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头戴式增强现实（Head Mounted Display-Augmented Reality,HMD AR）是目前信息显示技术领域的热点。在实现HMD AR的各种技术方法中,光波导技术由于其轻薄的体积和较大的出瞳面积成为HMD AR的主流技术方案。波导耦合是光波导显示系统中最关键的技术,直接决定了波导显示系统的成像效果。本课题组利用偏振光取向技术与液晶自组装特性研发了一种新型耦合光学元件——偏振体光栅（Polarization Volume Grating,PVG）,该光栅具有较宽的响应带宽和独特的偏振特性,将其应用于光波导显示中可以提高最终成像的视场角（Field of View,FOV）与色彩表现等性能。然而,由于同时涉及复杂的物理光学与几何光学原理,目前对于PVG全息波导显示系统缺乏有效的成像仿真方法,因此亟需一种针对PVG全息波导显示系统成像的仿真工具。为了解决这个问题,本文开展了以下三个工作:（1）利用严格耦合波分析（Rigorous Coupled Wave Analysis,RCWA）理论建立了PVG的电磁场计算模型,并利用该模型仿真了PVG的衍射特性和偏振特性。仿真结果表明PVG对入射光的偏振态具有敏感性,即PVG对旋向与液晶光轴相同的圆偏振光表现出高衍射效率。仿真中还发现PVG的液晶光轴倾斜角会影响PVG的偏振敏感性和衍射光的偏振态。（2）在光学设计软件ZEMAX中完成了PVG的实现与优化。通过C++编程方式,将PVG的RCWA模型包含在动态链接库（Dynamic Link Library,DLL）中,在ZEMAX中调用该DLL实现了PVG衍射物理光学与成像系统几何光学的融合,并利用蒙特卡罗方法对ZEMAX光线追迹方法进行了优化,大幅提高了PVG波导显示系统的仿真速度与精度。测试证明,改进后的ZEMAX具备了PVG元件的仿真功能。（3）使用改进后的ZEMAX建立了PVG全息波导显示系统,仿真了一维扩瞳结构和二维扩瞳结构的成像效果,并对仿真结果中出现的亮度和色彩不均匀情况进行了分析。利用多层复合光栅对波导显示系统的FOV的进行了扩展,并使用复合光栅和三层波导结构两种方法实现了彩色波导显示。本论文针对PVG结构建立了RCWA电磁场计算模型,并通过DLL在ZEMAX中调用该模型,使ZEMAX具备了PVG全息波导显示系统的成像仿真功能,为PVG全息波导显示系统的实现提供了仿真工具。