针对传统LED显示屏光能利用率和图像画面填充比低的缺点，基于非成像光学理论，提出了一种提高光能利用率和画面填充比的全彩LED显示模块结构系统和设计方法。利用复合抛物面集光器CPC对LED管芯发出光线的发散角进行变换压缩，从而避免了外表面全反射损耗，大幅度提高了系统的光能利用率。利用积分方腔匀光原理和散射元件对光能的二次分配，提高了显示屏的画面填充比、单位像素均匀度及基色复用面积。作为实例，根据上述方法设计了一个P10 mm全彩LED显示模块，利用光学设计软件LIGHTTOOLS对该显示模块系统进行了仿真建模和光线追迹，并对设计结果进行了分析。结果表明，系统光能利用率大于70%，画面填充比接近100%，单位像素区域内均匀度好于85%。显示模块具有能量利用率高、高画面填充比、显示效果均匀柔和、易于生产和装调的优点。