投影系统自问世以来一直就被认为是实现大屏幕显示的最佳方案，LED光源的应用使得投影系统小型化成为可能，但传统的照明系统并不适用于LED光源，因此设计出简洁高效的LED照明系统是研究微型投影系统中不可缺少的一环。本文对基于LED光源的复眼照明系统、锥棒照明系统以及自由曲面照明系统进行了设计和模拟仿真。通过运用非成像理论对复眼和锥棒系统展开设计和改进，提出了整体复眼结构和阵列锥棒结构，并获得了较好的设计仿真结果。对于自由曲面照明器件，我们是采用直接法进行设计，通过斯涅耳定理以及能量拓扑关系列出微分或偏微分方程，再利用数值计算编程求解自由曲面上的离散点坐标，代入Pro/E等建模软件生成自由曲面。为了降低工艺难度和制造成本，本文将非连续自由曲面拟合成连续自由曲面，并对其进行仿真分析。通过模拟仿真结果发现，整体复眼照明系统的光能利用率达到了89.2%，目标面上的照度均匀度达到92.1%，并且相比于传统双排式复眼制造成本更低，装配更简单。锥棒阵列器件在结构长度和光效上更有优势，但在照度均匀度上不如单锥棒器件，仅为77.5%。旋转对称连续自由曲面器件在显示芯片上的光能效率达到了62.2%，照度均匀度也高达94.7%，其曲面连续化后的性能也能够满足要求。非旋转对称的连续自由曲面器件在目标照明面上的光效率为71.7%，照度均匀度为72.1%。