随着技术的迅猛发展,为满足现代空战中飞行员显示器件轻型化、大视场、随视跟踪、高分辨率、全彩化等要求而逐渐列装的头盔显示器(Head Mounted Display)开始得到了民用消费市场的广泛关注和深入的研究。在衍射光波导器件中,体全息光栅(Volume Holographic Grating)波导方案是一种极具潜力的技术途径,该路线在衍射效率、制备成本以及设计加工难度等方面具有显著的优势,行业内相关工作者对于该方向的探索从未停歇。但就目前而言,基于全息体光栅的全息波导显示技术还处于研究阶段,尚有几个方面的问题亟待解决,其中包括:1,缺乏涵盖几何光学与波动光学的统一系统仿真平台,同时综合远场成像与近场耦合计算意味着巨大的算力需求;2,受限于全息材料折射率调制度较小等原因,系统的视场角带宽(FOV)较小;3,大出瞳情况下的显示均匀性、清晰度、色彩等方面还未达到商用要求的水平;4,其批量制备的工艺方法与设备也有待进一步的研究与开发。针对上述问题,本论文对彩色全息波导显示系统进行了深入的研究与开发,掌握了其中涉及的几项关键技术,主要开展了以下几个方面的工作,并取得了相应的成效:基于波动光学与几何光学原理,首次通过自编程序接口与商用软件平台的结合,建立了全息波导显示器件特性与成像模拟系统仿真平台;并通过仿真与实验的结合,揭示了全息体光栅、波导结构相关参数与系统成像性能之间的相关性,指出了影响系统指标的关键因素,并对其做出了相应的优化。通过自主配置和优化光致聚合物全息材料,设计优化全息波导显示器件结构,优化光栅参数与全息曝光制备工艺等三个技术维度,建立了体全息光栅波导显示系统视场角带宽扩展方法,并进行了原理性的设计与实验验证。首次研究分析了大视场下,全息波导显示系统出瞳均匀性问题。论文对较大FOV范围内从不同耦入角度的载像光波在波导内传导过程及耦出过程进行光线追迹,抽象出输出光强与FOV角度、传播路径上耦出光栅局部峰值效率,显示均匀性之间的关联关系模型,选择出瞳光强样本群的变异系数作为系统出瞳的均匀性判据,通过遗传算法程序,优化耦合输出光栅的效率分布,在保证系统整体光效的同时,优化系统出瞳在红、绿、蓝、白场显示时亮度均匀性大于25%的要求。另外,光栅器件对波长的选择性,以及自身的色散特性,对实现彩色显示系统的要求是一个极大的挑战,论文从波长复合与层叠,系统色偏机制的研究上,深入讨论了全息波导显示系统彩色实现的技术与方法;文中通过对彩色全息波导显示系统中的上述关键技术的深入研究,开发了全息波导显示系统仿真设计模型,研制了高性能的光致聚合物全息材料,初步建立了全息体光栅制备工艺体系,设计并成功研制彩色全息波导显示系统原理样机。该样机出瞳面积达到23mm*23mm;FOV达到35°*25°,光效达150nit/lm,达到国内领先水平。