随着近几年投影显示技术的飞速发展，显示技术的市场需求促使投影显示向高亮度、高清晰度、超薄化、大屏幕化等方向发展。而成像系统是投影显示系统的重要组成部分，并且直接影响到系统的结构和最终成像性能，因此成像系统的设计是整个投影显示系统中的关键。　　本文首先对目前的投影显示技术进行了分类，对占据投影显示市场主导地位的几种技术：CRT投影、LCD投影、DLP投影和LCOS投影显示系统的结构和性能进行了比较，并对目前投影显示技术的发展现状作了阐述。通过透射投影镜头和离轴反射成像物镜的对比分析，提出离轴反射成像物镜设计方法可以有效地简化成像系统结构，避免透射产生的色差影响，能够实现更好的成像质量。　　第二章分析了非球面离轴成像系统和折反结合式离轴成像系统两种设计方案，在四片非球面组成的离轴式反射成像系统中，仅采用非球面设计系统结构不够精简，性能也有待进一步提高，且非球面面形较大时加工和检测都存在一定的困难；在折反结合式离轴成像系统中，该方法因兼具折射和反射的优点，在投显示系统的设计中广为应用，缺点是会产生难以校正的色差，且结构复杂。通过分析得出两种设计方法各有自己的优缺点，而且在成像系统结构和性能方面都有进一步提高的可能。随着近几年加工与检测技术的飞速发展，自由曲面在光学中的应用逐渐受到研究者重视，自由曲面较传统的非球面在设计上有更多的自由度，因而在很多领域有着广泛的应用前景，从而本文提出应用自由曲面设计离轴反射成像系统。　　第三章对利用Zernike多项式拟合自由曲面及校正系统像差的方案进行了具体的理论分析。首先介绍了光学自由曲面的背景，以及在光学系统中的应用，引出Zernike多项式的特性：具有良好的数学性能，在单位圆上正交；及 Zernike多项式与光学系统的初级像差有着一定的对应关系，并且很容易与Seidel像差函数建立联系。应用Zernike多项式表征自由曲面，来设计离轴成像系统中的反射面，该设计方法更有利于校正成像系统的像差，提高系统的成像质量，并对该离轴反射系统的像差做了理论推导。　　第四章研究了应用Zernike多项式自由曲面设计投影成像系统，采用三种设计方法：一片Zernike自由曲面和两片非球面设计投影成像系统；两片Zernike自由曲面和一片非球面设计投影成像系统；三片Zernike自由曲面设计投影成像系统。三种设计方法均应用 Zernike多项式拟合自由曲面的初始结构面形；然后利用ZEMAX软件模拟和优化成像系统，优化后通过比较三种设计方法的性能曲线可知，应用三片Zernike自由曲面设计投影成像系统的MTF和畸变性能曲线都优于前两种方法。然后和文中前两章提到的透射投影镜头、非球面反射成像系统及折反结合式成像系统分别比较可知，采用Zernike自由曲面具有更灵活的设计自由度校正系统像差，来提高系统的光学性能，简化系统结构。