作为目前信息显示技术领域的热点,HMD-AR(Head Mounted Display-Augmented Reality,头戴式增强现实)设备的发展承载着人们对未来信息交互方式的美好愿景。光波导作为一种被广泛认可的HMD-AR技术方案,在体积重量、出瞳大小、对外环境可视性方面具有显著优势。波导耦合技术作为关键技术,直接决定了光波导显示系统的光学效率、出瞳大小、色彩表现、清晰度和画面质量。在当前主要的波导耦合技术中VHG(Volume Holographic Grating,体全息光栅)因其工艺难度低、光学耦合效率高受到广泛关注。但是,目前VHG波导显示技术还存在着视场范围(Field of View,FOV)偏小、色彩表现不够丰富等缺点。另一方面,由于同时涉及复杂的物理与几何光学原理,目前对于VHG波导系统也缺乏有效的光学设计方法以及相应的仿真软件。为了解决这些问题,本论文着眼于VHG波导成像应用,建立了VHG耦合光栅的数理仿真模型,研究分析了VHG的衍射特性,揭示了VHG衍射特性与波导显示系统成像参数之间的相关性,提取了影响FOV与色彩表现的关键光栅参数。并提出了一种双层光栅波导结构,结合VHG衍射特性,利用波导结构光学设计有效提升了VHG波导显示系统的FOV与色彩表现能力。本论文首次将体光栅布拉格衍射与Pancharatnam-Berry(PB)相位调控机制相结合,利用偏振光取向技术与液晶自组装特性,研发了一种新型偏振体全息光栅(Polarization Volum Grating,PVG)。性能上,PVG在保留VHG高效的大角度单级衍射特性的同时,角度的响应带宽较传统光致聚合物VHG提高近2.5倍,波长响应带宽提升4倍。解决了长期以来VHG响应带宽过窄导致的波导成像系统FOV与色彩表现较差的问题。同时,PVG独特的PB偏振特性不但保证了AR波导系统对外环境的较高的可视性,同时也为波导系统提供了新的设计与优化维度。本文建立了严格的PVG数理仿真模型,详细研究了其衍射特性与参数特征;同时研究了PVG具体的制备方法与流程;提出并制备了一种双层PVG彩色波导结构,所制备的PVG光栅在红色、绿色、蓝色波段皆具有超过80%峰值效率,较好的满足了波导耦合工作的需求。本文还搭建了PVG彩色全息波导系统实验样机,成像结果显示该波导系统可实现对角FOV约为35°的全彩图像的清晰显示。测得该波导系统总光学效率高达118.3 nit/lm,对环境光的透过率高达72%,实现了较大FOV下的光波导彩色成像应用,进一步验证了PVG在波导耦合应用中的实用性与优势。本论文工作针对体全息光波导成像技术建立了严格的数理模型与设计方法。针对目前存在的问题,提出了一系列优化设计与方法。特别是PVG的首次提出,为光波导耦合技术提供了新的候选者,有力推动了未来高质量AR波导显示应用的实现。