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。

微型化、轻型化的穿透式平板显示是近年来穿透式头盔显示的主要发展方向。本文针对传统的 45°倾角半透膜阵列式平板显示的鬼像产生问题进行分析，提出了一种改进型的平板显示结构。通过减小膜层倾角，不仅使得各视场光线在波导中的倾角增加从而保证出瞳扩展，而且改变了产生鬼像光线的传播路径。同时，采用有膜层和无膜层的双层波导结构以及特定的尺寸限制，有效地约束鬼像产生的条件。根据分析计算，设计了一种膜层倾角为 24°的系统结构，实现了水平和垂直方向的二维扩展，以及 20°水平视场和 13.4°垂直视场的显示输出。