论文首先回顾了传统的微型投影光引擎矩形光斑照明系统设计方法,提出了复眼照明系统基于傅里叶光学原理的分析方法,基于此给出了复眼照明系统的均匀性条件。通过回顾传统的自由曲面矩形光斑照明系统设计理论,指出了传统的自由曲面系统设计方法的不足,基于此提出了一套完备的自由曲面矩形光斑照明系统设计方法,首次解决了传统设计方法中存在的曲面法向量偏差,光斑外形畸变等悬而未决的问题。本文提出的主要创新如下：(1)自适应网格控制法,用于减少自由曲面系统设计中人为因素的过多参与,增加系统物理实现的可能性,大大减少了曲面法向量偏差的问题和光斑外形畸变的问题。(2)扩展源自由曲面构建方法。应用这种曲面构建方式构建出的系统将可以直接应用于扩展光源,省去了专门为光源扩展而进行的扩展优化,相对于传统的点光源近似法,很大程度上增加了获得系统最优解的可能。(3)基于光线追迹的多片式系统设计方法,用于设计多片式系统,控制显示芯片的照明光线入射角度,提高系统对比度。(4)光源有效立体角区域的动态微分法,实现任意光源有效立体角边界的微分。应用在更一般的照明系统中,消除对光源能量结构的依赖性。(5)深入分析了自由曲面方向导数连续性和曲率分布,从根本上消除了照明光斑中瑕疵的存在,提高了投影画面的品质。(6)在应用扩展源自由曲面构建法的前提下,提出了系统初始参数优化法,使得系统设计者在优化过程中直接面对少量的系统指标参数,而不用面对诸如面形系数等数量较多,物理意义不直接的参数,同时由于优化系数较少,优化的效率会得到提高。基于以上提出的一整套方法,本文给出了一个CF-LCoS微型投影光引擎的设计方案,并进行了仿真模拟,系统效率达到67.7%,在应用1101m的平板白光LED的情况下,理论光通量高达7.371m, ANSI九点法均匀度高达98.65%,相对传统的CF-LCoS微型投影光引擎系统的性能指标全面实现了质的提升。