为了实现增强现实头戴显示系统全色显示功能，建立了多层全息平板波导显示系统，并对该系统所采用的衍射原理、光栅常数及对应衍射波长等技术参数进行了研究。首先，根据光栅方程及全反射理论，介绍了全息平板波导入耦合光栅常数与传输光波长之间的限制关系。其次，为了实现光瞳扩展，介绍了转折光栅、出耦合光栅与入耦合光栅之间的限制关系。在此基础上，以550 nm绿光为例仿真设计了单层全息平板波导显示结构。然后，以单层全息平板波导为基础，建立了以685 nm、550 nm和437 nm作为三基色的三层全息平板波导显示系统。最后，使用digital light processing投影系统为光源检验了三层全息平板波导加工样品的出光效果。实验结果表明，三层全息平板波导可以实现光瞳扩展和全色显示。多层全息平板波导能够实现增强现实头戴显示系统全色显示。

为实现头戴显示器(HMD)的轻小型化，设计了一种新型的半透膜阵列平板波导式HMD光学系统。利用两个互相垂直放置的半透膜阵列波导实现了目镜出瞳的扩展，使得小出瞳目镜即可满足HMD使用需求，在缩小目镜体积的同时减轻了系统重量。通过对半透膜阵列平板波导结构的理论分析和光学系统建模，讨论了系统成像质量和出瞳辐照度分布规律。该系统总重约36 g，视场为15°×20°，出瞳7 mm×12 mm，畸变小于0.13%，点斑均方根半径小于3.75 μm，波像差均方根小于0.045λ，各视场光学调制传递函数在40 lp/mm时大于0.58。结果表明，半透膜阵列平板波导装置能够有效扩展目镜出瞳，该系统能够满足HMD的使用要求。

为了提高全息光学系统的光学效率，提出用分光棱镜和光栅对图像进行出瞳扩展，并通过双光栅设计改善光学系统的成像质量。通过光学系统建模，分析了光学系统成像质量并进行仿真。光学系统的视场为20°×20°，出瞳大小为20 mm×20 mm，剩余波像差为0.075λ，畸变小于0.01%，调制传递函数(MTF)接近衍射限。对于零视场光学系统的出瞳具有完全均匀辐照度分布，光能利用率约5%~6%。而对于20°视场系统出瞳辐照度均匀性略有下降，光能利用率为3%~4%。结果表明，该全息波导系统显著提高了全息波导头盔显示系统的光能利用率。并且棱镜波导系统具有高度可行性，可以应用于新一代头盔显示技术。