头戴显示系统是将微显示器与传像系统相结合的目视光学系统,可在观察者眼瞳直接呈现微显示器上的图像信息,被广泛应用于虚拟现实系统以及增强现实系统。头戴显示器最初多应用于军事领域,随着时代发展以及技术进步,现已扩展到社会生活的方方面面。为了适应头戴显示系统轻型化、小型化的发展要求,同时提高系统效率以及出瞳处视场均匀性,本文以全息光波导结构以及半透膜阵列波导结构为设计原型,提出了全息半透膜混合平板波导结构以及基于表面微结构平板波导结构。文中首先对两种结构基本原理以及系统光路进行阐述,深入分析系统内各参数之间的约束关系,综合目镜准直系统对整体结构进行设计、优化以及仿真,章节最后分别对两种设计结构进行实验验证系统成像效果。为了解决传统三级光栅结构系统衍射效率低的问题,提出以半透膜阵列为入耦合结构,以全息光栅为出耦合结构的新型平板波导结构。该系统可以实现视场角为2015???,出瞳区域为2020?mmmm的大视场、大出瞳显示效果。通过仿真计算,系统系统出瞳处视场均匀性良好,光能利用率可达到17%,相对于三级光栅结构,系统效率显著提升。依照导光板设计原理,以半透膜阵列波导结构设计为原型,设计了基于表面微结构的平板光波导结构。相比于传统半透膜波导结构,该系统可消除半透膜结构中多次反射引入的鬼像问题。文中设计了三角形微结构平板波导,并针对三角形微结构平板波导系统问题,提出改进型微结构平板波导结构。改进型微结构平板波导结构以三角形微结构进行垂直方向出瞳扩展,以梯形微结构进行水平方向出瞳扩展,系统视场角为30°,出瞳区域为2015?mmmm。系统内平板波导工作表面以及微结构工作表面光线均发生全反射,所以结构几乎不存在能量损失,系统光能利用率远高于传统镀膜反射波导结构,同时出瞳出视场均匀性更好。