头盔显示器作为现代显示技术中不可或缺的一部分,以高沉浸感,人机交互实时性以及简易便携性,在军事作战、教育培训、医疗卫生以及影音娱乐等领域有着广泛的应用前景。微显示器技术、传感器技术、多焦面显示技术、视网膜投影技术、光场显示技术、全息技术等新兴技术的迅猛发展,推动着头盔显示技术也朝着轻薄化,智能化,人性化的方向不断前进。目前,视觉疲劳感的存在是制约头盔显示技术发展的重要因素。本文提出了一种基于衍射光学元件的头戴式3D显示技术,利用像素型纳米光栅结构在近眼处重构光场实现头盔显示效果,获得更加轻薄、真实的显示体验。更进一步的,本文通过超视角分布技术,实现了单眼多焦面的调节,验证了利用该方法解决单眼调焦与双眼辐辏之间矛盾的可行性,有望缓解头盔显示中普遍存在的视觉疲劳问题。本文首先利用时域有限差分法对纳米光栅的结构参数进行了优化,分析了纳米光栅的槽深,占空比对衍射效率的影响,结合广义光栅方程对像素光栅的周期与取向等参数进行设计,实现了视点的定位分布,为头盔显示效果和单眼动态调焦效果创造了条件。接着,阐述了紫外连续变空频光刻系统制备像素型纳米光栅的原理,基于紫外连续变空频系统的精度对衍射光栅在4F系统中的基准位置进行了标定,设计制作了用于限制像素型纳米光栅单个像素尺寸的视场光阑,最终通过双光束干涉光刻完成了基于像素光栅的纳米镜片制作。随后,通过对人眼生理结构和特性的分析探究了双目视差实现头盔显示的基本原理,阐述了超视角理论对单眼多焦面的形成机理。基于像素型光栅实现的位相调制与图形编码振幅调制相结合重新对近眼光场架构,实现了良好的虚拟现实显示效果。实验中采用幅面为3cm*3cm的纳米镜片以设计视角间隔为1°的4视点分布实现的焦深调节范围大于3cm,验证了单眼动态调焦以解决辐辏调节矛盾的可行性,从而为解决视觉疲劳提供了新途径。