基于全息波导的增强现实近眼显示技术可以直接为用户双眼提供虚实融合的图像信息，形态相对便携，近年来发展较为迅速。但目前报道的全息波导近眼显示多采用平板波导结构，一般需额外添加曲面护目镜，系统体积相对较大。因此提出基于柱面全息波导的增强现实近眼显示方法，实现了近眼显示从传统平板全息波导形态到曲面类型全息波导的拓展。提出柱面全息波导的全息曝光制备方法并制备柱面全息波导，搭建柱面全息波导近眼显示平台实验系统，实现了出瞳大小约10 mm，单目视场角约24°的增强现实显示效果，将为曲面波导与曲面护目镜的结合提供技术基础。

为了满足用户对虚拟现实头戴显示器大视场和高分辨率的需求, 采用逆向设计方法, 通过理论计算与软件仿真, 设计了一种同轴大视场虚拟现实型头戴显示器的光学结构。结果表明, 每个通道采用3片非球面透镜, 全视场角为90°, 出瞳直径为8mm, 出瞳距离为13mm, 在奈奎斯特频率10.58lp/mm处调制传递函数大于0.3, 最大畸变为6.1%; 与参考文献相比, 此结构分辨率高、畸变小、像差平衡合理。该设计为优化大视场头戴显示器的光学结构提供了参考。

为了满足虚拟现实头戴显示器大视场、大出瞳和高成像质量等要求, 采用非球面透镜设计了1种3片式虚拟现实头戴显示器光学系统, 对光学系统进行了公差分析。结果表明, 光学系统的平均调制传递函数（MTF）值均满足传递函数的要求；系统视场角为90°、出瞳直径为8mm、系统重量为33.67g、总长小于60mm、频率为9.31lp/mm时的MTF值均优于0.272, 最大畸变为8.17%, 最大垂轴色差为36.2μm, 小于一个像素尺寸；与已有研究相比, 增加了视场角、出瞳直径和出瞳距离等参量的信息, 提高了成像质量。该研究为沉浸式头戴显示器的光学设计提供了参考。

目前头戴显示器体积大、重量大、视场角小, 为了满足用户对轻小型头戴显示器的使用需求, 以冉斯登目镜为初始结构, 采用ZEMAX软件对其优化, 并进行了像质评价和公差分析。结果表明, 双目系统中的每个通道仅使用两片透镜, 光学系统的最大视场角为80°, 总长为54.24mm, 最大畸变小于4.7%, 两片透镜重量小于11.5g, 与相关研究比较, 增加了视场角和像素数量, 减小了体积, 提高了调制传递函数。该头戴显示器具有一定的市场前景, 能够为轻小型头戴显示器的光学设计提供参考。

视场角(FOV)和分辨率是头盔显示器(HMD)非常重要的两个参数。但是由于“视场角-分辨率不变量”的存在,限制了单一通道头盔显示器同时实现大视场角和高分辨率的能力,通过拼接的方法可以有效地打破这个限制。利用4个经过精密切割的球面透镜进行拼接,组成双目头盔显示器,每只眼睛各包括两个通道。目镜由两个通道组成,水平视场角为111.4°,竖直最大视场角为90°。在原型机中,用三个6 inch (15.24 cm)、分辨率为1920 pixel×1080 pixel的液晶显示屏作为图像源。单目角分辨率达到3.85 arcmin。通过3D打印的方式制作了头盔显示器原型机的外部结构。对于拼接系统中的关键问题,如出瞳直径和出瞳距离进行详细讨论。基于这些讨论,在LightTools中对人眼视网膜的光强分布进行仿真。另外,根据镜片设计的畸变数据获得了处理之后的畸变图像。对原型机进行图像显示实验,验证所提方法的可行性。

头戴显示系统在现代教育、医疗和娱乐等领域具有广泛的应用,离轴反射式头戴显示光学系统是头戴显示系统的一种设计形式,既能满足小型化和结构紧凑的需求,又能实现宽光谱成像,无需校正色差;然而,现有离轴反射式头戴显示光学系统的设计难以满足大出瞳直径和小F数相兼容的要求。针对该问题,提出基于光学自由曲面的离轴两反头戴显示光学系统,实现了大出瞳直径和小F数。该自由曲面头戴显示光学系统分别采用双曲率基面自由曲面和XY多项式自由曲面,出瞳直径为10 mm,F数为3.0,视场角为28°,出瞳距大于15 mm。该系统的成像性能满足要求且优于现有设计结果。

头戴显示器光学系统由于焦距短、视场大而容易产生图像畸变。提出了一种头戴显示器的图像畸变测量方法，采用单位矩阵的傅里叶变换图像作为标准测试图形，应用傅里叶变换分析了头戴显示器光学传递函数与测量图像球面化畸变的关系，得到了形状不变的关系曲线。实验测量了5种头戴显示器的图像球面化畸变，得到的负球面化枕形畸变范围为-22%~-65%。结果表明：头戴显示器的球面化图像畸变量CVR与方格成像实验的畸变量D具有一定的线性关系，且球面化图像畸变量CVR的测量简单，能体现头戴显示器的整体图像畸变程度。该研究结果对头戴显示器的图像显示质量测量具有一定的参考价值。

衍射光栅是全息波导头盔显示系统中的关键元件, 但在彩色显示中, 因其特性, 红绿蓝三色波长的入射光会衍射不同的角度。在波导中经历数次全反射后, 三色光在出射光栅的不同位置处出射从而造成色散。针对彩色全息波导头盔显示系统中的色散问题, 结合全息波导系统本身的特点, 提出了采用多层波导的方法矫正色散。根据不同波长入射光的衍射角, 设计了四层波导, 每层采用不同折射率的材料, 对各个波长的光路进行矫正, 以此来达到矫正色散的目的;最后通过仿真分析验证设计的准确性。结果表明, 红绿蓝三色的光线几乎在同一位置处出射, 三色图案高度重叠。因此采用所提多层波导设计的方法能够有效解决全息波导头盔显示系统中的色散问题。

视网膜投影显示(RPD)是头戴显示器(HMD)领域的一个研究热点,能够克服传统HMD辐辏聚焦矛盾(VAC)。为了使RPD小型便携化,以微机电系统(MEMS)扫描镜作为空间光调制器(SLM)设计制造了折反式激光RPD系统。首先,介绍了辐辏聚焦矛盾,分析了RPD的基本原理。通过传统的RPD光路结构,实验验证了以MEMS激光扫描投影作为图像源的麦克斯韦观察法原理的可行性,分析并解决了黑斑问题。接着,完成了RPD系统的光学设计,分析评价了系统的性能。最后,制造出小型便携式的原型机,原型机瞳距可调,视场角为30°(H)×22°(V),无畸变,并通过实验对其显示效果进行了验证。