随着信息时代的来临,让信息随着移动设备实现随身、随时、随地分享已经成为关键而有意义的课题。如今,嵌入式微型投影光引擎的诞生使得高效率信息传递与分享成为可能。未来微型投影市场必然取决于效果与成本的共同权衡,无疑CF-LCoS(Color Filter-Liquid Crystal on Silicon)是最具有市场前景的微投影显示技术。CF-LCoS微型投影光引擎具有无可比拟的高速响应、低功耗、低成本的优势,独特的色彩再现方式仅需要采用单颗白光LED(Light Emitting Diode)作为光源,免去了繁杂的分色和合色系统,不仅大幅度简化了系统结构,更降低了系统成本。因此,在基于LED光源照明的CF-LCoS微型投影光引擎系统设计中提出一套系统化的设计理论,并能够付诸于加工制造,推动微型投影光引擎的产业化,是具有迫切的实际意义的。LED光源的普及颠覆了传统光源的照明设计方法,本课题着重进行基于LED光源照明的CF-LCoS微型投影光引擎的设计理论及应用工作的基础性研究,以曲面斜率角控制法为基本方法贯穿整个课题研究,首次提出了从单自由曲面到多自由曲面、从旋转对称系统到非旋转对称系统的独立而完整的设计理论体系,实现了CF-LCoS微型投影光引擎照明系统有效、高效的设计,与此同时,这套设计方法在其他LED照明应用中具有普适性的研究意义。本课题的主要研究内容包括以下四个部分：第一,基于单曲面斜率角控制法的基本理论,提出了自由曲面的偏微分方程初始化构建与曲面斜率角控制优化相结合的设计方法,该方法实现了用于CF-LCoS微型投影照明系统的单片平凸自由曲面透镜的有效而高效的设计,藉此建立本论文研究的基本理论体系,为后续研究奠定了理论基础。第二,首次提出基于预定曲面偏向角计算的基本理论,以此建立多曲面斜率角控制法,实现了CF-LCoS微型投影中多片式照明系统的同步优化设计,同时,这也意味着该方法在旋转对称结构的照明系统中具有普适性的研究意义。第三,将曲面斜率角控制理论应用于非旋转对称结构的照明系统中,深入研究了椭圆形光斑和矩形光斑照明的CF-LCoS多片式照明系统的实现。基于光学扩展量的计算和边缘光线原理的推导,首次提出了一种椭圆形照明的CF-LCoS微型投影光引擎系统的设计理论；结合三维空间自由曲面的设计方法,进一步提出了基于矩形光斑整形的高效率CF-LCoS照明系统设计方法。第四,运用前文提出的设计理论设计并试制了嵌入式CF-LCoS微型投影光引擎样机,并完成了样机的测性能试和分析,证明了本文提出的设计理论的有效性和实用性。