随着物质生活的迅速富足,人们越来越注重精神享受。作为人类感知世界的主要窗口,视觉感受一直是人们追求的重点。传统的氙灯光源投影显示系统渐渐无法满足大屏幕、高分辨率、高亮度、真色彩等要求,人们纷纷将目光投向了激光投影显示。激光投影显示技术由于其大色域、高亮度、低功耗、长寿命等优点,被认为是下一代主流显示技术,激光投影显示也成为了当前国内外各大投影显示厂家的主流发展方向和技术竞争的焦点。激光光源的应用使得激光投影显示系统与常规光源的投影显示系统有很大不同,因此引入了以下的问题需要解决。第一,圆形高斯激光束如何充分均匀照明矩形空间光调制器的问题;第二,如何有效抑制投影图像中存在激光散斑的问题;第三,结合前两个问题,如何设计出高能效,紧凑的光学引擎结构。基于上述背景,针对以上问题,本论文重点研究了利用衍射光学元件DOE(Diffractive Optical Element)来实现激光束的整形匀化,同时结合DOE对同时实现激光整形匀化与散斑抑制的方法进行了研究,并基于DOE设计了新型的紧凑的激光投影光学引擎。主要研究内容包括:1、基于DOE的激光束整形匀化方法研究。结合激光投影显示系统的照明需求,采用傅里叶迭代算法设计了口径为16.5mm的8台阶位相结构的DOE,利用多掩膜套刻刻蚀工艺加工制造了所设计的DOE,并对其性能进行了测试。测试结果显示了DOE良好的整形性能,但DOE生成的矩形光斑中存在大量散斑,光斑的均方根误差RMSE(Root Mean Square Error)为67.67%。为抑制光斑中存在的散斑,进一步提升光束匀化效果,提出了一种精细化设计方法来改善DOE的性能。仿真结果表明,利用精细化设计算法设计的DOE的衍射光斑中的散斑被较好抑制,光斑的RMSE降至21.52%。2、激光散斑抑制方法的研究。分析了激光散斑的成因、描述了激光散斑的一阶统计性质和二阶统计性质,并分析了多幅散斑图样叠加的情况。在综合已有散斑抑制方法基础上,结合DOE提出了三种同时实现激光整形匀化和散斑抑制的方法,包括振动DOE的方法,基于位相分布限制DOE的方法以及基于硅基液晶的方法。针对振动DOE的方法,结合所设计加工的DOE,利用搭建的测试平台,研究了DOE的振动频率、振幅与散斑抑制以及能量利用率之间的关系;针对基于位相分布限制DOE的方法,在位相均匀分布的条件下,理论分析了波前位相分布范围与激光散斑对比度之间的关系;在基于硅基液晶的方法中,研究了叠加多幅散斑图样对散斑的抑制效果,并分析了叠加图样之间存在相关性对散斑抑制效果的影响。3、基于单片DOE的3DLP(Digital Light Processing)激光投影显示光学系统的设计。结合前两部分内容,提出了一种新型的基于单片DOE的3DLP激光投影显示光学系统结构。对光学系统中的激光光源部分、DOE照明光路部分以及投影物镜部分进行了设计,并对整体系统进行了建模仿真。结合仿真结果与已有的激光投影显示系统进行了分析比较,从多方面分析验证了新型系统的优良性。