头盔显示器是一种将微显示器显示的虚拟信息投射到人眼供用户观察的目视光学系统,随着近年来信息技术的快速发展,头盔显示器在日常生活中以及军事上的应用日益广泛,其在各个社会应用领域中都发挥着重要作用,因此对头盔显示技术的研究意义重大。但是目前头盔显示器普遍存在体积大、重量大的问题,这已经成为制约头盔显示器发展的重要因素。为了满足头盔显示器小体积、轻重量、大出瞳的发展要求,本文基于平板光波导仿真设计了微反射镜阵列结构和表面微结构波导显示光学系统,系统波导厚度仅为3mm,并能实现系统一维扩展出瞳。针对出瞳扩展问题本文进一步提出并设计了光栅平板波导显示光学系统,采用光栅作为光耦合元件,解决了微结构平板波导的厚度与出瞳扩展间的矛盾。光栅平板波导系统利用附着于平板波导表面的三块光栅可以实现系统出瞳的二维扩展,且波导厚度也仅为3mm,减小了显示系统的重量和体积。本文仿真了红、绿、蓝三色光的单波长光栅平板波导显示光学系统,实现了二维出瞳扩展,系统的出瞳大小扩展为入瞳的两倍,且成像效果清晰。最后为了实现多色出光,利用双色光源对光栅波导显示系光学统进行了研究,对光栅波导多色出光的可行性进行了验证。本文基于平板光波导设计的波导显示系统有助于头盔显示系统向轻型化、小型化、大出瞳的方向发展。