投影显示技术在人类生活和工作中发挥着重要的作用，然而，传统的投影机一般以公斤计重，较大的体积也在一定程度上制约了其大众接受度。如果能将庞大的投影机便携化、微小化，则投影技术将进一步满足人们的使用要求。微型投影仪是应运而生的一项新兴技术，其重量和体积范围必须满足便于随身携带的要求。光学引擎作为投影仪最核心的部件，能否将其做小是投影仪微型化的关键。光学引擎中最关键的组成部分又包括：光源与图像显示芯片、照明系统、投影系统。目前，微型投影仪的应用产品分为独立式和内置式。对于便携产品来说，尤其是作为内嵌于其他电子产品中的配件，必须具备小尺寸、能耗低的特点。显然，传统的投影仪光源都无法适用于微型投影仪，而大功率LED光源则以其体积小、安全低电压、寿命长、电光转换效率高、响应速度快、节能、环保等优良特性成为微型投影仪的最佳光源。然而，由于投影仪光学引擎的光学元件较多，能量损耗较大，大部分微型投影仪产品的亮度输出很低。提高LED流明效率是改善这一现状的关键。本文从LED的发光机制和光能损耗机制出发，综合论述了通过改善能带结构、芯片结构、封装结构来提高LED流明效率的研究。参考了水平电极芯片、垂直电极芯片和倒装芯片的精确膜层结构，通过建模仿真的方式，对比了三类不同芯片结构的出光效率。针对目前主流的平板形封装，提出了在硅胶表面制作阵列微结构改善出光效率的方法。针对LED微型投影仪，本文提出了一套全新的基于自由曲面透镜方案的照明系统设计方案。该设计方案克服了自由曲面折射面对于小出光角度配光设计存在的缺陷，可以最大限度地收集光能量。对于实际应用中的扩展光源问题，我们在初始结构设计基础上进行优化。模拟结果显示在光源尺寸为1.6×1mm2，显示芯片尺寸为0.45英寸时，优化设计方法可以使得照明系统效率和目标平面照度均匀度分别达到57%、92%。而实验结果也显示，自由曲面透镜照明模块替代一款商用微型投影仪照明模块时，光能利用率提高了23%。对比传统的投影仪照明系统设计，该套全新的自由曲面透镜方案不仅可以获得良好的光学性能，对于微型投影仪来说，它更具有尺寸和重量上的巨大优势。采用传统的成像设计方法设计了一款适用于微型投影仪的定焦投影物镜。通过分析光学引擎内部的实际构成，提出了采用反远距结构以获得长的后工作距离，采用像方远心光路以提高主光线的能量利用率的投影物镜设计方案。给出了投影物镜技术参数的确定方法，包括系统焦距、最大视场、分辨率的具体计算方法。根据实际的要求确定了技术参数后，通过专利查找法找到了一个比较接近的投影物镜专利。用zemax软件辅助设计，将其焦距缩减到所需的值，并对该专利结构进行优化，像差曲线结果显示：全视场在32lp/mm处的MTF值达到90%，0视场和0.707视场在32lp/mm处MTF值大于80%。畸变在0~0.707视场范围内校正得很好，全视场的相对畸变值也小于1%，满足技术指标的要求。