随着人们对视觉信息需求的不断增大,光栅波导头戴显示系统(grating waveguide head-mounted display)具备的高性能显示效果和广泛的应用范围,使其具有极高的研究价值。然而,现有系统存在视场角小,衍射效率不高,均匀性差等问题;一般的优化方法难以获得光栅耦合器最优解;难以加工亚波长光栅。为了解决上述问题,本文提出一种基于差分进化算法的光栅耦合器优化方法,设计出了一种高性能的光栅波导头戴显示系统,论文的主要研究成果及创新点如下:1、提出了基于差分进化算法的用于波导显示系统的光栅耦合器优化方法,提高设计过程的合理性和设计结果的可靠性。2、基于差分进化算法设计了一种具有自然渐晕补偿效果的高角度均匀性输入光栅耦合器,在45°水平视场角范围内TE偏振平均衍射效率89.13%,衍射效率分布随视场角增加而增大,角度均匀性高达0.8885;优化了2400L/mm输入与输出光栅耦合器,有效提高衍射效率并改善效率分布均匀性,输入光栅耦合器TE偏振平均衍射效率从6.45%提高至37.21%,效率分布均匀性从0.3358提高至0.8062,TM偏振平均衍射效率从1.60%提高至36.82%。输出光栅耦合器TE偏振平均衍射效率从1.59%提高至8.82%,效率分布均匀性从0.0949提高至0.5902。3、提出了光栅耦合器的加工工艺路线,制备加工出了输入与输出光栅耦合器样品,电子显微镜下测试样品的形貌,光路实验测试了光栅周期,利用椭偏仪和台阶仪分别测量了样品的折射率与薄膜厚度。搭建效率测量系统测量光栅耦合器样品效率,结合仿真结果与实验测量结果,结果表明,制备出的输入与输出光栅耦合器均满足波导显示系统性能要求。4、设计优化了目镜系统。仿真分析与实验验证了光栅波导显示系统出瞳扩展现象和出瞳均匀性优化。仿真所得出瞳均匀性从0.7896优化至0.8945,实验所得出瞳均匀性从0.8185优化至0.9060。结果表明,实验数据与仿真结果十分接近,出瞳均匀性得以改善。完成了光栅波导显示系统的显示成像实验,加工出三套基于不同图像源的原型机,实现对角线28°的视场,20mm的扩展出瞳直径。实测室内外不同外界光照条件下光栅波导显示系统的显示效果,结果表明系统具有清晰、明亮且均匀性良好的显示效果。