近年来,为了满足人们对显示内容更高的需求,如三维显示、更大的色域、能叠加在真实场景上等,包括激光投影显示技术、光场显示技术、光学穿透式头戴显示技术等在内的多种新型显示技术蓬勃发展起来。然而,这些新型显示技术的发展却受限于其中一些关键器件的性能,因此,对这些关键器件的研究具有重要的意义。衍射器件以其特有的光学特性、大设计自由度、高光能利用效率、体积小、重量轻等优势,受到了世界范围内光学工作者的喜爱,并在多个领域得到了应用。在显示领域,已经有很多研究者进行了利用衍射器件设计关键器件的研究。然而,现有的成果还不能完全满足显示系统对其性能的要求,因此我们在前人的基础上,进一步地对应用在新型显示技术中的衍射器件展开了研究,对象包括三种,即激光投影显示中的光束整形器,光场显示中的定向散射屏以及光学穿透式头戴显示中的耦合器件。首先,进行了激光投影显示中光束整形器的研究。根据标量衍射理论,搭建了衍射器件的光学特性仿真平台,在此基础上,利用了几何变换法和迭代傅里叶变换算法这两种单波长DOE算法针对激光投影显示中的光束整形器进行了设计,获得的光斑的平均均方根误差(Root Mean Square Error,RMSE)分别为23.97%和26.15%,这样的结果并不能让人满意。为了获得更高的亮度均匀度,提出了一种结合几何变换法、迭代傅里叶变换算法以及PSO算法的混合算法,获得了 11.42%的RMSE,较大地提升了光斑的均匀度。其次,进行了光场显示中定向散射屏的研究。在前文的基础上,提出了利用DOE设计定向散射屏的思路。为了满足定向散射屏的功能需求,即精确扩大多色光的发散角,以及使多色光散射光能量按角度分布均匀且一致,提出了一种基于PSO的改进算法。此算法应用了预优化的初始结构,可以获得更快的收敛速度以及更好的结果。同时还应用了动态权重算法,以获得各个颜色之间整形性能的均衡。利用此算法,设计并加工了一片对双色LED进行整形的DOE,模拟仿真显示,其可以获得15.66%的RMSE以及0.22%的两色RMSE差异。实验获得的结果与仿真接近。接下来,进行了光学穿透式头戴显示中耦合器的研究。为了解决视场与衍射效率权衡的问题,提出了一种渐变体全息光栅的设计方案,并基于此提出了一种全息波导显示的设计方案。此方案通过在体全息光栅内部产生渐变的光栅周期和光栅倾斜角,改变了局部光栅的角度选择曲线,从而使光线只在目标位置高效率的出射,因此获得了较大的视场、较高的光能利用率以及较高的亮度均匀度。实验证明,此设计方案可以获得20°的视场角、在宽谱光源下31.9%的光能利用率、在激光光源下52.3%的光能利用率,以及较高的亮度均匀度。因此,其有望在将来被广泛的应用于使用增强现实技术的各领域中。最后总结了本文的研究工作,指出了以后的发展方向。