍射极限。为了进一步研究适用于超短焦投影物镜系统中的自由曲面设计方法,又在此基础上进行改进,提出了多视场加权优化迭代的设计方法,并设计了一种超短焦投影物镜系统。仿真结果表明,采用提出的方法能够得到可用于优化的自由曲面初始面,能够对系统畸变进行有效校正。2、基于自由曲面的超短焦投影物镜光学设计研究。结合自由曲面光学设计方法,分析了超短焦投影物镜光学设计的理论基础,对比了超短焦投影物镜的各种光路结构及其优缺点。在此基础上,首先设计了一种采用高阶非球面具有低投射比的超短焦投影物镜,其投射比达到了0.18,并对系统的成像质量进行了分析。为了进一步降低超短焦投影物镜的投射比,在超短焦投影物镜光学系统中引入自由曲面进行设计,并设计出了一种投射比为0.11的超短焦投影物镜。最后将其与传统的折射型投影物镜的设计结果进行了分析比较,证明了本文中所设计的超短焦投影物镜性能的优越性。3、超短焦投影系统验证。为了验证本文中所设计的超短焦投影物镜光学系统具有工程应用的价值,研制了超短焦投影系统的原理样机。研制过程包括机械调整结构的设计、光学元件的加工和检测、超短焦投影系统的精密装调等。最后对原理样机的实际性能进行了测试与分析,实验结果表明本文中所研制的超短焦投影系统性能良好,满足设计要求。